毕业设计外文翻译4

考虑应力释放的影响

摘要：在隧道设计中，支护时间的确定和刚性的支护体系对于维持隧道稳定是

非常重要的，该研究所采用的收敛—约束法来确定的隧道的应力和位移，同时考

虑到了地基承载力反压力曲线的位移、应力释放的影响以及隧道衬砌和岩石隧道

周边洞室的相互作用，这个结论可以确定支护的时间和支护结构的强度和刚度。

结果表明，当位移u0在0.0865米到0.0919米之间时取一个合适的位移值，我

们就可以通过架设支护结构来满足隧道的稳定性和经济的要求。

关键词：隧道支撑结构稳定性反压力曲线应力释放的影响

1、引言

岩石在自然环境中，特别是在深部地层当中，常常受到上部地层和重力的影

响，由于这些因素的影响在岩体当中二次应力的发展是非常复杂，难以界定的。

隧道开挖过程中，一部分的岩石通常会受到来自隧道洞顶岩石的去除而产生的力

—拉应力，有时拉应力会相当高，都会在隧道围岩的周边产生，由于岩石开挖洞

周应力的释放会导致周边围岩的变形，从三向应力状态转变为双向应力状态。在

隧道施工过程中，架设支护结构的目的是为了提高和维持岩体的自承能力，以最

大程度的发挥岩体的承载能力，并且在岩体内产生有利于发展的内应力场。

1938年，芬纳进行了上部地层和水力结构相互作用方面的研究，并发现了

基础的特殊变化曲线和弹塑性介质的解决方案。1963年，Pacher进行了同样的研

究，并取得了同样的结果。当隧道设计考虑上部地层和水工结构之间的相互作用

时，其结果采用新奥法（NATM）施工和实际结构是比较适合的。此外，在隧道设

计中，隧道衬砌和洞室周围地层之间的相互作用，以及相应的地基反压力曲线，

通常被考虑在内（Panet和Guenot1982;Panet1995年）。在隧道设计中收敛—约

束法通常被认为是有效的。2007年，在越南Nguyen通过研究改变地下水压力载荷，

从而影响隧道衬砌的结构，在同一年，Vu和Do也采用收敛—约束的方法对隧道进

行设计计算，并假定U0为初始变形值。

根据Fenne（1938年）和Pacher（1963年）的研究，如果一个刚性支撑结构

②（如图1）架设的比较及时，会因为开挖洞室周围变形不够大而先达到平衡，

之后它将会有更大的承载能力。在Pi曲线外的C点（如图1），岩石性质将变为非

线性（塑性）。当支护结构①安装后产生了一定的位移（A点），则该体系达到与对隧道衬砌较小的均衡负载，之后围岩开始松动，曲线将达到其最低值（如图1

中B点），而隧道衬砌压力则增加的非常快。如果使围岩变形得到适度发展后施做

支护结构，则作用在支护结构上的压力将达到最小值，将不会导致隧道的失稳。

图1所示：

图1：根据Fenner(1938)andPacher(1963)得出围岩和支护特征曲线。

式中：Pi—支护压力；

бr—径向应力；

Δr—径向位移；

ri—隧道半径；

Pia、Pil—分别为内、外衬砌的支护抗力；

这项研究证实了收敛—约束法再考虑地层反压力曲线、应力释放效应以及隧

道衬砌和洞周隧道洞室相互作用条件下，可以确定隧道的应力和位移。

2、地层结构模式

2.1地基反作用力曲线下的应力计算

事实上，静水压力也就是初始应力（侧压力系数为1），洞周开挖的支护半

径用ri表示，如图1所示(HoekandBrown1980)，塑性区半径的假设条件是依据

初始应力场的大小P0、支护压力Pi

和岩石材料的特性而定。图2隧道洞周弹塑性应力分布图

塑性区内的应力计算公式：

其中：P—岩石

密度

g—重力加速度

H—洞室埋深C—岩石的内聚力

—岩石内摩擦角

弹性区内的应力计算公式(r≥re)：其中：—径向应力；

—切向应力；（摩尔应力圆）

（塑性区）（弹性区）

(2)r—洞周地层任意点离洞室中心的距离；

塑性区内的应力计算公式(ri≤r≤re)：其中：隧道的径向变形：其中：G—岩体的剪切模量其中：γ—岩石的泊松比；

Ψ—岩石剪切滑移面的倾角；

2.2隧道洞周沿轴线方向上的径向位移和应力释放系数

在掌子面和未开挖岩石的影响下，未加固围岩的最大径向位移Umax在距离掌

子面只有仅仅的一段距离（通常实验测量结果是1.53×2ri）。在现场实测数据的

基础上，两位研究人员通过量测半径为ri的隧道，建立了Ur/Urmax和距离隧道掌子

面距离x之间的关系，如图3中所示的弹性模型。1995年Panet建议采用如下的系

数公式，来表示Ur/Urmax和X之间的关系：(3)

(4)

(5)

其中：λd—应力释放系数；

公式（6）适用于x为正值（即前方的掌子面），如图4所绘。

1998年，Chern在Mingtam电力隧道工程中，做出了在隧道洞穴附近收敛量

测值一览表，根据这些测量的数据绘制在图4所对应的点上，1999年Hock建议采

用如下的经验公式，来最恰当的表示Ur/Urmax和X之间的关系：

图3表示未支护隧道ur的径向位移

图4从弹性模型派生的最适合隧道测量的数据曲线

2.3支护结构特征曲线

特性曲线显示了支护结构的支撑性能（如混凝土、喷射水泥砂浆、岩石锚杆(6)

(掘进方向)(掌子面)(7)和型钢），它是根据支护压力Pi和径向位移ur之间的线性关系，并应用到了沿隧

道单位长度轴线方向上的支护区域。

假设支护结构的刚度为K，则支护特性曲线的弹性区域，可以用下列公式计算：混凝土及喷射水泥浆结构的刚度系数为：

其中：Ec—喷射混凝土的弹性模量；

γc—喷射混凝土的泊松比系数；

tc—衬砌厚度；钢拱支撑的刚度系数表达式：

式中：s—钢拱支撑沿洞周轴向的间距(m)；

θ—振动棒之间夹角的一半(o)；

w—夯实块的宽度(m)；

As—钢拱支撑横截面的面积(m2)；

Is—钢拱支撑的惯性矩(m4)；

Es—钢拱支撑的弹性模量(Mpa)；

tB—垫块的厚度(m)；

EB—垫块的弹性模量(Mpa)；

一段长为lb和直径为db的机械式锚杆以及黏结式锚杆的支护刚度用如下表达式计算：

式中：Sc—锚杆的环向间距；(8)

(9)

(10)

(11)S1—锚杆的轴向间距；

Q—拉力锚；

Eb—锚杆的弹性模量；

l—螺栓的净长度；

当采用组合式支护结构时，组合式支护结构的组件都假设在同一时间被架设，则组合式支护支护结构刚度可假定为各部件支护刚度的总和：

式中：Ks1—第一个支护结构的刚度；

Ks2—第二个支护结构的刚度；因此，支护结构特征曲线公式如下：

式中：up—塑形区边缘的径向位移量；

uo—开挖引起的隧道初始径向位移量（由应力释放效应而定）；

3、案例分析

3.1、与设计参数相关的例子

对theBanVeHydroelectric水电厂引水隧洞进行了一次调查，得该隧道

的材料参数见表1。

表1隧道物理力学参数

M300喷浆机喷射厚度为10厘米的水泥浆液和直径为20毫米、长度为2米的钢

锚杆组合在一起被应用到支护结构上，沿隧道洞周的锚杆轴向间距为1.5米，

Matlab编程语言被用于计算当中。

3.2、计算结果与分析

地层压力值P=7.3008MPa.图.5和6分别表示的塑形内和弹性区的应力，从图

5可以看出，最大塑性区半径为remax=1.1451m，因此在弹塑性边界处压力值为б

re=4.0195MPa的压力，这个最大压力值是支撑结构所能够承受的，最大位移

P=0.1118米相当于Pi=0（无支护时）的大小，图7表示了在没有支护的情况下，(12)

(13)沿隧道轴线方向上的应力释放系数，围岩与支护结构的的初始位移特征曲线如图8所示。

图5塑性区范围内围岩应力图6弹性区范围内围岩应力

图7无支护时沿隧道轴线方向上图8围岩和支护结构不同初始

洞周的应力释放系数位移的特征曲线

基于fenner-Pacher理论和Vietnames地下工程设计施工标准（建设部

2003），我们通过比较可以得出支护结构的最大压力值（相当于弹塑性边界处的

бre应力），能承受上述分析结果的压力值。可以得出如下结论：

当支护结构的初始位移uo=0.083米以下时可以得出：隧道开挖后应立即进行

加固，支护结构的压力值Pi=6.902MPa＞бre=4.0195MPa，由于支护结构架设的不

及时，则施加支护后围岩将继续发生变形，这将导致围岩的局部失稳。

当支护结构的初始位移uo=0.087米时，将得到以下结论：围岩加固的范围x

为1.7085米，应力释放系数λd为0.4817。支护结构的压力值Pi=3.7818MPa＜б

re=4.0195MPa，若围岩发生适度变形，则隧道可保持稳定。

当支护结构的初始位移uo在0.093米时，将得到以下结论：围岩加固的范围x（塑性区半径）（弹性区半径）为3.74米，应力释放系数λd为0.7327。支护结构的压力值Pi=1.9511MPa≤б

re=4.0195MPa，若围岩发生很大变形，表明隧道将可能失稳。

当支护结构的初始位移uo在0.097米时，将得到以下结论：围岩加固的范围x

为6.8米，应力释放系数λd为0.868。支护结构的压力值Pi=0.9632MPa≤б

re=4.0195MPa，若围岩发生变形过大，将导致隧道洞顶岩石的松动从而增加围岩

的压力，则隧道失稳。

因此，在上述情况下，我们可以说当支护结构的位移uo在0.0865和0.0919米

之间时，我们可以通过设置支护结构来满足结构的稳定性和经济性的要求。

4、结论

总的来说，在这项研究中所描述的初始位移值uo比2007年VuandDo假设的

初始位移值uo更准确、更详细，通过对比，我们可以得到用应力释放效应来确定

uo值的大小，比排除应力释放效应提供的曲线方案(HoekandBrown1980；Wiliams

1997)更加完整。

上述结果显示，对于确定支护时间收敛—约束法是一种比较有效的设计方

法。这是一种完全不同于传统隧道的设计方法，该方法只适用于早期的围岩巩固

和隧道开挖后衬砌及早支护，它仅仅考虑到临时支护结构只承受松动岩石的载

荷，而忽略了岩体自身的承载能力。

然而，这个结论仅限于二维弹塑性模型，初始应力场（静力场）和环形隧道横截

面。因此，对于在非静力场的岩石或者非圆形隧道横截面的情况下，例如在非均

匀弹塑性模型、粘弹性模型、脆性模型等破坏性模型下，则该收敛—约束法需要

在隧道设计中进行更广泛的应用。

TunneldesignConsideringstressreleaseeffect

Van—hungDAO*1，2

．CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering，Hohai

University,Nanjing210098,PR．China

2．FacultyofHydraulicConstruction，WaterResources

University,Hanoi,Vietnam

AbstracIntunne1design．thedeterminationofinstallationtimeand