隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别

第26卷第6期 岩 土 力 学 V ol.26 No.6 2005年6月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2005

收稿日期：2005-03-08

基金项目：国家自然科学基金重点项目(50334060)、国家自然科学基金项目(5047025)、重庆市自然科学基金和重庆大学大学生创新基金 作者简介：李晓红，男，1959年生，博士，教授、博士生导师，主要从事地下工程和高压水射流技术等方面的科研和教学工作。

Email ：XHLi@https://www.wendangku.net/doc/bb15702165.html, 。

文章编号：1000－7598－(2005) 06―0850―05

隧道及地下工程围岩稳定性及 可靠性分析的极限位移判别

李晓红1，王宏图1，贾剑青1，杨春和2，胡国忠1，薛占新1

（1.重庆大学 西南资源开发及环境灾害控制工程教育部重点实验室，重庆 400044；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 武汉 430071）

摘 要：隧道和地下空间工程的稳定性和可靠性评价的问题一直是岩土工程界关注的难点问题。针对隧道围岩-支护系统的稳定性、可靠性、安全性的问题，采用以隧道及地下工程围岩变形位移为判据的隧道及地下工程围岩稳定性分析方法，分析了隧道及地下工程围岩位移的极限状态，提出了隧道及地下工程围岩极限位移的确定方法和大变形隧道及地下工程围岩极限位移的分析方法。结合工程实例，建立了以DGM （2，1）模型和Verhulst 模型为理论的隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报方法；在此基础上，提出了隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性位移判别准则。其研究和分析结果将有助于构建隧道及地下工程围岩稳定性分析的位移预测预报系统。

关 键 词：隧道及地下工程；稳定性及可靠性分析；围岩位移；极限位移判别方法 中图分类号：TU 457 文献标识码：A

Ultimate displacement discrimination of stability and reliability analysis of

surrounding rocks of tunnel and underground engineering

LI Xiao-hong 1

, WANG Hong-tu 1

, JIA Jian-qing 1

, YANG Chun-he 2, HU Guo-zhong 1, XUE Zhan-xin 1

(1. Key Lab for the Exploitation of Southwestern Resources & the Environmental Disaster Control Engineering, Chongqing University,

Chongqing 400044, China ；2. Institute of Rock and soil mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China)

Abstract: Stability and reliability evaluation of tunnel and underground engineering is a very difficult problem in rock and soil engineering. Aiming at the problem of stability , reliability and safety of tunnel surrounding rocks and supporting system, the ultimate displacement situation of tunnel and underground engineering surrounding rocks is analyzed by stability analysis method of surrounding rock displacement discrimination; and a method of determining the ultimate displacement of tunnel and underground engineering surrounding rocks and an ultimate displacement analysis method of large strain of tunnel and underground engineering surrounding rock are put forward. Combining with an engineering example and in accordance with DGM （2，1）and Verhulst models, a displacement forecasting method of stability analysis of tunnel and underground engineering surrounding rocks is proposed. At same time, a displacement criterion of surrounding rock stability and reliability is established. The study can help to build the displacement forecast system to analyze the stability and reliability of tunnel and underground engineering surrounding rocks. Key words: tunnel and underground engineering; stability and reliability analysis; displacement of surrounding rocks; ultimate displacement criterion

1 引 言

随着隧道和地下空间的开发不断地向深部发展，其稳定性和可靠性评价的问题一直是工程界关注的难点问题，也是当前研究的热点问题[1-2]，特别是“长、大、深”隧道和大型地下空间结构群的稳定

性及可靠性的问题已成为当前研究的重点课题[3-5]。

在隧道工程施工过程中所进行的围岩变形监测，可以有效地获得围岩稳定性控制所需的关键性的宏观信息[6]。对监测的围岩位移进行科学地预测预报，不仅是隧道工程最大限度地实现安全性和经济性统一的关键，也是进一步对围岩稳定性进行数

第6期李晓红等：隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别值计算和反演分析的基础。

隧道围岩-支护系统的稳定性和安全性是一个非常复杂的问题，由于受复杂地质条件的影响以及受经济、技术、时间等条件的限制，故对其定量信息的获取是非常有限的，对相应的支护措施与施工方法的变化也是难以准确定量预测的。由于围岩初始地应力与岩体力学参数在空间逐点变化还没有合适的理论计算方法，材料破坏准则也没有公认统一的理论方法，在围岩-支护系统的力学机理目前还不甚清楚的情况下，现场位移量测对隧道围岩稳定性及安全性分析尤其重要。隧道洞周的变形是围岩-支护系统力学性态及其变化的最直接、最明显的反应，也是对围岩-支护系统整体稳定性进行控制的最充分有效的参数。围岩变形监测是在隧道开挖过程中，对围岩-支护系统的变形过程进行的量测，是新奥法的三大支柱之——现场量测的首要部分。在隧道工程施工过程中进行现场量测，可以及时获取围岩变形量的动态信息，并反馈于修正支护参数与施工措施的预设计，充分发挥围岩的自承能力、支护的强度和变形能力，保持围岩稳定性，以达到令人满意的经济合理与施工安全的目的，这是新奥法的基本特点，也是信息化施工的实质。因此，在隧道开挖后支护初期，如何在复杂多变的地质、工程结构和施工条件下，确定极限位移，并根据现场的变形量测来有效、及时地判别围岩-支护系统的稳定性，对施工决策有特别重要的意义。

2 隧道围岩位移极限状态

以隧道围岩位移为判据的隧道围岩稳定性分析，是以现场量测到的围岩位移量和某一极限位移的比较来进行隧道围岩稳定性的判别，其关键和难点是隧道围岩及支护系统极限位移的确定。对于隧道开挖后未加支护的毛洞，其围岩原岩应力将发生重新分布，周边围岩首先因超过其强度而出现塑性屈服，随着地应力的进一步释放，塑性屈服区域随之扩大，隧道周边位移进一步发展，其围岩收敛曲线为发散的。毛洞的极限状态为围岩不发生有害松动时的状态，如图1所示。

初期支护一般由喷射砼和锚杆组成，必要时可以设钢筋网、格栅钢架或型钢拱架等，它在复合式衬砌中独立工作的时间较短，根据初期支护的稳定情况，需适时施作模筑砼衬砌(二次衬砌)。一般情况下，为充分利用围岩的自承能力，需及时施作柔性初期支护，允许围岩产生一定的塑性变形，但要控制围岩发生有害的松弛，因此，围岩变形达到有

图1 围岩特性曲线与支护特性曲线的关系 Fig.1 Relation between characteristic curve and

supporting curve of surrounding rocks

害松弛时即为隧道处于失稳状态。不同的围岩特性，在不同时间设置初期支护和选用不同刚度的支护结构，可使围岩收敛曲线与支护特性曲线产生不同的组合。对每一种支护来说都有一个由材质、几何形状、尺寸和工作条件所决定的极限承载能力，与之相对应的位移为极限状态位移。

由于初期支护与围岩紧密相联，初期支护的局部开裂和破坏不至于导致整个隧道的坍塌破坏，但支护体系的位移会显著增加，呈现出塑性变形性态。在初期支护的塑性变形过程中又伴随着破坏的增加和发展，当破坏发展到一定的范围，初期支护将起不到支护的作用，这是初期支护的过分破坏。初期支护与围岩共同变形的稳定状态就为初期支护系统的极限状态。

3 隧道围岩极限位移的确定方法

极限位移是隧道在某种极限状态下各控制点的位移，它是隧道所处的围岩性质、支护结构特性、施工等条件不能满足某项功能时位移临界状态的具体体现，可通过理论分析、现场调查和室内实验等手段确定。

极限位移的现场调查确定，不仅要统计隧道-围岩支护系统正常工作状态下的实际量测资料，而且更需要统计隧道破坏状态下的实际量测资料，但破坏状态下的实际量测资料极难收集。隧道的现场破坏试验和室内模拟试验当然是一种可靠的获得隧道极限位移的方法，但在现场是根本不可能进行一种破坏试验的；而室内试验对于不同围岩状态、不同隧道形状、大小、不同支护型式、不同施工方法等情况下的极限位移是不同的，所以这种方法因代价太高在实验中也是不可能实现的。在理论分析方面，对于非圆形断面、复杂地质条件、不同施工方法的解析计算几乎是不可能的。所以作者提出了在现场位移量测的基础上，用计算机数值模拟的方法来确定隧道围岩的极限位移。

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在隧道施工阶段，确定极限位移的方法如下： (1) 对隧道施工位移监测，监测数据用灰色预测及神经网络相结合的预测方法进行分析处理，并对位移时序曲线进行前推和预报，取得隧道开挖至量测获得第一次数据前的位移释放值和实测位移的 最终估计值。经过处理后的位移为隧道的实际位 移。

(2) 利用处理后的实际位移和补充的插值位移进行位移反分析，从而获得能反映实际地质、断面及支护性态的围岩力学特性及原岩地应力等参数。 (3) 以实现施工的隧道条件和反分析得到的原岩地应力或支护结构作用荷载等参数，进行数值计算模拟，获得能反映实际地质、断面及支护结构的隧道极限位移。

4 隧道围岩位移预测预报

隧道围岩稳定性分析位移预测预报系统的原始数据，从隧道围岩稳定性分析数据库管理系统的监控量测数据库中取得。在取得量测资料后，分别选择DGM （2，1）模型、Verhulst 模型及智能时间序列预测[7,8]模型预测围岩的最终位移，对各模型的预测结果进行对比分析，综合评价，以最终确定合理的位移预测值。灰色模型[9]的少数据建模使得它特别适合于围岩位移早期的预测预报。智能时间序列预测中神经网络[10]的容错性和自适应性，使得它能联想记忆，识别出量测数据中的噪声，从而给出正确的预测结果。

用弹塑性有限元法确定隧道围岩极限位移，然后，再用隧道围岩稳定性位移判据对围岩稳定性进行判别，通过以上分析，向工程施工决策者提出隧道围岩是否稳定的建议，为施工方案及支护参数选择提供参考。

以重庆市西山坪隧道一典型量测断面的累计水平收敛位移为原始数据列，采用线性-非线性GM 模型，分别建立DGM （2，1）和Verhulst 模型，对围岩变形位移进行预测。根据隧道围岩变形位移曲线基本特点，其位移时间序列本身一般呈“S ”型特征，可取原始数据为)1(U ，其一次累减（1—IAGO ）序列为)0(U ，趋势对)1(U 建立Verhulst 模型进行分析，计算a /b 值，以确定围岩变形的最终位移。线性-非线性GM 预测模型程序框图见图2。

（1）DGM （2，1）模型预测方程为： )1,2,1( 81.8)e 1(e 35.9)1(73.0t 73.0?=+?=+?n t t U L （1）

（2）Verhulst 模型预测方程为：

)1,2,1( e 88.027.029

.2)1(t

15.1?=+=

+?n t t U L （2）

DGM （2，1）模型和Verhulst 模型模拟预测结果及对比如表1和图3所示。

通过对该断面测量的位移分别进行 DGM （2，

1）模型及Verhulst 模型预测，其预测结果分别为8.80 mm 、8.50 mm ，实际测量结果为8.62 mm 。从图3可以看出，DGM （2，1）模型和Verhulst 模型模拟精度较高，Verhulst 模型又比DGM （2，1）模型模拟精度高。根据Verhulst 模型参数a 、b （14.0 ,15.1?=?=b a ），计算出围岩变形极限位移

图2 线性-非线性GM 预测模型程序框图

Fig. 2 Process of linear and nonlinear GM forecast progress

表1 线性-非线性GM 模型模拟预测结果

Table 1 Simulating result of linear and nonlinear GM model

模型模拟值/ mm 相对误差/ % 量测时间/ d

实测位移/ mm

DGM （2,1）Verhulst

DGM （2,1）

Verhulst

1 2.0 2.0 2.0

3 4.75 3.97

4 4.184 16.3 11.9

5 6.63 6.447 6.40

6 2.3 3.4

7 7.757.685 7.704 0.

8 0.6

9 8.148.268 8.234 -1.6 -1.2 11 8.388.549 8.418 -2.0 -0.5 13 8.538.686 8.478 -1.8 0.6 15 8.618.751 8.497 -1.6 1.3 17 8.62

8.783

8.503

-1.9

1.3

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第6期 李晓红等：隧道及地下工程围岩稳定性及可靠性分析的极限位移判别

图3 量测位移及各模型预测位移值

Fig. 3 Measuring and forecasting displacements

为8.506 3 mm ，该断面周边收敛位移的后续量测进一步表明，量测最终位移为8.62 mm ，剔除量测误差的影响，量测值与预测值基本相同，相对误差仅为1.32 %。由此可见，DGM （2，1）模型和Verhulst 模型模拟预测隧道工程围岩变形是可行的。

5 隧道围岩稳定性位移判别准则

隧道围岩稳定性位移判别是在隧道施工实测位移U 1与隧道围岩极限位移U 0之间建立判别准测。

（1）根据复杂地质条件下隧道和地下空间支护体工程失效机理，建立支护体可靠性功能函数。设影响支护体稳定性及可靠性因素的随机变量用U i 表示，建立其可靠性分析的功能函数：

) ,(10U U g Z = （3）

式中 U 0为隧道围岩极限位移，通过数值模拟、现场调查统计等方法来综合确定；U 1为隧道围岩实际量测位移，通过现场实测位移的灰色预测或神经网络预测等方法综合确定。

当Z >0，系统处于可靠状态；Z =0，系统处于极限状态；Z <0，系统处于失效状态。

（2）复杂地质条件下隧道和地下空间支护体工程中影响工程稳定性及可靠性各因素变量的概率分布函数和分布参数的确定。设相互独立的基本变量

10 ,U U 的分布函数分别为)( ),(101

U F U F U U ，因为

)(1

i U U F 位于区间[0,1]上，令j i U r U F =)(1

，j r 是用蒙

特·卡洛法产生的随机数），则)

( 11

j U i r F U ?=（n i L ,2 ,1=）。根据每个j r 值，可得到一组对应的基本变量值10 ,U U 。

（3）将产生的影响支护体工程稳定性及可靠性因素随机变量，代入可靠性分析的功能函数求得Z 的值，并判断该值是否小于0。对每一个随机数重复进行这些计算，直到完成预定的循环步骤为止。

（4）计算支护体破坏概率及可靠性指标。假设计算所进行的总的循环次数为N 次，得到可靠性分

析的功能函数),(10U U g Z =≤0的次数为M 次，只要N 足够大，便可得出支护体破坏概率：

N

M

U U g P P ==)}0 ,({10f （4）

根据复杂地质条件下隧道和地下空间支护体工程实际精度的要求，可规定必须实现的Z ≤0的次数M 。

隧道围岩稳定性判据必须符合每个量测断面复杂多变的地质、工程结构(支护类型与参数、断面、埋深等)与施工动态进程。由于隧道工程复杂性的影响，这种判据不可能提供精确的定量使用，而只是在定性规律符合实际的情况下，用以概略定量使用。随着隧道围岩变形施工监测资料及经验的积累，这种判据的误差将趋于减小。

隧道围岩失稳的经验性先兆有：隧道周边局部块石的坍塌或层状劈裂，喷层大量开裂；钢拱架扭曲变形；累计位移量已达隧道极限位移的2/3，且仍无收敛迹象；每日的位移量超过极限位移的10 %；围岩变形异常加速，即在无施工干扰的变形速率增大等。把这些经验性知识储存在知识库中，为决策支持系统进行正确的分析提供知识依据。

6 结 语

（1）以隧道围岩位移为判剧的隧道围岩稳定性分析，是以现场量测到的围岩位移量和某一极限位移的比较来进行隧道围岩稳定性的判别，其关键和难点是隧道围岩及支护系统极限位移的确定。根据本文的研究，DGM （2，1）模型和Verhulst 模型模拟预测隧道工程围岩变形是可行的。

（2）隧道围岩稳定性位移判据必须符合每个量测断面复杂多变的地质、工程结构(支护类型与参数、断面、埋深等)与施工动态进程。由于隧道工程复杂性的影响，这种判据不可能供精确的定量使用，而只是在定性规律符合实际的情况下，用以概略定量使用。随着隧道围岩变形施工监测资料及经验的积累，这种判据的误差将趋于减小。

（3）支护体稳定性及可靠性分析的关键是建立功能函数，确定影响隧道和地下空间支护体工程中，影响工程稳定性及可靠性各因素变量的概率分布函数和分布参数；同时，对影响支护体工程稳定性及可靠性因素的多个随机变量进行优化分析，提出合适的复杂地质条件下隧道和地下空间可靠性评价指标。

（4）隧道工程现行规范中的围岩稳定性判据都以周边允许收敛量或允许收敛速度等形式给出的，

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这些判据总结了新奥法隧道工程监控量测的实践经验。《锚杆喷射混凝土技术规范》(GBJ86-85)规定：监控量测数据应用回归分析进行处理，回归分析至少应在1～1.5个月的连续测试后进行。所以，GBJ86-85规范主要有效地适用于锚喷支护阶段的后期。而其它一些规范、指南也未对隧道开挖后支护初期围岩稳定性提出定量的判据。另外，现行规范给出的判据与一些工程施工状况和一些断面围岩变形的演变过程缺乏直接联系。对于软弱围岩或高地应力作用下的软岩等而言，有可能发生围岩失稳或大变形，而目前还缺乏一种行之有效的方法。本文的上述研究和分析将有助于构建隧道围岩稳定性分析的位移预测预报系统来解决这一复杂问题。

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隧道开挖围岩稳定性分析

隧道开挖围岩稳定性分析 发表时间：2020-04-03T01:52:44.878Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年24期作者：马智勇[导读] 我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。 中铁二十局集团有限公司 摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。 关键词：隧道开挖；围岩；稳定性 1地形地貌 隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。 2软弱岩群稳定性 2.1软岩地层工程地质特征 单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。 2.2软岩地层围岩变形分析 对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; σcm一一岩体单轴抗压强度; σci一一岩石单轴抗压强度; Pi一一支护压力; Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。 3坚硬岩组围岩稳定性分析 根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明: σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆 σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆 σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆 σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆 由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。应力集中的结果，使得洞壁附近的切向应力有可能超过其临界值，从而产生岩爆。为了计算围岩的切向应力(σ0)，首先需要作一定假设，将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv);其二维水平向正应力(σn)，它是根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出，其计算公式如下:

隧道围岩级别划分与判定

隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 1.1围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表1.1规定。 表1.1 围岩分级 注1 围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。 2 本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。 3 层状岩体按单层厚度可划分为 厚层大于0 .5m 中厚层0 .1~0 .5m 薄层小于0 .1m 4 一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m，服务年限小于10 年的工程确定围岩级别时可采用点荷载强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试 5 测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。 3公路隧道围岩分级 3.1公路隧道围岩分级 围岩级别可根据调查、勘探、试验等资料、岩石隧道的围岩定性特征、围岩基本质量指标（BQ）或修正的围岩质量指标[BQ]值、土体隧道中的土体类型、

密实状态等定性特征，按表3.1确定。当根据岩体基本质量定性划分与（BQ）值确定的级别不一致时，应重新审查定性特征和定量指标计算参数的可靠性，并对它们重新观察、测试。在工程可行性研究和初勘阶段，可采用定性划分的方法或工程类比方法进行围岩级别划分。 表3.1 公路隧道围岩分级 注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。 3.2围岩分级的主要因素 公路隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，并按以下顺序进行：(1)根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标（BQ），综合进行初步分级。(2)对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级基础上，考虑修正因素的影响修正岩体基本质量指标值。(3)按修正后的岩体基本质量指标[BQ]，结合岩体的定性特征综合评判，确定围岩的详细分级。 3.2.1岩石坚硬程度 1 岩石坚硬程度可按表3.2.1-1定性划分。 表3.2.1-1 岩石坚硬程度的定性划分 2岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度（Rc）表达。Rc一般采用实测值，若无实测值时，可采用实测的岩石点荷载强度指数Is（50）的换算值，即按式（3.2.1）计算： Rc= Is（50）0.75 (3.2.1） 3 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系，可按表3.2.1-2确定。 表3.2.1-2 Rc与岩石坚硬程度定性划分的关系 3.2.2岩体完整程度 1岩石完整程度可按表3.2.2-1定性划分。

(完整版)第八章地下洞室围岩稳定性分析

第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。 目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。 3．分类： 按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等； 按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室； 按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等； 按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类； 按介质，土洞和岩洞。 4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程： 地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时） （洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系） 第二节围岩重分布应力计算 1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。 2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面： ①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定； ②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算； ③支护衬砌后围岩应力状态的改善。 3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）： 指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。

一、无压洞室围岩重分布应力计算 1．弹性围岩重分布应力 坚硬致密的块状岩体，当天然应力()c v h σσσ2 1 ≤ 、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。 （1）圆形洞室 深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。 无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图

围岩内部位移量测

围岩内部位移量测 隧道围岩内部位移量测是通过钻孔位移计量测孔壁岩体不同深度的轴向位移。它不同于隧道围岩收敛观测，后者仅能测到洞室净空收敛变形，前者则能测到洞室围岩内不同深度上轴向变形。因此根据这些观测资料，可分析判断洞室围岩位移的变化范围和松弛范围，预测预报围岩稳定性，为修改锚杆支护参数提供重要依据。因此，隧道围岩内部位移量测的主要口的是为了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围，优化锚杆参数，指导施工。 实践证明，当隧道开挖后，岩体固有结构被破坏，块体间阻力削弱而变形松弛，坑道围岩应力重分布，坑道周边径向应力被释放，围岩内通常形成塑性区，一方面使应力不断地向围岩深部转移，另一方面又不断地向隧道方向变形并逐渐解除塑性区的应力。这种向隧道方向的变形，一般在开挖后24h内发展较快，而围岩开挖初始阶段的变形动态数据又在全部变形过程中占十分重要的地位，因此要求测点应尽快安装，并在下一循环开挖前获得初读数。 围岩内部变形量测的设备，主要是使用位移计。 当在钻孔内布置多个测点时，就能分别测出沿钻孔不同深度岩层的位移值。测点1的深度愈大，本身受开挖的影响愈小，所测出的位移值愈接近绝对值。 围岩内位移的量测多在软弱、破碎或具有较大地质结构面的围岩内进行。这类围岩本身力学性质复杂，受力变形规律不易预测，支护比较困难。进行围岩内位移量测，可以比周边位移量测获取更多的地层信息，特别是有关围岩内的信息，对分析围岩的位移规律，并据此调整支护参数，或设计新的支护结构大有助益。 实用中，一般根据量测结果，先绘出位移-深度关系曲线和位移-时间关系曲线。 如果在两相邻测点间位移突然变化，则表明在此两点间很可能有不连续位移发生，即松弛围岩的界面在此两点之间，调整支参数时，如有可能则应使锚杆长度超出此两点。如果相邻测点间位移变化比较均匀，且最深测点仍有较大变形，则表明围岩受到扰动范围较大，仅靠调整锚杆长度一般难以解决支护问题；这时应采取综合治理措施，采用特殊的钢支撑加锚喷（挂网）等方案进行初期支护，并在必要时加大二次衬砌的强度与刚度。通过位移一时间曲线，如果掌握了围岩内部随时间变形的规律，则可更好地用于指导施工，如确定复喷的时 间和二次衬砌的施工时间。

海底隧道围岩稳定性分析与控制研究

海底隧道围岩稳定性分析与控制研究 随着我国交通事业的大发展,将有大批量的越江跨海通道投入建设,水下隧道已受到越来越多的关注。与山岭隧道相比,跨海隧道通常具有地质勘探困难、单口连续掘进距离较长、衬砌结构受长期的动静水压力作用、防排水难度大、围岩成拱作用较低、不良地质体段易发生涌水事故等特点,因此在海底隧道衬砌结构的设计和分析计算方面,将具有与一般隧道不尽相同的关键技术问题,亟待在设计中着重反映。论文研究以我国目前蓬勃发展的海底隧道为背景,以富水条件下隧道围岩稳定性及其控制技术为研究重点,综合采用理论解析、数值模拟、室内模型试验和现场监测等多种研究手段,主要开展了以下方面的研究工作：(1)基于弹性力学中厚壁圆筒承受均布压力的拉梅解答和Mohr-Coulomb屈服条件,推导了考虑渗流场和围岩超前位移释放的含衬砌海底圆形隧洞的弹塑性解析公式。根据本文推导过程,可推演满足其它屈服条件和流动法则的隧道围岩应力与位移的弹塑性解答。 同时结合一座海底隧道的工程实例,本文采用解析公式对围岩塑性区范围、应力场、位移场和渗流场的分布进行了理论分析,得到了各场的分布规律和演化特点,并讨论了海底隧道顶板厚度、海水深度、内水水头、衬砌围岩物理力学参数及其渗透性关系等因素的影响规律。(2)基于前人研究成果,针对暗挖海底隧道开挖面围岩稳定性问题,总结了极限分析上限法、楔形体模型、二维对数螺旋线模型,以及条分法模型等4种理论分析模型,并考虑了开挖面滑移体上部地层压力等因素,对理论解析公式进行了修正。结合海底隧道工程实例,采用数值模拟方法,与理论解析方法进行了对比分析,并讨论了围岩粘聚力、摩擦角、海水水位、超前注浆等因素的影响。(3)依托厦门翔安海底隧道,对穿越陆域全、强风化花岗岩段的地层变形进行了现场监测,指出了产生地层大变形的力学机制,总结了拱顶沉降、海床沉降、地层水平变形、海床开裂随隧道施工过程的发生、发展规律,并建立了它们之间的关系,提出通过易于监测的隧道拱顶下沉量及收敛值判断海床地层的完整性,实现对海床状态的信息化控制。 (4)采用FLAC3D有限差分软件模拟分析翔安隧道穿越海域F1风化深槽段的围岩稳定性,指出地下水的渗流作用对海底隧道的围岩变形影响较大,由渗流引起的隧道围岩变形在向上传递过程中折减较小,且超前导洞开挖对围岩渗流场的

影响隧道围岩稳定性因素

B RIDGE&TUNNEL 桥梁隧道 毫无疑问，隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道，隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关，而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理，才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩，塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质，故对隧道围岩的稳定最为不利；脆1性围岩主要各类坚硬体，由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度，故这类围岩2的强度主要取决于岩体的结构，岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度，可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整。那么，隧道开挖后，围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏， 即使发生破坏，变形的量值也是较少 的。这种情况下，围岩岩性对围岩的稳 定性的影响是很微弱的，即一般是稳定 的，可以不采取支护，能适应各种断面 形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整 体性质差、强度低，节理裂隙发育或围 岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较 破碎或极破碎，则围岩的二次应力会产 生较大的塑性变形或破坏区域，同时节 理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增 大，势必给围岩的稳定带来重大的影 响，不利于隧道洞室稳定;软硬相间的 岩体，由于其中软岩层强度低，有的因 层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定 性不利。 从岩体的结构角度，可将岩体结 构划分为整体块状结构(整体结构和块 状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层 状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状 碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散 结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳 定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状 块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩 体，其强度主要受软弱结构面的分布特 点和较弱夹层的物质成分所控制，结构 面对围岩的影响，不仅取决于结构面 的本身特征，还与结构面的组合关系 及这种组合与临空面的交切关系密切 相关。一般情况下，当结构面的倾角 ≤30°时，就会出现不利于围岩稳定 的分离体，特别是当分离体的尺寸小 于隧道洞跨径时，就有可能向洞内产 生滑移，造成局部失稳;当倾角> 30° 时，将不会出现不利于围岩稳定性的 分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的 影响主要取决于它的性状和分布。一 般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗 粒含量、含水量、易溶盐和有机质等 的含量是决定其性质的主要因素，对 不同类型的软弱夹层，这些因素是不 大相同的。由于软弱夹层的抗强度较 低，故不利于隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特 点，不仅与岩体内的初始应力状态和隧 道形状有关，而且还与围岩的岩性及岩 体结构有关，但主要的是和围岩的岩性 及结构有关(见表1) 。 岩体的天然应力状态 岩体的天然应力是岩体的自重应 力、构造应力、变异及残余应力在某一 个具体地区以特定方式作用的结果。已 经有大量的实践资料证明，大多数地区 的岩体的天然应力状态是以水平方向为 主的即水平应力通常大于垂直应力。一 般情况下，隧道轴向与水平主应力垂 直，以改善隧道周边的应力状态。但水 平应力很大时，则隧道方向最好与之平 行以保证边墙的稳定性。然而，岩体的 天然应力对隧道的影响主要取决于垂直 于隧道轴向水平应力的大小与天然应 力的比值(ζ) ，它们是围岩内应力重分 布状态的主要因素。例如，圆形隧道， 当ζ= 1 时，围岩中不会出现拉应力集 中，压应力分布也比较均匀，围岩稳定 性最好;当ζ≤1/ 3 时围岩出现拉应力， 压应力集中也较大，对围岩稳定不利。 最大天然主应力的数量级及隧道轴向的 关系，对隧道围岩的变形特征有明显的 影响，因为最大主应力方向围岩破坏的 概率及严重程度比其它方向大。因此， 估算这种应力的大小并设法消除或利用 非常重要的。 地质构造 褶曲和断裂破坏了岩层的完整性 降低了岩体的力学强度，一般来说，岩 分析影响隧道围岩稳定性因素 文/王冠勇 TRANSPOWORLD 2012No.13(Jul) 234

隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述

隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述 伍华刚 （贵州省交通规划勘察设计研究院，贵州贵阳，５５０００１） 摘 要：以隧道围岩与支护结构的相互关系为主要研究对象，以特长公路隧道围岩及支护结构稳定性分析方法为依托，对隧道掌子面所揭露围岩岩体、结构特征进行调查、记录，分析掌子面围岩等级，并与设计资料进行对比，对不同级别不同地质条件下的围岩与支护结构稳定性进行比较分析，总结围岩及支护结构稳定性分析的方法。 关键词：特长隧道；围岩；支护结构；稳定性分析中图分类号：U 452.1＋2 文献标识码：A 文章编号：1004-6429（2010）04-0072-03 ●应用技术 收稿日期：2010-05-14 作者简介：伍华刚，男，1959年出生，1983年毕业于云南广播电视大学，工程师，550001，贵州省贵阳市云岩区中山东路69号山西科技SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY 2010年第25卷第4期 随着深埋特长隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，现行的设计与施工规范已不能满足设计与施工要求，虽然国内外有关深埋特长隧道的研究成果不少，但由于深埋特长隧道地形、 地质条件复杂，设计制约因素多，并且常伴有断裂带、破碎带、 岩爆、突泥、涌水等地质灾害，给设计和施工带来了很大的盲目性。加上深埋特长隧道埋深大、隧道长、地质条件复杂，使地质勘察也不可能全面精确地探清每一段的具体情况，很多时候勘察结果与隧道施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一些不良地质体给施工带来许多预想不到的困难。1 公路隧道围岩稳定性分析方法 隧道围岩的稳定性分析主要包括隧道的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等，其中，模拟试验法包括物理模拟和数值模拟。1.1 工程地质类比法 根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和监测资料，结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程区岩体的稳定性。由大量工程实例总结出来的各级围岩分类标准，如RQD 分类（Deer ，1969）、RMR 分类（Bieniawiski ，1973）、Q 系统分类（Barton ，1974）、Z 系统分类（谷德振，1979），以及我国的《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）等，都是工程地质类比法在稳定性评价中的具体应用。这些围岩分类系统可以对不同类型围岩按定量地给出其围岩压力值及支护衬砌的形式和厚度，对于一般性工程隧道实现地下工程（结构）设计标准起到了重要的作用，也是地质工程工作者的基本方法之一。1.2 岩体结构分析法 在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向 以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图解分析，从而判断岩体的稳定性。1.3 力学分析法 从19世纪人类对松散地层（主要是土层）围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。 实际工程中，隧道开挖后，由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中，如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而，研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（Fenner ）—塔罗勃（Talo－bre ．J ）和卡斯特奈（Kaster．H ）等给出了围岩的弹塑性应力图形。1.4 数值计算方法 岩体不仅为一般材料，更重要的是本身就是一种复杂的地质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩体力学的问题通常无法用解析法简单地求解，数值方法不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特征，也可以方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报，因此，数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一。常用的数值方法有：有限元法（FEM ）、有限差分法（FLAC ，FDM ）、离散元法（DEM ）反分析法、边界元法（BEM ）、不连续变形分析法（DDA ）、流形方法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定等均有较多的应用，取得了较好的效果。1．5 模型试验 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，其理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，20世 纪80年代，国内许多学者作了大量的实验研究，谷兆琪教授等（1981）进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维中、冯光北等（1983，1984）研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度研究，杨淑 72··

隧道围岩类别划分与判定

隧道围岩类别划分与判 定 Company Document number：WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998

隧道围岩级别划分与判定隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表规定。 表围岩分级

注1 围岩按定性分级与定量指标分级有差别时一般应以低者为准。 2 本表声波指标以孔测法测试值为准如果用其他方法测试时可通过对比试验进行换算。 3 层状岩体按单层厚度可划分为 厚层大于0 5m 中厚层0 1~0 5m 薄层小于0 1m 4 一般条件下确定围岩级别时应以岩石单轴湿饱和抗压强度为准当洞跨小于5m，服务年限小于10 年的工程确定围岩级别时可采用点荷载 强度指标代替岩块单轴饱和抗压强度指标可不做岩体声波指标测试 5 测定岩石强度做单轴抗压强度测定后可不做点荷载强度测定。 围岩分级的主要影响因素 用岩体完整性系数K表示，K可按下式计算: Kv=(V pm /V pr )2（）

隧道开挖后的位移动态与隧道变形控制措施

4. 隧道开挖后的位移动态与隧道变形控制措施 4.1 隧道开挖后的位移动态 隧道开挖后可能引起的位移或变形主要包括：拱顶下沉、隧道两侧拱腰向隧道方向的水平位移、地表沉降与开裂、支护开裂、土体塌落和钢拱架变形等等。 隧道开挖引起围岩的变形破坏通常是从洞室周边开始的，而后逐步向围岩内部发展。围岩变形破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态、开挖断面形态以及开挖工法有关外，主要取决于围岩的岩性与结构。坚硬块状围岩的变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移；层状岩体的变形破坏形式主要有沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等；碎裂岩体的变形破坏形式常表现为崩塌和滑动；松软岩体与土质隧道的变形破坏形式以拱形冒落为主。 隧道开挖引起的地层位移动态主要可以分为以下几个阶段： 1）隧道开挖阶段 隧道开挖破坏了地层的原始应力平衡状态，隧道周边的地层应力将会由水平方向与竖直方向的主应力，转化为隧道径向与法向的主应力，大小主应力方向将会发生变化，同时还将伴随着地层剪切应力的出现。 隧道开挖后，周边地层将会临时处于无支护的临空状态，隧道周边地层将出现向隧道方向位移的趋势（拱顶下沉与周边收敛变形），如果在隧道开挖断面范围内存在地质破碎带或地层断面，甚至可能引起地层的坍塌。但由于此阶段时间相对较短，相应的地层位移可能并不明显，尤其是在地层条件较好的情况下。 2）施加初期支护阶段 隧道开挖后，应在尽可能短的时间内施加初期支护，并尽早施作仰拱，将初期支护封闭成环，达到“强支护”的目的。目前的暗挖隧道都采用新奥法施工理念，新奥法的核心思想就是要充分利用围岩的自承能力，围岩压力主要由钢拱架、钢筋网与喷射混凝土组成的初期支护承担，围岩压力与初期支护反力之间的相互作用将会使它们达到变形协调、共同受力的目的，并最终趋于稳定。 ①对于浅埋隧道，一般认为隧道上方地层无法形成自然塌落拱，同时拱腰侧土压力相对较小，隧道开挖并施加初期支护后的地层位移主要集中在拱肩与拱顶部位，地层位移将从隧道上方开始，逐步向地表延伸。相应的地层位移主要集中在拱顶下沉、地表沉降与开裂、以及土体塌落等方面。就一般的土质隧道而言，

隧道稳定性位移判别准则_朱永全

第22卷,第6期 中国铁道科学Vol .22N o .6　 2001年12月 CHINA RAILWAY SCIENCE December ,2001　 文章编号:1001-4632(2001)06-0080-04 隧道稳定性位移判别准则 朱　永　全 (石家庄铁道学院地下工程系,河北石家庄　050043) 摘　要:本文明确了隧道稳定性及其位移极限状态的概念,提出了隧道稳定性可通过隧道位移来体现和判别。以隧道位移为判据的隧道稳定性分析的关键和难点是围岩及支护结构的位移极限值的确定。根据隧道的变形动态信息反推围岩参数和支护结构实际所受荷载为输入参数,进行隧道极限位移的计算模拟,辅以室内模拟试验验证和现场资料调查整理的综合手段来确定,更能反映隧道的现场实际。本文还介绍了实测位移的时间序列组合模型分析、位移随机反分析、位移随机插值的方法。以隧道周边位移为依据,建立隧道稳定性判别准则以及设计体系。它可以直观地与现场量测联系起来,建立反馈系统实施控制,真正体现隧道施工中的反馈信息、指导施工、修正设计的动态设计特点。 关键词:隧道稳定性;极限状态;位移判别 中图分类号:U451.2 文献标识码:A 　收稿日期:2001-05-10 　作者简介:朱永全(1960—),男,安徽枞阳人,教授,博士　基金项目:铁道部工程建设科研项目(94-11) 1　隧道稳定性的概念 隧道应指围岩与支护结构的综合体。将人工支护结构与其周围一定范围内的地层(围岩)看作“支护系统”。为能安全适用、经济合理、确保质量、快速施工,必须对上述支护系统“稳定性”作出评价,以便能及时或提前作出合理的设计施工措施。 所谓“隧道稳定”一般是指坑道周边变形速率呈梯减趋势并逐渐趋近于零,其最终位移不侵入限界,支护结构不出现影响正常使用的裂缝和破损,更不能发生大范围的坍塌。而隧道稳定性是指支护系统稳定的程度。对照《工程结构可靠度设计统一标准》,把稳定性作为地下结构的基本功能要求,它既包括系统的安全性,又包括系统的耐久性和良好的正常工作性。系统或其一部分超过某一特定状态就不能满足规定的某一功能要求,此状态应为该功能的极限状态。 2　隧道稳定性可用周边位移来判别 岩石力学基本上沿用材料力学的思路,即以应 力和强度为中心并以两者关系评定岩石所处的状态。隧道工程中的支护结构设计也是如此,都是在假定围岩原始地应力或支护结构承受坍落体重量荷载的大小和分布的前提下,以支护结构应力和强度关系评定支护结构状态。大量实践证明,这种可称为应力体系的理论在应用中往往因为岩体过于复杂而遇到很大困难。 结构位移的发生和发展是该结构力学行为动态的综合反映。隧道是隐蔽工程,只能看到支护结构的内表面,从近距离处才能看到隧道内表面的细裂缝,难以观察到破坏的全貌。而内表面位移则可通过专门测量仪器测得。不管隧道的作用机理如何复杂,其经受各种作用后的反应可以用周边位移体现出来。通过周边位移观测以了解隧道的力学动态是比较直观也易于实施的办法,隧道的稳定性也应该从周边位移变化和发展得到体现。 用位移判别隧道的稳定性,就是从隧道出现的各种极限状态入手,找出在某种极限状态下各控制点的位移,即所谓极限位移,作为稳定性判据。以锚喷初期支护为主要技术背景的“新奥法”的推行,提供了在隧道开挖和支护过程中,及时对围岩及支护结构变形进行监测,并通过这种监测对围岩稳定性作出判断的可能性。

隧道力学-围岩特征曲线

西南交通大学 隧道力学（作业） Flac3d求解围岩特征曲线 年级: 学号: 姓名: 专业: 2011 年 11 月

目录 第1章 ..................................................................................................................................... 问题分析 .. (1) 1．1 围岩特征曲线定义 (1) 1．2 求解方法 (1) 第2章建模及计算 (1) 2．1 模型建立 (1) 2．2 命令流及解释 (2) 第3章计算结果及分析 (5) 3．1 数据处理 (5) 3．2 围岩特征曲线绘制 (5) 3．3 结果分析 (6) 参考文献 (7)

FLAC3D求解围岩特征曲线 第1章问题分析 1．1 围岩特征曲线定义 围岩的特征曲线，亦称为围岩的支护需求曲线。它形象的表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系。 1．2 求解方法 同一围岩级别下，相同隧道埋深情况下，通过改变衬砌的强度（修改体积模量及剪切模量）分别求解相应强度下隧道收敛平衡时的拱顶竖直位移和应力，根据所得数据绘制该围岩级别下相应埋深的围岩特征曲线。 第2章建模及计算 2．1 模型建立 图2.1-1

如图2.1-1，圆形隧道外径为6m ，衬砌厚度为0.2m ，考虑隧道影响范围，模型宽度为30m ，高度为30m 。V 级围岩和Ⅳ级围岩通过定义材料的相关参数来建模；根据 h σγ=计算出相应埋深（即50m 、100m 、150m ）下产生的应力，将应力分别作用于模型上来建模求解。 2．2 命令流及解释 以V 级围岩150m 埋深为例，其命令流如下： ;绘制5级围岩150m 特性曲线，改变衬砌的E 进行计算 new ;建立模型，取圆形隧道半径为2.9米，衬砌厚度为0.1米， gen zone radcylinder p0 0 0 0 & p1 15 0 0 & p2 0 1 0 & p3 0 0 15 & p4 15 1 0 & p5 0 1 15 & p6 15 0 15 & p7 15 1 15 & p8 3 0 0 & p9 0 0 3 & p10 3 1 0 & p11 0 1 3 & size 5 1 8 11 & ratio 1 1 1 1.2 & group outsiderock;定义围岩分块 gen zone cshell p0 0 0 0 & p1 3 0 0 & p2 0 1 0 &

分析影响隧道围岩稳定性因素

分析影响隧道围岩稳定性因素 习小华 摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。 关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造 毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 1 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。 从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。

隧道工程习题 原题附答案绝对极品

第1章隧道工程勘测设计 1.隧道选址与线路选线有什么关系？ 2.确定洞口位置的原则是什么？请解释其工程含义。 3.在按地质条件选择隧道位置时，所需要的地质资料有哪些？如何考虑地形条件对隧道位置的影响？ 第2章隧道主体建筑结构 1.某新建铁路非电化曲线隧道，已知圆曲线半径R＝1200m，缓和曲线长l=50m,远期行车速度V=160km/h，隧道里程为：进口DK150+310；出口DK150+810；ZH点DK150+320；YH点DK151+000。 试求：各段加宽值与隧道中线偏移值。要求按教材P32图2-7所示，表示清楚，并注明不同加宽的分段里程。( 注：超高值以0.5cm取整，最大采用15cm；加宽值取为10cm的整数倍；偏移值取至小数点后2位） 2. 为什么说台阶式洞门能降低边仰坡开挖高度？ 第3章隧道附属建筑 1.什么是避车洞？避车洞的设置间距是多少？在布置避车洞时应该避开哪些地方？ 2.营运隧道的通风方式有哪些？什么是风流中性点？它与通风方式的关系怎样？ 3.为什么公路隧道要设置不同的照明亮度段？它们各自的作用是什么？ 第4章隧道围岩分类与围岩压力 1.影响围岩稳定性的主要因素有哪些？围岩分级主要考虑什么因素？围岩分级的基本要素是哪几种？我国铁路隧道围岩分级主要考虑哪些因素？已知某隧道所处围岩节理发育，Rb＝26MPa，试问这是属于哪一级围岩？ 2. 某隧道内空净宽6.4m，净高8m，Ⅳ级围岩。已知：围岩容重γ＝20KN/m3，围岩似摩擦角φ＝530，摩擦角θ＝300，试求埋深为3m、7m，15m处的围岩压力。 第5章隧道衬砌结构计算

1.已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN，弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m，围岩抗力系数为150MPa/m。试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。 2. 什么情况下将围岩抗力弹簧径向设置？试推导径向设置的围岩抗力单元刚度矩阵。(注：抗力方向以挤压围岩为正) 3.一对称等厚平拱，衬砌厚度为50 cm，已知内力如图示，墙底抗力系数Kd=350 MPa/m,请求出墙底中心水平位移、垂直位移以及墙底截面转角(注：图中1、2、3为截面编号)。 第6章隧道施工方法 1.采用台阶法施工时，影响台阶长度的主要因素是什么？环形开挖留核心土法是如何稳定开挖工作面的？ 2.在隧道分部开挖施工中，这些术语指的是开挖的哪些部位？落底、拉中槽、导坑、挖马口。 3.指出错误，并改正之： 某隧道位于软弱破碎地层中，采用长台阶法施工。施工过程中发现洞室周边位移加速度等于零，因而断定围岩变形已经稳定。 4.指出错误，并改正之： 新奥法施工时，隧道开挖后，为了调动围岩的承载能力，不宜立即喷射混凝土，而应经量测后，再施喷。为了隧道的稳定，复合式衬砌应在锚喷支护完毕后立即修筑内层模筑混凝土衬砌。 第7章隧道钻爆施工作业 1.请解释“临时支护”、“初期支护”与“永久支护”的含义，并各举一例说明之。 2.某隧道的导坑，尺寸为2.8m×2.8m，Ⅴ级围岩，岩石等级为坚石f=8，采用斜眼掏槽，2号岩石硝铵炸药，药卷直径32mm,装药系数可取为0.6。试问： ⑴炸药用量；⑵炮眼深度；⑶炮眼数量。 第8章隧道施工的辅助坑道及辅助作业 1.隧道施工的辅助作业有哪些？

隧道现场围岩类别判断(全)

3-1-1隧道围岩级别划分与判定 隧道围岩分级就是评定围岩性质、判断隧道围岩稳定性，作为选择隧道位置、支护类型的依据和指导安全施工。 国内外现在的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入分量化指标进行综合分级。以定性为主的分级方法，如现行的公路、铁路隧道围岩分级等方法经验的成分较大，有一定人为因素和不确定性，在使用中，往往存在不一致，随勘察人员的认识和经验的差别，对同一围岩作出级别不同的判断。采用定性分级的围岩级别，常常出现与实际差别1～2级的情况。定量分级的做法是根据对岩体性质进行测试的数据或对各参数打分，经计算获得岩体质量指标，并以该指标值进行分级。如国外的Q分级，的地质力学（MRM）分级、Dree的RQD值分级等方法。但由于岩体性质和赋存条件十分复杂，分级时仅用少数参数和某个数学公式难以全面准确地概括所有情况，而且参数测试数量有限，数据的代表性和抽样的代表性均存在一定的局限，实施时难度较大。 影响围岩稳定的因素多种多样，主要是岩石的物理力学性质、构造发育情况、承受的荷载（工程荷载和初始应力）、应力变形状态、几何边界条件、水的赋存状态等。这些因素中，岩体的物理力学性质和构造发育情况是独立于各种工作类型的，反映出了岩体的基本特性，在岩体的各项物理力学性质中，对稳定性关系最大的是岩石坚硬程度，岩体的构造发育状态、岩体的不连续性、节理化程度所反映的岩体完整性是地质体的又一基本属性。国内外多数围岩分级都将岩石坚硬程度和岩体的完整程度作为岩体基本质量分级的两个基本因素。 1 国标《锚杆喷射混凝土支护技术规范》围岩分级 围岩分级 围岩级别的划分应根据岩石坚硬性岩体完整性结构面特征地下水和地应力状况等因素综合确定并应符合表规定。

隧道围岩监测方案

1 编制依据 1.1 《兰渝铁路LYS-11标段设计图纸》、隧参图及施工调查资料； 1.2 《铁路隧道施工规范》〔TB10204-2002〕； 1.3 《铁路隧道工程施工技术指南》〔TZ204-2008〕； 1.4 《铁路隧道监控量测技术规程》〔TB10121-2007〕； 1.5 《兰渝铁路隧道围岩监控量测管理实施细则》（兰渝铁安质【2009】50号） 1.6 路桥集团兰渝铁路LYS-11标项目经理部文件《隧道围岩监控量测管理实施细则》 2 编制范围 本方案仅适用于兰渝铁路LYS-11标段四分部（DK714+200～DK754+000）范围内隧道施工。 隧道工程数量一览表 3 工程概况

本标段隧道位于四川省南充市阆中市和南部县境内，地处四川东北部丘岭地区。设计围岩为Ⅲ～Ⅴ级。设计列车行车速度200Km/h（预留提速条件）。洞口为V级浅埋围岩。隧道海拔高程在300m～500m，地形起伏相对较小，地貌属残丘剥蚀地貌山地。气象为湿热气候。 本标段隧道所处位置地表水主要为山间溪沟及次级小河流，地表水不发育，一般流程较短，流量受大气降雨控制，因季节变化而变化，以蒸发、下渗和径流等形式排泄，冬季基本干涸。岩性主要为泥岩、砂岩，上覆第四系全新统坡残积及崩坡积粉质粘土，下伏侏罗系上统蓬莱镇（J39）砂岩、泥灰。隧道通过深层天然气影响区，为低瓦斯隧道，施工中应加强地质超前预报、监测及通风工作，防止瓦斯积聚而引起燃烧、爆炸。 4 围岩监控总体方案 现场监控量测是隧道现代化施工管理的重要组成部分，它不仅能指导工作，预报险情，确保安全，而且通过现场监测获得围岩动态和支护工作状态的信息（数据），为修正和确定初期支护参数，混凝土衬砌支护时间提供依据。 监控量测是施工过程中必不可少的一道施工程序，用于监测隧道各施工阶段围岩和支护状态，确保施工安全，而且通过对围岩支护体系的稳定性状态的监测和评价，为初期支护和二次衬砌设计参数的调整提供依据，同时确定二次衬砌和仰拱的施做时间，从而达到确保施工及结构安全、指导施工顺序、便利施工管理的目的。 4.1隧道监控量测的目的和意义 现场监控量测是“新奥法原理”的三大要素之一，是复合式衬砌设计、施工的核心技术。 隧道按“新奥法”原理组织施工，施工中加强监控量测对准确判定围岩