1、中南大学隧道与地下工程系中南大学隧道与地下工程系隧 道 工 程12本节主要内容：名称的由来与产生的历史背景新奥法的基本概念新奥法原理的要点新奥法的适用性新奥法在我国的应用与发展39.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背景 新奥法新奥法的全称是的全称是新奥地利隧道工新奥地利隧道工程方法程方法，即即New Austrian Tunneling New Austrian Tunneling MethodMethod，缩写为，缩写为NATMNATM。 上下导坑先墙后拱法上下导坑先墙后拱法( (见图见图) )初次初次使用于公元使用于公元18371837年前奥国莱比锡至德
2、年前奥国莱比锡至德累斯顿铁隧道上累斯顿铁隧道上, ,故称其为故称其为奥国法。奥国法。1.1. 名称的由来名称的由来49.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背景 新奥法与奥国法是两码事新奥法与奥国法是两码事, ,不是隧道横断面施工作业不是隧道横断面施工作业顺序的差异顺序的差异，也不是年代早晚不同的关系也不是年代早晚不同的关系, ,前者是建立在前者是建立在新的理论基础上新的理论基础上，具有丰富实际经验的新概念。具有丰富实际经验的新概念。 新奥法是由奥地利学者新奥法是由奥地利学者L.V.Rabcewiez,L.MullerL.V.Rabcewiez,L.Muller
3、等教等教授创建于授创建于2020世纪世纪5050年代年代，经过一些国家的许多实践和理论经过一些国家的许多实践和理论研究，研究，在在19631963年年取得专利权并正式命名。取得专利权并正式命名。1.1. 名称的由来名称的由来52.2. 产生的历史背景产生的历史背景 （1 1）锚杆支护在）锚杆支护在2020世纪初出现。世纪初出现。到到2020世纪世纪5050年年代后在欧美各地得到广泛应用，并在水电站有压输代后在欧美各地得到广泛应用，并在水电站有压输水隧洞成功地采用了锚杆支护手段。水隧洞成功地采用了锚杆支护手段。9.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背景62.2.
4、 产生的历史背景产生的历史背景 （2 2）喷射混凝土机在）喷射混凝土机在19471947年研制成功。年研制成功。1948194819531953年喷射混凝土衬砌在奥地利首次用于卡普伦水年喷射混凝土衬砌在奥地利首次用于卡普伦水电站的默尔隧道。锚喷支护技术的开展为创建新奥电站的默尔隧道。锚喷支护技术的开展为创建新奥法提供了有利的条件。法提供了有利的条件。9.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背景72.2. 产生的历史背景产生的历史背景 （2 2）喷射混凝土机在）喷射混凝土机在19471947年研制成功。年研制成功。 1934 1934年，年，L.V. L.V. 拉
5、布采维茨就试图将喷浆方法用于拉布采维茨就试图将喷浆方法用于地下工程。他在地下工程。他在1942194219451945年建造的洛伊布尔隧道中采年建造的洛伊布尔隧道中采用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土，待变形收敛后再用了双层薄衬砌，即先喷一层混凝土，待变形收敛后再喷一层。喷一层。 1944 1944年，年，他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了他发表了有关喷混凝土的论文，并指出了围岩动态随时间变化的重要性。围岩动态随时间变化的重要性。19481948年，年，又指出了量测又指出了量测工作的重要性，提出了无公害的新喷敷方法。工作的重要性，提出了无公害的新喷敷方法。9.1.1 9.1.1 名称的由来与产
6、生的历史背景名称的由来与产生的历史背景82.2. 产生的历史背景产生的历史背景 （3 3）岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据。）岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据。 与新奥法开展同时，岩石力学也与新奥法开展同时，岩石力学也发发展成为一门十分年轻的展成为一门十分年轻的学科。岩石力学的理论基础为新奥法提供了科学依据。学科。岩石力学的理论基础为新奥法提供了科学依据。 因此可以说，新奥法是在实因此可以说，新奥法是在实践践基础上开展起来的一种修建基础上开展起来的一种修建隧道工程的新理论与新隧道工程的新理论与新概念概念。9.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背
7、景92.2. 产生的历史背景产生的历史背景 由于锚喷支护技术的应用和发展，由于锚喷支护技术的应用和发展，导致隧道及导致隧道及地下工程理论步入到现代理论的新领域，地下工程理论步入到现代理论的新领域，也使隧道也使隧道及地下工程的设计和施工更及地下工程的设计和施工更符合地下工程实际符合地下工程实际设设计理论计理论施工方法施工方法结构（体系）工作状态（结果）结构（体系）工作状态（结果）的一致。的一致。 因此，新奥法作为一种施工方法，已在世界范因此，新奥法作为一种施工方法，已在世界范围内得到了广泛的应用。围内得到了广泛的应用。 9.1.1 9.1.1 名称的由来与产生的历史背景名称的由来与产生的历史背景
8、109.1.2 9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念 用薄层支护手段（主要是指用薄层支护手段（主要是指柔性支护柔性支护）来保持围）来保持围岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力，并岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力，并通过施工通过施工监控量测监控量测来指导隧道工程的来指导隧道工程的设计设计与与施工施工。 或者说：或者说：充分利用围岩的自承能力和开挖面的空充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通
9、过对围岩和支护的量测、监控，指导地下工程的设计施工岩和支护的量测、监控，指导地下工程的设计施工。112.新奥法概念的理解 （1）method方法施工技术 =设计和施工+理念 由于英文由于英文“methodmethod”一词，一词，容易把新奥法理解容易把新奥法理解为隧道开挖与支护的方法为隧道开挖与支护的方法, ,或者仅是一种施工技术或者仅是一种施工技术, ,而没有认识到新奥法是修建隧道而没有认识到新奥法是修建隧道的的一种基本理论一种基本理论, ,是是包含设计于施工内容的隧道工程新概念。包含设计于施工内容的隧道工程新概念。9.1.2 9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念122.新奥法概念的
10、理解 （2）锚喷支护新奥法 误以为采用了锚喷支护就是新奥法误以为采用了锚喷支护就是新奥法。当然利用当然利用新奥法，必须包括使用锚喷支护结构。但应该认识新奥法，必须包括使用锚喷支护结构。但应该认识到新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、到新奥法使用锚喷支护是为了达到保护围岩强度、控制围岩变形、实现发挥围控制围岩变形、实现发挥围岩岩自承能力的目的。并自承能力的目的。并且必须认识到只有采用施工监控量测才能掌握围岩且必须认识到只有采用施工监控量测才能掌握围岩变形动态，做到控制变形。变形动态，做到控制变形。9.1.2 9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念132.新奥法概念的理解 （3 3）忽
11、略或不重视监控量测（包涵在设计中）忽略或不重视监控量测（包涵在设计中） 对施工监控量测往往不够重视，认为它是额外对施工监控量测往往不够重视，认为它是额外的负担。实际上，的负担。实际上，锚杆、喷射混凝土、施工量测是锚杆、喷射混凝土、施工量测是新奥法的三大要素新奥法的三大要素。现场施工量测的资料是完善设现场施工量测的资料是完善设计，指导施工的重要依据计，指导施工的重要依据。 对此，对此，后面后面还有还有介绍介绍。9.1.2 9.1.2 新奥法的基本概念新奥法的基本概念149.1.3 新奥法原理的要点 1.承载体系=支护结构+围岩 隧道的整个支护体系中隧道的整个支护体系中，起主要作用的是围岩本身起主
12、要作用的是围岩本身，即即视岩体是隧道的主要承载单元视岩体是隧道的主要承载单元, ,它与各种内部加固或它与各种内部加固或外部支撑结构构成统一的整体结构体外部支撑结构构成统一的整体结构体。 159.1.3 新奥法原理的要点 2.少扰动围岩 隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能或尽可能不破坏围岩的强度不破坏围岩的强度, ,即尽可能使围岩维持原来的三维应力状即尽可能使围岩维持原来的三维应力状态态, ,这就有必要对开挖工作面及时施作防护层这就有必要对开挖工作面及时施作防护层( (如喷射混凝土如喷射混凝土等等) )，封闭围岩的节理和裂隙以防止围岩的松动和
13、坍塌。，封闭围岩的节理和裂隙以防止围岩的松动和坍塌。169.1.3 新奥法原理的要点 3.允许围岩的变形又限制它的变形 允许围岩有一定的变形允许围岩有一定的变形, ,以利安全地发挥围岩的全部强以利安全地发挥围岩的全部强度度，使之在隧道周围形成承载环使之在隧道周围形成承载环, ,但但这种变形应受到严格的这种变形应受到严格的控制控制，以免过渡变形导致围岩承载理论的降低和丧失或导致以免过渡变形导致围岩承载理论的降低和丧失或导致地表产生过大的沉陷地表产生过大的沉陷。179.1.3 新奥法原理的要点 衬砌支护结构的施工一般衬砌支护结构的施工一般分成两个步骤完成分成两个步骤完成。洞室开挖洞室开挖后迅速的施
14、作初期支护后迅速的施作初期支护( (外层衬外层衬砌砌) )，抑制岩体的早期变形，待，抑制岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌围岩稳定后，再进行二次衬砌( (内层衬砌内层衬砌) )，如果外层衬砌很，如果外层衬砌很充分，并证实围岩变形趋于稳充分，并证实围岩变形趋于稳定。则内层衬砌可视为附加的定。则内层衬砌可视为附加的安全储备安全储备。18 4.支护结构=初期支护和二次衬砌9.1.3 新奥法原理的要点 5.初期支护应尽量做成柔性的 以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载。因此，初因此，初期支护大多采用喷射混凝土、锚杆和钢筋网的联合支护形式。期支护大多采用
15、喷射混凝土、锚杆和钢筋网的联合支护形式。这种衬砌在力学上被视为易变形的壳体结构，只能承受较小这种衬砌在力学上被视为易变形的壳体结构，只能承受较小的弯曲应力，以承受剪切应力为主的弯曲应力，以承受剪切应力为主。199.1.3 新奥法原理的要点 隧道的几何形状必须满足隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计在静力学上作为圆筒结构的计算条件算条件, ,因此因此, ,要尽可能使结构要尽可能使结构做得园顺做得园顺( (如做成圆形或椭圆形如做成圆形或椭圆形的的) )，不产生突出的拐角不产生突出的拐角，以避以避免产生应力集中现象。同时免产生应力集中现象。同时, ,尽尽早时结构闭合早时结构闭合( (封底
16、封底) )，以形成，以形成承载环承载环。20 6.要尽可能使结构做得圆顺9.1.3 新奥法原理的要点 7.进行有效的监控量测 在施工过程中，对隧道周边进行位移收敛量测是必不可在施工过程中，对隧道周边进行位移收敛量测是必不可少的一个重要环节少的一个重要环节，以此作为合理选择支护结构的形式与以此作为合理选择支护结构的形式与尺尺寸和指导下一阶段施工的依据。寸和指导下一阶段施工的依据。219.1.3 新奥法原理的要点 8.通过“排堵措施”解决衬砌渗水 对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵排堵措施措施”予以解决，如在予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防水层两
17、层衬砌之间设置中间防水层等等。 以上几点表明以上几点表明： 把围岩看作是支护的重要组成部分把围岩看作是支护的重要组成部分, ,并通过监控量并通过监控量测测，实行信息化设计和施工实行信息化设计和施工, ,有控制地调节围岩的变形有控制地调节围岩的变形，以最大限度的利用围岩自承能力以最大限度的利用围岩自承能力，是新奥法的核心是新奥法的核心。229.1.4 新奥法的适用性 1.新奥法的适用范围 (1)(1)具有较长自稳时间的中等岩体具有较长自稳时间的中等岩体； (2)(2)弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩；弱胶结的砂和石砾以及不稳定的砾岩； (3) (3)强风化的岩石；强风化的岩石； (4) (4)刚
18、塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩；刚塑性的粘土泥质灰岩和泥质灰岩； (5) (5)坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土；坚硬粘土，也有带坚硬夹层的粘土； (6) (6)微裂隙的，但很少粘土的岩体；微裂隙的，但很少粘土的岩体； (7) (7)很高初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石很高初应力场条件下，坚硬的和可变坚硬的岩石。239.1.4 新奥法的适用性 2.在下述条件下必须与一些辅助方法相配合 (1)(1)有强烈地压显现的岩体；有强烈地压显现的岩体； (2)(2)膨胀性岩体要与仰拱与底部锚杆相配合；膨胀性岩体要与仰拱与底部锚杆相配合； (3)(3)在一些松散岩体中，要与预支护方法配合；在一些松散岩体中
19、，要与预支护方法配合； (4)(4)在流变性大的岩体中，要与预加固法等配合。在流变性大的岩体中，要与预加固法等配合。 3.在下列场合中应用应慎重 (1)(1)大量涌水的岩体；大量涌水的岩体； (2)(2)由于涌水会产生流砂现象的围岩；由于涌水会产生流砂现象的围岩； (3)(3)极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体；极为破碎，锚杆钻孔、安装都极为困难的岩体； (4)(4)开挖面完全不能自稳的岩体等。开挖面完全不能自稳的岩体等。249.1.4 新奥法的适用性 4.缺点 (1)(1)实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术实施不仅要求有良好的施工组织和管理，也要求技术人员和量测人员都十分熟
20、练，没有这一点就易于发生错误；人员和量测人员都十分熟练，没有这一点就易于发生错误；作业质量都与每一个人的仔细操作有关。作业质量都与每一个人的仔细操作有关。 (2)(2)开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工开挖暴露出的地质会立即改变其状态，因此要求施工地质人员要亲临现场，以便发现问题；地质人员要亲临现场，以便发现问题； (3) (3)用能控制的施工量测，往往给施工带来不便；用能控制的施工量测，往往给施工带来不便； (4)(4)干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须干喷射带来的灰尘以及由于易受化学药品的损害必须加强防护，尤其是对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，加强防护，尤其是
21、对眼睛的防护，湿喷虽然可以避免此缺点，但在同样条件下，不如干喷那样有效的支护岩体。但在同样条件下，不如干喷那样有效的支护岩体。259.1.5 新奥法在我国的应用与发展 1.初步应用 19601960年代初矿山井巷、水工隧道，铁路隧道开始推年代初矿山井巷、水工隧道，铁路隧道开始推广锚喷支护新技术。在成昆铁路建设中，先在赵坪广锚喷支护新技术。在成昆铁路建设中，先在赵坪1 1号，号，关村坝等几所隧道采用锚杆作为临时支护。全线采用这关村坝等几所隧道采用锚杆作为临时支护。全线采用这种支护方式的隧道总长度有种支护方式的隧道总长度有4959m4959m，并从瑞士等国引进一，并从瑞士等国引进一批混凝土喷射机。
22、全线有批混凝土喷射机。全线有1717座隧道总长座隧道总长5283m5283m喷射混凝土喷射混凝土衬砌。然而，当时成昆线仅仅将衬砌。然而，当时成昆线仅仅将“锚喷支护锚喷支护”作为临时作为临时支护与永久衬砌。支护与永久衬砌。269.1.5 新奥法在我国的应用与发展 2.推广应用 实际上我国正式推广实际上我国正式推广新奥法是在新奥法是在19701970年代年代，铁，铁路部门于路部门于19771977年和年和19791979年年先后在四川先后在四川普济隧道普济隧道，皖，皖赣线赣线下坑隧道试行新奥法下坑隧道试行新奥法。19801980年代以来在各种隧道年代以来在各种隧道与地下工程中成功地运用与地下工程中
23、成功地运用了新奥法。了新奥法。279.1.5 新奥法在我国的应用与发展 2.推广应用 其中典型的工程有：其中典型的工程有：金川金川高地应力巷井工程；西洱河三高地应力巷井工程；西洱河三级电站引水隧道；镜泊湖水工级电站引水隧道；镜泊湖水工尾水隧道；黄土地层中的隧道尾水隧道；黄土地层中的隧道与地下洞室；如崾与地下洞室；如崾见见河河，岭前岭前等隧道等隧道，南岭、军都山等特浅南岭、军都山等特浅埋地层的隧道；埋地层的隧道； 19801980年代我国年代我国最长的大瑶山隧道；北京西单最长的大瑶山隧道；北京西单浅埋三拱地铁车站浅埋三拱地铁车站等等。2829本节主要内容：洞室开挖后应力状态围岩稳定性判据支护结构
24、与围岩相互作用的力学分析309.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态 三种应力状态的概念：三种应力状态的概念： 初始应力状态初始应力状态：隧道洞室开挖隧道洞室开挖前前，围岩，围岩处于未被扰处于未被扰动的原始动的原始应力状态应力状态。 二次应力状态二次应力状态：隧道洞室开挖后，围岩的初始应力隧道洞室开挖后，围岩的初始应力状态遭到破坏，围岩应力在洞室周围一定范围内的重新调状态遭到破坏，围岩应力在洞室周围一定范围内的重新调整整后的后的应力状态称为二次应力状态应力状态称为二次应力状态或洞室的应力状态。或洞室的应力状态。 三三次应力状态次应力状态：隧道洞室开挖后，隧道洞室开挖后，
25、为维持洞室稳定为维持洞室稳定性而施做支护后，性而施做支护后，围岩的应力状态。围岩的应力状态。31 1.基本假定 视围岩为均质的，各向同性的视围岩为均质的，各向同性的 连续介质连续介质 只考虑自重产生的初始应力场只考虑自重产生的初始应力场 隧道形状一规则的圆形为主隧道形状一规则的圆形为主 简化为无限体中的孔洞问题简化为无限体中的孔洞问题 9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态 隧道开挖后，围岩可能会出现隧道开挖后，围岩可能会出现两种情况：一种是两种情况：一种是围岩围岩仍完全仍完全处处于弹性状态于弹性状态；另一种是；另一种是部分围岩部分围岩处于塑性状态。处于塑性状态。 3
26、29.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态 可以认为可以认为, ,位于自重应力场中的深埋隧道，位于自重应力场中的深埋隧道，其其初始应力为初始应力为常量场，常量场，即即假定围岩的初始应力到处都是一样的，并取其等于假定围岩的初始应力到处都是一样的，并取其等于隧道中心点的自重应力隧道中心点的自重应力: :yh0 xh0 xy00 33（1）一般的应力分布与位移 弹性力学解：基尔西(G.Kirsch)公式2cos)341)(1 ()1)(1(2440220220rrrrrrHcr2cos)31)(1 ()1)(1(2440220rrrrHc2s
27、in)321)(1 (2440220rrrrHcr2cos) 1)(1 ()1(422020rrKGrrHuc2sin) 1)(1 (422020rrKGrrHvc 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态34 上述解答中上述解答中应力分量由两部分组成：应力分量由两部分组成： 一是初始应力初始的一是初始应力初始的( (以以“”标出标出) )， 一是由洞周开挖卸载引起的。一是由洞周开挖卸载引起的。 位移分量中已减去了初始应力所引起的部分。位移分量中已减去了初始应力所引起的部分。 式中式中G G的是位移的剪切模量，它和位移的弹性模量的是位移的剪切模量，它和位移的弹性模量E E与泊与泊桑比桑比之间有关系式：
28、之间有关系式：)1 (2EG（1）一般的应力分布与位移 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态35令0rr 则有：0r0r2cos)1 (2)1(CrH2cos)43)(1 ()1(40GrHuc2sin)43)(1 (40GrHvc 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态（2）在洞室周边上36轴对称情况时：1)1 (220rrHcr)1 (220rrHc0rGrrHuc420 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态（3）
29、轴对称情况37 2.隧道开挖后的弹性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态 （3）轴对称情况：将上面公式绘成下面曲线图，可看出，在洞室周边上，主应力r和的差值最大(2p0)，由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实践也证明如此。从图中还可看出，随着r/r0的增大，r和均迅速接近围岩的初始应力，当r/r0超过5时，相差都在5%之内。38(1)塑性屈服准则0sin1cos2sin1sin131c莫尔-库仑准则轴对称情况准则改写为:0sin1cos2sin1sin1cprp 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状
30、态洞室开挖后的应力状态39(2)(2)确定塑性区的应力场确定塑性区的应力场 对于轴对称问题，当不考虑体积力时，塑性区围岩任对于轴对称问题，当不考虑体积力时，塑性区围岩任一点的极坐标平衡方程为：一点的极坐标平衡方程为：0rdrdpprpr 对上式对上式积分，并利用边界条件积分，并利用边界条件 消去消去积分常数，便可得塑积分常数，便可得塑性区的径向应力分量性区的径向应力分量： 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态rpc ctgrr ( )sinsin0211pc ctgrrsinsin()sinsin11102140取： 1)(110r
31、rRbpr 1)(110rrRbpcRbsin1cos2sin1sin1 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态(2)确定塑性区的应力场则公式可简化为：41 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态 (3)(3)弹塑形状态下应力场分布规律弹塑形状态下应力场分布规律 同样同样将将上面公式上面公式绘成绘成下面曲线下面曲线图，可看出，围岩应力在洞图，可看出，围岩应力在洞室周围一定范围内的重新分布室周围一定范围内的重新分布，一般情况下会形成一般情况下会形成下下图所示的图所示的三个区域三
32、个区域：42 (3)(3)弹塑形状态下应力场分布规律弹塑形状态下应力场分布规律 区域区域：应力降低区。：应力降低区。在有裂隙和破碎的岩层在有裂隙和破碎的岩层中中，由于岩体本身的强度很小由于岩体本身的强度很小，不能承受急剧增大的不能承受急剧增大的周边的围岩松驰而形成一个应力降低了的区域周边的围岩松驰而形成一个应力降低了的区域，而高而高应力向岩体深部转移。在洞室开挖以后应力向岩体深部转移。在洞室开挖以后，这部分被扰这部分被扰动了的岩体就开始向动了的岩体就开始向隧道隧道内变形，如果变形超过某一内变形，如果变形超过某一极限值，则极限值，则隧道隧道围岩稳定性会遭受破坏，从而引起围岩稳定性会遭受破坏，从而
33、引起洞洞室室岩体坍塌。岩体坍塌。 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态43 (3)(3)弹塑形状态下应力场分布规律弹塑形状态下应力场分布规律 区域区域：应力升高区：应力升高区。这一部分岩体也受到了扰这一部分岩体也受到了扰动，在应力重分配的过程中，使这个范围内岩体的应动，在应力重分配的过程中，使这个范围内岩体的应力升高，但未超过岩体本身的强度，实际上此区域成力升高，但未超过岩体本身的强度，实际上此区域成为一个承载环，即围岩起到承载的作用。为一个承载环，即围岩起到承载的作用。 区域区域：初始应力区：初始应力区。距离洞室较远的岩体未受距离
34、洞室较远的岩体未受到开挖的影响，仍处于原始应力状态。到开挖的影响，仍处于原始应力状态。 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态44 (3) (3)弹塑形状态下应力场分布规律：弹塑形状态下应力场分布规律： 在极坚硬而完整的围岩中在极坚硬而完整的围岩中，洞室周边应力急剧洞室周边应力急剧增高增高, ,由于岩体强度大由于岩体强度大，未形成如松软破碎岩体那未形成如松软破碎岩体那种变形过大和开裂坍塌的情况种变形过大和开裂坍塌的情况，因而不存在应力降因而不存在应力降低区低区，而只有高应力向原始应力过渡的重分布特而只有高应力向原始应力过渡的重分布特点
35、点，所以往往不需要设置支护结构来提供外加平衡所以往往不需要设置支护结构来提供外加平衡力。换句话说力。换句话说，这种洞室是自稳的。这种洞室是自稳的。 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖后的应力状态洞室开挖后的应力状态45(4)塑性区半径计算令塑性区的半径为R0，0Rr 则 时，交界面应力既要满足弹性条件，又要满足塑性条件，由此可得： cos)sin1 (cHcpr则可得到求解塑性区半径的方程式： 1)(cos)sin1 (sin1sin20rrctgccHc得：1100) 1(12bbcRRHrR 3.隧道开挖后的弹塑性二次应力状态9.2.1 9.2.1 洞室开挖
36、后的应力状态洞室开挖后的应力状态469.2.2 9.2.2 围岩稳定性判据围岩稳定性判据 1.什么是围岩稳定性判据 围岩的二次应力场是客观存在的，但能否造成隧道围围岩的二次应力场是客观存在的，但能否造成隧道围岩的失稳破坏，要具有一定的转化条件和转化过程。从工岩的失稳破坏，要具有一定的转化条件和转化过程。从工程设计的角度来看，程设计的角度来看，这个转化条件就是所谓判据。这个转化条件就是所谓判据。 隧道围岩破坏机理十分复杂，目前，还没有从理论上隧道围岩破坏机理十分复杂，目前，还没有从理论上建立起一个判别隧道围岩稳定性的标准方法。根据工程设建立起一个判别隧道围岩稳定性的标准方法。根据工程设计的实验经
37、验，这个判据主要应包括计的实验经验，这个判据主要应包括以下两方面以下两方面的内容：的内容：479.2.2 9.2.2 围岩稳定性判据围岩稳定性判据 2.必要条件围岩二次应力状态与岩体强度的关系 只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件，才能造成只有围岩的应力状态超过岩体的强度条件，才能造成岩体的塑性变形、剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失岩体的塑性变形、剪切破坏、坍塌、滑动、弯曲变形等失稳的前兆。所以，稳的前兆。所以，满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏满足岩体的强度条件是围岩失稳和破坏的的必要条件必要条件。即即 二次岩体强度极限 由于岩体中实际存在的不连续性和各向异性，岩体的由于岩体中实际存在的不
38、连续性和各向异性，岩体的强度必然不能直接引用岩石的强度公式。虽然岩石力学工强度必然不能直接引用岩石的强度公式。虽然岩石力学工作者多年努力，作者多年努力，但但迄今仍未建立起一个完备而又实用的岩迄今仍未建立起一个完备而又实用的岩体强度的理论判据。体强度的理论判据。489.2.2 9.2.2 围岩稳定性判据围岩稳定性判据 3.充分条件围岩位移状态和岩体变形能力的关系 隧道是高次超静定结构，围岩局部区域进入塑性状态隧道是高次超静定结构，围岩局部区域进入塑性状态或受拉破坏，都不一定意味着隧道围岩就将丧失整体的稳或受拉破坏，都不一定意味着隧道围岩就将丧失整体的稳定性。除非渐进的强度损失引起岩体变形无法控制
39、，使围定性。除非渐进的强度损失引起岩体变形无法控制，使围岩极度松弛，才有可能导致隧道围岩发生坍塌。岩极度松弛，才有可能导致隧道围岩发生坍塌。 所以，所以，满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的满足围岩的变形条件是造成围岩失稳破坏的充充分条件分条件。即即uu49 1.支护阻力对隧道周边应力分布的影响(1)在弹性应力状态下 2202200)1 (rrprrparcaHprrprrp02202200)1 ( 上式的前一项是初始应力造成的上式的前一项是初始应力造成的，后一项是支护阻力形成的。后一项是支护阻力形成的。 支护阻力使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，支护阻力使周边的径向应力增大，而使切向
40、应力减小，实质上是使洞室周边的岩体应力状态从单向实质上是使洞室周边的岩体应力状态从单向( (或双向的或双向的) )变为变为双向的双向的( (或三向的或三向的) )的受力状态。的受力状态。 9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析50(2)在塑性应力状态下 当围岩的二次应力状态已形成塑性区时，如隧道周边作当围岩的二次应力状态已形成塑性区时，如隧道周边作用有均布的径向支护阻力用有均布的径向支护阻力 时，则此时塑性区的应力如时，则此时塑性区的应力如下下： ctgcrrctgcpaprsin1sin20)(ctgcrrctgcpapsin1sin20)(
41、sin1sin1)(9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析 1.支护阻力对隧道周边应力分布的影响51由此可导出新的塑性区半径：由此可导出新的塑性区半径： 1100) 1() 1(12babcRpRHrR 塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，当支护阻力塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，当支护阻力增加到一定程度，就有可能在围岩中不形成塑性区，可求得增加到一定程度，就有可能在围岩中不形成塑性区，可求得此时所需最小支护阻力：此时所需最小支护阻力：12bcaRHp(2)在塑性应力状态下 9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结
42、构与围岩相互作用的力学分析 1.支护阻力对隧道周边应力分布的影响52 2.支护阻力对隧道周边位移分布的影响 在一定条件下，允许变形在一定条件下，允许变形( (位移位移) )愈大，塑性区范围也愈大，愈大，塑性区范围也愈大，而所需的支护阻力也愈小，可解得弹塑性状态下隧道壁径向位而所需的支护阻力也愈小，可解得弹塑性状态下隧道壁径向位移的表达式为：移的表达式为： )cossin(2|0200cHrGRucrrp 将支护阻力表达式代入得其与位移的关系式：将支护阻力表达式代入得其与位移的关系式：)sin1)(cossin(2|sin2sin100ctgcpctgcHcHGruaccrrp9.2.3 9.2
43、.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析53 根据公式可画出弹塑性状态下支护阻力与洞壁的相对径根据公式可画出弹塑性状态下支护阻力与洞壁的相对径向位移的关系曲线如下图所示向位移的关系曲线如下图所示： (1) (1)此时可看出：此时可看出： 形成塑性区后，无形成塑性区后，无论加多大的支护阻力都不论加多大的支护阻力都不能使围岩的径向位移为零；能使围岩的径向位移为零； 不论支护阻力如何不论支护阻力如何小小( (甚至不设支护甚至不设支护) )，围岩，围岩的变形如何增大，围岩总的变形如何增大，围岩总是可以通过增大塑性区范是可以通过增大塑性区范围来取得自身的稳定而不围来取得自身
44、的稳定而不致坍塌。致坍塌。 2.支护阻力对隧道周边位移分布的影响9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析54(2)对理论曲线进行修正：12bcaRHp 当 时 曲线改用直线，以表示它处于弹性状态，可以用弹性力学曲线改用直线，以表示它处于弹性状态，可以用弹性力学中厚壁圆筒的公式来确定支护阻力与洞壁径向位移的关系中厚壁圆筒的公式来确定支护阻力与洞壁径向位移的关系 0a)p(21|0rHGucrre 洞壁径向位移超过洞壁径向位移超过 后改用一个上升的凹曲线表示。后改用一个上升的凹曲线表示。但对于超过极限变形量后所需的支护阻力的真实情况仍然很但对于超过极
45、限变形量后所需的支护阻力的真实情况仍然很不清楚，所以这段曲线形态只能任意假定。不清楚，所以这段曲线形态只能任意假定。 itulim 2.支护阻力对隧道周边位移分布的影响9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析553.围岩特征曲线（支护需求曲线） 围岩允许的位移大围岩允许的位移大了，所需的支护阻力就小，了，所需的支护阻力就小，而应力重分布所引起的后果而应力重分布所引起的后果大部分由围岩所承担。大部分由围岩所承担。 围岩允许的位移小围岩允许的位移小了，可需的支护阻力就大，了，可需的支护阻力就大，围岩的承载能力则得不到充围岩的承载能力则得不到充分发挥。
46、分发挥。 9.2.3 9.2.3 支护结构与围岩相互作用的力学分析支护结构与围岩相互作用的力学分析56 上述是隧道围岩对支护的需求情况。现在分析支护结构上述是隧道围岩对支护的需求情况。现在分析支护结构可以提供的约束能力。可以提供的约束能力。 1. 一般支护特性曲线公式 仍以圆形隧道为研究对象，仍以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反并假定围岩给支护结构的反力也是径向分布的。力也是径向分布的。因此，还是一个轴对称问题。相对于围因此，还是一个轴对称问题。相对于围岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以岩的力学特性而言，混凝土或钢支护结构的力学特性可以认认为是线弹性的，为是线弹性的
47、，也就是说作用在支护结构上的径向均布压力也就是说作用在支护结构上的径向均布压力pa是和它的径向位移是和它的径向位移us成线性关系，即成线性关系，即9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线0ruKpSSa572.几种主要支护的刚度Ks (1)混凝土或喷射混凝土支护结构的支护刚度04.0/0rtcct为混凝土厚度由薄壁圆筒理论可得：)1 (20rtEKcccS9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线0maxrRtPcc它能提供的最大径向压力：58eaBdcSSSrlEK024(2)灌浆锚杆的支护刚度2.几种主要
48、支护的刚度Ks 9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线 (3)组合式支护结构 如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，其组合的支护刚如采用喷射混凝土和钢锚杆联合支护时，其组合的支护刚度即为：度即为： 它能提供的最大支护阻力也是两者之和它能提供的最大支护阻力也是两者之和。KKKScBScSB593.支护特征曲线： 图321 已知支护结构的刚度后，已知支护结构的刚度后， 可可根据公式根据公式(9-27)(9-27)画出支护画出支护结构提供约束的能力和它的结构提供约束的能力和它的径向位移径向位移 的关系曲线的关系曲线如如右右图。该图说明，支护结图。该图说明，
49、支护结构所能提供的支护阻力是随构所能提供的支护阻力是随支护结构的刚度而增大支护结构的刚度而增大。 这条曲线又称为这条曲线又称为“支护支护补给曲线补给曲线”，或称为或称为“支护支护特性曲线特性曲线”。9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线00rups600rus(1)(1)喷射混凝土的特征曲线喷射混凝土的特征曲线4.支护特征曲线实例9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线61(2)(2)钢支撑的特征曲线钢支撑的特征曲线9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线4.支
50、护特征曲线实例62(3)(3)无注浆锚杆的特征曲线无注浆锚杆的特征曲线9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线4.支护特征曲线实例63(4)(4)注浆锚杆的特征曲线注浆锚杆的特征曲线9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特性曲线支护特性曲线4.支护特征曲线实例64(5)(5)组合体系的特征曲线组合体系的特征曲线两种支护不同时施设所得组两种支护不同时施设所得组合支护特性曲线合支护特性曲线多种支护不同时施设所得多种支护不同时施设所得组合支护特性曲线组合支护特性曲线9.2.4 9.2.4 支护结构的补给曲线支护结构的补给曲线支护特
