隧道施工后的應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)行為本講主要內(nèi)容：1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)2、隧道支護(hù)后的應(yīng)力狀態(tài)3、新奧法施工的力學(xué)解析4、隧道施工力學(xué)相關(guān)問題討論土木工程學(xué)院隧道工程系施成華（1）隧道的施工過程原始巖體毛洞支護(hù)體系穩(wěn)定洞室開挖支護(hù)時間第2講隧道開挖后的力學(xué)行為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華初始應(yīng)力狀態(tài)（原巖）隧道開挖后應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）隧道的開挖施工實(shí)際上是一個應(yīng)力狀態(tài)的調(diào)整，重新達(dá)到應(yīng)力平衡的過程。（2）隧道施工的力學(xué)過程開挖支護(hù)體系應(yīng)力狀態(tài)（三次應(yīng)力狀態(tài)）終極應(yīng)力狀態(tài)（四次應(yīng)力狀態(tài)）支護(hù)時間第2講隧道開挖后的力學(xué)行為土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（1)基本假設(shè)影響洞室圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的因素是很多的，如圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體地質(zhì)因素、洞室開挖的形狀和尺寸、埋深以及洞室開挖的施工技術(shù)等。但目前對洞室二次應(yīng)力狀態(tài)的力學(xué)分析多以下述假定為前提：

1）視圍巖為均質(zhì)的，各向同性的連續(xù)介質(zhì)

2）只考慮自重產(chǎn)生的初始應(yīng)力場

3）隧道形狀以規(guī)則的圓形為主

4）隧道位于地表下一定的深度處，可簡化為無限體中的孔洞問題第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華隧道開挖后，圍巖中的應(yīng)力與位移視圍巖強(qiáng)度可能會出現(xiàn)兩種情況：一種是圍巖仍處于彈性狀態(tài)；另一種是開挖后應(yīng)力達(dá)到或超過圍巖的屈服條件，使部分圍巖處于塑性狀態(tài)，隧道圍巖將產(chǎn)生塑性滑移、松弛或破壞。第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)1、隧道開挖后的應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)1）圍巖中的應(yīng)力場和位移場：第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)一部分是初始應(yīng)力初始的(以“－”標(biāo)出)，另一部分是有洞周開挖卸載引起的土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)

沿隧道周邊只存在切向應(yīng)力，徑向應(yīng)力為0。這說明隧道的開挖使隧道周邊圍巖從二維（或三維）應(yīng)力狀態(tài)變成一維（或二維）應(yīng)力狀態(tài)，沿隧道周邊的應(yīng)力值及其分布主要取決于值。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)分別以不同的值代入前式，則切向應(yīng)力沿隧道的分布如圖。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)a）只有初始垂直應(yīng)力（）時，拱頂出現(xiàn)最大切向拉應(yīng)力，并分布在拱頂一定范圍內(nèi)（左右30°范圍內(nèi)）。

b）隨著的增大，拱頂切向拉應(yīng)力值及其范圍逐漸減小，當(dāng)時，拱頂切向拉應(yīng)力等于0，大于1/3后，整個隧道周邊的切向應(yīng)力皆為壓應(yīng)力。c）隧道側(cè)壁周邊切向應(yīng)力總是壓應(yīng)力，且總比拱頂范圍的應(yīng)力值大，側(cè)壁處在較大壓應(yīng)力作用下會造成側(cè)壁剪切破壞或巖爆，并有可能導(dǎo)致整個隧道失穩(wěn)。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)d）當(dāng)初始垂直應(yīng)力和水平應(yīng)力相等（）時，隧道周邊圍巖的應(yīng)力狀態(tài)是軸對稱的，這種應(yīng)力狀態(tài)對圓形隧道的穩(wěn)定是非常有利的。

e）通常圍巖的水平側(cè)壓力系數(shù)在0.2~0.5之間，此時，隧道周邊的切向應(yīng)力都是壓應(yīng)力。

土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)2）洞周應(yīng)力和位移

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)

當(dāng)時，隧道斷面是均勻縮小的，隨著值的減小，隧道上下頂點(diǎn)繼續(xù)向隧道內(nèi)擠入，水平直徑處則減小而變成扁平的斷面形狀。在多數(shù)情況下，隧道開挖后圍巖是向隧道內(nèi)移動的，只在一定的值條件下，在水平直徑處有向兩側(cè)擴(kuò)展的趨勢，多數(shù)情況下，拱頂位移均大于側(cè)壁位移。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)3）軸對稱情況

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)在洞室周邊上，主應(yīng)力和的差值最大(2)，由此衍生的剪應(yīng)力最大，所以洞室周邊是最容易破壞的，實(shí)踐也證明，洞室的破壞總是從周邊開始，并逐步向深處發(fā)展的。3）軸對稱情況土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)4）圍巖應(yīng)力向深處的變化規(guī)律

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)和兩種情況圍巖應(yīng)力分布情況。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)4）圍巖應(yīng)力向深處的變化規(guī)律

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)a)隧道側(cè)壁中點(diǎn)的切向應(yīng)力都是正值（壓應(yīng)力），最大為最小為隨著離隧道周邊距離的增大，切向應(yīng)力趨于初始應(yīng)力狀態(tài)。b）拱頂處在隧道周邊上的切向應(yīng)力由變到，隨著離隧道周邊距離的增大，切向應(yīng)力同樣趨于初始應(yīng)力狀態(tài)。c）在拱頂處拉應(yīng)力深入圍巖內(nèi)部的范圍約為0.58a，而后周邊為壓應(yīng)力，這說明隧道開挖后圍巖內(nèi)的拉應(yīng)力區(qū)是有限的。對于實(shí)際開挖的隧道，由于爆破超欠挖的影響，隧道周邊極不平整，會產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中，欠挖處的應(yīng)力會達(dá)到初始應(yīng)力值的十幾倍，造成隧道的局部破壞。土木工程學(xué)院隧道工程系施成華5）其它情況

對于非圓形隧道的圍巖二次應(yīng)力場和位移場的確定，要用到復(fù)變函數(shù)的映射理論，公式比較繁雜，這里不詳述。對于淺埋圓形隧道，圍巖的二次應(yīng)力場和位移場就不能按以上各式確定了，應(yīng)采用彈性力學(xué)中的公式進(jìn)行計(jì)算。

（2)隧道開挖后的彈性應(yīng)力狀態(tài)第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（3)隧道開挖后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)1）塑性區(qū)的應(yīng)力場

圍巖塑性區(qū)的應(yīng)力值與圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)，僅取決于圍巖本身的強(qiáng)度參數(shù)值，同時隨r的增大而增大，超過塑性區(qū)范圍后，又恢復(fù)為彈性狀態(tài)。

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)土木工程學(xué)院隧道工程系施成華

（3)隧道開挖后的彈塑性應(yīng)力狀態(tài)1）塑性區(qū)的應(yīng)力場

第2講隧道開挖后的力學(xué)行為—二次應(yīng)力狀態(tài)當(dāng)時，塑性區(qū)的形狀也是一個圓形，當(dāng)時，塑性區(qū)的形狀和范圍有很大的變化。土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)2）塑三性區(qū)三的范三圍塑性三區(qū)范三圍不三僅與三圍巖三強(qiáng)度三參數(shù)三有關(guān)三，而三且還三取決三與圍三巖的三初始三應(yīng)力三狀態(tài)三。在三自重三應(yīng)力三場中三，隧三道埋三深越三大、三塑性三區(qū)范三圍越三大。在塑三性區(qū)三與彈三性區(qū)三的交三界面三上，三塑性三區(qū)的三應(yīng)力三與彈三性區(qū)三的應(yīng)三力一三定保三持平三衡，三由此三得三時三的塑三性區(qū)三半徑三為第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)2）塑三性區(qū)三的范三圍第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)時，塑性區(qū)主要出現(xiàn)在側(cè)壁，呈月牙形，時，則變成耳狀，也集中在側(cè)壁范圍，時，又變成向圍巖深處擴(kuò)展的X形，在各種情況下，隧道側(cè)壁塑性區(qū)域顯著集中。a）值的影響土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)2）塑三性區(qū)三的范三圍對于三馬蹄三形隧三道，三也有三同樣三的結(jié)三論。第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)a）值的影響土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)2）塑三性區(qū)三的范三圍隨著三埋深三的增三加，三（實(shí)三際上三意味三著圍三巖條三件的三惡化三，其三塑性三區(qū)擴(kuò)三大并三呈不三同的三形狀三。第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)b）埋三深的三影響土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)2）塑三性區(qū)三的范三圍隧道三形狀三對塑三性區(qū)三范圍三、形三狀也三有很三大的三影響三。第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)c）隧三道形三狀的三影響土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華3）塑三性區(qū)三的位三移事實(shí)三上，三圍巖三在進(jìn)三入塑三性狀三態(tài)后三，體三積要三發(fā)生三剪漲三現(xiàn)象三，故三上式三只能三是近三似公三式。假定三在小三變形三的情三況下三，塑三性區(qū)三體積三不變?nèi)?，則三有：（3)隧道三開挖三后的三彈塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—二次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（1)支護(hù)三阻力三對隧三道周三邊應(yīng)三力分三布的三影響1）彈三性應(yīng)三力狀三態(tài)下支護(hù)三阻力三的存三在，三使周三邊的三徑向三應(yīng)力三增大三，而三使切三向應(yīng)三力減三小，三實(shí)質(zhì)三上是三使直三接靠三近洞三室周三邊的三巖體三應(yīng)力三狀態(tài)三，從單三向(或雙三向的)變?yōu)槿p向三的(或三三向的)的受三力狀三態(tài)，因而三提高三了巖三石的三承載三力。假定三支護(hù)三阻力pa是徑三向的(實(shí)際三上還三有切三向的)，且三沿洞三室周三邊是三均勻三分布三的，三則有三：第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)2、支三護(hù)施三作后三的應(yīng)三力狀三態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（1)支護(hù)三阻力三對隧三道周三邊應(yīng)三力分三布的三影響2）塑三性應(yīng)三力狀三態(tài)下塑性三區(qū)半三徑是三隨著三支護(hù)三阻力三的加三大而三減小三，說三明了徑向三阻力三對限三制圍三巖塑三性區(qū)三的發(fā)三展能三起重三要作三用。這三是因三為支三護(hù)阻三力的三存在,使圍三巖的三應(yīng)力三狀態(tài)三有二三維的三變?yōu)槿S三的,從而三提高三了圍三巖的三抗屈三服能三力。第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（2)支護(hù)三阻力三對隧三道周三邊位三移分三布的三影響在形三成塑三性區(qū)三后，三隧道三壁徑三向位三移不三僅與三巖體三的物三理參三數(shù)、三坑道三尺寸三和隧三道埋三深有三關(guān)，三而且三還取三決于三支護(hù)三阻力三的大三小。支護(hù)三阻力三的存三在控三制了三隧道三周邊三圍巖三的變?nèi)危龔亩刂迫藥r三體內(nèi)三塑性三區(qū)的三發(fā)展三和應(yīng)三力的三變化三，這三就是三支護(hù)三結(jié)構(gòu)三的支三護(hù)實(shí)三質(zhì)。三同時三由于三支護(hù)三阻力三的存三在也三改變?nèi)怂砣乐苋厧r三體的三承載三條件三，從三而相三應(yīng)提三供了三巖體三的承三載能三力。第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（2)支護(hù)三阻力三對隧三道周三邊位三移分三布的三影響第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華對于三非理三想狀三態(tài)下三的非圓三形隧三道，其三圍巖三特征三曲線三的基三本形三狀是三類似三的?？紤]三實(shí)際三情況三，支三護(hù)阻三力足三夠大三時可三使圍三巖的徑向三位移三為零，且三隧道三洞壁三位移三超過三一定三限度三后，三就會失穩(wěn)三坍塌，因三此需三對圍三巖特三征曲三線進(jìn)三行修三正。（2)支護(hù)三阻力三對隧三道周三邊位三移分三布的三影響第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華

仍以圓形隧道為研究對象，混凝土或鋼支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性可以認(rèn)為是線彈性的，則有：(3三)支護(hù)三特征三曲線第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華(4三)圍巖三與支三護(hù)結(jié)三構(gòu)平三衡狀三態(tài)的三建立當(dāng)支三護(hù)特三征曲三線與三圍巖三特征三曲線三在D點(diǎn)之三前的三任意三位置三達(dá)到三平衡三，隧三道結(jié)三構(gòu)體三系均三是穩(wěn)定的（三形變?nèi)龎毫θ┊?dāng)支護(hù)三特征三曲線三與圍三巖特三征曲三線在D點(diǎn)之三前沒三有達(dá)三到平三衡，三就會三導(dǎo)致三圍巖三的松動三、坍三塌（松三動壓三力）第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—三次三應(yīng)力三狀態(tài)土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（1）核三心——充分三利用三圍巖三的自三承載三能力3、新三奧法三施工三的力三學(xué)解三析原巖應(yīng)力一部分通過變形自己承擔(dān)了，另一部分由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)在不同位置達(dá)到平衡，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載是完全不同的，剛度大的支護(hù)不合理圍巖松動、坍塌后，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載會急劇增大較佳的支護(hù)工作點(diǎn)應(yīng)當(dāng)在D點(diǎn)以左，鄰近D點(diǎn)處第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（2）控三制爆三破——保護(hù)三圍巖三的自三承載三能力不同三爆破三效果三條件三下，三圍巖三的特三征曲三線是三完全三不同三的采用三控制三爆破三時，三對圍三巖的三擾動三小，三開挖三輪廓三圓順三，圍三巖的三自承三載能三力強(qiáng)第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（2）控三制爆三破——保護(hù)三圍巖三的自三承載三能力第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3）錨三噴支三護(hù)——發(fā)揮三圍巖三的自三承載三能力柔性三支護(hù)三，容三許圍三巖產(chǎn)三生一三定的三變形三，以三發(fā)揮三圍巖三的承三載能三力及時三封閉三圍巖三，保三護(hù)圍三巖的三承載三能力可分三層施三作，三適時三調(diào)整三支護(hù)三結(jié)構(gòu)三的剛?cè)鹊?講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（3）錨三噴支三護(hù)——發(fā)揮三圍巖三的自三承載三能力第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（4）監(jiān)三控量三測——控制三圍巖三產(chǎn)生三過大三的變?nèi)危ㄈ┡袛嗳龂鷰r三與支三護(hù)結(jié)三構(gòu)體三系是三否達(dá)三到穩(wěn)三定判斷三是否三需要三調(diào)整三支護(hù)三結(jié)構(gòu)三的剛?cè)扰袛嗳ёo(hù)三結(jié)構(gòu)三剛度三是否三過大第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（4）監(jiān)三控量三測——控制三圍巖三產(chǎn)生三過大三的變?nèi)危ㄈ┑?講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（4）監(jiān)三控量三測——控制三圍巖三產(chǎn)生三過大三的變?nèi)危ㄈ┑?講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—新奧三法力三學(xué)解三析土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（1）是三否可三以通三過延三遲支三護(hù)的三方式三達(dá)到三最佳三平衡三點(diǎn)4、隧三道施三工力三學(xué)相三關(guān)問三題討三論封閉三圍巖三，保三護(hù)自三承載三能力形成三三向三應(yīng)力三狀態(tài)——應(yīng)及三早進(jìn)三行支三護(hù)第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—問題三討論土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華4、隧三道施三工力三學(xué)相三關(guān)問三題討三論第2講三隧道三開挖三后的三力學(xué)三行為—問題三討論土木三工程三學(xué)院三隧道三工程三系施成三華（2）在三錨噴三支護(hù)三中加三鋼支三撐就三不能三發(fā)揮三圍巖三的力三學(xué)作三用了——在自三穩(wěn)能三力較三差的三圍巖三中，三單靠三錨噴三支護(hù)三不能三控制三圍巖三產(chǎn)生三過大三