隧道及地下工程的基本问题及其研究进展

1、,隧道及地下工程的基本问题及其研究进展,目 录,隧道及地下工程学科的基本问题,隧道围岩力学特性及其载荷效应,支护与围岩的动态作用关系,隧道支护结构及其协同作用,隧道及地下工程安全性分析,05,01,02,03,04,隧道及地下工程学科的基本问题,01,隧道及地下工程学科的基本问题,隧道及地下工程的基本问题包括隧道围岩稳定性、支护与围岩的作用关系以及支护结构体系的动力响应特点等3 个方面，如图1 所示. 围岩稳定性的分析和判别是隧道工程设计的基础，支护与围岩动态作用关系的深化研究是支护体系及其可靠性设计的前提，而支护结构与围岩作用体系的动力响应机制则是隧道结构抗震和耐久性设计的保障.,图1 隧道及地下工程的基本问题,隧道及地下工程学科的基本问题,隧道围岩稳定性及其评价方法,围岩稳定性是指在一定的尺度和空间条件下围岩能够自行稳定的时间，这显然与围岩的结构是显著相关的.,隧道支护结构体系的动力响应,隧道结构动力响应的突出特点就是隧道结构体系承受一种超常强度和规模的外载作用，并且呈现周期性，而结构体系的响应模式和程度则取决于隧道围岩、支护结构以及两者的作用关系，这在某种程度上也决定了动力作用的

2、结果.,隧道支护与围岩的动态作用关系,隧道围岩变形和破坏是一个复杂的过程，通常始于掌子面前方，而在得到有效支护以后其变形才趋于稳定，在此期间, 各种不同形式的干预共同构成复合支护结构体系，并实现协同作用.,核心问题,围岩稳定性是最为关键的问题，也是研究的重点，它一方面是其他两个问题研究的基础，同时也是隧道及地下工程的特色和难点，那么，对隧道围岩变形破坏机制的研究和稳定性判别就显得尤其重要和迫切.,隧道围岩力学特性及其载荷效应,02,隧道围岩力学特性及其载荷效应,在隧道施工影响下，围岩发生应力调整和转移，通常伴随着变形与破坏. 随着围岩变形的增大,破坏逐渐发展，围岩失稳范围增大，出现不同形式的破坏1. 围岩变形先后经历4 个阶段，自掌子面前方开始，依次为缓慢变形、急剧变形、变形减缓和变形稳定，如图2 所示. 随着变形的发展围岩破坏范围不断增大，如图3 所示.,2.1隧道围岩变形及破坏特性,隧道围岩力学特性及其载荷效应,图3 隧道围岩破坏区的发展,隧道围岩力学特性及其载荷效应,考虑松动区边界内外围岩稳定性的差异性，可将隧道周边一定范围内丧失整体稳定性而无法实现长期自稳的松动区定义为浅层围岩

3、，如图4 所示. 这部分围岩需要及时支护；在此范围以外, 整体稳定性较好而且能够承担地层载荷的围岩则为深层围岩.若对深层围岩采取及时有效的支护和干预则可保持其稳定性. 显然，隧道围岩通常是由浅层围岩和深层围岩复合而成.,2.2隧道围岩的复合结构特性,隧道围岩力学特性及其载荷效应,由于地层条件以及工程扰动效应的复杂性，围岩失稳具有显著的突发性和阶段性特点，如图5 所示. 数值试验中不同阶段的围岩垮落高度见图6.每组围岩失稳后都将保持相对较长时间的平衡. 突发性表明了围岩变形破坏发展由量变到质变的累积过程，而阶段性则显然是围岩失稳和破坏的分组性特点，而处于同一组的围岩具有本质的共性特点.,隧道围岩力学特性及其载荷效应,对于复合隧道围岩，其载荷效应主要由两部分组成，即浅层围岩的“给定载荷” 和深层围岩的“形变载荷”.复合围岩的载荷效应主要取决于浅层围岩的范围和对深层围岩变形的控制目标和标准.基于复合围岩基本载荷的理念，可利用图7 所示的计算模型对支护反力进行分析.,2.3 隧道围岩荷载的确定,隧道围岩力学特性及其载荷效应,图9 中载荷上限包络线各组深层围岩结构层失稳后支护所受最大载荷的变化情

4、况，可由计算获得；载荷下限包络线则表示结构层尚未失稳时的支护最小载荷，与结构体系的刚度有关.实际工程中的支护结构载荷理论上都在上述网格区域，据此可获得不同围岩条件下的围岩特性曲线.,隧道围岩力学特性及其载荷效应,复合拱的破坏形式,上部垮落：在拱脚完好的前提下，复合拱结构承载主体向上移动，承载结构相较于初始状态更加稳定，塌方程度会阶段性趋缓，并最终稳定.,下部滑移：该模式对复合拱结构带来两个影响，其一为拱脚失去支撑条件而破坏，其二为维持稳定的强力链不能构成完整闭合环而发生重组. 以上两种影响共同作用，导致拱结构同时在跨度和高 度上向外扩展.,拱脚失稳：相当于拱结构的跨度增大，由于稳定的拱结构具有特定的高跨比，因此最终稳定状态的拱结构范围将大于拱顶破坏模式下的范围，复合拱拱脚会向两侧移动，之后，续随着上部围岩的破坏，高度再向上移动.,上述破坏模式对应于3 种不同的复合拱失稳模式，其中后两种模式都带来拱脚的破坏，拱脚破坏会使得复合拱结构跨度增大，从而导致最终稳定状态范围比第1 种情况更大，由此可以推断在围岩稳定性控制过程中，拱脚的控制是关键，也是控制最终破坏范围的最有效手段.,2.4 复杂隧

5、道围岩稳定性及载荷特点,支护与围岩的动态作用关系,03,支护与围岩的动态作用关系,1.动态特性. 支护与围岩的相互作用关系具有很强的时空相关性，主要来源于隧道开挖及支护结构的施作过程、围岩的流变特性和混凝土材料的硬化特性.,2.阶段特性. 支护- 围岩体系不同阶段的主导因素不尽相同，导致重点问题和相应的核心变量始终处于动态转移和相互转化之中.,3.1 隧道支护与围岩作用的基本特点,支护与围岩的动态作用关系,围岩超前缓慢变形阶段. 这时围岩受到约束,变形得到一定的遏制，发展缓慢。 从掌子面前方围岩急剧变形到初期支护发挥作用。 初期支护与围岩发生有效作用后，围岩变形得到控制，同时围岩产生的形变压力使初期支护结构受力迅速增大。 在初期支护及超前支护与围岩的动态调整过程中隧道围岩变形趋于稳定，这时已实现围岩稳定和安全。,四个阶段：,3.2 隧道支护与围岩动态作用过程,隧道支护结构及其协同作用,04,隧道支护结构及其协同作用,调动围岩承载,对于广义载荷来讲，主承载结构是围岩自身，充分发挥围岩的承载功能是隧道设计的基本原则，最大限度地发挥围岩的自承载能效率，是最为经济的工程方案.,协助围岩承载,在

6、某些围岩条件下仅靠调动围岩自承载无法实现自行稳定和平衡，这时便需要外部结构的介入承担部分附加载荷以实现围岩的整体稳定性和平衡，这也是支护结构的本质作用特征.,动态协调承载,在对隧道围岩的支护活动中，调动和协助围岩承担的界限并不十分明显，通常在时间上是先调动后协助，在空间上则是调动深层承载、协助浅层围岩承载，而在实际作用过程中是相互依赖和相互包含的，动态协调是其相互作用的基本特征，这也是支护与围岩关系复杂化和作用结果具有不确定性的重要原因.,4.1 隧道支护的基本作用,隧道支护结构及其协同作用,4.2 隧道支护体系的协同作用,超前支护核心是防止严重的围岩超前破坏和冒顶发生，对变形控制没有严格的要求。 初期支护核心作用是遏制围岩变形，也是控制围岩稳定性的主体，通常应具有较高的刚度，对于复杂围岩可在必要时施作多重支护。 二次衬砌支护多数条件下仅作为安全储备，通常受载并不大，本质上对其刚度要求并不高。,支护分工：,隧道及地下工程安全性分析,05,隧道及地下工程安全性分析,围岩失稳类塌方事故,由于隧道围岩的超前失稳、破坏或过度变形造成坍塌和冒顶，进而引起掌子面的塌方事故。,结构失效类塌方事故,隧

7、道支护结构不足以抵抗围岩的附加载荷，支护与围岩的动态作用无法达到平衡状态而造成支护结构失效。,环境失调类塌方事故,隧道施工引起地层的变形与破坏，造成周边环境的变化，环境结构与地层之间不协调而坍塌。,5.1 隧道及地下工程安全事故类型,隧道及地下工程安全性分析,5.2 隧道及地下结构病害机理与控制,1.隧道结构病害特点,（1）隧道衬砌背后接触状态不良是隧道结构病害的主要成因之一，并直接影响到隧道结构的安全性.衬砌结构背后接触松散和空洞的存在是隧道支护与围岩接触不良的主要表现形式，其实质就是在一定程度上恶化了支护与围岩的关系，由此直接或间接地造成各种结构病害，严重时会危及到运营安全，这也是地下结构普遍存在的问题。 （2）隧道漏水病害只有在隧道衬砌结构背后具有集水条件和衬砌结构开裂(渗水通道) 两者同时发生时才会形成，显然这两者均与结构背后的空洞有关.。 （3）隧道基地和道床结构的破损本质上也是支护与围岩接触状态紧密相关。,2.隧道及地下结构安全评估与控制,在隧道衬砌结构状况评定指标体系中，既有定量指标，又有定性指标，各指标之间不具备可比性.为了各评定指标的统一性，提出了“隧道健康度” 的概念，据此可描述隧道整体结构及其子结构达到预期使用功能后的安全程度. 隧道健康度函数表达式： H = f (x1, x2,x3, . , xn) 式中, H 为隧道健康度函数, 取值范围为0,1；x1, x2, x3, . ; xn 为某评定指标现场检测值.,隧道及地下工程的基本问题及其研究进展,总,结,2.针对支护与围岩作用特点，提出了动态作用过程的四阶段原理，明确了每个阶段支护与围岩相互作用的内涵和评价方法，由此可作为隧道设计的 依据。,4.从致灾机理层面提出了隧道施工安全事故的3 种模式，针对极不稳定的围岩, 建立了安全性分级的指标体系，并给出了相应的分级方案.,1.基于围岩的渐进破坏特点，提出了复合隧道围岩的理念，并建立了隧道围岩载荷的计算模型，可对不同围岩条件下的支护结构载荷进行定量计算。,3.提出隧道支护作用的本质就是调动围岩承载和协助围岩承载的观点，分别给出了相应的实现方式和评价方法，建立了隧道广义支护结构的协同作 用模型，可实现围岩控制效果的优化.,THANKS,

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