隧道施工后的应力状态及力学行为.ppt

1、隧道施工后的应力状态及力学行为本讲主要内容：1、隧道开挖后的应力状态2、隧道支护后的应力状态3、新奥法施工的力学解析4、隧道施工力学相关问题讨论 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华（1 1 1 1）隧道的施工过程）隧道的施工过程）隧道的施工过程）隧道的施工过程原始岩体原始岩体原始岩体原始岩体毛毛毛毛 洞洞洞洞支护体系支护体系支护体系支护体系稳定洞室稳定洞室稳定洞室稳定洞室开挖开挖开挖开挖支护支护支护支护时间时间时间时间第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院

2、隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华初始应力状态（原岩）初始应力状态（原岩）初始应力状态（原岩）初始应力状态（原岩）隧道开挖后应力状态（二次应力状态）隧道开挖后应力状态（二次应力状态）隧道开挖后应力状态（二次应力状态）隧道开挖后应力状态（二次应力状态）隧隧隧隧道道道道的的的的开开开开挖挖挖挖施施施施工工工工实实实实际际际际上上上上是是是是一一一一个个个个应应应应力力力力状状状状态态态态的的的的调调调调整整整整，重重重重新新新新达到达到达到达到应力平衡应力平衡应力平衡应力平衡的过程。的过程。的过程。的过程。（2 2 2 2）隧道施工的力学过程）隧道施工的力学过程）隧道施工的力学过程）隧道

3、施工的力学过程开挖开挖开挖开挖支护体系应力状态（三次应力状态）支护体系应力状态（三次应力状态）支护体系应力状态（三次应力状态）支护体系应力状态（三次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）支护支护支护支护时间时间时间时间第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （1 1)基本基本假设假设 影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的影响洞室围岩二次

4、应力状态的因素是很多的，如围岩的影响洞室围岩二次应力状态的因素是很多的，如围岩的初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深初始应力状态，岩体地质因素、洞室开挖的形状和尺寸、埋深以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力以及洞室开挖的施工技术等。但目前对洞室二次应力状态的力学分析多以下述假定为前提：学分析多以下述假定为前提：学分析多以下述假定为前提：学分析多以

5、下述假定为前提：1 1 1 1）视围岩为均质的，各向同性的连续介质）视围岩为均质的，各向同性的连续介质）视围岩为均质的，各向同性的连续介质）视围岩为均质的，各向同性的连续介质 2 2 2 2）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）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 3 3 3 3）隧道形状以规则的圆形为主）隧道形状以规则的圆形为主）隧道形状以规则的圆形为主）隧道形状以规则的圆形为主 4 4 4 4）隧道位于地表下一定的深度处，可简化为无限体中的）隧道位于地表下一定的深度处，可简化为无限体中的）隧道位于地表下一定的深度处，可简化为无限体中的）隧道位于地表下一

6、定的深度处，可简化为无限体中的孔洞问题孔洞问题孔洞问题孔洞问题第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态1 1 1 1、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现隧道开挖后，围岩中的应力与位移视围岩强度可能会出现两种情况：两种情况：两种情况：两种情况：一种是围岩仍处

7、于一种是围岩仍处于一种是围岩仍处于一种是围岩仍处于弹性状态弹性状态弹性状态弹性状态；另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使另一种是开挖后应力达到或超过围岩的屈服条件，使部分部分部分部分围岩处于塑性状态，围岩处于塑性状态，围岩处于塑性状态，围岩处于塑性状态，隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。隧道围岩将产生塑性滑移、松弛或破坏。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态1 1 1 1、隧道

8、开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态、隧道开挖后的应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态1 1 1 1）围岩中的应力场和位移场：）围岩中的应力场和位移场：）围岩中的应力场和位移场：）围岩中的应力场和位移场：第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态一部分是初始应一部分是初始应一部分是初始应一部分是初始应力初始的力初始的力初始的力初始的(以以以以“”标出标出标出标出)，另一部，另一部，另一部，另一部分是有洞

9、周开挖分是有洞周开挖分是有洞周开挖分是有洞周开挖卸载引起的卸载引起的卸载引起的卸载引起的 土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移

10、）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 沿隧道周边只存在切向应力，径向沿隧道周边只存在切向应力，径向沿隧道周边只存在切向应力，径向沿隧道周边只存在切向应力，径向应力为应力为应力为应力为0 0 0 0。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周。这说明隧道的开挖使隧道周边围岩从二维（或三维）应力状态变成边围岩从二维（或三维）应力状态变成边围岩从二维（或三维）应力状态变成边围岩从二维（或三维）应力状态变成一维（或二维）应力状态，沿隧道周边一维（或二维）应力状态，沿隧道周边一

11、维（或二维）应力状态，沿隧道周边一维（或二维）应力状态，沿隧道周边的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值的应力值及其分布主要取决于值 。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态分别以不同的分别以不同的分别以不同的分别以不同的 值代入前式，则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前

12、式，则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前式，则切向应力沿隧道的分布如图。值代入前式，则切向应力沿隧道的分布如图。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 a a a a）只有初始垂直应力（）只有初始垂直应力（）只有初始垂直应力（）只有初始垂直应力（）时，拱顶出现最大切向拉）时，拱顶出现最大切向拉）时，拱顶出现最大切向拉

13、）时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内（左右应力，并分布在拱顶一定范围内（左右应力，并分布在拱顶一定范围内（左右应力，并分布在拱顶一定范围内（左右30303030范围内）。范围内）。范围内）。范围内）。b b b b）随着）随着）随着）随着 的增大，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小，的增大，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小，的增大，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小，的增大，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小，当当当当 时，拱顶切向拉应力等于时，拱顶切向拉应力等于时，拱顶切向拉应力等于时，拱顶切向拉应力等于0 0 0 0，大于大于大于大于1/31/31/31/3后，整个隧后，整个隧后

14、，整个隧后，整个隧道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。道周边的切向应力皆为压应力。c c c c）隧道侧壁周边切向应力总是压应力，且总比拱顶范围）隧道侧壁周边切向应力总是压应力，且总比拱顶范围）隧道侧壁周边切向应力总是压应力，且总比拱顶范围）隧道侧壁周边切向应力总是压应力，且总比拱顶范围的应力值大，侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大，侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大，侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破的应力值大，侧壁处在较大压应力作用下会造成侧壁剪切破坏或岩爆，并有可能导致整个隧道失稳。坏或岩爆，并有可能导

15、致整个隧道失稳。坏或岩爆，并有可能导致整个隧道失稳。坏或岩爆，并有可能导致整个隧道失稳。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 d d d d）当初始垂直应力和水平应力相等（）当初始垂直应力和水平应力相等（）当初始垂直应力和水平应力相等（）当初始垂直应力和水平应力相等（）时，隧道周）时，隧道周）时，隧道周）时，隧道周

16、边围岩的应力状态是轴对称的，这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的，这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的，这种应力状态对圆形隧道的边围岩的应力状态是轴对称的，这种应力状态对圆形隧道的稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。稳定是非常有利的。e e e e）通常围岩的水平侧压力系数）通常围岩的水平侧压力系数）通常围岩的水平侧压力系数）通常围岩的水平侧压力系数 在在在在0.20.50.20.5之间，此时，之间，此时，之间，此时，之间，此时，隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。隧道周边的切向应力都是压应力。

17、土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态2 2 2 2）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移）洞周应力和位移 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 当当当当 时，隧道断面是均匀缩时，隧道断面是均匀缩时，隧道断面是均匀缩时，隧道断面是均匀缩小的，随着小的，随着小的，随着小的，随着 值的减小，隧道上下值的减小，隧道上下值的减小，隧道上下值的减小，隧道上下顶点继续向隧道内挤入，水平直径顶点继续向隧道内挤入，水平直径顶点继续向隧道

18、内挤入，水平直径顶点继续向隧道内挤入，水平直径处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。处则减小而变成扁平的断面形状。在多数情况下，隧道开挖后围在多数情况下，隧道开挖后围在多数情况下，隧道开挖后围在多数情况下，隧道开挖后围岩是向隧道内移动的，只在一定的岩是向隧道内移动的，只在一定的岩是向隧道内移动的，只在一定的岩是向隧道内移动的，只在一定的 值条件下，在水平直径处有向两值条件下，在水平直径处有向两值条件下，在水平直径处有向两值条件下，在水平直径处有向两侧扩展的趋势，侧扩展的趋势，侧扩展的趋势，侧扩展的趋势，多数情况下，拱顶多数情况下，拱顶多数情况

19、下，拱顶多数情况下，拱顶位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移位移均大于侧壁位移。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态3 3 3 3）轴对称情况）轴对称情况）轴对称情况）轴对称情况 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为

20、隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 在洞室周边上，主应力在洞室周边上，主应力在洞室周边上，主应力在洞室周边上，主应力 和和和和 的差值最大的差值最大的差值最大的差值最大(2 )(2 )(2 )(2 )，由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实由此衍生的剪应力最大，所以洞室周边是最容易破坏的，实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，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展践也证明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展践也证明，洞室的破坏总是从周边开始，并逐步向深处发展践也证明，洞室的破坏总是

21、从周边开始，并逐步向深处发展的。的。的。的。3 3 3 3）轴对称情况）轴对称情况）轴对称情况）轴对称情况土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态4 4 4 4）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 和和和和 两种情况围岩应两种情况围岩应两种情况围岩应两种情况围岩应力分布情况。力分布情况。力分布情况。力分布情况。土木工程学院隧道工

22、程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态4 4 4 4）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律）围岩应力向深处的变化规律 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态a)a)a)a)隧道侧壁中点的切向应力都是正值（压应力），最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值（压应力），最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值（压应力），最大为隧道侧壁中点的切向应力都是正值（压应力），最大为 最小为最小为最小为最小为 随着离隧道周边距离的增

23、大，切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力趋于初始应力状态。b b b b）拱顶处在隧道周边上的切向应力由）拱顶处在隧道周边上的切向应力由）拱顶处在隧道周边上的切向应力由）拱顶处在隧道周边上的切向应力由 变到变到变到变到 ，随着离隧道周边距离的增大，切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力同样趋于初始应力状态。随着离隧道周边距离的增大，切向应力同样趋于初始应力状态。c c c c）在拱顶处拉

24、应力深入围岩内部的范围约为）在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为）在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为）在拱顶处拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a0.58a0.58a0.58a，而后周边为压应力，而后周边为压应力，而后周边为压应力，而后周边为压应力，这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。这说明隧道开挖后围岩内的拉应力区是有限的。对于实际开挖的隧道，由于爆破超欠挖的影响，隧道周边极不平整，对于实际开挖的隧道，由于爆破超欠挖的影响，隧道周边极不平整，对于实际开挖的隧道，由于爆破超欠挖的影响，隧道周边极不平整

25、，对于实际开挖的隧道，由于爆破超欠挖的影响，隧道周边极不平整，会产生高度的应力集中，欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中，欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中，欠挖处的应力会达到初始应力值的会产生高度的应力集中，欠挖处的应力会达到初始应力值的十几倍十几倍十几倍十几倍，造成，造成，造成，造成隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。隧道的局部破坏。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华5 5 5 5）其它情况）其它情况）其它情况）其它情况 对于对于对于对于非圆形隧道非圆形隧道非圆形隧道非圆形隧道的围岩

26、二次应力场和位移场的确的围岩二次应力场和位移场的确的围岩二次应力场和位移场的确的围岩二次应力场和位移场的确定，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，这定，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，这定，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，这定，要用到复变函数的映射理论，公式比较繁杂，这里不详述。里不详述。里不详述。里不详述。对于对于对于对于浅埋圆形隧道浅埋圆形隧道浅埋圆形隧道浅埋圆形隧道，围岩的二次应力场和位移场，围岩的二次应力场和位移场，围岩的二次应力场和位移场，围岩的二次应力场和位移场就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的就不能按以上各式确

27、定了，应采用弹性力学中的就不能按以上各式确定了，应采用弹性力学中的R.D.MindilinR.D.MindilinR.D.MindilinR.D.Mindilin公式进行计算。公式进行计算。公式进行计算。公式进行计算。（2)2)隧道开挖后的弹性应力状态隧道开挖后的弹性应力状态第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态1 1 1 1）塑性区的应力场）塑性区的应力场）塑性区的应力场）塑性区的应力场

28、围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，围岩塑性区的应力值与围岩的初始应力状态无关，仅取决于围岩本身的强度参数仅取决于围岩本身的强度参数仅取决于围岩本身的强度参数仅取决于围岩本身的强度参数 值，同时随值，同时随值，同时随值，同时随r r r r的增的增的增的增大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。大而增大，超过塑性区范围后，又恢复为弹性状态。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力

29、状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态1 1 1 1）塑性区的应力场）塑性区的应力场）塑性区的应力场）塑性区的应力场 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 当当当当 时，塑性时，塑性时，塑性时，塑性区的形状也是一个圆区的形状也是一个圆区的形状也是一个圆区的形状也是一个圆形，当形，当形，当形，当 时，塑性时，塑性时，塑性时，塑性区的形状和范围有很区的形状和范围有很区的形状和范围有很区的形状和范围有很大的变化。大的

30、变化。大的变化。大的变化。土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态2 2 2 2）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围 塑性区范围不仅与围岩强度参数有关，塑性区范围不仅与围岩强度参数有关，塑性区范围不仅与围岩强度参数有关，塑性区范围不仅与围岩强度参数有关，而且还取决与围岩的初始应力状态。在自而且还取决与围岩的初始应力状态。在自而且还取决与围岩的初始应力状态。在自而且还取决与围岩的初始应力状态。在自重应力场中，隧道埋深越大、塑性区范围重应力场中，隧道埋深越

31、大、塑性区范围重应力场中，隧道埋深越大、塑性区范围重应力场中，隧道埋深越大、塑性区范围越大。越大。越大。越大。在塑性区与弹性区的交界面上，塑性区的应力与弹性在塑性区与弹性区的交界面上，塑性区的应力与弹性在塑性区与弹性区的交界面上，塑性区的应力与弹性在塑性区与弹性区的交界面上，塑性区的应力与弹性区的应力一定保持平衡，由此得区的应力一定保持平衡，由此得区的应力一定保持平衡，由此得区的应力一定保持平衡，由此得 时的塑性区半径为时的塑性区半径为时的塑性区半径为时的塑性区半径为第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木

32、工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态2 2 2 2）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态 时，塑性区时，塑性区时，塑性区时，塑性区主要出现在侧壁，呈月牙主要出现在侧壁，呈月牙主要出现在侧壁，呈月牙主要出现在侧壁，呈月牙形，形，形，形，时，则变成时，则变成时，则变成时，则变成耳状，也集中在侧壁范围，耳状，也集中在侧壁范围，耳状，也集中在侧壁范围，耳状，也集中在侧壁范围，时，又变成向围岩深处扩时，又变成向围岩深处扩时，又变

33、成向围岩深处扩时，又变成向围岩深处扩展的展的展的展的X X X X形，在各种情况下，形，在各种情况下，形，在各种情况下，形，在各种情况下，隧道侧壁塑性区域显著集隧道侧壁塑性区域显著集隧道侧壁塑性区域显著集隧道侧壁塑性区域显著集中。中。中。中。a a a a）值值值值的的的的影影影影响响响响土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态2 2 2 2）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围 对于马蹄形隧道，也有同样的结论。对于马蹄形隧道，也有同样的结论。对于马蹄形

34、隧道，也有同样的结论。对于马蹄形隧道，也有同样的结论。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态a a a a）值的影响值的影响值的影响值的影响土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态2 2 2 2）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围 随着埋深的增加，随着埋深的增加，随着埋深的增加，随着埋深的增加，（实际上意味着围岩条（实际上意味着围岩条（实际上意味着围岩条（实际上意味着围岩条件的恶化，其塑性区扩件的恶化，其塑性区

35、扩件的恶化，其塑性区扩件的恶化，其塑性区扩大并呈不同的形状。大并呈不同的形状。大并呈不同的形状。大并呈不同的形状。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态b b b b）埋深的影响）埋深的影响）埋深的影响）埋深的影响土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态2 2 2 2）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围）塑性区的范围 隧道形状对隧道形状对隧道形状对隧道形状对塑性区范围、形塑性区范围、形塑性区范围、形塑性区范围、形状也有很大的

36、影状也有很大的影状也有很大的影状也有很大的影响。响。响。响。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态c c c c）隧道形状的影响）隧道形状的影响）隧道形状的影响）隧道形状的影响土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华3 3 3 3）塑性区的位移）塑性区的位移）塑性区的位移）塑性区的位移 事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生剪涨事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生剪涨事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生剪涨事实上，围岩在进入塑性状态后，体积要发生剪涨现象，故上式只能是近似公式。现象，

37、故上式只能是近似公式。现象，故上式只能是近似公式。现象，故上式只能是近似公式。假定在小变形的情况下，塑性区体积不变，则有：假定在小变形的情况下，塑性区体积不变，则有：假定在小变形的情况下，塑性区体积不变，则有：假定在小变形的情况下，塑性区体积不变，则有：（3)3)隧道开挖后的弹塑性应力状态隧道开挖后的弹塑性应力状态第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为二次应力状态二次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （1)1)支护阻力对隧道周边应力分布的影响支护阻力对隧道周边应力分布的影响1 1 1 1）弹性应力状态

38、下）弹性应力状态下）弹性应力状态下）弹性应力状态下 支护阻力的存在，使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，支护阻力的存在，使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，支护阻力的存在，使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，支护阻力的存在，使周边的径向应力增大，而使切向应力减小，实质上是使直接靠近洞室周边的岩体应力状态，实质上是使直接靠近洞室周边的岩体应力状态，实质上是使直接靠近洞室周边的岩体应力状态，实质上是使直接靠近洞室周边的岩体应力状态，从单向从单向从单向从单向(或双向的或双向的或双向的或双向的)变为双向的变为双向的变为双向的变为双向的(或三向的或三向的或三向的或三向的)的受力状态，的受力状

39、态，的受力状态，的受力状态，因而提高了岩石的承载力。因而提高了岩石的承载力。因而提高了岩石的承载力。因而提高了岩石的承载力。假定支护阻力假定支护阻力假定支护阻力假定支护阻力papapapa是径向的是径向的是径向的是径向的(实际上还有切实际上还有切实际上还有切实际上还有切向的向的向的向的)，且沿洞室周边是均匀分布的，则有：，且沿洞室周边是均匀分布的，则有：，且沿洞室周边是均匀分布的，则有：，且沿洞室周边是均匀分布的，则有：第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态2 2 2 2、支护施作后的应力状态、支护施作后的应力状态、支护施作后的应力状态、支护施作后的应

40、力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （1)1)支护阻力对隧道周边应力分布的影响支护阻力对隧道周边应力分布的影响2 2 2 2）塑性应力状态下）塑性应力状态下）塑性应力状态下）塑性应力状态下 塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，说明了塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，说明了塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，说明了塑性区半径是随着支护阻力的加大而减小，说明了径向阻径向阻径向阻径向阻力对限制围岩塑性区的发展能起重要作用力对限制围岩塑性区的发展能起重要作用力对限制围岩塑性区的发展能起重要作用力对限制围岩塑性区的发展能起重

41、要作用。这是因为支护阻力。这是因为支护阻力。这是因为支护阻力。这是因为支护阻力的存在的存在的存在的存在,使围岩的应力状态有二维的变为三维的使围岩的应力状态有二维的变为三维的使围岩的应力状态有二维的变为三维的使围岩的应力状态有二维的变为三维的,从而提高了围从而提高了围从而提高了围从而提高了围岩的抗屈服能力。岩的抗屈服能力。岩的抗屈服能力。岩的抗屈服能力。第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)支护阻力对隧道周边位移分布的影响支护阻力对隧道周边位移

42、分布的影响 在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩体的物理参数、在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩体的物理参数、在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩体的物理参数、在形成塑性区后，隧道壁径向位移不仅与岩体的物理参数、坑道尺寸和隧道埋深有关，而且还取决于支护阻力的大小。坑道尺寸和隧道埋深有关，而且还取决于支护阻力的大小。坑道尺寸和隧道埋深有关，而且还取决于支护阻力的大小。坑道尺寸和隧道埋深有关，而且还取决于支护阻力的大小。支护阻力的存在控制了隧道周边围岩的变形，从而控制了支护阻力的存在控制了隧道周边围岩的变形，从而控制了支护阻力的存在控制了隧道周边围岩的变形，从而控制了支护阻力的存在控制了隧

43、道周边围岩的变形，从而控制了岩体内塑性区的发展和应力的变化，这就是支护结构的支护实岩体内塑性区的发展和应力的变化，这就是支护结构的支护实岩体内塑性区的发展和应力的变化，这就是支护结构的支护实岩体内塑性区的发展和应力的变化，这就是支护结构的支护实质。同时由于支护阻力的存在也改变了隧道周边岩体的承载条质。同时由于支护阻力的存在也改变了隧道周边岩体的承载条质。同时由于支护阻力的存在也改变了隧道周边岩体的承载条质。同时由于支护阻力的存在也改变了隧道周边岩体的承载条件，从而相应提供了岩体的承载能力。件，从而相应提供了岩体的承载能力。件，从而相应提供了岩体的承载能力。件，从而相应提供了岩体的承载能力。第第

44、2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 （2)2)支护阻力对隧道周边位移分布的影响支护阻力对隧道周边位移分布的影响 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 对对对对于于于于非非非非理理理理想想想想状状状状态态态态下下下下的的的的非非非非圆圆圆圆形形形形隧隧隧隧道道道道，其其其其围围围围岩岩岩岩特特特特征征征征曲曲曲曲线

45、线线线的基本形状是类似的。的基本形状是类似的。的基本形状是类似的。的基本形状是类似的。考考考考虑虑虑虑实实实实际际际际情情情情况况况况，支支支支护护护护阻阻阻阻力力力力足足足足够够够够大大大大时时时时可可可可使使使使围围围围岩岩岩岩的的的的径径径径向向向向位位位位移移移移为为为为零零零零，且且且且隧隧隧隧道道道道洞洞洞洞壁壁壁壁位位位位移移移移超超超超过过过过一一一一定定定定限限限限度度度度后后后后，就就就就会会会会失失失失稳稳稳稳坍坍坍坍塌塌塌塌，因因因因此此此此需需需需对对对对围围围围岩岩岩岩特特特特征征征征曲曲曲曲线线线线进进进进行行行行修正。修正。修正。修正。（2)2)支护阻力对隧道周

46、边位移分布的影响支护阻力对隧道周边位移分布的影响第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华 仍仍以以圆圆形形隧隧道道为为研研究究对对象象，混混凝凝土土或或钢钢支支护护结结构构的的力力学学特特性性可可以以认认为为是线弹性的，是线弹性的，则有：则有：(3)(3)(3)(3)支护特征曲线支护特征曲线支护特征曲线支护特征曲线第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程

47、系土木工程学院隧道工程系施成华施成华(4)(4)(4)(4)围岩与支护结构平衡状态的建立围岩与支护结构平衡状态的建立围岩与支护结构平衡状态的建立围岩与支护结构平衡状态的建立 当当支支护护特特征征曲曲线线与与围围岩岩特特征征曲曲线线在在D点点之之前前的的任任意意位位置置达达到到平平衡衡，隧隧道道结结构构体体系系均均是是稳稳定定的的（形变压力）（形变压力）当当支支护护特特征征曲曲线线与与围围岩岩特特征征曲曲线线在在D点点之之前前没没有有达达到到平平衡衡，就就会会导导致致围围岩岩的的松松动动、坍坍塌塌（松松动压力）动压力）第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为三次应力状态三次应力状

48、态土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华（1 1）核心）核心充分利用围岩的自承载能力充分利用围岩的自承载能力3、新奥法施工的力学解析 原原岩岩应应力力一一部部分分通通过过变变形形自自己己承承担担了了，另另一一部部分分由支护结构承担由支护结构承担围围岩岩与与支支护护结结构构在在不不同同位位置置达达到到平平衡衡，作作用用在在支支护护结结构构上上的的荷荷载载是是完完全全不不同同的，的，刚度大的支护不合理刚度大的支护不合理围围岩岩松松动动、坍坍塌塌后后，作作用用在在支支护护结结构构上上的的荷荷载载会会急急剧增大剧增大较佳的支护工作点应当在较

49、佳的支护工作点应当在较佳的支护工作点应当在较佳的支护工作点应当在D D D D点以左，邻近点以左，邻近点以左，邻近点以左，邻近D D D D点处点处点处点处 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为新奥法力学解析新奥法力学解析土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为新奥法力学解析新奥法力学解析土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华（2 2）控制爆破）控制爆破保护围岩的自承载能力保护围岩的自承载能力不不同

50、同爆爆破破效效果果条条件件下下，围围岩岩的的特特征征曲曲线是完全不同的线是完全不同的采采用用控控制制爆爆破破时时，对对围围岩岩的的扰扰动动小小，开开挖挖轮轮廓廓圆圆顺顺，围围岩的自承载能力强岩的自承载能力强 第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为新奥法力学解析新奥法力学解析土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系施成华施成华（2 2）控制爆破）控制爆破保护围岩的自承载能力保护围岩的自承载能力第第2 2讲讲 隧道开挖后的力学行为隧道开挖后的力学行为新奥法力学解析新奥法力学解析土木工程学院隧道工程系土木工程学院隧道工程系土木工程学院