隧道设计应该考虑应力释放的影响Van-hung DAO1.水利水电工程学院、河海大学、南京210098,中国2.教师的液压结构,水的资源,越南河内大学摘要:在隧道设计中，支护时间的确定和刚性的支护体系对于维持隧道稳定是非常重要的，该研究所采用的收敛-约束法来确定的隧道的应力和位移，同时考虑到了地基承载力反压力曲线的位移、应力释放的影响以及隧道衬砌和岩石隧道周边洞室的相互作用，这个结论可以确定支护的时间和支护结构的强度和刚度。

这种方法曾适用于越南义安省本卫水力发电厂引水隧道。

结果表明，当位移在0.0865 米到0.0919 米之间时取一个合适的位移值，我们就可以通过架设支护结构来满足隧道的稳定性和经济的要求。

关键词:隧道；支撑结构；稳定性；反压力曲线；应力释放效果1引言岩石在自然环境中，特别是在深部地层当中，常常受到上部地层和重力的影响，由于这些因素的影响在岩体当中二次应力的发展是非常复杂，难以界定的。

隧道开挖过程中，一部分的岩石通常会受到来自隧道洞顶岩石的去除而产生的力-拉应力，有时拉应力会相当高，都会在隧道围岩的周边产生，由于岩石开挖洞周应力的释放会导致周边围岩的变形，从三向应力状态转变为双向应力状态。

在隧道施工过程中，架设支护结构的目的是为了提高和维持岩体的自承能力，以最大程度的发挥岩体的承载能力，并且在岩体内产生有利于发展的内应力场。

1938年，芬纳进行了上部地层和水力结构相互作用方面的研究，并发现了基础的特殊变化曲线和弹塑性介质的解决方案。

1963年，Pacher进行了同样的研究，并取得了同样的结果。

当隧道设计考虑上部地层和水工结构之间的相互作用时，其结果采用新奥法(NATM) 施工和实际结构是比较适合的。

此外，在隧道设计中，隧道衬砌和洞室周围地层之间的相互作用，以及相应的地基反压力曲线，通常被考虑在内(Panet和Guenot1982; Panet1995年)。

在隧道设计中收敛-约束法通常被认为是有效的。

2007年，在越南Nguyen通过研究改变地下水压力载荷，从而影响隧道衬砌的结构，在同一年，Vu和Do也采用收敛-约束的方法对隧道进行设计计算，并假定为初始变形值。

根据Fenne(1938年)和Pacher(1963年)的研究，如果一个刚性支撑结构②(如图1) 架设的比较及时，会因为开挖洞室周围变形不够大而先达到平衡，之后它将会有更大的承载能力。

在曲线外的C点(如图1)，岩石性质将变为非线性(塑性)。

当支护结构①安装后产生了一定的位移(A点)，则该体系达到与对隧道衬砌较小的均衡负载，之后围岩开始松动，曲线将达到其最低值(如图1中B点)，而隧道衬砌压力则增加的非常快。

如果使围岩变形得到适度发展后施做支护结构，则作用在支护结构上的压力将达到最小值，将不会导致隧道的失稳。

图1所示:图1:根据Fenner(1938)and Pacher(1963)得出围岩和支护特征曲线式中:P-支护压力;i-径向应力;Δ r -径向位移;-隧道半径;-为外衬砌的支护抗力;-为外衬砌的支护抗力。

这项研究证实了收敛-约束法在考虑地层反压力曲线、应力释放效应以及隧道衬砌和洞周隧道洞室相互作用条件下，可以确定隧道的应力和位移。

2地层结构模式2.1地基反作用力曲线下的应力计算事实上，静水压力也就是初始应力(侧压力系数为1)，洞周开挖的支护半径用表示，如图1所示(Hoek and Brown 1980)，塑性区半径的假设条件是依据初始应力场的大小o p、支护压力i p和岩石材料的特性而定。

图2隧道洞周弹塑性应力分布图塑性区内的应力计算公式：2sin 1sin (cot )cot (1)c re i r gH C C r ϕϕσρϕϕ-⎛⎫=+- ⎪⎝⎭其中:-岩石密度g -重力加速度H -洞室埋深C -岩石的内聚力-岩石内摩擦角弹性区内的应力计算公式 (r≥r e ):（2）其中: -径向应力;-切向应力;r -洞周地层任意点离洞室中心的距离;塑性区内的应力计算公式 (r i ≤ r≤r e ):（3）(摩尔应力圆) (塑性区) (弹性区) (1) (2)其中: 隧道的径向变形:（4）其中:G-岩体的剪切模量以及（5）其中:γ -岩石的泊松比;-岩石剪切滑移面的倾角;2.2隧道洞周沿轴线方向上的径向位移和应力释放系数在掌子面和未开挖岩石的影响下，未加固围岩的最大径向位移max u 在距离掌子面只有仅仅的一段距离(通常实验测量结果是1.532i r )。

在现场实测数据的基础上，两位研究人员通过量测半径为的隧道，建立了U r /U rmax 和距离隧道掌子面距离x 之间的关系，如图3中 所示的弹性模型。

1995年Panet 建议采用如下的系数公式，来表示U r /Urmax 和X 之间的关系:（6）其中: -应力释放系数; 公式(6)适用于x 为正值(即前方的掌子面)，如图4所绘。

1998年，Chern 在Mingtam 电力隧道工程中，做出了在隧道洞穴附近收敛量测值一览表，根据这些测量的数据绘制在图4所对应的点上，1999年Hock 建议采用如下的经验公式，来最恰当的表示U r /Urmax 和X 之间的关系:(7)图3 表示未支护隧道 的径向位移图4从弹性模型派生的最适合隧道测量的数据曲线2.3支护结构特征曲线特性曲线显示了支护结构的支撑性能(如混凝土、喷射水泥砂浆、岩石锚杆和型钢)，它是根据支护压力和径向位移之间的线性关系，并应用到了沿隧道单位长度轴线方向上的支护区域。

假设支护结构的刚度为K ，则支护特性曲线的弹性区域，可以用下列公式计算:(8)混凝土及喷射水泥浆结构的刚度系数为:(9)其中: c E -喷射混凝土的弹性模量;-喷射混凝土的泊松比系数;-衬砌厚度;钢拱支撑的刚度系数表达式:(10)式中: S -钢拱支撑沿洞周轴向的间距(m);-振动棒之间夹角的一半(°);W -夯实块的宽度(m);s A -钢拱支撑横截面的面积(m 2 );s I -钢拱支撑的惯性矩(m 4 );s E -钢拱支撑的弹性模量(Mpa);B t -垫块的厚度(m);B E -垫块的弹性模量(Mpa);一段长为b I 和直径为b d 的机械式锚杆以及黏结式锚杆的支护刚度用如下表达式计算:(11)式中: S c -锚杆的环向间距;S l -锚杆的轴向间距;Q -拉力锚;E b -锚杆的弹性模量;l-螺栓的净长度;当采用组合式支护结构时，组合式支护结构的组件都假设在同一时间被架设，则组合式支护结构刚度可假定为各部件支护刚度的总和:(12)式中: K s1 -第一个支护结构的刚度; (10) (11) (12)K s2-第二个支护结构的刚度;因此，支护结构特征曲线公式如下:(13)式中: u p -塑形区边缘的径向位移量;u0-开挖引起的隧道初始径向位移量(由应力释放效应而定);3案例分析3.1、与设计参数相关的例子对the Ban Ve Hydroelectric 水电厂引水隧洞进行了一次调查，得该隧道的材料参数见表1。

表1 隧道物理力学参数M300喷浆机喷射厚度为10厘米的水泥浆液和直径为20毫米、长度为2米的钢锚杆组合在一起被应用到支护结构上，沿隧道洞周的锚杆轴向间距为 1.5米，Matlab编程语言被用于计算当中。

3.2、计算结果与分析地层压力值=7.3008 MPa.图.5和6分别表示的塑形内和弹性区的应力，从图5可以看出，最大塑性区半径为r emax =1.1451 m，因此在弹塑性边界处压力值为re =4.0195 MPa的压力，这个最大压力值是支撑结构所能够承受的，最大位移u rmax=0.1118米相当于=0(无支护时)的大小，图7表示了在没有支护的情况下，沿隧道轴线方向上的应力释放系数，围岩与支护结构的的初始位移特征曲线如图8所示。

图5塑性区范围内围岩应力图6弹性区范围内围岩应力图7无支护时沿隧道轴线方向上图8围岩和支护结构不同初始洞周的应力释放系数位移特征曲线基于fenner- Pacher理论和Vietnames地下工程设计施工标准(建设部2003)，我们通过比较可以得出支护结构的最大压力值(相当于弹塑性边界处的re应力)，能承受上述分析结果的压力值。

可以得出如下结论:当支护结构的初始位移u0=0.083米以下时可以得出:隧道开挖后应立即进行加固，支护结构的压力值=6.902MPa＞re =4.0195MPa，由于支护结构架设的不及时，则施加支护后围岩将继续发生变形，这将导致围岩的局部失稳。

当支护结构的初始位移u0=0.087米时，将得到以下结论:围岩加固的范围x 为1.7085米，应力释放系数为0.4817。

支护结构的压力值=3.7818MPa＜re =4.0195MPa，若围岩发生适度变形，则隧道可保持稳定。

当支护结构的初始位移u0在0.093米时，将得到以下结论:围岩加固的范围x 为 3.74米，应力释放系数为0.7327。

支护结构的压力值=1.9511MPa≤re =4.0195MPa，若围岩发生很大变形，表明隧道将可能失稳。

当支护结构的初始位移u0在0.097米时，将得到以下结论:围岩加固的范围x为 6.8米，应力释放系数=0.868。

支护结构的压力值=0.9632MPa≤re =4.0195MPa，若围岩发生变形过大，将导致隧道洞顶岩石的松动从而增加围岩的压力，则隧道失稳。

因此，在上述情况下，我们可以说当支护结构的位移u0在0.0865和0.0919米之间时，我们可以通过设置支护结构来满足结构的稳定性和经济性的要求。

4、结论总的来说，在这项研究中所描述的初始位移值u0比2007年Vu and Do假设的初始位移值u0更准确、更详细，通过对比，我们可以得到用应力释放效应来确定u0值的大小，比排除应力释放效应提供的曲线方案(Hoek and Brown 1980;Wiliams 1997)更加完整。

上述结果显示，对于确定支护时间收敛-约束法是一种比较有效的设计方法。

这是一种完全不同于传统隧道的设计方法，该方法只适用于早期的围岩巩固和隧道开挖后衬砌及早支护，它仅仅考虑到临时支护结构只承受松动岩石的载荷，而忽略了岩体自身的承载能力。

然而，这个结论仅限于二维弹塑性模型，初始应力场(静力场)和环形隧道横截面。

因此，对于在非静力场的岩石或者非圆形隧道横截面的情况下，例如在非均匀弹塑性模型、粘弹性模型、脆性模型等破坏性模型下，则该收敛-约束法需要在隧道设计中进行更广泛的研究。

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