开挖
原始岩体
毛洞
支护 支护体系
时间 稳定洞室
•
与之相适应的力学过程如下
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• 5、简单地说，这个 过程是动态的，其 力学状态的变化过 程，充分说明：隧 道施工也就是一个 应力释放与应力控 制的过程。应力释 放到什么程度？， 是可以通过一定的 人为的干涉手段加 以控制的。因此， 施工过程就是利用 和控制围岩动态变 形（应力）的过程 （图2）。认识这一 点是非常重要的。
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三、影响隧道变形的基本因素
• 影响隧道变形的基本因素有两大类。即： 客观因素和外部因素。
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1、客观因素（内在因素）
• 从前面的计算例中可以看出，影响开挖后 变形的两个客观因素就是初始地应力场和 围岩力学的、构造的特性。
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• 1）初始地应力场 • 对初始地应力场的认识可以归纳如下。 • ·隧道初始地应力场是由重力应力场和构造
• 因此，认识和掌握围岩在开挖后是如何变形及其 变形的过程是非常重要的。
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• 从图3、4可知，在计算条件下，从掌子面前方到掌子面后 方一定范围内的拱顶下沉分布规律，大致如下。
• 1）隧道开挖后在掌子面前方一定范围内（2a~5a）产生 了下沉，我们称之为“先行位移”；
• 2）在掌子面处，产生一定量的“初始位移”，此值与地 质条件关系密切，约为最终位移值的20～30％左右，这个 位移是开挖后瞬间发生的；
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• 总之，从 计算和量 测中我们 可以得到 一个重要 认识，隧 道开挖后 的围岩变 形状态可 用图6的三 维图表示。
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• 由上述各图可知，隧道开挖后隧道的变形 可分为掌子面前方的先行位移、掌子面位 移及掌子面后方的位移三种。这三种位移 是同时发生的。在复杂地形、地质条件下， 支护的主要目的就是要抑制这些位移的发 展，也就是抑制由这些位移引起的围岩松 弛。因此，对设计、施工来说就是要搞清 楚这三种位移（变形）的产生条件和发展 规律，并通过什么手段来控制其发展。
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二、隧道变形过程及其类型
• 前面提到，隧道工程，归根结底，就是一个应力 释放和应力控制的问题。应力释放的直接后果， 就是引起周边围岩的变形和松弛。因此，应力控 制实质上就是控制围岩的变形和松弛。也就是说 如何在开挖和支护过程中，使围岩不松弛或少松 弛。这是隧道设计施工的主要原则。围岩松弛与 围岩变形直接相关。也就是说要想控制住围岩的 松弛，就要控制住围岩的变形。
应力场构成。 • 以目前的认识和技术水平看，初始地应力
场，多数认为按弹性的、重力的、静态的 应力场考虑。在埋深较浅，或者埋深很大 的条件下，可以不考虑构造应力场的影响。
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• ·决定初始地应力场的关键是设定合理的侧压力系数。因 为地应力场的垂直应力分量，基本上都按上覆埋深的重量 考虑。而水平侧压力的大小则主要决定于侧压力系数。
• 从侧压力系数看，初始地应力场存在三种情况。即：侧压 力系数小于1，等于1及小于1三种情况。这三种情况的变 形模式是完全不同的，其模式的概念示于图7。
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• ·实际上由于地壳运动的结果形成了各种形态的地质构造, 如层状、块状、断层、褶皱等，在这种情况下,围岩的初始 地应力场也有所变化。例如在背斜构造中，,由于岩层成拱 状分布,使上覆岩层重量向两翼传递,而直接处在背斜轴下 面的岩层则受到较小的应力，其垂直应力的变化，可能如 图8所示；而在被断裂分割的地质构造条件下，下窄上宽 的楔形围岩移动时,受到两侧岩块的夹制，因而使应力减小， 反之,下宽上窄的岩块,则受到附加荷载的作用，其垂直应 力分布可能如图9所示、处于正断层和逆断层的条件下， 水平应力会有很大差异，如图10所示。在不均质的层状围 岩中，对垂直应力的分布也有很大影响（图11）等等。总 之，大量的实测资料表明,地质构造形态改变了重力应力场 的初始状态,这在实际工作中有时是不容忽视的。
洞室结构体系=周围地质体（围岩）+支护构件 它是由天然的、具有固有的应力场、渗流场、 温度场的地质体和人工的支护构件构成的。这
与地面结构体系是完全不同的；
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• 2、在这个结构体系中，周围地质体（围岩） 起着主导的作用。例如在充分稳定的地质 体（围岩）中，可以不需要任何结构意义 上的支护构件，而处于长期稳定的状态。 如一些天然洞穴的存在，人工修筑的无支 护构件的洞室（黄土窑洞、无支护坑道等） 等。就是需要支护的地质体（围岩），也 只是需要薄薄一层喷混凝土或者几根锚杆、 几榀钢架就可以使之成为稳定的结构，这 也说明，周围地质体是主要的承载体；
• 3）在掌子面后方，随掌子面的推进，产生不断增大的位 移，其特点是初期的位移速度很大，而后增长的速度逐渐 减缓，并趋于稳定。
• 这是处于一般围岩中的隧道变形的基本规律。
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图5是一个随着掌子面推进的围岩位移测定例。在隧道拱顶上 方2m的位置设一个长50m的水平铝管，根据测定的弯曲应变 计算位移。
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• 3、作为结构体系主体的地质体（围岩）， 的基本特征是具有极大的不确定性。我们 在设计、施工中遇到的许多不确定性问题 和现象也主要是由地质体（围岩）的不确 定性引起的。这也是我们在设计施工中面 对的最大难题；
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• 4、从工程结构的角度看，这种结构体系的形成则是通过一定的施工 过程或者说是一定的力学过程来实现的.这个过程大体上可作如下表达 （图1）：
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Байду номын сангаас
• 6、与地面结构体系截然不同的一点，就是 荷载的不确定性。这与地质体（围岩）的 不确定性直接相关，也与支护构件与围岩 的相互作用有关。因为支护构件上作用的 荷载大小及其分布是控制隧道变形结果的 反应，也是一个变数，也是不确定的。因 此给支护体系的设计带来了极大的困惑。 实际上，解决了应力释放和应力控制问题， 也就解决了荷载问题。
隧道变形及其控制技术
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一、概述
• 众所周知,隧道施工的基本目的是在各类地 质体〈围岩〉中修筑为各种目的服务的、 长期稳定的洞室结构体系。
• 在隧道工程的设计、施工和运营中，我们 必须清楚地认识这种结构体系的特点。
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一、隧道结构体系的特点
1、从结构角度看,这个结构体系是由周围地质 体（围岩）和各种支护结构构成的,即：