西南交大考博-隧道力学重要参考资料.docx

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隧道力学

一、阐明隧道围岩分级的工程意义，结合我国现行作业设计规范（可选择铁路、公路、工程岩体分级等任一种）说明围岩分级的的方法和原理。

（2015-1）

围岩分级的工程意义：

①准确而合理的围岩分级，是认识洞室围岩特征，正确进行隧道设计、施工的基础，是现场进行科学管理，发展新的施工工艺以及正确评价经济效益的有力工具，是制定劳动定额、材料消耗标准的基础，对改善地下结构设计、降低工程造价，更快更好更省地修建隧道有十分重要的意义。

②围岩分级较之以往的“经验设计”、“经验施工”阶段，能够较为充分地揭示出地质条件与地下工程之间的本质的、内在的联系，因而也就能够客观地预估或判断坑道围岩的级别，指导施工。

③围岩分级针对不同工程目的（爆破开挖、支护、掘进……），把与之相适应的地质条件进行一定的概括，归纳并加以分级，从而为隧道及地下工程的设计、施工提供一定的基础条件。

方法和原理《铁路隧道设计规范》

铁路隧道围岩分级采用以围岩稳定性为基础的分级方法，由岩石的坚硬程度和岩石的完整性程度两个因素确定。

铁路隧道围岩分级方法是根据地质勘查资料，对岩石坚硬程度和围岩完整性程度两个因素采用定性划分和定量指标两种方法确定，在此基础上确定围岩的基本分级，再结合隧道工程特点，考虑地下水喝初始地应力的状态等因素进行修正。

2001年修订后的铁路围岩级别判定补充弹性波速的影响，将隧道围岩分为6级。

二、隧道围岩分级主要包括哪两阶段？

阐述隧道围岩分级指标体系？

结合我国现行规范阐述隧道围岩分级中还存在哪些问题？

（2007-1）

围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体。

根据岩体完整程度和岩石坚硬程度等主要指标在给予定性划分和定量指标分析的基础上，按其稳定性将围岩分为工程性质不同的若干级别，这就是围岩分级。

隧道围岩分级主要包括：

设计阶段围岩分级的判定和施工阶段围岩分级的修正，前者是决策地下结构设计的基础，后者是修正设计阶段围岩分级的基础，也是使结构设计和施工方法更加符合工程实际的基础。

围岩分级指标体系：

①单一的岩性指标，包括岩石的抗压和抗拉强度、弹性模量等物理力学参数，以及如抗钻性、抗爆性等工程指标。

在单一的岩性指标中，多采用岩石的单轴饱和抗压强度作为基本分级指标，但只能表达岩体特征的一个方面，因此作为分级的唯一指标是不合适的。

②单一的综合岩性指标，包括：

A.岩体的弹性波传播速度，它可以反映岩石的力学性质，也可以表示岩体的破碎程度。

B.岩石质量指标RQD，它是反映岩体破碎程度和岩石强度的综合指标。

C.岩体坚固系数，它是反映岩石强度和岩石构造特征的综合指标。

③多因素定性和定量的指标相结合。

该方法是国内外应用最多的，包括太沙基分级法，我国国家标准的工程岩体分级、铁路隧道规范中的围岩分级。

④多因素组合的复合指标。

这是一种用2个或2个以上的岩性指标，或综合岩性指标所表示的复合指标。

我国现行规范中，隧道围岩分级中存在的问题：

①目前的围岩分级，主要考虑地质因素，仅与岩体质量有关，而没有考虑工程因素和施工因素，带有一定的主观性，有一定人为因素和不确定性，对同一围岩作出级别不同的判断；设计施工阶段的围岩的分级存在差异，对围岩分级的变更没有特定的准则；围岩分级中的关键问题是把哪些地质因素作为分级的指标，这些分级指标与围岩稳定有何关系，以及采用什么方法来判断这些指标等。

②长期以来，隧道围岩分级都是按其稳定性分级的，随着TBM方法越来越多的使用，这种分级方法是不适合的，TBM施工条件下的围岩分级主要针对工程岩体的可掘进性。

③围岩分级包括设计阶段和施工阶段，由于我国没有建立一套完整的施工阶段围岩分级体系，致使施工的风险和过失判断不明，因此引起很大的争议和索赔，使业主和承包商承受巨大的经济损失。

Ø为使围岩分级更具有实用性和准确性，更好的服务于隧道工程的设计和施工，还需要研究围岩分级各项指标以及其相互关系；系统研究判定土体围岩分级的因素和指标；探讨各级围岩稳定性规律，建立各级围岩与支护结构关系的力学模型。

隧道围岩分级应该向定性、定量相结合，以定量综合指标为主要判据的方向发展，使各种新理论、新方法在围岩分级中得到更广泛的应用。

地下水对围岩分级的影响需进一步研究。

Ø发展趋势：

①分级应主要以岩体为对象，单一的岩石只是分级中的一个要素，岩体则包括岩块和各岩块之间的软弱结构面。

因此分级的重点应放在岩体的研究上。

②分级宜与地质勘探手段有机地联系起来，这样才有一个方便而又较可靠的判断手段，随着地质勘探技术发发展，这将使分级指标更趋定量化。

③分级要有明确的工程对象和工程目的，目前多数的分级方法都是与坑道支护相联系。

坑道围岩的稳定性、坑道开挖后暂时稳定时间等与支护方法和类型密切相关，因而进行分级时以此来体现工程目的是不可缺少的。

④分级宜逐渐定量化。

目前大多数的分级指标都是经验或定性的，只有少数分级时半定量化的，这是由于客观条件的地质体非常复杂。

隧道仰拱

仰拱是为改善上部支护结构受力条件而设置在隧道底部发反向拱形结构，仰拱是隧道结构的主要组成部分之一，是隧道结构的基础。

一方面在隧道施工中设置仰拱，可使支护结构形成封闭的结构体系，提高整体受力性能，控制隧道周边收敛位移及围岩体塑性变形的发展。

另一方面在隧道使用过程中，仰拱可将隧道上部的地层压力通过隧道边墙结构或将路面上的载荷有效的传递到地下，而且还可有效地抵抗隧道下部地层传来的反力。

仰拱与二次衬砌构成隧道整体，增加结构稳定性。

仰拱的作用；

①与二次衬砌构成隧道整体，防水，增加结构稳定性。

②解决基础承载力不够，减少下沉；防止底鼓的隆起变形，调整衬砌应力的作用。

③封闭围岩，阻止围岩过大的变形，提高机构的整体承载力。

④增加底部和墙部的支撑抵抗力，防止内挤而产生剪切破坏。

隧道开挖完成初期支护后，实行仰拱超前施工一方面可以实现隧道底部的快速封闭，有利于稳定掌子面。

同时便于和边、顶拱的初期支护迅速封闭成环，加强初期支护的抗弯和抗扭能力；另一方面仰拱超前施工后，可以及时封闭围岩，阻止围岩过大的变形，提高机构的整体承载力。

高速隧道多以大断面为主，基地部分受力较为复杂，墙脚与仰拱连接处应力集中现象严重，并要求有更好围岩强度和地基承载力，隧底结构由于长期在列车重载作用及地下水侵蚀作用下极易产生破坏，从而引起基底沉陷、道床翻浆冒泥等病害，尤其是高速铁路对隧道底部强度要求高、且断面跨度大，因此要求高速铁路对底板厚度和底板混凝土强度有更高要求，以提高其安全性、耐久性和防水性。

三、在现代隧道施工中为什么要提倡“仰拱早上”（从结构受力、围岩变形等方面说明），与大断面公路隧道相比，高速铁道大断面软岩隧道仰拱施设的特点如何？

为什么？

仰拱早上有利于整体约束围岩的变形，减小松动围岩压力，可使隧道结构的承载力提高，可使隧道周边位移减小，可使二次衬砌的安全系数提高，可使初期支护的轴力大幅度减小，同时锚杆轴力也减小，仰拱的施设对改善隧道结构的受力状况，提高隧道的稳定性具有重要作用。

高速铁路大断面隧道，以隧道底部较为复杂，边脚底与仰拱连接处应力较集中，因此隧道衬砌的安全性、耐久性和防水性要求更高。

高速铁路隧道设计使用年限要求100年，主体工程结构要求“零缺陷”，同时由于铁道部“铁建设【2009】40号文”规定，Ⅲ级围岩仰拱距掌子面的安全距离为90m，Ⅳ级围岩为50m，Ⅴ级围岩为40m，因此，仰拱及时有效的施设已成为隧道进度控制、安全质量保证的关键点之一。

高速铁路仰拱及填充的施工方式主要存在如下特点：

①仰拱施工必须超前二次衬砌施做，且应保证足够的厚度；

②仰拱砼连续浇筑，一次成型，避免横向分段灌注，不留纵向施工缝；

③仰拱砼不得与仰拱填充砼同时浇筑；

④仰拱填充砼的施工应满足无砟轨道的铺设要求。

原因：

从仰拱开挖到砼灌注，这期间隧道是处于最不稳定的状态，及早施工仰拱，闭合开挖断面，使隧道开挖断面尽早形成圆环，是确保隧道安全的重要举措，大断面隧道以隧道底部较为复杂，边墙底与仰拱连接处应力较集中，因此隧道衬砌的安全性，耐久性和防水性要求更高。

四、根据隧道所处的地质条件（岩质围岩和土质围岩）和埋深条件（深埋和浅埋），分别阐述施工阶段锚杆的作用，并解释之？

锚杆是唯一从内部补强围岩的手段，它可以提高裂隙围岩的抗剪强度，也可以改善围岩的物性指标，更可以将一些不连续的岩块联系在一起，它基本上不占用作业空间，施工性好，因此得到广泛发应用。

锚杆的作用效果：

①悬吊效果：

把因爆破而松动的岩块固定在没有松动的围岩上，防止掉落，在裂隙发育的围岩中与喷混凝土并用，效果增大；

②梁效果：

对隧道周边的层状围岩，使分离的层理面叠合而成叠合梁，因锚杆的叠合效果可使层理面传递剪力，作为组合梁而发挥作用；

③内压效果：

锚杆轴力通过喷砼作用在隧道壁面上，发挥了内压效果，使隧道附近保持三轴应力状态，这抑制了隧道周边围岩的塑性化和扩大，同时也发挥了抑制隧道净空位移的效果；

④拱效果：

由于系统锚杆的内压效果，对一体化的围岩，形成了承载拱，提高了隧道周边围岩的承载能力，也发挥了抑制隧道净空位移的效果；

⑤围岩改良效果：

围岩内插入锚杆后增大了围岩自身的抗剪强度，围岩屈服后的残余强度也增大了，因此，锚杆能改善围岩的特性。

岩质围岩：

围岩强度比较大，隧道周边围岩没有塑性化的情况，不需要内压效果，岩石本身的强度是充分的，隧道的稳定通常是由裂隙等力学上的的不连续面所控制，因此，锚杆的作用主要是保持岩块和控制岩块的移动，使围岩成为一体，并促进平衡拱的形成。

土质围岩：

在围岩强度比较小的土质围岩中，隧道周边围岩发生塑性变化，需要以内压效果的形成平衡拱效果为主，锚杆一边随围岩变形，一边约束围岩防止其崩落，但在内摩擦角小的地层中，如土砂地层，拱顶附近的锚杆几乎不受拉力，而受压力，因此，围岩中单独采用锚杆的效果较小，其只能起到加固拱脚附近和防止掌子面崩塌的作用。

深埋条件：

结合深埋隧道的特点，隧道开挖后拱顶形成坍落拱，坍落拱以下岩体松弛，因此，锚杆主要发挥支承作用和悬吊作用，确保岩块的咬合，抑制不稳定岩块的崩落，从而确保松弛岩体一体化。

浅埋条件：

浅埋隧道开挖后，坍落拱不易形成，地层松弛较为严重，因此，锚杆主要起到加固围岩，约束围岩变形、稳定掌子面，提高围岩稳定性，同时锚杆可以用于超前支护，控制地表下沉等作用。

砂浆锚杆的轴力图（2007）

锚杆沿其长度的轴力变化如图，锚杆轴力的峰值约在锚杆长度的l/2左右。

（缺图）

五、喷混凝土的支护力学作用有哪些？

作为初期支护的喷混凝土与作为永久支护的喷混凝土在设计上有何不同？

①与围岩的附着力、抗剪的支护效果：

喷混凝土和围岩的附着力，可分散作用在喷混凝土上的外力，同时加强隧道周边的裂隙的抗剪能力，并可在壁面形成承载拱，在裂隙发育的硬岩等作用效果大。

②内压、闭合效果：

因喷混凝土作为一个连续的构件支持围岩，可约束围岩的变形，给围岩以支护压力（内压），使围岩保持三轴的应力状态。

此外，早期采用仰拱使断面临时闭合，也发挥了支护效果，此效果在软岩和土砂围岩中大。

③外力分配效果：

作为传递土压到钢支撑、锚杆架上的构件而发挥作用。

④软弱层补强效果：

填平凹凸不平处，跨越软弱层，而防止应力集中，补强软弱层等。

⑤被覆效果：

开挖后，因及早被覆壁面，可防止围岩风化、止水、微粒子流失等。

⑥喷砼与锚杆、喷砼与钢架、喷砼+钢架+锚杆等多种组合形成，对约束围岩的变形、提高初期支护的能力，控制掌子面后方的围岩的效果是非常有效的。

喷砼是唯一能与围岩大面积的、密实接触的一种方式，是其它方式所不能代替的，从力学上来说，它既能传递径向压力也能传递切向应力。

作为初期支护的喷混凝土：

要求

（1）对作用荷载有足够的强度；

（2）具有早期需要的强度；（3）与围岩充分粘附，填充和密实；（4）确保开挖面平滑。

作为永久支护的喷混凝土：

还需要充分考虑