1、精選優質文檔-傾情為你奉上城市地下工程一、 圍巖及圍巖壓力圍巖：修建巖石地下工程必然要進行巖石開挖和施筑維護結構工程，巖石開挖將導致周圍巖體失去原有的平衡狀態，其內部原有應力場將發生改變。這種在地下工程中由于受開挖影響而發生應力狀態改變的周圍巖體，稱為圍巖。隧道工程結構計算考慮的圍巖范圍：3倍隧道直徑。圍巖壓力：隧洞開挖之前，巖層中的巖體處于復雜的原始應力平衡狀態，開挖以后，原巖中的應力平衡狀態遭到破壞，應力重分布，從而使周圍巖體產生變形。如果再圍巖發生變形時及時進行襯砌或維護，阻止圍巖進一步變形，防止圍巖塌落，則圍巖對襯砌結構就要產生壓力。因此，圍巖壓力指的就是位于地下結構周圍變形或破壞的巖

2、層，作用在襯砌結構或支撐結構上的壓力。廣義的圍巖壓力包括了：松弛壓力：隧道開挖后，松弛的巖塊作用于支護結構上的壓力；形變壓力：隧道開挖后，圍巖應力重分布和圍巖位移與支護結構相互作用產生的壓力；膨脹壓力：圍巖膨脹崩解而引起的壓力；沖擊壓力（巖爆）圍巖壓力又可以分為水平壓力、垂直壓力和底部壓力。二、 隧道圍巖壓力的確定：1、 按松散體理論計算圍巖壓力：考慮到巖體裂隙和節理的存在，巖體被分割為互不聯系的獨立塊體，因此可以把巖體假定為一種特殊松散體。 深淺埋地下結構臨界高度的計算：（2）按彈塑性體理論計算圍巖壓力：（3）按圍巖分級和經驗公式確定圍巖壓力：三、 城市地下工程中施工方法： 將從城市地下工程

3、基本理念、基本理論、基本方法以及不良及特殊地質地段隧道施工五個方面進行闡述：1、 城市地下工程施工基本理念：（1） 愛護圍巖：盡量不損傷或者少損傷圍巖，采取措施增強圍巖的自穩能力；（2） 內實外美；（3） 重視環境：包括施工作業時的環境以及對周邊生態環境的影響；（4） 動態施工。2、 城市地下工程施工的基本理論：工程實踐表明，在地下工程施工過程中，開挖和支護是兩個關鍵的工序，二者既相互促進又相互制約。經過長時間的時間和研究，人們提出了兩種理論體系，包含和解決的從工程認識、力學原理、工程措施到施工方法等一系列的地下工程建設問題。松弛荷載理論現代支護理論理論內容穩定的巖體有自穩能力，對隧道不產生荷

4、載；而不穩定的巖體則可能產生坍塌，需要用支護結構予以支承巖體荷載。作用在支護結構上的荷載就是圍巖在一定范圍內由于松弛并可能塌落的巖（土）體的重力隧道圍巖穩定顯然是巖體自身有承載自穩能力；不穩定圍巖喪失穩定是具有一個過程的，如在這個過程中提供必要的支護或限制，則圍巖仍然能夠保持穩定狀態力學原理土力學：將圍巖視為散粒體，結構力學：將支撐和襯砌視為承載結構。建立起“荷載結構”力學體系以最不利荷載組合作為結構設計荷載。巖體力學，將圍巖視為應力巖體，分析計算應力應變狀態及變化過程，建立起“圍巖支護”力學體系以實際的應力應變狀態作為支護的設計狀態。工程措施支護分步開挖后及時用剛度較大的構件進行臨時支撐，待

5、隧道開挖后逐步換成整體式厚襯砌作為永久支撐，初期支護：錨桿+噴射混凝土等柔性構件，以控制圍巖松弛變形的過程，增強圍巖自承能力；二次襯砌：開挖分步開挖大斷面開挖減少對圍巖的擾動，優缺點構件臨時支撐直觀，容易理解，工藝較簡單，易于操作； 圍巖松散破碎甚至有水時，需滿鋪背材，也能奏效； 拆除臨時支撐既麻煩，更不安全，不能拆除時，既浪費，又使襯砌受力條件不好 錨噴初期支護按需設置，適應性強，工藝較復雜，對圍巖的動態量測要求較高； 圍巖松散破碎甚至有水時，需采用輔助工法（如注漿）來支持，才能繼續施工； 初期支護無需拆除，施工較安全，支護結構受力狀態較好 理論要點：隧道開挖后，圍巖產生松弛是必然的，但是產

6、生坍塌是偶然的。現代支護理論中圍巖是主要承載部分，初期支護和二次襯砌對圍巖起約束作用，既允許圍巖產生有限變形，以發揮其承載能力，有阻止圍巖產生過度變形而發生失穩。先柔后剛，并通過監控測量及時判斷適時提供相應支護。3、 基本施工方法： 礦山法（又稱鉆爆發）：可分為傳統礦山法以及新奧法。傳統礦山法：采用鉆爆開挖加鋼木構件支撐；松弛荷載理論。新奧法：采用鉆爆開挖，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為支護手段，通過監測控制圍巖變形，以便充分發揮圍巖的自承載能力的施工方法；現代支護理論。 新奧法施工又分為以下幾類：1） 全斷面法：2） 臺階法：一般適用于級圍巖，要求臺階長度不大于1倍洞徑，仰拱據掌子面距離不

7、大于兩倍洞涇。3） 分布開挖法：<1>環形導坑（預留核心土）法：該方法利用核心土穩定掌子面，然后開挖兩側邊墻、中部核心土，最后開挖仰拱。該法步驟多，工藝要求高。<2>CD法（中隔壁法）：適用于淺埋地段或穿越建筑物時采用，以減少沉降，防止塌方。該工法將隧道分為最有兩部分進行開挖，先在一側采用臺階法分層開挖及支護，再開挖隧道另一側，每臺階縱向長度3-5米，初期支護仰拱緊跟下臺階封閉成環。<3>雙側壁導坑法：在特大斷面等特殊條件下采用，先開挖隧道兩側導坑，再進行中部開挖支護，特點：控制沉降變形好，但連接點多，受力復雜，對工藝要求較高。<4>單側壁導坑法

8、：4） 蓋挖逆作法施工：使用于超淺埋大跨度隧道。 明挖法：當隧道埋深較淺，上覆巖土體較薄時，采用明挖法施工。 TBM法：采用隧道掘進機（TBM），集掘進、出渣、支護以及通風防塵一體，適用于在巖質隧道施工。主要分為開敞式和護盾式兩種。與鉆爆法相比，工序簡單，施工速度快，安全性好，適用于工期緊且以硬質巖石為主的圓形隧道施工，有高效、優質、安全、環保等優點。 盾構法：是一種適用于軟巖和土體隧道的開挖方法；通常使用盾構機在地下開挖，并同時安裝襯砌。在城市地下工程中使用較多，具有施工快速安全等優點。4、 不良和特殊地質地段隧道施工： 不良地質地段包括：滑坡、崩塌、偏壓、巖溶、高地應力、軟土地段等； 特殊

9、地質地段：膨脹地層、軟弱黃土地層、斷層、巖爆、瓦斯等。在這些地段施工，應注意“先治水、短開挖、弱爆破、強支護、早襯砌、勤檢查、穩步推進”為指導原則，根據地質情況合理選擇施工方法（如黃土地段采用短臺階法或分步法等），加強監控量測工作。四、隧道結構設計模型： 目前國內外采用的隧道結構設計模型可歸納為四種模型：1、 以工程類比為依據的經驗設計法；2、 以測試為依據的實用法，包括收斂約束法、現場原位測試和實驗室的巖土力學試驗、應力(應變)量測以及實驗室模型試驗。3、 結構力學方法：主要為圓環彈性地基梁法。也可稱為荷載-結構法。該方法認為圍巖對支護結構的作用只是產生作用在結構上的荷載（包括主動的圍巖壓力

10、和被動的圍巖抗力），是基于松弛荷載理論的一種方法。4、 巖體力學方法：連續介質模型法，包括理論分析法和數值法。該方法將支護結構和圍巖視為一體，共同承受荷載的隧道結構體系。后兩種方法的比較見第四題城市地下工程施工的基本理論。 五、 監控量測的主要內容及意義1、隧道監控量測的主要目的：提供監控設計的依據和信息：掌握圍巖力學形態的變化和規律；掌握支護的工作狀態信息并及時反饋，指導施工作業；預報及檢測險情：作出工程預報，確定施工對策和措施；監視險情，以確保安全施工。校核地下工程理論計算結果，完善工程類比法：為理論解析、數值分析提供計算數據和對比指標，為工程類比提供參考指標，為地下工程設計和施工積累經驗

11、資料。隧道工程運營期間監控量測：掌握隧道工程運營中的安全狀況，隧道營運階段及時發現支護襯砌結構的險情，以便及時采取相應的補救措施等。2、隧道監測的主要任務：通過對圍巖支護的觀察和動態量測，以達到合理安排隧道施工程序、日常施工管理、確保施工安全、修改設計參數和積累資料； 通過對圍巖和支護的變位、應力量測，掌握圍巖和支護的動態信息并及時反饋，修改支護系統設計，指導施工作業和管理等； 經量測數據的分析處理與必要的計算和判斷后，進行預測和反饋，以保證施工安全和隧道圍巖及支護襯砌結構的穩定； 對已有隧道工程的量測結果，可以分析和應用到其他類似工程中，作為指導復合式襯砌設計和施工的重要依據。復合式襯砌的設

12、計，通常以工程類比法為主，并以現場監控量測進行工程實際檢驗和修正； 利用實測信息進行反分析，用以推求地層的力學屬性、參數以及地應力場等。 3、隧道監測項目、方法及工具：必監測項目：洞內觀察：包括地質及支護狀況觀察，對巖性、結構面產狀及支護裂縫觀察與描述等。工具包括地質羅盤等。洞周收斂：運用收斂計觀測隧洞周邊位移情況。拱頂下降：運用水平儀、水準尺、鋼尺等工具測量隧洞拱頂的位移情況。 選測項目：包括地表沉降、地中位移、錨桿應力、襯砌應力、錨桿抗拔試驗、洞內彈性波等項目。（錨桿作用力及圍巖松動帶、圍巖二次襯砌支護時間選擇優化，見ppt）六、國內外巖質隧道圍巖分級主要采用指標統計率： 國內（由多到少）

13、：巖石強度、巖石完整程度、地下水、結構面狀態、初始應力狀態、結構面與洞軸組合關系、聲波速度、其他（風化程度、RQD等）； 國外：巖石強度、地下水、結構面與洞軸組合關系、結構面狀態、初始應力狀態、聲波速度； 七、圍巖分級的意義： 巖體是一種經歷地質構造運動的變形和破壞，建造和改造的十分復雜的介質，無論怎樣仔細研究都不可能將工程區域內巖體的力學性質的細節完全搞清楚，因此，根據工程應用的性質和要求，將巖體的某種屬性加以概略的劃分，用以服務于地下工程建設。圍巖分級有以下目的： 作為選擇施工方法的依據； 確定結構上部的荷載，便于計算支護襯砌結構的類型及尺寸； 進行科學管理以及正確評價經濟效益，制定勞動定

14、額，材料消耗標準等。 八、圍巖分級方法：原有巖石分級方法：1、以巖石強度或者物性指標為基礎的分類方法：以巖石單軸抗壓強度為指標；“巖石堅固性系數分類法”，又稱“f”值分類法，通常f巖石=(1/150 -1/100)Rc，Rc是巖石的飽和單軸極限抗壓強度。在我國通常令f=K*f巖石, 其中K為地質條件折減系數。2、按照巖體構造、巖體特征分類方法：以太沙基分類法為代表，考慮了構造、巖性、地下水的影響。3、按照巖體完整性分類方法： 按彈性波（縱波）速度的分級方法。彈性波在巖體中傳播時，結構面使巖體中的波速明顯下降、能量有不同程度的損耗。 按照巖石質量指標（RQD）分類：RQD指長度等于或者大于10c

15、m的巖心總長度與鉆孔長度之比。隧道中計算RQD時可在隧道側壁上畫一條線段，測量被結構面分割后大于10cm的線長度占總長度的比值。4、綜合因素分類法： 巖體質量指標（Q）分類，由巴頓提出，該指標考慮多種因素，包括RQD、節理組數、節理面粗糙系數、節理蝕變系數、節理含水折減系數、地應力影響折減系數等。 地質力學分類：由比尼奧斯基提出，又稱RMR分類，綜合考慮巖石強度、RQD、不連續面間距、不連續面特征、不連續面產狀與洞室短息、地下水情況等6個因素。我國現行巖石分級方法： 我國現行鐵路隧道及公路隧道采用的圍巖分級方法，通常以定性和定量相結合的方法進行圍巖分級，考慮因素通常包括以下幾種：巖石巖性特征和

16、完整狀態、結構面發育程度、圍巖開挖后穩定狀態、圍巖彈性波縱波速度、巖石強度等等因素進行綜合評價。 大跨度隧道圍巖分級？九、圍巖亞級分級的意義何在？并對其進行評價。 目前，我國隧道圍巖分級方法將圍巖質量由好到壞分為6個等級，但是在工程實踐中我們經常發現，隧道開挖后實際地質條件經判定經常會處于兩級圍巖之間，這種現象在級圍巖中尤為突出。如果將其劃分到較好的圍巖中，則會出現安全隱患；現實工程建設中常常不得不按照低級圍巖的方法進行處理，從而使得隧道建設過于保守，造成浪費，為提高隧道支護的優化程度，有必要對穩定性較為復雜、施工方法、支護結構參數相對多樣化的級圍巖進行更加細致地劃分，及進行圍巖亞級劃分。十、

17、城市地下工程防災系統十、地下工程的基本理論： 地下結構計算理論發展階段（地下結構設計P8）：剛性結構階段、彈性結構階段、連續性介質階段、現代知乎理論階段 地下結構計算理論的發展趨勢：（書P8）巖土體壓力的計算理論： 土壓力的計算：靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力；庫倫土壓力理論以及朗肯土壓力理論； 側向巖石壓力的計算 地下洞室圍巖壓力的計算：按松散體理論計算圍巖壓力、按彈塑性體理論計算圍巖壓力、按圍巖分級和彈塑性公式確定圍巖壓力。地下結構計算方法：工程類比法、荷載結構法、地層結構法（P43）十一、城市地下工程隧道施工過程中數值模擬應考慮的問題1、 數值模擬的作用和意義：總結為以下幾點：檢驗、

18、評價和優化隧道施工方案及支護設計的參考依據。當然，數值模擬的結果通常不宜直接用作工程設計。2、在數值模擬過程中應考慮以下幾個問題： 模型的建立：通過分析區域地質條件、邊界條件，對模型的應力條件、位移約束條件、重力平衡條件等進行合理、有效地定義。參數的選取：依據工程地質詳勘報告和沙塘坑隧道施工圖設計方案，根據相關規范、文獻，選取圍巖參數。包括彈性模型、粘聚力、內摩擦角等，此時注意考慮圍巖等級對參數的影響。屈服準則的選取：依據圍巖的等級選擇相應的屈服準則，如-圍巖選擇D-P準則；圍巖選擇M-C準則或D-P準則；圍巖選擇M-C準則。施工過程控制：考慮開挖順序、支護措施、二次襯砌與初期支護的接觸關系等

19、 對計算結果的影響；特殊條件下的施加和控制等。支護結構的模擬：包括單元類型的選擇、分析結果的實現等因素。計算結果的提取、分析和評價：對計算結果進行分析和解釋，理解計算所得數據的含義。3、數值模擬研究方向：屈服準則的選取（M-C，D-P系列，Hoke-Brown） 荷載釋放系數問題 襯砌之間接觸關系的模擬 （沒有考慮防水板，不能反映復合式襯砌的實際情況） 支護結構長期穩定性分析 多數模擬結果位移小于實測位移，沒有考慮開挖對一 定范圍內圍巖的劣化作用 爆破、地震作用下支護結構穩定性研究 大斷面隧道施工力學分析 滲流作用下隧道圍巖-支護結構穩定性分析 十二、隧道開挖后的應力狀態1、應力狀態： 初始應

20、力狀態（圍巖）隧道開挖后應力狀態（二次應力狀態）支護體系應力狀態（三次應力狀態）終極應力狀態。2、塑性圈分布： 松動破壞區塑性區彈性區原巖應力區3、軸向應力和徑向應力變化情況4、圍巖與支護結構平衡狀態的建立 P-U曲線，支護點選取十三、壓力拱理論據巖石力學，在地下開挖空間，會帶來圍巖應力的轉移，在一定范圍內產生應力集中現象。進一步研究還表明，在地下空間埋深達到一定數值后，圍巖應力轉移會形成有規律的壓力區域，拱形是這個區域的典型特征，被稱為巖石“壓力拱”壓力拱是巖體為抵抗不均勻變形而進行自我調節的一種現象，是圍巖內應力發生集中、傳遞路線發生的偏轉而形成的一種拱形應力分布區。這種現象無法用肉眼觀測

21、到，它的主要特點是地下工程開挖后主應力方向發生偏轉，但無破裂發生。壓力拱不僅存在于頂板上，也存在于兩幫和底板。    根據壓力拱的定義，用應力分析方法可以確定拱體上、下邊界。   (1)確定下邊界的判別方法：如果圍巖為無破壞的理想狀態，由于拱體自身和其上的荷載向硐室兩側轉移，在拱體內部最小主應力減小，最大主應力增大，因此最大主應力在邊界處最大。當有破壞發生在圍巖中時，由于變形導致應力釋放，該處的最大主應力減小，因此，最大主應力的最大值在壓力拱的下邊界處。   (2)確定上邊界的判別方法：上邊界根據最小主應力在拱體內被轉移到最大主應力這種現象來確定。拱體內的巖體，最小主應力逐漸減小，最大主應力逐漸增大，因此可以用圍巖中最小主應力的減小量來判斷該部分巖體是否屬于拱體，如減小量大，則被認為該部分巖體進入了拱體。矩形隧道有無壓力拱？馬蹄形隧道壓力拱？十四、對城市地下工程的認識與發展、展望。1、 城市地下工程現狀：目前國際上有一種普遍認同的觀點即：21世紀將是