岩体力学方法概述-隧道工程

1．岩体力学方法分析思路

岩体力学方法是把围岩和支护结构看作一个支承体系，分析在洞室开挖以后，支护设置前后体系中的应力（相应的位移）变化情况，并据以判断是否稳定。

在洞室开挖以前，围岩处于初始应力状态，也称初始应力场{σ}0，它通常总是稳定的。开挖以后，地应力自我调整，且出现相应位移，称二次应力场及位移场（{σ}2及{u}2）。这时，如果其应力水平及位移小于岩体的强度及允许值，那么岩体处于弹性状态，仍是稳定的。一般来说，无须施作支护结构来增加整个体系的支撑能力。反之，围岩的一部分出现塑性以至松弛，就要适时修筑支护，给围岩以反力并约束其自由位移。这样两者结合成一个体系，应力再次调整，围岩出现三次应力场及位移场（{σ}3及{u}3），支护结构中相应出现了内力及位移（{F}及{δ}），据此判断结构的安全状况。

完整分析流程如图6-4-1所示。

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图6-4-1　岩体力学方法分析流程

目前，对这种模式的求解方法主要有解析法、数值法、收敛-约束法和剪切滑移破坏法。解析法是根据实际问题列出其平衡方程、几何方程和物理方程，而后根据所给定的边界条件，对问题进行直接求解。由于数学上的困难，目前解析法还只能给出少数简单问题的具体解答。对于复杂问题，一般需要采取数值分析方法加以解决。数值分析方法主要有有限单元法、无限元法、边界元法以及有限元法与它们相互耦合的数值分析方法等。收敛-约束法和剪切滑移破坏法是工程中的实用方法。此外，还有半解析-半数值分析等方法，这些方法各有特点和一定实际应用。

2．岩体力学方法适用条件

采用岩体力学方法设计隧道时，应同时检验围岩的稳定性和支护结构的受力变形状态是否满足强度条件及按使用要求确定的变形量限制条件；内衬结构的工作状态应为弹性受力状态，或经论证认为仍可保持稳定的弹塑性受力状态；初期支护（含开挖阶段增设的喷射混凝土层）和围岩的工作状态可为弹塑性受力状态；应同时考虑开挖施工步骤的影响：初步设计阶段可按常规施工方法选定开挖施工步骤，施工图设计阶段应改按施工组织设计制订的技术方案确定。

岩体力学方法适用于具有一定自支承能力的围岩中建造的隧道支护结构的计算。在工程实际中，Ⅴ级及以上的围岩都具有一定的自支承能力，可采用岩体力学分析方法进行设计计算；Ⅲ级及Ⅲ级以上的围岩自支承能力强，对支护结构根据经验选定设计参数时，已可使围岩保持稳定，因而规范规定一般不要求进行计算。在Ⅳ级、Ⅴ级围岩中建造的隧道一般采用复合式支护，宜对其采用岩体力学分析方法进行设计计算，但对于在Ⅴ级围岩中建造的浅埋隧道，围岩承载能力较低时，仍宜采用结构力学分析方法计算。Ⅳ级围岩的自支承能力优于Ⅴ级围岩，采用岩体力学方法进行设计计算时，宜通过控制荷载释放过程，使Ⅳ级围岩中隧道内衬结构经受的荷载相对较小，可充分发挥围岩的自支承能力；Ⅵ级围岩的自支承能力差，宜采用结构力学方法对支护结构进行设计计算。