隧道工程施工技术研究成果

隧道施工中涉及一系列的力学知识，有岩体内力（应力），也有岩体对衬砌结构的外力（围岩压力）等，作为监测人员有必要了解其基本概念，并理解引起变形的深层次原因。

3.3.1.1　初始地应力

为什么要确定初始地应力呢？因为变形体的形变是在一定的应力条件下产生的，对于地下工程的隧道来说也不例外。地下工程岩体中任何一点都受到力的作用，处于一定的受力状态之中。“地层中每一单位面积所承受的力量或本身所产生的抗力”称为地应力（李四光），初始应力场，即酮室开挖前已经存在的应力场；开挖地下洞室时，在施工的扰动作用下引起围岩应力重分布，洞体围岩在寻求新的应力平衡过程中，必将引起洞室围岩的变形。确定最大主应力的方向和量级，有助于解决岩石最可能的破坏方向以及地下水流向等直接工程问题。

初始地应力场主要包括自重应力、现今构造应力以及残余构造应力等。在工程实践中，可采用地质力学构造体系分析法、现场应力量测以及利用实验洞洞壁围岩应力状态推测的方法来获取初始地应力状态。对中、小型工程或项目可研论证阶段，进行应力实测的费用在总投资中占比过高。

3.3.1.2　应力重分布

在工程实践中，由于施工扰动造成的初始应力重分布引起了围岩应力，换言之应力并不是经外部施加的。长期以来隧道施工应力重分布过程为隧道施工力学研究的热点之一，根据岩承理论隧道围岩不仅仅是隧道结构的荷载来源，它更是隧道荷载承载结构的重要组成部分，所以施工中围岩应力的重分布对隧道结构的稳定性具有重要的意义。

由于初始地应力的客观存在，岩体中的任意一点在酮室开挖前均处于三维应力平衡状态。一旦开挖使洞室产生临空面，洞体应力将由三维平衡状态变化为二维平衡状态，该二维应力状态下不同方向应力较差更大；此时，岩体就具备了位移（变形）“动力”及位移空间；最终，该变形导致应力局部释放并重新分布，显然洞体周围易形成应力集中状态。随着掌子面的推进，洞顶瞬间失去原有支撑，在重力作用下洞顶易拉开而产生塌落变形，塌落至一定程度后，洞顶围岩在侧向挤压的作用下达到初次稳定状态。随着时间推移，在边墙开挖以及地下水等作用的影响下，边墙处切向应力极易集中，当围岩强度不足以抵御该切向应力，则边墙产生剪切破坏，进而产生松动变形。此时边墙的失稳将造成拱脚部位承载力不足而引起变形，进而导致拱顶应力重新调整，出现拉应力区，最终造成拱顶再次塌落。当边墙支护体系达到足以抵御切向应力时，边墙变形得以遏制，不至于继续产生剪切破坏，于是整个断面才逐渐趋于稳定。

隧道施工中围岩应力的重分布受到诸多因素影响，如掘进方式、支护衬砌时机、地下水因素等，但可以肯定的是，平缓的应力释放过程对隧道围岩损伤较小，即最大限度地利用围岩的自承能力，较有利于隧道结构的稳定。对于现场监测而言，理解围岩应力重分布过程有利于监测工作的开展，比如监测点的布设时机，布设位置须结合围岩应力集中区域来确定。

3.3.1.3　隧道洞体应力状态(www.xing528.com)

隧道洞体应力的实质是初始地应力在酮室周围的重新分布，初始地应力重分布结果不同，洞体结构的应力状态乃至其变形特点也有所差异。洞体的应力状态按最大主应力方向不同分为两种情况。

（1）铅直应力为最大主应力

当岩石自重应力对地应力起主要贡献时，最大主应力方向为铅直方向，此时水平方向应力较小。洞体在此以铅直应力为主的应力场下，在洞顶及洞底可能出现拉应力区，在拱肩及洞脚部位产生很大的切向压力区，在边墙处亦有较大的铅直切向压应力。

（2）水平应力为最大主应力

在某些地区地壳的运动较为强烈时，最大主应力方向为水平方向，因为水平方向的构造应力为初始地应力的主要贡献者；此条件下的隧道其拱顶和拱底受压，边墙受拉。

3.3.1.4　隧道围岩压力

所谓围岩压力，是指在地下工程施工过程中围岩在重分布应力作用下产生松动破坏或过量塑性变形，进而引起支护衬砌结构与围岩间的相互作用，此时围岩压力也随之产生。由此可知，围岩压力是衬砌结构形变的主要“贡献者”，所以说有必要对围岩压力有一定的了解。值得指出的是围岩应力和围岩压力是两个相异的概念，前者属于内力的范畴，而后者是指围岩与衬砌结构间的相互作用，属于外力的范畴。若围岩有足以抵御围岩应力作用的强度，则施工过程中无须任何衬砌结构，此时在缺少受力对象的情况下围岩压力也无从谈起；当围岩强度适应不了其应力作用，使得围岩产生过大的塑性变形或产生塌方等破坏时，为保证酮室安全，需要设置适当的支护衬砌，这时随之形成了围岩压力。

依产生机理之别，围岩压力分为形变、松动以及冲击围岩压力三类。顾名思义形变围岩压力即由于围岩塑性变形所形成的压力；松动围岩压力即由围岩塌落、坍塌或滑移等破坏引起的压力；而冲击压力则是岩爆现象形成的一种特殊围岩压力。围岩压力的确定有助于支护结构设计，并有利于施工方案的制订，同时对现场监测实施具有较大的现实意义。