北京交通大学--土建学院--隧道设计与施工--期末考试复习资料

1.如何理解隧道结构的三位一体特性隧道结构是围岩和支护结构组成的结构体系，围岩既是承载结构的一个重要组成部分，也是构成承载结构的基本建筑材料，它既是承受一定荷载的结构体系，又是造成荷载的主要来源，这种荷载、材料、承载单元三位一体的力学特性要求我们把研究和计算的重点转移到围岩这方面来。在隧道设计开挖中要充分考虑围岩的承载条件的改变，“保护、爱护”围岩。2.隧道设计的基本理念是什么，如何理解？1）围岩是主题：设计的一切考虑，都要围绕“围岩”这个“主题”来做文章。例如，在坚硬围岩中，就要采用不损伤或少损伤遗留围岩固有支护能力的方法，而在软弱破碎围岩中就要采用各种手段和方法增强围岩的自支护能力的方法。2）支护是手段：隧道结构的设计，实质上就是支护结构的设计。隧道支护包括围岩自身、初期支护、超前支护、衬砌等，除了围岩以外都是辅助围岩的手段，有的是提高围岩强度的，有的是防止围岩掉块、风化的，有的是减少围岩松弛的，有的是提高结构安全度的等等。3）实践是基础：隧道的预设计仍然是以“经验设计”或“类比设计”为基础的。实践不断地丰富了经验设计和类比设计的内容和方法，其次，隧道施工过程中的地质条件是不断变化的；其力学动态也是不断变化的，因此，设计就不可能是一成不变的。变更设计，就是根据暴露出来的围岩状态采取的对策，这是隧道设计的基本原则。4）解析是验证：解析方法在某些条件下是重要而不可缺少的。特别是在分析趋势和定性评价方面有独到之处。在通常的设计中，它只能起着验证的作用。3.隧道施工的基本理念是什么？如何理解？1）爱护围岩：一层含义是不损伤或少损伤遗留围岩的固有支护能力，这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决；一层含义是通过各种手段和方法增强围岩的支护能力，如采用支护技术、加固或予加固技术以及各种辅助施工技术等。2）内实外美：关键是内实，而内实的关键就是要做到四密实，即：混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围岩密实、二次衬砌与初期支护密实。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。3）重视环境：一层含义是指内部环境，即施工作业环境；一层是对外部环境，即对周边环境的影响。4）动态施工：是指隧道施工过程中地质条件是不断变化的，力学动态是不断变化的，因而采用的各种施工方法和技术也应该是不断变化的，来适应这种不断变化的过程。因此，隧道施工的各种决策都要在施工阶段的地质技术、施工阶段的量测技术和施工阶段的质量控制技术的基础上进行管理。4.高地应力场如何判断？高地应力场隧道施工可能会产生什么现象？可以用围岩强度比初步判断，围岩强度比：Gn＝Rb/σmax即围岩抗压强度与围岩内部的最大地应力值的比值。在我国4~7属高地应力场，小于4属极高地应力场。现象：1）硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁围岩有剥离和掉块现象，新生裂缝较多．成洞性较差，基坑时有剥离现象，成形性—般尚好。2）软质岩：岩芯时有饼化现象。开挖工程中洞壁岩位移显著，持续时间较长，成洞性差，基坑有隆起现象，成形性较差。5.荷载—结构模型解析法中有几种考虑荷载的方法？怎么考虑？有三种：1）主动荷载模式：不考虑围岩与支护结构的相互作用；2）主动荷载+被动荷载模式：考虑了结构和围岩之间的相互作用即弹性抗力；3）实际荷载模式：实际测量的荷载值是围岩与支护结构相互作用的综合反映，既包含围岩的主动压力，也含有弹性抗力。6.什么是特种曲线法？设计中怎样采用特征曲线？特征曲线法又称收敛—约束法。基本原理是利用围岩特征曲线和支护结构特征曲线交会的办法来决定支护体系的最佳平衡条件。u∞=uo+up，u∞—架设支护结构经过长时间后达到平衡时的位移;uo—支护结构参与工作前坑道周边的初始位移；up—支护结构在平衡压力p作用下的位移。显然参照围岩特征曲线就可以合理的设置支护结构特征曲线，使两者的平衡点处于最佳位置，即决定在初始位移U0达到何值时施设支护结构，这样就具体体现了两者的相互作用。采用：1）决定围岩力学参数（变形模量、弹性模量、内摩擦角、粘结力）；2）计算围岩特性曲线；3）确定支护阻力；方法的关键是合理地确定这两条曲线的基本性质及其随一些因素的变化以及由两者相互作用所决定的最佳平衡条件。7.为什么隧道窑采用信息化设计、施工方法？隧道在施工过程中地质条件是不断变化的，力学动态也是不断变化的，因而其设计和施工方法也应当随着地质条件的变化做相应的调整。8.新奥法的基本原理充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，以控制爆破或者机械开挖为掘进手段，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、量测来指导地下工程的设计与施工。其主要特点如下：1)充分保护围岩，减少对围岩的扰动；2）充分发挥围岩的自承能力，通过喷锚支护允许并控制岩体的变形；3）尽快使支护结构闭合；4）加强监测，根据监测数据指导施工。扼要概括为“少扰动，早喷锚，快封闭，勤量测”。9.光面爆破的基本原理是什么？如何提高爆破效果？基本原理：降低炮孔壁上的压力峰值,使炸药爆炸后,孔壁上产生的冲击压力低于处于体积应力状态下的岩石抗压强度,而由此产生的切向拉应力要超过岩体的抗拉强度。这样,当周边眼同起爆时,由于应力波的叠加和爆生气体准静压力的作用,炮眼连线上切向拉应力超过岩石抗拉强度而首先产生裂缝并贯通,同时也抑制了孔壁上其它方向裂缝的产生从而达到不破坏围岩的目的。实质：在隧道设计断面的轮廓线上布置间距较小、相互平行的炮眼，控制每个炮眼的装药量，选用低密度和低爆速的炸药，采用不耦合装药，同时起爆，使炸药的爆炸作用刚好产生炮眼连线上的贯穿裂缝，并沿各炮眼的连线--隧道轮廓线，将岩石崩落下来。影响光面爆破主要参数：炮眼间距E,周边眼密集系数m，最小抵抗线W，不耦合系数D，装药集中度q等，当他们取合理值时，能提高爆破效率，形成连续的光滑壁面。1）改变“宁超无缺”的传统观念；2）提高钻孔技术水平；3）进一步解决好爆破技术参数的合理匹配。10.隧道施工采用台阶法时台阶的合理长度是多少？为什么？台阶长度定为1倍洞径（D），主要因为：地面沉降不容许超过30mm，承载拱的跨度约为1倍洞径。1）在1倍洞径区段周围地层产生横向和纵向两个承载拱的作用，这对开挖是有利的，台阶长度超过1倍洞径将失去纵向承载拱受力结构，仅有横向平面承载拱受力结构。2）上台阶若选用大于1.5倍洞径的长台阶，在开挖时纵向变位大，上台阶断面形状不利于受力，而且容易引起周围地层松动，塑性区增大，造成拱脚附近受力大而使其失去稳定性。3）上台阶若过短，小于1倍洞径，因洞内纵向破裂面超过工作面，易造成洞顶土体下滑，引起工作面不稳定，所以软弱地层不能采用短台阶法施工，但是若用硬岩爆破法施工时，为了便于风钻打眼，可设置超短台阶。二、论述题1.圆形隧道开挖后周边岩体弹性状态下的应力分布规律？（1）坑道周边的应力状态1）侧压力系数λ=0，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。2）随着λ的增加,拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减少。当λ=1/3时,拱顶切向拉应力等于0。大于1/3后,整个坑道周边的切向应力皆为压应力。这说明,λ在0~1/3之间时,坑道拱顶（拱底）范围是受拉的。3）在侧壁范围内,λ值变化在0~1.0之间时,周边切向应力总是压应力,而且总比拱顶范围的应力值大。这说明,侧璧处在较大的应力状态下。4）当λ=1时,坑道周边围岩各点的应力皆相同，这种应力状态对圆形坑道稳定是很有利的。5）通常围岩的侧压力系数变动在0.2~0.5之间。在这个范围内,坑道周边切向应力σt都是压应力。因此,要十分注意切向应力的变化,它是造成坑道破坏的主要原因之一。（2）围岩应力向深处变化的规律：1）侧壁中点（φ＝90°）,在λ=0~1.0时坑道周边的切向应力都为正值（压应力）。最大值为σt=3σy(λ=0),最小值为2σy(λ=l)。2）拱顶处（φ=0°）,在周边上的σt值由-σy（λ=0）变到2σy（λ=1）。当λ=1/3时,σt=0。随着r的增加,当λ=0时,σt接近于0，当λ=1时,接近σy，即都逐渐接近于初始的应力状态。σr值在λ=0和λ=1时,变化大致相同,即由0逐渐增加到σy值。由此可见,坑道开挖后的二次应力分布范围是很有限的。视λ值其范围大致在（5~7）a左右。λ愈大，范围愈大。在此之后,围岩仍处在初应力状态。这说明:坑道开挖对围岩的影响(扰动)是有限的。3）在拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a（λ=0）,而后转变为压应力.这也说明,坑道围岩内的拉应力区域是有限的,而且只在λ小于1/3时的情况下出现。2.概率极限状态隧道设计方法概率极限法是以概率为基础，以分项系数表达的极限状态的可靠度设计方法。其可靠度是指在规定的时间，规定的条件下，完成预定功能的概率。（一）两种极限状态：1）承载能力极限状态：包括结构强度极限状态；结构整体稳定及构件局部稳定极限状态，公式对铁路隧道衬砌抗压承载能力，实用设计式为：；2）正常使用极限状态：结均达到变形或裂缝限值的状态。设计表达式为:对衬砌抗裂检算用的实用式为：（二）隧道结构设计时，三种设计状况：持久状况、短暂状况、偶然状况，结构均应对三种状况进行承载能力极限状态设计，对持久状况和短暂状况根据结构需要按正常使用极限状态设计；（三）对偶然状况，按下列原则：(a)按作用效应的偶然组合进行设计或采取防护措施，使主要承重结构不致因偶然事件而丧失承载能力。(b)允许主要承重结构因偶然事件而局部破坏，但结构的其余部分仍应具有在一段时间内不发生继发性破坏的可靠度。3.不同排水方式下（全排、限排、全堵）海底隧道的水压力特征？全排即对应固结排水，限排即对应固结不排水，全堵即对应不固结不排水。1）在全堵情况下，衬砌后水压力没有折减，等于静水压力；2）在限排情况下，衬砌背后的水压力和隧道控制排水量成反比例线性关系，注浆圈起着显著的水压折减作用。排水系统对衬砌背后的水压力分布和大小影响很大，距离排水口越近，水压力折减效果越明显，在拱脚设置排水口的情况下，水压力折减效果依次为拱脚、拱腰、拱顶、仰拱。3)在全排情况下，只要隧道的排水量达到了理论最大排水量，衬砌后水压力基本为0，当排水能力达到了饱和，隧道的理论最大排水量大于排水能力，隧道从自由排水状态转化为限制排水状态，衬砌背后要承受一定的水压力。4.隧道初期支护中喷混凝土的作用机理1）喷混凝土是唯一能够与围岩壁面大面积牢固粘结的支护手段，也是适用于各种围岩的一种有效支护手段，其作用主要来自喷混凝土与壁面的粘着力所产生的抗剪阻力。此外，对局部的外力，喷混凝土的一部分可以作为板或梁用其抗弯和抗剪能力发挥支护作用；2）直接控制围岩的松弛，用其强度抵抗发生位移的围岩，通过与围岩的粘结力和轴力传递到围岩。这说明喷混凝土在直接防止围岩松弛的增大和不稳定岩块掉落的同时，给予围岩内压，使围岩成为一体。除了衬砌以外，与其他支护比较，是内压力最高的支护方式；3）喷混凝土与围岩表面是密封的，也是喷混凝土发挥支护作用的关键。此外喷混凝土还可以把压力传递到锚杆和钢支撑上，反过，喷混凝土也可以提高锚杆和钢支撑的支护效果。因此，在支护组成上，任何情况都不能缺少喷混凝土。5.软弱围岩隧道施工关键技术软弱围岩的自支护能力比较弱，甚至没有自支护能力。因此，在软弱围岩中施工最重要的是：如何提高围岩的自支护能力，来保证开挖及后续作业的进行。在软弱围岩中，提高围岩自支护能力的方法很多。根据国内外的施工经验，基本方法是控),(),(0dddddfRFS)/RCckkSCbhfN][),,(0CCfFdddd)/75.1)6(20RTctkkSTfbhheN制围岩的松弛、流失。其原则是：稳定掌子面、及时闭合和加固地层。具体方法如下：1）稳定掌子面的方法正面喷混凝土和锚杆；超前支护；留核心土。2）及时闭合的方法临时仰拱或底部横撑；加强基脚；向底部地层注浆加固；底部锚杆；改变施工方法。3）加固地层注浆加固、超前支护、地表面加固、压注法、冻结法、管棚法等。三、设计题根据《