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隧道围岩应力计算方法探讨

作者：何志

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第29期

【摘要】为了保证地下洞室在开挖过程中和开挖后的稳定和安全，必须对地下洞室围岩稳定性进行研究，而围岩的稳定性与围岩应力有着密不可分的关系。围岩应力的计算准确性直接影响了隧道设计安全性，本文总结了几种计算围岩应力的新方法。 【关键词】地下洞室；围岩；稳定性；应力 1.绪论

隧道工程的安全主要取决于隧道设计，隧道设计的关键是对隧道衬砌的计算，隧道衬砌的传统计算方法是结构力学方法。各种设计规范中都有关于围岩荷载计算的推荐公式，由于目前围岩荷载计算公式大都存在一些缺陷，因此在荷载计算时还要密切结合实际量测结果并参考既有同类工程的设计经验。

目前，有许多新的计算方法不断引入隧道衬砌计算领域，如：连续介质力学方法（弹性理论、弹塑性理论、粘弹塑性理论等）、数值分析方法（有限元法等）。但不管采用哪种方法，合理的选择计算模型及荷载的准确性计算都是其中的关键。隧道荷载主要包括垂直均布压力、水平均布压力及围岩偏压力等[1]。 2.隧道围岩压力计算的基本思路[2]

隧道应沿其掘进方向每隔一段距离W（文章以下都坚称区段）做一代表性横截面，区段长W取值越小，代表性横截面的代表性就越强，利用该横截面得出的隧道围岩侧压力和拱顶压力的准确性就越高，W的取值决定于隧道开挖处地表的变化及隧道走向与倾向的变化。一般情况下，公路隧道W的取值可以是2m或5m。每个区段的代表性横截面应大致位于该区段的中间位置。

Q为EF侧壁侧压力作用区域内一个微元，微元质量为dm（即地心引力），地心引力dm 的横向分量dm 即为微元Q对隧道侧壁EF的侧压力。EF侧壁侧压力作用区域ABF是由无数个相互紧密接触的微元构成的，作用区域全部微元重力（地心引力）横向分量的合力即为EF侧壁的总侧压力。

从以上论述可以看出，隧道洞壁侧压力及拱顶压力均来源于相应作用区域内岩土受到的地心引力，也就是说，隧道工程中的各种压力均来源于地心对岩土的引力。 3.基于复变函数对洞室围岩应力的弹性解析分析

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应用复变函数法可进行非圆形洞室围岩弹性力学解析分析[3]，前提是获取洞室的映射函数。当洞室形状不复杂时。可用各种方法得到映射函数级数形式的近似解，所需级数项不长，应用柯西积分可得围岩弹性力学解析解（忽略映射函数近似性）。当洞室形状很复杂时，可应用文提出的方法得到映射函数，但此时级数项往往很长，无法获取解析表达式。本文避开柯西积分的局限性，将解析分析过程代数化，并编成程序，充分利用超长项级数形式的映射函数，得到围岩应力变形的解析逼近解 4.围岩应力的几何等代法

圆形断面的围岩应力计算[4]是运用几何等代法进行非圆形围岩应力计算的基础，其周围应力分布的完成解最早是由基尔希提出的，并得到了广泛的运用及认可，其表达式如下： 5.结束语

本文提出了几种隧道围岩压力与应力计算的新方法，这些方法都有利于实现计算机编程计算，当将隧道工程设计图、地形图、地质图输人计算机后，计算机可以自动计算出隧道任一断面上的洞壁侧压力与应力及拱顶压力与应力，从而为隧道工程设计提供较为准确的基础数据。 参考文献：

[1]姜晨光，刘桂芳，刘华，廖明全.矿山围岩压力与应力计算的新方法[J].有色矿山，2003（5），1～4.

[2]姜晨光，张松华.公路隧道围岩压力与应力计算方法新探[J].广西交通科技，2003（4），19～23

[3]朱大勇，钱七虎，周早生.复杂形状洞室围岩应力弹性解析分析[J].岩石力学与工程学报，1999（4），402～405.

[4]纪雄伟，楼晓明，陈鹏辉.非圆形断面围岩应力计算的几何等代法.现代矿业，2013（535），25～35.