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隧道工法合理性判别原则及其应用 　　 目录，前言第一章第二章［一］第二章［二］第二章［三］第三章第四章［一］第四章［二］第四章［三］ 　　1.1隧道围岩变形与支护的机理分析 　　隧道开挖前是处于三维应力状态的，隧道开挖后形成了新的空间，出现了临空面，围岩向洞内移动，应力进行重新调整，从而形成了二次应力。如果围岩的强度高于二次应力，则围岩是稳定的；如果围岩的强度低于二次应力，则必须进行支护，以保证围岩的稳定。 　　如果不对围岩进行适时支护，围岩就会发生破坏，围岩的破坏是从围岩表面开始的，逐渐向深部开展，依次形成塑性软化区、塑性强化区和弹性区，如图1.1。塑性强化区和弹性区是围岩承载的主体，塑性软化区是我们要支护的对象。我们通过对软化区进行支护，一方面可以提高其强度，有利于其自身的稳定，另一方面软化区围岩再对塑性强化区的围岩实施作用，增大了强化区围压，使强化区围岩的承载力得到提高。所以通过支护或加固软化区围岩，可以提高强化区围岩的强度，围岩的自承能力得以充分发挥，实现深部围岩的稳定，并使其成为主要承载区。 　　除了对浅部（软化区）围岩的加固措施外，在矿山法施工隧道时一般采用光面爆破进行开挖，目的是减轻爆破对围岩的震动，尽可能保持其原始状态。在稳定性差的围岩中施工隧道时，常采用预支护方法，使破碎围岩在隧道开挖前即得到强化。浅部支护、光面爆破和预支护等措施都是工程施工中常用的技术手段，其目的都是在施工时尽可能“基本维持围岩原始状态”，保持原有强度，从而保证围岩的稳定。 　　 　　1.2隧道围岩的平衡稳定问题控制理论指出“一般地说，任何一个力学系统、物理系统以及工程技术中的某些系统都有运动（平衡）稳定性的问题”。由于工程结构存在各种干扰作用，因此在实际问题中“稳定”运动（平衡）是可能长期实现的，而“不稳定”运动（平衡）是不能长期实现的。在结构平衡概念中介绍球体平衡稳定性指出，当球体处于图1.2状态时，外界给予少许干扰后球体偏离原始位置但无法自行恢复到原始状态，则处于不稳定平衡状态；反之，当球体处于图1.3状态时，外界给予少许干扰后球体偏离原始位置并能自行恢复原始状态，则处于稳定平衡状态。 　　 　　根据经典力学分析，任一时刻作用于结构系统的力（惯性力、阻尼力、弹性力、干扰力等）都是相互平衡的，稳定的平衡结构系统是能够实现持久的平衡，如运动的火车，使用中的桥梁隧道结构等；如果结构平衡系统一旦丧失其稳定性，其平衡状态就经不起干扰，可能随即发生破坏，如火车脱轨、翻车，桥梁隧道结构破坏（如1994年美国塔科马悬索桥的动力失稳破坏；2007年国内乌竹岭隧道初期支护后突然坍塌等），所以不稳定平衡系统是不能长期存在的。 　　隧道工程实践中如何应用平衡概念呢？如果周围相关环境处于稳定平衡状态，则隧道工程建设就较容易；如果周围相关环境处于不稳定平衡状态，则隧道工程建设就较难甚至非常难，这时采用绕避不稳定平衡体或往里靠延长隧道使之处于稳定平衡状态，否则只能采用工程措施使隧道与周围相关环境共同作用符合力学规律（特别是施工与养护过程中每步骤或使用过程中每时段，隧道围岩和支护系统都必须满足三维力学平衡、三维力与变形协调和三维变形协调与稳定）。 　　1.3洞室围岩稳定经典历史工程实例并非隧道开挖就会引起围岩破坏。事实证明，许多已建的地下洞室开挖后，即使没有任何支护也保持了长期的稳定，这充分说明了围岩有一定的自承能力。从地道战时开挖的地道、龙游石窟、黄土高原窑洞等大量历史地下工程建设实例中（图1.4~图1.8），不难看出，只要选择合适的围岩环境、采取适当的开挖工艺和开挖顺序、选取合适的开挖断面，就能保持地下洞室的安全与稳定。 　　 　　 　　重庆钓鱼城蒙古军攻城地道位于钓鱼城奇胜门以北约150 m处的山体中，纵横交错的地道宽约1.5 m、高约1.0 m，连接钓鱼城内外，主要由主通道、支道、竖井组成。专家发现，地道剖面呈倒“凸”字形（图1.5），这种形状既节约工时和人力物力，还可以最大化地隐藏伏兵。地下凹进去的一部分可做排水之用，而两边的土台可用做士兵休息的地方。 　　 　　 　　龙游石窟共7个石窟，个个石窟紧挨着，排列工整，每个石窟均有石阶通向洞底（图1.6），石窟内的石柱根据洞的大小1到4根不等（图1.7），其布局符合力学原理；洞与洞之间的间隔，有些仅50厘米；令人惊异的是，这7个石窟的布局竟呈北斗七星的形状。在这7个石窟周边1公里范围内，类似的石窟共有24个，而沿衢江北岸还分布着更多的石窟。显然，这是一个庞大的石窟群。各石窟均在岩体完整的厚层砂岩中开挖形成，其形状和布置均依据完整性好的厚层砂岩的分布而确定。 　　 　　黄土高原的黄土质地均一、层理不显、富含钙质、具有一定的胶结力、不易崩塌。那些黄土高原自然直立的悬崖和土