隧道工程习题解析

《隧道工程》试题
一、叙述地下结构与地面结构的主要区别。

二、什么是隧道围岩的稳定性？它所涉及的内容可概括为哪些方面？三、一个具备中型施工机具的工程队，在Ⅳ级围岩中施工，请确定施工方法，绘出横断面施工分块图，并说明其优缺点。

四、分析某一隧道特殊地质地段的塌方原因，提出处理方法？五、围岩压力与洞室大小是否有关？试从统计法、普氏法和泰沙基法这三种计算围岩压力的方法中说明围岩压力与洞室大小的关系。

一、叙述地下结构与地面结构的主要区别。

1.赋存环境不同；
2.物理力学参数；
3.受力条件的不同；
4.地下工程支护结构安全与否，既要考虑到支护结构能否承载，又要考虑围岩会不会失稳；
5.地下工程中作用在支护结构上的荷载受到施工方法和施工时间的影响。

二、什么是隧道围岩的稳定性？它所涉及的内容可概括为哪些方面？
围岩稳定性：隧道开挖后，围岩自身在不支护条件下的稳定程度。

围岩的稳定性直接影响到支护结构的设计与施工，影响到工程造价。

影响围岩稳定性的主要因素：
（1）地质因素：地质的好坏程度
（2）人为因素：工程活动所造成的人为因素:①隧道尺寸和横断面形状,②支护结构的性质：弱、强,③开挖方法
三、一个具备中型施工机具的工程队，在Ⅳ级围岩中施工，请确定施工方法，
绘出横断面施工分块图，并说明其优缺点。

本隧道要求采用新奥法施工方法。

优点：有足够的作业空间和较快施工速度，利于开挖面的稳定。

可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值缺点：上下部作业会互相干扰，增加了对围岩的扰动次数。

上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。

四、分析某一隧道特殊地质地段的塌方原因，提出处理方法？
隧道坍方的处理措施
（1）小坍方
坍穴不高，且众向延伸不长，首先加固坍体两端洞身，并抓紧混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部，在进行清砟。

（2）大坍方
坍穴高、坍砟体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。

（3）坍方冒顶
在清砟前应先支护陷缺口，地层极差时，在在洞穴附近地面布置地表锚杆对地层予以加固，洞内坍体可采用管棚等方法穿越。

（4）洞口坍方
指进洞方法不当导致洞口地表坍方，需采取明洞的方法进洞。

（5）防排水的处理措施
隧道坍方往往与地下水的活动密切相关，故“治坍应先治水”是隧道施工的基本常识。

具体措施有：
①地表沉陷和裂缝，用黏土紧密夯实，周围开挖节水沟，防止地表水渗入。

②坍方冒顶时，在陷穴口地表四周挖排水沟排水，并设雨棚遮盖穴顶。

陷穴口的回填应高出地面，并用黏土或圬工封口。

③坍体内有地下水活动时，应用管槽引至排水沟排出，以防止水碓坍体的继续破坏。

五、围岩压力与洞室大小是否有关？试从统计法、普氏法和泰沙基法这三种计
算围岩压力的方法中说明围岩压力与洞室大小的关系。

影响围岩压力的两种因素：1．地质因素：体现为围岩分类。

2．工程因素：工程活动所造成的人为因素，人为因素中主要考虑：（1）坑道尺寸和形状，（2）开挖方法。

因此围岩压力与洞室大小有关。

深埋隧道围岩松动压力的确定方法(统计法)
隧道埋深——自然拱——松动压力形成。

围岩的松动压力是和围岩分类成反比的（和围岩分级成正比）。

在同样的围岩条件下，隧道的跨度越大，围岩的稳定性也越差，围岩松动压力就越大。

这说明围岩的松动压力是和隧道的跨度成正比的。

普氏理论
普氏认为，所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此可视为散粒体。

但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上仍存在着不同程度的粘结力。

这种粘结力体现为摩擦力，以似摩擦系数f 表示，普氏称其为岩体的“坚固性系数”。

由力学知，抗剪强度c tg +=φστ，现将岩体视为散粒体．抗剪强度不变，即f στ=，则 0φσφσφσστtg c tg c tg f =+=+==
式中0,φφ——岩体的内摩擦角和似摩擦角；
στ,一一岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力，
c ——岩体的粘结力。

图 4-8
(a)
“自然拱”概念系由普氏提出。

他认为在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，而自然拱的尺寸(即它的高度和跨度)与岩体的f 值有关。

具体表达式为：
f b
h k =
式中k
h ——自然拱高度； b ——自然拱的半跨度。

考虑两类情况：
a.在坚硬的岩体中，坑道侧壁较稳定，自然拱的跨度即为坑道的跨度，如上图所示；
b.在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁受到扰动而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大，如上图所示。

此时的B 值为
)
245(20
φ-︒⋅+=tg H B B t t 式中
B ——自然拱的跨度；
t H ——坑道的净高；
t B ——坑道的净宽；
0φ——岩体的似摩擦角，00f arctg =φ
作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重力，垂直匀布松动压力为
h q γ=
围岩水平匀布松动压力可按朗金公式计算，即
)245()21(02φγ-︒+=tg H q e t
泰沙基理论
泰沙基也将岩体视为散粒体。

对照图解释：
a.上方的岩体因坑道开挖而变形下沉，并产生滑动面OAB ；
b.假定竖向压应力V σ是匀布的，相应的水平力v H k σσ=(k 为侧压力系数)。

c.在距地面深度为h 处取出一厚度为dh 的水平条带，考虑其垂直方向的平衡条件： ∑V ＝0
得出
0222)(20=-+-+dh b dh tg k b d b v v v v γφσσσσ
展开后得
00=--h v v d b tg k d φσγσ
解上述微分方程，并引进边界条件：0=h 时0=v σ，可得
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-⋅=⋅-b h ktg v e k tg b 010φφγσ
随坑道埋深h 加大，b h
ktg e
0φ-趋近于零，则v σ趋于某一个固定值，即
k tg b
v ⋅=0φγσ
图 4-9
45k σk σ
泰沙基根据实验结果得出k ＝1～1.5，取k ＝1则 0φγσtg b
v =
如以f tg =0φ代入，则
h
f b
v γγσ==
式中b 、0φ同前。

此时便与普氏理论计算公式11相同。

泰沙基认为当H ≥b 5时为深埋隧道。

至于侧向均布压力则仍按朗金公式计算，即
)245()21(02φγσ-+=︒tg H e t v。