1.4 高地應力軟巖隧道的荷載機制

1.4.1 基于原巖應力和開挖位移的高地應力軟巖隧道圍巖壓力研究

原巖應力是產生隧道圍巖壓力的主要原因，也是研究圍巖壓力的一個基本出發點。在高地應力軟弱圍巖隧道中，最常出現的問題就是大變形問題，因此，在高地應力軟弱圍巖隧道中，控制圍巖變形也應作為研究圍巖壓力的一個出發點。

目前，高地應力軟弱圍巖條件下，隧道圍巖壓力以及圍巖與支護結構相互作用機理研究中存在以下問題[20]：

（1）現有本構關系對高地應力軟巖尚不具有廣泛代表性；

（2）卡斯特耐爾公式無法直接計算出在塑性區范圍不同發展過程對應的塑性形變壓力。

本書引入巖體軟化“直-曲-直”模型，該模型只要通過室內直剪試驗或現場直剪試驗就可獲得其黏聚力軟化模量Mc和摩擦角軟化模量Mφ等參數，尤其是原位抗剪試驗為國際巖石力學學會試驗標準委員會要求在大型地下工程詳細設計階段必須進行的試驗，指標獲取方便，避免了具體本構非線性軟化關系不具代表性的問題。同時，本書推導的塑性形變壓力公式考慮了圍巖參數在塑性軟化階段隨時空變化而變化的特點；同時，公式中直接體現了坑道開挖半徑處ua，從而更好地反映了新奧法理念中的力學動態變化，解決了前人研究中要么只針對無支護圓形洞室，要么是軟化模型不便使用等問題。為便于稱呼，以下將本書推導的基于巖體軟化“直-曲-直”模型卡斯特耐爾擴展公式稱為“卡斯特耐爾擴展公式”。

因此，在前人研究成果的基礎上，考慮了隧道的原巖應力場，同時引入軟弱圍巖塑性軟化理論與隧道容許位移（或支護后實際量測位移）來擴展卡斯特耐爾公式，從而使其更好地適用于高地應力軟弱圍巖條件。只有這樣，才能既考慮到軟巖特性，同時考慮到支護結構特性（即約束圍巖變形特性），從而更直觀地反映原巖應力場與支護結構的受力狀態（即約束圍巖變形特性）之間的動態關系，真正從公式上直觀表現圍巖與支護結構的共同作用。

1.4.2 基于開挖應力釋放率模型的高地應力軟巖隧道襯砌壓力研究

工程中隧道結構所受的實際圍巖壓力往往受到開挖和支護方法、工藝、材料等多種因素的影響，隧道施工中監控量測所提供的凈空收斂曲線則可綜合反映上述因素帶來的位移變化。開挖應力釋放率模型就是一種基于原始地應力和隧道收斂變形的計算隧道襯砌壓力的方法。陳宗基院士指出，地下巷道和隧洞所發生的大變形問題，累積能量的突然釋放或逐漸釋放必然起決定性作用。因此，采用開挖應力釋放率模型分析高地應力軟弱圍巖條件下的結構荷載具有可行性。開挖應力釋放率模型的開挖應力釋放可分為兩部分來考慮，即開挖面通過之前和開挖面通過之后的應力釋放，而開挖應力釋放是通過位移釋放實現的。因此，使用開挖應力釋放率模型的前提是已知一條完整的隧道位移曲線，包含開挖面通過之前和開挖面通過之后直到趨于穩定整個時間段內隨時間變化的位移值。

雖然開挖應力釋放率模型具有原理清晰、計算簡便等優點，但在實際工程中，尤其是高地應力軟巖隧道中，很難監測到完整的隧道位移曲線，因而該模型在高地應力軟巖隧道中幾乎無法應用，主要有以下兩方面原因：①很難獲得開挖面通過之前坑道周邊圍巖的監測位移，目前在國內實際工程中幾乎沒有實測資料；②對于開挖面通過之后的坑道周邊圍巖監測位移，為了不妨礙施工以及防止爆破等施工對監測點的擾動與破壞，監測點安設位置應與開挖面有一定的距離，使得位移監測點的第一次讀數滯后該測試點掌子面的開挖時間2～3d，且很多實測數據沒有達到完全收斂。

因此，基于隧道施工中存在的空間效應和隧道位移監測曲線特點，解決上述兩方面問題，使得開挖應力釋放率模型在高地應力軟巖隧道中具備應用條件[26]。