1.4 高地应力软岩隧道的荷载机制

1.4.1 基于原岩应力和开挖位移的高地应力软岩隧道围岩压力研究

原岩应力是产生隧道围岩压力的主要原因，也是研究围岩压力的一个基本出发点。在高地应力软弱围岩隧道中，最常出现的问题就是大变形问题，因此，在高地应力软弱围岩隧道中，控制围岩变形也应作为研究围岩压力的一个出发点。

目前，高地应力软弱围岩条件下，隧道围岩压力以及围岩与支护结构相互作用机理研究中存在以下问题[20]：

（1）现有本构关系对高地应力软岩尚不具有广泛代表性；

（2）卡斯特耐尔公式无法直接计算出在塑性区范围不同发展过程对应的塑性形变压力。

本书引入岩体软化“直-曲-直”模型，该模型只要通过室内直剪试验或现场直剪试验就可获得其黏聚力软化模量Mc和摩擦角软化模量Mφ等参数，尤其是原位抗剪试验为国际岩石力学学会试验标准委员会要求在大型地下工程详细设计阶段必须进行的试验，指标获取方便，避免了具体本构非线性软化关系不具代表性的问题。同时，本书推导的塑性形变压力公式考虑了围岩参数在塑性软化阶段随时空变化而变化的特点；同时，公式中直接体现了坑道开挖半径处ua，从而更好地反映了新奥法理念中的力学动态变化，解决了前人研究中要么只针对无支护圆形洞室，要么是软化模型不便使用等问题。为便于称呼，以下将本书推导的基于岩体软化“直-曲-直”模型卡斯特耐尔扩展公式称为“卡斯特耐尔扩展公式”。

因此，在前人研究成果的基础上，考虑了隧道的原岩应力场，同时引入软弱围岩塑性软化理论与隧道容许位移（或支护后实际量测位移）来扩展卡斯特耐尔公式，从而使其更好地适用于高地应力软弱围岩条件。只有这样，才能既考虑到软岩特性，同时考虑到支护结构特性（即约束围岩变形特性），从而更直观地反映原岩应力场与支护结构的受力状态（即约束围岩变形特性）之间的动态关系，真正从公式上直观表现围岩与支护结构的共同作用。

1.4.2 基于开挖应力释放率模型的高地应力软岩隧道衬砌压力研究

工程中隧道结构所受的实际围岩压力往往受到开挖和支护方法、工艺、材料等多种因素的影响，隧道施工中监控量测所提供的净空收敛曲线则可综合反映上述因素带来的位移变化。开挖应力释放率模型就是一种基于原始地应力和隧道收敛变形的计算隧道衬砌压力的方法。陈宗基院士指出，地下巷道和隧洞所发生的大变形问题，累积能量的突然释放或逐渐释放必然起决定性作用。因此，采用开挖应力释放率模型分析高地应力软弱围岩条件下的结构荷载具有可行性。开挖应力释放率模型的开挖应力释放可分为两部分来考虑，即开挖面通过之前和开挖面通过之后的应力释放，而开挖应力释放是通过位移释放实现的。因此，使用开挖应力释放率模型的前提是已知一条完整的隧道位移曲线，包含开挖面通过之前和开挖面通过之后直到趋于稳定整个时间段内随时间变化的位移值。

虽然开挖应力释放率模型具有原理清晰、计算简便等优点，但在实际工程中，尤其是高地应力软岩隧道中，很难监测到完整的隧道位移曲线，因而该模型在高地应力软岩隧道中几乎无法应用，主要有以下两方面原因：①很难获得开挖面通过之前坑道周边围岩的监测位移，目前在国内实际工程中几乎没有实测资料；②对于开挖面通过之后的坑道周边围岩监测位移，为了不妨碍施工以及防止爆破等施工对监测点的扰动与破坏，监测点安设位置应与开挖面有一定的距离，使得位移监测点的第一次读数滞后该测试点掌子面的开挖时间2～3d，且很多实测数据没有达到完全收敛。

因此，基于隧道施工中存在的空间效应和隧道位移监测曲线特点，解决上述两方面问题，使得开挖应力释放率模型在高地应力软岩隧道中具备应用条件[26]。