非圆形洞室的应力分布的探讨

【摘 要】室内洞室在开挖的过程中围岩会发生应力的重分布现象。而对于大多数的洞室其内部形状非完全的圆形，但是对于其计算理论很多仍沿用圆形洞室的计算理论。针对非圆形洞室开挖的应力重分布问题进行探讨。

【关键词】应力；非圆形；围岩

洞室开挖破坏了围岩范围内的应力平衡状态，导致围岩变形甚至破坏。为了保障硐室的稳定安全必须进行支护以阻止围岩过大变形和破坏，这样，支护结构与围岩间产生相互作用，围岩作用于支护结构上的力就是围岩压力。围岩压力可以分为垂直压力、水平压力和底部压力。

围岩应力重分布问题主要是计算重分布应力；围岩变形与破坏问题主要是计算位移、确定破坏范围，对于有压洞室围岩抗力问题要计算计算围岩℃抗力。其中涉及的计算分析方法复杂多样。重分布应力是地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。重分布应力与围岩性质、洞形的形状、洞室受外力状态有关。

一、圆形洞✔室重分布应力

地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。对于圆形的应力表示方法如下：

α，β为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于σ0值。在理论上，σr，σθ要在r→∞处才达到σ0值，但实际上σr，σθ趋近于σ0的速度很快，当r=6R0时，σr和σθ与σ0接近。一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。

坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。

二、非圆形洞室应力分布的特点

椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；短轴两端易拉应力集中，不利于围岩稳定；各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等；长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳；当岩体中天然应力σh和σv相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好；当岩体中天然应力σh和σv相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向；在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免£角点上过大的应力集中。

（一）围岩中有一条垂直于σv、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面的情形

对于θ=0，沿水平直径方向上所有的点τrθ均为0。因此，沿结构面各点的σθ和σr均为主应力，结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。

（二）围岩中存在一平行于σv、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结构面的情形

结构面上无剪应力作用，不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。

当λ三、结语

对于非圆形洞室的应力分布呈现不均匀性，剪应力的作用较弱，对于椭圆型洞室会在其底部形成一个椭圆形的应力下降区，减少应力集中作用。

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