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1、第二节第二节 围岩压力围岩压力一、围岩压力及分类一、围岩压力及分类(一一)围岩压力围岩压力 围围岩岩压压力力是是指指引引起起地地下下开开挖挖空空间间周周围围岩岩体体和和支支护护变变形形或或破破坏坏的的作作用用力力。它它包包括括由由地地应应力力引引起起的的围围岩岩应应力力以以及及围围岩岩变变形形受受阻阻而而作作用用在在支支护护结构上的作用力。结构上的作用力。(二二)围岩压力分类围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：为如下几种类型：由由于于开开挖挖而而松松动动或或坍坍塌塌的的岩岩体体以以重重力力形形式式直直接作用在支护结构上的压力称为
2、松动压力。接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。1.1.松动压力松动压力 2.2.形变压力形变压力 形形变变压压力力是是由由于于围围岩岩变变形形受受到到与与之之密密贴贴的的支支护护如如锚锚喷喷支支护护等等
3、的的抑抑制制，而而使使围围岩岩与与支支护护结结构构共共同同变变形形过过程程中中，围围岩岩对对支支护护结结构构施施加加的的接接触压力。触压力。3.3.膨胀压力膨胀压力 当当岩岩体体具具有有吸吸水水膨膨胀胀崩崩解解的的特特征征时时，由由于于围围岩岩吸吸水水而而膨膨胀胀胀胀崩崩解解所所引引起起的的压压力力称称为为膨膨胀胀压压力力。它它与与形形变变压压力力的的基基本本区区别别在在于于它它是是由由吸吸水膨胀引起的。水膨胀引起的。影影响响围围岩岩压压力力的的因因素素很很多多，通通常常可可分分为为两两大大类类。一一类类是是地地质质因因素素；另另一一类类是是工工程程因因素素，它它包包括括施施工工方方法法、支支
4、护护设设置置时时间间、支支护护刚刚度度、坑道形状等。坑道形状等。4.4.冲击压力冲击压力 冲冲击击压压力力是是在在围围岩岩中中积积累累了了大大量量的的弹弹性性变变形形能能以以后后，由由于于隧隧道道的的开开挖挖，围围岩岩的的约约束束被被解解除，能量突然释放所产生的压力。除，能量突然释放所产生的压力。二、影响围岩压力的因素二、影响围岩压力的因素三、围岩松动压力的形成和确定方法三、围岩松动压力的形成和确定方法(一一)围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成 坑坑道道开开挖挖后后围围岩岩由由形形变变到到坍坍塌塌成成拱拱的的整整个个变形过程，变形过程，如图所示如图所示。(1)(1)隧隧道道开开挖挖后后，在在
5、围围岩岩应应力力重重分分布布过过程程中中，顶顶板板开开始始沉沉陷陷，并并出出现现拉拉断断裂裂纹纹(图图(a)a)，可可视视为为变形阶段；变形阶段；(2)(2)顶顶板板的的裂裂纹纹继继续续发发展展并并且且张张开开，由由于于结结构构面面切切割割等等原原因因，逐逐渐渐转转变变为为松松动动(图图(b)b)，可可视视为松动阶段；为松动阶段；(3)(3)顶顶板板岩岩体体视视其其强强度度的的不不同同而而逐逐步步塌塌落落(图图(c)c)，可视为塌落阶段；可视为塌落阶段；(4)(4)顶顶板板塌塌落落停停止止，达达到到新新的的平平衡衡，此此时时其其界界面面形成一近似的拱形形成一近似的拱形(图图(d)d)，可视为成
6、拱阶段。可视为成拱阶段。自自然然拱拱范范围围的的大大小小除除了了受受上上述述的的围围岩岩地地质质条条件件、支支护护结结构构架架设设时时间间、刚刚度度以以及及它它与与围围岩岩的的接接触触状状态态等等因因素素影影响响外外，还还取取决决于于以以下下诸诸因因素：素：PP隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；PP隧道的埋深；隧道的埋深；PP施工因素。施工因素。(二二)确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法 确定围岩松动压力的方法有：确定围岩松动压力的方法有：OO现现场场实实地地量量测测：按按目目前前的的量量测测手手段段和和技技术术水水平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况平来看量测的结果尚不能充分反
7、映真实情况 OO理理论论公公式式计计算算：由由于于围围岩岩地地质质条条件件的的千千变变万万化化，所所用用计计算算参参数数难难以以确确切切取取值值，目目前前还还没没有有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论一种能适合于各种客观实际情况的统一理论 OO统统计计的的方方法法：在在大大量量施施工工坍坍方方事事件件的的统统计计基基础础上上建建立立起起来来的的统统计计方方法法，在在一一定定程程度度上上能能反反映围岩压力的真实情况。映围岩压力的真实情况。1.1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法深埋隧道围岩松动压力的确定方法(1)(1)我国我国隧规隧规所推荐的方法所推荐的方法垂直匀布压力垂直匀布压力 对于单线隧
8、道为对于单线隧道为对于双线及多线隧道为：对于双线及多线隧道为：式中式中 hq等效荷载高度值；等效荷载高度值；S围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩S=3=3；围岩的容重；围岩的容重；宽度影响系数，宽度影响系数，=1+=1+i(B-5)-5)B坑道宽度，以坑道宽度，以mm计；计；iB每每增增加加1 1mm时时，围围岩岩压压力力的的增增减减率率(以以B5m5m为为基基准准)，当当B5m5m时时取取i=0.2=0.2，B5m5m时时，取取i0.10.1。适用条件为：适用条件为：H/B1.7(1.7(H为坑道的高度为坑道的高度)；深埋隧道；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的
9、偏压力及膨胀压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。水平压力水平压力 在上述产生竖向压力的同时，隧道也会有侧在上述产生竖向压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即围岩水平分布松动压力向压力出现，即围岩水平分布松动压力e，可用可用表表中的经验公式计算中的经验公式计算(一般取平均值一般取平均值)，其适用条，其适用条件前式。件前式。除了确定压力的数值外，还要考虑压力的除了确定压力的数值外，还要考虑压力的分布状态。围岩垂直松动压力的分布图大概可分布状态。围岩垂直松动压力的分布图大概可概括为以下四种，概括为以下四种，如图所示如图所示。另外，还应考虑围岩水平松动压力非均匀另外，还应考虑围
10、岩水平松动压力非均匀分布的情况。分布的情况。(2)(2)普氏理论普氏理论 普普氏氏认认为为，所所有有的的岩岩体体都都不不同同程程度度被被节节理理、裂裂隙隙所所切切割割，因因此此可可视视为为散散粒粒体体。但但岩岩体体又又不不同同于于一一般般的的散散粒粒体体，其其结结构构面面上上存存在在着着不不同同程程度度的的粘结力。粘结力。岩岩体体的的抗抗剪剪强强度度 现现将将岩岩体体视视为为散散粒粒体体，但但又又要要保保证证其其抗抗剪剪强强度度不不变变，则则 。所以：所以：式中式中岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的抗剪强度和剪切破坏时岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；的正应力；c岩体
11、的粘结力。岩体的粘结力。在在具具有有一一定定粘粘结结力力的的松松散散介介质质中中开开挖挖坑坑道道后后，其其上上方方会会形形成成一一个个抛抛物物线线形形的的自自然然拱拱，作作用用在在支支护护结结构构上上的的围围岩岩压压力力就就是是自自然然拱拱内内松松散散岩岩体体的的重重量量。而而自自然然拱拱的的形形状状和和尺尺寸寸(即即它它的的高高度度hk和和跨跨度度Bt)与与岩岩体体的的坚坚固固性性系系数数f 有有关关。具具体体表达式为：表达式为：式中式中 hk自然拱高度；自然拱高度；bt自然拱的半跨度。自然拱的半跨度。在在坚坚硬硬的的岩岩体体中中，坑坑道道侧侧壁壁较较稳稳定定，自自然然拱拱的跨度即为坑道的跨
12、度，的跨度即为坑道的跨度，如图如图(a)a)所示。所示。bt=b b坑道的净跨之半。坑道的净跨之半。在在松松散散和和破破碎碎岩岩体体中中，坑坑道道的的侧侧壁壁受受到到扰扰动动而而产产生生滑滑移移，自自然然拱拱的的跨跨度度也也相相应应加加大大，如如图图(b)b)所示。此时的所示。此时的bt值为值为式中式中 b坑道的净跨之半；坑道的净跨之半；Ht坑道的净高；坑道的净高；岩体的似摩擦角，岩体的似摩擦角，。围岩垂直均布松动压力：围岩垂直均布松动压力：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：(3)(3)泰沙基理论泰沙基理论 泰泰沙沙基基也也将将岩岩体体识识为为散散粒粒
13、体体，他他认认为为坑坑道道开开挖挖后后，其其上上方方的的岩岩体体因因坑坑道道的的变变形形而而下下沉沉，并并产产生生如如图图所所示示的的错错动动面面OABOAB。假假定定作作用用在在任任何何水水平平面上的竖向压应力面上的竖向压应力 是匀布的，相应的水平力是匀布的，相应的水平力 为侧压力系数。为侧压力系数。在在地地面面深深度度为为h处处取取出出一一厚厚度度为为dh的的水水平平条条带单元体，考虑其平衡条件带单元体，考虑其平衡条件 ，得出，得出 展开后，得展开后，得 解解上上述述微微分分方方程程，并并引引进进边边界界条条件件，得得洞洞顶岩层中任意点的垂直压力为顶岩层中任意点的垂直压力为随着坑道埋深随着
14、坑道埋深h的加大的加大,趋近于零，则趋近于零，则 泰泰沙沙基基根根据据实实验验结结果果，得得出出 1 11.51.5，取取 1 1，则则式中，式中，b b、意义同上。意义同上。如以如以 f 代入，得代入，得侧向均布压力则仍按朗金公式计算：侧向均布压力则仍按朗金公式计算：2.2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法浅埋隧道围岩松动压力的确定方法(1)(1)深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则式中式中 深浅埋隧道分界的深度；深浅埋隧道分界的深度；等效荷载高度值；等效荷载高度值；单线隧道：单线隧道：双线隧道：双线隧道：(2)(2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 当当隧
15、隧道道埋埋深深不不大大时时，开开挖挖的的影影响响将将波波及及到到地地表表而而不不能能形形成成“自自然然拱拱”。从从施施工工过过程程中中岩岩体体(包包括括土土体体)的的运运动动情情况况可可以以看看到到，隧隧道道开开挖挖后后如如不不及及时时支支撑撑，岩岩体体即即会会大大量量坍坍落落移移动动，这这种种移移动动会会影影响响到到地地表表并并形形成成一一个个坍坍陷陷区区域域，此此时时岩岩体将会出现两个滑动面，体将会出现两个滑动面，如图所示如图所示。对对于于这这样样的的情情况况，可可以以采采用用松松散散介介质质极极限限平平衡理论进行分析。衡理论进行分析。当当滑滑动动岩岩体体下下滑滑时时，受受到到两两种种阻阻
16、力力作作用用：一一是是滑滑面面上上阻阻止止滑滑动动岩岩体体下下滑滑的的摩摩擦擦阻阻力力；二二是是支支护护结结构构的的反反作作用用力力，这这种种反反作作用用力力的的数数值值应应等等于于滑滑动动岩岩体体对对支支护护结结构构施施加加的的压压力力，也也就就是是我们所要确定的我们所要确定的围岩松动压力围岩松动压力。根据受力的极限平衡条件：根据受力的极限平衡条件：滑滑动动岩岩体体重重量量滑滑面面上上的的阻阻力力+支支护护结结构构的的反反作作用力用力(围岩松动压力围岩松动压力)围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力围岩松动压力滑动岩体重量一滑面上的阻力 隧隧道道埋埋深深h小小于于或或等等于于等等效效荷荷载载
17、高高度度hq(即即hhq)式中式中 围岩容重，以围岩容重，以kN/mkN/m3 3计；计；h隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以mm计。计。围岩水平均布压力围岩水平均布压力e按朗金公式计算按朗金公式计算 隧道埋深隧道埋深h大于等效荷载高度大于等效荷载高度hq(即即hhq)隧隧道道随随着着埋埋置置深深度度增增加加，上上覆覆岩岩体体逐逐渐渐增增厚厚，滑滑面面的的阻阻力力也也随随之之增增大大。因因此此，在在计计算算围围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。施施工工中中，上上覆覆岩岩体体的的下下沉沉和和位位移移与与许许多多因因素素有有关关，如如支支护护是是否否及及时时，岩
18、岩体体的的性性质质、坑坑道道的的尺尺寸寸及及埋埋置置深深度度的的大大小小，施施工工方方接接是是否否合合理理等等等等。为为方方便便计计算算，根根据据实实践践经经验验作作如如下下简简化化假定，假定，如图所示如图所示。1)1)岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成 角角的斜直面；的斜直面；如图如图中的中的ACAC、BDBD。2)2)当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体FEGHFEGH下沉时受到两侧岩体下沉时受到两侧岩体的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体岩体ACEACE和和BDFBDF的下滑，而当整个下滑岩体的下滑，而当整
19、个下滑岩体ABDHGCABDHGC下滑时，又受阻于未扰动岩体。据此下滑时，又受阻于未扰动岩体。据此所形成的作用力有：所形成的作用力有：洞顶上覆盖岩体洞顶上覆盖岩体EFHGEFHG的的重量重量W1 1；两侧三棱体两侧三棱体ACEACE、BDFBDF的重量的重量W2 2；两两侧三棱体给予下沉岩体侧三棱体给予下沉岩体EFDLEFDL的阻力的阻力T(对整个下对整个下滑岩体来说为内力滑岩体来说为内力)，TT1 1+T2 2；整个下滑岩体整个下滑岩体滑动时，两侧未扰动岩体给予的阻力滑动时，两侧未扰动岩体给予的阻力N。3)3)斜直面斜直面ACAC、BDBD是一个假定破裂滑面，该滑面是一个假定破裂滑面，该滑面
20、的抗剪强度决定于滑面的摩擦角的抗剪强度决定于滑面的摩擦角 及粘结力及粘结力c，为为简化计算采用岩体的似摩擦角简化计算采用岩体的似摩擦角 0 0。洞顶岩体洞顶岩体EFHGEFHG与两侧三棱体之间的摩擦角与两侧三棱体之间的摩擦角 与与 0 0是不同的。因为是不同的。因为EGEG、FHFH面上并没有发生破面上并没有发生破裂面，所以它介于零与岩体内摩擦角之间。即裂面，所以它介于零与岩体内摩擦角之间。即0 0 0 0。显然显然 值与岩体的物理力学性质有着密值与岩体的物理力学性质有着密切的关系。在计算时可以取一个经验数字，此处切的关系。在计算时可以取一个经验数字，此处假定假定 与与 0 0有关有关(见见表
21、表)。还可以进一步把各类围岩具体的还可以进一步把各类围岩具体的 及及 0 0计算计算值列值列表表。按力的平衡条件，可求出作用在隧道支护结构按力的平衡条件，可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值，其步骤如下：上的围岩松动压力值，其步骤如下：由图可知，作用在支护结构上总的垂直压力由图可知，作用在支护结构上总的垂直压力QQ为为a.a.求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力T1 1 取三棱体取三棱体BDF(BDF(或或ACE)ACE)作为脱离体分析作为脱离体分析(如图如图所示所示)，作用在其上的力有，作用在其上的力有W2 2、T、F，其中其中W2 2为为BDFBDF的土体自重
22、，的土体自重，T为隧道与上覆土体下沉而带为隧道与上覆土体下沉而带动两侧动两侧BDFBDF和和ACEACE随着下滑时在随着下滑时在FDFD面产生的带面产生的带动下滑力，动下滑力，F为为BDBD面上的摩擦阻力。面上的摩擦阻力。由由图图(a)a)可知可知T=T1 1+T2 2，T1 1、T2 2分别为上覆土分别为上覆土体部分和衬砌部分带动体部分和衬砌部分带动FDFD和和ECEC面下滑时的带动面下滑时的带动力，其方向如图中所示。因此为了求出力，其方向如图中所示。因此为了求出T1 1必须先必须先求求T。根据力的平衡条件，由图根据力的平衡条件，由图(c)c)所示的力三角所示的力三角形可求出形可求出T值。值
23、。三棱体重量为三棱体重量为 式中，式中，为围岩容重；为围岩容重；HH、意义见图意义见图 (a)a)。按正弦定理，有按正弦定理，有 将将前式代入，化简后有前式代入，化简后有 令令 则则 分析上式的物理含义可知，从散体极限平衡分析上式的物理含义可知，从散体极限平衡理论可知，理论可知，T为为FDFD面的带动下滑力，则面的带动下滑力，则 即为即为FDFD面上侧压力系数，而面上侧压力系数，而T又为又为T1 1和和T2 2之和，衬之和，衬砌上覆土体下沉时受到两侧摩阻力为砌上覆土体下沉时受到两侧摩阻力为T1 1，这是我这是我们所需要求的数值。们所需要求的数值。b.b.求破裂面求破裂面BDBD的倾角的倾角 将
24、求得的将求得的T1 1值代入前面值代入前面Q的计算式，得的计算式，得c.c.求围岩总的垂直压力求围岩总的垂直压力Q而而 ，则，则即即 d.d.求围岩垂直均布松动压力求围岩垂直均布松动压力q e.e.求围岩水平均布松动压力求围岩水平均布松动压力 对于傍山隧道，由于受有偏压，更易发生山对于傍山隧道，由于受有偏压，更易发生山体变形及滑动，围岩垂直松动压力强度体变形及滑动，围岩垂直松动压力强度(见图见图)：式中式中 qi讨论点围岩垂直压力强度；讨论点围岩垂直压力强度；hi讨论点隧道洞顶高度；讨论点隧道洞顶高度；W1纵向每延米隧道洞顶岩体重量。纵向每延米隧道洞顶岩体重量。隧道水平压力强度为：隧道水平压力
25、强度为：3.3.围岩压力计算实例围岩压力计算实例 如如图图所所示示单单线线铁铁路路隧隧道道，处处在在级级围围岩岩中中，围围岩岩容容重重 21.5kN/m21.5kN/m3 3，隧隧道道跨跨度度B B7.4m7.4m，高高度度HHt t=8.8m=8.8m，0 05555，=23=23。如如埋埋深深h20m20m、8m8m、3m3m，试计算围岩压力。试计算围岩压力。BHth(c)(c)(d)(d)(a)(a)(b)(b)h hk kB Bb bB Bh hk kHHt t(a)(a)(b)(b)2450j+HHdhdh2 2a aOOKKv vtgtg 2b2bB BB BA AA A v v+
26、d+dv vKKv vKKv vOO v vh h4545-/2/2KKv vtgtg 4545-/2/2围岩压力围岩压力围岩压力围岩压力滑动面滑动面滑动面滑动面滑动土体滑动土体滑动土体滑动土体未扰动土体未扰动土体未扰动土体未扰动土体支护结构反力支护结构反力支护结构反力支护结构反力T TD DB BT TN NWW2 2TvTvT THHN NF FWW2 2 0 09090(0 0+)+)9090 +0 0(b)(b)(c)(c)N NA A 0 0HHC CD DF FB BN NE ET T1 1T T1 1P PWW2 2WW1 1 T T2 2T T2 2GGWW2 2 0 0h h
27、HH(a)(a)B B岩体似摩擦角岩体似摩擦角 0 0 岩体似摩擦角岩体似摩擦角 0 0 2020(0(00.1)0.1)45455050(0.5(0.50.6)0.6)20203030(01(010.2)0.2)50505555(0.6(0.60.7)0.7)30303535(0.2(0.20.3)0.3)55556060(0.7(0.70.8)0.8)35354040(0.3(0.30.4)0.4)60606565(0.8(0.80.9)0.9)40404545(0.4(0.40.5)0.5)65650.90.9围岩类别围岩类别角角(度度)7360432312.57.5角角(度度)78677855664354314230hh TTT T B Be e2 2e e1 1 e e1 1e e2 2 h hHHhh1 1h h0 0思考题隧道设计、计算方法和现行规范围岩压力及问题一、隧道设计方法经验类比、定型设计、定量计算二、隧道结构计算方法荷载结构计算模式、地层结构计算模式、收敛约束计算模式三、材料强度准则允许应力法、破损阶段法、极限状态法思考题四、现行规范围岩压力四、现行规范围岩压力的问题复合式支护衬砌结构中：支护压力如何计算，支护与衬砌压力如何分担？支护和衬砌如何分担作用？