隧道工程課件圍巖壓力.ppt

,第四節(jié) 圍巖壓力,1、圍巖壓力的概念 2、圍巖壓力的確定,圍巖壓力的概念,1、圍巖壓力 隧道開挖后，因圍巖變形或松散等原因，作用于洞室周邊巖體或支護結構上的壓力。從狹義上來理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護結構上的壓力。在工程中一般研究狹義的圍巖壓力。,圍巖壓力的概念,1、圍巖壓力的分類（按作用力發(fā)生形態(tài)） 松散壓力：是指由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構的壓力。 形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。 膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。 沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，,圍巖壓力的概念, 松散壓力：常通過下列三種情況發(fā)生： 在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個別松動掉塊的巖石； 在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側片幫冒落； 在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。,圍巖壓力的概念, 形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護如錨噴支護等的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。形變壓力除與圍巖應力狀態(tài)有關外，還與支護時間和支護剛度有關。 膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。,圍巖壓力的概念, 沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。 沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問題，所以它與彈性模量直接相關。彈性模量較大的巖體，在高地應力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就會突然猛烈的大量釋放。,圍巖壓力的概念,3、圍巖松散壓力的產(chǎn)生 開挖隧道所引起的圍巖松動和破壞的范圍有大有小，對于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護結構上的圍巖松散壓力遠遠小于其上覆巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的“成拱作用”來解釋。,圍巖壓力的概念,（1）階段的劃分 隧道開挖后，在圍巖應力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段； 頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結構面切割等原因，逐漸轉變?yōu)樗蓜?，可視為松動階段； 頂板巖體視其強度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段； 頂板塌落停止，達到新的平衡，此時其界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。,圍巖壓力的概念,（2）自然拱的范圍 自然拱的范圍的大小除受上述的圍巖地質條件、支護結構架設時間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素：,圍巖壓力的概念,隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大； 隧道的埋深：實踐證明，只有當隧道埋深超過某一臨界值時，才有可能形成自然拱。習慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。由于淺埋隧道不能形成自然拱，所以，它的圍巖壓力的大小與埋置深度直接相關。 施工因素：如爆破所產(chǎn)生的震動，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大，又如分部開挖多次擾動圍巖，也會引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。,圍巖壓力的確定,1、確定的方法 2、一般規(guī)定,確定方法,圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法： 直接量測法 經(jīng)驗法或工程類比法 理論估算法,確定方法,直接量測法： 是一種切合實際的方法，對隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測設備和技術水平的制約，目前還不能普遍常用。 經(jīng)驗法或工程類比法： 是根據(jù)大量以前工程的實際資料的統(tǒng)計和總結，按不同圍巖分級提出圍巖壓力的經(jīng)驗數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。,確定方法,理論估算法：是在實踐的基礎上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素多，企圖建立一種完善的和適合各種實際情況的通用圍巖壓力理論及計算方法是困難的。,一般規(guī)定,1、級圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力主要為形變壓力，其值可按釋放荷載計算。 2、級圍巖中深埋隧道的圍巖壓力為松散荷載時，其垂直均布壓力及水平均布壓力可按下列公式計算： 應用該公式時，必須同時具備下列條件： （1）H/B1.7 （2）不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的一般圍巖。,一般規(guī)定,圍巖豎向勻布壓力q按下式計算： q = 0.45 2 s-1 (kN/m2) 式中 ：S圍巖級別，如屬II級，則S2； 圍巖容重， (kN/m3)； 1+ i(B-5) 寬度影響系數(shù)； B 隧道寬度，（m）； i 以B5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率。 當B 5m,取i 0.1。,一般規(guī)定,圍巖的水平勻布壓力e 的確定，按下表中的經(jīng)驗公式計算,一般規(guī)定,3、淺埋隧道圍巖壓力的確定 （1）深埋和淺埋隧道的判定原則 （2）計算公式,深埋和淺埋隧道的判定原則,隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計算方法不同，應以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”為原則。 深埋隧道圍巖松散壓力值是以施工坍方平均高度(等效荷載高度值)為根據(jù)，為了形成此高度值，隧道上覆巖體就有一定的厚度。根據(jù)經(jīng)驗，這個深度通常為22.5倍的坍方平均高度值,深埋和淺埋隧道的判定原則,深、淺埋隧道的判定原則 Hp（22.5）hq 式中:Hp深淺埋隧道分界深度; hq荷載等效高度，按下式計算： hqq/ q深埋隧道豎向均布壓力 kNm2； 圍巖容重（kNm3）。,深埋和淺埋隧道的判定原則,在礦山法施工的條件下 I一III級圍巖取 Hp2hq IVVI級圍巖取 Hp2.5hq 當隧道覆蓋層厚度HHp時為深埋， HHp時為淺埋,計算公式,1、埋深(H)小于或等于等效荷載高度hq時，荷載視為均布豎向壓力 q = H 式中: q勻布布豎向壓力； 深度上覆圍巖容重； H隧道埋深，抬隧道頂至地面的距離。,計算公式,側向壓力e，按勻布考慮時，其值為： e = (H + 1/2 Hi)tg2(450 /2) 式中: e 側向勻布壓力； 圍巖容重，以kN/m3計； H 隧道埋深，以m計； Hi 隧道高度，以m計； 一圍巖計算摩擦角，可查有關規(guī)范。,計算公式, 的取值,計算公式,2、埋深大于hq、小于等于Hp時,計算公式,（1）坑道上覆土體下滑要考慮滑面阻力的影響，否則會算得過大的壓力值。 （2）假定土體中形成的破裂面是一條與水平成 角度的斜直線（如圖所示）。 （3）EFGH巖土體下沉，帶動兩側三棱土體（如圖中的FDB及ECA）下沉，整個土體ABDC下沉時，又要受到未擾動巖土體的阻力。 （4）斜直線AC或BD是假定的破裂面，分析時考慮內聚力c并采用計算摩擦角。另一滑面FH和EG則并非破裂面，因此滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，該滑面的摩擦角應小于。,計算公式,采用松散介質極限平衡理論進行分析， 即：圍巖松動壓力=滑動巖體重量滑面上的阻力,q淺 Q淺/B = H（1H/Btg） e=(Hh) /2 式中一側壓力系數(shù) ，即： = (tg-tg)/tg1+tg(tg-tg)+tgtg tg = tg+(tg2+1)tg/(tg-tg)1/2,計算公式,令dq淺/dH=0，可得qmax時的深度H： HP=B/(2tan) qmax=B/(4tan),淺埋隧道圍巖壓力是隨坑道埋深H增加而增加的；當?shù)扔谏盥袼淼篮奢d時，則圍巖壓力保持不變。 在判定深埋隧道的分界時，若用上述理論公式 ，也可得出Hp值，但是往往與前述介紹的經(jīng)驗公式差別較大。目前一般按經(jīng)驗公式 判別，而理論式作為參考。,偏壓隧道圍巖壓力的計算,1、產(chǎn)生偏壓的原因 （1）地形上，洞頂覆蓋層較薄，地面橫坡顯著有傾斜的松散、軟質或土質圍巖，多見于洞口淺埋地段或傍山淺埋地段。 （2）地質上，圍巖為傾斜層狀結構，層間粘結力差伴隨以有害節(jié)理裂隙切割或洞身有傾角較陡的軟弱結構面，圍巖一部分較軟，一部分較硬。 （3）施工期間因各種原因造成一側塌方，形成顯著偏壓。,偏壓隧道圍巖壓力的計算,2、偏壓隧道圍巖壓力的計算 偏壓隧道圍巖壓力的計算應按其產(chǎn)生偏壓的原因分別考慮。根據(jù)以往經(jīng)驗，一般在級及以上圍巖以地形引起的偏壓為主進行計算；而在級及以下圍巖，因地質構造影響較大，則以地質構造的具體條件進行計算。,偏壓隧道圍巖壓力的計算,2、偏壓隧道圍巖壓力的計算 (1)由地形引起偏壓的計算方法 傍山淺隧道施工時，因支撐或襯砌下沉，以及超挖、回填不實等原因，引起洞身上部圍巖的下沉及隧道兩側地表開裂，在巖體內形成兩個非對稱的滑動面。 假定偏壓分布的圖形與地面坡一致。,偏壓隧道圍巖壓力的計算,2、偏壓隧道圍巖壓力的計算,水平側壓力：,內側 ei=hi,外側 ei=h1i1,偏壓隧道圍巖壓力的計算,2、偏壓隧道圍巖壓力的計算,（2）由地質構造引起偏壓的檢算 多發(fā)生在多裂隙層狀或塊狀巖體中，其情況復雜，尚無確定的計算方法，當需要檢算時，應注意以下幾點： A、必須查明圍巖可能產(chǎn)生偏壓的被割裂或松動的范圍大小 B、盡量取得控制弱面的強度計算指標。 C、當為塊體運動時，可近似地按巖塊剛體平衡的方法計算。當一部分為軟層，另一部分為硬層時，可分別取用不同的指標計算。,其他一些確定圍巖壓力的方法,1、以坑道上方形成平衡拱為基礎的方法 普氏理論：在松散介質中開挖隧道，在其上方會形成一拋物線平衡拱，這個平衡拱實際上就是破壞范圍，這個范圍內的圍巖重量就是隧道支護結構所要承受的荷載,其他一些確定圍巖壓力的方法,1、以松散介質平衡理論為基礎的計算方法 太沙基理論：巖體為有一定粘結力的松散介質，當坑道開挖后，圍巖