圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用

1、第第3 3章章 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用 圍巖穩(wěn)定性分析是根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)、不同的力學(xué)特性，簡(jiǎn)化成不同的力學(xué)計(jì)算模型，應(yīng)用相應(yīng)的力學(xué)計(jì)算方法，定性或定量地分析圍巖的變形破壞過(guò)程。定性分析方法圍巖分類方法赤平極射投影方法（節(jié)理塊狀巖體）定量分析方法解析分析法數(shù)值模擬方法模型試驗(yàn)方法 反饋分析方法連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法 3.3.1 塊狀巖體的失穩(wěn)特點(diǎn)（1）墜落 沿重力作用方向失穩(wěn)的破壞方式，常發(fā)生在洞頂表面巖體，其臨空面與重力作用方向近直角相交。（2）滑落 滑移面與重力作用方向呈一角度，塊體失穩(wěn)時(shí)需要克服滑移面的摩擦阻力，常發(fā)生在邊墻表面巖體。 3.3.2 塊狀圍巖不穩(wěn)定塊體的

2、赤平極射投影確定方法 根據(jù)洞室開(kāi)挖前或開(kāi)挖過(guò)程中圍巖結(jié)構(gòu)面露頭產(chǎn)狀，利用赤平極射投影與實(shí)體比例的垂直投影相結(jié)合的方法，確定臨空面上不穩(wěn)定塊體的位置、形狀與大小。 3.4.1 洞室開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)特征洞室開(kāi)挖后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)特征 總述：總述：巖體中開(kāi)挖洞室，出現(xiàn)了臨空面使巖體有了變形的巖體中開(kāi)挖洞室，出現(xiàn)了臨空面使巖體有了變形的空間，由于初始地應(yīng)力的局部釋放，使巖體發(fā)生卸載而向隧空間，由于初始地應(yīng)力的局部釋放，使巖體發(fā)生卸載而向隧道內(nèi)變形，原來(lái)平衡的三維初始應(yīng)力狀態(tài)必然要引起應(yīng)力的道內(nèi)變形，原來(lái)平衡的三維初始應(yīng)力狀態(tài)必然要引起應(yīng)力的重新分布，重分布的應(yīng)力主要發(fā)生在洞周有限范圍內(nèi)，在此重新分布

3、，重分布的應(yīng)力主要發(fā)生在洞周有限范圍內(nèi)，在此范圍外仍保持著初始應(yīng)力狀態(tài)。范圍外仍保持著初始應(yīng)力狀態(tài)。 洞室開(kāi)挖后，產(chǎn)生的重分布應(yīng)力場(chǎng)稱為洞室開(kāi)挖后，產(chǎn)生的重分布應(yīng)力場(chǎng)稱為二次應(yīng)力場(chǎng)二次應(yīng)力場(chǎng)。 （2）開(kāi)挖斷面形式的影響）開(kāi)挖斷面形式的影響 1）圓形斷面受力狀態(tài)最好；）圓形斷面受力狀態(tài)最好； 2）橢圓斷面，隨著長(zhǎng)軸與短軸比值的增大，洞頂?shù)睦瓚?yīng)力）橢圓斷面，隨著長(zhǎng)軸與短軸比值的增大，洞頂?shù)睦瓚?yīng)力區(qū)隨之?dāng)U大，拐角處應(yīng)力集中現(xiàn)象也愈明顯。區(qū)隨之?dāng)U大，拐角處應(yīng)力集中現(xiàn)象也愈明顯。 斷面形狀對(duì)切向應(yīng)力的影響（3）巖體結(jié)構(gòu)的影響）巖體結(jié)構(gòu)的影響 結(jié)構(gòu)面的方向與二次應(yīng)力場(chǎng)的分布有很大關(guān)系。結(jié)構(gòu)面的方向與二次應(yīng)

4、力場(chǎng)的分布有很大關(guān)系。圖 巖體結(jié)構(gòu)方向?qū)鷰r二次應(yīng)力場(chǎng)的影響（4）巖體力學(xué)性質(zhì)的影響）巖體力學(xué)性質(zhì)的影響彈彈 性：性：應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變線性關(guān)系，假定圍巖承受很高應(yīng)力也不應(yīng)變線性關(guān)系，假定圍巖承受很高應(yīng)力也不破壞；隧道開(kāi)挖后，洞周徑向應(yīng)力變?yōu)槠茐?；隧道開(kāi)挖后，洞周徑向應(yīng)力變?yōu)?，切向應(yīng)力集中。，切向應(yīng)力集中。彈塑性：彈塑性：應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變非線性關(guān)系，假定圍巖應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到屈應(yīng)變非線性關(guān)系，假定圍巖應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到屈服條件時(shí)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)；洞周應(yīng)力為服條件時(shí)巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)；洞周應(yīng)力為0，在塑性區(qū)內(nèi)，在塑性區(qū)內(nèi)，隨著塑性半徑的增大，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力都逐漸增大，在隨著塑性半徑的增大，徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力都逐漸

5、增大，在彈塑性交界面上切向應(yīng)力達(dá)到最大，在彈性區(qū)內(nèi)又逐漸減小彈塑性交界面上切向應(yīng)力達(dá)到最大，在彈性區(qū)內(nèi)又逐漸減小回歸到初始狀態(tài)?；貧w到初始狀態(tài)。（5）圍巖的空間效應(yīng)影響）圍巖的空間效應(yīng)影響 隧道端部開(kāi)挖面對(duì)圍巖的應(yīng)力釋放和變形發(fā)展有很大的隧道端部開(kāi)挖面對(duì)圍巖的應(yīng)力釋放和變形發(fā)展有很大的約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的二次應(yīng)力狀態(tài)和變形約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的二次應(yīng)力狀態(tài)和變形都不相同。當(dāng)距開(kāi)挖面（都不相同。當(dāng)距開(kāi)挖面（2-3）D時(shí)，開(kāi)挖面支承的空間效應(yīng)時(shí)，開(kāi)挖面支承的空間效應(yīng)可以忽略不計(jì)?？梢院雎圆挥?jì)。 （6）時(shí)間效應(yīng)的影響 一般巖體都具有流變特性。隧道開(kāi)挖后圍巖初始應(yīng)力的重新分布

6、以及圍巖的變形都不是瞬時(shí)就達(dá)到其最終值，而是隨著時(shí)間的推移逐漸完成，我們稱這種現(xiàn)象為“時(shí)間效應(yīng)”。有些體的時(shí)間效應(yīng)不明顯，有些則相反，延滯變形所經(jīng)歷的時(shí)間很長(zhǎng)，最終可能導(dǎo)致巖體失穩(wěn)破壞。（7）施工方法的影響 開(kāi)挖方式(鉆爆或TBM)和開(kāi)挖方法(全斷面或分部開(kāi)挖法)對(duì)圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)都有著強(qiáng)烈的影響。好的開(kāi)挖作業(yè)可減少對(duì)遺留巖體的破壞，使圍巖的二次應(yīng)力場(chǎng)更接近理論。 3.4.3 圍巖應(yīng)力和位移的解析法分析圍巖應(yīng)力和位移的解析法分析 模型：彈性分析，彈塑性分析模型：彈性分析，彈塑性分析。（1）彈性分析）彈性分析 適用：完整、均適用：完整、均勻、堅(jiān)硬巖體勻、堅(jiān)硬巖體對(duì)于軸對(duì)稱圓形對(duì)于軸對(duì)稱圓形隧洞

7、（隧洞（=1）：2cos)341)(21)1)(21442222rarapqraqpr2cos)31)(21)1)(214422rapqraqp2sin)321)(214422raraqpr)1 (22rapr)1 (22rap0r由彈性平面問(wèn)題的吉爾希解，可得彈性應(yīng)力：當(dāng)軸對(duì)稱時(shí)，p = q 。即側(cè)壓系數(shù)=1時(shí)，則有)1 (22rapr)1 (22rapp20r當(dāng) r = a時(shí)，則 周邊r = , r =0, =2P0；周邊的切向應(yīng)力為最大，a 當(dāng) =2P0的值超過(guò)圍巖的彈性極限時(shí)，圍巖進(jìn)入塑性。 如果把巖石看作為脆性材料，當(dāng) =2P0的值超過(guò)圍巖的彈性極限，則圍巖發(fā)生破壞。 定義應(yīng)力集中系

8、數(shù)K： K = 開(kāi)挖巷道后圍巖的應(yīng)力/開(kāi)挖巷道前圍巖的應(yīng)力 = 次生應(yīng)力/原巖應(yīng)力軸對(duì)稱圓巷周邊的次生應(yīng)力為2P0 , 所以，K =2。若定義以 高于1.05P0為巷道影響圈邊界，從而得到r5 。a 圍巖的彈性位移彈性位移的特點(diǎn)：周邊徑向位移最大，但量級(jí)?。ㄒ院撩子?jì)），完成速度快（以聲速計(jì)），一般不危及斷面使用與s隧道穩(wěn)定。計(jì)算原理：按彈性理論可求得軸對(duì)稱圓形隧洞洞周彈性位移。由下式計(jì)算：有內(nèi)水壓力或支護(hù)阻力時(shí)軸對(duì)稱圓洞洞周位移計(jì)算：（洞周位移與支護(hù)阻力之間的彈性關(guān)系）對(duì)于一般圓形隧洞（不等于1）：a周邊應(yīng)力情況 r= , 則 r = 0， r=0隧道周邊切向應(yīng)力狀態(tài)分布曲線 =（1+）P +

9、2（1-）P cos2aPPPP壓應(yīng)力區(qū)拉應(yīng)力區(qū)在水平直徑處，= 0，有說(shuō)明水平直徑處的切向應(yīng)力較初始值提高了（3-）倍，表現(xiàn)出應(yīng)力集中現(xiàn)象。 =（3-）P在頂拱處，= 90，有 =（3-1）P（a）當(dāng)=1/3時(shí)，洞頂處切向應(yīng)力為0；（b）當(dāng)1/3時(shí)，洞頂不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力，說(shuō)明洞周切向應(yīng)力全部變?yōu)閴簯?yīng)力。 = -P一般圓形隧洞的彈性位移（徑向）：2cos)1 (2cos)1)(1 (4)1(21340202000rRrRrRPEu為側(cè)壓系數(shù)。 r 為圍巖內(nèi)一點(diǎn)到隧道中心距離。 （2）彈塑性分析 適用：深埋隧道或埋深較淺但圍巖強(qiáng)度較低時(shí)，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)超出屈服準(zhǔn)則，該部分巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)。1）

10、 峰前區(qū)彈塑性力學(xué)分析彈塑性力學(xué)處理的對(duì)象的應(yīng)力-應(yīng)變圖形如圖所示。軸對(duì)稱圓洞的理想彈性塑性分析卡斯特納方程基本假設(shè)：（1）深埋圓形隧道；（2）原巖應(yīng)力各向等壓（=1） ； ( 3 ) 圍巖為理想彈塑性體。2）彈塑性應(yīng)力求解基本方程：)1 (22rapr)1 (22rap彈性區(qū)：強(qiáng)度準(zhǔn)則方程摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則：塑性區(qū)：軸對(duì)稱問(wèn)題的平衡方程：0rdrdrrsin1cos2sin1sin1cr0rrr0RpRer塑性區(qū)p求解微分方程，再代入邊界條件分別得到彈塑性區(qū)的應(yīng)力。邊界條件：r ，r = = P0 在彈塑性交界面r=Rp ， re = rp , e = p 1)(sin1sin1cotsin1s

11、in20Rrcp塑性區(qū)的應(yīng)力彈性區(qū)的應(yīng)力22sin1sin20220 1)(cot)1 (rRRRcrRPpppe22sin1sin20220 1)(cot)1 (rRRRcrRPpppersin2sin100cot)sin1)(cot(ccPRRp塑性區(qū)半徑20sin2sin1000)(cot)sin1)(cos()sincos(rRccPPcPe20sin2sin1000)(cot)sin1)(cos()sincos(rRccPPcPer1)(cotsin1sin20Rrcpr當(dāng)隧道內(nèi)有支護(hù)反力P1時(shí)，則彈塑性區(qū)的應(yīng)力可以表達(dá)為：pRr01塑性區(qū)彈性區(qū)cot)(cot(sin1sin201

12、cRrcPprcot)(sin1sin1)cot(sin1sin201cRrcPp20sin2sin11000)(cot)sin1)(cos()sincos(rRcPcPPcPe20sin2sin11000)(cot)sin1)(cos()sincos(rRcPcPPcPersin2sin1100cot)sin1)(cot(cPcPRRp塑性區(qū)半徑cot)(sin1)(cot(cos1sin2001cRRcPPp支護(hù)反力則圍巖的彈塑性表達(dá)式為：彈塑性交界面上的應(yīng)力（r = Rp）：cos)sin1 (0cPCrcos)sin1 (0cPC應(yīng)力分布規(guī)律： 1）徑向應(yīng)力在塑性區(qū)直至彈性區(qū)，隨著距開(kāi)

13、挖面距離的增大而增大，在一定范圍內(nèi)接近初始應(yīng)力狀態(tài)。2）切向應(yīng)力在塑性區(qū)內(nèi)，隨著距開(kāi)挖面距離的增大而增大；在彈性區(qū)內(nèi)，隨著距離的增大而減小。3）在塑性區(qū)和彈性區(qū)交界面上，切向應(yīng)力達(dá)到最大值。r0RP0P0P0P0 sin2sin1100cot)sin1)(cot(cPcPRRp塑性區(qū)半徑支護(hù)反力塑性區(qū)半徑或支護(hù)反力計(jì)算公式就是卡斯特納方程或修正的芬納方程。 （1）Rp與R0成正比，與P0成正比關(guān)系,與c, ，P1成反比關(guān)系。（2）塑性區(qū)內(nèi)各點(diǎn)應(yīng)力與原巖應(yīng)力P0無(wú)關(guān)，且其應(yīng)力圓均與 強(qiáng)度曲線相切；（3）支護(hù)反力P1=0時(shí)，Rp最大；（4）隨著P1的增大，塑性區(qū)半徑相應(yīng)減小，即支護(hù)阻力的存 在限制

14、了塑性區(qū)域的發(fā)展。討論：cot)(sin1)(cot(cos1sin2001cRRcPPp松動(dòng)區(qū)定義：松動(dòng)區(qū)邊界上的切向應(yīng)力為初始應(yīng)力，即 = P0由此可得：0sin1sin201cot)(sin1sin1)cot(PcRrcPp可得松動(dòng)區(qū)半徑：sin2sin1)sin11(PSRR可見(jiàn)：PSRR 若想使得塑性區(qū)不出現(xiàn)，即Rp=R0，則求出的支護(hù)阻力為硐室開(kāi)挖保持彈性不出現(xiàn)塑性區(qū)所需的最小支護(hù)阻力： cos)sin1 (01cPP但是一般硐室開(kāi)挖都是允許出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)的，因此，所需的支護(hù)阻力一般都小于此計(jì)算式。 3）彈塑性位移隧道圍巖的彈塑性位移，量級(jí)較大，通常以cm計(jì)，是支護(hù)主要應(yīng)解決

15、的問(wèn)題 。)(1)(0prppPREucos)sin1 (0)(cPpr)cot(sin210cPRGupp塑性邊界位移計(jì)算P0Rpr(p)upR 0u0R p隧道周邊位移計(jì)算: 設(shè)塑性區(qū)體積不變，則有：Rp2-(Rp-up)2 = R02-(R0-u0)22000)cot(2sinpRcPGRu)1 (2EG 塑性區(qū)的形狀和范圍是確定加固方案、錨桿布置和松散地壓的主要依據(jù)。彈塑性位移是設(shè)計(jì)隧道斷面尺寸，確立變形地壓的主要依據(jù)。 將含有支護(hù)阻力P1的塑性區(qū)半徑Rp的表達(dá)式帶入位移計(jì)算式，可以得到洞室周邊徑向位移與支護(hù)阻力之間的關(guān)系式：或者寫(xiě)為：cot)cot(sin)1 ()(sin1)(co

16、t(sin1sin20001cuRPcEcPPp（洞周塑性位移與支護(hù)阻力之間的關(guān)系，非線性）sin2sin11000)cotcot)sin1)(sin1)(cossin(1PcPccPERup 3.4.4 圍巖應(yīng)力和位移的數(shù)值分析 理想圓形隧道計(jì)算模型，開(kāi)挖半徑為1.0m，初始地應(yīng)力在三個(gè)方向均為30MPa，計(jì)算范圍25m*25m。巖體物理力學(xué)參數(shù)為：體積模量K=3.9GPa，剪切模量G=2.8GPa，內(nèi)聚力c=3.45MPa，內(nèi)摩擦角=30（1）用彈性模型計(jì)算（2）用彈塑性模型計(jì)算（M-C屈服準(zhǔn)則）)21 (3EK)1 (2EG （M-C準(zhǔn)則） 洞室開(kāi)挖后，在一定地質(zhì)作用和工程荷載作用下，巖

17、體產(chǎn)生剪切、滑移、掉塊、彎折等破壞現(xiàn)象，稱為圍巖失穩(wěn)。（1）脆性破壞 堅(jiān)硬巖體局部的脆性斷裂、掉塊，如爆破、開(kāi)挖巖爆等引起劇烈的彈性應(yīng)變能突然釋放等。（2）塊狀運(yùn)動(dòng) 節(jié)理、裂隙巖體經(jīng)過(guò)多組結(jié)構(gòu)面切割成塊體，在開(kāi)挖臨空情況下松弛、滑移、墜落。（3）彎曲折斷破壞 對(duì)于薄層狀巖體，在開(kāi)挖卸荷回彈過(guò)程中，切向應(yīng)力集中超過(guò)薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度，引起巖層彎折內(nèi)鼓的現(xiàn)象。 （4）松動(dòng)解脫 在破碎松散巖土體結(jié)構(gòu)中，圍巖自承能力低，開(kāi)挖時(shí)容易形成坍塌。（5）塑性變形和剪切破壞 洞室周邊產(chǎn)生了過(guò)度的塑性位移，導(dǎo)致變形過(guò)大。一般采用變形準(zhǔn)則來(lái)表示： e 圍巖的彈性應(yīng)變 p 圍巖的塑性應(yīng)變 lim 巖石的極限應(yīng)變l

18、impe 概念：支護(hù)所受的壓力及變形，來(lái)自于圍巖在自身平衡過(guò)程中的變形或破裂，而導(dǎo)致的對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。因此，圍巖性態(tài)及其變化狀態(tài)對(duì)支護(hù)的作用有重要影響。另一方面，支護(hù)以自己的剛度和強(qiáng)度抑制巖體變形和破裂的進(jìn)一步發(fā)展，而這一過(guò)程同樣也影響支護(hù)自身的受力。于是，圍巖與支護(hù)形成一種共同體；共同體兩方面的耦合（coupling）作用和互為影響的情況稱為圍巖-支護(hù)共同作用（interaction between rock and supports）. 3.6.1 圍巖的變形特征曲線（支護(hù)需求曲線） 又稱為圍巖收斂曲線。（1）彈性收斂曲線（2）彈塑性收斂曲線 1）不考慮塑性區(qū)體積擴(kuò)容的修正芬納公式曲線

19、sin2sin11000)cotcot)sin1)(sin1)(cossin(1PcPccPERup圍巖收斂曲線2）考慮體積擴(kuò)容的收斂曲線)(21 (2cot)sin1)(cot()cossin(1010sinsin11000PPGRPcPcRcPGup 3.6.2 支護(hù)特性曲線（支護(hù)補(bǔ)給曲線） 支護(hù)阻力：支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖變形提供的約束能力。 任何一種支護(hù)，都有一定的剛度，同時(shí)假定支護(hù)和圍巖緊密接觸，并且壓力徑向均勻分布。 支護(hù)特性曲線：指作用在支護(hù)上的荷載與支護(hù)變形的關(guān)系曲線。支護(hù)阻力隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度而增加，可以認(rèn)為作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的徑向壓力和它的徑向位移成正比： 000)(ruuKPri支

20、護(hù)特性曲線 不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)有不同的支護(hù)剛度。（1）混凝土或噴射混凝土 當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（ds0.04r0），采用厚壁圓筒計(jì)算公式：)1 (20csccrdEK0maxrdfPsca)21)(1 ()(212002120rrrrrEKcc（2）灌漿錨桿 灌漿錨桿對(duì)圍巖變形的支護(hù)抗力是通過(guò)錨桿與膠結(jié)材料之間的剪應(yīng)力傳遞的，約束能力與灌漿的質(zhì)量有關(guān)。一般通過(guò)錨桿的拉拔試驗(yàn)得到的荷載與位移的關(guān)系來(lái)確定。 pamax 最大軸力，可由下列情況中最小值決定。lpAEuabcormaxmax210量測(cè)表明：錨桿的粘結(jié)力沿其長(zhǎng)度是非均勻分布的。軸力最大值分布在錨桿長(zhǎng)度的1/2處左右，假定為三角形分布。錨桿的

21、最大位移可表達(dá)為：1）當(dāng)錨桿體本身屈服時(shí) ypmAp1pA 、 錨桿鋼筋的屈服強(qiáng)度和面積； my工作條件系數(shù)，取0.91.0。2）當(dāng)鋼筋與膠結(jié)材料脫離時(shí) ybkmldp222膠結(jié)材料與鋼筋的單位粘結(jié)力； db 錨桿直徑；k，my修正系數(shù)。3）當(dāng)孔壁與膠結(jié)材料脫離時(shí) ycmldp333膠結(jié)材料與孔壁圍巖的單位粘結(jié)力； db 錨桿孔直徑；my工作條件修正系數(shù)。錨桿的剛度可近似為： ybabbrabmSSrldEupK02maxmax20Eb錨桿的彈性模量；Sa 、Sb 錨桿布置間排距；（3）組合支護(hù)體系 21KKK錨桿支護(hù)曲線、混凝土支護(hù)曲線組合結(jié)構(gòu)支護(hù)曲線3.6.3 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜力平衡狀態(tài)

22、的建立 支護(hù)結(jié)構(gòu)特性曲線與圍巖支護(hù)需求曲線交點(diǎn)處的橫坐標(biāo)為形成平衡體系時(shí)洞周發(fā)生的位移。交點(diǎn)的縱坐標(biāo)以下的部分為支護(hù)結(jié)構(gòu)上承受的荷載，以上的部分由圍巖來(lái)承擔(dān)。（1）支護(hù)結(jié)構(gòu)不同剛度的影響 剛度大的支護(hù)結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖作用力；反之，柔性較好的支護(hù)結(jié)構(gòu)所承擔(dān)的圍巖壓力要小得多。工程中強(qiáng)調(diào)采用柔性支護(hù)來(lái)節(jié)約成本，但是也要求柔性支護(hù)有一定的剛度，以便有效控制圍巖變形。（2）支護(hù)時(shí)間的影響 原則上要盡早架設(shè)初期支護(hù)，以控制圍巖的初始變形；但是也不能過(guò)早支護(hù)，可能因?yàn)閼?yīng)力繼續(xù)釋放而承擔(dān)過(guò)大荷載而破壞。 3.7.1 圍巖壓力基本概念 （1）狹義上 圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。 （2）廣義上 圍巖二次應(yīng)力狀

23、態(tài)的全部作用，包括隧道頂板、底板或兩側(cè)的移近（收斂convergence）,底鼓（floor heaving），圍巖的微觀或宏觀破裂，巖層移動(dòng)，片幫冒頂、支護(hù)破壞，垮塌等。 對(duì)于毛洞（無(wú)支護(hù)）：圍巖壓力作用在圍巖中。 對(duì)于支護(hù)洞室：圍巖壓力表現(xiàn)為圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互作用，荷載的分配過(guò)程在圍巖結(jié)構(gòu)計(jì)算模式中得以體現(xiàn)。 （3）工程上 指由于洞室開(kāi)挖后的二次應(yīng)力狀態(tài)使圍巖產(chǎn)生變形或破壞引起的作用在襯砌上的壓力。 3.7.2 圍巖壓力的種類 由圍巖的支護(hù)需求曲線可知，只要在洞周達(dá)到極限位移之前，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)可以形成穩(wěn)定的支護(hù)體系，這時(shí)支護(hù)上承受的是變形壓力。 如果洞周已經(jīng)達(dá)到極限位移，圍巖已經(jīng)松弛坍

24、塌，這時(shí)再支護(hù)的話，就承擔(dān)的是松動(dòng)壓力。 這是兩種最常見(jiàn)的圍巖壓力。 有些巖石具有積水膨脹的特性，由膨脹崩解而引起的壓力稱為膨脹壓力。 在高地應(yīng)力地區(qū)，由于開(kāi)挖圍巖聚集的大量能量釋放，導(dǎo)致巖爆，由此產(chǎn)生的壓力為沖擊壓力。3.7.3 變形壓力 由于開(kāi)挖，圍巖變形受到支護(hù)的抑制而產(chǎn)生的壓力。1）彈性變形壓力：圍巖條件較好、支護(hù)及時(shí)、由彈性變形產(chǎn)生的。2）塑性變形壓力：圍巖一般都是彈塑性介質(zhì)，開(kāi)挖后一般都會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形。3）流變壓力：圍巖變形表現(xiàn)出的隨時(shí)間增長(zhǎng)很快的一類變形，稱為流變，有顯著的時(shí)間效應(yīng)。（一）變形壓力的統(tǒng)計(jì)分析 變形壓力多發(fā)生在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)中。 表 噴錨支護(hù)接觸應(yīng)力實(shí)地量測(cè)數(shù)據(jù)一覽

25、（1）接觸應(yīng)力1）噴錨支護(hù)與圍巖有較高的粘結(jié)力，在接觸面上不僅產(chǎn)生徑向應(yīng)力r，還產(chǎn)生切向應(yīng)力。2）r遠(yuǎn)小于，一般 /r約在1.514之間，平均為7.24；圍巖條件越好，比值越大，地質(zhì)條件越差，其比值越小。3）在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算中，必須計(jì)入切向荷載的作用和影響，這是噴錨支護(hù)的重要特征。4）混凝土襯砌與圍巖之間的接觸不能保證有足夠的粘結(jié)，計(jì)算作用在襯砌上的荷載時(shí)只計(jì)徑向應(yīng)力。 （2）徑向應(yīng)力統(tǒng)計(jì)值 r的統(tǒng)計(jì)平均值為297kPa，其值與地質(zhì)條件、洞室跨度、埋深以及噴層厚度等因素有關(guān)。1）r與跨度B 之間的回歸分析 372. 10158. 0Br 徑向應(yīng)力比較穩(wěn)定在一個(gè)數(shù)值范圍內(nèi)。說(shuō)明，噴錨支護(hù)與圍巖

26、共同作用的實(shí)質(zhì)，在于能充分發(fā)揮巖體自身的承載能力和更好地調(diào)節(jié)巖體與支護(hù)之間的應(yīng)力狀態(tài)。 不同巖體r穩(wěn)定在同一水平的狀態(tài)圖2）埋深H 的影響 K為埋深影響系數(shù)。 當(dāng)H50m時(shí)，K=0.85；當(dāng)50H100m時(shí)， K=1.0； 當(dāng)H500m時(shí)， K=1.25。Krr03）噴層厚度ds 的影響 ds20cm， r顯著變化。r與襯砌相對(duì)剛度（ds/B）之間的回歸： 隨著襯砌厚度的增大， r非線性增大 。因此，噴層厚度不宜過(guò)大（一般取820cm），以充分發(fā)揮圍巖的承載能力，保證噴層的柔性力學(xué)特征。47. 0)/(0 .17Bdsr（3）變形壓力計(jì)算1）彈性變形壓力pa的計(jì)算考慮側(cè)壓力系數(shù)為=1、半徑為r

27、0的圓形隧道。當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（ds0.04r0），采用厚壁圓筒公式計(jì)算結(jié)構(gòu)剛度：)1 (20csccrdEK)21)(1 ()(212002120rrrrrEKcc)1 ()1 (000ccaKrEKrpp2）塑性變形壓力pa的計(jì)算(將支護(hù)阻力作為塑性變形壓力)考慮側(cè)壓力系數(shù)為=1、半徑為r0的圓形隧道。圍巖洞壁的位移 應(yīng)等于支護(hù)結(jié)構(gòu)外壁的位移 和支護(hù)前圍巖洞壁已釋放了的位移 之和，即：式中， 和 均未知，還需一個(gè)方程求解。當(dāng)噴層厚度ds較小時(shí)（ds0.04r0），采用厚壁圓筒公式：000uuucrprpru0cru00ucos1sin200000)cot(sin1)(sin1)(cot

28、(cotcrauurPcEcPcPaPcru0crcauKP0crcaurKP00將Pa 求出后，可以求得洞周位移和塑性半徑。3）最大支護(hù)阻力的計(jì)算薄壁圓筒：厚壁圓筒：式中， fc為混凝土抗壓強(qiáng)度。0maxrdfPscacafrrrrP21202120maxsdrr01000uuucrprsin2sin100cot)sin1)(cot(cPcPrRap4）最小支護(hù)阻力pamin的計(jì)算（P102 最小圍巖壓力？） 與極限變形 對(duì)應(yīng)的圍巖壓力為最大變形壓力，要求支護(hù)提供的支護(hù)阻力為最小支護(hù)阻力pamin。支護(hù)提供的支護(hù)阻力Pa必須滿足：minmaxaaaPPPltu當(dāng)圍巖塑性區(qū)內(nèi)的滑移發(fā)展到一定程

29、度，位于松動(dòng)圈的圍巖可能由于重力而形成松動(dòng)壓力。要維持圍巖穩(wěn)定，既要維持圍巖的極限平衡，還要維持松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體的重力平衡。把維持松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體平衡所需的支護(hù)力等于維持極限平衡狀態(tài)的力，作為圍巖出現(xiàn)松動(dòng)塌落和確定Pamin的條件。 松動(dòng)區(qū)滑移體示意圖 假定松動(dòng)區(qū)內(nèi)巖體強(qiáng)度大大降低，滑移體無(wú)絲毫自支撐作用，其重力由支護(hù)阻力pamin來(lái)承擔(dān)，同時(shí)考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力應(yīng)當(dāng)是重力與變形壓力的疊加，因此可以近似寫(xiě)為：滑移體的重力可按三角形近似計(jì)算：因此，可得：Rmax為與Pamin相應(yīng)的允許最大松動(dòng)半徑（解方程或試算）與此相應(yīng)的最大塑性區(qū)半徑：WbPa2min2)(0maxrRbW10max0minrR

30、rPasin2sin1min00maxcotcotsin1sin1aPcPcrRsin2sin1min00maxcot)sin1)(cot(apPcPcrR（二）松動(dòng)壓力 由于開(kāi)挖而松動(dòng)或塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱為松動(dòng)壓力。塌落過(guò)程： 開(kāi)挖應(yīng)力重分布變形開(kāi)裂松動(dòng)塌落 在隧道的上方形成的近似拱的空間后停止塌落，保持相對(duì)穩(wěn)定，稱為“自然平衡拱”。拱內(nèi)已經(jīng)破壞了的巖體重量直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，成為松動(dòng)壓力。 自然平衡拱范圍的影響因素：1）圍巖地質(zhì)條件 2）支護(hù)時(shí)間 3）圍巖與支護(hù)的接觸狀態(tài)4）隧道的跨度 5）隧道的埋深 6）施工方法（1）深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算 1）統(tǒng)計(jì)法鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的方法 豎向均布?jí)毫Γ?ha為計(jì)算圍巖高度： 當(dāng)為單線隧道時(shí)， （S為圍巖級(jí)別的等級(jí)） 當(dāng)為雙線隧道時(shí)， 為開(kāi)挖寬度影響系數(shù)，以B=5.0m為基礎(chǔ)： 水平均布?jí)毫?ahqSah79. 141. 01245. 0Sah)5(1 . 01B 荷載不均勻性的考慮 非均勻分布的荷載用等效壓力驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。 等效原則：非均勻分布的壓力總和與均