隧道工程第5章-圍巖分級與圍巖壓力

1、隧 道 工 程第五章 圍巖分級與圍巖壓力第5章 隧道圍巖分級與圍巖壓力學(xué)習(xí)本章的學(xué)習(xí)本章的目的目的：（1 1）了解隧道圍巖的概念和工程性質(zhì)）了解隧道圍巖的概念和工程性質(zhì)（2 2）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素）理解隧道圍巖穩(wěn)定性的影響因素（3 3）掌握隧道圍巖分級的方法）掌握隧道圍巖分級的方法（4 4）掌握隧道圍巖壓力的計算方法）掌握隧道圍巖壓力的計算方法重點/掌握重點/難點/掌握第5章 隧道圍巖分級與圍巖壓力什么是圍巖？什么是圍巖？隧道開挖后對其隧道開挖后對其穩(wěn)定性穩(wěn)定性產(chǎn)產(chǎn)生影響的那部分巖生影響的那部分巖( (土土) )體，叫圍巖。圍巖既體，叫圍巖。圍巖既指指巖體也指土體巖體也指土體。隧道圍

2、巖分級作用隧道圍巖分級作用 判斷圍巖穩(wěn)定性判斷圍巖穩(wěn)定性 判斷施工難易程度，投資依據(jù)判斷施工難易程度，投資依據(jù) 結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù)結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù)5.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì) 基本概念基本概念5.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì) 基本概念基本概念 圍巖的概念圍巖的概念 圍巖圍巖: :隧道開挖后對其隧道開挖后對其穩(wěn)定性穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的那部分巖產(chǎn)生影響的那部分巖( (土土) )體。體。 說明：說明：圍巖既指巖體也指土體。圍巖既指巖體也指土體。圍巖包含的范圍？圍巖包含的范圍？5.1 隧道圍巖的概念與工程性質(zhì)隧道圍巖的概念與工程性質(zhì) 工程性質(zhì)工程性質(zhì)

3、圍巖的工程性質(zhì)圍巖的工程性質(zhì) 物理物理工程性質(zhì)工程性質(zhì) 水理水理 力學(xué)力學(xué)指單位體積內(nèi)巖石的重量，單位為kN/m3。 1 1巖石的重度巖石的重度 與密度的關(guān)系？與密度的關(guān)系？ VW式中巖石重度（kN/m3）； W巖石試件的重量（kN）； V試件的體積（m3）。u 巖石的物理性質(zhì)知識點回顧知識點回顧分干重度d、天然重度和飽和重度sat.在未指明含水狀態(tài)時,一般是指巖石的天然重度. 巖石中的孔隙孔隙及裂隙裂隙統(tǒng)稱為巖石的空隙。有開型空隙開型空隙和閉閉型空隙型空隙之分。把巖石的空隙率分為總空隙率（n）、開空隙率（no）及閉空隙率（nc）： 2 2巖石的空隙性巖石的空隙性 %100)1(%100sat

4、dvVVn 一般巖石空隙率系指總空隙率?？障堵视?巖石的強(qiáng)度愈小、塑性變形和滲透性惡化.總空隙率 知識點回顧知識點回顧指在一定的試驗條件下巖石吸收水分的能力吸收水分的能力，常用吸水率吸水率與飽水系數(shù)飽水系數(shù)指標(biāo)表示。 3 3巖石的吸水性巖石的吸水性對比土的含水率對比土的含水率 巖石的吸水率（巖石的吸水率（wa a）指巖石試件在一個大氣壓和室溫條件下自由吸入水的重量（Ww1）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即100%1swaWWw巖石的吸水率大小主要取決于巖石中空隙和裂隙的數(shù)量、大小及其開啟程度，同時還受到巖石成因、時代及巖性的影響。知識點回顧知識點回顧 巖石的飽和吸水率巖石的飽和吸水率（w

5、sa）是指巖石試件在高壓（一般壓力15MPa）或真空條件下吸入水的重量（Ww2）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即100%2swsaWWw 巖石的飽和吸水率是表示巖石物理性質(zhì)的一個重要指標(biāo)。它反映了巖石總開空隙的發(fā)育程度，可間接地用它來判定巖石的抗風(fēng)化能力和抗凍性。 飽水系數(shù)飽水系數(shù)是指巖石的吸水率與飽和吸水率的比值。知識點回顧知識點回顧 指巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，用軟化系數(shù)c表示。即巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）與干抗壓強(qiáng)度（c）的比值，即: 4 4巖石的軟化性巖石的軟化性 cccR 巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性，巖石均具有不同程度的軟化性。 一般認(rèn)為，軟化系數(shù)c0.75

6、的巖石是軟化性較強(qiáng)和工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石。知識點回顧知識點回顧0.240.710.023.026.2頁 巖0.650.970.29.01.628.022.027.1砂 巖0.500.910.024.026.6礫 巖0.30.97.225.031.0玄武巖0.600.800.35.00.20.525.229.6閃長巖0.720.90.523.028.0花崗巖軟化系數(shù)c吸水率wa (%)空隙率n（%）巖石重度/（kN/m3）巖石類型常見巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)表0.940.98.724.028.0石英巖

7、0.390.50.523.028.0泥質(zhì)板巖0.440.83.021.027.0石英片巖0.750.92.223.030.0片麻巖0.650.940.13.00.325.021.027.0白云巖0.440.540.53.01.010.021.027.0泥灰?guī)r0.700.927.023.027.7石灰?guī)r巖石類型表4-3 常見巖石的物理性質(zhì)指標(biāo)表(續(xù))軟化系數(shù)c吸水率wa (%)空隙率n（%）巖石重度/（kN/m3）u 巖石與巖體的區(qū)別：巖石：通常是由不同礦物，經(jīng)由各種地質(zhì)作用而構(gòu)成的。巖體：是在漫長的地質(zhì)歷史中，經(jīng)過

8、巖石建造、構(gòu)造形變和次生蛻變而形成的地質(zhì)體。它由許許多多不同方向、不同規(guī)模的斷層面、層理面、節(jié)理面和裂隙面等各種地質(zhì)界面切割成大小不等、形狀各異的各種塊體。知識點回顧知識點回顧 巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度。巖石的破壞 拉破壞拉破壞 剪切破壞剪切破壞 流動破壞流動破壞巖石的強(qiáng)度 單軸抗壓強(qiáng)度單軸抗壓強(qiáng)度 單軸抗拉強(qiáng)度單軸抗拉強(qiáng)度 剪切強(qiáng)度剪切強(qiáng)度 三軸壓縮強(qiáng)度三軸壓縮強(qiáng)度u 巖石的強(qiáng)度性質(zhì)知識點回顧知識點回顧抗拉抗剪1.0cm 大塊體 d=0.4-1.0cm 塊石狀d=0.2-0.4cm碎石塊 d 0.90.75 R 0.90.5 R 0.750.25 R 0.5R 30 30 硬巖硬

9、巖 5 R5 Rb b30 30 軟巖軟巖 R Rb b 5 5 極軟巖極軟巖圍巖完整程度圍巖完整程度 指標(biāo)指標(biāo)1 1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度 指標(biāo)指標(biāo)2 2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度：地質(zhì)構(gòu)造影響程度 由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為由此兩指標(biāo)，將巖體完整程度分為5 5個級別，見下表：個級別，見下表： 5.3 圍巖分級圍巖分級 鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道圍巖分級方法完整程度完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完整完整不發(fā)育不發(fā)育輕微輕微較完整較完整較發(fā)育、不發(fā)育較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較重、輕微較破碎較破碎發(fā)育、較發(fā)育發(fā)育、較發(fā)育嚴(yán)重嚴(yán)重破碎破碎極發(fā)育、發(fā)育極

10、發(fā)育、發(fā)育極嚴(yán)重、嚴(yán)重極嚴(yán)重、嚴(yán)重極破碎極破碎極發(fā)育極發(fā)育極嚴(yán)重極嚴(yán)重巖體完整程度的劃分巖體完整程度的劃分等級等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴(yán)重嚴(yán)重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較強(qiáng)烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴(yán)重很嚴(yán)重位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀等級等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征地質(zhì)構(gòu)造作用特征節(jié)理不發(fā)育節(jié)理不發(fā)育節(jié)理（裂隙）1-2組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距

11、在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節(jié)理較發(fā)育節(jié)理較發(fā)育節(jié)理（裂隙）2-3組，呈x型，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于0.4m，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖體被切割成塊、碎石狀節(jié)理很發(fā)育節(jié)理很發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風(fēng)化型為主，多數(shù)間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀圍巖受圍巖受地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級劃影響程度等級劃分分圍巖圍巖節(jié)理（裂隙）節(jié)理（裂隙）發(fā)育程

12、度劃分發(fā)育程度劃分5.3 圍巖分級圍巖分級 鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道圍巖分級方法u鐵路隧道圍巖分級表鐵路隧道圍巖分級表 基本分級基本分級+ +圍巖彈性縱波速度圍巖彈性縱波速度= =鐵路隧道圍巖分級表。鐵路隧道圍巖分級表。注意：注意：尚未考慮地下水和地應(yīng)力！尚未考慮地下水和地應(yīng)力！5.3 圍巖分級圍巖分級 鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道圍巖分級方法u 修正分級修正分級（1 1）地下水）地下水地下水的地下水的3 3種處理方法：種處理方法：分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當(dāng)降低圍分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當(dāng)降低圍巖等級巖等級(1(12 2級級) )；分級時按有水考慮，當(dāng)確

13、認(rèn)圍巖無水則提高圍巖等級；分級時按有水考慮，當(dāng)確認(rèn)圍巖無水則提高圍巖等級；直接將地下水狀況直接將地下水狀況( (水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等) )作為一個分級指標(biāo)。作為一個分級指標(biāo)。5.3 圍巖分級圍巖分級 鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道分級鐵路隧道分級按第按第1 1種方法種方法處理：處理：地下水影響的修正地下水影響的修正n 地下水狀態(tài)的分級表地下水狀態(tài)的分級表級別級別狀態(tài)狀態(tài)滲水量滲水量L/(minL/(min10m)10m)干燥或濕潤干燥或濕潤1010偶有滲水偶有滲水10251025經(jīng)常滲水經(jīng)常滲水2512525125 圍巖基本分類圍巖

14、基本分類地下水狀態(tài)分級地下水狀態(tài)分級5.3 圍巖分級圍巖分級 鐵路隧道圍巖分級方法鐵路隧道圍巖分級方法（2 2）初始地應(yīng)力）初始地應(yīng)力初始地初始地應(yīng)力狀應(yīng)力狀態(tài)態(tài)主主 要要 現(xiàn)現(xiàn) 象象評估基準(zhǔn)評估基準(zhǔn) （R Rc c/max）極高應(yīng)極高應(yīng)力力1.1.硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差430MPa，軟巖90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值； 當(dāng)Kv0.04Rc+0.4時，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入計算BQ值。注意：注意： 5.3 圍

15、巖分級圍巖分級 公路隧道圍巖分級方法公路隧道圍巖分級方法5.3 圍巖分級圍巖分級 公路隧道圍巖分級方法公路隧道圍巖分級方法 修正修正BQBQ值：值：當(dāng)有以下當(dāng)有以下3 3方面影響時，應(yīng)予修正：方面影響時，應(yīng)予修正： 地下水地下水K K1 1 軟弱結(jié)構(gòu)面軟弱結(jié)構(gòu)面( (比鐵路多此條比鐵路多此條)K)K2 2 高初始地應(yīng)力高初始地應(yīng)力K K3 3 BQ= BQ=修正修正BQBQ值值=BQ-100(K=BQ-100(K1 1+K+K2 2+K+K3 3) ) K K1 1K K3 3各值可查公路隧道規(guī)范附錄各值可查公路隧道規(guī)范附錄A.0.2-1A.0.2-1A.0.2-3 A.0.2-3 軟塑狀粘性

16、土及潮濕、飽和粉細(xì)砂層、軟土等一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的碎石土，卵石土、圓礫、角礫土及黃土（Q3、Q4）。非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)，粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)250較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎破碎；極破碎各類巖體，碎、裂狀，松散結(jié)構(gòu)土體：1 壓密或成巖作用的粘性土及砂性土；2 黃土（Q1、Q2）；3 一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎石土、卵石土、大塊石土350251堅硬巖，巖體破碎，碎裂結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，巖體較破碎破碎，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整較破碎，中薄層狀結(jié)構(gòu)450351堅硬巖，巖體較破碎，巨塊（石）碎（石）狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；較堅硬巖或較軟巖，巖體較完整，塊

17、狀或中厚層結(jié)構(gòu)550451堅硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)；較堅硬巖，巖體完整，塊狀整體結(jié)構(gòu)550堅硬巖，巖體完整，整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ圍巖或土體主要定性特征圍巖級別公路隧道圍巖分級注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級，如膨脹性圍巖、多年凍土等。 兩點說明：兩點說明： 設(shè)計階段：設(shè)計階段：采用修正后的圍巖分級。采用修正后的圍巖分級。 施工階段：施工階段：根據(jù)實際情況，進(jìn)一步判定圍巖根據(jù)實際情況，進(jìn)一步判定圍巖分級，依據(jù)仍然是：分級，依據(jù)仍然是： 巖石堅硬程度巖石堅硬程度 圍巖完整狀態(tài)圍巖完整狀態(tài) 地下水地下水 軟弱結(jié)構(gòu)面（比鐵路多此項）軟弱結(jié)構(gòu)

18、面（比鐵路多此項） 初始地應(yīng)力初始地應(yīng)力5.3 圍巖分級圍巖分級 公路隧道圍巖分級方法公路隧道圍巖分級方法習(xí)題一某工程中的巖體定量指標(biāo)如下：（1）單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc=62Mpa；（2）巖石彈性縱波速度為4200m/s；（3）巖體彈性縱波速度為2400m/s；（4）巖體所處地應(yīng)力場中與工程主軸線垂直的最大主應(yīng)力max=9.5MPa；（5）巖體中主要結(jié)構(gòu)面的傾角為20，巖體處于潮濕狀態(tài)。試確定巖體的基本質(zhì)量分級及工程巖體級別。巖石完整系數(shù)Kv=（2.4/4.2）2=0.33巖石基本質(zhì)量指標(biāo)BQ ：90 Kv+30=59.7Rc=6259.7,因此Rc取為59.70.04Rc+0.4=0.0459

19、.7+0.4=2.79Kv=0.332.79，因此Kv取為0.33則BQ=90+3Rc+250Kv=351.6初步判定巖體基本質(zhì)量分級為：級。巖體基本質(zhì)量修正：（1）地下水的影響：潮濕狀態(tài)，BQ=351.6，查表得：K1=0.1（2）軟弱結(jié)構(gòu)面的影響：軟弱結(jié)構(gòu)面傾角20，查表得： K2=0.3（3）初始應(yīng)力的影響：Rc/max=62/9.5=6.53,屬于高應(yīng)力區(qū)。查表得： K3=0.5修正后的巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ為：BQ=BQ-100（ K1+K2+K3）=261.6根據(jù)修正后的巖石基本質(zhì)量指標(biāo)可以判定為級。習(xí)題習(xí)題2 2初勘資料如下：初勘資料如下：1 1、點荷載強(qiáng)度指標(biāo)、點荷載強(qiáng)度指標(biāo)I

20、Is(50)=s(50)=2.9Mpa2.9Mpa2 2、巖體體積節(jié)理數(shù)、巖體體積節(jié)理數(shù)Jv=3Jv=3條條3 3、洞室埋深為、洞室埋深為80m80m，重度為：，重度為：22kN/m22kN/m3 3，處于自重應(yīng)力場中處于自重應(yīng)力場中4 4、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)中影響修正系數(shù)為、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)中影響修正系數(shù)為0.40.45 5、洞室處于潮濕狀態(tài)。、洞室處于潮濕狀態(tài)。確定該巖體的基本質(zhì)量分級及工程巖體的級別可分別確定為幾級？確定該巖體的基本質(zhì)量分級及工程巖體的級別可分別確定為幾級？提示：先根據(jù)提示：先根據(jù).2計算計算BQBQ確定基本質(zhì)量分級；確定基本質(zhì)量分級；在考慮地下水、結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力場等影響

21、，參照附錄在考慮地下水、結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力場等影響，參照附錄D D確定確定BQBQ修正修正值，并根據(jù)表值，并根據(jù)表.1判斷工程巖體的級別。判斷工程巖體的級別。第5章 隧道圍巖分級與圍巖壓力圍巖壓力圍巖壓力地層對洞室的作用力地層對洞室的作用力廣義：包括有、無支護(hù)時的壓力廣義：包括有、無支護(hù)時的壓力狹義：僅指對支護(hù)的壓力狹義：僅指對支護(hù)的壓力5.4.1 圍巖壓力及其分類5.4 圍巖壓力圍巖壓力 概念與分類概念與分類1 1 松動壓力松動壓力2 2 形變壓力形變壓力圍圍巖巖壓壓力力由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過程中，圍巖對支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸

22、壓力。豎向壓力豎向壓力側(cè)向壓力側(cè)向壓力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(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。 3 3 膨脹壓力膨脹壓力膨脹性巖層膨脹性巖層4 4 沖擊壓力沖擊壓力明洞明洞/ /落石落石/ /暗洞暗洞/ /坍方坍方/ /巖爆巖爆5.4 圍巖壓力圍巖壓力 概念與分類概念與分類 地質(zhì)因素地質(zhì)因素 1.1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)巖體初始應(yīng)力狀態(tài) 2.2.巖石力學(xué)性質(zhì)巖石力學(xué)性質(zhì) 3.3.巖體結(jié)構(gòu)面巖體結(jié)構(gòu)面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護(hù)設(shè)置時間支護(hù)設(shè)置時間 3.3.支護(hù)本身剛度支護(hù)本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等5.4 圍巖壓力圍

23、巖壓力 影響因素影響因素5.4.2 圍巖壓力的影響因素 隧道開挖前，地層中各點的應(yīng)力保持著相對的平衡，地層處于相對靜止?fàn)顟B(tài)稱為原始應(yīng)力狀態(tài)。Hxyzxyz地面隧道開挖前任一點的應(yīng)力狀態(tài)5.4 圍巖壓力圍巖壓力5.4.3 圍巖壓力的形成 在上覆地層自重作用下，豎直壓力Pz為：HPz水平壓力Px、Py：HPPPzyx1側(cè)壓力系數(shù)泊松比5.4 圍巖壓力圍巖壓力 隧道開挖后，圍巖原來保持的平衡狀態(tài)受到破壞，出現(xiàn)了圍巖應(yīng)力的重分布和圍巖向開挖空間的變形，力圖達(dá)到新的平衡二次應(yīng)力狀態(tài) 變形的大小取決于應(yīng)力變化的大小和圍巖抵抗這些變形的能力。直接測量法直接測量法經(jīng)驗法經(jīng)驗法或工程類比法或工程類比法圍巖壓力圍

24、巖壓力確定方法確定方法理論估算法理論估算法5.4 圍巖壓力圍巖壓力 圍巖壓力的確定方法圍巖壓力的確定方法5.4.4 圍巖壓力的確定方法5.4 圍巖壓力圍巖壓力 圍巖松動壓力的形成圍巖松動壓力的形成5.4.5 圍巖松動壓力的形成1. 1. 自然拱的形成自然拱的形成 隧道開挖后圍巖力學(xué)形態(tài)將經(jīng)歷“平衡變形、破壞、坍塌應(yīng)力重分布新的平衡”的過程，這種過程的最終產(chǎn)物就是人們所熟知的“坍落拱”或“平衡拱” 。 其上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個承載環(huán)一樣，并將荷載重力向側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。坍落拱Hh圍巖的成拱作用E 所謂深埋結(jié)構(gòu)是指當(dāng)?shù)叵滤^深埋結(jié)構(gòu)是指當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)的埋

25、深結(jié)構(gòu)的埋深大到一定深度大到一定深度，以，以致兩側(cè)摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了滑致兩側(cè)摩擦阻力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了滑移的重量。由于深埋結(jié)構(gòu)的特移的重量。由于深埋結(jié)構(gòu)的特點，保障了點，保障了ABCDE部分巖土部分巖土體的穩(wěn)定性，體的穩(wěn)定性，這部分巖土體稱這部分巖土體稱為巖土拱為巖土拱。由于它有將壓力卸。由于它有將壓力卸于兩側(cè)巖土體的作用，又稱為于兩側(cè)巖土體的作用，又稱為卸荷拱卸荷拱。只有。只有AED以下巖土以下巖土重量對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力。重量對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力。0.5bbb0.25b 圖 3.4 太沙基松動模型 B0.5BB5.4 圍巖壓力圍巖壓力 圍巖松動壓力的形成圍巖松動壓力的形成 (a) (a) 變形階段；變形階段；

26、 (b) (b) 松動階段；松動階段； (c) (c) 塌落階段；塌落階段； (d) (d) 成拱階段。成拱階段。2. 2. 形成過程形成過程隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍拱的范圍施工因素施工因素對圍巖的擾動程度對圍巖的擾動程度 3.3.影響自然拱的因素影響自然拱的因素 級及級圍巖產(chǎn)生的圍巖壓力一般為松動壓力，級圍巖當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面膠結(jié)不好時，也可能產(chǎn)生松動壓力。 松動壓力包括垂直壓力垂直壓力及水平壓力水平壓力。5.4.6 深埋隧道圍巖松動壓力的確定5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算5.4.6 深埋隧道圍巖松

27、動壓力的確定5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算 1 1 統(tǒng)計法統(tǒng)計法我國我國隧規(guī)隧規(guī)所推薦的方法所推薦的方法whhqsqq1245.0式中式中 圍巖容重；圍巖容重； h hq q坍落拱高度；坍落拱高度； s s 圍巖級別；圍巖級別； w w 寬度影響系數(shù)，由寬度影響系數(shù)，由 w=1+iw=1+i（B-5B-5）計算：計算： B B 坑道寬度，當(dāng)坑道寬度，當(dāng) B B5m5m時，取時，取 i =0.2i =0.2，當(dāng)，當(dāng) B B5m5m時，取時，取i =0.1i =0.1。 垂直壓力水平壓力：根據(jù)圍巖級別而取相應(yīng)的側(cè)壓力系數(shù)。(0.51.0)q(0.30.5)q(0

28、.150.3)q0.15q0水平勻布壓力e、圍巖級別圍巖水平勻布壓力注：采用上述計算深埋隧道圍巖壓力時，必須同時具備以下條件，即： H/B1.7H/B1.7，式中H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道。 采用礦山法施工礦山法施工5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算 據(jù)統(tǒng)計，圍巖垂直松動壓力的分布可概括為據(jù)統(tǒng)計，圍巖垂直松動壓力的分布可概括為4 4種，如圖：種，如圖：圍巖豎向松動壓力的分布圖形圍巖豎向松動壓力的分布圖形統(tǒng)計法公式統(tǒng)計法公式僅針對圖中僅針對圖中第一種第一

29、種情況。情況。圖 4-75.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算散粒體理論散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。普氏系數(shù)普氏系數(shù)f(f(巖體堅固性系數(shù)巖體堅固性系數(shù)):):0tantancf2 2 普氏理論普氏理論自然拱的兩種形態(tài)自然拱的兩種形態(tài)B hkBthk BbHt、0 圍巖的內(nèi)摩擦角和似摩擦角（計算摩擦角）； 、圍巖的抗剪強(qiáng)度和剪切破壞時的正應(yīng)力； c圍巖的粘聚力。kh為天然拱高度；b為天然拱半跨度。fbhk5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算2 2 普氏理論普氏理論 堅硬巖體堅硬巖

30、體: : 松散破碎巖體：松散破碎巖體： 245tan0ttHbb式中式中 為隧道凈跨度的一半；為隧道凈跨度的一半； 為隧道凈高度。為隧道凈高度。tbtHtbb 垂直壓力 水平均布壓力 一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。一般來說，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。q = h k5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算3 3 泰沙基理論泰沙基理論理論：散粒體理論。理論：散粒體理論。H5bH5b假定：假定：破裂面為折線破裂面為折線OABOAB方法：方法：研究微分條帶研究微分條帶dhdh的平衡。的平衡。步驟：步驟：a.V=0a.V=0，建立微分方程，建立微分

31、方程b.b.邊界條件：邊界條件：0,0vh5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算c.c.解微分方程，解微分方程，得：得：d.d.討論：討論： 當(dāng)埋深當(dāng)埋深h h 達(dá)到一定程度時，達(dá)到一定程度時， 為恒值：為恒值： 取側(cè)壓力系數(shù)取側(cè)壓力系數(shù)k=1k=1， 則有：則有：與普氏法對照，能發(fā)現(xiàn)什么？與普氏法對照，能發(fā)現(xiàn)什么？)1 (tan0tan0bhkvekbvkbv0tanf0tanhfbv5.4 圍巖壓力圍巖壓力 淺埋圍巖松動壓力計算淺埋圍巖松動壓力計算5.4.7 淺埋隧道圍巖松動壓力的確定 1.1. 淺埋或深埋隧道的分界淺埋或深埋隧道的分界深/淺埋隧道分界深度的計算

32、公式如下：Hp = (22.5) hq 式中Hp深/淺埋隧道分界深度；hq荷載等效高度，即坍落拱高度。 礦山法施工， 級圍巖取 Hp = 2 hq 級圍巖取 Hp = 2.5 hq HHpHHp時為深埋時為深埋H HHpHp時為淺埋時為淺埋H H為覆蓋層厚度為覆蓋層厚度5.4 圍巖壓力圍巖壓力 深埋圍巖松動壓力計算深埋圍巖松動壓力計算 2. 2. 埋深埋深HhHhq q的圍巖壓力計算的圍巖壓力計算均布垂直壓力：q = H H隧道埋深，指隧道拱頂至地面的距離。均布側(cè)向壓力-Rankine公式： 21()tan (45)22cteHH式中Ht隧道高度；c圍巖計算摩擦角。 方法：土柱法方法：土柱法-回顧土力學(xué)中擋土墻壓力要點：忽略滑動面上的阻力。要點：忽略滑動面上的阻力?；瑒訋r體未擾動土體圖 4-10圍巖壓力滑動面設(shè)計上保設(shè)計上保守還是危守還是危險？險？45-/2221( )( )圖2.21 淺埋結(jié)構(gòu)垂直圍巖壓力計算圖式 3. 3.埋深埋深 H Hh