巖石力學(xué)-第5章hyr2015

1、1 5.1 概述 5.2 地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.3 地下工程圍巖應(yīng)力 5.4 地下工程圍巖體的破壞機(jī)理 5.5 地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)5.巖石地下工程25.1 概 述 地下工程：為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空巷道或中空 洞室統(tǒng)稱為地下工程。 常見的地下工程型式包括：l礦山坑道；l鐵路及公路隧道；l水工隧洞；l地下發(fā)電站廠房；l地下鐵道及地下停車場；l地下儲油庫及儲氣庫；l地下軍事設(shè)施（導(dǎo)彈發(fā)射井、飛機(jī)庫、防空洞）等。5.巖石地下工程 5.1概述3中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道： 位于西（安）（安）康鐵路青岔車站和營盤車站之間，由兩座基位于西（安）（安）康鐵路青岔車站和營盤車站之

2、間，由兩座基本平行的單線隧道組成，兩線間距為本平行的單線隧道組成，兩線間距為3030米，其中米，其中線隧道全長線隧道全長1846018460米；米；線隧道全長線隧道全長1845618456米。米。4中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道：秦嶺隧道秦嶺隧道 隧道最大埋深約隧道最大埋深約16001600米，埋深超過米，埋深超過10001000米地段長約米地段長約3.83.8公里。公里。線線( (左線左線) )隧道使用隧道使用2 2臺臺8.88.8米敞開式掘進(jìn)機(jī)（米敞開式掘進(jìn)機(jī)（TBMTBM）由隧道兩端相向施工。）由隧道兩端相向施工。線隧道線隧道( (右線右線) )，采用新奧法施工，初期支護(hù)為錨噴，

3、二次支護(hù)為馬蹄型帶仰拱，采用新奧法施工，初期支護(hù)為錨噴，二次支護(hù)為馬蹄型帶仰拱的模筑混凝土復(fù)合襯砌。的模筑混凝土復(fù)合襯砌。 5中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道：秦嶺隧道秦嶺隧道 秦嶺隧道地質(zhì)復(fù)雜、工程巨大秦嶺隧道地質(zhì)復(fù)雜、工程巨大, ,在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營安全和維修管理方面在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營安全和維修管理方面都有許多技術(shù)難關(guān)，且都有許多技術(shù)難關(guān)，且線隧道采用掘進(jìn)機(jī)施工，在我國鐵路隧道施工線隧道采用掘進(jìn)機(jī)施工，在我國鐵路隧道施工尚屬首次，為此有六類尚屬首次，為此有六類2424項(xiàng)部重點(diǎn)科研項(xiàng)目立項(xiàng)研究，均取得了不俗的項(xiàng)部重點(diǎn)科研項(xiàng)目立項(xiàng)研究，均取得了不俗的成果。秦嶺特長隧道的修建，使我國隧道工

4、程建設(shè)從整體上提高到一個(gè)成果。秦嶺特長隧道的修建，使我國隧道工程建設(shè)從整體上提高到一個(gè)新的技術(shù)水平。隧道新的技術(shù)水平。隧道19951995年年1 1月月1818日正式開工，日正式開工，19991999年年9 9月月6 6日全部貫通，日全部貫通，20002000年年8 8月月1818日西康鐵路開通運(yùn)營。日西康鐵路開通運(yùn)營。6世界高原多年凍土區(qū)第一長大隧道：世界高原多年凍土區(qū)第一長大隧道： 昆侖山隧道位于青藏鐵路青海境內(nèi)，全長昆侖山隧道位于青藏鐵路青海境內(nèi)，全長1686米米，于于2001年年9月開工，月開工，2002年年9月月26日勝利貫通。日勝利貫通。 7世界海拔第一高的鐵路隧道：世界海拔第一高

5、的鐵路隧道： 位于青藏鐵路青海境內(nèi)青藏高原可可西里位于青藏鐵路青海境內(nèi)青藏高原可可西里“無人無人區(qū)區(qū)”邊緣，全長邊緣，全長13381338米，軌面海拔米，軌面海拔49054905米，是世界米，是世界上海拔最高的隧道，年均氣溫零下上海拔最高的隧道，年均氣溫零下77，寒季最低，寒季最低氣溫達(dá)零下氣溫達(dá)零下4141，空氣中氧氣含量只有內(nèi)地的，空氣中氧氣含量只有內(nèi)地的5050左右。隧道凍土層最厚達(dá)左右。隧道凍土層最厚達(dá)150150米、覆蓋層最薄處僅米、覆蓋層最薄處僅有米，施工稍有不慎，就會導(dǎo)致大塌方，工程難有米，施工稍有不慎，就會導(dǎo)致大塌方，工程難度之大前所未遇。度之大前所未遇。 20012001年年

6、1010月月1818日開工建設(shè)，日開工建設(shè)，20022002年年1010月月1919日勝利貫通。日勝利貫通。 82001.1-2005.62001.1-2005.6 ，全長，全長9028米，隧道地質(zhì)復(fù)雜，米，隧道地質(zhì)復(fù)雜，巖巖質(zhì)破碎，有斷質(zhì)破碎，有斷層、溶洞、暗河、涌水等。層、溶洞、暗河、涌水等。隧道采用鉆爆法施工，隧道采用鉆爆法施工，IIII、IIIIII級圍級圍巖采用全斷面法開挖，巖采用全斷面法開挖，IVIV、V V級圍巖采用正臺階法施工，微震控級圍巖采用正臺階法施工，微震控制爆破技術(shù)。瓦斯工區(qū)煤系地層采用瓦斯隧道爆破技術(shù)。軟弱制爆破技術(shù)。瓦斯工區(qū)煤系地層采用瓦斯隧道爆破技術(shù)。軟弱圍巖地段

7、采用管棚雙液預(yù)注漿加固地層，短臺階法施工。圍巖地段采用管棚雙液預(yù)注漿加固地層，短臺階法施工。9Mar , 200710“八縱八縱”鐵路通道為：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京九通道、京廣通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道。鐵路通道為：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京九通道、京廣通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道。 “八橫八橫”鐵路通道為：京蘭通道、煤運(yùn)北通道、煤運(yùn)南通道、太原至青島通路、陸橋通道、寧西通道、沿江通道、滬昆鐵路通道為：京蘭通道、煤運(yùn)北通道、煤運(yùn)南通道、太原至青島通路、陸橋通道、寧西通道、沿江通道、滬昆（成）通道、西南出海通道。（成）通道、西南出海通道。11泄洪洞1213香港海底隧

8、道九龍入口香港海底隧道九龍入口 香港第香港第1條過海行車隧道，于條過海行車隧道，于1972年年8月通車，耗資港幣月通車，耗資港幣3億億2千萬元興建。隧道全長千萬元興建。隧道全長1.86公里，跨越維多利亞港，將九龍公里，跨越維多利亞港，將九龍半島和香港島兩岸獨(dú)立的道路網(wǎng)絡(luò)連接起來。半島和香港島兩岸獨(dú)立的道路網(wǎng)絡(luò)連接起來。1415 中關(guān)村西區(qū)：地下建筑面積50萬m2 王府井地區(qū)：在1.65km2的范圍內(nèi)，地下可利用建筑60萬m2 金融街中心區(qū)：金融街地下交通體系是國內(nèi)第一個(gè)大規(guī)模地下交通系統(tǒng)，該工程總建筑面積約3萬m2 16 靜安寺廣場：是地鐵二號線靜安寺站的出入口，是由下沉廣場、地下商場、露天劇

9、場、噴水池風(fēng)井、傷殘人電梯亭和靜安公園延伸綠地等組成的綜合體。廣場用地面積8412m2，商場建筑面積8200 m2,下沉廣場面積2800m2，是集交通、商業(yè)為一體的綜合體。 上海南站地下綜合體：上海南站站域地下除了設(shè)有三條軌道交通線的三個(gè)車站，總開發(fā)面積約90000m2，開發(fā)深度達(dá)15m。較好地解決了鐵路、軌道交通和公交的換乘。 人民廣場地下綜合體：人民廣場站地處上海的文化、旅游和商業(yè)中心。結(jié)合地鐵1、2號線換乘站形成了一個(gè)總建筑面積50000m2，包括2座地鐵車站、2座地下商場、一座地下停車場和一座地下變電站的大型地下綜合體。17181920核心區(qū)地下城，以波浪文化城（100000 m2）和

10、地鐵1、2 號線換乘站為骨干，形成地下城，地下空間總量達(dá)到200萬m2。21 深圳羅湖口岸及火車站地區(qū)：該綜合體地下地上各三層，該項(xiàng)目于2006年7月獲城市土地學(xué)會亞太區(qū)卓越獎。 深圳華強(qiáng)北地下商業(yè)街：以疏通人流為主，兼顧商業(yè)和旅游觀光的地下商業(yè)通道。設(shè)計(jì)停車泊位1000個(gè)。地下人行系統(tǒng)在三個(gè)十字路口處分別向東西方向的道路下方延伸，擴(kuò)展為三個(gè)大廳。地下商業(yè)面積3.2萬m2。 南 京 結(jié)合地鐵1、2號線新街口換乘站建設(shè)，形成地下空間網(wǎng)絡(luò)，總建筑面積超過了40萬m2，基本形成了地下城。 22平壤地鐵平壤地鐵19681968年開建，年開建，19871987年開通，全長年開通，全長3535公里。最深處

11、達(dá)公里。最深處達(dá)120120米，號稱是世界上最深的地鐵。米，號稱是世界上最深的地鐵。2324252627 目前，全世界已建成和計(jì)劃建設(shè)的海底隧道有目前，全世界已建成和計(jì)劃建設(shè)的海底隧道有2020多條，多條，主要分布在日本、美國、西歐、中國的香港九龍等地區(qū)。主要分布在日本、美國、西歐、中國的香港九龍等地區(qū)。 從工程規(guī)模和現(xiàn)代化程度上看，當(dāng)今世界最有代表性的從工程規(guī)模和現(xiàn)代化程度上看，當(dāng)今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫過于英法隧道和日本青函隧道。跨海隧道工程，莫過于英法隧道和日本青函隧道。英法隧道橫貫英吉利海峽，英法隧道橫貫英吉利海峽，從英國的?？怂雇ǖ椒▏纳＜訌挠母？怂雇ǖ椒▏纳＜犹?，

12、把英倫三島與歐洲大陸連接特，把英倫三島與歐洲大陸連接起來。隧道由兩股火車隧道和一起來。隧道由兩股火車隧道和一股工作隧道構(gòu)成，全長股工作隧道構(gòu)成，全長5353公里，公里，海底部分海底部分3737公里。該隧道已于公里。該隧道已于19951995年建成通車。年建成通車。2829從英吉利海峽最窄處即英國的多佛爾到法國的加來，同時(shí)修建兩條直徑從英吉利海峽最窄處即英國的多佛爾到法國的加來，同時(shí)修建兩條直徑7.3米、米、長長50000米的鐵路隧道。其中米的鐵路隧道。其中37000米在海底。兩條隧道之間相距米在海底。兩條隧道之間相距30米，在其中米，在其中間線再修一條直徑為間線再修一條直徑為4.5米的輔助隧道

13、，每隔米的輔助隧道，每隔375米與兩側(cè)主隧道連通，供通米與兩側(cè)主隧道連通，供通風(fēng)、維修使用。當(dāng)主隧道因故列車不能通行時(shí)，輔助隧道還可作為應(yīng)急的通風(fēng)、維修使用。當(dāng)主隧道因故列車不能通行時(shí)，輔助隧道還可作為應(yīng)急的通道。全部工程耗資為道。全部工程耗資為530億法朗（約合億法朗（約合70億美元）。隧道于億美元）。隧道于1987年動工，年動工，1994年竣工并投入使用。坐時(shí)速年竣工并投入使用。坐時(shí)速260公里的高速火車，穿越隧道只用公里的高速火車，穿越隧道只用26分鐘分鐘。 30計(jì)劃中的這條隧道長計(jì)劃中的這條隧道長103公里，是英法隧道水下部分的公里，是英法隧道水下部分的3倍長，貫倍長，貫穿白令海峽，將

14、俄西伯利亞和美國阿拉斯加連接起來，橫跨歐亞穿白令海峽，將俄西伯利亞和美國阿拉斯加連接起來，橫跨歐亞北美大陸。按照計(jì)劃，海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速北美大陸。按照計(jì)劃，海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速公路、多條輸油管道、電纜和光纜，建成后將為北美和俄遠(yuǎn)東地公路、多條輸油管道、電纜和光纜，建成后將為北美和俄遠(yuǎn)東地區(qū)每年節(jié)省區(qū)每年節(jié)省200億美元運(yùn)輸費(fèi)和電費(fèi)。預(yù)計(jì)歷時(shí)億美元運(yùn)輸費(fèi)和電費(fèi)。預(yù)計(jì)歷時(shí)10到到15年，耗資年，耗資100億到億到120億美元。而一旦隧道完工，意味著將來可以乘坐火車億美元。而一旦隧道完工，意味著將來可以乘坐火車從北京直達(dá)紐約。從北京直達(dá)紐約。31當(dāng)前世界上最長的一條

15、隧道。它通過津輕海峽，把津輕半島和北海道的當(dāng)前世界上最長的一條隧道。它通過津輕海峽，把津輕半島和北海道的鐵路連接起來。隧道由本州的青森穿過津輕海峽到北海道的函館，為雙鐵路連接起來。隧道由本州的青森穿過津輕海峽到北海道的函館，為雙線隧道，全長為線隧道，全長為53860米，其中海底部分為米，其中海底部分為23300米。青函隧道米。青函隧道1964年開挖年開挖斜坑道，經(jīng)過斜坑道，經(jīng)過24年的施工，于年的施工，于1988年年3月月13日正式投入運(yùn)營。日正式投入運(yùn)營。 32瑞士成功打通世界上最長隧道瑞士成功打通世界上最長隧道 2010年年10月月15日，瑞士施工人員當(dāng)天成功打通哥達(dá)基線隧道最后日，瑞士施

16、工人員當(dāng)天成功打通哥達(dá)基線隧道最后2500米部分，至此哥達(dá)基線隧道取代日本青函海底隧道成為世界上最長的米部分，至此哥達(dá)基線隧道取代日本青函海底隧道成為世界上最長的隧道。隧道。 33 哥達(dá)基線隧道建成后會成為世界最長哥達(dá)基線隧道建成后會成為世界最長隧道。哥達(dá)基線隧道頂上是隧道。哥達(dá)基線隧道頂上是2300米高的阿米高的阿爾卑斯山，要將它建成需要挖掘出爾卑斯山，要將它建成需要挖掘出2650萬萬噸的石塊。噸的石塊。當(dāng)日，這條全長當(dāng)日，這條全長57公里的世界公里的世界最長鐵路隧道全線貫通。該隧道工程自最長鐵路隧道全線貫通。該隧道工程自1999年起正式展開，是目前在建的連接德年起正式展開，是目前在建的連接

17、德國、瑞士與意大利的高速鐵路的一個(gè)重要國、瑞士與意大利的高速鐵路的一個(gè)重要工程，計(jì)劃于工程，計(jì)劃于2017年通車，屆時(shí)從瑞士蘇年通車，屆時(shí)從瑞士蘇黎世到意大利米蘭將僅需黎世到意大利米蘭將僅需2小時(shí)小時(shí)40分鐘，較分鐘，較目前縮短目前縮短1小時(shí)。小時(shí)。 3435巨型鉆頭打通隧道巨型鉆頭打通隧道 36廈門翔安海底隧道廈門翔安海底隧道國家國家“863”863”計(jì)劃專題項(xiàng)目的重點(diǎn)工程，由我國計(jì)劃專題項(xiàng)目的重點(diǎn)工程，由我國自主設(shè)計(jì)、施工建自主設(shè)計(jì)、施工建設(shè)設(shè)。而且是第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。以三孔隧道形。而且是第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。以三孔隧道形式穿越海域的廈門翔安海底隧道，共由三條線路組

18、成，其中中式穿越海域的廈門翔安海底隧道，共由三條線路組成，其中中間一孔為服務(wù)隧道，作為緊急避難通道和日常維護(hù)檢修用。從間一孔為服務(wù)隧道，作為緊急避難通道和日常維護(hù)檢修用。從開工到建成僅用時(shí)開工到建成僅用時(shí)4 4年年8 8個(gè)月。個(gè)月。 3738海底隧道2010年4月26日上午建成通車 ，作為世界上斷面最大的海底隧道，全長9公里，海底隧道5.95公里，最深在海平面下70米，總投資39.5億。從廈門島到達(dá)對岸的大陸端，比原來節(jié)省了82分鐘。廈門翔安海底隧道廈門翔安海底隧道39隧道施工設(shè)備40地下工程的復(fù)雜性 地下工程修筑于地層之下，其環(huán)境條件比地面工程復(fù)雜得多，因此，地下工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施也具有更多的

19、復(fù)雜性。 表5-1列出了地下工程與地面建筑工程的一些重要方面的 對比。從這些對比，我們來認(rèn)識一下地下工程的復(fù)雜性。l地質(zhì)條件的特點(diǎn)；l地質(zhì)條件對工程的影響；l受力結(jié)構(gòu)；l材料特性；l外載條件；l計(jì)算參數(shù)；l工程施工。5.巖石地下工程 5.1概述41地下工程的復(fù)雜性 地質(zhì)條件的特點(diǎn)l地面建筑工程的基礎(chǔ)位于地表淺層，地質(zhì)條件相對簡單，且比較 容易查明。l地下工程一般位于地層深部，地質(zhì)條件復(fù)雜，且不易查明。 地質(zhì)條件對工程的影響l對地面建筑工程而言，地質(zhì)條件一般僅影響其基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)和施工，如條形基礎(chǔ)，箱形基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、不影響工程本身。l地下工程的設(shè)計(jì)和施工則需遷就地質(zhì)條件，如改線，改變結(jié)構(gòu) 形式，改變

20、支護(hù)方式等。5.巖石地下工程 5.1概述42地下工程的復(fù)雜性 受力結(jié)構(gòu)l地面建筑工程在地表筑基礎(chǔ)，在基礎(chǔ)上建結(jié)構(gòu)，受力結(jié)構(gòu)明確。l地下工程則是圍巖與支護(hù)共同組成承載體，受力結(jié)構(gòu)不明確。 材料特性l主要結(jié)構(gòu)材料一般是人造的（如鋼筋混凝土），具有均質(zhì)性和 連續(xù)性，在正常荷載下表現(xiàn)為線彈性，可忽略其流變性。l巖石是地下工程結(jié)構(gòu)材料的一部分，有時(shí)甚至是主體。巖體一般 是非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性、有流變性的。5.巖石地下工程 5.1概述43地下工程的復(fù)雜性 外載條件 l地面建筑工程的結(jié)構(gòu)荷載包括永久荷載（如結(jié)構(gòu)自重等）和可變荷載（如風(fēng)載、移動承載物重量等），這些荷載一般是確知的。l地下工程的主要荷載是初始

21、地應(yīng)力，其大小和方向變化較大且不易確定；支護(hù)結(jié)構(gòu)承受的壓力不是定值而是變值，支護(hù)壓力不僅與圍巖性質(zhì)有關(guān)，還與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)有關(guān)。5.巖石地下工程 5.1概述44地下工程的復(fù)雜性計(jì)算參數(shù)l對地面建筑工程而言，材料的計(jì)算參數(shù)通?？赏ㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)獲得，一致性較好。l地下工程往往需要借助原位試驗(yàn)和測試，離散性較大。工程施工l地面建筑工程場地開闊，便于組織，工期短。l地下工程作業(yè)面狹窄，工期長。5.巖石地下工程 5.1概述45地下工程學(xué)科的發(fā)展 正是由于地下工程的復(fù)雜性，導(dǎo)致地下工程的設(shè)計(jì)和施工長期處于“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”和“經(jīng)驗(yàn)施工”的局面。 隨著現(xiàn)代土力學(xué)和巖石力學(xué)的發(fā)展，這種局面已被突破。 20世紀(jì)50年代

22、以來，隨著理論研究的進(jìn)展，新支護(hù)方式的提出和新施工技術(shù)的興起，現(xiàn)在已形成了以巖石力學(xué)原理為基礎(chǔ)，考慮支護(hù)與圍巖共同作用的地下工程現(xiàn)代理論。l理論進(jìn)展：圍巖彈性、彈塑性和粘彈性解答逐漸出現(xiàn)；l新支護(hù)方式：錨桿與噴射混凝土支護(hù)；l新施工技術(shù)：與錨桿與噴射混凝土支護(hù)相應(yīng)的新奧法（NATM）。5.巖石地下工程 5.1概述465.2地下工程圍巖分類及地下工程類型5.2.1地下工程圍巖分類 圍巖及圍巖分類 地下工程圍巖l是指地殼中受地下工程開挖影響的那一部分巖體。l其范圍通常等于地下工程橫剖面中最大尺寸的35倍。 圍巖分類（級）l根據(jù)地下工程的性質(zhì)和要求，將圍巖體的某種或某些屬性加以概略的劃分，稱為圍巖分

23、類或圍巖分級。5.巖石地下工程 5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型47圍巖分類的必要性 巖體長期經(jīng)歷地質(zhì)營力（造巖、構(gòu)造運(yùn)動、風(fēng)化等）作用，力學(xué)性質(zhì)十分復(fù)雜，具有多種多樣性。 在地下工程建設(shè)中，無論怎樣仔細(xì)地研究都不可能把工程 區(qū)域內(nèi)巖體的力學(xué)性質(zhì)的細(xì)節(jié)完全搞清楚。 既使能搞清楚，在設(shè)計(jì)和施工中也不可能對千差萬別的情況一一進(jìn)行區(qū)別對待。 因此，需要抓住影響巖體力學(xué)性質(zhì)的主要因素，進(jìn)行概略地區(qū)分。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類48圍巖分類的作用骨架作用：根據(jù)不同的圍巖分類體系，可以將前人進(jìn)行的、以地質(zhì)條件為主的分散的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行梳理和概略量化的總結(jié)。橋梁作用：

24、借助圍巖分類，可以繼承或借鑒前人的寶貴經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)新工程的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方法選擇。概算依據(jù)：為計(jì)算工程造價(jià)和投資提供參考依據(jù)。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類49地下工程圍巖分類發(fā)展簡介目前國內(nèi)外提出了許多地下工程圍巖分類方法，但得到廣泛應(yīng)用的并不多，主要有幾種方法?？v觀國內(nèi)外地下工程圍巖分類方法研究的發(fā)展，大致可以以上世紀(jì)70年代為分界線，劃分為兩個(gè)階段：l70年代以前，圍巖分類多數(shù)為單一因素（或少數(shù)因素）的定性分類或半定量分類，其局限性比較明顯。l70年代后，逐漸過渡到能考慮各種重要因素、定性 描述與定量評價(jià)相結(jié)合的分類。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型

25、5.2.1地下工程圍巖分類50地下工程圍巖分類發(fā)展簡介 值得一提的是，70年代后期至90年代，我國在地下工程分類研究上有了很大進(jìn)展，提出了多種分類方案，為地下工程的建設(shè)和發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。 表5-2列出了17種國內(nèi)外不同的圍巖分類方法（粗略了解）。 另外，從表5-2可以看出，雖然不同部門有自己不同的圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)，但考慮的因素，指標(biāo)相差并不大，且不同分類系統(tǒng)之間有一定的聯(lián)系。l如Rufledge T.C.(1978)等人根據(jù)新西蘭多個(gè)工程的經(jīng)驗(yàn)，對RMR、RSR和Q系統(tǒng)三者得出如下關(guān)系式： RMR=1.35logQ+43 RSR=0.77RMR+12.4 (5-1) RSR=13.3logQ+

26、46.55.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類51公路隧道圍巖分類書上表5-3給出了我國現(xiàn)行的公路隧道圍巖分類。這個(gè)分類體系包括以下幾方面的內(nèi)容：l將圍巖分為六類，即：、u注意：類最差，類最好。這與一般分類法正好相反。l從兩個(gè)大的方面對圍巖進(jìn)行評判，即：u圍巖主要工程地質(zhì)條件；u圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)（定性評判）。l第一個(gè)大的方面“圍巖主要工程地質(zhì)條件”又分為兩個(gè)次級 因素，即：u主要工程地質(zhì)條件（定性與定量相結(jié)合）u結(jié)構(gòu)特征和完整狀態(tài)（定性評判）。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類52公路隧道圍巖分類 這個(gè)分類體系包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：

27、l各類圍巖中，又根據(jù)巖（土）體的硬軟進(jìn)行了不同的細(xì)分，其中：u類分為2個(gè)次類：（1）粘性土及粉細(xì)砂等； （2）石質(zhì)。u類分為2個(gè)次類：（1）粘性土、礫土及黃土； （2）石質(zhì)。u類分為3個(gè)次類：（1）粘性土及砂性土；膠結(jié)土，黃土； （2）軟質(zhì)巖石； （3）硬質(zhì)巖石。u類分為2個(gè)次類：略。u類分為2個(gè)次類：略。u類沒有分次類。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類535.2.2地下工程類型 地下工程包括的類型很多，從不同的角度區(qū)分，可得到不同的分類方法。 最合理的地下工程分類必須l與其周圍巖體應(yīng)有的穩(wěn)定性，安全程度聯(lián)系起來；l同時(shí)取決于地下工程的用途。 主要介紹以下分類方

28、法：lBarton分類法（按用途分類）；l按地下工程埋置深度分類；l其它簡單分類法。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型541.Barton分類（1974，挪威地質(zhì)學(xué)家）（1）臨時(shí)性礦山坑硐；（2）豎井；（3）永久性礦山坑硐、 引水隧洞（不包括 高水頭涵洞）、 導(dǎo)挖隧道、平巷、 大型開挖工程的 導(dǎo)坑（圖5-1）；（4）地下儲藏室、污水 處理站、公路和鐵路 支線的隧道、水電 工程的調(diào)壓室及進(jìn)出 隧道；5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型551.Barton分類（1974，挪威地質(zhì)學(xué)家）（5）地下電站主硐室、 公路和鐵路干線 的隧道、民防 硐室、隧道

29、入口 及交叉點(diǎn)（圖5-2） （6）地下核電站、地鐵 車站、地下體育場 及公共設(shè)施、地下 廠房（圖5-3）。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型562.按地下工程埋置深度分類這是一種借鑒隧道工程的劃分類別的方法。將隧道劃分為兩大類：l深埋隧道；l淺埋隧道。這種劃分是從穩(wěn)定性角度出發(fā)的，是為設(shè)計(jì)和施工服務(wù)的。兩類隧道的臨界深度（Hp）可按荷載等效高度值（hq），并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合 判定。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型572.按地下工程埋置深度分類臨界深度Hp的判定l 按荷載等效高度的判定式為： Hp=（2.02.5）hq (5-

30、2) 式中：Hp深埋與淺埋地下工程的分界深度（m）； hq 荷載等效高度（m）， hq=q / q深埋地下工程垂直均布壓力（kN/m2）； 圍巖重度（kN/m3）。l在礦山法施工的條件下：u對于類圍巖，取Hp=2.5hq；u對于類圍巖，取Hp=2.0hq。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型583.其它簡單分類法按用途分類l交通地下工程u如公路及鐵路隧道、海底隧道、地下鐵道、人行隧道等。l水工地下工程u如引水及尾水隧洞、導(dǎo)流隧洞、排沙隧洞、地下水電站廠房等。l市政地下工程u如給排水隧道、人防洞室等。（霧都少年）。l礦山地下工程5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2

31、.2地下工程類型59上線下線60小浪底水利工程地下廠房61 警戒値： ： ： 上 線下 線No. 1+65No. 6+00地下瓦斯管道分布623.其它簡單分類法按所處位置分類l山地（區(qū)）地下工程；l城市地下工程；l水下地下工程。按所處地層分類l巖石（硬巖、軟巖）地下工程；l土質(zhì)地下工程。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型635.3地下工程圍巖應(yīng)力概 述 地下工程開挖之前，巖體在原巖應(yīng)力條件下處于平衡狀態(tài)。 地下工程的開挖，破壞了巖體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，圍巖 應(yīng)力進(jìn)行重分布，直至達(dá)到新的平衡。這時(shí)圍巖處在二次 應(yīng)力場中。5.巖石地下工程 5.3地下工程圍巖應(yīng)力圍巖應(yīng)力重

32、分布形成的二次應(yīng)力場的主要特征是：l徑向應(yīng)力隨著向洞壁（自由表面）的靠近而逐漸減小，至洞壁變?yōu)榱?。l切向應(yīng)力的變化情況則根據(jù)部位的不同而不同：u在一些部位，愈接近洞壁切向應(yīng)力愈大，并于洞壁處達(dá)到最高值， 即產(chǎn)生所謂的“壓應(yīng)力集中”；u在另一些部位，則愈接近洞壁切向應(yīng)力愈低，在洞壁處達(dá)到最低值， 有時(shí)甚至出現(xiàn)負(fù)值（拉應(yīng)力），即產(chǎn)生所謂的“拉應(yīng)力集中”。64圖5-4是側(cè)壓力力系數(shù)=0.25時(shí)，圍巖應(yīng)力集中 系數(shù)k的分布圖：l側(cè)壓力系數(shù)原巖水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比值。l圖中橫坐標(biāo)r/r0表示圍巖中 某點(diǎn)至圓形隧洞圓心的 相對深度。l縱坐標(biāo)k為應(yīng)力集中系數(shù)， 即圍巖某點(diǎn)開挖前后的 二次應(yīng)力與初始應(yīng)力的

33、比值。l圖中表明，洞壁處的應(yīng)力 集中現(xiàn)象最明顯。5.3地下工程圍巖應(yīng)力 概 述65概括以上現(xiàn)象，我們可以這樣來描述地下工程的 圍巖應(yīng)力：l地下工程的開挖，將在圍巖中形成二次應(yīng)力場；l二次應(yīng)力場的特點(diǎn)是：l二次應(yīng)力場的特點(diǎn)主要取決于地下工程的形狀和巖體 的初始應(yīng)力狀態(tài)。5.3地下工程圍巖應(yīng)力 概 述u愈接近自由表面，與初始應(yīng)力場的差異越大，在洞壁處達(dá)到 最大。u愈遠(yuǎn)離自由表面，差異越小。理論上當(dāng)r時(shí)，差異0； 在實(shí)際中，通常認(rèn)為r=5r0（甚至r=3r0）時(shí)，差異為零。665.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 首先介紹圓形地下工程中圍巖的應(yīng)力分布。l圓形是地下工程中一種比較普遍的結(jié)構(gòu)形式。u如采礦巷道

34、，水工隧洞等。l從力學(xué)分析角度，圓形是一種最簡單的結(jié)構(gòu)形式。 既便是圓形結(jié)構(gòu)，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)也是非常復(fù)雜的。l巖體是一種彈塑性介質(zhì)，且具有流變性（粘性），因此，巖體開挖 形成的二次應(yīng)力場，應(yīng)應(yīng)用彈塑粘性力學(xué)理論進(jìn)行分析，非常復(fù)雜。l為簡便起見，僅介紹應(yīng)用彈性力學(xué)理論分析得到的圍巖應(yīng)力 分布。l 在很多情況下，可以簡化應(yīng)用彈性分析彈性分析：5.3地下工程圍巖應(yīng)力 5.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力u對于裂隙不多的堅(jiān)硬巖體，一般認(rèn)為可應(yīng)用線彈性理論分析u對于裂隙巖體或軟弱巖體，如果圍巖應(yīng)力不高，圍巖有可能處于彈性狀態(tài)。67圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析兩個(gè)假定l古典彈性理論假定:假定巖體是連續(xù)、完全彈性、

35、均勻、各向同性和小變形。l平面應(yīng)變假定：由于地下開挖體在長度方向 （軸線）的尺寸通常比橫截面尺寸大得多，在 不考慮掘進(jìn)影響時(shí)，可認(rèn)為軸向變形為零。5.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析685.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析 根據(jù)以上假定，可把距地表深為H、半徑為a 的圓形洞室的圍巖應(yīng)力分布問題看成為雙向雙向 受壓無限大平板中的孔口的受壓無限大平板中的孔口的 應(yīng)力分布問題應(yīng)力分布問題 （圖5-5所示）。l在距圓心為r的某點(diǎn)取一單元體 A（r，）；u為OA與水平軸的夾角。l為計(jì)算方便，原巖垂直應(yīng)力用P表示，水平應(yīng)力 用P表示；u為側(cè)壓力系數(shù)為側(cè)壓力系數(shù)。

36、l用極坐標(biāo)求解圍巖應(yīng)力，按基爾西公式，得圍巖應(yīng)力 表達(dá)式：3)-(5 2sin321122cos31121122cos34112112 44224422442222raraprapraprarapraprr695.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析 點(diǎn)A（r，）處的主應(yīng)力：l最大主應(yīng)力max：l最小主應(yīng)力min：l主應(yīng)力與OA連線的夾角： 下面討論幾種特殊情況的圍巖應(yīng)力分布。4)-(5 412121221maxrrr4)-(5 41212123minrrr4)-(5 2tan211rr7022221,1;0 (5-5)rraPraPr側(cè)壓力系數(shù)側(cè)壓力系數(shù):11.靜水狀態(tài)時(shí)的

37、應(yīng)力分布5.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析式（5-3）簡化為：715.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析1.靜水狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力分布5)-(5 0;1,12222rrraPraP當(dāng)r=a時(shí)（洞壁處）， r =0， =2P；當(dāng)r時(shí)， r =P， =P；r0。F可見，在洞室周邊的應(yīng)力差最大， 由它所派生的剪應(yīng)力也最大， 說明在洞室周邊容易發(fā)生破壞。725.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析由上式可知，在洞室周邊處，最大，r=r=0，所以為主應(yīng)力。同時(shí)還可看出：l 值不僅與P（原巖垂直應(yīng)力）及有關(guān)，而且與值有關(guān)；l值的變化對洞室周邊切向應(yīng)力

38、起著決定性的作用。6)-(5 2cos212cos210PPrr2.洞壁周邊的應(yīng)力分布當(dāng)1時(shí)，據(jù)式（5-3）可得r=a處的應(yīng)力：735.3.1圓形地下工程圍巖應(yīng)力 圓形洞室圍巖應(yīng)力的彈性分析3.洞壁頂部和底部處的應(yīng)力當(dāng)=/ 2（或=3/ 2），r=a時(shí)，由式（5-3）可得：可見，洞室頂部和底部不出現(xiàn)負(fù)值（拉應(yīng)力）的條件是 1/3。由于最大的拉應(yīng)力往往出現(xiàn)在洞室開挖邊緣的頂部和底部，所以 1/3是圓形洞室不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件。1314122PP745.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力在本小節(jié)只討論兩種非圓形結(jié)構(gòu)：l橢圓形斷面洞室；l半圓直墻斷面洞室。同樣只討論彈性分析的結(jié)果。5.3地下工程圍巖應(yīng)力 5

39、.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力75一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力問題的表述（如圖5-9所示）：l設(shè)橢圓形斷面洞室長半軸為a， 短半軸為b；l圍巖初始應(yīng)力為：垂直均布 應(yīng)力為P，水平應(yīng)力為P。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力765.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力 根據(jù)彈性理論，按橢圓孔復(fù)變函數(shù)可解得洞室周邊上任一點(diǎn)的應(yīng)力為： 式中：k橢圓軸比，k=b/a； 計(jì)算點(diǎn)A與圓心O的連線OA與縱軸的夾角。14)-(5 0sincossincos2coscossin2sin22222222222rrkkkPkkP可以看出，橢圓形斷面洞室周

40、邊應(yīng)力的兩個(gè)應(yīng)力極值仍然在 水平軸（=/ 2或=3/ 2）和垂直軸（=0或=）上。l根據(jù)式（5-14），可計(jì)算出洞室頂?shù)缀蛢蓚?cè)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)，列于 表5-4中。775.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力討論兩種特殊情況 情況1。當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，即僅在垂直方向有荷載P時(shí)（應(yīng)理解為水平應(yīng)力遠(yuǎn)小于垂直應(yīng)力），有： 15)-(5 sincoscossin2sin2222222kkkPl在兩側(cè)=/ 2和=3/ 2處， 的應(yīng)力集中系數(shù)為（1+ 2 / k），l當(dāng)k=b/a 1 時(shí)，兩側(cè)點(diǎn)會出現(xiàn)較高的應(yīng)力集中。l在洞頂=0處，=-P，即為拉應(yīng)力。785.3.2非圓形開挖體的圍巖

41、應(yīng)力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力討論兩種特殊情況情況2。當(dāng)當(dāng)=1時(shí)時(shí)，原巖應(yīng)力呈靜水壓力狀態(tài)，有：16)-(5 sincos2222kkPl在兩側(cè)=/ 2和=3/ 2處， 的在洞頂=0處， 的應(yīng)力集中系數(shù)為2k。u當(dāng)k1時(shí)，兩側(cè)應(yīng)力集中高于洞頂；u當(dāng)k1時(shí)，洞頂應(yīng)力集中高于兩側(cè)。u應(yīng)力集中系數(shù)為2 / k；l理論分析和數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)=1時(shí)，圍巖不會出現(xiàn)拉應(yīng)力。79二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力 半圓直墻斷面是應(yīng)用較廣的 一種洞形。 這種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力分布一般 很難獲得解析解,即便能得到 解析解,表述起來也非常繁雜。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力 二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力

42、鄭穎人院士等人采用復(fù)變 函數(shù)法，計(jì)算出了在上覆厚度 （H）等于2.5倍洞跨自重作用 下的洞周應(yīng)力分布，如圖5-10 所示。80側(cè)壓力系數(shù)的影響l當(dāng)較小時(shí)，如=0.2，洞頂和洞底將出現(xiàn)拉應(yīng)力；l當(dāng)由小變大時(shí)，洞頂、底拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)為壓應(yīng)力，且壓應(yīng)力隨增大而增大；l隨由小變大，兩側(cè)的壓應(yīng)力則趨于減小。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應(yīng)力 二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應(yīng)力跨高比f=2R/h的影響l隨f的減小，洞頂、底的拉應(yīng)力趨于減小，壓應(yīng)力趨于增大；l隨f的減小，洞室兩側(cè)的壓應(yīng)力趨于減??；l當(dāng)1時(shí)，跨高比減小對圍巖受力有利，反之不利。若保持拱頂半徑不變，這時(shí)若減小f，意味著需增大直墻的 高度，而洞頂和洞

43、底的形狀并無變化。在這種情況下，隨f 的減小，洞頂和洞底應(yīng)力值的變化幅度遠(yuǎn)小于洞壁部分的 幅度。洞周應(yīng)力分布的變化規(guī)律813. 在地下在地下400m深處，掘進(jìn)一個(gè)圓形巷道，斷面半徑為深處，掘進(jìn)一個(gè)圓形巷道，斷面半徑為5m，覆，覆蓋巖層的容重蓋巖層的容重 ，側(cè)壓力系數(shù)為，側(cè)壓力系數(shù)為1，試求：，試求：（1）求離巷道壁面）求離巷道壁面2m處圍巖的徑向應(yīng)力處圍巖的徑向應(yīng)力 和環(huán)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力 大??？大??？325/kN mr400 2510vHMPaMavh102222(1)(1)raPraPr解：（1）由題意知該巷道處的垂直應(yīng)力:并由側(cè)壓力系數(shù)為1，得水平應(yīng)力:由此得該圓形巷道處于靜水壓力下，此時(shí)

44、圍巖的徑向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力表達(dá)式為：8210vhpMPama5mr7再由題意知，式中原始應(yīng)力斷面半徑離巷道壁面2m處圍巖即為距巷道中心距離代入上式得。222222225(1)1014.975(1)10115.17raPMParaPMpar832、在地表以下200m深度處的巖體中開挖一洞徑2R0=2m的水平圓形遂洞，假定巖體的天然應(yīng)力為靜水壓力狀態(tài)(即=1)，巖體的天然密度=2.7g/cm3。 圍巖的抗剪強(qiáng)度Cm=0.4，m=30，試評價(jià)該洞室的穩(wěn)定性； 2.7 10 2005.4vPMPa解：由題意知該隧洞處的垂直應(yīng)力:2222(1)0(1)225.410.80rraPraPpMPar此時(shí)圍巖的

45、應(yīng)力為：842001300tan452 tan 45223002 0.4 tan 4521.4fcMPa 此時(shí)主應(yīng)力為：13,r由于1110.81.4fMPaMPa該洞室洞壁處于不穩(wěn)定狀態(tài)，該洞室不穩(wěn)定達(dá)到極限平衡需要的最大主應(yīng)力為：855.4地下工程圍巖體的破壞機(jī)理概 述 地下工程開挖，破壞了圍巖原有的平衡狀態(tài)，使得圍巖中的應(yīng)力通過調(diào)整，達(dá)到新的平衡。 在這一過程中，巖體將發(fā)生變形，并且若重分布的應(yīng)力超過了巖體的承受能力，巖體將發(fā)生破壞。 圍巖的破壞主要表現(xiàn)為拉伸破壞和剪切破壞。 圍巖的變形和破壞主要與初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖體自身性質(zhì)（巖性和結(jié)構(gòu)）及洞形有關(guān)。5.巖石地下工程 5.4地下工程圍巖

46、體的破壞機(jī)理86 5.4地下工程圍巖體的破壞機(jī)理 5.4.1拉伸破壞機(jī)理5.4.1拉伸破壞機(jī)理 Hoek（1965）認(rèn)為，當(dāng)3Rt（Rt為單軸抗拉強(qiáng)度）時(shí)，巖體發(fā)生拉伸破壞。 因 (Rc為單軸抗壓強(qiáng)度)，則用Rc表示的拉伸破壞準(zhǔn)則為： 式中：m、S為試驗(yàn)常數(shù)。SmmRRct421223(4 ) (5-17)2cR mmS強(qiáng)度應(yīng)力（拉伸）拉伸破壞的破壞角等于零，裂縫在平行于最大主應(yīng)力1的方向上擴(kuò)展。875.4.2剪切破壞機(jī)理 剪切破壞理論認(rèn)為，圍巖穩(wěn)定性的喪失，主要發(fā)生在洞室與主應(yīng)力方向垂直的兩側(cè)，并形成剪切滑移楔體。 在側(cè)壓系數(shù)1的條件下，地下洞室開挖時(shí)，巖體的破壞 過程如圖5-11所示：l首

47、先兩側(cè)壁的楔形巖塊 由于剪切面分離，并向 洞內(nèi)移動（圖a）；l接著，上部和下部巖體 由于楔形巖塊滑移造成 跨度加大，上下巖體向 洞內(nèi)撓曲（圖b）； 甚至移動（圖c）。 5.4地下工程圍巖體的破壞機(jī)理 5.4.2剪切破壞機(jī)理88 5.4地下工程圍巖體的破壞機(jī)理 5.4.2剪切破壞機(jī)理 Hoek認(rèn)為，在3Rt時(shí)，發(fā)生剪切破壞，強(qiáng)度與應(yīng)力之比由下式確定：破壞角由下式確定：18)-(5 1233ccSRmR應(yīng)力（剪切）強(qiáng)度21232112119)-(5 8/14/1sin21ccmsmscmscSRmRmRmR式中：895.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)5.5.1概 念一、支護(hù)及支護(hù)設(shè)計(jì)概念 支護(hù)l地下工程開挖后

48、，由于開挖擾動作用，圍巖將產(chǎn)生變形、松弛、 錯(cuò)動、擠壓、斷裂、下沉或坍塌等現(xiàn)象。l為了保證圍巖穩(wěn)定，需要采用人工干預(yù)措施，如設(shè)置臨時(shí)或 永久性結(jié)構(gòu)，這種人工干預(yù)措施稱之為支護(hù)。 支護(hù)設(shè)計(jì)l為了既保證圍巖穩(wěn)定，又使地下工程具有設(shè)計(jì)所需的建筑界限和 凈空，就需要根據(jù)具體工程情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式，并進(jìn)行 合理的布設(shè)。這一環(huán)節(jié)稱為支護(hù)設(shè)計(jì)。5.巖石地下工 5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)90一、支護(hù)及支護(hù)設(shè)計(jì)概念支護(hù)設(shè)計(jì)的內(nèi)容l圍巖的壓力計(jì)算；l支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計(jì)。支護(hù)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想l傳統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，圍巖壓力完全由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)。因此，支護(hù)設(shè)計(jì)主要針對支護(hù)結(jié)構(gòu)。l現(xiàn)代支護(hù)設(shè)計(jì)理論認(rèn)為，圍巖壓力由支護(hù)結(jié)

49、構(gòu)和圍巖共同承擔(dān)。因此，支護(hù)設(shè)計(jì)不僅針對支護(hù)結(jié)構(gòu)，而是針對支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖共同組成的支護(hù)體系；并且設(shè)計(jì)中要注意充分發(fā)揮巖體的自承能力。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.1概 念91二、支護(hù)設(shè)計(jì)方法目前，地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)方法可以歸納為以下四種設(shè)計(jì)模型： （1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法（也稱為工程模擬設(shè)計(jì)法）：l參照過去地下工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過工程類比分析進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （2）量測與模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)法：l通過對地下工程的現(xiàn)場量測和實(shí)驗(yàn)室相似模型試驗(yàn)的模擬分析 進(jìn)行設(shè)計(jì)。u如以地下工程凈空量測位移為依據(jù)的收斂-約束法。 （3）荷載-結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)法：l將頂拱簡化為彈性地基梁、彈性地基框架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。 （4）連續(xù)介質(zhì)模型

50、設(shè)計(jì)法：l將圍巖體視為連續(xù)介質(zhì)，通過解析法或數(shù)值法進(jìn)行圍巖壓力計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)荷載計(jì)算和支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。u數(shù)值法目前主要是有限元法。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.1概 念92三、關(guān)于各種方法的評述（1）經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法l地下工程長期乃至目前多采用該法。l經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法中的經(jīng)驗(yàn)來自大量的工程實(shí)踐，有一定的科學(xué)依據(jù)。l方法本身也在不斷發(fā)展，如引用各種量測資料，采用統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)、 模糊數(shù)學(xué)和數(shù)值分析等。（2）量測與模擬相結(jié)合的設(shè)計(jì)法l很少作為一種獨(dú)立的設(shè)計(jì)方法，常與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法結(jié)合。（3）荷載-結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)法l常用于層狀巖體中。（4）連續(xù)介質(zhì)模型設(shè)計(jì)法l近幾十年來，隨著彈塑性力學(xué)、流變學(xué)及巖土力學(xué)等現(xiàn)代力學(xué) 理論和計(jì)

51、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這種理論設(shè)計(jì)方法應(yīng)用越來越廣。l但是，由于計(jì)算參數(shù)和計(jì)算機(jī)理方面還存在一些障礙，目前理論 設(shè)計(jì)法一般還只能作為輔助方法。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.1概 念93四、支護(hù)設(shè)計(jì)方法的發(fā)展近10多年來，測量技術(shù)和計(jì)算技術(shù)互相滲透，以現(xiàn)場監(jiān)控量測、信息反饋為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法（即信息化 設(shè)計(jì)）有了很大的進(jìn)展。信息化設(shè)計(jì)是以新奧法設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，以工程模擬法 為主，通過現(xiàn)場監(jiān)控測量進(jìn)行工程實(shí)際檢驗(yàn)、確認(rèn) 和修正，必要時(shí)可輔以理論計(jì)算驗(yàn)算法確定地下工程 支護(hù)參數(shù)的方法。信息化設(shè)計(jì)法還有待于不斷發(fā)展和完善。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.1概 念945.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算一、圍巖壓力計(jì)算

52、概述要進(jìn)行地下工程支護(hù)設(shè)計(jì)，首先要了解圍巖的壓力。地下工程圍巖壓力的確定，目前有三種方法： （1）直接測量法 （2）理論計(jì)算法 （3）工程模擬法5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算95一、圍巖壓力計(jì)算概述確定圍巖壓力的三種方法：（1）直接測量法l通過測試手段，獲得圍巖壓力分布。l限于當(dāng)前的測試設(shè)備及技術(shù)水平，目前采用該法仍很不普遍。（2）理論計(jì)算法l在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，從理論上研究圍巖壓力的估算方法。l由于影響圍巖壓力的因素很多，企圖建立一種完善的和符合 客觀實(shí)際情況的圍巖壓力理論及計(jì)算方法較為困難，應(yīng)用也 受到限制。（3）工程模擬法l根據(jù)大量實(shí)際資料分析統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖類

53、別提出圍巖 壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值（經(jīng)驗(yàn)公式），作為后建地下工程確定圍巖 壓力的依據(jù)。l目前采用該法比較普遍。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算96一、圍巖壓力計(jì)算概述 采用工程模擬法估算圍巖壓力，其立足點(diǎn)是按照松動壓力的觀點(diǎn)，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力，實(shí)際為洞室周邊某一破壞范圍內(nèi)巖體的重量。l理論和實(shí)踐證明，圍巖愈好則洞室就愈穩(wěn)定，洞室開挖所影響區(qū)域就愈小，圍巖壓力值也較小。相反，圍巖愈差則壓力值相應(yīng)就大；l在圍巖類別相同的條件下，跨度愈大，洞室的穩(wěn)定性就愈差，壓力值也就愈大，說明圍巖壓力的大小與洞室跨度成正比。 圍巖壓力計(jì)算的對象分深埋地下工程和淺埋地下工程。根據(jù)對象不同，采

54、用的圍巖壓力理論和計(jì)算方法也不同。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算97深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影響達(dá)不到地表的，稱為深埋深埋。反之淺埋淺埋（2）當(dāng)埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時(shí)，巷道影響范圍（35 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）；P0深埋地下工程的特點(diǎn)深埋地下工程的特點(diǎn)為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力；5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算98二、深埋地下工程圍巖壓力計(jì)算 對于深埋地下工程，國外常用的圍巖壓力理論有：l普氏理

55、論由前蘇聯(lián)學(xué)者普洛托季雅克諾夫提出。l泰沙基理論由土力學(xué)鼻祖泰沙基提出。 這兩種理論在我國也得到了普遍應(yīng)用。但我國學(xué)者也發(fā)展了一些新的計(jì)算方法，并作為有關(guān)部門或 行業(yè)的推薦方法，列入有關(guān)規(guī)范中。l如，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（JTJ026-90）。 下面主要介紹這三種方法。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算99(一）普氏理論 普氏理論的計(jì)算原理l為了確定作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的圍巖壓力，原蘇聯(lián)普洛托季雅克諾夫提出了基于坍落拱的計(jì)算原理。l他認(rèn)為，所有地層都可視為具有一定粘結(jié)力的“松散介質(zhì)”，引入了 似摩擦系數(shù)fup的概念。即：u在具有一定粘結(jié)力的松散 介質(zhì)中開挖隧道后，其上方 會形成一

56、拋物線狀的天然拱， 這實(shí)質(zhì)上就是在松散介質(zhì)、 裂隙巖層中開挖坑道時(shí)的 破壞范圍。u而作用在支護(hù)上的豎向壓力 就是這個(gè)破壞范圍（天然拱） 以內(nèi)的松動巖體的重量。u因此，問題歸結(jié)于如何確定 出天然拱（即坍落拱）的 尺寸，如圖5-12所示。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算100(一）普氏理論坍落拱存在的二個(gè)條件：l在松散介質(zhì)中開挖坑道， 其上方形成坍落拱。l該坍落拱外緣為一質(zhì)點(diǎn)拱 （即厚度很薄的拱）， 如圖5-13所示，其存在 條件有二： 5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算在任何一截面上無彎矩作用；拱腳能保持穩(wěn)定而不致產(chǎn)生滑動。101(一）普氏理論坍落拱的形

57、狀l由上述第一個(gè)條件，對A點(diǎn)取矩MA=0,則Ty=px2 / 2 =0， y= px2 / 2T (5-20) 式中： T拱頂推力； P作用在“天然拱”上的豎向均布壓力； x，y質(zhì)點(diǎn)拱上任意一點(diǎn)A的坐標(biāo)。l令：x=b,y=h,代入式（5-20）得： T= Pb2 / 2h (5-21) 式中： b坍落拱半跨度； h坍落拱高度。l由式（5-20）及式（5-21）可見，坍落拱的外緣曲線為二次拋物線。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算102(一）普氏理論 求坍落拱的高度hl由第二個(gè)條件可知，要保持拱腳穩(wěn)定而不滑動，拱腳處水平摩阻力必須大于該處的推力T，取安全系數(shù)為2，則： Phf

58、up / T =2 (5-22)l將式（5-21）代入式（5-22），則可得： h=b / fup (5-23) 式中：fup普氏系數(shù)，fup=Rc。l對于兩幫穩(wěn)定的情況，b=B/2（見圖5-12中左圖），由式（5-23）即可求得h。l對于兩幫不穩(wěn)定的情況，（圖5-12中右圖），b的計(jì)算需考慮側(cè)壓，比較復(fù)雜，有關(guān)計(jì)算可參考有關(guān)土壓力計(jì)算資料，此處不詳述。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算103(一）普氏理論豎直壓力計(jì)算l作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上豎直均布壓力為： q=h (5-24)按普氏地壓理論計(jì)算的豎向壓力：l對于軟土質(zhì)地層偏小；l對于硬土質(zhì)和堅(jiān)硬質(zhì)地層則偏大；l一般在松散，破碎

59、圍巖中較為適用。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算1045.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算(一）普氏理論側(cè)壓力計(jì)算l作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)物上的側(cè)壓力也視為均勻分布，可按一般土力學(xué)原理，由公式（5-25）計(jì)算： 式中：H坑道高度； e水平均布圍巖壓力（kN/m2）； 圍巖的似摩擦角。25)-(5 245tan212Hqe105（二）泰沙基理論計(jì)算原理和假設(shè)l泰沙基（K.Terzaghi）把隧道 圍巖視為散粒體。l他認(rèn)為坑道開挖后，其上方 圍巖將形成卸落拱，如圖 5-14所示。l假定坑道上方巖體因坑道變形 而下沉，并產(chǎn)生錯(cuò)動面OAB。l假定作用在任何水平斷面上的

60、豎向壓應(yīng)力v是均布的，相應(yīng) 的水平壓應(yīng)力h與v的比值為 K，即K=h/v。5.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算1065.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算（二）泰沙基理論力的平衡分析l在距地面深度h處，取出一厚度 為dh的水平條帶。l考慮其平衡條件V=0，得出： 式中：圍巖擬摩擦角； b松動寬度之半。26)-(5 0/tandhbKdvv1075.5地下工程支護(hù)設(shè)計(jì) 5.5.2地下工程圍巖壓力計(jì)算（二）泰沙基理論求豎向壓力v l將式（5-26）積分，并引進(jìn)邊界條件h=0， v =0，得：l隨著隧道埋深h的增大，式中 趨近于零，則v趨近于某一個(gè)固定值，且：l泰沙