圍巖壓力例題課件

第四章圍巖壓力4.1圍巖壓力理論概述一、古典山巖壓力理論二、塌落體理論三、彈塑性平衡理論四、與時間有關(guān)的變形控制理論4.2圍巖壓力的影響因素4.3圍巖壓力的確定4.3.1松動圍巖壓力的確定4.3.2形變圍巖壓力的確定4.4圍巖壓力的實測方法4.4.1直接量測法4.4.2間接量測法1精選ppt第四章圍巖壓力1精選ppt4.1圍巖壓力理論概述目前，人們對圍巖壓力的概念有著不同的理解。通常人們認為，圍巖壓力是指由于地下空間的開挖而引起圍巖的變形和破壞而作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載。而有的人則認為，圍巖壓力是圍巖中客觀存在的應力狀態(tài)，無論是否施作支護襯砌圍巖壓力都存在。在無支護情況下，圍巖壓力是由圍巖本身在承擔，當圍巖本身不能承受這個壓力時，就表現(xiàn)為圍巖的過量變形甚至坍塌破壞。所以，人們對圍巖壓力的認識是從開挖地下空間后圍巖的變形和坍塌的現(xiàn)象開始的。在施作支護襯砌后，人們又從支護結(jié)構(gòu)的變形、開裂等現(xiàn)象中進一步認識到圍巖壓力的存在。在堅硬穩(wěn)定的巖體中開挖洞室時，一般是不需要支護的，可是爆破時會發(fā)生圍巖松動及暴露后受到風化，故仍需要修筑支護結(jié)構(gòu)；在破碎巖體或松散地層中開挖洞室時，圍巖由于受到擾動自身不能維持穩(wěn)定而產(chǎn)生變形、松動、下沉或坍塌等現(xiàn)象。所有這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為圍巖壓力現(xiàn)象。為了防止圍巖的塌落破壞，保證隧道的設(shè)計建筑限界和凈空，就需要架設(shè)臨時支護或修筑永久性支護結(jié)構(gòu)。這種支護襯砌結(jié)構(gòu)承受的壓力，就是圍巖壓力，它是作用于隧道支護襯砌結(jié)構(gòu)上的主要荷載。2精選ppt4.1圍巖壓力理論概述2精選ppt巖石地下工程的支護可能有兩種極端情況：一種情況是，當圍巖中的應力達到峰值前，支護已經(jīng)到位，圍巖的進一步變形（包括其剪脹或擴容）破碎受到支護的阻擋，構(gòu)成圍巖與支護共同體，形成相互間的共同作用。如果支護有足夠的剛度和強度，則共同體是穩(wěn)定的，并且圍巖與支護在雙方力學特性的共同作用下形成巖體和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)各自的應力、應變狀態(tài)。這種情況下支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力可以看成是“形變壓力”。另一種極端情況是，當圍巖中的應力達到峰值前，支護未及架設(shè)，甚至在圍巖破裂充分發(fā)展，支護仍未起作用，從而導致在隧道或洞室的頂板或側(cè)壁形成塌落或沿破裂面的滑落。這時支護結(jié)構(gòu)將承受塌落或滑落巖體傳遞來的壓力。這種情況下支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力可以看成是“松動壓力”。處在這兩種極端情況之間的是，圍巖應力達到峰值以后，巖體變形的發(fā)展在未完全破裂前，支護開始起作用，這時也可進入圍巖—支護共同作用狀態(tài)。這時，支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力仍可看成是“形變壓力”。由于支護受到的只是剩余部分的變形作用，因此支護結(jié)構(gòu)上所受的壓力要比第一種極端情況小，這對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利。變形作用的剩余部分越小，作用于支護結(jié)構(gòu)上的壓力就越小。但是，并非支護時間越晚越好，因為支護作用過晚可能會使圍巖進入第二種極端情況，即圍巖完全喪失自穩(wěn)能力而進入塌落破壞階段，從而失去支護與圍巖共同作用的意義。3精選ppt巖石地下工程的支護可能有兩種極端情況：3精選ppt圍巖壓力問題歷來是地下工程中、尤其是設(shè)計支護襯砌時最為關(guān)心的問題，因為它同邊坡的穩(wěn)定坡角、地基的承載力、壩基的摩擦系數(shù)一樣，直接影響到工程的造價和安全。正因為這一問題是隧道設(shè)計的主要依據(jù)，而且影響因素也很復雜，所以出現(xiàn)了許多有關(guān)圍巖壓力的理論和分析計算方法。由于有關(guān)圍巖壓力的理論太多，不能一一介紹和分析，僅對幾種對圍巖壓力的認識觀點作一些討論。4精選ppt圍巖壓力問題歷來是地下工程中、尤其是設(shè)計支護襯砌時最一、古典山巖壓力理論這種理論認為，地下洞室洞頂?shù)膲毫κ巧细矌r土體的重力，所以又稱為自重力理論。具有代表性的是海姆、朗肯及金尼克三種觀點，他們對洞頂垂直壓力的認識是一致的，即垂直壓力就等于洞頂巖土體的自重力。但是對于洞側(cè)壁的水平壓力則說法不一，海姆認為側(cè)向的水平壓力與垂直壓力相等，即靜水壓力假說；而朗肯從土力學的觀點認為，側(cè)向壓力應是上覆巖土體自重力乘以系數(shù)，其中為巖土的內(nèi)摩擦角；金尼克則從彈性力學出發(fā)，取自重力乘以側(cè)壓力系數(shù)（）來確定側(cè)向水平壓力，其中μ為泊松比。多年的理論研究和實踐證明，這些理論在絕大多數(shù)情況下是不適用的，而只能反應巖體中由于自重力而形成的初始應力，不能作為圍巖壓力來理解和應用。5精選ppt一、古典山巖壓力理論5精選ppt二、塌落體理論

這一理論是把洞室圍巖作為松散介質(zhì)來考慮的，認為洞室開挖后洞頂形成塌落體，其重力就是圍巖壓力。這一類理論具有代表性的是：①太沙基理論，②畢爾包麥爾理論和③普氏理論。太沙基根據(jù)洞頂水平土條塊下沉與側(cè)面摩阻力的平衡關(guān)系，求得洞頂矩形塌落體的塌落高度為，其中a是洞室跨度之半，為巖土的內(nèi)摩擦角，N為側(cè)向壓力系數(shù)，對于砂土為1.0。畢爾包麥爾認為洞頂塌落體為三角形斷面，最大塌落高度為。而普氏理論則認為洞頂?shù)乃潴w邊界為拱形，最大拱高為，fn為似摩擦系數(shù)，或稱普氏系數(shù)。以最大塌落高度的公式來看，這三種理論大同小異，太氏、畢氏在計算中直接用值，這是明確的力學指標，但認為洞頂塌落體是矩形或三角形在松散介質(zhì)中是不符合實際的。普氏理論在國際上有較大影響，在我國50年代到60年代曾被廣泛應用，但它在理論上和實踐中存在一些比較嚴重的問題，已在第二章2.1中論述。6精選ppt二、塌落體理論6精選ppt三、彈塑性平衡理論這一理論最早是芬納在20世紀30年代末提出的，后來由卡斯特那爾、卡考特、塔洛勃等人相繼應用和改進修正，目前成為拉勃塞維茨等人所倡導的“新奧法”的理論基礎(chǔ)。這種理論設(shè)想在洞室周圍由于重分布應力超過巖石的強度（屈服極限），形成塑性區(qū)，而在塑性區(qū)以外巖體仍處于彈性狀態(tài)，塑性區(qū)圍巖向洞內(nèi)發(fā)生徑向位移而作用于支護襯砌上的壓力即形成圍巖壓力，這種圍巖壓力與支護反力達到平衡狀態(tài)時，塑性區(qū)不再擴展。由于這種壓力是由圍巖位移變形引起的，故稱之為“形變壓力”，計算公式如下：

（4-1）式中：σ0為巖體中天然應力，φ為巖石的內(nèi)摩擦角，C為巖石的內(nèi)聚力，R0為圓形洞室半徑，R1為塑性區(qū)（圓形）半徑，UR0為洞壁的徑向位移，G是巖石的剪切模量。

這一理論表達了這樣一種思想，即形變壓力Pa是圍巖塑性圈半徑R1或洞壁位移UR0的函數(shù)，二者呈反比關(guān)系。開挖空間在設(shè)置支護前的收斂位移越大，支護結(jié)構(gòu)所需要約束的圍巖剩余變形就越小，即支護所承受的圍巖形變壓力越小，這說明圍巖在塑性變形過程中釋放了大量變形能，從而使作用在支護結(jié)構(gòu)上的形變壓力減小。圍巖在發(fā)生一定變形而未達到破壞之前具有自撐能力，即圍巖在由變形調(diào)整自身應力過程中具有一定的自穩(wěn)性能。拉勃塞維茨等人正是從芬納等人的理論中認識到了圍巖具有的這種自撐能力或自穩(wěn)性能，倡導了隧道施工“新奧法”，通過利用圍巖的自撐能力，對圍巖采取合理的支護設(shè)計和施工方法。7精選ppt三、彈塑性平衡理論7精選ppt四、與時間有關(guān)的變形控制理論這方面理論考慮了由于洞室開挖過程中圍巖變形和它的流變特性的作用具有與時間相關(guān)的特點，即圍巖的變形隨著時間的延續(xù)而不斷發(fā)展，因此，圍巖變形作用于支護結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的圍巖壓力其大小與支護的時間、洞室應力狀態(tài)以及巖石的流變參數(shù)有關(guān)。以簡單的粘彈性流變體（修正凱爾文模型）為例，在開挖圓形洞室后t0時間進行支護襯砌，其剛度為ks，襯砌上所受的隨時間變化的圍巖壓力為：（4-2）式中：G0為彈性元件的剪切模量，，η為粘性元件的粘滯系數(shù)，G1為粘彈性元件的剪切模量，σ0為圍巖中初始應力，G∞為長期剪切模量（）。8精選ppt四、與時間有關(guān)的變形控制理論8精選ppt4.2圍巖壓力的影響因素圍巖壓力問題是與圍巖的穩(wěn)定性問題相關(guān)聯(lián)的，穩(wěn)定性越好的圍巖所產(chǎn)生的圍巖壓力就越小。因此，影響圍巖穩(wěn)定性的因素也就是影響圍巖壓力的因素。前面已闡述影響因素的兩個方面，一方面是地質(zhì)因素，主要包括原始應力狀態(tài)、巖石的力學性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)特征等；另一方面是工程因素，包括施工方法、支護結(jié)構(gòu)的剛度及支護施作的時間、洞室形狀和尺寸、埋置深度等。前面提到的影響因素這里不必重復，只是強調(diào)支護施作的時間對圍巖壓力的影響。不論何種圍巖，在隧道開挖后的暴露時間均是越短越好。“新奧法”的原則中指出，隧道開挖后應盡快施作初期支護（噴錨支護），及時封閉圍巖，防止圍巖的松動、風化，也防止圍巖強度的喪失。然后通過監(jiān)控量測掌握圍巖的收斂變形動態(tài)規(guī)律，當圍巖的變形基本穩(wěn)定后再施作永久性襯砌。應該指出，這一原則是建立在圍巖具有良好的自穩(wěn)性能的基礎(chǔ)上的，如果圍巖不具有良好的自穩(wěn)性能，將會由變形而出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下不能僅依靠初期支護來維持圍巖的穩(wěn)定，而必須及時施作永久性襯砌，給圍巖提供所需的支護力，有效地阻止圍巖變形的發(fā)展，防止圍巖的松動坍塌而形成的松動壓力對支護的作用。因此，支護的是否及時就成為了圍巖壓力性質(zhì)及大小的一個關(guān)鍵性的重要因素。9精選ppt4.2圍巖壓力的影響因素9精選ppt4.3圍巖壓力的確定地下工程所處的地質(zhì)環(huán)境相當復雜，地應力和對地下結(jié)構(gòu)作用的傳遞情況也很復雜。因此，圍巖壓力的計算和確定仍是一個沒有完全解決的問題。目前圍巖壓力的確定方法一般有：現(xiàn)場量測法、理論計算法、統(tǒng)計法等。量測法是運用儀器實地量測圍巖壓力的大小，應該說是最具有說服力。但因量測技術(shù)手段方面的因素影響，量測的結(jié)果往往不能充分反映真實情況。理論計算是在對洞室圍巖及地質(zhì)環(huán)境作一些簡化假設(shè)的條件下運用一些成熟的計算理論對圍巖壓力進行計算，但由于圍巖的地質(zhì)條件復雜多變，計算時所用的各種參數(shù)難免與實際不符，因此現(xiàn)階段理論計算方法往往還需要配合其它方法進行驗證和校核。通過對實際工程的圍巖壓力值的統(tǒng)計分析而形成的經(jīng)驗計算方法，因具有簡單、可靠等特點而被廣泛應用。目前，在實際工程中往往采用上述幾種方法互相驗證。10精選ppt4.3圍巖壓力的確定10精選ppt4.3.1松動圍巖壓力的確定一、深埋隧道松動圍巖壓力的確定方法

所謂深埋隧道是指開挖的力學作用范圍沒有波及到地表，頂板圍巖能夠形成平衡拱。由于圍巖的“成拱作用”，其松動壓力僅是隧道周邊某一破壞范圍（平衡拱）內(nèi)地層的自重力，而與隧道的埋深無關(guān)。這種情況下，可以把圍巖壓力的計算歸結(jié)為確定平衡拱的形狀和范圍。我國鐵路部門根據(jù)以往鐵路隧道的坍方資料統(tǒng)計，分析歸納出圍巖松動范圍的大小，并建立了松動圍巖壓力的經(jīng)驗估算公式。由于所統(tǒng)計的坍方資料有限，加上坍方資料的背景不同或統(tǒng)計分析的前提假設(shè)不同，所得的經(jīng)驗公式也不同，所以這種經(jīng)驗公式只能在一定程度上反應圍巖松動壓力的形成及變化規(guī)律。11精選ppt4.3.1松動圍巖壓力的確定11精選ppt我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003—2005）經(jīng)過對1000多個坍方數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計與回歸，給出了鐵路雙線隧道圍巖垂直均布松動壓力Pv的計算公式為（4-3）與之相應的側(cè)向水平壓力（Ph）的計算公式為（4-4）或參照表4-1確定。式中：Pv——圍巖垂直勻布壓力，KN/m2；γ——圍巖重度（容重），KN/m3；ha——圍巖壓力計算高度，m；S——圍巖級別，如Ⅱ級圍巖即S=2。B——隧道的跨度；i——B每增減1m時圍巖壓力的增減率，當B＜5m時，取i=0.2，B≥5m時，可取i=0.1。η——視圍巖級別不同而按經(jīng)驗取值的側(cè)向壓力系數(shù)，0≤η≤1.0。公式（4-3）、（4-4）和表4-1適用條件為：①H/B＜1.7(H為隧道的高度)；②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性壓力的一般圍巖；③采用鉆爆法施工的隧道；④深埋隧道。12精選ppt我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003—2005）表4-1鐵路單線隧道按概率極限狀態(tài)設(shè)計時的垂直壓力計算公式為（4-5）實際上，作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的松動圍巖壓力往往不是均勻的，因為圍巖的變形和破壞一般是受巖體結(jié)構(gòu)的控制，局部坍方往往是主要的。因此，除了確定圍巖松動壓力的數(shù)值外，還應結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征的分析，考慮圍巖壓力的分布狀態(tài)。圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平勻布壓力00.15Pv（0.15-0.30）Pv（0.30-0.50）Pv（0.50-1.00）Pv13精選ppt表4-1圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平勻布壓力00.15Pv（

我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70—2004）中對深埋隧道松動圍巖壓力的確定方法是：考慮不同地質(zhì)條件特征的圍巖，其穩(wěn)定性不一樣，因此作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力的性質(zhì)有所不同，其圍巖壓力的計算方法亦不同。

Ⅳ-Ⅵ級圍巖中深埋隧道的圍巖壓力可視為松動荷載，其垂直均布壓力及側(cè)向水平壓力可分別按公式（4-3）和（4-4）計算確定。對于Ⅰ-Ⅳ級圍巖中的深埋隧道，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力主要是形變壓力，其數(shù)值應按開挖釋放荷載進行計算。在《規(guī)范》的附錄D中給出了釋放荷載的有限元計算方法。這里不做贅述。

14精選ppt我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70—2004）二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法對于淺埋隧道，由于形不成天然拱而不能用深埋隧道圍巖壓力的確定方法，而需通過研究淺埋隧道巖體的平衡條件，找出新的方法。(一)深埋、淺埋隧道的劃分原則一般情況下是以隧道上覆巖層是否能形成天然拱作為深埋和淺埋隧道的分界原則，但具體值較難確定，目前在我國鐵路隧道和公路隧道設(shè)計中是以實際統(tǒng)計資料，按荷載等效高度來確定的，其判定公式為：（4-6）式中：Zn——深埋與淺埋隧道的分界深度，m；ha——荷載等效高度，m，按隧道實際坍方體統(tǒng)計平均高度計算：（4-7）式中符號意義同前。15精選ppt二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法15精選ppt當埋深Z＞Zn時為深埋隧道；當Z＜Zn時為淺埋隧道。一般在松軟的巖土體中取上限值，在較堅硬完整的巖體中取下限值，其它情況視具體情況而定。當?shù)孛嫠交蚪咏綍r，也可按表4-2所列的數(shù)值劃分深埋、淺埋隧道。表4-2圍巖級別Ⅰ、Ⅱ、ⅢⅣⅤⅥ隧道覆蓋深度（m）5-610-1218-2535-5016精選ppt當埋深Z＞Zn時為深埋隧道；當Z＜Zn時為淺埋隧道（二）淺埋隧道圍巖壓力確定方法淺埋隧道開挖后如不及時支護，地層就會產(chǎn)生大量坍塌或下沉，并會影響到地表形成一個塌陷區(qū)域，此時地層中將出現(xiàn)兩個滑動面，如圖4-2所示。淺埋隧道圍巖松動壓力分兩種情況分別計算。圖4-2淺埋隧道圍巖破壞情況17精選ppt（二）淺埋隧道圍巖壓力確定方法17精選ppt1．當埋深Z＜ha時，可忽略坍落體滑動面上的阻力，故作用在隧道襯砌上的垂直壓力等于上覆巖土體柱的重力，并視為均勻分布，則：（4-8）圍巖水平勻布壓力：（4-9）（4-10）式中：Z——隧道埋深，m；λ——側(cè)壓力系數(shù)，；Ht——隧道高度，m；φc——圍巖計算摩擦角。18精選ppt1．當埋深Z＜ha時，可忽略坍落體滑動面上的阻力，故作用在隧2．當ha≤Z＜Zp時，巖體中形成的滑動面是與水平面成β角的斜面，如圖4-3中的AC和BD。根據(jù)地層變形和隧道開挖后巖體的運動規(guī)律，假定洞頂上覆柱狀巖體FEGH下沉，則形成兩滑動面FH和EG，兩側(cè)巖體對其作用有支撐反力T。而當巖體ABCD下沉時，又受到未擾動巖體（滑動面以外）對其作用的反力N。三棱體BFD的受力如圖4-3（b）所示。三棱體ACE、BFD和FEGH共同處于平衡狀態(tài)。

19精選ppt2．當ha≤Z＜Zp時，巖體中形成的滑動面是與水平面成β角的因滑移面FH和EG并非真正的破裂滑動面，所以滑移面上的阻力T將小于破裂面阻力，并設(shè)滑移面的摩擦角為θ。由此可求得作用在隧道頂面HG上的垂直壓力Q：（kN）（4-11）式中：W——上覆巖體的重力；T——兩側(cè)三棱形巖體對洞頂下沉巖柱體的抗力。20精選ppt因滑移面FH和EG并非真正的破裂滑動面，所以滑移面上由圖4-3（b）所示，三棱體BFD由W2、T和N構(gòu)成平衡力系，三棱體自重力W2為（4-12）式中：γ——圍巖容重；H——隧道底板距地表的高度。由圖4-3（c）所示按正弦定理，（4-13）將式（4-12）代入式（4-13），得出抗力T的計算公式為：（4-14）式中：λ——側(cè)壓力系數(shù)，其值為：（4-15）

21精選ppt由圖4-3（b）所示，三棱體BFD由W2、T和N構(gòu)成平衡力系

（4-16）其中：θ——頂板巖柱兩側(cè)摩擦角；φc——圍巖計算摩擦角；β——產(chǎn)生最大推力的破裂角。22精選ppt

顯然θ值與巖體的物理力學性質(zhì)有著密切的關(guān)系，在計算時可以取一個經(jīng)驗數(shù)值，表（4-3）列出在計算圍巖壓力時各類圍巖的θ和φc取值。表4-3圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥθ73°60°43°23°12.5°7.5°φc＞78°67～78°55～66°43～54°31～42°≤30°23精選ppt顯然θ值與巖體的物理力學性質(zhì)有著密切的關(guān)系，在計算時可以取一由于GC、HD的長度與EG、FH相比較小，故摩擦阻力只計洞頂部分，式（4-14）中的H近似取隧道埋深Z。將由式（4-14）求得的T代入式（4-11），即求得作用在隧道頂面HG上的垂直壓力Q：（4-17）將代入，則（4-18）設(shè)作用在隧道頂部的單位垂直壓力為Pv，經(jīng)整理后，淺埋隧道垂直勻布壓力作用標準值按下式計算：（4-19）或（4-20）24精選ppt由于GC、HD的長度與EG、FH相比較小，故摩擦阻力只計洞頂式中：γ——圍巖重度（容重），KN/m3；B——隧道寬度（跨度），m；bk——垂直勻布作用的挾持系數(shù)，按表4-4取值。表4-4圍巖級別ⅣⅤⅥ圍巖重度r（kN/m3）20.518.516.0驗算拱部截面挾持系數(shù)0.100.080.01驗算邊墻截面挾持系數(shù)0.230.160.0825精選ppt式中：γ——圍巖重度（容重），KN/m3；圍巖級別ⅣⅤ淺埋隧道水平壓力按下式計算：

（4-21）26精選ppt淺埋隧道水平壓力按下式計算：26精選ppt三、偏壓隧道圍巖壓力的計算方法位于斜坡地帶的淺埋隧道，從隧道的橫斷面看，作用于隧道拱頂襯砌上的荷載將出現(xiàn)偏壓。假定偏壓分布圖形與地面坡形一致（如圖4-4），則作用于隧道拱頂?shù)拇怪眽毫τ上率接嬎悖海?-22）式中：Z、Zˊ——內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度（m）；

27精選ppt三、偏壓隧道圍巖壓力的計算方法27精選pptλ、λˊ——內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)，由下式計算：

（4-23）

（4-24）

（4-25）

（4-26）α——斜坡地面坡角（°）；β、βˊ——內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生最大推力時的破裂角（°）。偏壓隧道水平側(cè)壓力的計算：內(nèi)側(cè)：（4-27）外側(cè)：（4-28）式中：Zi、Ziˊ——內(nèi)、外側(cè)任意一點i至地面的距離（m）。28精選pptλ、λˊ——內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)，由下式計算：28精選ppt四、松動圍巖壓力計算實例例題一某單線鐵路隧道如圖4-5所示，寬度B=7.5m，高度Ht=8.8m，埋深Z=20m。圍巖等級為Ⅳ級，巖體容重γ=21.5KN/m3，圍巖計算摩擦角φc=53°。求隧道頂板及側(cè)墻的松動圍巖壓力。解題：1、求圍巖壓力計算高度，2、判斷＞（2.0-2.5），屬深埋隧道；3、由公式（4-5）計算頂板垂直圍巖壓力4、由表4-1知，隧道水平均布壓力29精選ppt四、松動圍巖壓力計算實例29精選ppt如果隧道埋深Z=8m，再求圍巖壓力。這種情況Z＜Zn，屬于淺埋隧道，應按公式（4-19）和（4-21）計算圍巖壓力。查表4-3，φc=53°θ=23°，則，，由式（4-16）和式（4-15）計算由公式（4-19）計算頂板垂直圍巖壓力

30精選ppt如果隧道埋深Z=8m，再求圍巖壓力。這種情況Z＜Zn，屬于由公式（4-21）計算側(cè)壁水平圍巖壓力由以上計算結(jié)果可看出，同是Ⅳ級圍巖，淺埋隧道所受的松動圍巖壓力比深埋隧道大，因此，靠近洞口淺埋段的支護襯砌需要加強。31精選ppt由公式（4-21）計算側(cè)壁水平圍巖壓力31精選ppt例題二如果上述隧道為雙線隧道，跨度B=12m，再計算圍巖壓力。解題：求圍巖壓力計算高度，當隧道埋深時為深埋隧道，由公式（4-3）計算頂板垂直圍巖壓力隧道水平均布壓力

當隧道埋深Z=8m時，屬于淺埋隧道。同上題，φc=53°θ=23°，，，，，計算頂板垂直圍巖壓力

側(cè)壁水平圍巖壓力與例題一相同。由此可見，隨著隧道跨度增大，洞頂圍巖松動壓力亦增大，因此隧道跨度加大，支護襯砌也應加強。32精選ppt例題二如果上述隧道為雙線隧道，跨度B=12m，再計算圍4.3.2形變圍巖壓力的確定地下洞室開挖后，圍巖在沒有松動塌落之前的變形階段，受到支護襯砌的支護抗力作用，使圍巖變形得到控制，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時，支護結(jié)構(gòu)將受到來自圍巖的擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起，故稱為“形變壓力”。對于軟弱或破碎的圍巖，一般表現(xiàn)出較強的塑性和流變特性，洞室開挖后圍巖的變形往往會持續(xù)較長的時間，因此，圍巖與支護間形變壓力的傳遞是一個隨時間的推進而逐漸發(fā)展的過程，這種現(xiàn)象稱為“時間效應”?？梢哉f，目前對形變壓力的確定還沒有成熟的具體方法。形變壓力的理論計算是以圍巖與支護的共同作用原理為指導思想，采用芬納、塔羅勃等人的彈塑性平衡理論公式（4-1）進行計算。如果以洞壁的位移ur控制形變壓力的變化，則可采用下列公式：

（4-29）33精選ppt4.3.2形變圍巖壓力的確定33精選ppt圍巖形變壓力特征曲線圖Ⅰ—芬納公式表述的特征曲線，Ⅱ—支護結(jié)構(gòu)工作曲線pauR0ⅠⅡumax34精選pptpauR0ⅠⅡumax34精選ppt在采用噴錨支護技術(shù)的地下工程中，形變壓力主要體現(xiàn)在混凝土噴層或噴錨支護與圍巖之間的接觸壓力上。因此，這種接觸壓力的實際量測成果可以作為分析形變壓力的依據(jù)，其結(jié)果可以作為確定形變壓力的參考。表4-5列出了國內(nèi)外一些隧道工程接觸壓力實際量測的成果。35精選ppt在采用噴錨支護技術(shù)的地下工程中，形變壓力主要體現(xiàn)在混根據(jù)這些量測數(shù)據(jù)，對噴錨支護結(jié)構(gòu)上的荷載性態(tài)分析如下：1．噴錨支護上的接觸壓力由兩個分量組成，即切向應力分量（σt）和徑向應力分量（σr），而且切向應力遠大于徑向應力，即σt＞σr。這種現(xiàn)象說明，噴混凝土支護與圍巖有較高的粘結(jié)力，它不僅能承受徑向應力，也能承受切向應力。切向荷載的存在可以減小荷載分布的不均勻程度，并且大大減小支護結(jié)構(gòu)中的彎矩，從而改善圍巖的受力狀態(tài)及支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀態(tài)。這與模筑混凝土襯砌與圍巖之間相互作用有很大不同。實踐表明，模筑混凝土襯砌與圍巖之間的回填層在接觸狀態(tài)上不能保證有足夠的粘結(jié)力，故而僅能傳遞徑向應力而不能承受切向應力。統(tǒng)計表明，噴錨支護條件下圍巖中的切向應力與徑向應力的比值（σt/σr）約在1.5-14之間，平均比值為7.24，多數(shù)比值在5-7之間，而且圍巖條件越好，比值越大，地質(zhì)條件越差，比值越小，這說明在不同的圍巖中，粘結(jié)效應是不同的。這種情況說明，在噴錨支護結(jié)構(gòu)的計算中，必須計及切向荷載的作用和影響，這是噴錨支護結(jié)構(gòu)上荷載的重要特征之一。36精選ppt根據(jù)這些量測數(shù)據(jù)，對噴錨支護結(jié)構(gòu)上的荷載性態(tài)分析如下：36精2．徑向接觸應力的統(tǒng)計平均值約為297kPa，徑向接觸應力與地質(zhì)條件、隧道跨度、隧道埋深以及噴層厚度等因素有關(guān)。從表4-5的數(shù)據(jù)看，這些因素對σr的影響雖然沒有明顯的規(guī)律性，但根據(jù)線性回歸分析可以大致看出，隧道跨度的影響顯著，隧道埋深的影響次之。隧道跨度（B）與徑向接觸應力σr之間的回歸分析結(jié)果如下式：（4-31）由式（4-31）繪制的徑向接觸應力σr在不同跨度下的變化曲線以及量測值散點圖示于圖4-6。式（4-31）表明，σr隨跨度的增大而略呈非線性增大。該式在跨度為5-11m范圍內(nèi)與量測值較為接近。37精選ppt2．徑向接觸應力的統(tǒng)計平均值約為297kPa，徑向接觸應力與3．隧道埋深的影響。埋深對接觸壓力σr值也具有一定的影響，一般隨埋深的增大，σr也有所增大，但不顯著。從量測值看，σr的平均值為297kPa，在埋深較小時，例如埋深在20m以內(nèi)的幾座隧道，σr值均小于平均值，約在100-150kPa；在中等埋深時，大體在平均值左右，即300kPa；埋深較大時，約增至400kPa左右。埋深的影響可采用下式表述：（4-32）式中：——由式（4-31）確定的壓力值；

K——埋深影響系數(shù)，當埋深H<20m時，K=0.85；50m<H<100m時，K=1.0；100m<H<500m時，K=1.25。38精選ppt3．隧道埋深的影響。埋深對接觸壓力σr值也具有一定的影響，一4．噴層厚度的影響。噴層厚度的影響并不明顯，表4-6表明，噴層較薄時（d＜10cm），影響很??；d=15-20cm時，σr值無顯著變化；而當d＞20㎝后，σr值有急劇增加的趨勢。表4-6如果以d/B作為支護相對剛度的指標，亦可得出相應的回歸方程：（4-33）式中：d——噴層厚度（m）；

B——隧道跨度（m）。σr值隨d/B的增大，即隨支護剛度的增大而呈非線性的增大。由此可見，為了充分發(fā)揮圍巖的承載能力，保證噴層柔性的力學特性是很重要的，即噴層厚度不宜過厚，以＜20㎝為宜。同時為保證噴層的支護結(jié)構(gòu)作用，其厚度也不宜過薄，應不小于8㎝。噴層厚度d（㎝）10152025σr值（kPa）9530636867539精選ppt4．噴層厚度的影響。噴層厚度的影響并不明顯，表4-6表明，噴4.4圍巖壓力的實測方法4.4.1直接量測法直接量測法是指采用各種壓力盒量測圍巖作用在襯砌或支護結(jié)構(gòu)上的接觸壓力的方法。這種方法是將壓力盒（或稱壓力傳感器）放置在襯砌或支護結(jié)構(gòu)與圍巖之間，并緊密接觸，使二者之間的壓力直接由壓力盒反映出來。目前用于這種量測的壓力盒主要有電阻式、電容式、電壓式和振弦式等幾種。振弦式壓力盒是電測壓力盒中最普遍的一種，其構(gòu)造如圖4-7所示。其工作原理是，當壓力盒上作用有壓力時，由于機械作用使鋼弦拉緊，鋼弦拉得越緊，則鋼弦的振動頻率就越高。這樣，當由接受器向壓力盒感應線圈輸入一脈沖電流時，線圈產(chǎn)生磁通，鐵芯對鋼弦產(chǎn)生瞬時吸力。電流中斷時，吸力消失，鋼弦彈起，從而激起鋼弦振動。作用壓力大小不同，則鋼弦振動的頻率也不同，這一振動頻率使得感應線圈產(chǎn)生感應電動勢，感應電動勢的頻率與鋼弦的自振頻率相同時，感應電動勢頻率通過導線輸回接受器，從而測出鋼弦的振動頻率。再根據(jù)壓力盒本身的標定曲線就可查出壓力盒上所受的圍巖壓力大小。在隧道施工中壓力盒的布置如圖4-8所示。

圖4-7振弦式壓力盒

圖4-8壓力盒布置方法40精選ppt4.4圍巖壓力的實測方法40精選ppt4.4.2間接量測法通過對襯砌或支護及圍巖的應力或應變的量測來推求圍巖壓力的方法稱為間接量測法。其中最為常用的方法是對圍巖變形（位移）的量測，在反演圍巖壓力的同時，用于評價圍巖的穩(wěn)定性以及確定圍巖松弛帶的范圍。一、襯砌（支護）和圍巖的應力或應變量測（一）應力解除法這種方法是在已經(jīng)承載的襯砌或支護結(jié)構(gòu)的表面貼上應變量測元件，如應變片、應變計等，然后解除襯砌或支護結(jié)構(gòu)上的應力，使其處于不受力狀態(tài)，從而測得解除前后襯砌或支護結(jié)構(gòu)上的應變值，按照應力應變的本構(gòu)關(guān)系以此反推襯砌或支護結(jié)構(gòu)上承受的壓力。應力解除法是建立在彈性理論基礎(chǔ)上的反演分析方法，同時對操作技術(shù)的要求較高，必須在嚴格的技術(shù)工藝條件下實施這項量測。41精選ppt4.4.2間接量測法41精選ppt（二）襯砌層內(nèi)埋設(shè)應變計法這種方法是在襯砌（支護結(jié)構(gòu)）施工時預先將應變元件（應變計）埋設(shè)在襯砌與圍巖之間，以測出襯砌（支護結(jié)構(gòu)）的內(nèi)外表面的應變變化，進而反推出圍巖壓力。圖4-9是在噴射混凝土施工中埋設(shè)的應變計。除此之外，在隧道施工中應用的還有一些其它應變量測元件，如鋼弦應變計、遙測應變計、混凝土應變磚等。

圖4-9噴射混凝土施工中埋設(shè)的應變計1-應變計；2-鐵釘；3-保護砂漿；4-引出電線42精選ppt（二）襯砌層內(nèi)埋設(shè)應變計法42精選ppt（三）電測錨桿法電測錨桿是一種特制的空心錨桿，在其內(nèi)壁貼有應變元件。在隧道施工中將其錨固在圍巖中，這樣電測錨桿就會隨著圍巖的變形而變形，這種變形通過應變元件測出，以此來推求圍巖壓力。圖4-10是電測錨桿的構(gòu)造圖。

圖4-10電測錨桿的構(gòu)造（剖面）1-錨桿；2-頂尖；3-工作片；4-補償片；5-校正片；6-引線43精選ppt（三）電測錨桿法43精選ppt二、位移量測在隧道施工中，通過對開挖斷面位移變化的監(jiān)測來分析判斷圍巖的穩(wěn)定性是很重要的工作，也是普遍采用的一種量測方法。常用的量測儀器是鋼弦式收斂計，其量測方法在第六章中介紹。另外，在位移量測中，還有鉆孔多點位移計、洞頂下沉位移量測等多種方法，鉆孔多點位移計可在同一測點量測4-12m圍巖深度范圍內(nèi)的位移，以此來判斷圍巖的穩(wěn)定性，為噴錨支護提供可靠的依據(jù)。44精選ppt二、位移量測44精選pptTheend45精選pptTheend45精選ppt感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)請及時聯(lián)系我們刪除，謝謝配合！感謝親觀看此幻燈片，此課件部分內(nèi)容來源于網(wǎng)絡(luò)，

第四章圍巖壓力4.1圍巖壓力理論概述一、古典山巖壓力理論二、塌落體理論三、彈塑性平衡理論四、與時間有關(guān)的變形控制理論4.2圍巖壓力的影響因素4.3圍巖壓力的確定4.3.1松動圍巖壓力的確定4.3.2形變圍巖壓力的確定4.4圍巖壓力的實測方法4.4.1直接量測法4.4.2間接量測法47精選ppt第四章圍巖壓力1精選ppt4.1圍巖壓力理論概述目前，人們對圍巖壓力的概念有著不同的理解。通常人們認為，圍巖壓力是指由于地下空間的開挖而引起圍巖的變形和破壞而作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載。而有的人則認為，圍巖壓力是圍巖中客觀存在的應力狀態(tài)，無論是否施作支護襯砌圍巖壓力都存在。在無支護情況下，圍巖壓力是由圍巖本身在承擔，當圍巖本身不能承受這個壓力時，就表現(xiàn)為圍巖的過量變形甚至坍塌破壞。所以，人們對圍巖壓力的認識是從開挖地下空間后圍巖的變形和坍塌的現(xiàn)象開始的。在施作支護襯砌后，人們又從支護結(jié)構(gòu)的變形、開裂等現(xiàn)象中進一步認識到圍巖壓力的存在。在堅硬穩(wěn)定的巖體中開挖洞室時，一般是不需要支護的，可是爆破時會發(fā)生圍巖松動及暴露后受到風化，故仍需要修筑支護結(jié)構(gòu)；在破碎巖體或松散地層中開挖洞室時，圍巖由于受到擾動自身不能維持穩(wěn)定而產(chǎn)生變形、松動、下沉或坍塌等現(xiàn)象。所有這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為圍巖壓力現(xiàn)象。為了防止圍巖的塌落破壞，保證隧道的設(shè)計建筑限界和凈空，就需要架設(shè)臨時支護或修筑永久性支護結(jié)構(gòu)。這種支護襯砌結(jié)構(gòu)承受的壓力，就是圍巖壓力，它是作用于隧道支護襯砌結(jié)構(gòu)上的主要荷載。48精選ppt4.1圍巖壓力理論概述2精選ppt巖石地下工程的支護可能有兩種極端情況：一種情況是，當圍巖中的應力達到峰值前，支護已經(jīng)到位，圍巖的進一步變形（包括其剪脹或擴容）破碎受到支護的阻擋，構(gòu)成圍巖與支護共同體，形成相互間的共同作用。如果支護有足夠的剛度和強度，則共同體是穩(wěn)定的，并且圍巖與支護在雙方力學特性的共同作用下形成巖體和支護結(jié)構(gòu)內(nèi)各自的應力、應變狀態(tài)。這種情況下支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力可以看成是“形變壓力”。另一種極端情況是，當圍巖中的應力達到峰值前，支護未及架設(shè)，甚至在圍巖破裂充分發(fā)展，支護仍未起作用，從而導致在隧道或洞室的頂板或側(cè)壁形成塌落或沿破裂面的滑落。這時支護結(jié)構(gòu)將承受塌落或滑落巖體傳遞來的壓力。這種情況下支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力可以看成是“松動壓力”。處在這兩種極端情況之間的是，圍巖應力達到峰值以后，巖體變形的發(fā)展在未完全破裂前，支護開始起作用，這時也可進入圍巖—支護共同作用狀態(tài)。這時，支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力仍可看成是“形變壓力”。由于支護受到的只是剩余部分的變形作用，因此支護結(jié)構(gòu)上所受的壓力要比第一種極端情況小，這對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定有利。變形作用的剩余部分越小，作用于支護結(jié)構(gòu)上的壓力就越小。但是，并非支護時間越晚越好，因為支護作用過晚可能會使圍巖進入第二種極端情況，即圍巖完全喪失自穩(wěn)能力而進入塌落破壞階段，從而失去支護與圍巖共同作用的意義。49精選ppt巖石地下工程的支護可能有兩種極端情況：3精選ppt圍巖壓力問題歷來是地下工程中、尤其是設(shè)計支護襯砌時最為關(guān)心的問題，因為它同邊坡的穩(wěn)定坡角、地基的承載力、壩基的摩擦系數(shù)一樣，直接影響到工程的造價和安全。正因為這一問題是隧道設(shè)計的主要依據(jù)，而且影響因素也很復雜，所以出現(xiàn)了許多有關(guān)圍巖壓力的理論和分析計算方法。由于有關(guān)圍巖壓力的理論太多，不能一一介紹和分析，僅對幾種對圍巖壓力的認識觀點作一些討論。50精選ppt圍巖壓力問題歷來是地下工程中、尤其是設(shè)計支護襯砌時最一、古典山巖壓力理論這種理論認為，地下洞室洞頂?shù)膲毫κ巧细矌r土體的重力，所以又稱為自重力理論。具有代表性的是海姆、朗肯及金尼克三種觀點，他們對洞頂垂直壓力的認識是一致的，即垂直壓力就等于洞頂巖土體的自重力。但是對于洞側(cè)壁的水平壓力則說法不一，海姆認為側(cè)向的水平壓力與垂直壓力相等，即靜水壓力假說；而朗肯從土力學的觀點認為，側(cè)向壓力應是上覆巖土體自重力乘以系數(shù)，其中為巖土的內(nèi)摩擦角；金尼克則從彈性力學出發(fā)，取自重力乘以側(cè)壓力系數(shù)（）來確定側(cè)向水平壓力，其中μ為泊松比。多年的理論研究和實踐證明，這些理論在絕大多數(shù)情況下是不適用的，而只能反應巖體中由于自重力而形成的初始應力，不能作為圍巖壓力來理解和應用。51精選ppt一、古典山巖壓力理論5精選ppt二、塌落體理論

這一理論是把洞室圍巖作為松散介質(zhì)來考慮的，認為洞室開挖后洞頂形成塌落體，其重力就是圍巖壓力。這一類理論具有代表性的是：①太沙基理論，②畢爾包麥爾理論和③普氏理論。太沙基根據(jù)洞頂水平土條塊下沉與側(cè)面摩阻力的平衡關(guān)系，求得洞頂矩形塌落體的塌落高度為，其中a是洞室跨度之半，為巖土的內(nèi)摩擦角，N為側(cè)向壓力系數(shù)，對于砂土為1.0。畢爾包麥爾認為洞頂塌落體為三角形斷面，最大塌落高度為。而普氏理論則認為洞頂?shù)乃潴w邊界為拱形，最大拱高為，fn為似摩擦系數(shù)，或稱普氏系數(shù)。以最大塌落高度的公式來看，這三種理論大同小異，太氏、畢氏在計算中直接用值，這是明確的力學指標，但認為洞頂塌落體是矩形或三角形在松散介質(zhì)中是不符合實際的。普氏理論在國際上有較大影響，在我國50年代到60年代曾被廣泛應用，但它在理論上和實踐中存在一些比較嚴重的問題，已在第二章2.1中論述。52精選ppt二、塌落體理論6精選ppt三、彈塑性平衡理論這一理論最早是芬納在20世紀30年代末提出的，后來由卡斯特那爾、卡考特、塔洛勃等人相繼應用和改進修正，目前成為拉勃塞維茨等人所倡導的“新奧法”的理論基礎(chǔ)。這種理論設(shè)想在洞室周圍由于重分布應力超過巖石的強度（屈服極限），形成塑性區(qū)，而在塑性區(qū)以外巖體仍處于彈性狀態(tài)，塑性區(qū)圍巖向洞內(nèi)發(fā)生徑向位移而作用于支護襯砌上的壓力即形成圍巖壓力，這種圍巖壓力與支護反力達到平衡狀態(tài)時，塑性區(qū)不再擴展。由于這種壓力是由圍巖位移變形引起的，故稱之為“形變壓力”，計算公式如下：

（4-1）式中：σ0為巖體中天然應力，φ為巖石的內(nèi)摩擦角，C為巖石的內(nèi)聚力，R0為圓形洞室半徑，R1為塑性區(qū)（圓形）半徑，UR0為洞壁的徑向位移，G是巖石的剪切模量。

這一理論表達了這樣一種思想，即形變壓力Pa是圍巖塑性圈半徑R1或洞壁位移UR0的函數(shù)，二者呈反比關(guān)系。開挖空間在設(shè)置支護前的收斂位移越大，支護結(jié)構(gòu)所需要約束的圍巖剩余變形就越小，即支護所承受的圍巖形變壓力越小，這說明圍巖在塑性變形過程中釋放了大量變形能，從而使作用在支護結(jié)構(gòu)上的形變壓力減小。圍巖在發(fā)生一定變形而未達到破壞之前具有自撐能力，即圍巖在由變形調(diào)整自身應力過程中具有一定的自穩(wěn)性能。拉勃塞維茨等人正是從芬納等人的理論中認識到了圍巖具有的這種自撐能力或自穩(wěn)性能，倡導了隧道施工“新奧法”，通過利用圍巖的自撐能力，對圍巖采取合理的支護設(shè)計和施工方法。53精選ppt三、彈塑性平衡理論7精選ppt四、與時間有關(guān)的變形控制理論這方面理論考慮了由于洞室開挖過程中圍巖變形和它的流變特性的作用具有與時間相關(guān)的特點，即圍巖的變形隨著時間的延續(xù)而不斷發(fā)展，因此，圍巖變形作用于支護結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的圍巖壓力其大小與支護的時間、洞室應力狀態(tài)以及巖石的流變參數(shù)有關(guān)。以簡單的粘彈性流變體（修正凱爾文模型）為例，在開挖圓形洞室后t0時間進行支護襯砌，其剛度為ks，襯砌上所受的隨時間變化的圍巖壓力為：（4-2）式中：G0為彈性元件的剪切模量，，η為粘性元件的粘滯系數(shù)，G1為粘彈性元件的剪切模量，σ0為圍巖中初始應力，G∞為長期剪切模量（）。54精選ppt四、與時間有關(guān)的變形控制理論8精選ppt4.2圍巖壓力的影響因素圍巖壓力問題是與圍巖的穩(wěn)定性問題相關(guān)聯(lián)的，穩(wěn)定性越好的圍巖所產(chǎn)生的圍巖壓力就越小。因此，影響圍巖穩(wěn)定性的因素也就是影響圍巖壓力的因素。前面已闡述影響因素的兩個方面，一方面是地質(zhì)因素，主要包括原始應力狀態(tài)、巖石的力學性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)特征等；另一方面是工程因素，包括施工方法、支護結(jié)構(gòu)的剛度及支護施作的時間、洞室形狀和尺寸、埋置深度等。前面提到的影響因素這里不必重復，只是強調(diào)支護施作的時間對圍巖壓力的影響。不論何種圍巖，在隧道開挖后的暴露時間均是越短越好?！靶聤W法”的原則中指出，隧道開挖后應盡快施作初期支護（噴錨支護），及時封閉圍巖，防止圍巖的松動、風化，也防止圍巖強度的喪失。然后通過監(jiān)控量測掌握圍巖的收斂變形動態(tài)規(guī)律，當圍巖的變形基本穩(wěn)定后再施作永久性襯砌。應該指出，這一原則是建立在圍巖具有良好的自穩(wěn)性能的基礎(chǔ)上的，如果圍巖不具有良好的自穩(wěn)性能，將會由變形而出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下不能僅依靠初期支護來維持圍巖的穩(wěn)定，而必須及時施作永久性襯砌，給圍巖提供所需的支護力，有效地阻止圍巖變形的發(fā)展，防止圍巖的松動坍塌而形成的松動壓力對支護的作用。因此，支護的是否及時就成為了圍巖壓力性質(zhì)及大小的一個關(guān)鍵性的重要因素。55精選ppt4.2圍巖壓力的影響因素9精選ppt4.3圍巖壓力的確定地下工程所處的地質(zhì)環(huán)境相當復雜，地應力和對地下結(jié)構(gòu)作用的傳遞情況也很復雜。因此，圍巖壓力的計算和確定仍是一個沒有完全解決的問題。目前圍巖壓力的確定方法一般有：現(xiàn)場量測法、理論計算法、統(tǒng)計法等。量測法是運用儀器實地量測圍巖壓力的大小，應該說是最具有說服力。但因量測技術(shù)手段方面的因素影響，量測的結(jié)果往往不能充分反映真實情況。理論計算是在對洞室圍巖及地質(zhì)環(huán)境作一些簡化假設(shè)的條件下運用一些成熟的計算理論對圍巖壓力進行計算，但由于圍巖的地質(zhì)條件復雜多變，計算時所用的各種參數(shù)難免與實際不符，因此現(xiàn)階段理論計算方法往往還需要配合其它方法進行驗證和校核。通過對實際工程的圍巖壓力值的統(tǒng)計分析而形成的經(jīng)驗計算方法，因具有簡單、可靠等特點而被廣泛應用。目前，在實際工程中往往采用上述幾種方法互相驗證。56精選ppt4.3圍巖壓力的確定10精選ppt4.3.1松動圍巖壓力的確定一、深埋隧道松動圍巖壓力的確定方法

所謂深埋隧道是指開挖的力學作用范圍沒有波及到地表，頂板圍巖能夠形成平衡拱。由于圍巖的“成拱作用”，其松動壓力僅是隧道周邊某一破壞范圍（平衡拱）內(nèi)地層的自重力，而與隧道的埋深無關(guān)。這種情況下，可以把圍巖壓力的計算歸結(jié)為確定平衡拱的形狀和范圍。我國鐵路部門根據(jù)以往鐵路隧道的坍方資料統(tǒng)計，分析歸納出圍巖松動范圍的大小，并建立了松動圍巖壓力的經(jīng)驗估算公式。由于所統(tǒng)計的坍方資料有限，加上坍方資料的背景不同或統(tǒng)計分析的前提假設(shè)不同，所得的經(jīng)驗公式也不同，所以這種經(jīng)驗公式只能在一定程度上反應圍巖松動壓力的形成及變化規(guī)律。57精選ppt4.3.1松動圍巖壓力的確定11精選ppt我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003—2005）經(jīng)過對1000多個坍方數(shù)據(jù)庫的統(tǒng)計與回歸，給出了鐵路雙線隧道圍巖垂直均布松動壓力Pv的計算公式為（4-3）與之相應的側(cè)向水平壓力（Ph）的計算公式為（4-4）或參照表4-1確定。式中：Pv——圍巖垂直勻布壓力，KN/m2；γ——圍巖重度（容重），KN/m3；ha——圍巖壓力計算高度，m；S——圍巖級別，如Ⅱ級圍巖即S=2。B——隧道的跨度；i——B每增減1m時圍巖壓力的增減率，當B＜5m時，取i=0.2，B≥5m時，可取i=0.1。η——視圍巖級別不同而按經(jīng)驗取值的側(cè)向壓力系數(shù)，0≤η≤1.0。公式（4-3）、（4-4）和表4-1適用條件為：①H/B＜1.7(H為隧道的高度)；②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性壓力的一般圍巖；③采用鉆爆法施工的隧道；④深埋隧道。58精選ppt我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》（TB10003—2005）表4-1鐵路單線隧道按概率極限狀態(tài)設(shè)計時的垂直壓力計算公式為（4-5）實際上，作用在隧道支護結(jié)構(gòu)上的松動圍巖壓力往往不是均勻的，因為圍巖的變形和破壞一般是受巖體結(jié)構(gòu)的控制，局部坍方往往是主要的。因此，除了確定圍巖松動壓力的數(shù)值外，還應結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征的分析，考慮圍巖壓力的分布狀態(tài)。圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平勻布壓力00.15Pv（0.15-0.30）Pv（0.30-0.50）Pv（0.50-1.00）Pv59精選ppt表4-1圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平勻布壓力00.15Pv（

我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70—2004）中對深埋隧道松動圍巖壓力的確定方法是：考慮不同地質(zhì)條件特征的圍巖，其穩(wěn)定性不一樣，因此作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力的性質(zhì)有所不同，其圍巖壓力的計算方法亦不同。

Ⅳ-Ⅵ級圍巖中深埋隧道的圍巖壓力可視為松動荷載，其垂直均布壓力及側(cè)向水平壓力可分別按公式（4-3）和（4-4）計算確定。對于Ⅰ-Ⅳ級圍巖中的深埋隧道，作用在支護結(jié)構(gòu)上的圍巖壓力主要是形變壓力，其數(shù)值應按開挖釋放荷載進行計算。在《規(guī)范》的附錄D中給出了釋放荷載的有限元計算方法。這里不做贅述。

60精選ppt我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70—2004）二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法對于淺埋隧道，由于形不成天然拱而不能用深埋隧道圍巖壓力的確定方法，而需通過研究淺埋隧道巖體的平衡條件，找出新的方法。(一)深埋、淺埋隧道的劃分原則一般情況下是以隧道上覆巖層是否能形成天然拱作為深埋和淺埋隧道的分界原則，但具體值較難確定，目前在我國鐵路隧道和公路隧道設(shè)計中是以實際統(tǒng)計資料，按荷載等效高度來確定的，其判定公式為：（4-6）式中：Zn——深埋與淺埋隧道的分界深度，m；ha——荷載等效高度，m，按隧道實際坍方體統(tǒng)計平均高度計算：（4-7）式中符號意義同前。61精選ppt二、淺埋隧道圍巖壓力的確定方法15精選ppt當埋深Z＞Zn時為深埋隧道；當Z＜Zn時為淺埋隧道。一般在松軟的巖土體中取上限值，在較堅硬完整的巖體中取下限值，其它情況視具體情況而定。當?shù)孛嫠交蚪咏綍r，也可按表4-2所列的數(shù)值劃分深埋、淺埋隧道。表4-2圍巖級別Ⅰ、Ⅱ、ⅢⅣⅤⅥ隧道覆蓋深度（m）5-610-1218-2535-5062精選ppt當埋深Z＞Zn時為深埋隧道；當Z＜Zn時為淺埋隧道（二）淺埋隧道圍巖壓力確定方法淺埋隧道開挖后如不及時支護，地層就會產(chǎn)生大量坍塌或下沉，并會影響到地表形成一個塌陷區(qū)域，此時地層中將出現(xiàn)兩個滑動面，如圖4-2所示。淺埋隧道圍巖松動壓力分兩種情況分別計算。圖4-2淺埋隧道圍巖破壞情況63精選ppt（二）淺埋隧道圍巖壓力確定方法17精選ppt1．當埋深Z＜ha時，可忽略坍落體滑動面上的阻力，故作用在隧道襯砌上的垂直壓力等于上覆巖土體柱的重力，并視為均勻分布，則：（4-8）圍巖水平勻布壓力：（4-9）（4-10）式中：Z——隧道埋深，m；λ——側(cè)壓力系數(shù)，；Ht——隧道高度，m；φc——圍巖計算摩擦角。64精選ppt1．當埋深Z＜ha時，可忽略坍落體滑動面上的阻力，故作用在隧2．當ha≤Z＜Zp時，巖體中形成的滑動面是與水平面成β角的斜面，如圖4-3中的AC和BD。根據(jù)地層變形和隧道開挖后巖體的運動規(guī)律，假定洞頂上覆柱狀巖體FEGH下沉，則形成兩滑動面FH和EG，兩側(cè)巖體對其作用有支撐反力T。而當巖體ABCD下沉時，又受到未擾動巖體（滑動面以外）對其作用的反力N。三棱體BFD的受力如圖4-3（b）所示。三棱體ACE、BFD和FEGH共同處于平衡狀態(tài)。

65精選ppt2．當ha≤Z＜Zp時，巖體中形成的滑動面是與水平面成β角的因滑移面FH和EG并非真正的破裂滑動面，所以滑移面上的阻力T將小于破裂面阻力，并設(shè)滑移面的摩擦角為θ。由此可求得作用在隧道頂面HG上的垂直壓力Q：（kN）（4-11）式中：W——上覆巖體的重力；T——兩側(cè)三棱形巖體對洞頂下沉巖柱體的抗力。66精選ppt因滑移面FH和EG并非真正的破裂滑動面，所以滑移面上由圖4-3（b）所示，三棱體BFD由W2、T和N構(gòu)成平衡力系，三棱體自重力W2為（4-12）式中：γ——圍巖容重；H——隧道底板距地表的高度。由圖4-3（c）所示按正弦定理，（4-13）將式（4-12）代入式（4-13），得出抗力T的計算公式為：（4-14）式中：λ——側(cè)壓力系數(shù)，其值為：（4-15）

67精選ppt由圖4-3（b）所示，三棱體BFD由W2、T和N構(gòu)成平衡力系

（4-16）其中：θ——頂板巖柱兩側(cè)摩擦角；φc——圍巖計算摩擦角；β——產(chǎn)生最大推力的破裂角。68精選ppt

顯然θ值與巖體的物理力學性質(zhì)有著密切的關(guān)系，在計算時可以取一個經(jīng)驗數(shù)值，表（4-3）列出在計算圍巖壓力時各類圍巖的θ和φc取值。表4-3圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥθ73°60°43°23°12.5°7.5°φc＞78°67～78°55～66°43～54°31～42°≤30°69精選ppt顯然θ值與巖體的物理力學性質(zhì)有著密切的關(guān)系，在計算時可以取一由于GC、HD的長度與EG、FH相比較小，故摩擦阻力只計洞頂部分，式（4-14）中的H近似取隧道埋深Z。將由式（4-14）求得的T代入式（4-11），即求得作用在隧道頂面HG上的垂直壓力Q：（4-17）將代入，則（4-18）設(shè)作用在隧道頂部的單位垂直壓力為Pv，經(jīng)整理后，淺埋隧道垂直勻布壓力作用標準值按下式計算：（4-19）或（4-20）70精選ppt由于GC、HD的長度與EG、FH相比較小，故摩擦阻力只計洞頂式中：γ——圍巖重度（容重），KN/m3；B——隧道寬度（跨度），m；bk——垂直勻布作用的挾持系數(shù)，按表4-4取值。表4-4圍巖級別ⅣⅤⅥ圍巖重度r（kN/m3）20.518.516.0驗算拱部截面挾持系數(shù)0.100.080.01驗算邊墻截面挾持系數(shù)0.230.160.0871精選ppt式中：γ——圍巖重度（容重），KN/m3；圍巖級別ⅣⅤ淺埋隧道水平壓力按下式計算：

（4-21）72精選ppt淺埋隧道水平壓力按下式計算：26精選ppt三、偏壓隧道圍巖壓力的計算方法位于斜坡地帶的淺埋隧道，從隧道的橫斷面看，作用于隧道拱頂襯砌上的荷載將出現(xiàn)偏壓。假定偏壓分布圖形與地面坡形一致（如圖4-4），則作用于隧道拱頂?shù)拇怪眽毫τ上率接嬎悖海?-22）式中：Z、Zˊ——內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面的高度（m）；

73精選ppt三、偏壓隧道圍巖壓力的計算方法27精選pptλ、λˊ——內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)，由下式計算：

（4-23）

（4-24）

（4-25）

（4-26）α——斜坡地面坡角（°）；β、βˊ——內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生最大推力時的破裂角（°）。偏壓隧道水平側(cè)壓力的計算：內(nèi)側(cè)：（4-27）外側(cè)：（4-28）式中：Zi、Ziˊ——內(nèi)、外側(cè)任意一點i至地面的距離（m）。74精選pptλ、λˊ——內(nèi)、外側(cè)的側(cè)壓力系數(shù)，由下式計算：28精選ppt四、松動圍巖壓力計算實例例題一某單線鐵路隧道如圖4-5所示，寬度B=7.5m，高度Ht=8.8m，埋深Z=20m。圍巖等級為Ⅳ級，巖體容重γ=21.5KN/m3，圍巖計算摩擦角φc=53°。求隧道頂板及側(cè)墻的松動圍巖壓力。解題：1、求圍巖壓力計算高度，2、判斷＞（2.0-2.5），屬深埋隧道；3、由公式（4-5）計算頂板垂直圍巖壓力4、由表4-1知，隧道水平均布壓力75精選ppt四、松動圍巖壓力計算實例29精選ppt如果隧道埋深Z=8m，再求圍巖壓力。這種情況Z＜Zn，屬于淺埋隧道，應按公式（4-19）和（4-21）計算圍巖壓力。查表4-3，φc=53°θ=23°，則，，由式（4-16）和式（4-15）計算由公式（4-19）計算頂板垂直圍巖壓力

76精選ppt如果隧道埋深Z=8m，再求圍巖壓力。這種情況Z＜Zn，屬于由公式（4-21）計算側(cè)壁水平圍巖壓力由以上計算結(jié)果可看出，同是Ⅳ級圍巖，淺埋隧道所受的松動圍巖壓力比深埋隧道大，因此，靠近洞口淺埋段的支護襯砌需要加強。77精選ppt由公式（4-21）計算側(cè)壁水平圍巖壓力31精選ppt例題二如果上述隧道為雙線隧道，跨度B=12m，再計算圍巖壓力。解題：求圍巖壓力計算高度，當隧道埋深時為深埋隧道，由公式（4-3）計算頂板垂直圍巖壓力隧道水平均布壓力

當隧道埋深Z=8m時，屬于淺埋隧道。同上題，φc=53°θ=23°，，，，，計算頂板垂直圍巖