巖石地下工程之四圍巖壓力計(jì)算

巖石地下工程之四--圍巖壓力計(jì)算一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力(peripheralrockpressure)。注意:圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對(duì)支襯結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動(dòng)圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件：①巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；②深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動(dòng)變形。一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對(duì)支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要有地下水的作用。2、松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護(hù)襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動(dòng)和支護(hù)時(shí)間等因素。松動(dòng)圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無(wú)法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，只能對(duì)沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。二、圍巖壓力計(jì)算

1、形變圍巖壓力計(jì)算支襯結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖的支護(hù)力pi就是作用于支襯上的形變圍巖壓力當(dāng)R1愈大時(shí)，維持極限平衡所需的pi愈小。因此，在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當(dāng)擴(kuò)大塑性區(qū)，可以減小圍巖壓力。不僅處于彈性變形階段的圍巖有自承能力，處于塑性變形階段的圍巖也具有自承能力。pi取決于天然應(yīng)力σ0和巖體的Cm和φm。塑性圍巖的這種自承能力是有限的，當(dāng)pi降到某一低值pimin時(shí)，塑性圈就要塌落，這時(shí)圍巖壓力可能反而增大。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件和塑性區(qū)體積不變(即塑性變形時(shí)，只有形狀和尺寸的改變，而無(wú)體積的變化

)的條件,可由上式導(dǎo)出圍巖位移與支護(hù)反力之間的關(guān)系,即圍巖位移特性曲線:在實(shí)際工程中，如果忽略支襯與圍巖間回填層壓縮位移的情況下，uR0主要包括兩部分：洞室開挖后到支襯前的洞壁位移u0和支護(hù)襯砌后支襯結(jié)構(gòu)的位移u2。u0取決于圍巖性質(zhì)及其暴露時(shí)間，可實(shí)測(cè)u2取決于支襯型式和剛度，對(duì)于混凝土襯砌的圓形洞室，假定圍巖與襯砌共同變形，用厚壁筒理論計(jì)算u2pi隨uR0增大而減小，說(shuō)說(shuō)明適當(dāng)?shù)淖冃涡斡欣诮档蛧鷩鷰r壓力，減小小襯砌厚度。當(dāng)uR0達(dá)到塑性圈開始始出現(xiàn)時(shí)的位移移(uR0)R1(即圍巖開始出出現(xiàn)塑性變形)時(shí)，圍巖壓力力將出現(xiàn)最大值值pimax。隨uR0增大pi逐漸降低，到B點(diǎn)，pi達(dá)到最低值。之后，pi又隨uR0增大而增大。因此，支護(hù)襯砌砌必須在AB之之間進(jìn)行，越接近A點(diǎn)，pi越大，越近B點(diǎn)，pi越小。2、松動(dòng)圍巖壓壓力松動(dòng)圍巖壓力是是指松動(dòng)塌落巖巖體重量所引起起的作用在支護(hù)護(hù)襯砌上的壓力力。圍巖過度變形超超過了它的抗變變形能力，就會(huì)會(huì)引起塌落等松松動(dòng)破壞，這時(shí)時(shí)作用于支護(hù)襯襯砌上的圍巖壓壓力就等于塌落落巖體的自重或或分量。計(jì)算松動(dòng)圍巖壓壓力的方法主要要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理理論。(1)平衡拱理理論（又稱普氏氏理論）該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，，如不及時(shí)支護(hù)護(hù)，洞頂巖體將將不斷跨落而形形成一個(gè)拱形，，稱塌落拱。這個(gè)拱形最初不不穩(wěn)定，如果側(cè)側(cè)壁穩(wěn)定，拱高高隨塌落不斷增增高；反之，如如側(cè)壁也不穩(wěn)定定，則拱跨和拱拱高同時(shí)增大。。當(dāng)洞的埋深較大大時(shí)，塌落拱不不會(huì)無(wú)限發(fā)展，，最終將在圍巖巖中形成一個(gè)自自然平衡拱。作用于支護(hù)襯砌砌上的圍巖壓力力就是平衡拱與襯襯砌間破碎巖體體的重量，與拱拱外巖體無(wú)關(guān)。。曲線LOM為平衡拱拱，對(duì)稱稱于y軸軸。在半半跨LO段內(nèi)任任取一點(diǎn)點(diǎn)A，OA段的的受力狀狀態(tài)為：：半跨OM段對(duì)對(duì)OA的的水平作作用力Rx，Rx對(duì)A點(diǎn)的的力矩為為Rxy；鉛直直天然應(yīng)應(yīng)力σv在OA上上的作用用力σvx，它對(duì)對(duì)A點(diǎn)的的力矩為為σvx/2；；LA段段對(duì)OA段的反反力W，，它對(duì)A點(diǎn)的力矩為零零。設(shè)平衡拱拱的拱高高為h，，半跨為為b拱的方程程兩種自然然平衡拱拱的力學(xué)學(xué)模型和和相應(yīng)計(jì)計(jì)算方法法:第一種:坑道兩兩幫巖體體穩(wěn)定,頂部巖巖體不穩(wěn)穩(wěn)定;第二種:兩幫巖巖體也不不穩(wěn)定,發(fā)生剪剪切破壞壞,平衡衡拱跨度度擴(kuò)大堅(jiān)固性系系數(shù):巖體的普普氏系數(shù)數(shù),用f表示：：式中：為為巖巖石單軸軸抗壓強(qiáng)強(qiáng)度（））洞側(cè)壁穩(wěn)穩(wěn)定：洞頂圍巖巖壓力為為L(zhǎng)0M以下巖體體的重量量洞室、側(cè)側(cè)壁不穩(wěn)穩(wěn)定：洞的半跨跨將由b擴(kuò)大至b1，側(cè)壁巖體體將沿LE和MF滑動(dòng)，滑滑面與垂垂直洞壁壁的夾角角為α＝45°－φm/2。洞頂?shù)乃伤蓜?dòng)圍巖巖壓力p1為AA′′B′B塊體的的重量側(cè)壁圍巖巖壓力為滑移塊塊體A′′EL或或B′MF的自重重在水平平方向上上的投影影。按土壓力力理論計(jì)計(jì)算平衡拱理理論只適適用散體結(jié)構(gòu)構(gòu)巖體。洞室上覆覆巖體需需有一定定的厚度度(埋深H＞5b1)，才能形成成平衡拱拱。側(cè)壁圍巖巖壓力(2)太太沙基理理論假定跨度為2b的矩矩形洞室室，開挖挖在深度度為H的的巖體中中。開挖挖以后側(cè)側(cè)壁穩(wěn)定定，頂拱拱不穩(wěn)定定，沿面面AA′′和BB′發(fā)生生滑移。?；泼娴募羟星袕?qiáng)度τ為：：巖體的天然應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)為：取厚度為dz的薄層分析析薄層的自重dG＝2bρρgdz，極限平衡條件件當(dāng)z＝0時(shí)，，σv＝0當(dāng)z＝H時(shí)，，σv即為作用于洞洞頂單位面積積上的圍巖壓壓力，用q表表示為：側(cè)壁亦不穩(wěn)定定:側(cè)壁圍巖將沿沿與洞壁夾45°－φm/2角的面滑移將柱體A′ABB′′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻阻力，可得作作用于洞頂單單位面積上的的圍巖壓力q適用于散體結(jié)結(jié)構(gòu)巖體中開開挖的淺埋洞洞室。(3)塊體極極限平衡理論論地下洞室開挖挖后，圍巖中中的某些塊體體在自重作用用下向洞內(nèi)滑滑移。作用在在支護(hù)襯砌上上的壓力就是是這些滑體的的重量或其分分量。找出結(jié)構(gòu)面的的組合形式及及其與洞軸線線的關(guān)系。確定圍巖中可可能不穩(wěn)定楔楔形體(或分分離體)的位位置和形狀。。確定不穩(wěn)定體體塌落或滑移移的滑動(dòng)方向向、可能滑動(dòng)動(dòng)面的位置、、產(chǎn)狀和力學(xué)學(xué)強(qiáng)度參數(shù)。。對(duì)楔形體進(jìn)行行穩(wěn)定性計(jì)算算。如果楔形體處處于穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，其圍巖壓壓力為零；如如果不穩(wěn)定，，就要具體地地計(jì)算其圍巖巖壓力。步驟1)洞頂圍巖巖壓力作用在楔形體體的力：①圍巖重分布布應(yīng)力；②結(jié)構(gòu)面剪切切強(qiáng)度產(chǎn)生的的抗滑力；③楔形體的自自重G1。如果楔形體不不穩(wěn)定，則作作用于洞頂支支襯上的圍巖巖壓力pv就是該楔形體體的自重。側(cè)壁不穩(wěn)定楔形體DEFH所形成的側(cè)壁壁圍巖壓力ph等于楔形體的的重量在滑動(dòng)動(dòng)方向上的分分力減去滑動(dòng)動(dòng)面的摩阻力力后，在水平平方向上的分分力。若楔形體不穩(wěn)穩(wěn)定，則該楔楔形體產(chǎn)生的的側(cè)向圍巖壓壓力ph為：3、巖爆(rockburst)巖爆高天然應(yīng)力的的彈脆性巖體體地下開挖工程程開挖卸荷及特特殊的地質(zhì)構(gòu)構(gòu)造作用周邊巖體中應(yīng)應(yīng)力高度集中中，積聚于較較高的彈性應(yīng)應(yīng)變能當(dāng)開挖體圍巖巖中應(yīng)力超過過巖體的容許許極限狀態(tài)（1）巖爆的的產(chǎn)生條件1)圍巖應(yīng)力力條件判斷巖爆發(fā)生生的應(yīng)力條件件有兩種方法法：一是用洞壁的的最大環(huán)向應(yīng)力力σθ與圍巖單軸抗壓壓強(qiáng)度σc之比值作為巖巖爆產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力條件；一是用天然應(yīng)應(yīng)力中的最大主應(yīng)力σσ1與巖塊單軸抗壓壓強(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷斷。σ1／σc大大于0.165～0.35的脆性巖巖體最易發(fā)生生巖爆。經(jīng)驗(yàn)公式2)巖性條條件彈性變形能能系數(shù)ω：：加載到0.7σc后再卸載至至0.05σc時(shí)，卸載釋釋放的彈性性變形能與與加載吸收收的變形能能之比的百百分?jǐn)?shù)。當(dāng)ω＞70％時(shí)，會(huì)會(huì)產(chǎn)生巖爆爆，ω越大大發(fā)生巖爆爆的可能性性越大。應(yīng)變能消耗耗比：巖石單向壓壓縮時(shí)，達(dá)達(dá)到強(qiáng)度極極限前積累累于巖石內(nèi)內(nèi)的應(yīng)變能能與強(qiáng)度極極限后消耗耗于巖石破破壞的應(yīng)變變能之比。。式中：FOAB為曲線OAB包圍的的面積；FBAC為曲線BAC包圍的的面積。n＜1時(shí)，，不會(huì)發(fā)生生巖爆；n＞1時(shí)，，可能發(fā)生生巖爆。（2）影影響巖爆的的因素1)地質(zhì)構(gòu)構(gòu)造巖爆大都發(fā)發(fā)生在褶皺皺構(gòu)造中。。巖爆與斷層層、節(jié)理構(gòu)構(gòu)造密切相相關(guān)。當(dāng)掌掌子面與斷斷裂或節(jié)理理走向平行行時(shí)，容易易觸發(fā)巖爆爆。巖體中節(jié)理理密度和張張開度對(duì)巖巖爆有明顯顯的影響。。據(jù)南非金金礦觀測(cè)表表明，節(jié)理理間距小于于40cm，且張開開的巖體中中，一般不不發(fā)生巖爆爆。掌子面面巖體中有有大量巖脈脈穿插時(shí)，，也將發(fā)生生巖爆。2)洞室埋埋深隨著洞室埋埋深增加，，巖爆次數(shù)數(shù)增多，強(qiáng)強(qiáng)度也增大大。發(fā)生巖爆的的臨界深度度H可按下式估估算：（3）巖爆爆形成機(jī)理理和圍巖破破壞區(qū)分帶帶1)劈裂成成板階段（（巖爆孕育育）垂直洞壁方方向受張應(yīng)應(yīng)力作用而而產(chǎn)生平行行于最大環(huán)環(huán)向應(yīng)力的的板狀劈裂裂。僅在洞壁表表部，部分分板裂巖體體脫離母巖而剝落落，而無(wú)巖巖塊彈射出出現(xiàn)。2)剪切成成塊階段(巖爆的醞醞釀)劈裂巖板向向洞內(nèi)彎曲曲，發(fā)生張張剪復(fù)合破壞。處于爆裂彈彈射的臨界界狀態(tài)。3)塊、片片彈射階段段劈裂、剪斷斷巖板，產(chǎn)產(chǎn)生響聲和和震動(dòng)。巖塊發(fā)生彈彈射，巖爆爆形成。巖爆的漸進(jìn)進(jìn)性破壞過過程很短促促。各階段在演演化的時(shí)序序和發(fā)展的的空間部位位，都是由由洞壁向圍圍巖深部依依次重復(fù)更更迭發(fā)生的的。因此，，巖爆引起的的圍巖破壞壞區(qū)可以分彈射帶、劈劈裂-剪切切帶和劈裂帶等三帶。巖爆的預(yù)防防措施（1）“短進(jìn)尺、、多循環(huán)””:在巖爆多發(fā)發(fā)地段的開開挖進(jìn)尺嚴(yán)嚴(yán)格控制在在2.5m以內(nèi);采用光面爆爆破技術(shù):提高光爆爆效果，改改善洞壁應(yīng)應(yīng)力條件，，嚴(yán)格控制制線裝藥密密度及單耗耗，降低爆爆破動(dòng)應(yīng)力力場(chǎng)的疊加加，盡量減減少對(duì)圍巖巖的擾動(dòng)，，改善圍巖巖的應(yīng)力狀狀態(tài)。（2）提前釋放應(yīng)應(yīng)力:在開挖施工工前，沿洞洞壁先打ФФ28，L＝6m超超前錨