隧道工程圍巖壓力

隧道工程課件圍巖壓力第一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念1、圍巖壓力

隧道開(kāi)挖后，因圍巖變形或松散等原因，作用于洞室周邊巖體或支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。從狹義上來(lái)理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。在工程中一般研究狹義的圍巖壓力。第二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念1、圍巖壓力的分類（按作用力發(fā)生形態(tài)）

⑴松散壓力：是指由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。

⑵形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。

⑶膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。

⑷沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，第三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念⑴松散壓力：常通過(guò)下列三種情況發(fā)生：

①在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石；②在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落；③在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。第四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念⑵形變壓力：是指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(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。⑶膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。第五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念⑷沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問(wèn)題，所以它與彈性模量直接相關(guān)。彈性模量較大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就會(huì)突然猛烈的大量釋放。第六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念3、圍巖松散壓力的產(chǎn)生

開(kāi)挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞的范圍有大有小，對(duì)于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的“成拱作用”來(lái)解釋。第七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念

（1）階段的劃分隧道開(kāi)挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，頂板開(kāi)始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段；頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開(kāi)，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?dòng)，可視為松動(dòng)階段；頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段；頂板塌落停止，達(dá)到新的平衡，此時(shí)其界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。第八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念（2）自然拱的范圍

自然拱的范圍的大小除受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素：第九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的概念隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大；隧道的埋深：實(shí)踐證明，只有當(dāng)隧道埋深超過(guò)某一臨界值時(shí)，才有可能形成自然拱。習(xí)慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。由于淺埋隧道不能形成自然拱，所以，它的圍巖壓力的大小與埋置深度直接相關(guān)。施工因素：如爆破所產(chǎn)生的震動(dòng)，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過(guò)大，又如分部開(kāi)挖多次擾動(dòng)圍巖，也會(huì)引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。第十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四圍巖壓力的確定1、確定的方法2、一般規(guī)定第十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四確定方法圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：●直接量測(cè)法●經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法●理論估算法第十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四確定方法直接量測(cè)法：

是一種切合實(shí)際的方法，對(duì)隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測(cè)設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍常用。經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法：

是根據(jù)大量以前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。第十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四確定方法理論估算法：是在實(shí)踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素多，企圖建立一種完善的和適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論及計(jì)算方法是困難的。第十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四一般規(guī)定1、Ⅰ－Ⅳ級(jí)圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力主要為形變壓力，其值可按釋放荷載計(jì)算。2、Ⅳ－Ⅵ級(jí)圍巖中深埋隧道的圍巖壓力為松散荷載時(shí)，其垂直均布?jí)毫八骄級(jí)毫砂聪铝泄接?jì)算：應(yīng)用該公式時(shí)，必須同時(shí)具備下列條件：（1）H/B<1.7（2）不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的一般圍巖。第十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四一般規(guī)定圍巖豎向勻布?jí)毫按下式計(jì)算：

q=0.45×2s-1×γω(kN/m2)

式中：S—圍巖級(jí)別，如屬I(mǎi)I級(jí)，則S＝2；γ—圍巖容重，(kN/m3)；

ω＝1+i(B-5)—寬度影響系數(shù)；

B—隧道寬度，（m）；

i—以B＝5m為基準(zhǔn)，B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率。當(dāng)B<5m，取i＝0.2；當(dāng)B>5m,取i＝0.1。第十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四一般規(guī)定圍巖的水平勻布?jí)毫的確定，按下表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算圍巖級(jí)別I、IIIIIIVVVI水平勻布?jí)毫?<0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q第十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四一般規(guī)定3、淺埋隧道圍巖壓力的確定（1）深埋和淺埋隧道的判定原則（2）計(jì)算公式第十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四深埋和淺埋隧道的判定原則隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計(jì)算方法不同，應(yīng)以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”為原則。深埋隧道圍巖松散壓力值是以施工坍方平均高度(等效荷載高度值)為根據(jù)，為了形成此高度值，隧道上覆巖體就有一定的厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)深度通常為2～2.5倍的坍方平均高度值第十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四深埋和淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則

Hp＝（2～2.5）hq

式中:Hp—深淺埋隧道分界深度;

hq—荷載等效高度，按下式計(jì)算：

hq＝q/γq—深埋隧道豎向均布?jí)毫N／m2；

γ—圍巖容重（kN／m3）。第二十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四深埋和淺埋隧道的判定原則在礦山法施工的條件下I一III級(jí)圍巖取

Hp＝2hqIV～VI級(jí)圍巖取

Hp＝2.5hq

當(dāng)隧道覆蓋層厚度H≥Hp時(shí)為深埋，H＜Hp時(shí)為淺埋第二十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式1、埋深(H)小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，荷載視為均布豎向壓力q=γH式中:q—?jiǎng)虿疾钾Q向壓力；γ—深度上覆圍巖容重；H—隧道埋深，抬隧道頂至地面的距離。

第二十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式側(cè)向壓力e，按勻布考慮時(shí)，其值為：

e=γ(H+1/2Hi)tg2(450–Φ/2)式中:e—側(cè)向勻布?jí)毫Γ沪谩獓鷰r容重，以kN/m3計(jì)；

H—隧道埋深，以m計(jì)；Hi—隧道高度，以m計(jì)；

Φ一圍巖計(jì)算摩擦角，可查有關(guān)規(guī)范。第二十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式

Φ的取值圍巖級(jí)別計(jì)算內(nèi)摩擦角（度）Ⅰ＞７８Ⅱ70~78Ⅲ60~70Ⅳ50~60Ⅴ40~50Ⅵ30~40第二十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式2、埋深大于hq、小于等于Hp時(shí)第二十五頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式（1）坑道上覆土體下滑要考慮滑面阻力的影響，否則會(huì)算得過(guò)大的壓力值。（2）假定土體中形成的破裂面是一條與水平成β角度的斜直線（如圖所示）。（3）EFGH巖土體下沉，帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體（如圖中的FDB及ECA）下沉，整個(gè)土體ABDC下沉?xí)r，又要受到未擾動(dòng)巖土體的阻力。（4）斜直線AC或BD是假定的破裂面，分析時(shí)考慮內(nèi)聚力c并采用計(jì)算摩擦角φ。另一滑面FH和EG則并非破裂面，因此滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，該滑面的摩擦角應(yīng)小于φ。第二十六頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式采用松散介質(zhì)極限平衡理論進(jìn)行分析，即：圍巖松動(dòng)壓力=滑動(dòng)巖體重量－滑面上的阻力q淺＝Q淺/B=γH（1－H/B·λtgθ）

e=γ(H＋h)λ/2式中λ一側(cè)壓力系數(shù)，即：λ=(tgβ-tgΦ)/｛tgβ[1+tgβ(tgΦ-tgθ)+tgΦtgθ]｝

tgβ=tgΦ+｛(tg2Φ+1)tgΦ/(tgΦ-tgθ)｝1/2

第二十七頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四計(jì)算公式令dq淺/dH=0，可得qmax時(shí)的深度H：HP=B/(2λtanθ)qmax=γB/(4λtanθ)淺埋隧道圍巖壓力是隨坑道埋深H增加而增加的；當(dāng)?shù)扔谏盥袼淼篮奢d時(shí)，則圍巖壓力保持不變。在判定深埋隧道的分界時(shí)，若用上述理論公式，也可得出Hp值，但是往往與前述介紹的經(jīng)驗(yàn)公式差別較大。目前一般按經(jīng)驗(yàn)公式判別，而理論式作為參考。第二十八頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算1、產(chǎn)生偏壓的原因（1）地形上，洞頂覆蓋層較薄，地面橫坡顯著有傾斜的松散、軟質(zhì)或土質(zhì)圍巖，多見(jiàn)于洞口淺埋地段或傍山淺埋地段。（2）地質(zhì)上，圍巖為傾斜層狀結(jié)構(gòu)，層間粘結(jié)力差伴隨以有害節(jié)理裂隙切割或洞身有傾角較陡的軟弱結(jié)構(gòu)面，圍巖一部分較軟，一部分較硬。（3）施工期間因各種原因造成一側(cè)塌方，形成顯著偏壓。第二十九頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算2、偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算應(yīng)按其產(chǎn)生偏壓的原因分別考慮。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，一般在Ⅳ級(jí)及以上圍巖以地形引起的偏壓為主進(jìn)行計(jì)算；而在Ⅲ級(jí)及以下圍巖，因地質(zhì)構(gòu)造影響較大，則以地質(zhì)構(gòu)造的具體條件進(jìn)行計(jì)算。第三十頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算2、偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算(1)由地形引起偏壓的計(jì)算方法傍山淺隧道施工時(shí)，因支撐或襯砌下沉，以及超挖、回填不實(shí)等原因，引起洞身上部圍巖的下沉及隧道兩側(cè)地表開(kāi)裂，在巖體內(nèi)形成兩個(gè)非對(duì)稱的滑動(dòng)面。假定偏壓分布的圖形與地面坡一致。第三十一頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算2、偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算水平側(cè)壓力：內(nèi)側(cè)ei=γhiλ外側(cè)ei=γh1iλ1第三十二頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算2、偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算（2）由地質(zhì)構(gòu)造引起偏壓的檢算多發(fā)生在多裂隙層狀或塊狀巖體中，其情況復(fù)雜，尚無(wú)確定的計(jì)算方法，當(dāng)需要檢算時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：A、必須查明圍巖可能產(chǎn)生偏壓的被割裂或松動(dòng)的范圍大小B、盡量取得控制弱面的強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo)。C、當(dāng)為塊體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可近似地按巖塊剛體平衡的方法計(jì)算。當(dāng)一部分為軟層，另一部分為硬層時(shí)，可分別取用不同的指標(biāo)計(jì)算。第三十三頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四其他一些確定圍巖壓力的方法1、以坑道上方形成平衡拱為基礎(chǔ)的方法普氏理論：在松散介質(zhì)中開(kāi)挖隧道，在其上方會(huì)形成一拋物線平衡拱，這個(gè)平衡拱實(shí)際上就是破壞范圍，這個(gè)范圍內(nèi)的圍巖重量就是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所要承受的荷載第三十四頁(yè)，共三十七頁(yè)，編輯于2023年，星期四其他一些確定圍巖壓力的方法1、以松散介質(zhì)平衡理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法太沙基理論：巖體為有一定粘結(jié)力的松散介質(zhì)，當(dāng)坑道開(kāi)挖后，圍巖下沉?xí)r由