隧道第4章-分级与压力

1、隧 道 工 程第四章 围岩分级与围岩压力湘潭大学土木工程与力学学院第4章 隧道围岩分级与围岩压力学习本章的学习本章的目的目的： （1 1）了解岩石的地质特性和物理力学性质）了解岩石的地质特性和物理力学性质 （2 2）了解隧道围岩分级时考虑的因素）了解隧道围岩分级时考虑的因素 （3 3）掌握隧道围岩压力的计算方法）掌握隧道围岩压力的计算方法 （4 4）理解隧道围岩稳定性的影响因素）理解隧道围岩稳定性的影响因素第4章 隧道围岩分级与围岩压力重点/掌握重点/难点/掌握什么是围岩？什么是围岩？隧道开挖后对其隧道开挖后对其稳定性稳定性产产生影响的那部分岩生影响的那部分岩( (土土) )体，叫围岩。围岩既

2、体，叫围岩。围岩既指指岩体也指土体岩体也指土体。隧道围岩分级作用隧道围岩分级作用 判断围岩稳定性判断围岩稳定性 判断施工难易程度，投资依据判断施工难易程度，投资依据 结构分析计算的依据结构分析计算的依据概述 岩石岩石是由具有一定结构构造的矿物（是由具有一定结构构造的矿物（含结晶和非结晶含结晶和非结晶的的）集合体组成的）集合体组成的。 岩石的力学性质取决于矿物成分及其相对含量。含硬度大的粒柱状矿物越多，则岩石强度越高；如石英、长石、角闪石、辉石等含硬度小的片状矿物越多，则岩石强度越低. 如云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等 地壳岩石中以硅酸盐硅酸盐、碳酸盐碳酸盐及氧化类矿物氧化类矿物最为常见，约占了

3、99.9%4.1 岩石的地质特征 常见的硅酸盐类矿物硅酸盐类矿物有长石、辉石、角闪石、橄榄长石、辉石、角闪石、橄榄石石及云母云母和粘土矿物粘土矿物等。这类矿物除云母和粘土矿物外，硬度大，呈粒、柱状晶形。 因此，含这类矿物多的岩石如花岗岩、闪长岩及玄武岩等，强度高，抗变形性能好。 但在各种风化用力下,易风化成高岭石、水云母等.4.1 岩石的地质特征长石辉石4.1 岩石的地质特征角闪石橄榄石4.1 岩石的地质特征云母4.1 岩石的地质特征粘土矿物属层状硅酸盐矿物，有高岭石、水云母及蒙脱石三类，具薄片状或鳞片状构造，硬度小； 含这类矿物多的岩石如粘土岩、粘土质岩，物理力学性质差，并具有不同程度的胀缩

4、性。4.1 岩石的地质特征蒙脱石高岭石4.1 岩石的地质特征 碳酸盐类矿物是石灰岩和白云岩类的主要造岩矿物。物理力学性质取决于岩石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，则强度高、抗变形和抗风化性能都比较好，如纯灰岩、白云岩等；泥质含量高的，则力学性质较差，如泥质炭岩等。另外，碳酸盐类矿物常发育岩溶现象。4.1 岩石的地质特征石灰岩白云岩4.1 岩石的地质特征 溶洞景观4.1 岩石的地质特征 氧化物类矿物以石英石英最常见，是地壳岩石的主要造主要造岩矿物岩矿物，呈等轴晶系，硬度大，化学性质稳定。因此，一般随石英含量增加，岩石的强度和抗变形性能都明显增强。石英岩石英岩4.1 岩石的地质特

5、征 岩石的矿物组成与其成因类型密切相关岩石的矿物组成与其成因类型密切相关。 岩石成因有哪几种？ 岩浆岩、沉积岩、变质岩三种 岩浆岩岩浆岩多以硬度大的粒柱状硅酸盐、石英等矿物为主，所以其岩石物理力学性质一般都很好。 沉积岩沉积岩中的粗碎屑岩如砂砾岩等。其碎屑多为硬度大的粒柱状矿物，岩块的力学性质除与碎屑成分有关外，在很大程度上取决于胶结物成分及其类型（钙质胶结物成分及其类型（钙质 铁质铁质 泥质）泥质）。 细碎屑岩如页岩、泥岩等，矿物成分多以片状的粘土矿物为主，其岩石力学性质一般很差。4.1 岩石的地质特征 变质岩变质岩的矿物组成与母岩类型及变质程度有关： 浅变质岩岩块力学性质较差，如千枚岩、板

6、岩等多含片状矿物（如绢云母、绿泥石及粘土矿物等）。 深变质岩力学性质较好，如片麻岩、混合岩、石英岩等，多以粒柱状矿物（如长石、石英、角闪石等）为主。4.1 岩石的地质特征 分胶结和结晶连接。 结晶通过共用原子/离子使不同晶粒紧密接触，强度较高 胶结通过胶结物， 硅质钙质泥质岩石结构：岩石内矿物颗粒大小、形状、粒间连接方式等岩石构造:矿物集合体之间排列方式， 如沉积岩的微层状、变质岩的片状.4.1 岩石的地质特征2.粒间连接方式1.定义1.风化的影响 随风化程度的加深，岩石的孔隙率和变形随着加大，强度降低，渗透性增强。4.1 岩石的地质特征 通过定性指标和定量指标 定性指标：颜色、破碎程度等 定

7、量指标：波速比Kv和风化系数Kf 波速比为风化岩石与新鲜岩石的波速的比值 风化系数为风化岩石与新鲜岩石的单轴抗压强的比值2.风化程度确定4.1 岩石的地质特征 分为5类，即全风化、强风化、弱/中风化、微风化和未风化。4.1 岩石的地质特征3.风化程度的分类0.2 组织结构全部破坏，已风化成土状，锹镐易挖掘，干钻易钻进，具可塑性残积土0.20.4 结构基本破坏，但尚可辨认，有残余结构强度，可用镐挖，干钻可钻进全风化 结构大部分破坏，矿物成分显著变化，风化裂隙很发育，岩体破碎，用镐可挖，干钻不易钻进强风化0.8 结构部分破坏，沿节理面有次生矿物，风化裂隙发育，岩

8、体被切割成块状，用镐难挖，岩芯钻方可钻进弱风化0.9 结构基本未变，仅节理面有渲染或略有变色，有少量风化裂隙微风化0.91.00.91.0 岩质新鲜，偶见风化痕迹未风化风化系数波速比风化程度参数指标野 外 特 征风化程度表4-1 岩石风化程度分类表1.概念 岩体由结构面及岩石组成。性质取决于结构面密度、连续性及其组合关系。岩石：均质、连续、基本各向同性岩体：非均质、不连续、各向异性，一般岩体强度岩石强度2.岩体与岩石区别3.岩体结构类型分5类,整体块状、块状、层状、碎裂状、散体状4.1 岩石的地质特征不稳定结构可能产生滑塌。特别是岩层的弯张破坏及软弱岩层的塑性变形接近均一的各

9、向异性体、其变形及强度特征受层面及岩层组合控制。可视为弹塑性体，稳定性较差有层理、片理、节理、常有层间错动面层 状板 状多韵律的薄层及中厚层状沉积岩、副变质岩层 状结 构整体强度较高、结构面互相牵制。岩体基本稳定，接近弹性各向同性体只具有少量贯穿性较好的节理型隙，裂隙结构面间距0.71.5m。一般为23组，有少量分离体块 状柱 状厚层状沉积岩、正变质岩、块状岩浆岩、变质岩块 状结 构不稳定结构的局部滑动或坍塌洞室的岩爆整体性强度高，岩体稳定，可视为均质弹性各向同性以原生构造节理为主，多呈闭合型，裂隙结构面间距大于2.5 m，一般不超过12组，无危险结构面组成的落石掉块巨 块状均质，巨块状岩浆岩

10、、变质岩，巨厚层沉积岩、正变质岩整 体块 状结 构可能发生的岩土工程问题岩土工程特征结构面发育情况主要结 构体 形状岩体地质类型岩体结构类型表4-2 岩体结构类型划分表易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳 完整性遭到极大破坏。稳定性极差，岩体属性接近松散体介质 断层破碎带交叉。构造及风化裂隙密集、结构面及组合错综复杂，并多充填粘性土，形成许多大小不一的分离岩块碎屑状颗粒状构造影响剧烈的断层破碎带，强风化带、全风化带散 体状 结构易引起规模较大的岩体失稳、地下水加剧岩体失稳 完整性破坏较大，整体强度很低，并受断裂等软弱结构面控制，多呈弹塑性介质。稳定性很差 断层、断层破碎带、片理、层理及

11、层间结构面较发育。裂隙结构面间距0.250.5m。一般在3组以上，由许多分离体碎 块状构造影响严重的破碎岩层碎 裂状 结构可能发生的岩土工程问题岩土工程特征结构面发育情况主要结 构体 形状岩体地质类型岩体结构类型(续)表4-2 岩体结构类型划分表第4章 隧道围岩分级与围岩压力指单位体积内岩石的重量，单位为kN/m3。 1 1岩石的重度岩石的重度VW(4-1)式中岩石重度（kN/m3）； W岩石试件的重量（kN）； V试件的体积（m3）。4.2 岩体的物理、力学性质 分干重度d、天然重度和饱和重度sat.在未指明含水状态时,一般是指岩石的天然重度.常见岩石的天然重度见表4-3。0.240.740

12、.53.20.410.023.026.2页 岩0.650.970.29.01.628.022.027.1砂 岩0.500.910.024.026.6砾 岩0.30.97.225.031.0玄武岩0.600.800.35.00.20.525.229.6闪长岩0.720.90.523.028.0花岗岩软化系数c吸水率wa (%)空隙率n（%）岩石重度/（kN/m3）岩石类型表4-3 常见岩石的物理性质指标表0.940.98.724.028.0石英岩0.390.50.523.028.0泥质板岩0.44

13、0.83.021.027.0石英片岩0.750.92.223.030.0片麻岩0.650.940.13.00.325.021.027.0白云岩0.440.540.53.01.010.021.027.0泥灰岩0.700.927.023.027.7石灰岩岩石类型表4-3 常见岩石的物理性质指标表(续)软化系数c吸水率wa (%)空隙率n（%）岩石重度/（kN/m3） 岩石中的孔隙孔隙及裂隙裂隙统称为岩石的空隙。有开型空开型空隙隙和闭型空隙闭型空隙之分。把岩石的空隙率分为总空隙率（n）、开空隙率（no）及闭空隙率（nc）：2 2岩石的空隙性

14、岩石的空隙性 %100)1(%100satdvVVn总空隙率 4.2 岩体的物理、力学性质 一般岩石空隙率系指总空隙率，见表4-3。空隙率愈大,岩石的强度愈小、塑性变形和渗透性恶化.%100VVnvooovccnnVVn%100式中 V、Vv、Vvo、Vvc分别表示岩石试件的体积及试件中空隙的总体积、开空隙体积及闭空隙体积。开空隙率 闭空隙率 4.2 岩体的物理、力学性质4.2 岩体的物理、力学性质指在一定的试验条件下岩石吸收水分的能力吸收水分的能力，常用吸水吸水率率与饱水系数饱水系数指标表示。3 3岩石的吸水性岩石的吸水性对比土的含水率对比土的含水率 岩石的吸水率（岩石的吸水率（wa a）指

15、岩石试件在一个大气压和室温条件下自由吸入水的重量（Ww1）与岩样干重量（Ws）之比的百分率，即100%1swaWWw 岩石的吸水率大小主要取决于岩石中空隙和裂隙的数量、大小及其开启程度，同时还受到岩石成因、时代及岩性的影响。常见岩石的吸水率见表4-3。4.2 岩体的物理、力学性质 岩石的饱和吸水率岩石的饱和吸水率（wsa）是指岩石试件在高压（一般压力15MPa）或真空条件下吸入水的重量（Ww2）与岩样干重量（Ws）之比的百分率，即100%2swsaWWw 岩石的饱和吸水率是表示岩石物理性质的一个重要指标。它反映了岩石总开空隙的发育程度，可间接地用它来判定岩石的抗风化能力和抗冻性。 饱水系数饱水

16、系数是指岩石的吸水率与饱和吸水率的比值。4.2 岩体的物理、力学性质 指岩石浸水饱和后强度降低的性质，用软化系数c表示。即岩石试件的饱和抗压强度（Rc）与干抗压强度（c）的比值，即:4 4岩石的软化性岩石的软化性 岩石的软化性取决于岩石的矿物组成与空隙性，常见岩石的软化系数见表4-3。由表可知，岩石均具有不同程度的软化性。 一般认为，软化系数c0.75的岩石是软化性较强和工程地质性质较差的岩石。cccR4.2 岩体的物理、力学性质4.2 岩体的物理、力学性质 岩石抵抗外力破坏的能力称为岩石的强度。岩石的破坏有拉破坏拉破坏、剪切破坏剪切破坏和流动破坏流动破坏岩石的强度有单轴抗压强度单轴抗压强度、

17、单轴抗拉强度单轴抗拉强度、剪切剪切强度强度、三轴压缩强度三轴压缩强度等等。1 1单轴抗压强度单轴抗压强度 在单向压缩条件下，岩石能承受的最大压应力，称为单轴抗压强度，简称抗压强度。 抗压强度是反映岩石基本力学性质的重要参数,与抗拉强度和剪切强度之间有着一定的比例关系.抗拉抗剪550坚硬岩，岩体完整，整体状或巨厚层状结构围岩基本质量指标BQ或修正的围岩基本质量指标BQ围岩或土体主要定性特征围岩级别表4-7 公路隧道围岩分级注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、多年冻土等。1. 岩石的强硬程度 岩石坚硬程度用岩石单轴饱和抗压强度单轴饱和抗压强度R Rc c表达。Rc一般采用实测值，也可

18、采用岩石点荷载强度换算。（硬岩30MPa，软岩60坚硬岩硬质石代表性岩石定性鉴定Rc/MPa名 称表4-8 岩石坚硬程度划分表4.3 围岩分级1 )全风化的各种岩石；2 )各种半成岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成团350.15极破碎碎裂状结构一般或差320350.350.15破碎中、薄层状结构一般镶嵌碎裂结构好0.40.23裂隙块状或中厚层结构节理、裂隙、层面、小断层差1.00.42310200.550.35较破碎块状结构好或一般1.00.423块状或巨厚层状结构节理、裂隙、层面差1.0123100.750.55较完整整体状或巨厚层结构节理、裂隙、层面好或一般1.0120

19、.75完整平均间距 / m组数相应结构类型主要结构面类型主要结构面的结合程度结构面发育程度Jv /(条/m3)Kv名称表4-9 岩体完整程度划分表注：平均间距指主要结构面（1-2组）间距的平均值；结构类型划分见表4-2。 节理较发育节理较发育4.3 围岩分级3. 围岩基本质量指标 围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标Rc值和Kv值按下式计算：BQ=90+3Rc+250Kv (4-22)4.3 围岩分级4.3 围岩分级 当Rc90Kv+30时，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)计算BQ值； 当Kv0.04Rc+0.4时，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)计算

20、BQ值。 当隧道围岩处于高地应力区或围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用或有地下水作用时，应对岩体基本质量指标BQ进行修正，修正值BQ按下式计算：注意：注意： 4.3 围岩分级 BQ=BQ 100（K1+K2+K3） (4-23)式中K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数； K3初始应力状态影响修正系数。 K1、K2、K3值可分别按表4-10 4-12确定，无表中所列情况时，修正系数取0。表4-10 地下水影响修正系数K1 1.00.60.2淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量10L/(minm)0

21、.1淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量450BQ地下水出水状态4.3 围岩分级0.20.40K2其它组合结构面走向与洞轴线夹角60，结构面倾角 75结构面走向与洞轴线夹角30，结构面倾角30 75结构面产状及其与洞轴线的组合关系0.51.00.51.0高应力区1.01.51.01.51.01.51.01.0极高应力区550初始应力状态表4-11 主要软弱结构面产状影响修正系数K2 表4-12 初始应力状态影响修正系数K3 注：初始应力状态根据表4-13判断。BQ4.3 围岩分级471)硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新

22、生裂缝较多，成洞性差；2) 软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差高应力41)硬质岩：开挖过程中有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差；2)软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞极高应力Rc /max主要现象应力情况表4-13 高初始应力地区围岩在开挖过程中出现的主要现象4.3 围岩分级4.3 围岩分级4. 各级围岩的物理力学参数 各级围岩的物理力学参数可按表4-14选用，结构面抗剪强度按表4-15选用30400.2200.40.51782.16033180028002

23、628计算摩擦角c()粘聚力C/MPa内摩擦角()泊松比变形模量E/GPa弹性抗力系数k/(MPa/m)重度 /(kN/m3)围岩级别表4-14 各级围岩物理力学指标标准值注：1.本表数值不包括黄土地层。 2.选用计算摩擦角时，不再计内摩擦角和粘聚力。4.3 围岩分级0.050.2237坚硬岩，结合好1粘聚力C/MPa内摩擦角()两侧岩体的坚硬程度及结构面的结合程度序号表4-15 岩体结构面抗剪断峰值强度 两点说明：两点说明： 设计阶段：设计阶段：采用修正后的围岩分级。采用修正后的围岩分级。 施工阶段：施工阶段：根据实际情况，进一步判定围岩根据实际情况，进一步判定围岩分级，依据仍然是：分级，依

24、据仍然是： 岩石坚硬程度围岩完整状态地下水软弱结构面初始地应力4.3 围岩分级 普氏方法是以岩石强度指标为基础以岩石强度指标为基础的围岩分类. 普氏认为：所有围岩都不同程度地被节理、裂隙所切割，可视围岩为散粒体。但围岩又不同于一般的散粒体，还存在不同程度的粘结力（内聚力）. 普氏系数/围岩坚固性fup值表达式为：cfup0tantan(4-24)式中、0围岩的似摩擦角和内摩擦角； 、围岩的抗剪强度和剪切破坏时的正应力； c围岩的粘聚力。4.3 围岩分级 岩石的坚固性系数是一个说明围岩条件性质的笼统的指标。不同的岩石通常用不同的经验计算公式求得：对于松散性岩石、土松散性岩石、土及砂质土砂质土：t

25、anupf对于坚硬岩石坚硬岩石：)150/1100/1 (cupRf对于软岩软岩：)100/180/1 (cupRf 对于粘土粘土或黄土黄土：tancupRcf式中 fup岩石坚固性系数； Rc岩石试件单轴饱和极限抗压强度（MPa）； 土体内摩擦角； c土的粘结力。4.3 围岩分级 普氏按坚固系数fup值进行围岩分类 普氏围岩分类法较简单，因为fup是岩石强度指标的一个反映； 但普氏分类法没有充分考虑围岩体的构造因素及稳定性。因此，围岩的fup不仅由岩石强度决定，而应当是由岩体强度决定，即： fup岩体kfup岩石 式中： k考虑地质条件的修正系数（实质是折减系数）。 4.3 围岩分级0.20

26、.0.6301516湿砂、粘沙土、种植土、泥炭、轻型粘土1.24518密实粘土、坚硬的冲积土601820碎石土壤、破碎片石、粘结的卵石和碎石、硬化粘土2.54236524软片岩、软石灰岩、破碎砂岩、胶结的卵石、块石土壤20.30.445347025不坚硬的片石、密实的泥灰岩、坚硬胶结的粘土30.30.457.546702528坚硬的板岩、不坚硬的砂岩及石灰岩，砾岩1068723025砂质片岩、片状砂岩50.40.510158127524普通砂岩60.40.5152

27、512208025坚硬的石灰岩、大理岩，不坚硬的花岗岩8基层k2105侧向k1105地层与衬砌间摩擦系数(侧向)弹性压缩系数/(kN/m3)似摩擦角()重度/(kN/m3)地层代表名称表4-17 普氏按fup值的围岩分类注：为圬工与围岩间摩擦系数。fup 太沙基分类是以岩层状态(岩体构造、岩体地质特征)为依据进行分类的。 围岩的定性描述比较概括，每类围岩都有一个相应的地压范围值。 分类是以有水条件为基础，当无水时，表中第47栏围岩的地压值要降低50%。 目前，欧美各国的地下工程中，仍广泛地采用太沙基围岩分类方法。4.3 围岩分级以坑道支护所需的地压值为对象进行分类要用圆形支撑，激烈时采用可缩性

28、支撑与(B+Ht)无关，一般达80m以上9膨胀性地质条件有很大侧压，必要时修仰拱，推荐采用圆形支撑(2.104.50) (B+Ht)8同上，但覆盖层较厚有很大侧压，必要时修仰拱，推荐采用圆形支撑(1.102.10) (B+Ht)7挤压变形缓慢的岩层（覆盖厚度中等）有一定侧压。由于漏水，隧道下部分变软，支撑下部要作基础。必要时可采用圆形支撑1.10(B+Ht)6完全破碎的，但不受化学侵蚀的侧压很小或没有(0.351.10) (B+Ht)5裂隙较多，块度小的岩层无侧压0.25B0.35(B+Ht)4有裂痕，块度一般的岩层采用轻型支撑，荷载局部作用，变化不规则(00.25)B3大块，有一般节理的采用

29、轻型支撑，荷载局部作用，变化不规则(00.5)B2坚硬的，呈层状或片状的岩层当有掉块或岩爆时，可设轻型支撑01坚硬的，无损害的说 明岩石荷载高度(m)岩层状态表4-18 太沙基围岩分类表注：表中B、Ht分别为坑道宽度及高度。4.3 围岩分级4.3 围岩分级分类总结：（1）岩石坚固性系数分类（2）太沙基理论分类（3）铁路围岩分类（4）人工岩石硐室围岩分类（5）水工隧道围岩分类Sz6245. 00NzBnz)2135. 0(22第4章 隧道围岩分级与围岩压力围岩压力围岩压力地层对洞室的作用力地层对洞室的作用力广义：包括有、无支护时的压力广义：包括有、无支护时的压力狭义：仅指对支护的压力狭义：仅指对

30、支护的压力1. 围岩压力的概念与分类4.4 围岩压力计算1 1松动压力松动压力2 2形变压力形变压力围围岩岩压压力力竖向压力竖向压力侧向压力侧向压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。3 3膨胀压力膨胀压力膨胀性岩层膨胀性岩层4 4冲击压力冲击压力明洞明洞/ /落石落石/ /暗洞暗洞/ /坍方坍方/ /岩爆岩爆4.4 围岩压力计算 影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素 地质因素地质因素 1.1.岩体初始应力状态岩体初始应力状态 2.2.岩石力学性质岩石力学

31、性质 3.3.岩体结构面岩体结构面 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.支护设置时间支护设置时间 3.3.支护本身刚度支护本身刚度 4.4.隧道断面形状等隧道断面形状等4.4 围岩压力计算2. 初始地应力场4.4 围岩压力计算 指隧道未开挖前，岩体的初始静应力场。主要受两个方面的影响： （1）和岩体的力学性质、构造特点、地形地貌、温度、重力等紧密相关； （2）与地壳运动、地下水的变化、人类活动有关。4.4 围岩压力计算初始应力场T自重应力分量；构造应力分量T4.4 围岩压力计算重力应力场Hxzyxzy地面图4-6 隧道开挖前任一点的应力状态假定：岩体水

32、平成层，地面平坦，岩体物性参数在xy平面均质，沿z方向非均质4.4 围岩压力计算)()(0zdzzzHz)(zxx)(zyy0zxyzxy4.4 围岩压力计算zx1zy1由弹性空间胡克定理推导得到水平应力分量：4.4 围岩压力计算对于多层不同岩石：niiizh1niihH1岩体自重应力场随岩层的深度呈线性变化，且水平应力总小于垂直应力，最大不超过垂直应力。4.4 围岩压力计算构造应力场 地层的构造较为复杂，由于地壳的运动，岩层会发生各种各样的变化，如变成各种倾斜状、弯曲状等，因此，围岩的初始应力场也将发生变化。 构造应力场是由地质体系在变化造形过程中所产生的应力，它与许多因素相关，一般很难用解

33、析函数表示出来。同时，由于构造应力场和地质的变化，造山运动等有关，因而，它具有明显的区域性，且随时间的推移会发生改变。4.4 围岩压力计算根据已有成果表明： （1）地质的构造过程不仅改变了地质的重力应力场，且有部分残余在岩体内，这些残有应力对隧道产生影响； （2）构造应力场在岩层一定深度内普遍存在。且由于地壳运动产生的拉、压和扭剪作用，局部的最大构造应力多为水平方向，其值往往大于重力应力场中的水平应力分量，甚至大于垂直应力分量； （3）构造应力具有明显的区域性和时间性。4.4 围岩压力计算hxzyxzy地面TThxThyThzT4.4 围岩压力计算初始地应力场，可用解析反演法和原位测试法确定。

34、解析法的结果仅为一般大概结果，多种因素影响下，误差较大地层中的岩体初始应力场是产生围岩压力的根地层中的岩体初始应力场是产生围岩压力的根本原因。本原因。 隧道开挖后，围岩原来保持的平衡状态受到破坏，出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖空间的变形，力图达到新的平衡二次应力状态 变形的大小取决于应力变化的大小和围岩抵抗这些变形的能力。4.4 围岩压力计算4.4 围岩压力计算3. 围岩压力的确定方法直接测量法直接测量法经验法经验法或工程类比法或工程类比法围岩压力围岩压力确定方法确定方法理论估算法理论估算法4.4 围岩压力计算 隧道开挖后围岩力学形态将经历“平衡变形、破坏、坍塌应力重分布新的平衡”的过程，

35、这种过程的最终产物就是人们所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”（图4-7）。 其上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。4. 围岩的成拱作用坍落拱Hh图4-7 围岩的成拱作用4.4 围岩压力计算 普氏理论认为坍落拱呈抛物线状，其高度为：upfbh (4-33)式中 h坍落拱高度(m)；b隧道跨度的一半(m)；fup普氏系数。4.4 围岩压力计算4.4 围岩压力计算 影响自然拱的因素：影响自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要条件成拱的必要条件 隧道断面形状和大小隧道断面形状和大小拱的范围拱的范围 施工因素施工因素对围岩的扰

36、动程度对围岩的扰动程度 我国现行隧道设计规范用数理统计的方法给出计算各级围岩坍塌高度的经验公式：与级别的关系？h=0.452S-11+i(B-5) (4-34)式中S围岩级别；B隧道宽度 (m)；iB每增减1m时围岩压力的增减率，以B=5m的围岩垂直均布压力为准，当B5m时，取i=0.2；当B5m时，取i=0.1。1. 松动压力计算 级及级围岩产生的围岩压力一般为松动压力，级围岩当岩体结构面胶结不好时，也可能产生松动压力。 松动压力包括垂直压力垂直压力及水平压力水平压力。4.4 围岩压力计算hq式中h坍落拱高度（m），按式（4-34）计算。 水平压力水平压力根据围岩级别而取相应的侧压力系数,

37、垂直压力：(0.51.0)q(0.30.5)q(0.150.3)q0.15q0水平匀布压力e、围岩级别表4-19 围岩水平匀布压力注：采用式(3-35)及表4-19计算深埋隧道围岩压力时，必须同时具备两个条件，即： H/B1.7，式中H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道。4.4 围岩压力计算2. 形变压力计算 级以下围岩隧道开挖后，变形的发展会持续较久的时间，喷射混凝土层将在同围岩共同变形的过程中对围岩提供支护，从而使围岩保持稳定。 与此同时，喷层将受到来自围岩的挤压力，这种挤压力由围岩变形引起，常称做“形变压力”。 围岩与支护间形变压力的传递是一个随时间的

38、推进而逐渐发展的过程。这类现象习称时间效应。 形变压力可采用有限元法计算。形变压力可采用有限元法计算。4.4 围岩压力计算 1. 浅埋或深埋隧道的分界深/浅埋隧道分界深度的计算公式如下：Hp = (22.5) hq 式中Hp深/浅埋隧道分界深度；hq荷载等效高度,即坍落拱高度。 矿山法施工，级围岩取Hp = 2.5 hq 级围岩取Hp = 2 hq4.4 围岩压力计算 2.埋深等效荷载高度时的围岩压力计算均布垂直压力：q = H 式中 H隧道埋深，指隧道拱顶至地面的距离。均布侧向压力-Rankine公式： 21()tan (45)22cteHH式中Ht隧道高度；c围岩计算摩擦角。 土柱法-回顾

39、土力学中挡土墙压力4.4 围岩压力计算 应该考虑滑动面上的阻力。作用力分析： 隧道上覆岩土体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为W1； 未扰动岩土体对滑动土体的阻力为F， 当EFHG下沉，两侧受到阻力T或T3.埋深大于等效荷载高度时的围岩压力计算4.4 围岩压力计算浅埋隧道围岩压力计算HhTBtFTW1F1WThpWHGAAEFBBDChcot-90+90-(+-)F1WTT4.4 围岩压力计算sin22TWTWQ浅(4-39) 三棱体自重为tan211hhW (4-40)式中 h坑道底部到地面的距离；破裂面与水平面的夹角。据正弦定理1)(90sin)sin(WT(4-41)则作用于HG 面上的垂直压力总值Q 浅为：4.4 围岩压力计算将式（4-40）代入式（4-41）可得cos212hT (4-42)式中侧压力系数，按下式计算 tantan)tan(tantan1 tantantanccctantantan) 1(tantantan2cccc4.4 围岩压力计算4.4 围岩压力计算 将式（4-42）代入式（4-39）可求得作用在HG面上的总垂直压力Q浅浅tansin