隧道工程-第4章 隧道围岩分级与围岩压力2

1、隧 道 工 程第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力(二)第 4 章 隧道围岩分级与围岩压力4.1 隧道围岩的概念与工程性质4.2 围岩的稳定性4.3 围岩分级4.4 围岩压力的确定2支 护稳定洞室4.4 围岩压力的确定原 岩（原始应力状态）隧道开挖形成毛洞3本节主要内容：岩体初始应力状态围岩压力定义与分类围岩松动压力的形成过程围岩松动压力的确定方法明洞压力的计算围岩压力的现场量测44.4 围岩压力的确定 1. 岩体初始应力状态 隧道开挖前未扰动的岩体应力状态也称原始应力或一次应力。 岩体初始地应力的两种类型： 自重应力：岩层自重引起的应力 构造应力：构造残余应力过去的地质构造运 动形成的地应力；

2、 新构造应力现在的地质构造运动 形成的地应力。4.4 围岩压力的确定4.4.1 岩体初始应力状态 5 1.岩体初始应力状态 初始应力自重应力构造应力 考虑到埋深较浅的隧道，构造应力一般释放掉了，在地质上来说，埋深较浅大约也在500m以内，绝大部分隧道都在这个范围内，故一般以自重应力为主。即初始地应力仅考虑自重应力。4.4.1 岩体初始应力状态 6 2.自重应力场 (1)概念：由岩体自重引起的(地心引力和离心惯性力共同作用的结果) (2)自重应力的计算 假定：岩体是均匀连续介质，可运用连续介质理论进行分析。4.4.1 岩体初始应力状态 7 2.自重应力场4.4.1 岩体初始应力状态 (2)自重应

3、力的计算 水平应力：（地层均匀时） 竖向应力： 8 2.自重应力场4.4.1 岩体初始应力状态 （3）自重应力场的一般规律： 地应力随深度呈线性增加 水平应力总是小于垂直应力，但随着深度的增加将逐渐趋于其相等，即趋近于静水压力状态。 （4）围岩初始应力场的确定方法 实地应力量测：应力解除法 应力恢复法 地质力学分析法9 3.构造应力场 由于地质构造产生的应力场 特点 属非稳定的应力场，即它在空间的分布极不均匀，而且随着时间的推移还在不断发生变化。 垂直应力的量值随深度增加而增大，而且水平应力普遍大于垂直应力。 水平主应力具有明显的各向异性。4.4.1 岩体初始应力状态 10 构造应力场例图11

4、 构造应力场例图12 构造应力场例图13 4.温度应力场 指岩体随埋深的增加地温也逐渐上升而对岩体施加的热应力(压应力)，这种现象仅在岩体较深情况下比较显著(=3/100)。 距地表很近岩体的温度应力影响可忽略不计。4.4.1 岩体初始应力状态 14 5.影响围岩初始应力场的主要因素 地质构造 地形和地貌 岩体的力学性质 地温 人类活动4.4.1 岩体初始应力状态 15 1.围岩压力的定义 是指隧道开挖后，引起洞室空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。围岩压力地层对洞室的作用力广义：包括有、无支护时的压力狭义：仅指对支护的压力4.4 围岩压力的确定4.4.2 围岩压力定义与分类 16 2.围岩

5、压力分类 （1）松动压力：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称松动(散）压力。 （2）形变压力：由于围岩变形受到支护结构的抑制，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）膨胀压力：由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力 （4）冲击压力：明洞落石、坍方、岩爆等产生的压力4.4.2 围岩压力定义与分类 其中前两种这是最重要的两种压力形态。17 （1）地质因素 岩体初始应力状态 岩石力学性质 岩体结构面 地下水等4.4.2 围岩压力定义与分类 3.影响围岩压力的因素184.4.2 围岩压力定义与分类 （2）工程因素 施工方法 支护设置时间 支护本

6、身刚度 隧道断面形状等3.影响围岩压力的因素19 1.围岩松动压力的形成 自然拱的概念：围岩的变形不能得到有效的控制，当变形超过一定限度后，围岩发生松动、坍落，最终在洞室上方形成拱形。 (a)变形阶段； (b)松动阶段； (c)塌落阶段； (d)成拱阶段。4.4 围岩压力的确定4.4.3 围岩松动压力的形成过程20自然拱作用图(a)变形阶段图(b)松动阶段图(c)塌落阶段图(d)成拱阶段4.4.3 围岩松动压力的形成过程214.4.3 围岩松动压力的形成过程22 2.影响自然拱的因素： 隧道埋深成拱的必要条件 隧道断面形状和大小拱的范围 施工因素对围岩的扰动程度4.4.3 围岩松动压力的形成过

7、程23 三种基本方法 (1)直接量测法 这是比较切合实际的方法，是发展方向，但因量测设备条件和技术水平所限，一时难以普遍采用。 (2)经验公式工程类比法 是根据大量实际工程资料的统计和总结，按不同围岩类别提出围岩压力的经验公式，作为后建隧道工程确定围岩的依据。4.4 围岩压力的确定4.4.4 围岩松动压力的确定方法24 三种基本方法 （3）理论分析方法 是在实践的基础上，从理论的角度来分析围岩压力的大小。现在较普遍采用的是现代岩体力学理论及数值模拟方法(有限元、差分)。 由于围岩状况千变万化，现有的围岩压力理论还不那么切合实际情况，因此，目前主要以第二种办法来估算工程中的围岩压力，并辅之以第一

8、种和第三种方法以解决特殊性问题，较复杂的隧道工程应进行实测。4.4.4 围岩松动压力的确定方法25 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法4.4.4 围岩松动压力的确定方法 当隧道的埋置深度超过一定限值后，围岩的松动压力仅是隧道周边某一破坏范围(天然拱)内岩体的重量，而与埋深无直接关系。即围岩压力的大小仅与围岩级别S 和隧道跨度 B 有关系26 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法 (1) 统计法我国隧规所推荐的方法 该公式是以工程类比为基础，根据西南铁路300多座铁路隧道坍方调查资料而拟定，它提出以拱顶平均坍落度作为围岩垂直荷载高度，调查资料统计如下表4.4.4 围岩松动压力的确定方法围岩级别坍方

9、高度0.61.22.34.710.019.027 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法 (1) 隧规法（统计法）：采用破损阶段法设计时式中 围岩容重； hq坍落拱高度； s 围岩级别； w 宽度影响系数，由 w=1+i（B-5）计算： B 坑道宽度，当 B5m时，取 i =0.2， 当 B5m时，取i =0.1。4.4.4 围岩松动压力的确定方法28围岩水平均布压力表围岩级别、水平均布压力00.15q( 0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q4.4.4 围岩松动压力的确定方法 (1) 统计法我国隧规所推荐的方法公式的适用条件： H/B1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显

10、著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法29 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法 (1) 隧规法（统计法）： 采用概率极限状态法设计时式中 围岩容重； s 围岩级别。4.4.4 围岩松动压力的确定方法30 据统计，围岩垂直松动压力的分布可概括为4种，如下图。几种图形中，各分布的合力是相等的。在分析支护结构时，一般以竖向和水平匀布荷载图形为主，并用局部压力、偏压以及其它非均匀分布的荷载图形进行校核。围岩竖向松动压力的分布图形 (1) 统计法我国隧规所推荐的方法4.4.4 围岩松动压力的确定方法 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法31 (2)普氏理论 假定

11、：所有的岩体都不同程度地被节理、裂隙所切割，因此可视为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上仍存在着不同程度的粘结力。 这种粘结力体现为摩擦力，以似摩擦系数f表示称其为岩体的“坚固性系数”。4.4.4 围岩松动压力的确定方法 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法32 (2)普氏理论 岩体坚固性系数f：是一个以岩体强度为主的指标，兼顾抗钻性、抗爆性、地下水等性质。 4.4.4 围岩松动压力的确定方法 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法33 (2)普氏理论 “自然拱” 普氏认为在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，而自然拱的尺寸（即它的高度和跨度）与岩体的

12、值有关。具体表达式为：4.4.4 围岩松动压力的确定方法图8-1 自然拱的两种形态34 围岩压力 作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重力 垂直匀布松动压力为 围岩水平匀布松动压力可按朗金公式计算4.4.4 围岩松动压力的确定方法 (2)普氏理论35 跨度 坚硬岩体: 松散破碎岩体： 式中: B自然拱跨度； Bt隧道净跨度； Ht隧道净高度。 一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。4.4.4 围岩松动压力的确定方法 (2)普氏理论36(3) 泰沙基理论 理论：散粒体理论。 假定： 破裂面为折线OAB 方法： 研究微分条带dh的平衡。 步骤： 1）V=0，建立微分方程 2）

13、解微分方程，并引入边 界条件：4.4.4 围岩松动压力的确定方法1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法37(3) 泰沙基理论1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法38 步骤： 1）V=0，建立微分方程得出 展开后得到 2）边界条件： 3）解微分方程，得： 4）讨论： 当埋深h 达到一定程度时， 为恒值： 取侧压力系数k=1， 则有： 与普氏法对照，能发现什么？4.4.4 围岩松动压力的确定方法 1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法(3) 泰沙基理论39 2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 隧道一般在洞口地段会存在浅埋情况，而且由于隧道位于地表，地质条件较差，施工过程中常易发生洞顶岩(土)体下沉，地表沉陷

14、，开裂和山体移动现象，说明上覆岩(土)体全部受到了开挖的影响。因此，前面介绍的成拱理论及其相应的围岩压力计算方法也不能适用于浅埋隧道中。 对于浅埋隧道中的围岩压力需从它的受力特征来进行分析。 4.4.4 围岩松动压力的确定方法40 2. 浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 深、浅埋隧道的判定原则 即深、浅理的分界。根据经验，这个深度通常为22.5倍的自然拱高度值，即 Hp（22.5）hq H Hp时为深埋HHp时为浅埋 H 为覆盖层厚度级围岩取：Hp2hq级围岩取： Hp2.5hq 4.4.4 围岩松动压力的确定方法41 (2) 松动压力的确定方法 滑动面的概念： 当隧道埋深不大时，开挖的影响将波

15、及到地表，岩体会向下移动形成一个坍陷区域，在隧道的两侧将会出现滑动面，如图所示。4.4.4 围岩松动压力的确定方法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法42 (2) 松动压力的确定方法 当滑动岩体下滑时，受到两种阻力作用： 1）滑面上阻止滑动岩体下滑的摩擦阻力； 2）支护结构的反作用力，这种反作用力的数值应等于滑动岩体对支护结构施加的压力，也就是我们所要确定的围岩松动压力。根据受力的极限平衡条件有 围岩松动压力滑动岩体重力一滑面上的阻力4.4.4 围岩松动压力的确定方法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法43 (2) 松动压力的确定方法 分两种情况计算： 土柱法 要点：忽略滑动面上的阻力。 适于：埋

16、深H hq 垂直压力： q=H 水平压力按朗金公式： Ht为隧道净高。4.4.4 围岩松动压力的确定方法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法44 一院法 重点： 当Hhq 时，应该考虑滑动面上的阻力。 分析下图： 2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法 (2) 松动压力的确定方法45 1）破裂面AC、BD 2）矩形EFHG下沉 带动三棱体ACE和BDF下滑 整个岩体ABDHGC下滑 受阻于未扰动岩体 3）作用力有： 矩形EFHGW1； 三棱体ACE,BDFW2； 三棱体与岩体EFDC之间 的摩阻力T=T1+T2； 阻力N。 (2) 松动压力的确定方法一院法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法46 (2

17、) 松动压力的确定方法一院法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法47 4）衬砌的支护力P、E的计算 由力的三角开平衡及正弦公式可求得三角形楔体(BFD)对洞顶垂直土柱的挟持力T，即 (2) 松动压力的确定方法一院法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法48 (2) 松动压力的确定方法一院法所以有：其中：侧压力系数 从上式中可以看到在 (似摩擦角)、 、h(埋深)为一定时，T便是破裂倾角的函数，即： 2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法49于是，T1可求得作用在支护结构上的垂直压力换算为垂直匀布压力 问题：令 ？ (2) 松动压力的确定方法一院法 取 ，经过推导和化简化，便可得到2.浅埋隧道围岩松动压力

18、的确定方法50 还可将垂直压力分布公式简写成 式中 压力折减系数水平匀布松动压力 按梯形分布时： 为匀布压力时： (2) 松动压力的确定方法一院法2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法51 (2) 松动压力的确定方法 一院法 5)与的区别 洞顶土柱EFH与两侧三棱体之间的摩擦角与破裂面AC、BD上围岩的似摩擦角0 是不相同的，因为EG、FH面上并没有发生破裂面。由于隧道开挖后，洞顶土柱有下沉趋势，而两侧三棱体有阻止它下沉的趋势，因此，沿EG或FH面必定有剪切力TV的存在，亦即 , ，故0。但是并未一定产生破裂面，所以0，因此，值必在00 之间。 见表4-8、和表4-9。2.浅埋隧道围岩松动压力的确

19、定方法52 (2) 松动压力的确定方法 一院法 对于坡度陡斜的浅埋隧道，在其围岩松动压力的公式中应考虑地形的影响。这种情况的计算图式如右所示，其围岩压力计算公式的推导方法与平坡时相同。 2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法53一院法：坡度陡斜的浅埋隧道54 设计明洞时，其荷载要按以下几项计算(p.97-99) 1.拱圈回填土垂直压力 2.拱圈回填土侧压力（两种情况） 4.4 围岩压力的确定4.4.5 明洞压力的计算55 3.边墙回填土石侧压力4.4.5 明洞压力的计算 特点：按回填土考虑荷载，所列公式按土力学中挡土墙压力理论得出，可参见土力学相关书籍。561.现场量测的目的 (1)验证理论公式的

20、实用性(精确度) (2)对隧道围岩进行稳定性判断 (3)为修改设计提供资料和数据 (4)施工监控，即对施工过程进行监测、控制、 管理等4.4 围岩压力的确定4.4.6 围岩压力的现场量测 572.围岩压力的量测方法 分为两类： （1）直接量测在支护结构背后埋设压力盒。所测得的围岩压力实际上是围岩与支护结构之间的接触应力，它可能是围岩的松动压力，也可能是一种既包含松动压力又包括因支护结构变形而引起的围岩抗力。 同时，这种接触应力的量值与分布形态除了与围岩特性有关外，在很大程度上还取决于支护结构与围岩之间的接触条件（如回填等）。4.4.6 围岩压力的现场量测 582.围岩压力的量测方法 （1）直接量测目前，国内最常用的土压盒是钢