3围岩压力和设计方法资料

其次节围岩压力一、围岩压力及分类(一)围岩压力围岩压力是指引起地下开挖空间四周岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。(二)围岩压力分类

围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下几种类型：由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式干脆作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种状况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散懦弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿懦弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。1.松动压力

2.形变压力

形变压力是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.膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区分在于它是由吸水膨胀引起的。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。一类是地质因素；另一类是工程因素，它包括施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形态等。4.冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。二、影响围岩压力的因素三、围岩松动压力的形成和确定方法(一)围岩松动压力的形成坑道开挖后围岩由形变到坍塌成拱的整个变形过程，如图所示。(1)隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板起先沉陷，并出现拉断裂纹(图(a))，可视为变形阶段；(2)顶板的裂纹接着发展并且张开，由于结构面切割等缘由，渐渐转变为松动(图(b))，可视为松动阶段；(3)顶板岩体视其强度的不同而逐步塌落(图(c))，可视为塌落阶段；(4)顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形(图(d))，可视为成拱阶段。自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：隧道的形态和尺寸；隧道的埋深；施工因素。(二)确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法有：现场实地量测：按目前的量测手段和技术水平来看量测的结果尚不能充分反映真实状况理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，所用计算参数难以精确取值，目前还没有一种能适合于各种客观实际状况的统一理论统计的方法：在大量施工坍方事务的统计基础上建立起来的统计方法，在确定程度上能反映围岩压力的真实状况。1.深埋隧道围岩松动压力的确定方法(1)我国《隧规》所举荐的方法垂直匀布压力对于单线隧道为对于双线及多线隧道为：式中hq——等效荷载高度值；

S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；

γ——围岩的容重；ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)B——坑道宽度，以m计；i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝0.1。适用条件为：①H/B＜1.7(H为坑道的高度)；②深埋隧道；③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；④接受钻爆法施工的隧道。水平压力在上述产生竖向压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即围岩水平分布松动压力e，可用表中的阅历公式计算(一般取平均值)，其适用条件前式。除了确定压力的数值外，还要考虑压力的分布状态。围岩垂直松动压力的分布图或许可概括为以下四种，如图所示。另外，还应考虑围岩水平松动压力非匀整分布的状况。(2)普氏理论普氏认为，全部的岩体都不同程度被节理、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，其结构面上存在着不同程度的粘结力。岩体的抗剪强度现将岩体视为散粒体，但又要保证其抗剪强度不变，则。所以：式中——岩体的内摩擦角和似摩擦角；

——岩体的抗剪强度和剪切破坏时的正应力；

c——岩体的粘结力。

在具有确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，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量。而自然拱的形态和尺寸(即它的高度hk和跨度Bt)与岩体的坚实性系数f有关。具体表达式为：式中hk——自然拱高度；

bt——自然拱的半跨度。

在坚硬的岩体中，坑道侧壁较稳定，自然拱的跨度即为坑道的跨度，如图(a)所示。bt=bb——坑道的净跨之半。在松散和裂开岩体中，坑道的侧壁受到扰动而产生滑移，自然拱的跨度也相应加大，如图(b)所示。此时的bt值为式中b——坑道的净跨之半；

Ht——坑道的净高；——岩体的似摩擦角，。

围岩垂直均布松动压力：围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：(3)泰沙基理论泰沙基也将岩体识为散粒体，他认为坑道开挖后，其上方的岩体因坑道的变形而下沉，并产生如图所示的错动面OAB。假定作用在任何水平面上的竖向压应力是匀布的，相应的水平力λ为侧压力系数。在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带单元体，考虑其平衡条件，得出

绽开后，得解上述微分方程，并引进边界条件，得洞顶岩层中随意点的垂直压力为随着坑道埋深h的加大,趋近于零，则

泰沙基依据试验结果，得出λ＝1～1.5，取λ＝1，则式中，b、意义同上。如以＝f代入，得侧向均布压力则仍按朗金公式计算：2.浅埋隧道围岩松动压力的确定方法(1)深、浅埋隧道的判定原则式中——深浅埋隧道分界的深度；

——等效荷载高度值；单线隧道：双线隧道：(2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表而不能形成“自然拱”。从施工过程中岩体(包括土体)的运动状况可以看到，隧道开挖后如不刚好支撑，岩体即会大量坍落移动，这种移动会影响到地表并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面，如图所示。对于这样的状况，可以接受松散介质极限平衡理论进行分析。当滑动岩体下滑时，受到两种阻力作用：一是滑面上阻挡滑动岩体下滑的摩擦阻力；二是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。依据受力的极限平衡条件：滑动岩体重量＝滑面上的阻力+支护结构的反作用力(围岩松动压力)围岩松动压力＝滑动岩体重量一滑面上的阻力①隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq(即h≤hq)式中——围岩容重，以kN/m3计；

h——隧道埋置深度，以m计。围岩水平均布压力e按朗金公式计算

②隧道埋深h大于等效荷载高度hq(即h＞hq)隧道随着埋置深度增加，上覆岩体渐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必需考虑滑面上阻力的影响。施工中，上覆岩体的下沉和位移与很多因素有关，如支护是否刚好，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为便利计算，依据实践阅历作如下简化假定，如图所示。1)岩体中所形成的裂开面是一个与水平面成β角的斜直面；如图中的AC、BD。2)当洞顶上覆盖岩体FEGH下沉时受到两侧岩体的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体ACE和BDF的下滑，而当整个下滑岩体ABDHGC下滑时，又受阻于未扰动岩体。据此所形成的作用力有：洞顶上覆盖岩体EFHG的重量W1；两侧三棱体ACE、BDF的重量W2；两侧三棱体赐予下沉岩体EFDL的阻力T(对整个下滑岩体来说为内力)，T＝T1+T2；整个下滑岩体滑动时，两侧未扰动岩体赐予的阻力N。3)斜直面AC、BD是一个假定裂开滑面，该滑面的抗剪强度确定于滑面的摩擦角φ及粘结力c，为简化计算接受岩体的似摩擦角φ0。洞顶岩体EFHG与两侧三棱体之间的摩擦角θ与φ0是不同的。因为EG、FH面上并没有发生裂开面，所以它介于零与岩体内摩擦角之间。即0＜θ＜φ0。明显θ值与岩体的物理力学性质有着亲密的关系。在计算时可以取一个阅历数字，此处假定θ与φ0有关(见表)。还可以进一步把各类围岩具体的θ及φ0计算值列表。按力的平衡条件，可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值，其步骤如下：由图可知，作用在支护结构上总的垂直压力Q为a.求两侧三棱体对洞顶土体的挟制力T1取三棱体BDF(或ACE)作为脱离体分析(如图所示)，作用在其上的力有W2、T、F，其中W2为BDF的土体自重，T为隧道与上覆土体下沉而带动两侧BDF和ACE随着下滑时在FD面产生的带动下滑力，F为BD面上的摩擦阻力。由图(a)可知T=T1+T2，T1、T2分别为上覆土体部分和衬砌部分带动FD和EC面下滑时的带动力，其方向如图中所示。因此为了求出T1必需先求T。依据力的平衡条件，由图(c)所示的力三角形可求出T值。三棱体重量为

式中，为围岩容重；H、意义见图(a)。按正弦定理，有

将前式代入，化简后有

令

则

分析上式的物理含义可知，从散体极限平衡理论可知，T为FD面的带动下滑力，则即为FD面上侧压力系数，而T又为T1和T2之和，衬砌上覆土体下沉时受到两侧摩阻力为T1，这是我们所须要求的数值。b.求裂开面BD的倾角将求得的T1值代入前面Q的计算式，得c.求围岩总的垂直压力Q而，则即

d.求围岩垂直均布松动压力q

e.求围岩水平均布松动压力

对于傍山隧道，由于受有偏压，更易发生山体变形及滑动，围岩垂直松动压力强度(见图)：式中qi——探讨点围岩垂直压力强度；hi——探讨点隧道洞顶高度；W1——纵向每延米隧道洞顶岩体重量。隧道水平压力强度为：

3.围岩压力计算实例

如图所示单线铁路隧道，处在Ⅳ级围岩中，围岩容重γ＝21.5kN/m3，隧道跨度B＝7.4m，高度Ht=8.8m，φ0＝55°，θ=23°。如埋深h＝20m、8m、3m，试计算围岩压力。BHth(c)(d)(a)(b)hkBbBhkHt(a)(b)2450j+°Hdh2aOKσvtgφ2bBBAAσv+dσvKσvKσvOσvh45˚-φ/2Kσvtgφ45˚-φ/2围岩压力滑动面滑动土体未扰动土体支护结构反力TDBTNW2TvTHNFW2β－φ090˚－(β－φ0+θ)90

˚

+θφ0β(b)(c)NAφ0HCDFBNET1T1PW2W1βT2T2GW2βφ0hHθ(a)B岩体似摩擦角φ0θ岩体似摩擦角φ0

θ＜20°(0～0.1)

45°～50°(0.5～0.6)20°～30°(01～0.2)

50°～55°(0.6～0.7)

30°～35°(0.2～0.3)55°～60°(0.7～0.8)35°～40°(0.3～0.4)

60°～65°(0.8～0.9)

40°～45°(0.4～0.5)

＞65°0.9围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠθ角(度)7360432312.57.5φ角(度