任务三：围岩压力的确定

任务三：围岩压力的确定《隧道施工与检测技术》一、围岩压力类型1.松散压力隧道围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑或衬砌结构的主要荷载之一。其性质、大小、方向以及发生和发展的规律，对正确地进行隧道设计与施工有很重要的影响。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为松散压力。一、围岩压力类型1.松散压力一、围岩压力类型2.形变压力形变压力是指由于围岩变形受到与之密贴的支护(如锚喷支护等)的抑制，而使围岩在与支护结构共同变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。一、围岩压力类型3.膨胀压力由于围岩吸水而膨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别在于它是由吸水膨胀引起的。一、围岩压力类型4.冲击压力冲击压力是指围岩中积累了大量的弹性变形能之后，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、坑道开挖前后的应力状态1.坑道开挖前围岩的应力状态Hxσσyzσxyz地面隧道开挖前任一点的应力状态坑道开挖前，地层处于相对静止状态。地层中其中任何一处的土石都受到其上、下、左、右、前、后土石的挤压，保持着相对的平衡，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素决定的。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态坑道开挖后，围岩原来保持的平衡状态受破坏，由相对的静止状态变成显著的变动状态，于是围岩在应力和变形方面开始了一个新的变化运动，出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖的坑道空间交形，力图达到新的平衡。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态理论和实验证明，隧道开挖后，解除了部分围岩的约束，隧道周围初始应力将沿隧道一定范围重新分布，一般情况下，应力状态形成三个区域。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态Ⅰ区域称为低应力区，在有裂隙和破碎的岩石中或松软围岩中，由于岩体强度小，隧道开挖后，岩体不能承受急剧增大的周边应力而产生塑性变形，使隧道周边的围岩应力松弛而形成一个应力降低的区域，使高应力向岩体深处转移，被扰动的这部分岩体就开始向隧道内变形。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态Ⅱ区域称为高应力区，在应力重分布的过程中这个范围内岩体的应力升高，但强度尚未被破坏，实际相当于形成了一个承载环，起到承载的作用。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态Ⅲ区域为原始应力区，距离隧道较远的岩体未受到开挖的影响，仍处于原始的应力状态。二、坑道开挖前后的应力状态2.坑道开挖后围岩的应力状态

在极坚硬面完整的围岩中，隧道周边应力急剧增高，由于岩体强度大，未形成如松软破碎岩体那种变形过大和开裂坍塌的情况，因而不存在应力降低区，而只有高应力向原始应力过渡的重分布特点，所以往往不需要设置支护结构来提供外加平衡力。换句话说，这种隧道是自稳的。二、坑道开挖前后的应力状态哪一级围岩可能不存在应力降低区？三、围岩的成拱作用隧道在多裂隙围岩(包括一般土层)中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩松散压力远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的“成拱作用”来解释。当坑道开挖后，如果让其任意变形、松动和坍塌，最后将看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴，人们常称之为“天然拱”或“平衡拱”。它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，并将荷载重力向两侧传递下去，这就是所谓的围岩的成拱作用。三、围岩的成拱作用自然拱的形成

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，这种过程的最终产物就是人们所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”。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。坍落拱Hh围岩的成拱作用三、围岩的成拱作用形成过程

(a)变形阶段；

(b)松动阶段；

(c)塌落阶段；

(d)成拱阶段。三、围岩的成拱作用影响自然拱的因素：

●隧道埋深～成拱的必要条件。实践证明，只有当隧道埋深超过某一临界值时，才有可能形成自然拱。习惯上称这种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。●隧道断面形状和大小～拱的范围：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压力也越大；●施工因素～对围岩的扰动程度。如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。教学图纸中，哪一级围岩更加容易形成自然拱？为什么？四、影响围岩压力的因素因素3.坑道的埋置深度1.时间5.爆破4.支护2.坑道的形状和尺寸6.超挖回填影响围岩压力的因素教学图纸中，哪一级围岩所承受的围岩压力可能会更大？说说你的理由。五、围岩松动压力的确定方法3.衬砌（支护）和围岩的应力或应变量测2.间接量测法1.直接量测法五、围岩松动压力的确定方法1.深、浅埋隧道的判断原则深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方

法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定式为：

Hp=（2~2.5）hq

式中：

Hp——深浅埋隧道分界的深度（m）；

hq

——荷载等效高度（m）

q——围岩垂直均布压力（kPa）；

γ——围岩重度（kN/m3）；在钻爆法或浅埋暗挖法施工的条件下，Ⅳ~Ⅵ级围岩取Hp=2.5hq

；Ⅰ~Ⅲ级围岩取Hp=2.0hq

当隧道覆盖层厚度H＞Hp时为深埋，当H≤Hp时为浅埋。五、围岩松动压力的确定方法2.深埋单洞隧道拱部竖向围岩压力的计算式中ω——宽度影响系数，ω=1+i（B-5）。其中B为坑道宽度（m）；i为B每增减1m时的围岩压力增减率：当B<5m时，取=0.2；B>5m时，可取=0.1。上述计算隧道拱部竖向围岩压力的适用条件为：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采用钻爆法施工的隧道；⑤隧道开挖跨度小于15m。五、围岩松动压力的确定方法3.深埋单洞隧道围岩水平压力的计算式中e—水平均布压力（KN/m2）；λ—侧压力系数，可按上式计算，或按表2-25的规定采用；q—垂直均布压力（KN/m2）；φc—围岩计算摩擦角（°）（1）当围岩质量较好时（Ⅰ~Ⅲ级围岩），水平压力可按均匀分布荷载计算：五、围岩松动压力的确定方法3.深埋单洞隧道围岩水平压力的计算表2-25

围岩侧压力系数围岩级别Ⅰ~ⅡⅢⅣⅤⅥ侧压力系数0＜0.150.15~0.300.30~0.500.50~1.00五、围岩松动压力的确定方法3.深埋单洞隧道围岩水平压力的计算（2）当围岩质量较差时（Ⅳ~Ⅵ级围岩），水平压力可按梯形分布荷载计算：拱顶水平压力可按式2-12进行计算。边墙底部水平压力可按式2-13进行计算。式中：—边墙底部水平均布压力（KN/m2）；—侧压力系数，可按式（2-11）计算，或按表（2-25）的规定采用；

—垂直均布压力（KN/m2）；—隧道开挖高度（m）。

(（2-12）)

（2-13）互动：

以下哪种隧道最容易形成自然拱？A.特大断面隧道

B.特长隧道

C.深埋隧道

D.浅埋隧道题目一：

关于影响围岩压力的因素，下列说法正确的是（

）。A．围岩暴露的时间越长越好，利于自我平衡B