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隧道工程课件围岩压力第1页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念1、围岩压力、围岩压力 隧道开挖后，因围岩变形或松散等原因，作用隧道开挖后，因围岩变形或松散等原因，作用于洞室周边岩体或支护结构上的压力。于洞室周边岩体或支护结构上的压力。从狭义上从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。力。第2页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念1、围岩压力的分类（按作用力发生形态）、围岩压力的分类（按作用力发生形态）松散压力：松散压力：是指由于开挖而松动或坍塌的岩体以是指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的压力。重力形式直接作用在支护结构的压力。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的是指由于围岩变形受到与之密贴的支护的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护抑制，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。结构施加的接触压力。膨胀压力：膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。的压力。冲击压力：冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，第3页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念 松散压力：松散压力：常通过下列三种情况发生：常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。第4页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念 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，而使围岩与支护结构共同变形过程锚喷支护等的抑制，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。形变压力除与围中，围岩对支护结构施加的接触压力。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。膨胀压力：膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。的。第5页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念 冲击压力：冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量之后，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。突然释放所产生的压力。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，就会突然猛烈的大量释放。宜条件，就会突然猛烈的大量释放。第6页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念3、围岩松散压力的产生、围岩松散压力的产生 开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，开挖隧道所引起的围岩松动和破坏的范围有大有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限局限在隧道周围一定深度在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩松散，作用在支护结构上的围岩松散压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用压力远远小于其上覆岩层自重所造成的压力，这可用围岩的围岩的“成拱作用成拱作用”来解释。来解释。第7页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念（1）阶段的划分）阶段的划分l隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；l顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；逐渐转变为松动，可视为松动阶段；l顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；阶段；l顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为成拱阶段。近似的拱形，可视为成拱阶段。第8页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念（2）自然拱的范围）自然拱的范围 自然拱的范围的大小自然拱的范围的大小除受上述的围岩地质条除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件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态外，还取决于以下诸因素：触状态外，还取决于以下诸因素：第9页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的概念l隧道的形状和尺寸隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自：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；然拱越高，围岩松散压力也越大；l隧道的埋深：隧道的埋深：实践证明，只有当隧道埋深超过某一临实践证明，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。由于浅埋隧道不能形成自然埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。拱，所以，它的围岩压力的大小与埋置深度直接相关。l施工因素：施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌方的重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。围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。第10页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力的确定1、确定的方法、确定的方法2、一般规定、一般规定第11页，共37页，编辑于2022年，星期三确定方法围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：直接量测法直接量测法 经验法或工程类比法经验法或工程类比法 理论估算法理论估算法第12页，共37页，编辑于2022年，星期三确定方法直接量测法：直接量测法：是一种切合实际的方法，对隧是一种切合实际的方法，对隧道工程而言，也是研究发展的方向；但由于道工程而言，也是研究发展的方向；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。普遍常用。经验法或工程类比法：经验法或工程类比法：是根据大量以前工程的实际是根据大量以前工程的实际资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力资料的统计和总结，按不同围岩分级提出围岩压力的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依的经验数值，作为后建隧道工程确定围岩压力的依据的方法。是目前使用较多的方法。据的方法。是目前使用较多的方法。第13页，共37页，编辑于2022年，星期三确定方法理论估算法：理论估算法：是在实践的基础上从理论上研究围岩压是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力力的方法。由于地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的因素多，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。第14页，共37页，编辑于2022年，星期三一般规定1、级围岩中的深埋隧道，围岩压力主要为形变级围岩中的深埋隧道，围岩压力主要为形变压力，其值可按释放荷载计算。压力，其值可按释放荷载计算。2、级围岩中深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，级围岩中深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，其垂直均布压力及水平均布压力可按下列公式计算：其垂直均布压力及水平均布压力可按下列公式计算：应用该公式时，必须同时具备下列条件：应用该公式时，必须同时具备下列条件：（1）H/B1.7（2）不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩。）不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩。第15页，共37页，编辑于2022年，星期三一般规定围岩竖向匀布压力围岩竖向匀布压力q按下式计算：按下式计算：q=0.45 2 s-1 (kN/m2)式中式中：S围岩级别，如属围岩级别，如属II级，则级，则S2；围岩容重，围岩容重，(kN/m3)；1+i(B-5)宽度影响系数；宽度影响系数；B 隧道宽度，（隧道宽度，（m）；）；i 以以B5m为基准，为基准，B每增减每增减1m时的围时的围岩压力增减率。岩压力增减率。当当B 5m,取取i 0.1。第16页，共37页，编辑于2022年，星期三一般规定围岩的水平匀布压力围岩的水平匀布压力e 的确定，按下表中的经验的确定，按下表中的经验公式计算公式计算围岩围岩级别级别I、IIIIIIVVVI水平匀水平匀布压力布压力00.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(0.51.0)q第17页，共37页，编辑于2022年，星期三一般规定3、浅埋隧道围岩压力的确定、浅埋隧道围岩压力的确定（1）深埋和浅埋隧道的判定原则）深埋和浅埋隧道的判定原则（2）计算公式）计算公式第18页，共37页，编辑于2022年，星期三深埋和浅埋隧道的判定原则深埋和浅埋隧道的判定原则l隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以以隧道顶部覆盖层能否形成隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱自然拱”为原则为原则。l深埋隧道围岩松散压力值是以施工深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度坍方平均高度(等效等效荷载高度值荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧道上覆为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度通常为通常为22.5倍的坍方平均高度值倍的坍方平均高度值第19页，共37页，编辑于2022年，星期三深埋和浅埋隧道的判定原则深埋和浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则 Hp（22.5）hq 式中式中:Hp深浅埋隧道分界深度深浅埋隧道分界深度;hq荷载等效高度，按下式计算：荷载等效高度，按下式计算：hqq/q深埋隧道竖向均布压力深埋隧道竖向均布压力 kNm2；围岩容重（围岩容重（kNm3）。）。第20页，共37页，编辑于2022年，星期三深埋和浅埋隧道的判定原则深埋和浅埋隧道的判定原则在矿山法施工的条件下在矿山法施工的条件下I一一III级围岩取级围岩取 Hp2hqIVVI级围岩取级围岩取 Hp2.5hq 当隧道覆盖层厚度当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，时为深埋，HHp时为浅埋时为浅埋第21页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式计算公式1、埋深、埋深(H)小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度hq时，时，荷载视为均布竖向压力荷载视为均布竖向压力 q=H式中式中:q匀布布竖向压力；匀布布竖向压力；深度上覆围岩容重；深度上覆围岩容重；H隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。隧道埋深，抬隧道顶至地面的距离。第22页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式计算公式侧向压力侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：，按匀布考虑时，其值为：e=(H+1/2 Hi)tg2(450 /2)式中式中:e 侧向匀布压力；侧向匀布压力；围岩容重，以围岩容重，以kN/m3计；计；H 隧道埋深，以隧道埋深，以m计；计；Hi 隧道高度，以隧道高度，以m计；计；一围岩计算摩擦角，可查有关规范。一围岩计算摩擦角，可查有关规范。第23页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式计算公式 的取值围岩级别计算内摩擦角（度）70786070506040503040第24页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式2、埋深大于、埋深大于hq、小于等于、小于等于Hp时时第25页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式（1）坑道上覆土体下滑要考虑滑面阻力的影响，否则会算得过大的）坑道上覆土体下滑要考虑滑面阻力的影响，否则会算得过大的压力值。压力值。（2）假定土体中形成的破裂面是一条与水平成）假定土体中形成的破裂面是一条与水平成 角度的斜直线（如角度的斜直线（如图所示）。图所示）。（3）EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱土体（如图中的岩土体下沉，带动两侧三棱土体（如图中的FDB及及ECA）下沉，整个土体）下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。（4）斜直线）斜直线AC或或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c并采用计算摩擦角并采用计算摩擦角。另一滑面。另一滑面FH和和EG则并非破裂面，因此则并非破裂面，因此滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，该滑面的摩擦角应小于滑面阻力要小于破裂滑面的阻力，该滑面的摩擦角应小于。第26页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式采用松散介质极限平衡理论进行分采用松散介质极限平衡理论进行分析，析，即：围岩松动压力即：围岩松动压力=滑动岩体重量滑动岩体重量滑面上的阻力滑面上的阻力q浅浅 Q浅浅/B=H（1H/Btg）e=(Hh)/2式中式中一侧压力系数一侧压力系数，即：，即：=(tg-tg)/tg1+tg(tg-tg)+tgtg tg=tg+(tg2+1)tg/(tg-tg)1/2 第27页，共37页，编辑于2022年，星期三计算公式令令dq浅浅/dH=0，可得，可得qmax时的深度时的深度H：HP=B/(2tan)qmax=B/(4tan)浅埋隧道围岩压力是随坑道埋深浅埋隧道围岩压力是随坑道埋深H增加而增加的；当等于深埋增加而增加的；当等于深埋隧道荷载时，则围岩压力保持不变。隧道荷载时，则围岩压力保持不变。在判定深埋隧道的分界时，若用上述理论公式在判定深埋隧道的分界时，若用上述理论公式，也可得出，也可得出Hp值，值，但是往往与前述介绍的经验公式差别较大。目前一般按经验公式但是往往与前述介绍的经验公式差别较大。目前一般按经验公式 判别，判别，而理论式作为参考。而理论式作为参考。第28页，共37页，编辑于2022年，星期三偏压隧道围岩压力的计算1、产生偏压的原因、产生偏压的原因（1）地形上，洞顶覆盖层较薄，地面横坡显著有倾斜的松散、软质）地形上，洞顶覆盖层较薄，地面横坡显著有倾斜的松散、软质或土质围岩，多见于洞口浅埋地段或傍山浅埋地段。或土质围岩，多见于洞口浅埋地段或傍山浅埋地段。（2）地质上，围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差伴随以有害）地质上，围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差伴随以有害节理裂隙切割或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较节理裂隙切割或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较软，一部分较硬。软，一部分较硬。（3）施工期间因各种原因造成一侧塌方，形成显著偏压。）施工期间因各种原因造成一侧塌方，形成显著偏压。第29页，共37页，编辑于2022年，星期三偏压隧道围岩压力的计算2、偏压隧道围岩压力的计算、偏压隧道围岩压力的计算偏压隧道围岩压力的计算应按其产生偏压的原因分别考虑。根偏压隧道围岩压力的计算应按其产生偏压的原因分别考虑。根据以往经验，一般在据以往经验，一般在级及以上围岩以地形引起的偏压为主进级及以上围岩以地形引起的偏压为主进行计算；而在行计算；而在级及以下围岩，因地质构造影响较大，则以地级及以下围岩，因地质构造影响较大，则以地质构造的具体条件进行计算。质构造的具体条件进行计算。第30页，共37页，编辑于2022年，星期三偏压隧道围岩压力的计算2、偏压隧道围岩压力的计算、偏压隧道围岩压力的计算(1)由地形引起偏压的计算方法由地形引起偏压的计算方法傍山浅隧道施工时，因支撑或衬砌下沉，以及超挖、回填不实傍山浅隧道施工时，因支撑或衬砌下沉，以及超挖、回填不实等原因，引起洞身上部围岩的下沉及隧道两侧地表开裂，在岩等原因，引起洞身上部围岩的下沉及隧道两侧地表开裂，在岩体内形成两个非对称的滑动面。体内形成两个非对称的滑动面。假定偏压分布的图形与地面坡一致。假定偏压分布的图形与地面坡一致。第31页，共37页，编辑于2022年，星期三偏压隧道围岩压力的计算2、偏压隧道围岩压力的计算、偏压隧道围岩压力的计算水平侧压力：水平侧压力：内侧内侧ei=hi外侧外侧ei=h1i1第32页，共37页，编辑于2022年，星期三偏压隧道围岩压力的计算2、偏压隧道围岩压力的计算、偏压隧道围岩压力的计算（2）由地质构造引起偏压的检算）由地质构造引起偏压的检算多发生在多裂隙层状或块状岩体中，其情况复杂，尚无确定的多发生在多裂隙层状或块状岩体中，其情况复杂，尚无确定的计算方法，当需要检算时，应注意以下几点：计算方法，当需要检算时，应注意以下几点：A、必须查明围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小、必须查明围岩可能产生偏压的被割裂或松动的范围大小B、尽量取得控制弱面的强度计算指标。、尽量取得控制弱面的强度计算指标。C、当为块体运动时，可近似地按岩块刚体平衡的方法计算。、当为块体运动时，可近似地按岩块刚体平衡的方法计算。当一部分为软层，另一部分为硬层时，可分别取用不同的指标当一部分为软层，另一部分为硬层时，可分别取用不同的指标计算。计算。第33页，共37页，编辑于2022年，星期三其他一些确定围岩压力的方法1、以坑道上方形成平衡拱为基础的方法、以坑道上方形成平衡拱为基础的方法普氏理论：在松散介质中开挖隧道，在其上方会形普氏理论：在松散介质中开挖隧道，在其上方会形成一抛物线平衡拱，这个平衡拱实际上就是破坏范成一抛物线平衡拱，这个平衡拱实际上就是破坏范围，这个范围内的围岩重量就是隧道支护结构所要围，这个范围内的围岩重量就是隧道支护结构所要承受的荷载承受的荷载第34页，共37页，编辑于2022年，星期三其他一些确定围岩压力的方法1、以松散介质平衡理论为基础的计算方法、以松散介质平衡理论为基础的计算方法太沙基理论：岩体为有一定粘结力的松散介质，当坑道太沙基理论：岩体为有一定粘结力的松散介质，当坑道开挖后，围岩下沉时由于侧压力的作用，对下沉围岩将开挖后，围岩下沉时由于侧压力的作用，对下沉围岩将产生摩阻力，水平应力与垂直应力之比为产生摩阻力，水平应力与垂直应力之比为k第35页，共37页，编辑于2022年，星期三围岩压力量测简介1、围岩压力量测、围岩压力量测稳定性判断稳定性判断断面形状、支护结断面形状、支护结构设计、围岩压力理论构设计、围岩压力理论2、量测方法、量测方法1）间接方法：量测支护结构的变形和内力，然后推算）间接方法：量测支护结构的变形和内力，然后推算围岩压力围岩压力2）直接方法：直接量测作用在支护结构上的压力）直接方法：直接量测作用在支护结构上的压力3）实验室方法：模型试验）实验室方法：模型试验第36页，共37页，编辑于2022年，星期三作业某公路隧道通过某公路隧道通过级围岩，开挖尺寸如图所示。矿山法施级围岩，开挖尺寸如图所示。矿山法施工，围岩天然容重为工，围岩天然容重为=2.2t/m3，试确定围岩压力值。，试确定围岩压力值。第37页，共37页，编辑于2022年，星期三