山岭隧道围岩压力的确定方法(共9页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上山岭隧道围岩压力计算方法研究摘要：围岩压力是作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大小与分布直接影响到隧道初期支护和二次衬砌结构的合理类型，形状及尺寸，以及与之相适应的施工方法。因此，如何高效准确的确定隧道围岩压力显得尤为重要。本文介绍了隧道围岩压力的分类以及常用的计算理论，并给出了深埋隧道和浅埋隧道围岩压力的计算方法，这些方法简单实用，能够较为快速的计算出围岩压力的大小及分布规律，为隧道工程的设计提供了一定的参考价值。关键词：围岩压力；深埋隧道；浅埋隧道；分布规律1 引言围岩压力是作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大小与分布直接影响到隧道

2、初期支护和二次衬砌结构的合理类型，形状及尺寸，以及与之相适应的施工方法。反之，施工方法的选择也会影响围岩压力的性质。因此，比较详尽的了解围岩压力的分布与值域规律是极为必要的。当下我国隧道工程的设计与施工主要以工程类比法为主，这其中主要的原因就是由于对作用于隧道支护结构上的围岩压力的有关规律还不清楚，造成在工程建设中的一些问题，如设计达不到承载要求造成工程事故，或设计过于保守造成大量的人力物力浪费。因此有必要对围岩压力的相关规律和计算方法进行研究，以对后来的工程建设提供必要的借鉴。2隧道围岩压力的分类及计算理论2.1隧道围岩压力的分类在我国目前应用较广的分类方法是根据围岩压力的形成机理，将围岩压

3、力分为形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力四类。形变围岩压力是由于围岩塑性变形和塑性挤入、弯折内鼓等形成的挤压力。地下洞室开挖后围岩的变形包括弹性变形和塑性变形。一般弹性变形在隧道施工过程中就能完成，因此它对支护结构一般不产生挤压力。而塑性变形具有随时间增长而增强的特点，如果不及时支护，就会引起围岩失稳破坏，形成较大围岩压力。形成形变围岩压力的条件有：(1)岩体较松软或者破碎，这时围岩二次应力状态很容易超过岩体屈服强度而产生较大的塑性变形：(2)深埋洞室，由于围岩受压力过大易产生塑性流动变形。松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力塌落等破坏引起的反力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施

4、加于支护结构上的压力，其大小取决于围岩性质、结构而交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。冲击压力的大小与原岩应力状态、围岩力学属性等密切相关。并受到隧道埋深、施工方法及隧道形状等因素的影响。冲击压力目前无法进行准确计算，只能对其产生条件及产生可能性进行定性评价预测。膨胀围岩压力主要是由于矿物吸水膨胀产生的对支护结构的挤压力。因此，膨胀围岩压力的形成必须具备两个基本条件：一是岩体中要有膨胀性黏土矿物(如蒙脱石、伊利石、高岭石等)；二是要有地下水的作用1。2.2计算理

5、论（1）普氏理论图2.1 普氏理论计算简图普氏理论是1907年俄国学者普罗托奇雅阔诺夫提出围岩分类、并给出了松散地层和破碎岩体的松动压力公式： （2-1a） （2-1b）水平压力计算公式为： （2-1c）式中：-断面半宽；-断面高度；-自然拱高度；-围岩重度；-隧道侧壁任意点至隧道拱顶的垂直距离；-围岩内摩擦角；-岩石坚固性系数，根据公路、铁路隧道设计规范中，岩石坚硬强度对应的岩石单轴饱和抗压强度的数值，采用其推荐的计算公式=0.1。普氏理论计算围岩压力的公式由于概念明确，计算方便而成为五六十年代隧道围岩压力计算的常用公式。但在应用中需注意，出于普氏理论要求岩体经开挖后洞顶能形成一个自然平衡拱

6、，所以一般适用于深埋隧道。（2）太沙基理论图2.2 太沙基理论计算简图泰沙基计算公式考虑了松散材料的内部黏聚力、内摩擦角和毛洞高度对松动压力的影响。更适用于计算浅埋隧道围岩的压力，垂直压力计算公式为： （2-2a） （2-2b）水平压力的计算公式为： （2-2c）式中：K-水平应力与垂直压力的比值，太沙基根据实验结果得出K=1.01.5，一般取K=1.0； n-相对埋身系数，n=H/；-洞顶塌落宽度一半；-隧道洞室高度；其他参数同式（2-1）实践表明，浅埋时利用式(2-2)所算得的围岩压力与实际相差较小，而深埋时则误差较大，因为实际上深埋时，上覆岩体的破裂面已不再是沿着整个岩柱的侧面，而是形成

7、一个封闭的拱形曲面，因而将太沙基公司应用于深埋隧洞可能会有较大误差1。3浅埋隧道围岩压力计算方法23由于埋深不一样，使得围岩压力的作用机理和分布状态不一样，导致浅埋隧道与深埋隧道的围岩压力计算方法也是不一样的。公路隧道设计规范(JTGD70-2004)推荐的浅埋隧道荷载计算方法如下：浅埋和深埋隧道的分界，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公式为：=(225) （3.1）式中：-浅埋隧道分界深度(m)；-荷载等效高度(m)，按下式计算： （3.2）-深埋隧道垂直均布压力(kNm2)；-围岩重度(kNm3)。在矿山法施工的条件下，级围岩取 （3.3）II

8、II围岩取 （3.4）浅埋隧道荷载分下述两种情况分别计算：1)埋深(H)小于或等于等效荷载高度时，荷载视为均布垂直压力。 （3.5）式中：-垂直均布压力(kNm2)；-隧道上覆围岩重度(kNm3),H-隧道埋深，指坑顶至地面的距离(m)。侧向压力e按均布考虑时其值为 （3.6）式中：e-侧向均布压力(kN/m2)；-隧道高度(m)；-围岩计算摩擦角()。2)埋深大于小于等于时，为便于计算，假定土体中形成的破裂面是与水平成面成，如图3.1所示。EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱土体(如图中FDB和ECA)下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析

9、时考虑内聚力C，并采用了计算摩擦角；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若该滑面的摩擦角为，则值应小于值，无实测资料时，按表3.1采用。表3.1 各级围岩值图3.1 浅埋隧道受力分析图由图3.1可见，隧道上覆岩体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体FDB和ECA的重力为，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉，两侧受到阻力和，作用于HG面上的垂直压力总值Q浅为 （3.7）三棱体自重为 （3.8）式中：h-坑道底部到地面的距离(m)；一破裂面与水平面的夹角()。由图据正弦定理可得 （3.9）将式(3.8)代入可得 （3.10） （3.11） （3.12）式中：

10、-侧压力系数；其它符号意义同前。至此，极限最大阻力T值可以求得。得到T值后，代入式(3.7)可求得作用在HG面上的总垂直压力Q浅。 （3.13）由于GC、HD与EG、EF相比较往往很小，而且衬砌与土见的摩擦角也不同，前面分析中均按计，当中间土块下滑时，由FH和EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，即在计算中用H代替h，这样式(3.13)为 （3.14）由于，故 （3.15）式中：-坑道宽度(m)。换算为作用在支护结构上的均布荷载(图3.2)，即 （3.16）式中：-作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）;其他符号意义同前。图3.2 作用在支

11、护结构上的均布荷载作用在支护结构两侧的水平侧压力为 （3.17） （3.17）侧压力视为均布压力时， （3.18）4深埋隧道围岩压力计算方法深埋隧道是指隧道的埋置深度超过一定限值后，由于隧道的开挖，将在隧道周边的围岩内形成松动圈而成“自然拱”，成拱作用对地表没有影响，并且超过这个限值后，隧道埋深的增加对自然拱成拱作用没有影响。I级围岩中的深埋隧道，围岩压力为主要形变压力，其值可按释放荷载计算。级以下围岩，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抗力，使围岩变形得到控制，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“变形压力”。级以下围岩

12、一般呈现塑性和流变特性，洞室开挖后变形的发展往往会持续较久的时间。采用模筑混凝土支护围岩时，顶替原有临时支护时扰动围岩以及衬砌同周围岩体不密贴都可招致松散压力，而当坍落发展到一定程度时，衬砌将与围岩密贴，并随围岩变形的继续发展，衬砌也将受到挤压，从而经受变形压力。可见围岩与支护间围岩压力的传递是一个随时间的推进而逐渐发展的过程。这类现象习称“时间效应”3。有限元分析中，变形压力常在计算过程中同时确定，而作为开挖效应的模拟，直接施加的荷载是在开挖边界上施加的释放荷载。释放荷载可由已知初始地应力或与前一步开挖相应的应力场确定。先求得预计开挖边界上各节点的应力，并假定各节点间应力呈线性分布，然后反转

13、开挖边界上各节点应力的方向(改变其符号)，据以求得释放荷载，如图4.1所示。图4.1 开挖边界节点5结语围岩压力值是进行隧道设计和稳定性研究的重要依据，因此，如何高效准确的确定隧道围岩压力显得尤为重要。一般求解围岩压力常采取经验简化方法，如普氏计算法、太沙基计算方法等。这些经验方法简单实用，能够较为快速的计算出围岩压力的大小及分布规律。本文简要的分析了隧道围岩压力的分类以及常用的计算理论，并给出了深埋和浅埋隧道围岩压力的计算方法，为隧道工程的设计提供了一定的参考价值。参考文献1伍冬.山岭隧道围岩压力计算方法及其适用性研究.北京交通大学，2012.32吴祖松.公路隧道围岩压力计算方法与监测研究,重庆交通大学,2008.33公路隧道设计规范(JTG D70-2004)S北京：人民交通出版社，20044王毅才.隧道工程M. 北京：人民交通出版社，2000 .5朱汉华，潘明军.山岭隧道围岩压力计算及支护设计探讨J.中外公路，2002.126房营光,孙钧.地面荷载下浅埋隧道围岩的粘弹性应力和变形分析J.岩石力学与工程学报，1998，17(3)：239-2477徐林生.大断面高速公路隧道复合式村砌结构受力监测分析J.重庆交通大学学报(自然科学版)，2009(6)28(3)528-5308谢锦昌，王兵.浅埋隧道荷载的试验研究J.铁道标准设计1995，11.专心-专注-专业