公路隧道围岩压力.ppt

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1、公路隧道围岩压力公路隧道围岩压力导论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，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。作用于洞室周边岩体或支护结构上的压力。从狭义上来理解，围岩压力是指围岩作用在从狭义上来理解，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支护结构上的压力。在工程中一般研究狭义的围岩压力。的围岩压力。导论2、隧道开挖前后的应力状态、隧道开挖前后的应力状态初始应力状态（一次应力状态）坑道开挖后应力状态（二次应力状态）支护体系应力状态（三次应力状态）终极应力状态（四次应力状态）开挖支护时间导论（1）初始（一次）应力状

2、态）初始（一次）应力状态泛指隧道开挖前的围岩的初始静应力场，它的形成与围岩构造、性质、埋藏条件以泛指隧道开挖前的围岩的初始静应力场，它的形成与围岩构造、性质、埋藏条件以及构造运动的历史有密切关系。及构造运动的历史有密切关系。两类影响因素：重力、温度、围岩的物理力学性质及构造、地形等经常性因素；地两类影响因素：重力、温度、围岩的物理力学性质及构造、地形等经常性因素；地壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性或局部性因素。壳运动、地下水活动、人类的长期活动等暂时性或局部性因素。初始地应力场由初始地应力场由自重应力场自重应力场和和构造应力场构造应力场构成。构成。自重应力场自重应力场理论应力场：理论

3、应力场：地质构造、地形等对自重应力场的影响地质构造、地形等对自重应力场的影响导论构造应力场构造应力场 地质力学认为，地壳各处发生的一切构造变形与断裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就地质力学认为，地壳各处发生的一切构造变形与断裂都是地应力作用的结果，因而地质力学就把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场，它是动态的。把构造体系和构造形式在形成过程中的应力状态称之为构造应力场，它是动态的。由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某由于构造应力场的不确定性，很难用函数形式表达。它在整个初始地应力场中的作用只能通过某些量测数据加以分析。构

4、造应力场具有如下特征：些量测数据加以分析。构造应力场具有如下特征：地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围地质构造形态不仅改变了重力应力场，而且除以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在围岩内，这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。岩内，这种残余构造应力将对隧道工程产生重大影响。构造应力场在不深的地方已普遍存在，而且最大构造应力的方向多近似为水平，其值通常大于自重构造应力场在不深的地方已普遍存在，而且最大构造应力的方向多近似为水平，其值通常大于自重应力场中的水平应力分量，甚至也大于垂直应力分量，这与自重应力场有很大不同。应力场中的水平应力分

5、量，甚至也大于垂直应力分量，这与自重应力场有很大不同。构造应力场很不均匀，它的参数无论在时间上还是在空间上都有很大的变化，特别是在它的主应力构造应力场很不均匀，它的参数无论在时间上还是在空间上都有很大的变化，特别是在它的主应力轴的方向上绝对值变化很大。轴的方向上绝对值变化很大。在理论分析中，常把初始地应力场按在理论分析中，常把初始地应力场按静水应力场静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采取来处理。在某些重要的工程中，多采取实地测量实地测量的方的方法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。法来判断主应力的大小及其方向的变化规律。导论（2）毛洞（二次）应力及位移状态）毛洞（二次）应力及位移状态开

6、挖后周边围岩的应力状态，受开挖方式（爆破、非爆破）和方法（全断面开挖、分开挖后周边围岩的应力状态，受开挖方式（爆破、非爆破）和方法（全断面开挖、分部开挖法等）的强烈影响。部开挖法等）的强烈影响。基本假定基本假定围岩为均质的、各向同性的连续介质；围岩为均质的、各向同性的连续介质；只考虑自重造成的初始应力场；只考虑自重造成的初始应力场；坑道形状是圆形的；坑道形状是圆形的；坑道位于一定深度，简化为无限体中的孔洞问题。坑道位于一定深度，简化为无限体中的孔洞问题。坑道开挖后围岩中应力、位移，视围岩强度可分为坑道开挖后围岩中应力、位移，视围岩强度可分为两种两种情况，情况，一种一种是开挖后的围岩仍处于是开挖

7、后的围岩仍处于弹性状态弹性状态，此时坑道围岩除产生稍许松弛外，一般是稳定的；，此时坑道围岩除产生稍许松弛外，一般是稳定的；一种一种是开挖后的应力状态超过围岩的单轴抗压强度，此时围岩一部分处于是开挖后的应力状态超过围岩的单轴抗压强度，此时围岩一部分处于塑性甚至松弛塑性甚至松弛状态状态，围岩将产生塑性滑移、松弛和破坏。，围岩将产生塑性滑移、松弛和破坏。导论坑道开挖后的弹性二次应力场弹性理论基础坑道开挖后的弹性二次应力场弹性理论基础小孔口问题（基尔斯解答）小孔口问题（基尔斯解答）按直接加载法求解初始应力状态下围岩二次应力场和位移场按直接加载法求解初始应力状态下围岩二次应力场和位移场若以开挖前的位移状

8、态为基准，则真实的围岩二次位移场和应力场为：若以开挖前的位移状态为基准，则真实的围岩二次位移场和应力场为：导论坑道开挖后的弹性二次应力场坑道开挖后的弹性二次应力场注：此处应力正方向的规定与弹性力学应力正方向规定相反。注：此处应力正方向的规定与弹性力学应力正方向规定相反。导论坑道周边应力状态（坑道周边应力状态（=a）坑道的开挖使坑道周边的围岩从二向（或三向）应力状坑道的开挖使坑道周边的围岩从二向（或三向）应力状态变成单向（或二向）应力状态，沿坑道周边的应力值及态变成单向（或二向）应力状态，沿坑道周边的应力值及其分布主要取决于其分布主要取决于值。值。=0时，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉

9、应时，即只有初始垂直应力时，拱顶出现最大切向拉应力，并分布在拱顶一定范围内。拉应力范围约出现在与垂力，并分布在拱顶一定范围内。拉应力范围约出现在与垂直轴左右各直轴左右各300的范围内。的范围内。随着随着的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小。当的增加，拱顶切向拉应力值及其范围逐渐减小。当=1/3时，拱顶切向拉应力等于时，拱顶切向拉应力等于0。大于。大于1/3后，整个坑道周后，整个坑道周边的切向应力皆为压应力。边的切向应力皆为压应力。在在01/3之间时，拱顶（拱底）之间时，拱顶（拱底）范围是受拉的。拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造范围是受拉的。拱顶可能发生局部掉块和落石，但不会造成整个坑道

10、的破坏。成整个坑道的破坏。在侧壁范围内，在侧壁范围内，在在01.0之间时，周边切向应力总是压之间时，周边切向应力总是压应力，而且总比拱顶范围的应力值大。侧壁处较大的压应应力，而且总比拱顶范围的应力值大。侧壁处较大的压应力是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之力是造成侧壁剪切破坏或岩爆（分离破坏）的主要原因之一，而且常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。一，而且常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。当当=1时，坑道周边围岩各点的应力皆相同。时，坑道周边围岩各点的应力皆相同。为一常数（为一常数（2z）对圆形坑道稳定有利。）对圆形坑道稳定有利。通常围岩的侧压力系数通常围岩的侧压力系数变动在变动在0

11、.20.5之间。之间。在这个范围内，坑道周边切向应力大都是压在这个范围内，坑道周边切向应力大都是压应力，要注意切向应力的变化，它是造成坑应力，要注意切向应力的变化，它是造成坑道破坏的主要原因。道破坏的主要原因。导论围岩应力向深处变化的规律围岩应力向深处变化的规律侧壁中点，在侧壁中点，在=01.0时坑道周边的切向应力都为时坑道周边的切向应力都为正值（压应力），最大值为正值（压应力），最大值为3z，最小值为，最小值为2z。拱顶处应力值随着拱顶处应力值随着的增加，逐渐接近于初始应力的增加，逐渐接近于初始应力状态。坑道开挖后二次应力分布范围是很有限的。状态。坑道开挖后二次应力分布范围是很有限的。视视值

12、其范围大致在（值其范围大致在（57）a左右。左右。愈大，影响范愈大，影响范围愈大。围愈大。拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为拱顶处的拉应力深入围岩内部的范围约为0.58a，尔后转变为压应力。这也说明坑道围岩内拉应力区尔后转变为压应力。这也说明坑道围岩内拉应力区域是有限的，而且只在域是有限的，而且只在小于小于1/3的情况下出现。的情况下出现。侧压力系数侧压力系数的变化意味着围岩条件的变化，侧压的变化意味着围岩条件的变化，侧压力系数小说明围岩条件好，侧压力系数大说明围岩力系数小说明围岩条件好，侧压力系数大说明围岩条件差。条件差。导论毛洞弹性位移状态（无支护洞室围岩位移状态）毛洞弹性位移状态（无支

13、护洞室围岩位移状态）围岩内任一点的位移：开挖所引起的位移，径向位移以向隧道内为正，切向位移以围岩内任一点的位移：开挖所引起的位移，径向位移以向隧道内为正，切向位移以顺时针为正。顺时针为正。当=1时，坑道周边位移成轴对称分布，有当1时，坑道周边位移为导论毛洞弹性位移状态（无支护洞室围岩位移状态）毛洞弹性位移状态（无支护洞室围岩位移状态）在不同的在不同的值条件下，开挖后的断面收敛状态如图所示，当值条件下，开挖后的断面收敛状态如图所示，当=1时隧道断面是均匀缩时隧道断面是均匀缩小的，随着小的，随着的减小，隧道上下顶点继续向隧道内挤入，水平直径处则减小，变成扁平的减小，隧道上下顶点继续向隧道内挤入，水

14、平直径处则减小，变成扁平的断面形状。的断面形状。隧道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的隧道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的值条件下（值条件下（0.25），在），在水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在大多数情况下，拱顶位移均大于侧壁位水平直径处围岩有向两侧扩张的趋势。而且在大多数情况下，拱顶位移均大于侧壁位移。移。导论坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态在在深埋隧道深埋隧道或或埋深较浅但围岩强度较低埋深较浅但围岩强度较低时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度，此时坑道或时，上述应力状态可能超过围岩的抗压强度，此时坑道或发生脆性破坏，如

15、岩爆、剥离等（坚硬、脆性、整体的围岩中），或在坑道附近围岩内形成塑性发生脆性破坏，如岩爆、剥离等（坚硬、脆性、整体的围岩中），或在坑道附近围岩内形成塑性应力区域，发生塑性剪切滑移或塑性流动。塑性区的围岩因而变得松弛，其物理力学性质也发生应力区域，发生塑性剪切滑移或塑性流动。塑性区的围岩因而变得松弛，其物理力学性质也发生变化。对设计有实际意义的是塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。变化。对设计有实际意义的是塑性区内的应力应变状态和塑性区范围的大小、形状。围岩的塑性判据为：采用摩尔库伦条件。假设所分析的问题侧压力系数围岩的塑性判据为：采用摩尔库伦条件。假设所分析的问题侧压力系数=1.0

16、，圆形隧道，为轴对，圆形隧道，为轴对称，剪切应力为称，剪切应力为0，所以围岩内的切向应力和径向应力就成为最大和最小主应力。，所以围岩内的切向应力和径向应力就成为最大和最小主应力。当=1.0时，坑道周边的时，坑道周边的=2z，=0，隧道周边岩体，隧道周边岩体是否进入塑性状态的判据为：是否进入塑性状态的判据为：上述的分析是建立在坑道周边出现塑性区后岩性没有变化，即c、值不变的前提下。实际上岩石在开挖后由于爆破、应力重分布等影响已被破坏，其c、值皆有变化。建议以岩体的残余粘聚力和残余内摩擦角表示改变后的岩体特性。导论坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态轴对称条件下轴对

17、称条件下=1.0，围岩内的应力及变形均仅为，围岩内的应力及变形均仅为的的函数，且塑性区为一等厚圆，我们假设在塑性区中函数，且塑性区为一等厚圆，我们假设在塑性区中c、值为常数。值为常数。塑性区的应力状态如下，塑性区的应力状态如下，决定塑性区边界的半径为导论坑道开挖后形成塑性区的二次应坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态力状态侧压力系数对塑性区的影响侧压力系数对塑性区的影响埋深、坑道形状等对塑性区的影响埋深、坑道形状等对塑性区的影响导论（3）支护后围岩的应力及位移状态（三次应力状态）支护后围岩的应力及位移状态（三次应力状态）支护参与工作后的围岩应力状态，它对支护结构设计具有直接而重要的影响。支护参与

18、工作后的围岩应力状态，它对支护结构设计具有直接而重要的影响。支护阻力基本假定支护阻力基本假定不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力不管何种支护结构，其作用都抽象为支护阻力pa；其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；其作用方向假定为径向的，实际上还有切向的；支护阻力沿坑道周边均匀分布，并作用在全周边上；支护阻力沿坑道周边均匀分布，并作用在全周边上；支护的作用是在坑道开挖后立即发挥的。支护的作用是在坑道开挖后立即发挥的。导论应力分析弹性力学基础（应力分析弹性力学基础（厚壁圆筒问题厚壁圆筒问题）当R时，当R，仅有内压力时当R，仅有外压力时拉梅解答导论弹性应力状态下应力与位移分布弹性应力状态下应

19、力与位移分布把径向阻力把径向阻力pa作为释放荷载的反向作用力作用在洞周，再叠加上初始应力状态引起的洞周应力作为释放荷载的反向作用力作用在洞周，再叠加上初始应力状态引起的洞周应力即可。即可。当=1时当=1时，坑道周边位移为：这也是弹性应力状态下坑道周边位移与支护阻力之间的关系导论弹性应力状态下应力与位移分布弹性应力状态下应力与位移分布支护结构也承受支护结构也承受pa的作用，当支护结构的厚度大于的作用，当支护结构的厚度大于0.04倍的开挖跨度时，支护结构的应力和变倍的开挖跨度时，支护结构的应力和变形可用弹性力学厚壁圆筒的计算公式，此时仅作用有外压力形可用弹性力学厚壁圆筒的计算公式，此时仅作用有外压

20、力pa。假设。假设=1。当=a时，可得支护阻力与结构刚度的关系式为：其中Kc为支护结构的刚度系数。其中，a，r分别为衬砌的外半径、内半径；导论塑性应力状态下应力与位移分布塑性应力状态下应力与位移分布在塑性应力状态下，当坑道周边有径向支护阻力在塑性应力状态下，当坑道周边有径向支护阻力pa时，其应力值和塑性区范围也有所变化。时，其应力值和塑性区范围也有所变化。当=1时，塑性区的应力为当=1时，塑性区为一等厚圆，令塑性区半径为R0，对于弹性区（R0），相当于开挖半径为R0，其周边作用有“支护阻力”R0，无穷远处作用有径向应力z时围岩内的应力及变形。此时可以利用厚壁圆筒公式。塑性区内的应力值与初始应力

21、状态无关，仅与围岩的物理力学性质、开挖半径及支护提供的阻力有关。弹塑性边界上的应力与围岩的初始应力状态、围岩本身的力学性质有关，而与支护阻力和开挖半径无关。因此弹性应力状态下任一点应力应满足弹塑性边界上，应力状态满足摩尔-库伦条件以及弹性应力状态条件，联立求解可得，边界上应力为：导论塑性应力状态下应力与位移分布塑性应力状态下应力与位移分布当=1时，塑性区半径为当R0=a，即不出现塑性区时，所需最小支护阻力为：若坑道开挖后不修筑衬砌，即径向支护阻力为0，此时塑性区最大，最大塑性区半径为：此式也可以表示成如下形式，利用实测方法先确定塑性圈半径就可以利用此公式计算塑性变形压力。导论塑性应力状态下应力

22、与位移分布塑性应力状态下应力与位移分布松动区的求解：松动区的求解：松动区边界上的切向应力为初始应力；当=1时，即轴对称应力状态下，松动区的范围也为一等厚圆，设其半径为R。可得松动区半径R为松动区半径R和塑性区半径R0存在一定的关系。导论塑性应力状态下应力与位移分布塑性应力状态下应力与位移分布当=1时，围岩弹性区与塑性区位移公式一致，均为：将塑性区半径代入上式，可得到洞室周边径向位移与支护阻力的关系式为：围岩特性曲线，亦称围岩的支护需求曲线、支护的荷载曲线、围岩收敛曲线。它形象地表明围岩在洞室周边所需提供的支护阻力及与其周边位移的关系：在洞周极限位移范围内，容许围岩的位移增加，所需要的支护阻力减

23、小，而应力重分布的结果大部分由围岩承担，反之亦然。或修正的芬纳公式，没有考虑塑性区体积扩容，又称为Kastner公式导论非圆形坑道弹塑性应力与位移分析非圆形坑道弹塑性应力与位移分析前面的应力和位移分析都是以圆形坑道为基础进行分析的，当坑道形状不是圆形时，相应的公式都要改变，此时精确的分析一般采用有限元法进行求解。但是在预设计中，亦可采用将不同坑道形状变换成当量的圆形坑道的方法近似地加以分析，或直接以坑道跨度代替公式中的坑道直径亦可，但并不是所有的坑道形状都可以这样做。根据计算分析，各种形状坑道顶点（A点）和侧壁中点（B点）的切向应力可用下式表达：编号为4、5、6的坑道，基本上都可以按圆形坑道处

24、理不会造成很大误差。对于浅埋隧道，二次应力场和位移场不能采用上述分析方法，而必须采用有限元等数值解法。导论例题例题隧道埋深H=100m，隧道开挖半径a=3.0m，土体重度=17.64kN/m3，粘聚力c=0.2MPa，内摩擦角=300，土体平均弹性模量E=100MPa，泊松比=0.5，侧压力系数=1.0，当不采用任何支护结构时，试求塑性区半径R0及其围岩内应力状态。若隧道开挖后立即采取支护，pa=0.2MPa，求此时的塑性区半径R0及围岩内的应力状态。并进一步计算支护阻力与洞周位移的关系。导论围岩与支护结构的相互作用（补充）围岩与支护结构的相互作用（补充）（1 1）围岩的支护需求曲线）围岩的支

25、护需求曲线弹性收敛方程 只适用于围岩处于弹性的状态弹塑性收敛曲线不考虑塑性区体积扩容的方程一般都采用修正的芬纳公式。由于塑性区c、值是变化的，代以不同的c、值就可得到不同的收敛曲线。通常采用平均的c、值来确定收敛线。考虑体积扩容的收敛曲线方程M表示弹塑性边界上应力差。当=0.5时，则上式就成为修正的芬纳公式。导论（2）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）任何一种支护结构，只要有一定的刚度，并和围岩紧密接触，总能对围岩变形提供一定的约束力，即支护阻力。但是由于每一种支护形式都有自己的结构特点，因而可能提供的支护阻力大小与分布，以及它随支护变形而增加的情况都有很大的

26、不同，是比较复杂的。因为它不仅仅决定于支护结构本身的构造，而且与周围岩体的接触条件以及在施工中出现的各种变异有关。因此，目前在评价支护结构的支护阻力特性时，原则上都假定其他条件是相同的、不变的，只研究支护因结构不同而产生的力学效应。仍以圆形隧道为研究对象，并假定围岩给支护结构的反力也是径向均布的。相对于围岩的力学特性，混凝土衬砌或钢支撑的力学特性可以认为是线弹性的。导论（2）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）支护特性曲线，是指作用在支护上的荷载与支护变形的关系曲线，支护结构所能提供的支护阻力随着支护结构的刚度而增大，所以这条曲线也称之为支护补给曲线。支护结构的

27、刚度和支护与围岩的接触状态有关。在不考虑支护结构与围岩接触状态对支护结构刚度的影响时，可以认为作用在支护结构上的径向压力和它的径向位移成正比。由下式决定其中 表示支护结构发生的位移；a表示开挖坑道的半径；pi表示当支护结构发生 位移时，所提供的支护阻力。这里只考虑径向均布压力，所以K中只包含支护结构受压（拉）刚度。若隧道周边的收敛不均匀，则支护结构的弯曲刚度就成为主要的了。通常，支护结构都是在隧道围岩已经出现一定量值的收敛变形后才施设的，若用u0表示初始径向位移，则洞周位移为导论（2）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）支护结构的补给曲线（支护特性曲线）不同的支护结构形式有不同的刚度，分别如下混

28、凝土或喷射混凝土的支护特性曲线当喷层厚度较小时，可采用薄壁圆筒计算公式，当喷层厚度较大时，可采用厚壁圆筒计算公式。灌浆锚杆的支护特性曲线从理论上来看，全长粘结型锚杆，应力是通过锚杆与胶结材料之间的剪力，也即通过围岩与锚杆之间的相对位移传递的。导论组合支护体系的特性组合支护体系的特性当2种支护体系，可假定组合支护体系的刚度等于每个组成部分刚度的总和。K=K1+K2，K1表示第一系统刚度，K2表示第二系统刚度组合支护所提供的支护阻力也是两者之和。但是若不是同时架设的有另外的计算公式。导论（3）围岩与支护结构准静力平衡状态的建立）围岩与支护结构准静力平衡状态的建立支护结构特性曲线与围岩支护需求曲线交

29、点处的横坐标为形成平衡体系时洞周发生的位移。交点纵坐标以下的部分为支护结构上承受的荷载，以上部分由围岩来承担。不同刚度的支护结构与围岩达成平衡时的pa和ua是不同的同样刚度的支护结构，架设的时间不同，最后达成平衡的状态也不同。导论3、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重力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。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，围岩对支的抑制

30、，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。护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的是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。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之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，能量突然释放后，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。所产生的压力。导论 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

31、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发生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。剪切破坏或拉坏等局部塌落。这种压力可采用松散介质极限平衡理论，或块体极限这种压力可采用松散介质极限平衡理论，或块体极限平衡理论进行计算分析。目前规范上采用的方法主要为统平衡理论进行计算分析。目前规范上采用的方法主要为统计分析方法。计分析方法。导论 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中，锚喷支护等的抑制，而使围岩与

32、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。形变压力除与围岩应力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，还与状态有关外，还与支护时间和支护刚度支护时间和支护刚度有关。有关。这种围岩压力目前可采用弹塑性理论计算。这种围岩压力目前可采用弹塑性理论计算。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的。力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。这种围岩压力至今还没有比较好的计算方法，但原则上可这种围岩压力至今还没有比较好的计算方法，但原则上可以采用弹塑性理论配合流变

33、理论进行分析。以采用弹塑性理论配合流变理论进行分析。导论 冲击压力：冲击压力：是指围岩中积累了大量的弹性变性能之后，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，能量突然释放所产由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。生的压力。冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹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，在高地应力作用性模量直接相关。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，一旦遇到适宜条件，就下，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。会突然猛烈的

34、大量释放。这种压力目前还无法计算。这种压力目前还无法计算。导论4、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，其波及有小，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅范围仅局限在隧道周围一定深度局限在隧道周围一定深度，作用在支护结，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，这可用围岩的造成的压力，这可用围岩的“成拱作用成拱作用”来解释。来解释。导论（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，顶板开隧

35、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；始沉陷，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；等原因，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，可视为坍顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；塌阶段；l顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成顶板塌落停止，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。一近似的拱形，可视为成拱阶段。导论（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

36、围的大小除受上述的围岩地质除受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围条件、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：岩的接触状态外，还取决于以下诸因素：导论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，：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；则自然拱越高，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。由于浅埋种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。

37、由于浅埋隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大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。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，加大部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大自然拱范围。自然拱范围。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

38、经验法或工程类比法 理论估算法理论估算法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；但由隧道工程而言，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，目前还不于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。能普遍常用。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际资料的统计和总结，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压力的经验数值，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。力的依据的方法

39、。是目前使用较多的方法。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，影响岩压力的方法。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通用围岩压力理论及计算方法是各种实际情况的通用围岩压力理论及计算方法是困难的。困难的。一般规定1、级围岩中的深埋隧道，围岩压力主要为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。形变压力，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级围岩中深埋隧道的围岩压力为松散荷

40、载时，其垂直均布压力及水平均布压力可按下列载时，其垂直均布压力及水平均布压力可按下列公式计算：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。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

41、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。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，按下表中的的确定，按下表中的经验公式计算经验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一般规定围岩压力的分布围岩压力的分布从塌方轮廓可以看出，围岩压力的基本形态多是局部的，不对称的，具有很大的不均匀性，尤其在大块状围岩中。一般规定围岩塌方类型围岩塌方类型（a）局部塌方（b）拱形塌方（c）扩大拱形塌方塌方类型与围岩级别之间的关系一般规定通常情况下，以垂直均布图形为主要荷载

42、图形进行结构设计，用偏压通常情况下，以垂直均布图形为主要荷载图形进行结构设计，用偏压或不均布图形进行校核。或不均布图形进行校核。其中，其中，q1，q2，q3等荷载值，可根据非均布压力的总和与均布压力总和等荷载值，可根据非均布压力的总和与均布压力总和相等的原则确定。相等的原则确定。在以松弛荷载作为设计荷载时，必须同时考虑围岩抗力的作用。在以松弛荷载作为设计荷载时，必须同时考虑围岩抗力的作用。一般规定例题：某隧道穿越例题：某隧道穿越IV级围岩，埋深级围岩，埋深15m，其开挖尺寸为：，其开挖尺寸为：宽宽7.4m，高，高8.8m，围岩容重，围岩容重21kN/m3，假定围岩松动压力，假定围岩松动压力状态

43、如图所示，计算状态如图所示，计算qmax值。值。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，隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应应以隧道顶部覆盖层能否形成以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(等效荷载高度值等效荷载高度值)为根据，为了形成此高度值，隧为根据，为了形成此高度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度

44、。根据经验，这个深道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度度通常为通常为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）。）。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 Hp

45、2.5hq 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（土柱法土柱法）q=H式中式中:q匀布竖向压力；匀布竖向压力；深度上覆围岩容重；深度上覆围岩容重；H隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。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

46、；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。计算公式计算公式 的取值围岩级别计算内摩擦角（度）70786070506040503040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）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。得过大的压力值。（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 角度的斜角度的斜直线（如图所示）。直线（如图所示）。（3）EFGH岩土体下沉，带动

47、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，又要受到未下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力。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，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小于。计算公式采用松散介质极限平衡理论进行分析，采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力即：围岩松动压力=滑

48、动岩体重量滑滑动岩体重量滑面上的阻力面上的阻力q浅浅 Q浅浅/B=H（1H/Btan）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 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。等于深埋隧道荷载时，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

49、分界时，若用上述理论公式，也可，也可得出得出Hp值，但是往往与前述介绍的经验公式差别较大。目值，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前一般按经验公式 判别，而理论式作为参考。判别，而理论式作为参考。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）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散、软质或土质围岩，多见于洞口浅埋地段或傍山浅埋地段。段。（2）地质上，围岩为倾斜层状结构，层间粘结力差伴随以）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

50、洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩有害节理裂隙切割或洞身有倾角较陡的软弱结构面，围岩一部分较软，一部分较硬。一部分较软，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。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。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，一般在根据以往经验，一般在级及以上围岩以地形引起的偏压级及以上围岩以地形引起的偏压为主进行计算；而在为主进行计算；而在级及以下围岩，因地质构造影响较级及以下围岩，因地质构造影响较大