公路隧道围岩压力.ppt

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1、,围岩压力,1、导 论2、工程技术规范采用的围岩压力计算方法3、其他围岩压力计算方法简介,导论,1、围岩压力 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。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的围岩压力。,导论,2、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、埋藏条件以及构造运动的历史有密切关系。两类影响因素

2、：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。初始地应力场由自重应力场和构造应力场构成。自重应力场理论应力场：地质构造、地形等对自重应力场的影响,导论,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

3、围岩内，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。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。在理论分析中，常把初始地应力场按静水应力场来处理。在某些重要的工程中，多采取实地测量的方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。基本假定围岩

4、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；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。坑道开挖后围岩中应力、位移，视围岩强度可分为两种情况，一种是开挖后的围岩仍处于弹性状态，此时坑道围岩除产生稍许松弛外，一般是稳定的；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塑性甚至松弛状态，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,注：此处应力正

5、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（=a）,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其分布主要取决于值。=0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直轴左右各300的范围内。随着的增加，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0。大于1/3后，整个坑道周边的切向应力皆为压应力。在01/3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，但不会造成整个坑道的破坏。在侧壁范围内，在01.0之间时，周边切向应力总是压应力

6、，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）的主要原因之一，而且常常是整个坑道丧失稳定的主要原因。,当=1时，坑道周边围岩各点的应力皆相同。为一常数（2z）对圆形坑道稳定有利。通常围岩的侧压力系数变动在0.20.5之间。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，它是造成坑道破坏的主要原因。,导论,围岩应力向深处变化的规律,侧壁中点，在=01.0时坑道周边的切向应力都为正值（压应力），最大值为3z，最小值为2z。拱顶处应力值随着的增加，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。视值其范围大致在（57）a左右。愈大

7、，影响范围愈大。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域是有限的，而且只在小于1/3的情况下出现。侧压力系数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条件差。,导论,毛洞弹性位移状态（无支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）在不同的值条件下，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小的，随着的减小，隧道上下顶点继续

8、向隧道内挤入，水平直径处则减小，变成扁平的断面形状。隧道开挖后围岩基本上是向隧道内移动的。只是在一定的值条件下（0.25），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移。,导论,坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态在深埋隧道或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

9、伦条件。假设所分析的问题侧压力系数=1.0，圆形隧道，为轴对称，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。,当=1.0时，坑道周边的=2z，=0，隧道周边岩体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轴对称条件下=1.0，围岩内的应力及变形均仅为的函数，且塑性区为一等厚圆，我们假设在塑性区中c、值为常数。塑性区的应力状态如下，,决定塑性区边

10、界的半径为,导论,坑道开挖后形成塑性区的二次应力状态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,导论,（3）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pa；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（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把径向阻力pa作为释放荷载的反向作用力作用在

11、洞周，再叠加上初始应力状态引起的洞周应力即可。,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支护结构也承受pa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pa。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。,当=1时，塑性区的应力为,当=

12、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,当=1时，塑性区半径为,当R0=a，即不出现塑性区时，所需最

13、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与位移分布松动区的求解：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,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

14、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,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

15、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,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

16、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）,（1）围岩的支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）,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

17、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

18、线也称之为支护补给曲线。支护结构的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）,不同的支护结构形式有不同的刚度，分

19、别如下混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,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,支护结构特性曲线与围岩支护需求曲线交点处的横坐标为形成平衡体系时洞

20、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）松散压力：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。形变压力：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，围岩对支护结构施加的接触压力。膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。冲击压力：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，能量突然释放所产生的压力。,导论,

21、松散压力：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。,导论,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。形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。这种围岩压力目前可采用弹塑性理论计算。膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压

22、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，但原则上可以采用弹塑性理论配合流变理论进行分析。,导论,冲击压力：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，就会突然猛烈的大量释放。这种压力目前还无法计算。,导论,4、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，对于一般裂隙岩体中的深埋隧道，其波及范围仅局限在隧道周围一定深度，作用在支护结构上的围岩

23、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“成拱作用”来解释。,导论,（1）阶段的划分隧道开挖后，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；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；顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；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。,导论,（2）自然拱的范围 自然拱的范围的大小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触状态外，还取决于以下诸因素：,导论,隧道的形状和尺寸：隧道拱圈越平坦，跨度越大，则自然拱越高，围岩松散压

24、力也越大；隧道的埋深：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。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。施工因素：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。,围岩压力的确定,1、确定的方法2、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：直接量测法 经验法或工程类比法 理论估算法,确定方法,直接量测法：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；但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能

25、普遍常用。经验法或工程类比法：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。,确定方法,理论估算法：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。,一般规定,1、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。2、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：应用该公式时，必须同时具备下列条件：（1）H/B1.7（2）不产生

26、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q按下式计算：q=0.45 2 s-1(kN/m2)式中：S围岩级别，如属II级，则S2；围岩容重，(kN/m3)；1+i(B-5)宽度影响系数；B 隧道宽度，（m）；i 以B5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。当B 5m,取i 0.1。,一般规定,围岩的水平匀布压力e 的确定，按下表中的经验公式计算,一般规定,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,（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

27、般规定,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。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。,一般规定,例题：某隧道穿越IV级围岩，埋深15m，其开挖尺寸为：宽7.4m，高8.8m，围岩容重21kN/m3，假定围岩松动压力状态如图所示，计算qmax值。,一般规定,3、浅埋隧道围岩压力的确定（1）深埋和浅埋隧道的判定原则（2）计算公式,深埋和浅埋隧道的判定原则,隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。深埋隧道围岩松

28、散压力值是以施工坍方平均高度(等效荷载高度值)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，这个深度通常为22.5倍的坍方平均高度值,深埋和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:Hp深浅埋隧道分界深度;hq荷载等效高度，按下式计算：hqq/q深埋隧道竖向均布压力 kNm2；围岩容重（kNm3）。,深埋和浅埋隧道的判定原则,在矿山法施工的条件下I一III级围岩取 Hp2hqIVVI级围岩取 Hp2.5hq 当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋，HHp时为浅埋,计算公式,1、埋深(H)小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布竖向压力（土柱法）q=H式

29、中:q匀布竖向压力；深度上覆围岩容重；H隧道埋深，指隧道顶至地面的距离。,计算公式,侧向压力e，按匀布考虑时，其值为：e=(H+1/2 Hi)tg2(450/2)式中:e 侧向匀布压力；围岩容重，以kN/m3计；H 隧道埋深，以m计；Hi 隧道高度，以m计；一围岩计算摩擦角，可查有关规范。,计算公式,的取值,计算公式,2、埋深大于hq、小于等于Hp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 角度的斜直线（如图所示）。（3）EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱土体（如图中的FDB及ECA）下沉，整个土体ABDC下沉时，

30、又要受到未扰动岩土体的阻力。（4）斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c并采用计算摩擦角。另一滑面FH和EG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。,计算公式,采用松散介质极限平衡理论进行分析，即：围岩松动压力=滑动岩体重量滑面上的阻力,q浅 Q浅/B=H（1H/Btan）e=(Hh)/2式中一侧压力系数，即：=(tg-tg)/tg1+tg(tg-tg)+tgtg tg=tg+(tg2+1)tg/(tg-tg)1/2,计算公式,令dq浅/dH=0，可得qmax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H增

31、加而增加的；当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，也可得出Hp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 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（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。（3）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应按

32、其产生偏压的原因分别考虑。根据以往经验，一般在级及以上围岩以地形引起的偏压为主进行计算；而在级及以下围岩，因地质构造影响较大，则以地质构造的具体条件进行计算。,偏压隧道围岩压力的计算,2、偏压隧道围岩压力的计算(1)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。假定偏压分布的图形与地面坡一致。,偏压隧道围岩压力的计算,2、偏压隧道围岩压力的计算,水平侧压力：,内侧ei=hi,外侧ei=h1i1,偏压隧道围岩压力的计算,2、偏压隧道围岩压力的计算,（2）由地质构造引起偏压的检算多发生

33、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：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B、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。,其他一些确定围岩压力的方法,1、普氏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承受的荷载,其他一些确定围岩压力的方法,隧道平衡拱跨度：,其他一些确定围岩压力的方法,隧道两侧破裂面在水

34、平面上的投影宽度,隧道开挖跨度,隧道开挖高度,破裂面到边墙基础的距离,围岩计算摩擦角,普氏围岩坚固性系数，似摩擦系数,岩体饱和单轴抗压强度（MPa）,围岩内摩擦角,围岩粘聚力（MPa）,应用普氏理论公式必须同时具备以下条件:(1)围岩应能形成稳定的压力拱，不宜用于不能形成稳定压力拱的埋深较浅的隧道。(2)围岩应具备一定的强度，不宜用于VI级围岩。(3)围岩应接近松散体，不宜用于II级及其以上完整性很好的围岩。,其他一些确定围岩压力的方法,2、太沙基理论：以松散介质平衡理论为基础的计算方法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，对下沉围岩将产生摩阻力。水平应力与垂

35、直应力之比为k。从应力传递的概念出发，考虑洞室尺寸、埋深、土体的c、等对土层稳定性的影响，根据微分单元体的平衡和实验结果，推导出作用于地下结构上的垂直压力。,其他一些确定围岩压力的方法,3、毕尔鲍曼方法（修正的土柱理论）在松散岩体中修筑浅埋隧道时，岩层中形成的滑动面可用两条与水平线成(45+/2)的直线AC、BD来代替。假设EH、FG处于极限平衡状态。则作用在,形变围岩压力的计算,1、形变压力的分类形变压力是由于围岩变形受到支护的抑制而产生的。按其成因可分为下述几种情况：（1）弹性变形压力。当采用紧跟开挖面进行支护的施工方法时，由于存在开挖面“空间效应”而使支护受到一部分围岩的弹性变形作用，由

36、此而形成的变形压力。（2）塑性变形压力。由于围岩塑性变形（有时还包括一部分弹性变形）而使支护受到的压力，这是最常见的一种围岩变形压力。（3）流变压力。围岩产生显著的随时间增长的变形或流动。压力是由岩体变形、流动引起的，有显著的时间效应，它能使围岩鼓出、闭合，甚至完全封闭。变形压力的大小，既决定于原岩应力大小、岩体力学性质，也决定于支护刚度和支护时间。由于现代地下结构施工技术的发展，已经有可能在坑道开挖后及时给围岩以必要的约束，阻止围岩松弛，不使其因变形过度（形成松动区）而产生松动压力。此时坑道开挖而释放的围岩压力将由支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供了一定

37、的支护阻力，而引起它的应力调整达到新的平衡；另一方面由于支护结构阻止围岩变形，也必然受到围岩的反作用力而发生变形。,形变围岩压力的计算,2、形变压力统计分析形变压力多发生在以新奥法施工原理为指南的锚喷支护结构中。根据国内外喷射混凝土或锚喷支护结构上接触应力的实地量测成果数据，对锚喷支护结构上的荷载状态可得出以下结论：（1）喷射混凝土与围岩有较高的粘结力，它不但能承受径向应力，而且也能承受切向应力，并且切向应力分量远大于径向应力分量，切向应力的存在可以减小荷载分布的不均匀程度以及大大减小支护结构中的弯矩值，从而极大地改善围岩及支护结构的应力状态。因此在喷射混凝土支护结构的计算中，必须计入切向荷载

38、的作用和影响。模筑混凝土衬砌与围岩之间的回填层，其接触状态不能保证衬砌与围岩有足够的黏结，因而仅能传递径向应力而不能承受切向应力。（2）径向接触应力值与地质条件、坑道跨度、埋深以及喷层厚度等因素有关。其中坑道跨度的影响最显著，埋深次之。（3）埋深h的影响。K表示埋深影响系数。（4）喷层厚度的影响。影响不显著（5）接触应力的分布状态,形变围岩压力的计算,3、塑性变形压力的计算（1）规范方法（公路隧道设计细则）当隧道的围岩抗压强度与初始地应力的比值（围岩强度应力比）为以下两种情况时，应考虑围岩对支护结构的形变压力。深埋单洞隧道形变压力可采用以下方法计算当洞室为圆形断面时，作用于衬砌上任意一点的围岩

39、形变压力为：R表示洞室开挖后形成的塑性区半径。当洞室接近圆形断面时，可以直接将开挖跨度或开挖高度作为拟合断面的直径，采用上式计算。当洞室断面与圆形断面差异较大时，可以采用开挖断面的最小外接圆作为拟合断面，采用上式计算。当洞室在双向不等压状态下，洞室周围的地层将出现椭圆形的塑性区，在塑性区以外的地层逐渐趋于均匀，此时可将不等压受力状态近似折算为双向等压状态，可采用下式调整原始地应力：表示初始水平应力与垂直应力的比值。,形变围岩压力的计算,当洞室接近圆形断面时，可以直接将开挖跨度或开挖高度作为拟合断面的直径，采用上式计算。当洞室断面与圆形断面差异较大时，可以采用开挖断面的最小外接圆作为拟合断面，采

40、用上式计算。当洞室在双向不等压状态下，洞室周围的地层将出现椭圆形的塑性区，在塑性区以外的地层逐渐趋于均匀，此时可将不等压受力状态近似折算为双向等压状态，可采用下式调整原始地应力：表示初始水平应力与垂直应力的比值。根据施工过程中对洞室周边位移的监控量测结果，可按下式计算围岩形变压力：式中，pi表示计算点处二次衬砌上的形变压力（kPa）；i表示计算点从二次衬砌施作至结构设计基准期内的总变形量（m），应减除防水层及无纺布的变形量、结构基础沉降或滑移量；Ksi计算点附近二次衬砌径向变形刚度（kPa/m）；Kli计算点附近围岩及初期支护的径向变形刚度（kPa/m）。,形变围岩压力的计算,3、塑性变形压力

41、的计算（2）根据收敛-约束法计算根据围岩变形特性曲线与支护变形特性曲线的交点求出。如果不考虑支护与围岩间回填层的压缩，那么围岩洞壁的径向位移应等于支护外壁的径向位移和支护前围岩洞壁已释放了的径向位移之和。式中，u0与支护的施工条件有关，它可由实际量测、经验估算或计算方法确定。但是此式中仍有2个未知数，必须根据支护受力情况再建立1个方程才能求出解答。例如当喷层厚度大于0.04倍开挖跨度时，可按弹性力学中厚壁圆筒理论，支护阻力与结构刚度的关系，否则采用薄壁圆筒计算公式：,形变围岩压力的计算,4、最小围岩压力的计算（1）最小围岩压力 任何级别的围岩都有一个极限变形量ult，超过这个极限值，岩体的c、

42、值将急剧下降，造成岩体松弛和塌落。与极限变形量对应的就是洞室围岩所需提供的最小支护阻力pamin。但是无论确定ult还是pamin都没有较好的计算方法。当围岩塑性区内的塑性滑移发展到一定程度，位于松动区的围岩可能由于重力而形成松动压力，这时围岩压力将取决于支护阻力收敛曲线。围岩的松动塌落与支护提供的阻力有关，即与支护的时间有关，如果支护愈早，提供的支护阻力就愈大，围岩就越稳定。反之，支护愈迟，提供的支护阻力愈小，不足以围岩的稳定，松动区中的岩体就会在重力作用下松动塌落。所以，要维持围岩稳定，既要维持围岩的极限平衡，还要维持松动区内滑移体的重力平衡。,围岩压力量测简介,1、围岩压力量测稳定性判断断面形状、支护结构设计、围岩压力理论2、量测方法1）间接方法：量测支护结构的变形和内力，然后推算围岩压力2）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,作业,某公路隧道通过级围岩，开挖尺寸如图所示。矿山法施工，围岩天然容重为=2.2t/m3，试确定围岩压力值。,