第三章-围岩压力课件

地下建筑结构地下建筑结构地下建筑结构荷载地下建筑结构荷载第三讲第三讲本讲内容本讲内容n荷载种类和组合荷载种类和组合n荷载确定方法荷载确定方法n岩土体压力的计算方法岩土体压力的计算方法n初始地应力、释放荷载与开挖效应初始地应力、释放荷载与开挖效应n弹性抗力弹性抗力n其他荷载其他荷载2.1 荷载种类和组合荷载种类和组合2.1.12.1.1 荷载种类荷载种类按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等按存在状态分为：静荷载、动荷载和活荷载等 静荷载：又称恒载。是指长期作静荷载：又称恒载。是指长期作用在结构上且大小、方向和作用用在结构上且大小、方向和作用点不变的荷载，如结构自重、岩点不变的荷载，如结构自重、岩土体压力、弹性抗力和地下水压土体压力、弹性抗力和地下水压力等力等；2.1 荷载种类和组合荷载种类和组合2.1.12.1.1 荷载种类荷载种类动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，动荷载：要求具有一定防护能力的地下建筑物，需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸需考虑原子武器和常规武器（炸弹、火箭）爆炸冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗冲击波压力荷载，这是瞬时作用的动荷载；在抗震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下震区进行地下结构设计时，应计算地震波作用下的动荷载作用的动荷载作用。2.1.12.1.1荷载种类荷载种类活荷载：指在结构物施工和使用期间可能存在的活荷载：指在结构物施工和使用期间可能存在的变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。变动荷载，其大小和作用位置都可能变化。如地下建筑物内部的楼板地面荷载（人群物如地下建筑物内部的楼板地面荷载（人群物件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等。地面附件和设备重量）、吊车荷载、落石荷载等。地面附近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工近的堆积物和车辆对地下结构作用的荷载以及施工安装过程中的临时性荷载。安装过程中的临时性荷载。2.1.12.1.1荷载种类荷载种类其他荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，其他荷载：使结构产生内力和变形的各种因素中，除有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材除有以上主要荷载的作用外，通常还有：混凝土材料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）、料收缩（包括早期混凝土的凝缩与日后的干缩）、温度变化等受到约束而产生的内力。温度变化等受到约束而产生的内力。地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中地下结构所承受的荷载，按其作用特点及使用中可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可能出现的情况分为以下三类，即永久（主要）荷载、可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载可变（附加）荷载和偶然（特殊）荷载:（1）永久（主要）荷载）永久（主要）荷载 即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填即长期作用的恒载，主要包括：结构自重；回填土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；土重量；围岩压力；弹性抗力；静水压力（含浮力）；混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地混凝土收缩和徐变影响力、预加应力及设备自重等。地层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力层压力和结构自重是衬砌承受的主要静荷载，弹性抗力是地下结构所特有的被动荷载。是地下结构所特有的被动荷载。（2）可变（附加）荷载）可变（附加）荷载 分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。分为基本可变荷载和其它可变荷载两类。基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，基本可变荷载，即长期的、经常作用的变化荷载，如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、如吊车荷载、设备重量、地下储油库的油压力、车辆、人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用人员等荷重人群荷载等。其它可变荷载，即非经常作用的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构的变化荷载，如温度变化、施工荷载（施工机具，盾构千斤顶推力，注浆压力）等。千斤顶推力，注浆压力）等。（3）偶然（特殊）荷载）偶然（特殊）荷载 偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸偶然发生的荷载，如地震力或战时发生的武器爆炸冲击动荷载。冲击动荷载。2.1.2 2.1.2 荷载组合荷载组合 各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最各种荷载对结构可能不是同时作用，需进行最不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结不利情况的组合。先计算个别荷载单独作用下的结构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，构各部件截面的内力，再进行最不利的内力组合，得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组得出各设计控制截面的最大内力。最不利的荷载组合一般有以下几种情况：合一般有以下几种情况：（一）静载；（一）静载；（二）静载（二）静载+活载；活载；（三）静载（三）静载+动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载（原子爆炸动载、炮（炸）弹动载）动载）2.1.2 荷载组合荷载组合指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其指将可能同时出现在地下结构上的荷载进行编组，取其最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值最不利组合作为设计荷载，以最危险截面中最大内力值作为设计依据。作为设计依据。我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶我国公路和铁路隧道设计规范中给出的永久、可变及偶然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率极限状态设计然荷载（在铁路隧道设计规范中采用概率极限状态设计法时称为作用）参见表法时称为作用）参见表2-1和表和表2-2。表表2-1 公路隧道设计规范（公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载）的隧道荷载编号号荷荷载分分类荷荷载名称名称1永永久久荷荷载（恒（恒载）围岩岩压力力2结构自重力构自重力3填土填土压力力4混凝土收混凝土收缩和徐和徐变影响力影响力5可可变荷荷载基本基本可可变荷荷载公路公路车辆荷荷载、人群荷、人群荷载6立交公路立交公路车辆荷荷载及其所及其所产生的土生的土压力力7立交立交铁路列路列车活活载及其所及其所产生的土生的土压力力8其它其它可可变荷荷载立交渡槽流水立交渡槽流水压力力9温度温度变化的影响力化的影响力10冻胀力力11偶偶然然荷荷载落石冲落石冲击力力12地震力地震力13施工荷施工荷载注：1设计隧道结构时，按其可能出现的最不利情况组合。表表2-2 铁隧道设计规范（铁隧道设计规范（TB10003-2001,J117-2001）的隧道作用（荷载）分类）的隧道作用（荷载）分类编号号荷荷载分分类荷荷载名称名称荷荷载分分类1永久作用永久作用结构自重构自重恒恒载主要荷主要荷载2结构附加恒构附加恒载3围岩岩压力力4土土压力力5混凝土收混凝土收缩和徐和徐变的影响的影响6可可变作用作用列列车活活载活活载7活活载所所产生的土生的土压力力8公路公路车辆荷荷载9冲冲击力力10渡槽水流渡槽水流压力（力（设计渡槽明洞渡槽明洞时）11制制动力力附加荷附加荷载12温度温度变化的影响化的影响13灌灌浆压力力14冻胀力力15施工荷施工荷载（施工（施工阶段的某些外力）段的某些外力）16偶然作用偶然作用落石冲落石冲击力力附加荷附加荷载17地震力地震力特殊荷特殊荷载2.2 荷载的确定方法荷载的确定方法2.2.1 2.2.1 确定依据确定依据(1)依据规范：依据规范：当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条当前在地下建筑结构设计中试行的规范、技术措施、条例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵例等有多种。有的仍沿用地面建筑的设计规范，设计时应遵守各有关规范守各有关规范。(2)设计标准设计标准 1）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。）根据建筑用途、防护等级、地震等级等确定。2）地下建筑结构）地下建筑结构材料的选用材料的选用 3）地下衬砌结构一般为超静定结构，其）地下衬砌结构一般为超静定结构，其内力内力在弹性阶段可在弹性阶段可按结构力学按结构力学计算计算。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起。考虑抗爆动载时，允许考虑由塑性变形引起的内力重分布。的内力重分布。2.2 荷载的确定方法荷载的确定方法3）截面计算原则）截面计算原则 结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、结构截面计算时，按总安全系数法进行，一般进行强度、裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结裂缝（抗裂度或裂缝宽度）和变形的验算等。混凝土和砖石结构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。构仅需进行强度计算，并在必要时验算结构的稳定性。钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除钢筋混凝土结构在施工和正常使用阶段的静荷载作用下，除按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限按强度计算外，一般应验算裂缝宽度，根据工程的重要性，限制裂缝宽度小于制裂缝宽度小于0.100.20mm，但不允许出现通透裂缝。对较重，但不允许出现通透裂缝。对较重要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。要的结构则不能开裂，即验算抗裂度。钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作钢筋混凝土结构在爆炸动载作用下只需进行强度计算，不作裂缝验算裂缝验算。4）安全系数）安全系数 结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。结构在静载作用下的安全系数可参照有关规范确定。对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载对于地下建筑结构，如施工条件差，不易保证质量和荷载变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数变异大时，对混凝土和钢筋砼结构需考虑用附加安全系数1.1。静载下的抗裂安全系数不小于静载下的抗裂安全系数不小于1.25，视工程重要性，可予，视工程重要性，可予提高。提高。结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，结构在爆炸荷载作用下，由于爆炸时间较短，而荷载很大，为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。为使结构设计经济和配筋合理，其安全系数可以适当降低。5）材料强度指标）材料强度指标 一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际一般采用工业与民用建筑规范中的规定值，亦可根据实际情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。情况，参照水利、交通、人防和国防等专门规范。结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关结构在动载作用下，材料强度可以提高；提高系数见有关规定。规定。2.3 岩土体压力的计算方法岩土体压力的计算方法 土压力是土与挡土结构之间相土压力是土与挡土结构之间相互作用的结果，它与结构的变位有互作用的结果，它与结构的变位有着密切关系。着密切关系。以挡土墙为例，作用在挡土墙以挡土墙为例，作用在挡土墙墙背上的土压力可以分为静止土压墙背上的土压力可以分为静止土压力、主动土压力（往往简称土压力）力、主动土压力（往往简称土压力）和被动土压力（往往简称土抗力）和被动土压力（往往简称土抗力）三种，其中主动土压力值最小，被三种，其中主动土压力值最小，被动土压力值最大，而静止土压力值动土压力值最大，而静止土压力值介于两者之间。介于两者之间。2.3.1 经典土压力理论经典土压力理论 软土地区浅埋的地下工程，采用“土柱理论”计算。竖向土压力即为结构顶盖上整个土柱的全部重量。侧向土压力经典理论主要是库伦（Coulomb）理论和朗肯（Rankine）理论。静止土压力计算一般采用弹性理论，它也可以称为经典理论。尽管上述经典土压力理论存在许多不足之处，但是在工程界仍然得到广泛应用。1、静止土压力的计算、静止土压力的计算 结构不发生变形和任何位移（移动或转动）时，背后填土处于弹性平衡状态。可根据半无限弹性体的应力状态求解。粘土ko=0.50.7；砂土ko=0.340.45。砂土、粉土1.0；粘性土、淤泥质土0.952、库伦土压力理论、库伦土压力理论 库伦理论的基本假定：库伦理论由法国科学家库伦（Coulomb,C.A.）于1773年发表，主要针对挡土墙计算，基本假定为：挡土墙墙后土体为均质各向同性的无粘性土；挡土墙是刚性的且长度很长，属于平面应变问题；挡土墙后土体产生主动土压力或被动土压力时，土体形成滑动楔体，滑裂面为通过墙踵的平面；墙顶处土体表面可以是水平面，也可以为倾斜面，倾斜面与水平面有夹角；在滑裂面和墙背面上的切向力分别满足极限平衡条件 求导：最大滑楔面求导：最小滑楔面 3、朗肯土压力理论、朗肯土压力理论 朗肯土压力理论是由英国科学家朗肯（Rankine）于1857年提出。朗肯理论的基本假定为：（1）挡土墙背竖直，墙面为光滑，不计墙面和土层之间的摩擦力；（2）挡土墙后填土的表面为水平面，土体向下和沿水平方向都能伸展到无穷，即为半无限空间；（3）挡土墙后填土处于极限平衡状态。朗肯理论是从弹性半空间的应力状态出发，由土的极限平衡理论导出。特殊情况下的土压力1、成层土的土压力计算 2、地面超载作用下的土压力计算与图式特殊情况下的土压力3、考虑地下水时水土压力计算p水土压力分算：砂性土和粉土p水土压力合算：粘性土 2.3.2 围岩压力的计算围岩压力的计算 （一）围岩压力及其影响因素（一）围岩压力及其影响因素 1、围岩压力的概念 围岩压力是指位于地下结构周围变形及破坏的岩层，作用在衬砌或支撑上的压力。洞室开挖之前，地层中的岩体处于复杂的原始应力平衡状态。洞室开挖之后，围岩中的原始应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布，从而使围岩产生变形。当变形发展到岩体极限变形时，岩体就产生破坏。如在围岩发生变形时及时进行衬砌或围护，阻止围岩继续变形，防止围岩塌落，则围岩对衬砌结构就要产生压力，即所谓的围岩压力。围岩压力可分为围岩垂直压力、围岩水平压力及围岩底部压力。2、影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，主要与岩体的结构、岩石的强度、地下水的作用、洞室的尺寸与形状、支护的类型和刚度、施工方法、洞室的埋置深度和支护时间等因素相关。其中，岩体稳定性的关键在于岩体结构面的类型和特征。F28F6F5F27按围岩压力及作用分：按围岩压力及作用分：支护结构理论的发展可以划分为三个阶段：第一阶段：古典岩土压力理论阶段第一阶段：古典岩土压力理论阶段n兴起于20世纪20年代以前，代表性人物主要有海姆（A.Haim）、朗肯（W.J.M.Rankine）和金尼克（A.H.）。n认为作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量，侧压力方面，海姆认为侧压系数为1，朗肯根据松散体理论认为是，而金尼克根据弹性理论认为是/(1-)（为岩体的泊松比）。当时地下工程埋藏深度不大，一度被认为是正确的。第二阶段：散体压力理论阶段第二阶段：散体压力理论阶段n代表性人物是泰沙基（K.Terzaghi，太沙基）和普罗托季亚科诺夫（普氏，M.M.）。n认为当地下工程埋藏深度较大时，支护上的压力只是围岩坍落拱内松动岩体的重量，坍落拱的高度与地下工程的跨度及围岩的性质有关。n太沙基认为坍落拱为矩形，而普罗托季亚科诺夫认为是抛物线形。n并通过假定抗力的形式考虑围岩与结构的相互作用。n采用荷载结构法进行结构内力计算。第三阶段：共同作用理论阶段第三阶段：共同作用理论阶段n没能科学地确定坍落拱的高度及其形成过程，更没有认识到稳定围岩和充分发挥围岩的自承作用问题。n20世纪50年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩弹性、弹塑性及粘弹性解答逐步出现，锚（杆）喷（射混凝土）支护及新奥法（新奥地利隧道设计施工）的兴起，终于形成了以岩石力学原理（围岩）及弹性力学（结构）为基础的、考虑支护结构与围岩共同作用的地下现代支护理论。n我国采用较多的仍是以散体压力理论为基础的荷载结构法，一方面该理论发展时间较长，有较多经验，另一方面是该计算理论形式简单，比较容易为工程设计人员所掌握。n只对圆形断面才有封闭的解析解，设计中一般作为校核，但近年来地层结构法得到了越来越广泛的应用。地下结构的计算理论（按地下结构分）：地下结构的计算理论（按地下结构分）：1、刚性结构阶段、刚性结构阶段 刚性结构的计算理论，如压力线理论等。刚性结构的计算理论，如压力线理论等。n背景：十九世纪砖石结构流行背景：十九世纪砖石结构流行n分析方法：三铰拱静定体系，铰的位置分析方法：三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。力学原理进行计算。地下结构计算理论的发展地下结构计算理论的发展2、弹性结构阶段、弹性结构阶段背景：十九世纪未混凝土、钢筋混凝土结构出现背景：十九世纪未混凝土、钢筋混凝土结构出现n分析方法：弹性连续拱形框架体系分析方法：弹性连续拱形框架体系n设计准则：混凝土设计规范设计准则：混凝土设计规范（1 1）假定弹性反力阶段）假定弹性反力阶段 衬衬砌砌在在承承受受岩岩体体所所给给的的主主动动压压力力作作用用产产生生弹弹性性变变形形的的同同时时，将将受受到到地地层层对对其其变变形形的的约约束束作作用用。地层对衬砌变形的约束作用力就称之为地层对衬砌变形的约束作用力就称之为弹性反力弹性反力。假假定定弹弹性性反反力力 弹弹性性反反力力的的分分布布图图形形为为直直线线(三角形或梯形三角形或梯形)对对拱拱形形结结构构按按变变形形曲曲线线假假定定了了月月牙牙形形的的弹弹性性反反力图形力图形（2 2 2 2）弹性地基梁阶段）弹性地基梁阶段）弹性地基梁阶段）弹性地基梁阶段 将隧道边墙视为支承在侧面和基底地将隧道边墙视为支承在侧面和基底地层上的双向层上的双向弹性地基梁弹性地基梁，计算在主动荷载，计算在主动荷载作用下拱圈和边墙的内力。作用下拱圈和边墙的内力。局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论局部变形弹性地基梁理论 共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论共同变形弹性地基梁理论 弹性抗力弹性抗力：衬砌在受力过程中的变形，一部分结衬砌在受力过程中的变形，一部分结构有离开围岩形成构有离开围岩形成“脱离区脱离区”的趋势，另一部分压紧的趋势，另一部分压紧围岩形成所谓围岩形成所谓“抗力区抗力区”，在抗力区内，在抗力区内，约束着衬砌约束着衬砌变形的围岩相应地产生被动抵抗力变形的围岩相应地产生被动抵抗力.弹性抗力大小，目前以温克尔（弹性抗力大小，目前以温克尔（E.Winkler）假定为基础的局部变形理论，它认为应力和变形假定为基础的局部变形理论，它认为应力和变形之间呈线性关系，即为之间呈线性关系，即为围岩弹性抗力系数围岩弹性抗力系数 式中式中 围岩边面上任意一点围岩边面上任意一点i的压缩变形（的压缩变形（m）;围岩在同一点所产生的弹性抗力（围岩在同一点所产生的弹性抗力（MPa）;比例系数，称为围岩的弹性抗力系数比例系数，称为围岩的弹性抗力系数(MPa/m)。施加荷载后施加荷载后 计算模型图计算模型图 弯矩图弯矩图 变形图变形图 变形前变形前变形后变形后3 连续介质阶段连续介质阶段 二者相互作用与岩体的二者相互作用与岩体的初始应力状态、岩体的特性初始应力状态、岩体的特性、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及、支护结构的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间、施工技术参与工作的时间、施工技术等因素有关。等因素有关。以岩体力学理论为基础，视隧道结构与围以岩体力学理论为基础，视隧道结构与围岩为岩为受力整体受力整体，共同承受围岩，共同承受围岩形变压力形变压力。4 数值分析与信息反馈阶段数值分析与信息反馈阶段 随着岩土本构关系进步以及有限元法及离散元法随着岩土本构关系进步以及有限元法及离散元法等数值解法发展，连续介质力学的计算应用范围得等数值解法发展，连续介质力学的计算应用范围得到扩大。到扩大。计算参数难以准确获得计算参数难以准确获得。例如：岩体原始应力、。例如：岩体原始应力、岩体力学参数及施工因素等。岩体力学参数及施工因素等。以以新奥法理论新奥法理论为基础，采用为基础，采用监控量测技术监控量测技术，将支护与围，将支护与围岩共同作用、岩共同作用、信息反馈信息反馈原理应用在地下工程中，形成原理应用在地下工程中，形成现代信现代信息化支护与技术。息化支护与技术。一、围岩压力及分类一、围岩压力及分类(一一)围岩压力概念围岩压力概念 广广义义概概念念：围围岩岩压压力力是是指指引引起起地地下下开开挖挖空空间间周周围围岩岩体体和和支支护护变变形形或或破破坏坏的的作作用用力力。它它包包括括由由地地应应力力引引起起的的围围岩岩应应力力以以及及围围岩岩变变形形受受阻阻而而作作用用在支护结构上的作用力。在支护结构上的作用力。狭狭义义概概念念：指指围围岩岩变变形形受受阻阻而而作作用用在在支支护结构上的作用力。护结构上的作用力。(一一)围岩压力概念围岩压力概念 广广义义概概念念：围围岩岩压压力力是是指指引引起起地地下下开开挖挖空空间间周周围围岩岩体体和和支支护护变变形形或或破破坏坏的的作作用用力力。它它包包括括由由地地应应力力引引起起的的围围岩岩应应力力以以及及围围岩岩变变形形受受阻阻而而作作用用在支护结构上的作用力。在支护结构上的作用力。狭狭义义概概念念：指指围围岩岩变变形形受受阻阻而而作作用用在在支支护结构上的作用力。护结构上的作用力。(二二二二)围岩压力分类围岩压力分类围岩压力分类围岩压力分类 松动压力松动压力 形变压力形变压力 膨胀压力膨胀压力 冲击压力冲击压力 由由由由于于于于开开开开挖挖挖挖而而而而松松松松动动动动或或或或坍坍坍坍塌塌塌塌的的的的岩岩岩岩体体体体以以以以重重重重力力力力形形形形式式式式直直直直接接接接作作作作用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：松动压力常通过下列三种情况发生：松动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在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；石；石；石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软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。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。1.1.1.1.松动压力松动压力松动压力松动压力 拱顶坍塌、冒落拱顶坍塌、冒落水平岩层水平岩层倾斜岩层倾斜岩层水平岩层冒落倾斜岩层掉块、塌落高边墙坍塌裂隙岩体顶部掉块2.2.形变压力形变压力 形形变变压压力力是是由由于于围围岩岩变变形形受受到到与与之之密密贴贴的的支支护护如如锚锚喷喷支支护护等等的的抑抑制制，而而使使围围岩岩与与支支护护结结构构共共同同变变形形过过程程中中，围围岩岩对对支支护护结结构构施施加的接触压力。加的接触压力。软岩巷道严重底鼓变形软岩巷道严重底鼓变形 软岩巷道变形、支撑断裂软岩巷道变形、支撑断裂3.3.膨胀压力膨胀压力 当当岩岩体体具具有有吸吸水水膨膨胀胀崩崩解解的的特特征征时时，由由于于围围岩岩吸吸水水而而膨膨胀胀崩崩解解所所引引起起的的压压力力称称为为膨膨胀胀压压力力。它它与与形形变变压压力力的的基基本本区区别别在在于于它它是是由吸水膨胀引起的。由吸水膨胀引起的。4.4.4.4.冲击压力冲击压力冲击压力冲击压力 冲冲冲冲击击击击压压压压力力力力是是是是在在在在围围围围岩岩岩岩中中中中积积积积累累累累了了了了大大大大量量量量的的的的弹弹弹弹性性性性变变变变形形形形能能能能以以以以后后后后，由由由由于于于于隧隧隧隧道道道道的的的的开开开开挖挖挖挖，围围围围岩岩岩岩的的的的约约约约束束束束被被被被解解解解除除除除，能能能能量量量量突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。突然释放所产生的压力。上上上上述述述述松松松松动动动动压压压压力力力力、形形形形变变变变压压压压力力力力往往往往往往往往同同同同时时时时存存存存在在在在，难难难难以以以以严格区分。严格区分。严格区分。严格区分。二、影响围岩压力的因素二、影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。地地地地质质质质因因因因素素素素：它它它它包包包包括括括括初初初初始始始始应应应应力力力力状状状状态态态态、岩岩岩岩石石石石力力力力学学学学性性性性质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；质、岩体结构面等；工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。设置时间、支护刚度、坑道形状等。三、围岩松动压力的形成和确定方法三、围岩松动压力的形成和确定方法(一一一一)围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成围岩松动压力的形成 深深深深埋埋埋埋坑坑坑坑道道道道开开开开挖挖挖挖后后后后围围围围岩岩岩岩由由由由变变变变形形形形到到到到坍坍坍坍塌塌塌塌成成成成拱拱拱拱的的的的整整整整个个个个变变变变形形形形过过过过程程程程，称称称称为为为为围围围围岩岩岩岩的的的的成成成成拱拱拱拱作作作作用用用用。在在在在成成成成拱拱拱拱过过过过程程程程中中中中形形形形成成成成的的的的相相相相对对对对稳稳稳稳定定定定的的的的拱拱拱拱形形形形坍坍坍坍腔腔腔腔结结结结构构构构，成成成成为为为为自自自自然然然然拱拱拱拱或或或或坍坍坍坍落落落落拱拱拱拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。围岩松散压力的围岩松散压力的产生过程产生过程 隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶隧道开挖后，在围岩应力重分布过程中，顶板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为板开始沉陷，并出现拉断裂纹，可视为变形阶段；变形阶段；顶板的裂纹继续发展并且张开，由于结构面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，可视为切割等原因，逐渐转变为松动，可视为松动阶段；松动阶段；顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为为坍塌阶段坍塌阶段；顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面顶板塌落停止，达到新的平衡，此时其界面形成一近似的拱形，可视为形成一近似的拱形，可视为成拱阶段成拱阶段。(c)(d)(a)(b)变形阶段变形阶段松动阶段松动阶段塌落阶段塌落阶段成拱阶段成拱阶段自然拱 自自自自然然然然拱拱拱拱范范范范围围围围的的的的大大大大小小小小除除除除了了了了受受受受上上上上述述述述的的的的围围围围岩岩岩岩地地地地质质质质条条条条件件件件、支支支支护护护护结结结结构构构构架架架架设设设设时时时时间间间间、刚刚刚刚度度度度以以以以及及及及它它它它与与与与围围围围岩岩岩岩的的的的接接接接触触触触状状状状态态态态等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：等因素影响外，还取决于以下诸因素：PP隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；隧道的形状和尺寸；PP隧道的埋深；隧道的埋深；隧道的埋深；隧道的埋深；PP施工因素。施工因素。施工因素。施工因素。深、浅埋隧道的判定原则深、浅埋隧道的判定原则 隧道埋深不同，确定围岩压力的隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同，应计算方法不同，应以隧道顶部覆盖层以隧道顶部覆盖层能否形成能否形成“自然拱自然拱”为原则为原则。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坍方平均高度高度(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。根据经度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。根据经验，这个深度验，这个深度通常为通常为22.5倍的坍方平均高度倍的坍方平均高度值值 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（kNm2）。）。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 Hhq时为超浅埋时为超浅埋(二二)确定围岩松动压力的方法确定围岩松动压力的方法围岩压力的确定目前常用有下列三种围岩压力的确定目前常用有下列三种方法：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 直接量测法：直接量测法：是一种切合实际的方法，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；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，目但由于受量测设备和技术水平的制约，目前还不能普遍常用。前还不能普遍常用。接触压力量测布置图接触压力量测布置图 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。理论估算法：理论估算法：是在实践的基础上从理论上是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的方法。由于研究围岩压力的方法。由于地质条件的不确地质条件的不确定性，影响围岩压力的因素多定性，影响围岩压力的因素多，企图建立一，企图建立一种完善的和适合各种实际情况的通用围岩压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。力理论及计算方法是困难的。式中式中式中式中 宽度影响系数，宽度影响系数，宽度影响系数，宽度影响系数，=1+=1+i i(B B-5)-5)B B坑道宽度，以坑道宽度，以坑道宽度，以坑道宽度，以mm计；计；计；计；i iB B每每每每增增增增加加加加1m1m时时时时，围围围围岩岩岩岩压压压压力力力力的的的的增增增增减减减减率率率率(以以以以B B5m5m为为为为基基基基准准准准)，当当当当B B5m5m时时时时取取取取i i=0.2=0.2，B B5m5m时时时时，取取取取i i0.10.1。对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：我国我国我国我国隧规隧规隧规隧规所推荐的方法（所推荐的方法（所推荐的方法（所推荐的方法（q q q q、e e e e）(1)(1)深埋隧道深埋隧道深埋隧道深埋隧道 式中式中式中式中 h hq q等效荷载高度值；等效荷载高度值；等效荷载高度值；等效荷载高度值；S S围岩级别，如围岩级别，如围岩级别，如围岩级别，如级围岩级围岩级围岩级围岩S S=3=3；围岩的容重；围岩的容重；围岩的容重；围岩的容重；对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：对于单线隧道、按概率极限状态设计时：水平压力水平压力水平压力水平压力e e可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。可用下表中的经验范围取值。水平压力水平压力水平压力水平压力e e推荐范围推荐范围推荐范围推荐范围 上述计算表达式的适用条件上述计算表达式的适用条件上述计算表达式的适用条件上述计算表达式的适用条件HH/B B1.7(1.7(HH为坑道的高度为坑道的高度为坑道的高度为坑道的高度)；深埋隧道；深埋隧道；深埋隧道；深埋隧道；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。采用钻爆法施工的隧道。垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图垂直松动压力的分布图水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。深埋荷载分布深埋荷载分布 深埋荷载分布，考虑水压深埋荷载分布，考虑水压 竖向荷载分布竖向荷载分布 水平荷载分布水平荷载分布 郑西客运专线郑西客运专线 黄土隧道黄土隧道 厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道 (2)(2)浅埋隧道浅埋隧道浅埋隧道浅埋隧道 当当当当隧隧隧隧道道道道埋埋埋埋深深深深不不不不大大大大时时时时，开开开开挖挖挖挖的的的的影影影影响响响响将将将将波波波波及及及及到到到到地地地地表表表表而而而而不不不不能能能能形形形形成成成成“自自自自然然然然拱拱拱拱”。从从从从施施施施工工工工过过过过程程程程中中中中岩岩岩岩体体体体(包包包包括括括括土土土土体体体体)的的的的运运运运动动动动情情情情况况况况可可可可以以以以看看看看到到到到，隧隧隧隧道道道道开开开开挖挖挖挖后后后后如如如如不不不不及及及及时时时时支支支支撑撑撑撑，岩岩岩岩体体体体即即即即会会会会大大大大量量量量坍坍坍坍落落落落移移移移动动动动，这这这这种种种种移移移移动动动动会会会会影影影影响响响响到到到到地地地地表表表表并并并并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面。对对对对于于于于这这这这样样样样的的的的情情情情况况况况，可可可可以以以以采采采采用用用用松松松松散散散散介介介介质质质质极极极极限限限限平平平平衡衡衡衡理论进行分析。理论进行分析。理论进行分析。理论进行分析。当当当当滑滑滑滑动动动动岩岩岩岩体体体体下下下下滑滑滑滑时时时时，受受受受到到到到两两两两种种种种阻阻阻阻力力力力作作作作用用用用：一一一一是是是是滑滑滑滑面面面面上上上上阻阻阻阻止止止止滑滑滑滑动动动动岩岩岩岩体体体体下下下下滑滑滑滑的的的的摩摩摩摩擦擦擦擦阻阻阻阻力力力力；二二二二是是是是支支支支护护护护结结结结构构构构的的的的反反反反作作作作用用用用力力力力，这这这这种种种种反反反反作作作作用用用用力力力力的的的的数数数数值值值值应应应应等等等等于于于于滑滑滑滑动动动动岩岩岩岩体体体体对对对对支支支支护护护护结结结结构构构构施施施施加加加加的的的的压压压压力力力力，也也也也就就就就是是是是我我我我们们们们所所所所要要要要确确确确定定定定的的的的围岩松动压力。围岩松动压力。围岩松动压力。围岩松动压力。围岩压力围岩压力滑动面滑动面滑动土体滑动土体未扰动土体未扰动土体支护结构反力支护结构反力 受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：受力的极限平衡条件：滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力滑动岩体重量滑面上的阻力+支护结构的反作用支护结构的反作用支护结构的反作用支护结构的反作用力力力力(围岩松动压力围岩松动压力围岩松动压力围岩松动压力)围岩松动压力滑动岩体重量围岩松动压力滑动岩体重量围岩松动压力滑动岩体重量围岩松动压力滑动岩体重量滑面上的阻力滑面上的阻力滑面上的阻力滑面上的阻力 隧道埋深隧道埋深隧道埋深隧道埋深h h小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度小于或等于等效荷载高度h hq q(即即即即h h h hq q)时，时，时，时，忽略滑动面上的摩擦力：忽略滑动面上的摩擦力：忽略滑动面上的摩擦力：忽略滑动面上的摩擦力：式中式中式中式中 围岩容重，以围岩容重，以围岩容重，以围岩容重，以kN/mkN/m3 3计；计；计；计；h h 隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以隧道埋置深度，以mm计。计。计。计。围岩水平均布压力围岩水平均布压力围岩水平均布压力围岩水平均布压力e e按朗金公式计算按朗金公式计算按朗金公式计算按朗金公式计算 隧道埋深隧道埋深隧道埋深隧道埋深h h大于等效荷载高度大于等效荷载高度大于等效荷载高度大于等效荷载高度h hq q(即即即即h h h hq q)时：时：时：时：隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。须考虑滑面上阻力的影响。须考虑滑面上阻力的影响。须考虑滑面上阻力的影响。施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，根据实践经验作如下简化假定。根据实践经验作如下简化假定。根据实践经验作如下简化假定。根据实践经验作如下简化假定。W2W2T1NA0CDFBNEPW1hHBT1T2T2a.a.岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成岩体中所形成的破裂面是一个与水平面成 角的斜角的斜角的斜角的斜直面；直面；直面；直面；b.b.当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体当洞顶上覆盖岩体FEGHFEGH下沉时受到两侧岩体的下沉时受到两侧岩体的下沉时受到两侧岩体的下沉时受到两侧岩体的挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体挟持，应当强调它反过来又带动了两侧三棱岩体ACEACE和和和和BDFBDF的下滑，而当整个下滑岩体的下滑，而当整个下滑岩体的下滑，而当整个下滑岩体的下滑，而当整个下滑岩体ABDHGCABDHGC下滑时，又受阻于未扰动岩体。下滑时，又受阻于未扰动岩体。下滑时，又受阻于未扰动岩体。下滑时，又受阻于未扰动岩体。c.c.斜直面斜直面斜直面斜直面ACAC、BDBD是一个假定破裂滑面，该滑面的是一个假定破裂滑面，该滑面的是一个假定破裂滑面，该滑面的是一个假定破裂滑面，该滑面的抗剪强度决定于滑面的摩擦角抗剪强度决定于滑面的摩擦角抗剪强度决定于滑面的摩擦角抗剪强度决定于滑面的摩擦角 及粘结力及粘结力及粘结力及粘结力c c，为简化，为简化，为简化，为简化计算采用岩体的似摩擦角计算采用岩体的似摩擦角计算采用岩体的似摩擦角计算采用岩体的似摩擦角 0 0。基于上述假定，按力的平衡条件，可求出作用在隧基于上述假定，按力的平衡条件，可求出作用在隧基于上述假定，按力的平衡条件，可求出作用在隧基于上述假定，按力的平衡条件，可求出作用在隧道支护结构上的围岩松动压力值。道支护结构上的围岩松动压力值。道支护结构上的围岩松动压力值。道支护结构上的围岩松动压力值。围岩垂直均布松动压力围岩垂直均布松动压力围岩垂直均布松动压力围岩垂直均布松动压力q q 围岩水平均布松动压力围岩水平均布松动压力围岩水平均布松动压力围岩水平均布松动压力 围岩应力的现场量测围岩应力的现场量测 实测围岩压力的方法很多，可实测围岩压力的方法很多，可归纳为两类：归纳为两类：直接量测直接量测 间接量测间接量测直接量测：直接量测：主要采用压力盒、压力主要采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒。使用较多的是钢弦式压力盒。间接量测：间接量测：利用量测隧道衬砌的利用量测隧道衬砌的应变、变形来推算作用在其上的围岩应变、变形来推算作用在其上的围岩压力的方法，即间接量测法。如电阻压力的方法，即间接量测法。如电阻应变片、钢筋应变计、遥测应变计、应变片、钢筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖等混凝土应变砖等 地下建筑结构除了岩土层压力、结构自重和弹性地下建筑结构除了岩土层压力、结构自重和弹性抗力等荷载外，还可能遇到其他形式的荷载，如灌浆抗力等荷载外，还可能遇到其他形式的荷载，如灌浆压力、混凝土收缩应力、地下静水压力、温差应力及压力、混凝土收缩应力、地下静水压力、温差应力及地震荷载等，这些荷载的计算可参阅有关文献。地震荷载等，这些荷载的计算可参阅有关文献。其他荷载其他荷载隧道结构体系的计算模型隧道结构体系的计算模型 计算模型的如何建立？计算模型的如何建立？隧道结构计算如何简化？隧道结构计算如何简化？不同简化计算结果差异大！不同简化计算结果差异大！目前采用的地下结构设计目前采用的地下结构设计常用方法常用方法可以归纳为以可以归纳为以下下3种设计模型种设计模型：以工程类比为主的以工程类比为主的经验设计法；经验设计法；荷载荷载结构模型方法结构模型方法岩体力学岩体力学模型方法，包括解析法和模型方法，包括解析法和数值法数值法。数值计。数值计算法目前主要是有限单元法。算法目前主要是有限单元法。从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两从各国的地下结构设计实践看，目前主要采用两类计算模型：类计算模型：一类是一类是以支护结构作为承载主体以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载同围岩作为荷载同时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，即结构时考虑其对支护结构的变形约束作用的模型，即结构力学模型，又称为力学模型，又称为荷载结构模型荷载结构模型；另一类则相反，视另一类则相反，视围岩为承载主体围岩为承载主体，支护结构则为，支护结构则为约束围岩变形的模型约束围岩变形的模型 ，即岩体力学模型或称为，即岩体力学模型或称为围岩围岩（地层）（地层）结构模型结构模型。天府广场地下综合体三维实体模型天府广场地下综合体三维实体模型 近接上下交叉隧道整体三维模型近接上下交叉隧道整体三维模型 上部管线隧道上部管线隧道 下部贯穿隧道下部贯穿隧道 侧开窗洞门侧开窗洞门 基坑开挖后初始模型基坑开挖后初始模型 计算计算5000步步 计算计算25000步步 计算计算5000步步计算计算25000盾构开挖初始模型盾构开挖初始模型 基坑开挖后初始模型基坑开挖后初始模型 破坏破坏 谢 谢