隧道围岩分级与围岩压力课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,隧道工程,隧道围岩分级与围岩压力,隧道工程,模块二 隧道围岩分级与围岩压力,Surrounding rock classification and pressure,第,1,单元 围岩分级,第,2,单元 围岩压力及成拱作用,第,3,单元 围岩压力的确定,一、概述,围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体,(,这里所指的岩体是土体与岩体的总称,),。,在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。,第,1,单元 围岩分级,（,Surrounding rock classification,）,各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。,目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。,围岩分级的目的是：,作为选择施工方法的依据；,进行科学管理及正确评价经济效益；,确定结构上的荷载,(,松散荷载,),；,给出衬砌结构的类型及其尺寸；,制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。,比较理想的分级方法是：,准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；,便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；,最好在挖开地层前得到结论。,人们对围岩的认识是不断深入的,从国外的情况看：,土石方工程分类法,(,开挖难易程度,),岩石的坚固性来分类,:,如坚固性系数,f,RQD,从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类,从分级指标方面：,大多数从定性描述,经验判断,定量描述,以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分类的总趋势。,影响围岩稳定性的主要因素,(1),岩体结构特征,岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。,岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。,1.,地质因素,张家界图,节理较发育,(2),结构面性质和空间的组合,在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。,从下述的,5,个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：,结构面的成因及其发展史；,结构面的平整、光滑程度；,结构面的物质组成及其充填物质情况；,结构面的规模与方向性；,结构面的密度与组数。,(3),岩石的力学性质,在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的力学性质，尤其是岩石的强度。一般来说，岩石强度越高，洞室越稳定。,(4),围岩的初始应力场,围岩的初始应力场是地下工程围岩变形、破坏的根本作用力，它直接影响围岩的稳定性。,(5),地下水状况,地下水对围岩的影响主要表现在：,软化围岩；,软化结构面；,承压水作用。,2.,工程活动所造成的人为因素,(1),地下洞室尺寸和形状,在同一级,(,类,),围岩中，洞室跨度愈大，围岩的稳定性就愈差；,地下洞室的形状主要影响开挖后围岩的应力状态。,(2),施工中采用的开挖方法,开挖方法对地下工程围岩稳定性的影响较为明显，在分级,(,类,),中必须予以考虑。,超挖,二、围岩分级方法简介,现行的围岩分级法考虑了三个基本因素：,1,与岩性有关的因素：如岩石的强度和变形性质（抗压强度、弹性模量、弹性波速等）可将岩石分为硬岩、软岩、膨胀岩等。,2,与地质构造有关的因素：岩体的完整性或结构状态。如软弱结构面的分布与性态、风化程度、节理发育程度、块度大小等，其分级指标在围岩分级中占有重要地位。,3,与地下水有关的因素：,水是使隧道丧失稳定的重要原因，地下水对围岩稳定性的影响有：,（,1,）地下水能软化围岩，降低围岩体强度；,（,2,）地下水能软化围岩体中的结构面，降低围岩体的的抗剪强度，使围岩体容易滑动；,（,3,）地下水往往形成承压水体，促使围岩失去稳定。,总之，地下水对于围岩的稳定性是不利的。,目前国内外的隧道围岩分级方法：,（一）、以岩石强度和物理性质为指标的分级法：,1,以岩石强度为指标的分级法：岩石越坚硬，坑道越稳定，围岩就越好。,该分级法一般将围岩四种类型：坚岩、次坚岩、松石及土四级。但它有局限性：如：如我国陕北的老黄土，无水时直立性很强，稳定性相当好，但强度却很低。再如：江西、福建等地的红砂岩，虽然强度低，但稳定性较好。,2,以岩石物理性质为指标的分级法：前苏联的普氏分级法（也称 值分级法），,“,”,值是一个综合的物性指标，它代表岩石的相对坚固性。如：岩石的抗钻性、抗爆性、强度。,-,岩石饱和单轴极限抗压强度。,我国还考虑了地质条件的影响，如围岩的节理、裂隙、风化。,-,地质条件折减系数，实质上是将由强度决定的,“,”,值适当降低。,（二）、以岩体构造，岩性特征为指标的分级法：,1,太沙基（,K.terzaghi,）分级法：将不同岩性，构造条件的围岩分为九级，对应于每一级都有一个相应的地压范围和支护措施。该分级法在美国、英国等广泛应用,2,岩体综合物性指标分级法：这种分级法就是我国现行铁路隧道围岩分级方法。,（三）、与地质勘探手段相联系的分级方法：,1,围岩弹性波纵波速度分级：波速越高，围岩越好。该法最早是日本提出的。,2,岩石质量为指标的分级法：,RQD,（,rock quality designation,）分级法。,用岩芯复原率来表示岩石质量指标，岩芯的完整程度与岩体的原始裂隙、硬度、均匀性等状态有关。,所谓岩芯复原率：是指单位长度的钻孔中，,10cm,以上的岩芯占有的比例。,这种围岩分级方法将围岩分为五级：优、良、好、差、很差。,（四）、组合多种因素的分级法（岩体质量,-Q,分级法）：,1974,年挪威地质学家巴顿将围岩分为九级。,-,岩石的质量指标；,-,节理组数目；,-,节理粗糙度；,-,节理蚀变值；,-,节理含水折减系数；,-,（,stress rebate factor,）应力折减系数；,-,岩块的大小；,-,岩块间的抗剪强度；,-,作用应力；,目前铁路隧道围岩分级采用两种方法，即,以围岩稳定为基础的分级方法,和,按弹性波,(,纵波,),速度的分级方法,。,该分级法主要考虑了围岩的结构特征和完整状态、岩石强度和地下水等工程地质条件和弹性波纵波速度因素，把围岩分为,6,级，依其稳定性由好到差为,、,、,、,、,、,。,三、国内主要地下工程围岩分级,(,类,),标准,(,一,),铁路隧道设计规范,的围岩分级,1.,围岩分级的基本因素,(1),岩石坚硬程度,根据单轴饱和极限抗压强度,R,c,分为,5,级，即极硬岩、硬质岩、较软岩、软岩、极软岩。,岩石坚硬程度的划分,(2),岩体的完整程度,主要是指围岩被各种结构面切割成单元体的特征及其被切割后的块度大小。它是评价围岩稳定程度最直接、最重要的指标。,为了衡量围岩的完整程度要考虑的因素：,按照软弱面的产状、贯通性以及充填物的情况，可将围岩分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。,按照围岩受地质构造影响的程度，可将围岩分为：构造变动轻微、较重、严重、很严重。,按照节理,(,裂隙,),发育程度的不同又分为：节理不发育、节理较发育、节理发育及节理很发育。,按照岩体风化程度的不同将围岩分为：风化轻微、较重、严重、极严重四级。,岩体完整程度划分,2.,围岩基本分级及其修正,(1),基本分级,铁路隧道设计规范,将单、双线铁路隧道的围岩划分为六级。,(2),隧道级别的修正,地下水影响的修正,根据单位时间的渗水量可将地下水状态分为,3,级。,铁路隧道围岩分级,地下水状态的分级,根据地下水状态对围岩级别进行修正。,地下水影响的修正,围岩初始地应力状态修正,初始地应力状态评估,第二章 隧道工程地质环境及围岩分级,初始地应力影响的修正,风化作用的影响,隧道洞深埋深较浅，应根据围岩受地表的影响情况进行围岩级别修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑。围岩仅受地表影响时，应较相应围岩降低,12,级。,采取两步走的方法：先确定岩体基本质量；再结合具体工程的特点确定岩体级别。,(,二,),国标,工程岩体分级标准,(GB 50218-94),1.,分级因素及其确定方法,本分级标准认为岩体基本质量应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个因素确定。,岩体完整程度可分为：完整、较完整、较破碎、破碎、极破碎。岩体完整程度划分的定量指标采用岩体完整性指数,K,v,。,K,v,与定性划分的岩体完整程度的对应关系,2.,岩体基本质量分级,岩体基本质量分级可根据上述的分级因素结合岩体基本质量指标,BQ,进行。,岩体基本质量指标,BQ,应根据,R,c,的兆帕数值和,K,v,值计算而得。,BQ,=90+3,R,c,+250,K,v,当,R,c,90,K,v,+30,时，应以,R,c,=90,K,v,+30,和,K,v,代入式计算,BQ,值；,当,K,v,0.04,R,c,+0.4,时，应以,K,v,=0.04,R,c,+0.4,和,R,c,代入式计算,BQ,值。,岩体基本质量分级,3.,工程岩体级别的确定,修正的岩体基本质量指标,BQ,BQ,=,BQ,100(,K,1,十,K,2,十,K,3,),式中，,BQ,岩体基本质量指标修正值；,BQ,岩体基本质量指标；,K,1,地下水影响修正系数；,K,2,软弱结构面产状影响修正系数；,K,3,初始应力状态影响修正系数。,地下水影响修正系数,K,1,主要软弱结构面产状影响系数,K,2,初始应力状态影响修正系数,K,3,4.,地下工程岩体自稳能力,根据,BQ,值可重新确定工程岩体的质量级别,。,地下工程岩体自稳能力,2003,年发布的,地铁设计规范,(GB50157-2003),规定：暗挖结构的围岩分级按现行,铁路隧道设计规范,确定。,(,三,),地铁设计规范,的围岩分级,(,四,),公路隧道设计规范,的围岩分级,公路隧道设计规范,)(JTGD70,2004),围岩分级的思路、方法和采用的分级指标与国标,工程岩体分级标准,(GB50218,94),完全相同，即采用了两步分级法，只是分级的对象范围更广，包括了土体。,公路隧道围岩分级,根据单一岩性指标,单轴饱和抗压强度和复合指标,岩体质量指标,Rm,及应力比,S,，将围岩分为,3,种,5,大类。,(,五,),总参工程兵,坑道工程,围岩分类,总参工程兵坑道工程围岩分类,规范规定：水工隧洞的围岩分类，岩洞按,水利水电工程地质勘察规范,(GB50287-99),的规定执行，土洞按,土工试验规程,(SL 237-1999),的规定执行。,(,六,),水工隧洞设计规范,的围岩分级,水利水电工程地质勘察规范,的围岩工程地质分类以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状,5,项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比,S,为限定判据。,水工隧洞围岩工程地质分类,围岩总评分,T,是,5,项因素的评分之和。岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状这,5,项因素的评分都有一定的评分标准。,规范规定：围岩级别的划分，应根据岩石坚硬性、岩体完整性、结构面特征、地下水和地应力状况等因素综合确定。,(,七,),锚杆喷射混凝土支护技术规范,的围岩分级,五、国外主要围岩分类系统简介,(,一,),挪威,Q,系统,Q,系统主要以,Q,值来评价岩体质量的优劣。根据不同的,Q,值，将岩体质量评为,9,等。,岩体质量评估,(,二,),南非,RMR,系统,RMR,系统以,RMR(Rock,Mass Rating),值来代表岩体的质量或称稳定性，主要针对下列,6,个评估因素及指标，对影响围岩稳定性的各主要因素进行评分，并以其合计总值作为岩体的,RMR,值。,影响围岩稳定性的因素和指标及所占分值如下：,(1),岩体强度，,015,；,(2),岩石质量指标,RQD,，,320,；,(3),节理间距，,520,：,(4),节理状况，,030,；,(5),地下水情况，,015,；,(6),节理产状及组合关系，,120,。,RMR,系统依,RMR,值之高低，将围岩分为,5,类，并提供不同隧道跨度围岩的无支护自稳时间，以及各类围岩的凝聚力,(,c,),与内摩擦角,(,),。,RMR,系统围岩的评分值、自稳时间及强度参数,四、围岩分级的发展趋势：,1,分级时以岩体为对象。包括了岩块与岩块之间的软弱结构面；,2,分级与地质勘探手段有机联系起来。分级指标更趋定量化；,3,分级时要有明确的工程对象和工程目的。,一、围岩压力,（一）围岩压力的定义：引起地下开挖空间周围的岩体和支护结构变形或破坏的作用力。,狭义理解：围岩压力是围岩作用在支护结构上的力。,（二）围岩压力的分类：按作用力发生的形态一般可分为：,1,松动压力（,loosening pressure,）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上的压力称为松动压力,。,松动压力按作用在支护上力的位置不同分为：竖向压力、侧向压力和底压力。,第,2,单元 围岩压力及成拱作用,返回,2,形变压力（,clastic,pressure,）（弹性抗力）,形变压力是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。所以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。,3,膨胀压力（,inflate pressure,）,当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。,4,冲击压力（,strike pressure,）（通常是由,“,岩爆,”,（,rock burst,）引起的）,冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，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。,由于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，它就会突然猛烈地大量释放。,二、坑道开挖前后围岩应力状态,（一）坑道开挖前围岩应力状态（初始应力状态）,坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为地层中任何一处的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的挤压，保持着相对的平衡，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素所决定的。,1-2-1,隧道开挖前任一处围岩受力状态,连续介质理论：假定岩体是均匀连续的介质，岩体为半无限体，地面水平。,为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度,H,上的一个单元体来作应力分析，如图,1-2-1,所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。,在上覆地层自重作用下，竖直压力 为：,式中：,地层的容重；,H,从地面到单元体所处的深度。,由于单元体的侧向变形受到周围地形的限制，便产生了侧向压力和，其中由上覆地层自重和地层的物理力学性质所决定：,式中：,侧压力系数。,根据岩体为半无限体，侧向应变,( ),为零的条件，并把地层看成各向同性的弹性体，可推导 ：,式中：,泊松比，视地层性质不同 值在,0.14,0.5,之间变化。,2,结论：,（,1,）当垂直应力一定时，侧向应力的大小取决于岩体的泊松比，且侧向应力小于自重应力。,（,2,）随着深度的增大，值趋于,1,即：，这时与静水压力相似岩体处于流动状态，但在隧道为深埋的情况下，岩体近似认为处于弹性状态。,（二）坑道开挖后围岩应力状态（二次应力状态）,围岩应力重分布：坑道开挖之后，由于其周边岩体的卸荷作用破坏了原有的平衡状态，使围岩的应力状态发生了变化，同时产生了位移，促使应力重新调整以达到新的平衡。,坑道开挖前围岩应力状态 坑道开挖后围岩应力状态,1,二次应力的确定：,假定坑道开挖后的围岩处于弹性应力状态，并设在各向同性均匀的岩体中开挖一个圆形坑道。根据弹性力学 时：,围岩的径向应力；,围岩的侧向应力；,-,坑道开挖半径；,r-,坑道中心至所求应力点的,径向距离；,2,结论,（,1,）当 时，即： 这时坑道周边会出现高应力区，随着,r,的增加，围岩将恢复到原始应力状态。,（,2,）如果围岩强度大于坑道周边增大的应力时，则坑道是稳定的，无须进行支护。若围岩围岩强度小于坑道周边增大的应力时，围岩会发生较大的变形，易造成塌落。此时必须支护。,1-2-3,围岩成拱作用,三、围岩的成拱作用,在工程实践中人们发现，当隧道在多裂隙围岩,(,包括一般土层,),中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。这是什么缘故呢,?,这就是可以用围岩的,“,成拱作用,”,来作解释。在上述条件下，当坑道开挖后，如果任意让其变形，松动和坍塌，最后将会看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴，如图,1-2-3,所示。人们常称之为,“,天然拱,”,或,“,平衡拱,”,。,它上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向两侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。,四、影响围岩压力的因素,1.,时间因素。不论何种围岩，在坑道开挖后的暴露时间均是越短越好。,2.,坑道的尺寸与形状因素。围岩压力是随着坑道的尺寸增大而增大的，当坑道有引起应力集中的形状，即有明显的拐角时，围岩压力相对较大。,3.,坑道的埋深因素。当坑道的埋置深度在一定范围内时，围岩压力是随着埋深的增大而增大时；当坑道埋深超过此范围时，则围岩压力的大小基本不受埋深变化的影响。,4.,支护因素。有支护的坑道围岩压力要比无支护的坑道小；支护及时要比支护晚的围岩压力小；支护与坑道周边密贴的越好则围岩压力越小；支护的刚度较小即柔性支护时，坑道的围岩压力相对较小。,5.,爆破因素，采用爆破法开挖对围岩的稳定极为不利，尤其是对地质条件较差的围岩，爆破的扰动很大、能造成围岩压力过大、岩体松动甚至坍方。因此在隧道施工中应严格控制爆破用药量，提倡采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆破技术。,6.,超挖回填因素。衬砌背后的超挖部分在施工时回填不密实，使围岩得不到很好的支护而继续松动，严重时会造成围岩坍塌，引起衬砌裂损。,复习思考题,1.,围岩分级的意义？,2.,围岩压力的确定？,参考资料,1.,隧道工程规范、书籍,隧道工程,模块二 隧道围岩分级与围岩压力,Surrounding rock classification and pressure,第,1,单元 围岩分级,第,2,单元 围岩压力及成拱作用,第,3,单元 围岩压力的确定,第,2,单元 围岩压力及成拱作用,返回,(,一,),围岩压力概念,广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。,狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。,一、围岩压力,按作用力发生的形态一般可分为：,1,松动压力（,loosening pressure,）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：,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发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。,返回,(,二,),围岩压力分类,拱顶坍塌、冒落,水平岩层,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,形变压力（,clastic,pressure,）（弹性抗力）,形变压力是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。所以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。,软岩巷道严重底鼓变形,软岩巷道变形、支撑断裂,3,膨胀压力（,inflate pressure,）,当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。,4,冲击压力（,strike pressure,）（通常是由,“,岩爆,”,（,rock burst,）引起的）,冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，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。由于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，它就会突然猛烈地大量释放。,二、坑道开挖前后围岩应力状态,（一）坑道开挖前围岩应力状态（初始应力状态）,坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为地层中任何一处的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的挤压，保持着相对的平衡，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素所决定的。,1-2-1,隧道开挖前任一处围岩受力状态,连续介质理论：假定岩体是均匀连续的介质，岩体为半无限体，地面水平。,为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度,H,上的一个单元体来作应力分析，如图,1-2-1,所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。,在上覆地层自重作用下，竖直压力 为：,式中：,地层的容重；,H,从地面到单元体所处的深度。,由于单元体的侧向变形受到周围地形的限制，便产生了侧向压力和，其中由上覆地层自重和地层的物理力学性质所决定：,式中：,侧压力系数。,根据岩体为半无限体，侧向应变,( ),为零的条件，并把地层看成各向同性的弹性体，可推导 ：,式中：,泊松比，视地层性质不同 值在,0.14,0.5,之间变化。,2,结论：,（,1,）当垂直应力一定时，侧向应力的大小取决于岩体的泊松比，且侧向应力小于自重应力。,（,2,）随着深度的增大，值趋于,1,即：，这时与静水压力相似岩体处于流动状态，但在隧道为深埋的情况下，岩体近似认为处于弹性状态。,（二）坑道开挖后围岩应力状态（二次应力状态）,围岩应力重分布：坑道开挖之后，由于其周边岩体的卸荷作用破坏了原有的平衡状态，使围岩的应力状态发生了变化，同时产生了位移，促使应力重新调整以达到新的平衡。,坑道开挖前围岩应力状态 坑道开挖后围岩应力状态,1,二次应力的确定：,假定坑道开挖后的围岩处于弹性应力状态，并设在各向同性均匀的岩体中开挖一个圆形坑道。根据弹性力学 时：,围岩的径向应力；,围岩的侧向应力；,-,坑道开挖半径；,r-,坑道中心至所求应力点的,径向距离；,2,结论,（,1,）当 时，即： 这时坑道周边会出现高应力区，随着,r,的增加，围岩将恢复到原始应力状态。,（,2,）如果围岩强度大于坑道周边增大的应力时，则坑道是稳定的，无须进行支护。若围岩围岩强度小于坑道周边增大的应力时，围岩会发生较大的变形，易造成塌落。此时必须支护。,三、结构力学隧道设计方法,（一）基本原理,将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，也称为荷载,结构法。,拓展,其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支撑来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。,主动荷载模式,主动荷载加被动荷载,(,弹性抗力,),模式,实际荷载模式,（二）隧道衬砌受力变形特点,“,脱离区,” 、,“,抗力区,”,竖向围岩主动压力,侧向围岩主动压力,弹性抗力,脱离区,围岩对衬砌变形起双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形，又产生被动压力阻止衬砌变形。,（三）隧道衬砌承受的荷载,(,一,),主动荷载,1.,主要荷载,长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。,2.,附加荷载,指偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力、灌浆压力、冻胀力及地震力等。,(,二,),被动荷载,(,即围岩的弹性抗力,),弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。,弹性抗力的大小，目前多用温克尔,(Winkler),假定为基础的局部变形理论计算。,局部变形假设,i,i,i,i,共同变形假设,i,1-2-3,围岩成拱作用,四、围岩的成拱作用,在工程实践中人们发现，当隧道在多裂隙围岩,(,包括一般土层,),中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。这是什么缘故呢,?,这就是可以用围岩的,“,成拱作用,”,来作解释。在上述条件下，当坑道开挖后，如果任意让其变形，松动和坍塌，最后将会看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴，如图,1-2-3,所示。人们常称之为,“,天然拱,”,或,“,平衡拱,”,。,它上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向两侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。,五、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。,地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；,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。,工程因素,1.,时间因素。不论何种围岩，在坑道开挖后的暴露时间均是越短越好。,2.,坑道的尺寸与形状因素。围岩压力是随着坑道的尺寸增大而增大的，当坑道有引起应力集中的形状，即有明显的拐角时，围岩压力相对较大。,3.,坑道的埋深因素。当坑道的埋置深度在一定范围内时，围岩压力是随着埋深的增大而增大时；当坑道埋深超过此范围时，则围岩压力的大小基本不受埋深变化的影响。,4.,支护因素。有支护的坑道围岩压力要比无支护的坑道小；支护及时要比支护晚的围岩压力小；支护与坑道周边密贴的越好则围岩压力越小；支护的刚度较小即柔性支护时，坑道的围岩压力相对较小。,5.,爆破因素，采用爆破法开挖对围岩的稳定极为不利，尤其是对地质条件较差的围岩，爆破的扰动很大、能造成围岩压力过大、岩体松动甚至坍方。因此在隧道施工中应严格控制爆破用药量，提倡采用光面爆破、预裂爆破等先进的爆破技术。,6.,超挖回填因素。衬砌背后的超挖部分在施工时回填不密实，使围岩得不到很好的支护而继续松动，严重时会造成围岩坍塌，引起衬砌裂损。,六、围岩松动压力的形成和确定方法,(,一,),围岩松动压力的形成,深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。,(c),(d),(a),(b),变形阶段,松动阶段,塌落阶段,成拱阶段,自然拱,自然拱范围的大小除了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等因素影响外，还取决于以下诸因素：,隧道的形状和尺寸；,隧道的埋深；,施工因素。,深、浅埋隧道的判定原则,式中,深浅埋隧道分界的深度；,等效荷载高度值，即坍落拱高度。,（二）确定围岩松动压力的方法,现场实地量测,：按目前的量测手段和技术水平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。,理论公式计算,：由于围岩地质条件的千变万化，所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。,统计的方法,：在大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况。,复习思考题,1.,围岩分级的意义？,2.,围岩压力的确定？,参考资料,1.,隧道工程规范、书籍,隧道工程,模块二：隧道围岩分级与围岩压力,第,3,单元：围岩压力的确定,知识 目 标,1,理解围岩压力作用机理,2,根据实际隧道项目判断隧道深浅埋,3,根据实际隧道项目计算围岩压力,2.3.1,：隧道围岩变形和破坏,2.3.2,：,围岩压力的确定方法,2.3.3 :,普氏理论,2.3.4,：,泰沙基理论,2.3.5,：我国,铁路隧道设计规范,计算方法,第,3,单元：围岩压力的确定,径向变形,2.3.1,隧道围岩变形和破坏,破坏变形,坑道上方形成一个相对稳定的,“,天然拱,”,或,“,平衡拱,”或“坍落拱”,。,(c),(d),(a),(b),2.3.2,围岩压力的确定方法,（,1,）现场量测法,采用压力盒、压力传感器等，压力盒按工作原理分为机械作用式、电测式和液压式等，目前使用较多的是钢弦式压力盒。,2.3.2,围岩压力的确定方法,（,2,）理论计算法,荷载结构模型 和 连续介质模型,（,3,）,经验法或工程类比法,B,b,B,t,h,k,H,t,2.3.3,普氏理论,这一计算方法是将破裂区内的岩体自重作为隧洞支护上的荷载。,2.3.2,普氏理论,对,A,点取矩,M,A,=0,，则：,（,1,）天然拱形状,F,x,F,y,p,普氏假定压力拱形状为二次抛物线形，压力拱高按经验确定，它取决于隧洞跨度和岩石性质。,2.3.2,普氏理论,B,b,B,t,h,k,H,2.3.3,太沙基理论,太沙基认为，隧洞开挖后，岩体将向下滑动，作用在隧洞顶部的压力等于滑动岩体的重量减去滑移面上摩擦力的垂直分量。,2.3.3,太沙基理论,趋于,0,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,普氏理论：,自然拱理论,太沙基理论,：,松散体理论,围岩压力来自自然拱内岩体,/,土体的重力,围岩压力来自隧道上方滑动土体的平衡力,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,（,1,）深埋、浅埋隧道,隧道埋深不同，确定围岩压力的计算方法不同。,按隧道上方岩层是否能形成天然拱，分为深埋隧道和浅埋隧道,根据统计资料值,当埋深,h,H,P,时,隧道为深埋,当,hH,P,时,隧道为浅埋,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,根据统计资料值,铁路隧道实际坍方体统计平均高度,围岩级别,隧道覆盖深（,m,）,5,6,10,12,18,25,35,50,单线铁路隧道,其余铁路隧道,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,宽度影响系数,铁路隧道实际坍方体统计平均高度,单线铁路隧道,其余铁路隧道,B5m,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,当埋深,h,H,P,时， 隧道为深埋,单线铁路隧道,其余铁路隧道,水平,竖向,围岩级别,、,e,0,0.15,（,0.15,0.30),(0.30,0.50,),(0.50,1.00,),深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均高度,(,等效荷载高度值,),为根据,当埋深,hh,a,时， 隧道为浅埋,2.3.4,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,当埋深,hh,a,时， 隧道为浅埋,水平,竖向,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,围岩压力,滑动面,滑动土体,未扰动土体,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,围岩压力,滑动面,滑动土体,未扰动土体,N,A,0,H,C,D,F,B,N,E,T,1,T,1,P,W,2,W,1,T,2,T,2,G,W,2,0,h,H,B,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,N,A,0,H,C,D,F,B,N,E,T,T,P,W,2,W,1,T,2,T,2,G,W,2,0,h,H,B,T,D,B,T,v,T,H,N,F,W,2,0,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,W,2,T,D,B,T,v,T,H,N,F,W,2,0,90,o -,-,0,N,0,90,o,+,90,o,（,0,+,）,T,90,o,+,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,W,2,N,0,90,o,（,0,+,）,T,90,o,+,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,N,A,0,H,C,D,F,B,N,E,T,T,P,W,2,W,1,T,2,T,2,G,W,2,0,h,H,B,作用在隧道顶面,HG,上的垂直压力,Q= W,1,2Tsin,作用在隧道顶面,HG,上的垂直压力,均布松动压力,围岩级别,检算拱部,b,k,0.1,0.08,0.01,检算边墙,b,k,0.23,0.16,0.08,水平压力,拱顶,墙脚,h,T,T,B,e,2,e,1,e,1,e,2,h,H,h,1,h,0,偏压浅埋隧道,当埋深,h H,P,时， 隧道为深埋,当埋深,h,a,h H,P,时， 隧道为浅埋,单线铁路隧道,其余铁路隧道,我国,铁路隧道设计规范,计算方法总结,某铁路隧道，处在,级围岩中，围岩容重,=22 kN/m,3,，挟持系数,b,k,=0.1,。隧道宽度,B=8m,。隧道洞口附近,3,处埋深分别为,4m,、,8m,、,12m,。根据我国现行,铁路隧道设计规范,，分别计算这,3,处的竖向围岩压力。,我国,铁路隧道设计规范,计算方法例题,埋深大，围岩压力 不一定大。,宽度影响系数,w,=1+0.1(8-5)=1.3,天然拱高度,h,a,=0.452,4-1,w,=4.68 m,临界高度,H,p,=(22.5),h,a,=9.3611.7 m,埋深,h=4m,4h,a,浅埋,竖向围岩压力,q,=224=88 kN/m,埋深,h=8m,h,a,8 H,p,，浅埋,竖向围岩压力,q,=228 (1-80.1/8),=158.4 kN/m,埋深,h=12m,H,p,12,，,深埋,竖向围岩压力,q,=224.68=102.96 kN/m,本 讲 要 点,围岩变形和破坏：天然拱形成过程,确定围岩压力的方法：,现场量测法,理论计算法,经验法或工程类比法,三种计算围岩压力的方法：,普氏理论,泰沙基理论,我国,铁路隧道设计规范,计算方法,