隧道工程课件围岩压力

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,第四级,第五级,*,第四节 围岩压力,1,、围岩压力的概念,2,、围岩压力的确定,围岩压力的概念,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。,围岩压力的概念,1,、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，,围岩压力的概念,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。,围岩压力的概念,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。,膨胀压力：,是指由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。,围岩压力的概念,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。,围岩压力的概念,3,、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。,围岩压力的概念,（,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。,围岩压力的概念,（,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：,围岩压力的概念,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/m,2,),式中：,S,围岩级别，如属,II,级，则,S2,；,围岩容重，,(,kN/m,3,),；,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,1,m,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,围岩,级别,I、II,III,IV,V,VI,水平匀布压力,0,0.15q,(0.150.3)q,(0.30.5)q,(0.51.0)q,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：,hq,q/,q,深埋隧道竖向均布压力,kN,m,2,；,围岩容重（,kN,m,3,）。,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,Hp2hq,IVVI,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,q=H,式中,:,q,匀布布竖向压力；,深度上覆围岩容重；,H,隧道埋深，抬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)tg,2,(45,0,/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,围岩级别,计算内摩擦角（度）,7078,6070,5060,4050,3040,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，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,（,1,H/,Btg,）,e=(H,h,)/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,q,max,时的深度,H,：,H,P,=B/(2tan),q,max,=B/(4tan),浅埋隧道围岩压力是随坑道埋深,H,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。,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,e,i,=,h,i,外侧,e,i,=h,1,i,1,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,、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,1,、以松散介质平衡理论为基础的计算方法,太沙基理论：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，水平应力与垂直应力之比为,k,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/m,3,，,试,确定围岩压力值。,