地下工程(围岩压力)汇总
n05 地下洞室的围岩应力与围岩压力汇总
5 地下洞室的围岩应力与围岩压力5.1 地下洞室的围岩应力计算及应力分布5.1.1 概述在岩体中开挖地下洞室，必然会破坏原来岩体内相对平衡的应力状态，并在一定范围内引起岩体天然应力状态的重分布。
岩体的强度和变形特性是否适应重分布以后的应力状态，将直接影响地下建筑物的安全。
为了正确评价地下建筑的稳定性，除进行必要的地质分析外，对围岩应力分布特征的分析和计算，也是评价围岩稳定性所必须的环节。
洞室开挖后，周围的岩石在一般情况下（侧压力系数<3）必然会在半径方向上发生伸长变形，在切线方向上发生压缩变形，这就使原来径向上的压缩应力降低，切向上的压缩应力增高，而这种降低和增高的程度随着远离洞壁逐渐减弱，达到一定距离后基本无影响。
通常将应力的这种变化称为应力重分布（即原始的应力状态变化到新的平衡的应力状态的过程）。
把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩。
围岩内的应力称为围岩应力或二次应力（相对与天然应力）。
理论研究和实际测量结果表明，围岩应力的分布规律与开挖前岩体的天然应力状态及洞型等有关。
地下工程在设计、施工和使用时，总是要研究其稳定性问题。
在地下工程（井巷、隧道、洞室等）工作期内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。
稳定如果用公式来表示的话，就是：Uu S <<max max σ 其中，σmax 、u max ——地下工程岩体或支护体中最大、最危险的应力与位移；S 、U ——岩体或支护材料的强度极限与位移。
无论无支护或有支护，凡涉及这方面研究的问题，统称为稳定性问题。
地下工程稳定性可分为两类：（1）自稳——能长期自行稳定的情况，如天然石灰岩溶洞、某些金属采矿场等。
通常不需要进行支护。
（2）人工稳定——需要依靠支护才能达到稳定的情况，如煤矿中的软岩巷道、表土洞室等，由于次生应力场的作用形成破碎带。
地下工程自身影响范围达不到地面的，称为深埋，否则称为浅埋。
深埋地下工程存在如下力学特点：（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向的无穷远处仍为原岩体；（2）当埋深Z 达到巷道半径或宽高之半的20倍及以上时，巷道影响范围内的岩体自重可忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（在10%以下）；（3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。
围岩压力
第一类因素有重力、温度、岩体的物理力学性质、 岩体的构造、地形等经常性的因素。 影 响 因 素
Factors The first factor has recurring factors of gravity, temperature, physical and mechanical properties of the rock, the rock structure, topography, etc.
地下结构体系中，地层是承载结构的基本组成 部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为 一的作用与地面结构是完全不同的。
Underground structure system, the formation is an essential part of the load-bearing structures, but also caused a major source of load, which combined the role and structure of the ground is completely different.
B : 隧道宽度，m i :以B 5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率 当B 5m，取i 0.2; 当B 5m，取i 0.1
适用条件
Conditions
（1）H/B<1.7,式中H为隧道高度Tunnel height （2）深埋隧道Deep tunnel （3）不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道
（1）围岩的初始地应力场
Initial Stress Field rock
通常所指的初始应力场，泛指隧道开挖前岩体的初始 应力场，它的形成与岩土构造、性质、埋藏条件以及 构造运动的历史等有密切关系。
The initial stress field is commonly referred to, refers to the initial stress field before the tunnel excavation of rock, rock formation and its structure, nature, historical burial conditions and tectonic movements are closely related.
5.5围岩压力
滑动面
支护结构反力
王丽琴主讲
从松散介质极限平衡的角度，对施工过程中岩体运动的情况进行分析： 若不及时支护，或施工时支护下沉，会引起洞顶上覆盖岩体EFHG的下沉与 移动，而且它的移动受到两侧其它岩体的挟持，反过来又带动了两侧三棱 体ACE和BDF的下滑，形成两个破裂面(为了简化，假定它们都是与水平面 成b角的斜直面，如图中的AC和BD)。研究洞顶上覆盖岩体EFHG的平衡条
Ⅴ
Ⅵ
(0.3～0.5)q (0.5～1.0)q
公式的适用条件为： H/B＜1.7，H为坑道的高度； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩； 采用矿山法施工。
王丽琴主讲
作用在支护结构上的荷载是
很不均匀的，这是因为在Ⅰ级、
Ⅱ级围岩中，局部塌方是主要的， 而在其它类别的围岩中，岩体破
i 为B每增减1m时的围岩压力增减率，当 B＜5m时，取 i =0.2，当 B ＞5m时，取i =0.1。
王丽琴主讲
对于单线隧道，按概率极限状态设计时：
q h s h 0 . 41 1 . 79
围岩水平均布压力
围岩级别
水平均布压力
Hale Waihona Puke Ⅰ～Ⅱ0Ⅲ
＜0.15q
Ⅳ
(0.15～0.3)q
hk
Bt
b
Bt
b
B
在坚硬岩体中，坑道侧壁较稳定，天然拱的跨度就是隧道 的宽度，即b=bt (bt为隧道的净宽度的一半)， 在松散和破碎岩体中，坑道的侧壁也受扰动而滑移，天然 拱的跨度也相应加大为：
0 b bt H t tg 45 2
式中 bt为隧道净跨度的一半； Ht为隧道净高度；
王丽琴主讲
为确定围岩的松动压力，普氏提出了基于天然拱概念的 计算理论，作用在支护结构上的围岩压力就是天然拱以内的 松动岩体的重量。 而天然拱的形状和尺寸（高度和跨度）与岩体的坚固性 系数f 有关，具体表达式为 b怎样得 到的呢？ b hk f 式中： hk为天然拱高度；b为天然拱半跨度。
地下硐室围岩压力分析与计算
支架与围岩共同作用
围岩位移曲线
支护特性曲线 围岩松动压力曲线
松动压力
为了充分发挥围岩的自支承能力，在不使围岩松 脱的前提下，尽量采用柔性支架，并及早进行支护。
二、弹塑性理论计算围岩压力（变形围岩压力计算）
由塑性区半径R0计算公式（6－30）：
R0 a ( p 0 c ctg )( 1 sin ) p i c ctg
结构体自重在BC面上的法向分力 产生的抗剪力为：
T 2 W cos 1 tg 0
AB
2
cos
2
1 cos 2 tg 0
2 sin( 1 2 )
在BC面上的总的抗滑力为：
T 抗滑力 ＝ T1 T 2
由结构体自重在BC面上的切向 分力（下滑力）为：
第七章 地下硐室围岩 压力分析与计算
本章内容
§7-1 概述
§7-2
§7-3
松动围岩压力的计算
变形围岩压力的计算
授课学时：
6学时
关键术语：围岩压力，围岩变形压力，围岩松 动压力，普氏平衡拱，喷锚支护，稳定性。
本章的重点难点：
1、围岩与支护相互作用原理； 2、弹塑性理论计算围岩压力 3、块体平衡理论计算围岩压力；
T W sin 1
AB
2
cos
2
1 cos 2 sin 1
2 sin( 1 2 )
结构体ABC的稳定条件为：
T 抗滑力 ＝ T1 T 2 T
即： c
0
BC W cos 1 tg 0 W sin 1 0
若： c
0
( p 0 c 1 ctg 1 )( 1 sin 1 ) p t p i c 1 ctg 1
岩石地下工程岩石力学
水平应力作用
垂直应力作用
90
r
P 2
(1 )(1
a2 r2
)
P 2
(1 )(1 4
a2 r2
3
a4 r4
) cos 2
P (1 )(1 a2 )
2
r2
P (1 )(1 3 a4 ) cos 2
2
r4
r
P 2
(1
)(1
2
a r
2 2
3
a r
4 4
)
sin
2
1
1
1 2
(
r
)
1 4
(
r
岩体比较稳定，而向斜(c)褶曲，岩
层呈侧拱状，所切割的岩体呈上小
下大的楔体，容易出现洞顶坍落。
因此，隧道位置应尽量避免横穿向
斜褶曲。
25
整体状和块状岩体围岩：块体滑移 层状岩体围岩：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓
26
碎裂状岩体围岩：塌方和滑动 散体状岩体围岩：拱顶冒落、局部塌方、塑性挤入及滑动
27)2r源自2213
1 2
(
r
)
1 4
(
r
)2
r
2
2
1 2
tan 1 2 r
/(
r )
6
（1）当 ＝1 时，围岩处于静水应力状态，式（5-3）简化为：
r
P(1
a2 ) r2
P(1
a2 ) r2
(5-5)
r 0 由式（5-5）可以看出，径向应力 r 和切向应力都随径向间距 r 变化(图 5-6)。当 r＝a 时， r ＝0， ＝2P；当r 时， r ＝P， ＝P，而 r 恒等于零。
第四章-地下工程-分类、围岩压力
跨度>5m，一般无自稳能力，数日至数月可发生松动变形、小 Ⅳ 塌方，进而发展为中至大塌方。埋深小，以拱部松动破坏为主，
埋深大时，有明显塑流变形和挤压破坏；跨度<5m时，可稳定 数日至1个月
Ⅴ 无自稳能力
第四章-地下工程-分类、围岩压力
➢第4节 围岩分类
二、洞室围岩分类
◊国标«锚杆喷射混凝土支护技术规范»中提出的围
岩爆形成，受控于天然应力值、围岩力学性质， 且受洞室埋深、施工方法、洞形的影响。
第四章-地下工程-分类、围岩压力
➢第5节 围岩压力
二、围岩压力确定方法
1、弹塑性力学计算
⑴形变围压-在连续、均质、各向同性弹性岩体中开挖水平
洞室，设 h v 0
开挖后形成塑性圈，此时塑性变形对支护产生形变围岩压力，
开度1~5mm，度>5mm，
节理连续
节理连续
评分值
３０
２５
每10m洞长
无
涌水量
地
５
下 水
条
件
节理水压力 最大主应力
总条件
或 ０
或 完全干燥
评分值
１５
２０
１０
<10
10~25 25~125
或 <0.1
或 潮湿 １０
或 0.1~0.2
或 有湿气
７
或 0.2~0.5
或 中等水压
４
０
>125
或 ＞0.5
或 问题严重
０
第四章-地下工程-分类、围岩压力
岩体地质力学ＲＭＲ分类表
B.按节理方向修正评分值
节理走向或倾向 隧道
评分值 地基 边坡
非常有利 0 0 0
围岩压力
围岩压力是指隧道周围岩体作用于隧道衬砌或支护上的荷载，也称地层压力。
广义地讲，围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。
人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌，衬砌或支护产生变形和开裂等现象，逐步认识到围岩压力的存在。
影响围岩压力的因素有：洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。
围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。
洞室开挖前，岩体处在相对静止状态，其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压，称为初始应力状态或一次应力状态。
它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流动等因素所决定的。
洞室开挖以后，解除了部分围岩的约束，原始的应力平衡和稳定状态被破坏，围岩中出现了应力的重分布，进入二次应力状态。
围岩向洞室内部空间变形，并力图达到新的平衡。
由弹塑性理论和现场量测表明，隧道开挖后的围岩应力状态可概括为三个区域：（1）应力降低区。
在松软围岩中，岩体的强度很小，不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形，沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域，高应力向围岩深部转移。
扰动了的岩体向坑道内变形，如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。
在坚硬而完整的围岩中，由于岩体强度大，坑道周边未达到开裂和坍塌，故无应力降低区，这种洞室往往是自稳的。
（2）应力升高区。
围岩深部应力升高的区域，但其强度尚未被破坏，相当于一个承载环。
坑道上方形成承载拱，承受上覆地层的自重，并将荷载向两侧地层传递。
此即围岩的成拱作用。
（3）初始应力区。
距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小，仍处于初始的一次应力状态。
围岩压力可分以下两类：①松动压力。
松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。
岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动，直至坑道的顶部和侧部产生坍落。
②形变压力。
围岩变形受到支护约束而产生的压力。
除与围岩应力有关外，还与支护时间及其刚度有关。
隧道围岩分级与围岩压力 围岩压力
围岩压力
围岩压力
(a)
(b)
变
松
形
动
阶
阶
段
段
(c)
(d)
塌
成
落
拱
阶
阶
段
段
围岩松动压力的形成
围岩压力
围岩压力
⑴ 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；
⑵ 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；
⑶ 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌，可视为坍塌阶段；
围岩压力
⑴ 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)
围岩竖向匀布压力q 按下式计算：
q = 0.45 ×2 s-1×γω (kN/m2)
式中 ：S—围岩级别，如属II级，则S＝2； γ— 围岩容重， (kN/m3)； ω＝1+ i(B-5) — 宽度影响系数； B — 隧道宽度,(m）； i —以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率。 当B<5m，取i ＝0.2；当B > 5m,取i ＝0.1。
围岩压力
① 深、浅埋隧道的判定原则
Hp＝（2～2.5）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/γ
q —深埋隧道竖向均布压力 kN／m2； γ —围岩容重（kN／m2）。
围岩压力
在矿山法施工的条件下
I～Ⅲ级围岩取 Hp＝2hq
Ⅳ～Ⅵ级围岩取 Hp＝2.5hq
围岩压力
围岩压力
围岩压力
围岩压力是指隧道开挖后，围岩作用在隧道支护上的压力，是隧道支撑
或衬砌结构的主要荷载之一。
岩体初始 应力状态
第五节 围岩压力(地压)
软岩巷道严 重底鼓现象
软岩巷道围岩的膨胀现象
区为环状分布， 区为环状分布， 滑移线是对数 螺线。 螺线。
λ = 1时塑性
开挖后→ σ σ r ↓， θ ↑ →形成塑 性区→在 与主应力 方向形成
45
o
−
ϕ
2
的共轭对称 两组滑移 面。
三、围岩压力分类
四、影响围岩压力的因素
地质方面 工程方面
地质方面的因素（自然属性） 1、地质方面的因素（自然属性） （1）完整性或破碎程度。 （2）结构面的产状、分布密度、力学性质、充 填物性质及其充填状态。 （3）地下的活动状况。 （4）岩体的性质和强度。
2、工程方面的因素 （1）洞室的形状和尺寸
三心拱 半圆拱 切圆拱
塌垮 失稳
二、水平洞室围岩的主要破坏形式 1、围岩整体稳定，可能有局部掉落。 （爆破震动、局部裂隙切割） 2、脆性断裂破坏 拉裂破坏，一般在洞顶。 3、松散、冒顶、片帮→自然拱 4、围岩膨胀底鼓 5、形成塑性滑移面
自然冒落拱
水平或 缓倾斜 坚硬岩 层
巷道开 挖轮廓 线
急倾斜 坚硬岩 层
高边墙 塌落取 决于节 理分布
（2）支护结构的形式和刚度 支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定 刚性 外部支护 支护 内承支护 柔性
（3）洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。 （4）施工中的技术措施。 例如，控制爆破（光、预裂） 开挖顺序 （5）洞室的轴线走向
返回
围岩压力（地压） 第五节 围岩压力（地压）
一、围岩压力的基本概念 • 狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力。 （围岩和支护被看成独立的两个体系） • 广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二 次应力的全部作用力视为围岩压力。 τ • （1）稳定状态： < [τ ] 塑性 破坏 • （2）不稳定状态：≥ [τ ] τ
隧道围岩分级及围岩压力
五道岭隧道内衬砌
返回
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。
Q RQD Jr J w Jh J SRF
RQD -岩石的质量指标； J h -节理组数目； J r -节 理粗糙度； J -节理蚀变值；J w -节理含水折减系 数； SRF -（stress rebate factor）应力折减系 数；
作R用JQhD 应-岩力块；的大小；
Jr -岩块间的抗剪强度； J w -
（3）Ⅳ级、Ⅴ级围岩已成碎石状松散结构，裂隙中有黏 土充填物时，可根据地下水的类型、水量大小、渗流条件、 动水和静水压力等情况，判断对围岩的危害程度，酌情降1 －2级。
（4）对于Ⅵ级围岩，在分级时已经考虑了一般含水地质 情况的影响，但在特殊含水地层（如处于饱水或具有较大的 承压水流时）还需另作处理。
在上覆地层自重作用下，竖直压力 z 为：
z H
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，其中由上覆地层自重和地层的 物理力学性质所决定：
x y z H
式中：
—侧压力系数。
根据岩体为半无限体，侧向应变( x, y )为零的条 件，并把地层看成各向同性的弹性体，可推导 ：
结构特征体现围岩体的受力特征，完整状态体 现围岩体在受各种地质作用力下所表现的形态。
把围岩的结构特征和完整状态相结合就组成了 评价围岩稳定性的最直接最重要的指标。
第六章 地下洞室围岩应力与围岩压力计算
第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义: 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。
2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力、一次应力等。
2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力等。
地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。
如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护、衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。
天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。
围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。
围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。
围岩分类与围岩压力
第四章围岩分类及围岩压力第一节隧道围岩的概念与工程性质一、隧道围岩的概念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)。
应该指出，这里所定义的围岩并不具有尺寸大小的限制。
它所包括的范围是相对的，视研究对象而定，从力学分析的角度来看，围岩的边界应划在因开挖隧道而引起的应力变化可以忽略不计的地方，或者说在围岩的边界上因开挖隧道而产生的位移应该为零，这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。
当然，若从区域地质构造的观点来研究围岩，其范围要比上述数字大得多。
二、围岩的工程性质围岩的工程性质，—般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。
而对围岩稳定性最有影响的则是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。
围岩既可以是岩体、也可以是土体。
本书仅涉及岩体的力学性质，有关土体的力学性质将在《土力学》中研究。
岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。
它被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等，形状各异的各种块体。
工程地质学中将这些地质界面称之为结构面或不连续面，将这些块体称之为结构体，并将岩体看作是由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。
所以，岩体的力学性质性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特征以及结构面的特性。
环境因素尤其是地下水和地温对岩体的力学性质影响也很大。
在众多的因素中，哪个起主导作用需视具体条件而定。
在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割得很破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起什么作用，所以，岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。
当然，在完整而连续的岩体中也是如此。
反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，使块体之间的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的位置所控制。
由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果，只不过有些岩体是岩石的力学性质起控制作用：而有些岩体则是结构面的力学性质占主导地位。
围岩压力(2)
1.松动压力
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。
θ
(0～0.1) j0 (01～0.2) j 0 (0.2～0.3)j 0 (0.3～0.4)j 0 (0.4～0.5)j 0
岩体似摩擦角φ0 45°～50° 50°～55° 55°～60° 60°～65° ＞65°
θ
(0.5～0.6) j0
(0.6～0.7) j 0 (0.7～0.8)j 0
(0.8～0.9)j 0 0.9 j 0
围岩压力及隧道结构设计原理
第一节 围岩压力
一、围岩压力及分类 (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。
(二)围岩压力分类
滑动面
支护结构反力
B
F
E
A
h H
W1 W2 θ
T1
T1 W2
H
G
φ0
P
φ0
N T2
β
N T2 β
D
C
B
(a)
B
F
90˚－(β－φ0+θ)
Tv W2
T
T
90 ˚ +θ
Nห้องสมุดไป่ตู้
地下工程(围岩压力)
地应力解除法（ground stress relief method ）又称地应变解除法是目前常用的一种绝对地 应力测量方法。它用的测量元件有许多类型， 如电阻片型、钢弦型和压磁电感型等，而以压 磁电感型元件用得较多。使用这种元件测量地 应力时，先在被测地点钻一小孔，把三个元件 放进孔内，使之分别与小孔的三个不同方向的 直径取向一致；然后在每个元件上预加一定的 压力，同时记录三个元件的电感值；接着用套 钻在小孔四周掏挖环形圆槽，使被测点的岩石 与其周围岩体分离，此时再记录三个元件的电 感值。根据两次电感值的差异，按一定公式， 算出垂直于孔轴的两个主应力的大小和方向。
⑵ 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。
⑶ 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。
式中: e —侧向匀布压力； γ —围岩容重，以kN/m3计； H —隧道埋深，以m计； Hi —隧道高度，以m计； Φ 一围岩计算摩擦角，可查有关规范。
围岩的物理力学参数
弹
性
围 岩 级 别
重 度 （
Kn /m3）
抗 力 系 数 （
M
Pa/
变 形 模 量 （
GP a）
m）
18
Ⅰ
26 ～ 28
00 ～ 28
● 间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、
变形来推算作用在其上的围岩压力的方 法，即间接量测法。如电阻应变片、钢 筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖 等
（2）构造应力场地质力学分析法
岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、 破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下 形成的永久变形的形象，是地壳构造运动的力 学作用的残迹。因此。根据构造形迹可以宏观 地反推出地应力的性质和方向，这就是地质力 学分析的基本概念。
第三章 围岩压力
2.1.2 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 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。
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 法时称为作用）参见表2-1和表2-2。
表2-1 公路隧道设计规范（JTJ026-90）的隧道荷载
（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。
z z
x koz
φ 45°+ 2 ()
τ
σz σx
σz
()
φ 45°- 2 ()
τ=σtanφ+c
Ⅰ
Ⅲ
45 +° φ 2
φ
Ⅱ
45°- φ 2
0
0γz γz
σ
()
图2.8 朗肯极限平衡状态
f
sin131 2 c3ctg
2.1 荷载种类和组合
2.1.1 荷载种类
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 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 的动荷载作用 。
2.1.1荷载种类
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。
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。
2.1.2 荷载组合
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 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 合一般有以下几种情况：
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
● 间接量测：利用量测隧道衬砌的应变、
变形来推算作用在其上的围岩压力的方 法，即间接量测法。如电阻应变片、钢 筋应变计、遥测应变计、混凝土应变砖 等
（2）构造应力场地质力学分析法
岩体中的一切构造形迹，如岩层倾斜、褶曲、 破裂和错动等，无一不是岩体在地应力作用下 形成的永久变形的形象，是地壳构造运动的力 学作用的残迹。因此。根据构造形迹可以宏观 地反推出地应力的性质和方向，这就是地质力 学分析的基本概念。
地应力解除法（ground stress relief method ）又称地应变解除法是目前常用的一种绝对地 应力测量方法。它用的测量元件有许多类型， 如电阻片型、钢弦型和压磁电感型等，而以压 磁电感型元件用得较多。使用这种元件测量地 应力时，先在被测地点钻一小孔，把三个元件 放进孔内，使之分别与小孔的三个不同方向的 直径取向一致；然后在每个元件上预加一定的 压力，同时记录三个元件的电感值；接着用套 钻在小孔四周掏挖环形圆槽，使被测点的岩石 与其周围岩体分离，此时再记录三个元件的电 感值。根据两次电感值的差异，按一定公式， 算出垂直于孔轴的两个主应力的大小和方向。
⑶ 膨胀压力：是指由于围岩吸水而膨胀崩解 所引起的压力。
⑷ 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，
⑴松散压力：常通过下列三种情况发生：
① 在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动 掉块的岩石；
② 在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片 帮冒落；
③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。
⑵ 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；
⑶ 顶板岩体视其强度的不同而逐步坍塌， 可视为坍塌阶段；
⑷ 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。
深埋隧道的自然拱圈
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：
●直接量测：主要采用压力盒、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。
ⅱ间接法。在间接法中，测试仪器不是直接记录应力 或应力变化值，而是测量某些与应力有关的间接物理 量的变化，然后，根据己知的应力——应变关系，由 测得的间接物理量，计算出测点的原岩应力值。这类 方法有应力解除法、松弛应变测量法、地球物理方法 等。其中，应力解除法是目前国内外应用最广泛的方 法，也是目前唯一能够比较准确地确定岩体中三维应 力状态的方法。
（3）构造应力场的位移反演法
构造应力场的反演法是根据现场实测位移来反 推岩体应力场的方法。基于此法，不仅可以反 演原岩应力场，而且还可反演岩体参数。
ⅰ应力反分析法。该法是依据在工程区域内有限 个实测应力值，建立相应的数学力学模型，推 求整个工程区域内的初始应力场；
ⅱ位移反分析法。该法是基于现场量测位移来反 推系统的力学特征及其地质背景的初始参数 （即工程区域内的力学特征参数、初始地应力 等）；
围岩压力理论
原岩应力
初始应力的组成
自重应力场和构造应力场
原岩应力的变化规律
①地应力是个非稳定应力场 ②实测垂直应力基本上等于上覆岩体重力 ③水平应力一般大于垂直应力 ④侧压系数在浅部范围内随深度增加而增加，而在深部则
随深度增加而减小。 ⑤两个水平应力并不相等
确定原岩应力的方法
（1）现场量测法
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。
2、围岩松散压力的产生
⑴ 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；
ⅲ混合反分析法。反分析所采用的信息既有位移 量测值，又有应力（或荷载）量测值。
1、围岩压力的概念
● 围岩压力：是指围岩作用在支护结构 上的压力。
● 围岩压力按作用力发生形态分为：
⑴ 松散压力：是
⑵ 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。
⑵ 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。
⑶ 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。
⑷ 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。
2、围岩松散压力的产生
ⅰ直接法。直接法是指岩体应力由测量仪器所记 录的补偿应力、平衡应力或其他应力量直接决定， 无需知道岩石的物理力学性质和应力——应变的关 系。这类方法包括早期的扁千斤顶法、刚性圆柱应 力计法以及后来的水压致裂法、声发射法等。其中 水压致裂法是目前应用较为广泛的一种直接量测方 法。
• 地应力恢复法（ground stress restoration method）是测量岩石绝对应力的一种方法。 先在岩块表面上安装不同方向的三个应变计， 记录它们的初读数；接着在岩块上掏槽，使槽 长远大于槽宽，并使槽壁与岩块表面直交，再 记录应变计的读数；最后，把扁千斤顶固装在 槽内,并逐渐增加千斤顶内的油压，使之逐渐施 压于槽壁，直至三个应变计恢复到未掏槽时的 初读数为止，此时千斤顶施加于槽壁的压强即 等于槽壁平面原有的法向应力。因扁千斤不能 对槽壁施加张力和剪力，故此法只适用于测量 主平面上的主应力。