5.5围岩压力

B
2b
B h kvtg A O H k v
v
k v kvtg
v +d v
A
O
2a
王丽琴主讲
(三)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法
隧道工程实践表明，当隧道埋深不大时，开挖的影响将
波及到地表，无法形成“天然拱”。因此，上述估算深埋隧 道围岩松动压力的公式对浅埋隧道是不适用的。
滑动土体 围岩压力 未扰动土体
王丽琴主讲
拱顶坍塌、冒落
水平岩层
倾斜岩层
王丽琴主讲
水平岩层冒 落
倾斜岩层掉 块、塌落
高边墙 坍塌
王丽琴主讲
3 4 2 KB
3 2 4
裂隙岩层顶部掉块
王丽琴主讲
2. 形变压力
形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构
(如锚喷支护等)的抑制，而使围岩与支护结构共同变形 的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。
王丽琴主讲
(二)深埋隧道围岩松动压力的确定方法
现场实地量测：按目前的量测手段的技术水平来看，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差万别，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。 当隧道的埋置深度超过一定限值后，围岩的松动压力仅是隧 道周边某一破坏范围（天然拱）内岩体的重量，而与埋深无直 接关系。
岩体的重量，就是作用在支护结构上的围岩松动压力的来源。
王丽琴主讲
天然拱范围大小的影响因素：
1. 围岩地质条件;
2. 支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态；
3. 隧道的形状和尺寸;
4. 隧道的埋深；
5. 施工因素。
王丽琴主讲
深、浅埋隧道的判定原则：
H p 2 ~ 2.5hq
式中：Ｈp——深浅埋隧道分界的深度； hq——等效荷载高度值，即坍落拱高度。
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；
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
开挖 支护
原岩
毛洞
稳定洞室
王丽琴主讲
第五节
围岩压力
一、围岩压力分类及影响因素 二、围岩松动压力的形成和确定的方法
王丽琴主讲
一、围岩压力分类
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。 形变压力：形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护结构 (如锚喷支护等)的抑制，而使围岩与支护结构共同 变形的过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。 膨胀压力：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。 冲击压力：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，围岩约束被解除，能量突然释放 所产生的压力。
王丽琴主讲
第五章
隧道结构体系设计原理与方法
概 述
第一节 第二节 第三节 第四节
围岩的二次应力场和位移场 隧道围岩与支护结构的共同作用 支护结构的设计原则
第五节
第六节
围岩压力
隧道结构体系的计算模型
第七节
隧道结构体系设计计算方法
王丽琴主讲
第五节
围岩压力
广义概念：是指引起地下开挖空间周围岩体和支护结构变形或 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。
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
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。
王丽琴主讲
匀布
局部集中
坏范围的形状和大小，受 岩体结
构 、施工方法 等因素的控制，也 是极不规则的。据统计资料，围 岩竖向松动压力的分布图形大致 可以概括为： 马鞍形 梯形
水平压力分布一般为均 布形式，在高地应力、浅 埋量，还应考虑水平压力 非均匀分布的情况。
复合形
复合形
围岩竖向松动压力的分布图形
王丽琴主讲
王丽琴主讲
软岩巷道严重底鼓变形
王丽琴主讲
软岩巷道变形、支撑断裂
王丽琴主讲
影响围岩压力的因素
地质因素：它包括初始应力状态、岩体力学性 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。
王丽琴主讲
二、围岩松动压力的形成和确定的方法
（一）围岩松动压力的形成
作用在支护结构上的围岩松动压力总是远远小于其上 覆盖地层自重所造成的压力。这可以用围岩的“成拱作用” 来解释。
王丽琴主讲
深埋隧道(水平层状围岩)
变形阶段
松动阶段
塌落阶段
成拱阶段
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。而天然拱范围内破坏了的
2、普氏理论
普洛托奇雅克诺夫认为： 所有的岩体都不同程度地被节理、 裂隙所切割，因此可以视为散粒体。 岩体的抗剪强度：
tg c
岩体的坚固性系数： f tg c tg 0 式中：0、 —为岩体的似摩擦角和内摩擦角；
注意：岩体的坚固性系数f值，是一个说明岩体各种性质(如强度、抗钻性、 抗爆性、构造、地下水等)的笼统的指标。在确定岩体的 f 值时，除了考虑 其强度指标外，还需根据岩体的构造特征等因素，结合以往的工程实践经验 加以修正。
王丽琴主讲
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。 通常发生在： （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，围岩某些部位沿软弱面发生剪 切破坏或拉坏等局部塌落。
件，即可求出作用在支护结构上的围岩松动压力。
B
W2 T1 h H P T2
F W1
E
W2 T1 G T2
A
B
F
TV T TH W2 T F W1
h1
W2
TV1
TV1
0
F
0
F
0
F
b0
P
b
D C
b
b
D
浅埋隧道围岩松动压力的确定
王丽琴主讲
计算公式见课本P163页：5-66、67
王丽琴主讲
1、统计法—我国《隧规》所推荐的方法
《隧规》根据357个铁路隧道的塌方资料统计分析拟定： 围岩竖向匀布松动压力
适用于破损阶段法或 容许应力法设计时 s 1 h 0.45 2 w
式中：s 为围岩级别；
q h
w 为宽度影响系数，w=1+i(B-5) ，B 为坑道宽度；
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
Ⅰ～Ⅱ
0
Ⅲ
＜0.15q
Ⅳ
(0.15～0.3)q
Ht
hk
王丽琴主讲
围岩竖向均布松动压力为：
q hk
围岩水平均布松动压力按朗肯主动土压力理论计算：
0 1 2 e (q Ht )tபைடு நூலகம் (45 ) 2 2
一般来说，普氏理论比较适用于松散、破碎的围岩中。
王丽琴主讲
3、泰沙基理论
泰沙基也将岩体视为散粒体。他认为坑道开挖后，其上方的岩体将因 坑道变形而下沉，并产生的错动面OAB。