围岩压力及控制

H C (1 − 2k2 ) k = 1 − k1 − a1γ 2a1
最大围岩压力的埋置深度Hmax 最大围岩压力的埋置深度
H max a1 C (1 − 2k2 ) = 1 − k1 a1γ
上式的使用条件
H ≤ H max
ϕ ≤ 30°
q
2 太沙基公式
基本假定: 基本假定: 隧洞开挖后， 隧洞开挖后 ， 岩体 将沿OAC面滑动， OAC面滑动 将沿OAC面滑动 ，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。 面上摩擦力的垂直分量 。 滑动体中任意水平面上 的垂直压力为均匀分布。 的垂直压力为均匀分布 。
围岩压力与控制
1 围岩与支护的相互作用 2 围岩压力分类 3 影响围岩压力的因素 4 松动压力的计算 5 围岩特性曲线的计算 6 岩石地下工程稳定与围岩控制 7 岩石地下工程监测
1 围岩与支护的相互作用
支 护 压 力
围岩特性曲线
支护反力曲线
Pmin
u0
u
径向变形
支护刚度对隧洞变形的影响
支 护 压 力
λ H tan ϕ λ H tan ϕ + q exp − 1 − exp − a1 a1
γ ——围岩容重； 围岩容重； 围岩容重
λ ——静止侧压力系数，太沙基取 静止侧压力系数， 静止侧压力系数
λ =1
q——地面荷载； 地面荷载； 地面荷载
围岩压力与控制
1 围岩与支护的相互作用 2 围岩压力分类 3 影响围岩压力的因素 4 松动压力的计算 5 围岩特性曲线的计算 6 岩石地下工程稳定与围岩控制 7 岩石地下工程监测
2 围岩压力分类
围岩压力——引起地下开挖空间周围岩体和支 引起地下开挖空间周围岩体和支 围岩压力 护变形、破坏的作用力， 护变形、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总作 用力。 用力。 围岩压力显现——由围岩压力引起的围岩与 围岩压力显现 由围岩压力引起的围岩与 支护的变形、流动和破坏等现象。 支护的变形、流动和破坏等现象。
ez——距地面深度 处的主动土压力 距地面深度z处的主动土压力 距地面深度
ϕ ϕ 按朗肯公式 e z = γz tan 45° − − 2C tan 45° − 2 2
2
岩柱侧面的总夹制力： 岩柱侧面的总夹制力：
T=∫
H 0
1 (C + e z tan ϕ )dz = γH 2 k1 + CH (1 − 2k2 ) 2
2
ϕ e = γ (h1 + y ) tan 45° − 2
2
满足此条件时为深埋
H ≥ (3 ~ 5)a1
a1为压力拱的半跨 h1为压力拱的高度
H ≥ (2 ~ 2.5)h1
围岩压力与控制
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影响因素： 影响因素：
围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方法、 围岩地质条件、岩体破碎程度、开挖施工方法、爆破 作用、支护设置早晚、回填密实程度、 作用、支护设置早晚、回填密实程度、洞形和支护形 式等。 式等。
2.2 变形压力
定义：由于围岩变形受到支护的抑制而产生的压力， 定义：由于围岩变形受到支护的抑制而产生的压力， 除与围岩应力有关外， 除与围岩应力有关外，还与支护时间和支护刚 度等有关。 度等有关。 种类：弹性变形压力、塑性变形压力、流变压力 种类：弹性变形压力、塑性变形压力、
围岩压力与控制
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4 松动压力的计算
产生松动压力的岩体类型： 产生松动压力的岩体类型： 1) 松散岩体 松散岩体——用两大类方法计算 用两大类方法计算 2) 裂隙岩体 裂隙岩体——按块体的极限平衡方法计算 按块体的极限平衡方法计算
( p0 + C cot ϕ )(1 − sin ϕ ) R p = R0 p + C cot ϕ
若 p < p0 − Mσ c
1− sin ϕ 2 sin ϕ
岩体具有残余强度，并满足 岩体具有残余强度，并满足Hoek-Brown强度准则时 强度准则时 则会出现破坏区。 则会出现破坏区。
由垂直方向平衡条件得
2γa1dz = 2a1dσ v + 2Cdz + 2λσ v tan ϕdz
简化成 边界条件： 边界条件： z=0 z=H
dσ v C tan ϕ = γ − − λσ v dz a1 a1
σv = q
σv = p
解上述方程， 解上述方程，得：
γa1 − C p= λ tan ϕ
2.3 膨胀压力
由于围岩膨胀崩解而引起的压力称为膨胀压力。 由于围岩膨胀崩解而引起的压力称为膨胀压力。 膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是由吸水膨 胀引起的。 胀引起的。
2.4 冲击压力
冲击压力是在围岩积累了大量的弹性变形能之后 突然释放出来时所产生的压力。 突然释放出来时所产生的压力。
围岩压力与控制
径向变形
支护时间对隧洞变形的影响
支 护 压 力
径向变形
围岩变形规律——支架反力越小，围岩变形越大，直 支架反力越小，围岩变形越大， 围岩变形规律 支架反力越小 至塌方 。 支架变形特性——围岩施加于支架的压力越大，支架 围岩施加于支架的压力越大， 支架变形特性 围岩施加于支架的压力越大 变形越大，直至破坏。 变形越大，直至破坏。 支架反力与围岩变形压力相等时，围岩变形将不再发 支架反力与围岩变形压力相等时， 此时整个系统处于平衡状态。 展，此时整个系统处于平衡状态。 支架上的压力与地面建筑上的负荷不同， 支架上的压力与地面建筑上的负荷不同 ， 它不是一个 定值，而是一个变值。它不仅与围岩性质有关， 定值 ， 而是一个变值 。 它不仅与围岩性质有关 ， 而且 还与支架性质有关。 还与支架性质有关。
5 围岩特性曲线的计算
对于圆形隧洞，当侧压系数为 时 对于圆形隧洞，当侧压系数为1时，可采用 下述公式计算。弹性变形阶段： 下述公式计算。弹性变形阶段：
1+ µ ( p0 − p )R0 u0 = E
塑性变形阶段： 塑性变形阶段： 岩体为理想弹塑性介质，并满足莫尔—库仑 岩体为理想弹塑性介质，并满足莫尔 库仑 强度准则时 sin ϕ 2 ( p0 + C cot ϕ )R p u0 = 2GR0
6 岩石地下工程稳定与围岩控制
6.1 维护岩石地下工程稳定的基本原则
1 合理利用和充分发挥岩体的强度
（1）岩石性质好坏是影响稳定最根本、最重要 ）岩石性质好坏是影响稳定最根本、 的因素，因此， 的因素，因此，在充分比较施工和维护稳定两方面 经济合理的基础上， 经济合理的基础上，尽量将工程位置设计在岩性较 好的地层中。 好的地层中。 （2）避免岩石强度的损坏。尽可能降低爆破对 ）避免岩石强度的损坏。 岩石强度的影响，有条件尽量采用TBM；及时封闭 岩石强度的影响，有条件尽量采用 ； 岩石，防止软化、风化。 岩石，防止软化、风化。
1 围岩与支护的相互作用 2 围岩压力分类 3 影响围岩压力的因素 4 松动压力的计算 5 围岩特性曲线的计算 6 岩石地下工程稳定与围岩控制 7 岩石地下工程监测
3 影响围岩压力的因素
3.1 地质因素
1 原岩应力状态 2 岩石力学性质 3 岩体结构 4 岩石组成及其物理化学性质
3.2 工程因素
1 开挖方法 2 支护设置时间 3 隧洞形状和轴比
其中
m b 2 p0 mb 1 M = + S − + mb 2 4 8 σc
1 2
N=
2 m rσ c
(m σ
r
p0 + S rσ c2 − m rσ c2 M c
)
1 2
围岩压力与控制
1 围岩与支护的相互作用 2 围岩压力分类 3 影响围岩压力的因素 4 松动压力的计算 5 围岩特性曲线的计算 6 岩石地下工程稳定与围岩控制 7 岩石地下工程监测
上式计算出的围岩压力与隧洞跨度大小无关， 上式计算出的围岩压力与隧洞跨度大小无关，而仅与隧 洞埋置深度有关，不够合理。 洞埋置深度有关，不够合理。
考虑到隧洞两侧的岩体也可能下滑， 考虑到隧洞两侧的岩体也可能下滑，需将 可能滑动的岩柱宽度比隧洞宽度适当增大。 可能滑动的岩柱宽度比隧洞宽度适当增大。
ϕ a1 = a + h tan 45° − 2
2
ϕ k1 = tan 45° − tan ϕ 2
ϕ k 2 = tan 45° − tan ϕ 2
作用在隧洞顶部的围岩压力p 作用在隧洞顶部的围岩压力
G − 2T H C (1 − 2k2 ) = kγH p= k1 − = γH 1 − 2a1 a1γ 2a1
来自百度文库
围岩压力分类
常用的分类： 常用的分类：
松动压力 变形压力 冲击压力 膨胀压力
2.1 松动压力
松动压力——由于开挖而松动或塌落的岩体以重 由于开挖而松动或塌落的岩体以重 松动压力 力形式直接作用在支护上的压力 。
松动压力作用形式： 松动压力作用形式：
在整体稳定的岩体中， 在整体稳定的岩体中 ， 可能出现个别松动掉块的 岩石对支护造成的落石压力； 岩石对支护造成的落石压力； 在松散软弱的岩体中， 在松散软弱的岩体中 ， 隧洞顶部和两侧片帮冒落 对支护造成的散体压力； 对支护造成的散体压力； 在节理发育的裂隙岩体中， 在节理发育的裂隙岩体中 ， 围岩某些部位的岩体 沿弱面发生剪切破坏或拉坏， 沿弱面发生剪切破坏或拉坏 ， 形成了局部塌落的 松动压力。 松动压力。
ϕ a1 = a + h tan 45° − 2
太沙基公式的适用范围： 太沙基公式的适用范围： 浅埋隧洞
4.2 基于有界破裂曲面的计算方法
这种方法是将破裂区内的岩体自重作为隧 洞支护上的荷载。为了确定破裂区的范围， 洞支护上的荷载。为了确定破裂区的范围，必 须首先对破裂区的边界线作出假定。 须首先对破裂区的边界线作出假定。
普氏法假设
开挖 坍塌形成自然拱 两侧崩塌 崩落拱
若及时支护， 若及时支护，顶部的破坏则介于自然拱 和塌落拱之间， 和塌落拱之间，破坏拱以内的岩石自重即为 作用在隧洞支护上的围岩压力。 作用在隧洞支护上的围岩压力。
假定压力拱形状为二次抛物线形，压力拱高 假定压力拱形状为二次抛物线形，压力拱高h1 按经验确定，它取决于隧洞跨度和岩石性质。 按经验确定，它取决于隧洞跨度和岩石性质。
4.1 基于洞顶上面松散岩体应力传递的计 算方法
假定： 假定：开挖后由于洞顶下沉及下沉岩柱两侧摩 擦力的存在，使洞顶岩体卸载， 擦力的存在，使洞顶岩体卸载，而两侧岩 层加载。 层加载。
1 岩柱理论
适用于埋置深度极浅的隧洞， 适用于埋置深度极浅的隧洞，或采用明挖 法施工的隧洞。 法施工的隧洞。
p = γH
作用在隧洞支护上的围岩压力等于岩柱JKHG 作用在隧洞支护上的围岩压力等于岩柱 的重量减去两侧滑动面上的摩擦力和粘聚力。 的重量减去两侧滑动面上的摩擦力和粘聚力。
作用在岩柱侧面距地面深度z处的夹制力（摩擦力和粘聚力） 作用在岩柱侧面距地面深度 处的夹制力（摩擦力和粘聚力）为 处的夹制力
t = C + e z tan ϕ
1 2 2 2 破坏区半径 R p = R0 exp N − m rσ c p + S rσ c m rσ c f − 1 R p f =1 Mσ c R0 + 洞壁径向位移 u0 = R G ( f + 1) 2 0
(
)
ϕ a + h tan 45° − a1 2 h1 = = f f
f为岩石坚固性系数， 为岩石坚固性系数， 为岩石坚固性系数 又称普氏系数。 又称普氏系数。 围岩压力
p = γh1
4.3 侧向围岩压力的计算
浅埋隧洞 深埋隧洞
ϕ e = γ ( H + y ) tan 45° − 2