浅埋双地层隧道围岩压力计算方法
隧道围岩压力计算方法及其适用范围
１ ０ ０ １ ２ ４ ；３ ．北京交通大学 土木建筑工程 学院 ，北京 ４ ５ ０ ０ ５ ２ ）
４ ．河南省交通规划勘察设计 院有 限责任公 司，河南 郑州
摘
要 ：选取隧道围岩压力计算 的 ７种常用方法 ，分别计算 隧道埋 深和 隧道 跨度等参 数对 围岩压力计算 结
果 的影 响 ，分析 比较 ７ 种 计算 方法的优缺点及 适用 范 围。研究 结果表 明 ：全土柱理 论适用 于不考虑 隧道跨度 的
公式存在计算 围岩压力随埋深变化不连续 的情况 ，建议结合理论解析进一步修正和完善 。 关键词 ：围岩压力 ；理论解析 ；经验公式 ；隧道埋深 ；隧道跨度
中 图 分 类 号 ：Ｕ４ ５ １ ． ２ 文献 标 识 码 ：Ａ
隧道 开挖 后 ，伴 随 着 围岩应 力 的释放 ，洞周 围
析 ，指 出其 特点 和适 用范 围 ，为分析 隧道 围岩压力 作 用机 理和 完善 支护结 构设计 方 法提供 参考 。
Ｎｏ ｖ ｅ ｍｂ ｅ ｒ ，２ ０ １ ３
隧道 围岩 压 力计 算 方 法 及 其 适 用范 围
李鹏 飞 ，周 烨。 ，伍
２ ．首都世界城市顺 畅交通协 同创新 中心 ，北京
冬
１ ０ ０ ０ ４ ４ ；
（ １ Ｉ北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室 ，北京 １ ０ ０ ０ ２ ２ ；
比尔鲍 曼 公 式 ｌ 】 ］ 和 ｗ ・利 特 公 式 ｌ １ ］ 。国 内 《 铁 路
隧道设 计规 范 》 ［ ］ 、《 水 工 隧洞 设 计规 范 》 ｌ １ ３ ］ 、《 人
工岩石 洞室 设计 规范 》 ［ １ ］ 也 均给 出 了 隧道 围岩 压力
这 些 理论 或 经 验 公 式 一 直 没 有 得 到 很 好 的 推 广 应 用 ，我 国 目前 的支护 结构 设计 仍普 遍采 用基 于经 验 的工 程类 比方 法 。与其他 技术 领 域相 比 ，由于缺 乏
浅埋双地层隧道围岩压力计算方法
浅埋双地层隧道围岩压力计算方法摘要：隧道塌方灾害一直是困扰我国浅埋隧道设计与施工的重要难题。
准确确定围岩压力成为浅埋隧道结构设计和防止围岩塌方的重要依据。
通过对采用双侧壁导坑法施工时隧道变形特性的研究，提出了一种针对浅埋双地层隧道围岩压力的计算方法。
利用结构力学理论，建立了围岩压力与初期支护收敛变形之间的关系，由变形监测数据计算出水平围岩压力并反算围岩力学参数，进而计算得到垂直围岩压力。
以厦门市祥岭隧道为例，对该计算方法进行实例验证，结果表明，利用该计算方法得出的顶部围岩压力为47.35kPa，底部围岩压力为17.22kPa，垂直围岩压力为199.41 kPa，均在传统计算方法结果的范围之内，验证了该计算方法的合理性，为浅埋双地层隧道的设计和施工提供理论参考。
关键词：浅埋隧道；塌方灾害；双地层；围岩压力；力学模型A Calculating Method of the Surrounding Rock Pressureof Shallow Tunnel in Double LayerLI Chao1(1. Sichuan Road & Bridge (group) Co., Ltd Chengdu, Sichuan, 610066)Abstract：Tunnel collapse disaster has been an important problem that puzzles the design and construction of shallow tunnel in our country. Accurate determination of surrounding rock pressure is an important basis for the design of shallow tunnel structures and the prevention of tunnel collapse. Surrounding rock pressure is an important basis for tunnel design and stability study on the base of tunnel deformation characteristics taken by the double side drift method construction. Structural mechanics theory is used to establish the relationship between the lining and the surrounding rock pressure of early convergence deformation. The deformation monitoring data is used to calculate the level of surrounding rock pressure and back-calculate rock mechanics parameters, calculate the vertical pressure of surrounding rock. Take Xiang Ling tunnel in Xiamen as an example , the calculation results show that the pressure at the top of rock using this method to get the 47.35kPa, pressure of surrounding rock bottom 17.22kPa, vertical surrounding rock pressure is 199.41kPa, are within the scope of the traditional calculation results, to prove the feasibility of the method. This study provides some reference for the design and construction of shallow tunnel in double layer.Key words：Shallow tunnel; collapse disaster; double formation; surrounding rock pressure; mechanical model1引言围岩压力作用模式和计算方法是隧道工程支护结构设计中的关键问题。
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.
隧道围岩分级与围岩压力计算
好
差
R < 0.25 很差
(四)组合多种因素的分级方法
代表： 岩体质量分级法 巴顿等人提出的“岩体质量—Q”分级法。表达如下：
Q RQD J r J w J h J a SRF
组合了6个参数： 岩石质量指标、节理组数目、节理粗糙度、 节理蚀变值、节理含水折减系数、应力折减系数。
(五)我国铁路与公路隧道的围岩分级方法
围岩级别的工程作用：
①判断围岩稳定性。 ②判断施工难易程度，投资依据。 ③结构分析计算的依据
4.2.2 影响围岩稳定性的因素
⑴地质因素～客观因素 ⑵人为因素～主观因素、工程因素
1、地质因素
从5个方面来分析：
⑴ 岩体结构特征 ⑵ 结构面性质和空间的组合 ⑶ 岩石的力学性质 ⑷ 地下水的影响 ⑸ 围岩的初始应力状态
问题：围岩流变特性对隧道的影响？
图4-2 岩体的流变
2、岩体强度
岩石强度：通过试件获得。
岩体强度：抗压强度：由结构面特征决定低于岩石强 度，约为岩石强度的70～80％。
抗剪强度：主要由结构面特征决定。
4.2 围岩的稳定性
4.2.1 研究围岩稳定性的意义 围岩的稳定性：隧道开挖后，在不支护条件下围岩的 稳定性。 问题：什么是隧道工程的头等大事？ 研究围岩的稳定性，如何促使围岩稳定。
⑵ 分级的理论基础
●以围岩的稳定性判断为基础。
属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。
●主要考虑4种因素：
①岩石坚硬程度 ②围岩完整状态
基本分级
③地下水
④围岩初始地应力
修正基本分级
基本分级 修正基本分级 最终分级
⑶ 基本分级
依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成： ①岩石坚硬程度
围岩压力计算
1围岩压力计算深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。
按等效荷载高度计算公式如下：HP =（~）qh式中: Hp——隧道深浅埋的分界高度；hq ——等效荷载高度，qh=qγ；q——垂直均布压力(kN/m2)；γ——围岩垂直重度（kN/m3)。
二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：表复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例浅埋隧道围岩压力的计算方法隧道的埋深H大于hq而小于Hp时，垂直压力QB Bt tqH==γH(1-λθ)浅浅tan。
表各级围岩的θ值及φ值2(tan 1)tan tan tan c cc ϕ+ϕβϕ+ϕ-θc tan =tan侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan cc c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=×24×[1+×(10-5)]= Hp==27m,H<Hq,故为浅埋。
取φ0=45°，θ=φ0=27°，h=20m ，tan β=,λ=,tan θ=, 计算简图：()212+1e =e e垂直压力q=19×20×20×10)=mPg=πdγ=π××25=m地基反力P=me1=γhλ=19×20×=e2=γ(h+Ht)λ=19×(20+×=水平均布松动压力e=(e1+e2)/2=mⅤ级围岩二衬按承受50%围岩压力进行计算，则垂直压力为q×50%=m地基反力为P×50%=m水平压力为e×50%=m2衬砌结构内力计算表等效节点荷载表轴力、剪力、弯矩详细数据50+0557********51+05409972930652+05240502556953+052115954+0517015内力图分析（1）轴力：由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为。
深浅埋划分
s-1
q = 0.45 ×2 ×γω (kN/m2)
围岩级别， --6 式中 ：S—围岩级别，S＝4--6； 围岩容重， γ— 围岩容重， (kN/m3)； ω＝1+ i(B-5) — 宽度影响系数； 宽度影响系数； i(BB — 隧道宽度,(m）； 隧道宽度,(m ,(m）； i —以B＝5m为基准，B每增减1m时的围岩压力 为基准， 每增减1m 1m时的围岩压力 增减率。 增减率。 当B<5m，取i ＝0.2；当B > 5m,取i ＝0.1。
●
●
深埋隧道围岩松散压力值是以施工坍方平均 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， 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 度值，隧道上覆岩体就有一定的厚度。 验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度 这个深度通常为2 2.5倍的坍方平均高度 通常为 值
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
当隧道覆盖层厚度H≥Hp时为深埋， 时为深埋，
H＜Hp时为浅埋
深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法) ⑴ 深埋隧道围岩压力的确定(工程类比法)
q = 0.45 ×2
● 适用条件
s-1
×γω (kN/m2)
① H/B < 1.7， 式中H为隧道高度； 1.7， 式中H为隧道高度； 深埋隧道,IV—VI级围岩 级围岩； ② 深埋隧道,IV—VI级围岩； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； ③ 不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； 采用钻爆法施工的隧道。 ④ 采用钻爆法施工的隧道。
论浅埋隧道围岩压力的确定
式 中： 均布垂直压力 ； ： ： 坑道上覆 围岩天然密度； 日： 隧道深埋 、 指坑顶至地面的距离 。 侧 向压力 ｅ 按均布考虑 ， ， 其值为 ：
斜直线 Ａ Ｃ或 Ｂ Ｄ是假定的破裂面 ， 分析时考虑 内聚力 Ｃ并
采用了计算摩擦角 。另一滑面 Ｆ Ｈ或 Ｅ Ｇ则并非破裂面， 因此 ， 滑
（） １
式 中：： 向均布压力 ； ｅ侧 ： 围岩天然密度 ； 日： 隧道深埋 ； ：坑道 高度 ； ：威严计算摩擦 角其值见表 １ 。
表 １ 各类围岩计算摩擦角 ％
围岩类别
ｇ
Ⅵ
＞７ 。 ８
Ｖ
Ⅳ
Ⅲ
Ⅱ
Ｉ
≤３ Ｏ。
６ 。 ７８ ５ 。 ６ 。 ４ 。 ４ ３ｌ ～ ２ ７一 。 ５ ～ ６ ３ ～５ 。 。４ 。
１ 概 论
浅埋隧道这里是指暗挖法施工 、 埋深较浅的坑道 。在坑道埋 深不大时 ， 往往会 使整个覆盖层产 生扰动 ， 较易发生洞 顶坍塌 ， 有时会使地表开裂下陷 ， 因此会产生较大的 围岩压力 。 对道路 隧道来说 ， 浅埋隧道多出现在洞 口段。深埋和浅埋 隧 道的分 界 ， 有不少判定标准 ， 一般是以坑道 上方能否形成稳定 的 深埋隧道压力值来 区分 的， 并且 结合具体 的地质 、 施工条件等 因 素综合确定 。 要形成稳定 的深埋 围岩压力值 ，显然前述 的松动范围之外 还需有 足够厚度 的岩 （ ） ， 土 体 否则松 动范围会一直扩展到地表 。 也就是说 ， 、 深 浅埋隧道 的分 界深度要 比荷 载等效高度 大 ， 所谓 荷载等效高度（ ） 即为用式计算而得 的压力 ｑ除以 。
Ｈｐ（～ ．） ＝２ ２ ｈ ５
（） ２
隧道围岩分级及围岩压力
1. 围岩的结构特征和完整状态
围岩体通常是被各种结构面切割成大小不等、形
态各异、种类不同的岩石单元体（即结构体），围岩 结构特征是指结构面和结构体的特征。
第二十四页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院出入口
下一张
第十六页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院出入口
下一张
第十七页，编辑于星期三：十二点 十五分。
地坑院室内
返回
第十八页，编辑于星期三：十二点 十五分。
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 f 值分级法），“ f ”值是一个
综合的物性指标，它代表岩石的相对坚固性。如：
下一张
第三十三页，编辑于星期三：十二点 十五分。
五道岭隧道内衬砌
返回
第三十四页，编辑于星期三：十二点 十五分。
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
式中： ? —泊松比，视地层性质不同 ? 值在
0.14~0.5 之间变化。 （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。
第三十八页，编辑于星期三：十二点 十五分。
第二十九页，编辑于星期三：十二点 十五分。
返回 第二节 围岩压力及成拱作用
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
地下工程
其中 ：q—围岩竖向均布压力。
● 适用条件： ①高跨比小于1.7； ②深埋隧道； ③不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道； ④采用钻爆法施工的隧道。
2）铁路单线隧道围岩压力按松散压力考虑：
e1 h * tan 2 (45 / 2)
洞底的围岩侧向压力：
e2 (h * ht ) tan 2 (45 / 2)
习 题：
1 、某公路隧道进口 30 米处围岩是 IV 级，容重 25kN/m3 ， 开挖断面宽度12米，隧道上覆岩体厚度 8米，试计算并判 断该处隧道属深埋还是浅埋？ 2 、某双线铁路隧道，宽度 B=12m ，高度 Ht=8.8m ，埋深 Z=20m。围岩等级为 Ⅳ级，岩体容重 γ=21.5KN/m3 ，围岩 计算摩擦角 φc=53°。求隧道顶板及侧墙的松动围岩压力。
竖向围岩压力q为：
q＝γ h= γ×0.41×1.79S
水平均布压力e为：
围岩级别 水平均布压力 I、II 0 III <0.15q IV (0.15～0.3)q V (0.3～0.5)q VI (0.5～1.0)q
其中 ：q—围岩竖向均布压力。 上述公式是根据全国铁路隧道1046个隧道塌方样本统计 得出的经验公式，其中S —规范确定的围岩分级。
s-1
S—围岩级别，如属II级，则S＝2； 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。
隧隧道与地下空间各种围岩条件下深浅埋临界深度计算方法与流程
隧隧道与地下空间各种围岩条件下深浅埋临界深度计算方法与流程隧道和地下空间的建设需要对围岩条件进行深入研究，其中深浅埋临界深度是一个重要的考虑因素。
本文将介绍隧隧道和地下空间各种围岩条件下深浅埋临界深度的计算方法和流程。
一、深浅埋临界深度的定义和影响因素深浅埋临界深度指的是在给定的围岩条件下，隧道或地下空间埋深达到一定值后，不同类型的围岩将会发生失稳或破坏的临界深度。
深浅埋临界深度的计算需要考虑多种因素，包括围岩的力学性质、埋深、地下水位、隧道或地下空间的截面形状等。
二、深浅埋临界深度计算方法1. 基于围岩分类的计算方法根据不同类型的围岩，有不同的计算方法。
以岩石为例，可以使用Hoek-Brown准则和岩石强度参数来计算深浅埋临界深度。
2. 基于地下水位的计算方法地下水位的影响是隧道和地下空间工程中常见的问题之一。
在地下水位高的情况下，围岩的稳定性会降低。
因此，可以使用水压力理论和土力学理论来计算深浅埋临界深度。
3. 基于隧道或地下空间截面形状的计算方法隧道和地下空间的截面形状也会影响深浅埋临界深度的计算。
在计算过程中，需要考虑截面的宽度、高度和曲率等因素。
三、深浅埋临界深度计算流程1. 确定围岩类型和力学参数首先需要确定隧道或地下空间周围的围岩类型和力学参数，包括弹性模量、泊松比、内摩擦角和抗拉强度等。
2. 确定地下水位如果存在地下水位，需要确定地下水位高度和水压力对围岩稳定性的影响。
3. 确定隧道或地下空间的截面形状截面形状的宽度、高度和曲率等因素都会影响深浅埋临界深度的计算。
4. 根据计算方法计算深浅埋临界深度根据选择的计算方法，使用相应的公式计算深浅埋临界深度。
5. 分析计算结果根据计算结果，对隧道或地下空间的设计方案进行分析和优化。
总之，深浅埋临界深度的计算是隧道和地下空间建设中一个重要的问题。
通过本文介绍的计算方法和流程，可以更好地了解深浅埋临界深度的影响因素和计算过程。
隧道围岩分级及围岩压力
隧道围岩分级及围岩压力隧道所穿过的地层是千变方化的，可能遇到各种工程性质不同的围岩。
隧道围岩分级是评价隧道围岩稳定性的重要参数，也是隧道支护方案设计和施工工艺确定的主要依据。
分级的正确与否直接影响着隧道施工和运营安全，因此，正确划分隧道围岩分级就显得尤为重要。
在围岩分级确定的情况下，如何确定支护结构上的作用力（即围岩压力）就成为正确、合理设计隧道结构的关键。
4.1 围岩岩性与初始应力4.1.1 围岩岩性隧道工程围岩是指地壳中受开挖活动影响的那一部分岩土体。
这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。
围岩的工程性质，一般包括三个方面：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。
岩体是在漫长的地质历史中形成的地质体，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。
这些地质界面称为结构面或不连续面，这些块体称为结构体，岩体可以看作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，岩体的力学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性及结构面的特性。
环境因素，尤其地下水和地应力对岩体的力学性质影响也很大。
在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起主导作用，所以岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。
在完整而连续的岩体中亦是如此。
反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，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组合所控制。
由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果。
岩体与岩石相比，两者有着很大的区别：与工程总体尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质；而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。
岩体抗拉变形能力差，因此，岩体受拉后很容易沿结构面发生断裂。
3围岩压力和设计方法资料
t gt g0
t
g 201t g0t g t g0tg
t gt g0
t
g 201t g0t g t g0tg
隧道水平压力强度为：
e1 h e1 h
ee22HH
谢家烋公式
竖 全土柱 直 土 压
规范深埋公式
h0
2.5h0
图2-1 铁路隧道围岩压力
埋深
竖向荷载
全土柱理论 泰沙基理论 比尔鲍曼理论 谢家修理论 铁路隧规 普氏
3围岩压力和设计方法资料
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。
所示)，作用在其上的力有W2、T、F，其中W2为 BDF的土体自重，T为隧道与上覆土体下沉而带 动两侧BDF和ACE随着下滑时在FD面产生的带 动下滑力，F为BD面上的摩擦阻力。
由图(a)可知T=T1+T2，T1、T2分别为上覆土 体部分和衬砌部分带动FD和EC面下滑时的带动 力，其方向如图中所示。因此为了求出T1必须先 求T。根据力的平衡条件，由图(c)所示的力三角 形可求出T值。
适用条件为： ①H/B＜1.7(H为坑道的高度)； ②深埋隧道； ③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩； ④采用钻爆法施工的隧道。
水平压力 在上述产生竖向压力的同时，隧道也会有侧
向压力出现，即围岩水平分布松动压力e，可用 表中的经验公式计算(一般取平均值)，其适用条 件前式。
除了确定压力的数值外，还要考虑压力的 分布状态。围岩垂直松动压力的分布图大概可 概括为以下四种，如图所示。
隧道工程围岩压力及计算
2、围岩压力的种类
目前，根据形成围岩压力的成因不同，将围岩压力分 为四类，即形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力。
应力集中→形成塑性区→发生向坑道内位移→塑性 区进一步扩大→坑道围岩松弛、崩塌、破坏等几个过程
隧道工程
5
形变压力
定义:变形岩体引起的挤压力或支护抑制变形引 起的挤压力
弹性变形压力 塑性变形压力 流变压力
up r0
u0
uc0 r0
s in
p a c co ( 1 t si)c n c ( o z t) ( 1 E )si(c c no z t)u 0 r 0 u r c 0 0 1 s in
p a r 0 (1 c E )c( 1 r [0 2( 2 r 1 c 2 ))r 0 2 r 1 2 ]u r c 0 0 K c u r c 0 0
p u c 0 a r 0
隧道工程
1si n
R0r0 (1sin)c cc co o tt pa z 2si n
形变压力的计算
9
最小围岩（形变）压力的计算 一般情况要求： p a m ≥ p a ≥ p a a m x
只有知道 Pi min 才能确定
最佳支护结构或最佳支护时
隧道支护结构设计
主讲人 冯冀蒙 博士
1
主要内容
荷载结构模式计算方法 地层结构模式计算方法 复合式衬砌结构设计 单层衬砌结构设计 TBM管片衬砌结构设计 衬砌结构耐久性设计概要
隧道工程
2
第一节 荷载结构模式计算方法
——围岩压力
隧道工程
3
一、围岩压力
1、围岩压力的基本概念：
隧道围岩压力计算公式
隧道围岩压力计算公式一、隧道围岩压力计算的基本原理地下隧道施工中，周围岩体对隧道的压力包括岩体重力及地表载荷对围岩的作用力两部分。
计算隧道围岩压力时需要考虑这两部分力的影响。
隧道围岩的重力即为岩体受重力作用的结果。
对于满足平衡条件的岩体，其重力可根据以下公式计算：G=γV其中，G为围岩重力，γ为围岩容重，V为岩体体积。
三、地表载荷计算公式地表载荷包括交通载荷、建筑物荷载等。
根据载荷的类型和特点，可以选取合适的计算公式进行计算。
例如，对于地面交通载荷，可以使用AASHTO公式、Burkill公式等进行计算。
根据隧道岩体的性质和周围环境的情况，可采用各种不同的计算公式。
下面列举几种常见的计算公式。
1. Culmann公式Culmann公式基于假设隧道周围岩体为弹性体，并假设岩体为各向同性的弹性体。
公式如下：P=2aγH/(√π)其中，P为围岩压力，a为自由差，γ为岩体容重，H为覆岩深度。
2. Moller公式Moller公式假设隧道周围岩体为半无限长的弹性体，该公式适用于围岩位于较深位置的隧道计算。
公式如下：P=(H/h)√πaγ其中，P为围岩压力，a为自由差，γ为岩体容重，H为覆岩深度，h 为地平面以上距离。
3.能量原理法能量原理法是根据岩体处于静力平衡状态时的能量等量原理得到的计算公式。
P = (2ah/V)∫(Fzdz)其中，P为围岩压力，a为自由差，V为岩体体积，F为岩体应力，z 为高度。
五、隧道围岩压力计算实例假设一个隧道，覆岩深度为H，岩体容重为γ，自由差为a。
根据Culmann公式，可计算出围岩压力：P=2aγH/(√π)六、综合考虑其他因素在实际工程中，还需要综合考虑其他因素，如地下水压力、地应力分布等。
这些因素会对计算结果产生一定的影响，需要在计算中进行相应的修正。
综上所述，隧道围岩压力计算涉及到地表载荷计算、岩体重力计算和计算公式的选择等多个方面。
在实际工程中，需要根据具体情况选取合适的计算公式，并综合考虑其他因素，以得到准确的围岩压力计算结果。
隧道工程-围岩压力及计算
详细描述
数值模拟法是一种基于计算机技术的计算方法，通过建 立围岩和隧道的数值模型，模拟围岩的应力分布和变形 。这种方法可以综合考虑地质构造、岩石力学性质和施 工因素等对围岩压力的影响。通过反分析计算，可以得 出围岩压力的大小和分布情况。数值模拟法具有较高的 精度和灵活性，是现代隧道工程中常用的计算方法之一 。
根据监测数据的变化趋势， 预测围岩的稳定性，及时 发出安全预警。
施工指导
根据监测数据反馈，指导 隧道施工，调整施工方法、 进度和支护措施。
06
工程实例分析
工程背景介绍
工程名称
某山区高速公路隧道
工程地点
山区地势陡峭，地质条件复杂
工程规模
隧道长度约5公里，设计时速为80公里/小时
围岩压力计算与支护设计
04
隧道支护设计
隧道支护的类型
被动支护
仅在围岩产生显著变形时才起作 用，如混凝土衬砌、喷射混凝土 等。
复合支护
采用多种支护方式共同作用，以 增强支护效果。
01
02
主动支护
通过施加外部支撑力，主动控制 围岩变形，如钢拱架、锚杆等。
03
04
联合支护
结合主动和被动支护的优点，如 钢拱架与喷射混凝土联合使用。
围岩压力计算
根据地质勘察资料，采用数值模拟方法计算隧道围岩压力，为支护设计提供依 据。
支护设计
根据围岩压力计算结果，设计合理的初期支护和二次衬砌结构，确保隧道施工 安全和长期稳定性。
施工监测与反馈分析结果
施工监测
在隧道施工过程中，对围岩压力、支护结构变形等进行实时监测，及时发现异常 情况。
反馈分析
对监测数据进行整理和分析，评估支护结构的稳定性和安全性，为后续施工提供 指导。
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浅埋双地层隧道围岩压力计算方法摘要：隧道塌方灾害一直是困扰我国浅埋隧道设计与施工的重要难题。
准确确定围岩压力成为浅埋隧道结构设计和防止围岩塌方的重要依据。
通过对采用双侧壁导坑法施工时隧道变形特性的研究，提出了一种针对浅埋双地层隧道围岩压力的计算方法。
利用结构力学理论，建立了围岩压力与初期支护收敛变形之间的关系，由变形监测数据计算出水平围岩压力并反算围岩力学参数，进而计算得到垂直围岩压力。
以厦门市祥岭隧道为例，对该计算方法进行实例验证，结果表明，利用该计算方法得出的顶部围岩压力为47.35kPa，底部围岩压力为17.22kPa，垂直围岩压力为199.41 kPa，均在传统计算方法结果的范围之内，验证了该计算方法的合理性，为浅埋双地层隧道的设计和施工提供理论参考。
关键词：浅埋隧道；塌方灾害；双地层；围岩压力；力学模型A Calculating Method of the Surrounding Rock Pressureof Shallow Tunnel in Double LayerLI Chao1(1. Sichuan Road & Bridge (group) Co., Ltd Chengdu, Sichuan, 610066)Abstract：Tunnel collapse disaster has been an important problem that puzzles the design and construction of shallow tunnel in our country. Accurate determination of surrounding rock pressure is an important basis for the design of shallow tunnel structures and the prevention of tunnel collapse. Surrounding rock pressure is an important basis for tunnel design and stability study on the base of tunnel deformation characteristics taken by the double side drift method construction. Structural mechanics theory is used to establish the relationship between the lining and the surrounding rock pressure of early convergence deformation. The deformation monitoring data is used to calculate the level of surrounding rock pressure and back-calculate rock mechanics parameters, calculate the vertical pressure of surrounding rock. Take Xiang Ling tunnel in Xiamen as an example , the calculation results show that the pressure at the top of rock using this method to get the 47.35kPa, pressure of surrounding rock bottom 17.22kPa, vertical surrounding rock pressure is 199.41kPa, are within the scope of the traditional calculation results, to prove the feasibility of the method. This study provides some reference for the design and construction of shallow tunnel in double layer.Key words：Shallow tunnel; collapse disaster; double formation; surrounding rock pressure; mechanical model1引言围岩压力作用模式和计算方法是隧道工程支护结构设计中的关键问题。
目前采用的浅埋隧道围岩压力计算方法主要有全土柱理论[1]、比尔鲍曼公式[2]、太沙基公式[3]、谢家杰公式以及国内相关设计规范推荐的方法等。
这些公式和方法对进一步研究围岩压力起到了一定的推动作用，但是也存在一些问题。
比如，全土柱计算理论[1]计算公式简便、物理意义明确，但却不能合理反映隧道围岩压力的产生机理，计算结果保守，一般只在埋深小于一倍自然平衡拱高度的超浅埋隧道采用。
比尔鲍曼公式[2]计算得到的围岩压力随隧道埋深和围岩内摩擦角增大呈抛物线发展，当深度达到一定值时，围岩压力反而变小甚至出现负值，与实际情况不符。
而太沙基公式[3]中侧压力系数为经验参数，其取值具有较大的主观性；当隧道高跨比小于某一定值后，计算得到围岩压力为负值，与工程实际不符[8]。
《铁路隧道设计规范》[5]中的基于1025个塌方资料，建议了按概率极限状态法下以松散体考虑的围岩压力计算公式。
《公路隧道设计规范》[6]中提出Ⅳ～Ⅵ级围岩浅埋隧道荷载计算公式和深埋隧道的围岩压力为松散体时的计算公式。
它们是在总结以往国内外分类方法的基础上，针对中国特色的工程实际而提出来的。
但是我国规范是在统计的基础上建立的经验公式，而统计样本91.6%都在5～10米宽度的隧道内取得的，在指导当前三车道、四车道等大跨度隧道时，显得无能为力[9]。
随着近年来大量的铁路、公路、引水等隧道（隧洞）的修建，隧址的地质条件越来越复杂，隧道施工工法越来越多样化，对浅埋隧道围岩压力的计算研究也越来越重视。
林乐彬[10]从应力分析的角度，通过有限元软件进行应力分析，得出围岩压力规律，进而分析隧道稳定性。
杨峰[11]等利用极限分析理论，根据太沙基破坏模式，计算了浅埋隧道的围岩压力；程小虎[12,13]对浅埋隧道围岩压力计算方法和隧道埋深分界进行了研究，采用极限平衡法建立了浅埋隧道松动围岩压力公式，弥补了《公路隧道设计规范》[6]的一些不足，但公式无法反映施工工法及工序对浅埋隧道围岩压力的影响，有一定的局限性。
刘春进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。
同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。
以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。
进行了隧道开挖过程的模拟实验，并利用数值计算模拟不同施工工法的隧道开挖，从而分析了隧道施工围岩应力分布和喷锚力学性态的变化规律。
同时，从工程实践中不难看出，不同的围岩压力计算方法均有其特定的使用条件，以上计算方法都以均匀地层构造为前提，当隧道处于两地层交界面时，则无法直接应用上述方法计算围岩压力。
以下以双地层双侧壁导坑法隧道施工为例，通过构建结构简化模型，利用收敛变形监测数据，计算水平围岩压力，并结合作者推导的结构力学公式，对围岩压力参数进行反算，进而计算垂直围岩压力，研究对浅埋双地层隧道的设计和施工提供参考。
2结构力学模型与公式浅埋隧道开挖时，由于隧道埋深较浅，隧道拱顶覆盖层较薄，受自然条件影响较大，难以形成自然平衡拱，容易使地表发生沉降，影响地面人员、车辆及周围建筑物安全，因此，在施工时多采用浅埋暗挖法，并使用多种辅助措施加固隧道围岩，如双侧壁导坑法等。
双侧壁导坑法属于新奥法的一个分支，其原理是将整个隧道断面划分成上下左右若干个小断面，按顺序对每一个小断面分开施工，并最终形成一个大的隧道断面。
首先，对①部上导坑开挖并及时施做初期支护，使①部在短时间之内具有一定的自稳能力，后续施工步骤按图1中圆圈内数字顺序依次进行开挖和施作初期支护，最终拆除临时支护，施作二衬仰拱、隧底填充及二衬拱墙。
双侧壁导坑法如图1所示。
从表2中不难看出，利用传统计算方法得到的垂直方向围岩压力在189.598～203.653kPa之间，初期支护顶部水平方向围岩压力在40.935～67.415kPa之间，底部水平方向围岩压力在14.891～24.523kPa之间。
利用本文中所提出的计算方法得到的计算结果均在传统计算方法的范围内，证明了该方法的可行性。
在传统的计算方法中，围岩摩擦角的取值范围是根据经验获得，具有较大的主观性，与实际情况有所出入。
而本文所提出的公式则只需测得初期支护变形值，带入到公式中推算相关参数，进而得到水平方向和垂直方向的围岩压力。
5结论通过对浅埋隧道文献分析，提出了一种新的浅埋双地层隧道围岩压力计算方法，利用隧道初期支护变形值与水平压力之间的关系，建立结构力学简化模型，计算出水平围岩压力，并反算围岩力学参数，根据浅埋隧道围岩压力公式计算垂直围岩压力。
同时，以祥岭隧道为例，应用该计算方法进行隧道围岩压力计算，并与国内相关规范给出的计算结果进行对比分析，对该计算方法的可行性进行了验证，得到了如下的结论：（1）新的浅埋隧道围岩压力计算方法源于现场实际测量，更加准确、可靠。
（2）该计算方法只需要现场量测数据，不需要获取围岩的力学计算参数，较传统的计算方法更方便。
（3）利用该计算方法，对祥岭隧道的围岩压力进行计算，水平围岩压力为17.22～47.35kPa，垂直围岩压力为199.41kPa。
传统计算方法得到的水平围岩压力在14.891～53.234kPa，垂直围岩压力在196.03～203.653kPa。
计算结果均在传统计算方法结果的范围之内，证明了该方法的可行性。
参考文献：[1]李鹏飞,周烨,伍冬.隧道围岩压力计算方法及其适用范围[J].中国铁道科学,2013,06[2]伍冬.山岭隧道围岩压力计算方法及其适用性研究.北京交通大学,2012.[3]沈明荣.岩体力学[M].上海:同济大学出版社,1991.[4]谢家杰.浅埋隧道的地层压力[J].土木工程学报,1964,06[5]中华人民共和国行业标准编写组.TB10003-2005铁路隧道设计规范[S].北京:中国铁道出版社,2005.[6]中华人民共和国行业标准编写组.JTGD70-2004公路隧道设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.[7]水利部东北勘察设计研究院.SL279-2002水工隧洞设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2002[8]卞跃威.浅埋地铁隧道围岩压力计算方法研究[J].西部交通科技,2016,04):78-82.[9]曲海锋,杨重存,朱合华,etal.公路隧道围岩压力研究与发展[J].地下空间与工程学报,2007,03):536-543.[10]林乐彬,刘寒冰,刘辉.隧道围岩压力的应力分析方法[J].土木工程学报,2007,08):85-89.[11]杨峰,阳军生.浅埋隧道围岩压力确定的极限分析方法[J].工程力学,2008,07):179-184.[12]程小虎.改进的浅埋隧道松动围岩压力计算方法[J].铁道学报,2014,01):100-106.[13]程小虎.土质隧道深浅埋分界的理论解析[J].地下空间与工程学报,2012,08(1):37-42.[14]刘春.深埋大断面隧道施工力学性态研究.重庆大学,2007.[15]王睿,袁岽洋,张进增等.基于hoek-brown强度准则的隧道围岩松动圈分析[J].中国安全生产科学技术,2017,13(3):58-63.[16]王薇,邹江海,潘文硕等.不同施工顺序对陡坡偏压小净距隧道围岩稳定性的影响研究[J].中国安全生产科学技术,2016,12(8):28-33.。