岩体力学第六章-第一节到第六节

车载混凝土 输送泵在隧道内
进行二次衬砌浇 筑施工。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式
§6.1 概述
§6.1 概述
§6.1 概述
（4）山岩压力的定义 在水工建设中， 把由于洞室围岩的变形 和破坏而作用在支护或
衬砌上的压力，称为山 岩压力。 山岩压力包括松 动压力和变形压力。
§6.1 概述
拱
边墙
仰拱
隧道衬砌结构
§6.1 概述
（3）支护与衬砌 衬砌技术通常是应用于隧道工程、水利渠道中。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式 衬砌简单说来就是内衬，常见的就是用砌块衬砌，可
以是预应力高压灌浆素混凝土衬砌。
§6.1 概述
（3）支护与衬砌的形式
二次衬砌是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混 凝土或钢筋混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。
第六章山岩压力与围岩稳定性
§6.1 概述 §6.2 山岩压力的形成及其影响因素 §6.3 坚硬岩体的应力和稳定验算
§6.4 压力拱理论
§6.5 太沙基理论 §6.6 弹塑性理论 §6.7 地质分析法计算山岩压力
§6.8 喷锚支护原理和设计原则
§6.1 概述
上一章讨论的洞室围岩压力是研究围岩稳定性和洞室 安全的基础。
性变形而无塑性变形，岩石没有破坏和松动。
如果在开挖完成后进行支护或衬砌，则这时支护上没 有山岩压力。在这种岩石中的洞室支护主要用来防止岩石的
风化以及剥落碎块的掉落。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
2）在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不 仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。由于
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
3）在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体 强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中，
坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主 要的山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
当没有支护或衬砌时，岩石的破坏范围可能逐渐扩大 发展，故需要立即进行支护或衬砌。支护或衬砌的作用主
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
研究指明，当围岩处于塑性变形状态时，洞室埋置 愈深，山岩压力也就愈大。
深洞室的围岩通常处于高压塑性状态，所以它的山
岩压力随着深度的增加而增加，在这种情况下宜采用柔 性较大的支护，以发挥围岩的自承作用，降低山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
5)时间：由于山岩压力主要是由于岩体的变形和破坏 而造成的，而岩体的变形和破坏都有一个时间过程，所以
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
如果洞室边界的切向应力σθ是拉应力，则在演算 时应当满足下列条件：
Rt
式中 [-Rt]——岩石的许可抗拉强度(MPa)。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
3) 岩石的许可强度分类 考虑到长期荷载下洞室围岩的强度可能降低。因 此，岩石的许可抗压强度一般采用下列数值： 对于无裂隙的坚硬围岩 对于有裂隙的坚硬围岩
洞室围岩的应力重分布需要一定的时间，所以在进行支护 或衬砌以后围岩的变形受到支护或衬砌的约束，于是就产 生山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
因此，支护的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影响较 大。在这类岩石中，山岩压力主要是由较大的变形所引起， 岩石的松动坍落甚小，这类岩石中主要是产生“变形压 力”。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
在易风化的岩层(例如，泥灰岩、片岩、页岩等)中， 需加快施工速度和迅速进行衬砌，以便尽可能地减少这
些地层与水的接触，减轻它们的风化过程，避免山岩压
力增长。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况 1) 在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室
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§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况 3) 在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体 强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。在这类岩石中， 坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，山岩压力主要属
于“松动压力”。
支护或衬砌的目的：承受松动岩体或塌落岩体的重 量，支护主要起承载作用。
目前，有关围岩的分类和山岩压力的经验公式大 都建立在这一基础上的。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
3)支护的型式和刚度：山岩压力有松动压力和变形 压力之分。
当松动压力作用时，支护的作用就是承受松动岩体 或塌落岩体的重量，支护主要是承载作用。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
当变形压力作用时，它的作用主要是限制围岩的变 形，以维持围岩的稳定，也就是支护主要起约束作用。
围岩的应力一般总是小于岩石的强度。此时支护上没有山岩 压力。
喷 混 凝 土 衬 砌
洞室支护或衬砌的目的：用来防止岩石的风化以
及剥落碎块的掉落。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
(1) 岩石的性质导致山岩压力分为三种情况 2) 在中等质量的岩石中，洞室围岩的变形较大，不 仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。山岩 压力主要是由较大的变形所引起，属于“变形压力”。 支护或衬砌的目的：主要是限制围岩的变形，以维 持围岩的稳定，也就是支护主要起约束作用。
1)洞室的形状和大小：洞室形状对于围岩应力分布 会产生影响，同样，洞室的形状对山岩压力的大小也有 影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
2)地质构造：地质构造对于围岩的稳定性及山岩压 力的大小起着重要影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
地质构造简单、地层完整、无软弱结构面，围岩就 稳定，山岩压力也就小。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
(1) 山岩压力的形成 山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变形、松动 和破坏分不开的。 通常将由于岩体变形而对支护或衬砌给予的压力， 称为变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬砌造成的压 力，称为松动压力。 变形量的大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压 力的大小。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
目前常常采用薄层混凝土支护或具有一定柔性的外部 支护，都能够充分利用围岩的自承能力，以减少支护上山岩
压力的目的。
支护的刚度愈 大，则允许的变形就
愈小，山岩压力就愈
大；反之山岩压力愈 小。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
4)洞室深度 洞室深度与山岩压力的关系目前仍有各 种说法。 一般说来，当围岩处于弹性状态时，山岩压力不应 当与洞室的埋深有关。 但当围岩中出现塑性区时，洞室的埋置深度应当 对山岩压力有影响。这是由于埋置深度对围岩的应力分 布有影响，同时对初始侧压力系数 也有影响，从而对塑 性区的形状和大小以及山岩压力的大小均有影响。
§6.1 概述
K0=0
§6.1 概述
§6.1 概述
从该章可知，在岩体内开挖洞室以后，岩体的原 始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重 分布，围岩不断变形并向洞室逐渐位移。
§6.1 概述
(1) “冒顶”等围岩破坏现象
一些强度较低的岩 石由于应力达到强度的极 限值而破坏，产生裂缝或 剪切位移，破坏了的岩石 在重力作用下甚至大量塌 落，造成所谓“冒顶”现 象。
巷道断面
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
5) 直墙拱形洞室切向应力近似计算公式 直墙拱形洞室没有现成的计算公式，当洞室的高 跨比h0/B（h0为洞的高度；B为洞的跨度）在0.67 ～1.5 范围之内时，近似为椭圆形断面计算。具体计算公式为： 拱顶的切向应力
§6.1 概述
进行地下洞室设计和施工时，需要解决的问题： ①洞室开挖后要不要支护与衬砌？ ②如果不进行支护与衬砌，洞室是否稳定？洞室顶 部的岩石会不会坍落？洞室侧面岩石会不会倒下？ ③若需要支护与衬砌，则岩石对支护或衬砌的压力有多大？
§6.1 概述
（2）支护与衬砌的定义 衬砌指的是为防止围岩变形或坍塌，沿隧道洞身 周边用钢筋混凝土等材料修建的永久性支护结构。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
(1) 山岩压力的形成 在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质
不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同，通常可
以遇到下列三种情况。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
1）在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞 室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。因此，岩石只有弹
要是支承坍落岩块的重量，并阻止岩体继续变形、松动和 破坏。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
（2）影响山岩压力的因素 主要因素：岩石的性质。 岩石的性质是判断有无山岩压力及山岩压力类型 的主要因素。 岩石的性质可以用岩体结构类型来进行分类。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
对山岩压力的影响的其它因素主要有：
山岩压力一般都与时间有关。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
6)施工方法：山岩压力的大小与洞室的施工方法和 施工速率也有较大关系。 施工方法主要是指掘进的方法。在岩体较差的地层
中，如采用钻眼爆破，尤其是放大炮，或采用高强度的
炸药，都会引起围岩的破碎而增加山岩压力。用凿岩机 掘进，光面爆破，减少超挖量，采用合理的施工方法可 以降低山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
支护的刚度和支护时间的早晚(即洞室开挖后围岩 暴露时间的长短)都对山岩压力有较大的影响。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
洞室开挖后，围岩就产生变形(弹性变形和塑性变 形)，根据研究，在一定的变形范围内，支护上的山岩压 力是随着支护以前围岩的变形量增加减少的。
支护或衬砌的目的：承受松动岩体或塌落岩体的重
量，支护主要起承载作用。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
(2) 坚硬岩体的应力和稳定演算 1) 计算假定
对于整体性良好的坚硬岩体来说，由于其节理裂 隙不发育，强度较大，无塑性变形，且弹性变形迅速 完成，所以假定岩体是均匀的、各向同性的连续介质 弹性体。
锚杆支护、预应力锚杆支护和喷混凝土支护等方式，加
固围岩，使围岩处于稳定状态。这种支护的特点是依靠 增加围岩的自承作用来稳固洞室，一般可能比较经济。
外部支护在与岩石紧 密接合或者回填密实的情 况下，这种支护也能起到 限制围岩变形、维持围岩
稳定的作用。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护
自承支护：特点是依靠增加围岩的自承作用来稳固 洞室，一般可能比较经济。
式中
[Rc]=0.6Rc [Rc]=0.5Rc
Rc——岩块单轴湿抗压强度(MPa)。
岩石的许可抗拉强度公式和上面的公式类似。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
4) 隧道(巷道断面)分类 按构成的轮廓线分两种：
折线型：矩形、梯形、不规则形； 曲线型：直墙拱形(如三心拱形、半圆拱形、圆 弧拱形)以及封闭拱形、椭圆形、圆形等。见下图所示。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护/普通支护/老式支护 支护形式
内承支护/自承支护
外部支护的作用：作用在围岩的外部，依靠支护 结构成的承载能力来承受山岩压力。
§6.2 山岩压力的形成及其影响因素
外部支护/普通支护/老式支护 支护形式
内承支护/自承支护
自承支护的作用：是通过化学灌浆或水泥灌浆、
洞室稳定性验算：验算洞室边界上的切向应力 是否超过岩体强度即可，一般不需要计算山岩压力。
§6.3 坚硬岩体的应力和稳定演算
2) 计算公式 对于洞室岩体属于整体性良好的坚硬岩体来说， 需演算：
Rc
式中 σθ——洞室边界上的切向应力(MPa)； [Rc]——岩石的许可抗压强度(MPa)。
（4）山岩压力的定义
有的书上也将这种压力称为 “地层压力”，“围岩压力”， “地压”，“岩石压力”，都是与 山岩压力同一个意思。
§6.1 概述
§6.1 概述
支护的作用：1 承担坍落岩块的重量（松动压力）； 2 限制围岩变形（形变压力）
§6.1 概述
（5）山岩压力和支护与衬砌的设计 根据山岩压力的实际情况合理的设计支护和衬砌， 达到安全和合理利用资源的目的。
§6.1 概述
“冒顶”现象在节 理、裂隙等软弱结构面发
育的岩石更为显著。
§6.1 概述
(2) 地下洞室开挖时需要解决的问题 为了保证围岩的稳定以及地下洞室结构的安全， 常常必须在洞室中进行必要的支护与衬砌，目的是约 束围岩的破坏和变形的继续扩展。 同时，我们要知道并不是所有洞室都要进行支 护与衬砌，对于岩石较好，地质条件简单的情况不需 要进行支护与衬砌；而相反则是非进行支护与衬砌不 可得的。