围岩压力(2)

三、围岩松动压力的形成和确定方法
(一)围岩松动压力的形成
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。而坍腔内坍落的岩土形成松 动压力的荷载来源。如图。
变形阶段 (a)
塌落阶段 (c)
松动阶段 (b)
自然拱
成拱阶段 (d)
自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质 条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩 的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因 素： 隧道的形状和尺寸； 隧道的埋深； 施工因素。
深、浅埋隧道的判定原则
H p 2 ~ 2.5hq
式中 H p ——深浅埋隧道分界的深度； hq ——等效荷载高度值，即坍落拱高度。
在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后， 其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支 护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重 量。
而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度 Bt)与岩体的坚固性系数f 有关。具体表达式为：
hk bt f
式中 hk——自然拱高度； bt——自然拱的半跨度,其取值如下图。
• 松动压力 • 形变压力 • 膨胀压力 • 冲击压力
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。
hk hk
Ht
B (a)
B b
2bt
45° j0 2
(b)
bt b H t tg45 j 0 2
围岩垂直均布松动压力：
q hk
围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：
e
q
1 2
H
t
tg 2 45
0
2
2.泰沙基理论
也将岩体视为散粒体，认为坑道开挖后，其上方
的岩体因坑道的变形而下沉，并产生如图所示的
2bV dV 2b V 2kV tgj0 dh 2b dh 0
展开后，得
d V KV tgj0
dh 0
b
解上述微分方程，并引进边界条件，得洞
顶岩层中任意点的垂直压力为
V

b tg0 K
1
e
Ktg0
h b
随着坑道埋深h的加大,e
Ktgj0
h b
趋近于零，则
V
b tgj0 K
泰沙基根据实验结果，得出K＝1—1.5，取
1.普氏理论
➢提出岩体坚固性系数f的概念。
视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散 粒体，其结构面上存在着不同程度的粘结力， 又要保证其抗剪强度不变。
岩体的抗剪强度 岩体坚固性系数：
tg c
f
tg c
tg c
tg0
式中 0 ——岩体的内摩擦角和似摩擦角；
➢提出基于“自然拱”概念的计算理论
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
4.冲击压力
冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变 形能以后，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。
上述松动压力、形变压力往往同时存在， 难以严格区分。
二、影响围岩压力的因素
影响围岩压力的因素很多，通常可分为两 大类。 地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性 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。
(二)确定围岩松动压力的方法
➢现场实地量测：按目前的量测手段和技术水 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变万 化，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。
拱顶坍塌、冒落
水平岩 层冒落
倾斜岩 层掉块、
塌落
高边墙 坍塌
裂隙岩体顶部掉块
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。
软岩巷道严重底鼓变形
软岩巷道变形、支撑断裂
3.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。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水 膨胀引起的。
γ——围岩的容重；
水平压力e可用下表中的经验范围取值。
水平压力e推荐范围
围岩级别 Ⅰ～Ⅱ Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
水平匀布压力 0 ＜0.15q (0.15～0.3)q (0.30～0.5)q (0.5～1.0)q
上述计算表达式的适用条件
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。
K＝1，则
V
b tgj 0
如以 tgj0 ＝f 代入，得
V b f 式中，b、φ0 意义同上。
侧向均布压力则仍按朗金公式计算：
e
v
1 2
H
t
tg 2 45
0
2
3.我国《隧规》所推荐的方法（q、e）
(1)深埋隧道
对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设 计时：
q hq 0.45 2S1 w
错动面OAB。 B
2b B
Kσv Kσvtgφ0
σv σv+dσvq
h
dh
Kσv
H
Kσvtgφ0
A
A
45˚-φ0/2
O
O
2a
45˚-φ0/2
假定作用在任何水平面上的竖向压应力 v 是匀
布的，相应的水平力
σH=k σv
k为侧压力系数。 在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条
带单元体，考虑其平衡条件 ∑V＝0 ，得出
式中ω——宽度影响系数， ω=1+i(B-5)
B——坑道宽度，以m计； i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B＝5m 为基准)，当B＜5m时取i=0.2，B＞5m时，取i＝0.1。
对于单线隧道、按概率极限状态设计时：
q hq 0.411.79S
式中 hq——等效荷载高度值； S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；