围岩压力及控制

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
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
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
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 。
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
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。
( 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。
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
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
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
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
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。
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。
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
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。
2.3 膨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
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
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
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、
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
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