圍巖和支護結構相互作用

1、關于圍巖與支護結構的相互作用第1頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.1 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析方法 圍巖穩(wěn)定性分析是根據(jù)不同的巖體結構、不同的力學特性，簡化成不同的力學計算模型，應用相應的力學計算方法，定性或定量地分析圍巖的變形破壞過程。定性分析方法圍巖分類方法赤平極射投影方法（節(jié)理塊狀巖體）定量分析方法解析分析法數(shù)值模擬方法模型試驗方法 反饋分析方法連續(xù)介質力學方法第2頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.2 圍巖分類法定性分析 圍巖分類法是一種間接的工程類比法。按照一定的分類標準對圍巖進行定性的、辦量化的整理分析，歸納總結圍巖的宏觀特性及其規(guī)律性

2、，綜合研究評價圍巖的好壞程度，同時提出帶有普遍意義的各段圍巖的穩(wěn)定性評分值以及支護形式與支護參數(shù)，供設計、施工使用。 國家標準及部門標準（鐵路、公路、水利、國防等）的 圍巖分類方法及具體內(nèi)容在第2章都有涉及。第3頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.3 塊狀巖體圍巖穩(wěn)定性分析 地下工程圍巖中存在的節(jié)理、層理、裂隙、軟弱夾層、破碎帶及斷層等地質構造結構面，是巖體介質的間斷面，強度弱，直接影響到圍巖的穩(wěn)定性。 赤平極射投影分析方法就是通過作圖的方法來分析巖體結構面之間以及結構面與開挖臨空面之間的組合關系，計算出不同部位可能形成塊體的邊界、形狀以及體積搜索關鍵塊體，通過關鍵塊體

3、的平衡計算可以分析圍巖的穩(wěn)定性。第4頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.3.1 塊狀巖體的失穩(wěn)特點（1）墜落 沿重力作用方向失穩(wěn)的破壞方式，常發(fā)生在洞頂表面巖體，其臨空面與重力作用方向近直角相交。（2）滑落 滑移面與重力作用方向呈一角度，塊體失穩(wěn)時需要克服滑移面的摩擦阻力，常發(fā)生在邊墻表面巖體。第5頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四第6頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.3.2 塊狀圍巖不穩(wěn)定塊體的赤平極射投影確定方法 根據(jù)洞室開挖前或開挖過程中圍巖結構面露頭產(chǎn)狀，利用赤平極射投影與實體比例的垂直投影相結合的方法，確定臨

4、空面上不穩(wěn)定塊體的位置、形狀與大小。第7頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.4 連續(xù)介質力學分析方法 3.4.1 洞室開挖后圍巖的應力狀態(tài)特征 總述：巖體中開挖洞室，出現(xiàn)了臨空面使巖體有了變形的空間，由于初始地應力的局部釋放，使巖體發(fā)生卸載而向隧道內(nèi)變形，原來平衡的三維初始應力狀態(tài)必然要引起應力的重新分布，重分布的應力主要發(fā)生在洞周有限范圍內(nèi)，在此范圍外仍保持著初始應力狀態(tài)。 洞室開挖后，產(chǎn)生的重分布應力場稱為二次應力場。第8頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.4.2 二次應力場的影響因素 特征：徑向應力釋放，切向應力集中。（1）初始地應力的影

5、響 1）自重應力場：頂拱、底板可能出現(xiàn)拉應力區(qū)，邊墻出現(xiàn)切向壓應力區(qū)； 2）水平構造應力場：頂拱、底板可能出現(xiàn)壓應力區(qū)，邊墻出現(xiàn)拉應力區(qū)。第9頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（2）開挖斷面形式的影響 1）圓形斷面受力狀態(tài)最好； 2）橢圓斷面，隨著長軸與短軸比值的增大，洞頂?shù)睦瓚^(qū)隨之擴大，拐角處應力集中現(xiàn)象也愈明顯。 斷面形狀對切向應力的影響第10頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（3）巖體結構的影響 結構面的方向與二次應力場的分布有很大關系。圖 巖體結構方向對圍巖二次應力場的影響第11頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（4

6、）巖體力學性質的影響彈 性：應力應變線性關系，假定圍巖承受很高應力也不破壞；隧道開挖后，洞周徑向應力變?yōu)?，切向應力集中。彈塑性：應力應變非線性關系，假定圍巖應力狀態(tài)達到屈服條件時巖體進入塑性狀態(tài)；洞周應力為0，在塑性區(qū)內(nèi)，隨著塑性半徑的增大，徑向應力和切向應力都逐漸增大，在彈塑性交界面上切向應力達到最大，在彈性區(qū)內(nèi)又逐漸減小回歸到初始狀態(tài)。第12頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（a）彈性 （b）彈塑性第13頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（5）圍巖的空間效應影響 隧道端部開挖面對圍巖的應力釋放和變形發(fā)展有很大的約束作用，使得沿隧道縱向各斷面上的

7、二次應力狀態(tài)和變形都不相同。當距開挖面（2-3）D時，開挖面支承的空間效應可以忽略不計。 圍巖二次應力場的空間效應第14頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（6）時間效應的影響 一般巖體都具有流變特性。隧道開挖后圍巖初始應力的重新分布以及圍巖的變形都不是瞬時就達到其最終值，而是隨著時間的推移逐漸完成，我們稱這種現(xiàn)象為“時間效應”。有些體的時間效應不明顯，有些則相反，延滯變形所經(jīng)歷的時間很長，最終可能導致巖體失穩(wěn)破壞。（7）施工方法的影響 開挖方式(鉆爆或TBM)和開挖方法(全斷面或分部開挖法)對圍巖的二次應力狀態(tài)都有著強烈的影響。好的開挖作業(yè)可減少對遺留巖體的破壞，使圍巖的

8、二次應力場更接近理論。第15頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.4.3 圍巖應力和位移的解析法分析 模型：彈性分析，彈塑性分析。（1）彈性分析 適用：完整、均勻、堅硬巖體對于軸對稱圓形隧洞（=1）：第16頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四由彈性平面問題的吉爾希解，可得彈性應力：當軸對稱時，p = q 。即側壓系數(shù)=1時，則有第17頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四當 r = a時，則第18頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 周邊r = , r =0, =2P0；周邊的切向應力為最大， 當 =2P0的值超

9、過圍巖的彈性極限時，圍巖進入塑性。 如果把巖石看作為脆性材料，當 =2P0的值超過圍巖的彈性極限，則圍巖發(fā)生破壞。 定義應力集中系數(shù)K： K = 開挖巷道后圍巖的應力/開挖巷道前圍巖的應力 = 次生應力/原巖應力軸對稱圓巷周邊的次生應力為2P0 , 所以，K =2。若定義以 高于1.05P0為巷道影響圈邊界，從而得到r5 。第19頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四水平軸線上圍巖的環(huán)向應力和徑向應力分布 第20頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 圍巖的彈性位移彈性位移的特點：周邊徑向位移最大，但量級小（以毫米計），完成速度快（以聲速計），一般不危及斷面

10、使用與s隧道穩(wěn)定。計算原理：按彈性理論可求得軸對稱圓形隧洞洞周彈性位移。由下式計算：有內(nèi)水壓力或支護阻力時軸對稱圓洞洞周位移計算：（洞周位移與支護阻力之間的彈性關系）第21頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四對于一般圓形隧洞（不等于1）：周邊應力情況 r= , 則 r = 0， r=0隧道周邊切向應力狀態(tài)分布曲線 =（1+）P +2（1-）P cos2PPPP壓應力區(qū)拉應力區(qū)第22頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四在水平直徑處，= 0，有說明水平直徑處的切向應力較初始值提高了（3-）倍，表現(xiàn)出應力集中現(xiàn)象。 =（3-）P在頂拱處，= 90，有 =（3-

11、1）P（a）當=1/3時，洞頂處切向應力為0；（b）當1/3時，洞頂不會出現(xiàn)拉應力，說明洞周切向應力全部變?yōu)閴簯Α?= -P第23頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四沿圓形隧道水平、垂直軸上的應力分布第24頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四一般圓形隧洞的彈性位移（徑向）：為側壓系數(shù)。 r 為圍巖內(nèi)一點到隧道中心距離。 第25頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四洞周切向應力的集中系數(shù)不同值情況下圓形隧道周邊位移分布第26頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（2）彈塑性分析 適用：深埋隧道或埋深較淺但圍巖強度較低時

12、，圍巖的二次應力狀態(tài)超出屈服準則，該部分巖體進入塑性狀態(tài)。1） 峰前區(qū)彈塑性力學分析彈塑性力學處理的對象的應力-應變圖形如圖所示。軸對稱圓洞的理想彈性塑性分析卡斯特納方程基本假設：（1）深埋圓形隧道；（2）原巖應力各向等壓（=1） ； ( 3 ) 圍巖為理想彈塑性體。第27頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四第28頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四2）彈塑性應力求解基本方程：彈性區(qū)：強度準則方程摩爾-庫侖準則：塑性區(qū)：軸對稱問題的平衡方程：rr第29頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四er塑性區(qū)p求解微分方程，再代入邊界條件分別得到

13、彈塑性區(qū)的應力。邊界條件：r ，r = = P0 在彈塑性交界面r=Rp ， re = rp , e = p 第30頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四塑性區(qū)的應力彈性區(qū)的應力塑性區(qū)半徑第31頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四第32頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四當隧道內(nèi)有支護反力P1時，則彈塑性區(qū)的應力可以表達為：r01第33頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四塑性區(qū)彈性區(qū)塑性區(qū)半徑支護反力則圍巖的彈塑性表達式為：第34頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四彈塑性交界面上的應力（r = R

14、p）：應力分布規(guī)律： 1）徑向應力在塑性區(qū)直至彈性區(qū)，隨著距開挖面距離的增大而增大，在一定范圍內(nèi)接近初始應力狀態(tài)。2）切向應力在塑性區(qū)內(nèi)，隨著距開挖面距離的增大而增大；在彈性區(qū)內(nèi)，隨著距離的增大而減小。3）在塑性區(qū)和彈性區(qū)交界面上，切向應力達到最大值。第35頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四P0P0P0P0水平軸線上圍巖的環(huán)向應力和徑向應力分布 第36頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四塑性區(qū)半徑支護反力塑性區(qū)半徑或支護反力計算公式就是卡斯特納方程或修正的芬納方程。 （1）Rp與R0成正比，與P0成正比關系,與c, ，P1成反比關系。（2）塑性區(qū)內(nèi)各點

15、應力與原巖應力P0無關，且其應力圓均與 強度曲線相切；（3）支護反力P1=0時，Rp最大；（4）隨著P1的增大，塑性區(qū)半徑相應減小，即支護阻力的存 在限制了塑性區(qū)域的發(fā)展。討論：第37頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四松動區(qū)定義：松動區(qū)邊界上的切向應力為初始應力，即 = P0由此可得：可得松動區(qū)半徑：可見：第38頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四若想使得塑性區(qū)不出現(xiàn)，即Rp=R0，則求出的支護阻力為硐室開挖保持彈性不出現(xiàn)塑性區(qū)所需的最小支護阻力： 但是一般硐室開挖都是允許出現(xiàn)一定范圍的塑性區(qū)的，因此，所需的支護阻力一般都小于此計算式。 第39頁，共9

16、0頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3）彈塑性位移隧道圍巖的彈塑性位移，量級較大，通常以cm計，是支護主要應解決的問題 。塑性邊界位移計算P0Rpr(p)upR 0u0R p第40頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四隧道周邊位移計算: 設塑性區(qū)體積不變，則有：Rp2-(Rp-up)2 = R02-(R0-u0)2 塑性區(qū)的形狀和范圍是確定加固方案、錨桿布置和松散地壓的主要依據(jù)。彈塑性位移是設計隧道斷面尺寸，確立變形地壓的主要依據(jù)。第41頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 將含有支護阻力P1的塑性區(qū)半徑Rp的表達式帶入位移計算式，可以得到洞室

17、周邊徑向位移與支護阻力之間的關系式：或者寫為：（洞周塑性位移與支護阻力之間的關系，非線性）第42頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.4.4 圍巖應力和位移的數(shù)值分析 理想圓形隧道計算模型，開挖半徑為1.0m，初始地應力在三個方向均為30MPa，計算范圍25m*25m。巖體物理力學參數(shù)為：體積模量K=3.9GPa，剪切模量G=2.8GPa，內(nèi)聚力c=3.45MPa，內(nèi)摩擦角=30（1）用彈性模型計算（2）用彈塑性模型計算（M-C屈服準則）第43頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四軸對稱圓形隧洞彈性解 切向應力分布 徑向應力分布第44頁，共90頁，20

18、22年，5月20日，4點57分，星期四水平軸線上圍巖的環(huán)向應力和徑向應力分布 第45頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四位移分布 網(wǎng)格變形圖第46頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四軸對稱圓形隧洞彈塑性解（M-C準則） 切向應力分布 徑向應力分布第47頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四最大、最小主應力矢量圖 第48頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四水平軸線上圍巖的環(huán)向應力和徑向應力分布 第49頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四位移分布 網(wǎng)格變形圖第50頁，共90頁，2022年，5月20日，

19、4點57分，星期四破壞區(qū)分布圖 第51頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.5 地下洞室圍巖失穩(wěn)類型 洞室開挖后，在一定地質作用和工程荷載作用下，巖體產(chǎn)生剪切、滑移、掉塊、彎折等破壞現(xiàn)象，稱為圍巖失穩(wěn)。（1）脆性破壞 堅硬巖體局部的脆性斷裂、掉塊，如爆破、開挖巖爆等引起劇烈的彈性應變能突然釋放等。（2）塊狀運動 節(jié)理、裂隙巖體經(jīng)過多組結構面切割成塊體，在開挖臨空情況下松弛、滑移、墜落。（3）彎曲折斷破壞 對于薄層狀巖體，在開挖卸荷回彈過程中，切向應力集中超過薄層狀巖層的抗彎折強度，引起巖層彎折內(nèi)鼓的現(xiàn)象。第52頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 （4

20、）松動解脫 在破碎松散巖土體結構中，圍巖自承能力低，開挖時容易形成坍塌。（5）塑性變形和剪切破壞 洞室周邊產(chǎn)生了過度的塑性位移，導致變形過大。一般采用變形準則來表示： e 圍巖的彈性應變 p 圍巖的塑性應變 lim 巖石的極限應變第53頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四塊狀運動破壞 彎曲折斷破壞 松動解脫破壞 塑性變形破壞 第54頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四概念：支護所受的壓力及變形，來自于圍巖在自身平衡過程中的變形或破裂，而導致的對支護結構的作用。因此，圍巖性態(tài)及其變化狀態(tài)對支護的作用有重要影響。另一方面，支護以自己的剛度和強度抑制巖體變形和

21、破裂的進一步發(fā)展，而這一過程同樣也影響支護自身的受力。于是，圍巖與支護形成一種共同體；共同體兩方面的耦合（coupling）作用和互為影響的情況稱為圍巖-支護共同作用（interaction between rock and supports）.3.6 圍巖與支護結構的相互作用第55頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.6.1 圍巖的變形特征曲線（支護需求曲線） 又稱為圍巖收斂曲線。（1）彈性收斂曲線（2）彈塑性收斂曲線 1）不考慮塑性區(qū)體積擴容的修正芬納公式曲線 第56頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四圍巖收斂曲線1彈性 2修正芬納彈塑性 3考慮

22、擴容的彈塑性2）考慮體積擴容的收斂曲線第57頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.6.2 支護特性曲線（支護補給曲線） 支護阻力：支護結構對圍巖變形提供的約束能力。 任何一種支護，都有一定的剛度，同時假定支護和圍巖緊密接觸，并且壓力徑向均勻分布。 支護特性曲線：指作用在支護上的荷載與支護變形的關系曲線。支護阻力隨著支護結構的剛度而增加，可以認為作用在支護結構上的徑向壓力和它的徑向位移成正比： 支護特性曲線第58頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 不同的支護結構有不同的支護剛度。（1）混凝土或噴射混凝土 當噴層厚度ds較小時（ds0.04r0），采用

23、厚壁圓筒計算公式：第59頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（2）灌漿錨桿 灌漿錨桿對圍巖變形的支護抗力是通過錨桿與膠結材料之間的剪應力傳遞的，約束能力與灌漿的質量有關。一般通過錨桿的拉拔試驗得到的荷載與位移的關系來確定。 pamax 最大軸力，可由下列情況中最小值決定。量測表明：錨桿的粘結力沿其長度是非均勻分布的。軸力最大值分布在錨桿長度的1/2處左右，假定為三角形分布。錨桿的最大位移可表達為：灌漿錨桿軸力、剪應力及位移分布第60頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四1）當錨桿體本身屈服時 、 錨桿鋼筋的屈服強度和面積； my工作條件系數(shù)，取0.91.0

24、。2）當鋼筋與膠結材料脫離時 2膠結材料與鋼筋的單位粘結力； db 錨桿直徑；k，my修正系數(shù)。3）當孔壁與膠結材料脫離時 3膠結材料與孔壁圍巖的單位粘結力； db 錨桿孔直徑；my工作條件修正系數(shù)。第61頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四錨桿的剛度可近似為： Eb錨桿的彈性模量；Sa 、Sb 錨桿布置間排距；（3）組合支護體系 第62頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四圍巖與支護結構的相互作用錨桿支護曲線、混凝土支護曲線組合結構支護曲線第63頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.6.3 圍巖與支護結構準靜力平衡狀態(tài)的建立 支護結

25、構特性曲線與圍巖支護需求曲線交點處的橫坐標為形成平衡體系時洞周發(fā)生的位移。交點的縱坐標以下的部分為支護結構上承受的荷載，以上的部分由圍巖來承擔。（1）支護結構不同剛度的影響 剛度大的支護結構承受較大的圍巖作用力；反之，柔性較好的支護結構所承擔的圍巖壓力要小得多。工程中強調采用柔性支護來節(jié)約成本，但是也要求柔性支護有一定的剛度，以便有效控制圍巖變形。（2）支護時間的影響 原則上要盡早架設初期支護，以控制圍巖的初始變形；但是也不能過早支護，可能因為應力繼續(xù)釋放而承擔過大荷載而破壞。第64頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.7.1 圍巖壓力基本概念 （1）狹義上 圍巖作用在

26、支護結構上的壓力。 （2）廣義上 圍巖二次應力狀態(tài)的全部作用，包括隧道頂板、底板或兩側的移近（收斂convergence）,底鼓（floor heaving），圍巖的微觀或宏觀破裂，巖層移動，片幫冒頂、支護破壞，垮塌等。 對于毛洞（無支護）：圍巖壓力作用在圍巖中。 對于支護洞室：圍巖壓力表現(xiàn)為圍巖與支護結構的相互作用，荷載的分配過程在圍巖結構計算模式中得以體現(xiàn)。 （3）工程上 指由于洞室開挖后的二次應力狀態(tài)使圍巖產(chǎn)生變形或破壞引起的作用在襯砌上的壓力。3.7 圍巖壓力理論第65頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 3.7.2 圍巖壓力的種類 由圍巖的支護需求曲線可知，只要在

27、洞周達到極限位移之前，圍巖與支護結構可以形成穩(wěn)定的支護體系，這時支護上承受的是變形壓力。 如果洞周已經(jīng)達到極限位移，圍巖已經(jīng)松弛坍塌，這時再支護的話，就承擔的是松動壓力。 這是兩種最常見的圍巖壓力。 有些巖石具有積水膨脹的特性，由膨脹崩解而引起的壓力稱為膨脹壓力。 在高地應力地區(qū)，由于開挖圍巖聚集的大量能量釋放，導致巖爆，由此產(chǎn)生的壓力為沖擊壓力。第66頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四3.7.3 變形壓力 由于開挖，圍巖變形受到支護的抑制而產(chǎn)生的壓力。1）彈性變形壓力：圍巖條件較好、支護及時、由彈性變形產(chǎn)生的。2）塑性變形壓力：圍巖一般都是彈塑性介質，開挖后一般都會產(chǎn)生

28、彈塑性變形。3）流變壓力：圍巖變形表現(xiàn)出的隨時間增長很快的一類變形，稱為流變，有顯著的時間效應。第67頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（一）變形壓力的統(tǒng)計分析 變形壓力多發(fā)生在噴錨支護結構中。 表 噴錨支護接觸應力實地量測數(shù)據(jù)一覽第68頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（1）接觸應力1）噴錨支護與圍巖有較高的粘結力，在接觸面上不僅產(chǎn)生徑向應力r，還產(chǎn)生切向應力。2）r遠小于，一般 /r約在1.514之間，平均為7.24；圍巖條件越好，比值越大，地質條件越差，其比值越小。3）在噴錨支護結構計算中，必須計入切向荷載的作用和影響，這是噴錨支護的重要特征。

29、4）混凝土襯砌與圍巖之間的接觸不能保證有足夠的粘結，計算作用在襯砌上的荷載時只計徑向應力。 第69頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（2）徑向應力統(tǒng)計值 r的統(tǒng)計平均值為297kPa，其值與地質條件、洞室跨度、埋深以及噴層厚度等因素有關。1）r與跨度B 之間的回歸分析 徑向應力比較穩(wěn)定在一個數(shù)值范圍內(nèi)。說明，噴錨支護與圍巖共同作用的實質，在于能充分發(fā)揮巖體自身的承載能力和更好地調節(jié)巖體與支護之間的應力狀態(tài)。 不同巖體r穩(wěn)定在同一水平的狀態(tài)圖第70頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四2）埋深H 的影響 K為埋深影響系數(shù)。 當H50m時，K=0.85；當5

30、0H100m時， K=1.0； 當H500m時， K=1.25。3）噴層厚度ds 的影響 ds20cm， r顯著變化。r與襯砌相對剛度（ds/B）之間的回歸： 隨著襯砌厚度的增大， r非線性增大 。因此，噴層厚度不宜過大（一般取820cm），以充分發(fā)揮圍巖的承載能力，保證噴層的柔性力學特征。第71頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（3）變形壓力計算1）彈性變形壓力pa的計算考慮側壓力系數(shù)為=1、半徑為r0的圓形隧道。當噴層厚度ds較小時（ds0.04r0），采用厚壁圓筒公式計算結構剛度：第72頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四2）塑性變形壓力pa的計

31、算(將支護阻力作為塑性變形壓力)考慮側壓力系數(shù)為=1、半徑為r0的圓形隧道。圍巖洞壁的位移 應等于支護結構外壁的位移 和支護前圍巖洞壁已釋放了的位移 之和，即：式中， 和 均未知，還需一個方程求解。當噴層厚度ds較小時（ds0.04r0），采用厚壁圓筒公式：第73頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四將Pa 求出后，可以求得洞周位移和塑性半徑。3）最大支護阻力的計算薄壁圓筒：厚壁圓筒：式中， fc為混凝土抗壓強度。第74頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四4）最小支護阻力pamin的計算（P102 最小圍巖壓力？） 與極限變形 對應的圍巖壓力為最大變形壓力

32、，要求支護提供的支護阻力為最小支護阻力pamin。支護提供的支護阻力Pa必須滿足：當圍巖塑性區(qū)內(nèi)的滑移發(fā)展到一定程度，位于松動圈的圍巖可能由于重力而形成松動壓力。要維持圍巖穩(wěn)定，既要維持圍巖的極限平衡，還要維持松動區(qū)內(nèi)滑移體的重力平衡。把維持松動區(qū)內(nèi)滑移體平衡所需的支護力等于維持極限平衡狀態(tài)的力，作為圍巖出現(xiàn)松動塌落和確定Pamin的條件。 松動區(qū)滑移體示意圖第75頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 假定松動區(qū)內(nèi)巖體強度大大降低，滑移體無絲毫自支撐作用，其重力由支護阻力pamin來承擔，同時考慮到支護結構上的壓力應當是重力與變形壓力的疊加，因此可以近似寫為：滑移體的重力可

33、按三角形近似計算：因此，可得：Rmax為與Pamin相應的允許最大松動半徑（解方程或試算）與此相應的最大塑性區(qū)半徑：第76頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（二）松動壓力 由于開挖而松動或塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護上的壓力稱為松動壓力。塌落過程： 開挖應力重分布變形開裂松動塌落 在隧道的上方形成的近似拱的空間后停止塌落，保持相對穩(wěn)定，稱為“自然平衡拱”。拱內(nèi)已經(jīng)破壞了的巖體重量直接作用在支護結構上，成為松動壓力。 自然平衡拱范圍的影響因素：1）圍巖地質條件 2）支護時間 3）圍巖與支護的接觸狀態(tài)4）隧道的跨度 5）隧道的埋深 6）施工方法第77頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四（1）深埋隧道圍巖松動壓力的計算 1）統(tǒng)計法鐵路隧道設計規(guī)范推薦的方法 豎向均布壓力： ha為計算圍巖高度： 當為單線隧道時， （S為圍巖級別的等級） 當為雙線隧道時， 為開挖寬度影響系數(shù)，以B=5.0m為基礎： 水平均布壓力 第78頁，共90頁，2022年，5月20日，4點57分，星期四 荷載不均勻性的考慮 非均勻分布的荷載用等效壓力驗算結構的內(nèi)力。 等效原則：非均勻分布的壓力總和與均勻分布壓力的總