地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

主講教師：雷華陽

教師單位：建工學院

授課班級：土木工程10級

授課學時：48學時參考教材1、徐干成、白洪才、鄭穎人、劉朝，地下工程支護結(jié)構(gòu)，中國水利水電出版社，20022、孫鈞、侯學淵，地下結(jié)構(gòu)，科學出版社，19873、孫鈞，地下工程設(shè)計理論與實踐，上?？茖W技術(shù)出版社，19964、蔡美峰，巖石力學與工程，科學出版社，2002主講教材：李志業(yè)，曾艷華，地下結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法，西南交通大學出版社，2003

緒論

？地下結(jié)構(gòu)體系與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別

?了解地下工程的分類

?了解地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展；

?明確地下工程支護結(jié)構(gòu)計算的力學模式；

?明確地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容。

地下結(jié)構(gòu)是指保留上部地層（山體或土層）的前提下，在開挖出能提供某種用途的地下空間內(nèi)修建的結(jié)構(gòu)物。地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別:①賦存環(huán)境不同

;②物理力學參數(shù)

;③受力條件的不同

;④地下工程支護結(jié)構(gòu)安全與否，既要考慮到支護結(jié)構(gòu)能否承載，又要考慮圍巖會不會失穩(wěn);⑤地下工程中作用在支護結(jié)構(gòu)上的荷載受到施工方法和施工時間的影響。？明確地下結(jié)構(gòu)體系與地面結(jié)構(gòu)的區(qū)別由以上分析可以看出，由于地下工程所處的環(huán)境和受力條件與地面工程有很大不同，如果沿用地面工程的設(shè)計理論和方法來解決地下工程問題，顯然不能正確地說明地下工程中出現(xiàn)的力學現(xiàn)象，當然也就不可能由此作出合理的設(shè)計，因此要擺脫地下工程長期處于“經(jīng)驗設(shè)計和施工”的局面。

和以往課程之間的關(guān)系？

地下工程是指保留上部地層（土層或巖層）的開挖出能提供某種用途的地下空間。土力學地基工程基礎(chǔ)工程巖體力學地下工程●

地下工程的分類

▲按工程的幾何形狀分為隧道工程和硐室工程。隧道工程：結(jié)構(gòu)長度尺寸遠大于斷面尺寸（最大跨度或高度）的結(jié)構(gòu)。如鐵路隧道、公路隧道、煤炭運輸巷道、礦山采場進路、人防地下通道等；

硐室工程：長跨比較接近（一般小于10）。如地鐵車站、地下商場、水電站地下廠房、地下核廢料儲藏庫、地下試驗場、地下儲水庫等。？了解地下工程分類▲從空間上劃分

與地表面的關(guān)系平地填土埋入平地地下開口部與地表面的關(guān)系

▲按照不同的用途或利用形態(tài)分為不同類別

伴隨城市發(fā)展而加以利用的地下工程。

為人類生存確保安全加以利用。

伴隨科技發(fā)展而利用的地下工程。

大規(guī)模國土的有效利用的地下工程?！褂媚康牟煌煞譃?/p>

防護型支護：防止、保護圍巖質(zhì)量惡化，采用手段多為噴漿、噴混凝土、局部錨桿；

構(gòu)造型支護：要求基本條件是巖體基本穩(wěn)定，局部破壞條件下較長時間內(nèi)穩(wěn)定，采用手段多為噴混凝土、錨桿和金屬網(wǎng)、模筑混凝土；

承載型支護：坑道支護的主要類型。明挖法淺埋暗挖法頂管法盾構(gòu)法礦山法沉管法巖石掘進機江陰長江公路大橋北錨沉井沉井平面長69米，寬51米，下沉深度為58米，體積20.4萬立方米,列世界最大沉井。大型鋼殼沉井●地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展與現(xiàn)狀

▲20世紀20年代以前

▲散體壓力理論

▲50年代以來

？如何理解支護與圍巖共同作用

？何謂現(xiàn)代支護理論？了解地下結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展？

明確地下工程支護結(jié)構(gòu)計算的力學模式荷載-結(jié)構(gòu)模式（結(jié)構(gòu)力學的計算模型）該模式認為圍巖對支護結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在結(jié)構(gòu)上的荷載（包括主動的圍巖壓力和被動的彈性抗力（由于圍巖約束結(jié)構(gòu)變形而形成的彈性反力）），以計算支護結(jié)構(gòu)在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法。

局部變形理論或共同變形理論

淺埋圍巖塌落情況主動荷載模式主動荷載+被動荷載模式量測壓力模式支護結(jié)構(gòu)體系與圍巖共同作用的計算模式

這種模式主要用于由于圍巖變形而引起的壓力，壓力值必須通過支護結(jié)構(gòu)與圍巖共同作用而求得，這是反映當前現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)原理的一種計算方法。這種計算模式通常有兩類：1）數(shù)值解法將圍巖視作彈塑性體或粘彈塑性體，并與支護一起采用有限元或邊界元數(shù)值法求解。利用該方法可以直接算出圍巖與支護的應(yīng)力和變形狀態(tài)，以判斷圍巖是否失穩(wěn)和支護是否破壞。2）解析解法該方法主要適用于一些簡單情況下，以及某種簡化情況下的近似計算。

收斂-約束法或特征曲線法經(jīng)驗類比模式

對地質(zhì)條件熟悉，幅度和跨度又都不大的幾種常用型式的巖石地下工程支護結(jié)構(gòu)，例如礦山巷道和不受動荷載作用的小跨度支護結(jié)構(gòu)，常根據(jù)經(jīng)驗類比法直接選定結(jié)構(gòu)的型式及其斷面尺寸，并據(jù)以繪制結(jié)構(gòu)施工圖。？明確地下結(jié)構(gòu)設(shè)計的內(nèi)容

初步擬定結(jié)構(gòu)形狀和尺寸

計算荷載

計算簡圖

穩(wěn)定性驗算內(nèi)力分析、內(nèi)力組合配筋設(shè)計、繪制結(jié)構(gòu)施工圖、預算

本課程的內(nèi)容

▲地下工程結(jié)構(gòu)物的工作環(huán)境

▲圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用

▲現(xiàn)代支護結(jié)構(gòu)設(shè)計原理與方法

二、地下工程結(jié)構(gòu)物的工作環(huán)境

初始應(yīng)力場的組成、變化規(guī)律；

圍巖的工程性質(zhì)；

地下洞室的圍巖分級及其應(yīng)用

（一）圍巖初始應(yīng)力場1、初始應(yīng)力場的組成初始應(yīng)力一般是指地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力，換句話來說，所謂天然狀態(tài)就是保持原始的巖體結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、埋藏條件等。根據(jù)地應(yīng)力場的成因?qū)⑵渲饕譃閮深悾鹤灾貞?yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場。有時也包括在巖體的物理、化學變化及巖漿侵入等作用下形成的應(yīng)力。在巖體天然應(yīng)力場內(nèi)，因開挖或增加結(jié)構(gòu)物等人類工程活動引起的應(yīng)力，稱為感生應(yīng)力。1）自重應(yīng)力場指上覆巖體自重所產(chǎn)生的應(yīng)力場，它是地心引力和離心慣性力共同作用的結(jié)果。2）構(gòu)造應(yīng)力場指地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂所形成的地應(yīng)力?？煞譃榛顒拥暮蜌堄嗟膬深悾夯顒拥臉?gòu)造應(yīng)力是近期和現(xiàn)代地殼運動正在積累的應(yīng)力，也是地應(yīng)力中最活躍最重要的一種，常導致巖體的變形與破壞。殘余的構(gòu)造應(yīng)力是由古構(gòu)造運動殘留下來的應(yīng)力。4）變異應(yīng)力是由巖體的物理狀態(tài)、化學性質(zhì)或賦存條件等方面的變化而引起的應(yīng)力，通常只具有局部意義。例如：巖漿的侵入，沿接觸帶產(chǎn)生很大的壓應(yīng)力；噴出時巖漿迅速冷凝，沿某一方向產(chǎn)生收縮節(jié)理，而使巖體應(yīng)力分布具有明顯的各向異性。3）剩余應(yīng)力指地殼受風化剝蝕，承載巖體由于卸荷作用殘留在巖體中的自相平衡的應(yīng)力，致使垂直應(yīng)力相對降低，水平應(yīng)力則保持不變，拉納利認為它是殘余的構(gòu)造應(yīng)力的一部分。2、圍巖初始應(yīng)力場的變化規(guī)律與影響因素1）自重應(yīng)力場從自重應(yīng)力的計算公式中可以得出其規(guī)律是：地應(yīng)力隨著深度線性增加；水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力，最多也只能與其相等。2）構(gòu)造應(yīng)力場由于其形成原因的復雜性以及隨時間地不斷變化，使得很難用具體的函數(shù)形式表述構(gòu)造應(yīng)力場的特性。

垂直應(yīng)力的量值隨深度增加而增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力；水平主應(yīng)力具有明顯的各向異性。水平主應(yīng)力另一個顯著特點就是具有很強的方向性，一般總是以一個方向的主應(yīng)力占優(yōu)勢，很少有大、小主應(yīng)力相等的情況。根據(jù)實測資料可知，在我國大陸地殼中，最小與最大主應(yīng)力的比值為0.3～0.7的占70%，也就是說在我國大部分地區(qū)，最大水平主應(yīng)力約為最小水平主應(yīng)力的1.4～3.3倍。3、影響圍巖初始應(yīng)力場的因素一是重力、地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖體的物理力學性質(zhì)以及地溫等經(jīng)常性因素；二是新構(gòu)造運動、地下水活動、人類活動等暫時性或局部性的因素。1）地形地貌2）巖體的力學性質(zhì)3）地溫主要是由于溫度變化而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。4）人類活動人類活動包括：大堆渣場的形成、深的露天開采、地下開挖等等，都有可能局部地影響圍巖的初始應(yīng)力場。（二）圍巖的工程性質(zhì)基本概念巖體；結(jié)構(gòu)面或不連續(xù)面；結(jié)構(gòu)體；巖石的物理、水理性質(zhì)及其試驗方法巖石的容重（量積法（又叫直接法）、水中法或蠟封法

）；巖石的比重；巖石的孔隙率；

巖石的天然含水率、吸水性、飽和吸水率

巖石的飽水系數(shù)；巖石的膨脹性

巖石的力學性質(zhì)及其試驗方法

1）單軸抗壓強度2）三軸抗壓強度

3）直剪試驗抗剪斷強度：在垂直壓力和水平方向上施加的剪應(yīng)力作用下，巖石試件被剪斷?？辜魪姸龋壕哂邢却婕羟忻嫦?，在垂直壓力和水平剪切力下，試件發(fā)生剪切滑動。抗切強度：無垂直壓力，在水平剪切力試件剪斷。

4）抗拉強度試驗

巖石的點荷載強度：試件在上下一對球端圓錐之間，被施加集中荷載直至破壞。當采用巖心試件做徑向試驗時，試件長度與直徑之比不應(yīng)小于1；做軸向試驗時，加荷兩點間距與直徑之比宜為0.3-1.0；采用方塊或不規(guī)則塊體試件做試驗時，加荷兩點間距宜為30-50mm。國際上將直徑為50mm的圓柱體試件徑向加載點荷載試驗的強度指標值確定為標準試驗值。

巖石的變形特性

彈性變形：巖石在外力作用下發(fā)生變形，當外力撤去后又恢復其原有的形狀及體積的性質(zhì)；塑性變形：巖石在超過其屈服極限外力作用下發(fā)生變形，當外力撤去后不能完全恢復其原有的形狀及體積的性質(zhì)；粘性變形：巖石在外力作用下變形不能在瞬間完成，隨著應(yīng)變速率的增大，應(yīng)力也上升，外力撤去后不能恢復其原有形狀及體積。

三軸壓縮條件下的巖石變形特征圍壓對巖石剛度的影響：對于高強度堅硬而致密的巖石，其彈性模量不因圍壓不同而有明顯變化；對于巖性較弱的巖石，其彈性模量隨著圍壓增大而提高；圍壓對巖石破壞方式的影響：隨著圍壓增大，巖石的破壞方式由脆性破壞向延性破壞或延性流動轉(zhuǎn)變；圍壓對巖石強度的影響：隨著圍壓的增大，巖石三軸極限強度也增大；巖石的強度理論1）莫爾強度理論：當某一面上剪應(yīng)力超過其所能承受的極限剪應(yīng)力值時，材料便被破壞；2）格里菲斯強度理論：格里菲斯理論則有所不同。他認為：材料內(nèi)部存在著許多細微裂隙，在力的作用下，這些細微裂隙的周圍，特別是縫端，可以產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。材料的破壞往往從縫端開始，裂縫擴展，最后導致材料的完全破壞。3）經(jīng)驗準則霍克和布朗發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)巖石材料（完整的巖塊）的三軸壓縮試驗破壞時的主應(yīng)力之間可用下列方程式描述：巖體的力學性質(zhì)結(jié)構(gòu)面是巖體穩(wěn)定性的控制因素，它導致巖體力學性能的不連續(xù)性、不均一性和各向異性。1）結(jié)構(gòu)面是由各種地質(zhì)原因形成的：原生結(jié)構(gòu)面構(gòu)造結(jié)構(gòu)面次生結(jié)構(gòu)面2）巖體結(jié)構(gòu)類型整體結(jié)構(gòu)巖體（近似各向同性連續(xù)介質(zhì)）層狀結(jié)構(gòu)巖體（順層滑動、層間張裂及巖層彎曲折斷）塊狀結(jié)構(gòu)巖體（沿軟弱夾層滑動）碎裂結(jié)構(gòu)巖體（沿結(jié)構(gòu)面的滑移和張裂、結(jié)構(gòu)體的剪切、張裂及塑性流動）散體結(jié)構(gòu)巖體（大型斷裂破碎帶，大型巖漿巖侵入接觸破碎帶及強烈風化帶）3）裂隙巖體的強度性質(zhì)巖石的殘余強度近似表示有不連續(xù)面的巖體強度。裂隙巖體的強度隨著裂隙組數(shù)的增加明顯減少，但當裂隙組數(shù)增加到一定程度之后，強度不再繼續(xù)降低，而接近巖石的殘余強度。隨著巖體中不連續(xù)面的增加，巖體的強度性態(tài)有逐漸變?yōu)楦飨蛲缘内厔?）裂隙巖體的變形性質(zhì)壓密階段（OA）：主要是由巖體中結(jié)構(gòu)面的閉合和充填物的壓縮而產(chǎn)生的，形成了非線性凹狀曲線，變形模量小，總的壓縮量取決于結(jié)構(gòu)面的性態(tài)，且這部分變形本質(zhì)上是不能恢復的，屬于不可恢復的塑性變形。彈性階段（AB）：巖體充分壓密后便進入彈性階段。所表現(xiàn)出的彈性變形是巖體的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同產(chǎn)生的，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系呈直線。同時，巖體的彈性模量也趨近于整體巖石的數(shù)值。塑性階段（BC）：巖體繼續(xù)受力，變形發(fā)展到彈性極限后便進入到塑性階段，此時巖體的變形特征受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性共同制約。整體性好的巖體延性小，塑性變形不明顯，達到強度極限后變迅速破壞。破裂巖體塑性變形大，有甚至的從壓密階段直接發(fā)展到塑性階段，而不經(jīng)過彈性階段。破裂和破壞階段（CD）：應(yīng)力達到峰值后，巖體即開始破裂和破壞。破壞開始時，應(yīng)力下降比較緩慢，說明破裂面上仍具有一定的摩擦力，巖體還能承受一定的荷載。而后，應(yīng)力急劇下降，巖體全面崩潰。（三）地下洞室的圍巖分級及其應(yīng)用所謂圍巖分級就是指根據(jù)巖體完整程度和巖石強度等主要指標在給予定性和定量評價的基礎(chǔ)上，按其穩(wěn)定性將圍巖分為工程性質(zhì)不同的若干級別。分類原則

(1）有明確的類級和適用對象（專題性的、綜合性的)。（2）根據(jù)適用對象，選擇考慮因素（單因素、多因素）。（3）有定量的指標。（4）類級一般分五級為宜。（5）分類方法簡單明了、數(shù)字便于記憶和應(yīng)用。發(fā)展趨勢：“多因素、綜合特征值”分類法一、工程巖體分類的參考影響因素1、巖石的質(zhì)量。主要表現(xiàn)在巖石的強度和變形性質(zhì)方面。2、巖體的完整性。巖體完整性取決于不連續(xù)面的組數(shù)和密度?？捎媒Y(jié)構(gòu)面頻率(裂隙度）、間距、巖心采取率、巖石質(zhì)量指標RQD以及完整性系數(shù)作為定量指標進行描述。這些定量指標是表征巖體工程性質(zhì)的重要參數(shù)。3、結(jié)構(gòu)面條件。包括結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、粗糙度和充填情況。巖體的工程性質(zhì)主要取決于結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)和分布狀態(tài)以及其間的充填物性質(zhì)。一、工程巖體分類的參考影響因素4、巖體及結(jié)構(gòu)面的風化程度。風化程度越高，巖體越破碎，強度越低。5、地下水的影響。滲流，軟化，膨脹，崩解，靜、動水壓力等。6、地應(yīng)力。地應(yīng)力難于測定，它對工程的影響程度也難于確定，因此，其影響一般在綜合因素中反映。1）地質(zhì)因素a、巖體的結(jié)構(gòu)特征二、影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素b、結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合在圍巖分類中，可以從下述五個方面來研究結(jié)構(gòu)面對隧道圍巖穩(wěn)定性影響的大?。航Y(jié)構(gòu)面的成因及其發(fā)展史，例如，次生的破壞夾層比原生的軟弱夾層的力學性質(zhì)差得多，如再發(fā)生次生泥化作用，則性質(zhì)更差；結(jié)構(gòu)面的平整、光滑程度；結(jié)構(gòu)面的物質(zhì)組成及其充填物質(zhì)情況；結(jié)構(gòu)面的規(guī)律與方向性；結(jié)構(gòu)面的密度與組數(shù)。c、巖石的力學性質(zhì)d、圍巖的初始應(yīng)力場e、地下水的狀況使巖質(zhì)軟化，強度降低，對軟巖尤其突出，對土體則可促使其液化或流動；在有軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體中，會沖走充填物質(zhì)或使夾層軟化，減少層間摩阻力促使巖塊滑動；在某些巖體中，如含有生石膏、巖鹽，或以蒙脫石為主的粘土巖，遇水后將產(chǎn)生膨脹，其勢能很大，在未膠結(jié)或弱膠結(jié)的砂巖中，水的存在可以產(chǎn)生流沙和潛蝕。2）工程活動的人為因素主要指的是坑道的尺寸、形狀以及施工方法。尺寸主要指跨度，在同一類圍巖中，坑道跨度愈大，圍巖的穩(wěn)定性就越差。如：裂隙間距在0.4-1.0m左右的巖體，對中等跨度（5-10m）的坑道而言，可算是大塊狀的，但對大跨度（>15m）的坑道來說，只能算是碎塊狀的?？拥赖男螤钪饕獣绊戦_挖隧道后圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。施工方法在隧道開挖過程中，不同的開挖方法對圍巖穩(wěn)定性的影響也不盡相同。如采用普通的爆破法還是采用控制爆破法，采用全斷面一次開挖還是采用小斷面分部開挖等，這些選擇對于圍巖的影響都各不相同的。單一的巖性指標：飽和單軸抗壓強度三、分級的因素指標我國工程界按巖石單軸抗壓強度將巖體分為四類：

類別

巖石單軸抗壓強度

σc(Mpa)堅固性

Ⅰ250~160特堅固

Ⅱ160~100堅固

Ⅲ100~40次堅固

Ⅳ<40軟巖巖石普氏系數(shù)(f=σc/10)分類法（Ｍ．Ｍ．Продотьяконов，1907

）極硬（f＝20）、很硬（f＝15）、堅硬（f＝8～10）、較硬（f＝5～6）、普通（f＝3～4）、較軟（f＝1.5～2）、軟層（f＝0.8～1）、松軟（f＜1）等8類。優(yōu)點：簡單方便、工程早期，普氏系數(shù)在我國現(xiàn)行設(shè)計手冊、工程定額、概預算仍沿用。缺點：小尺寸試件不能反映巖體強度，應(yīng)予淘汰。由此可推按單軸抗壓強度進行分類的方法均應(yīng)予淘汰。單一的綜合巖性指標：

巖體的彈性波傳播速度中科院地質(zhì)所根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)的分類，列出了彈性波在各類巖體中傳播特性。日本，池田和彥，1969年提出了日本鐵路隧道圍巖分類；先將巖質(zhì)分6類,再根據(jù)彈性波在巖體中的速度,將圍巖分為7類單一的綜合巖性指標：

巖體完整性指數(shù)（龜裂系數(shù)）式中：Vpm、Vpr—巖體、巖石彈性縱波速度（m/s)。Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎單一的綜合巖性指標：

巖石質(zhì)量指標RQD蒂爾（Deer,1968)提出根據(jù)鉆探時巖芯完好程度來判斷巖體的質(zhì)量，對巖體分類。式中：li—所取巖芯中≥10cm長度的巖芯段的長度；

L—鉆進巖芯的總程度，m。RQD（％）0～2525~5050~7575~9090～100等級ⅠⅡⅢⅣⅤ分類很差差較好良好很好例某鉆孔的長度為250cm，其中巖芯采取總長度為200cm,而大于10cm的巖芯總長度為157cm(如圖所示)，則巖芯采取率：200/250=80%

RQD=157/250=63%巖體分類為：Ⅲ類、較好巖體單一的綜合巖性指標：

巖體的堅固系數(shù)式中：Rc——巖石單軸抗壓強度，Mpaf≥20為1級，最堅固；f≤0.3為第10級，最軟弱。優(yōu)點：形式簡單，使用方便。缺點：未考慮巖體的完整性、巖體結(jié)構(gòu)特征對穩(wěn)定性影響，故不能準確評價巖體的穩(wěn)定性。以巖石試件的單軸抗壓強度作為分類依據(jù)，根據(jù)普氏堅固性系數(shù)f將巖石分為十級。f值越大，巖體越穩(wěn)定。單一的綜合巖性指標：

RMR分級系統(tǒng)賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分類指標RMR(RockMassRating)，由下列6種指標組成：（1）巖塊強度(R1)

（2）RQD值(R2)（3）節(jié)理間距(R3)（4）節(jié)理條件(R4)（5）地下水(R5)

（6）節(jié)理方向?qū)こ痰挠绊懙男拚齾?shù)（R6）

即：（1）對應(yīng)巖石強度的巖體評分值R1

點荷載指標（Mpa）

巖石單軸抗壓強度Rc(Mpa)評分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10（2）對應(yīng)于巖芯質(zhì)量指標的巖體評分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50

<25評分值20171383（3）對應(yīng)于最有影響的節(jié)理組間距的巖體評分值R3節(jié)理間距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05評分值302520105（4）對于節(jié)理狀態(tài)的巖體評分值R4

說明評分值尺寸有限的粗糙的表面、硬巖壁25略粗糙的表面、張開度<1mm，硬巖壁20略粗糙的表面、張開度<1mm，軟巖壁12光滑表面；由斷層泥充填厚度為1～5mm；張開度1～5mm，節(jié)理延伸超過數(shù)米6由厚度>5mm的斷層泥充填的張開節(jié)理;張開度>5mm的節(jié)理，延伸超過數(shù)米0（5）取決于地下水狀態(tài)的巖體評分值R5每米隧道的涌水量（L/min）節(jié)理水壓力與最大主應(yīng)力的比值總的狀態(tài)評分值無0完全干燥15<10<0.1潮濕1010～250.1～0.2濕725～1250.2～0.5有中等壓力水，滴水4>125>0.5有嚴重地下水問題，流水0（6）節(jié)理方位對RMR的修正值R6方位對工程的影響評價隧道地基邊坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25根據(jù)總分確定巖體分級

類別

巖體描述巖體評分值RMR

Ⅰ很好81~100

Ⅱ好61~80

Ⅲ較好41~60Ⅳ較差21~40Ⅴ很差0~20巖體分級的意義考慮不支護隧道的自穩(wěn)時間分類號ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自穩(wěn)時間15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min巖體的內(nèi)聚力(kPa)>400300~400200~300100~200

<100巖體內(nèi)摩擦角>450350~450250~350150~250

<150該分類法已得到比較廣泛的應(yīng)用。適用：堅硬、節(jié)理巖體，淺埋隧道不適用：擠壓、膨脹、涌水的及軟巖體。圍巖級別的工程作用：①判斷圍巖穩(wěn)定性。②判斷施工難易程度，投資依據(jù)。③結(jié)構(gòu)分析計算的依據(jù)

圍巖分級：根據(jù)巖體的若干指標，按照穩(wěn)定性將圍巖分成不同的級別。

工程目的：

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計依據(jù)

（2）施工方法依據(jù)

（3）工程造價依據(jù)圍巖分級的發(fā)展過程：土石分類法單一因素分類法綜合物性分類法其它分級法：組合多因素分類法與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分類法總結(jié)：早期～僅巖石強度；現(xiàn)在～綜合多種因素，如巖體構(gòu)造、巖石強度、RQD指標等。

圍巖分級方法3個基本因素：

①巖性：抗壓強度、彈性模量、彈性波速等。②地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。③地下水：地下水發(fā)育時，圍巖級別應(yīng)降低。

1個附加因素：④初始地應(yīng)力：適當考慮。（一）以巖石強度或巖石的物性指標為代表的分級法1.以巖石強度為基礎(chǔ)的分級法

代表：土石分類法～堅石、次堅石、松石、土。

2.以巖石物性指標為基礎(chǔ)的分級法

代表：巖石堅固性系數(shù)(f值)分級法～普氏法

f值：一個綜合的物性指標值，如巖石的抗鉆性、抗爆性、強度等。

但核心還是巖石強度。(二)以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級方法

代表：●泰沙基法～考慮圍巖的完整狀態(tài)和巖性，共9級?！裎覈煌ㄋ淼绹鷰r分級法～借鑒了泰沙基法，考慮巖體綜合物性，共6級。

（三）與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級方法

代表：

●彈性波速分級法～波速是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項綜合指標，波速越高，圍巖越好?！駧r石質(zhì)量指標～RQD指標也是反映巖性與巖體結(jié)構(gòu)的一項綜合指標。(四)組合多種因素的分級方法

代表：

巖體質(zhì)量分級法

巴頓等人提出的“巖體質(zhì)量—Q”分級法。表達如下：組合了6個參數(shù)：巖石質(zhì)量指標、節(jié)理組數(shù)目、節(jié)理粗糙度、節(jié)理蝕變值、節(jié)理含水折減系數(shù)、應(yīng)力折減系數(shù)。四、國內(nèi)外典型的圍巖分級方法我國工程巖體分級標準（GB50218-94)1、工程巖體分級的基本方法（1）確定巖體基本質(zhì)量

《標準》認為巖石的堅硬程度和巖體完整程度決定巖體的基本質(zhì)量。巖體基本質(zhì)量好，則穩(wěn)定性好；反之，穩(wěn)定性差。A、采用飽和巖石單軸抗壓強度σC劃分巖石堅硬程度σ

C

(Mpa)>6060~3030~1515~5

<5堅硬程度堅硬較堅硬較軟巖軟巖極軟巖σC與點荷載強度指數(shù)的關(guān)系：是指直徑50mm圓柱試件徑向加壓時的點荷載強度。

B、采用完整性系數(shù)Kv劃分巖體完整程度Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎Jv<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15巖體體積節(jié)理數(shù)Jv(條/m3)：式中：Sn——第n組節(jié)理每米長測線上節(jié)理的條數(shù)；

Sk——每立方米巖體非成組節(jié)理條數(shù)。

Jv與Kv的對照關(guān)系：（2）巖體基本質(zhì)量分級A、巖體基本質(zhì)量指標（BQ)的計算注意：當σC>90Kv+30時，應(yīng)以σC=90Kv+30代入上式計算Q值；當Kv>0.04σC+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04σC+0.4代入上式計算Q值；式中：BQ——巖體基本質(zhì)量指標；

σC——巖石飽和單軸抗壓強度(Mpa);Kv——巖體完整性系數(shù)。B、按BQ值進行巖體基本質(zhì)量分級基本質(zhì)量級別巖體基本質(zhì)量定性特征巖體基本質(zhì)量指標(BQ)Ⅰ堅硬巖，巖體完整；>550Ⅱ堅硬巖，巖體較完整；較堅硬巖，巖體完整；550~451Ⅲ堅硬巖，巖體較破碎；較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整；450~351Ⅳ堅硬巖，巖體破碎；較堅硬巖，巖體較破碎～破碎；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整～較破碎；軟巖，巖體完整～較完整；350~251Ⅴ較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎～破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖；<250（3）基本質(zhì)量指標BQ值的修正結(jié)合工程具有情況，對BQ進行修正，修正值[BQ]按下式計算：[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)式中：K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；

K3——初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)。（A）地下水影響修正系數(shù)K1地下水出水狀態(tài)

BQ>450450~351350~251<250潮濕或點滴出水

0

0.10.2～0.30.4～0.6淋雨狀或涌流狀出水，水壓≤0.1MPa或單位出水量≤10L/(min.m)

0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨狀或涌流狀出水，水壓＞0.1MPa或單位出水量＞

10L/(min.m)

0.20.4～0.60.7～0.9

1.0（B）主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及其與洞軸線的組合關(guān)系結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線的夾角<300結(jié)構(gòu)面傾角300～750結(jié)構(gòu)面走向與洞軸線的夾角>600結(jié)構(gòu)面傾角>750其它組合K20.4~0.60~0.20.2~0.4（C）初始應(yīng)力狀態(tài)修正系數(shù)K3初始應(yīng)力狀態(tài)BQ>550550～451450~351350~251<250極高應(yīng)力區(qū)1.01.01.0~1.51.0~1.51.0高應(yīng)力區(qū)0.50.50.50.5~1.00.5~1.02、工程巖體分類標準的應(yīng)用（1）巖體物理參數(shù)的選用工程巖體的級別一旦確定，可按表選用巖體的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)面的抗剪強度參數(shù)。（2）地下工程巖體自穩(wěn)能力的確定巖體級別與巖體物理力學參數(shù)基本質(zhì)量級別重力密度γ(kN/m3)內(nèi)摩擦角Φ(0)粘結(jié)力C(Mpa)變形模量E(Gpa)泊松比μⅠ>26.5>60>2.1>33<0.2Ⅱ60~502.1~1.533~200.2~0.25Ⅲ26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3Ⅳ24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35Ⅴ<22.5<27<0.2<1.3>0.35巖體級別與巖體結(jié)構(gòu)面抗剪強度參數(shù)基本質(zhì)量級別兩側(cè)巖體的堅硬程度及結(jié)構(gòu)面的結(jié)合程度內(nèi)摩擦角Φ(0)粘結(jié)力C(Mpa)Ⅰ堅硬、結(jié)合好>37>0.22Ⅱ堅硬－較堅硬、結(jié)合一般；軟弱巖，結(jié)合好37~290.22~0.12Ⅲ堅硬－較堅硬、結(jié)合差；較軟弱巖，結(jié)合一般29~190.12~0.08Ⅳ較堅硬－較軟巖、結(jié)合差—很差；軟弱巖、結(jié)合差；軟質(zhì)巖的泥化面19~130.08~0.05Ⅴ較堅硬及全部軟質(zhì)巖、結(jié)合很差；軟質(zhì)巖泥化層本身<13<0.05巖體級別與地下工程巖體自穩(wěn)能力基本質(zhì)量級別自穩(wěn)能力Ⅰ跨度<20m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本穩(wěn)定，局部發(fā)生掉塊或小塌方跨度<10m，可長期穩(wěn)定，偶有掉塊Ⅲ跨度10~20m，可穩(wěn)定數(shù)日至1個月，可發(fā)生小至中塌方跨度5~10m，可穩(wěn)定數(shù)月，可發(fā)生局部塊體位移及小至中塌方跨度<5m，可基本穩(wěn)定Ⅳ跨度>5m，一般無自穩(wěn)能力，數(shù)日至數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形、小塌方，可發(fā)展為中至大塌方?？缍?lt;5m，可穩(wěn)定數(shù)日至1個月Ⅴ無自穩(wěn)能力注：小塌方：塌方高度<3m，或塌方體積<30m3中塌方：塌方高度3～6m，或塌方體積30～100m3大塌方：塌方高度>6m，或塌方體積>100m3我國工程巖體分級標準（GB50218-94）的評價

優(yōu)點：1）對地下隧道適用性較強；2）能反映巖體基本質(zhì)量分級－－計算BQ3）考慮工程巖體特性（地下水、節(jié)理與工程位置關(guān)系、地應(yīng)力－－計算[BQ],判斷分類。缺點：對邊坡巖體和地基巖體的分級研究較少。

巖體質(zhì)量“Q”法分級

挪威巴頓（Barton）等人于1974年根據(jù)隧道工程的調(diào)查，提出一個用6個參數(shù)表達的巖體質(zhì)量指標Q，作為巖體質(zhì)量分類的依據(jù)。式中：RQD——巖石質(zhì)量指標；Jn——節(jié)理組數(shù)評分；Jr——節(jié)理面粗糙度評分；Jw——按裂隙水條件評分；Ja——節(jié)理蝕變程度評分；SRF——按地應(yīng)力影響評分（應(yīng)力折減系數(shù)）。Q反映了巖體質(zhì)量的三個方面：為巖體的完整性；表示結(jié)構(gòu)面的形態(tài)、充填物特征及次生變化程度；表示水與其他應(yīng)力存在時對巖體質(zhì)量的影響。（1）節(jié)理組數(shù)影響（Jn)（2）節(jié)理粗糙度影響（Jr)（3）節(jié)理蝕變程度影響（Ja)（4）裂隙水影響（Ja)（5）地應(yīng)力影響（SRF)見P58，表2.3.33地下開挖當量直徑：根據(jù)Q值，可將巖體分為9類，如圖：

Q分類法考慮的地質(zhì)因素較全面，而且把定性分析與定量評價結(jié)合起來了，軟硬巖均適用，在處理極軟弱的巖層中推薦采用此分類法。賓尼奧夫斯基（Bieniawski，1976)在大量實測統(tǒng)計的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)Q值與RMR值之間具有如下條件關(guān)系：Q分類的缺點：沒有考慮節(jié)理方位（怕失去簡單的特點，影響通用性）我國鐵路與公路隧道的圍巖分級方法1.鐵路隧道⑴沿革●巖體綜合分類～60年代，成昆線，五類?！袼淼绹鷰r分類～74年版，首部鐵路隧道規(guī)范，六類?！袼淼绹鷰r分類～86年版，加入圍巖彈性波速指標?！袼淼绹鷰r分級～99年版，采用國標分級排序，改稱“圍巖分級”，六級?！袼淼绹鷰r分級～2001年版，不變。●隧道圍巖分級～2005年版，不變。基本分級修正基本分級

基本分級修正基本分級最終分級⑵分級的理論基礎(chǔ)●以圍巖的穩(wěn)定性判斷為基礎(chǔ)。

屬于“以巖體構(gòu)造和巖性特征為代表”的分級方法。●主要考慮4種因素：①巖石堅硬程度②圍巖完整狀態(tài)③地下水④圍巖初始地應(yīng)力⑶基本分級

依據(jù)：圍巖主要工程地質(zhì)條件，由兩條組成：①巖石堅硬程度

軟硬巖分界指標：30MpaRb>30硬巖5<Rb≤30軟巖Rb<5極軟巖②圍巖完整程度

指標1：結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度

指標2：地質(zhì)構(gòu)造影響程度

由此兩指標，將巖體完整程度分為5個級別，巖體完整程度的劃分完整程度結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度地質(zhì)構(gòu)造影響程度完整不發(fā)育輕微較完整較發(fā)育、不發(fā)育較重、輕微較破碎發(fā)育、較發(fā)育嚴重破碎極發(fā)育、發(fā)育極嚴重、嚴重極破碎極發(fā)育極嚴重圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度等級劃分等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征輕微圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動小，無斷裂（層）；層狀巖體一般呈單斜構(gòu)造；節(jié)理不發(fā)育較重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較大；位于斷裂（層）或褶曲軸的鄰近地段；可有小斷層，節(jié)理較發(fā)育嚴重圍巖地質(zhì)構(gòu)造變動較強烈，位于褶曲軸部或斷裂影響帶內(nèi)；軟巖多見扭曲及拖拉現(xiàn)象；節(jié)理發(fā)育很嚴重位于斷裂（層）破碎帶內(nèi)；節(jié)理很發(fā)育；巖體呈碎石、角礫狀，有的呈粉末泥土狀等級地質(zhì)構(gòu)造作用特征節(jié)理不發(fā)育節(jié)理（裂隙）1-2組，規(guī)則，為原生型或構(gòu)造型，多數(shù)的間距在1.0m以上，為密閉型。巖體被切割成塊狀節(jié)理較發(fā)育節(jié)理（裂隙）2-3組，呈x型，較規(guī)則，以構(gòu)造型為主，多數(shù)的間距大于0.4m，多為密閉。部分微張開，少有填充物。巖體被切割成大塊狀節(jié)理發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，不規(guī)則，呈x型或米字型，以構(gòu)造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.4m，大部分微張開，部分張開，大部分為粘性土填充。巖體被切割成塊、碎石狀節(jié)理很發(fā)育節(jié)理（裂隙）3組以上，雜亂，以構(gòu)造型或風化型為主，多數(shù)間距小于0.2m，微張開或張開，部分為粘土充填。巖體被切割成碎石狀

圍巖節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度劃分

(4)鐵路隧道圍巖分級表

基本分級+圍巖彈性縱波速度=鐵路隧道圍巖分級表⑸特點◆給出了單線隧道圍巖開挖后的穩(wěn)定狀態(tài)。◆尚未考慮地下水和地應(yīng)力。⑹修正分級◆地下水地下水的3種處理方法：①分級時按無水考慮，而是根據(jù)地下水的狀態(tài)，適當降低圍巖等級(1～2級)；②分級時按有水考慮，當確認圍巖無水則提高圍巖等級；③直接將地下水狀況(水質(zhì)、水量、流通條件、靜水壓力等)作為一個分級指標。鐵路隧道分級按第1種方法處理：

地下水狀態(tài)的分級表

級別

狀態(tài)

每10m的涌水量(l/min)IIIIII

干燥或潮濕偶有滲水經(jīng)常滲水

＜1010～2525～325地下水影響的修正

修正級別地下水狀態(tài)圍巖的基本分級IIIIIIIVVVIIIIIIIIIVI－IIIIIIVVVI－IIIIIIIIIVVVI－主要現(xiàn)象極高應(yīng)力◆初始地應(yīng)力2.軟質(zhì)巖：巖芯時有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體位移極顯著，持續(xù)時間長，成洞性差2.軟質(zhì)巖：巖芯常有餅化現(xiàn)象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發(fā)生大位移，持續(xù)時間長，不易成洞4-71.硬質(zhì)巖:開挖過程中可能出現(xiàn)巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現(xiàn)象，新生裂紋較多，成洞性較差高應(yīng)力<4評估基準

（Rc/σmax）1.硬質(zhì)巖：開挖過程中時有巖爆發(fā)生，有巖塊彈出，洞壁巖體發(fā)生剝離，新生裂縫多，成洞性差初始地應(yīng)力影響的修正圍巖基本分級

極高應(yīng)力高應(yīng)力ⅡⅡⅡⅠⅠⅠⅢⅢ或ⅣⅢⅣ或ⅤⅤⅣⅥⅥⅤ修正級別

初始地應(yīng)力狀態(tài)

兩點說明：

設(shè)計階段：采用修正后的圍巖分級。

施工階段：根據(jù)實際情況，進一步判定圍巖分級，依據(jù)仍然是：

巖石堅硬程度

圍巖完整狀態(tài)

地下水

初始地應(yīng)力2.公路隧道⑴初步分級～相當于鐵路的基本分級

依據(jù)：圍巖主要定性特征

該特征由兩個基本因素組成：●巖石堅硬程度Rc(即強度)●巖體完整性Kv(即彈性波速)

推出圍巖基本質(zhì)量指標BQ=90+3Rc+250Kv⑵詳細分級～相當于鐵路的修正分級

修正BQ值：當有以下3方面影響時，應(yīng)予修正：

①地下水K1②軟弱結(jié)構(gòu)面(比鐵路多此條)K2③高初始地應(yīng)力K3[BQ]=修正BQ值=BQ-100(K1+K2+K3)K1～K3各值可查公路隧道規(guī)范附錄A.0.2-1～A.0.2-3公路圍巖分級表：參數(shù)：①圍巖主要定性特征②BQ值，或[BQ]值(當需要修正時)問題及研究方向1.問題

指標定性的多、定量的少。如何做到準確、方便、好用？

2.研究⑴發(fā)展物探手段，增加定量指標。⑵發(fā)展分析理論

模糊數(shù)學～圍巖分級；

隧道位移～圍巖分級；

人工智能專家系統(tǒng)～圍巖分級等。第三章圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用熟練掌握確定圍巖二次應(yīng)力場和位移場的方法；熟悉圍巖穩(wěn)定性判據(jù)；掌握收斂和約束的概念、圍巖的支護需求曲線和補給曲線；熟悉圍巖壓力的基本概念及類型劃分；掌握圍巖松動壓力的形成及確定方法。（一）基本概念圍巖：由于人工開挖使巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，應(yīng)力狀態(tài)被改變了的巖體叫圍巖。二次應(yīng)力狀態(tài)：開挖后，無支護時，調(diào)整后的應(yīng)力狀態(tài)（原始應(yīng)力，又稱一次應(yīng)力狀態(tài)）。收斂:由于二次應(yīng)力狀態(tài)的作用，使圍巖發(fā)生向洞內(nèi)的位移。約束：若巖體的變形自由發(fā)展，將最終導致隧道圍巖整體失穩(wěn)而破壞，應(yīng)在開挖后適時地沿隧道周邊設(shè)置支護結(jié)構(gòu)，對巖體的移動產(chǎn)生阻力，形成約束。求二次應(yīng)力狀態(tài)時，要給出的基本條件：①原始應(yīng)力②本構(gòu)關(guān)系③巖體性質(zhì)參數(shù)二次應(yīng)力狀態(tài)主要特征狀態(tài)①二次應(yīng)力為彈性分布（巖體堅硬，原巖應(yīng)力小，不要支護）。②二次應(yīng)力為彈塑分布圍巖分兩部：彈性區(qū)、塑性區(qū)三次應(yīng)力狀態(tài)：圍巖和支護結(jié)構(gòu)的相互作用會一直延續(xù)到支護所提供的阻力與圍巖作用力之間達到平衡為止，從而形成一個力學上穩(wěn)定的隧道結(jié)構(gòu)體系，這就是三次應(yīng)力狀態(tài)，也是圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用的過程。地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。穩(wěn)定條件：

地下工程巖體或支護體中危險點的應(yīng)力和位移；巖體或支護材料的強度極限和位移極限。

地下工程穩(wěn)定性可分為兩類自穩(wěn)：不需要支護圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護才能保持圍巖穩(wěn)定穩(wěn)定性問題的力學本質(zhì)自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內(nèi)危險點的應(yīng)力和位移計算圍巖壓力支護中危險點的應(yīng)力或位移大于支護極限小于支護極限人工穩(wěn)定改革支護（二）洞室開挖后的應(yīng)力場特征及力學效應(yīng)了解和認識圍巖的二次應(yīng)力場和位移場是設(shè)計支護結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。不同斷面形狀下洞周應(yīng)力的變化規(guī)律:隨著水平橢圓率值的增大，即由圓形向橢圓形過渡，洞頂處拉應(yīng)力區(qū)也在擴大，水平直徑處應(yīng)力集中現(xiàn)象比較嚴重；

對于彈性巖體，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)線性關(guān)系，隨著隧道開挖，洞周的徑向應(yīng)力變?yōu)榱?，切向?yīng)力集中；對于彈塑性體，它的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是非線性關(guān)系，當洞周的切向應(yīng)力達到巖體的屈服條件時，巖體便進入塑性狀態(tài)，使洞周切向應(yīng)力大大降低，形成所謂應(yīng)力降低區(qū)，在此范圍內(nèi)巖體有了較大的變形而松動。同時，最大切向應(yīng)力的作用部位向巖體深處轉(zhuǎn)移，形成新的高應(yīng)力區(qū)，在此范圍內(nèi)切向應(yīng)力雖然增大很多，但仍未達到屈服條件，故不但沒有發(fā)生塑性變形而松動，反而在高應(yīng)力作用下被壓密了。洞室開挖的空間效應(yīng)和時間效應(yīng)所謂空間效應(yīng)就是洞室開挖中各斷面在縱向深度上的應(yīng)力狀態(tài)、變形的不同。時間效應(yīng)指的是考慮了巖體的流變性，這一點和土體的流變性是相似的。開挖方式（爆破和非爆破）和方法（全斷面或分部開挖法）隧道的開挖后圍巖的變形屬于卸荷后的回彈，若圍巖是均勻介質(zhì)，經(jīng)過回彈變形，它們的體積有所增大，但形狀仍然不變。若圍巖是非均勻介質(zhì)，因各個塊體的物理力學性質(zhì)不同，圍巖回彈變形后，不僅體積增大而且形狀也發(fā)生了變化，這種非均質(zhì)體的變形不協(xié)調(diào)，必然要引起裂隙張開，使塊體與塊體分離。無支護坑道圍巖失穩(wěn)破壞性態(tài)1）脆性破裂整體狀和塊狀結(jié)構(gòu)巖體，巖性堅硬，在一般工程開挖條件下表現(xiàn)穩(wěn)定，僅產(chǎn)生局部掉塊，但在高應(yīng)力區(qū)，洞周應(yīng)力集中可引起“巖爆”，巖石或碎片射出并發(fā)生破裂響聲，屬于脆性破裂。2）塊狀運動當塊狀或?qū)訝顜r體受明顯的少數(shù)軟弱結(jié)構(gòu)面切割而形成塊體或數(shù)量有限的塊體時，由于塊體間的聯(lián)系很弱，在自重作用下，有向臨空面運動的趨勢，逐漸形成塊體塌落、滑動、轉(zhuǎn)動、傾倒以及塊體擠出等失穩(wěn)破壞性態(tài)。塊體擠出是塊體受到周圍巖體傳來的應(yīng)力作用的結(jié)果。3）彎曲折斷破壞層狀巖體尤其是有軟弱夾層的互層巖體，由于層間結(jié)合力差，易于錯動，所以抗彎能力較低。洞頂巖體受重力作用易產(chǎn)生下沉彎曲，進而張裂，折斷形成塌落體。邊墻巖體在側(cè)向水平力作用下彎曲變形而鼓出，也將對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力，嚴重時可使支護結(jié)構(gòu)折斷而塌落。4）松動解脫碎裂結(jié)構(gòu)巖體基本上是由碎塊組合而成的，在張拉力、單軸壓力、振動力作用下容易松動，潰散（解脫）而成碎塊脫落。一般在洞頂表現(xiàn)為崩塌，在邊墻則為滑塌、坍塌。5）塑性變形和剪切破壞散體結(jié)構(gòu)巖體或碎裂結(jié)構(gòu)巖體，若其中含有較多的軟弱結(jié)構(gòu)面，開挖后，由于圍巖應(yīng)力的作用，將產(chǎn)生塑性變形和剪切破壞，往往表現(xiàn)為坍方、邊墻擠入、底鼓以及洞徑縮小等等，而且變形的時間效應(yīng)比較明顯，有些含蒙脫石或硬石膏等礦物的膨脹性巖體或結(jié)構(gòu)面，遇水后將產(chǎn)生膨脹，造成強度降低，產(chǎn)生塑性變形。通過力學計算、地質(zhì)力學分析和現(xiàn)場量測，確定地層的初始應(yīng)力場及相應(yīng)的位移場；開挖解除了洞室邊界內(nèi)部的約束，在邊界上分別施加與初始法向和剪切應(yīng)力大小相等方向相反的兩組應(yīng)力，計算在釋放應(yīng)力單獨作用下的圍巖應(yīng)力和位移；圍巖的二次應(yīng)力場是初始應(yīng)力場和開挖應(yīng)力場的疊加。地下硐室圍巖應(yīng)力分析方法塊狀結(jié)構(gòu)巖體：塊體平衡理論分析碎裂和松散結(jié)構(gòu)巖體：松散體力學分析各向同性巖體各向異性巖體完整結(jié)構(gòu)的巖體：彈塑性力學分析普氏壓力拱理論太沙基理論根據(jù)圍巖的結(jié)構(gòu)不同，可采用不同的分析方法。（三）圍巖應(yīng)力和位移的線彈性分析圍巖為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)介質(zhì)；只考慮自重的初始應(yīng)力場；隧道形狀以規(guī)則的圓形為主；問題簡化為無限平面中的孔洞問題。將巷道和圍巖視為無重量的有孔平板的平面應(yīng)變問題，平板所受到的外力即原巖應(yīng)力。巷道上部和下部的初始應(yīng)力不相等，但當巷道埋深大于其高度的20倍時，這種應(yīng)力差即可略去。于是，當p=q,即λ＝1，可視為二向等壓下有孔平板平面應(yīng)變問題，當p≠q時，即λ≠1，則視為二向不等壓的有孔平板平面應(yīng)變問題。計算結(jié)果表明，采用這種計算誤差不超過1％。研究圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的方法：1、無支護洞室圍巖的應(yīng)力狀態(tài)設(shè)原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q，作用在圍巖邊界，按彈性理論中的基爾希公式計算圍巖中任一點M（r,θ）的應(yīng)力：（1）當r→∞時，(3－1)(3－2)上式即為極坐標中的原巖應(yīng)力。（2）當r＝a時，即坑道周邊的應(yīng)力為：(3－3)或：式中：λ=q/p為側(cè)壓力系數(shù)。(3－4)(3－1)由：可見，σθ

與λ和θ密切相關(guān)。當θ＝0，π時，當θ＝3π/2，π/2時，由于巖體的抗拉強度很小，認為巖體不抗拉，因此，坑道周邊不能出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為：解得：當θ＝0，π時，當θ＝3π/2，π/2時，不同的λ下，坑道周邊切向應(yīng)力σθ

的分布：λθ=0，πθ=π/2，3π/24－p11p308p2p5p12p2p1/22.5p0.5p1/32.67p0p1/42.75p-0.25p不同的λ下，坑道周邊切向應(yīng)力σθ

的分布：不同的λ下，坑道周邊切向應(yīng)力σθ

的分布：（3）當p=q,即λ=1時，(3－1)(3－5)可見，σθ、σr與θ無關(guān)，λ=1（軸對稱）時對圓形坑道圍巖應(yīng)力分布最有利。當r=a,坑道周邊應(yīng)力為：(3－6)圓形坑道開挖應(yīng)力擾動范圍為坑道半徑的3－5倍。當r→∞時，坑道原巖應(yīng)力為：(3－7)

靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與θ角無關(guān)，僅與R0和σ0有關(guān)由于τrθ=0，則σr，σθ均為主應(yīng)力，且σθ恒為最大主應(yīng)力，σr恒為最小主應(yīng)力當r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應(yīng)力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞總結(jié)r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達到σ0值，但實際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當r=5R0時，σr和σθ與σ0接近。一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為5R0。

1、λ≠1條件下圓形坑道圍巖位移

根據(jù)彈性理論，在平面應(yīng)變條件下當r=a即可求得坑道周邊圍巖位移：式中：λ為側(cè)壓力系數(shù)；p為原巖應(yīng)力垂直分量；u,v分別為圓形坑道壁上計算點的徑向位移和切向位移。設(shè)開挖前原巖在原巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生的壓縮位移為u0和v0，開挖后圍巖在原巖應(yīng)力作用下產(chǎn)生的位移為ua和va（這部分位移對支架有影響），則有：將上式整理后得：其中：而：2、λ=1條件下圓形坑道圍巖位移(軸對稱條件）塑性圍巖重分布應(yīng)力地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當它超過圍巖屈服極限時，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應(yīng)力σr由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。（四）圍巖應(yīng)力和位移的彈塑性分析塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。1、判斷圍巖塑性狀態(tài)根據(jù)上式就可推出判斷隧道周邊的圍巖是否已進入塑性狀態(tài)的公式其中符號右側(cè)為巖體的單軸極限抗壓強度2、確定塑性區(qū)的應(yīng)力場3、圍巖塑性區(qū)范圍的確定4、確定塑性區(qū)的位移塑性位移采用彈塑性理論分析基本思路:先求出彈、塑性圈交界面上的徑向位移，然后根據(jù)塑性圈體積不變的條件求洞壁的徑向位移。彈性圈內(nèi)的應(yīng)力等于σ0引起的應(yīng)力，疊加上塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力σR1引起的附加應(yīng)力之和。由σ0引起的應(yīng)力由σR1引起的附加應(yīng)力彈性圈內(nèi)的重分布應(yīng)力開挖形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)力增量(Δσr)r＝R1和環(huán)向應(yīng)力增量(Δσθ)r＝R1為：彈、塑性圈交界面上的徑向應(yīng)變εR1彈、塑性圈交界面的徑向位移uR1塑性圈作用于彈性圈的徑向應(yīng)力塑性圈變形前后體積不變略去高階微量后，可得洞壁的徑向位移

彈塑性解的特點:1、徑向應(yīng)力在開挖邊界處由初始應(yīng)力釋放為0，隨著半徑增加而增加，并漸進在無限遠處恢復為初始應(yīng)力；2、切向應(yīng)力由于圍巖的屈服在開挖邊界處降低為圍巖的單軸極限抗壓強度R，在開挖邊界與塑性半徑之間（塑性區(qū)）隨半徑的增加而增加，在塑性半徑以外（彈性區(qū)）隨半徑增加而減小，并漸進在無限遠處恢復為初始應(yīng)力；3、徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力均在塑性半徑處與彈性區(qū)應(yīng)力保持連續(xù)。在形成塑性區(qū)后，無論加多大的支護阻力都不能使圍巖的徑向位移為0；不論支護阻力如何?。ㄉ踔敛辉O(shè)支護），圍巖的變形如何增大，圍巖總是可以通過增大塑性區(qū)范圍來取得自身的穩(wěn)定而不致坍塌。（五）圍巖與支護結(jié)構(gòu)的相互作用圍巖的特征曲線和支護結(jié)構(gòu)的支護特征曲線，分析圍巖與支護結(jié)構(gòu)如何在相互作用的過程中達到平衡狀態(tài)。初期A點處，圍巖所需的支護約束力很大，而一般支護結(jié)構(gòu)所能供給的則很小。因此，圍巖繼續(xù)變形，在變形過程中支護結(jié)構(gòu)的約束阻力進一步增長，如果支護結(jié)構(gòu)有足夠的強度和剛度，則圍巖的特征曲線和支護結(jié)構(gòu)的支護補給曲線會相交一點，而達到平衡，這個交點應(yīng)在U1之前。不同剛度的支護結(jié)構(gòu)與圍巖達成平衡時的P和U是不同的。剛度大的支護結(jié)構(gòu)承受較大的圍巖壓力，反之，柔性好的支護結(jié)構(gòu)所承受的圍巖壓力要小得多。所以在工程中強調(diào)采用柔性支護以節(jié)約成本。曲線1沒有能和圍巖的特征曲線相交，說明錨桿的剛度太小，它所能提供的支護阻力滿足不了圍巖穩(wěn)定的需要，這種供不應(yīng)求的狀況最終將導致圍巖失穩(wěn)。同樣剛度的支護結(jié)構(gòu)，架設(shè)的時間不同，最后達成平衡的狀態(tài)也是不同的，如圖中2和4。支護結(jié)構(gòu)架設(shè)的越早，它所承受的圍巖壓力就越大。但這不等于說支護結(jié)構(gòu)參與相互作用的時間越遲越好，因為初始變形不加控制會導致圍巖迅速松弛而崩塌。因此，原則上要盡早地施作初期支護，以控制圍巖的初始變形在適當?shù)姆秶鷥?nèi)。（六）圍巖壓力計算一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件：①巖體較軟弱或破碎，圍巖應(yīng)力超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形；②深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動變形。一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產(chǎn)生的對支襯結(jié)構(gòu)的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要有地下水的作用。2、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動和支護時間等因素。松動圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進行分析計算。3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進行準確計算，只能對沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生條件及其產(chǎn)生可能性進行定性的評價預測。松動圍巖壓力松動圍巖壓力是指松動塌落巖體重量所引起的作用在支護襯砌上的壓力。圍巖過度變形超過了它的抗變形能力，就會引起塌落等松動破壞，這時作用于支護襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。確定圍巖的松動壓力有：實地量測法；按某一理論公式計算確定；根據(jù)大量的實際資料，采用統(tǒng)計的方法分析確定。

計算松動圍巖壓力的方法主要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理論。二、圍巖壓力計算

統(tǒng)計法（a）局部塌方：塊狀巖體（b）拱形塌方：層狀巖體活碎塊狀巖體（c）拱形塌方：包括側(cè)壁崩塌在內(nèi)的擴大的拱形崩塌統(tǒng)計法松動圍巖壓力的特點：壓力的分布是不均勻的，塊狀巖體中更明顯；坑道的塌方高度與開挖高度和跨度有關(guān)，但兩者的影響并非等價；圍巖的松弛范圍與施工技術(shù)有關(guān)。統(tǒng)計法當為單線鐵路隧道時

當為雙線鐵路隧道時

公式的適用條件為：，H為坑道的高度；深埋隧道；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般圍巖；采用礦山法施工。當B<5，取平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認為：洞室開挖以后，如不及時支護，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個拱形，稱塌落拱。這個拱形最初不穩(wěn)定，如果側(cè)壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時增大。當洞的埋深較大時，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱。作用于支護襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關(guān)。在松散體中形成壓力拱的條件:坑道埋深Z≥(2～2.5)b,b為壓力拱高度。普氏理論假設(shè)條件（1）將巖體視為具有一定粘結(jié)力的松散體。式中：φk

為巖體似內(nèi)摩擦角。（2）洞頂巖體能夠形成壓力拱。（3）作用在支架上的頂壓僅為拱內(nèi)巖體重量，與拱外巖體和坑道埋深無關(guān)。式中σc

為巖石單軸抗壓強度，Mpa.也可按上式計算巖體似內(nèi)摩擦角φk

：（4）采用堅固性系數(shù)f（普氏系數(shù)

）來表征巖體的強度自然平衡拱的力學模型及相應(yīng)的計算方法模型1：假定坑道兩幫巖體穩(wěn)定（f>2），而坑道頂部巖體不穩(wěn)定，會發(fā)生冒落而形成自然平衡拱。模型2：假定坑道兩幫巖體也不穩(wěn)定（f<2），發(fā)生剪切破壞，導致平衡拱的跨度擴大。（1）模型1及相應(yīng)的計算方法

A、平衡拱形狀平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：B、平衡拱跨度

平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b:E、單位長度平衡拱內(nèi)巖體重量W：F、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv:D、平衡拱面積：（2）模型2及相應(yīng)的計算方法當f<2時，坑道兩幫巖體會發(fā)生剪切破壞，導致平衡拱的跨度擴大。A、平衡拱形狀平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：B、平衡拱跨度兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，其破裂面與水平面的夾角為450＋φ/2，此時平衡拱跨度將增大至2a1。C、平衡拱高度b’:D、單位長度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv:支架受到的頂壓近似等于DCC’D’部分巖體的重量，即可按滑動土體上有均布荷載q=γb’

作用的擋土墻上主動土壓力公式計算，即式中φk為巖體換算內(nèi)摩擦角，φk＝arctgf。E、支架受到的總的側(cè)壓力Qh:實際上，自然平衡拱有各種形狀，在巖層傾斜的情況下，還會產(chǎn)生歪斜的平衡拱，如圖所示。普氏平衡拱理論適用于深埋洞室?？梢姡核擅搲毫κ怯幸欢ㄏ薅鹊?，不是無限增大；采用傳統(tǒng)支護方法時，要盡量使支護與圍巖緊密接觸，使支護更好地發(fā)揮作用，有效控制圍巖破壞。太沙基理論計算圍巖壓力對于軟弱破碎巖體或土體，可以采用太沙基理論計算圍巖壓力。1、太沙基理論的基本假設(shè)（1）仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強度服從莫爾－庫倫強度理論，即（2）假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉，引起應(yīng)力傳遞而作用在支架上，形成坑道壓力。2、太沙基圍巖壓力公式一般分坑道兩幫巖體穩(wěn)定或不穩(wěn)定兩種情況考慮。1、坑道兩幫巖體穩(wěn)定坑道兩幫巖體穩(wěn)定，下沉僅限于頂板上部巖體，如圖，AD和BC為滑動面，并延伸至地表。

兩側(cè)巖體的剪力dF:式中：σh，σv為在深度Z處的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，λ為側(cè)壓力系數(shù)，λ＝σh/σv若地表作用有均布荷載p，則薄層dz在垂直方向的平衡方程為：整理得：于是得：根據(jù)地表邊界條件求A:當z=0時，σv＝

p，代入上式得：則垂直應(yīng)力的計算公式為：解微分方程得：則垂直應(yīng)力的計算公式：當z=H時，σv就是作用在坑道頂壓qv。若H→∞，c＝0,

p=0時，坑道頂壓：單位長度坑道上的頂壓為：2、坑道兩幫巖體不穩(wěn)定坑道兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，形成直達地表的破裂面OC和O’C’并引起巖柱體ABB’A’下沉，產(chǎn)生垂直破裂面AB和A’

B’。A、坑道頂部下沉的跨度為：B、坑道頂壓坑道頂壓計算方法同上，只需將以上各式中的a以a1代替即可。若H→∞，c＝0,

p=0時，坑道頂壓：

C、單位長度坑道上的頂壓為：D、支架受到的總的側(cè)壓力Qh:

可按滑動土體上有均布荷載q作用的擋土墻上主動土壓力公式計算，即例題

某矩形巷道，寬度為

4m,高度為3m，布置在泥質(zhì)頁巖中，巖石的換算內(nèi)摩擦角φk＝710，,巖石重度γ＝20kN/m3，按普氏地壓理論試求：（1）拱的跨度和高度；（2）自然平衡拱的方程式；（3）支架所受的頂壓等于多少？

解：2a=4m,f=tg710=2.9,γ＝20kN/m3(1)壓力拱跨度2a=4(m)

壓力拱高度b=a/f=2/2.9=0.69(m)(2)壓力拱方程式：y＝x2b/a2=0.172x2

(3)總頂壓力淺埋隧道一般出現(xiàn)在山嶺隧道的洞口附近，埋置深度較淺，深埋和淺埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定，按荷載等效高度的判定式為：荷