圍巖壓力的確定

關(guān)于圍巖壓力的確定第一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日Contents概述1圍巖壓力的確定2第二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日圍巖壓力的確定§1.概述第三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)：自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力地下水壓力溫度應(yīng)力原巖毛洞穩(wěn)定洞室開(kāi)挖支護(hù)第四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述2.圍巖壓力引起地下開(kāi)挖空間周圍的巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力。圍巖壓力地層對(duì)洞室的作用力廣義：包括有、無(wú)支護(hù)時(shí)的壓力狹義：僅指對(duì)支護(hù)的壓力第五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述3.圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑴松散壓力⑵形變壓力⑶膨脹壓力⑷沖擊壓力第六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述3.圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑴松散壓力常通過(guò)下列三種情況發(fā)生：①在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)掉塊的巖石；②在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落；③在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。第七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述3.圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑵形變壓力是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)如錨噴支護(hù)等的抑制，而使圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同變形過(guò)程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。形變壓力除與圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，還與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。⑶膨脹壓力：

是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。

第八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述3.圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為：⑷沖擊壓力：

是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開(kāi)挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問(wèn)題，所以它與彈性模量直接相關(guān)。彈性模量較大的巖體，在高地應(yīng)力作用下，易于積累大量的彈性變形能，一旦遇到適宜條件，就會(huì)突然猛烈的大量釋放。第九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述4.影響圍巖壓力的因素：（一）地質(zhì)因素1.巖體初始應(yīng)力狀態(tài)2.巖石力學(xué)性質(zhì)3.巖體結(jié)構(gòu)面4.地下水等（二）工程因素1.施工方法2.支護(hù)設(shè)置時(shí)間3.支護(hù)本身剛度4.隧道斷面形狀等第十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述5.圍巖松散壓力的產(chǎn)生

開(kāi)挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞的范圍有大有小，對(duì)于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的“成拱作用”來(lái)解釋。通過(guò)一個(gè)在水平成層的圍巖中開(kāi)挖隧道的例子，來(lái)說(shuō)明隧道開(kāi)挖后圍巖又變形到坍塌成拱的整個(gè)變化過(guò)程。第十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述自然拱第十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述5.圍巖松散壓力的產(chǎn)生⑴隧道開(kāi)挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過(guò)程中，頂板開(kāi)始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段；⑵頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開(kāi)，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?dòng)，可視為松動(dòng)階段；⑶頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段；⑷頂板塌落停止，達(dá)到新的平衡，此時(shí)其界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。第十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述(a)變形階段(b)松動(dòng)階段(c)塌落階段(d)成拱階段第十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述6.自然拱的范圍的大小除受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間、剛度以及它與圍巖的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素：⑴隧道的形狀和尺寸（拱的范圍）：隧道拱圈越平坦，跨度越大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大；⑵隧道的埋深（成拱的必要條件）：實(shí)踐證明，只有當(dāng)隧道埋深超過(guò)某一臨界值時(shí)，才有可能形成自然拱。習(xí)慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。由于淺埋隧道不能形成自然拱，所以，它的圍巖壓力的大小與埋置深度直接相關(guān)。⑶施工因素（對(duì)圍巖的擾動(dòng)程度）：如爆破所產(chǎn)生的震動(dòng)，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過(guò)大，又如分部開(kāi)挖多次擾動(dòng)圍巖，也會(huì)引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。第十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述第十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述第十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§1概述地層負(fù)溫度第十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日圍巖壓力的確定§2.圍巖壓力的確定第十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定1.圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：●直接量測(cè)法●經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法●理論估算法第二十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定1.圍巖壓力的確定圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：●直接量測(cè)法：是一種切合實(shí)際的方法，對(duì)隧道工程而言，也是研究發(fā)展的方向；但由于受量測(cè)設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍常用。●經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法：是根據(jù)大量以前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖分級(jí)提出圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法?！窭碚摴浪惴ǎ菏窃趯?shí)踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素多，企圖建立一種完善的和適合各種實(shí)際情況的通用圍巖壓力理論及計(jì)算方法是困難的。第二十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定2.深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)（1）深埋、淺埋的判別

隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計(jì)算方法不同，應(yīng)以隧道頂部覆蓋層能否形成“自然拱”為原則。HP=（2~2.5）hq(式1）HP——深淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度（m），按式2計(jì)算hq=q/γ(式2)q——用公式①計(jì)算出的深埋隧道垂直壓力（kN/m2）；γ——圍巖容重（kN/m3）；在礦山法施工的條件下，IV～VI級(jí)圍巖取HP=2.5hq；I～I(xiàn)II級(jí)圍巖取HP=2.0hq。第二十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定2.深埋隧道圍巖壓力的確定(工程類比法)（1）深埋、淺埋的判別深埋隧道圍巖松散壓力值是以施工坍方平均高度(等效荷載高度值)為根據(jù)，為了形成此高度值，隧道上覆巖體就有一定的厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)深度通常為2～2.5倍的坍方平均高度值。第二十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定3.圍巖壓力計(jì)算方法（一）統(tǒng)計(jì)法—我國(guó)《隧規(guī)》所推薦的方法：式中：γ—圍巖容重；

hq—坍落拱高度；

s—圍巖級(jí)別；

w—寬度影響系數(shù)，由w=1+i（B-5）計(jì)算：

B—坑道寬度，當(dāng)B＜5m時(shí)，取i=0.2，當(dāng)B＞5m時(shí)，取i=0.1。公式①第二十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定圍巖級(jí)別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布?jí)毫?＜0.15q(0.15～0.3)q(0.3～0.5)q(0.5～1.0)q表1圍巖水平均布?jí)毫鷰r水平均布?jí)毫σ?jiàn)表1第二十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定公式適用條件：●適用條件①H/B<1.7，式中H為隧道高度；②隧道開(kāi)挖跨度小于15m。；③不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道；④采用鉆爆法施工的隧道。第二十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定據(jù)統(tǒng)計(jì)，圍巖垂直松動(dòng)壓力的分布可概括為4種，如圖：圍巖豎向松動(dòng)壓力的分布圖形經(jīng)驗(yàn)公式僅針對(duì)圖中第一種情況。第二十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第二十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定（二）普式理論散粒體理論：巖體被節(jié)理、裂隙所切割，視為散粒體。普氏系數(shù)f(巖體堅(jiān)固性系數(shù)):巖體堅(jiān)固性系數(shù)f的概念：f—是一個(gè)以巖體強(qiáng)度為主的指標(biāo)，兼顧抗鉆性、抗爆性、地下水等性質(zhì)。第二十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定（二）普式理論前述自然拱概念最早由普氏提出：

自然拱的兩種形態(tài)第三十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定①堅(jiān)硬巖體:②松散破碎巖體：式中bt為隧道凈跨度的一半；Ht為隧道凈高度。一般來(lái)說(shuō)，普氏理論比較適用于松散、破碎的圍巖中。第三十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定（三）泰沙基理論理論：散粒體理論。◆假定：破裂面為折線—OAB◆方法：研究微分條帶dh的平衡。第三十二頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定◆步驟：1.ΣV=0，建立微分方程2.邊界條件：3.解微分方程，得：4.討論：⑴當(dāng)埋深h達(dá)到一定程度時(shí)，σv

為恒值：⑵取側(cè)壓力系數(shù)k=1，則有：第三十三頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定4.淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法1）當(dāng)埋深（H）小于或等于等效荷載高度hq

時(shí)（1）垂直壓力q=γH式中：q——垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；

γ——隧道上覆圍巖容重（kN/m3）；H——隧道埋深，即隧道拱部至地面的垂直距離（m）。第三十四頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定4.淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法（2）側(cè)向壓力第三十五頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定4.淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的確定方法2）當(dāng)埋深（H）大于hq

而小于Hp時(shí)；采用松散介質(zhì)極限平衡理論進(jìn)行分析，即：圍巖松動(dòng)壓力=滑動(dòng)巖體重量－滑面上的阻力。淺埋隧道荷載分布示意圖第三十六頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第三十七頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第三十八頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定5.圍巖壓力的現(xiàn)場(chǎng)確定實(shí)測(cè)圍巖壓力的方法很多，可歸納為兩類：◆直接量測(cè)◆間接量測(cè)●直接量測(cè)：主要采用壓力盒、壓力傳感器等，壓力盒按工作原理分為機(jī)械作用式、電測(cè)式和液壓式等，目前使用較多的是鋼弦式壓力盒。第三十九頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第四十頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第四十一頁(yè)，共四十七頁(yè)，編輯于2023年，星期日§2.圍巖壓力的確定第四十二頁(yè)，共四十七