高速鐵路隧道工程地質(zhì)環(huán)境-圍巖壓力與成拱作用

任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用工作任務(wù)：（1）能夠?qū)鷰r壓力進(jìn)行分類；（2）能夠根據(jù)圍巖壓力的類型在施工中采取有利于圍巖穩(wěn)定的措施。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用1.圍巖壓力圍巖壓力的定義：引起地下開(kāi)挖空間周?chē)膸r體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是指隧道開(kāi)挖后，因圍巖變形或松弛等原因，作用于支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力。

任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用2.圍巖壓力的分類按作用力發(fā)生的形態(tài)一般可分為：（1）松散壓力由于隧道開(kāi)挖、支護(hù)的下沉以及襯砌背后的空隙等原因，使隧道上方的圍巖松動(dòng)，以一定高度的圍巖重量作用于支護(hù)或襯砌結(jié)構(gòu)上的壓力稱為松散壓力。松散壓力按作用在支護(hù)上力的位置不同分為：豎向壓力、側(cè)向壓力和底壓力。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用南京地鐵支撐任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用南京地鐵臨時(shí)支撐任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（2）形變壓力形變壓力是由于隧道開(kāi)挖后，圍巖周邊發(fā)生變形，作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。所以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)。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用五道嶺隧道內(nèi)襯砌任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（3）膨脹壓力當(dāng)巖體具有吸水膨脹崩解的特征時(shí)，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。（4）沖擊壓力（通常是由“巖爆”引起的）。沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，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。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用3.坑道開(kāi)挖前后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（1）坑道開(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)（初始應(yīng)力狀態(tài)）坑道開(kāi)挖前，地層是處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。因?yàn)榈貙又腥魏我惶幍耐潦际艿缴?、下、左、右、前、后土石的擠壓，保持著相對(duì)的平衡，稱為原始應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運(yùn)動(dòng)的殘余應(yīng)力以及地下水活動(dòng)等因素所決定的。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應(yīng)力，并取深度H上的一個(gè)單元體來(lái)作應(yīng)力分析，如圖2.4.1所示。該單元體受到三對(duì)大小相等、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運(yùn)動(dòng)的相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

式中：—地層的容重；

H—從地面到單元體所處的深度。由于單元體的側(cè)向變形受到周?chē)匦蔚南拗疲惝a(chǎn)生了側(cè)向壓力，其中由上覆地層自重和地層的物理力學(xué)性質(zhì)所決定：

式中：

—側(cè)壓力系數(shù)。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用根據(jù)巖體為半無(wú)限體，側(cè)向應(yīng)變()為零的條件，并把地層看成各向同性的彈性體，可推導(dǎo)：式中：—泊松比，視地層性質(zhì)不同值在0.14~0.5之間變化。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（2）坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）圍巖應(yīng)力重分布：坑道開(kāi)挖之后，由于其周邊巖體的卸荷作用破壞了原有的平衡狀態(tài)，使圍巖的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化，同時(shí)產(chǎn)生了位移，促使應(yīng)力重新調(diào)整以達(dá)到新的平衡?？拥篱_(kāi)挖前圍巖應(yīng)力狀態(tài)坑道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力狀態(tài)任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用4.圍巖的成拱作用在假定圍巖壓力與地層深度無(wú)關(guān)的前提下，認(rèn)為開(kāi)挖隧道后，隧道上方圍巖形成能維持巖土穩(wěn)定的自承拱，如圖2.4.2所示。人們常稱之為“天然拱”或“平衡拱”。它上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個(gè)承載環(huán)一樣，并將荷載重力向兩側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。

任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用5.影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素很多，一類是工程地質(zhì)因素，主要包括原始應(yīng)力狀態(tài)、巖石的力學(xué)性質(zhì)、巖體的結(jié)構(gòu)面等；另一類是工程結(jié)構(gòu)因素，包括施工方法、支護(hù)設(shè)置時(shí)間、支護(hù)本身的剛度、坑道形狀和尺寸、埋置深度等。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（1）時(shí)間因素。不論何種圍巖，在坑道開(kāi)挖后的暴露時(shí)間均是越短越好。（2）坑道的尺寸與形狀因素。圍巖壓力是隨著坑道的尺寸增大而增大的，當(dāng)坑道有引起應(yīng)力集中的形狀，即有明顯的拐角時(shí)，圍巖壓力相對(duì)較大。（3）坑道的埋深因素。當(dāng)坑道的埋置深度在一定范圍內(nèi)時(shí)，圍巖壓力是隨著埋深的增大而增大時(shí)；當(dāng)坑道埋深超過(guò)此范圍時(shí)，則圍巖壓力的大小基本不受埋深變化的影響。任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（4）支護(hù)因素。有支護(hù)的坑道圍巖壓力要比無(wú)支護(hù)的坑道??；支護(hù)及時(shí)要比支護(hù)晚的圍巖壓力??；支護(hù)與坑道周邊密貼的越好則圍巖壓力越??；支護(hù)的剛度較小即柔性支護(hù)時(shí)，坑道的圍巖壓力相對(duì)較小。（5）爆破因素，采用爆破法開(kāi)挖對(duì)圍巖的穩(wěn)定極為不利，尤其是對(duì)地質(zhì)條件較差的圍巖，爆破的擾動(dòng)很大、能造成圍巖壓力過(guò)大、巖體松動(dòng)甚至坍方。因此在隧道施工中應(yīng)嚴(yán)格控制爆破用藥量，提倡采用光面爆破、預(yù)裂爆破等先進(jìn)的爆破技術(shù)。

任務(wù)2.4了解圍巖壓力及成拱作用（6）超挖回填因素。襯砌背后的超挖部