圍巖壓力例題

圍巖壓力例題4、1圍巖壓力理論概述目前,人們對圍巖壓力得概念有著不同得理解。通常人們認(rèn)為,圍巖壓力就是指由于地下空間得開挖而引起圍巖得變形和破壞而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上得荷載。而有得人則認(rèn)為,圍巖壓力就是圍巖中客觀存在得應(yīng)力狀態(tài),無論就是否施作支護(hù)襯砌圍巖壓力都存在。在無支護(hù)情況下,圍巖壓力就是由圍巖本身在承擔(dān),當(dāng)圍巖本身不能承受這個壓力時,就表現(xiàn)為圍巖得過量變形甚至坍塌破壞。所以,人們對圍巖壓力得認(rèn)識就是從開挖地下空間后圍巖得變形和坍塌得現(xiàn)象開始得。在施作支護(hù)襯砌后,人們又從支護(hù)結(jié)構(gòu)得變形、開裂等現(xiàn)象中進(jìn)一步認(rèn)識到圍巖壓力得存在。在堅硬穩(wěn)定得巖體中開挖洞室時,一般就是不需要支護(hù)得,可就是爆破時會發(fā)生圍巖松動及暴露后受到風(fēng)化,故仍需要修筑支護(hù)結(jié)構(gòu);在破碎巖體或松散地層中開挖洞室時,圍巖由于受到擾動自身不能維持穩(wěn)定而產(chǎn)生變形、松動、下沉或坍塌等現(xiàn)象。所有這些現(xiàn)象統(tǒng)稱為圍巖壓力現(xiàn)象。為了防止圍巖得塌落破壞,保證隧道得設(shè)計建筑限界和凈空,就需要架設(shè)臨時支護(hù)或修筑永久性支護(hù)結(jié)構(gòu)。這種支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)承受得壓力,就就是圍巖壓力,她就是作用于隧道支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)上得主要荷載。巖石地下工程得支護(hù)可能有兩種極端情況:一種情況就是,當(dāng)圍巖中得應(yīng)力達(dá)到峰值前,支護(hù)已經(jīng)到位,圍巖得進(jìn)一步變形(包括其剪脹或擴(kuò)容)破碎受到支護(hù)得阻擋,構(gòu)成圍巖與支護(hù)共同體,形成相互間得共同作用。如果支護(hù)有足夠得剛度和強(qiáng)度,則共同體就是穩(wěn)定得,并且圍巖與支護(hù)在雙方力學(xué)特性得共同作用下形成巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)各自得應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。這種情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)上得圍巖壓力可以看成就是“形變壓力”。另一種極端情況就是,當(dāng)圍巖中得應(yīng)力達(dá)到峰值前,支護(hù)未及架設(shè),甚至在圍巖破裂充分發(fā)展,支護(hù)仍未起作用,從而導(dǎo)致在隧道或洞室得頂板或側(cè)壁形成塌落或沿破裂面得滑落。這時支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受塌落或滑落巖體傳遞來得壓力。這種情況下支護(hù)結(jié)構(gòu)上得圍巖壓力可以看成就是“松動壓力”。處在這兩種極端情況之間得就是,圍巖應(yīng)力達(dá)到峰值以后,巖體變形得發(fā)展在未完全破裂前,支護(hù)開始起作用,這時也可進(jìn)入圍巖—支護(hù)共同作用狀態(tài)。這時,支護(hù)結(jié)構(gòu)上得圍巖壓力仍可看成就是“形變壓力”。由于支護(hù)受到得只就是剩余部分得變形作用,因此支護(hù)結(jié)構(gòu)上所受得壓力要比第一種極端情況小,這對支護(hù)結(jié)構(gòu)得穩(wěn)定有利。變形作用得剩余部分越小,作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上得壓力就越小。但就是,并非支護(hù)時間越晚越好,因為支護(hù)作用過晚可能會使圍巖進(jìn)入第二種極端情況,即圍巖完全喪失自穩(wěn)能力而進(jìn)入塌落破壞階段,從而失去支護(hù)與圍巖共同作用得意義。圍巖壓力問題歷來就是地下工程中、尤其就是設(shè)計支護(hù)襯砌時最為關(guān)心得問題,因為她同邊坡得穩(wěn)定坡角、地基得承載力、壩基得摩擦系數(shù)一樣,直接影響到工程得造價和安全。正因為這一問題就是隧道設(shè)計得主要依據(jù),而且影響因素也很復(fù)雜,所以出現(xiàn)了許多有關(guān)圍巖壓力得理論和分析計算方法。由于有關(guān)圍巖壓力得理論太多,不能一一介紹和分析,僅對幾種對圍巖壓力得認(rèn)識觀點(diǎn)作一些討論。一、古典山巖壓力理論這種理論認(rèn)為,地下洞室洞頂?shù)脡毫褪巧细矌r土體得重力,所以又稱為自重力理論。具有代表性得就是海姆、朗肯及金尼克三種觀點(diǎn),她們對洞頂垂直壓力得認(rèn)識就是一致得,即垂直壓力就等于洞頂巖土體得自重力。但就是對于洞側(cè)壁得水平壓力則說法不一,海姆認(rèn)為側(cè)向得水平壓力與垂直壓力相等,即靜水壓力假說;而朗肯從土力學(xué)得觀點(diǎn)認(rèn)為,側(cè)向壓力應(yīng)就是上覆巖土體自重力乘以系數(shù),其中為巖土得內(nèi)摩擦角;金尼克則從彈性力學(xué)出發(fā),取自重力乘以側(cè)壓力系數(shù)()來確定側(cè)向水平壓力,其中μ為泊松比。多年得理論研究和實踐證明,這些理論在絕大多數(shù)情況下就是不適用得,而只能反應(yīng)巖體中由于自重力而形成得初始應(yīng)力,不能作為圍巖壓力來理解和應(yīng)用。二、塌落體理論

這一理論就是把洞室圍巖作為松散介質(zhì)來考慮得,認(rèn)為洞室開挖后洞頂形成塌落體,其重力就就是圍巖壓力。這一類理論具有代表性得就是:①太沙基理論,②畢爾包麥爾理論和③普氏理論。太沙基根據(jù)洞頂水平土條塊下沉與側(cè)面摩阻力得平衡關(guān)系,求得洞頂矩形塌落體得塌落高度為,其中a就是洞室跨度之半,為巖土得內(nèi)摩擦角,N為側(cè)向壓力系數(shù),對于砂土為1、0。畢爾包麥爾認(rèn)為洞頂塌落體為三角形斷面,最大塌落高度為。而普氏理論則認(rèn)為洞頂?shù)盟潴w邊界為拱形,最大拱高為,fn為似摩擦系數(shù),或稱普氏系數(shù)。以最大塌落高度得公式來看,這三種理論大同小異,太氏、畢氏在計算中直接用值,這就是明確得力學(xué)指標(biāo),但認(rèn)為洞頂塌落體就是矩形或三角形在松散介質(zhì)中就是不符合實際得。普氏理論在國際上有較大影響,在我國50年代到60年代曾被廣泛應(yīng)用,但她在理論上和實踐中存在一些比較嚴(yán)重得問題,已在第二章2、1中論述。三、彈塑性平衡理論這一理論最早就是芬納在20世紀(jì)30年代末提出得,后來由卡斯特那爾、卡考特、塔洛勃等人相繼應(yīng)用和改進(jìn)修正,目前成為拉勃塞維茨等人所倡導(dǎo)得“新奧法”得理論基礎(chǔ)。這種理論設(shè)想在洞室周圍由于重分布應(yīng)力超過巖石得強(qiáng)度(屈服極限),形成塑性區(qū),而在塑性區(qū)以外巖體仍處于彈性狀態(tài),塑性區(qū)圍巖向洞內(nèi)發(fā)生徑向位移而作用于支護(hù)襯砌上得壓力即形成圍巖壓力,這種圍巖壓力與支護(hù)反力達(dá)到平衡狀態(tài)時,塑性區(qū)不再擴(kuò)展。由于這種壓力就是由圍巖位移變形引起得,故稱之為“形變壓力”,計算公式如下:

(4-1)式中:σ0為巖體中天然應(yīng)力,φ為巖石得內(nèi)摩擦角,C為巖石得內(nèi)聚力,R0為圓形洞室半徑,R1為塑性區(qū)(圓形)半徑,UR0為洞壁得徑向位移,G就是巖石得剪切模量。這一理論表達(dá)了這樣一種思想,即形變壓力Pa就是圍巖塑性圈半徑R1或洞壁位移UR0得函數(shù),二者呈反比關(guān)系。開挖空間在設(shè)置支護(hù)前得收斂位移越大,支護(hù)結(jié)構(gòu)所需要約束得圍巖剩余變形就越小,即支護(hù)所承受得圍巖形變壓力越小,這說明圍巖在塑性變形過程中釋放了大量變形能,從而使作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上得形變壓力減小。圍巖在發(fā)生一定變形而未達(dá)到破壞之前具有自撐能力,即圍巖在由變形調(diào)整自身應(yīng)力過程中具有一定得自穩(wěn)性能。拉勃塞維茨等人正就是從芬納等人得理論中認(rèn)識到了圍巖具有得這種自撐能力或自穩(wěn)性能,倡導(dǎo)了隧道施工“新奧法”,通過利用圍巖得自撐能力,對圍巖采取合理得支護(hù)設(shè)計和施工方法。四、與時間有關(guān)得變形控制理論這方面理論考慮了由于洞室開挖過程中圍巖變形和她得流變特性得作用具有與時間相關(guān)得特點(diǎn),即圍巖得變形隨著時間得延續(xù)而不斷發(fā)展,因此,圍巖變形作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生得圍巖壓力其大小與支護(hù)得時間、洞室應(yīng)力狀態(tài)以及巖石得流變參數(shù)有關(guān)。以簡單得粘彈性流變體(修正凱爾文模型)為例,在開挖圓形洞室后t0時間進(jìn)行支護(hù)襯砌,其剛度為ks,襯砌上所受得隨時間變化得圍巖壓力為:(4-2)式中:G0為彈性元件得剪切模量,,η為粘性元件得粘滯系數(shù),G1為粘彈性元件得剪切模量,σ0為圍巖中初始應(yīng)力,G∞為長期剪切模量()。4、2圍巖壓力得影響因素圍巖壓力問題就是與圍巖得穩(wěn)定性問題相關(guān)聯(lián)得,穩(wěn)定性越好得圍巖所產(chǎn)生得圍巖壓力就越小。因此,影響圍巖穩(wěn)定性得因素也就就是影響圍巖壓力得因素。前面已闡述影響因素得兩個方面,一方面就是地質(zhì)因素,主要包括原始應(yīng)力狀態(tài)、巖石得力學(xué)性質(zhì)、巖體得結(jié)構(gòu)特征等;另一方面就是工程因素,包括施工方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)得剛度及支護(hù)施作得時間、洞室形狀和尺寸、埋置深度等。前面提到得影響因素這里不必重復(fù),只就是強(qiáng)調(diào)支護(hù)施作得時間對圍巖壓力得影響。不論何種圍巖,在隧道開挖后得暴露時間均就是越短越好。“新奧法”得原則中指出,隧道開挖后應(yīng)盡快施作初期支護(hù)(噴錨支護(hù)),及時封閉圍巖,防止圍巖得松動、風(fēng)化,也防止圍巖強(qiáng)度得喪失。然后通過監(jiān)控量測掌握圍巖得收斂變形動態(tài)規(guī)律,當(dāng)圍巖得變形基本穩(wěn)定后再施作永久性襯砌。應(yīng)該指出,這一原則就是建立在圍巖具有良好得自穩(wěn)性能得基礎(chǔ)上得,如果圍巖不具有良好得自穩(wěn)性能,將會由變形而出現(xiàn)塑性破壞,這種情況下不能僅依靠初期支護(hù)來維持圍巖得穩(wěn)定,而必須及時施作永久性襯砌,給圍巖提供所需得支護(hù)力,有效地阻止圍巖變形得發(fā)展,防止圍巖得松動坍塌而形成得松動壓力對支護(hù)得作用。因此,支護(hù)得就是否及時就成為了圍巖壓力性質(zhì)及大小得一個關(guān)鍵性得重要因素。4、3圍巖壓力得確定地下工程所處得地質(zhì)環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜,地應(yīng)力和對地下結(jié)構(gòu)作用得傳遞情況也很復(fù)雜。因此,圍巖壓力得計算和確定仍就是一個沒有完全解決得問題。目前圍巖壓力得確定方法一般有:現(xiàn)場量測法、理論計算法、統(tǒng)計法等。量測法就是運(yùn)用儀器實地量測圍巖壓力得大小,應(yīng)該說就是最具有說服力。但因量測技術(shù)手段方面得因素影響,量測得結(jié)果往往不能充分反映真實情況。理論計算就是在對洞室圍巖及地質(zhì)環(huán)境作一些簡化假設(shè)得條件下運(yùn)用一些成熟得計算理論對圍巖壓力進(jìn)行計算,但由于圍巖得地質(zhì)條件復(fù)雜多變,計算時所用得各種參數(shù)難免與實際不符,因此現(xiàn)階段理論計算方法往往還需要配合其她方法進(jìn)行驗證和校核。通過對實際工程得圍巖壓力值得統(tǒng)計分析而形成得經(jīng)驗計算方法,因具有簡單、可靠等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。目前,在實際工程中往往采用上述幾種方法互相驗證。大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點(diǎn)4、3、1松動圍巖壓力得確定一、深埋隧道松動圍巖壓力得確定方法所謂深埋隧道就是指開挖得力學(xué)作用范圍沒有波及到地表,頂板圍巖能夠形成平衡拱。由于圍巖得“成拱作用”,其松動壓力僅就是隧道周邊某一破壞范圍(平衡拱)內(nèi)地層得自重力,而與隧道得埋深無關(guān)。這種情況下,可以把圍巖壓力得計算歸結(jié)為確定平衡拱得形狀和范圍。我國鐵路部門根據(jù)以往鐵路隧道得坍方資料統(tǒng)計,分析歸納出圍巖松動范圍得大小,并建立了松動圍巖壓力得經(jīng)驗估算公式。由于所統(tǒng)計得坍方資料有限,加上坍方資料得背景不同或統(tǒng)計分析得前提假設(shè)不同,所得得經(jīng)驗公式也不同,所以這種經(jīng)驗公式只能在一定程度上反應(yīng)圍巖松動壓力得形成及變化規(guī)律。我國《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》(TB10003—2005)經(jīng)過對1000多個坍方數(shù)據(jù)庫得統(tǒng)計與回歸,給出了鐵路雙線隧道圍巖垂直均布松動壓力Pv得計算公式為(4-3)與之相應(yīng)得側(cè)向水平壓力(Ph)得計算公式為(4-4)或參照表4-1確定。式中:Pv——圍巖垂直勻布壓力,KN/m2;γ——圍巖重度(容重),KN/m3;ha——圍巖壓力計算高度,m;S——圍巖級別,如Ⅱ級圍巖即S=2。B——隧道得跨度;i——B每增減1m時圍巖壓力得增減率,當(dāng)B＜5m時,取i=0、2,B≥5m時,可取i=0、1。η——視圍巖級別不同而按經(jīng)驗取值得側(cè)向壓力系數(shù),0≤η≤1、0。公式(4-3)、(4-4)和表4-1適用條件為:①H/B＜1、7(H為隧道得高度);②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹性壓力得一般圍巖;③采用鉆爆法施工得隧道;④深埋隧道。表4-1鐵路單線隧道按概率極限狀態(tài)設(shè)計時得垂直壓力計算公式為(4-5)實際上,作用在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上得松動圍巖壓力往往不就是均勻得,因為圍巖得變形和破壞一般就是受巖體結(jié)構(gòu)得控制,局部坍方往往就是主要得。因此,除了確定圍巖松動壓力得數(shù)值外,還應(yīng)結(jié)合巖體結(jié)構(gòu)特征得分析,考慮圍巖壓力得分布狀態(tài)。圍巖級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平勻布壓力00、15Pv(0、15-0、30)Pv(0、30-0、50)Pv(0、50-1、00)Pv我國《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70—2004)中對深埋隧道松動圍巖壓力得確定方法就是:考慮不同地質(zhì)條件特征得圍巖,其穩(wěn)定性不一樣,因此作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上得圍巖壓力得性質(zhì)有所不同,其圍巖壓力得計算方法亦不同。Ⅳ-Ⅵ級圍巖中深埋隧道得圍巖壓力可視為松動荷載,其垂直均布壓力及側(cè)向水平壓力可分別按公式(4-3)和(4-4)計算確定。對于Ⅰ-Ⅳ級圍巖中得深埋隧道,作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上得圍巖壓力主要就是形變壓力,其數(shù)值應(yīng)按開挖釋放荷載進(jìn)行計算。在《規(guī)范》得附錄D中給出了釋放荷載得有限元計算方法。這里不做贅述。

二、淺埋隧道圍巖壓力得確定方法對于淺埋隧道,由于形不成天然拱而不能用深埋隧道圍巖壓力得確定方法,而需通過研究淺埋隧道巖體得平衡條件,找出新得方法。(一)深埋、淺埋隧道得劃分原則一般情況下就是以隧道上覆巖層就是否能形成天然拱作為深埋和淺埋隧道得分界原則,但具體值較難確定,目前在我國鐵路隧道和公路隧道設(shè)計中就是以實際統(tǒng)計資料,按荷載等效高度來確定得,其判定公式為:(4-6)式中:Zn——深埋與淺埋隧道得分界深度,m;ha——荷載等效高度,m,按隧道實際坍方體統(tǒng)計平均高度計算:(4-7)式中符號意義同前。當(dāng)埋深Z＞Zn時為深埋隧道;當(dāng)Z＜Zn時為淺埋隧道。一般在松軟得巖土體中取上限值,在較堅硬完整得巖體中取下限值,其她情況視具體情況而定。當(dāng)?shù)孛嫠交蚪咏綍r,也可按表4-2所列得數(shù)值劃分深埋、淺埋隧道。表4-2圍巖級別Ⅰ、Ⅱ、ⅢⅣⅤⅥ隧道覆蓋深度(m)5-610-1218-2535-50(二)淺埋隧道圍巖壓力確定方法淺埋隧道開挖后如不及時支護(hù),地層就會產(chǎn)生大量坍塌或下沉,并會影響到地表形成一個塌陷區(qū)域,此時地層中將出現(xiàn)兩個滑動面,如圖4-2所示。淺埋隧道圍巖松動壓力分兩種情況分別計算。圖4-2淺埋隧道圍巖破壞情況1、當(dāng)埋深Z＜ha時,可忽略坍落體滑動面上得阻力,故作用在隧道襯砌上得垂直壓力等于上覆巖土體柱得重力,并視為均勻分布,則:(4-8)圍巖水平勻布壓力:(4-9)(4-10)式中:Z——隧道埋深,m;λ——側(cè)壓力系數(shù),;Ht——隧道高度,m;φc——圍巖計算摩擦角。2、當(dāng)ha≤Z＜Zp時,巖體中形成得滑動面就是與水平面成β角得斜面,如圖4-3中得AC和BD。根據(jù)地層變形和隧道開挖后巖體得運(yùn)動規(guī)律,假定洞頂上覆柱狀巖體FEGH下沉,則形成兩滑動面FH和EG,兩側(cè)巖體對其作用有支撐反力T。而當(dāng)巖體ABCD下沉?xí)r,又受到未擾動巖體(滑動面以外)對其作用得反力N。三棱體BFD得受力如圖4-3(b)所示。三棱體ACE、BFD和FEGH共同處于平衡狀態(tài)。

因滑移面FH和EG并非真正得破裂滑動面,所以滑移面上得阻力T將小于破裂面阻力,并設(shè)滑移面得摩擦角為θ。由此可求得作用在隧道頂面HG上得垂直壓力Q:(kN)(4-11)式中:W——上覆巖體得重力;T——兩側(cè)三棱形巖體對洞頂下沉巖柱體得抗力。由圖4-3(b)所示,三棱體BFD由W2、T和N構(gòu)成平衡力系,三棱體自重力W2為(4-12)式中:γ——圍巖容重;H——隧道底板距地表得高度。由圖4-3(c)所示按正弦定理,(4-13)將式(4-12)代入式(4-13),得出抗力T得計算公式為:(4-14)式中:λ——側(cè)壓力系數(shù),其值為:(4-15)

(4-16)其中:θ——頂板巖柱兩側(cè)摩擦角;φc——圍巖計算摩擦角;β——產(chǎn)生最大推力得破裂角。顯然θ值與巖體得物理力學(xué)性質(zhì)有著密切得關(guān)系,在計算時可以取一個經(jīng)驗數(shù)值,表(4-3)列出在計算圍巖壓力時各類圍巖得θ和φc取值。表4-3圍巖級別ⅠⅡⅢⅣⅤⅥθ73°60°43°23°12、5°7、5°φc＞78°67～78°55～66°43～54°31～42°≤30°由于GC、HD得長度與EG、FH相比較小,故摩擦阻力只計洞頂部分,式(4-14)中得H近似取隧道埋深Z。將由式(4-14)求得得T代入式(4-11),即求得作用在隧道頂面HG上得垂直壓力Q:(4-17)將代入,則(4-18)設(shè)作用在隧道頂部得單位垂直壓力為Pv,經(jīng)整理后,淺埋隧道垂直勻布壓力作用標(biāo)準(zhǔn)值按下式計算:(4-19)或(4-20)式中:γ——圍巖重度(容重),KN/m3;B——隧道寬度(跨度),m;bk——垂直勻布作用得挾持系數(shù),按表4-4取值。表4-4圍巖級別ⅣⅤⅥ圍巖重度r(kN/m3)20、518、516、0驗算拱部截面挾持系數(shù)0、100、080、01驗算邊墻截面挾持系數(shù)0、230、160、08淺埋隧道水平壓力按下式計算:

(4-21)三、偏壓隧道圍巖壓力得計算方法位于斜坡地帶得淺埋隧道,從隧道得橫斷面看,作用于隧道拱頂襯砌上得荷載將出現(xiàn)偏壓。假定偏壓分布圖形與地面坡形一致(如圖4-4),則作用于隧道拱頂?shù)么怪眽毫τ上率接嬎?(4-22)式中:Z、Zˊ——內(nèi)、外側(cè)由拱頂水平至地面得高度(m);

λ、λˊ——內(nèi)、外側(cè)得側(cè)壓力系數(shù),由下式計算:

(4-23)

(4-24)

(4-25)

(4-26)α——斜坡地面坡角(°);β、βˊ——內(nèi)、外側(cè)產(chǎn)生最大推力時得破裂角(°)。偏壓隧道水平側(cè)壓力得計算:內(nèi)側(cè):(4-27)外側(cè):(4-28)式中:Zi、Ziˊ——內(nèi)、外側(cè)任意一點(diǎn)i至地面得距離(m)。四、松動圍巖壓力計算實例例題一某單線鐵路隧道如圖4-5所示,寬度B=7、5m,高度Ht=8、8m,埋深Z=20m。圍巖等級為Ⅳ級,巖體容重γ=21、5KN/m3,圍巖計算摩擦角φc=53°。求隧道頂板及側(cè)墻得松動圍巖壓力。解題:1、求圍巖壓力計算高度,2、判斷＞(2、0-2、5),屬深埋隧道;3、由公式(4-5)計算頂板垂直圍巖壓力4、由表4-1知,隧道水平均布壓力如果隧道埋深Z=8m,再求圍巖壓力。這種情況Z＜Zn,屬于淺埋隧道,應(yīng)按公式(4-19)和(4-21)計算圍巖壓力。查表4-3,φc=53°θ=23°,則,,由式(4-16)和式(4-15)計算由公式(4-19)計算頂板垂直圍巖壓力

由公式(4-21)計算側(cè)壁水平圍巖壓力由以上計算結(jié)果可看出,同就是Ⅳ級圍巖,淺埋隧道所受得松動圍巖壓力比深埋隧道大,因此,靠近洞口淺埋段得支護(hù)襯砌需要加強(qiáng)。例題二如果上述隧道為雙線隧道,跨度B=12m,再計算圍巖壓力。解題:求圍巖壓力計算高度,當(dāng)隧道埋深時為深埋隧道,由公式(4-3)計算頂板垂直圍巖壓力隧道水平均布壓力

當(dāng)隧道埋深Z=8m時,屬于淺埋隧道。同上題,φc=53°θ=23°,,,,,計算頂板垂直圍巖壓力

側(cè)壁水平圍巖壓力與例題一相同。由此可見,隨著隧道跨度增大,洞頂圍巖松動壓力亦增大,因此隧道跨度加大,支護(hù)襯砌也應(yīng)加強(qiáng)。4、3、2形變圍巖壓力得確定地下洞室開挖后,圍巖在沒有松動塌落之前得變形階段,受到支護(hù)襯砌得支護(hù)抗力作用,使圍巖變形得到控制,從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時,支護(hù)結(jié)構(gòu)將受到來自圍巖得擠壓力。這種擠壓力由圍巖變形引起,故稱為“形變壓力”。對于軟弱或破碎得圍巖,一般表現(xiàn)出較強(qiáng)得塑性和流變特性,洞室開挖后圍巖得變形往往會持續(xù)較長得時間,因此,圍巖與支護(hù)間形變壓力得傳遞就是一個隨時間得推進(jìn)而逐漸發(fā)展得過程,這種現(xiàn)象稱為“時間效應(yīng)”?？梢哉f,目前對形變壓力得確定還沒有成熟得具體方法。形變壓力得理論計算就是以圍巖與支護(hù)得共同作用原理為指導(dǎo)思想,采用芬納、塔羅勃等人得彈塑性平衡理論公式(4-1)進(jìn)行計算。如果以洞壁得位移ur控制形變壓力得變化,則可采用下列公式:

(4-29)圍巖形變壓力特征曲線圖Ⅰ—芬納公式表述得特征曲線,Ⅱ—支護(hù)結(jié)構(gòu)工作曲線pauR0ⅠⅡumax在采用噴錨支護(hù)技術(shù)得地下工程中,形變壓力主要體現(xiàn)在混凝土噴層或噴錨支護(hù)與圍巖之間得接觸壓力上。因此,這種接觸壓力得實際量測成果可以作為分析形變壓力得依據(jù),其結(jié)果可以作為確定形變壓力得參考。表4-5列出了國內(nèi)外一些隧道工程接觸壓力實際量測得成果。根據(jù)這些量測數(shù)據(jù),對噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)上得荷載性態(tài)分析如下:1、噴錨支護(hù)上得接觸壓力由兩個分量組成,即切向應(yīng)力分量(σt)和徑向應(yīng)力分量(σr),而且切向應(yīng)力遠(yuǎn)大于徑向應(yīng)力,即σt＞σr。這種現(xiàn)象說明,噴混凝土支護(hù)與圍巖有較高得粘結(jié)力,她不僅能承受徑向應(yīng)力,也能承受切向應(yīng)力。切向荷載得存在可以減小荷載分布得不均勻程度,并且大大減小支護(hù)結(jié)構(gòu)中得彎矩,從而改善圍巖得受力狀態(tài)及支護(hù)結(jié)構(gòu)得內(nèi)力狀態(tài)。這與模筑混凝土襯砌與圍巖之間相互作用有很大不同。實踐表明,模筑混凝土襯砌與圍巖之間得回填層在接觸狀態(tài)上不能保證有足夠得粘結(jié)力,故而僅能傳遞徑向應(yīng)力而不能承受切向應(yīng)力。統(tǒng)計表明,噴錨支護(hù)條件下圍巖中得切向應(yīng)力與徑向應(yīng)力得比值(σt/σr)約在1、5-14之間,平均比值為7、24,多數(shù)比值在5-7之間,而且圍巖條件越好,比值越大,地質(zhì)條件越差,比值越小,這說明在不同得圍巖中,粘結(jié)效應(yīng)就是不同得。這種情況說明,在噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)得計算中,必須計及切向荷載得作用和影響,這就是噴錨支護(hù)結(jié)構(gòu)上荷載得重要特征之一。2、徑向接觸應(yīng)力得統(tǒng)計平均值約為297kPa,徑向接觸應(yīng)力與地質(zhì)條件、隧道跨度、隧道埋深以及噴層厚度等因素有關(guān)。從表4-5得數(shù)據(jù)看,這些因素對σr得影響雖然沒有明顯得規(guī)律性,但根據(jù)線性回歸分析可以大致看出,隧道跨度得影響顯著,隧道埋深得影響次之。隧道跨度(B)與徑向接觸應(yīng)力σr之間得回歸分析結(jié)果如下式:(4-31)由式(4-31)繪制得徑向接觸應(yīng)力σr在不同跨度下得變化曲線以及量測值散點(diǎn)圖示于圖4-6。式(4-31)表明,σr隨跨度得增大而略呈非線性增大。該式在跨度為5-11m范圍內(nèi)與量測值較為接近。3、隧道埋深得影響。埋深對接觸壓力σr值也具有一定得影響,一般隨埋深得增大,σr也有所增大,但不顯著。從量測值看,σr得平均值為297kPa,在埋深較小時,例如埋深在20m以內(nèi)得幾座隧道,σr值均小于平均值,約在100-150kPa;在中等埋深時,大體在平均值左右,即300kPa;埋深較大時,約增至400kPa左右。埋深得影響可采用下式表述:(4-32)式中:——由式(4-31)確定得壓力值;

K——埋深影響系數(shù),當(dāng)埋深H<20m時,K=0、85;50m<H<100m時,K=1、0;100m<H<500m時,K=1、25。4、噴層厚度得影響。噴層厚度得影響并不明顯,表4-6表明,噴層較薄時(d＜10cm),影響很小;d=15-20cm時,σr值無顯著變化;而當(dāng)d＞20㎝后,σr值有急劇增加得趨勢。表4-6如果以d/B作為支護(hù)相對剛度得指標(biāo),亦可得出相應(yīng)得回歸方程:(4-3