隧道工程課件圍巖壓力.ppt

圍巖壓力的概念 1 圍巖壓力隧道開(kāi)挖后 因圍巖變形或松散等原因 作用于洞室周邊巖體或支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力 從狹義上來(lái)理解 圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力 在工程中一般研究狹義的圍巖壓力 圍巖壓力的概念 1 圍巖壓力的分類 按作用力發(fā)生形態(tài) 松散壓力 是指由于開(kāi)挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力 形變壓力 是指由于圍巖變形受到與之密貼的支護(hù)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 膨脹壓力 是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力 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 圍巖壓力的概念 松散壓力 常通過(guò)下列三種情況發(fā)生 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 在松散軟弱的巖體中 坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落 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 圍巖壓力的概念 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) 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 圍巖壓力的概念 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 圍巖壓力的概念 3 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?chē)欢ㄉ疃?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 圍巖壓力的概念 1 階段的劃分隧道開(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 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 頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌 可視為坍塌階段 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 圍巖壓力的概念 2 自然拱的范圍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 圍巖壓力的概念 隧道的形狀和尺寸 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 隧道的埋深 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) 施工因素 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 圍巖壓力的確定 1 確定的方法2 一般規(guī)定 確定方法 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 確定方法 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 確定方法 理論估算法 是在實(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 一般規(guī)定 1 級(jí)圍巖中的深埋隧道 圍巖壓力主要為形變壓力 其值可按釋放荷載計(jì)算 2 級(jí)圍巖中深埋隧道的圍巖壓力為松散荷載時(shí) 其垂直均布?jí)毫八骄級(jí)毫砂聪铝泄接?jì)算 應(yīng)用該公式時(shí) 必須同時(shí)具備下列條件 1 H B 1 7 2 不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的一般圍巖 一般規(guī)定 圍巖豎向勻布?jí)毫按下式計(jì)算 q 0 45 2s 1 kN m2 式中 S 圍巖級(jí)別 如屬I(mǎi)I級(jí) 則S 2 圍巖容重 kN m3 1 i B 5 寬度影響系數(shù) B 隧道寬度 m i 以B 5m為基準(zhǔn) B每增減1m時(shí)的圍巖壓力增減率 當(dāng)B5m 取i 0 1 一般規(guī)定 圍巖的水平勻布?jí)毫的確定 按下表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 一般規(guī)定 3 淺埋隧道圍巖壓力的確定 1 深埋和淺埋隧道的判定原則 2 計(jì)算公式 深埋和淺埋隧道的判定原則 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 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 深埋和淺埋隧道的判定原則 深 淺埋隧道的判定原則Hp 2 2 5 hq式中 Hp 深淺埋隧道分界深度 hq 荷載等效高度 按下式計(jì)算 hq q q 深埋隧道豎向均布?jí)毫N m2 圍巖容重 kN m3 深埋和淺埋隧道的判定原則 在礦山法施工的條件下I一III級(jí)圍巖取Hp 2hqIV VI級(jí)圍巖取Hp 2 5hq當(dāng)隧道覆蓋層厚度H Hp時(shí)為深埋 H Hp時(shí)為淺埋 計(jì)算公式 1 埋深 H 小于或等于等效荷載高度hq時(shí) 荷載視為均布豎向壓力q H式中 q 勻布布豎向壓力 深度上覆圍巖容重 H 隧道埋深 抬隧道頂至地面的距離 計(jì)算公式 側(cè)向壓力e 按勻布考慮時(shí) 其值為 e H 1 2Hi tg2 450 2 式中 e 側(cè)向勻布?jí)毫?圍巖容重 以kN m3計(jì) H 隧道埋深 以m計(jì) Hi 隧道高度 以m計(jì) 一圍巖計(jì)算摩擦角 可查有關(guān)規(guī)范 計(jì)算公式 的取值 計(jì)算公式 2 埋深大于hq 小于等于Hp時(shí) 計(jì)算公式 1 坑道上覆土體下滑要考慮滑面阻力的影響 否則會(huì)算得過(guò)大的壓力值 2 假定土體中形成的破裂面是一條與水平成 角度的斜直線 如圖所示 3 EFGH巖土體下沉 帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體 如圖中的FDB及ECA 下沉 整個(gè)土體ABDC下沉?xí)r 又要受到未擾動(dòng)巖土體的阻力 4 斜直線AC或BD是假定的破裂面 分析時(shí)考慮內(nèi)聚力c并采用計(jì)算摩擦角 另一滑面FH和EG則并非破裂面 因此滑面阻力要小于破裂滑面的阻力 該滑面的摩擦角應(yīng)小于 計(jì)算公式 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 q淺 Q淺 B H 1 H B tg e H h 2式中 一側(cè)壓力系數(shù) 即 tg tg tg 1 tg tg tg tg tg tg tg tg2 1 tg tg tg 1 2 計(jì)算公式 令dq淺 dH 0 可得qmax時(shí)的深度H HP B 2 tan qmax B 4 tan 淺埋隧道圍巖壓力是隨坑道埋深H增加而增加的 當(dāng)?shù)扔谏盥袼淼篮奢d時(shí) 則圍巖壓力保持不變 在判定深埋隧道的分界時(shí) 若用上述理論公式 也可得出Hp值 但是往往與前述介紹的經(jīng)驗(yàn)公式差別較大 目前一般按經(jīng)驗(yàn)公式判別 而理論式作為參考 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 1 產(chǎn)生偏壓的原因 1 地形上 洞頂覆蓋層較薄 地面橫坡顯著有傾斜的松散 軟質(zhì)或土質(zhì)圍巖 多見(jiàn)于洞口淺埋地段或傍山淺埋地段 2 地質(zhì)上 圍巖為傾斜層狀結(jié)構(gòu) 層間粘結(jié)力差伴隨以有害節(jié)理裂隙切割或洞身有傾角較陡的軟弱結(jié)構(gòu)面 圍巖一部分較軟 一部分較硬 3 施工期間因各種原因造成一側(cè)塌方 形成顯著偏壓 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 2 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算應(yīng)按其產(chǎn)生偏壓的原因分別考慮 根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn) 一般在 級(jí)及以上圍巖以地形引起的偏壓為主進(jìn)行計(jì)算 而在 級(jí)及以下圍巖 因地質(zhì)構(gòu)造影響較大 則以地質(zhì)構(gòu)造的具體條件進(jìn)行計(jì)算 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 2 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 1 由地形引起偏壓的計(jì)算方法傍山淺隧道施工時(shí) 因支撐或襯砌下沉 以及超挖 回填不實(shí)等原因 引起洞身上部圍巖的下沉及隧道兩側(cè)地表開(kāi)裂 在巖體內(nèi)形成兩個(gè)非對(duì)稱的滑動(dòng)面 假定偏壓分布的圖形與地面坡一致 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 2 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 水平側(cè)壓力 內(nèi)側(cè)ei hi 外側(cè)ei h1i 1 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 2 偏壓隧道圍巖壓力的計(jì)算 2 由地質(zhì)構(gòu)造引起偏壓的檢算多發(fā)生在多裂隙層狀或塊狀巖體中 其情況復(fù)雜 尚無(wú)確定的計(jì)算方法 當(dāng)需要檢算時(shí) 應(yīng)注意以下幾點(diǎn) A 必須查明圍巖可能產(chǎn)生偏壓的被割裂或松動(dòng)的范圍大小B 盡量取得控制弱面的強(qiáng)度計(jì)算指標(biāo) C 當(dāng)為塊體運(yùn)動(dòng)時(shí) 可近似地按巖塊剛體平衡的方法計(jì)算 當(dāng)一部分為軟層 另一部分為硬層時(shí) 可分別取用不同的指標(biāo)計(jì)算 其他一些確定圍巖壓力的方法 1 以坑道上方形成平衡拱為基礎(chǔ)的方法普氏理論 在松散介質(zhì)中開(kāi)挖隧道 在其上方會(huì)形成一拋物線平衡拱 這個(gè)平衡拱實(shí)際上就是破壞范圍 這個(gè)范圍內(nèi)的圍巖重量就是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)所要承受的荷載 其他一些確定圍巖壓力的方法 1 以松散介質(zhì)平衡理論為基礎(chǔ)的計(jì)算方法太沙基理論 巖體為有一定粘結(jié)力的松散介質(zhì) 當(dāng)坑道開(kāi)挖后 圍巖下沉?xí)r由于