最新地下工程(圍巖壓力)

1、圍巖壓力理論圍巖壓力理論 原巖應(yīng)力 l初始應(yīng)力的組成初始應(yīng)力的組成自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) l原巖應(yīng)力的變化規(guī)律原巖應(yīng)力的變化規(guī)律地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)地應(yīng)力是個(gè)非穩(wěn)定應(yīng)力場(chǎng)實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖體重力實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本上等于上覆巖體重力水平應(yīng)力一般大于垂直應(yīng)力水平應(yīng)力一般大于垂直應(yīng)力 側(cè)壓系數(shù)在淺部范圍內(nèi)隨深度增加而增加，而在深部則側(cè)壓系數(shù)在淺部范圍內(nèi)隨深度增加而增加，而在深部則隨深度增加而減小。隨深度增加而減小。兩個(gè)水平應(yīng)力并不相等兩個(gè)水平應(yīng)力并不相等l確定原巖應(yīng)力的方法確定原巖應(yīng)力的方法（1 1）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)法）現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)法直接法。直接法是指巖體應(yīng)力由測(cè)量儀器所記直接法

2、。直接法是指巖體應(yīng)力由測(cè)量儀器所記錄的補(bǔ)償應(yīng)力、平衡應(yīng)力或其他應(yīng)力量直接決定，錄的補(bǔ)償應(yīng)力、平衡應(yīng)力或其他應(yīng)力量直接決定，無需知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力無需知道巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)應(yīng)變的關(guān)系。這類方法包括早期的扁千斤頂法、剛性圓柱應(yīng)系。這類方法包括早期的扁千斤頂法、剛性圓柱應(yīng)力計(jì)法以及后來的水壓致裂法、聲發(fā)射法等。其中力計(jì)法以及后來的水壓致裂法、聲發(fā)射法等。其中水壓致裂法水壓致裂法是目前應(yīng)用較為廣泛的一種直接量測(cè)方是目前應(yīng)用較為廣泛的一種直接量測(cè)方法。法。 地應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力恢復(fù)法（ground stress restoration method）是測(cè)量巖石絕對(duì)應(yīng)力的一種方法。先

3、在巖塊表面上安裝不同方向的三個(gè)應(yīng)變計(jì)，記錄它們的初讀數(shù)；接著在巖塊上掏槽，使槽長遠(yuǎn)大于槽寬，并使槽壁與巖塊表面直交，再記錄應(yīng)變計(jì)的讀數(shù)；最后，把扁千斤頂固裝在槽內(nèi),并逐漸增加千斤頂內(nèi)的油壓，使之逐漸施壓于槽壁，直至三個(gè)應(yīng)變計(jì)恢復(fù)到未掏槽時(shí)的初讀數(shù)為止，此時(shí)千斤頂施加于槽壁的壓強(qiáng)即等于槽壁平面原有的法向應(yīng)力。因扁千斤不能對(duì)槽壁施加張力和剪力，故此法只適用于測(cè)量主平面上的主應(yīng)力。直接量測(cè)：直接量測(cè)：主要采用壓力盒、壓力主要采用壓力盒、壓力傳感器等，壓力盒按工作原理分為機(jī)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。使用較多

4、的是鋼弦式壓力盒。間接法。在間接法中，測(cè)試儀器不是直接記錄應(yīng)力間接法。在間接法中，測(cè)試儀器不是直接記錄應(yīng)力或應(yīng)力變化值，而是測(cè)量某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理或應(yīng)力變化值，而是測(cè)量某些與應(yīng)力有關(guān)的間接物理量的變化，然后，根據(jù)己知的應(yīng)力量的變化，然后，根據(jù)己知的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，由應(yīng)變關(guān)系，由測(cè)得的間接物理量，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力值。這類測(cè)得的間接物理量，計(jì)算出測(cè)點(diǎn)的原巖應(yīng)力值。這類方法有應(yīng)力解除法、松弛應(yīng)變測(cè)量法、地球物理方法方法有應(yīng)力解除法、松弛應(yīng)變測(cè)量法、地球物理方法等。其中，等。其中，應(yīng)力解除法應(yīng)力解除法是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的方是目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的方法，也是目前唯一能夠比較準(zhǔn)確地確定巖體中三

5、維應(yīng)法，也是目前唯一能夠比較準(zhǔn)確地確定巖體中三維應(yīng)力狀態(tài)的方法。力狀態(tài)的方法。地應(yīng)力解除法地應(yīng)力解除法（ground stress relief methodground stress relief method）又稱地應(yīng)變解除法是目前常用的一種又稱地應(yīng)變解除法是目前常用的一種絕對(duì)地應(yīng)絕對(duì)地應(yīng)力測(cè)量力測(cè)量方法。它用的測(cè)量元件有許多類型，如方法。它用的測(cè)量元件有許多類型，如電阻片型、鋼弦型和壓磁電感型等，而以壓磁電阻片型、鋼弦型和壓磁電感型等，而以壓磁電感型元件用得較多。使用這種元件測(cè)量地應(yīng)電感型元件用得較多。使用這種元件測(cè)量地應(yīng)力時(shí)，先在被測(cè)地點(diǎn)鉆一小孔，把三個(gè)元件放力時(shí)，先在被測(cè)地點(diǎn)鉆一小孔

6、，把三個(gè)元件放進(jìn)孔內(nèi)，使之分別與小孔的三個(gè)不同方向的直進(jìn)孔內(nèi)，使之分別與小孔的三個(gè)不同方向的直徑取向一致；然后在每個(gè)元件上預(yù)加一定的壓徑取向一致；然后在每個(gè)元件上預(yù)加一定的壓力，同時(shí)記錄三個(gè)元件的電感值；接著用套鉆力，同時(shí)記錄三個(gè)元件的電感值；接著用套鉆在小孔四周掏挖環(huán)形圓槽，使被測(cè)點(diǎn)的巖石與在小孔四周掏挖環(huán)形圓槽，使被測(cè)點(diǎn)的巖石與其周圍巖體分離，此時(shí)再記錄三個(gè)元件的電感其周圍巖體分離，此時(shí)再記錄三個(gè)元件的電感值。根據(jù)兩次電感值的差異，按一定公式，算值。根據(jù)兩次電感值的差異，按一定公式，算出垂直于孔軸的兩個(gè)主應(yīng)力的大小和方向。出垂直于孔軸的兩個(gè)主應(yīng)力的大小和方向。 間接量測(cè)：間接量測(cè)：利用量測(cè)

7、隧道襯砌的應(yīng)變、利用量測(cè)隧道襯砌的應(yīng)變、變形來推算作用在其上的圍巖壓力的方變形來推算作用在其上的圍巖壓力的方法，即間接量測(cè)法。如電阻應(yīng)變片、鋼法，即間接量測(cè)法。如電阻應(yīng)變片、鋼筋應(yīng)變計(jì)、遙測(cè)應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變磚筋應(yīng)變計(jì)、遙測(cè)應(yīng)變計(jì)、混凝土應(yīng)變磚等等（2）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)分析法）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)地質(zhì)力學(xué)分析法 巖體中的一切構(gòu)造形跡，如巖層傾斜、褶曲、巖體中的一切構(gòu)造形跡，如巖層傾斜、褶曲、破裂和錯(cuò)動(dòng)等，無一不是巖體在地應(yīng)力作用下破裂和錯(cuò)動(dòng)等，無一不是巖體在地應(yīng)力作用下形成的永久變形的形象，是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的力形成的永久變形的形象，是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的力學(xué)作用的殘跡。因此。根據(jù)構(gòu)造形跡可以宏觀學(xué)作用的殘跡。

8、因此。根據(jù)構(gòu)造形跡可以宏觀地反推出地應(yīng)力的性質(zhì)和方向，這就是地質(zhì)力地反推出地應(yīng)力的性質(zhì)和方向，這就是地質(zhì)力學(xué)分析的基本概念。學(xué)分析的基本概念。 （3）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的位移反演法）構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的位移反演法 構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反演法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移來反構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的反演法是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)位移來反推巖體應(yīng)力場(chǎng)的方法?；诖朔?，不僅可以反推巖體應(yīng)力場(chǎng)的方法?；诖朔?，不僅可以反演原巖應(yīng)力場(chǎng)，而且還可反演巖體參數(shù)。演原巖應(yīng)力場(chǎng)，而且還可反演巖體參數(shù)。 應(yīng)力反分析法。該法是依據(jù)在工程區(qū)域內(nèi)有限應(yīng)力反分析法。該法是依據(jù)在工程區(qū)域內(nèi)有限個(gè)實(shí)測(cè)應(yīng)力值，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，推個(gè)實(shí)測(cè)應(yīng)力值，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)力學(xué)模型，推求整個(gè)工

9、程區(qū)域內(nèi)的初始應(yīng)力場(chǎng)；求整個(gè)工程區(qū)域內(nèi)的初始應(yīng)力場(chǎng)；位移反分析法。該法是基于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)位移來反位移反分析法。該法是基于現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)位移來反推系統(tǒng)的力學(xué)特征及其地質(zhì)背景的初始參數(shù)推系統(tǒng)的力學(xué)特征及其地質(zhì)背景的初始參數(shù)（即工程區(qū)域內(nèi)的力學(xué)特征參數(shù)、初始地應(yīng)力（即工程區(qū)域內(nèi)的力學(xué)特征參數(shù)、初始地應(yīng)力等）；等）；混合反分析法。反分析所采用的信息既有位移混合反分析法。反分析所采用的信息既有位移量測(cè)值，又有應(yīng)力（或荷載）量測(cè)值。量測(cè)值，又有應(yīng)力（或荷載）量測(cè)值。1 1、圍巖壓力的概念、圍巖壓力的概念 圍巖壓力：圍巖壓力：是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力上的壓力。 圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為

10、：圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為： 松散壓力：松散壓力：是指由于開挖而松動(dòng)或坍塌的是指由于開挖而松動(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。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：形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密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)共同變形過程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。過程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接觸壓力。 膨脹壓力：膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。所引起的壓力。 沖擊壓力：沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性是指圍巖中積累了大量的彈性變性

11、能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，除， 松散壓力：松散壓力：常通過下列三種情況發(fā)生：常通過下列三種情況發(fā)生： 在整體穩(wěn)定的巖體中，可能出現(xiàn)個(gè)別松動(dòng)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；掉塊的巖石； 在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片在松散軟弱的巖體中，坑道頂部和兩側(cè)片幫冒落；幫冒落； 在節(jié)理發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位在節(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。沿弱面發(fā)生剪切破壞或拉壞等局部塌落。 形變壓力：形變壓力：是指由于圍巖變形受到與之密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

12、巖與支護(hù)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)共同變形過程中，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)施加的接結(jié)構(gòu)共同變形過程中，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)。與支護(hù)時(shí)間和支護(hù)剛度有關(guān)。 膨脹壓力：膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解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。是由吸水膨脹引起的。 沖擊壓力：沖擊壓力：是指圍巖中積累了大量的彈性是指圍巖中積累了大量的彈性變性能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被變性能之后，由于隧

13、道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產(chǎn)生的壓力。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題，所沖擊壓力是巖體能量的積累與釋放問題，所以它與彈性模量直接相關(guān)。彈性模量較大的巖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)突然猛烈的變形能，一旦遇到適宜條件，就會(huì)突然猛烈的大量釋放。大量釋放。2 2、圍巖松散壓力的產(chǎn)生、圍巖松散壓力的產(chǎn)生 開挖隧道所引起的圍巖松動(dòng)和破壞的范圍開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，有大有小，對(duì)于一

14、般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度局限在隧道周圍一定深度，作用，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，這可用圍巖的巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的“成拱成拱作用作用”來解釋。來解釋。2 2、圍巖松散壓力的產(chǎn)生、圍巖松散壓力的產(chǎn)生 隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過程中，隧道開挖后，在圍巖應(yīng)力重分布過程中，頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階頂板開始沉陷，并出現(xiàn)拉斷裂紋，可視為變形階段；段； 頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結(jié)頂板的裂紋繼續(xù)發(fā)展并且張開，由于結(jié)構(gòu)面切割等原因，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗蓜?dòng)

15、，可視為松動(dòng)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；階段； 頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌，頂板巖體視其強(qiáng)度的不同而逐步坍塌，可視為坍塌階段；可視為坍塌階段； 頂板塌落停止，達(dá)到新的平衡，此時(shí)其頂板塌落停止，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。界面形成一近似的拱形，可視為成拱階段。深埋隧道的自然拱圈 自然拱的范圍的大小自然拱的范圍的大小除受上除受上述的圍巖地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)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，還取決于以下的接觸狀態(tài)外，還取決于以下諸因素：諸因素： 隧道的形狀和尺寸隧道的形狀和尺寸：隧道拱圈越

16、平坦，跨度越：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；大，則自然拱越高，圍巖松散壓力也越大； 隧道的埋深：隧道的埋深：實(shí)踐證明，只有當(dāng)隧道埋深超過實(shí)踐證明，只有當(dāng)隧道埋深超過某一臨界值時(shí)，才有可能形成自然拱。習(xí)慣上稱某一臨界值時(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)。大小與埋置深度直接相關(guān)。 施工因素：施工因素：如爆破所產(chǎn)生的震動(dòng)，常常是引起如爆破所產(chǎn)生的震動(dòng)，常常是引起塌方的重要原因之一，造成

17、圍巖壓力過大，又如塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大，又如分部開挖多次擾動(dòng)圍巖，也會(huì)引起圍巖失穩(wěn)，加分部開挖多次擾動(dòng)圍巖，也會(huì)引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。大自然拱范圍。淺埋隧道不能形成拱圈3 3、圍巖壓力的確定方法、圍巖壓力的確定方法 圍巖壓力的確定目前常用有下列圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：三種方法： 直接量測(cè)法直接量測(cè)法 經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法 理論估算法理論估算法 直接量測(cè)法：直接量測(cè)法： 是一種切合實(shí)際是一種切合實(shí)際的方法，對(duì)隧道工程而言，也是的方法，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)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，目前還設(shè)備和

18、技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍適用。不能普遍適用。 經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法：經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法： 是根據(jù)是根據(jù)大量以前工程的實(shí)際資料的統(tǒng)計(jì)和大量以前工程的實(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。是目確定圍巖壓力的依據(jù)的方法。是目前使用較多的方法。前使用較多的方法。 深埋隧道圍巖壓力的確定深埋隧道圍巖壓力的確定( (工程類比法工程類比法) ) 圍巖豎向勻布?jí)毫鷰r豎向勻布?jí)毫按下式計(jì)算：按下式計(jì)算： p= 0.45 2 s-1 (kn/m2) 式中式中 ：s s圍巖級(jí)別，如屬圍

19、巖級(jí)別，如屬iiii級(jí)，則級(jí)，則s2； 圍巖容重，圍巖容重， (kn/m3)； 1+ i(b-5) ) 寬度影響系數(shù)；寬度影響系數(shù)； b 隧道寬度，（隧道寬度，（m m）；）； i 以以b5m為基準(zhǔn)，為基準(zhǔn)，b b每增減每增減1m1m時(shí)的時(shí)的圍巖壓力增減率。圍巖壓力增減率。 當(dāng)當(dāng)b 5m, ,取取i 0.1。 深埋隧道圍巖壓力的確定深埋隧道圍巖壓力的確定( (工程類比法工程類比法) ) p = 0.45 2 s-1 (kn/m2) 適用條件適用條件 h/b 1.7， 式中式中h 為隧道高度；為隧道高度； 深埋隧道；深埋隧道； 不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道；不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧

20、道； 采用鉆爆法施工的隧道。采用鉆爆法施工的隧道。 圍巖的水平均布?jí)毫鷰r的水平均布?jí)毫 e 的確定，按下表的確定，按下表中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算 圍巖圍巖級(jí)別級(jí)別i、iiiiiivvvi水平勻水平勻布?jí)毫Σ級(jí)毫?0.15p(0.150.3)p(0.30.5)p (0.51.0)p 鐵路新規(guī)范：鐵路新規(guī)范： ph h=0.411.79s 這是全國這是全國10461046座鐵路隧道得出的座鐵路隧道得出的經(jīng)驗(yàn)公式，其中經(jīng)驗(yàn)公式，其中s 新規(guī)范圍巖的分新規(guī)范圍巖的分級(jí)級(jí)。 注：注：鐵路隧道跨度小于公路隧道鐵路隧道跨度小于公路隧道圍巖壓力分布特征圍巖壓力分布特征基于有界破裂區(qū)的計(jì)算方法 這一

21、計(jì)算方法是將破裂區(qū)內(nèi)的巖體自重這一計(jì)算方法是將破裂區(qū)內(nèi)的巖體自重作為隧洞支護(hù)上的荷載。為了確定破裂作為隧洞支護(hù)上的荷載。為了確定破裂區(qū)的范圍，必須首先對(duì)破裂區(qū)的邊界線區(qū)的范圍，必須首先對(duì)破裂區(qū)的邊界線作出假定，如認(rèn)為是拋物線、半橢圓形作出假定，如認(rèn)為是拋物線、半橢圓形等，此外還有采用彈塑性區(qū)的分界面作等，此外還有采用彈塑性區(qū)的分界面作為破裂區(qū)的邊界線。普氏壓力拱理論、為破裂區(qū)的邊界線。普氏壓力拱理論、康姆端爾的巖體破碎理論，以及卡柯彈康姆端爾的巖體破碎理論，以及卡柯彈塑性理論都屬于這一類計(jì)算方法。其中塑性理論都屬于這一類計(jì)算方法。其中以普氏壓力拱理論在我國應(yīng)用最廣。以普氏壓力拱理論在我國應(yīng)用最

22、廣。 普氏假定壓力拱形狀為二次拋物線形，壓力拱普氏假定壓力拱形狀為二次拋物線形，壓力拱高按經(jīng)驗(yàn)確定，它取決于隧洞跨度和巖石性質(zhì)。高按經(jīng)驗(yàn)確定，它取決于隧洞跨度和巖石性質(zhì)。普氏采用下式確定壓力拱高：普氏采用下式確定壓力拱高：fah11f-巖石堅(jiān)固性巖石堅(jiān)固性系數(shù)，又稱普氏系數(shù)，又稱普氏系數(shù)系數(shù) 。f=rc/10圍巖豎向壓力為：1hp 側(cè)向圍巖壓力 24tan)(21yhe 淺埋隧道圍巖松散壓力的計(jì)算淺埋隧道圍巖松散壓力的計(jì)算 深、淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則 隧道埋深不同，確定圍巖壓力的隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計(jì)算方法不同，應(yīng)計(jì)算方法不同，應(yīng)以隧道頂部覆蓋層以隧道頂部覆蓋層能否形

23、成能否形成“自然拱自然拱”為原則為原則。 深埋隧道圍巖松散壓力值是以施深埋隧道圍巖松散壓力值是以施工工坍方平均高度坍方平均高度( (等效荷載高度值等效荷載高度值) )為為根據(jù)，為了形成此高度值，隧道上覆根據(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)，這巖體就有一定的厚度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)深度個(gè)深度通常為通常為2 22.52.5倍的坍方平均高倍的坍方平均高度值度值 深、淺埋隧道的判定原則深、淺埋隧道的判定原則 hp（22.5）hp 式中式中: :hp深淺埋隧道分界深度深淺埋隧道分界深度; ; hp荷載等效高度，按下式計(jì)算：荷載等效高度，按下式計(jì)算： hpp/ p深埋隧道豎向均布?jí)毫ι?/p>

24、埋隧道豎向均布?jí)毫?knm2； 圍巖容重（圍巖容重（knm2）。）。 在礦山法施工的條件下在礦山法施工的條件下i一一iii級(jí)圍巖取級(jí)圍巖取 hp2hpivvi級(jí)圍巖取級(jí)圍巖取 hp2.5hp 當(dāng)隧道覆蓋層厚度當(dāng)隧道覆蓋層厚度hhp時(shí)為深埋，時(shí)為深埋， hhp時(shí)為淺埋時(shí)為淺埋 淺埋隧道圍巖壓力的確定方法淺埋隧道圍巖壓力的確定方法 埋深埋深( (h) )小于或等于等效荷載高度小于或等于等效荷載高度hp時(shí)，時(shí)，荷載視為均布豎向壓力荷載視為均布豎向壓力 p = h式中式中: : p勻布布豎向壓力；勻布布豎向壓力； 深度上覆圍巖容重；深度上覆圍巖容重； h隧道埋深，指隧道頂至地面的距離。隧道埋深，指隧道

25、頂至地面的距離。 淺埋隧道圍巖壓力的確定方法淺埋隧道圍巖壓力的確定方法 側(cè)向壓力側(cè)向壓力e，按勻布考慮時(shí)，其值為：，按勻布考慮時(shí)，其值為： e = (h + 1/2 hi)tg2(450 /2)式中式中: : e 側(cè)向勻布?jí)毫?；?cè)向勻布?jí)毫Γ?圍巖容重，以圍巖容重，以kn/m3計(jì)；計(jì)； h 隧道埋深，以隧道埋深，以m m計(jì)；計(jì)； hi 隧道高度，以隧道高度，以m m計(jì)；計(jì)； 一圍巖一圍巖計(jì)算摩擦角計(jì)算摩擦角，可查有關(guān)規(guī)范。，可查有關(guān)規(guī)范。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)圍巖級(jí)別重度（kn/m3）彈性抗力系數(shù)（mpa/m）變形模量（gpa）泊松比內(nèi)摩擦角（）粘聚力（mpa）計(jì)算摩擦角（）26

26、2818002800330.2602.17825271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40.5200.23040埋深大于埋深大于hp、小于等于、小于等于hp時(shí)時(shí) 采用松散介質(zhì)極限平衡理論進(jìn)行分析，即：采用松散介質(zhì)極限平衡理論進(jìn)行分析，即：圍巖松動(dòng)壓力圍巖松動(dòng)壓力= =滑動(dòng)巖體重量滑面上的阻力滑動(dòng)巖體重量滑面上的阻力（1）巖柱理論）巖柱理

27、論 考慮到隧洞兩側(cè)的巖體也可能下滑，需將考慮到隧洞兩側(cè)的巖體也可能下滑，需將可能滑動(dòng)的巖柱寬度比隧洞寬度適當(dāng)增大，并可能滑動(dòng)的巖柱寬度比隧洞寬度適當(dāng)增大，并考慮巖柱的應(yīng)力傳遞考慮巖柱的應(yīng)力傳遞 )24tan(1haatanzect24tan224tan2czeztan24tantan24tan)21 (21d2212120kkkchkhztth)21 (212111kackahkhkt/ahp1頂部壓力為：頂部壓力為：（2 2）太沙基公式）太沙基公式 太沙基認(rèn)為，隧洞開挖后，巖體將沿太沙基認(rèn)為，隧洞開挖后，巖體將沿oaboab曲面滑動(dòng)，作用曲面滑動(dòng)，作用在隧洞頂部的壓力等于滑動(dòng)巖體的重量減去滑

28、移面上摩擦在隧洞頂部的壓力等于滑動(dòng)巖體的重量減去滑移面上摩擦力的垂直分量。力的垂直分量。為推導(dǎo)簡單起見，太沙基為推導(dǎo)簡單起見，太沙基又進(jìn)一步假定巖體沿垂直又進(jìn)一步假定巖體沿垂直面面acac滑動(dòng)，而且假定滑動(dòng)滑動(dòng)，而且假定滑動(dòng)體中任意水平面上的垂直體中任意水平面上的垂直壓力為均布。取地面下埋壓力為均布。取地面下埋置深度置深度z z處，滑動(dòng)體的體處，滑動(dòng)體的體寬為寬為2a2a1 1，厚為，厚為dzdz的單元的單元體，由垂直方向平衡體，由垂直方向平衡條件得：條件得： 11tanddaaczvv邊界條件為：邊界條件為：平衡方程為：平衡方程為：0zqvhz pv111tanexptanexp1tanah

29、qahcap隧洞頂部的圍巖壓力隧洞頂部的圍巖壓力為為 ：為靜止側(cè)壓力系數(shù)，太沙基取為為靜止側(cè)壓力系數(shù)，太沙基取為1.0；地面超載。地面超載。 q（3）側(cè)向圍巖壓力）側(cè)向圍巖壓力 按擋土墻理論來計(jì)算按擋土墻理論來計(jì)算 24tan)(2yhe理論估算法理論估算法圍巖應(yīng)力與變形的線彈性分析 由于開挖，洞室周圍地層中應(yīng)力大小和主應(yīng)力由于開挖，洞室周圍地層中應(yīng)力大小和主應(yīng)力方向發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力的重分布，方向發(fā)生了變化，這種現(xiàn)象叫做應(yīng)力的重分布，把重分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫做圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。把重分布后的應(yīng)力狀態(tài)叫做圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)。 對(duì)于裂隙不多的堅(jiān)硬巖體，或?qū)τ诹严稁r體、對(duì)于裂隙不多的堅(jiān)硬巖體，

30、或?qū)τ诹严稁r體、軟弱巖體，如果圍巖應(yīng)力不高，當(dāng)采用緊跟作軟弱巖體，如果圍巖應(yīng)力不高，當(dāng)采用緊跟作業(yè)面的施工方法及支護(hù)向圍巖提供很大的抗力業(yè)面的施工方法及支護(hù)向圍巖提供很大的抗力時(shí)，圍巖有可能處于彈性狀態(tài)，如再略去其各時(shí)，圍巖有可能處于彈性狀態(tài)，如再略去其各向異性的影響，那么可以應(yīng)用線彈性理論分析。向異性的影響，那么可以應(yīng)用線彈性理論分析。 1.1.無襯砌圓形洞室的圍巖應(yīng)力與變形無襯砌圓形洞室的圍巖應(yīng)力與變形2sin321)1 (22cos31)1 (21)1 (22cos341)1 (21)1 (244022004400220044022002200rrrrprrprrprrrrprrprr應(yīng)

31、力分析應(yīng)力分析應(yīng)力集中系數(shù)應(yīng)力集中系數(shù)（環(huán)向應(yīng)力與（環(huán)向應(yīng)力與p0的比值）的比值）2cos)1 (2)1 (k討論討論10洞室兩側(cè)容易壓碎，頂?shù)兹菀桌瓑亩词覂蓚?cè)容易壓碎，頂?shù)兹菀桌瓑?圍巖位移圍巖位移 43,)1 (22sin) 1()1 (42cos) 1()1 ()1 (424020024020200egrrrgrpvrrrrgrpuu徑向位移，以向洞內(nèi)方向?yàn)檎籿切向位移，以順時(shí)針方向?yàn)檎?；在軸對(duì)稱情況下，即在軸對(duì)稱情況下，即101122002200rrrrprrp02200vgrrpu2.2.圍巖與支護(hù)相互作用的應(yīng)力與位移圍巖與支護(hù)相互作用的應(yīng)力與位移)(211020220220022

32、02200iiirppgrrurrprrprrprrp襯砌的應(yīng)力和變形襯砌的應(yīng)力和變形 ccccicicicrrrrrrrgpurrrrrprrrrrp432) 1(2112121220221212020221212020r r0 0、r r1-1-襯砌襯砌 的外半徑和內(nèi)半徑的外半徑和內(nèi)半徑 襯砌材料剛度系數(shù)襯砌材料剛度系數(shù) crcccrciurrrrrgukp00)21()(2212002120由洞壁的位移與襯砌外徑的位移相等得到由洞壁的位移與襯砌外徑的位移相等得到襯砌抗力襯砌抗力（其反作用力（其反作用力 即為圍巖對(duì)支護(hù)的彈性變形壓力）即為圍巖對(duì)支護(hù)的彈性變形壓力）ccikrgkrpp000

33、23.3.開挖面的空間效應(yīng)開挖面的空間效應(yīng)4.立即支護(hù)與延遲支護(hù)的計(jì)算立即支護(hù)與延遲支護(hù)的計(jì)算 立即支護(hù)就是緊貼開挖面進(jìn)行支護(hù)，開挖立即支護(hù)就是緊貼開挖面進(jìn)行支護(hù)，開挖面處已釋放的彈性位移較小，將來作用在面處已釋放的彈性位移較小，將來作用在支護(hù)上的壓力較大；支護(hù)上的壓力較大； 延遲支護(hù)就是離開挖面一段距離進(jìn)行支護(hù)，延遲支護(hù)就是離開挖面一段距離進(jìn)行支護(hù)，此時(shí)支護(hù)處已釋放的彈性位移較大，將來此時(shí)支護(hù)處已釋放的彈性位移較大，將來作用在支護(hù)上的壓力較??；作用在支護(hù)上的壓力較?。?由于是線彈性關(guān)系，計(jì)算由于是線彈性關(guān)系，計(jì)算圍巖與支護(hù)相互圍巖與支護(hù)相互作用的應(yīng)力與位移時(shí)，可采用作用的應(yīng)力與位移時(shí)，可采用

34、a ap p0 0 代替上代替上述公式中的述公式中的p p0 0，a=1-ua=1-ur r/u/ur0r0（u ur r為為洞壁實(shí)際洞壁實(shí)際釋放的位移，釋放的位移，u ur0r0為無支護(hù)時(shí)為無支護(hù)時(shí)洞壁所能釋放洞壁所能釋放的位移）的位移） 5.5.非圓形洞室的圍巖應(yīng)力非圓形洞室的圍巖應(yīng)力橢圓形洞室橢圓形洞室 2222222022222220sincossincos2cossincoscossin2sinkkkpkkkp其它洞形（直墻拱、曲墻拱）的簡化計(jì)算采用等代圓法其它洞形（直墻拱、曲墻拱）的簡化計(jì)算采用等代圓法6.6.無襯砌洞室的最佳形狀無襯砌洞室的最佳形狀使圍巖保持穩(wěn)定的最佳洞形是具有一

35、定軸比的橢圓。使圍巖保持穩(wěn)定的最佳洞形是具有一定軸比的橢圓。如果洞形周邊的應(yīng)力等于原巖應(yīng)力張量的第一不變量，如果洞形周邊的應(yīng)力等于原巖應(yīng)力張量的第一不變量，并保持沿洞周各點(diǎn)的應(yīng)力不變，那么就能得到最小的并保持沿洞周各點(diǎn)的應(yīng)力不變，那么就能得到最小的應(yīng)力集中，這種洞形也就是諧洞。應(yīng)力集中，這種洞形也就是諧洞。1k031)1 (p等應(yīng)力軸比等應(yīng)力軸比 iippppabk00零拉應(yīng)力軸比零拉應(yīng)力軸比21k112k1洞頂不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為洞頂不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為洞壁兩側(cè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件洞壁兩側(cè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件 圍巖應(yīng)力與位移的彈塑性分析圍巖應(yīng)力與位移的彈塑性分析 1.概述概述 圍巖破壞的兩種情況

36、：圍巖破壞的兩種情況： 拉裂破壞拉裂破壞，圍巖局部區(qū)域的拉應(yīng)力達(dá)到了，圍巖局部區(qū)域的拉應(yīng)力達(dá)到了抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生局部受拉分離破壞；抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生局部受拉分離破壞； 剪切破壞剪切破壞，局部區(qū)域的剪應(yīng)力達(dá)到巖體抗，局部區(qū)域的剪應(yīng)力達(dá)到巖體抗剪強(qiáng)度，從而使這部分圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，剪強(qiáng)度，從而使這部分圍巖進(jìn)入塑性狀態(tài)，但其余部分圍巖仍然處于彈性狀態(tài)。但其余部分圍巖仍然處于彈性狀態(tài)。 設(shè)計(jì)人員可以通過改變隧洞形狀和軸比來設(shè)計(jì)人員可以通過改變隧洞形狀和軸比來消除圍巖中的拉應(yīng)力，所以一般情況下，消除圍巖中的拉應(yīng)力，所以一般情況下，圍巖破壞主要是剪切破壞圍巖破壞主要是剪切破壞。 進(jìn)入塑性狀態(tài)的圍巖分為兩部分進(jìn)入

37、塑性狀態(tài)的圍巖分為兩部分 ： 塑性承載區(qū)塑性承載區(qū) （外圈），與開挖前的初始（外圈），與開挖前的初始應(yīng)力相比應(yīng)力相比 , ,外圈的應(yīng)力高于初始應(yīng)力，它外圈的應(yīng)力高于初始應(yīng)力，它與圍巖彈性區(qū)中應(yīng)力升高部分合在一起稱與圍巖彈性區(qū)中應(yīng)力升高部分合在一起稱作圍巖承載區(qū)作圍巖承載區(qū) 。 塑性松動(dòng)區(qū)塑性松動(dòng)區(qū) （內(nèi)圈），松動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)力和（內(nèi)圈），松動(dòng)區(qū)內(nèi)應(yīng)力和強(qiáng)度都有明顯下降，裂隙擴(kuò)張?jiān)龆?，容積強(qiáng)度都有明顯下降，裂隙擴(kuò)張?jiān)龆?，容積擴(kuò)大，出現(xiàn)了明顯的塑性滑移，這時(shí)沒有擴(kuò)大，出現(xiàn)了明顯的塑性滑移，這時(shí)沒有足夠的支護(hù)抗力就不能使圍巖維持平衡狀足夠的支護(hù)抗力就不能使圍巖維持平衡狀態(tài)。態(tài)。 2.軸對(duì)稱應(yīng)力條件下圍巖應(yīng)

38、力的彈塑性分軸對(duì)稱應(yīng)力條件下圍巖應(yīng)力的彈塑性分析析 概述概述 塑性區(qū)滿足平衡方程與塑性條件，塑性區(qū)外圍的塑性區(qū)滿足平衡方程與塑性條件，塑性區(qū)外圍的彈性區(qū)滿足平衡方程和彈性條件，在彈性區(qū)與塑彈性區(qū)滿足平衡方程和彈性條件，在彈性區(qū)與塑性區(qū)交界處既滿足彈性條件又滿足塑性條件。性區(qū)交界處既滿足彈性條件又滿足塑性條件。 軸對(duì)稱條件下，塑性區(qū)為一個(gè)等厚度圓軸對(duì)稱條件下，塑性區(qū)為一個(gè)等厚度圓 塑性區(qū)求解塑性區(qū)求解平衡方程平衡方程塑性條件塑性條件邊界條件邊界條件0rrrrsin1sin1cotcotrcciprp?當(dāng)r=r0時(shí)塑性區(qū)應(yīng)力塑性區(qū)應(yīng)力cot)cot(sin1sin20crrcpiprcotsin1

39、sin1)cot(sin1sin20crrcpip 支護(hù)抗力與塑性區(qū)的半徑支護(hù)抗力與塑性區(qū)的半徑設(shè)塑性區(qū)的半徑為r0，在彈、塑性區(qū)的界面上（r=r0），0rprer0pe彈性區(qū)（ ）的應(yīng)力為0rr grrpurrrrprrrrprererer2)(112002202200220220000002peer02pppr彈塑性邊界上的應(yīng)力滿足02ppprsin1sin1cotcotccppr聯(lián)立兩式解得0000002cos)sin1 (cos)sin1 (rrpcpcp支護(hù)抗力與塑性區(qū)半徑的關(guān)系支護(hù)抗力與塑性區(qū)半徑的關(guān)系sin2sin1000sin1sin2000cot)sin1)(cot(cot)

40、sin1)(cot(cpcprrcrrcppii結(jié)論：塑性區(qū)半徑越小，支護(hù)抗力越大；反之依然；在圍巖穩(wěn)定的前提下，擴(kuò)大塑性區(qū)半徑，可降 低為維持極限平衡狀態(tài)所需的支護(hù)抗力，從而 充分發(fā)揮了圍巖的自承作用。 位移分析位移分析 松動(dòng)區(qū)半徑松動(dòng)區(qū)半徑 設(shè)松動(dòng)區(qū)與承載區(qū)界面處的半徑為r，松動(dòng)區(qū)邊界上環(huán)向正應(yīng)力為原巖應(yīng)力，即 0sin1sin20cotsin1sin1)cot(pcrrcpi解得sin2sin10sin2sin100sin11)sin1)(cot()sin1)(cot(rcpcprri 圍巖彈塑性變形壓力圍巖彈塑性變形壓力 圍巖松動(dòng)區(qū)內(nèi)的滑裂面為一對(duì)對(duì)數(shù)螺線。 假設(shè)松動(dòng)區(qū)內(nèi)強(qiáng)度己大大下降，滑移巖體已無絲毫自承作用，松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑移體的全部重量要由支護(hù)抗力來承受，由此有 ，如果考慮到實(shí)際情況下，真正作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力應(yīng)當(dāng)是松動(dòng)區(qū)的重力與承載區(qū)傳遞過來的變形壓力相疊加，簡化考慮，取 gbpigbpi22)(0rrbg0rrpi彈塑性變形壓力彈塑性變形壓力為為巖爆巖爆 高天然應(yīng)力的彈脆性巖體地下開挖工程開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用周邊巖體中應(yīng)力高度集中，積聚于較高的彈性應(yīng)變能當(dāng)開挖體圍巖中應(yīng)力超過巖體的容許極限狀態(tài)1.巖爆的產(chǎn)生條件巖爆的產(chǎn)生條件1)1)圍巖應(yīng)力條件圍巖應(yīng)力條件 判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法：判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法：一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力