隧道工程第4章-隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力課件

第四章隧道圍巖分級(jí)及圍巖壓力『4.1▎巖石的地質(zhì)特征『4.2▎巖體的物理、力學(xué)性質(zhì)『4.3▎隧道圍巖分級(jí)隧道工程SUIDAOGONGCHENG『4.4▎圍巖壓力計(jì)算

巖石是由具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的礦物（含結(jié)晶和非結(jié)晶的）集合體組成的。巖石的力學(xué)性質(zhì)主要取決于組成巖石的礦物成分及其相對(duì)含量。一般來(lái)說(shuō)，含硬度大的粒柱狀礦物（如石英、長(zhǎng)石、角閃石、輝石等）越多，則巖石強(qiáng)度越高；含硬度小的片狀礦物（如云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石等）越多時(shí)，則巖石強(qiáng)度越低?！?.1▎巖石的地質(zhì)特征『4.1.1▎巖石的物質(zhì)組成

隧道圍巖指隧道周圍一定范圍內(nèi)，對(duì)隧道穩(wěn)定性能產(chǎn)生影響的巖（土）體。

隧道圍巖分級(jí)是正確進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)計(jì)算及施工組織的基礎(chǔ)。常見的硅酸鹽類礦物:長(zhǎng)石、輝石、角閃石、橄欖石及云母和粘土礦物等。這類礦物除云母和粘土礦物外，硬度大，呈粒、柱狀晶形。因此，含這類礦物多的巖石如花崗巖、閃長(zhǎng)巖及玄武巖等，強(qiáng)度高，抗變形性能好。但該類礦物在各種風(fēng)化用力下，易風(fēng)化成高嶺石、水云母等。長(zhǎng)石輝石角閃石橄欖石云母云母

粘土礦物屬層狀硅酸鹽礦物，主要有高嶺石、水云母及蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構(gòu)造，硬度小，含這類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質(zhì)巖，物理力學(xué)性質(zhì)差，并具有不同程度的脹縮性。蒙脫石←高嶺石碳酸鹽類礦物是石灰?guī)r和白云巖類的主要造巖礦物。物理力學(xué)性質(zhì)取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，如純灰?guī)r、白云巖等強(qiáng)度高、抗變形和抗風(fēng)化性能都比較好。泥質(zhì)含量高的，如泥質(zhì)炭巖等，力學(xué)性質(zhì)較差?！?guī)r白云巖氧化物類礦物以石英最常見，是地殼巖石的主要造巖礦物，呈等軸晶系，硬度大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。石英含量增加，巖石的強(qiáng)度和抗變形性能都明顯增強(qiáng)。石英巖石英巖

巖石的礦物組成與其成因類型密切相關(guān)。

巖漿巖物理力學(xué)性質(zhì)一般都很好。

沉積巖

粗碎屑巖除與碎屑成分有關(guān)外，還取決于膠結(jié)物成分及其類型。細(xì)碎屑巖力學(xué)性質(zhì)一般很差。

變質(zhì)巖

淺變質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較差。深變質(zhì)力學(xué)性質(zhì)較好?！?.1.2▎巖石的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

巖石結(jié)構(gòu)：巖石內(nèi)礦物顆粒大小、形狀、粒間連接方式等巖石構(gòu)造:礦物集合體之間排列方式，

如沉積巖的微層狀、變質(zhì)巖的片狀.巖石的粒間連結(jié)結(jié)晶連結(jié)膠結(jié)連結(jié)結(jié)晶通過(guò)共用原子/離子使不同晶粒緊密接觸，強(qiáng)度較高

膠接通過(guò)膠接物，硅質(zhì)>鈣質(zhì)>泥質(zhì)『4.1.3▎巖石的風(fēng)化程度

分為5類，即全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱/中風(fēng)化、微風(fēng)化和未風(fēng)化

風(fēng)化程度確定

通過(guò)定性指標(biāo)和定量指標(biāo)

定性指標(biāo)：顏色、破碎程度等

定量指標(biāo)：波速比Kv和風(fēng)化系數(shù)Kf

波速比為風(fēng)化巖石與新鮮巖石的波速的比值

風(fēng)化系數(shù)為風(fēng)化巖石與新鮮巖石的單軸抗壓強(qiáng)的比值『4.1.4▎巖體的結(jié)構(gòu)類型

巖體由結(jié)構(gòu)面及巖石組成。性質(zhì)取決于結(jié)構(gòu)面密度、連續(xù)性及其組合關(guān)系。分5類,整體塊狀、塊狀、層狀、碎裂狀、散體狀『4.2▎巖石的物理力學(xué)性質(zhì)『4.2.1▎巖石的物理性質(zhì)巖石重度是指單位體積內(nèi)巖石的重量，單位為kN/m3。1．巖石的重度

分干重度γd、天然重度γ和飽和重度γsat.巖石中的孔隙及裂隙統(tǒng)稱為巖石的空隙。有開型空隙和閉型空隙之分。與此相對(duì)應(yīng)，可把巖石的空隙率分為總空隙率（n）、開空隙率（no）及閉空隙率（nc）幾種，各自的含義如下：2．巖石的空隙性

(4-2)(4-3)(4-4)一般巖石空隙率系指總空隙率，常見巖石的空隙率見表4-3。一般來(lái)說(shuō)，空隙率愈大，巖石的強(qiáng)度愈小、塑性變形和滲透性質(zhì)進(jìn)一步惡化。巖石在一定的試驗(yàn)條件下吸收水分的能力，稱為巖石的吸水性。常用吸水率與飽水系數(shù)指標(biāo)表示。3．巖石的吸水性

巖石的吸水率（wa）是指巖石試件在一個(gè)大氣壓和室溫條件下自由吸入水的重量（Ww1）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-5)巖石的吸水率大小主要取決于巖石中空隙和裂隙的數(shù)量、大小及其開啟程度，同時(shí)還受到巖石成因、時(shí)代及巖性的影響。常見巖石的吸水率見表4-3。

巖石的飽和吸水率（wsa）是指巖石試件在高壓（一般壓力15MPa）或真空條件下吸入水的重量（Ww2）與巖樣干重量（Ws）之比的百分率，即(4-6)巖石的飽和吸水率是表示巖石物理性質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)。它反映了巖石總開空隙的發(fā)育程度，可間接地用它來(lái)判定巖石的抗風(fēng)化能力和抗凍性。

飽水系數(shù)是指巖石的吸水率與飽和吸水率的比值。巖石浸水飽和后強(qiáng)度降低的性質(zhì)，稱為軟化性，用軟化系數(shù)（ηc）表示。即巖石試件的飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）與干抗壓強(qiáng)度（σc）的比值，即:4．巖石的軟化性

(4-7)巖石的軟化性取決于巖石的礦物組成與空隙性，常見巖石的軟化系數(shù)見表4-3，由表可知，巖石均具有不同程度的軟化性。一般認(rèn)為，軟化系數(shù)ηc<0.75的巖石是軟化性較強(qiáng)和工程地質(zhì)性質(zhì)較差的巖石?！?.2.2▎巖石的強(qiáng)度性質(zhì)巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強(qiáng)度根據(jù)破壞時(shí)的應(yīng)力類型，巖石的破壞有拉破壞、剪切破壞和流動(dòng)三種基本類型。由于受力狀態(tài)的不同，巖石的強(qiáng)度也不同，如單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、三軸壓縮強(qiáng)度等等。1．單軸抗壓強(qiáng)度

在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應(yīng)力，稱為單軸抗壓強(qiáng)度，簡(jiǎn)稱抗壓強(qiáng)度。巖塊的抗壓強(qiáng)度通常是采用標(biāo)準(zhǔn)試件在壓力機(jī)上加軸向荷載，直至試件破壞。如設(shè)試件破壞時(shí)的荷載為Pc（N），橫斷面面積為A(mm2)，則巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc(MPa)為：(4-8)除抗壓試驗(yàn)外，還可用點(diǎn)荷載試驗(yàn)和不規(guī)則試件的抗壓試驗(yàn)間接的求巖石的Rc。如用點(diǎn)荷載試驗(yàn)求Rc時(shí)，常用如下的經(jīng)驗(yàn)公式換算：(4-9)式中Is(50)為直徑為50mm標(biāo)準(zhǔn)試件的點(diǎn)荷載強(qiáng)度。巖石的抗壓強(qiáng)度受一系列因素影響和控制。一是巖石本身性質(zhì)方面的因素，如礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造（顆粒大小、連結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育特征等）、密度及風(fēng)化程度等；二是試驗(yàn)條件方面的因素，主要包括試件的幾何形狀及加工精度、加荷速率、端面條件、試驗(yàn)溫度及濕度等。2．三軸抗壓強(qiáng)度

試件在三向壓應(yīng)力作用下能抵抗的最大的軸向應(yīng)力，稱為巖石的三軸壓縮強(qiáng)度。在一定的圍壓σ3下，對(duì)試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)時(shí)，如設(shè)試件破壞時(shí)的荷載為Pm(N)，橫斷面面積為A(mm2)，巖石的三軸壓縮強(qiáng)度σ1m(MPa)為：(4-10)根據(jù)一組試件（4個(gè)以上）試驗(yàn)得到三軸壓縮強(qiáng)度σ1m和相應(yīng)的圍壓σ3，在σ-τ坐標(biāo)系中可繪制出一組破壞應(yīng)力圓及其公切線，即得巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線（圖4-1）。包絡(luò)線與σ軸的交點(diǎn)，稱為包絡(luò)線的頂點(diǎn)，除頂點(diǎn)外，包絡(luò)線上所有點(diǎn)的切線與σ軸的夾角及其在τ軸上的截距分別代表相應(yīng)破壞面的內(nèi)摩擦角(φ)和內(nèi)聚力(C)。當(dāng)圍壓不大時(shí)，巖石的強(qiáng)度包絡(luò)線?？山频匾暈橐恢本€，據(jù)此，可求得巖石強(qiáng)度參數(shù)σ1m、C、φ與圍壓σ3間的關(guān)系為：σ圖4-1巖石莫爾強(qiáng)度包絡(luò)線(4-11)『4.2.3▎巖石的變形性質(zhì)巖石變形性質(zhì)可用巖石變形試驗(yàn)所得到的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系及變形模量、泊松比等參數(shù)來(lái)表示。彈性變形巖石變形塑性變形流變變形圖4-2巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^(guò)程曲線根據(jù)各類應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以確定巖石的變形模量和泊松比等變形參數(shù)。變形模量是指單軸壓縮條件下，軸向壓應(yīng)力與軸向應(yīng)變之比，其確定方法如圖4-3。圖4-3巖石變形模量確定方法示意圖當(dāng)巖石應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)橹本€關(guān)系時(shí)(圖4-3a)，巖石的變形模量E(Mpa)為：(4-12)當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變?yōu)榉侵本€關(guān)系時(shí)，巖石的變形模量為一變量（圖4-3b），即不同應(yīng)力段上的變形量不同。常用的有如下幾種。1)初始模量(Ei)指曲線原點(diǎn)處的切線斜率，即:(4-13)2)切線模量(Et)指曲線上任一點(diǎn)處切線的斜率，一般特指中部直線段的斜率，即(4-14)3)割線模量(Es)指曲線某特定點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，通常取σc/2處的點(diǎn)與原點(diǎn)連線的斜率，即(4-15)泊松比（m）是指在單軸壓縮條件下，橫向應(yīng)變（ed）與軸向應(yīng)變eL之比，即(4-16)巖石的變形模量和泊松比受巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、風(fēng)化程度、空隙性、含水率、微結(jié)構(gòu)面及其與荷載方向的關(guān)系等多種因素的影響，變化較大。當(dāng)垂直于層理、片理等微結(jié)構(gòu)面方向加荷時(shí)，變形模量最小，而平行微結(jié)構(gòu)面加荷時(shí)，其變形模量最大。兩者的比值，沉積巖一般為1.08～2.05；變質(zhì)巖為2.0左右。還有一些從不同角度反映巖石變形性質(zhì)的參數(shù)。如剪切模量（G）、彈性抗力系數(shù)（K）、拉梅常數(shù)（λ）及體積模量（KV）等。這些參數(shù)與變形模量（E）及泊松比（μ）之間有如下關(guān)系:(4-17)(4-18)(4-19)(4-20)式中R0——為地下洞室半徑?！?.2.3▎巖石的流變?nèi)渥兯神Y彈性后效巖石的流變?cè)趹?yīng)力為恒定的情況下巖石變形隨時(shí)間發(fā)展的現(xiàn)象。指在形變保持恒定的情況下巖石應(yīng)力隨時(shí)間而減少的現(xiàn)象。指在卸載過(guò)程中彈性應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象。巖石的蠕變分為穩(wěn)定蠕變和不穩(wěn)定蠕變。圖4-4在10Mpa的常應(yīng)力及常溫下幾種巖石的典型蠕變曲線軟弱巖石的典型蠕變曲線可分為三個(gè)階段。第I階段（AB段）初始蠕變段：初始應(yīng)變速率最大，隨后則逐漸減小，應(yīng)變與時(shí)間大致呈對(duì)數(shù)關(guān)系，即ε∝lgt；第II階段(BC段)：變形緩慢，應(yīng)變與時(shí)間近于線性關(guān)系，也稱等速蠕變段或穩(wěn)定蠕變段；第III階段(C點(diǎn)以后)：應(yīng)變速率迅速增加，變形無(wú)限發(fā)展，直致巖石產(chǎn)生破壞，稱為加速蠕變段。圖4-5軟弱巖石典型的蠕變曲線

巖石的蠕變還受其承受的應(yīng)力大小影響。臨界荷載即巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，對(duì)工程很有意義。對(duì)于隧道工程，開挖后圍巖變形初始速率最大，以后逐漸減小，應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線呈上凸形。隨著變形速率的遞減，圍巖的變形越來(lái)越小，一般認(rèn)為，當(dāng)變形速率小于0.1mm/d時(shí)，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)?！?.3▎隧道圍巖分級(jí)『4.3.1▎現(xiàn)行公路隧道圍巖分級(jí)方法現(xiàn)行《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)定隧道圍巖分級(jí)的綜合評(píng)判方法采用兩步分級(jí)。初步分級(jí)—巖石的堅(jiān)硬程度和巖體完整程度修正—地下水、軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、初始應(yīng)力狀態(tài)

★

共分6級(jí)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ

圍巖越來(lái)越差1.巖石的堅(jiān)硬程度

巖石堅(jiān)硬程度定量指標(biāo)用巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度Rc表達(dá)。Rc一般采用實(shí)測(cè)值，若無(wú)實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用實(shí)測(cè)的巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)IS(50)來(lái)?yè)Q算。

Kv=(vpm/vpr)2

(4-21)若無(wú)探測(cè)值時(shí)，可用巖體體積節(jié)理數(shù)對(duì)應(yīng)的值。2.巖體的完整程度巖體完整程度的定量指標(biāo)用巖體完整性系數(shù)Kv(巖體彈性縱波速度與巖石縱波速度比值的平方)表達(dá):3.圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)[BQ]應(yīng)根據(jù)分級(jí)因素的定量指標(biāo)Rc值和Kv值按下式計(jì)算：BQ=90+3Rc+250Kv

(4-22)當(dāng)Rc>90Kv+30時(shí)，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)計(jì)算BQ值；當(dāng)Kv>0.04Rc+0.4時(shí)，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)計(jì)算BQ值。當(dāng)隧道圍巖處于高地應(yīng)力區(qū)或圍巖穩(wěn)定性受軟弱結(jié)構(gòu)面影響，且由一組起控制作用或有地下水作用時(shí)，應(yīng)對(duì)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ進(jìn)行修正，修正值[BQ]按下式計(jì)算：[BQ]=BQ–100（K1+K2+K3）(4-23)式中K1——地下水影響修正系數(shù)；K2——主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3——初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。4.各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)及自穩(wěn)能力各級(jí)圍巖的物理力學(xué)參數(shù)可按表4-14選用，結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度按表4-15選用；各級(jí)圍巖的自穩(wěn)能力根據(jù)表4-16作大致評(píng)判?！?.3.2▎普氏圍巖分類法普氏方法是以巖石強(qiáng)度指標(biāo)為基礎(chǔ)的圍巖分類法。普氏認(rèn)為：所有圍巖都不同程度地被節(jié)理、裂隙所切割，因此，可視圍巖為散粒體。但圍巖又不同于一般的散粒體，還存在不同程度的粘結(jié)力（內(nèi)聚力）。堅(jiān)固性系數(shù)（又叫似摩擦系數(shù)或普氏系數(shù)）：(4-24)對(duì)于松散性巖石、土及砂質(zhì)土：(4-25)對(duì)于堅(jiān)硬巖石：(4-26)對(duì)于軟巖：(4-27)對(duì)于粘土或黃土：(4-28)普氏按fup值進(jìn)行圍巖分類（表4-17）。圍巖的fup不僅由巖石強(qiáng)度決定，而應(yīng)當(dāng)是由巖體強(qiáng)度決定，即：

fup巖體＝k×fup巖石

(4-29)

k——考慮地質(zhì)條件的修正系數(shù),實(shí)質(zhì)是折減系數(shù)。

『4.3.3▎太沙基圍巖分類法太沙基分類是以巖體構(gòu)造、巖體地質(zhì)特征為依據(jù)進(jìn)行分類的。分類是以有水條件為基礎(chǔ)，當(dāng)無(wú)水時(shí)，表中第4~7欄圍巖的地壓值要降低50%。目前，歐美各國(guó)的地下工程中，仍廣泛地采用泰沙基圍巖分類方法。4.4隧道圍巖壓力4.4.1

圍巖壓力及成拱作用2.圍巖壓力的概念

人們對(duì)圍巖壓力的認(rèn)識(shí)是從開挖洞穴后圍巖的變形和坍塌的現(xiàn)象開始的。分區(qū)破裂化現(xiàn)象(深部)定義：地下洞室開挖后由于圍巖的變形松動(dòng)和破壞以及地應(yīng)力而作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)或襯砌上的壓力。圍巖壓力大，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞隧道涌水，圍巖塌方，支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞圍巖（松動(dòng)）壓力分布圖松動(dòng)壓力形變壓力圍巖壓力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。豎向壓力側(cè)向壓力由于開挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。影響因素工程地質(zhì)條件巖體的強(qiáng)度埋置深度時(shí)間效應(yīng)斷面的形狀及尺寸支護(hù)結(jié)構(gòu)形式施工方法水文地質(zhì)條件巖性、構(gòu)造等涌水、沽水花崗巖、頁(yè)巖、灰?guī)r、泥巖淺埋、深埋支護(hù)時(shí)間大斷面、中斷面、小斷面噴錨、噴錨+鋼支撐全斷面法、臺(tái)階法、分部開挖法3.圍巖壓力的產(chǎn)生

原始應(yīng)力狀態(tài)：隧道開挖前，地層中各點(diǎn)的應(yīng)力保持著相對(duì)的平衡，地層處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)。圖4-6隧道開挖前任一點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)在上覆地層自重作用下，豎直壓力Pz為：(4-30)側(cè)向壓力Px、Py：(4-31)式中ξ

——側(cè)壓力系數(shù)。實(shí)際地層分層：(4-32)式中μ

——地層巖石的泊松比。隧道開挖后：圍巖平衡狀態(tài)受到破壞——圍巖應(yīng)力及應(yīng)變開始新的變化運(yùn)動(dòng)——圍巖應(yīng)力重分布和圍巖向開挖空間的變形——達(dá)到新的平衡。4.圍巖壓力的確定方法直接測(cè)量法經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法圍巖壓力確定方法理論估算法抵抗圍巖變形的能力影響變形大小的因素應(yīng)力變化的大小初支圍巖直接壓力量測(cè)二襯壓力直接量測(cè)（1）圍巖壓力直接量測(cè)法普氏理論認(rèn)為坍落拱呈拋物線狀，其高度為：(4-33)式中

h——坍落拱高度(m)；b——隧道跨度B的一半(m)；fup——普氏系數(shù)。（2）經(jīng)驗(yàn)法或工程類比法我國(guó)現(xiàn)行隧道設(shè)計(jì)規(guī)范用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法給出計(jì)算各級(jí)圍巖坍塌高度的經(jīng)驗(yàn)公式：h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)](4-34)式中S——圍巖級(jí)別；B——隧道寬度(m)；i——B每增減1m時(shí)圍巖壓力的增減率，以B=5m的圍巖垂直均布?jí)毫闇?zhǔn)，當(dāng)B＜5m時(shí)，取i=0.2；當(dāng)B＞5m時(shí)，取i=0.1。鐵路新規(guī)范：?jiǎn)尉€：q=γh=0.41×1.79ss—圍巖級(jí)別，由全國(guó)1048座鐵路隧道得出的經(jīng)驗(yàn)公式雙線：q=γh=γ×0.45×2S-1×[1+i(B-5)]公路新規(guī)范：例題：某深埋隧道跨度10m，圍巖為Ⅳ級(jí)，圍巖容重為20KN/m3，試用公路、鐵路規(guī)范計(jì)算其松動(dòng)圍巖壓力。公路新規(guī)范：q=γh=20×0.45×2S-1×[1+i(B-5)]=108kPa鐵路新規(guī)范：q=γh=20×0.45×2S-1×[1+i(B-5)]=108kPaq=γh=γ×0.45×2S-1×[1+i(B-5)]q=γh=20×0.41×1.79s=84.18kN單線時(shí)：跨度小于雙線，6-8m5、圍巖壓力分布特征6.圍巖的成拱作用隧道開挖后圍巖力學(xué)形態(tài)將經(jīng)歷“平衡—變形、破壞、坍塌—應(yīng)力重分布——新的平衡”的過(guò)程，這種過(guò)程的最終產(chǎn)物就是人們所熟知的“坍落拱”或“平衡拱”（圖4-7）。其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，并將荷載重力向側(cè)傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。坍落拱Hh圖4-7圍巖的成拱作用『4.4.2▎深埋隧道圍巖壓力計(jì)算1.松動(dòng)壓力計(jì)算Ⅴ級(jí)及Ⅵ級(jí)圍巖產(chǎn)生的圍巖壓力一般為松動(dòng)壓力，Ⅳ級(jí)圍巖當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面膠結(jié)不好時(shí)，也可能產(chǎn)生松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力包括垂直壓力及水平壓力，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，一般均按均布?jí)毫τ?jì)算。垂直壓力的計(jì)算公式如下：(4-35)式中q——垂直均布?jí)毫Γ↘N/m2）；γ——圍巖重度（kN/m3）；h——坍落拱高度（m），按式（4-34）計(jì)算。水平壓力可按表4-19確定：(0.5~1.0)q(0.3~0.5)q(0.15~0.3)q<0.15q0水平勻布?jí)毫ⅥⅤⅣⅢⅠ、Ⅱ圍巖級(jí)別表4-19圍巖水平勻布?jí)毫ψⅲ翰捎檬?3-35)及表4-19計(jì)算深埋隧道圍巖壓力時(shí)，必須同時(shí)具備兩個(gè)條件，即：①H/B<1.7，式中H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度；②不產(chǎn)生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道。2.形變壓力計(jì)算（1）形變壓力：Ⅳ級(jí)以下圍巖在開挖后變形的發(fā)展會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過(guò)程中對(duì)圍巖提供支護(hù)，從而使圍巖保持穩(wěn)定。與此同時(shí)，噴層將受到來(lái)自圍巖的擠壓力，這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱做“形變壓力”。特點(diǎn)：圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用。（2）計(jì)算：可采用有限元法、有限差分法等計(jì)算。『4.4.3▎淺埋隧道圍巖壓力計(jì)算1.淺埋或深埋隧道的確定淺埋和深埋隧道的分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。荷載等效高度值的計(jì)算公式如下：Hp=(2~2.5)hq

(4-36)式中Hp——淺埋隧道分界深度（m）；hq——荷載等效高度(m)，；q為用式（4-35）算出的深埋隧道垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；g為圍巖重度（kN/m3）。在礦山法施工的條件下，Ⅳ~Ⅵ級(jí)圍巖取Hp=2.5

hq

；Ⅰ~Ⅲ級(jí)圍巖取Hp

=2hq。H≥Hp,深埋H<Hp,淺埋2.

埋深小于或等于等效荷載高度時(shí)的圍巖壓力計(jì)算當(dāng)隧道埋深（H）小于或等于等效荷載高度hq時(shí)，荷載視為均布垂直壓力,按下式計(jì)算：q=γH

(4-37)式中q——垂直均布?jí)毫Γ╧N/m2）；

g——隧道上覆圍巖重度（kN/m3）；

H——隧道埋深(m)，指坑頂至地面的距離。側(cè)向壓力e按均布考慮時(shí)其值為：(4-38)式中e——側(cè)向均布?jí)毫Γ╧N/m2）；Ht——隧道高度（m）；φc——圍巖計(jì)算摩擦角(°)，其值見表4-14。3.

埋深大于等效荷載高度時(shí)的圍巖壓力計(jì)算當(dāng)隧道埋深大于等效荷載高度hq而小于等于分界深度Hp時(shí)，為了便于計(jì)算，假定圍巖中形成的破裂面是一條與水平成β角的斜直線（圖4-8）。EFHG巖土體下沉，帶動(dòng)兩側(cè)三棱土體FDB和ECA下沉，整個(gè)巖土體ABDC下沉?xí)r，又要受到未擾動(dòng)巖土體的阻力；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φ；另一滑面FH或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力要