1、隧 道 工 程第四章 圍巖分級與圍巖壓力湘潭大學土木工程與力學學院第4章 隧道圍巖分級與圍巖壓力學習本章的學習本章的目的目的： （1 1）了解巖石的地質特性和物理力學性質）了解巖石的地質特性和物理力學性質 （2 2）了解隧道圍巖分級時考慮的因素）了解隧道圍巖分級時考慮的因素 （3 3）掌握隧道圍巖壓力的計算方法）掌握隧道圍巖壓力的計算方法 （4 4）理解隧道圍巖穩定性的影響因素）理解隧道圍巖穩定性的影響因素第4章 隧道圍巖分級與圍巖壓力重點/掌握重點/難點/掌握什么是圍巖？什么是圍巖？隧道開挖后對其隧道開挖后對其穩定性穩定性產產生影響的那部分巖生影響的那部分巖( (土土) )體，叫圍巖。圍巖既

2、體，叫圍巖。圍巖既指指巖體也指土體巖體也指土體。隧道圍巖分級作用隧道圍巖分級作用 判斷圍巖穩定性判斷圍巖穩定性 判斷施工難易程度，投資依據判斷施工難易程度，投資依據 結構分析計算的依據結構分析計算的依據概述 巖石巖石是由具有一定結構構造的礦物（是由具有一定結構構造的礦物（含結晶和非結晶含結晶和非結晶的的）集合體組成的）集合體組成的。 巖石的力學性質取決于礦物成分及其相對含量。含硬度大的粒柱狀礦物越多，則巖石強度越高；如石英、長石、角閃石、輝石等含硬度小的片狀礦物越多，則巖石強度越低. 如云母、綠泥石、蒙脫石和高嶺石等 地殼巖石中以硅酸鹽硅酸鹽、碳酸鹽碳酸鹽及氧化類礦物氧化類礦物最為常見，約占了

3、99.9%4.1 巖石的地質特征 常見的硅酸鹽類礦物硅酸鹽類礦物有長石、輝石、角閃石、橄欖長石、輝石、角閃石、橄欖石石及云母云母和粘土礦物粘土礦物等。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、閃長巖及玄武巖等，強度高，抗變形性能好。 但在各種風化用力下,易風化成高嶺石、水云母等.4.1 巖石的地質特征長石輝石4.1 巖石的地質特征角閃石橄欖石4.1 巖石的地質特征云母4.1 巖石的地質特征粘土礦物屬層狀硅酸鹽礦物，有高嶺石、水云母及蒙脫石三類，具薄片狀或鱗片狀構造，硬度小； 含這類礦物多的巖石如粘土巖、粘土質巖，物理力學性質差，并具有不同程度的脹縮

4、性。4.1 巖石的地質特征蒙脫石高嶺石4.1 巖石的地質特征 碳酸鹽類礦物是石灰巖和白云巖類的主要造巖礦物。物理力學性質取決于巖石中CaCO3及酸不溶物的含量。CaCO3含量越高，則強度高、抗變形和抗風化性能都比較好，如純灰巖、白云巖等；泥質含量高的，則力學性質較差，如泥質炭巖等。另外，碳酸鹽類礦物常發育巖溶現象。4.1 巖石的地質特征石灰巖白云巖4.1 巖石的地質特征 溶洞景觀4.1 巖石的地質特征 氧化物類礦物以石英石英最常見，是地殼巖石的主要造主要造巖礦物巖礦物，呈等軸晶系，硬度大，化學性質穩定。因此，一般隨石英含量增加，巖石的強度和抗變形性能都明顯增強。石英巖石英巖4.1 巖石的地質特

5、征 巖石的礦物組成與其成因類型密切相關巖石的礦物組成與其成因類型密切相關。 巖石成因有哪幾種？ 巖漿巖、沉積巖、變質巖三種 巖漿巖巖漿巖多以硬度大的粒柱狀硅酸鹽、石英等礦物為主，所以其巖石物理力學性質一般都很好。 沉積巖沉積巖中的粗碎屑巖如砂礫巖等。其碎屑多為硬度大的粒柱狀礦物，巖塊的力學性質除與碎屑成分有關外，在很大程度上取決于膠結物成分及其類型（鈣質膠結物成分及其類型（鈣質 鐵質鐵質 泥質）泥質）。 細碎屑巖如頁巖、泥巖等，礦物成分多以片狀的粘土礦物為主，其巖石力學性質一般很差。4.1 巖石的地質特征 變質巖變質巖的礦物組成與母巖類型及變質程度有關： 淺變質巖巖塊力學性質較差，如千枚巖、板

6、巖等多含片狀礦物（如絹云母、綠泥石及粘土礦物等）。 深變質巖力學性質較好，如片麻巖、混合巖、石英巖等，多以粒柱狀礦物（如長石、石英、角閃石等）為主。4.1 巖石的地質特征 分膠結和結晶連接。 結晶通過共用原子/離子使不同晶粒緊密接觸，強度較高 膠結通過膠結物， 硅質鈣質泥質巖石結構：巖石內礦物顆粒大小、形狀、粒間連接方式等巖石構造:礦物集合體之間排列方式， 如沉積巖的微層狀、變質巖的片狀.4.1 巖石的地質特征2.粒間連接方式1.定義1.風化的影響 隨風化程度的加深，巖石的孔隙率和變形隨著加大，強度降低，滲透性增強。4.1 巖石的地質特征 通過定性指標和定量指標 定性指標：顏色、破碎程度等 定

7、量指標：波速比Kv和風化系數Kf 波速比為風化巖石與新鮮巖石的波速的比值 風化系數為風化巖石與新鮮巖石的單軸抗壓強的比值2.風化程度確定4.1 巖石的地質特征 分為5類，即全風化、強風化、弱/中風化、微風化和未風化。4.1 巖石的地質特征3.風化程度的分類0.2 組織結構全部破壞，已風化成土狀，鍬鎬易挖掘，干鉆易鉆進，具可塑性殘積土0.20.4 結構基本破壞，但尚可辨認，有殘余結構強度，可用鎬挖，干鉆可鉆進全風化 結構大部分破壞，礦物成分顯著變化，風化裂隙很發育，巖體破碎，用鎬可挖，干鉆不易鉆進強風化0.8 結構部分破壞，沿節理面有次生礦物，風化裂隙發育，巖

8、體被切割成塊狀，用鎬難挖，巖芯鉆方可鉆進弱風化0.9 結構基本未變，僅節理面有渲染或略有變色，有少量風化裂隙微風化0.91.00.91.0 巖質新鮮，偶見風化痕跡未風化風化系數波速比風化程度參數指標野 外 特 征風化程度表4-1 巖石風化程度分類表1.概念 巖體由結構面及巖石組成。性質取決于結構面密度、連續性及其組合關系。巖石：均質、連續、基本各向同性巖體：非均質、不連續、各向異性，一般巖體強度巖石強度2.巖體與巖石區別3.巖體結構類型分5類,整體塊狀、塊狀、層狀、碎裂狀、散體狀4.1 巖石的地質特征不穩定結構可能產生滑塌。特別是巖層的彎張破壞及軟弱巖層的塑性變形接近均一的各

9、向異性體、其變形及強度特征受層面及巖層組合控制。可視為彈塑性體，穩定性較差有層理、片理、節理、常有層間錯動面層 狀板 狀多韻律的薄層及中厚層狀沉積巖、副變質巖層 狀結 構整體強度較高、結構面互相牽制。巖體基本穩定，接近彈性各向同性體只具有少量貫穿性較好的節理型隙，裂隙結構面間距0.71.5m。一般為23組，有少量分離體塊 狀柱 狀厚層狀沉積巖、正變質巖、塊狀巖漿巖、變質巖塊 狀結 構不穩定結構的局部滑動或坍塌洞室的巖爆整體性強度高，巖體穩定，可視為均質彈性各向同性以原生構造節理為主，多呈閉合型，裂隙結構面間距大于2.5 m，一般不超過12組，無危險結構面組成的落石掉塊巨 塊狀均質，巨塊狀巖漿巖

10、、變質巖，巨厚層沉積巖、正變質巖整 體塊 狀結 構可能發生的巖土工程問題巖土工程特征結構面發育情況主要結 構體 形狀巖體地質類型巖體結構類型表4-2 巖體結構類型劃分表易引起規模較大的巖體失穩、地下水加劇巖體失穩 完整性遭到極大破壞。穩定性極差，巖體屬性接近松散體介質 斷層破碎帶交叉。構造及風化裂隙密集、結構面及組合錯綜復雜，并多充填粘性土，形成許多大小不一的分離巖塊碎屑狀顆粒狀構造影響劇烈的斷層破碎帶，強風化帶、全風化帶散 體狀 結構易引起規模較大的巖體失穩、地下水加劇巖體失穩 完整性破壞較大，整體強度很低，并受斷裂等軟弱結構面控制，多呈彈塑性介質。穩定性很差 斷層、斷層破碎帶、片理、層理及

11、層間結構面較發育。裂隙結構面間距0.250.5m。一般在3組以上，由許多分離體碎 塊狀構造影響嚴重的破碎巖層碎 裂狀 結構可能發生的巖土工程問題巖土工程特征結構面發育情況主要結 構體 形狀巖體地質類型巖體結構類型(續)表4-2 巖體結構類型劃分表第4章 隧道圍巖分級與圍巖壓力指單位體積內巖石的重量，單位為kN/m3。 1 1巖石的重度巖石的重度VW(4-1)式中巖石重度（kN/m3）； W巖石試件的重量（kN）； V試件的體積（m3）。4.2 巖體的物理、力學性質 分干重度d、天然重度和飽和重度sat.在未指明含水狀態時,一般是指巖石的天然重度.常見巖石的天然重度見表4-3。0.240.740

12、.53.20.410.023.026.2頁 巖0.650.970.29.01.628.022.027.1砂 巖0.500.910.024.026.6礫 巖0.30.97.225.031.0玄武巖0.600.800.35.00.20.525.229.6閃長巖0.720.90.523.028.0花崗巖軟化系數c吸水率wa (%)空隙率n（%）巖石重度/（kN/m3）巖石類型表4-3 常見巖石的物理性質指標表0.940.98.724.028.0石英巖0.390.50.523.028.0泥質板巖0.44

13、0.83.021.027.0石英片巖0.750.92.223.030.0片麻巖0.650.940.13.00.325.021.027.0白云巖0.440.540.53.01.010.021.027.0泥灰巖0.700.927.023.027.7石灰巖巖石類型表4-3 常見巖石的物理性質指標表(續)軟化系數c吸水率wa (%)空隙率n（%）巖石重度/（kN/m3） 巖石中的孔隙孔隙及裂隙裂隙統稱為巖石的空隙。有開型空開型空隙隙和閉型空隙閉型空隙之分。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）：2 2巖石的空隙性

14、巖石的空隙性 %100)1(%100satdvVVn總空隙率 4.2 巖體的物理、力學性質 一般巖石空隙率系指總空隙率，見表4-3。空隙率愈大,巖石的強度愈小、塑性變形和滲透性惡化.%100VVnvooovccnnVVn%100式中 V、Vv、Vvo、Vvc分別表示巖石試件的體積及試件中空隙的總體積、開空隙體積及閉空隙體積。開空隙率 閉空隙率 4.2 巖體的物理、力學性質4.2 巖體的物理、力學性質指在一定的試驗條件下巖石吸收水分的能力吸收水分的能力，常用吸水吸水率率與飽水系數飽水系數指標表示。3 3巖石的吸水性巖石的吸水性對比土的含水率對比土的含水率 巖石的吸水率（巖石的吸水率（wa a）指

15、巖石試件在一個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100%1swaWWw 巖石的吸水率大小主要取決于巖石中空隙和裂隙的數量、大小及其開啟程度，同時還受到巖石成因、時代及巖性的影響。常見巖石的吸水率見表4-3。4.2 巖體的物理、力學性質 巖石的飽和吸水率巖石的飽和吸水率（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100%2swsaWWw 巖石的飽和吸水率是表示巖石物理性質的一個重要指標。它反映了巖石總開空隙的發育程度，可間接地用它來判定巖石的抗風化能力和抗凍性。 飽水系數飽水

16、系數是指巖石的吸水率與飽和吸水率的比值。4.2 巖體的物理、力學性質 指巖石浸水飽和后強度降低的性質，用軟化系數c表示。即巖石試件的飽和抗壓強度（Rc）與干抗壓強度（c）的比值，即:4 4巖石的軟化性巖石的軟化性 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見表4-3。由表可知，巖石均具有不同程度的軟化性。 一般認為，軟化系數c0.75的巖石是軟化性較強和工程地質性質較差的巖石。cccR4.2 巖體的物理、力學性質4.2 巖體的物理、力學性質 巖石抵抗外力破壞的能力稱為巖石的強度。巖石的破壞有拉破壞拉破壞、剪切破壞剪切破壞和流動破壞流動破壞巖石的強度有單軸抗壓強度單軸抗壓強度、

17、單軸抗拉強度單軸抗拉強度、剪切剪切強度強度、三軸壓縮強度三軸壓縮強度等等。1 1單軸抗壓強度單軸抗壓強度 在單向壓縮條件下，巖石能承受的最大壓應力，稱為單軸抗壓強度，簡稱抗壓強度。 抗壓強度是反映巖石基本力學性質的重要參數,與抗拉強度和剪切強度之間有著一定的比例關系.抗拉抗剪550堅硬巖，巖體完整，整體狀或巨厚層狀結構圍巖基本質量指標BQ或修正的圍巖基本質量指標BQ圍巖或土體主要定性特征圍巖級別表4-7 公路隧道圍巖分級注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級，如膨脹性圍巖、多年凍土等。1. 巖石的強硬程度 巖石堅硬程度用巖石單軸飽和抗壓強度單軸飽和抗壓強度R Rc c表達。Rc一般采用實測值，也可

18、采用巖石點荷載強度換算。（硬巖30MPa，軟巖60堅硬巖硬質石代表性巖石定性鑒定Rc/MPa名 稱表4-8 巖石堅硬程度劃分表4.3 圍巖分級1 )全風化的各種巖石；2 )各種半成巖錘擊聲啞，無回彈，有較深凹痕，手可捏碎；浸水后可捏成團350.15極破碎碎裂狀結構一般或差320350.350.15破碎中、薄層狀結構一般鑲嵌碎裂結構好0.40.23裂隙塊狀或中厚層結構節理、裂隙、層面、小斷層差1.00.42310200.550.35較破碎塊狀結構好或一般1.00.423塊狀或巨厚層狀結構節理、裂隙、層面差1.0123100.750.55較完整整體狀或巨厚層結構節理、裂隙、層面好或一般1.0120

19、.75完整平均間距 / m組數相應結構類型主要結構面類型主要結構面的結合程度結構面發育程度Jv /(條/m3)Kv名稱表4-9 巖體完整程度劃分表注：平均間距指主要結構面（1-2組）間距的平均值；結構類型劃分見表4-2。 節理較發育節理較發育4.3 圍巖分級3. 圍巖基本質量指標 圍巖基本質量指標BQ應根據分級因素的定量指標Rc值和Kv值按下式計算：BQ=90+3Rc+250Kv (4-22)4.3 圍巖分級4.3 圍巖分級 當Rc90Kv+30時，以Rc=90Kv+30和Kv代入式(4-22)計算BQ值； 當Kv0.04Rc+0.4時，以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入式(4-22)計算

20、BQ值。 當隧道圍巖處于高地應力區或圍巖穩定性受軟弱結構面影響，且由一組起控制作用或有地下水作用時，應對巖體基本質量指標BQ進行修正，修正值BQ按下式計算：注意：注意： 4.3 圍巖分級 BQ=BQ 100（K1+K2+K3） (4-23)式中K1地下水影響修正系數；K2主要軟弱結構面產狀影響修正系數； K3初始應力狀態影響修正系數。 K1、K2、K3值可分別按表4-10 4-12確定，無表中所列情況時，修正系數取0。表4-10 地下水影響修正系數K1 1.00.60.2淋雨狀或涌流狀出水，水壓0.1MPa或單位出水量10L/(minm)0

21、.1淋雨狀或涌流狀出水，水壓0.1MPa或單位出水量450BQ地下水出水狀態4.3 圍巖分級0.20.40K2其它組合結構面走向與洞軸線夾角60，結構面傾角 75結構面走向與洞軸線夾角30，結構面傾角30 75結構面產狀及其與洞軸線的組合關系0.51.00.51.0高應力區1.01.51.01.51.01.51.01.0極高應力區550初始應力狀態表4-11 主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2 表4-12 初始應力狀態影響修正系數K3 注：初始應力狀態根據表4-13判斷。BQ4.3 圍巖分級471)硬質巖：開挖過程中可能出現巖爆，洞壁巖體有剝離和掉塊現象，新

22、生裂縫較多，成洞性差；2) 軟質巖：巖芯時有餅化現象，開挖過程中洞壁巖體位移顯著，持續時間較長，成洞性差高應力41)硬質巖：開挖過程中有巖爆發生，有巖塊彈出，洞壁巖體發生剝離，新生裂縫多，成洞性差；2)軟質巖：巖芯常有餅化現象，開挖過程中洞壁巖體有剝離，位移極為顯著，甚至發生大位移，持續時間長，不易成洞極高應力Rc /max主要現象應力情況表4-13 高初始應力地區圍巖在開挖過程中出現的主要現象4.3 圍巖分級4.3 圍巖分級4. 各級圍巖的物理力學參數 各級圍巖的物理力學參數可按表4-14選用，結構面抗剪強度按表4-15選用30400.2200.40.51782.16033180028002

23、628計算摩擦角c()粘聚力C/MPa內摩擦角()泊松比變形模量E/GPa彈性抗力系數k/(MPa/m)重度 /(kN/m3)圍巖級別表4-14 各級圍巖物理力學指標標準值注：1.本表數值不包括黃土地層。 2.選用計算摩擦角時，不再計內摩擦角和粘聚力。4.3 圍巖分級0.050.2237堅硬巖，結合好1粘聚力C/MPa內摩擦角()兩側巖體的堅硬程度及結構面的結合程度序號表4-15 巖體結構面抗剪斷峰值強度 兩點說明：兩點說明： 設計階段：設計階段：采用修正后的圍巖分級。采用修正后的圍巖分級。 施工階段：施工階段：根據實際情況，進一步判定圍巖根據實際情況，進一步判定圍巖分級，依據仍然是：分級，依

24、據仍然是： 巖石堅硬程度圍巖完整狀態地下水軟弱結構面初始地應力4.3 圍巖分級 普氏方法是以巖石強度指標為基礎以巖石強度指標為基礎的圍巖分類. 普氏認為：所有圍巖都不同程度地被節理、裂隙所切割，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力（內聚力）. 普氏系數/圍巖堅固性fup值表達式為：cfup0tantan(4-24)式中、0圍巖的似摩擦角和內摩擦角； 、圍巖的抗剪強度和剪切破壞時的正應力； c圍巖的粘聚力。4.3 圍巖分級 巖石的堅固性系數是一個說明圍巖條件性質的籠統的指標。不同的巖石通常用不同的經驗計算公式求得：對于松散性巖石、土松散性巖石、土及砂質土砂質土：t

25、anupf對于堅硬巖石堅硬巖石：)150/1100/1 (cupRf對于軟巖軟巖：)100/180/1 (cupRf 對于粘土粘土或黃土黃土：tancupRcf式中 fup巖石堅固性系數； Rc巖石試件單軸飽和極限抗壓強度（MPa）； 土體內摩擦角； c土的粘結力。4.3 圍巖分級 普氏按堅固系數fup值進行圍巖分類 普氏圍巖分類法較簡單，因為fup是巖石強度指標的一個反映； 但普氏分類法沒有充分考慮圍巖體的構造因素及穩定性。因此，圍巖的fup不僅由巖石強度決定，而應當是由巖體強度決定，即： fup巖體kfup巖石 式中： k考慮地質條件的修正系數（實質是折減系數）。 4.3 圍巖分級0.20

26、.0.6301516濕砂、粘沙土、種植土、泥炭、輕型粘土1.24518密實粘土、堅硬的沖積土601820碎石土壤、破碎片石、粘結的卵石和碎石、硬化粘土2.54236524軟片巖、軟石灰巖、破碎砂巖、膠結的卵石、塊石土壤20.30.445347025不堅硬的片石、密實的泥灰巖、堅硬膠結的粘土30.30.457.546702528堅硬的板巖、不堅硬的砂巖及石灰巖，礫巖1068723025砂質片巖、片狀砂巖50.40.510158127524普通砂巖60.40.5152

27、512208025堅硬的石灰巖、大理巖，不堅硬的花崗巖8基層k2105側向k1105地層與襯砌間摩擦系數(側向)彈性壓縮系數/(kN/m3)似摩擦角()重度/(kN/m3)地層代表名稱表4-17 普氏按fup值的圍巖分類注：為圬工與圍巖間摩擦系數。fup 太沙基分類是以巖層狀態(巖體構造、巖體地質特征)為依據進行分類的。 圍巖的定性描述比較概括，每類圍巖都有一個相應的地壓范圍值。 分類是以有水條件為基礎，當無水時，表中第47欄圍巖的地壓值要降低50%。 目前，歐美各國的地下工程中，仍廣泛地采用太沙基圍巖分類方法。4.3 圍巖分級以坑道支護所需的地壓值為對象進行分類要用圓形支撐，激烈時采用可縮性

28、支撐與(B+Ht)無關，一般達80m以上9膨脹性地質條件有很大側壓，必要時修仰拱，推薦采用圓形支撐(2.104.50) (B+Ht)8同上，但覆蓋層較厚有很大側壓，必要時修仰拱，推薦采用圓形支撐(1.102.10) (B+Ht)7擠壓變形緩慢的巖層（覆蓋厚度中等）有一定側壓。由于漏水，隧道下部分變軟，支撐下部要作基礎。必要時可采用圓形支撐1.10(B+Ht)6完全破碎的，但不受化學侵蝕的側壓很小或沒有(0.351.10) (B+Ht)5裂隙較多，塊度小的巖層無側壓0.25B0.35(B+Ht)4有裂痕，塊度一般的巖層采用輕型支撐，荷載局部作用，變化不規則(00.25)B3大塊，有一般節理的采用

29、輕型支撐，荷載局部作用，變化不規則(00.5)B2堅硬的，呈層狀或片狀的巖層當有掉塊或巖爆時，可設輕型支撐01堅硬的，無損害的說 明巖石荷載高度(m)巖層狀態表4-18 太沙基圍巖分類表注：表中B、Ht分別為坑道寬度及高度。4.3 圍巖分級4.3 圍巖分級分類總結：（1）巖石堅固性系數分類（2）太沙基理論分類（3）鐵路圍巖分類（4）人工巖石硐室圍巖分類（5）水工隧道圍巖分類Sz6245. 00NzBnz)2135. 0(22第4章 隧道圍巖分級與圍巖壓力圍巖壓力圍巖壓力地層對洞室的作用力地層對洞室的作用力廣義：包括有、無支護時的壓力廣義：包括有、無支護時的壓力狹義：僅指對支護的壓力狹義：僅指對

30、支護的壓力1. 圍巖壓力的概念與分類4.4 圍巖壓力計算1 1松動壓力松動壓力2 2形變壓力形變壓力圍圍巖巖壓壓力力豎向壓力豎向壓力側向壓力側向壓力由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力由于圍巖變形受到與之密貼的支護如錨噴支護等的抑制，而使圍巖與支護結構共同變形過程中，圍巖對支護結構施加的接觸壓力。3 3膨脹壓力膨脹壓力膨脹性巖層膨脹性巖層4 4沖擊壓力沖擊壓力明洞明洞/ /落石落石/ /暗洞暗洞/ /坍方坍方/ /巖爆巖爆4.4 圍巖壓力計算 影響圍巖壓力的因素影響圍巖壓力的因素 地質因素地質因素 1.1.巖體初始應力狀態巖體初始應力狀態 2.2.巖石力學性質巖石力學

31、性質 3.3.巖體結構面巖體結構面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支護設置時間支護設置時間 3.3.支護本身剛度支護本身剛度 4.4.隧道斷面形狀等隧道斷面形狀等4.4 圍巖壓力計算2. 初始地應力場4.4 圍巖壓力計算 指隧道未開挖前，巖體的初始靜應力場。主要受兩個方面的影響： （1）和巖體的力學性質、構造特點、地形地貌、溫度、重力等緊密相關； （2）與地殼運動、地下水的變化、人類活動有關。4.4 圍巖壓力計算初始應力場T自重應力分量；構造應力分量T4.4 圍巖壓力計算重力應力場Hxzyxzy地面圖4-6 隧道開挖前任一點的應力狀態假定：巖體水

32、平成層，地面平坦，巖體物性參數在xy平面均質，沿z方向非均質4.4 圍巖壓力計算)()(0zdzzzHz)(zxx)(zyy0zxyzxy4.4 圍巖壓力計算zx1zy1由彈性空間胡克定理推導得到水平應力分量：4.4 圍巖壓力計算對于多層不同巖石：niiizh1niihH1巖體自重應力場隨巖層的深度呈線性變化，且水平應力總小于垂直應力，最大不超過垂直應力。4.4 圍巖壓力計算構造應力場 地層的構造較為復雜，由于地殼的運動，巖層會發生各種各樣的變化，如變成各種傾斜狀、彎曲狀等，因此，圍巖的初始應力場也將發生變化。 構造應力場是由地質體系在變化造形過程中所產生的應力，它與許多因素相關，一般很難用解

33、析函數表示出來。同時，由于構造應力場和地質的變化，造山運動等有關，因而，它具有明顯的區域性，且隨時間的推移會發生改變。4.4 圍巖壓力計算根據已有成果表明： （1）地質的構造過程不僅改變了地質的重力應力場，且有部分殘余在巖體內，這些殘有應力對隧道產生影響； （2）構造應力場在巖層一定深度內普遍存在。且由于地殼運動產生的拉、壓和扭剪作用，局部的最大構造應力多為水平方向，其值往往大于重力應力場中的水平應力分量，甚至大于垂直應力分量； （3）構造應力具有明顯的區域性和時間性。4.4 圍巖壓力計算hxzyxzy地面TThxThyThzT4.4 圍巖壓力計算初始地應力場，可用解析反演法和原位測試法確定。

34、解析法的結果僅為一般大概結果，多種因素影響下，誤差較大地層中的巖體初始應力場是產生圍巖壓力的根地層中的巖體初始應力場是產生圍巖壓力的根本原因。本原因。 隧道開挖后，圍巖原來保持的平衡狀態受到破壞，出現了圍巖應力的重分布和圍巖向開挖空間的變形，力圖達到新的平衡二次應力狀態 變形的大小取決于應力變化的大小和圍巖抵抗這些變形的能力。4.4 圍巖壓力計算4.4 圍巖壓力計算3. 圍巖壓力的確定方法直接測量法直接測量法經驗法經驗法或工程類比法或工程類比法圍巖壓力圍巖壓力確定方法確定方法理論估算法理論估算法4.4 圍巖壓力計算 隧道開挖后圍巖力學形態將經歷“平衡變形、破壞、坍塌應力重分布新的平衡”的過程，

35、這種過程的最終產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，如同一個承載環一樣，并將荷載重力向側傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作用。4. 圍巖的成拱作用坍落拱Hh圖4-7 圍巖的成拱作用4.4 圍巖壓力計算 普氏理論認為坍落拱呈拋物線狀，其高度為：upfbh (4-33)式中 h坍落拱高度(m)；b隧道跨度的一半(m)；fup普氏系數。4.4 圍巖壓力計算4.4 圍巖壓力計算 影響自然拱的因素：影響自然拱的因素： 隧道埋深隧道埋深成拱的必要條件成拱的必要條件 隧道斷面形狀和大小隧道斷面形狀和大小拱的范圍拱的范圍 施工因素施工因素對圍巖的擾

36、動程度對圍巖的擾動程度 我國現行隧道設計規范用數理統計的方法給出計算各級圍巖坍塌高度的經驗公式：與級別的關系？h=0.452S-11+i(B-5) (4-34)式中S圍巖級別；B隧道寬度 (m)；iB每增減1m時圍巖壓力的增減率，以B=5m的圍巖垂直均布壓力為準，當B5m時，取i=0.2；當B5m時，取i=0.1。1. 松動壓力計算 級及級圍巖產生的圍巖壓力一般為松動壓力，級圍巖當巖體結構面膠結不好時，也可能產生松動壓力。 松動壓力包括垂直壓力垂直壓力及水平壓力水平壓力。4.4 圍巖壓力計算hq式中h坍落拱高度（m），按式（4-34）計算。 水平壓力水平壓力根據圍巖級別而取相應的側壓力系數,

37、垂直壓力：(0.51.0)q(0.30.5)q(0.150.3)q0.15q0水平勻布壓力e、圍巖級別表4-19 圍巖水平勻布壓力注：采用式(3-35)及表4-19計算深埋隧道圍巖壓力時，必須同時具備兩個條件，即： H/B1.7，式中H為隧道開挖高度，B為隧道開挖寬度； 不產生顯著偏壓力及膨脹力的一般隧道。4.4 圍巖壓力計算2. 形變壓力計算 級以下圍巖隧道開挖后，變形的發展會持續較久的時間，噴射混凝土層將在同圍巖共同變形的過程中對圍巖提供支護，從而使圍巖保持穩定。 與此同時，噴層將受到來自圍巖的擠壓力，這種擠壓力由圍巖變形引起，常稱做“形變壓力”。 圍巖與支護間形變壓力的傳遞是一個隨時間的

38、推進而逐漸發展的過程。這類現象習稱時間效應。 形變壓力可采用有限元法計算。形變壓力可采用有限元法計算。4.4 圍巖壓力計算 1. 淺埋或深埋隧道的分界深/淺埋隧道分界深度的計算公式如下：Hp = (22.5) hq 式中Hp深/淺埋隧道分界深度；hq荷載等效高度,即坍落拱高度。 礦山法施工，級圍巖取Hp = 2.5 hq 級圍巖取Hp = 2 hq4.4 圍巖壓力計算 2.埋深等效荷載高度時的圍巖壓力計算均布垂直壓力：q = H 式中 H隧道埋深，指隧道拱頂至地面的距離。均布側向壓力-Rankine公式： 21()tan (45)22cteHH式中Ht隧道高度；c圍巖計算摩擦角。 土柱法-回顧

39、土力學中擋土墻壓力4.4 圍巖壓力計算 應該考慮滑動面上的阻力。作用力分析： 隧道上覆巖土體EFHG的重力為W，兩側三棱巖體FDB或ECA的重力為W1； 未擾動巖土體對滑動土體的阻力為F， 當EFHG下沉，兩側受到阻力T或T3.埋深大于等效荷載高度時的圍巖壓力計算4.4 圍巖壓力計算淺埋隧道圍巖壓力計算HhTBtFTW1F1WThpWHGAAEFBBDChcot-90+90-(+-)F1WTT4.4 圍巖壓力計算sin22TWTWQ淺(4-39) 三棱體自重為tan211hhW (4-40)式中 h坑道底部到地面的距離；破裂面與水平面的夾角。據正弦定理1)(90sin)sin(WT(4-41)則作用于HG 面上的垂直壓力總值Q 淺為：4.4 圍巖壓力計算將式（4-40）代入式（4-41）可得cos212hT (4-42)式中側壓力系數，按下式計算 tantan)tan(tantan1 tantantanccctantantan) 1(tantantan2cccc4.4 圍巖壓力計算4.4 圍巖壓力計算 將式（4-42）代入式（4-39）可求得作用在HG面上的總垂直壓力Q淺淺tansin