1、1 5.1 概述 5.2 地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.3 地下工程圍巖應力 5.4 地下工程圍巖體的破壞機理 5.5 地下工程支護設計5.巖石地下工程25.1 概 述 地下工程：為各種目的修建在地層之內的中空巷道或中空 洞室統稱為地下工程。 常見的地下工程型式包括：l礦山坑道；l鐵路及公路隧道；l水工隧洞；l地下發電站廠房；l地下鐵道及地下停車場；l地下儲油庫及儲氣庫；l地下軍事設施（導彈發射井、飛機庫、防空洞）等。5.巖石地下工程 5.1概述3中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道： 位于西（安）（安）康鐵路青岔車站和營盤車站之間，由兩座基位于西（安）（安）康鐵路青岔車站和營盤車站之

2、間，由兩座基本平行的單線隧道組成，兩線間距為本平行的單線隧道組成，兩線間距為3030米，其中米，其中線隧道全長線隧道全長1846018460米；米；線隧道全長線隧道全長1845618456米。米。4中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道：秦嶺隧道秦嶺隧道 隧道最大埋深約隧道最大埋深約16001600米，埋深超過米，埋深超過10001000米地段長約米地段長約3.83.8公里。公里。線線( (左線左線) )隧道使用隧道使用2 2臺臺8.88.8米敞開式掘進機（米敞開式掘進機（TBMTBM）由隧道兩端相向施工。）由隧道兩端相向施工。線隧道線隧道( (右線右線) )，采用新奧法施工，初期支護為錨噴，

3、二次支護為馬蹄型帶仰拱，采用新奧法施工，初期支護為錨噴，二次支護為馬蹄型帶仰拱的模筑混凝土復合襯砌。的模筑混凝土復合襯砌。 5中國最長的鐵路隧道：中國最長的鐵路隧道：秦嶺隧道秦嶺隧道 秦嶺隧道地質復雜、工程巨大秦嶺隧道地質復雜、工程巨大, ,在設計、施工、運營安全和維修管理方面在設計、施工、運營安全和維修管理方面都有許多技術難關，且都有許多技術難關，且線隧道采用掘進機施工，在我國鐵路隧道施工線隧道采用掘進機施工，在我國鐵路隧道施工尚屬首次，為此有六類尚屬首次，為此有六類2424項部重點科研項目立項研究，均取得了不俗的項部重點科研項目立項研究，均取得了不俗的成果。秦嶺特長隧道的修建，使我國隧道工

4、程建設從整體上提高到一個成果。秦嶺特長隧道的修建，使我國隧道工程建設從整體上提高到一個新的技術水平。隧道新的技術水平。隧道19951995年年1 1月月1818日正式開工，日正式開工，19991999年年9 9月月6 6日全部貫通，日全部貫通，20002000年年8 8月月1818日西康鐵路開通運營。日西康鐵路開通運營。6世界高原多年凍土區第一長大隧道：世界高原多年凍土區第一長大隧道： 昆侖山隧道位于青藏鐵路青海境內，全長昆侖山隧道位于青藏鐵路青海境內，全長1686米米，于于2001年年9月開工，月開工，2002年年9月月26日勝利貫通。日勝利貫通。 7世界海拔第一高的鐵路隧道：世界海拔第一高

5、的鐵路隧道： 位于青藏鐵路青海境內青藏高原可可西里位于青藏鐵路青海境內青藏高原可可西里“無人無人區區”邊緣，全長邊緣，全長13381338米，軌面海拔米，軌面海拔49054905米，是世界米，是世界上海拔最高的隧道，年均氣溫零下上海拔最高的隧道，年均氣溫零下77，寒季最低，寒季最低氣溫達零下氣溫達零下4141，空氣中氧氣含量只有內地的，空氣中氧氣含量只有內地的5050左右。隧道凍土層最厚達左右。隧道凍土層最厚達150150米、覆蓋層最薄處僅米、覆蓋層最薄處僅有米，施工稍有不慎，就會導致大塌方，工程難有米，施工稍有不慎，就會導致大塌方，工程難度之大前所未遇。度之大前所未遇。 20012001年年

6、1010月月1818日開工建設，日開工建設，20022002年年1010月月1919日勝利貫通。日勝利貫通。 82001.1-2005.62001.1-2005.6 ，全長，全長9028米，隧道地質復雜，米，隧道地質復雜，巖巖質破碎，有斷質破碎，有斷層、溶洞、暗河、涌水等。層、溶洞、暗河、涌水等。隧道采用鉆爆法施工，隧道采用鉆爆法施工，IIII、IIIIII級圍級圍巖采用全斷面法開挖，巖采用全斷面法開挖，IVIV、V V級圍巖采用正臺階法施工，微震控級圍巖采用正臺階法施工，微震控制爆破技術。瓦斯工區煤系地層采用瓦斯隧道爆破技術。軟弱制爆破技術。瓦斯工區煤系地層采用瓦斯隧道爆破技術。軟弱圍巖地段

7、采用管棚雙液預注漿加固地層，短臺階法施工。圍巖地段采用管棚雙液預注漿加固地層，短臺階法施工。9Mar , 200710“八縱八縱”鐵路通道為：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京九通道、京廣通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道。鐵路通道為：京哈通道、沿海通道、京滬通道、京九通道、京廣通道、大湛通道、包柳通道、蘭昆通道。 “八橫八橫”鐵路通道為：京蘭通道、煤運北通道、煤運南通道、太原至青島通路、陸橋通道、寧西通道、沿江通道、滬昆鐵路通道為：京蘭通道、煤運北通道、煤運南通道、太原至青島通路、陸橋通道、寧西通道、沿江通道、滬昆（成）通道、西南出海通道。（成）通道、西南出海通道。11泄洪洞1213香港海底隧

8、道九龍入口香港海底隧道九龍入口 香港第香港第1條過海行車隧道，于條過海行車隧道，于1972年年8月通車，耗資港幣月通車，耗資港幣3億億2千萬元興建。隧道全長千萬元興建。隧道全長1.86公里，跨越維多利亞港，將九龍公里，跨越維多利亞港，將九龍半島和香港島兩岸獨立的道路網絡連接起來。半島和香港島兩岸獨立的道路網絡連接起來。1415 中關村西區：地下建筑面積50萬m2 王府井地區：在1.65km2的范圍內，地下可利用建筑60萬m2 金融街中心區：金融街地下交通體系是國內第一個大規模地下交通系統，該工程總建筑面積約3萬m2 16 靜安寺廣場：是地鐵二號線靜安寺站的出入口，是由下沉廣場、地下商場、露天劇

9、場、噴水池風井、傷殘人電梯亭和靜安公園延伸綠地等組成的綜合體。廣場用地面積8412m2，商場建筑面積8200 m2,下沉廣場面積2800m2，是集交通、商業為一體的綜合體。 上海南站地下綜合體：上海南站站域地下除了設有三條軌道交通線的三個車站，總開發面積約90000m2，開發深度達15m。較好地解決了鐵路、軌道交通和公交的換乘。 人民廣場地下綜合體：人民廣場站地處上海的文化、旅游和商業中心。結合地鐵1、2號線換乘站形成了一個總建筑面積50000m2，包括2座地鐵車站、2座地下商場、一座地下停車場和一座地下變電站的大型地下綜合體。17181920核心區地下城，以波浪文化城（100000 m2）和

10、地鐵1、2 號線換乘站為骨干，形成地下城，地下空間總量達到200萬m2。21 深圳羅湖口岸及火車站地區：該綜合體地下地上各三層，該項目于2006年7月獲城市土地學會亞太區卓越獎。 深圳華強北地下商業街：以疏通人流為主，兼顧商業和旅游觀光的地下商業通道。設計停車泊位1000個。地下人行系統在三個十字路口處分別向東西方向的道路下方延伸，擴展為三個大廳。地下商業面積3.2萬m2。 南 京 結合地鐵1、2號線新街口換乘站建設，形成地下空間網絡，總建筑面積超過了40萬m2，基本形成了地下城。 22平壤地鐵平壤地鐵19681968年開建，年開建，19871987年開通，全長年開通，全長3535公里。最深處

11、達公里。最深處達120120米，號稱是世界上最深的地鐵。米，號稱是世界上最深的地鐵。2324252627 目前，全世界已建成和計劃建設的海底隧道有目前，全世界已建成和計劃建設的海底隧道有2020多條，多條，主要分布在日本、美國、西歐、中國的香港九龍等地區。主要分布在日本、美國、西歐、中國的香港九龍等地區。 從工程規模和現代化程度上看，當今世界最有代表性的從工程規模和現代化程度上看，當今世界最有代表性的跨海隧道工程，莫過于英法隧道和日本青函隧道。跨海隧道工程，莫過于英法隧道和日本青函隧道。英法隧道橫貫英吉利海峽，英法隧道橫貫英吉利海峽，從英國的福克斯通到法國的桑加從英國的福克斯通到法國的桑加特，

12、把英倫三島與歐洲大陸連接特，把英倫三島與歐洲大陸連接起來。隧道由兩股火車隧道和一起來。隧道由兩股火車隧道和一股工作隧道構成，全長股工作隧道構成，全長5353公里，公里，海底部分海底部分3737公里。該隧道已于公里。該隧道已于19951995年建成通車。年建成通車。2829從英吉利海峽最窄處即英國的多佛爾到法國的加來，同時修建兩條直徑從英吉利海峽最窄處即英國的多佛爾到法國的加來，同時修建兩條直徑7.3米、米、長長50000米的鐵路隧道。其中米的鐵路隧道。其中37000米在海底。兩條隧道之間相距米在海底。兩條隧道之間相距30米，在其中米，在其中間線再修一條直徑為間線再修一條直徑為4.5米的輔助隧道

13、，每隔米的輔助隧道，每隔375米與兩側主隧道連通，供通米與兩側主隧道連通，供通風、維修使用。當主隧道因故列車不能通行時，輔助隧道還可作為應急的通風、維修使用。當主隧道因故列車不能通行時，輔助隧道還可作為應急的通道。全部工程耗資為道。全部工程耗資為530億法朗（約合億法朗（約合70億美元）。隧道于億美元）。隧道于1987年動工，年動工，1994年竣工并投入使用。坐時速年竣工并投入使用。坐時速260公里的高速火車，穿越隧道只用公里的高速火車，穿越隧道只用26分鐘分鐘。 30計劃中的這條隧道長計劃中的這條隧道長103公里，是英法隧道水下部分的公里，是英法隧道水下部分的3倍長，貫倍長，貫穿白令海峽，將

14、俄西伯利亞和美國阿拉斯加連接起來，橫跨歐亞穿白令海峽，將俄西伯利亞和美國阿拉斯加連接起來，橫跨歐亞北美大陸。按照計劃，海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速北美大陸。按照計劃，海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速公路、多條輸油管道、電纜和光纜，建成后將為北美和俄遠東地公路、多條輸油管道、電纜和光纜，建成后將為北美和俄遠東地區每年節省區每年節省200億美元運輸費和電費。預計歷時億美元運輸費和電費。預計歷時10到到15年，耗資年，耗資100億到億到120億美元。而一旦隧道完工，意味著將來可以乘坐火車億美元。而一旦隧道完工，意味著將來可以乘坐火車從北京直達紐約。從北京直達紐約。31當前世界上最長的一條

15、隧道。它通過津輕海峽，把津輕半島和北海道的當前世界上最長的一條隧道。它通過津輕海峽，把津輕半島和北海道的鐵路連接起來。隧道由本州的青森穿過津輕海峽到北海道的函館，為雙鐵路連接起來。隧道由本州的青森穿過津輕海峽到北海道的函館，為雙線隧道，全長為線隧道，全長為53860米，其中海底部分為米，其中海底部分為23300米。青函隧道米。青函隧道1964年開挖年開挖斜坑道，經過斜坑道，經過24年的施工，于年的施工，于1988年年3月月13日正式投入運營。日正式投入運營。 32瑞士成功打通世界上最長隧道瑞士成功打通世界上最長隧道 2010年年10月月15日，瑞士施工人員當天成功打通哥達基線隧道最后日，瑞士施

16、工人員當天成功打通哥達基線隧道最后2500米部分，至此哥達基線隧道取代日本青函海底隧道成為世界上最長的米部分，至此哥達基線隧道取代日本青函海底隧道成為世界上最長的隧道。隧道。 33 哥達基線隧道建成后會成為世界最長哥達基線隧道建成后會成為世界最長隧道。哥達基線隧道頂上是隧道。哥達基線隧道頂上是2300米高的阿米高的阿爾卑斯山，要將它建成需要挖掘出爾卑斯山，要將它建成需要挖掘出2650萬萬噸的石塊。噸的石塊。當日，這條全長當日，這條全長57公里的世界公里的世界最長鐵路隧道全線貫通。該隧道工程自最長鐵路隧道全線貫通。該隧道工程自1999年起正式展開，是目前在建的連接德年起正式展開，是目前在建的連接

17、德國、瑞士與意大利的高速鐵路的一個重要國、瑞士與意大利的高速鐵路的一個重要工程，計劃于工程，計劃于2017年通車，屆時從瑞士蘇年通車，屆時從瑞士蘇黎世到意大利米蘭將僅需黎世到意大利米蘭將僅需2小時小時40分鐘，較分鐘，較目前縮短目前縮短1小時。小時。 3435巨型鉆頭打通隧道巨型鉆頭打通隧道 36廈門翔安海底隧道廈門翔安海底隧道國家國家“863”863”計劃專題項目的重點工程，由我國計劃專題項目的重點工程，由我國自主設計、施工建自主設計、施工建設設。而且是第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。以三孔隧道形。而且是第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。以三孔隧道形式穿越海域的廈門翔安海底隧道，共由三條線路組

18、成，其中中式穿越海域的廈門翔安海底隧道，共由三條線路組成，其中中間一孔為服務隧道，作為緊急避難通道和日常維護檢修用。從間一孔為服務隧道，作為緊急避難通道和日常維護檢修用。從開工到建成僅用時開工到建成僅用時4 4年年8 8個月。個月。 3738海底隧道2010年4月26日上午建成通車 ，作為世界上斷面最大的海底隧道，全長9公里，海底隧道5.95公里，最深在海平面下70米，總投資39.5億。從廈門島到達對岸的大陸端，比原來節省了82分鐘。廈門翔安海底隧道廈門翔安海底隧道39隧道施工設備40地下工程的復雜性 地下工程修筑于地層之下，其環境條件比地面工程復雜得多，因此，地下工程的設計與實施也具有更多的

19、復雜性。 表5-1列出了地下工程與地面建筑工程的一些重要方面的 對比。從這些對比，我們來認識一下地下工程的復雜性。l地質條件的特點；l地質條件對工程的影響；l受力結構；l材料特性；l外載條件；l計算參數；l工程施工。5.巖石地下工程 5.1概述41地下工程的復雜性 地質條件的特點l地面建筑工程的基礎位于地表淺層，地質條件相對簡單，且比較 容易查明。l地下工程一般位于地層深部，地質條件復雜，且不易查明。 地質條件對工程的影響l對地面建筑工程而言，地質條件一般僅影響其基礎的設計和施工，如條形基礎，箱形基礎、樁基礎、不影響工程本身。l地下工程的設計和施工則需遷就地質條件，如改線，改變結構 形式，改變

20、支護方式等。5.巖石地下工程 5.1概述42地下工程的復雜性 受力結構l地面建筑工程在地表筑基礎，在基礎上建結構，受力結構明確。l地下工程則是圍巖與支護共同組成承載體，受力結構不明確。 材料特性l主要結構材料一般是人造的（如鋼筋混凝土），具有均質性和 連續性，在正常荷載下表現為線彈性，可忽略其流變性。l巖石是地下工程結構材料的一部分，有時甚至是主體。巖體一般 是非均質、非連續、非線性、有流變性的。5.巖石地下工程 5.1概述43地下工程的復雜性 外載條件 l地面建筑工程的結構荷載包括永久荷載（如結構自重等）和可變荷載（如風載、移動承載物重量等），這些荷載一般是確知的。l地下工程的主要荷載是初始

21、地應力，其大小和方向變化較大且不易確定；支護結構承受的壓力不是定值而是變值，支護壓力不僅與圍巖性質有關，還與支護結構的性質有關。5.巖石地下工程 5.1概述44地下工程的復雜性計算參數l對地面建筑工程而言，材料的計算參數通常可通過室內試驗獲得，一致性較好。l地下工程往往需要借助原位試驗和測試，離散性較大。工程施工l地面建筑工程場地開闊，便于組織，工期短。l地下工程作業面狹窄，工期長。5.巖石地下工程 5.1概述45地下工程學科的發展 正是由于地下工程的復雜性，導致地下工程的設計和施工長期處于“經驗設計”和“經驗施工”的局面。 隨著現代土力學和巖石力學的發展，這種局面已被突破。 20世紀50年代

22、以來，隨著理論研究的進展，新支護方式的提出和新施工技術的興起，現在已形成了以巖石力學原理為基礎，考慮支護與圍巖共同作用的地下工程現代理論。l理論進展：圍巖彈性、彈塑性和粘彈性解答逐漸出現；l新支護方式：錨桿與噴射混凝土支護；l新施工技術：與錨桿與噴射混凝土支護相應的新奧法（NATM）。5.巖石地下工程 5.1概述465.2地下工程圍巖分類及地下工程類型5.2.1地下工程圍巖分類 圍巖及圍巖分類 地下工程圍巖l是指地殼中受地下工程開挖影響的那一部分巖體。l其范圍通常等于地下工程橫剖面中最大尺寸的35倍。 圍巖分類（級）l根據地下工程的性質和要求，將圍巖體的某種或某些屬性加以概略的劃分，稱為圍巖分

23、類或圍巖分級。5.巖石地下工程 5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型47圍巖分類的必要性 巖體長期經歷地質營力（造巖、構造運動、風化等）作用，力學性質十分復雜，具有多種多樣性。 在地下工程建設中，無論怎樣仔細地研究都不可能把工程 區域內巖體的力學性質的細節完全搞清楚。 既使能搞清楚，在設計和施工中也不可能對千差萬別的情況一一進行區別對待。 因此，需要抓住影響巖體力學性質的主要因素，進行概略地區分。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類48圍巖分類的作用骨架作用：根據不同的圍巖分類體系，可以將前人進行的、以地質條件為主的分散的實踐經驗進行梳理和概略量化的總結。橋梁作用：

24、借助圍巖分類，可以繼承或借鑒前人的寶貴經驗，指導新工程的支護設計和施工方法選擇。概算依據：為計算工程造價和投資提供參考依據。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類49地下工程圍巖分類發展簡介目前國內外提出了許多地下工程圍巖分類方法，但得到廣泛應用的并不多，主要有幾種方法。縱觀國內外地下工程圍巖分類方法研究的發展，大致可以以上世紀70年代為分界線，劃分為兩個階段：l70年代以前，圍巖分類多數為單一因素（或少數因素）的定性分類或半定量分類，其局限性比較明顯。l70年代后，逐漸過渡到能考慮各種重要因素、定性 描述與定量評價相結合的分類。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型

25、5.2.1地下工程圍巖分類50地下工程圍巖分類發展簡介 值得一提的是，70年代后期至90年代，我國在地下工程分類研究上有了很大進展，提出了多種分類方案，為地下工程的建設和發展作出了重大貢獻。 表5-2列出了17種國內外不同的圍巖分類方法（粗略了解）。 另外，從表5-2可以看出，雖然不同部門有自己不同的圍巖分類標準，但考慮的因素，指標相差并不大，且不同分類系統之間有一定的聯系。l如Rufledge T.C.(1978)等人根據新西蘭多個工程的經驗，對RMR、RSR和Q系統三者得出如下關系式： RMR=1.35logQ+43 RSR=0.77RMR+12.4 (5-1) RSR=13.3logQ+

26、46.55.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類51公路隧道圍巖分類書上表5-3給出了我國現行的公路隧道圍巖分類。這個分類體系包括以下幾方面的內容：l將圍巖分為六類，即：、u注意：類最差，類最好。這與一般分類法正好相反。l從兩個大的方面對圍巖進行評判，即：u圍巖主要工程地質條件；u圍巖開挖后的穩定狀態（定性評判）。l第一個大的方面“圍巖主要工程地質條件”又分為兩個次級 因素，即：u主要工程地質條件（定性與定量相結合）u結構特征和完整狀態（定性評判）。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類52公路隧道圍巖分類 這個分類體系包括以下幾個方面的內容：

27、l各類圍巖中，又根據巖（土）體的硬軟進行了不同的細分，其中：u類分為2個次類：（1）粘性土及粉細砂等； （2）石質。u類分為2個次類：（1）粘性土、礫土及黃土； （2）石質。u類分為3個次類：（1）粘性土及砂性土；膠結土，黃土； （2）軟質巖石； （3）硬質巖石。u類分為2個次類：略。u類分為2個次類：略。u類沒有分次類。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.1地下工程圍巖分類535.2.2地下工程類型 地下工程包括的類型很多，從不同的角度區分，可得到不同的分類方法。 最合理的地下工程分類必須l與其周圍巖體應有的穩定性，安全程度聯系起來；l同時取決于地下工程的用途。 主要介紹以下分類方

28、法：lBarton分類法（按用途分類）；l按地下工程埋置深度分類；l其它簡單分類法。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型541.Barton分類（1974，挪威地質學家）（1）臨時性礦山坑硐；（2）豎井；（3）永久性礦山坑硐、 引水隧洞（不包括 高水頭涵洞）、 導挖隧道、平巷、 大型開挖工程的 導坑（圖5-1）；（4）地下儲藏室、污水 處理站、公路和鐵路 支線的隧道、水電 工程的調壓室及進出 隧道；5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型551.Barton分類（1974，挪威地質學家）（5）地下電站主硐室、 公路和鐵路干線 的隧道、民防 硐室、隧道

29、入口 及交叉點（圖5-2） （6）地下核電站、地鐵 車站、地下體育場 及公共設施、地下 廠房（圖5-3）。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型562.按地下工程埋置深度分類這是一種借鑒隧道工程的劃分類別的方法。將隧道劃分為兩大類：l深埋隧道；l淺埋隧道。這種劃分是從穩定性角度出發的，是為設計和施工服務的。兩類隧道的臨界深度（Hp）可按荷載等效高度值（hq），并結合地質條件、施工方法等因素綜合 判定。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型572.按地下工程埋置深度分類臨界深度Hp的判定l 按荷載等效高度的判定式為： Hp=（2.02.5）hq (5-

30、2) 式中：Hp深埋與淺埋地下工程的分界深度（m）； hq 荷載等效高度（m）， hq=q / q深埋地下工程垂直均布壓力（kN/m2）； 圍巖重度（kN/m3）。l在礦山法施工的條件下：u對于類圍巖，取Hp=2.5hq；u對于類圍巖，取Hp=2.0hq。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型583.其它簡單分類法按用途分類l交通地下工程u如公路及鐵路隧道、海底隧道、地下鐵道、人行隧道等。l水工地下工程u如引水及尾水隧洞、導流隧洞、排沙隧洞、地下水電站廠房等。l市政地下工程u如給排水隧道、人防洞室等。（霧都少年）。l礦山地下工程5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2

31、.2地下工程類型59上線下線60小浪底水利工程地下廠房61 警戒値： ： ： 上 線下 線No. 1+65No. 6+00地下瓦斯管道分布623.其它簡單分類法按所處位置分類l山地（區）地下工程；l城市地下工程；l水下地下工程。按所處地層分類l巖石（硬巖、軟巖）地下工程；l土質地下工程。5.2地下工程圍巖分類及地下工程類型 5.2.2地下工程類型635.3地下工程圍巖應力概 述 地下工程開挖之前，巖體在原巖應力條件下處于平衡狀態。 地下工程的開挖，破壞了巖體原有的應力平衡狀態，圍巖 應力進行重分布，直至達到新的平衡。這時圍巖處在二次 應力場中。5.巖石地下工程 5.3地下工程圍巖應力圍巖應力重

32、分布形成的二次應力場的主要特征是：l徑向應力隨著向洞壁（自由表面）的靠近而逐漸減小，至洞壁變為零。l切向應力的變化情況則根據部位的不同而不同：u在一些部位，愈接近洞壁切向應力愈大，并于洞壁處達到最高值， 即產生所謂的“壓應力集中”；u在另一些部位，則愈接近洞壁切向應力愈低，在洞壁處達到最低值， 有時甚至出現負值（拉應力），即產生所謂的“拉應力集中”。64圖5-4是側壓力力系數=0.25時，圍巖應力集中 系數k的分布圖：l側壓力系數原巖水平應力與垂直應力的比值。l圖中橫坐標r/r0表示圍巖中 某點至圓形隧洞圓心的 相對深度。l縱坐標k為應力集中系數， 即圍巖某點開挖前后的 二次應力與初始應力的

33、比值。l圖中表明，洞壁處的應力 集中現象最明顯。5.3地下工程圍巖應力 概 述65概括以上現象，我們可以這樣來描述地下工程的 圍巖應力：l地下工程的開挖，將在圍巖中形成二次應力場；l二次應力場的特點是：l二次應力場的特點主要取決于地下工程的形狀和巖體 的初始應力狀態。5.3地下工程圍巖應力 概 述u愈接近自由表面，與初始應力場的差異越大，在洞壁處達到 最大。u愈遠離自由表面，差異越小。理論上當r時，差異0； 在實際中，通常認為r=5r0（甚至r=3r0）時，差異為零。665.3.1圓形地下工程圍巖應力 首先介紹圓形地下工程中圍巖的應力分布。l圓形是地下工程中一種比較普遍的結構形式。u如采礦巷道

34、，水工隧洞等。l從力學分析角度，圓形是一種最簡單的結構形式。 既便是圓形結構，圍巖的應力狀態也是非常復雜的。l巖體是一種彈塑性介質，且具有流變性（粘性），因此，巖體開挖 形成的二次應力場，應應用彈塑粘性力學理論進行分析，非常復雜。l為簡便起見，僅介紹應用彈性力學理論分析得到的圍巖應力 分布。l 在很多情況下，可以簡化應用彈性分析彈性分析：5.3地下工程圍巖應力 5.3.1圓形地下工程圍巖應力u對于裂隙不多的堅硬巖體，一般認為可應用線彈性理論分析u對于裂隙巖體或軟弱巖體，如果圍巖應力不高，圍巖有可能處于彈性狀態。67圓形洞室圍巖應力的彈性分析兩個假定l古典彈性理論假定:假定巖體是連續、完全彈性、

35、均勻、各向同性和小變形。l平面應變假定：由于地下開挖體在長度方向 （軸線）的尺寸通常比橫截面尺寸大得多，在 不考慮掘進影響時，可認為軸向變形為零。5.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析685.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析 根據以上假定，可把距地表深為H、半徑為a 的圓形洞室的圍巖應力分布問題看成為雙向雙向 受壓無限大平板中的孔口的受壓無限大平板中的孔口的 應力分布問題應力分布問題 （圖5-5所示）。l在距圓心為r的某點取一單元體 A（r，）；u為OA與水平軸的夾角。l為計算方便，原巖垂直應力用P表示，水平應力 用P表示；u為側壓力系數為側壓力系數。

36、l用極坐標求解圍巖應力，按基爾西公式，得圍巖應力 表達式：3)-(5 2sin321122cos31121122cos34112112 44224422442222raraprapraprarapraprr695.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析 點A（r，）處的主應力：l最大主應力max：l最小主應力min：l主應力與OA連線的夾角： 下面討論幾種特殊情況的圍巖應力分布。4)-(5 412121221maxrrr4)-(5 41212123minrrr4)-(5 2tan211rr7022221,1;0 (5-5)rraPraPr側壓力系數側壓力系數:11.靜水狀態時的

37、應力分布5.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析式（5-3）簡化為：715.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析1.靜水狀態時的應力分布5)-(5 0;1,12222rrraPraP當r=a時（洞壁處）， r =0， =2P；當r時， r =P， =P；r0。F可見，在洞室周邊的應力差最大， 由它所派生的剪應力也最大， 說明在洞室周邊容易發生破壞。725.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析由上式可知，在洞室周邊處，最大，r=r=0，所以為主應力。同時還可看出：l 值不僅與P（原巖垂直應力）及有關，而且與值有關；l值的變化對洞室周邊切向應力

38、起著決定性的作用。6)-(5 2cos212cos210PPrr2.洞壁周邊的應力分布當1時，據式（5-3）可得r=a處的應力：735.3.1圓形地下工程圍巖應力 圓形洞室圍巖應力的彈性分析3.洞壁頂部和底部處的應力當=/ 2（或=3/ 2），r=a時，由式（5-3）可得：可見，洞室頂部和底部不出現負值（拉應力）的條件是 1/3。由于最大的拉應力往往出現在洞室開挖邊緣的頂部和底部，所以 1/3是圓形洞室不出現拉應力的條件。1314122PP745.3.2非圓形開挖體的圍巖應力在本小節只討論兩種非圓形結構：l橢圓形斷面洞室；l半圓直墻斷面洞室。同樣只討論彈性分析的結果。5.3地下工程圍巖應力 5

39、.3.2非圓形開挖體的圍巖應力75一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應力問題的表述（如圖5-9所示）：l設橢圓形斷面洞室長半軸為a， 短半軸為b；l圍巖初始應力為：垂直均布 應力為P，水平應力為P。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應力765.3.2非圓形開挖體的圍巖應力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應力 根據彈性理論，按橢圓孔復變函數可解得洞室周邊上任一點的應力為： 式中：k橢圓軸比，k=b/a； 計算點A與圓心O的連線OA與縱軸的夾角。14)-(5 0sincossincos2coscossin2sin22222222222rrkkkPkkP可以看出，橢圓形斷面洞室周

40、邊應力的兩個應力極值仍然在 水平軸（=/ 2或=3/ 2）和垂直軸（=0或=）上。l根據式（5-14），可計算出洞室頂底和兩側點的應力集中系數，列于 表5-4中。775.3.2非圓形開挖體的圍巖應力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應力討論兩種特殊情況 情況1。當當=0時，時，即僅在垂直方向有荷載P時（應理解為水平應力遠小于垂直應力），有： 15)-(5 sincoscossin2sin2222222kkkPl在兩側=/ 2和=3/ 2處， 的應力集中系數為（1+ 2 / k），l當k=b/a 1 時，兩側點會出現較高的應力集中。l在洞頂=0處，=-P，即為拉應力。785.3.2非圓形開挖體的圍巖

41、應力 一、橢圓形斷面洞室的圍巖彈性應力討論兩種特殊情況情況2。當當=1時時，原巖應力呈靜水壓力狀態，有：16)-(5 sincos2222kkPl在兩側=/ 2和=3/ 2處， 的在洞頂=0處， 的應力集中系數為2k。u當k1時，兩側應力集中高于洞頂；u當k1時，洞頂應力集中高于兩側。u應力集中系數為2 / k；l理論分析和數值計算表明，當=1時，圍巖不會出現拉應力。79二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應力 半圓直墻斷面是應用較廣的 一種洞形。 這種結構形式的應力分布一般 很難獲得解析解,即便能得到 解析解,表述起來也非常繁雜。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應力 二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應力

42、鄭穎人院士等人采用復變 函數法，計算出了在上覆厚度 （H）等于2.5倍洞跨自重作用 下的洞周應力分布，如圖5-10 所示。80側壓力系數的影響l當較小時，如=0.2，洞頂和洞底將出現拉應力；l當由小變大時，洞頂、底拉應力逐漸轉為壓應力，且壓應力隨增大而增大；l隨由小變大，兩側的壓應力則趨于減小。5.3.2非圓形開挖體的圍巖應力 二、半圓直墻斷面洞室的圍巖彈性應力跨高比f=2R/h的影響l隨f的減小，洞頂、底的拉應力趨于減小，壓應力趨于增大；l隨f的減小，洞室兩側的壓應力趨于減小；l當1時，跨高比減小對圍巖受力有利，反之不利。若保持拱頂半徑不變，這時若減小f，意味著需增大直墻的 高度，而洞頂和洞

43、底的形狀并無變化。在這種情況下，隨f 的減小，洞頂和洞底應力值的變化幅度遠小于洞壁部分的 幅度。洞周應力分布的變化規律813. 在地下在地下400m深處，掘進一個圓形巷道，斷面半徑為深處，掘進一個圓形巷道，斷面半徑為5m，覆，覆蓋巖層的容重蓋巖層的容重 ，側壓力系數為，側壓力系數為1，試求：，試求：（1）求離巷道壁面）求離巷道壁面2m處圍巖的徑向應力處圍巖的徑向應力 和環向應力和環向應力 大小？大小？325/kN mr400 2510vHMPaMavh102222(1)(1)raPraPr解：（1）由題意知該巷道處的垂直應力:并由側壓力系數為1，得水平應力:由此得該圓形巷道處于靜水壓力下，此時

44、圍巖的徑向應力和環向應力表達式為：8210vhpMPama5mr7再由題意知，式中原始應力斷面半徑離巷道壁面2m處圍巖即為距巷道中心距離代入上式得。222222225(1)1014.975(1)10115.17raPMParaPMpar832、在地表以下200m深度處的巖體中開挖一洞徑2R0=2m的水平圓形遂洞，假定巖體的天然應力為靜水壓力狀態(即=1)，巖體的天然密度=2.7g/cm3。 圍巖的抗剪強度Cm=0.4，m=30，試評價該洞室的穩定性； 2.7 10 2005.4vPMPa解：由題意知該隧洞處的垂直應力:2222(1)0(1)225.410.80rraPraPpMPar此時圍巖的

45、應力為：842001300tan452 tan 45223002 0.4 tan 4521.4fcMPa 此時主應力為：13,r由于1110.81.4fMPaMPa該洞室洞壁處于不穩定狀態，該洞室不穩定達到極限平衡需要的最大主應力為：855.4地下工程圍巖體的破壞機理概 述 地下工程開挖，破壞了圍巖原有的平衡狀態，使得圍巖中的應力通過調整，達到新的平衡。 在這一過程中，巖體將發生變形，并且若重分布的應力超過了巖體的承受能力，巖體將發生破壞。 圍巖的破壞主要表現為拉伸破壞和剪切破壞。 圍巖的變形和破壞主要與初始地應力狀態、巖體自身性質（巖性和結構）及洞形有關。5.巖石地下工程 5.4地下工程圍巖

46、體的破壞機理86 5.4地下工程圍巖體的破壞機理 5.4.1拉伸破壞機理5.4.1拉伸破壞機理 Hoek（1965）認為，當3Rt（Rt為單軸抗拉強度）時，巖體發生拉伸破壞。 因 (Rc為單軸抗壓強度)，則用Rc表示的拉伸破壞準則為： 式中：m、S為試驗常數。SmmRRct421223(4 ) (5-17)2cR mmS強度應力（拉伸）拉伸破壞的破壞角等于零，裂縫在平行于最大主應力1的方向上擴展。875.4.2剪切破壞機理 剪切破壞理論認為，圍巖穩定性的喪失，主要發生在洞室與主應力方向垂直的兩側，并形成剪切滑移楔體。 在側壓系數1的條件下，地下洞室開挖時，巖體的破壞 過程如圖5-11所示：l首

47、先兩側壁的楔形巖塊 由于剪切面分離，并向 洞內移動（圖a）；l接著，上部和下部巖體 由于楔形巖塊滑移造成 跨度加大，上下巖體向 洞內撓曲（圖b）； 甚至移動（圖c）。 5.4地下工程圍巖體的破壞機理 5.4.2剪切破壞機理88 5.4地下工程圍巖體的破壞機理 5.4.2剪切破壞機理 Hoek認為，在3Rt時，發生剪切破壞，強度與應力之比由下式確定：破壞角由下式確定：18)-(5 1233ccSRmR應力（剪切）強度21232112119)-(5 8/14/1sin21ccmsmscmscSRmRmRmR式中：895.5地下工程支護設計5.5.1概 念一、支護及支護設計概念 支護l地下工程開挖后

48、，由于開挖擾動作用，圍巖將產生變形、松弛、 錯動、擠壓、斷裂、下沉或坍塌等現象。l為了保證圍巖穩定，需要采用人工干預措施，如設置臨時或 永久性結構，這種人工干預措施稱之為支護。 支護設計l為了既保證圍巖穩定，又使地下工程具有設計所需的建筑界限和 凈空，就需要根據具體工程情況，選擇合適的結構形式，并進行 合理的布設。這一環節稱為支護設計。5.巖石地下工 5.5地下工程支護設計90一、支護及支護設計概念支護設計的內容l圍巖的壓力計算；l支護結構的選擇和設計。支護設計的指導思想l傳統支護設計理論認為，圍巖壓力完全由支護結構承擔。因此，支護設計主要針對支護結構。l現代支護設計理論認為，圍巖壓力由支護結

49、構和圍巖共同承擔。因此，支護設計不僅針對支護結構，而是針對支護結構與圍巖共同組成的支護體系；并且設計中要注意充分發揮巖體的自承能力。5.5地下工程支護設計 5.5.1概 念91二、支護設計方法目前，地下工程支護設計方法可以歸納為以下四種設計模型： （1）經驗設計法（也稱為工程模擬設計法）：l參照過去地下工程的實踐經驗，通過工程類比分析進行設計。 （2）量測與模擬相結合的設計法：l通過對地下工程的現場量測和實驗室相似模型試驗的模擬分析 進行設計。u如以地下工程凈空量測位移為依據的收斂-約束法。 （3）荷載-結構模型設計法：l將頂拱簡化為彈性地基梁、彈性地基框架的結構進行設計。 （4）連續介質模型

50、設計法：l將圍巖體視為連續介質，通過解析法或數值法進行圍巖壓力計算和支護結構荷載計算和支護結構設計。u數值法目前主要是有限元法。5.5地下工程支護設計 5.5.1概 念92三、關于各種方法的評述（1）經驗設計法l地下工程長期乃至目前多采用該法。l經驗設計法中的經驗來自大量的工程實踐，有一定的科學依據。l方法本身也在不斷發展，如引用各種量測資料，采用統計數學、 模糊數學和數值分析等。（2）量測與模擬相結合的設計法l很少作為一種獨立的設計方法，常與經驗設計法結合。（3）荷載-結構模型設計法l常用于層狀巖體中。（4）連續介質模型設計法l近幾十年來，隨著彈塑性力學、流變學及巖土力學等現代力學 理論和計

51、算機技術的發展，這種理論設計方法應用越來越廣。l但是，由于計算參數和計算機理方面還存在一些障礙，目前理論 設計法一般還只能作為輔助方法。5.5地下工程支護設計 5.5.1概 念93四、支護設計方法的發展近10多年來，測量技術和計算技術互相滲透，以現場監控量測、信息反饋為基礎的設計方法（即信息化 設計）有了很大的進展。信息化設計是以新奧法設計為基礎，以工程模擬法 為主，通過現場監控測量進行工程實際檢驗、確認 和修正，必要時可輔以理論計算驗算法確定地下工程 支護參數的方法。信息化設計法還有待于不斷發展和完善。5.5地下工程支護設計 5.5.1概 念945.5.2地下工程圍巖壓力計算一、圍巖壓力計算

52、概述要進行地下工程支護設計，首先要了解圍巖的壓力。地下工程圍巖壓力的確定，目前有三種方法： （1）直接測量法 （2）理論計算法 （3）工程模擬法5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算95一、圍巖壓力計算概述確定圍巖壓力的三種方法：（1）直接測量法l通過測試手段，獲得圍巖壓力分布。l限于當前的測試設備及技術水平，目前采用該法仍很不普遍。（2）理論計算法l在實踐的基礎上，從理論上研究圍巖壓力的估算方法。l由于影響圍巖壓力的因素很多，企圖建立一種完善的和符合 客觀實際情況的圍巖壓力理論及計算方法較為困難，應用也 受到限制。（3）工程模擬法l根據大量實際資料分析統計和總結，按不同圍巖類

53、別提出圍巖 壓力的經驗數值（經驗公式），作為后建地下工程確定圍巖 壓力的依據。l目前采用該法比較普遍。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算96一、圍巖壓力計算概述 采用工程模擬法估算圍巖壓力，其立足點是按照松動壓力的觀點，作用在支護結構上的圍巖壓力，實際為洞室周邊某一破壞范圍內巖體的重量。l理論和實踐證明，圍巖愈好則洞室就愈穩定，洞室開挖所影響區域就愈小，圍巖壓力值也較小。相反，圍巖愈差則壓力值相應就大；l在圍巖類別相同的條件下，跨度愈大，洞室的穩定性就愈差，壓力值也就愈大，說明圍巖壓力的大小與洞室跨度成正比。 圍巖壓力計算的對象分深埋地下工程和淺埋地下工程。根據對象不同，采

54、用的圍巖壓力理論和計算方法也不同。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算97深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影響達不到地表的，稱為深埋深埋。反之淺埋淺埋（2）當埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍（35 R0 ）以內的巖體自重可以忽略不計；原巖水平應力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）；P0深埋地下工程的特點深埋地下工程的特點為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠處，仍為原巖應力；5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算98二、深埋地下工程圍巖壓力計算 對于深埋地下工程，國外常用的圍巖壓力理論有：l普氏理

55、論由前蘇聯學者普洛托季雅克諾夫提出。l泰沙基理論由土力學鼻祖泰沙基提出。 這兩種理論在我國也得到了普遍應用。但我國學者也發展了一些新的計算方法，并作為有關部門或 行業的推薦方法，列入有關規范中。l如，公路隧道設計規范（JTJ026-90）。 下面主要介紹這三種方法。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算99(一）普氏理論 普氏理論的計算原理l為了確定作用在支護結構物上的圍巖壓力，原蘇聯普洛托季雅克諾夫提出了基于坍落拱的計算原理。l他認為，所有地層都可視為具有一定粘結力的“松散介質”，引入了 似摩擦系數fup的概念。即：u在具有一定粘結力的松散 介質中開挖隧道后，其上方 會形成一

56、拋物線狀的天然拱， 這實質上就是在松散介質、 裂隙巖層中開挖坑道時的 破壞范圍。u而作用在支護上的豎向壓力 就是這個破壞范圍（天然拱） 以內的松動巖體的重量。u因此，問題歸結于如何確定 出天然拱（即坍落拱）的 尺寸，如圖5-12所示。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算100(一）普氏理論坍落拱存在的二個條件：l在松散介質中開挖坑道， 其上方形成坍落拱。l該坍落拱外緣為一質點拱 （即厚度很薄的拱）， 如圖5-13所示，其存在 條件有二： 5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算在任何一截面上無彎矩作用；拱腳能保持穩定而不致產生滑動。101(一）普氏理論坍落拱的形

57、狀l由上述第一個條件，對A點取矩MA=0,則Ty=px2 / 2 =0， y= px2 / 2T (5-20) 式中： T拱頂推力； P作用在“天然拱”上的豎向均布壓力； x，y質點拱上任意一點A的坐標。l令：x=b,y=h,代入式（5-20）得： T= Pb2 / 2h (5-21) 式中： b坍落拱半跨度； h坍落拱高度。l由式（5-20）及式（5-21）可見，坍落拱的外緣曲線為二次拋物線。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算102(一）普氏理論 求坍落拱的高度hl由第二個條件可知，要保持拱腳穩定而不滑動，拱腳處水平摩阻力必須大于該處的推力T，取安全系數為2，則： Phf

58、up / T =2 (5-22)l將式（5-21）代入式（5-22），則可得： h=b / fup (5-23) 式中：fup普氏系數，fup=Rc。l對于兩幫穩定的情況，b=B/2（見圖5-12中左圖），由式（5-23）即可求得h。l對于兩幫不穩定的情況，（圖5-12中右圖），b的計算需考慮側壓，比較復雜，有關計算可參考有關土壓力計算資料，此處不詳述。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算103(一）普氏理論豎直壓力計算l作用在支護結構上豎直均布壓力為： q=h (5-24)按普氏地壓理論計算的豎向壓力：l對于軟土質地層偏小；l對于硬土質和堅硬質地層則偏大；l一般在松散，破碎

59、圍巖中較為適用。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算1045.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算(一）普氏理論側壓力計算l作用在支護結構物上的側壓力也視為均勻分布，可按一般土力學原理，由公式（5-25）計算： 式中：H坑道高度； e水平均布圍巖壓力（kN/m2）； 圍巖的似摩擦角。25)-(5 245tan212Hqe105（二）泰沙基理論計算原理和假設l泰沙基（K.Terzaghi）把隧道 圍巖視為散粒體。l他認為坑道開挖后，其上方 圍巖將形成卸落拱，如圖 5-14所示。l假定坑道上方巖體因坑道變形 而下沉，并產生錯動面OAB。l假定作用在任何水平斷面上的

60、豎向壓應力v是均布的，相應 的水平壓應力h與v的比值為 K，即K=h/v。5.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算1065.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算（二）泰沙基理論力的平衡分析l在距地面深度h處，取出一厚度 為dh的水平條帶。l考慮其平衡條件V=0，得出： 式中：圍巖擬摩擦角； b松動寬度之半。26)-(5 0/tandhbKdvv1075.5地下工程支護設計 5.5.2地下工程圍巖壓力計算（二）泰沙基理論求豎向壓力v l將式（5-26）積分，并引進邊界條件h=0， v =0，得：l隨著隧道埋深h的增大，式中 趨近于零，則v趨近于某一個固定值，且：l泰沙