隧道围岩压力计算

第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义: 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。

2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

又称地应力、初始应力、一次应力等。

2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。

又称二次分布应力等。

地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。

（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。

如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。

（3）围岩压力问题——计算围岩压力围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护、衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。

（4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。

天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。

围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。

围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。

1围岩压力计算深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式如下：HP =（~）qh式中: Hp——隧道深浅埋的分界高度；hq ——等效荷载高度，qh=qγ；q——垂直均布压力(kN/m2)；γ——围岩垂直重度（kN/m3)。

二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：表复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例浅埋隧道围岩压力的计算方法隧道的埋深H大于hq而小于Hp时，垂直压力QB Bt tqH==γH(1-λθ)浅浅tan。

表各级围岩的θ值及φ值2(tan 1)tan tan tan c cc ϕ+ϕβϕ+ϕ-θc tan =tan侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan cc c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ⎡⎤⎣⎦作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=×24×[1+×(10-5)]= Hp==27m,H<Hq,故为浅埋。

取φ0=45°，θ=φ0=27°，h=20m ，tan β=,λ=,tan θ=, 计算简图：()212+1e =e e垂直压力q=19×20×20×10)=mPg=πdγ=π××25=m地基反力P=me1=γhλ=19×20×=e2=γ(h+Ht)λ=19×(20+×=水平均布松动压力e=(e1+e2)/2=mⅤ级围岩二衬按承受50%围岩压力进行计算，则垂直压力为q×50%=m地基反力为P×50%=m水平压力为e×50%=m2衬砌结构内力计算表等效节点荷载表轴力、剪力、弯矩详细数据50+0557********51+05409972930652+05240502556953+052115954+0517015内力图分析（1）轴力：由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为。

3.2.1 荷载计算公式（一） 深浅埋隧道判定原则深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。

根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：()q p h H 5.2~2=式中，p H —深浅埋隧道分界的深度； q h —等效荷载高度值系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。

当隧道覆盖层厚度q h h ≤时为超浅埋，p q H h h <<时为浅埋，p H h ≥时为深埋。

（二） 围岩压力计算方法(1) 当隧道埋深h 小于或等于等效荷载高度h q （即q h h ≤）时，为超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。

围岩垂直均布压力为：rh q =式中，r —围岩容重，见表3-1； h —隧道埋置深度。

围岩水平均布压力e 按朗金公式计算⎪⎭⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫⎝⎛+=245tan 21002φt rH q e(2) 当隧道埋深h 大于等效荷载高度h q 且小于深浅埋分界深度（p q H h h <<）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算： 围岩垂直均布压力为：⎪⎭⎫ ⎝⎛-==B h rh B Q q θλtan 1 ()[]θφθφββφβλtan tan tan tan tan 1tan tan tan 000+-+-=()θφφφφβtan tan tan 1tantan tan 00020-++=式中，B —坑道跨度； r —围岩的容度； h —洞顶覆土厚度；θ—岩体两侧摩擦角，见表3-1； λ—侧压力系数；0φ—围岩计算摩擦角，见表3-1；β—产生最大推力时的破裂角；围岩水平压力按下式计算： 隧道顶部水平压力： λrh e =1隧道底部水平压力： λrH e =2=λ）（t H h r +(3) 当隧道埋深h 大于或等于深浅埋分界深度H p （即p H h ≥）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：单线铁路隧道按概率极限状态设计时的垂直压力为：r rh q s q ⨯⨯==79.141.0单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力为：rw rh q s q ⨯⨯==-1245.0式中，h q —等效荷载高度值； s —围岩级别，如级围岩s =3； r —围岩的容重w —宽度影响系数，其值为：()51-+=B i w其中，B —坑道宽度；i —B 每增加1m 时，围岩压力的增减率（以B =5m 为基准），当B <5m 时，取i =0.2，B >5m 时，取i =0.1。

隧道围岩分级及围岩压力隧道所穿过的地层是千变方化的，可能遇到各种工程性质不同的围岩。

隧道围岩分级是评价隧道围岩稳定性的重要参数，也是隧道支护方案设计和施工工艺确定的主要依据。

分级的正确与否直接影响着隧道施工和运营安全，因此，正确划分隧道围岩分级就显得尤为重要。

在围岩分级确定的情况下，如何确定支护结构上的作用力（即围岩压力）就成为正确、合理设计隧道结构的关键。

4.1 围岩岩性与初始应力4.1.1 围岩岩性隧道工程围岩是指地壳中受开挖活动影响的那一部分岩土体。

这个范围在横断面上约为6～10倍的洞径。

围岩的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。

而对围岩稳定性最有影响的是力学性质，即围岩抵抗变形和破坏的性能。

围岩既可以是岩体，也可以是土体。

本书仅涉及岩体的力学性质。

岩体是在漫长的地质历史中形成的地质体，被许许多多不同方向、不同规模的断层面、层理面、节理面和裂隙面等各种地质界面切割为大小不等、形状各异的各种块体。

这些地质界面称为结构面或不连续面，这些块体称为结构体，岩体可以看作由结构面和结构体组合而成的具有结构特征的地质体。

所以，岩体的力学性质主要取决于岩体的结构特征、结构体岩石的特性及结构面的特性。

环境因素，尤其地下水和地应力对岩体的力学性质影响也很大。

在软弱围岩中，节理和裂隙比较发育，岩体被切割破碎，结构面对岩体的变形和破坏都不起主导作用，所以岩体的特性与结构体岩石的特性并无本质区别。

在完整而连续的岩体中亦是如此。

反之，在坚硬的块状岩体中，由于受软弱结构面切割，块体之间的联系减弱，此时，岩体的力学性质主要受结构面的性质及其在空间的组合所控制。

由此可见，岩体的力学性质必然是诸因素综合作用的结果。

岩体与岩石相比，两者有着很大的区别：与工程总体尺度相比，岩石几乎可以被认为是均质、连续和各向同性的介质；而岩体则具有明显的非均质性、不连续性和各向异性。

岩体抗拉变形能力差，因此，岩体受拉后很容易沿结构面发生断裂。