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黄土隧道围岩压力计算方法

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1围岩压力计算

1围岩压力计算

1围岩压力计算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 =（2~2.5）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4.1 复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例围岩级别初期支护承载比例二次衬砌承载比例双车道隧道三车道隧道双车道隧道三车道隧道ⅠⅡ100 100 安全储备安全储备Ⅲ100 ≥80 安全储备≥20 Ⅳ≥70 ≥60 ≥30 ≥40 Ⅴ≥50 ≥40 ≥50 ≥60 Ⅵ≥30 ≥30 ≥80 ≥85浅埋地段≥50 ≥30～50≥60 ≥60～80垂直压力q=19×20(1-0.224×20×0.51/10)=293.18KN/mPg=πdγ=π×0.4×25=31.4KN/m地基反力P=324.58KN/me1=γhλ=19×20×0.224=85.12e2=γ(h+Ht)λ=19×(20+8.17)×0.224=119.89水平均布松动压力e=(e1+e2)/2=102.51KN/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%=146.59KN/m地基反力为P×50%=162.29KN/m水平压力为e×50%=51.255KN/m2衬砌结构内力计算表4.7 等效节点荷载节点号X Y Fx FY1 2072.742591 1544.439864 31304.66167 2146.3194733 2072.757146 1543.972843 26425.97397 4953.6865524 2072.800753 1543.507634 26256.11233 9886.1615315 2072.873244 1543.046044 25973.81825 14776.30132 2 2072.974338 1542.589864 24195.36508 23664.97654 7 2073.219875 1542.146273 20103.90754 40260.144586 2073.651412 1541.88012 14076.90744 57497.450139 2074.154041 1541.73685 8935.043764 69728.9710410 2074.661668 1541.61244 6853.524396 83279.0729311 2075.173585 1541.507065 5880.169138 84021.8174612 2075.689079 1541.42087 4898.834757 84650.5451413 2076.20743 1541.353977 3910.852859 85164.4039714 2076.727917 1541.306479 2917.564275 85562.6960915 2077.249814 1541.27844 1920.316498 85844.8859416 2077.772394 1541.269902 920.4626612 86010.5840317 2078.294929 1541.280875 80.64000409 86059.5712718 2078.81669 1541.311344 -1081.63324 85991.7746219 2079.33695 1541.361267 -2081.158789 85807.2914620 2079.854984 1541.430575 -3077.860187 85506.3814621 2080.37007 1541.51917 -4070.385072 85089.4259922 2080.88149 1541.626929 -5057.386718 84557.009323 2081.388532 1541.753702 -6037.525576 83909.86178 2081.890488 1541.899313 -7009.471578 83148.84332 25 2082.285648 1542.168245 -9244.515303 74199.42618 24 2082.510844 1542.589864 -14047.47015 52646.5891327 2082.611937 1543.046044 -19236.06506 36865.6479128 2082.684429 1543.507634 -23588.83673 22476.6373729 2082.728036 1543.972843 -25973.81825 14776.30132 26 2082.742591 1544.439864 -26256.11233 9886.16153130 2082.706135 1545.042547 -26425.97397 4953.68655231 2082.5973 1545.636442 -31304.66167 2146.31214432 2082.417672 1546.212888 -35817.57933 -13486.3166533 2082.169871 1546.76348 -34895.66231 -26741.8859834 2081.85751 1547.280188 -33376.67067 -39539.8892835 2081.485145 1547.755477 -31286.59479 -51661.3504136 2081.058204 1548.182418 -28661.19683 -62898.8811837 2080.582915 1548.554783 -25545.39795 -73060.1921438 2080.066207 1548.867144 -21992.50975 -81971.412939 2079.515615 1549.114945 -18063.32375 -89480.0825240 2078.939169 1549.294573 -13825.06958 -95457.7295441 2078.345274 1549.403408 -9350.264619 -99802.0707842 2077.742591 1549.439864 -4715.473839 -102438.770543 2077.139908 1549.403408 0 -103322.708244 2076.546013 1549.294573 4715.473839 -102438.763145 2075.969566 1549.114945 9350.264619 -99802.0707846 2075.418975 1548.867144 13825.06984 -95457.7368747 2074.902267 1548.554783 18063.324 -89480.0898548 2074.426978 1548.182418 21992.50975 -81971.412949 2074.000037 1547.755477 25545.39769 -73060.1848150 2073.627672 1547.280188 28661.19683 -62898.8811851 2073.315311 1546.76348 31286.59505 -51661.3504152 2073.06751 1546.212888 33376.67067 -39539.8819553 2072.887882 1545.636442 34895.66205 -26741.8859854 2072.779047 1545.042547 35817.57908 -13486.32398表4.8 轴力、剪力、弯矩详细数据节点号轴力弯矩剪力1 -8.92E+05 -13456 -109952 -8.83E+05 -8352.6 -638913 -8.73E+05 21398 -1.19E+054 -8.61E+05 76686 -1.72E+055 -8.69E+05 1.57E+05 -252076 -7.80E+05 1.69E+05 3.16E+057 -2.08E+06 7906.2 339838 -2.06E+06 -11168 325749 -2.05E+06 -29519 2963810 -2.04E+06 -46347 2539511 -2.03E+06 -60967 2007312 -2.02E+06 -72813 1390913 -2.02E+06 -81442 7144.714 -2.02E+06 -86540 26.68815 -2.02E+06 -87920 -7193.616 -2.02E+06 -85526 -1426717 -2.02E+06 -79433 -2094718 -2.03E+06 -69844 -2698819 -2.04E+06 -57093 -3214820 -2.05E+06 -41637 -3619121 -2.07E+06 -24058 -3889122 -2.08E+06 -5056.4 -4002923 -7.88E+05 14553 -3.07E+0524 -8.72E+05 1.60E+05 1869325 -8.67E+05 1.51E+05 1.61E+0526 -8.78E+05 75321 1.12E+0527 -8.89E+05 22802 6085928 -8.97E+05 -5736 1042929 -9.06E+05 -10643 -1582730 -9.04E+05 -976.56 -1884631 -8.96E+05 10731 -2262932 -8.82E+05 24936 -2597333 -8.61E+05 41366 -2494434 -8.33E+05 57370 -1258435 -7.99E+05 66092 2076436 -7.60E+05 54844 4538037 -7.22E+05 28879 5781438 -6.87E+05 -4468.5 5896639 -6.58E+05 -38409 5047240 -6.38E+05 -67143 3459441 -6.27E+05 -86237 1407042 -6.26E+05 -92913 -8065.143 -6.37E+05 -86224 -2867644 -6.57E+05 -67117 -4472845 -6.85E+05 -38371 -5348046 -7.19E+05 -4418.2 -5266647 -7.57E+05 28940 -4064448 -7.94E+05 54916 -1651049 -8.29E+05 66173 1653250 -8.56E+05 57316 2859051 -8.76E+05 40997 2930652 -8.90E+05 24050 2556953 -8.98E+05 9154.2 2115954 -8.99E+05 -3292.6 17015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626.383kN。

浅埋黄土隧道围岩压力计算值与实测值的对比分析

浅埋黄土隧道围岩压力计算值与实测值的对比分析

【 文献标识码 】 Ａ
０１ ４ ０ ９ ０１
压力是非常必要的。狭义 的围岩压 力 即为开挖后 洞室周 围
岩层作用于衬砌结构 上的荷 载。随着人 们对岩体认 识 的提 高 ， 为岩体与支护结构是一个共 同作 用的体系 ； 认 因此 ， 围岩
压力应为洞室开挖后 围岩二次应力的全部作用 ， 即广义 的围
类 浅埋段 ， 相距 １． 。该段测试断面为双层模筑复合式衬 ０ ７ｉ ｎ 砌试验段 ， 隧道除试验段外均采用曲墙 有仰拱模筑衬砌 。 全
１ ２ 测 试 方 案 ．
现场测试 内容包括 ： 围岩与第一层模 筑混凝土衬砌 之间 接触应力 ； 两层 模筑 混凝 土衬 砌之 间接 触应 力。测试 采 用
究生 。
四川建 筑
第３ ０卷 １期
２ １ ．２ ０００
８ ５
簿鞠骋 王 ： 荤 ＿ Ｉ
２ ２ 与 基 本公 式计 算 方 法的 比较 ．
表 ２ 不 同方法计算 出的隧道围岩垂直土压力（ Ｐ ） ｋ ａ
１ 断面埋深为 ２ ２ 断面埋深为 ３ 按 照不 同方 法 ７ｍ， ３ｍ， 计算的深浅埋分界标准 ， 均可判定为浅埋隧道 。根据现场 接 触应力 的量测 ， 即嗣岩与第一层模 筑混 凝土衬砌之间接触应 力及两பைடு நூலகம்模筑混凝土衬 砌之 间接触应力 ， 可近似计算 出隧道
否适用 于 如 黄 土地 区等 特 殊 地 质 条件 ， 个 值 得 研 究 的 是
问题 。
０１
本文结合某浅埋黄土实际隧道工程 ， 围岩压力 现场实 对
测结果和基本公式计算结果进行分析 比较 ， 并对 相关 问题进
行论述 ， 以提高浅埋黄土隧道的计算设计 理论水平 。

围岩压力计算方法概要课件

围岩压力计算方法概要课件
基于弹性力学理论，通过 求解偏微分方程来获得围 岩压力。适用于具有简单 形状和边界条件的围岩。
塑性力学解析法
考虑围岩的塑性变形，通 过求解塑性力学方程来计 算围岩压力。适用于高应 力、大变形的情况。
边界元法
将问题转化为边界积分方 程，通过离散化边界来求 解围岩压力。适用于复杂 形状和边界条件的围岩。
注浆加固适用于各种类型的围岩，尤其在软弱、破碎、节理裂隙发育的 围岩中效果更佳。
注浆加固可以有效控制围岩变形和破坏，提高围岩的整体性和稳定性， 降低对支护结构的依赖。
05
围岩压力计算的发展趋势
人工智能在围岩压力计算中的应用
机器学习算法
01
利用历史数据和现场监测数据，通过训练模型来预测围岩压力。
常见的算法包括支持向量机、神经网络等。
数据挖掘技术
02
通过分析大量的监测数据，发现围岩压力变化的规律和趋势，
为预测提供依据。
专家系统
03
利用专家知识和经验，建立围岩压力计算的决策支持系统，提
高计算精度和可靠性。
多物理场耦合的围岩压力计算方法
流固耦合
考虑地下水流动和围岩变形的相互影响，建立流固耦合模型来计 算围岩压力。
热固耦合
考虑温度变化和围岩变形的相互影响，建立热固耦合模型来计算 围岩压力。
经验公式法实例
朗肯公式
基于朗肯循环理论，通过经验公式来计算围岩压 力。适用于具有简单形状和边界条件的围岩。
布莱克公式
基于布莱克理论，通过经验公式来计算围岩压力。 适用于具有复杂形状和边界条件的围岩。
库仑公式
基于库仑理论，通过经验公式来计算围岩压力。 适用于具有简单形状和边界条件的围岩。
04
围岩压力控制措施

隧道围岩分级及围岩压力计算方法

隧道围岩分级及围岩压力计算方法
17
❖ 结论：岩体既不是简单的弹性体，也不是简单的塑 性体，而是较为复杂的弹塑性体。整体性好的岩体 接近弹性体，破裂岩体和松散岩体则偏向于塑性体。
18
❖ 注意：岩体的全应力—应变曲线只有在刚性试验 机上才能测出，普通万能试验机因刚度小，实验 时，试验机的变形量和储存的弹性应变能都比岩 体大。所以，当岩体达到强度极限后，抗力下降， 试验机内存储的弹性变形能就突然释放，并对岩 体产生冲击作用，使其迅速崩溃，无法再继续试 验，测不出岩样破坏后的变形特性。
24
2.性质
❖ 围岩的初始应力场经历了漫长的应力历史而逐渐构 成的，并处于相对稳定和平衡状态之中。洞室开挖 后，使得围岩在开挖边界处解除了约束，失去平衡， 此时洞室周边的应力都变为0。其结果引起了洞室变 形，产生应力重分布，形成新的应力场，称为围岩 二次应力场。
25
❖ 因开挖隧道而引起的围岩变形、破坏、应力传播等 一切岩石力学现象无一不与围岩的初始应力场密切 相关，都是初始应力发展的延续。
19
❖ 岩体受剪时的剪切变形特性主要受结构面控制。 根据结构体和结构面的具体形态，岩体的剪切变 形可能有三种方式：
❖ 1、沿结构面滑动 结构面的变形特性即为岩体 的变形特性。
20
❖ 2、结构面不参与作用，沿结构体岩石断裂。岩石 的变形特性起主导作用。
❖ 3、在结构面影响下，沿岩石剪断。岩体的变形特 性介于上述二者之间。
4
❖ 地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本 身——地层，故称为地层压力或围岩压力。
❖ 在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成 部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的 作用机理与地面结构是完全不同的。
5
一、围岩的力学性质
1.岩体

浅埋黄土隧道围岩压力计算方法

浅埋黄土隧道围岩压力计算方法

浅埋黄土隧道围岩压力计算方法于丽; 吕城; 段儒禹; 王明年【期刊名称】《《中国铁道科学》》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】8页(P69-76)【关键词】隧道破坏模式; 黄土地区; 浅埋隧道; 围岩压力; 破裂角【作者】于丽; 吕城; 段儒禹; 王明年【作者单位】西南交通大学土木工程学院四川成都610031; 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室四川成都610031【正文语种】中文【中图分类】U451.2浅埋隧道围岩压力的计算是确定隧道支护设计荷载的前提，国内外学者已通过数值计算[1-5]、理论分析[6-9]及模型试验[10]等手段对浅埋隧道的破坏模式及围岩压力计算进行了研究，其中应用最为广泛的主要为太沙基、谢家烋[6]、比尔鲍曼等理论计算公式或方法。

太沙基理论假定土体为具有一定黏聚力的松散土体，从土压力传递的角度出发研究了围岩压力，考虑了土体黏聚力、内摩擦角、埋深及隧道尺寸对围岩压力的作用；谢家烋[6]考虑浅埋隧道的破坏特征，基于极限平衡理论推导了围岩压力的计算方法，被铁路和公路隧道规范采用；比尔鲍曼法是比较早的围岩压力计算方法，现在在实际中应用并不是很多。

对于浅埋黄土隧道，根据现场调研情况[11-14]，黄土垂直节理普遍发育导致其破坏模式及围岩压力大小、分布不同于其他隧道，既有的围岩压力计算方法不能完全满足工程实际情况，因此研究浅埋黄土隧道围岩压力的计算方法是十分重要的。

结合浅埋黄土隧道实际的破坏形式，构建浅埋黄土隧道的破坏模式，基于极限平衡理论，推导围岩压力的计算公式,并根据围岩滑裂面上的应力状态推导出围岩破裂角的计算公式。

并将本文方法计算的破裂角及围岩压力分别与现场实测值、既有方法的计算值进行对比，验证本文破裂角及围岩压力计算方法的正确性和有效性，并分析不同参数对围岩破裂角、围岩压力的影响。

1 围岩压力计算方法的建立1.1 浅埋黄土隧道破坏模式从隧道施工现场实际破坏情况来看，浅埋黄土隧道的坍塌面大多数为近乎直立的破裂面[14]，这是因为黄土垂直节理发育，在节理面上形成抗剪强度较小的软弱面，当土体下方隧道施工形成临空面时，受重力的作用，土体沿着垂直节理的软弱面塌落。

围岩压力计算

围岩压力计算

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。

围岩压力计算方法高教课件

2、量测方法
1）间接方法：量测支护结构的变形和内力，然后 推算围岩压力
2）直接方法：直接量测作用在支护结构上的压力
3）实验室方法：模型试验
向上文档
35
作业
某公路隧道通过Ⅲ级围岩，开挖尺寸如图所示。 矿山法施工，围岩天然容重为γ=2.2t/m3，试确定 围岩压力值。
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36
向上文档
28
偏压隧道围岩压力的计算
2、偏压隧道围岩压力的计算
偏压隧道围岩压力的计算应按其产生偏压的原因分别考虑。 根据以往经验，一般在Ⅳ级及以上围岩以地形引起的偏压 为主进行计算；而在Ⅲ级及以下围岩，因地质构造影响较 大，则以地质构造的具体条件进行计算。
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29
偏压隧道围岩压力的计算
2、偏压隧道围岩压力的计算
种隧道为深埋隧道，否则为浅埋隧道。由于浅埋
隧道不能形成自然拱，所以，它的围岩压力的大
小与埋置深度直接相关。
施工因素：如爆破所产生的震动，常常是引起塌
方的重要原因之一，造成围岩压力过大，又如分
部开挖多次扰动围岩，也会引起围岩失稳，加大
自然拱范围。
向上文档
9
围岩压力的确定
1、确定的方法 2、一般规定
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式中 ：S—围岩级别，如属II级，则S＝2；
γ— 围岩容重， (kN/m3)；
ω＝1+ i(B-5) — 宽度影响系数；
B — 隧道宽度，（m）；
i —以B＝5m为基准，B每增减1m时的
围岩压力增减率。
当B<5m，取i ＝0.2；当B > 5m,取i ＝0.1。
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15
一般规定
围岩的水平匀布压力e 的确定，按下表中的 经验公式计算

隧道衬砌水平土压力公式

隧道衬砌水平土压力公式
土压力计算公式有：
1、主动土压力计算：大主应力σ1=σv=γz，小主应力σ3=σh，主动土压力强度σa=σh；
2、被动土压力计算：大主应力σ1=σh，小主应力σ3=σv=γz，被动土压力强度σp=σh。

土压力：建筑学术语，指土体作用在建筑物或构筑物上的力，促使建筑物或构筑物移动的土体推力称主动土压力；阻止建筑物或构筑物移动的土体对抗力称被动土压力。

土压力随挡土墙可能位移的方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。

土压力的大小还与墙后填土的性质、墙背倾斜方向等因素有关。

隧道围岩分级与围岩压力计算


⑵ 分级的理论基础●以围岩的稳Fra bibliotek性判断为基础。
属于“以岩体构造和岩性特征为代表”的分级方法。
●主要考虑4种因素：
①岩石坚硬程度 ②围岩完整状态
基本分级
③地下水
④围岩初始地应力
修正基本分级
基本分级 修正基本分级 最终分级
⑶ 基本分级
依据：围岩主要工程地质条件，由两条组成： ①岩石坚硬程度
软硬岩分界指标：30Mpa Rb>30 硬岩
根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为 6级。
围岩 级别
岩体特征
土体特征
围岩弹性纵波 速度(km/s)
Ⅰ
极硬岩，岩体完整
-
＞4.5
Ⅱ
极硬岩，岩体较完整；
硬岩，岩体完整
-
3.5～4.5
Ⅲ
极硬岩，岩体较破碎； 硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；
-
较软岩，岩体完整
2.5～4.0
Ⅳ
极硬岩，岩体破碎； 硬岩，岩体较破碎或破碎；
1个附加因素： ④初始地应力：适当考虑。
（一）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级法 1.以岩石强度为基础的分级法 代表：土石分类法～坚石、次坚石、松石、土。
2.以岩石物性指标为基础的分级法 代表：岩石坚固性系数(f值)分级法～普氏法 f值：一个综合的物性指标值，如岩石的抗钻性、抗爆 性、强度等。 但核心还是岩石强度。
(4) 铁路隧道围岩分级表
基本分级+围岩弹性纵波速度=铁路隧道围岩分级
⑸ 特点
◆给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态。 ◆尚未考虑地下水和地应力。
• ⑹ 修正分级 • ◆ 地下水 • 地下水的3种处理方法： • ①分级时按无水考虑，而是根据地下水的状态，适当降 • ②分级时按有水考虑，当确认围岩无水则提高围岩等级 • ③直接将地下水状况(水质、水量、流通条件、静水压

隧道围岩分级及围岩压力

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。

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3
黄土隧道围岩压力变形特征及围
岩变形规律
3.1 3.1.1 隧道变形规律及控制措施[2] 隧道开挖围岩应力动态过程
-2D （位移率0%） 先行位移 掌子面通过 支护施工 量测开始 掌子面通过后位移 量测位移 （位移率100%） 支护后位移 全位移 -1D 掌 子 面 开挖进行方向
掌子面
1D
2D
3D
隧道结构体系=围岩+支护结构。它的形成过程 大体上如图 1 所示：
图4 隧道开挖后的围岩变形
隧道变形控制措施 根据国内外的施工经验，控制围岩松弛、坍塌
的主要对策是稳定掌子面、及时闭合和加固地层。 主要方法见表 1。 掌子面位移 掌子面后方位移 调整钢架间距和型号 超前支护 （管棚、 超前小导管、 超前锚杆、 正面喷射混凝土 正面锚杆 预留核心土 缩短开挖进尺 改变施工方法 锁脚锚杆（管） 径向注浆 扩大拱脚 仰拱及时闭合 设临时仰拱 底部横撑 加固墙角 2
土， 一般具有较弱的湿陷性， 当含粘土颗粒较多时， 湿陷性较小或无湿陷性，如陕西关中、河南、河北 等黄土冲积洪积平原。
（1）隧道开挖所引起的围岩应力状态变化， 其直观表现就是位移状态的变化。 （2）隧道开挖后的变形包括掌子面前方的先 行位移、掌子面位移和掌子面后方位移三部分。隧 道开挖后的位移动态如图 3 和图 4 所示：
（1）黄土是第四系堆积的陆相沉积物，是半 干旱气候条件下形成的并有针状孔隙、垂直节理的 特殊土。 （2）按形成时代和结合工程建设的特点，常 将黄土分为老黄土和新黄土；非湿陷性黄土和湿陷 性黄土等。 （3）湿陷性黄土：黄土在一定压力作用下， 受水浸湿后，土的结构受到破坏而发生显著下沉现 象的， 称其为湿陷性黄土。 开始出现湿陷时的压力， 称为湿陷起始压力，湿陷起始压力一般有随深度而 渐增的趋势。 自重湿陷性黄土：黄土受水浸湿后在自重压力 下发生湿陷的，称自重湿陷性黄土； 非自重湿陷性黄土：在自重压力下浸湿不发生
位移类型
控制措施
双排小导管、钢插板、预衬砌） 注浆加固 地表加固
向底部地层注浆 改变施工方法 3.2 3.2.1 黄土隧道围岩压力特征及变形规律 黄土隧道围岩压力特征 第Ⅱ阶段（持续增长阶段） ：这部分变形量约 占总体变形量的 30%左右，变形主要是由于未及 时施作仰拱造成的，持续时间为 10~15 天。在该 阶段二次衬砌仰拱和边墙基础要紧跟，并及时进 行仰拱回填和施作路面基层，增加结构的整体稳 定性。值得提出的是，该阶段变形在持续增长， 尤其当变形过大时，应及时加强初期支护或采取 辅助加强措施，二次衬砌拱墙切不可盲目紧跟， （3）黄土隧道土体破裂角，破裂面起点调查 揭示在拱脚，为折线，可能有多条，但主要的只 有一条，角度 58°～63°； （ 4） 大跨度黄土隧道的土体破坏一般不能形 成所谓的普氏压力拱，岩石隧道设计采用的普氏 理论与黄土隧道的实际压力分布不符。 3.2.2 黄土隧道围岩变形规律 否则过大的变形压力会对尚未完全硬化达到最终 强度的混凝土造成损伤，发展到最后可能会使混 凝土产生裂缝，导致二次衬砌的寿命降低，甚至 塌方。在以往的工程实践中，当变形过大时，通 常采用 “二衬紧跟” ， 以至诱发二次衬砌早期开裂， 处理起来非常棘手。 第Ⅲ阶段（缓慢增长阶段） ：开挖后 25 天左 右，此时仰拱已施作，变形主要由黄土的蠕变引 起，虽然仍在缓慢地变形，但变形速率显著减小。 在初期支护的作用下，围岩基本稳定，此时宜施 作二次衬砌，以防止诱发更大的变形。
[1]
2 黄土的特征和性质
2.1 黄土的定义及分类
（5）抗水性极差，易于崩解、潜蚀、冲刷。 （6）新黄土多具有湿陷性。 2.3 黄土地貌 黄土地貌一般可分为“塬、梁、峁”三大类型 以及河谷阶地、冲积和洪积平原等。 （1）黄土塬：面积较大的平坦高地，有陡峻 边缘，通常由黄土所构成，在黄土塬顶部表层广泛 分布着黄土质土。 （2）黄土梁：地形呈长条状的垄岗，两旁夹 以深谷，垄岗高度大体保持一致。 （3）黄土峁：指个体独立或连续的黄土丘陵， 由于地形严重切割，沟谷斜坡地带往往分布着新近 堆积的湿陷性强的黄土质土。 （4）河谷阶地：包括现代河流的河漫滩、超 漫滩，低级阶地、高级阶地、河谷范围内的各种斜 坡地带以及河谷两侧的一些沟谷等地貌。 （5）冲积洪积平原：分布着全新统的黄土质 1
1 C g h sec 2 T h 2 C g H tan tan tan tan g 2 cos
3
（2）竖直梯形压力（图 6b）
q q q e q
1
q q
3 2
(a) (b) (c) e
4
q b
q
4
0
30° 30°
4 黄土隧道围岩压力计算方法
目前，在计算围岩压力时，根据隧道埋深， 分别采用不同的计算方法。根据调查统计资料， 深埋和浅埋黄土隧道的分界深度，单线铁路隧道 为 15 ～ 25m ，双线铁路隧道和公路隧道为 20 ～ 50m，具体如何划分浅埋深埋，还需视工程条件 等灵活确定。 4.1 4.1.1 浅埋黄土隧道 具有明显偏压的浅埋黄土隧道（图 5）
2
湿陷，但在附加压力下发生湿陷的，称非自重湿陷 性黄土。 2.2 黄土的一般地质特征 （1）黄土的基本色调为黄褐、浅黄、棕黄等 颜色。 （2）组成物质以粉粒 （0.05～0.005mm） 为主， 约占 60%， 粘土粒 （＜0.005mm） 含量次之， 占 20% 左右，大于 0.25mm 的颗粒少见。 （3）结构疏松、无层理，具有肉眼可见的大 孔隙、垂直节理发育。 （4）含易溶盐类，主要矿物组成有石英、长 石、云母、碳酸盐类胶结物及粘土矿物。


外侧： 用α′、h′、H′分别代替α、h、H，并代 入以上各式，求得相应的 T′、ε′、tanβ。 将 T、Tˊ同时代入竖直压力计算公式，求出 总竖直压力 P。 竖直压力，分别按均布、梯形、马鞍形三种 分布图式考虑（图 6） ，三种分布图式的竖直压力 总和相等。 （1）竖直均布压力（图 6a）
λ——侧压力系数，取λ=0.5～1.0。 侧向水平压力亦可按下式计算： 内侧：
式中 q1、q2——竖直梯形压力，kPa； i—— 地面横坡坡率，当地面横 坡平缓时（即不具明显偏压） ，i 为偏载率，一般 取 i≥5。 （3）竖直马鞍形压力（图 6c）
tan
A
B B 2 AD A
1 mh 2 C g hn m tan sec 2 g C g H 2 1 B mh 2 tan g C g hm n tan sec 2 g C g H tan 2 1 D h 2 n tan g sec 2 g tan C g hn m tan sec 2 g C g H tan 2 2
黄土隧道
摘要：黄土，古称“黄壤” ，本源于土地之色，相对于 一般岩石 而言，黄 土强度低， 遇水软化 或湿陷， 所以在黄 土地 层中修建隧道极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问题。本文介绍了黄土的特征和性质，阐述了隧道变形一般规律及 控制措施、黄土隧道围岩压力特征及围岩变形规律、黄土隧道围岩压力计算方法，并对黄土隧道初期支护是否应 该取消拱部系统锚杆进行了讨论，最后总结了黄土隧道施工方法。 关键词 ：黄土隧道；系统锚杆；围岩变形；围岩压力；施工方法
1 前言
黄土是一种第四纪沉积物，在我国分布广泛， 自西向东主要分布在新疆、青海、甘肃，宁夏、陕 西、山西、河南、河北、山东、内蒙古、辽宁，吉 林等地，总面积达 631000km ，占国土面积的 6.6% 左右。随着我国高速公路网和高速铁路网的不断发 展和完善，不可避免地需要修建大量的黄土隧道。 由 于 湿陷性黄土对工程建设的影响，黄 土 隧 道 在 施工过程中极易发生洞内坍塌和地表沉陷等问 题。所以，有关黄土隧道这一特殊隧道工程问 题及其所面临的技术难题值得我们关注和研 究。
隧道开挖过中围岩的变形是由两方面因素
先行位移在掌子面前方 1.5D 处开始
引起的：一是由于开挖所形成的应力释放空间不断 向前延伸、扩展，致使在横断面上的围岩变形不断 增大，被称之为“空间效应” ；二是由于岩体的流 变特性导致围岩变形随时间而增长，被称之为“时 间效应” 。 3.1.3 隧道开挖位移动态过程 掌子面前方的先行位移 3.1.4
b
图 6 竖直压力分布形式
图 16-1-2

tan tan n m tan
m tan g tan n 1 tan g tan
tan tan g
b q1 q 2i q q b 2 2i
图 5 浅埋黄土隧道压力计算模型
1．竖直压力
' 2 H 2 ' H P ( H H )( C g ) sin T T h' 2 h '
q
b
P b
式中
q——竖直均布压力，kPa； P——总竖直压力，kN； b——隧道开挖宽度，m。
e
外侧：
H 2T cos H 0 2 h 2
1 mh 2 C g nh H sec2 g 2 1 B mh 2 tan g C g mh 2 1 D nh 2 tan g C g nh 2 A
式中： P——作用衬砌上的总竖直压力，kN； γ——黄土天然重度，kN/m ； b——隧道开挖宽度，m； cg—— 黄 土 计 算 凝 聚 力 ， kPa ， 一 般 取 cg= （0.6～0.7）c，c 为洞顶土柱凝聚力的平均值； θ—— 洞顶土柱与两侧三棱土体之间的摩擦 角，θ=（0.2～0.3）φg，度； φg——土体计算内摩擦角，度； T、Tˊ——洞顶土柱内、外侧摩阻力，kN， 按下式计算； 内侧：
图3
隧道开挖后的位移动态
图1
隧道开挖过程简图
与之相应的力学过程如图 2 所示：