山岭隧道围岩压力的确定方法

山岭隧道围岩压力计算方法研究

摘要：围岩压力是作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大

小与分布直接影响到隧道初期支护和二次衬砌结构的合理类型，形状及尺寸，以及与之相适应的施工方法。因此，如何高效准确的确定隧道围岩压力显得尤为重要。本文介绍了隧道围岩压力的分类以及常用的计算理论，并给出了深埋隧道和浅埋隧道围岩压力的计算方法，这些方法简单实用，能够较为快速的计算出围岩压力的大小及分布规律，为隧道工程的设计提供了一定的参考价值。

关键词：围岩压力；深埋隧道；浅埋隧道；分布规律 1 引言

围岩压力是作用在隧道等地下结构物上的主要计算荷载，它的性质、大小与分布直接影响到隧道初期支护和二次衬砌结构的合理类型，形状及尺寸，以及与之相适应的施工方法。反之，施工方法的选择也会影响围岩压力的性质。因此，比较详尽的了解围岩压力的分布与值域规律是极为必要的。

当下我国隧道工程的设计与施工主要以工程类比法为主，这其中主要的原因就是由于对作用于隧道支护结构上的围岩压力的有关规律还不清楚，造成在工程建设中的一些问题，如设计达不到承载要求造成工程事故，或设计过于保守造成大量的人力物力浪费。因此有必要对围岩压力的相关规律和计算方法进行研究，以对后来的工程建设提供必要的借鉴。

2隧道围岩压力的分类及计算理论

2.1隧道围岩压力的分类

在我国目前应用较广的分类方法是根据围岩压力的形成机理，将围岩压力分为形变压力、松动压力、冲击压力和膨胀压力四类。

形变围岩压力是由于围岩塑性变形和塑性挤入、弯折内鼓等形成的挤压力。地下洞室开挖后围岩的变形包括弹性变形和塑性变形。一般弹性变形在隧道施工过程中就能完成，因此它对支护结构一般不产生挤压力。而塑性变形具有随时间

增长而增强的特点，如果不及时支护，就会引起围岩失稳破坏，形成较大围岩压力。形成形变围岩压力的条件有：(1)岩体较松软或者破碎，这时围岩二次应力状态很容易超过岩体屈服强度而产生较大的塑性变形：(2)深埋洞室，由于围岩受压力过大易产生塑性流动变形。

松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力塌落等破坏引起的反力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护结构上的压力，其大小取决于围岩性质、结构而交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。

冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。冲击压力的大小与原岩应力状态、围岩力学属性等密切相关。并受到隧道埋深、施工方法及隧道形状等因素的影响。冲击压力目前无法进行准确计算，只能对其产生条件及产生可能性进行定性评价预测。

膨胀围岩压力主要是由于矿物吸水膨胀产生的对支护结构的挤压力。因此，膨胀围岩压力的形成必须具备两个基本条件：一是岩体中要有膨胀性黏土矿物(如蒙脱石、伊利石、高岭石等)；二是要有地下水的作用2.2计算理论

（1）普氏理论

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图2.1 普氏理论计算简图

普氏理论是1907年俄国学者普罗托奇雅阔诺夫提出围岩分类、并给出了松散地层和破碎岩体的松动压力公式：

p??h1 （2-1a）

h1?a1a?htan(45???/2) （2-1b） ?ff水平压力计算公式为：

ei?r(h1?l)tan2(45???/2) （2-1c）

式中：a-断面半宽；h-断面高度；h1-自然拱高度；?-围岩重度；

l-隧道侧壁任意点至隧道拱顶的垂直距离；?-围岩内摩擦角；

f-岩石坚固性系数，根据公路、铁路隧道设计规范中，岩石坚硬强度对

应的岩石单轴饱和抗压强度Rc的数值，采用其推荐的计算公式f=0.1Rc。 普氏理论计算围岩压力的公式由于概念明确，计算方便而成为五六十年代隧道围岩压力计算的常用公式。但在应用中需注意，出于普氏理论要求岩体经开挖后洞顶能形成一个自然平衡拱，所以一般适用于深埋隧道。

（2）太沙基理论

图2.2 太沙基理论计算简图

泰沙基计算公式考虑了松散材料的内部黏聚力、内摩擦角和毛洞高度对松动压力的影响。更适用于计算浅埋隧道围岩的压力，垂直压力计算公式为：

c)a1q?(1?e?Ktan??n) （2-2a）

Ktan?a1(??a1?a?Httan(45???/2) （2-2b）

水平压力的计算公式为：

ei?(q??l)tan2(45???/2) （2-2c）

式中：K-水平应力与垂直压力的比值，太沙基根据实验结果得出K=1.0～1.5，一般取K=1.0； n-相对埋身系数，n=H/a1；a1-洞顶塌落宽度一半；Ht-隧道洞室高度；其他参数同式（2-1）

实践表明，浅埋时利用式(2-2)所算得的围岩压力与实际相差较小，而深埋时则误差较大，因为实际上深埋时，上覆岩体的破裂面已不再是沿着整个岩柱的侧面，而是形成一个封闭的拱形曲面，因而将太沙基公司应用于深埋隧洞可能会有较大误差

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[2][3]

3浅埋隧道围岩压力计算方法

由于埋深不一样，使得围岩压力的作用机理和分布状态不一样，导致浅埋隧道与深埋隧道的围岩压力计算方法也是不一样的。《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)推荐的浅埋隧道荷载计算方法如下：

①浅埋和深埋隧道的分界，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定。按荷载等效高度的判定公式为：

Hp=(2～2．5)hq （3.1）

式中：Hp-浅埋隧道分界深度(m)；

hq-荷载等效高度(m)，按下式计算：

hq?q-深埋隧道垂直均布压力(kN／m2)；

q? （3.2）

?-围岩重度(kN／m3)。

在矿山法施工的条件下，Ⅳ～Ⅵ级围岩取

Hp?2.5hq （3.3）

I～III围岩取

Hp?2hq （3.4）

②浅埋隧道荷载分下述两种情况分别计算：

1)埋深(H)小于或等于等效荷载高度hq时，荷载视为均布垂直压力。

q???H （3.5）

式中：q-垂直均布压力(kN／m2)；

?-隧道上覆围岩重度(kN／m3), H-隧道埋深，指坑顶至地面的距离(m)。

侧向压力e按均布考虑时其值为

e??(H??1)tan2(45?c) （3.6） 2Ht2式中：e-侧向均布压力(kN/m2)；

Ht-隧道高度(m)；

?c-围岩计算摩擦角(°)。

2)埋深大于hq小于等于Hp时，为便于计算，假定土体中形成的破裂面是与水平成面成?，如图3.1所示。EFHG岩土体下沉，带动两侧三棱土体(如图中FDB和ECA)下沉，整个土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力C，并采用了计算摩擦角?c；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力，若该滑面的摩擦角为?，则?值应小于?c值，无实测资料时，?按表3.1采用。

表3.1 各级围岩?值

图3.1 浅埋隧道受力分析图

由图3.1可见，隧道上覆岩体EFHG的重力为W，两侧三棱岩体FDB和ECA的

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