全国学生美术比赛平面设计得奖作品之风格初探

围岩压力及隧道结构设计原理一、围岩压力及分类(一)围岩压力概念广义概念：围岩压力是指引起地下开挖空间周围岩体和支护变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。狭义概念：指围岩变形受阻而作用在支护结构上的作用力。第一节围岩压力(二)围岩压力分类•松动压力•形变压力•膨胀压力•冲击压力由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力常通过下列三种情况发生：在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石；在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧边帮冒落；在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。1.松动压力拱顶坍塌、冒落水平岩层冒落倾斜岩层掉块、塌落高边墙坍塌裂隙岩体顶部掉块2.形变压力形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。软岩巷道严重底鼓变形软岩巷道变形、支撑断裂3.膨胀压力当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。4.冲击压力冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能以后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。上述松动压力、形变压力往往同时存在，难以严格区分。二、影响围岩压力的因素影响围岩压力的因素很多，通常可分为两大类。地质因素：它包括初始应力状态、岩石力学性质、岩体结构面等；工程因素：它包括断面大小、施工方法、支护设置时间、支护刚度、坑道形状等。三、围岩松动压力的形成和确定方法(一)围岩松动压力的形成深埋坑道开挖后围岩由变形到坍塌成拱的整个变形过程，称为围岩的成拱作用。在成拱过程中形成的相对稳定的拱形坍腔结构，成为自然拱或坍落拱。而坍腔内坍落的岩土形成松动压力的荷载来源。如图。(c)(d)(a)(b)变形阶段松动阶段塌落阶段成拱阶段自然拱自然拱范围的大小除了受上述的围岩地质条件、支护结构架设时间、刚度以及它与围岩的接触状态等因素影响外，还取决于以下诸因素：隧道的形状和尺寸；隧道的埋深；施工因素。深、浅埋隧道的判定原则qphH5.2~2式中——深浅埋隧道分界的深度；pHqh——等效荷载高度值，即坍落拱高度。(二)确定围岩松动压力的方法现场实地量测：按目前的量测手段和技术水平来看量测的结果尚不能充分反映真实情况。理论公式计算：由于围岩地质条件的千变万化，所用计算参数难以确切取值，目前还没有一种能适合于各种客观实际情况的统一理论。统计的方法：在大量施工坍方事件的统计基础上建立起来的统计方法，在一定程度上能反映围岩压力的真实情况。1.普氏理论提出岩体坚固性系数f的概念。视岩体为散粒体。但岩体又不同于一般的散粒体，其结构面上存在着不同程度的粘结力，又要保证其抗剪强度不变。ctg0tgctgctgf式中0——岩体的内摩擦角和似摩擦角；岩体的抗剪强度岩体坚固性系数：在具有一定粘结力的松散介质中开挖坑道后，其上方会形成一个抛物线形的自然拱，作用在支护结构上的围岩压力就是自然拱内松散岩体的重量。而自然拱的形状和尺寸(即它的高度hk和跨度Bt)与岩体的坚固性系数f有关。具体表达式为：fbhtk式中hk——自然拱高度；bt——自然拱的半跨度,其取值如下图。提出基于“自然拱”概念的计算理论hkBbBhkHt(a)(b)2450j°2bt2450jtgHbbtt围岩垂直均布松动压力：khq围岩水平均布松动压力可按朗金公式计算：2452102tgHqet2.泰沙基理论也将岩体视为散粒体，认为坑道开挖后，其上方的岩体因坑道的变形而下沉，并产生如图所示的错动面OAB。Hdh2aOKσvtgφ02bBBAAσv+dσvqKσvKσvOσvh45˚-φ0/2Kσvtgφ045˚-φ0/2022220dhbdhtgkbdbVVVVj在地面深度为h处取出一厚度为dh的水平条带单元体，考虑其平衡条件∑V＝0，得出v假定作用在任何水平面上的竖向压应力是匀布的，相应的水平力k为侧压力系数。σH=kσv展开后，得bhKtgVeKtgb01000dhbtgKdVVj解上述微分方程，并引进边界条件，得洞顶岩层中任意点的垂直压力为随着坑道埋深h的加大,趋近于零，则bhKtge0j泰沙基根据实验结果，得出K＝1—1.5，取K＝1，则式中，b、φ0意义同上。KtgbV0j0jtgbV如以＝f代入，得0jtgfbV2452102tgHetv侧向均布压力则仍按朗金公式计算：式中ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)B——坑道宽度，以m计；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。对于单线、双线及多线隧道，按破坏阶段设计时：whqSq1245.03.我国《隧规》所推荐的方法（q、e）(1)深埋隧道Sqhq79.141.0式中hq——等效荷载高度值；S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；γ——围岩的容重；对于单线隧道、按概率极限状态设计时：水平压力e可用下表中的经验范围取值。围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平匀布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.30～0.5)q(0.5～1.0)q水平压力e推荐范围上述计算表达式的适用条件①H/B＜1.7(H为坑道的高度)；②深埋隧道；③不产生显著的偏压力及膨胀压力的一般围岩；④采用钻爆法施工的隧道。垂直松动压力的分布图水平压力分部一般为均布形式，在高地应力、浅埋时，还应考虑水平压力非均匀分布的情况。(2)浅埋隧道围岩松动压力的确定方法当隧道埋深不大时，开挖的影响将波及到地表而不能形成“自然拱”。从施工过程中岩体(包括土体)的运动情况可以看到，隧道开挖后如不及时支撑，岩体即会大量坍落移动，这种移动会影响到地表并形成一个坍陷区域，此时岩体将会出现两个滑动面，如图所示。对于这样的情况，可以采用松散介质极限平衡理论进行分析。当滑动岩体下滑时，受到两种阻力作用：一是滑面上阻止滑动岩体下滑的摩擦阻力；二是支护结构的反作用力，这种反作用力的数值应等于滑动岩体对支护结构施加的压力，也就是我们所要确定的围岩松动压力。根据受力的极限平衡条件：滑动岩体重量＝滑面上的阻力+支护结构的反作用力(围岩松动压力)围岩松动压力＝滑动岩体重量-滑面上的阻力①隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq(即h≤hq)时，忽略滑动面上的摩擦力：hq式中γ——围岩容重，以kN/m3计；h——隧道埋置深度，以m计。2452102tgHqet围岩水平均布压力e按朗金公式计算②隧道埋深h大于等效荷载高度hq(即h＞hq)隧道随着埋置深度增加，上覆岩体逐渐增厚，滑面的阻力也随之增大。因此，在计算围岩压力时，必须考虑滑面上阻力的影响。施工中，上覆岩体的下沉和位移与许多因素有关，如支护是否及时，岩体的性质、坑道的尺寸及埋置深度的大小，施工方接是否合理等等。为方便计算，根据实践经验作如下简化假定，如图所示。围岩垂直均布松动压力qhKBtghhBQq1围岩水平均布松动压力Hehe212121eeejjjtgtgtgtgtgtgtgtg0001(c)(d)(a)(b)围岩级别Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤⅥ水平匀布压力0＜0.15q(0.15～0.3)q(0.30～0.5)q(0.5～1.0)qhkBbBhkHt(a)(b)2450j°Hdh2aOKσvtgφ2bBBAAσv+dσvKσvKσvOσvh45˚-φ/2Kσvtgφ45˚-φ/2围岩压力滑动面滑动土体未扰动土体支护结构反力TDBTNW2TvTHNFW2β－φ090˚－(β－φ0+θ)90˚+θφ0β(b)(c)NAφ0HCDFBNET1T1PW2W1βT2T2GW2βφ0hHθ(a)B岩体似摩擦角φ0θ岩体似摩擦角φ0θ＜20°(0～0.1)45°～50°(0.5～0.6)20°～30°(01～0.2)50°～55°(0.6～0.7)30°～35°(0.2～0.3)55°～60°(0.7～0.8)35°～40°(0.3～0.4)60°～65°(0.8～0.9)40°～45°(0.4～0.5)＞65°0.90j0j0j0j0j0j0j0j0j0j围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠθ角(度)7360432312.57.5φ角(度)＞7867～7855～6643～5431～42≤30h'θT’TαBβ'e'2e'1βe1e2θhHh'1h0第二节支护结构设计计算方法地下结构的力学模型必须符合下述条件：①与实际工作状态一致，能反映围岩的实际状态以及与支护结构的接触状态；②荷载假定应与在修建洞室过程(各作业阶段)中荷载发生的情况一致；③算出的应力状态要与经过长时间使用的结构所发生的应力变化和破坏现象一致；④材料性质和数学表达要等价。设计计算方法大致分为：结构力学方法、岩体力学方法、信息反馈方法及经验方法等。结构力学方法一、基本原理将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法，也称为荷载－结构法。在围岩与支护结构相互作用的处理上却有几种不同的做法：1.主动荷载模式(如图a)2.主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式(如图b)3.实际荷载模式(如图c)其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支撑来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。二、隧道衬砌受力变形特点如图所示的曲墙式衬砌，在主动荷载(设围岩垂直压力大于侧向压力)作用下，结构产生的变形用虚线表示。在拱顶，其变形背向地层，不受围岩的约束而自由变形，这个区域称为“脱离区”；而在两侧及底部，结构产生朝向地层的变形，并受到围岩的约束阻止其变形，因而围岩对衬砌产生了弹性抗力，这个区称为“抗力区”。围岩对衬砌变形起双重作用：围岩产生主动压力使衬砌变形，又产生被动压力阻止衬砌变形。三、隧道衬砌承受的荷载(一)主动荷载1.主要荷载长期及经常作用的荷载，如围岩松动压力、支护结构的自重、地下水压力及列车、汽车活载等。支护结构自重：可按预先拟定的结构尺寸和材料容重计算确定。对于一般的隧道结构，在含水地层中，静水压力可按最低水位考虑，由于静水压力使衬砌结构物中的轴向力加大，对抗弯性能差的混凝土衬砌结构来说，相当于改善了它的受力状态，对结构有利。2.附加荷载指偶然的、非经常作用的荷载，如温差应力、灌浆压力、冻胀力及地震力等。3.计算荷载应按上述两种荷载同时存在的情况进行组合。一般仅考虑主要荷载，只有在某些特殊情况时，如七级以上地震区，或严寒地区冻胀性土壤的洞口段衬砌，才按主要荷载加附加荷载来检算结构。(二)被动荷载(即围岩的弹性抗力)弹性抗力就是指由于支护结构发生向围岩方向的变形而引起的围岩对支护结构的约束反力。弹性抗力的大小，目前多用温克尔(Winkler)假定为基础的局部变形理论(图(a))计算。σi=Kδi式中δi－围表面上任意一点i的压缩变形；σi－围岩在同一点上所产生的弹性抗力；K－围岩的弹性反力系数。这样假设和实际情况有出入，实际地层变形如图(b)所示。四、隧道衬砌结构的计算方法隧道支护结构计算的主要内容有：按工程类比方法初步拟定断面的几何尺寸；确定作用在结构上的荷载，进行力学计算，求出截面的内力(弯矩M和轴向力N)；检算截面的承载力。由于对弹性抗力的处理方法不同，而有几种不同的计算方法，下面分别加以介绍。(一)假定抗力区范围及抗力分布规律法假定衬砌结构周边抗力分布的范围及抗力区各点抗力变化的图形，