第四章隧道襯砌荷載計算

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1、....第四章隧道襯砌荷載計算4.1圍巖壓力4.1.1圍巖壓力的概念地下硐室不同于地面建筑，位于巖體介質(zhì)中，因此應(yīng)當把圍巖視為支護結(jié)構(gòu)的共同承載部分，也就是說，應(yīng)由支護結(jié)構(gòu)（無論是臨時的或永久的）和圍巖共同組成靜力承載體系。圍巖的靜力作用是十分重要的，如果沒有這種作用，硐室的施工將是十分困難或者是不可能的。實際上在巖體中開挖硐室，出現(xiàn)圍巖二次應(yīng)力，同時硐室相應(yīng)的產(chǎn)生變形和位移。不同的地質(zhì)條件和工程條件下，硐室圍可能出現(xiàn)兩種情況：①硐室的變形屬于彈性變形，在無支護情況下仍然能夠維持穩(wěn)定；②硐室的變形屬于非彈性變形，由于圍巖繼續(xù)變形導(dǎo)致其破壞，甚至出現(xiàn)大量的塌落，這時就需要支護結(jié)

2、構(gòu)來約束圍巖變形的繼續(xù)擴展，因而支護結(jié)構(gòu)受到圍巖變形時產(chǎn)生的壓力。圍巖二次應(yīng)力全部作用稱為圍巖壓力。圍巖二次應(yīng)力的作用在無支護硐室中出現(xiàn)在硐室周圍的部分區(qū)域內(nèi)；在有支護結(jié)構(gòu)（臨時的或永久性支護）的硐室中表現(xiàn)為圍巖和支護結(jié)構(gòu)的相互作用。目前一般工程認為的圍巖壓力是指由二次應(yīng)力使圍巖產(chǎn)生變形或破壞所引起的作用在襯砌上的壓力，這種概念實際上是屬于狹義的圍巖壓力。4.1.2圍巖壓力的形成關(guān)于圍巖壓力的形成機理以及隨時間發(fā)生、發(fā)展的過程可用奧地利臘布塞維奇教授的剪切滑移破壞理論來說明。若圍巖沒有受到其他硐室的影響，且開挖爆破過程中沒有受到破壞，則硐室周圍的圍巖壓力隨著時間的發(fā)展可以分為

3、三個階段，只討論在巖體內(nèi)最大壓應(yīng)力為垂直方向的情況。在第一階段，由于巖體的變形，在硐室的周圍邊界上產(chǎn)生一般的擠壓。同時，在兩側(cè)巖石內(nèi)形成楔形巖塊，在兩個楔形巖塊有向硐室內(nèi)部滑移的趨勢，從而側(cè)向產(chǎn)生壓力，這種楔形巖塊是由于兩側(cè)巖石剪切破壞而形成的。在第二階段，在側(cè)向楔形塊體發(fā)生某種變形以后，硐室的跨度似乎增大。因此，在巖體內(nèi)形成了一個垂直橢圓形的高壓力區(qū)，在橢圓曲線與硐室周界線間的巖體發(fā)生了松動。在第三個階段，硐頂和硐底的松動巖體開始變形，并向硐內(nèi)移動，硐頂松動巖石在重力作用下有掉落的趨勢，圍巖壓力逐漸增加。4.1.3圍巖壓力的分類圍巖壓力可分為四種：松動壓力、塑形變形壓力、沖

4、擊壓力和膨脹壓力。4.1.4圍巖壓力的確定方法隧道開挖前，地層中各點的應(yīng)力保持著相對的平衡，地層處于相對靜止狀態(tài)，稱為原始應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運動的殘余應(yīng)力及地下水活動等因素決定的。為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應(yīng)力，并取深度H處得一個單元體來做應(yīng)力分析。該單元體受到三對大小相同、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運動的相對靜止狀態(tài)。專業(yè)資料精心整理....在上覆地層自重作用下，豎直壓力為式中—上覆地層的平均重度；H—從地面到單元體所處的深度（m）。由于單元體的側(cè)向變形受到周圍地層的限制，便產(chǎn)生了側(cè)向壓力，按下式計算式中—側(cè)壓

5、力系數(shù)。根據(jù)側(cè)向應(yīng)變?yōu)榱愕臈l件，并把地層假定為各向同性的彈性體，可以推導(dǎo)出計算公式，即式中—地層巖石的泊松比。隧道開挖后，圍巖原來保持的平衡狀態(tài)受到破壞，由相對靜止狀態(tài)變成顯著運動狀態(tài)，由于圍巖在應(yīng)力以及應(yīng)變方面開始了一個新的變化運動，出現(xiàn)了圍巖應(yīng)力的重分布和圍巖開挖空間的變形，力圖達到新的平衡。變形的大小性質(zhì)及大小是不同的。在豎硬且完整的巖石中，圍巖巖體本身強度足以承受隧道周邊應(yīng)力，這時圍巖是自承的，不需要支撐或襯砌提供外加平衡力。在松軟的或裂隙圍巖中，由于圍巖體破碎，再加上在開挖時受到爆破振動，因而在隧道周邊一定范圍內(nèi)巖體遭到嚴重破壞，同時，圍巖體本身強度低，不足以抵抗圍

6、巖的周邊應(yīng)力，因此這一部分巖體在隧道開挖后開始產(chǎn)生向內(nèi)的變形運動，并逐漸出現(xiàn)松動和坍塌，松動或坍塌的巖體對支護結(jié)構(gòu)施加壓力，此壓力即為圍巖壓力。1、圍巖壓力的確定方法圍巖壓力的確定目前常用有下列三種方法：（1）直接測量法它是一種切合實際的方法，也是研究發(fā)展的方向，但由于受量測設(shè)備和技術(shù)水平的制約，目前還不能普遍采用。（2）經(jīng)驗法或工程類比法它是根據(jù)大量以前工程的實際資料的統(tǒng)計和總結(jié)，按不同圍巖分級提出圍巖壓力的經(jīng)驗數(shù)值，作為后建隧道工程確定圍巖壓力的根據(jù)的方法。該法目前使用較多的方法。（3）理論估算法專業(yè)資料精心整理....它是在實踐的基礎(chǔ)上從理論上研究圍巖壓力的方法。由于地

7、質(zhì)條件的不確定性，影響圍巖壓力的因素又非常多，這些因素本身及它們之間的組合也帶有一定的偶然性，企圖建立一種完善的和合適各種實際情況的通用圍巖壓力理論及計算方法是困難的，因此，現(xiàn)有的圍巖壓力理論都不十分切合實際情況。目前我國隧道工程設(shè)計計算中，一般都是以某種簡化的假設(shè)為前提，考慮幾個主要因素的影響，通過經(jīng)驗公式計算或受力分析，使其結(jié)果相對地接近實際圍巖壓力的情況。1、圍巖的成拱作用我國現(xiàn)行隧道設(shè)計規(guī)范用數(shù)理統(tǒng)計的方法給出計算各級圍巖坍塌高度的經(jīng)驗公式式中S—圍巖級別B—隧道寬度i—B每增減1m時圍巖壓力的