1、第8章 巖石地下工程 地下工程：為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空巷道或中空洞室，其共同特點(diǎn)是在巖體內(nèi)開挖出具有一定橫斷面積和尺寸的洞室。8.1 概 述 不同的分類方式有不同的分類 方法按所處的地質(zhì)條件按所處的地理位置土質(zhì)隧道巖質(zhì)隧道山嶺隧道水底隧道城市隧道地下工程類型 交通類隧道水工隧道市政隧道礦山隧道人防隧道鐵路隧道公路隧道地下鐵道人行通道引水隧道尾水隧道導(dǎo)流隧道泄洪隧道給水隧道排水隧道管路隧道（煤氣、暖氣、電力等）采礦巷道運(yùn)輸巷道按隧道的用途深埋地下工程（50m）的特點(diǎn)：可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力；當(dāng)埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時(shí)，巷道

2、影響范圍（35 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）；深埋的水平巷道長(zhǎng)度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)變問題處理。其它類型巷道，或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理。深埋隧道（地下工程自身影響達(dá)不到地表）淺埋隧道按隧道的埋置深度南水北調(diào)東線穿黃探洞工程，開創(chuàng)70米深處穿越黃河先例斷面為1620米的瀑布溝水電站泄洪洞四川紫坪鋪水利樞紐導(dǎo)流隧洞工程甘肅引大入秦隧洞采用雙護(hù)盾全斷面掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工水工隧道采礦巷道地下水電站二灘水電站發(fā)電廠房海底儲(chǔ)氣工程汕頭LPG工程，1997年10月開工，1999年12月建成地下物流系統(tǒng)地下原子能發(fā)電站地下停車場(chǎng)人

3、防隧道地下商場(chǎng)北京國(guó)貿(mào)地下滑冰館城市隧道南京玄武湖地下快速路寧波甬江水底隧道廣州地鐵二號(hào)線【赤鷺區(qū)間隧道】盾構(gòu)工程地下鐵道北京地鐵王府井車站隧道內(nèi)路面施工隧道出口施工 重慶輕軌二號(hào)線（較場(chǎng)口-新山村） 18公里，投資43億（2000-2005年）臨江門車站較場(chǎng)口車站大坪車站輕軌地下車站:公路隧道重慶華鎣山隧道北碚隧道2005年2月15日歌樂山打通，工程分左右兩條隧洞，共要挖出100萬方土石。其中，每條隧洞長(zhǎng)3900米，單向雙車道。 重慶大學(xué)城梨樹灣隧道珠海板樟山公路隧道全長(zhǎng)18.02公里，總投資31.93億元斷層、涌水、巖爆照明、通風(fēng)、消防、通信、救援、交通安全控制、供配電、監(jiān)控湖南邵懷高速隧

4、道內(nèi)的“人造天空”陜西秦嶺終南山公路隧道鐵路隧道襄渝鐵路松樹車站三線隧道中國(guó)自行設(shè)計(jì)和施工的第一座越嶺隧道，位于（北）京包（頭）鐵路青龍橋車站附近。這座單線隧道全長(zhǎng)1091米，由我國(guó)杰出的工程師詹天佑親自規(guī)劃督造，1907年開工，在中國(guó)技術(shù)人員和工人的努力下，僅用18個(gè)月，于1908年竣工。八達(dá)嶺隧道在四川省境內(nèi)的大渡河畔，有一條古老涼山分裂成的長(zhǎng)達(dá)幾里的大裂縫，名叫老昌溝。1964年修建成昆鐵路時(shí)，橋梁建設(shè)者們?cè)谶@里修建了一座中國(guó)跨度最大的鐵路石拱橋?？缍茸畲蟮蔫F路石拱橋“一線天”橋中國(guó)目前已開通運(yùn)營(yíng)的海拔最高的鐵路隧道： 關(guān)角隧道位于青藏鐵路西（寧）格（爾木）段的青海省天峻縣內(nèi)，全長(zhǎng)400

5、0米。洞內(nèi)軌面最高處海拔3692米。由于地處高海拔地區(qū)，氣候寒冷，空氣稀薄，年平均氣溫0，最低溫度為零下37.5。關(guān)角隧道的施工前后歷時(shí)30多年，除停工的13年外，正式開挖建設(shè)5年半，而整治病害耗時(shí)9年多，可見隧道地質(zhì)構(gòu)造之復(fù)雜、氣候條件的惡劣和病害的嚴(yán)重。關(guān)角隧道 中國(guó)已通車的最長(zhǎng)雙線電氣化鐵路隧道:位于京廣鐵路廣東省粵北瑤山山區(qū)的坪石至樂昌間，全長(zhǎng)14295米。隧道埋深70至910米，推行了國(guó)外最先進(jìn)的設(shè)計(jì)和施工的方法“新奧法”。采用八十年代國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的大型機(jī)械，實(shí)現(xiàn)了主要工序鉆爆、支護(hù)、裝運(yùn)三條機(jī)械化作業(yè)線。大瑤山隧道穿越武夷山脈的長(zhǎng)大越嶺隧道:分水關(guān)隧道中國(guó)最長(zhǎng)的鐵路隧道：位于西（安

6、）（安）康鐵路青岔車站和營(yíng)盤車站之間，由兩座基本平行的單線隧道組成，兩線間距為30米，其中線隧道全長(zhǎng)18460米；線隧道全長(zhǎng)18456米。秦嶺隧道中國(guó)最長(zhǎng)的鐵路隧道：秦嶺隧道隧道最大埋深約1600米，埋深超過1000米地段長(zhǎng)約3.8公里。線(左線)隧道使用2臺(tái)8.8米敞開式掘進(jìn)機(jī)（TBM）由隧道兩端相向施工。線隧道(右線)，采用新奧法施工，初期支護(hù)為錨噴，二次支護(hù)為馬蹄型帶仰拱的模筑混凝土復(fù)合襯砌。中國(guó)最長(zhǎng)的鐵路隧道：秦嶺隧道秦嶺隧道地質(zhì)復(fù)雜、工程巨大,在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)安全和維修管理方面都有許多技術(shù)難關(guān)，且線隧道采用掘進(jìn)機(jī)施工，在我國(guó)鐵路隧道施工尚屬首次，為此有六類24項(xiàng)部重點(diǎn)科研項(xiàng)目立項(xiàng)研

7、究，均取得了不俗的成果。秦嶺特長(zhǎng)隧道的修建，使我國(guó)隧道工程建設(shè)從整體上提高到一個(gè)新的技術(shù)水平。隧道1995年1月18日正式開工，1999年9月6日全部貫通，2000年8月18日西康鐵路開通運(yùn)營(yíng)。世界高原多年凍土區(qū)第一長(zhǎng)大隧道：昆侖山隧道位于青藏鐵路青海境內(nèi)，全長(zhǎng)1686米，于2001年9月開工，2002年9月26日勝利貫通。昆侖山隧道世界海拔第一高的鐵路隧道：位于青藏鐵路青海境內(nèi)青藏高原可可西里“無人區(qū)”邊緣，全長(zhǎng)1338米，軌面海拔4905米，是世界上海拔最高的隧道，年均氣溫零下7，寒季最低氣溫達(dá)零下41，空氣中氧氣含量只有內(nèi)地的50左右。隧道凍土層最厚達(dá)150米、覆蓋層最薄處僅有米，施工稍

8、有不慎，就會(huì)導(dǎo)致大塌方，工程難度之大前所未遇。 2001年10月18日開工建設(shè)，2002年10月19日勝利貫通。風(fēng)火山隧道 課后自己上網(wǎng)看看CCTV10的紀(jì)錄片穿越夢(mèng)想宜萬鐵路(滬蓉西高速鐵路)城市地下空間開發(fā)利用已經(jīng)成為提高城市容量、緩解城市交通、改善城市環(huán)境的重要手段，正在成為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市的重要途徑。大型城市地下綜合體：交通、市政、商業(yè)上海人民廣場(chǎng)上海靜安寺核心區(qū)地下城，以波浪文化城（100000 m2）和地鐵1、2 號(hào)線換乘站為骨干，形成地下城，地下空間總量達(dá)到200萬m2。杭州錢江新城 深圳羅湖口岸及火車站地區(qū)：該綜合體地下地上各三層，該項(xiàng)目于2006年7月獲城市土地

9、學(xué)會(huì)亞太區(qū)卓越獎(jiǎng)。 深圳華強(qiáng)北地下商業(yè)街：以疏通人流為主，兼顧商業(yè)和旅游觀光的地下商業(yè)通道。設(shè)計(jì)停車泊位1000個(gè)。地下人行系統(tǒng)在三個(gè)十字路口處分別向東西方向的道路下方延伸，擴(kuò)展為三個(gè)大廳。地下商業(yè)面積3.2萬m2。 南 京 結(jié)合地鐵1、2號(hào)線新街口換乘站建設(shè)，形成地下空間網(wǎng)絡(luò)，總建筑面積超過了40萬m2，基本形成了地下城。 深 圳朝鮮平壤地鐵 平壤地鐵1968年開建，1987年開通，全長(zhǎng)35公里。最深處達(dá)120米，號(hào)稱是世界上最深的地鐵。健身房地下污水處理廠玉米棒式地下停車庫第5章 巖石地下工程 當(dāng)前世界上最長(zhǎng)的一條隧道。它通過津輕海峽，把津輕半島和北海道的鐵路連接起來。隧道由本州的青森穿過

10、津輕海峽到北海道的函館，為雙線隧道，全長(zhǎng)為53860米，其中海底部分為23300米。青函隧道1964年開挖斜坑道，經(jīng)過24年的施工，于1988年3月13日正式投入運(yùn)營(yíng)。日本青函隧道從英吉利海峽最窄處即英國(guó)的多佛爾到法國(guó)的加來，同時(shí)修建兩條直徑7.3米、長(zhǎng)50000米的鐵路隧道。其中37000米在海底。兩條隧道之間相距30米，在其中間線再修一條直徑為4.5米的輔助隧道，每隔375米與兩側(cè)主隧道連通，供通風(fēng)、維修使用。當(dāng)主隧道因故列車不能通行時(shí)，輔助隧道還可作為應(yīng)急的通道。全部工程耗資為530億法朗（約合70億美元）。隧道于1987年動(dòng)工，1994年竣工并投入使用。坐時(shí)速260公里的高速火車，穿越

11、隧道只用26分鐘。英法海底隧道第5章 巖石地下工程 計(jì)劃中的這條隧道長(zhǎng)103公里，是英法隧道水下部分的3倍長(zhǎng)，貫穿白令海峽，將俄西伯利亞和美國(guó)阿拉斯加連接起來，橫跨歐亞北美大陸。按照計(jì)劃，海底隧道將包括一條高速鐵路和一條高速公路、多條輸油管道、電纜和光纜，建成后將為北美和俄遠(yuǎn)東地區(qū)每年節(jié)省200億美元運(yùn)輸費(fèi)和電費(fèi)。預(yù)計(jì)歷時(shí)10到15年，耗資100億到120億美元。而一旦隧道完工，意味著將來可以乘坐火車從北京直達(dá)紐約。橫跨白令海峽的海底隧道將溝通歐亞和北美香港海底隧道九龍入口 香港第1條過海行車隧道，于1972年8月通車，耗資港幣3億2千萬元興建。隧道全長(zhǎng)1.86公里，跨越維多利亞港，將九龍半島

12、和香港島兩岸獨(dú)立的道路網(wǎng)絡(luò)連接起來。廈門翔安海底隧道 第一條由內(nèi)地專家自行設(shè)計(jì)的海底隧道，而且是第一條采用鉆爆法施工的海底隧道。全長(zhǎng)9公里，海底隧道5.95公里，總投資39.5億。隧道采取三孔建設(shè)形式，共由三條線路組成，其中中間一孔為服務(wù)隧道，作為緊急避難通道和日常維護(hù)檢修用。主洞隧道建筑限界凈寬13.5米，凈高5米 ，隧道最深在海平面下約70米。 臺(tái)海隧道即使以最短的北線計(jì)算也有150公里，是英法之間的英吉利海峽隧道長(zhǎng)度的3倍。臺(tái)海隧道的造價(jià)排除物價(jià)因素將在4000億到5000億元人民幣之間。預(yù)計(jì)將來通過隧道列車，從臺(tái)灣到大陸單程只需要2小時(shí)。 臺(tái)海隧道工程目前面臨的主要工程風(fēng)險(xiǎn)是臺(tái)灣海峽的

13、地質(zhì)條件。由于臺(tái)灣海峽地層處于較新的地質(zhì)年代，構(gòu)造復(fù)雜，為地震活動(dòng)區(qū)域，還需要深入的地質(zhì)勘探、科學(xué)的設(shè)計(jì)和完備的施工措施。臺(tái)海隧道隧道施工及監(jiān)測(cè)技術(shù)8.2 地下工程圍巖應(yīng)力 （1）圍巖應(yīng)力重分布問題計(jì)算重分布應(yīng)力 地下開挖破壞了巖體天然應(yīng)力的相對(duì)平衡狀態(tài)，洞室周邊巖體將向開挖空間松脹變形，使圍巖中的應(yīng)力產(chǎn)生重分布作用，形成新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。 （2）圍巖變形與破壞問題計(jì)算位移、確定破壞范圍 在重分布應(yīng)力作用下，洞室圍巖將向洞內(nèi)變形位移。如果圍巖重分布應(yīng)力超過了巖體的承受能力，圍巖將產(chǎn)生破壞。 （3）圍巖壓力問題計(jì)算圍巖壓力 圍巖變形破壞將給地下洞室的穩(wěn)定性帶來危害，因而，需對(duì)圍巖

14、進(jìn)行支護(hù)襯砌，變形破壞的圍巖將對(duì)支襯結(jié)構(gòu)施加一定的荷載，稱為圍巖壓力(或稱山巖壓力、地壓等)。（4）有壓洞室圍巖抗力問題計(jì)算圍巖抗力 在有壓洞室中，作用有很高的內(nèi)水壓力，并通過襯砌或洞壁傳遞給圍巖，這時(shí)圍巖將產(chǎn)生一個(gè)反力，稱為圍巖抗力。 力學(xué)問題圍巖應(yīng)力計(jì)算： 開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定 開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計(jì)算 支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善重分布應(yīng)力： 地下開挖擾動(dòng)后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)一、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力堅(jiān)硬致密的塊狀巖體，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲浴⑦B續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈

15、性力學(xué)計(jì)算。如果洞室半徑相對(duì)洞長(zhǎng)很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為受均布?jí)毫Φ谋“逯行男A孔周邊應(yīng)力分布的計(jì)算問題。MxVHMxVMxH=+假定洞室開挖在天然應(yīng)力比值系數(shù)為的巖體中，則問題可簡(jiǎn)化為右圖所示的無重板巖體力學(xué)模型。 H =v（1）圓形洞室 設(shè)無限大彈性薄板，在邊界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半徑為R0的小圓孔，按平面問題考慮，不計(jì)體力，M點(diǎn)的各應(yīng)力分量,根據(jù)彈性理論為：邊界條件：設(shè)應(yīng)力函數(shù)解微分方程，得各常數(shù)柯西課題M點(diǎn)的應(yīng)力分量由v引起的重分布應(yīng)力由H產(chǎn)生的重分布應(yīng)力v和H同時(shí)作用時(shí)圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力 討論：1）洞壁上的重分布應(yīng)力洞壁上的r0，r0，僅有作用，為單向應(yīng)

16、力狀態(tài)大小僅與天然應(yīng)力狀態(tài)及計(jì)算點(diǎn)的位置有關(guān)，而與洞室尺寸R0無關(guān)。當(dāng)=0、1800時(shí)， = 3v h當(dāng)=90、2700時(shí)， = 3h v 2）洞壁上的重分布應(yīng)力隨變化當(dāng)1/3時(shí)，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力； 當(dāng)1/33時(shí)，洞壁的全為壓應(yīng)力且應(yīng)力分布較均勻；當(dāng)3時(shí)，兩側(cè)壁將出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)讋t出現(xiàn)高壓應(yīng)力集中。每種洞形的洞室都有一個(gè)不出現(xiàn)拉應(yīng)力的臨界值，這對(duì)不同天然應(yīng)力場(chǎng)中合理洞形的選擇很有意義。3）=1（H=v=0 ）時(shí)的圍巖重分布應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與角無關(guān)，僅與R0和0有關(guān)。由于r=0，則r，均為主應(yīng)力，且恒為最大主應(yīng)力，r恒為最小主應(yīng)力。當(dāng)rR0(洞壁)時(shí)，r=0，=20，可知洞壁上的應(yīng)力差最

17、大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞。 4） r 、隨著離洞壁距離r的變化隨著離洞壁距離r增大，r逐漸增大，逐漸減小，并都漸漸趨近于天然應(yīng)力0值。在理論上，r，要在r處才達(dá)到0值，但實(shí)際上r，趨近于0的速度很快。當(dāng)r=6R0時(shí)，r和與0相差僅2.8%。因此，一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為6R0。在該范圍以外，不受開挖影響，這一范圍內(nèi)的巖體就是常說的圍巖，是有限元計(jì)算模型的邊界范圍。5） r 、為主應(yīng)力的條件當(dāng)r0時(shí)， r 、為主應(yīng)力，即：可得:當(dāng)1)=0、90、180、2700 2) h= v 3) r=R0 時(shí)， r 、為主應(yīng)力（2）其他形狀洞室應(yīng)力集中系數(shù) 地下洞室

18、開挖后洞壁上一點(diǎn)的應(yīng)力與開挖前洞壁處該點(diǎn)天然應(yīng)力的比值，稱為應(yīng)力集中系數(shù)。該系數(shù)反映了洞壁各點(diǎn)開挖前后應(yīng)力的變化情況。，為應(yīng)力集中系數(shù)，其大小僅與點(diǎn)的位置有關(guān)。圓形洞室特點(diǎn)：橢圓形洞室長(zhǎng)軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；而短軸兩端易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點(diǎn)等。長(zhǎng)方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長(zhǎng)邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。當(dāng)巖體中天然應(yīng)力h和v相差不大時(shí)，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。當(dāng)巖體中天然應(yīng)力h和v相差較大時(shí)，則應(yīng)盡量使洞室長(zhǎng)軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面

19、應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點(diǎn)上過大的應(yīng)力集中。2 塑性圍巖重分布應(yīng)力地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當(dāng)它超過圍巖屈服極限時(shí)，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個(gè)塑性松動(dòng)圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應(yīng)力r由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。塑性松動(dòng)圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力因釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。彈塑性理論求解塑性圈內(nèi)的圍巖重分布應(yīng)力假設(shè)在均質(zhì)、各向同性

20、、連續(xù)的巖體中開挖一半徑為R0的水平圓形洞室，開挖后形成的塑性松動(dòng)圈半徑為R1，巖體中的天然應(yīng)力為hv0，圈內(nèi)巖體強(qiáng)度服從莫爾直線強(qiáng)度條件。塑性圈以外圍巖體仍處于彈性狀態(tài)。在塑性圈內(nèi)取一微小單元體abdc，bd上作用有r，ac上作用有rdr。平衡方程塑性條件當(dāng)r =R0時(shí)當(dāng)r =R0，Pi=0時(shí)塑性圈內(nèi)圍巖重分布應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力(0)無關(guān)，而取決于支護(hù)力(pi)和巖體強(qiáng)度(Cm，m)值。洞壁上塑性圈與彈性圈交界面(rR1)該面上： 彈性應(yīng)力=塑性應(yīng)力塑、彈性圈交界面上的重分布應(yīng)力取決于0和Cm、m，而與pi無關(guān)。支護(hù)力不能改變交界面上的應(yīng)力大小，只能控制塑性松動(dòng)圈半徑(R1)的大小。二、有壓

21、洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算自學(xué)8.3 圍巖的變形與破壞 地下開挖后 自由變形空間 松脹變形等變形現(xiàn)象； 如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞：坍塌、滑動(dòng)或巖爆等現(xiàn)象。圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn) 1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極

22、限平衡理論來分析。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙塊體滑移是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對(duì)關(guān)系控制。2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯(cuò)動(dòng)及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞常可用彈性梁、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來分析。 在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為

23、兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為現(xiàn)為沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移等破壞形式，形成不對(duì)稱的塌落拱。將出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻則因壓力平行于層面，常發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，進(jìn)而危及洞頂安全。3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動(dòng)。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入4、散體

24、狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。 開挖-應(yīng)力調(diào)整-變形、局部破壞-再次調(diào)整 -再次變形-較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程分析圍巖變形破壞時(shí)，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測(cè)變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。8.4 圍巖壓力計(jì)算 一、基本概念地下洞室圍巖在

25、重分布應(yīng)力作用下產(chǎn)生過量的塑性變形或松動(dòng)破壞，進(jìn)而引起施加于支護(hù)襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力(peripheral rock pressure)。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應(yīng)力不是同一個(gè)概念。圍巖應(yīng)力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對(duì)支襯結(jié)構(gòu)來說的，是作用于支護(hù)襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機(jī)理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動(dòng)圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。 1、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓、彎折內(nèi)鼓等形成的擠壓力。產(chǎn)生形變圍巖壓力的條件： 巖體較軟弱或破碎，這時(shí)圍巖應(yīng)力很容易超過巖體的屈服極限而產(chǎn)生較大的塑性變形； 深埋洞室，由于圍巖受壓力過大易引起

26、塑性流動(dòng)變形。 2、松動(dòng)圍巖壓力松動(dòng)圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖體重力施加于支護(hù)襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質(zhì)、結(jié)構(gòu)面交切組合關(guān)系及地下水活動(dòng)和支護(hù)時(shí)間等因素。松動(dòng)圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進(jìn)行分析計(jì)算。 3、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強(qiáng)度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應(yīng)力狀態(tài)、圍巖力學(xué)屬性等密切相關(guān)，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，只能對(duì)沖擊圍巖壓力的產(chǎn)生

27、條件及其產(chǎn)生可能性進(jìn)行定性的評(píng)價(jià)預(yù)測(cè)。1、普氏理論假設(shè)條件（1）將巖體視為具有一定粘結(jié)力的松散體。式中：k 為巖體似內(nèi)摩擦角。（2）洞頂巖體能夠形成壓力拱。（3）沿拱切線方向只作用有壓應(yīng)力，而不能承受拉應(yīng)力。自然平衡拱以上的巖體重量通過拱傳遞到兩幫，對(duì)拱內(nèi)巖體不產(chǎn)生任何影響。即作用在支架上的頂壓僅為拱內(nèi)巖體重量，與拱外巖體和坑道埋深無關(guān)。二、 普氏地壓理論式中c 為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，Mpa.也可按上式計(jì)算巖體似內(nèi)摩擦角k ：（4） 采用堅(jiān)固性系數(shù)f（普氏系數(shù) ）來表征巖體的強(qiáng)度2、自然平衡拱的力學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算方法模型1：假定坑道兩幫巖體穩(wěn)定（ f2），而坑道頂部巖體不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生冒落而形成

28、自然平衡拱。模型2：假定坑道兩幫巖體也不穩(wěn)定（ f2），發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴(kuò)大。（1）模型1 及相應(yīng)的計(jì)算方法 A、平衡拱形狀 平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b: E、單位長(zhǎng)度平衡拱內(nèi)巖體重量W：F、單位長(zhǎng)度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv:D、平衡拱面積：（2）模型2 及相應(yīng)的計(jì)算方法 當(dāng)f2時(shí)，坑道兩幫巖體會(huì)發(fā)生剪切破壞，導(dǎo)致平衡拱的跨度擴(kuò)大。 A、平衡拱形狀 平衡拱形狀如圖所示，為一條拋物線，其方程為：B、平衡拱跨度 兩幫巖體發(fā)生剪切破壞，其破裂面與水平面的夾角為450/2，此時(shí)平衡拱跨度將增大至2a

29、1。C、平衡拱高度b:D、單位長(zhǎng)度坑道上作用在坑道支架上的頂壓pv: 支架受到的頂壓近似等于DCCD部分巖體的重量，即 可按滑動(dòng)土體上有均布荷載q= b 作用的擋土墻上主動(dòng)土壓力公式計(jì)算，即式中k為巖體換算內(nèi)摩擦角，karctgf 。E、支架受到的總的側(cè)壓力Qh: 實(shí)際上，自然平衡拱有各種形狀，在巖層傾斜的情況下，還會(huì)產(chǎn)生歪斜的平衡拱，如圖所示。普氏平衡拱理論 適用于深埋洞室三、太沙基理論 對(duì)于軟弱破碎巖體或土體，在巷道淺埋的情況下，可以采用太沙基理論計(jì)算圍巖壓力。1、太沙基理論的基本假設(shè)（1）仍視巖體為具有一定粘結(jié)力的松散體，其強(qiáng)度服從莫爾庫倫強(qiáng)度理論，即（2）假設(shè)坑道開挖后，頂板巖體逐漸下沉 ，引起應(yīng)力傳遞而作用在支架上，形成坑道壓力。2、太沙基圍巖壓力公式一般分坑道兩幫巖體穩(wěn)定或不穩(wěn)定兩種情況考慮。1、坑道兩幫巖體穩(wěn)定 坑道兩幫巖體穩(wěn)定，下沉僅限于頂板上部巖體，如圖，AD和BC為滑動(dòng)面，并延伸至地表。 兩側(cè)巖體的剪力dF: 式中：h，v為在深度Z處的水平應(yīng)力和垂直應(yīng)力，為