岩石地下工程之四围岩压力计算

岩石地下工程之四--围岩压力计算一、基本概念地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力(peripheralrockpressure)。注意:围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。1、形变围岩压力形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。产生形变围岩压力的条件：①岩体较软弱或破碎，围岩应力超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；②深埋洞室，围岩受压力过大引起塑性流动变形。一种特殊的形变围岩压力膨胀围岩压力：膨胀围岩由于矿物吸水膨胀产生的对支衬结构的挤压力。形成的基本条件：一是岩体中要有膨胀性粘土矿物(如蒙脱石等)；二是要有地下水的作用。2、松动围岩压力松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。3、冲击围岩压力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。冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。二、围岩压力计算

1、形变围岩压力计算支衬结构对围岩的支护力pi就是作用于支衬上的形变围岩压力当R1愈大时，维持极限平衡所需的pi愈小。因此，在围岩不至失稳的情况下，适当扩大塑性区，可以减小围岩压力。不仅处于弹性变形阶段的围岩有自承能力，处于塑性变形阶段的围岩也具有自承能力。pi取决于天然应力σ0和岩体的Cm和φm。塑性围岩的这种自承能力是有限的，当pi降到某一低值pimin时，塑性圈就要塌落，这时围岩压力可能反而增大。根据变形协调条件和塑性区体积不变(即塑性变形时，只有形状和尺寸的改变，而无体积的变化

)的条件,可由上式导出围岩位移与支护反力之间的关系,即围岩位移特性曲线:在实际工程中，如果忽略支衬与围岩间回填层压缩位移的情况下，uR0主要包括两部分：洞室开挖后到支衬前的洞壁位移u0和支护衬砌后支衬结构的位移u2。u0取决于围岩性质及其暴露时间，可实测u2取决于支衬型式和刚度，对于混凝土衬砌的圆形洞室，假定围岩与衬砌共同变形，用厚壁筒理论计算u2pi随uR0增大而减小，说说明适当的变形形有利于降低围围岩压力，减小小衬砌厚度。当uR0达到塑性圈开始始出现时的位移移(uR0)R1(即围岩开始出出现塑性变形)时，围岩压力力将出现最大值值pimax。随uR0增大pi逐渐降低，到B点，pi达到最低值。之后，pi又随uR0增大而增大。因此，支护衬砌砌必须在AB之之间进行，越接近A点，pi越大，越近B点，pi越小。2、松动围岩压压力松动围岩压力是是指松动塌落岩岩体重量所引起起的作用在支护护衬砌上的压力力。围岩过度变形超超过了它的抗变变形能力，就会会引起塌落等松松动破坏，这时时作用于支护衬衬砌上的围岩压压力就等于塌落落岩体的自重或或分量。计算松动围岩压压力的方法主要要有：平衡拱理论、太沙基理论及块体极限平衡理理论。(1)平衡拱理理论（又称普氏氏理论）该理论认为：洞室开挖以后，，如不及时支护护，洞顶岩体将将不断跨落而形形成一个拱形，，称塌落拱。这个拱形最初不不稳定，如果侧侧壁稳定，拱高高随塌落不断增增高；反之，如如侧壁也不稳定定，则拱跨和拱拱高同时增大。。当洞的埋深较大大时，塌落拱不不会无限发展，，最终将在围岩岩中形成一个自自然平衡拱。作用于支护衬砌砌上的围岩压力力就是平衡拱与衬衬砌间破碎岩体体的重量，与拱拱外岩体无关。。曲线LOM为平衡拱拱，对称称于y轴轴。在半半跨LO段内任任取一点点A，OA段的的受力状状态为：：半跨OM段对对OA的的水平作作用力Rx，Rx对A点的的力矩为为Rxy；铅直直天然应应力σv在OA上上的作用用力σvx，它对对A点的的力矩为为σvx/2；；LA段段对OA段的反反力W，，它对A点的力矩为零零。设平衡拱拱的拱高高为h，，半跨为为b拱的方程程两种自然然平衡拱拱的力学学模型和和相应计计算方法法:第一种:坑道两两帮岩体体稳定,顶部岩岩体不稳稳定;第二种:两帮岩岩体也不不稳定,发生剪剪切破坏坏,平衡衡拱跨度度扩大坚固性系系数:岩体的普普氏系数数,用f表示：：式中：为为岩岩石单轴轴抗压强强度（））洞侧壁稳稳定：洞顶围岩岩压力为为L0M以下岩体体的重量量洞室、侧侧壁不稳稳定：洞的半跨跨将由b扩大至b1，侧壁岩体体将沿LE和MF滑动，滑滑面与垂垂直洞壁壁的夹角角为α＝45°－φm/2。洞顶的松松动围岩岩压力p1为AA′′B′B块体的的重量侧壁围岩岩压力为滑移块块体A′′EL或或B′MF的自重重在水平平方向上上的投影影。按土压力力理论计计算平衡拱理理论只适适用散体结构构岩体。洞室上覆覆岩体需需有一定定的厚度度(埋深H＞5b1)，才能形成成平衡拱拱。侧壁围岩岩压力(2)太太沙基理理论假定跨度为2b的矩矩形洞室室，开挖挖在深度度为H的的岩体中中。开挖挖以后侧侧壁稳定定，顶拱拱不稳定定，沿面面AA′′和BB′发生生滑移。。滑移面的剪切切强度τ为：：岩体的天然应应力状态为：取厚度为dz的薄层分析析薄层的自重dG＝2bρρgdz，极限平衡条件件当z＝0时，，σv＝0当z＝H时，，σv即为作用于洞洞顶单位面积积上的围岩压压力，用q表表示为：侧壁亦不稳定定:侧壁围岩将沿沿与洞壁夹45°－φm/2角的面滑移将柱体A′ABB′′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻阻力，可得作作用于洞顶单单位面积上的的围岩压力q适用于散体结结构岩体中开开挖的浅埋洞洞室。(3)块体极极限平衡理论论地下洞室开挖挖后，围岩中中的某些块体体在自重作用用下向洞内滑滑移。作用在在支护衬砌上上的压力就是是这些滑体的的重量或其分分量。找出结构面的的组合形式及及其与洞轴线线的关系。确定围岩中可可能不稳定楔楔形体(或分分离体)的位位置和形状。。确定不稳定体体塌落或滑移移的滑动方向向、可能滑动动面的位置、、产状和力学学强度参数。。对楔形体进行行稳定性计算算。如果楔形体处处于稳定状态态，其围岩压压力为零；如如果不稳定，，就要具体地地计算其围岩岩压力。步骤1)洞顶围岩岩压力作用在楔形体体的力：①围岩重分布布应力；②结构面剪切切强度产生的的抗滑力；③楔形体的自自重G1。如果楔形体不不稳定，则作作用于洞顶支支衬上的围岩岩压力pv就是该楔形体体的自重。侧壁不稳定楔形体DEFH所形成的侧壁壁围岩压力ph等于楔形体的的重量在滑动动方向上的分分力减去滑动动面的摩阻力力后，在水平平方向上的分分力。若楔形体不稳稳定，则该楔楔形体产生的的侧向围岩压压力ph为：3、岩爆(rockburst)岩爆高天然应力的的弹脆性岩体体地下开挖工程程开挖卸荷及特特殊的地质构构造作用周边岩体中应应力高度集中中，积聚于较较高的弹性应应变能当开挖体围岩岩中应力超过过岩体的容许许极限状态（1）岩爆的的产生条件1)围岩应力力条件判断岩爆发生生的应力条件件有两种方法法：一是用洞壁的的最大环向应力力σθ与围岩单轴抗压压强度σc之比值作为岩岩爆产生的应应力条件；一是用天然应应力中的最大主应力σσ1与岩块单轴抗压压强度σc之比进行判断断。σ1／σc大大于0.165～0.35的脆性岩岩体最易发生生岩爆。经验公式2)岩性条条件弹性变形能能系数ω：：加载到0.7σc后再卸载至至0.05σc时，卸载释释放的弹性性变形能与与加载吸收收的变形能能之比的百百分数。当ω＞70％时，会会产生岩爆爆，ω越大大发生岩爆爆的可能性性越大。应变能消耗耗比：岩石单向压压缩时，达达到强度极极限前积累累于岩石内内的应变能能与强度极极限后消耗耗于岩石破破坏的应变变能之比。。式中：FOAB为曲线OAB包围的的面积；FBAC为曲线BAC包围的的面积。n＜1时，，不会发生生岩爆；n＞1时，，可能发生生岩爆。（2）影影响岩爆的的因素1)地质构构造岩爆大都发发生在褶皱皱构造中。。岩爆与断层层、节理构构造密切相相关。当掌掌子面与断断裂或节理理走向平行行时，容易易触发岩爆爆。岩体中节理理密度和张张开度对岩岩爆有明显显的影响。。据南非金金矿观测表表明，节理理间距小于于40cm，且张开开的岩体中中，一般不不发生岩爆爆。掌子面面岩体中有有大量岩脉脉穿插时，，也将发生生岩爆。2)洞室埋埋深随着洞室埋埋深增加，，岩爆次数数增多，强强度也增大大。发生岩爆的的临界深度度H可按下式估估算：（3）岩爆爆形成机理理和围岩破破坏区分带带1)劈裂成成板阶段（（岩爆孕育育）垂直洞壁方方向受张应应力作用而而产生平行行于最大环环向应力的的板状劈裂裂。仅在洞壁表表部，部分分板裂岩体体脱离母岩而剥落落，而无岩岩块弹射出出现。2)剪切成成块阶段(岩爆的酝酝酿)劈裂岩板向向洞内弯曲曲，发生张张剪复合破坏。处于爆裂弹弹射的临界界状态。3)块、片片弹射阶段段劈裂、剪断断岩板，产产生响声和和震动。岩块发生弹弹射，岩爆爆形成。岩爆的渐进进性破坏过过程很短促促。各阶段在演演化的时序序和发展的的空间部位位，都是由由洞壁向围围岩深部依依次重复更更迭发生的的。因此，，岩爆引起的的围岩破坏坏区可以分弹射带、劈劈裂-剪切切带和劈裂带等三带。岩爆的预防防措施（1）“短进尺、、多循环””:在岩爆多发发地段的开开挖进尺严严格控制在在2.5m以内;采用光面爆爆破技术:提高光爆爆效果，改改善洞壁应应力条件，，严格控制制线装药密密度及单耗耗，降低爆爆破动应力力场的叠加加，尽量减减少对围岩岩的扰动，，改善围岩岩的应力状状态。（2）提前释放应应力:在开挖施工工前，沿洞洞壁先打ФФ28，L＝6m超超前锚