有压隧洞最小覆盖层厚

从上面的应力分析中，在围岩内的附加应力有衬砌时 其中由上面的四种情况来确定。无衬砌时 式中为拉应力，所以围岩稳定主要应考虑切向应力的大小。对于天然岩体应力，考虑圆形洞室，则围岩应力为：当有内水压力后，围岩产生附加应力和，这时围岩应力 (7-24)当时，为拉应力，若大于岩体抗拉强度，围岩不稳定。若岩体不能承受拉应力，则只要为负，围岩就不稳定。由于为负值，要保证为正，则必须很大，就要求应有一定的值，而，所以要维持有压隧洞围岩的稳定，就必须使洞室顶部有足够的岩层厚度，才能有一个能维持稳定的值。因此，对于有压隧洞，为保持围岩稳定，其上部岩层厚度为多大？即当内水压力一定时，洞室顶部的覆盖层的最小厚度应多大，才能维持围岩稳定。反过来，覆盖层一定，则围岩能承受多大的内水压力不致破坏，且有足够的安全系数，也就是围岩的承载力如何？因此，分析围岩稳定中，确定最小覆盖层厚度是关键问题。下面就介绍覆盖层厚度的确定方法。(一)直接方法 假定：岩体中只有自重应力场，洞室开挖结束一段时间后，围岩应力会出现松驰现象，即会逐渐降低。但应力的降低也不会低于岩体原来的天然应力。洞顶的切向应力就同自重应力场的侧向应力相近。呈三角形分布。则有。岩体不能出现拉应力，否则就是危险状态。即要求 下面讨论。在任一深度，自重引起的侧向应力附加应力：(无衬砌)则在围岩内任一点，应满足，围岩才能稳定所以有 在洞顶，处，最小 (7-25)若有衬砌，则在洞壁上的压力为则 显然，，即由于有衬砌，内水压力传到岩石的压力减小，则所需的最小覆盖层厚度就小。为安全起见，可取安全系数，使，未考虑。(二)叶格尔方法上述方法很直观，但也过于粗略。则在确定覆盖层厚度时，应当考虑到岩石的性质和强度，这样就可以采用不同的计算公式。现将岩石分为三种类型进行考虑：坚硬而无裂隙的岩石有裂隙岩石塑性岩石1．坚硬无裂隙的岩石条件：岩体为弹性体，则附加力为地下深处任一点，自重引起的应力为——岩石的静止侧压力系数——洞室深度 为使在处不产生开裂，则应使 即 令，则 (7-26) 叶格尔建议取Kn/m3， (7-27)——内水压力(mpa)，a——隧洞半径(m) 叶格尔没有取，即没有考虑洞顶边缘的拉裂，而是考虑以上至地表，岩石不开裂即可满足稳定，这也反映了岩石所具有的强度。 对于有衬砌，将公式中的换成换成——衬砌外径。 2．裂隙岩石 叶格尔假定：在具有径向裂隙的岩石中，附加应力 在地下深度的处，自重引起的应力为若不造成开裂，必须满足 同样，令，则 (7-28) 叶格尔取KN/m3，，有 (7-29) (7-29)式确定的H比(7-27)的大。 即有裂隙岩体的覆盖层厚度应大于坚硬完整岩体的H。3．塑性岩石 塑性岩石一般为粘土岩类等软岩，在压力作用下，会产生塑性变形。 在内水压力作用下，当超过岩石的弹性极限时，在围岩内侧将产生塑性变形，形成一个半径为的塑性区，在塑性区外侧仍为弹性区。 假定：在弹性区内存在一个不受或很少受内水压力影响的区域，其半径为，则有。在弹性阶段，围岩的附加应力可由（7-1）式给出：当p较大时，产生塑性变形。在塑性区以外仍为弹性区。弹性区，设在弹、塑性交界面处的压力是，即，由(7-1)式，考虑边界条件，得 (7-31)对于塑性区岩石，由塑性平衡条件：当忽略值，时， (7-32)该式即为特雷斯卡强度准则(适用于软岩) 由此得简化的塑性平衡条件 (7-33) 在弹塑性区域的边界上，应力需相等，则将(7-31) 取r=d代入(7-33)得： (7-34)所以由(7-31)，弹性区内的附加应力 (7-35)在塑性区内，应力应满足平衡方程 (7-36)并且也满足塑性条件(7-33)式，则有 边界条件有 (3-37)该式即为塑性区内的附加应力。上式中有一个未知量，如果为已知，则可计算塑性区和弹性区的附加应力。再考虑边界条件(内水压力)，由(3-37)式 (3-38)由该式可确定出值，但无法直接给出的表达式。虽然不能直求值，但我们的目的是确定覆盖层的厚度H。 根据前面的假设，内水压力仅影响的区域，在的区域无内水压力影响。所以覆盖层厚度应不小于。因此，。 从(3-38)式，知与和及有关，取塑性区的扩展的深度作为稳定的控制条件，即取，当时，围岩稳定。由(3-38)式 得 (3-39) 同样，如果取 以上为叶格尔给出的三种岩石的最小覆盖层厚度的公式坚硬完整岩石： 裂隙岩石： 塑性岩石： 对于有衬砌情况，由于在衬砌外边缘的压力为，即围岩内侧的压力为，这时：取，则用代替上式中代替，所以，有衬砌的小于无衬砌的H。 在工程设计中，如果按设计H，就要保证衬砌不漏水。否则内水压力传到洞壁岩石表面的压力并未降低到，在漏