围岩压力与支护结构计算方法in地下结构方法

1.概述

作用在隧道支护结构上的围岩压力为松散压力、变形压力、膨胀压力以及冲击压力等。围岩压力计算应综合考虑隧道所处地形条件、地质条件、隧道跨度、结构形式、埋置深度、隧道间距以及开挖等因素。

埋深较浅的隧道可只计入围岩的松散压力；埋深较大的隧道不仅应计入围岩的松散压力，而且还应计入围岩的形变压力；连拱隧道、小净距隧道可不计入形变压力。

围岩松散压力为作用在隧道全部支护结构的压力综合。在对初期支护或二次衬砌进行内力计算时，应采用适当的方法进行荷载分配，确定该支护层相应的计算荷载。当隧道采用光面爆破、掘进机开挖等可减轻围岩损伤破坏的施工方法时，围岩松散压力的计算值可适当折减。

2.深、浅埋隧道的判断

浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为

式中　Hp——浅埋隧道分界深度（m）；

　　　hq——荷载等效高度（m），按下式计算：

式中　q——深埋隧道垂直均布压力（k N/m2），计算公式为q=γh；

　　　h=0.45×2n-1ω;

　　　ω=1+i(Bt-5);

其中　h——荷载等效高度（m）；

　　　γ——围岩重度（k N/m3）；

　　　s——围岩级别；

　　　ω——宽度影响系数；

　　　Bt——隧道最大开挖跨度，应考虑超挖影响（m）；

　　　i——Bt每增减1 m时的围岩压力增减率，以Bt=5 m的隧道围岩垂直均布压力为准；当Bt＜5 m时，i=0.2；当Bt＞5 m时，取i=0.1。

应用上述公式时，须同时具备下列条件：

1）采用钻爆法开挖的隧道；

2）H/B＜1.7，H为隧道开挖高度（m），B为隧道开挖宽度（m）；

3）不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩；

4）隧道开挖跨度小于15 m。

在传统矿山法施工的条件下，Ⅳ～Ⅴ级围岩取Hp=2.5hq；Ⅰ～Ⅲ级围岩取Hp=2.0hq。

3.深埋隧道围岩压力计算

深埋隧道围岩压力较为稳定，隧道埋深对围岩压力的变化影响较小。深埋隧道围岩压力的计算公式如下。

1）竖向压力：

式中　S——围岩级别的等级，如Ⅱ级围岩，即S=2。

　　　ω——开挖宽度影响系数，以B=5 m为基准，B每增减1 m时围岩压力的增减率，(www.xing528.com)

当B＜5，取i=0.2，当B＞5 m，取i=0.1。

2）水平压力的计算一般采用统计法，取值如表2-1所示。

表2-1　深埋隧道水平压力

4.浅埋隧道围岩压力计算

1）当h＜hq时，采用土注法进行计算。

其中，竖向压力q=γH；

水平压力按朗金公式：

式中，Ht为隧道净高。

2）当hq＜h＜Hq时，应该考虑滑动面上的阻力，分析如图2-10所示。

图2-10　浅埋隧道围岩荷载分布示意图

（1）坑道上覆土体下滑要考虑滑面阻力的影响，否则会算得较大的压力值。

（2）假定土体中形成的破裂面是一条与水平成θ角度的斜直线。

（3）隧道顶部矩形土体下沉，带动两侧三角形土体下沉。整个土体下沉又要受到两侧土体未扰动岩土体的阻力。

（4）假定破裂面的内聚力为c和摩擦角为φ。因此，隧道围岩压力=滑动岩体重量-滑动面上的阻力。则，

竖向压力

水平压力

式中，λ为侧压力系数。

5.偏压隧道围岩压力计算

当隧道处于浅层偏压状态时，应该考虑滑动面上的阻力，以及隧道偏压产生的影响，分析见图2-11。浅隧道施工时，因支撑或衬砌下沉，以及超挖、回填不实等原因，引起洞身上部围岩的下沉及隧道两侧地表开裂，在岩体内形成两个非对称的滑动面。这种情况下，假定隧道垂直偏压分布图形与地面坡一致，其围岩压力计算公式如下：

图2-11　偏压隧道围岩荷载分布示意图

竖向压力：

水平压力：