您的位置:首页 > 百科大全 |

围岩压力

周围岩体作用于隧道和地下洞室衬砌或支护上的荷载,也称地层压力。广义地讲,围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象。

人们从开挖洞穴后围岩变形和坍塌,衬砌或支护产生变形和开裂等现象,逐步认识到围岩压力的存在。影响围岩压力的因素有:洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深,以及时间因素和施工方法等。围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。洞室开挖前,岩体处在相对静止状态,其中任何一点的岩土都受到周围地层的挤压,称为初始应力状态或一次应力状态(见岩体中应力)。它是由上覆地层自重、地壳运动的构造应力以及地下水流动等因素所决定的。洞室开挖以后,解除了部分围岩的约束,原始的应力平衡和稳定状态被破坏,围岩中出现了应力的重分布,进入二次应力状态。围岩向洞室内部空间变形,并力图达到新的平衡。

围岩应力状态

由弹塑性理论和现场量测表明,隧道开挖后的围岩应力状态可概括为三个区域:

应力降低区

在松软围岩中,岩体的强度很小,不能承受开挖后急剧增大的洞室周边应力而产生塑性变形,沿坑道周边围岩应力松弛而形成一个应力降低了的区域,高应力向围岩深部转移。扰动了的岩体向坑道内变形,如果变形超过一定数值就会出现围岩失稳和坍塌。在坚硬而完整的围岩中,由于岩体强度大,坑道周边未达到开裂和坍塌,故无应力降低区,这种洞室往往是自稳的。

应力升高区

围岩深部应力升高的区域,但其强度尚未被破坏,相当于一个承载环。坑道上方形成承载拱,承受上覆地层的自重,并将荷载向两侧地层传递。此即围岩的成拱作用。

初始应力区

距离坑道较远的岩体所受开挖的影响较小,仍处于初始的一次应力状态。

围岩压力分类

可分以下两类:

松动压力

松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力。岩体可以由于节理裂隙或岩石强度破坏而引起松动,直至坑道的顶部和侧部产生坍落。

形变压力

围岩变形受到支护约束而产生的压力。除与围岩应力有关外,还与支护时间及其刚度有关。柔性支护可产生一定位移而使形变压力减小,宜大力推广。但需及时设置衬砌,以免围岩位移过大而形成松动压力,不利于结构受力和正常施工。按围岩的本构特性(主要指岩土材料的应力-应变关系)和受力程度,可以有弹性、塑性和粘性等不同性质的形变压力。

松动压力和形变压力经常同时存在。但以地质条件、支护类型和施工方法等不同而以某一种为主。如在松散地层中采用现浇混凝土衬砌而回填不密实时,通常以松动压力为主;及时作柔性的喷锚支护则以形变压力为主。形变压力常随时间推移而逐渐加大,最终才趋于稳定。

此外,在膨胀地层中,还会产生水和化学作用引起岩土体积膨胀的膨胀压力,这也是形变压力的一种。在脆性岩层中,因坑道开挖,使围岩原先的高压力突然释放引起岩爆而产生的冲击压力,则属松动压力范畴。

围岩压力理论的发展

在20世纪20年代以前,主要是古典理论阶段。认为作用在支护上的压力是支护结构上方覆盖岩层的全部重量,如海姆和兰金理论。其后,出现了各种散体理论,即认为使围岩塌落拱以内的岩体重量作用于衬砌,如泰尔扎吉和普罗托季亚科诺夫理论。塌落拱的高度和洞室跨度及围岩性质有关。当掘进和支护所需时间较长,支护与围岩又不能紧密贴接,就会使围岩最终有一部分破坏塌落而形成松动压力。50年代起,弹塑性理论被运用于隧道的计算,如芬纳、卡斯特纳公式等。同时,开始研究围岩压力和变形的时间效应。60年代末,出现了考虑地下结构与地层相互作用的弹塑性理论。由于将围岩与衬砌视为一个统一的结合整体,围岩压力不再单独进行计算。70年代以来,将工程地质和数学计算相结合,出现了研究块状和层状岩体的块体力学理论。

现行围岩压力理论包括:

(1)岩土柱理论。开挖坑道以后,由于支护或拱圈向坑道内部位移,引起其顶部上覆岩土柱的下沉,两侧地层对柱体产生与下沉反向的摩擦力,故上覆岩层重量减去岩土柱两侧的摩擦力即为围岩压力。中国铁路部门的方法认为:拱顶土柱的下沉,将带动两侧三棱体下滑,由三角楔体的平衡条件求出与土柱间的摩阻力,土柱重量减去此摩阻力即为土体竖直压力。该理论多用于浅埋隧道,但也可推广用于深埋隧道。当隧道埋置极浅或遇软土层时,土柱两边的摩阻力接近于零,故围岩压力直接为土柱全重。

(2)压力拱理论。对埋置较深的隧道,顶部岩体失去稳定,产生坍塌而形成不延向地表的局部破裂区。该区内的岩体自重即洞室支护上的荷载。破裂区上部边界线有抛物线、椭圆、半圆和三角形等不同假定,如科默雷尔岩体破碎理论等。中国在50年代初期以来,曾广泛采用普氏地压理论。假定岩体为松散体,其压力拱承受上覆土柱的全部均布重量,根据散粒材料不能承受拉应力,即弯矩为零的条件,得到拱形为抛物线,其矢高hb/f(b为压力拱跨度之半,f为岩层坚固系数)。 塌落拱岩体重量即为竖直地层压力。

(3)弹塑性理论。利用弹塑性理论可求出沿洞室周边地层内产生塑性区的范围。设置衬砌后,利用地下结构与地层的位移协调条件,可求得塑性区半径和围岩压力值。

(4)极限平衡理论。岩体内有各种各样的结构面。开挖坑道后,洞周的围岩出现与整个岩体相脱离的岩块。它的自重对衬砌产生压力。故用地质分析法时,需先查明断层、节理和软弱夹层的分布情况及其组合。自重减去结构面阻力即为地层压力,必要时也可计及围岩应力对地压的影响,采用赤平极射投影方法,确定岩石块体的空间位置和形状。当分离体由数组平行节理面组成时,可用裂隙岩石的极限平衡理论计算;当节理呈随机分布时,可用块体力学理论计算。

(5)数值解法。除简单边界条件的圆形洞室有较严格的解析解以外,对其他断面形状的洞室可采用有限元法或其他数值方法计算弹性、弹塑性或粘弹与粘(弹)塑性的围岩压力值。

如已给出垂直压力,则侧向压力可视具体情况采用主动、静止和被动抗力等理论进行计算。如底部地层较差而承载力不好,处于极限状态,产生塑流,岩土将向洞室底部隆起;或遇膨胀地层时,均需要考虑底部围岩的隆起压力。

由于地层初始压力和岩土参数不易准确测定,上述各种地压理论,实际应用时会受到一定限制,因此目前还较多地采用工程类比法。在对已建成洞室的围岩压力大小和分布规律观察统计的基础上,全面分析研究其影响因素,得出围岩压力的经验公式,用以确定作用在衬砌上的围岩压力。

长期以来,人们都想通过量测作用在隧道上的围岩压力及围岩和衬砌的变形,得出可靠的围岩压力分布和数值。近期兴起的综合量测方法,如以洞径位移量测为主的收敛-约束法,强调施工期间进行量测,并反馈信息而后修改原设计,称为现场监控法。依靠实测来求得围岩压力值是当前的发展方向。围岩压力理论虽有很大的发展,但至今仍未臻完善。围岩性质千变万化,支护形式多种多样,施工方法各不相同,故应综合经验、理论和实测的成果,针对不同情况,采用不同的理论和方法。