地下建筑圍巖壓力

地下建筑圍巖在重分布應力作用下產(chǎn)生塑性變形與破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力，稱為地下建筑圍巖壓力。圍巖壓力是圍巖與支護間的相互作用力,它與圍巖應力不是同一個概念，圍巖應力是巖體中的內(nèi)力，而圍巖壓力則是針對支護襯砌來說的，是作用于支護襯砌上的外力。

因此，如果圍巖足夠堅固，完全能夠承受住圍巖應力的作用，就不需要設置支護襯砌，也就不存在圍巖壓力問題。只有當圍巖適應不了圍巖應力的作用,而產(chǎn)生塑性變形或破壞時，才需要設置支護襯動以維持圍巖穩(wěn)定,因而就形成了圍巖壓力。圍巖壓力的大小，是支護襯砌設計的主要依據(jù)。2100433B

圍巖定義

指引起地下開挖空間周圍巖體和支護變形或破壞的作用力。它包括由地應力引起的圍巖力以及圍巖變形受阻而作用在支護結構上的作用。

圍巖產(chǎn)生背景

從廣義來理解，圍巖壓力既包括圍巖有支護的情況，也包括圍巖無支護的情況；既包括作用在普通傳統(tǒng)支護，也包括錨噴和壓力灌漿等現(xiàn)代支護的方法中所顯示的力學性質(zhì)。

從狹義來理解，圍巖力是指圍巖作用在支護結構上的壓力。

人們從開挖洞穴后圍巖變形和坍塌，襯砌或支護產(chǎn)生變形和開裂等現(xiàn)象，逐步認識到圍巖壓力的存在。影響圍巖壓力的因素有：洞室形狀或大小、地質(zhì)構造、支護型式和剛度、洞室埋深，以及時間因素和施工方法等。圍巖壓力的性質(zhì)、大小和分布規(guī)律是正確進行隧道和洞室支護、結構設計和選擇施工方案的重要依據(jù)。

洞室開挖前，巖體處在相對靜止狀態(tài)，其中任何一點的巖土都受到周圍地層的擠壓，稱為初始應力狀態(tài)或一次應力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運動的構造應力以及地下水流動等因素所決定的。

洞室開挖以后，解除了部分圍巖的約束，原始的應力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，圍巖中出現(xiàn)了應力的重分布，進入二次應力狀態(tài)。圍巖向洞室內(nèi)部空間變形，并力圖達到新的平衡。

圍巖應力狀態(tài)

由彈塑性理論和現(xiàn)場量測表明，隧道開挖后的圍巖應力狀態(tài)可概括為三個區(qū)域：

應力降低區(qū)

在松軟圍巖中，巖體的強度很小，不能承受開挖后急劇增大的洞室周邊應力而產(chǎn)生塑性變形，沿坑道周邊圍巖應力松弛而形成一個應力降低了的區(qū)域，高應力向圍巖深部轉(zhuǎn)移。

擾動了的巖體向坑道內(nèi)變形，如果變形超過一定數(shù)值就會出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)和坍塌。

在堅硬而完整的圍巖中，由于巖體強度大，坑道周邊未達到開裂和坍塌，故無應力降低區(qū)，這種洞室往往是自穩(wěn)的。

應力升高區(qū)

圍巖深部應力升高的區(qū)域，但其強度尚未被破壞，相當于一個承載環(huán)?？拥郎戏叫纬沙休d拱，承受上覆地層的自重，并將荷載向兩側地層傳遞。此即圍巖的成拱作用。

初始應力區(qū)

距離坑道較遠的巖體所受開挖的影響較小，仍處于初始的一次應力狀態(tài)。

圍巖基本類型

松動壓力

由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護結構上的壓力稱為松動壓力。松動壓力按作用在支護上的力的位置不同，分為豎向壓力和側向壓力。

形變壓力

圍巖變形受到支護約束而產(chǎn)生的壓力。除與圍巖應力有關外，還與支護時間及其剛度有關。柔性支護可產(chǎn)生一定位移而使形變壓力減小，宜大力推廣。但需及時設置襯砌，以免圍巖位移過大而形成松動壓力，不利于結構受力和正常施工。

按圍巖的本構特性(主要指巖土材料的應力-應變關系)和受力程度，可以有彈性、塑性和粘性等不同性質(zhì)的形變壓力。

松動壓力和形變壓力經(jīng)常同時存在。但以地質(zhì)條件、支護類型和施工方法等不同而以某一種為主。

如在松散地層中采用現(xiàn)澆混凝土襯砌而回填不密實時，通常以松動壓力為主，及時作柔性的噴錨支護則以形變壓力為主。形變壓力常隨時間推移而逐漸加大，最終才趨于穩(wěn)定。

膨脹壓力

當巖體具有吸水、應力解除等膨脹性特征時，由于圍巖膨脹所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與變形壓力的基本區(qū)別在于它是有吸水、應力解除等膨脹引起的。

沖擊壓力

圍巖產(chǎn)生巖爆或瓦斯突發(fā)，在支護結構上產(chǎn)生的動壓力。其特點是沖擊地壓大小與巖爆規(guī)模、巖爆強烈程度和支護結構的剛度有關，另外沖擊壓力總體上是一種瞬間壓力。

圍巖理論發(fā)展

在20世紀20年代以前，主要是古典理論階段。認為作用在支護上的壓力是支護結構上方覆蓋巖層的全部重量，如海姆和蘭金理論。

其后，出現(xiàn)了各種散體理論，即認為使圍巖塌落拱以內(nèi)的巖體重量作用于襯砌，如泰爾扎吉和普羅托季亞科諾夫理論。塌落拱的高度和洞室跨度及圍巖性質(zhì)有關。當掘進和支護所需時間較長，支護與圍巖又不能緊密貼接，就會使圍巖最終有一部分破壞塌落而形成松動壓力。

50年代起，彈塑性理論被運用于隧道的計算，如芬納、卡斯特納公式等。同時，開始研究圍巖壓力和變形的時間效應。

60年代末，出現(xiàn)了考慮地下結構與地層相互作用的彈塑性理論。由于將圍巖與襯砌視為一個統(tǒng)一的結合整體，圍巖壓力不再單獨進行計算。

70年代以來，將工程地質(zhì)和數(shù)學計算相結合，出現(xiàn)了研究塊狀和層狀巖體的塊體力學理論。

現(xiàn)行圍巖壓力理論包括：

巖土柱理論

開挖坑道以后，由于支護或拱圈向坑道內(nèi)部位移，引起其頂部上覆巖土柱的下沉，兩側地層對柱體產(chǎn)生與下沉反向的摩擦力，故上覆巖層重量減去巖土柱兩側的摩擦力即為圍巖壓力。

中國鐵路部門的方法認為：拱頂土柱的下沉，將帶動兩側三棱體下滑，由三角楔體的平衡條件求出與土柱間的摩阻力，土柱重量減去此摩阻力即為土體豎直壓力。

該理論多用于淺埋隧道，但也可推廣用于深埋隧道。當隧道埋置極淺或遇軟土層時，土柱兩邊的摩阻力接近于零，故圍巖壓力直接為土柱全重。

壓力拱理論

對埋置較深的隧道，頂部巖體失去穩(wěn)定，產(chǎn)生坍塌而形成不延向地表的局部破裂區(qū)。該區(qū)內(nèi)的巖體自重即洞室支護上的荷載。破裂區(qū)上部邊界線有拋物線、橢圓、半圓和三角形等不同假定，如科默雷爾巖體破碎理論等。

中國在50年代初期以來，曾廣泛采用普氏地壓理論。假定巖體為松散體，其壓力拱承受上覆土柱的全部均布重量，根據(jù)散粒材料不能承受拉應力，即彎矩為零的條件，得到拱形為拋物線，其矢高h=b/f(b為壓力拱跨度之半，f為巖層堅固系數(shù))。塌落拱巖體重量即為豎直地層壓力。

彈塑性理論

利用彈塑性理論可求出沿洞室周邊地層內(nèi)產(chǎn)生塑性區(qū)的范圍。設置襯砌后，利用地下結構與地層的位移協(xié)調(diào)條件，可求得塑性區(qū)半徑和圍巖壓力值。

極限平衡理論

巖體內(nèi)有各種各樣的結構面。開挖坑道后，洞周的圍巖出現(xiàn)與整個巖體相脫離的巖塊。它的自重對襯砌產(chǎn)生壓力。故用地質(zhì)分析法時，需先查明斷層、節(jié)理和軟弱夾層的分布情況及其組合。自重減去結構面阻力即為地層壓力，必要時也可計及圍巖應力對地壓的影響，采用赤平極射投影方法，確定巖石塊體的空間位置和形狀。

當分離體由數(shù)組平行節(jié)理面組成時，可用裂隙巖石的極限平衡理論計算；當節(jié)理呈隨機分布時，可用塊體力學理論計算。

數(shù)值解法

除簡單邊界條件的圓形洞室有較嚴格的解析解以外，對其他斷面形狀的洞室可采用有限元法或其他數(shù)值方法計算彈性、彈塑性或粘彈與粘(彈)塑性的圍巖壓力值。

如已給出垂直壓力，則側向壓力可視具體情況采用主動、靜止和被動抗力等理論進行計算。如底部地層較差而承載力不好，處于極限狀態(tài)，產(chǎn)生塑流，巖土將向洞室底部隆起；或遇膨脹地層時，均需要考慮底部圍巖的隆起壓力。

由于地層初始壓力和巖土參數(shù)不易準確測定，上述各種地壓理論，實際應用時會受到一定限制，因此還較多地采用工程類比法。在對已建成洞室的圍巖壓力大小和分布規(guī)律觀察統(tǒng)計的基礎上，全面分析研究其影響因素，得出圍巖壓力的經(jīng)驗公式，用以確定作用在襯砌上的圍巖壓力。

長期以來，人們都想通過量測作用在隧道上的圍巖壓力及圍巖和襯砌的變形，得出可靠的圍巖壓力分布和數(shù)值。近期興起的綜合量測方法，如以洞徑位移量測為主的收斂約束法，強調(diào)施工期間進行量測，并反饋信息而后修改原設計，稱為現(xiàn)場監(jiān)控法。

依靠實測來求得圍巖壓力值是當前的發(fā)展方向。圍巖壓力理論雖有很大的發(fā)展，但仍未臻完善。圍巖性質(zhì)千變?nèi)f化，支護形式多種多樣，施工方法各不相同，故應綜合經(jīng)驗、理論和實測的成果，針對不同情況，采用不同的理論和方法。2100433B

圍巖壓力直接量測法

直接量測法是指采用各種壓力盒量測圍巖作用在襯砌或支護結構上的接觸壓力的方法。這種方法是將壓力盒（或稱壓力傳感器）放置在襯砌或支護結構與圍巖之間，并緊密接觸，使二者之間的壓力直接由壓力盒反映出來。用于這種量測的壓力盒主要有電阻式、電容式、電壓式和振弦式等幾種。

圍巖壓力間接量測法

通過對襯砌或支護及圍巖的應力或應變的量測來推求圍巖壓力的方法稱為間接量測法。其中最為常用的方法是對圍巖變形（位移）的量測，在反演圍巖壓力的同時，用于評價圍巖的穩(wěn)定性以及確定圍巖松弛帶的范圍。 2100433B

圍巖壓力問題是與圍巖的穩(wěn)定性問題相關聯(lián)的，穩(wěn)定性越好的圍巖所產(chǎn)生的圍巖壓力就越小。因此，影響圍巖穩(wěn)定性的因素也就是影響圍巖壓力的因素。影響圍巖壓力的因素很多，通常可分為兩大類。一類是地質(zhì)因素，它包括原始應力狀態(tài)、巖石力學性質(zhì)、巖體結構面等；另一類是工程因素，它包括施工方法、支護設置時間、支護本身剛度、坑道形狀等。

不論何種圍巖，在隧道開挖后的暴露時間均是越短越好?！靶聤W法”的原則中指出，隧道開挖后應盡快施作初期支護（噴錨支護），及時封閉圍巖，防止圍巖的松動、風化，也防止圍巖強度的喪失。然后通過監(jiān)控量測掌握圍巖的收斂變形動態(tài)規(guī)律，當圍巖的變形基本穩(wěn)定后再施作永久性襯砌。應該指出，這一原則是建立在圍巖具有良好的自穩(wěn)性能的基礎上的，如果圍巖不具有良好的自穩(wěn)性能，將會由變形而出現(xiàn)塑性破壞，這種情況下不能僅依靠初期支護來維持圍巖的穩(wěn)定，而必須及時施作永久性襯砌，給圍巖提供所需的支護力，有效地阻止圍巖變形的發(fā)展，防止圍巖的松動坍塌而形成的松動壓力對支護的作用。因此，支護的是否及時就成為了圍巖壓力性質(zhì)及大小的一個關鍵性的重要因素。