普氏压力拱理论局限性郑颖人教授中国人民解放军后勤
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
学院一、极限分析
方法
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介绍传统极限分析法:已知材料中破裂面可求破裂面上的下滑力和抗滑力抗滑力F传统条分法s下滑力(滑动力)强度折减法实际黏聚力cFs破坏时黏聚力c采用有限元极限分析法，具有严格力学理论，又有可视、动态、定量计算的优点，能看见破坏图形，破坏面为应变突变点(最大应变点)连线破坏时应变图破裂面均质岩体的破裂面二、普氏压力拱的局限性1、传统深埋隧洞破坏机理承受压力拱下土体重量，按经验定拱高2、传统浅埋隧洞破坏机理隧洞上部土体坍塌，存在应力传递深埋隧洞的压力拱太沙基浅埋理论普氏压力拱基本观点一是无论围岩强度大小，隧洞洞形与跨度如何，深埋隧洞顶都会形成压力拱二是形成压力拱后，无论何种状况，隧洞必然会达到自稳状态；三是深埋隧洞破坏只发生在拱顶，围岩压力为松散压力，只与隧洞跨度和岩体性质有关，而与隧洞埋深无关；3.普氏压力拱理论局限性分析3.1压力拱的含义及其形成条件埋深20m，跨度5m，墙高2m土体隧洞，拱高0m、0.5m、1.5m、2.5m,破坏时塑性区。a拱高0mb拱高0.5mc拱高1.5md拱高2.5m,F=0.920.960.990.96普氏压力拱的含义：一是隧洞破坏的轮廓线；二是隧洞开挖的最佳洞形线，此时安全系数最高，这就是地下工程做成拱形的道理。压力拱只存在于矩形或拱顶平缓的隧洞，而拱形隧洞不存在压力拱，隧洞拱顶上方必然会形成压力拱的观点不全面。3.2洞跨与压力拱及围岩自稳的关系埋深20ｍ、拱高0.5m，洞跨3m、5m、10m(a)洞跨3m,1.17(b)洞跨5m,0.96(c)洞跨5m,1.0(d)洞跨10m（0.59）(e)洞跨10m（0.75）任何跨度的深埋隧洞都会形成自稳压力拱的观点是错误的，对于某一强度的围岩，都有一个临界跨度值，当洞跨大于临界跨度时，隧洞不能自稳，隧洞不可能形成自稳的压力拱。只有当洞跨小于临界跨度时，隧洞满足安全稳定要求，才可以形成自稳的压力拱。3.3围岩强度与压力拱及围岩自稳的关系埋深20m、跨度3m、拱高0.5m隧洞，围岩为老黄土、新黄土、淤泥质土三类。(a)老黄土隧洞(b)新黄土隧洞(c)淤泥隧洞（1.64）（0.95）0.35可作为不可作为不能成洞人居洞室人居洞室压力拱不能自稳任何强度围岩的深埋隧洞都会形成自稳的普氏压力拱观点是错误的，压力拱自稳与围岩强度密切有关，相同尺寸与埋深的隧洞，当围岩强度很低时，隧洞不可能自稳，也不能无衬砌下成洞。当围岩强度较高时，才会形成自稳的压力拱，压力拱的形成和围岩的自稳是有条件的，压力拱必然自稳是不全面的。力传递的拱作用矩型洞、跨度大、埋深浅、拱作用差，拱顶受力大;拱型洞、跨度小、埋深大、拱作用好，侧墙受力大3.4埋深与压力拱及围岩自稳的关系即随埋深而变的隧洞破坏机理采用有限元强度折减法分析洞跨12m，高5m的矩形隧洞，以及墙高5m，拱高3m的拱形直墙隧洞，黏聚力0.04MPa，内摩擦角22度。(a)埋深3m(b)埋深7m(c)埋深9m(d)埋深10m0.520.650.660.69(e)埋深12m(f)埋深18m(g)埋深30m(h)埋深50m（0.7）（0.7）（0.67）（0.61）矩形隧洞破坏机理，破坏可以划分为三个阶段：埋深0-9m时，拱顶形成浅埋压力拱，破裂面贯通至地表，属于浅埋破坏。埋深10-18m时，拱顶上方浅埋压力拱消失，同时形成了深埋压力拱，破裂面没有贯通至地表，属于深埋拱顶破坏。埋深大于18m时，属于深埋两侧破坏。(a)埋深4m(b)埋深7m(c)埋深9m(d)埋深10m0.870.840.820.82(e)埋深12m(f)埋深20m(g)埋深30m(h)埋深50m（0.81）（0.78）（0.77）（0.75）随埋深增加，浅埋转为深埋，深埋隧洞从拱顶先发生破坏逐渐过渡到侧墙先发生破坏，围岩压力从拱顶松散压力逐渐转向侧墙形变压力，表明压力拱理论只适用于埋深不大情况，深埋隧洞破坏只发生在拱顶及围岩压力与埋深无关的观点是错误的。隧洞埋深越大，安全系数减小，围岩压力越大，隧洞更易发生破坏。埋深增大不能使隧洞自稳，反而安全性更差。综上所述，普氏压力拱只是在矩形和拱顶平缓以及围岩稳定与埋深不大的隧洞上才成立。压力拱是否形成，是否自稳，是否起作用是有条件的。围岩压力与埋深有关，深度越大围岩压力越大。错误概念与理论会增大
施工
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风险：洞跨27m,高25m,覆盖层7~15m,泥岩,按弹塑性分析,上部为浅埋,下部为深埋事故原因：A、不良地质条件。砂质泥岩Rc=6.4~9.4MPa，软弱结构面，近水平与垂直节理B、环境原因。雨季地表水渗入，结构面软化C、擅自改变施工
方案
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，采用全断面开挖，二衬未紧跟。认为拱部二衬已施作，不会有问题，不知道深埋隧洞压力主要来自两侧，造成重大失误D、锚杆太短(3.5m)不起作用，临空时间长，初支强度不足E、监理、监测不到位，未提供监测数据，擅自停止监测工作。隧道塌方事故统计表序地点时间项目名称事故情况号17月14日云桂铁路14名获救，1名失踪。云南29月15日广大铁路4名获救，2名失踪。37月1日沪昆客运专线４人死亡、４人受伤。贵州贵州石阡县江瓮13名施工人员被困,48月10日高速公路隧道全部获救。58月16日宝兰铁路5名全部获救。甘肃611月4日兰渝铁路8名被困工人失踪。7陕西7月28日黄延高速公路3名施工人员失踪。南宁轨道交通8广西10月7日１人死亡、２人失踪。１号线广东东莞至惠9广州7月17日州城际轨道未造成人员伤亡交通自7月起，合计发生9起事故，云南2起、贵州2起、甘肃2起、陕西1起、广西1起、广东1起，获救36人，死亡与失踪21人。事故多发表明初衬强度不足。增大结构厚度：举例国内国内芬兰地铁车站地铁车站溜冰场沙泥岩花岗岩花岗岩跨度21m22m32m4m锚杆4m锚杆5m锚杆1.1m衬砌1.05m衬砌15cm衬砌
浙公网安备 33021202002483