地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析10.1基本概念及研究意义为各种目的修建征地层之内的中空通道或中空洞宣统称为地F洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下弹道导弹发射井、以及地下飞机库等。虽然它们规模不等，但都有一个共同的特点，就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著的变形和破坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。10.2地下开挖后围岩应力的重分布10.2.1围岩应力重分布的一般特点如前所述，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态，岩体内任何一点的初始应力状态(常称为原岩应力)通常可以垂直正应力(通常为主应力)通常以垂直正应力和水平正应力来表示：σv=σv0+γhσh=Nσv式中：σv0值可以是零，也可以是常数由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化，因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说，其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中。但是按照森维南原理，由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的3—5倍[如图10一2(a)]，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。如果此范围不超出地表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的，这样，就可按图10一2(b)所示的均匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。围岩应力重分布的主要特征是：径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中(如图10一3中的X轴方位)，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中(如图10一3中z轴方位)。这样，地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。10．2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态(如图10一4、10一5)。可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点的切向应力可根据下式求得：σθ＝σv(α+βN）(10—1)式中：(α+βN）称为应力集中系数（=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表(表10—1)，符号见图10一4。αβA点B点-12（b/a)+12（b/a）+1-1表10—1图10-6洞室周边应力集中系数10.2.2.1拉应力产生的条件从图10一6中可以看出，(1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不产生拉应力，(2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中系数与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时，σhθ／σv均等于一1，(3)当0N1时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位．亦即当N＜l时，最大拉应力出现在A点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；当N＞1时．最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。10.2.2.2最大压应力集中的规律图10一6表明，当b／a＝N时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当b／a＞N时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当b／a＜N时，最大压应力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可据式(10一1)或图10一6求得。10.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律10.2.2.1方形一矩形洞室图10一7及图Io一8表明，方形一矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(B／H的不同而变化，在不同的应力场中(N值不同时)，大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低，随着宽高比的增大或减小，洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似干线性地增大。不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压应力集中系数值，可根据10-7图10一8及表10一3的资料概略确定。这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与周边垂直相交的A点，不同条件下这类洞室周边上的最大拉内力集中系数可据表10一2的资料概路确定。从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。10.2.3.2长圆形(圆拱直墙式)洞室根据光弹试验的资料，图10一9所示断面上各特征点的切向应力仍可按式10一1求得。图中各特征点的应力集中系数中α和β值，列于表10-4中.根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点，但当N值大于7以后，周边上的最大压应力集中则出现在洞室的顶拱A点处。最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故在N＜1的应力场中。随着N值的降低，拉应力首先出现在洞底的中点F处，其产生拉应力的N值条件为N0.39，随着N值的进一步降低，F点处的拉应力逐渐增大，当N降至小于0.25时，洞室顶拱的中点A点处也开始产生拉应力；在N＞1的应力场中，最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点c处，其出现拉应力的N值条件为N＞2.1。10.2.4洞室周边应力与其形状间的近似定量关系根据森维南原理可知．洞室周边的应力状态，只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的控制。在如图10一10所示的特例条件下，洞室周边特定点A、B处的应力与其形态间有如下定量关系：上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际上，利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室周边与主应力垂直相交两点(即A、B点)处的周边应力。例如，在图10一11所示的情况下，只要先求出A、B两点处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点的周边应力。A点的曲率半径可直接从图中求出B点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径计算。按上述方法求得的周边应力分别为：σA＝3．96P，σB＝-0.17P，与据边界无法求得的数据σA＝3．0P，σB＝-0.17P),可见，这种简易的近似计算完全能满足工程设计的精度要求。10.2.5图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图10一12表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的应力分布情况，它表明，当围岩的应力—应变关系具有非线性特征，或围岩具有较大螺变特性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力；但当远离洞壁一定医离后，岩层内的切向应力则要大干理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图10一12中的虚线所示。图10一13表示地下洞室附近断层等不连续面的存在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用[如图10—13(b)]，从而使断层面上产生剪应力[如图10一13(c)]。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原因，在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高的应力集中，使该区围岩的稳定条件大为恶化．此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起。已被某些测量所验证过的理论计算结果指出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩层。10.2.6相邻洞室的存在对围岩应力的影响由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩应力(主要是压应力)的集中程度增高(图10—14)，对洞室图岩稳定不利。因此，不同的业务部门规定了不同的最小安全洞室间距，例如水电部门规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距为1.0-1.3倍洞跨，高压隧洞之间的最小间距为0.15一0.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧道的最小间距按下表(表10-5)确定。围岩类型VIV—IVIIIIII最小间距（1.5—2.0）B（2.0—2.5）B（2.5—3.0）B（3.5—5.0）B5.0B表10—5注:1.围岩类型根据围岩分类（见《工程地质勘察》）确定，VI为硬岩，依次降低；2.B为隧道的跨度。10.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题10.3.1围岩变形破坏的一般过程和特点地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化，促使围岩性状发生变化的因素，除上述的卸荷回弹和应力重分布之外，还有水分的重分布。一殷说来，洞室开挖后，如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用，围岩即将发生塑性变形成破坏。这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩，内部发展的。其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带，如图10—15所示的水静应力场中(N＝1)圆形隧洞周围的三个应力带就是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成很大的山压。围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构之间的关系列于表10一6。围岩类型岩体结构变形破坏形式产生机制脆性围岩块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张性破坏劈裂剥落压应力集中造成的压制拉裂剪切滑移及剪切破碎压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏中薄层结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构破碎松动压应力集中造成的剪切松动塑性围岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌表10—6围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系10.3.2脆姓围岩的变形和破坏脆性图岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。这类因岩的变形和破坏，主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。这类围岩变形破坏的形式和特点．除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型(见表10一6)，现分述如下。10.3.2.1弯折内鼓这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果；二是