第10章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

地下洞室围岩稳定性的工程地质分析1）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意义；2）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；3）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压力问题；4）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；5）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；本章学习内容及要求本章重点：1）地下洞室开挖后围岩应力分布特征；2）地下洞室围岩的变形破坏特征及类型；3）围岩稳定性分析与评价方法；本章难点：1）围岩变形破坏特征；2）围岩稳定性分析与评价方法本章重点及难点§10.1地下洞室概念及研究意义10.1.1基本概念地下洞室(undergroundcavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室统称为地下洞室，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。二滩电站地下厂房§10.1地下洞室概念及研究意义锦屏地下洞室三维地质模型§10.1地下洞室概念及研究意义拉西瓦地下洞室三维地质模型§10.1地下洞室概念及研究意义10.1.2地下洞室的分类①按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程②按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室③按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形④按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）⑤按介质类型：岩石洞室、土洞⑥按应力情况：单式洞室、群洞§10.1地下洞室概念及研究意义1.3研究意义地下洞室开挖之前，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。§10.1地下洞室概念及研究意义2.1围岩应力重分布的一般特点由岩体力学可知，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)和水平正应力来表示（其中σvo值可以是零，也可以是常数）：0hhN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。§10.2开挖围岩的应力重分布特征按照森维南原理:开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞室横剖面中最大尺寸的3-5倍范围之内。为简化图岩应力的计算，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，就将均匀应力场简化为均匀应力，大大简化了围岩应力的计算。§10.2开挖围岩的应力重分布特征围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空面方向移动，随围岩处所初始应力状态（N值）的不同,在洞室周边产生不同的应力分布特征，如下图所示：§10.2开挖围岩的应力重分布特征由上图可以看出：1）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。2）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；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。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开挖围岩的应力重分布特征2.2圆-椭圆形洞室周边应力集中的一般规律对于圆形-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。§10.2开挖围岩的应力重分布特征ABA点：N1/3时，Kc0,为压应力;N1/3时，Kc0,为拉应力。B点：N不论取何值，都不产生拉应力§10.2开挖围岩的应力重分布特征根据弹性理论，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：式中：(α+βN）称为应力集中系数，记为Kc，则有Kc=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表：αβA点-12(a/b)+1B点2(b/a)+1-1()N§10.2开挖围岩的应力重分布特征§10.2开挖围岩的应力重分布特征拉应力产生的条件：(1)当N＝1，任何(b／a),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开挖围岩的应力重分布特征§10.2开挖围岩的应力重分布特征最大压应力集中的规律:(1)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;(2)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。(3)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。§10.2开挖围岩的应力重分布特征§10.3地下洞室围岩的变形破坏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.§10.3地下洞室围岩的变形破坏围岩变形破坏过程:围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的:开挖--应力调整--变形、局部破坏--再次调整--再次变形--较大范围破坏§10.3地下洞室围岩的变形破坏图7.8洞体逐次变形破坏示意图b.2、洞顶塌方；c.3、洞顶塌方；b.1、开挖；c.1、剪切破坏；b.3、边墙滑动；a.3、洞顶塌方；a.2、边坡滑动；a.1、开挖；c.3b.2a.3a.2b.2c.2c.1b.1a.1围岩岩性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裂破坏劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂剪切滑移及剪切碎裂压应力集中造成的剪切碎裂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状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碎裂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与围岩岩性及结构的关系§10.3地下洞室围岩的变形破坏3.2脆性围岩的变形破坏脆性围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。这类围岩的变形和破坏，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。脆性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.§10.3地下洞室围岩的变形破坏(1)弯折内鼓层状、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；二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的.卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内(或者洞室埋深较大,或者水平地应力较高),而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈.故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时,洞室开挖后.薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生弯曲、折裂和折断,最终挤入洞内而坍倒.§10.3地下洞室围岩的变形破坏压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。§10.3地下洞室围岩的变形破坏(2)张裂塌落张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。但是在N0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时．顶拱因岩韶趋于稳定。§10.3地下洞室围岩的变形破坏(3)劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。a）劈裂剥落过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者则造成通常所谓的片帮。§10.3地下洞室围岩的变形破坏b）剪切滑移这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边墙上，也可发生于顶拱。在水平应力大于垂直应力的应力场中(N＞1)，这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位。由于切向应力σθ很大，而径向应力σr很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。§10.3地下洞室围岩的变形破坏§10.3地下洞室围岩的变形破坏c）碎裂松动碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰，并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固措施。§10.3地下洞室围岩的变形破坏§10.3地下洞室围岩的变形破坏塌落线塌落线FFFFFF(4)岩爆a）有关岩爆的基本概念在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来，这就是所谓的岩爆。岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响．甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害．大者能破坏支护、堵塞坑