地下工程围岩稳定性分析

第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析鲁布革水电站隧道施工有压及无压隧洞第一节围岩应力的重分布地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力圆形洞室围岩重分布应力计算简图洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式用弹性理论计算圆形洞室周边应力重分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布各种断面形状的洞体应力状态比较二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。洞室围岩应力重分布对比图第三节围岩稳定的工程地质分析1.围岩的抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力。（公式略）2.围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。（公式略）一、围岩稳定的概念围岩稳定是指在一定时间内，在一定的地质力和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。围岩在压应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断：二、围岩变形破坏的特点由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。1．坚硬完整岩体的脆性破裂在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。围岩失稳机制及破坏形式围岩变形破坏的常见形式2．块体滑移块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。坚硬岩体中的块体滑移块状结构岩体的块体滑移三类典型的分离体3．层状弯折和拱曲岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。层状结构围岩变形破坏特征4．碎裂岩体的松动解脱一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。5．松软岩体碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。碎裂岩体松动解脱碎裂结构围岩塌方示意图散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形三、（修正）围岩质量等级与自稳能力的关系I类为稳定岩体，围岩可长期稳定。Ⅱ类为基本稳定围岩，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块。Ⅲ类围岩稳定性差，围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏，完整的较软岩稳定性较好，可定为“暂时稳定”。Ⅳ类为不稳定围岩，规模较大的各种变形破坏都可能发生。V类为极不稳定围岩，不能自稳，变形破坏严重。地下洞室围岩工程地质分类岩石强度评分表(A)围岩完整程度评分表（B)结构面状态评分表（c）地下水评分表（D)主要结构面产状评分表(E)地下工程围岩自稳能力第四节围岩压力与弹性抗力围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定，一、山岩压力1．山岩压力的类型根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山压几种类型。(1)变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。(2)松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。(3)冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。2．松动山岩压力的确定方法(1)普氏压力拱理论。M．M．普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试验于1907年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量。这个拱称为塌落拱、平衡拱或压力拱。(2)围岩压力系数法。（简介）(3)块体极限平衡法。（简介）用普氏平衡拱理论计算山岩压力第五节提高围岩稳定性的措施一、支护与衬砌1.支撑在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。2.衬砌衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬完整的岩体中，围岩的自稳能力高，也可以不衬砌。衬砌有单层混凝土及钢筋混凝土衬砌，也可以用浆砌条石衬砌。双层的联合衬砌，一般内环用钢筋混凝土或钢板，外环用混凝土，多用于岩体破碎，水头高的隧洞。衬砌类型示意图二、喷锚支护当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为5～20cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。1.喷射混凝土喷射混凝土的作用喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图楔缝式及楔头式锚杆胀壳式及砂浆粘结式预应力锚杆2.锚杆的作用锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为下述三个方面。(1)悬吊作用。(2)组合作用。对于层状岩层，锚杆可以将数层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能力。(3)加固作用。为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层和钢丝网来配合。支护时间与支护压力关系图