地下洞室围岩稳定性分析课件.ppt

地下洞室围岩稳定性的工程地质分析,本章学习内容及要求,1）了解地下洞室的研究意义和一般分类方法，掌握地下洞室、洞室围岩及支护的基本概念；2）熟悉地下开挖后围岩应力重分布的特征，重点掌握圆-椭圆形洞室围边拉应力与压应力的产生条件；3）掌握洞室围岩的变形破坏类型、特征及其产生的结构与力学条件；4）掌握影响围岩稳定性的主要因素，熟悉地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；5）了解地下岩体支护措施分类，熟悉常见、常用的围岩支护措施。,本章重点：1）地下洞室开挖后围岩应力分布特征；2）地下洞室围岩的各类变形破坏特征及其产生条件；3）地下洞室围岩稳定性分析与评价方法。本章难点：1）各类洞室围岩在重分布应力作用下产生应力集中的条件；2）各类围岩变形破坏的控制因素和产生条件。,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,1 地下洞室(underground cavity)天然存在于岩土体中或为各种目的修建在地下的具有一定断面形状和尺寸并有较大延伸长度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。,公路隧道,武汉长江隧道,水电站地下厂房ssss,10.1 地下洞室概念及研究意义,10.1.1 基本概念,2 围岩（surrounding rock）开挖空间周围应力状态发生改变的那部分岩体。3 二次应力（secondary stress）岩体开挖引起的重新分布的应力，也称次生应力。4 支护（Support）用于支撑地下洞室围岩，使其稳定的结构。,10.1 地下洞室概念及研究意义,1 按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下市政工程、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：水平式、倾斜式、垂直式；5 按介质类型：岩体洞室、土体洞室、水中洞室；6 按应力情况：单式洞室、群洞；7 按埋置深度：浅埋式、深埋式。,10.1.2 地下洞室的分类,二滩地下厂房,锦屏地下厂房,拉西瓦水工建筑,10.1.3 研究意义,1.地下空间应用的历史,从15 世纪开始的近代与现代诺贝尔发明黄色炸药，成为地下空间开发的有效武器。,第一时代,第二时代,第三时代,至今,古代时期（公元前30005世纪）埃及金字塔、古巴比伦引水隧洞，秦汉陵墓等。,5世纪14世纪的中世纪时代欧洲经历了封建社会最黑暗的千年文化低潮，地下空间开发利用基本处于停滞状态。我国石窟逐渐形成。,远古时期（人类出现 公元前3000年）人类原始穴居,北京周口店的“山顶洞人”人类居住地址。,第四时代,10.1.3 研究意义,2.中国是世界地下工程发展强国,中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、地质条件及结构形式最复杂的国家。,工程建设空间资源的局限，促进了地下洞室的建筑需求，但软基、高地应力、高水压、高地温、强破碎等复杂地质条件及深埋、大跨度、超长等建筑要求增大了地下洞室的失稳风险。,3.中国也是世界地下工程风险最大的国家,以上客观事实要求对地下洞室进行系统研究,解决围岩应力与强度之间的矛盾，防止地质灾害发生:为地下建筑的安全、经济提供保障；为工程设计、施工和各类问题提供充分可靠的地质依据。,10.1.3 研究意义,10.1 地下洞室概念及研究意义,围岩应力,围岩强度,基础设施建设中，各类地下洞室中的围岩失稳事故频发，如塌方、涌水、岩爆、大变形、瓦斯爆炸等屡见不鲜；,10.1.3 研究意义,印度板块,欧亚板块,四川盆地,青藏高原,塔里木盆地,鄂尔多斯,地下地质灾害问题，如：地下工程坍方问题 高地应力与围岩岩爆及大变形灾害问题 岩溶隧道涌水突泥灾害及超前预报问题 隧道瓦斯突出及防爆问题。,2009年 6月 6日，三亚市绕城高速公路迎宾隧道塌方，8名工人被困,2008年5月17日，大盈江四级电站是盈江县在建的重要水电站之一，它位于盈江县东南距离县城约70公里的崇山之中,2006年01月16日，贵昆铁路辅助隧道发生塌方 12名施工人员被困,2007年1月12日，巴西圣保罗市西部地铁4号线一处工地发生塌方事故。当天下午发生的这次塌方事故造成至少3人受伤，1人失踪,2005.10.27，天汕高速广福隧道塌方12人被困，该隧道是双洞分离式高速公路隧道，出事点离出口约463米、离工作面约80米；原设计该段岩层为较坚固的V类围岩，开挖后发现实际变更为较差的III类围岩,锦屏二级水电站辅助洞岩爆,锦屏二级水电站辅助洞五次大涌水,圆梁山隧道突泥,都汶高速公路隧道瓦斯爆炸,事故的直接原因：由于掌子面处塌方，瓦斯异常涌出，致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸界限，模板台车配电箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。,2005年12月22日14日40分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山右线隧道发生特别重大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡，11人受伤，直接经济损失2035万元。董家山隧道左线全长4090米，右线全长4060米，事故发生时右线隧道完成开挖1487米、衬砌1419米。,单轴应力作用下的主应力迹线,稳态水流 环绕圆柱形障碍时的流线,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,岩体初始应力状态洞室开挖后应力重分布对比开挖岩体产生应力重分布的主应力迹线与稳态水流越过障碍物时的流线。,理想弹性平板在单轴应力作用下主应力迹线的分布与稳态水流经过障碍物时的流线特征具有相似性：圆柱形障碍物置于光滑稳态水流中时，水流环绕障碍物呈现弯曲；紧靠障碍物的上、下游处，水流速度减慢，流线向外展开，与拉应力区所出现的应力迹线分开相似；在障碍物两侧，水流加速，产生汇流现象，与压应力增大区应力迹线的聚集相似；在大约三倍于障碍物直径以外的区域，流线并不受障碍物的影响而产生明显的弯曲。,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,岩体内任何一点的初始应力状态（即原岩应力）通常可以垂直正应力v（通常为主应力）和水平正应力h来表示（其中 vo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，对于地下洞室来说，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,据森维南原理，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。若此范围不超出地表，则可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，就将非均匀应力场简化为均匀应力场，从而简化了围岩应力计算。,围岩及围岩内的初始应力,(a),(b),由右图(N=0.25)可以看出：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,产生压应力集中；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拉应力,产生拉应力集中.引起强烈的主应力分异,应力分布特征 围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空面方向移动,随围岩处初始应力状态的不同，在洞室周边产生不同的应力分布特征。,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,对于圆-椭圆形洞室，周边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。可见，这两点是判定围岩是否稳定的关键部位。,10.2.2 圆-椭圆形洞室周边应力集中的一般规律,圆椭圆形洞室周边上可能产生最大拉应力和最大压应力集中的部位,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,A点：当 N1/3 时，/0，为压应力；当 N1/3时，/0，为拉应力。B点：N不论取何值，都不产生拉应力,对于不同N值条件下的圆形隧洞,其关键点的应力状态为：,不同N值条件下圆形隧洞周边的应力分布,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,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:(+N）称为应力集中系数，记为Kc，则有,Kc=/v。A点和B点的和值列于下表：,由公式可知：对于不同N值，圆-椭圆形隧洞围边关键点的应力状态不同，可能出现拉应力，也可能出现压应力。,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,当N=1,任何 b/a,均不产生拉应力;当N=0,最大拉应力产生在A点,且其应力集中系数与洞形无关,v-1;当0N1,特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值：N1时,最大拉应力出现在B点,N愈高于1,拉应力愈大.,1）拉应力产生的条件,洞室围边应力集中系数与N值和轴比的关系,2）压应力产生的条件,当b/a=N时，周边无拉应力,各点的压应力集中系数相等,为特定N值下,不同轴比洞室中可能产生最大压应力集中系数中的最小值,稳定条件最好;当b/aN时,最大压应力集中产生于B点,且应力集中系数随两者差值的增大而增大;当b/aN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.,洞室围边应力集中系数与N值和轴比的关系,10.2.3 方形-矩形洞室周边应力集中的一般规律,以上各图表明：方形-矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上;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N值条件下，大体上都是方形或近似于方形洞室上的最大压应力集中系数最低，随着B/H增大或减小，洞室角点上的最大压应力集中系数则线性或近似干线性地增大。,10.2.4 圆拱直墙形洞室应力分布特征,据光弹试验资料,城门洞型断面上各特征点的切向应力仍可按前式求得。图中各特征点的应力集中系数中和值列于下表，据此数据可作出N值与应力集中系数的关系图。,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,圆拱直墙形洞室周边各点的应力集中系数与N的关系,根据左图可以看出：当N7时，周边上的最大压应力集中转移到洞室顶拱的A点处。,1）压应力产生的条件,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,由图中可以看出：当N1时,随着N值的降低,F处首先出现拉应力(N0.37),随后A点处也开始产生拉应力(N 0.25)；当N1时,随着N值的增加,C点最先出现拉应力,(N2.02),随后D点处也开始产生拉应力(N2.31)。,2）拉应力产生的条件,圆拱直墙形洞室周边各点的应力集中系数与N的关系,10.2 地下开挖后围岩应力的重分布,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。在下图所示的特定条件下,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：,A，B:分别为A,B点的切向应力;eA，eB:分别为A,B点的曲率半径;W,H:洞室的宽度和高度;,10.2.5 洞室周边应力与其形状的定量关系,上述关系式表明：洞室周边应力与其曲率半径呈负相关；洞室周边应力与其宽或高呈正相关关系。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。,1 初始应力状态 不同N值条件下，相同形态的洞室周边产生的应力集中程度和部位均不同,10.2.6 影响围岩应力状况的主要因素,对具有明显蠕变特性的围岩,洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力;当远离洞壁一定距离后，岩层内的切向应力要大于理想弹性岩层时的应力,3 围岩力学特性,2 洞室形态 相同N值条件下，不同形态的洞室周边产生的应力集中程度和部位均不同,相邻或交叉洞室的存在通常使围岩应力的集中程度增高，对洞室围岩稳定不利。,当洞室附近有断层平行于洞壁通过时，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。,断层等不连续面对围岩应力分布的影响,各向异性的岩层或岩体结构的应力集中程度远大于各向同性的岩层或岩体结构。,5 岩性及结构的各向异性,4 不连续面,6 洞室群的空间关系,并行倾斜隧道的围岩应力分布,当围岩应力已经超过岩体的极限强度时,围岩发生破坏；当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏；当围岩应力的量级介于岩体的长期强度及蠕变临界应力之间时，除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定；当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。,2 围岩变形破坏与岩体强度的关系,1 围岩变形破坏的实质,围岩变形破坏实质上是围岩结构、围岩强度与回弹应力和应力重分布及地下水重分布作用相互适应的结果。,10.3 围岩的变形破坏,10.3.1 围岩变形破坏的一般规律性,围岩表部低应力区的形成会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，进一步恶化围岩的稳定条件，且使某些易于吸水膨胀的表部围岩发生强烈的膨胀变形,开 挖位移调整应力调整变形、局部破坏应力再次调整再次变形较大范围破坏,围岩变形破坏具有渐进式逐次发展的特点,围岩的变形、破坏通常从洞室周边,特别是从那些最大压应力或拉应力集中的部位开始,而后逐步向围岩内部发展的.从而表成明显的应力分带特征,其中表部的应力降低区即为松动圈。,3 围岩变形破坏的一般规律,围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系,岩体按介质强度分为脆性围岩与塑性围岩，不同介质的变形破坏类型及特征不同。,4 围岩变形破坏的类型与特征,脆性围岩的内涵: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（单轴饱和抗压强度c 30MPa）；力学机制：回弹变形和重分布应力作用；影响因素：岩体初始应力状态、洞形、围岩的岩体结构；主要变形破坏类型：弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移和岩爆,10.3 围岩的变形破坏,10.3.2 脆性围岩变形破坏,结构条件：层状、薄层状岩体 力学机制：a）卸荷回弹的结果；b）压应力集中使洞壁处的切向应力超过岩层的抗弯折强度所造成的。应力条件：a)初始应力较高（洞室埋深较大、水平地应力较高）,且初始最大主应力与平行洞向的岩层垂直（对应卸荷回弹机制）；b)初始最大主应力与平行洞向的岩层平行（对应压应力集中机制）,1 弯折内鼓,产生部位：a）洞壁、顶拱（对应机制a-卸荷回弹）;b）洞室角点、洞壁、顶拱（对应机制b-应力集中）。表现形式：弯曲、拉裂、折断,图10-8 薄层状围岩的弯折内鼓破坏a.水平岩层；b.陡立岩层1.设计断面;2.破坏区;3.崩塌;4.滑动;5.弯曲,张裂,折断,图10-9 有利于产生弯折内鼓破坏的局部构造条件,10.3 围岩的变形破坏,结构条件：厚层状或块状岩体 力学机制：拉应力集中导致应力值超过围岩的抗拉强度.应力条件：初始最大主应力垂直（竖直方向）时（N1）产生部位：洞室的顶拱 表现形式：掉块、坍塌,2 张裂塌落,N=1/3的应力场中宽高比为6的坑道顶拱冒落对顶拱应力的影响,结构条件：厚层状或块状岩体 力学机制：压应力集中导致围岩产生平行于洞室周边的破裂.应力条件：初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交 产生部位：边墙、顶拱 表现形式：片邦（边墙）、片状冒落（顶拱）,3 劈裂,结构条件:厚层状或块状岩体，存在不利结构面；力学机制:压应力集中程度较高导致沿斜向结构面剪切滑移；应力条件:初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交；产生部位:边墙、顶拱；表现形式:滑移（边墙）、冒落（顶拱）,块体结构围岩中的剪切滑移1.层面；2.断层；3.节理,4 剪切滑动或剪切破坏,1）岩爆的基本概念 地下洞室开挖后，岩体应力重分布引起围岩高弹性应变能的突然释放，而在洞室出现的岩体突发性爆裂现象。实质上是洞室围岩突然释放大量潜能的一种动力脆性破坏。,5 岩爆,2）岩爆的产生条件 内因：a）高储能体的存在(高强度、块状或厚层状脆性岩体)；b）存在高地应力或应力接近于岩体强度极限.外因：a）机械开挖、爆破以及围岩局部破裂产生的弹性振荡 b）开挖迅速推进或累进性破坏所引起的局部应力集中,3）岩爆的类型及特征 a）爆裂型 发生时伴有响声，岩体出现不规则裂缝、裂隙扩张和岩块掉落，在坚硬脆性岩体中易发生；b）剥落型 发生时无响声，岩体骤然劈裂，在半坚硬岩或层状岩体中易发生；c）弹射型 岩块或岩片骤然向外射出或伴有气喷，在高地应力区或深埋隧洞、矿井中易发生；d）松动型 发生时不易觉察,岩体中裂隙扩大,但尚未掉块。,3）岩爆的类型及特征,岩爆动力特征破坏方式片/层状剥落弯曲鼓折破裂穹状/楔状爆裂破裂面特征 平整破裂面阶梯状破裂面贝壳状破裂面穹状破裂面弧形破裂面破坏性质：以为张性、张剪性破坏为主，少量剪切。,4）岩爆烈度等级划分,5）岩爆形成机制,劈裂成板阶段（岩爆孕育）洞壁表部在环向应力作用下形成板状劈裂，部分板裂岩体脱离母岩而剥落,而无岩块弹射出现.剪切成块阶段(岩爆的酝酿)劈裂岩板向洞内弯曲,发生张剪复合破坏.处于爆裂弹射的临界状态.块、片弹射阶段 劈裂,剪断岩板，产生响声和震动.岩块发生弹射,岩爆形成.,a）岩爆形成过程,岩爆渐进破坏过程示意图A、劈裂；B、剪断；C、弹射,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,张裂-剥落机制,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,张裂-倾倒机制模式,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,张裂-滑移机制模式,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,张剪-爆裂机制模式,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,弯曲-鼓折机制模式,b）岩爆形成机制的地质力学模式,5）岩爆形成机制,穹状剪切-爆裂机制模式,岩爆倾向性指数Wet 弹性变形能系数w:加载到0.7c后再卸载至0.05c时,卸载释放的弹性应变能（SP）与耗损的弹性应变能（ST）变形能之比。,6）岩爆的基本预测方法,Wet=SP/ST,根据波兰国家标准：Wet5.0，将出现严重岩爆；Wet=2.04.9，出现中、低烈度岩爆；Wet2.0，则不产生岩爆。,6）岩爆的基本预测方法 应力强度比法 a）用洞壁的最大环向应力与围岩单轴饱和抗压强度b之比值作为岩爆产生的判断应力条件；b）用天然应力中的最大主应力1与围岩单轴饱和抗压强度b之比进行判断。,6）岩爆的基本预测方法 强度应力比法,利用围岩饱和单轴抗压强度b与最大主应力m 之比预测岩爆等级。,（据水力发电工程地质勘察规范 GB50287-2006）,a)挪威Russense判据（点荷载指数与围岩切向应力比）Is/0.20无岩爆 b)安德森提出的判据/c0.5-1.0 强烈岩爆 c)Barton和Grimstad提出的判据/c0.5-0.6片帮及轻微岩爆/c0.6-1.0岩爆/c1.0严重岩爆 以上,Is点荷载指数,切向应力；c岩石抗压强度,其他方法,10.3.3 塑性围岩的变形与破坏,塑性围岩的内涵:包括各种软弱岩体（如页岩、泥岩、粘土岩、炭质千枚岩等）、断层破碎带和散体结构岩体。主要影响因素：岩体初始应力状态、围岩的岩性和岩体结构、地下水。主要变形破坏类型：挤出、膨胀、涌流和坍塌等不同类型。,10.3 围岩的变形与破坏,1 挤出 结构条件:层状及似层状结构的岩体(通常具有软硬相间的特征)岩性条件：(a)固结程度较差的泥岩、粘土岩；(b)各种富含泥质的沉积或变质岩层(如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等)中的挤压剪切破碎带;(c)火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等。地应力条件：多处于高地应力或者相对高应力状态。力学机制：压应力集中使洞壁处的切向应力超过围岩的屈服强度.地下水往往成为“催化剂”。表现形式：局部鼓出或突起，全断面挤出。,10.3 围岩的变形与破坏,几种发生塑性挤出的地质条件,2 膨胀 岩性条件：a）富含粘土矿物(特别是蒙脱石、伊利石)的塑性岩石,如泥质岩、粘土质岩石等;b）含硬石膏的地层,如硬石膏遇水后就会发水化而转化为石膏，体积随之而增大，可增大20%；膨胀机制：a）吸水膨胀：易于吸水的塑性岩层；b）减压膨胀：通常发生在一些特殊的岩层中。例如一些富含橄榄石的超基性岩在地质时期内由于遭热液、水解的作用而生成蛇纹石。这种转变伴有体积的膨胀，但在有侧限而不能自由膨胀的天然条件下，新生成的矿物只能部分地膨胀，并于地层内形成一种新的体积压力平衡状态。洞体开挖所造成的卸荷减压，必然使附近这类地层的体积随之而增大。表现形式：鼓出或突起,3 涌流（塑流涌出）结构条件:松散结构的岩体 力学机制:水压力作用为主 产生部位:饱水断层破碎带、岩溶管道等部位 表现形式:悬浮并突然涌出,平洞开挖时遭遇断层破碎带导致大量含泥碎块石涌出,4 重力坍塌 结构条件:主要为散体结构、碎裂结构的围岩 力学机制:重力作用 产生部位:顶拱 表现形式:塌方,松散介质重力坍塌,10.3.4 围岩变形破坏的累进性发展,不同条件下围岩的累进性破坏发展示意图,原岩应力的方向及大小；地下洞室的形状及尺寸；岩体结构及其强度。,围岩内应力分布、结构、强度等的不均一性及各向异性,导致应力集中程度高、结构强度较低的薄弱部位最先产生破坏,随应力的调整转移,又引起次薄弱部位的破坏,如此累进发展,终将导致大范围的失稳破坏。,1 基本涵义（progressive failure）,2 影响因素,10.3 围岩的变形与破坏,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,地下洞室围岩稳定性主要是可能出现的围岩应力与围岩强度间的矛盾问题，各因素都是通过这两个方面来影响洞室的稳定性，归纳为三大类型：是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定性 主要包括岩体的原岩应力状态及洞室的剖面形状和尺寸 是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性 主要包括围岩的岩性和结构。是既能影响应力状态，又能影响围岩强度的因素 主要为地下水的赋存、活动条件。,10.4.1 影响围岩稳定性的因素分析,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,塑性围岩：风化速度快、力学强度低及遇水易软化、膨胀或崩解，对围岩的稳定性最为不利。脆性围岩：岩石本身的强度远高于结构面的强度,故主要取决于岩体结构。,1 褶曲与断裂,破坏了岩层的完整性，降低了岩体的强度。经受的构造变动次数愈多、愈强烈，岩层节理就愈发育，岩石也就愈破碎。,2 岩体的岩性及结构,散体状及碎裂状结构的岩体稳定性最差，薄层状结构者次之，而厚层状、块状及整体状结构岩体稳定性最好。,1）岩体岩性,2）岩体结构,可使岩石软化，强度降低，加速岩石风化；还能软化和冲走软弱结构面的充填物；减小结构面的抗剪强度，促使岩体滑动与破坏；在膨胀性岩体中地下水可造成膨胀地压。,是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素。为避免洞室的顶拱和边墙出现过大的切向压应力和切向拉应力的集中，轴线应尽可能与区域最大主应力方向一致；当地下工程的断面呈扁平形态时，为避免顶拱出现拉应力，改善顶拱围岩的稳定条件，则应使洞室轴线垂直于最大主应力方向。,3 地下水,4 原岩应力,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，破坏失稳总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为明显，主要有：破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区：包括岩体中的风化、构造破碎带以及风化速度快、力学强度低、遇水易于软化、膨胀或崩解的钻土质岩类的分布地带；碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区;坚硬块体状及厚层状岩体中：为几组软弱结构面切割、能于洞顶或边墙上构成不稳定结构体的部位。,10.4.2 围岩稳定性的定性评价,1 地质判断,破碎松散岩体，稳定性最差,碎裂或半坚硬薄层结构岩体,稳定性较差,坚硬层状岩体结构紧密，稳定性较好,新鲜、坚硬块层状岩体,稳定性最好,2 围岩分类(广义工程地质类比),中国地下建筑围岩分类大体经历了二个阶段：以岩石强度为指标的分类阶段 20世纪50年代至60年代末，基本采用以岩石强度为指标的分类法，该法对地质构造、岩石风化、地下水以及工程因素等的影响考虑较少。如按岩石的极限抗压强度的大小的分类方法和以岩石坚固性为指标的前苏联普氏围岩分类法。视围岩为结构体的分类阶段 实践中逐渐认识到控制围岩稳定的决定性因素是岩体结构和岩体强度，而不是岩石强度，视围岩为结构的分类法在实践中很快广泛所接受。例如我国的Z系统分类、铁路隧道围岩分类及国外的RMR分类、RSR分类以及Q系统分类。,1）地下工程围岩分类概况,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,有代表性的地下洞室围岩分类方案一览表,70年代以来在总结以往经验的基础上，中国一些部门各自根据本部门的经验和需求相继制定了一些围岩分类，其中有铁道部制定的铁路隧道围岩分类（6级划分），水电部制定的水工隧道围岩分类（5级划分）具有代表性。1994年，国家颁布了工程岩体质量分类（GB 50218-94），标志着我国岩体分类进入了新的阶段。该方法采用两级分类法，首先按岩体的基本质量指标BQ进行初步分级；然后针对各类工程岩体的特征，考虑其它影响因素进行修正，如天然应力、地下水、结构面方位等。再按修正后的BQ进行详细分级。,2）中国若干地下工程围岩分类,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,3）典型围岩分类方案,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,岩体基本质量分级（GB50218-94）,工程岩体质量分级（国内）,a）工程岩体初步定级时岩体质量指标按下式计算：BQ=90+3Rc+250Kv,式中，BQ为岩体基本质量指标修正值；BQ为岩体基本质量指标值。地下水修正系数K1、初始应力修正系数K2、结构面组合情况修正系数K3,使用上式时应遵守下列限制条件：当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入BQ计算值。,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,BQ=BQ-100（K1+K2+K3）,b）工程岩体详细定级时岩体质量指标计算公式：,RMR分类因素及评分标准（DL/T 5337-2006）,RMR分类方案（国外）,为周边最大压应力值；,R为极限抗压强度；H为极限抗拉强度；K为安全系数。,为周边最大拉应力值；,关键部位是洞室周边最大压应力和最大拉应力集中的部位。整体围岩稳定的先决条件是这两个部位的应力-强度条件满足下列关系：,1）均质或似均质围岩的稳定性验算,稳定性验算时一般应考虑较大的安全系数,采用对边墙，K=4；对顶拱；K=48。,1 围岩稳定性的解析分析方法,10.4.3 围岩稳定性的定量评价,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,2）含有单一软弱结构面的围岩的稳定性验算,（a）（b）静水应力场中圆形隧洞顶拱围岩内有一水平软弱结构面通过,a 为洞室半径；r 为研究点距洞中心的距离。,据Kirsch公式求得各分量，代入上式：,rr为径向应力；为切向应力；r 为剪应力；,如图示两组走向平行洞轴、倾向相反的结构面将隧洞顶拱围岩切割成对称结构块体,3）顶拱围岩中简单结构块体稳定性验算,可采用松弛法进行分析，其步骤要点为：先假定围岩为无体力的弹性介质，据弹性理论解求出切向应力Ho及其作用在结构面上的正应力分量No及剪应力分量So：,两组走向平行洞轴、倾向相反的结构面将隧洞顶拱围岩切割成对称结构块体,定量研究洞室开挖后顶拱围岩结构的松弛效应,假定结构体在重力作用下的垂直位移为uy，其垂直和平行于结构面的位移分量分别为un和us，则有：,结构体的上述位移必将引起围岩应力及结构面上应力的相应变化：Ho及No减小为H及N，而So则增大为S。由于结构松弛过程中表面应力的增量与位移增量成正比，故有：,式中：Kn与Ks分别为结构面的法向刚度和剪切刚度。,据水平方向力的平衡条件，可得：,所以据Ho、Kn、Ks和uy求得N、S后即可计算出H的大小,假定其中N、S以及H所代表的恰是结构体处于极限平衡状态时的应力，则有：,整理，可得：,简化上式，可得：,根据垂直方向力的平衡条件：,当KnKs时，上式可简化为：,评价结构体在实际自重力作用下的稳定性,使单位长度结构体处于极限平衡状态的临界体力Pt,式中：P为结构体的实际自重力，K为结构体安全系数 显然，当K1时，结构体是不稳定的。为保证顶拱的稳定性，必须采取支护措施，使其提供的抗力大于（P-Pt）.,将各分量代入得到：,据上述各式可得：,1）图解法的基本原理及结构体稳定性的一般判定,赤平投影网及其透视图,2 围岩稳定性的图解分析法（分离结构体）,平面投影,直线投影,直线投影到已经平面,直线旋转,赤平投影的基本原理与方法,结构体稳定性及失稳方式的一般判定,（a）直接垮落型,（b）滑动型,（c）稳定的块体,如图所示为三种典型情况：a）块体顶点的铅垂线通过块体的底面，则块体是在重力作用下的直接垮落；b）块体顶点的投影不落在底面上，图中的虚线为摩擦角，若滑动面或两个滑面的交线的倾角大于，则块体会沿该结构面或结构面交线产生滑动破坏；c）则属于稳定的块体。,L1,L2,L3,拱顶结构体的图解分析及稳定性验算,2）特殊结构体的图解分析及稳定性验算,边墙结构体的图解分析及稳定性验算,3）一般结构体的图解分析及稳定性验算,几何学分析,基于石根华的块体理论，开发的专门用于地下工程块体分析的Unwedge程序。假定结构面相切形成的块体为四面体；仅考虑块体的重力及结构面的力学性质，而不考虑地应力作用；结构面为平面，结构体为刚体，岩体变形仅为结构面的变形；结构面贯穿研究区域，且在保持产状不变的情况下可任意移动；开挖断面沿轴线方向恒定不变。,掉块,运动学分析,K=0,沿单面滑动,沿双面滑动,稳定性系数计算公式：,3 结构体稳定性的数学解析法,通过平面方程与曲面方面联立求解，获得包括四面体在内的多面分离块体的几何学参数：,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,分解为平面四面体和曲面五面体,分解为平面五面体和曲面四面体,拱顶块体分解为平面四面体和曲面楔形体,4 地下洞室围岩稳定性的数值模拟研究,利用有限元、离散元、有限差分、边界元等数值计算方法可以计算洞室围岩应力、追踪变形和破坏过程、分析失稳破坏机制等。,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,可以处理含有软弱结构面及具有流变特性和复杂洞形的各种涉及非均质、非线性围岩的复杂应力-应变问题；可以模拟研究各种支护方案的有效性以及不同施工程序对围岩稳定性的影响。,1）分析方法,2）主要特点及优势,通过地表调查、平硐编录和专门的节理裂隙统计分析，掌握区内岩体结构的定量化模式及构造特征。基于地应力实测及数值反演分析，定量地掌握工程区地应力场的基本特征。通过现场及室内试验，掌握区内岩体及各类结构面的变形及强度特性，取得可用于计算的有关参数。,3）原型调研及模型的建立,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,在进行地下工程开挖之前需先构造初始的地应力场。正确的模拟分步开挖步骤出来 定量地求解计算围岩的应力和位移。根据一定的破坏准则，比较围岩不同部位的应力与强度，找出初始的超载破坏区和变形较大的部位。通过降低破坏区的岩石力学参数，并使超载应力向邻区转移的迭代，追索累进性破坏的进程。数值试验：通过对影响地下洞室围岩稳定性的因素进行参数研究，判别关键因素。研究不同加固措施和施工方案对围岩稳定性的影响。,4）数值分析模拟要点,10.4 地下洞室围岩稳定性评价,最大主应力剖切图,最小主应力剖切图,变形位移平切图,10.5.1 地下工程支护类型,10.5 地下洞室围岩稳定性支护措施,1）按用途区分：有临时支护与永久支护两种；2）按其受力性质区分：有与围岩直接接触的受力支护和围岩相脱离的离壁式支护；3）按所用材料性质区分：有木支护、钢架支护、钢筋混凝土支护、锚杆支护和喷射混凝土支护等。临时支护是为满足施工操作安全需要而设置的，有木支护、钢架支护、锚杆支护、喷浆支护和喷混凝土支护等；永久支护是为了满足长期生产安全需要而设置的，用于非受力的离壁式支护有装配式支护、现浇钢筋混凝土或砌体支护等；用于受力的贴壁式支护有现喷混凝土支护、喷锚支护和喷网锚联合支护等。,1 支撑 1）性质：支撑是临时性保护围岩的结构 2）方法：主要用木结构或钢结构的支架把围岩支撑起来。3）适用范围：局部严重不稳定地段的临时性保护措施。,10.5 地下洞室围岩稳定性支护措施,10.5.2 地下工程常用的支护结构,2 衬砌 1）性质：衬砌是加固围岩的永久性工程结构；2）方法：一般用浆 砌条石、混凝土、钢筋混凝土进行砌筑；3）适用范围：各类具有山压的洞室，故其型式和厚度应与围压相适应；4）类型：根据加固需要，有不衬砌、半衬砌、全衬砌到带仰拱的整体衬砌。,衬砌的类型示意图（a）半衬砌；（b）有边墙的衬砌；（c）全衬砌,3 锚杆（索）1）性质：对围岩进行“主动加固”,的结构措施 2）方法原理：通过施加了预应力后锚杆系统对围岩造成较为均匀的径向压力，使围岩内的应力条件得到改善，从而提高围岩的整体强度。3）适用范围：广泛应用于各类围岩支护。,4 喷-锚联合支护 1）性质：对围岩进行“主动加固”的结构措施 2）方法原理：喷射混凝土与锚杆支护技术联合使用对围岩进行加固;3）适用范围：广泛应用于各类围岩支护。,思 考 题,1）地下洞室围岩稳定性的研究意义？2）地下洞室的一般分类？3）地下洞室围岩基本概念？4）地下洞室围岩应力重分布的一般规律?5）圆-椭圆形地下洞室开挖后围岩应力分布的主要特征？6）圆-椭圆形地下洞室周边拉应力的产生条件：7）圆-椭圆形地下洞室周边压应力的产生条件：8）影响围岩应力分布的主要因素？9）围岩变形破坏的一般过程与特点？10）脆性围岩变形破坏的主要力学机制、类型和结构条件？11）塑性围岩变形破坏的主要力学机制、类型和结构条件？,12）脆性围岩与塑性围岩变形破坏的异同？13）围岩变形破坏的累进性发展过程?14）影响围岩变形破坏累进性发展的主要因素？15）岩爆的形成条件、机理和分类特点？16）影响围岩稳定性的主要因素？17）定性评价围岩稳定性的主要方法？18）工程围岩分类的实质？19）工程围岩分类的代表性方案？20）定量评价围岩稳定性的主要方法？21）数值计算进行模拟的方法要点？22）地下洞室围岩的主要支护类型和特点？,思 考 题,