第3章地下洞室围岩稳定性的工程地.ppt

第3章 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,3.1 地下洞室概念及研究意义,3.1.1 基本概念 地下洞室(underground cavity)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,3.1 地下洞室概念及研究意义,锦屏地下洞室三维地质模型,3.1 地下洞室概念及研究意义,拉西瓦地下洞室三维地质模型,3.1 地下洞室概念及研究意义,3.1.2 地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞,3.1 地下洞室概念及研究意义,3.1.3 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。,3.1 地下洞室概念及研究意义,3.2.1 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 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,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。,3.2 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。,3.2 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：,3.2 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。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2.2 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3一4、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。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,A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,3.2 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：(+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：,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,拉应力产生的条件：(1)当N1，任何(ba),均不产生拉应力;(2)当N0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(ba)为任何值时，h v 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。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,最大压应力集中的规律:(1)当baN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baN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ba 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。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2.3 方形-矩形洞室周边应力集中规律,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,以上各图表明：（1）方形-矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上;（2）角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(BH）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。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2.4 圆拱直墙形洞室应力分布特征 根据光弹试验的资料，图3-9所示断面上各特征点的切向应力仍可按式3-1求得。图中各特征点的应力集中系数中和值，列于下表中：,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,圆拱直墙形洞室周边各特征点的应力集中系数与N的关系,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,根据上述资料可以看出：（1）对于圆拱直墙形洞室，在一般情况下，洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点；（2）随着N值的不断增大，当达到某一值时（此例中为大于7以后），周边上的最大压应力集中转移到洞室的顶拱A点处。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,圆拱直墙形洞室周边各特征点的应力集中系数与N的关系,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,由此可以看出：（1）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，在N1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N0.37，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；（2）在N1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N2.02。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.2.5 洞室周边应力与其形状的定量关系 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3-10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：,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,上述关系式表明：（1）洞室周边应力与其曲率半径呈负相关；（2）洞室周边应力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。,A、B分别为A点及B点的切向应力;W、H分别为洞室的宽度和高度;eA、eB分别为A点及B点的曲率半径.,3.2.6 影响围岩应力状况的主要因素（1）洞室形态（2）围岩岩性,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,图3-12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；但当远离洞壁一定距离后，岩层内的切向应力则要大于理想弹性岩层时的应力.,/v,r,T,O,实线为理想弹性体；虚线为非理想弹性体.,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,（3）存在不连续面,图3-13表明：当洞室附近有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，从而使断层面上产生剪应力如图3-13(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，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,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,（4）岩性及结构的各向异性 通过某些测量所验证过的理论计算结果指出：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）洞室群的空间关系 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，对洞室图岩稳定不利。此外，洞室的交叉也会造成应力集中程度的增加。,3.2 开挖围岩的应力重分布特征,3.3 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.,3.3 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,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,表3-6围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系,3.3 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.,3.3 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.,3.3 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。,3.3 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N0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。,3.3 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。,3.3 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(N1)，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。由于切向应力很大，而径向应力r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。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,3.3 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。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(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、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,b）岩爆的类型和特点(a)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆 在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多属这种类型。发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后2-3h，围岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(b)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆 发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，放常披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有明显的预兆。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(c)断层错动引起的岩爆 坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一般发生在构造活动区的探矿井中，破坏性很大，且影响范围较广。c）岩爆的产生条件与发生机制 本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(a)围岩应力条件 判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一是用洞壁的最大环向应力与围岩单轴抗压强度c之比值作为岩爆产生的应力条件；一是用天然应力中的最大主应力1与岩块单轴抗压强度c之比进行判断。经验公式：1c大于0.1650.35的脆性岩体最易发生岩爆。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,（b）岩性条件 弹性变形能系数：加载到0.7c后再卸载至0.05c时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。当70时，会产生岩爆，越大发生岩爆的可能性越大。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,（C）岩爆形成机理和围岩破坏区分带,劈裂成板阶段（岩爆孕育）垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂.仅在洞壁表部,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.,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,岩爆渐进破坏过程示意图A、劈裂；B、剪断；C、弹射,岩爆的渐进性破坏过程很短促.各阶段在演化的时序和发展的空间部位,都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的.因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三带.,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,较为有代表性的岩爆划分方案有种：挪威Russense提出用点荷载指数与围岩切向应力比值作为判据:Is/0.20无岩爆 安德森提出的判据/c0.5-1.0强烈岩爆 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。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,3.3 塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体(如页岩、泥岩和粘土岩等)和散体结构岩体。这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同类型，现分述如下：(1)塑性挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括：,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(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)中的挤压剪闭破碎带;(c)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(2)膨胀内鼓 洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向图岩表部转移,结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形.这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的,除此之外,开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀.退水后易于膨胀的岩石主要有两类:一类是富含粘土矿物(待别是蒙脱石)的塑性岩石,如泥质岩、钻土岩、膨胀性粘土等;另一类是含硬石膏的地层,如硬石膏退水后就会发水化而转化为石膏，体积随之而增大。从而可以产生的强大山压，给隧道的施工和运行带来很大困难。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,(3)塑流涌出 当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时，这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中有时甚至可以堵塞坑道，给施工造成很大的困难。(4)重力坍塌 破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,4.1 影响地下洞室围岩稳定性的因素 前述分析表明，地下洞室围岩稳定性问题主要是可能出现的围岩应力与围岩强度间的矛盾问题。各类因素都是通过这两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将影响地下洞室稳定性的因素分为三大类：第一类因素是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面形状和尺寸。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素控制又与人类工程活动的要求有关。而洞室的形状则主要是由人类工程活动的要求与特点所决定。,3.4 围岩稳定性分析与评价,第二类因素包括围岩的岩性和结构，主要是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性的。从岩性角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类:塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有风化速度快、力学强度低以及通水易于软化、膨胀或崩解等不良性质，故对地下洞室围岩的稳定性最为不利。脆性围岩主要包括各类坚硬及半坚硬岩体。由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构，岩性本身的影响不十分显著。在这类围岩中，碎裂结构的稳定性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块体状岩体则通常具有很高的稳定性。对于厚层状及块体状岩体，其强度主要受软弱结构面的发育和分布特点所控制。,3.4 围岩稳定性分析与评价,第三类因素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。结构面中的空隙水压力减小结构面上的有效应力，降低沿结构面的抗滑稳定性。地下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下水活动往往是围岩失稳的一个重要因素。需要指出的是，上述三类因素，在内外营力作用下是不断变化的。,3.4 围岩稳定性分析与评价,4.2 隧洞围岩稳定性的定性评价 对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，围岩应力较低且影响范围较小，因而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，通常能够通过一般的地质工作加以研究和评价。大量的实践经验表明，在一般工程隧洞中，围岩的失稳或破坏通常发生于下述几类地区。(1)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；(2)碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区;(3)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。,3.4 围岩稳定性分析与评价,1 解析分析法,4.3 隧洞围岩稳定性的定量评价,围岩整体稳定性,局部块体稳定性,2 数值模拟,1 矢量分析法,2 图解法（实体比例投影法）,3 数学解析法,3.4 围岩稳定性分析与评价,（1）局部块体稳定性分析,赤平投影+实体比例投影,（a）图解法,3.4 围岩稳定性分析与评价,3.4 围岩稳定性分析与评价,拱顶块体实体比例投影,边墙块体实体比例投影,（b）数学解析法,通过平面方程与曲面方面联立求解，获得局部块体的几何学参数,几何学分析,3.4 围岩稳定性分析与评价,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,脱离岩体的运动,运动学分析,其稳定性系数为：K=0,沿单面滑动,其稳定性系数按下式计算：,3.4 围岩稳定性分析与评价,沿双面滑动,其稳定性系数按下式计算：,（2）整体稳定性分析,通过建模技术，利用有限元、离散元、有限差分等数值计算方法进行分析洞室的整体稳定状况。,3.4 围岩稳定性分析与评价,1围岩变形破坏的累进性发展 大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常是累进性发展的。由于围岩内应力分布的不均匀性以及岩体结构、强度的不均一性及各向异性，那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩尚保持整体稳定性的情况下，这些应力强度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应力向其它部位转移，引起另外一些次薄弱部位的破坏，如此逐渐发展，连锁反应，终将导致大范围围岩的失稳破坏。因此，在进行围岩稳定性的分析、评价时，必须充分考虑围岩累进性破坏的过程和特点，针对控制围岩失稳破坏的关键部位采取有效措施，以防止累进性破坏的发生和发展，这正是支护设计的关键所在。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,一般说来，地下工程围岩变形破坏累进性发展的过程和特点主要取决于三方面因素，即：(1)原岩应力的方向及大小；(2)地下洞室的形状及尺寸；(3)岩体结构及其强度。所以，具体条件不同，围岩累进性破坏的过程和特点也迥异。每一特定条件下围岩累进性破坏能否发生，其特点如何，以及什么样的支护方案才是最经济而有效的，这些问题通常可以通过数值模拟的方法来加以研究和解决。数值模拟方法在研究围岩变形破坏及稳定性评价中具有十分明显的优越性，运用这种方法不仅可以研究不同条件下围岩的稳定状况，为设计方案的优化提供基础，而且还可以追索围岩累进性破坏的发展过程，找出可能导致围岩失稳破坏的薄弱部位，为支护设计的优化提供依据。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,最大主应力剖切图,最小主应力剖切图,变形位移平切图,2山岩压力问题(1)某本概念 设计隧道或其它地下洞室时，如果工程地质分析与岩体力学计算的结果表明，开挖后围岩是不稳定的，那么就必须设计相应的支付结构以支承变形或塌落的围岩，保证洞体的稳定。为了达到这个目的，支衬结构就必须能够适应与围岩之间的相互作用。这种相互作用的力，对于支衬结构来说，就是所谓的山岩压力(或简称山压)，它是设计支付结构的主要依据。可见，上面讨论的围岩应力与山压是有原则区别的，前者是围岩岩体中的内力，后者是围岩作用于支衬结构上的外力，前者转化为后者是有条件的。如果围岩足够强固，完全能够承受住围岩应力的作用，当然也就不需进行支衬。只有当围岩因适应不了围岩应力的作用而产生过大的变形或破坏时，围岩才会向支付结构施加挤压力，形成所谓的山压因此实际作用于文衬结构上的山压值除与围岩的岩性、结构及应力条件有关外，还取决于允许围岩变形发展的程度。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,假定在洞室开挖的同时立即做上刚性支衬结构，不使围岩产生丝毫变形，此时支衬结构必须使围岩保持原来的初始应力状态，因而它所承受的力最大，将等于岩体中的初始应力所能形成的全部压力。相反，如果通过滞后支护或柔性支护，允许围岩产生一定变形，释放相应的应变能，那么当支衬结构和围岩达到力的平衡时，支衬结构所承受的山岩压力则将有所降低。但是，如果支护过迟，致使围岩发生过大的变形和破裂，因而自承能力大为降低时，作用在支衬结构上的山岩压力又将有所增大。实践表明，对于具有不同岩性、结构的围岩，其支护受力与洞壁位移的关系有不同的特征。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,因此，在每一具体条件下，合理地确定支护时间，使岩体的自承能力得以充分发挥，使之能够承担更多的荷载，对于既经济又安全的支衬结构设计是非常重要的。基于上述支衬结构与围岩相互作用的原理，现代的支护设计已完全改变了将支护单纯地作为被动承载结构处理的传统设计思想，而是从更好地利用围岩的自承能力的观点出发，积极、主动地加固围岩。目前广泛应用的喷锚支护就充分体现了这一基本思想，它一方面为围岩向洞内的变形提供了阻抗力，同时又通过改善围岩的应力和强度条件而提高了围岩的自承能力，所以能经济而有效地保证洞室围岩的稳定性。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,2关于山压的计算 根据围岩变形破坏特点的不同，目前通常将山压分为变形山压和散体山压两类。不同类型的山压应按不同的方法进行计算。变形山压主要是由围岩的塑性挤出、膨胀内鼓、剪切碎裂以及弯挤内鼓等类型变形破坏所造成的，因此通常出现在具有塑性围岩或薄层状脆性、半脆性图岩围岩的地下洞室中。这类山压的计算应采用弹塑性力学的方法，但目前尚不成熟，而且还只能计算一些特定条件下的问题，故使用价值有限。有关公式及其推导广泛见于岩体力学教材中，这里不复赘述。散体山压主要是由围岩的张裂塌落、剪切滑移、碎裂松动以及重力坍塌等类变形破坏引起的。通常，这是一种有限范围内脱落岩石自重施加于支衬结构上的压力，其大小取决于岩石性质、岩体结构以及地下水的活动情况。这类山压的计算主要有基于塌落体理论的普氏及太沙基的山压计算法、地质分析计算法以及经验公式估算法等，这些方法也都有各自的不同问题。因此，在目前阶段，山压的确定，虽然形式上是定量的计算，但实质上仍具有经验或半经验估算的性质。,3.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题,（1）围岩变形量测的工程意义 a）估算工程区初始应力的量组及岩体的弹性模量；b）判定岩体的稳定程度，预测不稳定岩体的分布及范围；（2）围岩变形量测的类型 根据其目得，主要分为临时性的量测和长期监测两类（3）围岩变形量测的方法 主要有洞壁收敛量测和围岩内部位移量测两种（4）围岩变形量测的仪器 伸长仪和钻孔位移计（5）成果分析与应用,3.6 围岩变形测量的方法及应用,研究洞室围岩稳定性，不仅在于正确地据以进行工程设计与施工也为了有效地改造围岩，提高其稳定性、这是至关重要的。保证围岩稳定性的途径有二：一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低；二是赋于岩体一定的强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和文护衬砌方案，后者主要是加固围岩。一、合理施工 围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义，所遵循的原则，一是尽可能先挖断面尺寸较小的导洞，二是开挖后及时支撑或衬砌。这样就可以缩小围岩松动范围，或制止围岩早期松动，防止围岩松动，或把松动范围限制在最小限度。针对不同稳定程度的围岩，已有不少施工方案。归纳起来，可分为三类：,3.7 保障洞室围岩稳定性的措施,(一)分部开挖，分部衬砌，逐步扩大断面 围岩不太稳定，顶围易塌，那就在洞室最大断面的上部先挖导洞(图1332，M)，立即支撑，达到要求的轮廓，作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。这便是上导洞开挖、先拱后墙的办法。为减少施工干扰和加速运输，还可以用上下导洞开挖、先拱后墙的办法。围岩很不稳定，顶围坍落，侧围易滑。这样可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、先墙后拱的方法，或称为核心支撑法。,3.7 保障洞室围岩稳定性的措施,(二)导洞全面开挖，连续衬砌 围岩较稳定，可采用导洞全面开挖、连续衬砌的办法施工。或上下双导洞全面开挖，或下导洞全面开挖，或中央导洞全面开挖。将整个断面挖成后，再由边墙到顶拱一次衬砌。这样，施工速度快，衬砌质量高。(三)全断面开挖 围岩稳定、可全断面一次开挖。施工速度快，出渣方便。小尺寸隧洞常用这种方法。,3.7 保障洞室围岩稳定性的措施,二、支撑、衬砌与锚喷加固 如前所述，拟建的地下洞室围岩如果不稳定，就需设计相应的支衬结构来进行加固。常用的支衬结构有支撑、衬砌、锚杆支护以及“锚杆喷射混凝土”联合文护等类型。,（1）支撑 支撑是临时性保护围岩的结构，主要是用木结构的或钢结构的支架把围岩支掺起来。当开挖局部严重不稳定地段时，常作为施工中的临时性保护措施采用之。,（2）衬砌 衬砌是加固围岩的永久性工程结构,一般是用浆 砌条石、混凝土、钢筋混凝土砌筑的。在无压隧道和洞室中，衬砌经常承受来自围岩的压力，故其型式和厚度应与围压相适应。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。,3.7 保障洞室围岩稳定性的措施,（3）锚杆 是目前普遍采用的提高围岩稳定性的措施，其特点在于对围岩进行了“主动加固”，施加了预应力后锚杆系统对围岩造成了较为均匀的径向压力，使围岩内的应力条件得到改善，同时也提高了围岩的整体强度。,（4）喷-锚联合支护 喷射混凝土与锚杆支护技术联合使用的支护结构形式，综合了喷、锚两方面的优越性，大大提高了对围岩的支护能力。,3.7 保障洞室围岩稳定性的措施,第3.8节 隧道施工地质超前预报,隧道超前地质预报在隧道施工中，由于前方地质情况不明，常出现塌方、涌水、岩爆、地下泥石流等地质灾害。这些问题的发生严重影响工程进展，增加工程造价，有时甚至会产生重大伤亡的事故。,在隧道开挖阶段如何超前预报隧道掘进方向的地质条件，准确查出围岩性状、结构面发育情况，特别是溶洞、断层、破碎带的产状、性质及其含水情况，对于确保施工安全至关重要。,隧道超前地质预报依靠超前地质预报技术能极大地减少塌方、突水、突泥等地质灾害，保证施工的顺利进行并极大地降低成本。国外，瑞士、日本等国在隧道修建时，隧道施工地质工作是非常重要、不可缺少的工序。定量准确的隧道超前地质预报，是工程地质界尚未攻克的技术难题。,目前隧道施工超前地质预报方法从专业技术方面可分为常规地质法和物探法两大类。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,一、常规地质法 1、超前导坑法 2、超前钻孔法 3、地面地质调查 4、掌子面编录推测法 5、地质前兆定量预测法 6、临近前兆预测法,第3.8节 隧道施工地质超前预报,一、常规地质法 1超前导坑法超前导坑法可分为超前平行导坑和超前正洞导坑。超前平行导坑-平行导坑的布置平行于正洞，断面小而且和正洞之间有一定的距离，在施工过程中对导坑中遇到的构造、结构面或地下水等情况作地质素描图，通过做地质素描图对正洞的地质条件进行预报。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,超前平行导坑（续）-采用平行导坑预报的优点是：平行导坑超前的距离越长，预报也越早，施工中就有充分的准备时间，可以增加工作面，加快施工进度，还可以起到排水减压放水，改善通风条件和探明地质构造条件的作用。采用超前平行导坑进行预报比较直观，精度高，预报的距离长，便于施工人员安排施工计划和调整施工方案。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,超前正洞导坑正洞导坑布置在正洞中，其作用与平行导坑相比，效果更好。但是采用超前导坑法进行预报也有缺陷：一是成本太高，有时需要全洞进行平导开挖；二是在构造复杂地区准确度不高。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,2超前钻孔法超前钻孔法是在隧道掌子面上进行钻孔，以探明隧道开挖面前方的地质情况的一种方法。钻孔的数量、角度及钻孔长度可人为设计和控制。液压钻孔台车钻进时,在掌子面范围内布置24个钻孔,孔深5m,用秒表计时,记录钻进各进尺段所用时间长短来判别软弱围岩和不良地质构造的位置。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,2超前钻孔法（续）超前风钻孔法是在掌子面上用风钻钻两到三个比一般炮眼深23m的风钻孔，根据成孔的难易和孔的出水状况等来判定前方地质情况。该法简单、实用，与掌子面钻眼可同时进行。其布孔原则是：在掌子面左右各布置一个，必要时在拱部再布置一个。一般可根据钻进速度的变化、钻孔取芯鉴定、钻孔冲洗液的颜色、气味、岩粉以及在钻探过程中遇到的其他情况进行判断。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,2超前钻孔法（续）超前地质钻孔法适用于隧道开挖面前方地质情况复杂、且又有地下水出露的情况。该方法既能探明隧道开挖面前方的地质情况，且探孔又能起到排水作用。其缺点是：在复杂地质条件下预报效果较差，很难预测到正洞掌子面前方的小断层和贯穿性大节理，特别是与隧道轴线平行的结构面，其预报无反映；钻孔与钻孔之间的地质情况反映不出来。,第3.8节 隧道施工地质超前预报,3.地面地质调查 地质调查可分为重点复查和全面调查两类。前者适用于地质勘察工作做得较好、精度较高的隧道,主要是深埋长大隧道；后者适用