地下洞室围岩稳定性分析课件.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、,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
7、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
8、,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
9、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
10、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
11、。,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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、 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-
21、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
22、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
23、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
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