第八章地下洞室围岩稳定性分析
第一节概述
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。从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：
(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
(4)在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。
地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后上述4种力学作用的形成机理和计算方法。所谓围岩稳定性是一个相对的概念，它主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对比例关系。一般来说，当围岩内一点的应力达到并超过了相应围岩的强度时，就认为该处围岩已破坏；否则就不破坏，也就是说该处围岩是稳定的。因此，地下洞室围岩稳定性分析，首先应根据工程所在的岩体天然应力状态确定洞室开挖后围岩中重分布应力的大小和特点；进而研究围岩应力与围岩变形及强度之间的对比关系，进行稳定性评价；确定围岩压力和围岩抗力的大小与分布情况。以作为地下洞室设计和施工的依据。为此，本章将主要讨论地下洞室围岩重分布应力、围岩变形与破坏、围岩压力和围岩抗力等的岩体力学分析计
算问题。
第二节围岩重分布应力计算
地下洞室围岩应力计算问题可归纳为：①开挖前岩体天然应力状态(natuarLstress或称一次应力、初始应力和地应力等)的确定；②开挖后围岩重分布应力(或称二次应力)的计算；③支护衬砌后围岩应力状态的改善。本节仅讨论重分布应力计算问题。
地下开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。洞室开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，而向洞内空间胀松变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的调整，以达到新的平衡，形成新的应力状态。我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用，称为围岩应力重分布作用。经重分布作用后的围岩应力状态称为重分布应力状态，并把重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。据研究表明，围岩内重分布应力状态与岩体的力学属性、天然应力及洞室断面形状等因素密切相关。
一、无压洞室围岩重分布应力计算
(一)弹性围岩重分布应力
对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形。因此这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。这里以水平圆形洞室为重点进行讨论。
1.圆形洞室
深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，围岩重分布应力可以用柯西(Kirsh,1898)课题求解。如果洞室半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑。则可将该问题概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。
图8-1是柯西课题的概化模型，设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔。取如图的极坐标，薄板中任一点M(r,θ)的应力及方向如图所示。按平面问题考虑，不计体力，则M点的各应力分量，即径向应力?r、环向应力?θ和剪应力σrθ与应力函数φ间的关系，根据弹性理论可表示为：
图8-1 柯西课题分析示意图
(8-1)
(8-1)式的边界条件为：
(8-2)
为了求解微分方程(8-1)，设满足该方程的应力函数φ为：
(8-3)
将(8-3)式代入(8-1)式，并考虑到边界条件(8-2)式，可求得各常数为：
将以上常数代入(8-3)式，得到应力函数φ为：
(8-4)
将(8-4)式代入(8-1)式，就可得到各应力分量为：
(8-5)
式中：?r，?θ，σrθ分别为M点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负；θ为M点的极角，自水平轴(x轴)起始，反时针方向正；r为向径。
(8-5)式是柯西课题求解的无限薄板中心孔周边应力计算公式，我们把它引用到地下洞室围岩重分布应力计算中来。实际上深埋于岩体中的水平圆形洞室的受力情况是上述情况的复合。假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，则问题可简化为图8-2所示的无重板岩体力学模型。若水平和铅直天然应力都是主应力，则洞室开挖前板内的天然应力为：
图8-2 圆形洞室围岩应力分析模型
(8-6)
式中：?v，?h为岩体中铅直和水平天然应力；σzx，σxz为天然剪应力。
取铅直坐标轴为z，水平轴为x，那么洞室开挖后，铅直天然应力?v引起的围岩重分布应力也可由(8-5)式确定。在(8-5)式中，p用?v代替，而θ角应是向径OM与z轴的夹角θ′。若统一用OM与x轴的夹角θ来表示时，则
这样由?v引起的重分布应力为：
(8-7)
由水平天然应力?h产生的重分布应力，可由(8-5)式直接求得，只需把式中p换成λ?v即可。因此有：
(8-8)
将(8-7)和(8-8)式相加，即可得到?v和λ?r同时作用时圆形洞室围岩重分布应力的计算公式为：
(8-9)
或
(8-10)
由(8-9)式和(8-10)式可知，当天然应力?h，?v和R0一定时，围岩重分布应力是研究点位臵(r，θ)的函数。令r＝R0时，则洞壁上的重分布应力，由(8-10)式为：
(8-11)
由(8-11)式可知，洞壁上的σrθ＝0，?r＝0，仅有?θ作用，为单向应力状态，且其?θ大小仅与天然应力状态及计算点的位臵θ有关，而与洞室尺寸R0无关。
从(8-11)式，取λ＝?h /?v 为1/3，1，2，3…等不同数值时，可求得洞壁上0°，180°及90°，270°两个方向的应力?θ如表8-1和图8-3所示。结果表明，当λ＜ 1/ 3时，洞顶底将出现拉应力；当1/3＜λ＜3时，洞壁围岩内的?θ全为压应力且应力分布较均匀；当λ＞3时，洞壁两侧将出现拉应力，洞顶底则出现较高的压应力集中。因此可知，每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界λ值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。
表8-1 洞壁上特征部位的重分布应力?θ值
2。2F〗〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y 2〗
? θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，180°
90°，270°〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y
2〗 ? θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，1
80° 90°，270°[BHDG1*2]0 3 ? v － ? v 1／3〖
〗8 ? v／3 0〖BH〗1 2 ? v[]2 ? v[]2[] ? v[]5
? v[BH]3[]0[]8 ? v[]4[]－ ? v[]11 ? v 5 － ?
v 14 ? v [HT]〖TP3，11*2。40#〗
图8-3 ?θ/?v随λ的变化曲线
为了研究重分布应力的影响范围，设λ＝1，即?h＝?v＝?0，则(8-10)式变为：
(8-12)
(8-12)式说明：天然应力为静水压力状态时，围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和?0有关。由于σrθ=0，则?r，?θ均为主应力，且?θ恒为最大主应力，?r恒为最小主应力，其分布特征如图8-4所示。当r＝R0(洞壁)时，?r=0，?θ=2?0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。随着离洞壁距离r增大，?r逐渐增大，?θ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力?0值。在理论上，?r，?θ要在r→≦处才达到?0值，但实际上?r，?θ趋近于?0的速度很快。计算显示，当r=6R0时，?r和?θ与?0相差仅28%。因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，也是有限元计算模型的边界范围。
图8-4 ?r，?θ随r增大的变化曲线
2.其他形状洞室
为了最有效和经济地利用地下空间，地下建筑的断面常需根据实际需要，开挖成非圆形的各种形状。下将讨论洞形对围岩重分布应力的影响。由圆形洞室围岩重分布应力分析可知，重分布应力的最大值在洞壁上，且仅有?θ，因此只要洞壁围岩在重分布应力?θ的作用下不发生破坏，那么洞室围岩一般也是稳定的。为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况，先引进应力集中系数的概念。
地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。从(8-11)式可知，圆形洞室洞壁处的应力?θ可表示为：
(8-13)
式中：α，β为应力集中系数，其大小仅与点的位臵有关。
类似地，对于其他形状洞室也可以用(8-13)式来表达洞壁上的重分布应力，不同的只是不同洞形，α，β也不同而已。图8-5列出了常见的几种形状洞室洞壁的应力集中系数α，β值。这些系数是依据光弹实验或弹性力学方法求得的。应用这些系数，可以由已知的岩体天然应力?h，?v来确定洞壁围岩重分布应力。由图8-5可以看出各种不同形状洞室洞壁上的重分布应力有如下特点：①椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；而短轴两端易出现拉应力集中，不利于围岩稳定。②各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。③长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳。④当岩体中天然应力?h和?v相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。⑤当岩体中天然应力?h和?v相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。⑥在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集中。
〖CM)〗〖TP5，0。40#][TS(40]〖HT6〗 [
FK(W77。52〗〖BG(!〗〖BHDFG6，FK2，K18，K10，K13,K9]编 号洞室形状
计算公式〖BHDWG3，WK13W〗各点应力系数〖BHDG，WK3，K5，K5W〗点号
αβ 备注〖BHDG68，FK30，K13，K9F〗
〖BHDG12，WK2，K18，K10W〗1 ? θ＝α? h ＋ β? v
〖BHG8〗2 ? ?＝α? h ＋ β? v〖BHG16〗3
? θ＝α? h ＋ β? v 〖BHG8〗4 ? θ＝α? h
＋ β? v 〖BHG8〗5 ? θ＝α? h ＋ β? v 6
? θ＝α? h ＋ β? v 〖BHDG4，WK3，K5，
K5W〗 A 3 －1〖BH〗B －1 3〖BH〗m 1－2cos2
θ 1＋2cos2 θ〖BH〗A 2 a b ＋1 －
1〖BH〗B －1 2 a b ＋1〖BH〗A 1 61
6 －0 87〖BH〗B －0 8
7 1 616〖BH〗C 0 265〖
〗4 230〖BH〗D 4 230 0 265〖BH〗A 1 40 －1
00〖BH〗B －0 80 2 20〖BH〗A 1 20 －0 95〖
BH〗B －0 80 2 40〖BH〗A 2 66 －0 38〖BH〗B
－0 38 0 77〖BH〗C 1 14 1 54〖BHG〗D 1
90 1 54〖ZB)〗〖ZB(〗〖BHDG52，WK9ZQ〗 资料取自萨文《孔口应力集中》一书据云南昆明水电勘测设计院“第四发电厂地下厂房光弹试验报告”
图8-5 各种洞形洞壁的应力集中系数图
3.软弱结构面对围岩重分布应力的影响
由于岩体中常发育有各种结构面，因此结构面对围岩重分布应力有何影响，就成为一个值得研究的问题。研究表明，在有些情况下，结构面的存在对围岩重分布应力有很大的影响。在下面的讨论中，假定围岩中结构面是无抗拉能力的，且其抗剪强度也很低；在剪切过程中，结构面无剪胀作用。分两种情况进行讨论。
(1)围岩中有一条垂直于?v、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面，如图8-6所示。由(8-9)式可知，对于θ＝0，沿水平直径方向上所有的点σrθ 均为0。因此，沿结构面各点的?θ和?r均为主应力，结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。
图8-6 沿圆形洞水平轴方向发育结构面的情况及应力分析示意图
(2)围岩中存在一平行于?v、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结构面(图8-7(a))。由(8-9)式可知，对θ＝90°，结构面上也无剪应力作用。所以也不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。但是，当λ＜ 1/ 3时，在洞顶底将产生拉应力。在这一拉应力作用下，结构面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区(图8-7(b))。设椭圆短轴与洞室水平直径一致，为2R0，长轴平行于结构面，其大小为2R0＋2Δh，而Δh可由下式确定：
图8-7 软弱结构面对重分布应力的影响示意图
(a)沿铅直方向直径与洞壁交切的软弱结构面；(b)λ＜1/ 3，洞顶底的应力降低区
(8-14)
图8-8 围岩中出现塑性圈时的应力重分布示意图
虚线为未出现塑性圈的应力；实线为出现塑性圈的应力
以上是两种简单的情况，在其他情况下，洞室围岩内的应力分布比较复杂，影响程度也不尽相同，在此不详细讨论，读者可参阅有关文献。
(二)塑性围岩重分布应力
大多数岩体往往受结构面切割使其整体性丧失，强度降低，在重分布应力作用下，很容易发生塑性变形而改变其原有的物性状态。由弹性围岩重分布应力特点可知，地下开挖后洞壁的应力集中最大。当洞壁重分布应力超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。但是，这种塑性圈不会无限扩大。这是由于随着距洞壁距离增大，径向应力?r由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态。莫尔应力圆由与强度包络线相切的状态逐渐内移，变为与强度包络线不相切，围岩的强度条件得到改善。围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。这样，将在围岩中出现塑性圈和弹性圈。
塑性圈岩体的基本特点是裂隙增多，内聚力、内摩擦角和变形模量值降低。而弹性圈围岩仍保持原岩强度，其应力、应变关系仍服从虎克定律。
塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区(或称原岩应力区)。各圈(区)的应力变化如图8-8所示。在这种情况下，围岩重分布应力就不能用弹性理论计算了，而应采用弹塑性理论求解。
为了求解塑性圈内的重分布应力，假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半径为R1的水平圆形洞室；开挖后形成的塑性松动圈半径为R1，岩体中的天然应力为?h＝?v＝?0，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。
如图8-9所示，在塑性圈内取一微小单元体abdc，单元体的bd面上作用有径向应力?r，而相距dr的ac面上的径向应力为(?r＋d?r)，在ab和cd面上作用有切向应力?θ，由于λ＝1，所以单元体各面上的剪应力σrθ＝0。当微小单元体处于极限平衡状态时，则作用在单元体上的全部力在径向r 上的投影之和为零，即ΣFr＝0。取投影后的方向向外为正，则得平衡方程为：
图8-9 塑性圈围岩应力分析图
＝0
当dθ很小时，sindθ/2 ≈dθ/2。将上式展开，略去高阶微量整理后得：
(8-15)
因塑性圈内的?θ和?r是主应力，设岩体满足如下的塑性条件：
(8-16)
由(8-15)式得：
(8-17)
将(8-17)式代入(8-16)式中，整理简化得：
将上式两边积分后得：
(8-18)
式中：A为积分常数，可由边界条件：r＝R0，?r＝pi(pi为洞室内壁上的支护力)确定。代入(8-18)式中得：
(8-19)
将(8-19)式代入(8-18)式后整理得径向应力?r为：
同理可求得环向应力?θ为：
把上述?r，?θ，σrθ写在一起，即得到塑性圈内围岩重分布应力的计算公式为：
(8-20)
式中：Cm，φm为塑性圈岩体的内聚力和内摩擦角；r为向径；pi为洞壁支护力；R0为洞半径。
塑性圈与弹性圈交界面(r＝R1)上的重分布应力，利用该面上弹性应力与塑性应力相等的条件得：
(8-21)
式中：?rpe，?θpe，σrpe为r＝R1处的径向应力、环向应力和剪应力；?0为岩体天然应力。
弹性圈内的应力分布如本节(一)所述。综合以上可得围岩重分布应力如图8-8所示。
由(8-20)式可知，塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(?0)无关，而取决于支护力(pi)和岩体强度(Cm，φm)值。由(8-21)式可知，塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于?0和Cm，φm，而与pi无关。这说明支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R1)的大小。
二、有压洞室围岩重分布应力计算
有压洞室在水电工程中较为常见。由于其洞室内壁上作用有较高的内水压力，使围岩中的重分布应力比较复杂。这种洞室围岩最初是处于开挖后引起的重分布应力之中；然后进行支护衬砌，又使围岩重分布应力得到改善；洞室建成运行后洞内壁作用有内水压力，使围岩中产生一个附加应力。
本节重点讨论内水压力引起的围岩附加应力问题。
图8-10 厚壁圆筒受力图
有压洞室围岩的附加应力可用弹性厚壁筒理论来计算。如图8-10所示，在一内半径为a，外半径为b的厚壁筒内壁上作用有均布内水压力pa，外壁作用有均匀压力pb。在内水压力作用下，内壁向外均匀膨胀，其膨胀位移随距离增大而减小，最后到距内壁一定距离时达到零。附加径向和环向应力也是近洞壁大，远离洞壁小。由弹性理论可推得，在内水压力作用下，厚壁筒内的应力计算公式为：
(8-22)
若使b→≦(即b/a)，pb＝?0时，则 b2/( b2－a2) ≈1，a2/(b2＋a2)＝0，代入(8-22)式得：
(8-23)
若有压洞室半径为R0，内水压力为pa，则上式变为：
(8-24)
由(8-24)式可知，有压洞室围岩重分布应力?r和?θ由开挖以后围岩重分布应力和内
水压力引起的附加应力两项组成。前项重分布应力即为(8-12)式；后项为内水压力引起的附加应力值，即：
(8-25)
由(8-25)式可知，内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。
第三节围岩的变形与破坏
地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，我们称前者为变形，后者为破坏。
研究表明：围岩变形破坏形式常取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素。本节重点讨论围岩结构及其力学性质对围岩变形破坏的影响，以及围岩变形破坏的预测方法。
一、各类结构围岩的变形破坏特点
在第二章中我们把岩体划分为整体状、块状、层状、碎裂状和散体状五种结构类型。它们各自的变形特征和破坏机理不同，现分述如下。
(一)整体状和块状岩体围岩
这类岩体本身具有很高的力学强度和抗变形能力，其主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。这类围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。
岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。伴随岩爆产生，常有岩块弹射、声响及冲击波产生，对地下洞室开挖与安全造成极大的危害。
脆性开裂常出现在拉应力集中部位。如洞顶或岩柱中，当天然应力比值系数λ＜1/ 3时，洞顶常出现拉应力，容易产生拉裂破坏。尤其是当岩体中发育有近铅直的结构面时，即使拉应力小也可产生纵
向张裂隙，在水平向裂隙交切作用下，易形成不稳定块体而塌落，形成洞顶塌方。
块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。典型的块体滑移形式如图8-11所示。
图8-11 坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图
1.层面；
2.断裂；
3.裂隙
这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。
(二)层状岩体围岩
这类岩体常呈软硬岩层相间的互层形式出现。岩体中的结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。不同产状围岩的变形破坏形式如图8-12所示。在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。当岩层较薄时，如不及时支撑，任其发展，则将逐层折断塌落，最终形成图8-12(a)所示的三角形塌落体。在倾斜层状围岩中，常表现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。这时将出现偏压现象(图8-12(b))。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶由于受拉应力作用，使之发生沿层面纵向拉裂，在自重作用下岩柱易被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全(图8-12(c))。但当洞轴线与岩层走向有一交角时，围岩稳定性会大大改善。经验表明，当这一交角大于20°时，洞室边墙不易失稳。
图8-12 层状围岩变形破坏特征示意图
(a)水平层状岩体；(b)倾斜层状岩体；(c)直立层状岩体
1.设计断面轮廊线；
2.破坏区；
3.崩塌；
4.滑动；
5.弯曲、张裂及折断
图8-13 碎裂围岩塌方示意图
这类岩体围岩的变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。
(三)碎裂状岩体围岩
碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常表现为塌方和滑动(图8-13)。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块相互镶合挤压，错动时产生较大阻力，因而不易大规模塌方。相反，当围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，则易产生大规模塌方或塑性挤入，如不及时支护，将愈演愈烈。
这类围岩的变形破坏，可用松散介质极限平衡理论来分析。
(四)散体状岩体围岩
散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩常表现为弹塑性、塑性或流变性，其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则(图8 14(a))。但当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式(图8-14)。
图8-14 散体状围岩变形破坏特征示意图
(a)拱形冒落；(b)局部塌方造成的偏压；(c)侧鼓；(d)底鼓
这类围岩的变形破坏，可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。
应当指出，任何一类围岩的变形破坏都是渐进式逐次发展的。其逐次变形破坏过程常表现为侧向与垂向变形相互交替发生、互为因果，形成连锁反应。例如水平层状围岩的塌方过程常表现为：首先是拱脚附近岩体的塌落和超挖；然后顶板沿层面脱开，产生下沉及纵向开裂，边墙岩块滑落。当变形继续向顶板以上发展时，形成松动塌落，压力传至顶拱，再次危害顶拱稳定。如此循环往复，直至达到最终平衡状态。又如块状围岩的变形破坏过程往往是先由边墙楔形岩块滑移，导致拱脚失去支撑，进而使洞顶楔形岩块塌落等等。其他类型围岩的变形破坏过程也是如此，只是各次变形破坏的形式和先后顺序不同而已。我们分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。
二、围岩位移计算
(一)弹性位移计算
在坚硬完整的岩体中开挖洞室，当天然应力不大的情况下，围岩常处于弹性状态。这时洞壁围岩的位移可用弹性理论进行计算。在此，先讨论平面应变条件下洞壁围岩弹性位移的计算问题。
据弹性理论，平面应变与位移间的关系为：
(8-26)
又平面应变与应力的物理方程为：
(8-27)
由以上两式得：
(8-28)
将(8-10)式的围岩重分布应力(?r，?θ)代入(8-28)式，并进行积分运算，可求得在平面应变条件下的围岩位移为：
(8-29)
式中：u，v分别为围岩内任一点的径向位移和环向位移；Eme，μm为岩体的弹性模量和泊松比；
其余符号意义同前。
由(8-29)式，当r＝R0时，可得洞壁的弹性位移为：
(8-30)
当天然应力为静水压力状态(?h＝?v＝?0)时，则(8-30)式可简化为：
(8-31)
可见在?h＝?v＝?0的天然应力状态中，洞壁仅产生径向位移，而无环向位移。(8-31)式是在?h＝?v时，考虑天然应力与开挖卸荷共同引起的围岩位移。但一般认为：天然应力引起的位移在洞室开挖前就已经完成了，开挖后洞壁的位移仅是由于开挖卸荷(开挖后重分布应力与天然应力的应力差)引起的。假设岩体中天然应力为?h＝?v＝?0，则开挖前洞壁围岩中一点的应力为?r1＝?r2＝?0，而开挖后洞壁上的重分布应力由(8-11)式得：?r2＝0，?θ2＝2?0，那么因开挖卸荷引起的应力差为：
将Δ?r，Δ?θ代入(8-28)式的第一个式子有：
两边积分后得洞壁围岩的径向位移为：
(8-32)
比较(8-31)式和(8-32)式可知：是否考虑天然应力对位移的影响，计算出的洞壁位移是不同的。
若开挖后有支护力pi作用，由(8-32)式则其洞壁的径向位移为：
(8-33)
(二)塑性位移计算
由于结构面的切割，降低了岩体的完整性和强度，洞室开挖后，在围岩内形成塑性圈。这时洞壁围岩的塑性位移可以采用弹塑性理论来分析。其基本思路是先求出弹、塑性圈交界面上的径向位移，然后根据塑性圈体积不变的条件求洞壁的径向位移。假定洞壁围岩位移是由开挖卸荷引起的，且岩体中的天然应力为?h＝?v＝?0。
由于开挖卸荷形成塑性圈后，弹、塑性圈交界面上的径向应力增量(Δ?r)r＝R1和环向应力增量(Δ?θ)r＝R1为：
代入(8-28)式的第一个式子，则弹、塑性圈交界面上的径向应变εR1为：
两边积分得交界面上的径向位移uR1为：
式中：Em，Gm为塑性圈岩体的变形模量和剪切模量，Gm＝Em2(1＋μm) ；?R1为塑性圈作用于弹性圈的径向应力。
由(8-24)式，在弹、塑性圈交界面上有r＝R1，R0＝R1，pa＝?R1，可得该界面上的应力为：
(8-36)
由于弹、塑性交界面处于极限平衡状态，因此将(8-21)式代入(8-36)式有：
将?R1代入(8-34)式得弹、塑圈交界面的径向位移μR1为：
(8-37)
塑性圈内的位移可由塑性圈变形前后体积不变的条件求得，即：
(8-38)
式中：uR0为洞壁径向位移，将(8-37)式展开，略去高阶微量后，可得洞壁的径向位移为：
(8-39)
式中：R1为塑性圈半径；R0为洞室半径；?0为岩体天然应力；Cm，φm为岩体内聚力和内摩擦角。
三、围岩破坏区范围的确定方法
在地下洞室喷锚支护设计中，围岩破坏圈厚度是必不可少的资料。针对不同力学属性的岩体可采用不同的确定方法。例如，对于整体状、块状等具有弹性或弹塑性力学属性的岩体，通常可用弹性力学或弹塑性力学方法确定其围岩破坏区厚度；而对于松散岩体则常用松散介质极限平衡理论方法来确定等。这里主要介绍弹性力学和弹塑性力学方法，松散介质极限平衡方法将在下节中介绍。
(一)弹性力学方法
由上节的围岩重分布应力分析可知，当岩体天然应力比值系数λ＜1/ 3 时，洞顶、底将出现拉应力，其值为?θ＝(3λ－1)?v。而两侧壁将出现压应力集中，其值为?θ＝(3－λ)?v。在这种情况下，若顶、底板的拉应力大于围岩的抗拉强度?t(严格地说应为一向拉、一向压的拉压强度)时，则围岩就要发生破坏。其破坏范围可用图8-15所示的方法进行预测。在λ＞1／3的天然应力场中，洞壁围岩均为压应力集中，顶、底的压应力?θ＝(3λ－1)?v，侧壁为?θ＝(3－λ)?v。当?θ大于围岩的抗压强度?c时，洞壁围岩就要破坏。沿洞周压破坏范围可按图8-16所示的方法确定。
图8-15 λ＜1／3时，洞顶破坏区范围预测示意图
图8-16 λ＞1／3时，洞壁破坏区范围预测示意图
对于围岩破坏圈厚度，可以利用围岩处于极限平衡时主应力与强度条件之间的对比关系求得。由(8-9)式可知，当r＞R0时，只有在θ＝0，π/ 2，π， 3π/ 2 四个方向上，σrθ等于零，?r和?θ才是主应力。由莫尔强度条件可知，围岩的强度为：
(8-40)
若用?r代入(8-40)式，求出?1(围岩强度)，然后与?θ比较，若?θ≥?1， 围岩就破坏，因此，围岩的破坏条件为：
(8-41)
据(8-41)式，可用作图法来求x轴和z轴方向围岩的破坏厚度。其具体方法如图8-17和图8-18所示。
图8-17 x轴方向破坏厚度预测示意图
图8-18 z轴方向破坏厚度预测示意图
求出x轴和z轴方向的破坏圈厚度之后，其他方向上的破坏圈厚度可由此大致推求。但当岩体中天然应力?h＝?v(λ＝1)时，可用以上方法精确确定各个方向的破坏圈厚度。求得了θ方向和r轴方向的破坏区范围，则围岩的破坏区范围也就确定了。
(二)弹塑性力学方法
图8-19 弹塑性区交界面上的应力条件
如前所述，在裂隙岩体中开挖地下洞室时，将在围岩中出现一个塑性松动圈。这时围岩的破坏圈厚度为R1－R0。因此在这种情况下，关键是确定塑性松动圈半径R1。
为了计算R1，设岩体中的天然应力为?h＝?v＝?0；因弹、塑性圈交界面上的应力，既满足弹性应力条件，也满足塑性应力条件。而弹性圈内的应力等于?0引起的应力，叠加上塑性圈作用于弹性圈的径向应力?R1引起的附加应力之和，如图8-19所示。
由?0引起的应力，可由(8-12)式求得为：
(8-42)
由?R1引起的附加应力，可由(8-25)式求得为：
(8-43)
(8-42)式与(8-43)式相加得弹性圈内的重分布应力为：
(8-44)
由(8-44)式，令r＝R1可得弹、塑性圈交界面上的应力为：
(8-45)
界面上的塑性应力由(8-20)式，令r＝R1求得为：
(8-46)
由假定条件(界面上弹性应力与塑性应力相等)得：
将上两式相加后消去?R1，并解出R1为：
(8-47)
(8-47)式为有支护力pi时塑性圈半径R1的计算公式，称为修正芬纳 塔罗勃公式。如果用?c代替(8-47)式中的Cm，则可得到计算R1的卡斯特纳(Kastner)公式。由库仑-莫尔理论可知：
(8-48)
将(8-48)式代入(8-47)式，并令1＋sinφm1－sinφm＝ξ，得R1为：
(8-49)
由(8 47)式和(8 49)式可知：地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径 R 1随天然应力? 0增加而增大，随支护力p i、岩体强度C m增加而减小。
算例，有一半径为2m的圆形隧洞，开挖在抗压强度为 ? c＝12Mpa， φ m＝36 9°的泥灰岩中，岩体天然应力为 ? h＝ ? v＝ ? 0 ＝31 2MPa。若洞壁无支护，求其破坏圈厚度 d 。
解：〖ZK(〗≧ sin36 9°＝0 6，ctg36 9°＝1 3； ? C m＝ 12(1－sin36 9°) 2cos36 9°＝3 0MPa
按修正芬纳 塔罗勃公式(8 47)式，可求得：
〖JZ〗 R 1 ＝2〖JB(［〗 (31 2＋3×1 3)(1－0 6) 0＋3 0×1 3 〖JB)］〗 1－0 6 2×0 6 ＝3 06m
则塑性圈厚度 d＝R 1－R 0 ＝3 06－2 00＝1 06m。
按芬纳 塔罗勃公式， 〖JZ〗 R 1＝R 0〖JB(［〗 C mctg φ m＋ ? 0 (1－sin φ m) p i＋C mctg φ m 〖JB)］〗 1－sin φ m 2 sin φ m ＝2〖JB(［〗 3 0×1 3＋31 2(1－0 6) 0＋3 0×1 3 〖JB)］〗 1－0 6 2×0 6 ＝3 22m
因此，塑性圈厚度 d＝3 22－2 00 ＝1 22m
由本例可知，按芬纳 塔罗勃公式计算的 R 1要比修正的芬纳 塔罗勃公式求得的R1大，同时也比哈斯特纳公式求得的R 1大。其原因是芬纳 塔罗勃公式在推导中曾假定弹、塑性圈交界面上的Cm＝0。
以上是假定在静水压力(?h＝?v)条件下塑性圈半径R1的确定方法。在?h≠?v条件下R1 的确定方法比较复杂，在此不详细讨论。
第四节围岩压力计算
一、基本概念
地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力(peripheraLrock pressure)。根据这一定义，围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。因此，如果围岩足够坚固，能够承受住围岩应力的作用，就不需要设臵支护衬砌，也就不存在围岩压力问题。只有当围岩适应不了围岩应力的作用，而产生过量塑性变形或产生塌方、滑移等破坏时，才需要设臵支护衬砌以维护围岩稳定，保证洞室安全和正常使用，因而就形成了围岩压力。围岩压力是支护衬砌设计及施工的重要依据。按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力三种。
形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。地下洞室开挖后围岩的变形包括弹性变形和塑性变形。但一般来说，弹性变形在施工过程中就能完成，因此它对支衬结构一般不产生挤压力。而塑性变形则具有随时间增长而增强的特点，如果不及时支护，就会引起围岩失稳破坏，形成较大的围岩压力。产生形变围岩压力的条件有：①岩体较软弱或破碎，这时围岩应力
很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；②深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流动变形。由围岩塑性变形产生的围岩压力可用弹塑性理论进行分析计算。除此之外，还有一种形变围岩压力就是由膨胀围岩产生的膨胀围岩压力，它主要是由于矿物吸水膨胀产生的对支衬结构的挤压力。因此，膨胀围岩压力的形成必须具备两个基本条件：一是岩体中要有膨胀性粘土矿物(如蒙脱石等)；二是要有地下水的作用。这种围岩压力可采用支护和围岩共同变形的弹塑性理论计算。不同的是在洞壁位移值中应叠加上由开挖引起径向减压所造成的膨胀位移值，这种位移值可通过岩石膨胀率和开挖前后径向应力差之间的关系曲线来推算。此外，还可用流变理论予以分析。
松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力，其大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。
冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。
二、围岩压力计算
(一)形变围岩压力计算
为了防止塑性变形的过度发展，须对围岩设臵支护衬砌。当支衬结构与围岩共同工作时，支护力pi与作用于支衬结构上的围岩压力是一对作用力与反作用力。这时只要求得了支衬结构对围岩的支护力pi，也就求得了作用于支衬上的形变围岩压力。基于这一思路，从(8-47)式可得：
(8-50)
图8-20 pi-R1关系曲线
Ⅰ 由? 0引起的p i R 1曲线；
Ⅱ 由C m引起的 p i R 1 曲线；
Ⅰ＋Ⅱ 修正芬纳 塔罗勃 p i R 1 曲线
(8 50)式即为计算圆形洞室形变围岩压力的修正芬纳 塔罗勃公式，同样由(8 49)式可得计算围岩压力的卡斯特纳公式。
(8-50)式是围岩处于极限平衡状态时pi-R1的关系式，可用图8-20的曲线表示。由图可知，当R1愈大时，维持极限平衡所需的pi愈小。因此，在围岩不至失稳的情况下，适当扩大塑性区，有助于减小围岩压力。由此我们可以得到一个重要的概念，即不仅处于弹性变形阶段的围岩有自承能力，处于塑性变形阶段的围岩也具有自承能力，这就是为什么在软弱岩体中即使有很大的天然应力作用，仅用较薄的衬砌也能维持洞室稳定的道理。但是塑性围岩的这种自承能力是有限的，当pi降到某一低值pimin 时，塑性圈就要塌落，这时围岩压力可能反而增大(图8-20Ⅲ)。如果改写(8-50)式，即得：
(8-51)
由(8-51)式可知，当φm一定时，pi取决于天然应力?0和岩体Cm，而Cm的存在将减小维持围岩
稳定所需的支护力pi值。
由于一般情况下R1难以求得，所以常用洞壁围岩的塑性变形uR0来表示pi。由(8-39)式可得：代入(8-50)式，可得pi与uR0间的关系为：
(8-52)
式中：uR0为洞壁的径向位移。在实际工程中，在忽略支衬与围岩间回填层压缩位移的情况下，uR0主要应包括两部分：即洞室开挖后到支衬前的洞壁位移u0和支护衬砌后支衬结构的位移u2。其中u0取决于围岩性质及其暴露时间，即与施工方法有关，常用实测方法求得。u2则取决于支衬型式和刚度，对于封闭式混凝土衬砌的圆形洞室，假定围岩与衬砌共同变形，则可用厚壁筒理论求得pi与u2的关系为：
(8-53)
式中：Ec，μc为衬砌的弹性模量和泊松比；R0，Rb为衬砌的内、外半径。
图8-21 围岩压力与洞壁变形关系曲线
①无支护推算的uR0-t曲线； ②有支护实测的uR0-t曲线； ③无支护实测的uR0-t曲线。(uR0)R1为出现塑性圈时的洞位移。Ⅰ为piu-R0曲线；Ⅱ为piu2曲线。
(8-52)式表明，围岩压力pi随洞壁位移uR0增大而减小，说明适当的变形有利于降低围岩压力，减小衬砌厚度。因此在实际工作中常采用柔性支衬结构。pi与uR0的关系如图8-21中的曲线Ⅰ所示，当uR0达到塑性圈开始出现时的位移(uR0)R1(即围岩开始出现塑性变形)时，围岩压力将出现最大值pimax。然后随uR0增大pi逐渐降低，到B点，pi达到最低值pimin，之后pi又随uR0增大而增大。因此，支护衬砌必须在AB之间进行，越接近A点，pi越大，越近B点，pi越小，若在C点进行支护衬砌，则由于衬砌本身的位移u2，pi随u2将沿曲线Ⅱ变化，Ⅱ与Ⅰ交点上的pi就是作用在支护衬砌上的实际围岩压力值(图8-21)。
从图8-21可知，如果支护衬砌是在B点以后，则围岩就要产生松动塌落，这时作用于支护衬砌上的围岩压力反而会增大，其值等于松动圈塌落岩体的自重。当松动圈塌落时，最大松动围岩压力pi可用下式计算：
(8-54)
式中：ρ，Cm为岩体密度和内聚力；k1，k2为松动压力系数，用下式确定。
(8-55)
(8-56)
(二)松动围岩压力计算
松动围岩压力是指松动塌落岩体重量所引起的作用在支护衬砌上的压力。实际上，围岩的变形与松动是围岩变形破坏发展过程中的两个阶段，围岩过度变形超过了它的抗变形能力，就会引起塌落等松动破坏，这时作用于支护衬砌上的围岩压力就等于塌落岩体的自重或分量。目前计算松动围岩压力的方法主要有：平衡拱理论、太沙基理论及块体极限平衡理论等。
1.平衡拱理论
这个理论是由普罗托耶科诺夫提出的，又称为普氏理论。该理论认为：洞室开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，又称塌落拱。最初这个拱形是不稳定的，如果洞侧壁稳定，则拱高随塌落不断增高；反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱高同时增大。当洞的埋深较大(埋深H＞5b1，b1为拱跨)时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。这时，作用于支护衬砌上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。因此，利用该理论计算围岩压力时，首先要找出平衡拱的形状和拱高。
图8-22 平衡拱及受力分析示意图
如图8-22所示，为了求平衡拱的形状和拱高，取坐标系 xoy如图，曲线LoM为平衡拱，对称于y轴。在半跨Lo段内任取一点A(x，y)，取oA为脱离体考察它的受力与平衡条件。oA段的受力状态为：半跨oM段对oA的水平作用力Rx，Rx对A点的力矩为Rxy；铅直天然应力?v在oA上的作用力?vx，它对A点的力矩为?vx22；LA段对oA段的反力W，它对A点的力矩为零。由于A点处于平衡状态，则由平衡拱极限平衡条件可求得拱的曲线方程为：
(8-57)
(8-57)式为抛物线方程，因此可知平衡拱为抛物线形状。进一步设平衡拱的拱高为h，半跨为b，则从(8-57)式可得到：
(8-58)
为了求平衡拱高h，考虑半拱Lo的平衡，如图所示，Lo除受力Rx、?v作用外，在拱脚L点还有反力T和N。当半拱稳定时，利用极限平衡条件，则有：
为使拱圈有一定的安全储备，设Rx＝1.2 Nf，所以有：
代入(8-58)式可得平衡拱高h为：
h＝bf (8-59)
将(8-58)式，(8-59)式代入(8-57)式，即得平衡拱的曲线方程为：
y＝x2fb (8-60)
(8-59)式和(8-60)式中的f为岩体的普氏系数(或称坚固性系数)。对于松软岩体来说可取：
(8-61)
对于坚硬岩体来说常取
(8-62)
上二式中：Cm，φm为岩体的内聚力和内摩擦角；?c为岩石的单轴抗压强度(MPa)。
求得了平衡拱曲线方程后，洞侧壁稳定时洞顶的松动围岩压力即为LoM以下岩体的重量，即
(8-63)
图8-23 围岩压力的计算图
式中：ρ为岩体的密度；其他符号意义同前。
如果洞室侧壁边也不稳定，则洞的半跨将由b扩大至b1，如图8-23所示。这时侧壁岩体将沿LE 和MF滑动，滑面与垂直洞壁的夹角为α＝45°－φm/ 2 。所以有：
(8-64)
这时，为维持矩形洞室的原形，洞顶的松动围岩压力p1为AA′B′B块体的重量，即
(8-65)
侧壁围岩压力为滑移块体A′EL或B′MF的自重在水平方向上的投影。也可按土压力理论计算，如图8-23所示，作用于A和E处的土压力e1，e2为：
(8-66)
因此，侧壁围岩压力为：
(8-67)
大量实践证明，平衡拱理论只适用散体结构岩体，如强风化、强烈破碎岩体、松动岩体和新近堆积的土体等。另外，洞室上覆岩体需有一定的厚度(埋深H＞5b1)，才能形成平衡拱。
2.太沙基理论
太沙基(Terzaghi)把受节理裂隙切割的岩体视为一种具有一定内聚力的散粒体。假定跨
度为2b的矩形洞室，开挖在深度为H的岩体中。开挖以后侧壁稳定，顶拱不稳定，并可能沿图8-24所示的面AA′和BB′发生滑移。滑移面的剪切强度σ为：
(8-68)
式中：φm，Cm为岩体的剪切强度参数；?h为水平天然应力。
设岩体的天然应力状态为：
(8-69)
式中：ρ为岩体密度；λ为天然应力比值系数。
图8-24 侧壁稳定时的围岩压力计算图
在岩柱A′B′BA中z深度处取一厚度为dz的薄层进行分析。薄层的自重dG＝2bρgdz，其受力条件如图8-24所示。当薄层处于极限平衡时，由平衡条件可得：
整理简化后得：
(8-70)
边界条件：当z＝0时，?v＝0。
解(8-70)式得：
(8-71)
当z＝H时，?v即为作用于洞顶单位面积上的围岩压力，用q表示为：
(8-72)
图8-25 侧壁不稳定时围岩压力计算图
若开挖后，侧壁亦不稳定时，则侧壁围岩将沿与洞壁夹45°－φm/ 2 角的面滑移如图8-25所示。这时将柱体A′ABB′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻力，可求得作用于洞顶单位面积上的围岩压力q为：
(8-73)
式中： (8-74)
洞顶围岩压力计算公式(8-72)式和(8-73)式适用于散体结构岩体中开挖的浅埋洞室。它与普氏理论的根本区别在于，它假设了围岩可能沿两个铅直滑移面A′A和B′B滑动。
3.块体极限平衡理论
整体状结构岩体中，常被各种结构面切割成不同形状和大小的结构体。地下洞室开挖后，由于洞周临空，围岩中的某些块体在自重作用下向洞内滑移。那么作用在支护衬砌上的压力就是这些滑体的重量或其分量，可采用块体极限平衡法进行分析计算。
图826 楔形体平衡分析及围岩压力计算图
①，②，③为结构面
采用块体极限平衡理论计算松动围岩压力时，首先应从地质构造分析着手，找出结构面的组合形式及其与洞轴线的关系。进而得出围岩中可能不稳定楔形体(或分离体)的位臵和形状，并对不稳定体塌落或滑移的运动学特征进行分析，确定其滑动方向、可能滑动面的位臵、产状和力学强度参数。然后对楔形体进行稳定性校核。如果校核后，楔形体处于稳定状态，那么其围岩压力为零；如果不稳定，那么就要具体地计算其围岩压力。下面以图8-26所示为例来说明洞顶和侧壁围岩压力的计算方法。
(1)洞顶围岩压力
如图经勘查在洞室顶部存在由两组结构面交切形成的楔形体ABC，设两组结构面的性质相同，剪切强度参数为Cj，φj，且夹角为θ，结构面倾角分别为α，β(在本例中设为相等)。所切割的楔形体高为h、底宽为S。经分析楔形体受有如下力的作用，①围岩重分布应力?θ，可分解为法向力N1＝?θlcosθ/ 2 和上推力?θlsinθ/2 ；②结构面剪切强度产生的抗滑力Cjl＋?θlcosθ/2 tgφj；③楔形体的自重G1。在以上力的作用下，楔形体ABC的稳定条件为：
(8-75)
式中：l为结构面的长度。
如果经分析，楔形体不稳定，即不满足(8-75)式，则作用于洞顶支衬上的围岩压力pv就是该楔形体的自重，即：
(8-76)
进一步从图8-26的关系有：
(8-77)
将(8-77)式代入(8-76)式得洞顶围岩压力pv(kN)为：
(8-78)
以上讨论的是两组结构面性质和倾角都相同的简单情况下的围岩压力计算方法。对于结构面性质和倾角不相同或楔形体更为复杂的情况，其围岩压力计算思路与此相同，只是计算公式更为复杂而已。
隧道开挖围岩稳定性分析 发表时间：2020-04-03T01:52:44.878Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年24期作者：马智勇[导读] 我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。 中铁二十局集团有限公司 摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。 关键词：隧道开挖；围岩；稳定性 1地形地貌 隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。 2软弱岩群稳定性 2.1软岩地层工程地质特征 单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。 2.2软岩地层围岩变形分析 对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; σcm一一岩体单轴抗压强度; σci一一岩石单轴抗压强度; Pi一一支护压力; Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。 3坚硬岩组围岩稳定性分析 根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明: σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆 σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆 σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆 σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆 由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。应力集中的结果，使得洞壁附近的切向应力有可能超过其临界值，从而产生岩爆。为了计算围岩的切向应力(σ0)，首先需要作一定假设，将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv);其二维水平向正应力(σn)，它是根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出，其计算公式如下:
第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 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。 2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。 目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。 3．分类： 按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等； 按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室； 按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等； 按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类； 按介质，土洞和岩洞。 4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程： 地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时） （洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系） 第二节围岩重分布应力计算 1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。 2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面： ①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定； ②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算； ③支护衬砌后围岩应力状态的改善。 3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）： 指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。
一、无压洞室围岩重分布应力计算 1．弹性围岩重分布应力 坚硬致密的块状岩体，当天然应力()c v h σσσ2 1 ≤ 、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。 （1）圆形洞室 深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。 无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图
2009年第5期 东北水利水电地下洞室围岩稳定判定分析 任建川，陈旭，姜淑香 ［摘要］地下洞室稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响洞室稳定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失稳判定是困难的,目前大多数判定是以周边允许收敛量和允许收敛速率的形式给出的,以此判定围岩是否稳定。 ［关键词］地下洞室；围岩稳定；判定分析［中图分类号］TV554 ［文献标识码］A ［文章编号］1002－0624（2009）05－0005－02 （中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118220） 1影响洞室围岩稳定性的主要因素 1.1地质因素 （1）岩体的结构特征。从稳定性分类角度来看，岩体结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。 （2）结构面性质与空间组合。在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互连锁作用有关。因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五方面来研究结构面对洞室围岩稳定性影响的大小。 （3）岩石的力学性质。在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性 破坏，易引起岩爆现象。而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。 （4）初始应力状态。初始应力会影响洞室开挖后稳定性。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的，而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。 （5）地下水的影响。地下水对围岩稳定性的影响主要表现为使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水影响较大。 （6）特殊地质条件。当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。这时岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。 1.2工程活动造成的人为因素 洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。 （1）洞室的尺寸和形状。跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三方面考虑：应 规划设计 · 5 ·
深部围岩变形破坏时效性分析 1.引言 围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。 因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。 2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素 岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。不少大断层至今仍有持续移动的迹象。在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的： (l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
B RIDGE&TUNNEL 桥梁隧道 毫无疑问，隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道，隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关，而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理，才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩，塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质，故对隧道围岩的稳定最为不利；脆1性围岩主要各类坚硬体，由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度，故这类围岩2的强度主要取决于岩体的结构，岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度，可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整。那么，隧道开挖后，围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏， 即使发生破坏，变形的量值也是较少 的。这种情况下，围岩岩性对围岩的稳 定性的影响是很微弱的，即一般是稳定 的，可以不采取支护，能适应各种断面 形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整 体性质差、强度低，节理裂隙发育或围 岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较 破碎或极破碎，则围岩的二次应力会产 生较大的塑性变形或破坏区域，同时节 理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增 大，势必给围岩的稳定带来重大的影 响，不利于隧道洞室稳定;软硬相间的 岩体，由于其中软岩层强度低，有的因 层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定 性不利。 从岩体的结构角度，可将岩体结 构划分为整体块状结构(整体结构和块 状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层 状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状 碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散 结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳 定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状 块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩 体，其强度主要受软弱结构面的分布特 点和较弱夹层的物质成分所控制，结构 面对围岩的影响，不仅取决于结构面 的本身特征，还与结构面的组合关系 及这种组合与临空面的交切关系密切 相关。一般情况下，当结构面的倾角 ≤30°时，就会出现不利于围岩稳定 的分离体，特别是当分离体的尺寸小 于隧道洞跨径时，就有可能向洞内产 生滑移，造成局部失稳;当倾角> 30° 时，将不会出现不利于围岩稳定性的 分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的 影响主要取决于它的性状和分布。一 般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗 粒含量、含水量、易溶盐和有机质等 的含量是决定其性质的主要因素，对 不同类型的软弱夹层，这些因素是不 大相同的。由于软弱夹层的抗强度较 低，故不利于隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特 点，不仅与岩体内的初始应力状态和隧 道形状有关，而且还与围岩的岩性及岩 体结构有关，但主要的是和围岩的岩性 及结构有关(见表1) 。 岩体的天然应力状态 岩体的天然应力是岩体的自重应 力、构造应力、变异及残余应力在某一 个具体地区以特定方式作用的结果。已 经有大量的实践资料证明，大多数地区 的岩体的天然应力状态是以水平方向为 主的即水平应力通常大于垂直应力。一 般情况下，隧道轴向与水平主应力垂 直，以改善隧道周边的应力状态。但水 平应力很大时，则隧道方向最好与之平 行以保证边墙的稳定性。然而，岩体的 天然应力对隧道的影响主要取决于垂直 于隧道轴向水平应力的大小与天然应 力的比值(ζ) ，它们是围岩内应力重分 布状态的主要因素。例如，圆形隧道， 当ζ= 1 时，围岩中不会出现拉应力集 中，压应力分布也比较均匀，围岩稳定 性最好;当ζ≤1/ 3 时围岩出现拉应力， 压应力集中也较大，对围岩稳定不利。 最大天然主应力的数量级及隧道轴向的 关系，对隧道围岩的变形特征有明显的 影响，因为最大主应力方向围岩破坏的 概率及严重程度比其它方向大。因此， 估算这种应力的大小并设法消除或利用 非常重要的。 地质构造 褶曲和断裂破坏了岩层的完整性 降低了岩体的力学强度，一般来说，岩 分析影响隧道围岩稳定性因素 文/王冠勇 TRANSPOWORLD 2012No.13(Jul) 234
隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述 伍华刚 （贵州省交通规划勘察设计研究院，贵州贵阳，５５０００１） 摘 要：以隧道围岩与支护结构的相互关系为主要研究对象，以特长公路隧道围岩及支护结构稳定性分析方法为依托，对隧道掌子面所揭露围岩岩体、结构特征进行调查、记录，分析掌子面围岩等级，并与设计资料进行对比，对不同级别不同地质条件下的围岩与支护结构稳定性进行比较分析，总结围岩及支护结构稳定性分析的方法。 关键词：特长隧道；围岩；支护结构；稳定性分析中图分类号：U 452.1＋2 文献标识码：A 文章编号：1004-6429（2010）04-0072-03 ●应用技术 收稿日期：2010-05-14 作者简介：伍华刚，男，1959年出生，1983年毕业于云南广播电视大学，工程师，550001，贵州省贵阳市云岩区中山东路69号山西科技SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY 2010年第25卷第4期 随着深埋特长隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，现行的设计与施工规范已不能满足设计与施工要求，虽然国内外有关深埋特长隧道的研究成果不少，但由于深埋特长隧道地形、 地质条件复杂，设计制约因素多，并且常伴有断裂带、破碎带、 岩爆、突泥、涌水等地质灾害，给设计和施工带来了很大的盲目性。加上深埋特长隧道埋深大、隧道长、地质条件复杂，使地质勘察也不可能全面精确地探清每一段的具体情况，很多时候勘察结果与隧道施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一些不良地质体给施工带来许多预想不到的困难。1 公路隧道围岩稳定性分析方法 隧道围岩的稳定性分析主要包括隧道的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等，其中，模拟试验法包括物理模拟和数值模拟。1.1 工程地质类比法 根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和监测资料，结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程区岩体的稳定性。由大量工程实例总结出来的各级围岩分类标准，如RQD 分类（Deer ，1969）、RMR 分类（Bieniawiski ，1973）、Q 系统分类（Barton ，1974）、Z 系统分类（谷德振，1979），以及我国的《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）等，都是工程地质类比法在稳定性评价中的具体应用。这些围岩分类系统可以对不同类型围岩按定量地给出其围岩压力值及支护衬砌的形式和厚度，对于一般性工程隧道实现地下工程（结构）设计标准起到了重要的作用，也是地质工程工作者的基本方法之一。1.2 岩体结构分析法 在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向 以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图解分析，从而判断岩体的稳定性。1.3 力学分析法 从19世纪人类对松散地层（主要是土层）围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。 实际工程中，隧道开挖后，由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中，如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而，研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（Fenner ）—塔罗勃（Talo－bre ．J ）和卡斯特奈（Kaster．H ）等给出了围岩的弹塑性应力图形。1.4 数值计算方法 岩体不仅为一般材料，更重要的是本身就是一种复杂的地质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩体力学的问题通常无法用解析法简单地求解，数值方法不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特征，也可以方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报，因此，数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一。常用的数值方法有：有限元法（FEM ）、有限差分法（FLAC ，FDM ）、离散元法（DEM ）反分析法、边界元法（BEM ）、不连续变形分析法（DDA ）、流形方法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定等均有较多的应用，取得了较好的效果。1．5 模型试验 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，其理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，20世 纪80年代，国内许多学者作了大量的实验研究，谷兆琪教授等（1981）进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维中、冯光北等（1983，1984）研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度研究，杨淑 72··
授课题目第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究 教学目的要求掌握围岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法、地下洞室围岩工程地质分类的原则和方法;了解地下洞室开挖前后的应力特征;掌握洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素;了解改善地下洞室围岩稳定性的措施。 主要内容第一节地下洞室开挖前后的应力特征 一、应力重分布的特征 二、围岩的松动圈和承载圈 第二节洞室围岩的变形与破坏 第三节影响地下洞室围岩稳定性的地质因素 一、地形条件geographic conditions 二、岩性条件rock and soil engineering characters 三、地质构造条件geologecal structure conditions 四、地下水(水文地质hydrogeological conditions 五、地应力(natural stress 第四节围岩压力 第五节水工隧洞围岩的承载力 第六节地下洞室围岩工程地质分类 第七节改善地下洞室围岩稳定性的措施
重点与难点洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素,岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法。 教学方法 手段(教具 参考资料1戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:中国水利水电出版社,1997 2陈德基主编.水利工程勘测分册.北京:中国水利水电出版社,2004 3崔冠英主编,水利工程地质,北京:中国水利水电出版社,1999. 4左建,郭成久等主编.水利工程地质.北京:中国水利水电出版社,2004 5孙文怀.工程地质与岩石力学.北京:中央广播电视大学出版社,2002 6李智毅,杨裕云主编.工程地质学概论.武汉:中国地质出版社,1994 7张倬元,王士天,王兰生编著.工程地质分析原理.北京:地质出版社, 1981 8胡厚田.土木工程地质.北京:高等教育出版社,2001 课后作业与 思考题 第七章课后思考题与练习题1、2、4、6、8题;教学后记 讲稿 教学过程时间 分配 第七章地下洞室围岩稳定问题 第一节地下洞室围岩应力重分布
分析影响隧道围岩稳定性因素 习小华 摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。 关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造 毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 1 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。 从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。
第３１卷第１期２ ０ １ ３年１月水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２ ０ １ ３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０１－０１０４－ ０４基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析 武学毅１， 熊成林１，成 涛２（１．中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京１０００３８；２．中国长江三峡集团公司，北京１０００３８ ）摘要：以呼和浩特抽水蓄能电站为例，应用滑动测微计对施工期地下洞室围岩表面和深度变形进行监测。近２０个月监测资料表明， 监测期间地下洞室处于稳定状态，围岩表面变形较大值发生于地下洞室第五、六层开挖过程中。由于围岩深度变形主要由岩体结构面张开引起，配合多点位移计进行校核验证，则可判断围岩结构面张开位置。可见开挖过程的变形监测，可实时指导施工、优化设计、保证地下洞室开挖安全。关键词：变形监测；滑动测微计；地下洞室；围岩变形；稳定性中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标志码：Ａ 收稿日期：２０１２－０５－２５，修回日期：２０１２－０７－ ０９作者简介：武学毅（１９８４－），男，博士研究生、工程师，研究方向为工程安全监测，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｙ ５２１６８＠１２６．ｃｏｍ 地下洞室围岩内部变形监测分点法和线法两 种，点法监测是目前较常用的监测方法，多采用多点位移计进行监测，但其只能提供有限监测数据，难以准确刻画出岩体内部变形；线法监测是沿一条长测线进行近乎连续监测，以获取岩体内部沿钻孔方向的连续数据，可较为准确地了解岩体内 部变形，该方法在国外应用较为广泛［ １］ ，其典型监测仪器有滑动测微计、测斜仪等。滑动测微计具有可有效修正零点漂移、 精度高等特点，可有效区分桩基内力的诱发因素，全面评价桩基内力［ ［２～４ ］。国内首次采用滑动测微计监测围岩松动变形是在 水布垭电站地下厂房［ ５］ ，但目前国内应用滑动测微计监测地下洞室围岩变形的成果较少。鉴此，本文通过滑动测微计工程应用实例，与其他监测手段进行比对分析，研究了大型地下洞室施工期围岩表面和深度的变形机制。 １ 滑动测微计工作原理和方法 １．１ 工作原理 采用滑动测微计为瑞士ＳＯＬＥＸＰＥＲＴＳ公司研制的高精度位移（应变）观测仪器设备，可测量沿钻孔轴向的应变和轴向位移 的全部分布情况。滑动测微计由测头、电缆、操作杆、读数仪、标定筒和导管（含标芯）等部分组成（图１） 。其工作原理为［ ６］ ：测量导管预先埋设在岩体或混凝土的钻孔内，并与被观测体浇筑为一体。观测时，将滑动测微计测头放入导管内， 使测头与导管标芯顶紧，利用锥面—球面原理测量相邻测环（标芯）的精确距离，从而获得沿一测线（钻孔轴线）方向不同深度 图１ 滑动测微计组成示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｓ的轴向位移或应变分布。滑动测微计测头内装有两套高精度的线圈系统（标距为１ｍ），当被测岩体（结构物）发生轴向变形时，测头内的两套线圈系统在测量位置上通过两个测环感应，产生一个与两测量环实际间距成比例的电信号，并由测读仪读出，经换算得出长度变化，该长度变化即为被测体的变形值。１．２ 计算方法 滑动测微计监测围岩内部松动变形主要优点在于精度高、可修正温度影响及零点漂移。其具体计算公式为： Ｍｓ＝ ∑ｉ＝顶 ｉ＝底 （ Ｍｉ －Ｍ０）（１）Ｍｉ＝珡Ｋｉ（ａｉ－珚Ｚｉ）（２）Ｍ０＝珡Ｋ０（ａ０－Ｚ０— ） （３ ）Ｋ＝４．７５２ ／（Ｅ２－Ｅ１）（４ ）Ｚ＝（Ｅ１＋Ｅ２）／２（５ ）式中，Ｍｓ为钻孔内各深度至孔口的轴向位移；Ｍ０ 为基准值；Ｍｉ为某深度相对轴向位移；珡Ｋ为修正后校正系数（观测前、后校正系数的算术均值） ；
地下洞室围岩稳定性综述 摘要：地下洞室围岩的稳定性在地下洞室施工时有着至关重要的作用，简要介绍了近几年研究成果，并对这一研究的现状与发展趋势做了简要评述。 关键词：地下洞室围岩稳定性综述 引言 地下洞室等地下工程开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态。用于各种目的的地下开挖改变了原有的平衡状态，从而造成开挖空间周围的应力重新分布。如果围岩中的应力超过了岩体强度，则围岩会破坏，产生坍塌、片帮甚至底板隆起等现象，软岩或高地应力中的地下洞室则可能产生很大的塑性变形。如果不及时对围岩进行支护或加固开挖出来的地下空间就会因为围岩的变形与破坏而无法使用。当二次应力较低，达不到围岩的弹性极限时，围岩处于弹性状态，无需支护就可以保持稳定；反之当围岩应力较高、强较低时，就会产生塑性变形和断裂破坏；在有断层、节理等不连续面切割时，还有可能在地下洞室的顶板或边墙产生不稳定的楔形块体，也可以对地下空间构成威胁。在进行地下空间设计和施工之前，需要对开挖后的围岩应力进行分析，进而对围岩稳定性进行评价，以便采取合理的开挖方式和支护形式。地下洞室等地下工程不可能一次开挖完成，不同的开挖顺序及施工方案对地下洞室群的稳定性的影响不同，即开挖顺序或施工方案将直接影响围岩应力、变形及破坏区的发展变化过程。因此，选择合理的开挖顺序或施工过程是地下洞室群设计与施工的重要内容，具有重要的理论意义和过程使用价值。 主要研究成果 2004年周敏等[1]在针对影响因素与围岩稳定的非线性关系，利用神经网络理论与BP神经网络的建模能力，进行非线性运算，提出改进的BP神经网络评判围岩稳定性模型，得出神经网络方法可以很好的运用于洞室稳定性影响因素中，且输入的参数不受限制，分类，设计及预测精度高，还可以进行数据联想以及校正补错。提出神经网络方法在地下洞室稳定性分类中具有非常重要的意义。 2005年胡夏嵩等[2~4]以西北某市大型水利地下洞室工程为例，采用弹塑性二维有限元法通过低地应力区地下洞室开挖后围岩拉应力、剪切应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟研究，模拟结果表明：在低地应力地区对于椭圆形洞室，地下洞室开挖后在洞侧壁位置产生应力集中，在洞顶位置出现拉应力现象，基本产生在拱顶正中位置；低地应力区地下洞室开挖后，围岩中的剪应力集中带主要形成于洞顶垂直位置，即地下洞室围岩破坏主要发生在洞顶位置，略偏于拱顶的位置，最大剪切应力等值线分布具有对称性，形成于地下洞室底边墙拐角位置处的最大剪应力集中现象，这种现象与地下洞室开挖所引起的围岩块体结构面切向挤压滑落时的剪切变形、应力释放有一定的关系，洞顶位置处的最大剪应力值明显小于底部边墙拐角处的最大剪应力值，边墙拐角处的最大剪应力值一般是洞顶位置最大剪应力值得1.7倍以上，这与地下洞室底边与侧壁边墙之间开挖成直角形有关，直角形的拐角容易形成剪应力集中，产生围岩的不稳定区；低地应力区地下洞室围岩变形破坏主要是发生在垂直方向，水平方向的规模和程度均不及前者，同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。 2010年叶洲元[5]基于等效数值原理并结合地下洞室围岩本身特性，对大冶铁矿地下洞室工程进行分析，选取围岩质量指标D、单轴抗压强度R c、岩体完整性指标K v、地下水渗水流量W和节理状况对地下洞室围岩稳定性进行评价，结果表明等效数值法应用于围岩稳定性的评价，具有计算简单高效，使用方便等特点。 2013年朱义欢[6]针对地下洞室短长期稳定性的评判准则进行分类总结与归纳，得出岩体流变特性试验的开展以及长期强度的确定，如何给出围岩稳定性的综合评判以及相应的临界
第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 第一节围岩应力的重分布 一、岩体初始应力状态——地应力 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。 地应力的类型：自重应力 构造应力 变异及其他应力 二、围岩应力的重分布特征 （一）围岩应力：洞室周围发生应力重分布的这部 分岩体叫围岩 围岩中重分布的应力状态叫围岩应力 （二）地下洞室围岩应力重分布特征 1、圆形洞侧压力系数λ=1 径向应力向洞壁内方向逐渐增大 切向应力在洞壁处为2倍的自重应力，但向洞壁内逐渐减小，到5-6倍洞半径时径向应力=切向应力=自重应力 即围岩应力重分布影响范围是6倍的洞半径 2、圆形洞λ不等于1 洞壁受剪应力最大 3、其他形状洞室 洞顶、洞底容易出现拉应力，转角处剪应力最大 洞室高、宽对围岩应力影响最大 三、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 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。 第二节围岩的变形破坏的特征 1、坚硬完整结构：岩爆、开裂 2．块断结构：块体滑移、掉块 3、层状结构岩体：层面张裂、岩层弯曲折断 4、碎裂结构、散体结构岩体 以塌方、塑性挤入为主 第三节地下工程位置选择的工程地质评价 一、地形条件 1、在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。 2、隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。 3、洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。 4、隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段 5、水工隧洞避免曲线或弯道，转弯角度大于60°，曲率半径大于5倍洞径。 二、岩性条件 坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体
第6章 地下工程围岩稳定性分析与控制 6.1 概述 地下洞室是指在地下岩土体中人工开挖或天然存在的作为各种用途的构筑物，按用途分为：矿山井巷（竖井、斜井、巷道）交通隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程等。修建地下洞室，必然要进行岩土体开挖。开挖将使工程周围岩土体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布，这种新出现的不平衡应力没有超过围岩的承载能力，岩体就会自行平衡；否则，将引起岩体产生变形、位移甚至破坏。在这种情况下，就要求构筑物承力结构或支护结构，如支架、锚喷、衬砌等，进行人工稳定。在岩石力学中，将受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称作围岩。从原始地应力场变化至新的平衡应力场的过程，称为应力重新分布。经应力重新分布形成的行的平衡应力，称为次生应力或诱发应力，也叫围岩应力、二次应力、地压、岩亚、矿压或矿山压力。由于次生应力是岩体变形、破坏的主要根源，故次生应力是岩石力学研究的重要内容之一。因此，实现地下岩体工程稳定的条件是 max max u U σ??? ＜S ＜ （6.1） 式中， max σ和max u 分别为围岩内或支护体内的最大或最危险的应力和位移；S 和U 为围岩或支护体所允许的最大应力（极限强度）和最大位移（极限位移）。 有关这方面问题的研究，无论是否支护，都统称为稳定性问题。稳定性问题是岩体地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间的是否满足工程截面大小的安全可靠性。有的地下工程不稳定，还将造成对周围环境的影响，如地面建筑的损坏、边坡塌方以及工程地质条件的恶化等。 此处所讨论的稳定性问题，与压杆、薄壁、壳体等结构稳定性问题的概念有所不同，采用的理论分析方法也是不一样的。 岩体地下工程埋在地下的一定深度，如目前的交通隧道、矿山巷道，有的深到数百米甚至数千米。根据岩体地下工程埋入的深浅可以把它分为深埋和浅埋两种类型。浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而在力学处理上要考虑地表界面的影响。深埋地下工程可视为无线体问题，即在远离岩体地下工程的无穷远处的原岩体。
地下工程围堰稳定性分析 班级：08勘查1班 姓名：水如云 学号：08201030142 时间：2011.11.21 摘要通过对地下工程围岩稳定性分析的相关方法及在工程实践中存在问题的分析, 阐述在地下工程围岩稳定性分析中应避免追求精确的计算,提倡探索新的研究思想与研究方法。 关键字：围岩、稳定性分析、地下工程 一、前言 地下工程的稳定问题亦即围岩的变形与破坏问题。顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及地下空间利用的类型看,由于使用要求或标准不同,稳定性的定义就会有差异。围岩稳定性分析方法主要有:块体理论支持的分析方法,主要用于裂隙岩体的稳定分析中;模型试验方法,多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程;数值分析法,基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方法,是目前应用较广泛的一种分析方法,它根据力学模型和分析思想的不同又分为有限元分析、边界元分析、位移反分析等。 目前,在地下工程施工领域中,存在着一种倾向,即追求高精度的数值计算及数学方法的深奥,花了大量的精力、财力和时间去从事复杂而繁琐的数值计算,而放松了对地下工程特殊性的思考,忽略了对问题整体性的理解。 二、地下工程的特点 地下工程涉及到地理与地质环境因素、工程因素、社会经济水平、材料科学发展水平、施工过程控制水平以及地下工程在国民经济中的地位等因素。地理与地质环境本身就是复杂的,它是天然的介质(涉及地应力、地下水、岩性、地质结构、地质构造),很少有地质条件完全相同的两个工程;工程因素则是指工程规模、断面形状与尺寸、施工技术、过程控制、环境控制、工程材料、人、机、料的协调水平等。 地下工程的地理与地质环境、投资水平、设计水平、承建者的技术与管理水平等诸多因素都与工程的成败有联系,它们相互作用、相互渗透、相互影响、相互制约。因此,必须用
第25卷第3期 岩 土 力 学 V ol.25 No.3 2004年3月 Rock and Soil Mechanics Mar. 2004 收稿日期：2003-04-22 基金项目：国家自然科学基金重点项目（编号：50379052，编号：50004007）资助 作者简介：杨典森，男，1978年生，硕士研究生，主要从事岩体稳定性和计算岩石力学等方面的研究工作。 文章编号：1000－7598－(2004)03―0391―05 龙滩地下洞室群围岩稳定性分析 杨典森１ ，陈卫忠１ ，杨为民２ ，李术才２，李廷春１，朱维申２ （1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学重点实验室，湖北 武汉 430071； 2. 山东大学 岩土与结构工程中心，山东 济南 250061） 摘 要： 大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关，龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D 方法，研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点，并将位移计算结果和现场监测结果进行比较，结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致，但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知，采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。 关 键 词： FLAC ；地下洞室；开挖；支护；稳定性 中图分类号： TU 452 文献标识码： A Stability analysis of surrounding rock mass of Longtan underground caverns YANG Dian-sen 1，CHEN Wei-zhong 1，YANG wei-min 2，LI Shu-cai 2，LI Ting-cun 1，ZHU Wei-shen 2 （1. Key Laboaratory of Rock and Soil Mechanics, Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China ； 2. Geotechnical Research Center, Shandong University, Jinan 250061, China ） Abstract: The stability of large underground cavern has high dependence on construction sequences and permanent support parameters. Longtan underground powerhouse is a complex structure with three large caverns and located in high dipped laminar strata. FLAC3D code is applied to analyze the character of deformation and failure mechanism of surrounding rock mass during excavation and support. Furthermore, the comparison between numerical results and field measurements shows that the variation law is quite similar, while the numerical data are a little greater than that of the measurements. It can be concluded that FLAC 3D can simulate excavation of large underground caverns in high dipping laminar strata well. Key words: FLAC ；underground cavern ；excavation ； support ；stability 1 引 言 龙滩水电站地下厂房是陡倾角层状结构岩体，其主厂房高为74.5 m ，宽为31.5 m ；调压井高 89.71 m ，宽为21.575 m ，像这样大跨度、高边墙的地下结构在国内外很少见,其围岩稳定性分析方法及开挖施工顺序受到设计和施工部门的广泛关 注[1,2]。目前，采用的数值分析方法主要是基于以下两大类模型，一类是连续介质模型（弹塑性模型、粘弹塑性模型、损伤模型等）[3～ 6]。工程上常用的分析软件有ANSYS ，MARC ，FLAC ，ABQUS ， CESAR 等。另一类是非连续介质模型（DDA ，DEM ，UDEC ，3DEC 等）[7]。FLAC3D ，又称三维快速拉格朗日法，是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，这种算法可以准确地模拟材料的屈服、 塑性流动、软化以及大变形，尤其在材料的弹塑性分析方面，大变形分析以及模拟施工过程等领域有独到的优点[8， 9]。由于龙滩地下洞室围岩整体性较好，本文选择FLAC3D 商用软件来模拟地下厂房的 开挖和支护过程，并将计算的结果和现场实测的结果进行分析比较，验算目前支护设计方案的合理性及可靠性。 2 工程概况及地质条件 龙滩水电站是由碾压混凝土重力坝、泄水建筑物、通航建筑物及地下发电厂房等组成的超大型地下洞室群。全地下式发电厂房布置在左岸，主要建筑物包括：进水口、引水隧洞、主厂房、母线洞、主变室、调压井、尾水隧洞、交通洞、排水廊道、送风廊道、出线平台、GIS 开关站、中控楼、电缆