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
的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。
三、地质构造条件
1、洞轴线与构造线方向应垂直或大角度相交，顺倾向开挖
2．褶皱的影响
褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩层完整性最差。
在背斜核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。
向斜核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。
另外，向斜核部往往是承压水储存的场所，地下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。
在布置地下洞室时，原则上应避开褶皱核部
2．断裂的影响
断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。因此，在选址时应尽量避开大断层
3．岩层产状的影响
(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象
(2)洞室走向与岩层走向平行
在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。
四、地下水
在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。
五、地应力
初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。当应力比系数λ<1/3或λ>3时，围岩内将出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏
第四节洞室设计参数
山岩压力与围岩抗力
山岩压力也称围岩压力，是指由于围岩变形、破坏所形成的松动岩体，作用在支护或衬砌上的力。
二、弹性抗力
对于有压隧洞，隧洞的内水压力通过衬砌传递到围岩上，围岩将产生一个反作用抗力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力大，愈有利于衬砌的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力
（一）、弹性抗力的确定方法
弹性抗力系数
抗力系数K=P/Y
式中：K为弹性抗力系数(MPa／cm)；
P为围岩所承受的压力，对于有压隧洞
即为内水压力(MPa)；
Y为洞壁的径向变形(cm)。
（二）．围岩抗力的确定方法
确定围岩抗力系数的方法有试验法、计算法和工程类比法等。
1、试验的方法常用的有双筒橡皮囊法、径向千斤顶法和堵塞水压法等。
抗力系数K=P/Y
2、计算法
对于软弱或破碎岩体，洞室开挖后洞壁周围会形成一个半径为R的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算：
K=E/[(1+μ+ln(R/r) ]/ r
3、工程类比法
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 ·
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
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