6章3节洞室围岩变形及破坏的基本类型

第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义: 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地下空间。

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、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。

又称地应力、初始应力、一次应力等。

2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。

又称二次分布应力等。

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）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围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）围岩压力问题——计算围岩压力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）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，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。

天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。

围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。

围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。

2019年一级造价工程师考试复习资料：
围岩变形与破坏
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围岩变形与破坏
地下工程的围岩变形与破坏的形式多种多样，主要有五种：
(1)脆性破裂，它是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放形成的。

(2)块体滑移，是块状结构围岩常见的破坏形式，常以结构面交汇切割组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。

(3)岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。

(4)碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。

(5)—般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。

真题练习
【2017真题】围岩变形与破坏的形式多种多样,主要形式及其状况是()。

A.脆性破裂,常在储存有很大塑性应变能的岩体开挖后发生
B.块体滑移,常以结构面交汇切割组合成不同形状的块体滑移形式出现
C.岩层的弯曲折断,是层状围岩应力重分布的主要形式
D.碎裂结构岩体在洞顶产生崩落，是由于张力和振动力的作用
E.风化、构造破碎,在重力、围岩应力作用下产生冒落及塑性变形参考答案：BDE。

地下洞室的围岩分类方法第四节地下工程的围岩分类围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。

因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。

在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体结构特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。

国内外的围岩分类所选取的基本因素大致都是这样，但在综合反映基本因素的指标上是不同的。

一、“普氏”分类普氏分类在我国曾应用较广。

主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。

围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论和公式，即垂直压力为：Ｐ＝γ0ｈ1 （8-26）式中Ｐ——垂直压力；ｈ1——压力拱拱高，ｈ1=ａ1／ｆkp ；ａ1——压力拱半跨；ｆkp——岩石坚硬系数；γ0——围岩的重度。

工程地质勘测工作基本上是根据地质条件和经验确定ｆkp值。

见表8-16。

或按下面的经验公式确定ｆkp值：ｆkp=Ｒc/10 （8-27）式中Ｒc——岩石的单轴抗压强度（ＭＰa）。

普氏岩石分类表8-16这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。

目前有些单位仍应用此分类。

但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。

1.它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额服务的。

因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。

2.ｆkp值以岩石强度为基础，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体结构特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态（风化的、破碎的）划归于较低一类去，这样给确定ｆkp值带来了很大的主观臆断性。

我国各部门由于工程特点不同，确定ｆkp值标准也不同。

甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人可以得出相差很大的ｆkp值。

3.分类等级较多，给使用上带来不便。

由于选用的ｆkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。

岩体的变形与破坏岩体的变形与破坏1 基本概念及研究意义变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。

破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。

岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。

一、岩体破坏形式与受力状态的关系岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。

注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。

破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。

一般认为，1/5~1/4[σ]不可拉断转化为剪切。

1/3~2/3[σ]可由剪切转化为塑性破坏。

有人认为（纳达），可用2σ偏向1σ的程度来划分应力状态类型。

应力状态类型参数313122σσσσσα---= （＝1，即σ2＝σ1；＝－1，即σ2＝σ3）二、岩体破坏形式与岩体结构的关系低围压条件下岩石三轴试验表明。

坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。

含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。

碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。

碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。

对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。

第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。

三、岩体的强度特征单轴应力状态时，结构与1σ方向决定了岩体的破坏形式。

复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状态关系很大。

2 岩体在加荷过程中的变形与破坏2.1 拉断破坏机制与过程一、拉应力条件下的拉断破坏当0331≤+σσ时，拉应力对岩石破坏起主导作用。

t S -=][3σ二、压应力条件下的拉断破坏压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是?=40~30β地方向上，并逐渐向与1σ平行地方向扩展。

当0331>+σσ时，破坏准则为： t S 8)/()(31231=+-σσσσ3σ=0时为单轴压拉断。

2.2 剪切变形破坏机制与过程一、潜在剪切面剪断机制与过程A ．滑移段B ．锁固段进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。

产生一系列破裂。

（1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。

第一套试题单项选择题(将正确答案的序号填入括号。

每题2分,共计30分1.外力地质作用包括风化作用、搬运作用、沉积作用、成岩作用和(A 。

A.剥蚀作用B.岩浆作用C. 地质作用D.地壳运动2.地球以地表为界分为外圈和内圈,以下各项不属于外圈的是( D 。

A.大气圈B.水圈C. 生物圈D.地核3.关于沉积岩形成过程顺序排列正确的是( B 。

A. 风化剥蚀阶段、沉积阶段、搬运阶段、硬结成岩阶段B.风化剥蚀阶段、搬运阶段、沉积阶段、硬结成岩阶段C. 沉积阶段、搬运阶段、硬结成岩阶段、风化剥蚀阶段D.沉积阶段、硬结成岩阶段、搬运阶段、风化剥蚀阶段4.压力等于零时的抗剪断强度称为( b 。

A.抗拉强度B.抗切强度C. 抗剪强度D.抗压强度5.下列关于褶皱的叙述不正确的是( A 。

A.褶皱构造使同一岩层产生明显的错动B.褶皱核部为新老地层,翼部为新地层C. 褶皱的基本类型有背斜和向斜D.褶皱使岩层产生了一系列波状弯曲6.随着距地表深度的不断加大,风化作用的程度( C 。

A.不发生变化B·越来越强C. 越来越弱D·无法判断7.河流的地质作用一般表现为( D 。

A.侵蚀、沉积B.沉积、搬运C. 侵蚀、搬运D.侵蚀、沉积、搬运9.地下水位的降低可使降水周围的地面(A 。

A. 下降B. 上升C. 不变D. 不能确定10.下列关于震级和烈度的组合正确的是( C 。

A. 每次地震震级只有一个,烈度也只有一个B.每次地震震级可有多个,烈度只有一个C. 每次地震震级只有一个,但烈度可有多个D.每次地震震级可有多个,烈度也可有多个11.采空区地表变形可分为( B 。

A.两种移动,两种变形B. 两种移动,三种变形C. 一种移动,三种变形D.三种移动,一种变形12.按结构成因,结构面分为原生、构造、次生结构面,岩体受构造应力作用所产生的破裂面指的是( B 。

A.原生结构面B.构造结构面C.次生结构面D.节理面13.洞室衬砌的主要作用是( A 。

《工程地质》课程考核说明一、课程的性质《工程地质》是中央广播电视大学结构工程专业本科必修的一门主要专业基础课，通过本课程的学习，使学生掌握工程地质的基本理论，了解工程地质学的研究内容及研究方法，通过分析运用有关地质资料，正确评价场地的工程特性，为设计、施工提供依据。

二、关于课程考核的有关说明１、考核对象中央广播电视大学本科、高等专科结构工程专业开放教育试点的学生。

２、考核方式本课程采用平时作业与期末考试相结合的考核方式，满分１００分，及格６０分。

其中期末考试成绩占考核总成绩的８０％；平时作业占考核总成绩的２０％。

平时作业以各章的自我检测题和习题为主，由辅导教师按完成作业的质量进行评分。

学员平时作业的完成、阅改情况由中央电大和省电大分阶段进行检查。

期末考试由中央电大统一命题，统一组织考试。

３、命题依据本课程命题是依据１９９９年６月审定通过并下发执行的《开放教育试点结构工程专业课程教学大纲》和目前替代教材——陆培毅主编的《工程地质》。

本考核说明是考试命题的基本依据。

４、考核要求本课程考试着重考核学生对工程地质的基本概念、基本理论和基本方法的掌握情况。

本考核说明内容规定了考核知识点和考核要求，考试按了解、理解和掌握三个层次提出学生应达到的考核标准。

“了解”是最低层次的要求，凡是属于需要了解的知识点，要求对概念有基本了解。

“理解”是较高层次的要求，熟悉结构设计原理的基本理论和设计原则，能对相关问题进行分析判断并得到正确结论。

“掌握”是高层次的要求，凡需要掌握的知识点，要求学员能运用所学的知识，选择合理的方法，得出正确的结论。

５、命题原则⑴命题范围：在本课程教学大纲、《工程地质》教材和考核说明所规定的内容和要求范围内命题，不得任意扩大和缩小考题范围。

⑵试题的组成与覆盖面：命题应基本覆盖教材内容，同时要突出重点。

试题的题量和难易程度要适当，其难易度分为容易、中等和较难三个层次，它们的组成比例约为３０：５０：２０。

隧道围岩破坏机理分析本文叙述了隧道围岩出现破坏的影响因素及破坏类型，并分析对破坏的力学机理进行了分析。

标签：隧道围岩；影响因素；破坏类型；机理分析1 影响隧道围岩稳定的地质环境隧道在开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使隧道围岩发生卸荷回弹和应力重分布[1]。

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，那么开挖出的隧道就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。

但是有时或因隧道围岩应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布的应力的作用而丧失其稳定性。

此时，如果不加固或者虽然加固但未保证其质量，都会引起隧道围岩的破坏，对隧道的施工和營运造成危害。

在国内外的隧道建筑史上，这样的事故屡见不鲜。

影响隧道围岩稳定性的地质环境因素大体上可分为两大类：一类是内在因素；一类是外部环境，内在因素是影响隧道围岩稳定的基本的决定性的因素，主要包括：围岩初始应力场状态、围岩的结构状态、岩石的基本性质和地下水状态等。

外部环境是通过内在因素的作用而起作用的，主要包括：施工方法、支护措施、隧道的形状和尺寸及隧道的埋深等[2]。

1.1内在因素的影响（1）围岩的初始应力状态在围岩范围内，隧道周边具有最为不利的应力条件（在平面应力场中处于应力差最大的单向应力状态）。

隧道开挖后，只要洞壁各点的应力均未超过能够导致岩体破坏的临界值，则整个围岩就能够稳定；相反，任何围岩的破坏必将首先从隧洞周边开始，然后沿半径方向向岩体内部发展。

因此，研究隧道周边应力的集中规律和特点，对评价围岩的稳定性具有十分重要的意义。

（2）围岩的岩性及结构围岩的岩性和结构，重要是通过围岩的强度来影响隧道围岩的稳定性的。

从岩性角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。

塑性围岩对隧道围岩的稳定性最为不利。

脆性围岩中，破碎结构的稳定性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块状岩体则通常具有很高的稳定性。

围岩的结构状态通常用其破碎程度或完整状态来表示。

围岩变形失稳塌方致灾构造一、基本概念围岩变形失稳塌方致灾构造，是指由于隧道施工开挖及开挖扰动，在无超前预支护、初期支护条件下，存在于隧道洞身围岩体中的本身无稳定性或稳定性差的、节理裂隙切割的在自重应力作用下可能发生整体坍塌，或因关键块体坠落引发塌方，或因变形过大致使失稳坍塌，造成对其下方施工人员人身安全和施工机具设备安全造成危害的土质围岩体、松散破碎岩体、软岩岩体、膨胀岩、半成岩岩体等不良地质体。

二、基本类型纵观国内外隧道工程建设实践，造成隧道施工围岩失稳塌方的不良地质体-致灾构造，包括：（1）土质围岩。

（2）软岩岩体。

（3）膨胀岩。

（4）半胶结岩体。

（5）由薄层岩石及页岩构成的破碎岩体。

（6）未胶结断层（顺层错动）破碎带及未胶结节理密集发育破碎围岩体。

（7）岩溶充填物。

（8）节理裂隙切割岩体中的关键块体。

三、土质围岩按土的工程分类，主要包括软土、黄土、膨胀土、盐渍土、红黏土及人工回填土等。

土，是尚未固结成岩的第四纪松软堆积物，是岩石风化、剥蚀作用产物在原地堆积，或经搬运由于搬运动力减弱或地物阻挡在不同自然环境沉积而成。

软土，指在静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成的饱和黏性土。

其特点是天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、固结系数小、固结时间长、灵敏度高、扰动性大、透水性差、土层层状分布复杂、各层之间物理力学性质相差较大。

黄土，指在干燥气候条件下形成的一种具有灰黄色或棕黄色的特殊土，颗粒为0.05～0.005mm的占总质量50%以上。

疏松、多孔隙、层理不明显、垂直节理发育、透水性较强、沉陷性是黄土最主要的物理性质。

膨胀土，主要由亲水性矿物组成的一种高塑性黏土，具有显著的吸水膨胀和失水收缩特性。

盐渍土，是盐土和碱土以及各种盐化、碱化土壤的总称。

疏松、冬季土体膨胀、雨季时强度降低、潮湿状态高含盐下强度低不易压实是其主要特点。

红黏土，是灰岩、白云岩、泥灰岩等碳酸盐类岩石风化产物残积、坡积形成的褐红、棕红、黄褐色的塑性黏土。

隧道围岩类别判定隧道围岩判别是隧道施工过程中保证安全重要的手段，也是施工中变更的第一手资料，是隧道施工中重要的环节。

现场施工中我们要学会辨别围岩的类别并且要及时的调整围岩级别首先我们要给理解围岩的定名原则3受区域地质构造运动作用，围岩节理发育，岩体愈老愈发育，风化程度愈强岩石愈破碎。

节理发育程度是判定围岩稳定性的重要标志。

4岩体结构面是影响围岩稳定性的第二个重要标志，这些结构面包括：①软硬相间的岩层层面；②岩体软弱、破碎带、如断层褶皱、挠曲带；③软硬不同岩体接触带如千枚岩、片麻岩、片岩接触带，不同岩浆岩接触带，穿插有不同次生岩石充填物的网脉分布带。

④受强风化作用，加上洞顶沟谷岩石节理裂隙渗水作用围岩局部产生泥质裂隙充填，泥质化、水化、软化，产生分化软弱带，影响围岩整体稳定性；⑤由于张节理、扭节理、压节理和不规则裂隙形成的裂面间，大量充填原岩风化灰粉、细渣、泥质、碳酸盐薄壳及氧化鉄锰膜形成的光滑面，大大加强了岩体的离散性，如有缓坡角度板状节理面暴露在拱部，围岩更易垮塌掉块儿，整体稳定性差这是州河北隧道的重要特点；⑥岩浆生成时的各项矿物成分不均一性，形成的波层状岩体，受力亦成破碎带，沉积岩岩层中所夹泥质岩石水化产生的塑性软化带，均是应力集中的薄弱带，影响围岩稳定性。

5岩体的结构类型直接影响着围岩的整体稳定性，结构类型一般常见的有：①巨块状整体结构：岩体整体性好，不论是层厚、裂隙间距均大于100cm，岩质均一，无构造影响，稳定性好。

②大块状砌体结构: 岩体整体性好，不论是层后厚,层厚间距小，在40--100 cm之间，裂隙充填物很少，稳定性好，远看如同人工砌成的墙体。

③块（石）碎（石）镶嵌结构：由于受地质构造力的作用，岩块受到压拉剪等的作用，破碎成棱角状，不论岩块是什么样的多角形，楔行、尖棱角形，各相邻岩块都相接的恰到好处，除裂隙线外没有多余自由空间，这就是镶嵌结构，如同山区农夫用碎石块砌成的田坎，但石块大小较①②为小，多数在20-40 cm之间。