工程地质 第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

⑵塑性松动圈——洞室周边破坏后，该
处围岩的应力降低，加之新开裂处岩体在 水和空气影响下加速风化，岩体向洞内产 生塑性松胀。这种塑性松胀的结果，使原 来由洞边附近岩石承受的应力转移一部分 给邻近的岩体。因而邻近的岩体也就产生 塑性变形。这样，当应力足够大时，塑性 变形的范围是向围岩深部逐渐扩展的。由 于这种塑性变形的结果，在洞室周围形成 了一个圈，这个圈一般称为塑性松动圈
机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落 产生条件：
1) 断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物; 2）多位于洞顶→边墙.
溶洞堆积物
⑸松软岩体
局部塌方
表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。 机理：塑性变形、膨胀、流变、蠕变。
产生条件：
1）岩性软弱：形成年代新、胶结差；
—— 松软或破碎岩体

r
工程类比法
7.4 围岩工程地质分类
BQ的分类方法在第四章已经介绍过了。 在这具体提出修正系数的取值
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
指：未对洞壁采取任何支护措施，围岩由变形发展至 破坏的时间
式中：t切向拉应力，切向压应力，Rt围岩的抗拉强度，Rb饱和抗压强度
•围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。 例：如图
K

F T
洞顶块体Q1和洞壁块体Q2的稳定性系数分别为
K 2(c1l1 c2l2)(ctg ctg)/ L23
K (Q2 costg4 c4l4 ) / Q2 sin
情况的工程 隧 洞 分 类●
无压隧洞（承受围岩压力、外水压力）
⑵ 弹性抗力 —— 一般指有压隧洞冲水后，围岩在内水压力作用 下产生压缩变形的同时对衬砌所形成的反力
⑶ 弹性抗力的定量描述参数 —— 弹性抗力系数
KP Y
P —— 围岩承受的通过衬砌所传达的内水压力 (MPa) Y —— 洞壁的径向变形 (cm)
此外，岩层倾角对围岩的稳定性也有影响
② 褶皱： 导致不均匀性，一定程度上反映岩体的完整性和连续性： a) 两翼：层间错动、块体滑动、山压不对称； b) 核部：破碎、背斜松散、向斜汇水。
③ 断裂： 取决于规模、胶结程度、力学性质、组合形式； 导致掉块、塌方、超挖、突水、块体滑动；
影响 ：弹性抗力、山岩压力和稳定性。
弹性抗力系数
迫使洞壁产生一个单位的径向变形所需施
越大！ 的物理意义
加的力（MPa／cm）
K值越大，意味着围岩承受内水压力的能力
⑷岩体为理想弹性体，圆形洞室时的围岩弹性抗力系数
K

E (1 μ
）r
E —— 岩体的弹性模量或变形模量（MPa） μ —— 岩体的泊松比 r —— 隧洞半径（cm）
⑸围岩的单位 指：隧道半径为1m（100cm）时的弹性抗力系数
o 构造应力具有很强的方向性：要求轴线平行σ1
2）高地温：
可较高：
西藏一口井水温204℃； 日本黑部川第三发电站尾水洞，岩层温度达175℃
o 影响施工、产生温度应力、指示地质异常
3）有害气体：
CH4、CO2、CO、H2S危害：影响施工、磨蚀设备、瓦斯爆炸 分布于：煤层、石油、硫化矿床、沥青。
洞壁应力集中到大于弹性极限（屈服应力）后，产生屈服现象， 向围岩深部迁移→形成3个应力分布区： 塑性松动区→弹性压密区→天然应力区 应力降低区→应力升高区→天然应力区。
⑥衬砌刚度及支护时间。
4.围岩的松动圈和承载圈
⑴基本特征 • 为具有同心结构的围岩圈层； • 松动圈位于围岩的内圈，承载圈位于外圈。
2）膨胀岩：含蒙脱石等粘土矿物、硬石膏等→物理化学效应；
3）高围压。
图
拱形冒落
：
几
种
破
坏
底鼓
7.3 山岩压力与弹性抗力
1. 关于山 岩压力
指：围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破 坏时，作用在支护或衬砌上的力。
与围岩 ● 围岩应力是围岩内部应力 应力的 ● 山岩压力是外力 比 较 ● 俩个力的因果关系：围岩应力产生了山岩压力
2、施工因素
开挖方法 爆破方法 钻孔质量 爆破质量 支护方式等
3、洞室的形态和尺寸
圆形→椭圆形→城门洞形→方形→扁形。 稳定性依次降低
7.2 围岩稳定的工程地质分析
7.2.1 围岩的应力重分布
1.机理 在地应力作用下，岩体产生压缩变形 • →洞室开挖在岩体内形成自由面 • →洞壁围岩失去径向约束而向洞内产生收敛变形（单 向回弹变形） • →因围岩发生收敛变形，使洞径、周长减小，即围岩 在发生径向回弹变形的同时，切向压缩变形加剧 • →围岩切向压应力增大。 围岩应力重分布的实质是： • 围岩由三向受力状态 • →平面受力状态（洞壁） • →将径向应力加到切向应力上（但不等），轴向应力 变化不大。
确定山岩压 安全 力的工程意义 经济
● 变形山压：由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的
⑴
围岩压力
山岩压力 ● 松动山压：由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动
的类型
等所引起的围岩压力
● 冲击山压：由于围岩中积蓄的弹性应变能突然释放所 根据形成机理分类 产生的围岩压力
⑵确定松动山压的方法
围岩被视为因节理切割而失去内部联系的松散
⑶承载圈——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。
7.2.2 围岩变形破坏的类型和特点
1.围岩稳定：
定义：在一定时间内，在一定的地质力和工程力作用下岩体 不产生破坏和失稳。
判断依据：
•围岩的抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力；
Rb / Fs t Rt / Fs
1）岩性坚硬，但发育2~3组软弱结构面，软、硬互层， 倾斜地层；
2）地应力水平较高，或洞室规模较大.
⑶层状弯折和拱曲
表现形式：内鼓、折断破坏。
机理：层间结合力差，岩体呈迭板状，且软硬互层，抗弯能力 较差 。
缓倾岩层：洞顶岩体在重力和切向应力作用下产生下沉弯 曲、张裂、折断、塌落；
陡倾岩层：边墙在切向应力和径向应力作用下，岩层向洞 内发生鼓出、弯曲、折断、垮塌
体，但仍具有粘聚力；
① 普氏
● 理论 假定
洞室开挖后洞顶因塌落而形成一个自然冒落拱， 两帮形成滑动体
压力拱
洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量
理论法
● 洞顶山岩压力
P
4γ 3
b1h1
γ
b1
岩石的重度 塌落拱跨度之半
塌落拱
h1
塌落拱拱高
h1

b1 fk
岩体往往并非散粒体
ffkk 仅是岩岩也石石叫的的普强坚氏度固系值系数，数并，
• 岩层较陡时稳定性最好。 • 岩层较缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块
塌落现象，洞室顶部出现阶梯形超挖 洞室走向与岩层走向平行
• 对水平岩层：
a) 洞室要位于坚硬岩层中 如图_a
b) 坚硬岩作为顶板 如图_b
c) 软弱岩层位于洞室两侧或底部不利 如图_c
• 对倾斜岩层
——洞室最好选在均一完整坚硬的岩石中
• 洞壁上 r=0,应力集中。 • 应力重分布的范围一般为3r。 • 当＝1时，=2
3.影响应力重分布的因素
①洞室断面形态：应力集中的程度、部位、范围因洞形而异； ②地应力水平（含方向）； ③岩性：坚硬程度、变形模量； ④岩体结构：结构面产状有很大影响：主应力的大小、方向及最不利
部位； ⑤时间：
强度、蠕变、松弛。
• 有地压下及式无水压电隧站洞室布置剖面示意图 • 围岩稳定问题
二滩的地下洞群：
双曲拱坝，坝高245m，玄武岩， 地下厂房：埋深200m，246m×28.5m×71.15m， 主变室：2个，190m×17m×27m，45.25m×8m×6.09m， 尾水洞：330m、7m（16m～14m）， 尾水闸门井：61.87m×6.5m×13m。
非岩体的强度值
滑动体
普对氏于法砂类围土岩—是—否塌fk 落 t、gφ范围和形 滑动体 的对缺于陷粘性土状强主度—要有—和关fk岩，体并tgφ结非构都σc 及是岩拱体形
对 于 岩基体对本坚—符硬—合岩松fk体散误1R体0b差情较况大，而
② 围岩压力系数法 ③ 块体极限平衡法
2. 弹性抗力
⑴
据衬砌受力 ● 有压隧洞（承受围岩压力、外水压力、内水压力）
随着我过水利水电建设事业的飞速发展，地下建 筑物的数量越来越多，规模也越来越打。
有些引水隧洞的长度已达10多公里，直径超过 20m。已隔装机百万千瓦的地下水电厂房，跨度可达 30m，高度达60m以上。
1、 地下洞室围岩稳定问题的特点
①普遍存在：水电工程、交通工程、国防工程； ②与地质环境的联系更密切：
第七章 地下洞室围岩稳定性的工 程地质分析
• 概述 • 7.1围岩应力的重分布 • 7.2地下工程位置选择的工程地质评价 • 7.3围岩稳定的工程地质分析 • 7.4山岩压力与弹性抗力 • 7.5提高围岩稳定性的措施
概述
水利水电建设中的地下建筑物，一般包括导流或 引水隧洞、闸门井、调压井、地下厂房及变压器房、 尾水隧洞等。
置于岩土体内，处于复杂的地应力、地下水、地温和 有害气体环境；
③埋深大：几十至几百米，甚至可达上千米， 如锦屏二级、南水北调西线、二滩；
④规模大：往往构成复杂的、庞大的地下建筑群； ⑤问题多：变形破坏形式多样； ⑥合理利用岩体的问题更重要：围岩是主体； ⑦运营条件复杂：内水压力、外水压力、山岩压力、长期
注意边坡稳定性
下缓上陡，洞 口处及有可能
基有岩利的于直硐（接室2出挂）露口地层岩性
是松散对集体， 不得不做导硐