第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究课件

围岩稳定性的工程地质研究复习资料1、地下洞室：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、地下洞室围岩稳定性问题的特点（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：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；（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、长期强度、蠕变、松弛。

3、地下洞室围岩应力重分布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。

所以，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。

4、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）初始地应力（组成、大小、方向，尤其是侧压力系数）；（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：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）砌刚度及支护时间。

（7）相邻硐室的存在：使围岩应力集中加剧。

5、当r=6a 时切向应力σθ和径向应力σ近似等于σθ，故可以把6a 作为围岩应力r重分布的最大影响范围。

（a 为隧洞半径，r 为质点到洞轴线的距离）当λ≠1时，不同断面形状的洞体，在两侧及角点处出现切应力集中，在洞顶及洞底出现拉应力。

一般说来，圆形洞的洞体应力条件比较好；椭圆形洞的洞体在长轴平行荷载方向时比较有利；对于边墙岩体的隧洞，直墙拱顶式洞体较梯形洞体的应力条件有利。

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，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R0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：图8.1柯西课题分析示意图……………………①式中为应力函数，它是和的函数，也是和的函数。

地下洞室围岩稳定性分析与评价地下洞室围岩稳定性是地下工程中非常重要的问题之一，对地下工程的安全和经济运行具有重要意义。

地下洞室围岩稳定性的分析与评价可以帮助我们判断洞室围岩的稳定程度和寿命，为洞室工程的设计和施工提供可靠的依据。

首先，对地下洞室围岩的力学性质进行测试和分析。

这包括围岩的弹性模量、抗压强度、抗剪强度等力学参数的测定。

通过测试和分析得到的力学参数可以为后续的围岩稳定性分析提供基础数据。

其次，对围岩的岩性和结构进行详细的地质调查和研究。

通过对围岩的地质构造、结构洞的位置、破碎度和节理特征等进行详细的调查和研究，可以了解围岩的变形和破坏机理，为后续的稳定性分析提供依据。

然后，进行数值模拟和分析。

根据实际工程情况，可以使用有限元方法或者其他数值模拟方法对围岩的稳定性进行模拟和分析。

通过模拟和分析，可以得到围岩的应变、应力分布以及稳定性指标，进一步评价围岩的稳定性。

最后，根据分析和评价结果，对围岩稳定性进行评价。

根据实际工程要求和标准，可以将围岩的稳定性进行分级评价，确定围岩的稳定等级，并提出相应的建议和措施，以提高围岩的稳定性。

在地下洞室围岩稳定性分析与评价过程中，需考虑不同因素对围岩稳定性的影响。

例如，水文地质条件、地应力状态、围岩的强度参数、地震和地下水位变化等因素都会对围岩的稳定性产生重要影响，需要对这些因素进行综合分析和评价。

总之，地下洞室围岩稳定性的分析与评价是地下工程设计和施工的重要环节。

通过科学的测试、调查、分析和数值模拟，可以全面、准确地评价围岩的稳定性，为地下洞室工程的建设提供可靠的基础。

地下厂房洞室群围岩稳定性方法研究首先，地下厂房洞室群围岩的稳定性评价是保证地下工程安全的重要前提。

地下厂房洞室群围岩的稳定性评价可以通过对围岩岩性、构造、地质构造等因素的全面分析来进行。

通过对地质地质调查、钻探岩芯描述、摇杆、频谱分析、震源震议等多种方法对围岩进行综合分析，从而获得围岩的力学特性及其时空变化规律，进而对围岩的稳定性进行科学合理的评价。

其次，稳定性分析方法是地下厂房洞室群围岩稳定性研究的核心内容。

地下厂房洞室群围岩的稳定性分析方法主要包括全面预处理和计算力学模型两个环节。

全面预处理包括洞室群围岩的划分、边界条件设置和位移问题的预处理等，其目的是为后续计算力学模型的建立提供一个合理的基础。

计算力学模型是对围岩本构关系、荷载、约束条件等进行建模和数值求解，以获得围岩的应力和位移变化规律。

在建立计算力学模型时，可以采用有限元方法、解析方法、模型试验等多种方法，以获得准确的计算结果。

在地下厂房洞室群围岩稳定性研究中，需要注意以下几个问题。

首先，要对地下厂房所处的地质环境进行全面的调查和分析，包括围岩的类型、构造特征、地下水情况等。

其次，要根据地质环境的特点，选择适当的稳定性评价和分析方法。

例如，在存在地下水的情况下，需要考虑围岩的水文力学特性对稳定性的影响。

此外，还应考虑洞室群围岩的变形与破坏机理，以及围岩与洞室结构之间的相互作用等问题。

综上所述，地下厂房洞室群围岩稳定性研究是一个复杂而重要的课题。

通过全面的地质调查、合理的稳定性评价和分析方法，可以提高地下工程的安全性和可靠性，为地下厂房的设计和施工提供科学依据。

第６、7章 地下工程围岩稳定性分析学习指导：本章主要介绍了两部分内容：（一）山岩压力与围岩稳定性分析，（二）有压隧洞稳定性分析。

前部分介绍了围岩应力重分布，地下洞室脆性围岩和塑性围岩的变形破坏形式，影响地下工程岩体稳定的因素，着重介绍了山岩压力与围岩稳定性分析方法，其中包括山岩压力的概念、影响因素，太沙基理论；后部分重点介绍了围岩内附加应力的计算、有压隧洞围岩和衬砌的应力计算。

重 点：1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布2 地下洞室围岩的变形破坏3 地下工程岩体稳定性的影响因素4 洞室围岩稳定性分析6.1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布由于在岩体内开挖洞室，洞室围岩各质点的原有应力的平衡状态就受到破坏，各质点就要产生位移调整，以达到新的平衡位置。

岩体内某个方向原来处于紧张压缩状态，现在可能发生松胀，另一个方向可能反而挤压的程度更大了。

相应地，围岩内的应力大小和主应力方向也发生了改变，这种现象叫做围岩应力重分布。

围岩应力重分布只限于围岩一定范围内，在离洞壁较远的岩体内应力重分布甚微，可以略去不计。

地下开挖引起的围岩变形是有一定规律的。

变形终止时围岩内的应力就是重新分布的应力。

这个重新分布的应力对于评价围岩的稳定性具有重要意义。

为了便于说明起见，我们在这一节中对于最简单的条件(即在连续的均质的各向同性的岩体内开挖圆形隧洞，而且岩体的侧压力系数10=K ，即静水压力式的初始应力状态)下的围岩应力重分布问题，作定性分析，以便对于应力重分布的情况有一概念。

如图6-1所示，设岩体为连续的、均质的以及各向同性的，其侧压力系数为10=K ，亦即岩体的初始应力状态为静水压力式的。

此外，洞室的长度远较横截面的尺寸为大，所以可作为平面应变问题来研究。

在地下开挖以前，岩体内任一点A 的应力，即等于该点的自重应力v p ，而且由于10=K ，所以通过该点任何方向的应力都是v p 。

如果用极坐标来表示该点的应力状态，则该点的应力为：v r p =0σv p =0θσ式中 0r σ 岩体的径向应力；0θσ 岩体的切向应力。