岩体力学 中国地质大学贾洪彪第八章地下洞室围岩稳定性分析.docx

1、岩体力学 中国地质大学 贾洪彪第八章地下洞室围岩稳定性分析第八章 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

2、，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

3、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

4、，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

5、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：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；开挖后围岩重分布应力(或称二次应力)的计算；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

6、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

7、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,)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、环向应力和剪应力r与应力函数间的关系，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-

8、2)为了求解微分方程(8-1)，设满足该方程的应力函数为：(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，r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；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

9、为的岩体中，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；zx，xz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，而角应是向径OM与z轴的夹角。若统一用OM与x轴的夹角来表示时，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v即可。因此有：(8-8)将(8-7)和(8-8)式相加

10、，即可得到v和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置(r，)的函数。令rR0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r0，r0，仅有作用，为单向应力状态，且其大小仅与天然应力状态及计算点的位置有关，而与洞室尺寸R0无关。从(8-11)式，取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如表8-1和图8-3所示。结果表明，当 1/ 3时，洞顶底将出现拉应力；当1/33时，洞壁

11、围岩内的全为压应力且应力分布较均匀；当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值2。2FXXZSX2YXXXZSY2YXBSZSX1Y2BSYSX2Y1BSZXX1Y12 0，18090，270 XXZSX2YXXXZSY2YXBSZSX1Y2BSYSX2Y1BSZXX1Y12 0，180 90，270BHDG1*20 3v v 138v3 0BH1 2v2v2v5vBH308v4v11v 5 v 14v HTTP3，11*2。40# 图8-3

12、 /v随的变化曲线为了研究重分布应力的影响范围，设1，即hv0，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角无关，仅与R0和0有关。由于r=0，则r，均为主应力，且恒为最大主应力，r恒为最小主应力，其分布特征如图8-4所示。当rR0(洞壁)时，r=0，=20，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，逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力0值。在理论上，r，要在r处才达到0值，但实际上r，趋近于0的速度很快。计算显示，当r=6R0时，r和与0相差仅28%。因此，一般认为，地下洞室开挖引起

13、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，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，因此只要洞壁围岩在重分布应力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

14、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可表示为：(8-13)式中：，为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。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，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，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：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。各种形状洞室的角

15、点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。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。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。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。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(40HT6 FK(W77。52BG(!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 备 注BHDG

16、68，FK30，K13，K9F BHDG12，WK2，K18，K10W1 hvBHG82 hvBHG163 hvBHG84 hvBHG85 hv 6 hv BHDG4，WK3，K5，K5WA 3 1BHB 1 3BHm 12cos2 12cos2BHA 2 a b 1 1BHB 1 2 a b 1BHA 1616 087BHB 087 1616BHC 02654230BHD 4230 0265BHA 140 100BHB 080 220BHA 120 095BHB 080 240BHA 266 038BHB 038 077BHC 114 154BHGD 190 154ZB) ZB(BHDG52

17、，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0，沿水平直径方向上所有的点r均为0。因此，沿

18、结构面各点的和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 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2R02h，而h可由下式确定：图8-7

19、 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)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

20、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。

21、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hv0，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(rdr)，在ab和cd面上作用有切向应力，由于1，所以单元体各面上的剪应力r0。当微

22、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Fr0。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d很小时，sind/2 d/2。将上式展开，略去高阶微量整理后得：(8-15)因塑性圈内的和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：rR0，rpi(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

23、得环向应力为：把上述r，r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，m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(rR1)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，pe，rpe为rR1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，m)值。由(8-21)式可知，塑、弹性圈交界面上的

24、重分布应力取决于0和Cm，m，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

25、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)，pb0时，则 b2/( b2a2) 1，a2/(b2a2)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：(

26、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

27、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

28、中部位。如洞顶或岩柱中，当天然应力比值系数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

29、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

30、系数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)。