第03章岩土体工程洞室的稳定问题Word文档下载推荐.docx

1、通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的35倍，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。如果此范围不超出地表，为简化围岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的，这样，就可按均匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。在岩体内开挖地下洞室，由于破坏了岩体原有的应力平衡状态，围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松胀，而另一个方向可能反而挤压的程度更大了。这样，围岩应

2、力的大小与主应力的方向也就发生了改变。围岩应力重分布的主要特征是径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零，而切向应力的变化则有不同的情况，在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现拉应力，即产生所谓拉应力集中。这样，地下洞室的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。由上述可见，在围岩范围内，洞室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压力状态），洞室开挖后，只要洞壁各点的应力均未超过能够导致岩体破坏的

3、临界值，则整个围岩就将是稳定的；相反，任何围岩的破坏必将首先从周边开始，然后沿半径方向向岩体内部发展。因此，研究洞室局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。假定围岩近似于各向同性的弹性体，规则洞形的围岩内的应力，可应用弹性理论加以研究。有关公式的建立和推导是岩石力学课程的内容，这里只准备对洞室周边应力集中的规律和特点加以探讨。理论与实验表明，地下洞室围岩应力重分布的特点主要取决于洞形（横断面形状）和岩体的初始应力状态。对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点，而两点之间的应力

4、则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态。可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位，只要了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。根据弹性理论圆椭圆形地下洞室局边A、B两点的切向应力可根据下式求得：=v（+N）（+N）称为应力集中系数。A点和B点的和值列于下表（表101）。表101A点B点-12a/b+1对于特定洞形，如果已知N值，则根据式（10I）即可求得周边上可能出现的最大压应力和最大拉应力值。1拉应力产生的条件从上式可以看出：（1）当N1时，任何轴比（ba）的洞室，周边上均不产生拉应力，（2）当N0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应

5、力集中系数与洞形无关，轴比（ab）为任何值时，均等于-v；（3）当0N1时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位，亦即当N1时，最大拉应力出现在A点且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大：当N1时,最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。2最大压应力集中的规律当abN时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当baN时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当baN时，最大压应

6、力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。三、围岩特性及不连续面对围岩应力的影响圆形洞室围岩不是理想弹性体时，围岩的应力应变关系具有非线性特征，或围岩具有较大蠕变特性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力；但当远离洞壁一定距离后，岩层内的切向应力则要大于理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图10一12中的虚线所示。当地下洞室附近有断层等不连续面存在时，其对围岩应力分布有较大的影响。当洞室附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用，从而使断层面上产生剪应力。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，

7、则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原因，在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高的应力集中，使该区围岩的稳定条件大为恶化。四、相邻洞室的存在对因岩应力的影响由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩应力（主要是压应力）的集中程度增高，对洞室围岩稳定不利。因此，不同的业务部门规定了不同的最小安全洞室间距，例如水电部门规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距为1.0一1.3倍洞跨，高压隧洞之间的最小间距为0.15一0.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧道的最小间距按下表（表105）确定。除此之外，隧洞等的相互交

8、叉也会使图岩的应力集中程度增高，虽然日前尚不能用数学方法来解算这种应力集中的课题，但可以推断，在垂直应力是最大主应力的应力场中（N1，洞室交叉的拐角两侧的应力集中将等于单个洞室应力集中的平方。当然，这一结论只适用于理想的弹性岩层，对于非理想弹性岩层，则应作相应的修正。第三节地下洞室围岩的变形破坏与山岩压力一、围岩变形破坏的一般过程和特点地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化，促使围岩性状发生变化的因素，除上述的卸荷回弹和应力重分布之外，还有水分的重分布。一般说来，洞室开挖后，如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用，围岩即将发生塑性变形或破坏。这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那

9、些最大压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩内部发展的。其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带。围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件，而且能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成很大的山压。围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围

10、岩的岩性和结构之间的关系列于定10一6。二、脆性围岩的变形和破坏脆性因岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。这类围岩的变形和破坏，主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。这类围岩变形破坏的形式和特点，除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型，现分述如下。1弯折内鼓这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果，二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯拆强

11、度所造成的。由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内（或者洞室埋深较大，或者水平地应力较高），而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈，故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时，洞室开挖后，薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生弯曲、拉裂和折断，最终挤入洞内而坍倒。由压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。一些局部构造条件，有时也有利于这类变

12、形破坏的产生。如平行于洞室侧壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内的应力集中有所增高，因此洞壁附近的切向应力将高于正常情况下的平均值，而薄板的抗弯矩又比较低，往往造成弯折内鼓破坏。从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常，州向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳定性远低于平行于最大主应力方向者，这是因为：在硐轴垂直于水平最大主应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时，强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩层时高度的

13、应力集中又会使平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓的发展而严重坍塌。2张裂塌落张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶拱的塌落。但是在N0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小会使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当顶拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时，顶拱围

14、岩就趋于稳定，坍场也就不再继续发生。可见，在N0的情况下，由张裂所引起的顶拱冒落仅局限于一定的范围之内。但是，在有些情况下，例如当傍河隧洞平行穿越河谷的卸荷影响带时，或当越岭隧洞的进出口段的地质地貌条件有利于侧向卸荷作用的发展（例如两侧为沟谷切割等）时，岩体内的天然应力比值N常接近于0或等于0。在这种情况下，隧洞的顶拱将承受一个大小约等于垂直应力、且不受洞形变化影响的切向拉应力的作用。由于岩体的抗拉强度通常较低，且这类地区又常发育有近于垂直的以及其他方向的裂隙，所以隧洞的顶拱常发生严重的张裂塌落，有时甚至一直塌至地表。因此，傍河隧洞应尽量靠向山里，避开卸荷影响带；对于越岭隧洞，则应尽可能地将进

15、出口选择在侧向卸荷影响小，岩体较为稳定的地段。3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。（1）劈裂剥落过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将围岩切割成厚度由几厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时这些劈裂板还可能被压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩庄力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶拱的片状冒落，后考则造成通常所谓的片帮。（2）剪切滑移这种形式的破坏多发生

16、于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边墙上，也可发生于顶拱。在水平应力大于垂直应力的应力场中（N1），这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位，由于切向应力很大，而径向应力很小，故沿断层面作用的剪应力比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。这种滑移又会引起次生的拉应力，从而使断层与虚线间的三角形岩体因滑移拉裂而冒落。在垂直主应力大于水平主应力的应力场中（N1），这类破坏则多发生在边墙上压应力集中程度较高，且有陡倾角断裂发育的部位，当断裂面上的剪应力超过其抗剪强度时，围岩即将沿断裂面发生剪切滑移

17、，造成边墙失稳。（3）碎裂松动碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞体开挖后如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰，并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推侈而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固措施。上述二类破坏所引起的洞室宽高比的变化，一方面会使洞形急剧变化部分的围岩表部的切向压应力的集中程度随之急剧增大，另外还会在与最大主应力相垂直的洞壁上引起拉应力，从而进一步恶化围岩的稳定条件，引起围

18、岩累进性破坏。4岩爆（1）有关岩爆的基本概念在地下开挖或开采过程中围岩的破坏有时会突然地以爆炸的形式表现出来这就是所谓的岩爆。当岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘来。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害，大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故，小者也能威胁工人的安全。因此，研究这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工作的安全与经济有着重要意义。（2）岩爆的类型和特点按发生的部位及所释放的能量，岩爆有不同的类型。（a）围房表部岩石突然破裂引起的岩爆在深埋隧

19、道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多属这种类型。这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。成昆线官村坝隧道（最大埋深达1600m）开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。它一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后23h，围岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚或薄的不规则片状岩块自洞壁围岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十cm长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于表面平整、有硬质结核或软弱面的地方

20、，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆。（b）矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆发生于一些深矿坑中的大型岩爆多属这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，故常被称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，而这一区域与坑道间（M区）的煤则大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有明显的预兆。四川绵竹天池煤矿就曾多次发生这类岩爆

21、，最大的一次将20余吨煤抛出20多m远。（c）断层错动引起的岩爆当坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一般发生在构造活动区的深矿井中，破坏性很大，且影响范围较广。（3）岩爆的产生条件与发生机制本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发释放则是岩爆产生的外因。三、塑性围岩的变形与破坏塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体（如页岩、泥岩和粘土岩等）和散体结构岩体。这类围岩的变形

22、与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的，主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同类型，现分述如下：1塑性挤出洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在一般情况下，易于被挤出的岩体主要包括：（1）固结程度较差的泥岩、粘土岩；（2）各种富含泥质的沉积或变质岩层（如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等）中的挤压剪切破碎带；（3）火成岩中的富合泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动、且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。这类围岩变形、破坏的发展随

23、上述各类软弱岩体产出条件和所处部位不同可有不同的情况，同时，挤出变形的发展通常都有一个时间过程，一般要几周至几月之后方能达到稳定。2膨胀内鼓洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向围岩表部转移，结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的，除此之外，开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀。遇水后易于膨胀的岩石主要有两类。一类是富合粘土矿物（特别是蒙脱石）的塑性岩石，如泥质岩、粘土岩、膨胀性粘土等。隧道围岩中有浸水后体积增大2.9的岩石就会给开挖造成很大困难，而有些遭受热液变质的富合蒙脱石矿物的岩石

24、，浸水后体积可增加14一25。因此，这类岩层的膨胀变形能对各类地下建筑物的施工和运行造成很大危害。例如，据挪威对水工隧洞的调查，有70的隧洞衬砌开裂及破坏的事故与此有关。另一类是含硬石膏的地层。硬石膏遇水后就会发生水化而转化为石膏，体积随之而增大。所以穿过这类地层的隧道往往遇到因硬石膏水化膨胀而产生的强大山压，给隧道的施工和运行带来很大困难。与挤出相比，围岩的吸水膨胀一般说来是一个更为缓慢的过程，往往需要相当长的时间才能达到稳定。3塑流涌出当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时，这些物质就会和水一起在压力下呈夹有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中，有时甚至可以堵塞坑道，给施工造成很大的困难。

25、4重力坍塌破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。四、围岩变形破坏的发展和山岩压力问题1围岩变形破坏的累进性发展大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常是累进性发展的。由于围岩内应力分布的不均匀性以及岩体结构、强度的不均一性及各向异性，那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩尚保持整体稳定性的情况下，这些应力强度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应力向其它部位转移，引起另外一些次薄弱部位的破坏，如此逐渐发展，连锁反应，终将导致大范围围岩的失稳破坏。因此，在进行围岩稳定性的分析、评价时，必须充分考虑围岩累进性破坏的过程和特点，针对控制围岩失稳破坏

26、的关键部位采取有效措施，以防止累进性破坏的发生和发展，这正是支护设计的关键所在。一般说来，地下工程围岩变形破坏累进性发展的过程和特点主要取决于三方面因素，即：（1）原岩应力的方向及大小；（2）地下洞室的形状及尺寸；（3）岩体结构及其强度。所以，具体条件不同，围岩累进性破坏的过程和特点也迥异。每一特定条件下围岩累进性破坏能否发生，其特点如何，以及什么样的支护方案才是最经济而有效的，这些问题通常可以通过数值模拟的方法来加以研究和解决。数值模拟方法在研究围岩变形破坏及稳定性评价中具有十分明显的优越性，运用这种方法不仅可以研究不同条件下围岩的稳定状况，为设计方案的优化提供基础，而且还可以追索围岩累进性

27、破坏的发展过程，找出可能导致围岩失稳破坏的薄弱部位，为支护设计的优化提供依据。2山岩压力问题（1）某本概念设计隧道或其它地下洞室时，如果工程地质分析与岩体力学计算的结果表明，开挖后围岩是不稳定的，那么就必须设计相应的支付结构以支承变形或塌落的围岩，保证洞体的稳定。为了达到这个目的，支衬结构就必须能够适应与围岩之间的相互作用。这种相互作用的力，对于支衬结构来说，就是所谓的山岩压力（或简称山压），它是设计支付结构的主要依据。可见，上面讨论的围岩应力与山压是有原则区别的，前者是围岩岩体中的内力，后者是围岩作用于支衬结构上的外力，前者转化为后者是有条件的。如果围岩足够强固，完全能够承受住围岩应力的作用

28、，当然也就不需进行支衬。只有当围岩因适应不了围岩应力的作用而产生过大的变形或破坏时，围岩才会向支付结构施加挤压力，形成所谓的山压因此实际作用于文衬结构上的山压值除与围岩的岩性、结构及应力条件有关外，还取决于允许围岩变形发展的程度。假定在洞室开挖的同时立即做上刚性支衬结构，不使围岩产生丝毫变形，此时支衬结构必须使围岩保持原来的初始应力状态，因而它所承受的力最大，将等于岩体中的初始应力所能形成的全部压力。相反，如果通过滞后支护或柔性支护，允许围岩产生一定变形，释放相应的应变能，那么当支衬结构和围岩达到力的平衡时，支衬结构所承受的山岩压力则将有所降低。但是，如果支护过迟，致使围岩发生过大的变形和破裂

29、，因而自承能力大为降低时，作用在支衬结构上的山岩压力又将有所增大。实践表明，对于具有不同岩性、结构的围岩，其支护受力与洞壁位移的关系有不同的特征。因此，在每一具体条件下，合理地确定支护时间，使岩体的自承能力得以充分发挥，使之能够承担更多的荷载，对于既经济又安全的支衬结构设计是非常重要的。基于上述支衬结构与围岩相互作用的原理，现代的支护设计已完全改变了将支护单纯地作为被动承载结构处理的传统设计思想，而是从更好地利用围岩的自承能力的观点出发，积极、主动地加固围岩。目前广泛应用的喷锚支护就充分体现了这一基本思想，它一方面为围岩向洞内的变形提供了阻抗力，同时又通过改善围岩的应力和强度条件而提高了围岩的自承能力，所以能经济而有效地保证洞室围岩的稳定性。2关于山压的计算根据围岩变形破坏特点的不同，目前通常将山压分为变形山压和散体山压两类。不同类型的山压应按不同的方法进行计算。变形山压主要是由围岩的塑性挤出、膨胀内鼓、剪切碎裂以及弯挤内鼓等类型变形破坏所造成的，因此通常出现在具有塑性围岩或薄层状脆性、