學(xué)習(xí)資料三：認(rèn)識(shí)圍巖穩(wěn)定性

1、成洞的三種情形成洞的三種情形有時(shí)不需要任何支撐就可有時(shí)不需要任何支撐就可獲得穩(wěn)定的洞室獲得穩(wěn)定的洞室有時(shí)則需要加以支撐才能有時(shí)則需要加以支撐才能獲得穩(wěn)定的洞室獲得穩(wěn)定的洞室由于支撐不及時(shí)或不足而由于支撐不及時(shí)或不足而導(dǎo)致圍巖坍塌堵塞洞室導(dǎo)致圍巖坍塌堵塞洞室是最希望的是最希望的經(jīng)常要做的經(jīng)常要做的要盡量避免要盡量避免層理是指巖層中物質(zhì)的成分、顆粒大小、形狀和顏色在垂直方向發(fā)生改變時(shí)產(chǎn)生的紋理。巖石層之間的分割面稱為層理面。又稱“片狀構(gòu)造”。指巖石形成薄片狀的構(gòu)造。巖層受構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)生斷裂，沿?cái)嗔衙鎯蓭r層受構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)生斷裂，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)的巖層未發(fā)生移動(dòng)或僅發(fā)生了微小的錯(cuò)動(dòng)的斷裂構(gòu)造稱側(cè)的巖層

2、未發(fā)生移動(dòng)或僅發(fā)生了微小的錯(cuò)動(dòng)的斷裂構(gòu)造稱構(gòu)造裂隙或構(gòu)造節(jié)理，有時(shí)簡稱節(jié)理。構(gòu)造裂隙或構(gòu)造節(jié)理，有時(shí)簡稱節(jié)理。巖層受構(gòu)造應(yīng)力作用發(fā)生斷裂，沿?cái)嗔衙鎯蓚?cè)巖層發(fā)生了移動(dòng)或明顯錯(cuò)位的斷裂構(gòu)造被稱為斷層。12巖石和巖體的關(guān)系巖石和巖體的關(guān)系概念疑點(diǎn)概念疑點(diǎn)壓密階段（壓密階段（OAOA）：主要是）：主要是由巖體中結(jié)構(gòu)面的閉合和由巖體中結(jié)構(gòu)面的閉合和充填物的壓縮而產(chǎn)生的，充填物的壓縮而產(chǎn)生的，形成了非線性凹狀曲線，形成了非線性凹狀曲線，變形模量小，總的壓縮量變形模量小，總的壓縮量取決于結(jié)構(gòu)面的性態(tài)，且取決于結(jié)構(gòu)面的性態(tài)，且這部分變形本質(zhì)上是不能這部分變形本質(zhì)上是不能恢復(fù)的，屬于不可恢復(fù)的恢復(fù)的，屬于不可恢

3、復(fù)的塑性變形。塑性變形。彈性階段（彈性階段（ABAB）：巖）：巖體充分壓密后便進(jìn)入體充分壓密后便進(jìn)入彈性階段。所表現(xiàn)出彈性階段。所表現(xiàn)出的彈性變形是巖體的的彈性變形是巖體的結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體共同產(chǎn)生的，應(yīng)力產(chǎn)生的，應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)應(yīng)變關(guān)系呈直線。同時(shí)，巖系呈直線。同時(shí)，巖體的彈性模量也趨近體的彈性模量也趨近于整體巖石的數(shù)值。于整體巖石的數(shù)值。塑性階段（塑性階段（BCBC）：巖體繼）：巖體繼續(xù)受力，變形發(fā)展到彈性續(xù)受力，變形發(fā)展到彈性極限后便進(jìn)入到塑性階段，極限后便進(jìn)入到塑性階段，此時(shí)巖體的變形特征受結(jié)此時(shí)巖體的變形特征受結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的變形特性共同制約。整體

4、性好的巖共同制約。整體性好的巖體延性小，塑性變形不明體延性小，塑性變形不明顯，達(dá)到強(qiáng)度極限后變迅顯，達(dá)到強(qiáng)度極限后變迅速破壞。破裂巖體塑性變速破壞。破裂巖體塑性變形大，有甚至的從壓密階形大，有甚至的從壓密階段直接發(fā)展到塑性階段，段直接發(fā)展到塑性階段，而不經(jīng)過彈性階段。而不經(jīng)過彈性階段。破裂和破壞階段破裂和破壞階段（CDCD）：應(yīng)力達(dá)到峰）：應(yīng)力達(dá)到峰值后，巖體即開始破值后，巖體即開始破裂和破壞。破壞開始裂和破壞。破壞開始時(shí)，應(yīng)力下降比較緩時(shí)，應(yīng)力下降比較緩慢，說明破裂面上仍慢，說明破裂面上仍具有一定的摩擦力，具有一定的摩擦力，巖體還能承受一定的巖體還能承受一定的荷載。而后，應(yīng)力急荷載。而后，應(yīng)

5、力急劇下降，巖體全面崩劇下降，巖體全面崩潰。潰。 (一一)自重應(yīng)力場(chǎng)自重應(yīng)力場(chǎng) 在自重應(yīng)力場(chǎng)中，地表以下任一深度在自重應(yīng)力場(chǎng)中，地表以下任一深度H處的垂直應(yīng)力等與其上覆巖體的重量處的垂直應(yīng)力等與其上覆巖體的重量 以壓應(yīng)力為正，以壓應(yīng)力為正， 為巖體的容重為巖體的容重當(dāng)上覆巖體為多層時(shí)，則為當(dāng)上覆巖體為多層時(shí)，則為zHsg=1nziiiHsg=g式中式中 第第 i 層巖體的容重層巖體的容重 第第 i 層巖體的厚度層巖體的厚度 地表水平時(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)地表水平時(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律：圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律： 應(yīng)力是隨深度成線性增加應(yīng)力是隨深度成線性增加igiH(二二)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)構(gòu)造

6、應(yīng)力場(chǎng) 地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。成過程中的應(yīng)力狀態(tài)稱為構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 我國大陸初始應(yīng)力場(chǎng)我國大陸初始應(yīng)力場(chǎng)(包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng))的變化的變化規(guī)律大致可以歸納為如下幾點(diǎn)：規(guī)律大致可以歸納為如下幾點(diǎn)： 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng)，而且除以各種構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng)，而且除以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘

7、余構(gòu)造應(yīng)形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)地下工程產(chǎn)生重大影響。力將對(duì)地下工程產(chǎn)生重大影響。 垂直應(yīng)力的量值隨深度增加而增大，而且水平應(yīng)力普遍大垂直應(yīng)力的量值隨深度增加而增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。于垂直應(yīng)力。二、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響因素二、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響因素 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，一般受到兩類因素的影響：圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，一般受到兩類因素的影響： 第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造、地形等第一類因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的經(jīng)常性的因素；因素； 第二類因素有地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類的長期活動(dòng)等第二類因素有地

8、殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類的長期活動(dòng)等暫時(shí)性的或局部暫時(shí)性的或局部性的因素。性的因素。因此，在眾多的因素中要特別研究下面幾點(diǎn)：因此，在眾多的因素中要特別研究下面幾點(diǎn)： 1、地形和地貌。、地形和地貌。 2、巖體的力學(xué)性質(zhì)。、巖體的力學(xué)性質(zhì)。 3、地溫。、地溫。 4、人類活動(dòng)。、人類活動(dòng)。 整體狀和巨塊狀巖體，在很高地應(yīng)力作用下，巖體會(huì)發(fā)生整體狀和巨塊狀巖體，在很高地應(yīng)力作用下，巖體會(huì)發(fā)生“巖爆巖爆”。穩(wěn)定性很高。穩(wěn)定性很高。塊狀和層狀巖體，塊間和層間結(jié)合力弱，在二次應(yīng)力和塊狀和層狀巖體，塊間和層間結(jié)合力弱，在二次應(yīng)力和自重應(yīng)力作用下，發(fā)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、塌落自重應(yīng)力作用下，發(fā)生滑動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、塌落。層狀巖

9、體，層間結(jié)合力差，易于錯(cuò)動(dòng)，抗彎能力差，洞頂層狀巖體，層間結(jié)合力差，易于錯(cuò)動(dòng)，抗彎能力差，洞頂巖體在自重作用下下沉彎曲，進(jìn)而張裂折斷，形成坍塌。巖體在自重作用下下沉彎曲，進(jìn)而張裂折斷，形成坍塌。邊墻巖體在水平力作用下易變形擠入洞室，甚至滑塌。邊墻巖體在水平力作用下易變形擠入洞室，甚至滑塌。破裂結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu)的巖體，結(jié)構(gòu)松散，開挖時(shí)隨挖隨破裂結(jié)構(gòu)或散體結(jié)構(gòu)的巖體，結(jié)構(gòu)松散，開挖時(shí)隨挖隨塌，怕擾動(dòng)，具有很強(qiáng)的流變性。塌，怕擾動(dòng)，具有很強(qiáng)的流變性。嚴(yán)重風(fēng)化巖體，強(qiáng)度極低，開挖后，塑性變形不能停止。嚴(yán)重風(fēng)化巖體，強(qiáng)度極低，開挖后，塑性變形不能停止。巖爆漸進(jìn)破壞過程示意圖巖爆漸進(jìn)破壞過程示意圖A、劈裂；

10、、劈裂；B、剪斷；、剪斷；C、彈射、彈射 巖爆的漸進(jìn)性破壞過巖爆的漸進(jìn)性破壞過程很短促程很短促.各階段在演化的各階段在演化的時(shí)序和發(fā)展的空間部位時(shí)序和發(fā)展的空間部位,都都是由洞壁向圍巖深部依次是由洞壁向圍巖深部依次重復(fù)更迭發(fā)生的重復(fù)更迭發(fā)生的.因此，巖因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂分彈射帶、劈裂-剪切帶和剪切帶和劈裂帶等三帶劈裂帶等三帶. 脆性破壞脆性破壞巖爆巖爆隧 洞隧 洞隧 洞在夾泥少、以巖塊剛性接觸在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接

11、觸，易產(chǎn)巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入生大規(guī)模塌方或塑性擠入1 1、圍巖工程地質(zhì)條件、圍巖工程地質(zhì)條件2 2、隧道工程結(jié)構(gòu)條件、隧道工程結(jié)構(gòu)條件3 3、隧道工程施工條件、隧道工程施工條件圍巖所處的原始應(yīng)力狀態(tài)圍巖所處的原始應(yīng)力狀態(tài)圍巖的破碎程度和結(jié)構(gòu)特征圍巖的破碎程度和結(jié)構(gòu)特征圍巖所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境圍巖所處的地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境地下水的作用等條件地下水的作用等條件指隧道所處的位置指隧道所處的位置坑道形狀（尤其是頂部形狀）坑道形狀（尤其是頂部形狀）坑道的斷面大小等條件坑道的斷面大小等條件施工方法（擾動(dòng)程度）施工方法（擾動(dòng)程度）施工速度（圍巖的暴露時(shí)間）施工速度（圍巖的暴露時(shí)間）支護(hù)的施作

12、時(shí)間、時(shí)機(jī)支護(hù)的施作時(shí)間、時(shí)機(jī)支護(hù)的力學(xué)性能支護(hù)的力學(xué)性能支護(hù)與圍巖的協(xié)調(diào)狀態(tài)支護(hù)與圍巖的協(xié)調(diào)狀態(tài) 巖體的完整性：巖體的完整性：即巖體在遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和淺表生改造后的完整程度。包即巖體在遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和淺表生改造后的完整程度。包括兩個(gè)方面一個(gè)就是幾何完整性，另外一個(gè)就是力學(xué)完整性。括兩個(gè)方面一個(gè)就是幾何完整性，另外一個(gè)就是力學(xué)完整性。巖體的完整性：巖體的完整性：即巖體在遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和淺表生改造后即巖體在遭受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和淺表生改造后的完整程度。的完整程度。巖體的完整性有兩層含義巖體的完整性有兩層含義: 第第1 層含義是幾層含義是幾何何(宏觀形態(tài)宏觀形態(tài)) 完整性，完整性， 即從結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度出發(fā)來衡量

13、即從結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度出發(fā)來衡量的、肉眼可以看到的巖體完整程度，的、肉眼可以看到的巖體完整程度， 表征的指標(biāo)有表征的指標(biāo)有裂隙裂隙間距間距D、巖體體積節(jié)理數(shù)巖體體積節(jié)理數(shù)Jv 、巖石質(zhì)量指標(biāo)、巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD； 第第2 層層含義是力學(xué)含義是力學(xué)(工程工程) 完整性完整性(似完整性似完整性) ， 即撇開肉眼的完整即撇開肉眼的完整性判斷，性判斷， 從巖體滿足工程荷載的力學(xué)需求的角度來評(píng)價(jià)從巖體滿足工程荷載的力學(xué)需求的角度來評(píng)價(jià)的巖體完整性，的巖體完整性， 表征的指標(biāo)主要有表征的指標(biāo)主要有巖體體積節(jié)理數(shù)巖體體積節(jié)理數(shù)Jv 、巖體完整性系數(shù)巖體完整性系數(shù)Kv 等。巖體完整程度采用定性劃分和定等。巖體完整

14、程度采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法確定。量指標(biāo)兩種方法確定。圍巖級(jí)別圍巖或土體主要定性特征圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ或修正的圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ 堅(jiān)硬巖，巖體完整，巨整體狀或巨厚層狀結(jié)構(gòu)550堅(jiān)硬巖，巖體較完整，塊狀或厚層狀結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖，巖體完整，塊狀整體結(jié)構(gòu)550451堅(jiān)硬巖，巖體較破碎，巨塊(石)碎(石)狀鑲嵌結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖或較軟硬巖層，巖體較完整，塊狀體或中厚層結(jié)構(gòu)450351堅(jiān)硬巖，巖體破碎，碎裂結(jié)構(gòu)；較堅(jiān)硬巖，巖體較破碎破碎，鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)；較軟巖或軟硬巖互層，且以軟巖為主，巖體較完整較破碎，中薄層狀結(jié)構(gòu)350251土體：1 壓密或成巖作用的粘性土及砂性土；2 黃土(Ql、Q2)；3 一般

15、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎石土、卵石土、大塊右土較軟巖，巖體破碎；軟巖，巖體較破碎破碎；極破碎各類巖體，碎、裂狀，松散結(jié)構(gòu)250一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍濕至潮濕的碎石上，卵石土、圓礫、角礫土及黃土(Q3、Q4)。非粘性土呈松散結(jié)構(gòu)，粘性土及黃土呈松軟結(jié)構(gòu)軟塑狀粘性土及潮濕、飽和粉細(xì)砂層、軟土等注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級(jí)，如膨脹性圍巖、多年凍土等。注：本表不適用于特殊條件的圍巖分級(jí)，如膨脹性圍巖、多年凍土等。 巖體質(zhì)量分類:巖體=巖石+不連續(xù)結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、裂隙等），同時(shí)考慮圍巖所處的巖土環(huán)境，如地下水、地應(yīng)力、洞室線路方向等?？傊瑤r體質(zhì)量分類不是單一因素決定的，也就是說巖石強(qiáng)度很大

16、，巖體質(zhì)量分類不一定就高，還要看其它東西！巖體質(zhì)量分類是通過巖石的UCS（單軸抗壓）+GSI（地質(zhì)強(qiáng)度指標(biāo)，與結(jié)構(gòu)面有關(guān)）+巖石類別來確定巖體的一系列參數(shù) ，一定要建立起這個(gè)概念！圍巖級(jí)別（新規(guī)范）圍巖類別 （原設(shè)計(jì)規(guī)范） 穩(wěn)定性最好最差圍巖級(jí)別：圍巖級(jí)別：差異性差異性 、量的界定、等級(jí)、量的界定、等級(jí)圍巖類別：圍巖類別：統(tǒng)一性、質(zhì)的定性評(píng)價(jià)、屬性統(tǒng)一性、質(zhì)的定性評(píng)價(jià)、屬性級(jí)別和類別不能直接換算，簡單的說其基本上是相反的關(guān)系，類別越大巖層越好,級(jí)別越大巖層越差，即類圍巖對(duì)應(yīng)級(jí)圍巖,類圍巖對(duì)應(yīng)級(jí)圍巖,類圍巖對(duì)應(yīng)級(jí)圍巖,以此類推。Rc(MPa)60603030151550.750.750.550.550.350.350.150.15完整程度完整較完整較破碎破碎極破碎Jv與與Kv對(duì)照表對(duì)照表Jv35Kv0.750.750.550.550.350.350.150.15完整性系數(shù)與圍巖類別劃分完整性系數(shù)與圍巖類別劃分圍巖類別I(Vp2/Up2)0.81.00.60.80.40.60.20.40.2 Kv = I = Vp2/Up2 Vp2巖體的縱波速度巖體的縱波速度 Up2巖塊的縱波速度巖塊的縱