工程地質(zhì)學(xué)原理課件-第六章 地下工程

工程地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第六章地下工程概述人工開挖或天然存在于巖土體內(nèi)的構(gòu)筑物統(tǒng)稱為地下工程分類按其內(nèi)壁是否有內(nèi)水壓作用：無壓洞室、有壓洞室按其斷面形狀：圓形、矩形、馬蹄形等按洞室軸線與水平面對關(guān)系：水平洞室、豎井、傾斜洞室按圍巖介質(zhì)類型：土洞、巖洞制約長大隧道發(fā)展的因素：施工技術(shù)掘進(jìn)技術(shù)、通風(fēng)技術(shù)、支護襯砌技術(shù)施工地質(zhì)災(zāi)害硬巖巖爆、軟巖大變形、高壓涌突水、高地溫、瓦斯突出等地下開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布由于地下開挖，圍巖就要向洞室內(nèi)松漲位移，則改變了相鄰巖體的相對平衡關(guān)系，引起巖體內(nèi)一定范圍內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變及能量重新調(diào)整，達(dá)到新的平衡狀態(tài)。把應(yīng)力影響范圍內(nèi)的巖體稱為圍巖。圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力狀態(tài)與巖體的力學(xué)屬性、天然應(yīng)力及洞室斷面形狀等因素密切相關(guān)。彈性圍巖重分布應(yīng)力假定一半徑為R0的水平圓形洞室，深埋于均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性巖體中，開挖后仍保持彈性。用彈性理論表述出圍巖中任意一點M（r,θ）的力學(xué)模型式中σr

σθ

τrθ

為別為M點的徑向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力和剪切力，θ為M點的極角，自水平軸（x軸）起始，逆時針方向為正，r為極距。當(dāng)天然的水平應(yīng)力和鉛直應(yīng)力和洞室半徑一定時，圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力σr

σθ

τrθ

是位置（r,θ）的函數(shù)。令r=R0則洞壁應(yīng)力為上式表明：洞壁上的τrθ=0，σr=0，僅有σθ作用，為單向應(yīng)力狀態(tài)，其大小與水平應(yīng)力、鉛直應(yīng)力和θ有關(guān)

當(dāng)水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力均等于σ0時則有上式表明：當(dāng)天然應(yīng)力為靜水壓力狀態(tài)時，圓形洞室圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力，因τrθ=0，σr

σθ

均為主應(yīng)力，且σθ

恒為最大主應(yīng)力，σr

橫為最小主應(yīng)力。在洞壁位置即r=R0時，徑向應(yīng)力等于0，環(huán)向應(yīng)力σθ

為2σ0隨著離洞壁越遠(yuǎn)，即r增大，徑向應(yīng)力逐漸增大，環(huán)向應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)距離為6R0

時，環(huán)向與徑向應(yīng)力均接近天然應(yīng)力狀態(tài)所以圍巖應(yīng)力重分布的6R0

范圍的巖體，稱為圍巖塑性圍巖重分布應(yīng)力塑性圈和應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力無關(guān)，而取決于支護力和圈內(nèi)巖體的強度塑、彈性區(qū)交界面上的應(yīng)力取決于天然應(yīng)力和巖體強度，與支護力無關(guān)說明支護力不能改變交界面上的應(yīng)力，只能控制塑性松動圈半徑的大小。圍巖的變形與破壞地下洞室促使圍巖巖性狀發(fā)生變化的因素主要是：卸荷回彈、應(yīng)力重分布及水分重分布。圍巖變形破壞的形式與特點，出與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。圍巖變形破壞是由外向內(nèi)逐步發(fā)展的結(jié)果，?？稍诙词抑車纬伤蓜尤?，圍巖內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也將因松動圈內(nèi)的應(yīng)力被釋放而重新調(diào)整，形成一定的應(yīng)力帶。巖體表部低應(yīng)力區(qū)的形成往往又會促使巖體內(nèi)部的水分由高應(yīng)力區(qū)向圍巖的表部轉(zhuǎn)移，這不僅進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，而且能使某些易于吸水膨脹的表部圍巖發(fā)生強烈的膨脹。脆性圍巖的變形破壞

脆性圍巖的變形破壞的形式和特點與巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，主要取決于圍巖的結(jié)構(gòu)張裂坍落

當(dāng)鉛直應(yīng)力大于水平應(yīng)力時，且具有厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中開挖寬高比較大的地下洞室是，在其頂拱常產(chǎn)生切向拉應(yīng)力。超過圍巖的屈服強度，則頂拱圍巖內(nèi)就會產(chǎn)生近于垂直的張裂縫。被裂縫切割的巖體中自重作用下變得不穩(wěn)定，若水平法向有軟弱的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，往往發(fā)生頂拱塌落劈裂多發(fā)生在地應(yīng)力較高的厚層塊或者塊體結(jié)構(gòu)的圍巖中，較大的切向應(yīng)力集中于邊壁附近，在圍巖表部發(fā)生一系列平行于洞壁的破壞，將洞壁巖體切成板狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)切向壓應(yīng)力大于其抗彎強度時，板狀巖體將被壓彎，折斷，造成塌方剪切滑動或剪切破壞

在厚層狀或塊體結(jié)構(gòu)的巖體中開挖地下洞室時，在切向壓力集中較高，且有斜向斷裂發(fā)育的洞頂或洞壁部位往往發(fā)生剪切滑動類型的破壞巖爆巖爆是圍巖的一種劇烈的脆性破壞，常以“爆炸”的形式出現(xiàn)。巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面條件：高儲能體的存在，即高強度、塊體、或者厚層狀的脆性巖體，且應(yīng)力接近于巖體強度。附加荷載的觸發(fā)。一般是機械開挖、爆破及圍巖局部破裂造成的彈性震蕩。開挖的迅速推進(jìn)，或累積性破壞所引起的應(yīng)力突然某些部位集中。彎折內(nèi)鼓

在層狀，特別是在薄層狀巖層中開挖地下洞室易發(fā)生彎折內(nèi)鼓。這類變形破壞主要是卸荷回彈和應(yīng)力集中使洞壁的切向壓應(yīng)力超過薄層巖層的抗彎強度而造成由卸荷回彈和應(yīng)力集中所造成的彎折內(nèi)鼓主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)。塑性圍巖的變形破壞

塑性圍巖的變形破壞除與重力分布有關(guān)外，水分重分布對其也有主要影響。擠出洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的屈服強度時，軟弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。被擠出的巖體多是固結(jié)程度差，富含泥質(zhì)軟弱巖層，以及擠壓破碎或風(fēng)化破碎的巖體。膨脹膨脹分為吸水膨脹和減壓膨脹洞室開挖后，圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果可使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹變形。此外，暴露于表部的巖體也會吸收空氣中的水分。

吸水的巖石主要是富含粘土礦物（特別是蒙脫石）的塑性巖石和硬石膏。減壓膨脹型的變形通常發(fā)生在特