地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

會計學(xué)1地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析10.1基本概念及研究意義

?為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井以及地下飛機(jī)庫等。雖然它們規(guī)模不等，但都有一個共同的特點，就是都要在巖體內(nèi)開挖出具有一定橫斷面積和尺寸并有較大廷伸長度的洞子。所以周圍巖層的穩(wěn)定性就決定著地下建筑的安全和正常使用條件。

地下洞室開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。第1頁/共68頁

如果圍巖足夠強(qiáng)固，不會因卸荷回彈和應(yīng)力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著的變形和破壞，那么，開挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持穩(wěn)定。但是，有時或因洞室周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化大，或因巖體強(qiáng)度低，以致圍巖適應(yīng)不了回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力的作用而喪失其穩(wěn)定性。此時，如果不加固或加固而末保證質(zhì)量，都會引起破壞事故，對地下建筑的施工和運營造成危害。

為了保證地下建筑符合多快好省的原則，必須了解和掌握地下洞室圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形破壞機(jī)制和分析評價圍巖穩(wěn)定性的原理，以便能在工程地質(zhì)勘察過程中，為正確解決地下建筑設(shè)計和施工中的各類問題，提供充分而可靠的地質(zhì)依據(jù)。第2頁/共68頁10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布10.2.1圍巖應(yīng)力重分布的一般特點

如前所述，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)任何一點的初始應(yīng)力狀態(tài)(常稱為原巖應(yīng)力)通?？梢源怪闭龖?yīng)力(通常為主應(yīng)力)和水平正應(yīng)力來表示：

σv=σv0+γhσh=Nσv

式中：σv0值可以是零，也可以是常數(shù)第3頁/共68頁

由上式可知，巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化，因而對于具有一定尺寸的地下洞室來說，其垂直剖面上各點的原巖應(yīng)力大小是不等的，即地下洞室在巖體內(nèi)將是處在一種非均勻的初始應(yīng)力場中。但是按照森維南原理，由開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地下洞室橫剖面中最大尺寸的3~5倍[如圖10-2(a)]，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為“圍巖”。如果此范圍不超出地表，為簡化圍巖應(yīng)力的計算，就可沒有嚴(yán)重誤差地假定，在洞室的整個影響帶內(nèi)巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)與洞中心處是一樣的，這樣，就可按均勻應(yīng)力場來處理圍巖應(yīng)力的計算。實際上，巖石力學(xué)中圍巖應(yīng)力的近似計算都是根據(jù)這種假定進(jìn)行的。第4頁/共68頁圍巖應(yīng)力重分布的主要特征是：

徑向應(yīng)力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱恪?/p>

切向應(yīng)力在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達(dá)最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中(如圖10-3中的X軸方位)，在另一些部分，愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低，有時甚至于洞壁附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中(如圖10-3中z軸方位)。這樣，地下洞寶的開挖就將于圍巖內(nèi)引起強(qiáng)烈的主應(yīng)力分異現(xiàn)象，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周邊達(dá)最大值。

第5頁/共68頁第6頁/共68頁10.2.2圓--橢圓形洞室周邊壓力集中的一般規(guī)律

對于圓形---橢圓形洞室，周邊上可能的最大拉應(yīng)力集中和最大壓應(yīng)力集中分別發(fā)生于巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸與周邊垂直相交的A、B兩點，而兩點之間的應(yīng)力則介于上述兩個極值之間，呈逐漸過渡狀態(tài)(如圖10-4、10-5)?？梢娺@兩點是判定圍巖是否穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，只要了解這兩點的應(yīng)力情況，就能掌握這類洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律。第7頁/共68頁第8頁/共68頁第9頁/共68頁

根據(jù)彈性理論，圓--橢圓形地下洞室周邊A、B兩點的切向應(yīng)力可根據(jù)下式求得：

σθ

＝σv(α+βN）

(10-1)式中：(α+βN）稱為應(yīng)力集中系數(shù)（=σθ/σv）。

A點和B點的α和β值列于下表(表10-1)，符號見圖10-4。

αβA點B點-12（b/a)+12（a/b）+1-1

表10-1第10頁/共68頁圖10-6洞室周邊應(yīng)力集中系數(shù)第11頁/共68頁

10.2.2.1拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件

從圖10-6中可以看出，

(1)當(dāng)N＝1，任何軸比(b／a)的洞室，周邊上均不產(chǎn)生拉應(yīng)力，

(2)當(dāng)N＝0時，周邊上最大拉應(yīng)力總是產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞室周邊垂直相交的A點，且其應(yīng)力集中系數(shù)與洞形無關(guān)，軸比(b／a)為任何值時，σAθ

／σv均等于-1，

(3)當(dāng)0N1時，特定洞形有特定的產(chǎn)生拉應(yīng)力的臨界N值。同時，拉應(yīng)力仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞周垂直相交的部位．亦即當(dāng)N＜l時，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在A點，且N值愈低于臨界值，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大；當(dāng)N＞1時，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在B點，且N值愈高于臨界值，該處所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大。第12頁/共68頁第13頁/共68頁

10.2.2.2最大壓應(yīng)力集中的規(guī)律

圖10-6表明：

當(dāng)b／a＝N時，周邊上不產(chǎn)生拉應(yīng)力，且各點的壓應(yīng)力集中系數(shù)均相等，為該特定N值條件下，不同軸比洞室周邊上所可能產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)中的最小值，故穩(wěn)定條件最好。當(dāng)b／a＞N時，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于B點，且其應(yīng)力集中系數(shù)隨兩者差值的增大而增大。當(dāng)b／a＜N時，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于A點，且兩者的差值愈大，其應(yīng)力集中系數(shù)愈高。不同條件下洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中系數(shù)，可據(jù)式(10-1)或圖10-6求得。第14頁/共68頁10.2.3其它形狀洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律10.2.2.1方形--矩形洞室

圖10-7及圖10-8表明，方形--矩形洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中均產(chǎn)生于角點上，而且這些角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)隨洞室寬高比(B／H）的不同而變化，在不同的應(yīng)力場中(N值不同時)，大體上都是方形或近似于方形的洞室上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)為最低，隨著寬高比的增大或減小，洞室角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)則線性或近似于線性增大。不同條件下方形--矩形洞室角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)值，可根據(jù)圖10-7、圖10-8及表10-3的資料概略確定。

第15頁/共68頁

這類洞室周邊上最大拉應(yīng)力集中仍產(chǎn)生于初始最大主應(yīng)力與周邊垂直相交的A點，不同條件下這類洞室周邊上的最大拉應(yīng)力集中系數(shù)可據(jù)表10-2的資料概路確定。從表列資料中可以看出，這類洞室周邊上拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件，與圓一橢圓形洞室十分相似。10.2.3.2長圓形(圓拱直墻式)洞室

根據(jù)光彈試驗的資料，圖10-9所示斷面上各特征點的切向應(yīng)力仍可按式10-1求得。圖中各特征點的應(yīng)力集中系數(shù)中α和β值，列于表10-4中。

第16頁/共68頁第17頁/共68頁第18頁/共68頁第19頁/共68頁

根據(jù)上述資料可以看出，在一般情況下，這類洞室周邊上的最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生在邊墻腳處的E點，但當(dāng)N值大于7以后，周邊上的最大壓應(yīng)力集中則出現(xiàn)在洞室的頂拱A點處。最大拉應(yīng)力集中仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力與洞壁垂直相交的邊上。故在N＜1的應(yīng)力場中，隨著N值的降低，拉應(yīng)力首先出現(xiàn)在洞底的中點F處，其產(chǎn)生拉應(yīng)力的N值條件為N0.39，隨著N值的進(jìn)一步降低，F(xiàn)點處的拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)N降至小于0.25時，洞室頂拱的中點A點處也開始產(chǎn)生拉應(yīng)力；在N＞1的應(yīng)力場中，最大拉應(yīng)力集中產(chǎn)生在園拱與直墻的交界點c處，其出現(xiàn)拉應(yīng)力的N值條件為N＞2.1。第20頁/共68頁第21頁/共68頁10.2.4洞室周邊應(yīng)力與其形狀間的近似定量關(guān)系

根據(jù)森維南原理可知，洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，只要其表面是光滑的，主要受其局部幾何形態(tài)的控制。在如圖10-10所示的特例條件下，洞室周邊特定點A、B處的應(yīng)力與其形態(tài)間有如下定量關(guān)系：（點A、B

的位置與前述圖的位置相反）第22頁/共68頁

上述關(guān)系式表明，洞室周邊應(yīng)力與其曲率半徑呈負(fù)相關(guān)，而與其寬或高呈正相關(guān)關(guān)系。實際上，利用上述關(guān)系式可近似地計算任一形狀洞室周邊與主應(yīng)力垂直相交兩點(即A、B點)處的周邊應(yīng)力。例如，在圖10-11所示的情況下，只要先求出A、B兩點處的曲率半徑，即可按前述公式求得該兩點的周邊應(yīng)力。A點的曲率半徑可直接從圖中求出，B點的曲率半徑可近似地按其內(nèi)切橢圓的曲率半徑計算。按上述方法求得的周邊應(yīng)力分別為：σA＝3.96P，σB

＝-0.17P，與據(jù)邊界元法求得的數(shù)據(jù)（σA＝3.60P，σB＝-0.17P)十分接近?？梢?，這種簡易的近似計算完全能滿足工程設(shè)計的精度要求。第23頁/共68頁10.2.5圍巖特性及不連續(xù)面對圍巖應(yīng)力的影響

圖10-12表示圓形洞室圍巖不是理想彈性體時的應(yīng)力分布情況，它表明，當(dāng)圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有非線性特征，或圍巖具有較大蠕變特性時，洞室周邊附近的切向應(yīng)力要小于理想彈性巖層時的應(yīng)力；但當(dāng)遠(yuǎn)離洞壁一定距離后，巖層內(nèi)的切向應(yīng)力則要大于理想彈性巖層時的應(yīng)力，其變化情況如圖10-12中的虛線所示。第24頁/共68頁第25頁/共68頁

圖10-13表示地下洞室附近斷層等不連續(xù)面的存在對圍巖應(yīng)力分布的影響，它表明，當(dāng)洞室附近有一個斷層平行于洞壁通過時，任何一個位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體都要承受徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用[如圖10-13(b)]，從而使斷層面上產(chǎn)生剪應(yīng)力[如圖10-13(c)]。如果這種剪應(yīng)力的數(shù)值大于斷層泥或斷層角礫巖所能承受的應(yīng)力值，則這一單元就會發(fā)生位移，從而使得傳過斷層面的應(yīng)力較之沒有斷層時減小了一些，由于這種原因，在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化。

第26頁/共68頁

此外，應(yīng)力集中程度的增加還會因巖層的各向異性而引起。已被某些測量所驗證過的理論計算結(jié)果指出，各向異性巖層中的應(yīng)力集中遠(yuǎn)大于各向同性巖層。10.2.6相鄰洞室的存在對圍巖應(yīng)力的影響

由于圍巖內(nèi)某一點的總應(yīng)力等于兩個或多個洞室在該點引起的應(yīng)力之和，故相鄰洞室的存在通常使圍巖應(yīng)力(主要是壓應(yīng)力)的集中程度增高(圖10-14)，對洞室圍巖穩(wěn)定不利。因此，不同的業(yè)務(wù)部門規(guī)定了不同的最小安全洞室間距，例如水電部門規(guī)定，無壓隧洞相鄰洞室的最小間距為1.0-1.3倍洞跨，高壓隧洞之間的最小間距為0.15-0.6倍水頭。鐵道部門規(guī)定，兩相鄰單線隧道的最小間距按下表(表10-5)確定。第27頁/共68頁

圍巖類型VI

V—IVIIIIII最小間距（1.5—2.0）B（2.0—2.5）B（2.5—3.0）B（3.5—5.0）B>5.0B注:1.圍巖類型根據(jù)圍巖分類（見《工程地質(zhì)勘察》）確定，VI為硬巖，依次降低；

2.B為隧道的跨度。第28頁/共68頁10.3地下洞室圍巖的變形破壞及山巖壓力問題10.3.1圍巖變形破壞的一般過程和特點

地下洞室開挖常能使圍巖的性狀發(fā)生很大變化。促使圍巖性狀發(fā)生變化的因素，除上述的卸荷回彈和應(yīng)力重分布之外，還有水分的重分布。一般說來，洞室開挖后，如果圍巖巖體承受不了回彈應(yīng)力或重分布的應(yīng)力的作用，圍巖即將發(fā)生塑性變形成破壞。這種變形或破壞通常是從洞室周邊，特別是那些最大壓或拉應(yīng)力集中的部位開始，而后逐步向圍巖內(nèi)部發(fā)展的。

其結(jié)果?？稍诙词抑車纬伤蓜訋Щ蛩蓜尤?。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，通常在圍巖的表部形成應(yīng)力降低區(qū)，而高應(yīng)力集中區(qū)則向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，結(jié)果就在圍巖內(nèi)形成一定的應(yīng)力分帶，如圖10-15所示的水靜應(yīng)力場中(N＝1)圓形隧洞周圍的三個應(yīng)力帶就是圍巖塑性變形或破壞的發(fā)展所造成的。第29頁/共68頁圍巖表部低應(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，這不僅能進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件而且能使某些存在于圍巖表部易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹變形，造成很大的山壓。

圍巖巖體的變形和破壞的形式和特點，除與巖體內(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)。為了更清楚地說明這個問題，現(xiàn)將圍巖的變形、破壞的類型及其與圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系列于表10-6。

第30頁/共68頁圍巖類型巖體結(jié)構(gòu)變形、破壞形式產(chǎn)生機(jī)制脆性圍巖塊體狀結(jié)構(gòu)及厚層狀結(jié)構(gòu)

張裂塌落

拉應(yīng)力集中造成的張性破壞

劈裂剝落

壓應(yīng)力集中造成的壓致拉裂

剪切滑移及剪切破碎

壓應(yīng)力集中造成的剪切破壞及滑移拉裂

巖爆

壓應(yīng)力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破壞中薄層結(jié)構(gòu)

彎折內(nèi)鼓

卸荷回彈或壓應(yīng)力集中造成的彎曲拉裂

碎裂結(jié)構(gòu)

破碎松動

壓應(yīng)力集中造成的剪切松動塑性圍巖

層狀結(jié)構(gòu)

塑性擠出

壓應(yīng)力集中作用下的塑性流動

膨脹內(nèi)鼓

水分重分布造成的吸水膨脹散體結(jié)構(gòu)

塑性擠出

壓應(yīng)力作用下的塑流

塑流涌出

松散飽水巖體的懸浮塑流

重力坍塌

重力作用下的坍塌表10-6圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系第31頁/共68頁10.3.2脆性圍巖的變形和破壞

脆性圍巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅硬或半堅硬的脆性巖體。這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的，水分的重分布對其變形和破壞的影響較為微弱。這類圍巖變形破壞的形式和特點，除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)，一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型(見表10-6)，現(xiàn)分述如下。第32頁/共68頁10.3.2.1彎折內(nèi)鼓

這類變形破壞是層狀，特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。從力學(xué)機(jī)制來看，它的產(chǎn)生可能有兩種情況：一是卸荷回彈的結(jié)果；二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的。

由卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)(或者洞室埋深較大，或者水平地應(yīng)力較高)，而且總是在與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力垂直相交的洞壁上表現(xiàn)得最強(qiáng)烈．故當(dāng)薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時，洞室開挖后．薄層狀圍巖就會在回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生如圖10-16所示的彎曲、拉裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍倒。第33頁/共68頁

例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號支洞的下叉洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過程中，均發(fā)生過這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中，當(dāng)洞徑大于6m的洞體平行或近于平行(交角小于20。)陡傾的巖層走向時，在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞，而且一般都是在開挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號支洞，在樁號0十135m段的施工過程中，隨著開挖的進(jìn)行，巖層的彎折變形越來越嚴(yán)重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌倒，幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞，在0+360—0+470m段的施工過程中，洞體兩側(cè)壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓，開挖中曾用錨桿與工字鋼聯(lián)合封鎖支護(hù)，半月之后，變形巖體連錨桿與工字鋼突然坍落，方量達(dá)500m3，不得不停工處理。

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值得注意的是，在該區(qū)地表溢洪道的施工過程中，當(dāng)溢洪道平行于陡傾的巖層走向時，新開挖出的邊披巖體經(jīng)常在3-5天之內(nèi)即發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒破壞。由此可見，在該區(qū)所發(fā)生的上述兩類變形破壞(即地表邊坡巖體的傾倒和地下隧洞洞壁的彎折內(nèi)鼓)同是卸荷回彈與應(yīng)力釋放的結(jié)果。由壓應(yīng)力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的壓應(yīng)力集中的部位，通常是洞室的角點或與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力平行或近于平行的洞壁，故當(dāng)薄層狀巖體的層面與這類應(yīng)力高度集中部位平行或近于平行時，切向壓應(yīng)力往往超過薄層狀圍巖的抗彎折強(qiáng)度，從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。第35頁/共68頁

一些局部構(gòu)造條件，有時也有利于這類變形破壞的產(chǎn)生。如圖10-17所示情況，平行于洞室側(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)的應(yīng)力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應(yīng)力將高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往造成彎折內(nèi)鼓破壞。

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從這類變形、破壞的發(fā)生機(jī)制和發(fā)育特點中可以看出，在現(xiàn)代地應(yīng)力或構(gòu)造剩余應(yīng)力較高的薄層狀巖層內(nèi)修建這類地下洞室，圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對于區(qū)域最大主應(yīng)力方位有密切關(guān)系。通常，軸向垂直于最大主應(yīng)力方向的洞室，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于平行于最大主應(yīng)力方向者。這是因為：在洞軸垂直于水平最大主應(yīng)力的條件下，當(dāng)洞體平行或近于平行地通過陡傾巖層時強(qiáng)烈的卸荷回彈會使垂直于最大主應(yīng)力方向的洞壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓，而當(dāng)洞體通過平緩巖層時，高度的應(yīng)力集中又會使平行于最大主應(yīng)力的洞室頂?shù)装?，特別是頂拱，因彎折內(nèi)鼓的發(fā)展而嚴(yán)重坍塌。第37頁/共68頁10.3.2.2

張裂塌落

張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過圍巖的抗拉強(qiáng)度時，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是當(dāng)那里發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時，即使產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小也可使巖體拉開產(chǎn)生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定，特別是當(dāng)有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時，往往造成頂拱的塌落。但是在N0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小會使頂拱處的拉應(yīng)力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力(如圖10-18)。當(dāng)頂拱處的拉應(yīng)力減小至小于巖體的抗拉強(qiáng)度時，頂拱圍巖就趨于穩(wěn)定。第38頁/共68頁第39頁/共68頁

10.3.2.3

劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動

這三種破壞形式都發(fā)生于壓應(yīng)力、特別是最大壓應(yīng)力集中的部位。

1.劈裂剝落

過大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圍巖切割成厚度由幾厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落[如圖l0-19(b)]。破裂的范圍一般不超過洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強(qiáng)度時，這些劈裂板還可能被壓彎、折斷并造成塌方，轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。第40頁/共68頁

劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)，視圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生于頂拱，也可發(fā)生于邊墻之上，前者造成頂拱的片狀冒落，后者則造成通常所謂的片幫。

2.剪切滑移

這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生在邊墻上，也可發(fā)生于頂拱。

第41頁/共68頁

在水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的應(yīng)力場中(N＞1)，這類破壞多發(fā)生在頂拱壓應(yīng)力集中程度較高，且有斜向斷裂發(fā)育的部位，圖10-20(a)就表示了這種情況。位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體通常具有如圖10-20(b)所示的應(yīng)力狀態(tài)。由于切向應(yīng)力σθ很大，而徑向應(yīng)力σr很小，故沿斷層面作用的剪應(yīng)力比較高，而正應(yīng)力卻比較小，所以，沿斷層面作用的剪應(yīng)力往往會超過其抗剪強(qiáng)度，引起沿斷層的剪切滑移。這種滑移又會引起次生的拉應(yīng)力[大體上垂直于因10-20(a)中的虛線]，從而使斷層與虛線間的三角形巖體因滑移拉裂而冒落。第42頁/共68頁

3．碎裂松動

碎裂松動是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應(yīng)力超過了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類圍巖就會因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯動而松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動帶或松動圈。這類松動帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當(dāng)有地下水的活動參與時，極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動帶的厚度會隨時間的推移而逐步增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過度發(fā)展，必須及時采取加固措施。第43頁/共68頁

上述二類破壞所引起的洞室寬高比的變化，一方面會使洞形急劇變化部分的圍巖表部的切向壓應(yīng)力的集中程度隨之急劇增大，另外還會在與最大主應(yīng)力相垂直的洞壁上引起拉應(yīng)力，從而進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，引起圍巖累進(jìn)性破壞。如圖10-21所示，就是一個寬高比為6的矩形坑道，在N＝3的應(yīng)力場中，頂拱擠壓破壞所引起的洞形變化與圍巖應(yīng)力變化之間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)破壞所造成的崩落向上發(fā)展時，頂板中央的壓應(yīng)力迅速隨冒落高度增高而增大，在這種場合下，如不及時采取措施，頂拱的崩落作用必將累進(jìn)性的加速發(fā)展，造成嚴(yán)重后果。

第44頁/共68頁10.3.2.4

巖爆

1．有關(guān)巖爆的基本概念

在地下開挖或開采過程中，圍巖的破壞有時會突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來，這就是所謂的巖爆。當(dāng)巖爆發(fā)生時，巖石或煤等突然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達(dá)幾十噸，小者長僅幾厘米。大型巖爆通常伴有劇烈的氣浪和巨響,甚至還伴有周圍巖體的振動。巖爆對于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害。大者能破壞支護(hù)、堵塞坑道，造成重大的傷亡事故。小者也能威脅工人的安全。因此，研究這類破壞的發(fā)生、發(fā)展與防治，對于地下開挖工作的安全與經(jīng)濟(jì)有著重要意義。第45頁/共68頁

2．巖爆的類型和特點

按發(fā)生的部位及所釋放的能量類型，巖爆有不同的類型

(1)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆

在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的中小型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時發(fā)出如機(jī)槍射擊的劈劈拍拍響聲，故被稱為巖石射擊。成昆線官村壩隧道(最大埋深達(dá)1600m)開挖過程中通過震旦系灰?guī)r時就曾發(fā)生過這類巖爆。它一般發(fā)生在新開挖的工作面附近，爆破后2~3h，圍巖表部巖石常發(fā)出如上所述的爆裂聲，同時有中厚邊薄的不規(guī)則片狀巖塊自洞壁圍巖中彈射出或剝落。第46頁/共68頁彈出者一般塊度較小，多呈幾cm長、寬的薄片，個別達(dá)幾十cm長、寬，但爆裂聲較大，且爆裂與彈射幾乎同時發(fā)生；剝落者一殷塊度較大，可達(dá)幾m長、寬，但爆聲較小，且多在爆裂聲的幾分鐘或更長些時間后方脫離母巖而自由墜下。這類巖爆多發(fā)生于表面平整、有硬質(zhì)結(jié)核或軟弱面的地方，且多平行于巖壁發(fā)生，事前無明顯的預(yù)兆。

(2)礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆

發(fā)生于一些探礦坑中的大型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時通常伴有劇烈的氣浪和巨響，甚至還伴有周圍巖體的強(qiáng)烈振動，破壞力很大，對地下采掘工作造成嚴(yán)重的危害，故常被稱之為礦山打擊或沖擊地壓。第47頁/共68頁

在煤礦中，這類巖爆多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內(nèi)[如圖10-22(a)的s區(qū)]，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，而這一區(qū)域與坑道間(ht區(qū))的煤則大塊地被拋到巷道中，并伴隨著巨大的響聲、振動和氣浪，破壞力極大。這類沖擊地壓發(fā)生之前，?？捎X察到支護(hù)上或煤柱中壓力的增大，有時還會出現(xiàn)霹靂聲或振動，但有時則沒有明顯的預(yù)兆。四川綿竹天池煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多m遠(yuǎn)。第48頁/共68頁

(3)斷層錯動引起的巖爆

這類巖爆產(chǎn)生的條件如圖10-22(c)所示，即當(dāng)坑道以小角度逼近一個潛在的活動斷層時，坑道的開挖使作用于斷層面上的正應(yīng)力減小，從而使沿斷層面的摩阻力降低，引起斷層突然再活動，形成巖爆，這類巖爆一般發(fā)生在構(gòu)造活動區(qū)的探礦井中，破壞性很大，且影響范圍較廣。

3．巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機(jī)制

本質(zhì)上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。從產(chǎn)生條件方面來看，高儲能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在條件，而某些因素的觸發(fā)效應(yīng)則是巖爆產(chǎn)生的外因。常發(fā)生的部位如下：第49頁/共68頁

(1)由原巖應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖內(nèi)的最大壓應(yīng)力集中區(qū)。

(2)圍巖表部的高變異應(yīng)力及殘余應(yīng)力分布區(qū)(如圖10-25)以及由巖性條件所決定的局部應(yīng)力集中區(qū)，如夾于軟巖中的堅硬巖體。

(3)斷層、軟弱破碎巖墻或巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)面附近，洞體與這些軟弱結(jié)構(gòu)面所形成的應(yīng)力集中局部增高區(qū)(圖10-27)。圖10-28更清楚地說明了這個問題。它是其隧洞以銳角穿越一破碎巖墻時發(fā)生巖爆的實際情況。在開挖向前推進(jìn)的過程中，當(dāng)隧洞處于圖10-28(a)及(c)的位置時，在緊鄰巖墻的洞壁上均發(fā)生了巖爆，而當(dāng)隧洞遠(yuǎn)離巖墻或在巖墻之內(nèi)時則無巖爆發(fā)生。

第50頁/共68頁

(4)已有洞體內(nèi)，由于新開挖影響而出現(xiàn)的高應(yīng)力區(qū)(如圖10-29)。10.3.3塑性圍巖的變形與破壞塑性圍巖包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體(如頁巖、泥巖和粘土巖等)和散體結(jié)構(gòu)巖體。這類圍巖的變形與破壞，主要是在應(yīng)力重分布和水分重分布的作用下發(fā)生的．主要有塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同類型，現(xiàn)分述如下：10.3.3.1塑性擠出洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的屈服強(qiáng)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。在一般情況下，容易被擠出的巖體主要包括：

第51頁/共68頁

(1)固結(jié)程度較差的泥巖、粘土巖；

(2)各種富含泥質(zhì)的沉積或變質(zhì)巖層(如泥巖、頁巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪切破碎帶，

(3)火成巖中的富含泥質(zhì)的風(fēng)化破碎夾層等，特別是當(dāng)這些巖體富含水分處于塑性狀態(tài)時，就更易于被擠出。未經(jīng)構(gòu)造或風(fēng)化擾動且固結(jié)程度較高的泥質(zhì)沉積巖及變質(zhì)巖層則不易于被擠出。第52頁/共68頁

10·3.3.2

膨脹內(nèi)鼓

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)果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形。這類膨脹變形顯然是由圍巖內(nèi)部的水分重分布引起的，除此之外，開挖后暴露于表部的這類巖體有時也會從空氣中吸收水分而使自身膨脹。第53頁/共68頁

遇水后易于膨脹的巖石主要有兩類。一類是富含粘土礦物(特別是蒙脫石)的塑性巖石，如泥質(zhì)巖、粘土巖、膨脹性粘土等。隧道圍巖中有浸水后體積增大2.9％的巖石就會給開挖造成很大困難，而有些遭受熱液變質(zhì)的富含蒙脫石礦物的巖石，浸水后體積可增加14％~25％。因此，這類巖層的膨脹變形能對各類地下建筑物的施工和運行造成很大危害。另一類是含硬石膏的地層。硬石膏遇水后就會發(fā)生水化而轉(zhuǎn)化為石膏，體積隨之而增大。所以穿過這類地層的隧道往往遇到因硬石膏水化膨脹而產(chǎn)生的強(qiáng)大山壓，給隧道的施工和運行帶來很大困難。第54頁/共68頁10.3.3.3塑流涌出

當(dāng)開挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)的松散破碎物質(zhì)時，這些物質(zhì)就會和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌人洞中，有時甚至可以堵塞坑道，給施工造成很大的困難。10.3.3.4

重力坍塌

破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。第55頁/共68頁

10.3.4

圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題

10.3.4.1

圍巖變形破壞的累進(jìn)性發(fā)展

大量的實踐表明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均一性及各向異性，那些應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又相對較低的部位往往是累進(jìn)性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力--強(qiáng)度關(guān)系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其它部位轉(zhuǎn)移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發(fā)展，連鎖反應(yīng)，終將導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。第56頁/共68頁

因此，在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分析、評價時，必須充分考慮圍巖累進(jìn)性破壞的過程和特點，針對控制圍巖失穩(wěn)定破壞的關(guān)鍵部位采取有效措施，以防止累進(jìn)性破壞的發(fā)生和發(fā)展，這正是支護(hù)設(shè)計的關(guān)鍵所在。一般說來，地下工程圍巖變形破壞累進(jìn)性發(fā)展的過程和特點主要取決于三方面因素：(1)原巖應(yīng)力的方向及大?。?2)地下洞室的形狀及尺寸，(3)巖體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度。所以，具體條件不同，圍巖累進(jìn)性破壞的過程和特點也迥異。第57頁/共68頁10.3.4.2

山巖壓力問題

1．基本概念

設(shè)計隧道或其它地下洞室時，如果工程地質(zhì)分析與巖體力學(xué)計算的結(jié)果表明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)計相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達(dá)到這個目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相互作用。這種相互作用的力，對于支襯結(jié)構(gòu)來說，就是所謂的山巖壓力(或簡稱山壓)，它是設(shè)計支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)?？梢?，上面討論的圍巖應(yīng)力與山壓是有原則區(qū)別的，前者是圍巖巖體中的內(nèi)力，后者是圍巖作用于支襯結(jié)構(gòu)上的外力，前者轉(zhuǎn)化為后者是有條件的。第58頁/共68頁

如果圍巖足夠強(qiáng)固，完全能夠承受住圍巖應(yīng)力的作用，當(dāng)然也就不需進(jìn)行支護(hù)。只有當(dāng)圍巖因適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力的作用而產(chǎn)生過大的變形或破壞時，圍巖才會向支撐結(jié)構(gòu)施加擠壓力，形成山壓。

2關(guān)于山壓的計算（1）變形山壓主要是由圍巖的塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、剪切碎裂以及彎折內(nèi)鼓等類型變形破壞所造成的，多呈塑性、半脆性。采用彈塑性力學(xué)的方法計算，詳見巖體力學(xué)。（2）散體山壓主要是由圍巖的張裂塌落、剪切滑移、碎裂松動以及重力坍塌等類型的變形破壞引起的。計算方法主要有基于塌落體理論的普氏及太沙基的山壓計算法、地質(zhì)分析計算法以及經(jīng)驗公式估算法等。第59頁/共68頁（3）鐵道部門的經(jīng)驗公式圍巖垂直均布壓力：p=0.45**

*26-s

式中：

---寬度影響系數(shù)，

=1+i（B-5），

B<5時，i=0.2；B>5時，i=0.1s---圍巖類別數(shù)

圍巖水平均布壓力q按下表取值。（4）水電部門的經(jīng)驗公式P=Sy**Bq=Sx**H第60頁/共68頁10.4

地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評價10.4.l

影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析

第一類因素是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的。主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和