巖石力學(xué)課件圍巖穩(wěn)定

巖石力學(xué)課件圍巖穩(wěn)定第一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

引言安全生產(chǎn)是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的頭等大事隧道（洞）工程是高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)每年，地下工程施工中由于設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)引發(fā)的塌方事故造成的人員傷亡上萬(wàn)、國(guó)家財(cái)產(chǎn)損失幾十億如何評(píng)判隧洞圍巖的穩(wěn)定性？

第二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日8.地下工程圍巖穩(wěn)定性8.1

圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析8.2彈塑性力學(xué)分析法8.3圍巖壓力8.4隧道支護(hù)與新奧法8.5塊體理論應(yīng)用實(shí)例8.6存在的問(wèn)題第三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日§8-1地下工程圍巖穩(wěn)定性分析與壓力計(jì)算根據(jù)圍巖的結(jié)構(gòu)不同，地下工程可采用不同分析方法。

完整結(jié)構(gòu)的巖體：彈性/彈塑性力學(xué)分析塊狀結(jié)構(gòu)巖體：塊體平衡理論分析碎裂和松散結(jié)構(gòu)巖體：松散體力學(xué)分析各向同性巖體各向異性巖體第四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析

圍巖：坑道周?chē)l(fā)生應(yīng)力重新分布的巖體稱(chēng)為圍巖。

次生應(yīng)力狀態(tài)（二次應(yīng)力狀態(tài)）：原巖因受開(kāi)挖擾動(dòng)，其應(yīng)力重新分布，圍巖中重新分布后的應(yīng)力狀態(tài)，稱(chēng)為次生應(yīng)力狀態(tài)，或二次應(yīng)力狀態(tài)。

基本假定：巖體為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。

研究圍巖應(yīng)力狀態(tài)的方法：將巷道和圍巖視為無(wú)重量的有孔平板的平面應(yīng)變問(wèn)題。平板所受到的外力即為原巖應(yīng)力。第五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布設(shè)原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q，作用在圍巖邊界，忽略圍巖自重的影響，按彈性理論中的基爾希公式計(jì)算圍巖中任一點(diǎn)M（r，θ）的應(yīng)力（a為洞半徑）：8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布

（1）當(dāng)r→∞時(shí)，

上式即為極坐標(biāo)中的原巖應(yīng)力。8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布

（2）當(dāng)r＝a時(shí)，即坑道周邊的應(yīng)力為：

式中：λ=q/p

為側(cè)壓力系數(shù)。或：8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1、圓形坑道圍巖應(yīng)力分布

（3）當(dāng)p=q,即λ=1時(shí)，

λ=1（軸對(duì)稱(chēng)）時(shí)對(duì)圓形坑道圍巖應(yīng)力分布最有利。8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)r=a，坑道周邊應(yīng)力為：

當(dāng)r→∞時(shí)，坑道原巖應(yīng)力為：

圓形坑道開(kāi)挖應(yīng)力擾動(dòng)范圍為坑道半徑的3－5倍。

8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布設(shè)橢圓形斷面長(zhǎng)軸為水平方向，長(zhǎng)半軸為a，短半軸為b，原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q=λp，坑道周邊任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力σr切向應(yīng)力σθ剪應(yīng)力τrθ

，根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算公式為：8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布式中：m=b/a,叫軸比；β周邊計(jì)算點(diǎn)的偏心角。8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日例：λ＝1/4條件下，不同軸比m對(duì)應(yīng)的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)處的σθ：

可見(jiàn)，橢圓形長(zhǎng)軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，坑道周邊不出現(xiàn)切向拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較合理，等應(yīng)力軸比時(shí)最好。8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

2、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布

滿(mǎn)足上式的軸比叫等應(yīng)力軸比。在等應(yīng)力軸比的條件下，橢圓形坑道頂?shù)装逯悬c(diǎn)和兩幫中點(diǎn)的切向應(yīng)力相等，周邊應(yīng)力分布比較均勻。可見(jiàn)，在原巖應(yīng)力(p,λp）一定的條件下，σθ隨軸比m而變化。為了獲得合理的應(yīng)力分布，可通過(guò)調(diào)整軸比m來(lái)實(shí)現(xiàn)。8.1圍巖與襯砌應(yīng)力分布的彈性力學(xué)分析第十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日返回當(dāng)時(shí)，矩形洞室周邊均為壓應(yīng)力當(dāng)時(shí)，洞室周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力矩形洞室周邊角點(diǎn)應(yīng)力遠(yuǎn)大于其它部位的應(yīng)力a第十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日8.2彈塑性力學(xué)分析法圍巖應(yīng)力的變化規(guī)律及其分布狀態(tài)根據(jù)圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)，可將坑道周?chē)鷰r體分為4個(gè)區(qū)域：1、應(yīng)力松弛區(qū)2、塑性強(qiáng)化區(qū)3、彈性區(qū)4、原巖應(yīng)力區(qū)第十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日圍巖與支護(hù)相互作用原理

8.2彈塑性力學(xué)分析法第十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日圍巖應(yīng)力分布的共同特點(diǎn)

（1）無(wú)論坑道斷面形狀如何，周邊附近應(yīng)力集中系數(shù)最大，遠(yuǎn)離周邊，應(yīng)力集中程度逐漸減小，在距巷道中心為3-5倍坑道半徑處，圍巖應(yīng)力趨近于與原巖應(yīng)力相等。

（2）坑道圍巖應(yīng)力受側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ、坑道斷面軸比的影響，一般坑道斷面長(zhǎng)軸平行于原巖最大主應(yīng)力方向時(shí)，能獲得較好的圍巖應(yīng)力分布；而當(dāng)坑道斷面長(zhǎng)軸與短軸之比等于長(zhǎng)軸方向原巖最大主應(yīng)力與短軸方向原巖應(yīng)力之比時(shí)，坑道圍巖應(yīng)力分布最理想。這時(shí)在巷道頂?shù)装逯悬c(diǎn)和兩幫中點(diǎn)處切向應(yīng)力相等，并且不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

（3）坑道斷面形狀影響圍巖應(yīng)力分布的均勻性。通常平直邊容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大剪應(yīng)力集中，都不利于坑道穩(wěn)定。

（4）坑道影響區(qū)隨坑道半徑增大而增大，相應(yīng)應(yīng)力集中區(qū)也隨坑道半徑增大而增大。如果應(yīng)力很高，在周邊附近應(yīng)力超過(guò)巖體承載能力而產(chǎn)生破裂區(qū)半徑也將較大。

（5）上述特征都是在假定坑道周邊圍巖完整(彈性)的情況下才具備的。在采用爆破方法開(kāi)挖的坑道中，由于爆破的松動(dòng)和破壞作用，坑道周邊往往不是應(yīng)力集中區(qū)，而是應(yīng)力降低區(qū)，此區(qū)域又叫爆破松動(dòng)區(qū)。該區(qū)域的范圍一般在0.5m左右；往內(nèi)分別為應(yīng)力集中區(qū)（塑性強(qiáng)化區(qū)）、彈性區(qū)、原巖應(yīng)力區(qū)。返回第十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日一、圍巖壓力的基本概念狹義圍巖壓力：圍巖作用于支護(hù)上的壓力，也稱(chēng)山巖壓力。（圍巖和支護(hù)被看成獨(dú)立的兩個(gè)體系）廣義圍巖壓力：支護(hù)與圍巖是一個(gè)共同體，二次應(yīng)力的全部作用力視為圍巖壓力。

1、松動(dòng)壓力：松動(dòng)脫落圍巖，作用在支護(hù)上的巖體的自重荷載（自然拱、掉塊，……）及時(shí)支護(hù)減小松動(dòng)范圍、控制松動(dòng)區(qū)發(fā)展。2、變形壓力阻止圍巖塑性變形時(shí)，作用在支護(hù)上的壓力。3、沖擊壓力：巖體中的能量突然釋放（巖爆）所形成的壓力。4、膨脹壓力：圍巖膨脹所形成的壓力只有松動(dòng)壓力和塑性變形壓能夠計(jì)算。8.3圍巖壓力第二十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、太沙基的圍巖壓力計(jì)算方法由單元體的平衡條件推出圍巖壓力1、基本假設(shè)（1）認(rèn)為巖體是松散體，但存在一定的粘聚力，且服從庫(kù)侖準(zhǔn)則：（2）圍巖的滑移模式和外力情況如圖所示2、圍巖壓力計(jì)算邊界條件：微元體的平衡條件：

第二十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)D7-16垂直地層壓力計(jì)算圖第二十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）適用條件：H<50m。解該微分方程，并令z=H得洞頂壓力：

-原巖應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)洞室兩邦的壓力:第二十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日三、影響圍巖壓力的因素

1、地質(zhì)方面的因素（自然屬性）（1）完整性或破碎程度。（2）結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、分布密度、力學(xué)性質(zhì)、充填物性質(zhì)及其充填狀態(tài)。（3）地下水的活動(dòng)狀況。（4）巖體的性質(zhì)和強(qiáng)度。

第二十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2、工程方面的因素

（1）洞室的形狀和尺寸

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和剛度支護(hù)作用：阻止圍巖變形，維護(hù)圍巖穩(wěn)定支護(hù)外部支護(hù)內(nèi)承支護(hù)剛性柔性第二十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）洞室的位置、尺度和覆蓋層厚度。（4）施工中的技術(shù)措施。例如，控制爆破（光、預(yù)裂）開(kāi)挖順序（5）洞室的軸線(xiàn)走向2、工程方面的因素

第二十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1、圍巖整體穩(wěn)定，可能有局部掉落。（爆破震動(dòng)、局部裂隙切割）2、脆性斷裂破壞拉裂破壞，一般在洞頂。3、松散、冒頂、片幫→自然拱4、圍巖膨脹底鼓5、形成塑性滑移面四、水平洞室圍巖的主要破壞形式第二十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日自然冒落拱第二十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日水平或緩傾斜堅(jiān)硬巖層巷道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)急傾斜堅(jiān)硬巖層高邊墻塌落取決于節(jié)理分布第二十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日脆性裂隙巖體巷道圍巖頂部掉塊模型軟巖巷道嚴(yán)重底鼓現(xiàn)象

第三十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日軟巖巷道圍巖的膨脹現(xiàn)象返回第三十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，構(gòu)成共同存載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)全部圍巖壓力。8.4隧道支護(hù)與新奧法簡(jiǎn)介8.4.1隧道支護(hù)8.4.2新奧法簡(jiǎn)介第三十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日8.4.1隧道支護(hù)一、離壁式支護(hù)的力學(xué)作用

特點(diǎn)：離壁式支護(hù)結(jié)構(gòu)如木支架、鋼支架、混凝土砌碹以及鋼筋混凝土支架等與圍巖部分點(diǎn)接觸和部分面接觸。

1、被動(dòng)承受?chē)鷰r壓力。2、支護(hù)及時(shí)時(shí)，在點(diǎn)接觸或面接觸處承受?chē)鷰r所產(chǎn)生的壓力（變形壓力），未與圍巖接觸處承受?chē)鷰r松脫冒落的自重應(yīng)力（松動(dòng)壓力）。3、在完全不接觸的情況下，或支護(hù)不及時(shí)時(shí)，圍巖已發(fā)生松脫，則只承受松動(dòng)壓力。第三十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用

特點(diǎn)：噴錨支護(hù)是噴射混凝土支護(hù)與錨桿支護(hù)的聯(lián)合支護(hù)，其特點(diǎn)是通過(guò)加固圍巖，提高圍巖的自承能力達(dá)到維護(hù)坑道的目的。1、噴射混凝土的力學(xué)作用

（1）加固圍巖。（2）改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。2、錨桿支護(hù)的力學(xué)作用（1）錨桿的受力狀態(tài)端部錨固式錨桿全長(zhǎng)粘結(jié)式錨桿8.4.1隧道支護(hù)第三十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用2、錨桿支護(hù)的力學(xué)作用（1）錨桿群的力學(xué)作用8.4.1隧道支護(hù)第三十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用2、錨桿支護(hù)的力學(xué)作用（1）錨桿群的力學(xué)作用

A、組合懸吊作用

8.4.1隧道支護(hù)第三十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用2、錨桿支護(hù)的力學(xué)作用（1）錨桿群的力學(xué)作用

B、擠壓加固作用

8.4.1隧道支護(hù)第三十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用3、噴錨聯(lián)合支護(hù)的力學(xué)作用（1）開(kāi)挖后，在坑道周邊形成松動(dòng)圈和塑性變形區(qū)。噴射混凝土支護(hù)，一方面水泥砂漿的膠結(jié)作用提高了松動(dòng)圈的整體穩(wěn)定性，另一方面噴射混凝土層的柔性，允許圍巖發(fā)生較大的位移而不發(fā)生松脫，能充分發(fā)揮圍巖的自支承能力。（2）錨桿的擠壓加固與圍巖變形的相互作用，進(jìn)一步加固圍巖，提高其整體承壓能力。噴錨聯(lián)合支護(hù)是軟弱破碎巖體的一種最有效的支護(hù)形式，具有主動(dòng)加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖的自支承能力、良好的抗震性能等優(yōu)點(diǎn)。8.4.1隧道支護(hù)第三十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

“新奧地利隧道施工法”（NATM－NewAustraliaTunnellingMethod）法，由奧地利學(xué)派創(chuàng)始人之一米勒教授提出的。包括三方面的內(nèi)容：1、支護(hù)-圍巖共同作用原理。2、柔性支護(hù)觀(guān)點(diǎn)/錨噴網(wǎng)綜合支護(hù)主要支護(hù)手段。3、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)一條龍作業(yè)方式。優(yōu)點(diǎn)：較好利用巖體力學(xué)特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合理設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工順序。8.4.2新奧法簡(jiǎn)介

巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，構(gòu)成共同存載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)全部圍巖壓力。

第三十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1、支護(hù)-圍巖共同作用原理

圍巖既是生產(chǎn)支護(hù)荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護(hù)-圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力。摒棄了過(guò)去巖體作為對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。圍巖壓力是變形壓力和松動(dòng)壓力的組合，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上；支護(hù)荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時(shí)間；圍巖的松動(dòng)區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護(hù)時(shí)間有關(guān)。第四十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日支護(hù)-圍巖共同作用原理圖圍巖特性曲線(xiàn)支護(hù)特性曲線(xiàn)支護(hù)時(shí)間剛度早晚剛?cè)岬谒氖豁?yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2、柔性支護(hù)觀(guān)點(diǎn)

支護(hù)剛度不必太大，當(dāng)支護(hù)做完后，能與巖體一起生產(chǎn)一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護(hù)足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。

柔性支護(hù)，盡早支護(hù)，既及時(shí)封閉圍巖，防止風(fēng)化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支護(hù)共同承擔(dān)應(yīng)力調(diào)整過(guò)程中的所有作用。支護(hù)結(jié)構(gòu)為閉合環(huán)，錨噴網(wǎng)綜合支護(hù)主要支護(hù)手段。第四十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)一條龍作業(yè)方式工程地質(zhì)調(diào)查與相關(guān)實(shí)驗(yàn)工程開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)施工與監(jiān)測(cè)是否穩(wěn)定第四十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱(chēng)為穩(wěn)定。穩(wěn)定條件：

地下工程巖體或支護(hù)體中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和位移；巖體或支護(hù)材料的強(qiáng)度極限和位移極限。

第四十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日地下工程穩(wěn)定性可分為兩類(lèi)自穩(wěn)：不需要支護(hù)圍巖自身能保持長(zhǎng)期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護(hù)才能保持圍巖穩(wěn)定第四十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)定性問(wèn)題的力學(xué)本質(zhì)自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和位移計(jì)算圍巖壓力支護(hù)中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力或位移大于支護(hù)極限小于支護(hù)極限人工穩(wěn)定改革支護(hù)第四十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日深埋地下工程地下工程自身影響達(dá)不到地表的，稱(chēng)為深埋。反之淺埋（2）當(dāng)埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時(shí)，巷道影響范圍（3~5R0）以?xún)?nèi)的巖體自重可以忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡(jiǎn)化為均勻分布，通常誤差不大（10％以下）；

深埋地下工程的特點(diǎn)為：（1）可視為無(wú)限體中的孔洞問(wèn)題，孔洞各方向無(wú)窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力；第四十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日（3）深埋的水平巷道長(zhǎng)度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)變問(wèn)題處理。其它類(lèi)型巷道，或作為空間問(wèn)題，或作為全平面應(yīng)變問(wèn)題處理。解析方法數(shù)值方法試驗(yàn)方法地下工程穩(wěn)定性分析途徑本章主要內(nèi)容彈性彈-塑性松散圍巖應(yīng)力、支護(hù)上的壓力返回第四十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日8.5塊體理論應(yīng)用實(shí)例荒溝抽水蓄能電站地下廠(chǎng)房系統(tǒng)洞室群圍巖

穩(wěn)定性分析

作為地下洞室工程直接作用對(duì)象的巖體，宏觀(guān)上可以視為由結(jié)構(gòu)面和臨空面切割形成的塊體的集合體。洞室開(kāi)挖使巖體內(nèi)原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)遭到破壞，應(yīng)力重新分布。在局部應(yīng)力集中區(qū)，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)巖體強(qiáng)度極限時(shí)，某些塊體就會(huì)失去原有的靜力平衡狀態(tài)，沿著結(jié)構(gòu)面滑移并導(dǎo)致局部掉塊，進(jìn)而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，造成一定范圍內(nèi)巖體的局部失穩(wěn)。因此塊體穩(wěn)定性是研究地下工程圍巖整體穩(wěn)定性的一項(xiàng)極為重要的內(nèi)容，應(yīng)給予高度的重視。第四十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

塊體理論是近年來(lái)發(fā)展和完善起來(lái)的一種巖體工程穩(wěn)定性分析方法，它最早是由石根華先生在20世紀(jì)70年代提出的。塊體理論是基于自然界中巖體為由含大量結(jié)構(gòu)面的巖石所組成的結(jié)構(gòu)體，針對(duì)過(guò)去將巖體作為彈性的均質(zhì)連續(xù)體而提出的一種完全不同的認(rèn)識(shí)。

塊體理論認(rèn)為，在堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬的地層中，巖體被結(jié)構(gòu)面切割成各種類(lèi)型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下，這些塊體是穩(wěn)定的，但當(dāng)進(jìn)行地下工程的開(kāi)挖時(shí)，開(kāi)挖造成的卸荷作用改變了塊體原有的平衡，使得塊體出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。首先失穩(wěn)的塊體被稱(chēng)作關(guān)鍵塊體，其對(duì)工程的安全性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，研究塊體的穩(wěn)定性實(shí)質(zhì)就是研究結(jié)構(gòu)面的空間展布特征，進(jìn)而找出關(guān)鍵塊體。8.5.1理論依據(jù)第五十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日一基本概念

1.1.塊體分類(lèi)

1.2.塊體定義

(1)塊體：塊體，泛指被各類(lèi)結(jié)構(gòu)面和臨空面所切割的巖體。第五十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日(2)無(wú)限塊體：是指未被結(jié)構(gòu)面和臨空面完全切割成孤立體的塊體，這類(lèi)塊體雖受結(jié)構(gòu)面和臨空面切割，但仍有一部分與母巖相連。

(3)有限塊體：被結(jié)構(gòu)面和臨空面完全切割成孤立體的塊體，亦可稱(chēng)為分離體。有限塊體又分為不可動(dòng)塊體和可動(dòng)塊體兩類(lèi)。

(4)不可動(dòng)塊體：不可動(dòng)塊體或稱(chēng)倒楔塊體，這類(lèi)塊體沿空間任何方向移動(dòng)皆受相鄰塊體阻礙，如果相鄰塊體不發(fā)生移動(dòng)，它也不可能移動(dòng)。第五十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日(5)可動(dòng)塊體：可動(dòng)塊體是指沿空間某一方向或若干方向移動(dòng)而不受相鄰塊體阻礙的塊體，

可動(dòng)塊體又分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關(guān)

鍵塊體。

(6)穩(wěn)定塊體：指在工程力和自重作用下，即使滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度為零也能保持穩(wěn)定的塊體。

(7)可能失穩(wěn)塊體：可能失穩(wěn)塊體指在工程力和自重作用下，由于滑動(dòng)面有足夠的抗剪強(qiáng)度才保持穩(wěn)定的塊體，若滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度降低，這類(lèi)塊體可能失穩(wěn)。第五十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日(8)關(guān)鍵塊體：關(guān)鍵塊體是指在工程力和自重作用下，由于滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度不足于抵御滑動(dòng)力，若不施加工程錨固措施。必將失穩(wěn)的塊體。(a)無(wú)限塊體(b)倒楔塊體(c)穩(wěn)定塊體(d)可能失穩(wěn)塊體(e)關(guān)鍵塊體第五十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日二分析手段

塊體理論按其性質(zhì)可大致分為作圖法和矢量解析法。

2.1.赤平投影解析法

在巖體工程地質(zhì)力學(xué)研究和實(shí)踐中，主要應(yīng)用的是通過(guò)投影球心的平面和直線(xiàn)的赤平極射投影，用于表示巖體中的結(jié)構(gòu)面、工程開(kāi)挖面、工程作用力、巖體的滑移方向、滑動(dòng)力和抗滑力等，在作圖時(shí)，不考慮直線(xiàn)和平面的空間位置，只表示它們的空間方向。第五十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2.3.程序VATS原理

在實(shí)際應(yīng)用中，輸入三組結(jié)構(gòu)面的x、y、z、傾角、傾向、c、φ七個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。依次分析圍巖內(nèi)頂點(diǎn)，結(jié)構(gòu)面與臨空面交點(diǎn)，各結(jié)構(gòu)面的面積，結(jié)構(gòu)面切割塊體體積、重心坐標(biāo)等數(shù)據(jù)，從而得到的塊體確切位置、是否滑動(dòng)以及可能滑動(dòng)時(shí)的凈滑動(dòng)力和穩(wěn)定系數(shù)等。同時(shí)，本軟件也支持輸入多個(gè)塊體的計(jì)算參數(shù)計(jì)算，方便了數(shù)據(jù)的處理。其詳細(xì)情況請(qǐng)參看下面的流程圖：第五十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日第五十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日(1)在詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，認(rèn)真整理勘探平硐實(shí)測(cè)資料，從中選取本次研究中所需延伸出的揭露斷層和節(jié)理的產(chǎn)狀和展布特征，對(duì)水電站內(nèi)規(guī)模較大的地下廠(chǎng)房系統(tǒng)通過(guò)地質(zhì)勘探資料確定其中心位置、走向、傾向和洞室群的空間

布置，以及可能結(jié)構(gòu)塊體的選取等。

(2)依據(jù)探硐揭露的節(jié)理、斷層結(jié)構(gòu)產(chǎn)狀，選用對(duì)應(yīng)位置的玫瑰節(jié)理圖，運(yùn)用赤平極限投影法和矢量分析法對(duì)地下廠(chǎng)房系統(tǒng)的洞室群中的可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體進(jìn)行定性的分析，來(lái)獲取生成可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體的節(jié)理組和斷層的可能組合和在洞室群的剖面上的位置。三工作步驟第五十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

(3)運(yùn)用塊體理論方法和數(shù)值計(jì)算軟件Matlab編制隧道洞室圍巖塊體的矢量解析計(jì)算程序VATS(VectorAnalysisforTunnelStability)，該程序充分利用適量解析方法的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)塊體結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述，判斷洞室圍巖塊體的穩(wěn)定性，直接輸出關(guān)鍵塊體的出露位置、體積、滑動(dòng)力及其穩(wěn)定性參數(shù)。

(4)根據(jù)洞頂、邊墻的結(jié)構(gòu)面展布圖及結(jié)構(gòu)面傾向、傾角，測(cè)點(diǎn)等數(shù)據(jù)，運(yùn)用所編制的矢量解析程序VATS(VectorAnalysisforTunnelStability)，對(duì)PD04，PD05探硐內(nèi)的在拱頂和邊墻內(nèi)完全出露的節(jié)理、斷層進(jìn)行無(wú)限延伸并任意組合，研究地下廠(chǎng)房系統(tǒng)的拱頂和邊墻的塊體穩(wěn)定性和關(guān)鍵塊體的出露位置、體積、滑動(dòng)力及其穩(wěn)定性參數(shù)，并以圖形展示。

(5)根據(jù)分析出的地下廠(chǎng)房系統(tǒng)洞室群的圍巖穩(wěn)定性結(jié)果，提出對(duì)其進(jìn)行整體支護(hù)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵塊的特殊支護(hù)處理的建議方法。三工作步驟第五十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1.計(jì)算條件(一)赤平極射投影法和矢量分析法分析PD01、PD05、PD04(樁號(hào)1+235-1+272,總共89條)裂隙走向玫瑰花圖

第六十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2.計(jì)算結(jié)果

(1).地下主廠(chǎng)房地下廠(chǎng)房結(jié)構(gòu)面赤平投影

第六十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日3.工程評(píng)價(jià)：

這里我們應(yīng)用探硐揭露的結(jié)構(gòu)面的實(shí)際產(chǎn)狀，將節(jié)理、斷層進(jìn)行概化分組形成玫瑰節(jié)理圖，分為考慮各洞室結(jié)構(gòu)面的全部組合和依據(jù)各洞室地質(zhì)剖面圖具體情況考慮結(jié)構(gòu)面的組合這兩種情況，通過(guò)赤平投影法和矢量解析法相互驗(yàn)證，對(duì)洞室圍巖中的可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體進(jìn)行了定性的搜索，得出了各洞室圍巖中可動(dòng)塊體和關(guān)鍵塊體的個(gè)數(shù)、參與的結(jié)構(gòu)面的組合及其在預(yù)挖臨空面剖面上的位置。第六十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日結(jié)構(gòu)面組合在左邊墻有兩個(gè)交點(diǎn)

主廠(chǎng)房左邊墻-拱頂位置塊體編號(hào)的三維色譜圖第六十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日兩兩結(jié)構(gòu)面組合交點(diǎn)均位于在左邊墻

主廠(chǎng)房左邊墻位置塊體的三維色譜圖第六十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日兩兩結(jié)構(gòu)面三個(gè)交點(diǎn)均位于拱頂主廠(chǎng)房拱頂位置不同編號(hào)塊體的三維色譜圖返回第六十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日目前圍巖穩(wěn)定性評(píng)判指標(biāo)

目前對(duì)洞室穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一的理性方法收斂變形是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的最直接表現(xiàn)，常被當(dāng)作重要指標(biāo)

經(jīng)驗(yàn)公式由抗壓強(qiáng)度與洞室尺寸估算最大允許變形式中：B為洞室跨度H為洞室高度Rb為巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度規(guī)范方法《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2001)允許的洞周相對(duì)收斂量圍巖類(lèi)別隧洞埋深（m）<5050~300300~500III0.1~0.30.2~0.50.4~1.2IV0.15~0.50.4~1.20.8~2.0V0.2~0.80.6~1.61.0~3.0注：(1)洞周相對(duì)收斂量指實(shí)測(cè)收斂量與兩點(diǎn)間距離之比(2)適用于高跨比為0.8~1.2和III類(lèi)圍巖跨度小于20m、IV類(lèi)小于15m、V類(lèi)小于10m(3)脆性巖體取表中較小值，塑性巖體取表中較大值工程上主要采用經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)范的規(guī)定

第六十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日目前圍巖穩(wěn)定性評(píng)判指標(biāo)以上兩種方法均與圍巖的力學(xué)參數(shù)、變形模量E、圍巖埋深H等因素沒(méi)有直接關(guān)系，顯然不科學(xué)。沒(méi)有能夠反映圍巖力學(xué)特性、隧洞的埋深以及隧洞尺寸的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)，更沒(méi)有理性的、明確的圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)與方法圍巖類(lèi)別IIIIVV經(jīng)驗(yàn)公式3.7910.73120.00規(guī)范的規(guī)定10~2520~6030~80洞徑10m時(shí)不同評(píng)判指標(biāo)允許的拱頂最大沉降量(mm)

彈性模量（GPa）泊松比凝聚力（MPa）內(nèi)摩擦角（°）5.0~10.00.25~0.300.6~1.535~451.0~5.00.30~0.350.1~0.630~350.3~1.00.35~0.450.05~0.120~30返回第六十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

核軍事工業(yè)也產(chǎn)生高放廢物1945年8月6日:轟炸廣島1964年10月16日:中國(guó)第一顆原子彈爆炸第六十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日中國(guó)的核電站已建成9套，在建2套，在2020年前再建25套大亞灣嶺澳秦山1，2秦山-3田灣第六十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日高放廢物處置的方法

唯一可行的處置方案

深地質(zhì)處置第七十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

地質(zhì)處置庫(kù)的特征

處置庫(kù)是安全處置高放廢物的礦山式地下工程，距地表500-1000米深由多重屏障組成,有效阻擋高放廢物中放射性核素的遷移，確保安全多重屏障之一：工程屏障—廢物體、廢物罐、外包裝、和緩沖材料膨潤(rùn)土多重屏障之二:天然屏障—經(jīng)過(guò)精心選擇的位于穩(wěn)定地質(zhì)體中的巖石,如花崗巖、粘土巖等第七十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

高放廢物地質(zhì)處置：科學(xué)挑戰(zhàn)

處置庫(kù)中的廢物：放射性強(qiáng)毒性大半衰期長(zhǎng)處置庫(kù)的壽命至少要達(dá)到1萬(wàn)年。這一要求是目前任何工程所沒(méi)有的。并且要求有科學(xué)、可信的手段評(píng)價(jià)處置庫(kù)是安全的第七十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

地質(zhì)處置：地質(zhì)學(xué)難題1.處置庫(kù)場(chǎng)址地質(zhì)演化的預(yù)測(cè)2.深部地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)和演化3.地質(zhì)處置庫(kù)多因素耦合條件下（中高溫、高壓、地殼應(yīng)力、還原條件、水流作用和化學(xué)作用）深部巖石和巖體的行為4.地質(zhì)處置庫(kù)多因素耦合條件下材料的行為：緩沖回填材料—膨潤(rùn)土等材料的行為5.深部地質(zhì)環(huán)境下放射性核素（主要是超鈾核素）的地球化學(xué)行為6.各種因素對(duì)處置系統(tǒng)的影響7.地質(zhì)處置系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)方法及計(jì)算機(jī)仿真第七十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日HUMBOLDTCOUNTYPERSHINGCOUNTYELKOCOUNTYWHITEPINECOUNTYNYECOUNTYLANDERCOUNTYEUREKACOUNTYCHURCHILLCOUNTYWASHOECOUNTYMINERALCOUNTYSTOREYLYONDOUGLASESMERALDACOUNTYLINCOLNCOUNTYCLARKCOUNTYLASVEGASINYOCOUNTYCALIFORNIANELLISAIRFORCERANGENVTESTSITEYUCCAMOUNTAIN100milesnorthwestofLasVegasLocatedonwesternboundaryoftheNevadaTestSite,aDOEfacilityLocationofYuccaMountain,Nevada第七十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

高放廢物地質(zhì)處置：美國(guó)進(jìn)展

第七十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日人文、政治、經(jīng)濟(jì)、旅游資源、地震與地質(zhì)地殼穩(wěn)定性地球化學(xué)核設(shè)施布局大地構(gòu)造未來(lái)自然變化趨勢(shì)運(yùn)輸條件自然資源初步選址甘肅北山（100Km2）地質(zhì)體的地質(zhì)、水文、地震、巖性、力學(xué)分析、斷裂構(gòu)造和裂隙、地球化學(xué)、氣候及氣象深部地下儲(chǔ)存庫(kù)穩(wěn)定性地下試驗(yàn)室研究巖石力學(xué)與工程儲(chǔ)存場(chǎng)址的建議人大審批甘肅北山10Km2

建庫(kù)第七十六頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日具有歷史意義的甘肅北山1號(hào)孔開(kāi)工典禮（2000/07/08，18:00）返回第七十七頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日（一）數(shù)值分析方法的分類(lèi)在巖石力學(xué)有關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析方法應(yīng)用中，主要使用的方法為有限元法，邊界單元，離散單元法，拉格朗日單元法及塊體理論等（二）有限元法原理及其應(yīng)用要點(diǎn)原理：通過(guò)變分原理（或加權(quán)余量法）和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性代數(shù)方程，把待解域內(nèi)的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個(gè)離散點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）處的場(chǎng)函數(shù)值。9.數(shù)值計(jì)算方法及新進(jìn)展簡(jiǎn)介第七十八頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用要點(diǎn)：

１.正確劃分計(jì)算范圍與邊界條件

2.正確輸入巖體參數(shù)及初始地應(yīng)力場(chǎng)

3.采用特殊單元來(lái)考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應(yīng)（三）巖石力學(xué)問(wèn)題的其他數(shù)值分析方法1.邊界單元法

有限元法是對(duì)問(wèn)題的微分近似表達(dá)式給出了精確解，它實(shí)質(zhì)上屬于微分法。第七十九頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

與微分法相對(duì)應(yīng)的是積分法，積分法所涉及的邊界可包圍整個(gè)問(wèn)題域，而數(shù)值分析的離散化僅在邊界上近似。下圖表示了在外部問(wèn)題模擬時(shí)微分法與積分法之間的區(qū)別。第八十頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日2.離散單元法離散單元法完全強(qiáng)調(diào)巖體的非連續(xù)性。它認(rèn)為，巖體中的各離散單元，在初始應(yīng)力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內(nèi)部開(kāi)挖以后，一部分巖體就存在不平衡力，離散單元法對(duì)計(jì)算域內(nèi)的每個(gè)塊體所受的四周作用力及自重進(jìn)行不平衡計(jì)算，并采用牛頓運(yùn)動(dòng)定律確定該巖塊內(nèi)不平衡力引起的速度和位移。反復(fù)逐個(gè)巖塊進(jìn)行類(lèi)似計(jì)算，最終確定巖體在已知荷載作用下是否將破壞或計(jì)算出最終穩(wěn)定體系的累計(jì)位移。第八十一頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

離散單元法算例：研究地下煤層開(kāi)挖引起冒落和巖層移動(dòng)，研究冒落帶深度與節(jié)理間距的關(guān)系。第八十二頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日

3.塊體理論塊體理論就是針對(duì)個(gè)性各異的巖體中具有結(jié)構(gòu)面這一共性，根據(jù)集合論柘樸學(xué)原理，運(yùn)用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，構(gòu)造出可能有的一切塊體類(lèi)型，進(jìn)而將這些塊體和開(kāi)挖面的關(guān)系分成可移動(dòng)塊體和不可移動(dòng)塊體，對(duì)幾何可移動(dòng)塊體在按力學(xué)條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關(guān)鍵塊體、關(guān)鍵塊體。此外，在計(jì)算方法上，還有半解析法、加權(quán)殘余法以及松弛法中的經(jīng)松弛法以及上述方法的耦合應(yīng)用。第八十三頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日例子第八十四頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日五、位移反分析法在巖體力學(xué)中的應(yīng)用1.位移反分析法：在巖體工程施工開(kāi)挖過(guò)程中，通過(guò)測(cè)量位移、應(yīng)變或應(yīng)力，來(lái)確定巖體的初始地應(yīng)力或巖體力學(xué)參數(shù)。2.應(yīng)用反問(wèn)題法不僅是參數(shù)估計(jì)，它的進(jìn)一步推廣應(yīng)用是工程預(yù)測(cè)和險(xiǎn)情預(yù)報(bào)、反饋動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、調(diào)整施工方案以及可靠度評(píng)價(jià)等六、新的數(shù)學(xué)計(jì)算方法和軟科學(xué)在巖石力學(xué)中的應(yīng)用第八十五頁(yè)，共九十四頁(yè)，2022年，8月28日1.分形幾何及其在巖石力學(xué)中的應(yīng)用分形幾何是近十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的研究非線(xiàn)性現(xiàn)象和圖形不規(guī)律性的理論和方法，它在處理巖石斷裂形貌、巖石破碎、巖體結(jié)構(gòu)、巖石顆粒特征等過(guò)去認(rèn)為難以解決的復(fù)雜問(wèn)題，得到了一系列準(zhǔn)確的解釋和定量結(jié)果。下面圖表是分形幾何在巖體結(jié)構(gòu)的分維中的應(yīng)用。第八