地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

第十章地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

工程地質(zhì)分析原理10.1根本概念及研討意義為各種目的建筑征地層之內(nèi)的中空通道或中空洞宣統(tǒng)稱為地F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)定性就決議著地下建筑的平安和正常運用條件。地下洞室開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡形狀，開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。假設(shè)圍巖足夠強固，不會因卸荷回彈和應(yīng)力形狀的變化而發(fā)生顯著的變形和破壞，那么，開挖出的地下洞室就不需求采取任何加固措施而能堅持穩(wěn)定。但是，有時或因洞室周圍巖體應(yīng)力形狀的變化大，或因巖體強度低，以致圍巖順應(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，假設(shè)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呵斥危害。10.2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布10.2.1圍巖應(yīng)力重分布的普通特點如前所述，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應(yīng)力形狀，巖體內(nèi)任何一點的初始應(yīng)力形狀(常稱為原巖應(yīng)力)通?？梢源怪闭龖?yīng)力(通常為主應(yīng)力)通常以垂直正應(yīng)力和程度正應(yīng)力來表示：σv=σv0+γhσh=Nσv式中：σv0值可以是零，也可以是常數(shù)

由上式可知，巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化，因此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)力形狀的艱苦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10一2(a)]，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為“圍巖〞。假設(shè)此范圍不超出地表，為簡化圖巖應(yīng)力的計算，就可沒有嚴重誤差地假定，在洞室的整個影響帶內(nèi)巖體的初始應(yīng)力形狀與洞中心處是一樣的，這樣，就可按圖10一2(b)所示的均勻應(yīng)力場來處置圍巖應(yīng)力的計算。實踐上，巖石力學(xué)中圍巖應(yīng)力的近似計算都是根據(jù)這種假定進展的。圍巖應(yīng)力重分布的主要特征是：徑向應(yīng)力隨著向自在外表的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱?。切向?yīng)力在一些部位愈接近自在外表切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中(如圖10一3中的X軸方位)，在另一些部分，愈接近自在外表切向應(yīng)力愈低，有時甚至于洞壁附近出現(xiàn)夠應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中(如圖10一3中z軸方位)。這樣，地下洞寶的開挖就將于圍巖內(nèi)引起劇烈的主應(yīng)力分異景象，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力差愈接近自在外表愈增大，至洞室周邊達最大值。10．2．2圓一橢圓形洞室周邊壓力集中的普通規(guī)律對于圓形一橢圓形洞室，周邊上能夠的最大拉應(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)力那么介于上述兩個極值之間，呈逐漸過渡形狀(如圖10一4、10一5)?？梢娺@兩點是斷定圍巖能否穩(wěn)定的關(guān)鍵部位只需了解這兩點的應(yīng)力情況，就能掌握這類洞室周邊應(yīng)力集中的普通規(guī)律。根據(jù)彈性實際，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10一4。

αβA點B點-12（b/a)+12（b/a）+1-1表10—1圖10-6洞室周邊應(yīng)力集中系數(shù)10.2.2.1拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件從圖10一6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，σhθ／σv均等于一1，(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)力出如今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。10.2.2.2最大壓應(yīng)力集中的規(guī)律圖10一6闡明，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能夠產(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(10一1)或圖10一6求得。10.2.3其它外形洞室周邊應(yīng)力集中的普通規(guī)律10.2.2.1方形一矩形洞室圖10一7及圖Io一8闡明，方形一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皮力集中系數(shù)那么線性或近似干線性地增大。不同條件下方形一矩形洞室角點上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)值，可根據(jù)10-7圖10一8及表10一3的資料概略確定。

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內(nèi)力集中系數(shù)可據(jù)表10一2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，與圓一橢圓形洞室非常類似。10.2.3.2長圓形(圓拱直墻式)洞室根據(jù)光彈實驗的資料，圖10一9所示斷面上各特征點的切向應(yīng)力仍可按式10一1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.

根據(jù)上述資料可以看出，在普通情況下，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)力集中那么出如今洞室的頂拱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)力首先出如今洞底的中點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點處也開場產(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。10.2.4洞室周邊應(yīng)力與其外形間的近似定量關(guān)系根據(jù)森維南原理可知．洞室周邊的應(yīng)力形狀，只需其外表是光滑的，主要受其部分幾何形狀的控制。在如圖10一10所示的特例條件下，洞室周邊特定點A、B處的應(yīng)力與其形狀間有如下定量關(guān)系：上述關(guān)系式闡明，洞室周邊應(yīng)力與其曲率半徑呈負相關(guān)，而與其寬或高呈正相關(guān)關(guān)系。實踐上，利用上述關(guān)系式可近似地計算任一外形洞室周邊與主應(yīng)力垂直相交兩點(即A、B點)處的周邊應(yīng)力。例如，在圖10一11所示的情況下，只需先求出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)邊境無法求得的數(shù)據(jù)σA＝3．0P，σB＝-0.17P),可見，這種簡易的近似計算完全能滿足工程設(shè)計的精度要求。10.2.5圖巖特性及不延續(xù)面對圍巖應(yīng)力的影響圖10一12表示圓形洞室圍巖不是理想彈性體時的應(yīng)力分布情況，它闡明，當(dāng)圍巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系具有非線性特征，或圍巖具有較大螺變特性時，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)遠離洞壁一定醫(yī)離后，巖層內(nèi)的切向應(yīng)力那么要大干理想彈性巖層時的應(yīng)力，其變化情況如圖10一12中的虛線所示。圖10一13表示地下洞室附近斷層等不延續(xù)面的存在對圍巖應(yīng)力分布的影響，它闡明，當(dāng)洞室附近有一個斷層平行于洞壁經(jīng)過時，任何一個位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體都要接受徑向應(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10一13(c)]。假設(shè)這種剪應(yīng)力的數(shù)值大于斷層泥或斷層角礫巖所能接受的應(yīng)力值，那么這一單元就會發(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，由于這種緣由，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．此外，應(yīng)力集中程度的添加還會因巖層的各向異性而引起。已被某些丈量所驗證過的實際計算結(jié)果指出，各向異性巖層中的應(yīng)力集中遠大于各向同性巖層。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)，對洞室圖巖穩(wěn)定不利。因此，不同的業(yè)務(wù)部門規(guī)定了不同的最小平安洞室間距，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0.15一0.6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。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表10—5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。10.3地下洞室圍巖的變形破壞及山巖壓力問題10.3.1圍巖變形破壞的普經(jīng)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)生變化的要素，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。一殷說來，洞室開挖后，假設(shè)圍巖巖體接受不了回彈應(yīng)力或重分布的應(yīng)力的作用，圍巖即將發(fā)生塑性變構(gòu)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)力集中的部位開場，而后逐漸向圍巖，內(nèi)部開展的。其結(jié)果常可在洞室周圍構(gòu)成松動帶或松動圈。圍巖內(nèi)的應(yīng)力形狀也將因松動圈內(nèi)的應(yīng)力被釋放而重新調(diào)整，通常在圍巖的表部構(gòu)成應(yīng)力降低區(qū)，而高應(yīng)力集中區(qū)那么向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，結(jié)果就在圍巖內(nèi)構(gòu)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開展所呵斥的。圍巖表部低應(yīng)力區(qū)的構(gòu)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)生劇烈的膨脹變形，呵斥很大的山壓。

圍巖巖體的變形和破壞的方式和特點，除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力形狀和洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和構(gòu)造。為了更清楚地闡明這個問題，現(xiàn)將圍巖的變形、破壞的類型及其與圍巖的巖性和構(gòu)造之間的關(guān)系列于表10一6。圍巖類型巖體結(jié)構(gòu)變形破壞形式產(chǎn)生機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)力集中造成的壓制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圍巖的變形破壞方式及其圍巖巖性及構(gòu)造的關(guān)系10.3.2脆姓圍巖的變形和破壞脆性圖巖包括各種塊體狀構(gòu)造或?qū)訝顦?gòu)造的鞏固或半鞏固的脆性巖體。這類因巖的變形和破壞，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方式和特點．除與由巖體初始應(yīng)力形狀及洞形所決議的圍巖的應(yīng)力形狀有關(guān)外，主要取決于圍巖構(gòu)造，普通有彎折內(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10一6)，現(xiàn)分述如下。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方式。從力學(xué)機制來看，它的產(chǎn)生能夠有兩種情況：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)力超越范層狀巖層的抗彎折強度所呵斥的。由卸荷回彈所呵斥的變形破壞主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)(或者洞室埋深較大，或者程度地應(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)得最劇烈．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Io一16所示的彎曲、技裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍閣。例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號支洞的下又洞、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。這些水工隧洞部是建筑在千枚巖層中，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，而且普通部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。十航段的施工過程中，隨著開挖的進展，巖層的彎沂變形越來越嚴重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體忽然塌風(fēng)幾乎呵斥傷亡事故。又如排沙洞，在ot360—o十470m段的施工過程中。值得留意的是，在該區(qū)地表溢洪道的施工過程中，當(dāng)送洪道平行于陡顧的巖層走向時，新開挖出的邊披巖體經(jīng)常在3—5天之內(nèi)即發(fā)生劇烈的傾倒破壞。由此可見，在該區(qū)所發(fā)生酌上述兩類變形破壞(即地宏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)力集中所呵斥的變形破壞主要發(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)力往往超越薄層狀圍巖的抗彎折強度，從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。

如圖10一16所示的彎曲、技裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍閣。例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號支洞的下又洞、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。這些水工隧洞部是建筑在千枚巖層中，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，而且普通部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0十航段的施工過程中，隨著開挖的進展，巖層的彎沂變形越來越嚴重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體忽然塌風(fēng)幾乎呵斥傷亡事故。又如排沙洞，在0十360—o十470m段的施工過程中。洞體兩側(cè)壁發(fā)生嚴重的彎折內(nèi)鼓，開挖中曾用錨桿與工字鋼結(jié)合封鎖支護，半月之后，變形巖體連錨桿與工字鋼忽然坍落，方量達500m3，不得不停工處置。一些部分構(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，平行于洞室測壁的斷層，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)力特高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往呵斥彎折內(nèi)鼓破壞。從這類變形、破壞的發(fā)活力制和發(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)建筑這類地下洞室，圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對于區(qū)域最大主應(yīng)力方位有親密關(guān)系。通常．軸向垂直于最大主應(yīng)力方向的洞室，其穩(wěn)定性遠低于平行于最大主應(yīng)力方向者。這是由于：在洞軸垂直于程度最大主應(yīng)力的條件下，當(dāng)洞體平行或近于平行地經(jīng)過陡傾巖層時劇烈的卸荷回彈會使垂直于最大主應(yīng)力方向的洞壁發(fā)生嚴重的彎折內(nèi)鼓，而當(dāng)洞體經(jīng)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)鼓的開展而嚴重坍塌。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，且其值超越圍巖的抗拉強度時，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)生垂直的張性裂痕。被垂直裂痕切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定，特別是當(dāng)有近程度方向的脆弱構(gòu)造面發(fā)育，巖體在垂直方向的抗拉強度較低時，往往呵斥頂供的塌落。但是在N0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小全使頂拱處的拉應(yīng)力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力(如圖10一18)。當(dāng)項拱處的拉應(yīng)力減小至小于巖體的抗拉強度時．頂拱因巖韶趨于穩(wěn)定。10.3.2.3劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動這兩種破壞方式都發(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。一些平行的破裂將圖巖切割成厚度由兒厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落[如圖l0一19(b)]。破裂的范圍普通不超越洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強度時，這些劈裂板還能夠按壓彎、折斷并呵斥塌方，轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀構(gòu)造的巖體內(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，前者呵斥頂供的片狀冒落，后者那么呵斥通常所謂的片幫。2.剪切滑移這種方式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀構(gòu)造的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生在邊鵬上，也可發(fā)生于頂拱。

在程度應(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10一20(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10一20(b)所示的應(yīng)力形狀。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)力往往會超越其抗剪強度，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10一20(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。3．碎裂松動碎裂松動是碎裂構(gòu)造巖體變形、破壞的主要方式，洞體開挖后，假設(shè)圍巖應(yīng)力超越了圍巖的屈服強度，這類圍巖就會因沿多組已有斷裂構(gòu)造面發(fā)生剪切錯動而松馳，并圍繞洞體構(gòu)成一定的碎裂松動帶或松動屈。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漸增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過度開展，必需及時采取加固指施。

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因巖表部的切向壓應(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，從而進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件．引起圍巖累進性破壞。如圖Io一21所示，就是一個寵高比為6的矩形坑道，在川＝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)破壞所呵斥的崩落向上開展時，頂板中央的壓應(yīng)力迅速隨冒落高度增高而增大，在這種場所下，如不及時采取措施，頂拱的崩落作用必將累進性的加速開展，呵斥嚴重后果。10.3.2.4巖爆1．有關(guān)巖屈的根本概念在地下開挖或開采過程中忽然地以爆炸的方式表現(xiàn)出來爆。圍巖的破壞有時會這就是所謂的巖當(dāng)巖迸發(fā)生時，巖石或煤等忽然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達幾十噸，小者長僅幾厘米。大型巖爆通常伴有猛烈的氣浪和巨響．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呵斥很大的危害．大者能破壞支護、堵塞坑道，呵斥艱苦的傷亡事故。小者也能要挾工人的平安。因此，研討這類破壞的發(fā)生、開展與防治，對于地下開挖任務(wù)的平安與經(jīng)濟有著重要意義。

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)圍巖表部巖石忽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)生的中小型巖爆多屆這種類型。這類巖迸發(fā)生時發(fā)出如機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(最大埋操達1600貝)開挖過程中經(jīng)過震且系灰?guī)r時就曾發(fā)生過這類巖爆。它一殷發(fā)生在新開挖的任務(wù)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)那么片狀巖塊自洞壁圖巖中彈射出或剝落。彈出者一船塊度較小，多呈幾cm長、寬的薄片，個別達幾十M長、寬，但爆到聲較大，月．爆裂與彈射幾乎同時發(fā)生；剝落者一殷塊度較大，可達幾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在墜下。這類巖爆多發(fā)生于友面平整、有硬質(zhì)結(jié)核或脆弱面的地方，且多平行于巖壁發(fā)生，事前無明顯的預(yù)兆(2)礦柱或大范圍圍巖忽然破壞引起的巖爆發(fā)生于一些探礦坑中的大型巖爆多屆這種類型。這類巖迸發(fā)生時通常伴有猛烈的氣浪和巨響，甚至還伴有周圍巖體的劇烈振動，破壞力很大，對地下采掘任務(wù)呵斥嚴重的危害，故常被稱之為礦山打擊或沖擊地壓。在煤礦個，這類巖爆多發(fā)生于距坑道壁有一定間隔的區(qū)域內(nèi)[如圖10一22(a)的s區(qū)]，在某些要素的作用于，那里的煤被忽然粉嬸，而這一區(qū)域與坑道間(ht區(qū))的煤那么大塊地被飽到巷道中，并伴隨著宏大的響聲、振動和氣浪，破壞力極大。這類沖擊地壓發(fā)生之前，常可覺察到支護女或煤柱中壓力的增大，有時還會出現(xiàn)G層聲或振動，但有時那么沒有明顯的預(yù)兆。四川納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，(3)斷層錯動引起的巖爆這類巖爆產(chǎn)生的條件如圖Io一22(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，引起斷層忽然再活動，構(gòu)成巖爆，這類巖爆普通發(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)活力制本質(zhì)上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有忽然釋放大量潛能的猛烈的脆性破壞。從產(chǎn)生條件方面來看，高儲能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在條件，而某些要素的觸發(fā)效應(yīng)那么是巖爆產(chǎn)生的外因。(1)由原巖應(yīng)力形狀及洞形所決議的圍巖內(nèi)的最大壓應(yīng)力集中區(qū)。(2)圍巖友部的高變異應(yīng)力及剩余應(yīng)力分布區(qū)(如圖10一25)以及由巖性條件所決議的部分應(yīng)力集中區(qū)，如夾于軟巖中的鞏固巖體。(3)斷層、脆弱破碎巖墻或巖脈等脆弱構(gòu)造面附近，洞體與這些脆弱構(gòu)造面所構(gòu)成的應(yīng)力集中部分增高區(qū)(圖10一27)。圖10一28更清楚地闡明了這個問題。它是其隧洞以銳角穿越一破碎巖墻時發(fā)生巖爆的實踐情況。在開挖向前推進的過程中，當(dāng)隧洞處于圖10一28(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)隧洞遠離巖墻或在巖墻之內(nèi)時那么無巖迸發(fā)生。(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10一29)。10.3.3塑性圍巖的變形與破壞塑性圍巖包括各種脆弱的層狀構(gòu)造巖體(如頁巖、泥巖和粘土巖等)和散體構(gòu)造巖體。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、塑梳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)力超越塑性圍巖的屈服強度時，脆弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自在空間擠出。在普通情況下

(1)因結(jié)程度較差的泥巖、鉆土巖；易于被擠出的巖體主要包括：(2)各種富含泥質(zhì)的堆積或蛻變巖層(如泥巖、頁巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪閉破碎帶，(3)火成巖中的官含泥質(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形狀時，就更易于被擠出。未經(jīng)構(gòu)造或風(fēng)化擾動i且團結(jié)程度較高的泥質(zhì)堆積巖及蛻變巖層那么不易于被擠出。10·3.3.2膨脹內(nèi)鼓洞室開挖后圍巖表部減壓區(qū)的構(gòu)成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圖巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生劇烈的膨脹內(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本身膨脹。退水后易于膨脹的巖石主要有兩類。一類是富含粘土礦物(待別是蒙脫石)的塑性巖石，如泥質(zhì)巖、鉆土巖、膨脹性粘土等。隧道圍巖中有浸水后體積增大2．9％的巖石就會結(jié)開挖呵斥很大困難，而有些蒙受熱液蛻變的富合蒙脫石礦物的巖石，浸水后體積可添加14％一25％。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轉(zhuǎn)呵斥很大危害。另一類是含硬石膏的地層。隕石膏退水后就會發(fā)土水化而轉(zhuǎn)化為石膏，體積隨之而增大。所以穿過這類地層的陡道往往遇到因硬石膏水化膨脹而產(chǎn)生的強大山壓，給隧道的施工和運轉(zhuǎn)帶來很大困難。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)就會和水一同在壓力下呈央有大量碎屑物的泥漿狀忽然地涌人洞中．有時甚至可以堵塞坑道，給施工呵斥很大的困難。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。10.3.4圍巖變形破壞的開展和山巖壓力問題10.3.4.1圍巖變形破壞的累進性開展大量的實際闡明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進性開展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體構(gòu)造、強度的不均一性及各向異性，那些應(yīng)力集中程度高，而構(gòu)造強度又相對較低的部位往往是累進性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚堅持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力·強度關(guān)系中的最薄弱部位就能夠發(fā)生部分破壞，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，如此逐漸開展，連鎖反響，終特導(dǎo)致大范圍因巖的矢穩(wěn)破壞。因此，在進展圖巖穩(wěn)定性的分橋、評價時，必需充分思索圖巖累進性破壞的過程和特點，針對控制圍巖失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵部位采取有效措施，以防止累進性破壞的發(fā)生和開展，這正是支護設(shè)計的關(guān)鍵所在。普通說來，地下工程圍巖變形破壞累進性開展的過程和特點主要取決于三方面要素，：(1)原巖應(yīng)力的方向及大小；(2)地下洞室的外形及尺寸，(3)巖體構(gòu)造及其強度。所以，詳細條件不同，圍巖累進性破壞的過程和特點也迥異，如圖10一32所示。10.3.4.2山巖壓力問題1．根本概念設(shè)計隧道或其它地下洞室時，假設(shè)工程地質(zhì)分析與巖膂力學(xué)計算的結(jié)果闡明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必需設(shè)計相應(yīng)的支襯構(gòu)造以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了到達這個目的，支襯構(gòu)培育必需可以順應(yīng)與圍巖之間的相互作用。這種相互作用的力，對于支襯構(gòu)造來說，就是所謂的山巖壓力(或簡稱山壓)，它是設(shè)計支付構(gòu)造的主要根據(jù)。可見，上面討論的圍巖應(yīng)力與山壓是有原那么區(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構(gòu)造上的外力，前者轉(zhuǎn)化為后者是有條件的。假設(shè)圍巖足夠強固，完全可以接受住因巖應(yīng)力的作用．當(dāng)然也就不需進展支付。只需當(dāng)圍