第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析ppt课件

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1、第七章第七章 地下洞室围岩稳定性的地下洞室围岩稳定性的 工程地质分析工程地质分析概概 述述地下洞室地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。：指在地下或山体内部的各类建筑物。如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等；如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等；地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷道、地下输水隧洞等；道、地下输水隧洞等；地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；地下式水电站洞室布置剖面示意图地下式水电站洞室布置剖面示意图地下式水电站洞室布置剖面示意图地下式水

2、电站洞室布置剖面示意图有压及无压隧洞有压及无压隧洞有压及无压隧洞有压及无压隧洞一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如下方面：下方面：在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身岩体的稳定）。岩体的稳定）。在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外，的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外，还要解决一些与

3、土建设计有关的岩体稳定方面的问题，还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题，这些问题有：这些问题有：（1）洞室四周岩体的）洞室四周岩体的围岩压力围岩压力的评价（即岩体本身对的评价（即岩体本身对衬砌支护的压力评价）；衬砌支护的压力评价）；（2）岩体内）岩体内地下水压力地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护的评价（即地下水对衬砌支护的压力）；的压力）；（3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固加固措施；措施；围岩：地下洞室周围的围岩土体。围岩：地下洞室周围的围岩土体。即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度或

4、平均直径或平均直径3倍左右范围内的岩土体。倍左右范围内的岩土体。我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例 见下表见下表工工程程及及桩桩号号塌塌方方段段的的地地质质特特点点塌塌方方情情况况例例号号河河南南伊伊河河某某水水库库泻泻洪洪隧隧洞洞0+1700+180玄武岩中。洞顶玄武岩中。洞顶有缓倾的夹泥软有缓倾的夹泥软弱结构面，与其弱结构面，与其他陡倾角的结构他陡倾角的结构面相互切割成楔面相互切割成楔形体，且有水沿形体，且有水沿结构面下滴结构面下滴每当开挖使软弱结构面每当开挖使软弱结构面暴露时，洞顶软弱结构暴露时，洞顶软弱结构面以下岩体立即坍落。面以下岩体立即

5、坍落。前后共发生过四次前后共发生过四次10+4050+415洞顶有一走向平洞顶有一走向平行洞轴、倾角行洞轴、倾角25的煌斑岩脉，由的煌斑岩脉，由洞顶左侧倾向右洞顶左侧倾向右侧，并于右拱脚侧，并于右拱脚出露，为平行洞出露，为平行洞身的陡立小断层身的陡立小断层切割，构成平卧切割，构成平卧楔形体楔形体一次放炮后岩体突然塌一次放炮后岩体突然塌落落20m，坍落后顶拱又，坍落后顶拱又处于稳定状态处于稳定状态20+3700+380该段处于断层破碎该段处于断层破碎带中，整个边墙为带中，整个边墙为红色断层泥与强烈红色断层泥与强烈破碎的玄武岩组成，破碎的玄武岩组成，并有地下水流出，并有地下水流出，断层带的松散破碎

6、断层带的松散破碎物质处于饱水状态，物质处于饱水状态，高高10m的边墙很难的边墙很难保持稳定保持稳定采取特殊措施后保证了稳采取特殊措施后保证了稳定定3福福建建某某工工程程导导流流隧隧洞洞A+40A+160洞顶为缓倾角（洞顶为缓倾角（820）夹泥节）夹泥节理切割成薄板状理切割成薄板状且与另一陡倾角且与另一陡倾角充水夹泥石英脉充水夹泥石英脉破碎带交切，组破碎带交切，组合成不稳定的楔合成不稳定的楔形体形体施工开挖拱脚后，使两施工开挖拱脚后，使两侧岩体失去下部支撑。侧岩体失去下部支撑。前后塌方四次，总方量前后塌方四次，总方量达达400500m34永永定定河河某某水水电电站站压压力力引引水水隧隧洞洞0+7

7、030+716硅质灰岩与玢岩硅质灰岩与玢岩中，裂隙十分发中，裂隙十分发育，且有与洞线育，且有与洞线近直交的近直交的F68和和F67两断层切割。两断层切割。F67充填有玢岩充填有玢岩风化物和亚粘土，风化物和亚粘土，F68夹有断层泥，夹有断层泥，沿沿F67地下水集地下水集中渗流中渗流隧洞开挖至隧洞开挖至F67时发生时发生坍塌，并有水涌出，总坍塌，并有水涌出，总塌方量约塌方量约600余方余方51+7111+714破碎玢岩，裂隙破碎玢岩，裂隙很发育，三组与很发育，三组与洞线近直交、平洞线近直交、平行和斜交的陡倾行和斜交的陡倾角裂隙，一组与角裂隙，一组与洞线近平行的缓洞线近平行的缓倾角裂隙，相互倾角裂隙

8、，相互切割切割拆除木支撑后未及时衬拆除木支撑后未及时衬砌好而产生塌方砌好而产生塌方63+4683+481霏细岩，发育有两霏细岩，发育有两条相距条相距4m、倾向、倾向相反的断层，组成相反的断层，组成楔形体。断层充填楔形体。断层充填物为粘土及碎石，物为粘土及碎石，并有滴水并有滴水木支撑拆除后扩大洞径，木支撑拆除后扩大洞径，正值雨季，断层带涌水量正值雨季，断层带涌水量增大，物质软化产生塌方，增大，物质软化产生塌方，约约500m377+1547+157页岩与玢岩交界带，页岩与玢岩交界带，为断层接触，破碎为断层接触，破碎带宽约带宽约20余余m，页岩风化破碎成粉页岩风化破碎成粉土状土状开挖过程中不断掉块，

9、后开挖过程中不断掉块，后因遇到小窑洞暂时停工，因遇到小窑洞暂时停工，由于未对已开挖段进行支由于未对已开挖段进行支撑加固，导致大塌方撑加固，导致大塌方8甘甘肃肃某某工工程程导导流流隧隧洞洞进口段进口段靠近背斜轴部，靠近背斜轴部，断裂发育，风化断裂发育，风化破碎破碎多次发生顶拱坍塌，后多次发生顶拱坍塌，后改明挖改明挖90+0950+110充水夹泥断裂发充水夹泥断裂发育，多组交切构育，多组交切构成不稳定体成不稳定体塌方塌方10福建某二级引福建某二级引水隧洞的一段水隧洞的一段北西向近直立的北西向近直立的大断层在洞内出大断层在洞内出露，宽约露，宽约50余余m，其中十余条，其中十余条岩脉穿插，节理岩脉穿插

10、，节理发育，风化严重，发育，风化严重，且地下水活动且地下水活动施工中不断发生塌方，施工中不断发生塌方，大者计四次，最终冒大者计四次，最终冒顶、顶、80m岩层全部塌岩层全部塌落，地表陷落落，地表陷落35m11模式口引水隧洞进模式口引水隧洞进口段口段微风化至强风化微风化至强风化的辉绿岩，处于的辉绿岩，处于断层带内，风化断层带内，风化节理甚发育，充节理甚发育，充填粘土，水的活填粘土，水的活动剧烈动剧烈钢支撑后仍产生塌方，钢支撑后仍产生塌方，将架立的钢支架全部将架立的钢支架全部压垮，自洞顶至地表压垮，自洞顶至地表20m岩层全部坍塌，岩层全部坍塌，塌方量达塌方量达1000m312第一节第一节 围岩应力的

11、重分布围岩应力的重分布 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初初始应力状态始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应

12、力状态、洞室断面形状及岩体特性岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。等因素有关。一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力圆形圆形圆形圆形洞室洞室洞室洞室围岩围岩围岩围岩重分重分重分重分布应布应布应布应力计力计力计力计算简算简算简算简图图图图xr0洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式用弹用弹用弹用弹性理性理性理性理论计论计论计论计算圆算圆算圆算圆形洞形洞形洞形洞室周室周室周室周边应边应边应边应力重力重力重力重分布分布分布分布各种各种各种各种断面断面断

13、面断面形状形状形状形状的洞的洞的洞的洞体应体应体应体应力状力状力状力状态比态比态比态比较较较较二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，围岩一旦松动，如不

14、加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的形成具有一定范围的应力松弛区应力松弛区，称为，称为塑性松动圈塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的渐向深处转移，形成新的应力增高区应力增高区，该区岩体被挤，该区岩体被挤压紧密，称为压紧密，称为承载圈承载圈。此圈之外为。此圈之外为初始应力区初始应力区。洞洞洞洞室室室室围围围围岩岩岩岩应应应应力力力力重重重重分分分分布布布布对对对对比比比比图图图图第二节第二节 地下工程位置选择的工程地质评价地下工程位置选择的工程地质评价 地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要地下建筑位置的选择

15、，除取决于工程目的要求外，需要考虑求外，需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩区域稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。等因素的影响。一般认为，具备下列条件是宜于建洞的：一般认为，具备下列条件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于度，历史上地震烈度及震基本地震烈度一般小于度，历史上地震烈度及震级不高，无毁灭性地震；级不高，无毁灭性地震；2.区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过，区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过，附近没有发震构造；附近没有发震构造；3.第四纪以来没有明显的构造活动。第四纪以来没有明显的构造活动。区域稳定性问题解

16、决以后，即地下工程总体位置区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置选定后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想的选定后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想的建洞建洞山体山体具有以下条件：具有以下条件：1.1.在区域稳定性评价基础上，将在区域稳定性评价基础上，将洞室选择在安全可靠的地段；洞室选择在安全可靠的地段；2.2.建洞区构造简单，岩层厚且产建洞区构造简单，岩层厚且产状平缓，构造裂隙间距大、组数状平缓，构造裂隙间距大、组数少，无影响整个山体稳定的断裂少，无影响整个山体稳定的断裂带；带；3.岩体完整，成层稳定，且具有岩体完整，成层稳定，且具有较厚的单一的坚硬或中等坚硬的较厚的单一的坚硬或中

17、等坚硬的地层，岩体结构强度不仅能抵抗地层，岩体结构强度不仅能抵抗静力荷载，而且能抵抗冲击荷载；静力荷载，而且能抵抗冲击荷载；地形完整，山体受地表水切割破地形完整，山体受地表水切割破坏少，没有滑坡、塌方等早期埋坏少，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。藏和近期破坏的地形。4.岩溶很不发育，山体在满足进洞岩溶很不发育，山体在满足进洞生产面积的同时，具有较厚的洞生产面积的同时，具有较厚的洞体顶板厚度作为防护地层；体顶板厚度作为防护地层；地下水影响小，水质满足建厂要地下水影响小，水质满足建厂要求；求；5.无有害气体及异常地热；无有害气体及异常地热；二、二、洞口洞口选择的工程地质条件选择的工程地质

18、条件洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的地形地形及及岩岩性、洞口底的标高、洞口的方向性、洞口底的标高、洞口的方向等问题。等问题。至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位置和洞室的平面形状。置和洞室的平面形状。（一）洞口的地形和地质条

19、件（一）洞口的地形和地质条件洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于30），岩层完），岩层完整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以免整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以免切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。（二）洞口底标高的选择（二）洞口底标高的选择洞口底的标高一般应洞口底的标高一般应高于高于谷底最高洪水位以上谷底最高洪水位以上0.51.0的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室；洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室；（三）洞口边坡的

20、物理地质现象（三）洞口边坡的物理地质现象在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现象调查清楚。象调查清楚。洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要的损失。的损失。三、洞室轴线选择的工程地质条件三、洞室轴线选择的工程地质条件 洞室轴线的选择主要是由洞室轴线的选择主要是由地层岩性、地层岩性、岩层产状、地质构造岩层产状、地质构造以及以及水文地质条件水文地质条件等等方面综合分析来考虑确定。方面综合分析来考虑确定

21、。（一）地形条件（一）地形条件（一）地形条件（一）地形条件 在地形上要求在地形上要求山体完整山体完整，洞室周围包括洞顶及，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有傍山侧应有足够的山体厚度足够的山体厚度。隧洞进出口地段的隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。向山里以保证洞口坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保

22、证证边坡的稳定性边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。段。（二）岩性条件（二）岩性条件（二）岩性条件（二）岩性条件 岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如坚坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室面形状的地下洞室。而。而软弱岩体如粘土岩类、破碎软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学

23、强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。定。此外此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。均质厚层及块状岩体稳定性好。（三）地质构造条件（三）地质构造条件（三）地质构造条件（三）地质构造条件 1 1褶皱的影响褶皱的影响 褶皱剧烈地区，褶皱剧烈地区，一般断裂也很发一般断裂也很发育，特别是育，特别是褶皱

24、褶皱核部岩层完整性核部岩层完整性最差最差。地下洞室轴线与褶皱的关系地下洞室轴线与褶皱的关系地下洞室轴线与褶皱的关系地下洞室轴线与褶皱的关系2 2 2 2断裂的影响断裂的影响断裂的影响断裂的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生塌方甚至冒顶塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏洞顶大规模突然坍塌破坏)。一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所需穿越的不稳定地段较短，但也

25、可以产生塌方需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方或大量地下水涌入。或大量地下水涌入。因此，因此，在选址时应尽量避开大断层。在选址时应尽量避开大断层。断层对地下洞室选线的影响断层对地下洞室选线的影响断层对地下洞室选线的影响断层对地下洞室选线的影响 3 3 3 3岩层产状的影响岩层产状的影响岩层产状的影响岩层产状的影响 (1)(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现且

26、节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。单斜岩层中的地下洞室单斜岩层中的地下洞室单斜岩层中的地下洞室单斜岩层中的地下洞室 (2)(2)洞室走向与岩层走向平行洞室走向与岩层走向平行 在水平岩层中布置洞室时，在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置应避免将软弱岩层置于洞室顶部于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出

27、容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。水平及倾斜岩层中的地下洞室水平及倾斜岩层中的地下洞室水平及倾斜岩层中

28、的地下洞室水平及倾斜岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室（四）地下水（四）地下水 在选址时最好选在地下水位以上的干在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。的岩体内。在洞室的设计和施工过程中，必须在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力重分布的特征挖后围岩应力重分布的特征，以便选用相应的措施，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。来维护围岩的稳定。初始应力状

29、态是决定围岩应力重分布的主要因初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。当应力比系数素。当应力比系数1/333时，时，围岩内将出现围岩内将出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产，否则边墙将产生严重的变形和破坏。生严重的变形和破坏。（五）地应力（五）地应力第三节 围岩稳定的工程地质分析围围岩岩稳稳定定：在在一一定定时时间间内内，在在一一定定的的地地质质力力和和工工程程力力作作用下岩体不产生破坏和

30、失稳。用下岩体不产生破坏和失稳。地地下下开开挖挖后后，岩岩体体中中形形成成一一个个自自由由变变形形空空间间，使使原原来来处处于于挤挤压压状状态态的的围围岩岩，由由于于失失去去了了支支撑撑而而发发生生向向洞洞内内松松胀胀变变形形；如如果果这这种种变变形形超超过过了了围围岩岩本本身身所所能能承承受受的的能能力力，则则围围岩岩就就要要发发生生破破坏坏，并并从从母母岩岩中中脱脱落落形形成成坍坍塌塌、滑滑动动或或岩岩爆爆，称称前前者者为为变变形形，后后者为者为破坏破坏。围岩在压应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判据：(1)围岩抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力。分别为洞室周边围岩中的切向拉应力和切向压

31、应力，Rt、Rb为围岩的抗拉强度和饱和抗压强度，安全系数Fs一般取2。（2）围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。K=F/T抗滑力（F）主要指可能滑动面上的摩擦力（和粘聚力）。滑动力（T）是指岩块自重、静水压力、动水压力、地震力及地应力等在可能滑动面上产生的滑动分力。理论上，当K1时块体稳定，但从工程安全考虑一般取安全系数等于2。二、各类结构围岩变形破坏的特点 由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。1坚硬完整岩体的脆性破裂 在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆

32、现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。脆性开裂出现在拉应力集中部位。2 2 2 2块体滑移块体滑移块体滑移块体滑移 块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙块块块块状状状状结结结结构构构构岩岩岩岩体体体体的的的的块块块块体体体体滑滑滑滑移移移移 3 3 3 3层状弯折和拱曲层状弯折和拱曲层状弯折和拱曲层状弯

33、折和拱曲 岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。层状结构围岩变形破坏特征层状结构围岩变形破坏特征层状结构围岩变形破坏特征层状结构围岩变形破坏特征4 4碎裂岩体的松动解脱碎裂岩体的松动解脱 一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生

34、冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。5 5松软岩体松软岩体 碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。碎裂岩体松动解脱碎裂岩体松动解脱碎裂岩体松动解脱碎裂岩体松动解脱碎裂结构围岩塌方示意图碎裂结构围岩塌方示意图碎裂结构围岩塌方示意图碎裂结构围岩塌方示意图 散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及

35、滑动等变形破坏形式。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。开挖-应力调整-变形、局部破坏-再次调整-再次变形-较大范围破坏围岩的变形破坏过程围岩的变形破坏过程 分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。围岩分类的评价方法：对于地下洞室，考虑到地下水、结构面产状及地应力对围岩稳定的影响，应对岩体的基本质量BQ进行修正：BQ=BQ-100(K1+K2+K3)BQ为岩体基本质量指标修正值；BQ为岩体基本质量指标；K1为地下水

36、影响修正系数，查表选取；K2为主要软弱结构面产状影响修正系数，查表选取；K3为初始应力状态影响修正系数，查表选取。第四节第四节 山岩压力与弹性抗力山岩压力与弹性抗力 山岩压力也称围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。对于有压隧洞，由于常存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈

37、大，愈有利于衬砌的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力。一、山岩压力1山岩压力的类型 根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山压几种类型。(1)变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。(2)松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。(3)冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。2松动山岩压力的确定方法 (1)普氏压

38、力拱理论。MM普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试验于1907年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量。这个拱称为塌落拱、平衡拱或压力拱。(2)围岩压力系数法。（简介）(3)块体极限平衡法。（简介）(1)平衡拱理论（又称普氏理论）该理论认为：v洞室开挖以后，如不及时支护，洞顶岩体将不断跨落而形成一个拱形，称塌落拱。v这个拱形最初不稳定，如果侧壁稳定，拱高随塌落不断增高；反之，如侧壁也不稳定，则拱跨和拱

39、高同时增大。v当洞的埋深较大时，塌落拱不会无限发展，最终将在围岩中形成一个自然平衡拱。v作用于支护衬砌上的围岩压力就是平衡拱与衬砌间破碎岩体的重量，与拱外岩体无关。xb1hyTpFVSxy压力拱理论计算山岩压力图压力拱理论计算山岩压力图MO用普氏平衡拱理论计算山岩压力用普氏平衡拱理论计算山岩压力e2e1e1e22b12bhH0岩石荷载岩石荷载qmaxBAO 二、弹性抗力 围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性抗力系数表示的。1弹性抗力系数 根据文克尔假定，抗力系数K=P/Y 式中：K为弹性抗力系数(MPacm)；P为围岩所承受的压力，对于有压隧洞 即为内水压力(MPa)；Y为洞壁的径向变形(cm)。

40、从上式看出，K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值愈大，说明围岩承受内水压力的能力愈大。假设岩体是理想的弹性体，对于圆形隧洞，K值与岩体弹性模量之间有如下的关系：K=E/(1+)r 式中：E为岩体的弹性模量或变形模量(MPa)，为泊松比，r为隧洞半径(cm)。从上式可以看出，隧洞半径愈大，K值愈小，在工程上为了便于比较，常采用隧洞半径为1 m(100 cm)时的弹性抗力系数，作为单位抗力系数K0，即K0rK/100 2弹性抗力系数的确定方法 确定围岩抗力系数的方法有试验法、计算法和工程类比法等。试验的方法常用的有橡皮囊法、径向千斤顶法和隧洞水压法等。对于软弱或破碎岩体，洞

41、室开挖后洞壁周围会形成一个半径为R的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算：K=E/(1+ln(R/r)/r第四节第四节 提高围岩稳定性的措施提高围岩稳定性的措施为了保证地下洞室施工的安全和正常运行，就应该针对岩体的不同条件，采取相应的施工方法和一定的工程技术措施，提高围岩的稳定条件。一、隧洞施工的工程地质问题：1、塌方、岩爆；2、涌水；3、突泥；4、有害气体的冒出 5、高温二、隧洞施工监控、信息反馈和超前预报；三、围岩加固措施1.支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。2.

42、衬砌 衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬完整的岩体中，围岩的自稳能力高，也可以不衬砌。衬砌有单层混凝土及钢筋混凝土衬砌，也可以用浆砌条石衬砌。双层的联合衬砌，一般内环用钢筋混凝土或钢板，外环用混凝土，多用于岩体破碎，水头高的隧洞。衬砌类型示意图衬砌类型示意图衬砌类型示意图衬砌类型示意图3、喷锚支护、喷锚支护 当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为520cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。v（1)喷浆护壁v喷浆护壁较简便而又经济，对保护易风化

43、围岩的稳定性效果较好。当洞室开炮后及时在洞壁上喷射水泥砂浆，形成保护层，保护围岩原有强度。我国应用日益广泛，国外采用也很普遍。v(2)喷射混凝土v喷射混凝土与喷浆方法相仿，但作用大不相同。混凝土内加速凝剂，及时(越早越好)喷射到洞壁上，它便很快地凝固并有较大强度，可防止洞壁早期松动。v(3)锚筋加固v锚筋加固又称锚杆加固，目前大量采用。将锚筋插入围岩：使洞周松动围岩与稳定围岩固定，起到钉子的作用。楔楔楔楔缝缝缝缝式式式式及及及及楔楔楔楔头头头头式式式式锚锚锚锚杆杆杆杆胀胀胀胀壳壳壳壳式式式式及及及及砂砂砂砂浆浆浆浆粘粘粘粘结结结结式式式式预预预预应应应应力力力力锚锚锚锚杆杆杆杆喷锚支护与常规衬

44、砌支护比较示意图喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图2.锚杆的作用 锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为下述三个方面。(1)悬吊作用。(2)组合作用。对于层状岩层，锚杆可以将数层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能力。(3)加固作用。为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层和钢丝网来配合。v4、灌浆与加固v裂隙严重的岩体和极不稳定的第四纪堆积物中开挖洞室，常需要加固以增大围岩

45、稳定性，降低其渗水性。v最常用的加固方法就是水泥灌浆，其次有沥青灌浆、水玻璃(硅酸性)灌浆，还有冻结法，等等。通过这种办法，在围岩中大体形成一圆柱形或球形的固结层。原则：尽量减少对围岩的扰动，及时封闭围岩，设置支护结构。v对于大断面的洞室，可采取分段开挖1、上导洞施工法（围岩稳定性差）v导洞开挖法v当围岩不太稳定，顶围易塌时，四、合理施工v应在洞室最大断面的上部先挖导洞v立即支撑，达到要求的轮廓v作好顶拱衬砌。v然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，v最后做侧墙衬砌。v 即先拱后墙的办法。分部开挖、逐步扩挖示意图分部开挖、逐步扩挖示意图分部开挖、逐步扩挖示意图分部开挖、逐步扩挖示意图2 2、单侧导洞施

46、工法、单侧导洞施工法当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在设计断面的侧部开挖导洞，可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、即这便是侧导洞开挖、即先墙后拱先墙后拱的方法，或称的方法，或称为核心支撑法。为核心支撑法。3 3、双侧导洞施工法（围岩很不稳定）、双侧导洞施工法（围岩很不稳定）4 4、全断面一次开挖施工法、全断面一次开挖施工法v围岩稳定，可全断面一次开挖。现在多采用围岩稳定，可全断面一

47、次开挖。现在多采用新奥法和盾构法等新型施工方法。新奥法和盾构法等新型施工方法。1 1、新奥法、新奥法v(1)(1)定义：定义：v在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，以在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，以喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑为外层初次柔喷混凝土、锚杆、钢筋网、钢支撑为外层初次柔性支护形式，最大限度的发挥岩体自身的承载能性支护形式，最大限度的发挥岩体自身的承载能力以达到支护洞壁的目的。力以达到支护洞壁的目的。v(2)(2)新奥法的原理和应用新奥法的原理和应用v顾名思义，新奥法创始于奥地利。新奥法的基本顾名思义，新奥法创始于奥地利。新奥法的基本思想是充分利用围岩自身的承载能力，其

48、要点可思想是充分利用围岩自身的承载能力，其要点可归结为：归结为：五、新奥法、TBM和盾构法在隧洞施工中引用v运用现代岩石力学的理论，充分考虑并利用围岩运用现代岩石力学的理论，充分考虑并利用围岩的自身承载能力，把衬砌与围岩当成一个整体看待；的自身承载能力，把衬砌与围岩当成一个整体看待；v在施工过程中，必须进行现场量测在施工过程中，必须进行现场量测,并应用量测资并应用量测资料修订设计和指导施工料修订设计和指导施工;v采用预裂爆破、光面爆破等技术或用掘进机开挖，采用预裂爆破、光面爆破等技术或用掘进机开挖，用锚杆和喷射混凝土等作为支护手段，并强调适时用锚杆和喷射混凝土等作为支护手段，并强调适时支护。支

49、护。v总之，是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，总之，是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。2、TBMTunnel Boring Machine,全断面隧洞掘进机方法。3、盾构法 盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术，主要用于第四系松软地层掘进成洞，起源于欧洲，最近十几年来，经德国、日本大力开发，已得到广泛应用。最大洞径已达几十米，目前更大直径的盾构正在设计研究之中。复合式盾构机v在英吉利海峡隧道，日本东京湾海底公路隧道等建设中，发挥了巨大作用。这是一项先进的高度机械化、自动化的施工技术。v其优点是避开干扰，不影响地面建筑和环境，可

50、充分开发地下空间。在施工中能把掘进，出渣、支护与衬砌，融为一体。施工安全、可靠、准确，能缩短工期、提高工效、节约资金。v我国上海、兰州等地，已成功地在软粘土及砂砾层中修建了地铁隧道，排污隧洞、引水及电缆隧洞，穿黄浦江公路。目前不少大城市的地铁隧道建设中；还有南水北调工程的穿黄河输水隧洞都将用盾构法施工。因此，它将在我国的工程建设中发挥更大的作用。明挖法明挖法v就是俗称的“大揭盖”，即将整条路挖开作业，通常，埋设城市地下管线等施工均采取明挖法。v这种施工方法的优点是，作业面大、施工速度快、工程造价低，能够在较短工期内完成高质量工程。不过，v其缺点就是需要封闭道路，对城市交通秩序有一定影响。暗挖法

51、暗挖法v俗称俗称“矿山法矿山法”，v暗挖法在技术上我国走在世界的前列暗挖法在技术上我国走在世界的前列,一般一般在繁华的市区在繁华的市区,不中断交通不中断交通,减少对城市人减少对城市人民生活的干扰民生活的干扰,特别是在地下水位较深、不特别是在地下水位较深、不需要降水的条件下采用。需要降水的条件下采用。v其施工程序大致是，先利用钢拱架加喷射混其施工程序大致是，先利用钢拱架加喷射混凝土，作为地下洞室的初期支撑保护，然后凝土，作为地下洞室的初期支撑保护，然后进行二次衬砌加固。这种施工作业方法由于进行二次衬砌加固。这种施工作业方法由于在地下进行，因此对地面交通秩序影响极小在地下进行，因此对地面交通秩序影响极小盖挖法盖挖法v盖挖法是由地面向下开挖至一定深度后，将顶部封闭，其余的下部工程在封闭的顶盖下进行施工。v主体结构可以顺作，也可以逆作。在城市繁忙地带修建地铁车站时，往往占用道路，影响交通。当地铁车站设在主干道上，而交通不能中断，且需要确保一定交通流量要求时，可选用盖挖法。