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1、 第第3 3章章 地下洞室围岩稳定性地下洞室围岩稳定性的工程地质分析的工程地质分析p1 1）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意义；义；p2 2）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；p3 3）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压力问题；力问题；p4 4）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；p5 5）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；本章学习内容及要求本章学习内容及要
2、求本章重点本章重点：1 1）地下洞室开挖后）地下洞室开挖后围岩岩应力分布特征；力分布特征；2 2）地下洞室）地下洞室围岩的岩的变形破坏特征及形破坏特征及类型；型；3 3）围岩岩稳定性分析与定性分析与评价方法；价方法；本章本章难点点：1 1）围岩岩变形破坏特征；形破坏特征；2 2）围岩岩稳定性分析与定性分析与评价方法价方法本章重点及难点本章重点及难点3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 3.1.1 3.1.1 基本概念基本概念 地下洞室地下洞室(undergroundcavity)(undergroundcavity)是指人工开挖或天然是指人工开挖或天然存在于岩土体中作存
3、在于岩土体中作为各种用途的构筑物。各种用途的构筑物。为各种目的修建在地各种目的修建在地层之内的之内的中空通道中空通道或或中空洞室中空洞室统称称为地下洞室，包括地下洞室，包括矿山坑道、山坑道、铁路隧道、水工隧洞、路隧道、水工隧洞、地下地下发电站厂房、地下站厂房、地下铁道及地下停道及地下停车场、地下、地下储油油库、地下地下弹道道导弹发射井、以及地下射井、以及地下飞机机库等。等。虽然它然它们规模不等，但都有一个共同的特点，就是都模不等，但都有一个共同的特点，就是都要在岩体内开挖要在岩体内开挖出具有一定横断面出具有一定横断面积和尺寸、并有和尺寸、并有较大大廷伸廷伸长度的洞子。度的洞子。二滩电站地下厂房
4、3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义锦屏地下洞室三维地质模型3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义拉西瓦地下洞室三维地质模型3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义3.1.2 3.1.2 地下洞室的分类地下洞室的分类按按用用途途：矿山山巷巷道道（井井）、交交通通隧隧道道、水水工工隧隧道道、地地下下厂房（厂房（仓库）、地下）、地下军事工程事工程按洞壁受按洞壁受压情况：有情况：有压洞室、无洞室、无压洞室洞室按断面形状：按断面形状：圆形、矩形、城形、矩形、城门洞形、洞形、椭圆形形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按与水平面
5、关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介按介质类型：岩石洞室、土洞型：岩石洞室、土洞按按应力情况：力情况：单式洞室、群洞式洞室、群洞3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 3.1.3 研究意义地下洞室开挖之前，岩体地下洞室开挖之前，岩体处于一定的于一定的应力平衡状力平衡状态，开挖使，开挖使洞室周洞室周围岩体岩体发生卸荷回生卸荷回弹和和应力重新分布。如果力重新分布。如果围岩足岩足够强固，不会因卸荷回固，不会因卸荷回弹和和应力状力状态的的变化而化而发生生显著的著的变形和破形和破坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固
6、措施而能保持保持稳定。但是，有定。但是，有时或因洞室周或因洞室周围岩体岩体应力状力状态的的变化大，化大，或因岩体或因岩体强度低，以致度低，以致围岩适岩适应不了回不了回弹应力和重分布力和重分布应力的力的作用而作用而丧失其失其稳定性。此定性。此时，如果不加固或加固而末保，如果不加固或加固而末保证质量，量，都会引起破坏事故，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运地下建筑的施工和运营造成危害。造成危害。3.1 3.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 3.2.1 3.2.1 围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点 由岩体力学可知，任何岩体在天然条件下均由岩体力学可知，任何岩体在天
7、然条件下均处于一定初始于一定初始应力状力状态，岩体内任何一点的初始，岩体内任何一点的初始应力状力状态(常称常称为原岩原岩应力力)通常通常可以垂直正可以垂直正应力力(通常通常为主主应力力)和水平正和水平正应力来表示（其中力来表示（其中 vo值可以是零，也可以是常数）：可以是零，也可以是常数）：由上式可知由上式可知:岩体内的初始岩体内的初始应力随深度而力随深度而变化化,因而因而对于具有一于具有一定尺寸的地下洞室来定尺寸的地下洞室来说,其垂直剖面上各点的原岩其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等力大小是不等的的,即即地下洞室在岩体内将是地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始在一种非均匀的初始应力力场
8、中中。3.2 3.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征按照森按照森维南原理南原理:开挖洞室引起的开挖洞室引起的应力状力状态的重大的重大变化局限在洞室横剖面化局限在洞室横剖面中最大尺寸的中最大尺寸的3-53-5倍范倍范围之内。之内。为简化化图岩岩应力的力的计算，假定在洞室的整个算，假定在洞室的整个影响影响带内岩体的初始内岩体的初始应力状力状态与洞中心与洞中心处是一是一样的，的，这样，就将均匀，就将均匀应力力场简化化为均匀均匀应力，大大力，大大简化了化了围岩岩应力的力的计算。算。3.2 3.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征围岩开挖引起洞室岩开挖引起洞室周周边各各
9、质点向自由点向自由临空空面方向移面方向移动，随，随围岩岩处所初始所初始应力状力状态（N N值）的不同的不同,在洞室周在洞室周边产生不同的生不同的应力分布特征，力分布特征，如下如下图所示：所示：3.2 3.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征由上由上图可以看出：可以看出：1 1）径向）径向应力：力：随着向自由表面的接近而逐随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁减小，至洞壁处变为零。零。22）切向）切向应力：力：在一些部位愈接近自由表面切向在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁力愈大，并于洞壁达最高达最高值，即，即产生所生所谓压应力集中力集中；在另一些部分，愈接；在另一些部
10、分，愈接近自由表面切向近自由表面切向应力愈低，有力愈低，有时甚至于洞壁附近出甚至于洞壁附近出现够应力，即力，即产生所生所谓拉拉应力集中力集中。这样，地下洞宝的开挖就将，地下洞宝的开挖就将于于围岩内引起岩内引起强烈的烈的主主应力分异力分异现象象，使，使围岩内的岩内的应力差力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大达最大值。3.2 3.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征 3.2.2 3.2.2 圆圆-椭圆形洞室周边应力集中的一般规律椭圆形洞室周边应力集中的一般规律对于于圆形形-椭圆形洞室，周形洞室，周边上可能的最大拉上可能的最大拉应力集中和最力集中和
11、最大大压应力集中分力集中分别发生于岩体内初始最大主生于岩体内初始最大主应力力轴和最小主和最小主应力力轴与周与周边垂直相交的垂直相交的A A、B B两点，两点，而两点之而两点之间的的应力力则介介于上述两个极于上述两个极值之之间，呈逐，呈逐渐过渡状渡状态(如如图3 3一一4 4、1010一一5)5)。可可见这两点是判定两点是判定围岩是否岩是否稳定的关定的关键部位只要了解部位只要了解这两点两点的的应力情况，就能掌握力情况，就能掌握这类洞室周洞室周边应力集中的一般力集中的一般规律。律。3.2 3.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征AB A点：点：N1/3时，时，Kc0,为压应力为压应
12、力;N1/3时，时，Kc应力力调整整-变形、局部破坏形、局部破坏-再再次次调整整 -再次再次变形形-较大范大范围破坏破坏3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏围岩岩性围岩岩性岩体结构岩体结构变形破坏形式变形破坏形式产生机制产生机制脆性围岩脆性围岩块体状结构及厚块体状结构及厚层状结构层状结构张裂塌落张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏拉应力集中造成的张裂破坏劈裂剥落劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂压应力集中造成的压致拉裂剪切滑移及剪切碎剪切滑移及剪切碎裂裂压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂岩爆岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破压应力高度
13、集中造成的突然而猛烈的脆性破坏坏中薄层状结构中薄层状结构弯折内鼓弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构碎裂结构碎裂松动碎裂松动压应力集中造成的剪切松动压应力集中造成的剪切松动塑性围岩塑性围岩层状结构层状结构塑性挤出塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀水分重分布造成的吸水膨胀散体结构散体结构塑性挤出塑性挤出压应力作用下的塑流压应力作用下的塑流塑流涌出塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力坍塌重力作用下的坍塌重力作用下的坍塌表表3-63-6围岩的变形破坏形式及其与
14、围岩岩性及结构的关系围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.2 脆性围岩的变形破坏脆性脆性围岩包括各种岩包括各种块体状体状结构或构或层状状结构的构的坚硬或硬或半半坚硬的脆性岩体。硬的脆性岩体。这类围岩的岩的变形和破坏，主要是在形和破坏，主要是在回回弹应力和重分力和重分布的布的应力作用下力作用下发生的，水分的重分布生的，水分的重分布对其其变形和破形和破坏的影响坏的影响较为微弱。微弱。脆性脆性围岩岩变形破坏的形式和特点除与由岩体初始形破坏的形式和特点除与由岩体初始应力状力状态及洞形所决定的及洞形所决定的围岩的岩的应力状力状态有关外
15、，主有关外，主要取决于要取决于围岩岩结构构，一般有，一般有弯折内鼓弯折内鼓、张裂塌落裂塌落、劈劈裂剥落裂剥落、剪切滑移剪切滑移以及以及岩爆岩爆等不同等不同类型型.3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(1)(1)弯折内鼓弯折内鼓层状、特状、特别是薄是薄层状状围岩岩变形破坏的主要形式。形破坏的主要形式。从力学机制来看，它的从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是生可能有两种情况：一是卸荷回卸荷回弹的的结果；二是果；二是应力集中使洞壁力集中使洞壁处的的切向切向压应力超力超过薄薄层状岩状岩层的抗弯折的抗弯折强度度所造成的所造成的.卸荷回卸荷回弹所造成的所造成的变形破坏主要形
16、破坏主要发生生在初始在初始应力力较高的岩体高的岩体内内(或者洞室埋深或者洞室埋深较大大,或者水平地或者水平地应力力较高高),),而且而且总是在与岩是在与岩体内初始最大主体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表力垂直相交的洞壁上表现得最得最强烈烈.故当薄故当薄层状岩状岩层与此洞壁平行或近于平行与此洞壁平行或近于平行时,洞室开挖后洞室开挖后.薄薄层状状围岩岩就会在回就会在回弹应力的作用下力的作用下发生回生回弹应力的作用下力的作用下发生弯曲、折生弯曲、折裂和折断裂和折断,最最终挤入洞内而坍倒入洞内而坍倒.3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 压应力集中所造成的力集中所造成的变形破
17、坏形破坏主要主要发生在洞室周生在洞室周边上有上有较大大的的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的状岩体的层面与面与这类应力力高度集中部位平行或近于平行高度集中部位平行或近于平行时，切向，切向压应力往往超力往往超过薄薄层状状围岩的抗弯折岩的抗弯折强度，从而使度，从而使围岩岩发生弯折内鼓破坏。生弯折内鼓破坏。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(2)(2)张裂塌落裂塌落张裂塌落通常裂塌落通常发生于厚生于厚层状或状或块体状岩体内的洞室体状岩
18、体内的洞室顶拱。拱。当那里当那里产生拉生拉应力集中，且其力集中，且其值超超过围岩的抗拉岩的抗拉强度度时，顶拱拱围岩就将岩就将发生生张裂破坏，尤其是当那里裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构育有近垂直的构造裂隙造裂隙时、即使、即使产生的生的拉拉应力很小也可使岩体拉开力很小也可使岩体拉开产生垂直生垂直的的张性裂性裂缝。被垂直裂被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下切割的岩体在自重作用下变得很不得很不稳定定，特特别是当有近水平方向的是当有近水平方向的软弱弱结构面构面发育育，岩体在垂岩体在垂直方向的抗拉直方向的抗拉强度度较低低时，往往造成，往往造成顶供的塌落供的塌落。但是在。但是在N N 0 0的情况下，的
19、情况下，顶拱坍塌引起的洞室拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使高比的减小全使顶拱拱处的拉的拉应力集中也随之而减小，甚至力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当力。当项拱拱处的拉的拉应力减小至小于岩体的抗拉力减小至小于岩体的抗拉强度度时顶拱因岩韶拱因岩韶趋于于稳定。定。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(3)(3)劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动这两种破坏形式都两种破坏形式都发生于生于压应力、特力、特别是最大是最大压应力集中的力集中的部位。部位。aa）劈裂剥落）劈裂剥落过大的切向大的切向压应力使力使围岩表部岩表部发生平行于洞室周生平行于洞室周边的破裂。一
20、的破裂。一些平行的破裂将些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超一般不超过洞室的半跨。当切向洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯力大于劈裂岩板的抗弯强度度时，这些劈裂板些劈裂板还可能按可能按压弯、弯、折断并造成塌方，折断并造成塌方，转化化为类似于弯折内鼓似于弯折内鼓类型的破坏。型的破坏。劈裂剥落劈裂剥落多多发生于厚生于厚层状或状或块体状体状结构的岩体内，构的岩体内，视围岩岩应力条件的不同，力条件的不同，可可发生于生于顶拱，也可拱，也可发生于生于边墙之上，前者造成之上，前者造
21、成顶供的片状冒落，供的片状冒落，后者后者则造成通常所造成通常所谓的片帮。的片帮。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏bb）剪切滑移剪切滑移这种形式的破坏多种形式的破坏多发生于厚生于厚层状或状或块体状体状结构的岩体内。构的岩体内。随随围岩岩应力条件的不同，可力条件的不同，可发生在生在边墙上，也可上，也可发生于生于顶拱。拱。在水平在水平应力大于垂直力大于垂直应力的力的应力力场中中(N(N1)1)，这类破坏破坏多多发生在生在顶拱拱压应力集中程度力集中程度较高，且有斜向断裂高，且有斜向断裂发育的部育的部位。由于切向位。由于切向应力力很大，而径向很大，而径向应力力r r很小，故沿
22、断很小，故沿断层面作用的剪面作用的剪应力，比力，比较高，而正高，而正应力却比力却比较小，所以，沿断小，所以，沿断层面作用的剪面作用的剪应力往往会超力往往会超过其抗剪其抗剪强度，引起沿断度，引起沿断层的剪的剪切滑移。切滑移。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 c c）碎裂松）碎裂松动碎裂松碎裂松动是碎裂是碎裂结构岩体构岩体变形、破坏的主要形式，形、破坏的主要形式，洞体洞体开挖后，如果开挖后，如果围岩岩应力超力超过了了围岩的屈服岩的屈服强度，度，这类围岩岩就会因沿多就会因沿多组已有断裂已有断裂结构面构面发生剪切生
23、剪切错动而松而松驰，并，并围绕洞体形成一定的碎裂松洞体形成一定的碎裂松动带或松或松动屈。屈。这类松松动带本身本身是不是不稳定的，特定的，特别是当有地下水的活是当有地下水的活动参与参与时，极易，极易导致致顶拱的坍塌和拱的坍塌和边墙的失的失稳。由于松。由于松动带的厚度会随的厚度会随时间的的推移而逐步增大，因此推移而逐步增大，因此为了防止了防止这类围岩岩变形、破坏的形、破坏的过度度发展，必展，必须及及时采取加固措施。采取加固措施。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(4)(4)岩爆岩爆a）有关岩爆的基本概念在地下开挖
24、或开采在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表程中突然地以爆炸的形式表现出出来，来，这就是所就是所谓的岩爆。的岩爆。岩爆岩爆发生生时，岩石或煤等突然从，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或岩中被抛出或弹出，出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。几厘米。大型岩爆通常伴有大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响甚至烈的气浪和巨响甚至还伴有周伴有周围岩岩体的振体的振动。岩爆。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很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坏支大的危害大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的、堵塞坑道，造成重大的伤亡亡事故。小者也能威
25、事故。小者也能威胁工人的安全。工人的安全。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏b）岩爆的类型和特点(a)(a)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆岩表部岩石突然破裂引起的岩爆在深埋隧道或其它在深埋隧道或其它类型地下洞室中所型地下洞室中所发生的中小型岩爆多属生的中小型岩爆多属这种种类型。型。发生生时发出如机出如机枪射射击的劈劈拍拍响声，故被称的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射岩石射击。一般一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后生在新开挖的工作面附近，爆破后2-3h2-3h，围岩表部岩石常岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同出如上所述的爆裂声，同时有中厚有中厚边薄的不薄的不规则片状岩片
26、状岩块自洞壁自洞壁图岩中岩中弹射出或剥落。射出或剥落。弹出者一般出者一般块度度较小，多呈几小，多呈几cmcm长、宽的薄片，的薄片，个个别达几十达几十M M长、宽，但爆裂声，但爆裂声较大，且爆裂与大，且爆裂与弹射几乎同射几乎同时发生；生；剥落者一般剥落者一般块度度较大，可达几大，可达几m m长、宽，但爆声，但爆声较小，且多在爆裂声小，且多在爆裂声的几分的几分钟或更或更长些些时间后方脱离母岩而自由后方脱离母岩而自由坠下。下。这类岩爆多岩爆多发生于生于友面平整、有硬友面平整、有硬质结核或核或软弱面的地方，且多平行于岩壁弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前生，事前无明无明显的的预兆。兆。3.3 3.3
27、 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 (b)(b)矿柱或大范柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆岩突然破坏引起的岩爆发生于一些探生于一些探矿坑中的大型岩爆多届坑中的大型岩爆多届这种种类型。型。这类岩爆岩爆发生生时通常伴有通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至烈的气浪和巨响，甚至还伴有周伴有周围岩体的岩体的强烈振烈振动，破坏力很大，破坏力很大，对地下采掘工作造成地下采掘工作造成严重的危害，放常披称之重的危害，放常披称之为矿山打山打击或冲或冲击地地压。在煤。在煤矿中，中，这类岩爆多岩爆多发生于距坑道壁生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉有一定距离的区域内，在某些因素的
28、作用下，那里的煤被突然粉碎，大碎，大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，和气浪，破坏力极大。破坏力极大。这类冲冲击地地压发生之前，常可生之前，常可觉察到支察到支护上或煤柱中上或煤柱中压力的力的增大，有增大，有时还会出会出现霹霹雳声或振声或振动，但有，但有时则没有明没有明显的的预兆。兆。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(c)(c)断断层错动引起的岩爆引起的岩爆坑道以小角度逼近一个潜在的活坑道以小角度逼近一个潜在的活动断断层时，坑道的开挖使作用，坑道的开挖使作用于断于断层面上的正面上的正应力减小，从而使沿断力减小，从而
29、使沿断层面的摩阻力降低，引起断面的摩阻力降低，引起断层突然再活突然再活动，形成岩爆，形成岩爆，这类岩爆一般岩爆一般发生在构造活生在构造活动区的探区的探矿井中，破坏性很大，且影响范井中，破坏性很大，且影响范围较广。广。cc）岩爆的）岩爆的产生条件与生条件与发生机制生机制本本质上，岩爆乃是洞室上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然岩的一种伴有突然释放大量潜能的放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，生条件方面来看，高高储能体的存在能体的存在及其及其应力接力接近于岩体近于岩体强度度是是产生岩爆的内在条件，而某些因素的生岩爆的内在条件，而某些因素的触触发效效应则是是岩爆岩爆产生的外
30、因。生的外因。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(a)(a)围岩岩应力条件力条件 判断岩爆判断岩爆发生的生的应力条件有两种方法：力条件有两种方法：一是用洞壁的最大一是用洞壁的最大环向向应力力与与围岩岩单轴抗抗压强度度c c之比之比值作作为岩爆岩爆产生的生的应力条件；力条件；一是用天然一是用天然应力中的最大主力中的最大主应力力1 1与岩与岩块单轴抗抗压强度度c c之比之比进行判断。行判断。经验公式：公式：1 1c c大于大于0.1650.1650.350.35的脆性岩体最的脆性岩体最易易发生岩爆。生岩爆。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏（b
31、b）岩性条件）岩性条件 弹性性变形能系数形能系数：加：加载到到0.7c0.7c后再卸后再卸载至至0.05c0.05c时，卸卸载释放的放的弹性性变形能与加形能与加载吸收的吸收的变形能之比的百分数。形能之比的百分数。当当7070时，会，会产生岩爆，生岩爆，越大越大发生岩爆的可能性越大。生岩爆的可能性越大。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏（C C）岩爆形成机理和）岩爆形成机理和围岩破坏区分岩破坏区分带劈裂成板劈裂成板阶段段（岩爆孕育）（岩爆孕育）垂垂直直洞洞壁壁方方向向受受张应力力作作用用而而产生生平平行行于于最最大大环向向应力力的的板板状状劈劈裂裂.仅在在洞洞壁壁表表部
32、部,部部分分板板裂裂岩岩体体脱脱离离母母岩岩而而剥剥落落,而而无无岩岩块弹射出射出现.剪切成剪切成块阶段段(岩爆的岩爆的酝酿)劈劈裂裂岩岩板板向向洞洞内内弯弯曲曲,发生生张剪剪复复合合破破坏坏.处于于爆爆裂裂弹射射的的临界状界状态.块、片、片弹射射阶段段 劈裂劈裂,剪断岩板，剪断岩板，产生响声和震生响声和震动.岩岩块发生生弹射射,岩爆形成岩爆形成.3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏岩爆渐进破坏过程示意图岩爆渐进破坏过程示意图A、劈裂；、劈裂；B、剪断；、剪断；C、弹射、弹射 岩爆的岩爆的渐进性破坏性破坏过程很短促程很短促.各各阶段在演化段在演化的的时序和序和发展的空展
33、的空间部位部位,都是由洞壁向都是由洞壁向围岩深部依岩深部依次重复更迭次重复更迭发生的生的.因此，因此，岩爆引起的岩爆引起的围岩破坏区可岩破坏区可以分以分弹射射带、劈裂、劈裂-剪切剪切带和劈裂和劈裂带等三等三带.3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏较为有代表性的岩爆划分方案有种：有代表性的岩爆划分方案有种：挪威挪威RussenseRussense提出用点荷提出用点荷载指数与指数与围岩切向岩切向应力比力比值作作为判据判据:Is/Is/0.0830.200.20无岩爆无岩爆安德森提出的判据安德森提出的判据/c0.35c1.01.0严重岩爆重岩爆以上：以上：IsIs点荷点荷载指
34、数指数,切向切向应力；力；c c 岩石抗岩石抗压强度。度。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 3.3 塑性围岩的变形与破坏塑性塑性围岩包括各种岩包括各种软弱的弱的层状状结构岩体构岩体(如如页岩、泥岩和粘土岩、泥岩和粘土岩等岩等)和散体和散体结构岩体。构岩体。这类围岩的岩的变形与破坏，主要是在形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布力重分布和水分重分布的作用下的作用下发生的主要有生的主要有塑性塑性挤出、膨出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力内鼓、塑梳涌出和重力坍塌坍塌等不同等不同类型，型，现分述如下：分述如下：(1)(1)塑性塑性挤出出洞室开挖后，当洞室开挖后，当围岩岩应力超力
35、超过塑性塑性围岩的屈服岩的屈服强度度时，软弱弱的塑性物的塑性物质就会沿最大就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在一般情况下易于被出。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括：出的岩体主要包括：3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(a)(a)固固结程度程度较差的泥岩、粘土岩；差的泥岩、粘土岩；(b)(b)各种富含泥各种富含泥质的沉的沉积或或变质岩岩层(如泥岩、如泥岩、页岩、板岩和千岩、板岩和千枚岩等枚岩等)中的中的挤压剪剪闭破碎破碎带;(c)(c)火成岩中的官含泥火成岩中的官含泥质的的风化破碎化破碎夹层等，特等，特别是当是当这些岩些
36、岩体富含水分体富含水分处于塑性状于塑性状态时，就更易于被，就更易于被挤出。未出。未经构造或构造或风化化扰动且固且固结程度程度较高的泥高的泥质沉沉积岩及岩及变质岩岩层则不易于被不易于被挤出。出。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏(2)(2)膨膨胀内鼓内鼓洞室开挖后洞室开挖后围岩表部减岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高区的形成往往促使水分由内部高应力区向力区向图岩表部岩表部转移移,结果常使某些易于吸水膨果常使某些易于吸水膨胀的岩的岩层发生生强烈的膨烈的膨胀内鼓内鼓变形形.这类膨膨胀变形形显然是由然是由围岩内部的水分重分岩内部的水分重分布引起的布引起的,除此之外除此之外
37、,开挖后暴露于表部的开挖后暴露于表部的这类岩体有岩体有时也会从空也会从空气中吸收水分而使自身膨气中吸收水分而使自身膨胀.退水后易于膨退水后易于膨胀的岩石主要有两的岩石主要有两类:一一类是是富含粘土富含粘土矿物物(待待别是蒙脱石是蒙脱石)的塑性岩石的塑性岩石,如泥如泥质岩、岩、钻土岩、膨土岩、膨胀性粘土等性粘土等;另另一一类是含硬石膏的地是含硬石膏的地层,如硬石膏退水后就会如硬石膏退水后就会发水化而水化而转化化为石膏，体石膏，体积随之而增大。从而可以随之而增大。从而可以产生的生的强大山大山压，给隧道的施工和运行隧道的施工和运行带来很大困来很大困难。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围
38、岩的变形破坏(3)(3)塑流涌出塑流涌出当开挖揭穿了当开挖揭穿了饱水的断裂水的断裂带内的松散破碎物内的松散破碎物质时，这些物些物质就会和水一起在就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的泥力下呈央有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中有状突然地涌人洞中有时甚至可以堵塞坑道，甚至可以堵塞坑道，给施工造施工造成很大的困成很大的困难。(4)(4)重力坍塌重力坍塌破碎松散岩体在重力作用下破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。生的塌方。3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 4.1 影响地下洞室围岩稳定性的因素前述分析表明，地下洞室前述分析表明，地下洞室围岩岩稳定性定性问题主要是可能出主要是
39、可能出现的的围岩岩应力力与与围岩岩强度度间的矛盾的矛盾问题。各。各类因素都是通因素都是通过这两个方面来影响地下洞室的两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将影响地定性的。因此，可将影响地下洞室下洞室稳定性的因素分定性的因素分为三大三大类：第一第一类因素是通因素是通过围岩岩应力状力状态而影响地下洞室而影响地下洞室围岩岩稳定性的定性的。主要包括岩体的天然。主要包括岩体的天然应力状力状态及洞室的剖面形状和及洞室的剖面形状和尺寸。其中岩体的天然尺寸。其中岩体的天然应力状力状态既受自然地既受自然地质因素控制又与因素控制又与人人类工程活工程活动的要求有关。而洞室的形状的要求有关。而洞室的形状则主要是由
40、人主要是由人类工工程活程活动的要求与特点所决定。的要求与特点所决定。3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价第二第二类因素包括因素包括围岩的岩性和岩的岩性和结构，主要是通构，主要是通过围岩的岩的强度度来来影响洞室影响洞室围岩岩稳定性的。定性的。从岩性角度，可以将从岩性角度，可以将围岩分岩分为塑性塑性围岩和岩和脆性脆性围岩两大岩两大类:塑性塑性围岩岩主要包括各主要包括各类粘土粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水膨于吸水膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有的岩石如硬石膏等，通常具有风化速度快、力学化速度快、力学强度低度低以及通水易于以及通水易于软化、膨化、
41、膨胀或崩解等不良性或崩解等不良性质，故，故对地下洞室地下洞室围岩的岩的稳定性最定性最为不利。不利。脆性脆性围岩岩主要包括各主要包括各类坚硬及半硬及半坚硬岩体。由于岩石本身的硬岩体。由于岩石本身的强度度远高于高于结构面的构面的强度，故度，故这类围岩的岩的强度主要取决于岩体度主要取决于岩体结构，构，岩性本身的影响不十分岩性本身的影响不十分显著。在著。在这类围岩中，碎裂岩中，碎裂结构的构的稳定性最定性最差，薄差，薄层状状结构次之，而厚构次之，而厚层状及状及块体状岩体体状岩体则通常具有很高的通常具有很高的稳定性。定性。对于厚于厚层状及状及块体状岩体，其体状岩体，其强度主要受度主要受软弱弱结构面构面的的
42、发育和育和分布特点所控制。分布特点所控制。3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价第三第三类因素是既能影响因素是既能影响应力状力状态，又能影响，又能影响围岩岩强度度的因的因素。素。主要主要为地下水的地下水的赋存活存活动条件。条件。结构面中的空隙水构面中的空隙水压力力减小减小结构面上的有效构面上的有效应力，降低沿力，降低沿结构面的抗滑构面的抗滑稳定性。地定性。地下水物理化学作用降低岩体的下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下水活度。所以，地下水活动往往往往是是围岩失岩失稳的一个重要因素。的一个重要因素。需要指出的是，上述三需要指出的是，上述三类因素，在内外因素，在内外营力作用
43、下是不断力作用下是不断变化的。化的。3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价 4.2 隧洞围岩稳定性的定性评价对于一般的工程隧洞，由于于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，模和埋深不大，围岩岩应力力较低且影响低且影响范范围较小，因而破坏失小，因而破坏失稳总是是发生在生在围岩岩强度度显著降低的部位，不著降低的部位，不稳定的地定的地质标志志较为明明显，通常能，通常能够通通过一般的地一般的地质工作加以研究和工作加以研究和评价。价。大量的大量的实践践经验表明，在一般工程隧洞中，表明，在一般工程隧洞中，围岩的失岩的失稳或破坏通常或破坏通常发生于下述几生于下述几类地区。地区。(1)(1)破
44、碎松散岩石或破碎松散岩石或软弱的塑性岩弱的塑性岩类分布区，包括岩体中的分布区，包括岩体中的风化、构化、构造破碎造破碎带以及以及风化速度快、力学化速度快、力学强度低、遇水易于度低、遇水易于软化、膨化、膨胀或崩解或崩解的的钻土土质岩岩类的分布地的分布地带；(2)(2)碎裂碎裂结构岩体及半构岩体及半坚硬的薄硬的薄层状状结构岩体分布区构岩体分布区;(3)(3)坚硬硬块体状及厚体状及厚层状岩体中，状岩体中，为几几组软弱弱结构面切割、能于洞构面切割、能于洞顶或或边墙上构成不上构成不稳定定结构体的部位。构体的部位。3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价1 解析分析法4.3 隧洞围岩稳定性的
45、定量评价围岩整体稳定性局部块体稳定性2 数值模拟1 矢量分析法2 图解法（实体比例投影法）3 数学解析法3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价（1）局部块体稳定性分析赤平投影+实体比例投影（a a）图解法解法3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价OO903.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价WESNL1L2L3L1L2L3ACBOWSNL1L2L3EWSNL1L2L3EABC213DEBDE AOD”E”B”A”拱顶块体实体比例投影EWSNL1L2L3ABCDEFWESNL1L2L3ABCDEFABCOPlOOPWESNL1L2L3ACDE
46、FACBBABEFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FABFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FOWESNL1L2L3ABEFACCBDA”C”BEFDL1L2L3边墙块体实体比例投影（b）数学解析法）数学解析法通通过平面方程与曲面方面平面方程与曲面方面联立求解，立求解，获得局部得局部块体的几何体的几何学参数学参数几何学分析几何学分析3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价分解为平面四面体和曲面五面体分解为平面五面体和曲面四面体拱顶块体分解为平面四面体和曲面楔形体脱离岩体的运脱离岩体的运动运运动学分析学分析其稳定性系数为：K=0沿沿单面滑面滑动其稳定性系数按
47、下式计算：3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价沿双面滑沿双面滑动其其稳稳定性系数按下式定性系数按下式计计算：算：（2）整体稳定性分析通过建模技术，利用有限元、离散元、有限差分等数值计算方法进行分析洞室的整体稳定状况。3.4 3.4 围岩稳定性分析与评价围岩稳定性分析与评价1围岩岩变形破坏的累形破坏的累进性性发展展 大量的大量的实践表明，地下工程践表明，地下工程围岩的岩的变形破坏通常是形破坏通常是累累进性性发展展的。由于的。由于围岩内岩内应力分布的不均匀性以及岩力分布的不均匀性以及岩体体结构、构、强度的不均一性及各向异性，那些度的不均一性及各向异性，那些应力集中程力集中程度高
48、，而度高，而结构构强度又相度又相对较低的部位往往是累低的部位往往是累进性破坏性破坏的突破口，在大范的突破口，在大范围围岩尚保持整体岩尚保持整体稳定性的情况下，定性的情况下，这些些应力力强度关系中的最薄弱部位就可能度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，生局部破坏，并使并使应力向其它部位力向其它部位转移，引起另外一些次薄弱部位的移，引起另外一些次薄弱部位的破坏，如此逐破坏，如此逐渐发展，展，连锁反反应，终将将导致大范致大范围围岩岩的失的失稳破坏。因此，在破坏。因此，在进行行围岩岩稳定性的分析、定性的分析、评价价时，必必须充分考充分考虑围岩累岩累进性破坏的性破坏的过程和特点，程和特点，针对控制控制
49、围岩失岩失稳破坏的关破坏的关键部位采取有效措施，以防止累部位采取有效措施，以防止累进性性破坏的破坏的发生和生和发展，展，这正是支正是支护设计的关的关键所在。所在。3.53.5围岩变形破坏的发展和山岩压力问题围岩变形破坏的发展和山岩压力问题 一般一般说来，地下工程来，地下工程围岩岩变形破坏累形破坏累进性性发展的展的过程和特点主要取决于三方面因素，即：程和特点主要取决于三方面因素，即：(1)原岩原岩应力的方力的方向及大小；向及大小；(2)地下洞室的形状及尺寸；地下洞室的形状及尺寸；(3)岩体岩体结构及构及其其强度。度。所以，具体条件不同，所以，具体条件不同，围岩累岩累进性破坏的性破坏的过程程和特点
50、也迥异。和特点也迥异。每一特定条件下每一特定条件下围岩累岩累进性破坏能否性破坏能否发生，其特点生，其特点如何，以及什么如何，以及什么样的支的支护方案才是最方案才是最经济而有效的，而有效的，这些些问题通常可以通通常可以通过数数值模模拟的方法来加以研究和解决。的方法来加以研究和解决。数数值模模拟方法在研究方法在研究围岩岩变形破坏及形破坏及稳定性定性评价中价中具有十分明具有十分明显的的优越性，运用越性，运用这种方法不种方法不仅可以研究不可以研究不同条件下同条件下围岩的岩的稳定状况，定状况，为设计方案的方案的优化提供基化提供基础，而且而且还可以追索可以追索围岩累岩累进性破坏的性破坏的发展展过程，找出可