地下工程圍巖穩(wěn)定性分析

1、 地下洞室開挖前，巖體內(nèi)的應力狀態(tài)稱為地下洞室開挖前，巖體內(nèi)的應力狀態(tài)稱為初初始應力狀態(tài)始應力狀態(tài)。 開挖后，由于洞室周圍巖體失去了原有的支開挖后，由于洞室周圍巖體失去了原有的支撐，破壞了原來的受力平衡狀態(tài)，圍巖將向洞內(nèi)撐，破壞了原來的受力平衡狀態(tài)，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體產(chǎn)生松脹位移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體的應力重新調(diào)整，形成新的應力狀態(tài)。該應力稱的應力重新調(diào)整，形成新的應力狀態(tài)。該應力稱重分布應力、二次應力或圍巖應力重分布應力、二次應力或圍巖應力。 直接影響圍巖穩(wěn)定的是二次應力狀態(tài)，它與直接影響圍巖穩(wěn)定的是二次應力狀態(tài)，它與巖體的初始應力狀態(tài)、洞室斷面形

2、狀及巖體特性巖體的初始應力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關。等因素有關。一、開挖后圍巖保持彈性時的重分布應力一、開挖后圍巖保持彈性時的重分布應力 洞室開挖后圍巖的穩(wěn)定性，取決于二次應力與圍洞室開挖后圍巖的穩(wěn)定性，取決于二次應力與圍巖強度之間的關系。巖強度之間的關系。 如果洞周邊應力小于巖體的強度，圍巖穩(wěn)定。如果洞周邊應力小于巖體的強度，圍巖穩(wěn)定。 否則，周邊巖石將產(chǎn)生破壞或較大的塑性變形。否則，周邊巖石將產(chǎn)生破壞或較大的塑性變形。 圍巖一旦松動，如不加支護，則會向深部發(fā)展，圍巖一旦松動，如不加支護，則會向深部發(fā)展，形成具有一定范圍的形成具有一定范圍的應力松弛區(qū)應力松弛區(qū)，稱為，稱為塑性松

3、動圈塑性松動圈。 在松動圈形成過程中，原來周邊集中的高應力逐漸向在松動圈形成過程中，原來周邊集中的高應力逐漸向深處轉(zhuǎn)移，形成新的深處轉(zhuǎn)移，形成新的應力增高區(qū)應力增高區(qū)，該區(qū)巖體被擠壓緊，該區(qū)巖體被擠壓緊密，稱為密，稱為承載圈承載圈。此圈之外為。此圈之外為初始應力區(qū)初始應力區(qū)。 圍巖的抗壓強度和抗拉強度是否適圍巖的抗壓強度和抗拉強度是否適應圍巖應力。（公式略）應圍巖應力。（公式略） 圍巖的抗剪強度是否適應圍巖的剪圍巖的抗剪強度是否適應圍巖的剪應力。應力。 （公式略）（公式略）一、圍巖穩(wěn)定的概念一、圍巖穩(wěn)定的概念 圍巖穩(wěn)定是指在一定時間內(nèi)，在一定的地質(zhì)力圍巖穩(wěn)定是指在一定時間內(nèi)，在一定的地質(zhì)力和工

4、程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)和工程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。圍巖在壓。圍巖在壓應力、拉應力及剪應力作用下能否破壞的判斷：應力、拉應力及剪應力作用下能否破壞的判斷： 由于巖體在強度和結構方面的差異，洞室圍由于巖體在強度和結構方面的差異，洞室圍巖變形與破壞的形式多種多樣，主要的形式有脆巖變形與破壞的形式多種多樣，主要的形式有脆性破裂、塊體滑移、彎曲折斷、松動解脫、塑性性破裂、塊體滑移、彎曲折斷、松動解脫、塑性變形等。變形等。 1 1堅硬完整巖體的脆性破裂堅硬完整巖體的脆性破裂 在堅硬完整的巖體中開挖地下洞室，圍巖一在堅硬完整的巖體中開挖地下洞室，圍巖一般是穩(wěn)定的。但是在高地應力地區(qū)，經(jīng)常產(chǎn)生

5、巖般是穩(wěn)定的。但是在高地應力地區(qū)，經(jīng)常產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。爆現(xiàn)象。巖爆巖爆是是儲存有很大彈性應變能的巖體，儲存有很大彈性應變能的巖體，在開挖卸荷后，能量突然釋放所形成的在開挖卸荷后，能量突然釋放所形成的，它與巖，它與巖石性質(zhì)、地應力積聚水平及洞室斷面形狀等因素石性質(zhì)、地應力積聚水平及洞室斷面形狀等因素有關。有關。 塊體滑移是塊狀結構圍巖常見的破壞形式。塊體滑移是塊狀結構圍巖常見的破壞形式。這類破壞常以結構面交切組合成不同形狀的塊體這類破壞常以結構面交切組合成不同形狀的塊體滑移、塌落等形式出現(xiàn)。分離塊體的穩(wěn)定性取決滑移、塌落等形式出現(xiàn)。分離塊體的穩(wěn)定性取決于塊體的形狀有無臨空條件、結構面的光滑程度于塊

6、體的形狀有無臨空條件、結構面的光滑程度及是否夾泥等。及是否夾泥等。 巖層的彎曲折斷巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式。主要形式。 平緩巖層，當巖層層次很薄或軟硬相間時，平緩巖層，當巖層層次很薄或軟硬相間時，頂板容易下沉彎曲折斷。頂板容易下沉彎曲折斷。 在傾斜層狀圍巖中，當層間結合不良時，在傾斜層狀圍巖中，當層間結合不良時，順傾向一側拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆順傾向一側拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆傾向一側邊墻或頂拱易滑落掉塊。傾向一側邊墻或頂拱易滑落掉塊。 在陡傾或直立巖層中，因洞周的切向應力在陡傾或直立巖層中，因洞周的切向應力與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容

7、易凸邦彎曲。與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容易凸邦彎曲。 一般強烈風化、強烈構造破碎或新近堆積的一般強烈風化、強烈構造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應力和地下水作用下常產(chǎn)生土體，在重力、圍巖應力和地下水作用下常產(chǎn)生冒落及塑性變形。常見的塑性變形和破壞的形式冒落及塑性變形。常見的塑性變形和破壞的形式有邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。有邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。 碎裂結構巖體在張力和振動力作用下容易松碎裂結構巖體在張力和振動力作用下容易松動、解脫，在洞頂則產(chǎn)生崩落，在邊墻上則表現(xiàn)動、解脫，在洞頂則產(chǎn)生崩落，在邊墻上則表現(xiàn)為滑塌或碎塊的坍塌。為滑塌或碎塊的坍塌。 I I 類為穩(wěn)定巖體，圍巖可長期穩(wěn)定

8、。類為穩(wěn)定巖體，圍巖可長期穩(wěn)定。 類為基本穩(wěn)定圍巖，不會產(chǎn)生塑性變形，局部類為基本穩(wěn)定圍巖，不會產(chǎn)生塑性變形，局部可能產(chǎn)生掉塊。可能產(chǎn)生掉塊。類圍巖穩(wěn)定性差，圍巖強度不足，局部會產(chǎn)生類圍巖穩(wěn)定性差，圍巖強度不足，局部會產(chǎn)生塑性變形，不支護可能產(chǎn)生塌方或變形破壞，塑性變形，不支護可能產(chǎn)生塌方或變形破壞，完整的較軟巖穩(wěn)定性較好，可定為完整的較軟巖穩(wěn)定性較好，可定為“暫時穩(wěn)暫時穩(wěn)定定”。 類為不穩(wěn)定圍巖，規(guī)模較大的各種變形破壞都類為不穩(wěn)定圍巖，規(guī)模較大的各種變形破壞都可能發(fā)生。可能發(fā)生。 V V 類為極不穩(wěn)定圍巖，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴重。類為極不穩(wěn)定圍巖，不能自穩(wěn)，變形破壞嚴重。圍巖壓力圍巖壓力 圍

9、巖壓力圍巖壓力，是指圍巖的強度適應不了圍巖應力是指圍巖的強度適應不了圍巖應力而產(chǎn)生塑性變形或破壞時，作用在支護或襯砌上的而產(chǎn)生塑性變形或破壞時，作用在支護或襯砌上的力力。 確定山巖壓力的大小在工程上具有重要確定山巖壓力的大小在工程上具有重要的意義。的意義。如果取值過大，則襯砌需要做得很厚，造如果取值過大，則襯砌需要做得很厚，造成浪費。成浪費。反之，取值太小，襯砌做得很薄，承受不反之，取值太小，襯砌做得很薄，承受不了實際的山巖壓力，造成襯砌的破壞和圍巖失穩(wěn)。了實際的山巖壓力，造成襯砌的破壞和圍巖失穩(wěn)。 把圍巖對襯砌的反力稱為把圍巖對襯砌的反力稱為彈性抗力或圍巖抗力彈性抗力或圍巖抗力。圍巖抗力愈大

10、，愈有利于襯砌的穩(wěn)定，圍巖抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定，1 1山巖壓力的類型山巖壓力的類型 根據(jù)山巖壓力形成機理，可分為根據(jù)山巖壓力形成機理，可分為變形山壓、變形山壓、松動山壓和沖擊山壓松動山壓和沖擊山壓幾種類型。幾種類型。 (1)(1)變形山壓變形山壓是由于圍巖的彈性恢復或塑性變是由于圍巖的彈性恢復或塑性變形所產(chǎn)生的圍巖壓力。形所產(chǎn)生的圍巖壓力。一般塑性變形主要有塑性一般塑性變形主要有塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓及彎折內(nèi)鼓等，變形山壓具有隨擠入、膨脹內(nèi)鼓及彎折內(nèi)鼓等，變形山壓具有隨時間延長而增大的特點。時間延長而增大的特點。 (2)(2)松動山壓松動山壓是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移、是由于圍巖拉裂塌落

11、、塊體滑移、碎裂松動等所引起的碎裂松動等所引起的。松動山壓僅限于圍巖產(chǎn)生。松動山壓僅限于圍巖產(chǎn)生松動脫落的局部范圍內(nèi)。它是以重力的形式作用松動脫落的局部范圍內(nèi)。它是以重力的形式作用在襯砌上，其大小取決于脫落巖石的重量。在襯砌上，其大小取決于脫落巖石的重量。 (3)(3)沖擊山壓沖擊山壓是由于巖體中積聚的彈性應變能是由于巖體中積聚的彈性應變能突然釋放所引起的，具有突然釋放所引起的，具有產(chǎn)生巖爆的條件時產(chǎn)生巖爆的條件時才能才能產(chǎn)生沖擊山壓。產(chǎn)生沖擊山壓。 (1) (1)普氏壓力拱理論。普氏壓力拱理論。M MM M普羅托季亞科諾普羅托季亞科諾夫根據(jù)對一些礦山坑道的觀察和松散介質(zhì)的模型試夫根據(jù)對一些礦

12、山坑道的觀察和松散介質(zhì)的模型試驗于驗于19071907年提出了平衡拱理論。普氏認為，年提出了平衡拱理論。普氏認為，由于斷由于斷層、節(jié)理的切割，使洞室圍巖成為類似松散介質(zhì)的層、節(jié)理的切割，使洞室圍巖成為類似松散介質(zhì)的散粒體。由于洞室開挖應力重分布，使洞頂破碎巖散粒體。由于洞室開挖應力重分布，使洞頂破碎巖體逐漸坍塌，最后塌落成一個拱形才穩(wěn)定下來體逐漸坍塌，最后塌落成一個拱形才穩(wěn)定下來。所。所以以普氏認為，洞頂?shù)纳綆r壓力就是拱形塌落體的重普氏認為，洞頂?shù)纳綆r壓力就是拱形塌落體的重量量。這個拱稱為。這個拱稱為塌落拱、平衡拱或壓力拱。塌落拱、平衡拱或壓力拱。 (2)(2)圍巖壓力系數(shù)法。（簡介）圍巖壓力

13、系數(shù)法。（簡介） (3)(3)塊體極限平衡法。（簡介）塊體極限平衡法。（簡介）1.1.支撐支撐 在洞室開挖過程中，用以穩(wěn)定圍巖用在洞室開挖過程中，用以穩(wěn)定圍巖用的臨時性措施，按照選用材料的不同，有的臨時性措施，按照選用材料的不同，有木支撐、鋼支撐及混凝土支撐等。在不太木支撐、鋼支撐及混凝土支撐等。在不太穩(wěn)定的巖體中開挖時，需及時支撐以防止穩(wěn)定的巖體中開挖時，需及時支撐以防止圍巖早期松動。圍巖早期松動。 2. 2.襯砌襯砌 襯砌是加固圍巖的永久性工程結構。襯砌襯砌是加固圍巖的永久性工程結構。襯砌的作用主要是承受圍巖壓力及內(nèi)水壓力，堅硬的作用主要是承受圍巖壓力及內(nèi)水壓力，堅硬完整的巖體中，圍巖的自

14、穩(wěn)能力高，也可以不完整的巖體中，圍巖的自穩(wěn)能力高，也可以不襯砌。襯砌。 襯砌有單層混凝土及鋼筋混凝土襯砌，也襯砌有單層混凝土及鋼筋混凝土襯砌，也可以用漿砌條石襯砌?？梢杂脻{砌條石襯砌。 雙層的聯(lián)合襯砌，一般內(nèi)環(huán)用鋼筋混凝土雙層的聯(lián)合襯砌，一般內(nèi)環(huán)用鋼筋混凝土或鋼板，外環(huán)用混凝土，或鋼板，外環(huán)用混凝土，多用于巖體破碎，水多用于巖體破碎，水頭高的隧洞。頭高的隧洞。 當?shù)叵露词议_挖后，圍巖總是逐漸地向洞當?shù)叵露词议_挖后，圍巖總是逐漸地向洞內(nèi)變形。噴錨支護就是在洞室開挖后，及時地內(nèi)變形。噴錨支護就是在洞室開挖后，及時地向圍巖表面噴一薄層混凝土向圍巖表面噴一薄層混凝土( (一般厚度為一般厚度為5 520cm)20cm)，有時再增加一些錨桿，從而部分地阻，有時再增加一些錨桿，從而部分地阻止圍巖向洞內(nèi)變形，以達到支護的目的。止圍巖向洞內(nèi)變形，以達到支護的目的。 1. 1.噴射混凝土噴射混凝土 錨桿有楔縫式金屬錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、錨桿有楔縫式金屬錨桿、鋼絲繩砂漿錨桿、普通砂漿金屬錨桿、預應力錨桿及木錨桿等。目普通砂漿金屬錨桿、預應力錨桿及木錨桿等。目前在大中型工程中，常用的是前在大中型工程中，常用的是楔縫式金屬錨桿和楔縫式金屬錨桿和砂漿金屬錨桿砂漿金屬錨桿兩種。錨桿的作用可概括為下述三兩種。