地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

1、第七章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的 工程地質(zhì)分析概 述地下洞室：指在地下或山體內(nèi)部的各類建筑物。如地下交通運(yùn)輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲(chǔ)存庫(kù)房用的地下車庫(kù)、油庫(kù)、水庫(kù)和物資倉(cāng)庫(kù)等；地下式水電站洞室布置剖面示意圖有壓及無(wú)壓隧洞一般來(lái)說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：在選擇地下建筑工程位置時(shí)，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個(gè)階段除進(jìn)行一般的巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)以外，還要解決一些與土建設(shè)計(jì)有關(guān)的巖體穩(wěn)定方面的問題，

2、這些問題有：（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評(píng)價(jià)（即巖體本身對(duì)襯砌支護(hù)的壓力評(píng)價(jià)）；（2）巖體內(nèi)地下水壓力的評(píng)價(jià)（即地下水對(duì)襯砌支護(hù)的壓力）；（3）提出保護(hù)圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；圍巖：地下洞室周圍的圍巖土體。即洞室周圍受到開挖影響，大體相當(dāng)于地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內(nèi)的巖土體。我國(guó)幾處地下洞室圍巖失穩(wěn)或破壞的典型實(shí)例 見下表工 程 及 樁 號(hào) 塌 方 段 的 地 質(zhì) 特 點(diǎn) 塌 方 情 況 例號(hào)河 南伊 河某 水庫(kù) 瀉洪 隧洞 0+170 0+180 玄武巖中。洞頂有緩傾的夾泥軟弱結(jié)構(gòu)面，與其他陡傾角的結(jié)構(gòu)面相互切割成楔形體，且有水沿結(jié)構(gòu)面下滴 每當(dāng)開挖使軟弱結(jié)構(gòu)面暴露時(shí)，

3、洞頂軟弱結(jié)構(gòu)面以下巖體立即坍落。前后共發(fā)生過四次 1 0+405 0+415 洞頂有一走向平行洞軸、傾角 25 的煌斑巖脈，由洞頂左側(cè)傾向右側(cè)，并于右拱腳出露，為平行洞身的陡立小斷層切割，構(gòu)成平臥楔形體 一次放炮后巖體突然塌落 20m ，坍落后頂拱又處于穩(wěn)定狀態(tài) 2 0+370 0+380 該段處于斷層破碎帶中，整個(gè)邊墻為紅色斷層泥與強(qiáng)烈破碎的玄武巖組成，并有地下水流出，斷層帶的松散破碎物質(zhì)處于飽水狀態(tài)，高 10m 的邊墻很難保持穩(wěn)定 采取特殊措施后保證了穩(wěn)定 3 福建某 工程導(dǎo) 流隧洞 A+40 A+160 洞頂為緩傾角（ 8 20 ）夾泥節(jié)理切割成薄板狀且與另一陡傾角充水夾泥石英脈破碎帶交

4、切，組合成不穩(wěn)定的楔形體 施工開挖拱腳后，使兩側(cè)巖體失去下部支撐。前后塌方四次，總方量達(dá) 400 500m 3 4 永 定 河 某 水 電 站 壓 力 引 水 隧 洞 0+703 0+716 硅質(zhì)灰?guī)r與玢巖中，裂隙十分發(fā)育，且有與洞線近直交的 F 68 和 F 67 兩斷層切割。 F 67 充填有玢巖風(fēng)化物和亞粘土， F 68 夾有斷層泥，沿 F 67 地下水集中滲流 隧洞開挖至 F 67 時(shí)發(fā)生坍塌，并有水涌出，總塌方量約 600 余方 5 1+711 1+714 破碎玢巖，裂隙很發(fā)育，三組與洞線近直交、平行和斜交的陡傾角裂隙，一組與洞線近平行的緩傾角裂隙，相互切割 拆除木支撐后未及時(shí)襯砌好

5、而產(chǎn)生塌方 6 3+468 3+481 霏細(xì)巖，發(fā)育有兩條相距 4m 、傾向相反的斷層，組成楔形體。斷層充填物為粘土及碎石，并有滴水 木支撐拆除后擴(kuò)大洞徑，正值雨季，斷層帶涌水量增大，物質(zhì)軟化產(chǎn)生塌方，約 500 m 3 7 7+154 7+157 頁(yè)巖與玢巖交界帶，為斷層接觸，破碎帶寬約 20 余 m ，頁(yè)巖風(fēng)化破碎成粉土狀 開挖過程中不斷掉塊，后因遇到小窯洞暫時(shí)停工，由于未對(duì)已開挖段進(jìn)行支撐加固，導(dǎo)致大塌方 8 甘肅某工程導(dǎo)流隧洞 進(jìn)口段 靠近背斜軸部，斷裂發(fā)育，風(fēng)化破碎 多次發(fā)生頂拱坍塌，后改明挖 9 0+095 0+110 充水夾泥斷裂發(fā)育，多組交切構(gòu)成不穩(wěn)定體 塌方 10 福建某二級(jí)

6、引 水隧洞的一段 北西向近直立的大斷層在洞內(nèi)出露，寬約 50 余 m ，其中十余條巖脈穿插，節(jié)理發(fā)育，風(fēng)化嚴(yán)重，且地下水活動(dòng) 施工中不斷發(fā)生塌方，大者計(jì)四次，最終冒頂、 80m 巖層全部塌落，地表陷落 3 5m 11 模式口引水隧洞進(jìn)口段 微風(fēng)化至強(qiáng)風(fēng)化的輝綠巖，處于斷層帶內(nèi)，風(fēng)化節(jié)理甚發(fā)育，充填粘土，水的活動(dòng)劇烈 鋼支撐后仍產(chǎn)生塌方，將架立的鋼支架全部壓垮，自洞頂至地表 20m 巖層全部坍塌，塌方量達(dá) 1000 m 3 12 第一節(jié) 圍巖應(yīng)力的重分布 地下洞室開挖前，巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)稱為初始應(yīng)力狀態(tài)。 開挖后，由于洞室周圍巖體失去了原有的支撐，破壞了原來(lái)的受力平衡狀態(tài)，圍巖將向洞內(nèi)產(chǎn)生松脹位

7、移，從而引起洞周圍一定范圍內(nèi)巖體的應(yīng)力重新調(diào)整，形成新的應(yīng)力狀態(tài)。該應(yīng)力稱重分布應(yīng)力、二次應(yīng)力或圍巖應(yīng)力。 直接影響圍巖穩(wěn)定的是二次應(yīng)力狀態(tài)，它與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關(guān)。一、開挖后圍巖保持彈性時(shí)的重分布應(yīng)力圓形洞室圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算簡(jiǎn)圖xr0洞室周邊圍巖應(yīng)力彈性重分布計(jì)算公式用彈性理論計(jì)算圓形洞室周邊應(yīng)力重分布各種斷面形狀的洞體應(yīng)力狀態(tài)比較二、開挖后圍巖中出現(xiàn)塑性圈時(shí)的重分布應(yīng)力 洞室開挖后圍巖的穩(wěn)定性，取決于二次應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度之間的關(guān)系。 如果洞周邊應(yīng)力小于巖體的強(qiáng)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。 圍巖一旦松動(dòng)，如不加支護(hù)，則會(huì)向深部發(fā)

8、展，形成具有一定范圍的應(yīng)力松弛區(qū)，稱為塑性松動(dòng)圈。 在松動(dòng)圈形成過程中，原來(lái)周邊集中的高應(yīng)力逐漸向深處轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)巖體被擠壓緊密，稱為承載圈。此圈之外為初始應(yīng)力區(qū)。洞室圍巖應(yīng)力重分布對(duì)比圖第二節(jié) 地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評(píng)價(jià) 地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，需要考慮區(qū)域穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等因素的影響。 一般認(rèn)為，具備下列條件是宜于建洞的： 1.基本地震烈度一般小于度，歷史上地震烈度及震級(jí)不高，無(wú)毀滅性地震； 2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，工程區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂帶通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造； 3.第四紀(jì)以來(lái)沒有明顯的構(gòu)造活動(dòng)。 區(qū)域穩(wěn)定性問題解決

9、以后，即地下工程總體位置選定后，進(jìn)一步就要選擇建洞山體，一般認(rèn)為理想的建洞山體具有以下條件： 1.在區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段； 2.建洞區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層厚且產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少，無(wú)影響整個(gè)山體穩(wěn)定的斷裂帶； 3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅(jiān)硬或中等堅(jiān)硬的地層，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。4.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進(jìn)洞生產(chǎn)面積的同時(shí)，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護(hù)地層； 地下水影響小，水質(zhì)滿足建廠要求； 5.無(wú)有害氣體及異常地?zé)幔欢?、洞口選擇的工程

10、地質(zhì)條件洞口的工程地質(zhì)條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標(biāo)高、洞口的方向等問題。至于洞口數(shù)量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據(jù)工程的具體要求，結(jié)合所處山體的地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等慎重考慮，因?yàn)槌鋈肟谖恢玫拇_定，一般來(lái)說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。（一）洞口的地形和地質(zhì)條件洞口宜設(shè)在山體坡度較大的一面（大于30），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設(shè)置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時(shí)刷方太大，破壞原來(lái)的地形地貌。（二）洞口底標(biāo)高的選擇洞口底的標(biāo)高一般應(yīng)高于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），以免在山洪暴發(fā)時(shí)，洪水泛濫倒灌流入地下

11、洞室；（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象在選擇洞口位置時(shí)，必須將進(jìn)出口地段的物理地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查清楚。洞口應(yīng)盡量避開易產(chǎn)生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產(chǎn)生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對(duì)工程造成不必要的損失。 三、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件 洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等方面綜合分析來(lái)考慮確定。（一）地形條件 在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。 隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無(wú)滑坡、崩塌等現(xiàn)象存在。 洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口坡的安全。 在地形陡的高邊坡開挖洞口時(shí)，應(yīng)不削坡或少削坡即進(jìn)洞，必要時(shí)可做人工洞口先

12、行進(jìn)洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。 隧洞進(jìn)出口不應(yīng)選在排水困難的低洼處，也不應(yīng)選在沖溝、傍河山嘴及谷口等易受水流沖刷的地段。 （二）巖性條件 巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一。如堅(jiān)硬完整的巖體，圍巖一般是穩(wěn)定的，能適應(yīng)各種斷面形狀的地下洞室。而軟弱巖體如粘土巖類、破碎及風(fēng)化巖體，吸水易膨脹的巖體等，通常力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化、崩解及膨脹等，不利于圍巖的穩(wěn)定。 此外,巖層的組合特征對(duì)圍巖穩(wěn)定也有重要影響。一般軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。均質(zhì)厚層及塊狀巖體穩(wěn)定性好。 （三）地質(zhì)構(gòu)造條件 1褶皺的影響 褶皺劇烈地區(qū)，一般斷裂也很發(fā)育，特別是褶皺核部巖

13、層完整性最差。 地下洞室軸線與褶皺的關(guān)系2斷裂的影響 斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)，穩(wěn)定性極差。地下掘進(jìn)如遇較大規(guī)模的斷層，幾乎都要產(chǎn)生塌方甚至冒頂(洞頂大規(guī)模突然坍塌破壞)。 一般情況下，應(yīng)避免洞室軸線沿?cái)鄬訋Р贾谩Ｈ缍词逸S線垂直或近于垂直斷裂帶，則所需穿越的不穩(wěn)定地段較短，但也可以產(chǎn)生塌方或大量地下水涌入。 因此，在選址時(shí)應(yīng)盡量避開大斷層。斷層對(duì)地下洞室選線的影響 3巖層產(chǎn)狀的影響 (1)洞室軸線與巖層走向垂直。這種情況，圍巖的穩(wěn)定性較好，特別是對(duì)邊墻穩(wěn)定有利。當(dāng)巖層較陡時(shí)穩(wěn)定性最好。當(dāng)巖層傾角較平緩且節(jié)理發(fā)育時(shí)，在洞頂易發(fā)生局部巖塊坍落現(xiàn)象，洞室頂部常出現(xiàn)階梯形超挖。單斜巖層中的地下洞室 (2

14、)洞室走向與巖層走向平行 在水平巖層中布置洞室時(shí)，應(yīng)盡量使洞室位于均質(zhì)厚層的堅(jiān)硬巖層中，應(yīng)避免將軟弱巖層置于洞室頂部，因?yàn)檐浫鯉r層易于造成頂板懸垂或坍塌。軟弱巖層位于洞室兩側(cè)或底部也不利，它容易引起邊墻或底板鼓脹變形或被擠出。 在傾斜巖層中，一般說來(lái)是不利的。當(dāng)洞身通過軟硬相間或破碎的傾斜巖層時(shí)，順傾向一側(cè)的圍巖易于變形或滑動(dòng)，造成很大的偏壓，逆傾向一側(cè)圍巖側(cè)壓力小，有利于穩(wěn)定。因此，在傾斜巖層中最好將洞室選在均一完整堅(jiān)硬的巖石中。此外，巖層的傾角對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有影響。水平及傾斜巖層中的地下洞室陡立巖層中的地下洞室（四）地下水 在選址時(shí)最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)，地下水量不大、無(wú)高壓含

15、水層的巖體內(nèi)。 在洞室的設(shè)計(jì)和施工過程中，必須了解工程所在部位初始應(yīng)力場(chǎng)的分布和變化規(guī)律，獲得洞室開挖后圍巖應(yīng)力重分布的特征，以便選用相應(yīng)的措施來(lái)維護(hù)圍巖的穩(wěn)定。 初始應(yīng)力狀態(tài)是決定圍巖應(yīng)力重分布的主要因素。當(dāng)應(yīng)力比系數(shù)3時(shí)，圍巖內(nèi)將出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力集中也較大，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。 當(dāng)初始應(yīng)力場(chǎng)的水平主應(yīng)力值較大，洞室軸線最好平行最大水平主應(yīng)力方向布置，否則邊墻將產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和破壞。（五）地應(yīng)力第三節(jié) 圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析圍巖穩(wěn)定：在一定時(shí)間內(nèi)，在一定的地質(zhì)力和工程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變

16、形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動(dòng)或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。圍巖在壓應(yīng)力、拉應(yīng)力及剪應(yīng)力作用下能否破壞的判據(jù)：(1)圍巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度是否適應(yīng)圍巖應(yīng)力。 分別為洞室周邊圍巖中的切向拉應(yīng)力和切向壓應(yīng)力，Rt、Rb為圍巖的抗拉強(qiáng)度和飽和抗壓強(qiáng)度，安全系數(shù)Fs一般取2。（2）圍巖的抗剪強(qiáng)度是否適應(yīng)圍巖的剪應(yīng)力。 K=F/T抗滑力（F）主要指可能滑動(dòng)面上的摩擦力（ 和粘聚力 ）?；瑒?dòng)力（T）是指巖塊自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、地震力及地應(yīng)力等在可能滑動(dòng)面上產(chǎn)生的滑動(dòng)分力。理論上，當(dāng)K1時(shí)塊體穩(wěn)定，但從工程安全考慮一般取安全系數(shù)等于2

17、。 二、各類結(jié)構(gòu)圍巖變形破壞的特點(diǎn) 由于巖體在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)方面的差異，洞室圍巖變形與破壞的形式多種多樣，主要的形式有脆性破裂、塊體滑移、彎曲折斷、松動(dòng)解脫、塑性變形等。 1堅(jiān)硬完整巖體的脆性破裂 在堅(jiān)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(yīng)力地區(qū)，經(jīng)常產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。巖爆是儲(chǔ)存有很大彈性應(yīng)變能的巖體，在開挖卸荷后，能量突然釋放所形成的，它與巖石性質(zhì)、地應(yīng)力積聚水平及洞室斷面形狀等因素有關(guān)。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。 2塊體滑移 塊體滑移是塊狀結(jié)構(gòu)圍巖常見的破壞形式。這類破壞常以結(jié)構(gòu)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)定性取決于塊體的形狀有無(wú)臨空條件、結(jié)

18、構(gòu)面的光滑程度及是否夾泥等。堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙塊狀結(jié)構(gòu)巖體的塊體滑移 3層狀彎折和拱曲 巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式。 平緩巖層，當(dāng)巖層層次很薄或軟硬相間時(shí)，頂板容易下沉彎曲折斷。 在傾斜層狀圍巖中，當(dāng)層間結(jié)合不良時(shí)，順傾向一側(cè)拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆傾向一側(cè)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(yīng)力與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容易凸邦彎曲。層狀結(jié)構(gòu)圍巖變形破壞特征4碎裂巖體的松動(dòng)解脫 一般強(qiáng)烈風(fēng)化、強(qiáng)烈構(gòu)造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應(yīng)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有邊

19、墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。5松軟巖體 碎裂結(jié)構(gòu)巖體在張力和振動(dòng)力作用下容易松動(dòng)、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。 碎裂巖體松動(dòng)解脫碎裂結(jié)構(gòu)圍巖塌方示意圖 散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。 圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)等變形破壞形式。 可用松散介質(zhì)極限平衡理論配合流變理論來(lái)分析。 圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。 開挖-應(yīng)力調(diào)整-變形、局部破壞-再次調(diào)整-再次變形-較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程 分析圍巖變形破壞時(shí)，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連

20、鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測(cè)變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。圍巖分類的評(píng)價(jià)方法：對(duì)于地下洞室，考慮到地下水、結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀及地應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，應(yīng)對(duì)巖體的基本質(zhì)量BQ進(jìn)行修正： BQ=BQ-100(K1+K2+K3) BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)修正值； BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)； K1為地下水影響修正系數(shù)，查表選取； K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，查表選?。?K3為初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)，查表選取。第四節(jié) 山巖壓力與彈性抗力 山巖壓力也稱圍巖壓力，是指圍巖的強(qiáng)度適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形或破壞時(shí)，作用在支護(hù)或襯砌上的力

21、。 確定山巖壓力的大小在工程上具有重要的意義。如果取值過大，則襯砌需要做得很厚，造成浪費(fèi)。反之，取值太小，襯砌做得很薄，承受不了實(shí)際的山巖壓力，造成襯砌的破壞和圍巖失穩(wěn)。 對(duì)于有壓隧洞，由于常存在很高的內(nèi)水壓力作用，迫使襯砌向圍巖方向變形，圍巖被迫后退時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)反力來(lái)阻止襯砌的變形。 把圍巖對(duì)襯砌的反力稱為彈性抗力或圍巖抗力。圍巖抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定，等于圍巖承擔(dān)了一部分內(nèi)水壓力。 一、山巖壓力1山巖壓力的類型 根據(jù)山巖壓力形成機(jī)理，可分為變形山壓、松動(dòng)山壓和沖擊山壓幾種類型。 (1)變形山壓是由于圍巖的彈性恢復(fù)或塑性變形所產(chǎn)生的圍巖壓力。一般塑性變形主要有塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓及彎折

22、內(nèi)鼓等，變形山壓具有隨時(shí)間延長(zhǎng)而增大的特點(diǎn)。 (2)松動(dòng)山壓是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移、碎裂松動(dòng)等所引起的。松動(dòng)山壓僅限于圍巖產(chǎn)生松動(dòng)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。 (3)沖擊山壓是由于巖體中積聚的彈性應(yīng)變能突然釋放所引起的，具有產(chǎn)生巖爆的條件時(shí)才能產(chǎn)生沖擊山壓。 2松動(dòng)山巖壓力的確定方法 (1)普氏壓力拱理論。MM普羅托季亞科諾夫根據(jù)對(duì)一些礦山坑道的觀察和松散介質(zhì)的模型試驗(yàn)于1907年提出了平衡拱理論。普氏認(rèn)為，由于斷層、節(jié)理的切割，使洞室圍巖成為類似松散介質(zhì)的散粒體。由于洞室開挖應(yīng)力重分布，使洞頂破碎巖體逐漸坍塌，最后塌落成一個(gè)拱形才穩(wěn)定下來(lái)

23、。所以普氏認(rèn)為，洞頂?shù)纳綆r壓力就是拱形塌落體的重量。這個(gè)拱稱為塌落拱、平衡拱或壓力拱。 (2)圍巖壓力系數(shù)法。（簡(jiǎn)介） (3)塊體極限平衡法。（簡(jiǎn)介）(1)平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，如不及時(shí)支護(hù)，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個(gè)拱形，稱塌落拱。這個(gè)拱形最初不穩(wěn)定，如果側(cè)壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高；反之，如側(cè)壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時(shí)增大。當(dāng)洞的埋深較大時(shí)，塌落拱不會(huì)無(wú)限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個(gè)自然平衡拱。作用于支護(hù)襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無(wú)關(guān)。xb1hyTpFVSxy壓力拱理論計(jì)算山巖壓力圖MO用普氏平衡拱理論計(jì)算山巖壓力e2e1

24、e1e22b12bhH0巖石荷載 qmaxBAO 二、彈性抗力 圍巖彈性抗力的大小，通常是用彈性抗力系數(shù)表示的。 1彈性抗力系數(shù) 根據(jù)文克爾假定，抗力系數(shù)K=P/Y 式中：K為彈性抗力系數(shù)(MPacm)； P為圍巖所承受的壓力，對(duì)于有壓隧洞 即為內(nèi)水壓力(MPa)； Y為洞壁的徑向變形(cm)。 從上式看出，K的物理意義是迫使洞壁產(chǎn)生一個(gè)單位徑向變形所需施加的力。K值愈大，說明圍巖承受內(nèi)水壓力的能力愈大。 假設(shè)巖體是理想的彈性體，對(duì)于圓形隧洞，K值與巖體彈性模量之間有如下的關(guān)系： K=E/(1+)r 式中： E為巖體的彈性模量或變形模量(MPa)， 為泊松比， r為隧洞半徑(cm)。 從上式可

25、以看出，隧洞半徑愈大，K值愈小，在工程上為了便于比較，常采用隧洞半徑為1 m(100 cm)時(shí)的彈性抗力系數(shù)，作為單位抗力系數(shù)K0，即K0rK/100 2彈性抗力系數(shù)的確定方法 確定圍巖抗力系數(shù)的方法有試驗(yàn)法、計(jì)算法和工程類比法等。 試驗(yàn)的方法常用的有橡皮囊法、徑向千斤頂法和隧洞水壓法等。對(duì)于軟弱或破碎巖體，洞室開挖后洞壁周圍會(huì)形成一個(gè)半徑為R的環(huán)形開裂區(qū)，這時(shí)抗力系數(shù)K可用下式計(jì)算： K=E/(1+ln(R/r) / r第四節(jié) 提高圍巖穩(wěn)定性的措施 為了保證地下洞室施工的安全和正常運(yùn)行，就應(yīng)該針對(duì)巖體的不同條件，采取相應(yīng)的施工方法和一定的工程技術(shù)措施，提高圍巖的穩(wěn)定條件。一、隧洞施工的工程地

26、質(zhì)問題： 1、塌方、巖爆； 2、涌水； 3、突泥； 4、有害氣體的冒出 5、高溫二、隧洞施工監(jiān)控、信息反饋和超前預(yù)報(bào)；三、圍巖加固措施1.支撐 在洞室開挖過程中，用以穩(wěn)定圍巖用的臨時(shí)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。在不太穩(wěn)定的巖體中開挖時(shí)，需及時(shí)支撐以防止圍巖早期松動(dòng)。 2.襯砌 襯砌是加固圍巖的永久性工程結(jié)構(gòu)。襯砌的作用主要是承受圍巖壓力及內(nèi)水壓力，堅(jiān)硬完整的巖體中，圍巖的自穩(wěn)能力高，也可以不襯砌。 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。 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，多用于巖體破碎，水頭高的隧洞。襯砌類型示意圖3、噴

27、錨支護(hù) 當(dāng)?shù)叵露词议_挖后，圍巖總是逐漸地向洞內(nèi)變形。噴錨支護(hù)就是在洞室開挖后，及時(shí)地向圍巖表面噴一薄層混凝土(一般厚度為520cm)，有時(shí)再增加一些錨桿，從而部分地阻止圍巖向洞內(nèi)變形，以達(dá)到支護(hù)的目的。（1)噴漿護(hù)壁噴漿護(hù)壁較簡(jiǎn)便而又經(jīng)濟(jì)，對(duì)保護(hù)易風(fēng)化圍巖的穩(wěn)定性效果較好。當(dāng)洞室開炮后及時(shí)在洞壁上噴射水泥砂漿，形成保護(hù)層，保護(hù)圍巖原有強(qiáng)度。我國(guó)應(yīng)用日益廣泛，國(guó)外采用也很普遍。(2)噴射混凝土噴射混凝土與噴漿方法相仿，但作用大不相同。混凝土內(nèi)加速凝劑，及時(shí)(越早越好)噴射到洞壁上，它便很快地凝固并有較大強(qiáng)度，可防止洞壁早期松動(dòng)。(3)錨筋加固錨筋加固又稱錨桿加固，目前大量采用。將錨筋插入圍巖：

28、使洞周松動(dòng)圍巖與穩(wěn)定圍巖固定，起到釘子的作用。楔縫式及楔頭式錨桿脹殼式及砂漿粘結(jié)式預(yù)應(yīng)力錨桿噴錨支護(hù)與常規(guī)襯砌支護(hù)比較示意圖2.錨桿的作用 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(yù)應(yīng)力錨桿及木錨桿等。目前在大中型工程中，常用的是楔縫式金屬錨桿和砂漿金屬錨桿兩種。錨桿的作用可概括為下述三個(gè)方面。 (1)懸吊作用。 (2)組合作用。對(duì)于層狀巖層，錨桿可以將數(shù)層薄的巖層組合聯(lián)成整體，類似錨釘加固的組合梁，提高了巖層整體的抗震、抗剪、抗彎能力。 (3)加固作用。 為了防止錨桿之間巖塊的坍落，可采用噴層和鋼絲網(wǎng)來(lái)配合。4、灌漿與加固裂隙嚴(yán)重的巖體和極不穩(wěn)定的第四紀(jì)堆積物中開挖洞室，常需

29、要加固以增大圍巖穩(wěn)定性，降低其滲水性。最常用的加固方法就是水泥灌漿，其次有瀝青灌漿、水玻璃(硅酸性)灌漿，還有凍結(jié)法，等等。通過這種辦法，在圍巖中大體形成一圓柱形或球形的固結(jié)層。原則：盡量減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)，及時(shí)封閉圍巖，設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)。對(duì)于大斷面的洞室，可采取分段開挖1、上導(dǎo)洞施工法（圍巖穩(wěn)定性差）導(dǎo)洞開挖法當(dāng)圍巖不太穩(wěn)定，頂圍易塌時(shí)，四、合理施工應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導(dǎo)洞立即支撐，達(dá)到要求的輪廓作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護(hù)下擴(kuò)大斷面，最后做側(cè)墻襯砌。 即先拱后墻的辦法。分部開挖、逐步擴(kuò)挖示意圖2、單側(cè)導(dǎo)洞施工法當(dāng)圍巖很不穩(wěn)定，頂圍塌落，側(cè)圍易滑時(shí)，可先在設(shè)計(jì)斷面的側(cè)部開挖導(dǎo)洞，由下處向上逐段襯護(hù)。到一定高程，再挖頂部導(dǎo)洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側(cè)導(dǎo)洞開挖、即先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。 3、雙側(cè)導(dǎo)洞施工法（圍巖很不穩(wěn)定）4、全斷面一次開挖施工法圍巖穩(wěn)定，可全斷面一次開挖?，F(xiàn)在多采用新奧法和盾構(gòu)法等新型施工方法。1、新奧法(1)定義：在利用圍巖本身所具有的承載效能的前提下，以噴混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼支撐為外層初次柔性支護(hù)形式，最大限度的發(fā)揮巖體自身的承載能力以達(dá)到支護(hù)洞壁的目的。 (2)新奧法的原理和應(yīng)用顧名思義，新奧法創(chuàng)始于奧地利。新奧法的基本思想是充分利用圍巖自身的承載能力，