工程地質學原理課件-第六章 地下工程

工程地質學基礎第六章地下工程概述人工開挖或天然存在于巖土體內的構筑物統(tǒng)稱為地下工程分類按其內壁是否有內水壓作用：無壓洞室、有壓洞室按其斷面形狀：圓形、矩形、馬蹄形等按洞室軸線與水平面對關系：水平洞室、豎井、傾斜洞室按圍巖介質類型：土洞、巖洞制約長大隧道發(fā)展的因素：施工技術掘進技術、通風技術、支護襯砌技術施工地質災害硬巖巖爆、軟巖大變形、高壓涌突水、高地溫、瓦斯突出等地下開挖引起的圍巖應力重分布由于地下開挖，圍巖就要向洞室內松漲位移，則改變了相鄰巖體的相對平衡關系，引起巖體內一定范圍內的應力、應變及能量重新調整，達到新的平衡狀態(tài)。把應力影響范圍內的巖體稱為圍巖。圍巖內重分布應力狀態(tài)與巖體的力學屬性、天然應力及洞室斷面形狀等因素密切相關。彈性圍巖重分布應力假定一半徑為R0的水平圓形洞室，深埋于均質、連續(xù)、各向同性的彈性巖體中，開挖后仍保持彈性。用彈性理論表述出圍巖中任意一點M（r,θ）的力學模型式中σr

σθ

τrθ

為別為M點的徑向應力、環(huán)向應力和剪切力，θ為M點的極角，自水平軸（x軸）起始，逆時針方向為正，r為極距。當天然的水平應力和鉛直應力和洞室半徑一定時，圍巖內的重分布應力σr

σθ

τrθ

是位置（r,θ）的函數(shù)。令r=R0則洞壁應力為上式表明：洞壁上的τrθ=0，σr=0，僅有σθ作用，為單向應力狀態(tài)，其大小與水平應力、鉛直應力和θ有關

當水平應力與鉛直應力均等于σ0時則有上式表明：當天然應力為靜水壓力狀態(tài)時，圓形洞室圍巖內的重分布應力，因τrθ=0，σr

σθ

均為主應力，且σθ

恒為最大主應力，σr

橫為最小主應力。在洞壁位置即r=R0時，徑向應力等于0，環(huán)向應力σθ

為2σ0隨著離洞壁越遠，即r增大，徑向應力逐漸增大，環(huán)向應力逐漸減小。當距離為6R0

時，環(huán)向與徑向應力均接近天然應力狀態(tài)所以圍巖應力重分布的6R0

范圍的巖體，稱為圍巖塑性圍巖重分布應力塑性圈和應力與巖體天然應力無關，而取決于支護力和圈內巖體的強度塑、彈性區(qū)交界面上的應力取決于天然應力和巖體強度，與支護力無關說明支護力不能改變交界面上的應力，只能控制塑性松動圈半徑的大小。圍巖的變形與破壞地下洞室促使圍巖巖性狀發(fā)生變化的因素主要是：卸荷回彈、應力重分布及水分重分布。圍巖變形破壞的形式與特點，出與巖體內的初始應力狀態(tài)和洞形有關外，主要取決于圍巖的巖性和結構。圍巖變形破壞是由外向內逐步發(fā)展的結果，?？稍诙词抑車纬伤蓜尤Γ瑖鷰r內的應力狀態(tài)也將因松動圈內的應力被釋放而重新調整，形成一定的應力帶。巖體表部低應力區(qū)的形成往往又會促使巖體內部的水分由高應力區(qū)向圍巖的表部轉移，這不僅進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，而且能使某些易于吸水膨脹的表部圍巖發(fā)生強烈的膨脹。脆性圍巖的變形破壞

脆性圍巖的變形破壞的形式和特點與巖體初始應力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖應力狀態(tài)，主要取決于圍巖的結構張裂坍落

當鉛直應力大于水平應力時，且具有厚層狀或塊狀結構的巖體中開挖寬高比較大的地下洞室是，在其頂拱常產生切向拉應力。超過圍巖的屈服強度，則頂拱圍巖內就會產生近于垂直的張裂縫。被裂縫切割的巖體中自重作用下變得不穩(wěn)定，若水平法向有軟弱的結構面發(fā)育，往往發(fā)生頂拱塌落劈裂多發(fā)生在地應力較高的厚層塊或者塊體結構的圍巖中，較大的切向應力集中于邊壁附近，在圍巖表部發(fā)生一系列平行于洞壁的破壞，將洞壁巖體切成板狀結構，當切向壓應力大于其抗彎強度時，板狀巖體將被壓彎，折斷，造成塌方剪切滑動或剪切破壞

在厚層狀或塊體結構的巖體中開挖地下洞室時，在切向壓力集中較高，且有斜向斷裂發(fā)育的洞頂或洞壁部位往往發(fā)生剪切滑動類型的破壞巖爆巖爆是圍巖的一種劇烈的脆性破壞，常以“爆炸”的形式出現(xiàn)。巖爆的產生需要具備兩方面條件：高儲能體的存在，即高強度、塊體、或者厚層狀的脆性巖體，且應力接近于巖體強度。附加荷載的觸發(fā)。一般是機械開挖、爆破及圍巖局部破裂造成的彈性震蕩。開挖的迅速推進，或累積性破壞所引起的應力突然某些部位集中。彎折內鼓

在層狀，特別是在薄層狀巖層中開挖地下洞室易發(fā)生彎折內鼓。這類變形破壞主要是卸荷回彈和應力集中使洞壁的切向壓應力超過薄層巖層的抗彎強度而造成由卸荷回彈和應力集中所造成的彎折內鼓主要發(fā)生在初始應力較高的巖體內。塑性圍巖的變形破壞

塑性圍巖的變形破壞除與重力分布有關外，水分重分布對其也有主要影響。擠出洞室開挖后，當圍巖應力超過塑性圍巖的屈服強度時，軟弱的塑性物質就會沿最大應力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。被擠出的巖體多是固結程度差，富含泥質軟弱巖層，以及擠壓破碎或風化破碎的巖體。膨脹膨脹分為吸水膨脹和減壓膨脹洞室開挖后，圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內部高應力區(qū)向圍巖表部轉移，結果可使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹變形。此外，暴露于表部的巖體也會吸收空氣中的水分。

吸水的巖石主要是富含粘土礦物（特別是蒙脫石）的塑性巖石和硬石膏。減壓膨脹型的變形通常發(fā)生在特