地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析

會(huì)計(jì)學(xué)1地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析10.1基本概念及研究意義

?為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車(chē)場(chǎng)、地下儲(chǔ)油庫(kù)、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井以及地下飛機(jī)庫(kù)等。雖然它們規(guī)模不等，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都要在巖體內(nèi)開(kāi)挖出具有一定橫斷面積和尺寸并有較大廷伸長(zhǎng)度的洞子。所以周?chē)鷰r層的穩(wěn)定性就決定著地下建筑的安全和正常使用條件。

地下洞室開(kāi)挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開(kāi)挖使洞室周?chē)鷰r體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。第1頁(yè)/共68頁(yè)

如果圍巖足夠強(qiáng)固，不會(huì)因卸荷回彈和應(yīng)力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著的變形和破壞，那么，開(kāi)挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持穩(wěn)定。但是，有時(shí)或因洞室周?chē)鷰r體應(yīng)力狀態(tài)的變化大，或因巖體強(qiáng)度低，以致圍巖適應(yīng)不了回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力的作用而喪失其穩(wěn)定性。此時(shí)，如果不加固或加固而末保證質(zhì)量，都會(huì)引起破壞事故，對(duì)地下建筑的施工和運(yùn)營(yíng)造成危害。

為了保證地下建筑符合多快好省的原則，必須了解和掌握地下洞室圍巖的應(yīng)力狀態(tài)、變形破壞機(jī)制和分析評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性的原理，以便能在工程地質(zhì)勘察過(guò)程中，為正確解決地下建筑設(shè)計(jì)和施工中的各類問(wèn)題，提供充分而可靠的地質(zhì)依據(jù)。第2頁(yè)/共68頁(yè)10.2地下開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的重分布10.2.1圍巖應(yīng)力重分布的一般特點(diǎn)

如前所述，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)任何一點(diǎn)的初始應(yīng)力狀態(tài)(常稱為原巖應(yīng)力)通常可以垂直正應(yīng)力(通常為主應(yīng)力)和水平正應(yīng)力來(lái)表示：

σv=σv0+γhσh=Nσv

式中：σv0值可以是零，也可以是常數(shù)第3頁(yè)/共68頁(yè)

由上式可知，巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化，因而對(duì)于具有一定尺寸的地下洞室來(lái)說(shuō)，其垂直剖面上各點(diǎn)的原巖應(yīng)力大小是不等的，即地下洞室在巖體內(nèi)將是處在一種非均勻的初始應(yīng)力場(chǎng)中。但是按照森維南原理，由開(kāi)挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地下洞室橫剖面中最大尺寸的3~5倍[如圖10-2(a)]，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為“圍巖”。如果此范圍不超出地表，為簡(jiǎn)化圍巖應(yīng)力的計(jì)算，就可沒(méi)有嚴(yán)重誤差地假定，在洞室的整個(gè)影響帶內(nèi)巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)與洞中心處是一樣的，這樣，就可按均勻應(yīng)力場(chǎng)來(lái)處理圍巖應(yīng)力的計(jì)算。實(shí)際上，巖石力學(xué)中圍巖應(yīng)力的近似計(jì)算都是根據(jù)這種假定進(jìn)行的。第4頁(yè)/共68頁(yè)圍巖應(yīng)力重分布的主要特征是：

徑向應(yīng)力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱恪?/p>

切向應(yīng)力在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達(dá)最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中(如圖10-3中的X軸方位)，在另一些部分，愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低，有時(shí)甚至于洞壁附近出現(xiàn)拉應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中(如圖10-3中z軸方位)。這樣，地下洞寶的開(kāi)挖就將于圍巖內(nèi)引起強(qiáng)烈的主應(yīng)力分異現(xiàn)象，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周邊達(dá)最大值。

第5頁(yè)/共68頁(yè)第6頁(yè)/共68頁(yè)10.2.2圓--橢圓形洞室周邊壓力集中的一般規(guī)律

對(duì)于圓形---橢圓形洞室，周邊上可能的最大拉應(yīng)力集中和最大壓應(yīng)力集中分別發(fā)生于巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸與周邊垂直相交的A、B兩點(diǎn)，而兩點(diǎn)之間的應(yīng)力則介于上述兩個(gè)極值之間，呈逐漸過(guò)渡狀態(tài)(如圖10-4、10-5)?？梢?jiàn)這兩點(diǎn)是判定圍巖是否穩(wěn)定的關(guān)鍵部位，只要了解這兩點(diǎn)的應(yīng)力情況，就能掌握這類洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律。第7頁(yè)/共68頁(yè)第8頁(yè)/共68頁(yè)第9頁(yè)/共68頁(yè)

根據(jù)彈性理論，圓--橢圓形地下洞室周邊A、B兩點(diǎn)的切向應(yīng)力可根據(jù)下式求得：

σθ

＝σv(α+βN）

(10-1)式中：(α+βN）稱為應(yīng)力集中系數(shù)（=σθ/σv）。

A點(diǎn)和B點(diǎn)的α和β值列于下表(表10-1)，符號(hào)見(jiàn)圖10-4。

αβA點(diǎn)B點(diǎn)-12（b/a)+12（a/b）+1-1

表10-1第10頁(yè)/共68頁(yè)圖10-6洞室周邊應(yīng)力集中系數(shù)第11頁(yè)/共68頁(yè)

10.2.2.1拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件

從圖10-6中可以看出，

(1)當(dāng)N＝1，任何軸比(b／a)的洞室，周邊上均不產(chǎn)生拉應(yīng)力，

(2)當(dāng)N＝0時(shí)，周邊上最大拉應(yīng)力總是產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞室周邊垂直相交的A點(diǎn)，且其應(yīng)力集中系數(shù)與洞形無(wú)關(guān)，軸比(b／a)為任何值時(shí)，σAθ

／σv均等于-1，

(3)當(dāng)0N1時(shí)，特定洞形有特定的產(chǎn)生拉應(yīng)力的臨界N值。同時(shí)，拉應(yīng)力仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞周垂直相交的部位．亦即當(dāng)N＜l時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)，且N值愈低于臨界值，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大；當(dāng)N＞1時(shí)，最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在B點(diǎn)，且N值愈高于臨界值，該處所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大。第12頁(yè)/共68頁(yè)第13頁(yè)/共68頁(yè)

10.2.2.2最大壓應(yīng)力集中的規(guī)律

圖10-6表明：

當(dāng)b／a＝N時(shí)，周邊上不產(chǎn)生拉應(yīng)力，且各點(diǎn)的壓應(yīng)力集中系數(shù)均相等，為該特定N值條件下，不同軸比洞室周邊上所可能產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)中的最小值，故穩(wěn)定條件最好。當(dāng)b／a＞N時(shí)，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于B點(diǎn)，且其應(yīng)力集中系數(shù)隨兩者差值的增大而增大。當(dāng)b／a＜N時(shí)，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于A點(diǎn)，且兩者的差值愈大，其應(yīng)力集中系數(shù)愈高。不同條件下洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中系數(shù)，可據(jù)式(10-1)或圖10-6求得。第14頁(yè)/共68頁(yè)10.2.3其它形狀洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律10.2.2.1方形--矩形洞室

圖10-7及圖10-8表明，方形--矩形洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中均產(chǎn)生于角點(diǎn)上，而且這些角點(diǎn)上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)隨洞室寬高比(B／H）的不同而變化，在不同的應(yīng)力場(chǎng)中(N值不同時(shí))，大體上都是方形或近似于方形的洞室上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)為最低，隨著寬高比的增大或減小，洞室角點(diǎn)上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)則線性或近似于線性增大。不同條件下方形--矩形洞室角點(diǎn)上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)值，可根據(jù)圖10-7、圖10-8及表10-3的資料概略確定。

第15頁(yè)/共68頁(yè)

這類洞室周邊上最大拉應(yīng)力集中仍產(chǎn)生于初始最大主應(yīng)力與周邊垂直相交的A點(diǎn)，不同條件下這類洞室周邊上的最大拉應(yīng)力集中系數(shù)可據(jù)表10-2的資料概路確定。從表列資料中可以看出，這類洞室周邊上拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件，與圓一橢圓形洞室十分相似。10.2.3.2長(zhǎng)圓形(圓拱直墻式)洞室

根據(jù)光彈試驗(yàn)的資料，圖10-9所示斷面上各特征點(diǎn)的切向應(yīng)力仍可按式10-1求得。圖中各特征點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)中α和β值，列于表10-4中。

第16頁(yè)/共68頁(yè)第17頁(yè)/共68頁(yè)第18頁(yè)/共68頁(yè)第19頁(yè)/共68頁(yè)

根據(jù)上述資料可以看出，在一般情況下，這類洞室周邊上的最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生在邊墻腳處的E點(diǎn)，但當(dāng)N值大于7以后，周邊上的最大壓應(yīng)力集中則出現(xiàn)在洞室的頂拱A點(diǎn)處。最大拉應(yīng)力集中仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力與洞壁垂直相交的邊上。故在N＜1的應(yīng)力場(chǎng)中，隨著N值的降低，拉應(yīng)力首先出現(xiàn)在洞底的中點(diǎn)F處，其產(chǎn)生拉應(yīng)力的N值條件為N0.39，隨著N值的進(jìn)一步降低，F(xiàn)點(diǎn)處的拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)N降至小于0.25時(shí)，洞室頂拱的中點(diǎn)A點(diǎn)處也開(kāi)始產(chǎn)生拉應(yīng)力；在N＞1的應(yīng)力場(chǎng)中，最大拉應(yīng)力集中產(chǎn)生在園拱與直墻的交界點(diǎn)c處，其出現(xiàn)拉應(yīng)力的N值條件為N＞2.1。第20頁(yè)/共68頁(yè)第21頁(yè)/共68頁(yè)10.2.4洞室周邊應(yīng)力與其形狀間的近似定量關(guān)系

根據(jù)森維南原理可知，洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，只要其表面是光滑的，主要受其局部幾何形態(tài)的控制。在如圖10-10所示的特例條件下，洞室周邊特定點(diǎn)A、B處的應(yīng)力與其形態(tài)間有如下定量關(guān)系：（點(diǎn)A、B

的位置與前述圖的位置相反）第22頁(yè)/共68頁(yè)

上述關(guān)系式表明，洞室周邊應(yīng)力與其曲率半徑呈負(fù)相關(guān)，而與其寬或高呈正相關(guān)關(guān)系。實(shí)際上，利用上述關(guān)系式可近似地計(jì)算任一形狀洞室周邊與主應(yīng)力垂直相交兩點(diǎn)(即A、B點(diǎn))處的周邊應(yīng)力。例如，在圖10-11所示的情況下，只要先求出A、B兩點(diǎn)處的曲率半徑，即可按前述公式求得該兩點(diǎn)的周邊應(yīng)力。A點(diǎn)的曲率半徑可直接從圖中求出，B點(diǎn)的曲率半徑可近似地按其內(nèi)切橢圓的曲率半徑計(jì)算。按上述方法求得的周邊應(yīng)力分別為：σA＝3.96P，σB

＝-0.17P，與據(jù)邊界元法求得的數(shù)據(jù)（σA＝3.60P，σB＝-0.17P)十分接近。可見(jiàn)，這種簡(jiǎn)易的近似計(jì)算完全能滿足工程設(shè)計(jì)的精度要求。第23頁(yè)/共68頁(yè)10.2.5圍巖特性及不連續(xù)面對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

圖10-12表示圓形洞室圍巖不是理想彈性體時(shí)的應(yīng)力分布情況，它表明，當(dāng)圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有非線性特征，或圍巖具有較大蠕變特性時(shí)，洞室周邊附近的切向應(yīng)力要小于理想彈性巖層時(shí)的應(yīng)力；但當(dāng)遠(yuǎn)離洞壁一定距離后，巖層內(nèi)的切向應(yīng)力則要大于理想彈性巖層時(shí)的應(yīng)力，其變化情況如圖10-12中的虛線所示。第24頁(yè)/共68頁(yè)第25頁(yè)/共68頁(yè)

圖10-13表示地下洞室附近斷層等不連續(xù)面的存在對(duì)圍巖應(yīng)力分布的影響，它表明，當(dāng)洞室附近有一個(gè)斷層平行于洞壁通過(guò)時(shí)，任何一個(gè)位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體都要承受徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用[如圖10-13(b)]，從而使斷層面上產(chǎn)生剪應(yīng)力[如圖10-13(c)]。如果這種剪應(yīng)力的數(shù)值大于斷層泥或斷層角礫巖所能承受的應(yīng)力值，則這一單元就會(huì)發(fā)生位移，從而使得傳過(guò)斷層面的應(yīng)力較之沒(méi)有斷層時(shí)減小了一些，由于這種原因，在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化。

第26頁(yè)/共68頁(yè)

此外，應(yīng)力集中程度的增加還會(huì)因巖層的各向異性而引起。已被某些測(cè)量所驗(yàn)證過(guò)的理論計(jì)算結(jié)果指出，各向異性巖層中的應(yīng)力集中遠(yuǎn)大于各向同性巖層。10.2.6相鄰洞室的存在對(duì)圍巖應(yīng)力的影響

由于圍巖內(nèi)某一點(diǎn)的總應(yīng)力等于兩個(gè)或多個(gè)洞室在該點(diǎn)引起的應(yīng)力之和，故相鄰洞室的存在通常使圍巖應(yīng)力(主要是壓應(yīng)力)的集中程度增高(圖10-14)，對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定不利。因此，不同的業(yè)務(wù)部門(mén)規(guī)定了不同的最小安全洞室間距，例如水電部門(mén)規(guī)定，無(wú)壓隧洞相鄰洞室的最小間距為1.0-1.3倍洞跨，高壓隧洞之間的最小間距為0.15-0.6倍水頭。鐵道部門(mén)規(guī)定，兩相鄰單線隧道的最小間距按下表(表10-5)確定。第27頁(yè)/共68頁(yè)

圍巖類型VI

V—IVIIIIII最小間距（1.5—2.0）B（2.0—2.5）B（2.5—3.0）B（3.5—5.0）B>5.0B注:1.圍巖類型根據(jù)圍巖分類（見(jiàn)《工程地質(zhì)勘察》）確定，VI為硬巖，依次降低；

2.B為隧道的跨度。第28頁(yè)/共68頁(yè)10.3地下洞室圍巖的變形破壞及山巖壓力問(wèn)題10.3.1圍巖變形破壞的一般過(guò)程和特點(diǎn)

地下洞室開(kāi)挖常能使圍巖的性狀發(fā)生很大變化。促使圍巖性狀發(fā)生變化的因素，除上述的卸荷回彈和應(yīng)力重分布之外，還有水分的重分布。一般說(shuō)來(lái)，洞室開(kāi)挖后，如果圍巖巖體承受不了回彈應(yīng)力或重分布的應(yīng)力的作用，圍巖即將發(fā)生塑性變形成破壞。這種變形或破壞通常是從洞室周邊，特別是那些最大壓或拉應(yīng)力集中的部位開(kāi)始，而后逐步向圍巖內(nèi)部發(fā)展的。

其結(jié)果?？稍诙词抑?chē)纬伤蓜?dòng)帶或松動(dòng)圈。圍巖內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也將因松動(dòng)圈內(nèi)的應(yīng)力被釋放而重新調(diào)整，通常在圍巖的表部形成應(yīng)力降低區(qū)，而高應(yīng)力集中區(qū)則向巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，結(jié)果就在圍巖內(nèi)形成一定的應(yīng)力分帶，如圖10-15所示的水靜應(yīng)力場(chǎng)中(N＝1)圓形隧洞周?chē)娜齻€(gè)應(yīng)力帶就是圍巖塑性變形或破壞的發(fā)展所造成的。第29頁(yè)/共68頁(yè)圍巖表部低應(yīng)力區(qū)的形成往往又會(huì)促使巖體內(nèi)部的水分由高應(yīng)力區(qū)向圍巖的表部轉(zhuǎn)移，這不僅能進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件而且能使某些存在于圍巖表部易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹變形，造成很大的山壓。

圍巖巖體的變形和破壞的形式和特點(diǎn)，除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。為了更清楚地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)將圍巖的變形、破壞的類型及其與圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系列于表10-6。

第30頁(yè)/共68頁(yè)圍巖類型巖體結(jié)構(gòu)變形、破壞形式產(chǎn)生機(jī)制脆性圍巖塊體狀結(jié)構(gòu)及厚層狀結(jié)構(gòu)

張裂塌落

拉應(yīng)力集中造成的張性破壞

劈裂剝落

壓應(yīng)力集中造成的壓致拉裂

剪切滑移及剪切破碎

壓應(yīng)力集中造成的剪切破壞及滑移拉裂

巖爆

壓應(yīng)力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破壞中薄層結(jié)構(gòu)

彎折內(nèi)鼓

卸荷回彈或壓應(yīng)力集中造成的彎曲拉裂

碎裂結(jié)構(gòu)

破碎松動(dòng)

壓應(yīng)力集中造成的剪切松動(dòng)塑性圍巖

層狀結(jié)構(gòu)

塑性擠出

壓應(yīng)力集中作用下的塑性流動(dòng)

膨脹內(nèi)鼓

水分重分布造成的吸水膨脹散體結(jié)構(gòu)

塑性擠出

壓應(yīng)力作用下的塑流

塑流涌出

松散飽水巖體的懸浮塑流

重力坍塌

重力作用下的坍塌表10-6圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系第31頁(yè)/共68頁(yè)10.3.2脆性圍巖的變形和破壞

脆性圍巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的脆性巖體。這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的，水分的重分布對(duì)其變形和破壞的影響較為微弱。這類圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn)，除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)，一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型(見(jiàn)表10-6)，現(xiàn)分述如下。第32頁(yè)/共68頁(yè)10.3.2.1彎折內(nèi)鼓

這類變形破壞是層狀，特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。從力學(xué)機(jī)制來(lái)看，它的產(chǎn)生可能有兩種情況：一是卸荷回彈的結(jié)果；二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過(guò)薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的。

由卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)(或者洞室埋深較大，或者水平地應(yīng)力較高)，而且總是在與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力垂直相交的洞壁上表現(xiàn)得最強(qiáng)烈．故當(dāng)薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時(shí)，洞室開(kāi)挖后．薄層狀圍巖就會(huì)在回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生如圖10-16所示的彎曲、拉裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍倒。第33頁(yè)/共68頁(yè)

例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號(hào)支洞的下叉洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過(guò)程中，均發(fā)生過(guò)這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中，當(dāng)洞徑大于6m的洞體平行或近于平行(交角小于20。)陡傾的巖層走向時(shí)，在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞，而且一般都是在開(kāi)挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號(hào)支洞，在樁號(hào)0十135m段的施工過(guò)程中，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，巖層的彎折變形越來(lái)越嚴(yán)重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌倒，幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞，在0+360—0+470m段的施工過(guò)程中，洞體兩側(cè)壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓，開(kāi)挖中曾用錨桿與工字鋼聯(lián)合封鎖支護(hù)，半月之后，變形巖體連錨桿與工字鋼突然坍落，方量達(dá)500m3，不得不停工處理。

第34頁(yè)/共68頁(yè)

值得注意的是，在該區(qū)地表溢洪道的施工過(guò)程中，當(dāng)溢洪道平行于陡傾的巖層走向時(shí)，新開(kāi)挖出的邊披巖體經(jīng)常在3-5天之內(nèi)即發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒破壞。由此可見(jiàn)，在該區(qū)所發(fā)生的上述兩類變形破壞(即地表邊坡巖體的傾倒和地下隧洞洞壁的彎折內(nèi)鼓)同是卸荷回彈與應(yīng)力釋放的結(jié)果。由壓應(yīng)力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的壓應(yīng)力集中的部位，通常是洞室的角點(diǎn)或與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力平行或近于平行的洞壁，故當(dāng)薄層狀巖體的層面與這類應(yīng)力高度集中部位平行或近于平行時(shí)，切向壓應(yīng)力往往超過(guò)薄層狀圍巖的抗彎折強(qiáng)度，從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。第35頁(yè)/共68頁(yè)

一些局部構(gòu)造條件，有時(shí)也有利于這類變形破壞的產(chǎn)生。如圖10-17所示情況，平行于洞室側(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)的應(yīng)力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應(yīng)力將高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往造成彎折內(nèi)鼓破壞。

第36頁(yè)/共68頁(yè)

從這類變形、破壞的發(fā)生機(jī)制和發(fā)育特點(diǎn)中可以看出，在現(xiàn)代地應(yīng)力或構(gòu)造剩余應(yīng)力較高的薄層狀巖層內(nèi)修建這類地下洞室，圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對(duì)于區(qū)域最大主應(yīng)力方位有密切關(guān)系。通常，軸向垂直于最大主應(yīng)力方向的洞室，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于平行于最大主應(yīng)力方向者。這是因?yàn)椋涸诙摧S垂直于水平最大主應(yīng)力的條件下，當(dāng)洞體平行或近于平行地通過(guò)陡傾巖層時(shí)強(qiáng)烈的卸荷回彈會(huì)使垂直于最大主應(yīng)力方向的洞壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓，而當(dāng)洞體通過(guò)平緩巖層時(shí)，高度的應(yīng)力集中又會(huì)使平行于最大主應(yīng)力的洞室頂?shù)装?，特別是頂拱，因彎折內(nèi)鼓的發(fā)展而嚴(yán)重坍塌。第37頁(yè)/共68頁(yè)10.3.2.2

張裂塌落

張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是當(dāng)那里發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時(shí)，即使產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小也可使巖體拉開(kāi)產(chǎn)生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定，特別是當(dāng)有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，往往造成頂拱的塌落。但是在N0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小會(huì)使頂拱處的拉應(yīng)力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力(如圖10-18)。當(dāng)頂拱處的拉應(yīng)力減小至小于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就趨于穩(wěn)定。第38頁(yè)/共68頁(yè)第39頁(yè)/共68頁(yè)

10.3.2.3

劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動(dòng)

這三種破壞形式都發(fā)生于壓應(yīng)力、特別是最大壓應(yīng)力集中的部位。

1.劈裂剝落

過(guò)大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圍巖切割成厚度由幾厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落[如圖l0-19(b)]。破裂的范圍一般不超過(guò)洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強(qiáng)度時(shí)，這些劈裂板還可能被壓彎、折斷并造成塌方，轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。第40頁(yè)/共68頁(yè)

劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)，視圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生于頂拱，也可發(fā)生于邊墻之上，前者造成頂拱的片狀冒落，后者則造成通常所謂的片幫。

2.剪切滑移

這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生在邊墻上，也可發(fā)生于頂拱。

第41頁(yè)/共68頁(yè)

在水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的應(yīng)力場(chǎng)中(N＞1)，這類破壞多發(fā)生在頂拱壓應(yīng)力集中程度較高，且有斜向斷裂發(fā)育的部位，圖10-20(a)就表示了這種情況。位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體通常具有如圖10-20(b)所示的應(yīng)力狀態(tài)。由于切向應(yīng)力σθ很大，而徑向應(yīng)力σr很小，故沿?cái)鄬用孀饔玫募魬?yīng)力比較高，而正應(yīng)力卻比較小，所以，沿?cái)鄬用孀饔玫募魬?yīng)力往往會(huì)超過(guò)其抗剪強(qiáng)度，引起沿?cái)鄬拥募羟谢?。這種滑移又會(huì)引起次生的拉應(yīng)力[大體上垂直于因10-20(a)中的虛線]，從而使斷層與虛線間的三角形巖體因滑移拉裂而冒落。第42頁(yè)/共68頁(yè)

3．碎裂松動(dòng)

碎裂松動(dòng)是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開(kāi)挖后，如果圍巖應(yīng)力超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類圍巖就會(huì)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)圈。這類松動(dòng)帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當(dāng)有地下水的活動(dòng)參與時(shí)，極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動(dòng)帶的厚度會(huì)隨時(shí)間的推移而逐步增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過(guò)度發(fā)展，必須及時(shí)采取加固措施。第43頁(yè)/共68頁(yè)

上述二類破壞所引起的洞室寬高比的變化，一方面會(huì)使洞形急劇變化部分的圍巖表部的切向壓應(yīng)力的集中程度隨之急劇增大，另外還會(huì)在與最大主應(yīng)力相垂直的洞壁上引起拉應(yīng)力，從而進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，引起圍巖累進(jìn)性破壞。如圖10-21所示，就是一個(gè)寬高比為6的矩形坑道，在N＝3的應(yīng)力場(chǎng)中，頂拱擠壓破壞所引起的洞形變化與圍巖應(yīng)力變化之間的關(guān)系。從圖中可以看出，當(dāng)破壞所造成的崩落向上發(fā)展時(shí)，頂板中央的壓應(yīng)力迅速隨冒落高度增高而增大，在這種場(chǎng)合下，如不及時(shí)采取措施，頂拱的崩落作用必將累進(jìn)性的加速發(fā)展，造成嚴(yán)重后果。

第44頁(yè)/共68頁(yè)10.3.2.4

巖爆

1．有關(guān)巖爆的基本概念

在地下開(kāi)挖或開(kāi)采過(guò)程中，圍巖的破壞有時(shí)會(huì)突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來(lái)，這就是所謂的巖爆。當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)，巖石或煤等突然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達(dá)幾十噸，小者長(zhǎng)僅幾厘米。大型巖爆通常伴有劇烈的氣浪和巨響,甚至還伴有周?chē)鷰r體的振動(dòng)。巖爆對(duì)于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害。大者能破壞支護(hù)、堵塞坑道，造成重大的傷亡事故。小者也能威脅工人的安全。因此，研究這類破壞的發(fā)生、發(fā)展與防治，對(duì)于地下開(kāi)挖工作的安全與經(jīng)濟(jì)有著重要意義。第45頁(yè)/共68頁(yè)

2．巖爆的類型和特點(diǎn)

按發(fā)生的部位及所釋放的能量類型，巖爆有不同的類型

(1)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆

在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的中小型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時(shí)發(fā)出如機(jī)槍射擊的劈劈拍拍響聲，故被稱為巖石射擊。成昆線官村壩隧道(最大埋深達(dá)1600m)開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)震旦系灰?guī)r時(shí)就曾發(fā)生過(guò)這類巖爆。它一般發(fā)生在新開(kāi)挖的工作面附近，爆破后2~3h，圍巖表部巖石常發(fā)出如上所述的爆裂聲，同時(shí)有中厚邊薄的不規(guī)則片狀巖塊自洞壁圍巖中彈射出或剝落。第46頁(yè)/共68頁(yè)彈出者一般塊度較小，多呈幾cm長(zhǎng)、寬的薄片，個(gè)別達(dá)幾十cm長(zhǎng)、寬，但爆裂聲較大，且爆裂與彈射幾乎同時(shí)發(fā)生；剝落者一殷塊度較大，可達(dá)幾m長(zhǎng)、寬，但爆聲較小，且多在爆裂聲的幾分鐘或更長(zhǎng)些時(shí)間后方脫離母巖而自由墜下。這類巖爆多發(fā)生于表面平整、有硬質(zhì)結(jié)核或軟弱面的地方，且多平行于巖壁發(fā)生，事前無(wú)明顯的預(yù)兆。

(2)礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆

發(fā)生于一些探礦坑中的大型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時(shí)通常伴有劇烈的氣浪和巨響，甚至還伴有周?chē)鷰r體的強(qiáng)烈振動(dòng)，破壞力很大，對(duì)地下采掘工作造成嚴(yán)重的危害，故常被稱之為礦山打擊或沖擊地壓。第47頁(yè)/共68頁(yè)

在煤礦中，這類巖爆多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內(nèi)[如圖10-22(a)的s區(qū)]，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，而這一區(qū)域與坑道間(ht區(qū))的煤則大塊地被拋到巷道中，并伴隨著巨大的響聲、振動(dòng)和氣浪，破壞力極大。這類沖擊地壓發(fā)生之前，?？捎X(jué)察到支護(hù)上或煤柱中壓力的增大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)霹靂聲或振動(dòng)，但有時(shí)則沒(méi)有明顯的預(yù)兆。四川綿竹天池煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多m遠(yuǎn)。第48頁(yè)/共68頁(yè)

(3)斷層錯(cuò)動(dòng)引起的巖爆

這類巖爆產(chǎn)生的條件如圖10-22(c)所示，即當(dāng)坑道以小角度逼近一個(gè)潛在的活動(dòng)斷層時(shí)，坑道的開(kāi)挖使作用于斷層面上的正應(yīng)力減小，從而使沿?cái)鄬用娴哪ψ枇档?，引起斷層突然再活?dòng)，形成巖爆，這類巖爆一般發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的探礦井中，破壞性很大，且影響范圍較廣。

3．巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機(jī)制

本質(zhì)上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。從產(chǎn)生條件方面來(lái)看，高儲(chǔ)能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在條件，而某些因素的觸發(fā)效應(yīng)則是巖爆產(chǎn)生的外因。常發(fā)生的部位如下：第49頁(yè)/共68頁(yè)

(1)由原巖應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖內(nèi)的最大壓應(yīng)力集中區(qū)。

(2)圍巖表部的高變異應(yīng)力及殘余應(yīng)力分布區(qū)(如圖10-25)以及由巖性條件所決定的局部應(yīng)力集中區(qū)，如夾于軟巖中的堅(jiān)硬巖體。

(3)斷層、軟弱破碎巖墻或巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)面附近，洞體與這些軟弱結(jié)構(gòu)面所形成的應(yīng)力集中局部增高區(qū)(圖10-27)。圖10-28更清楚地說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題。它是其隧洞以銳角穿越一破碎巖墻時(shí)發(fā)生巖爆的實(shí)際情況。在開(kāi)挖向前推進(jìn)的過(guò)程中，當(dāng)隧洞處于圖10-28(a)及(c)的位置時(shí)，在緊鄰巖墻的洞壁上均發(fā)生了巖爆，而當(dāng)隧洞遠(yuǎn)離巖墻或在巖墻之內(nèi)時(shí)則無(wú)巖爆發(fā)生。

第50頁(yè)/共68頁(yè)

(4)已有洞體內(nèi)，由于新開(kāi)挖影響而出現(xiàn)的高應(yīng)力區(qū)(如圖10-29)。10.3.3塑性圍巖的變形與破壞塑性圍巖包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體(如頁(yè)巖、泥巖和粘土巖等)和散體結(jié)構(gòu)巖體。這類圍巖的變形與破壞，主要是在應(yīng)力重分布和水分重分布的作用下發(fā)生的．主要有塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出和重力坍塌等不同類型，現(xiàn)分述如下：10.3.3.1塑性擠出洞室開(kāi)挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)塑性圍巖的屈服強(qiáng)度時(shí)，軟弱的塑性物質(zhì)就會(huì)沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。在一般情況下，容易被擠出的巖體主要包括：

第51頁(yè)/共68頁(yè)

(1)固結(jié)程度較差的泥巖、粘土巖；

(2)各種富含泥質(zhì)的沉積或變質(zhì)巖層(如泥巖、頁(yè)巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪切破碎帶，

(3)火成巖中的富含泥質(zhì)的風(fēng)化破碎夾層等，特別是當(dāng)這些巖體富含水分處于塑性狀態(tài)時(shí)，就更易于被擠出。未經(jīng)構(gòu)造或風(fēng)化擾動(dòng)且固結(jié)程度較高的泥質(zhì)沉積巖及變質(zhì)巖層則不易于被擠出。第52頁(yè)/共68頁(yè)

10·3.3.2

膨脹內(nèi)鼓

洞室開(kāi)挖后圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形。這類膨脹變形顯然是由圍巖內(nèi)部的水分重分布引起的，除此之外，開(kāi)挖后暴露于表部的這類巖體有時(shí)也會(huì)從空氣中吸收水分而使自身膨脹。第53頁(yè)/共68頁(yè)

遇水后易于膨脹的巖石主要有兩類。一類是富含粘土礦物(特別是蒙脫石)的塑性巖石，如泥質(zhì)巖、粘土巖、膨脹性粘土等。隧道圍巖中有浸水后體積增大2.9％的巖石就會(huì)給開(kāi)挖造成很大困難，而有些遭受熱液變質(zhì)的富含蒙脫石礦物的巖石，浸水后體積可增加14％~25％。因此，這類巖層的膨脹變形能對(duì)各類地下建筑物的施工和運(yùn)行造成很大危害。另一類是含硬石膏的地層。硬石膏遇水后就會(huì)發(fā)生水化而轉(zhuǎn)化為石膏，體積隨之而增大。所以穿過(guò)這類地層的隧道往往遇到因硬石膏水化膨脹而產(chǎn)生的強(qiáng)大山壓，給隧道的施工和運(yùn)行帶來(lái)很大困難。第54頁(yè)/共68頁(yè)10.3.3.3塑流涌出

當(dāng)開(kāi)挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)的松散破碎物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌人洞中，有時(shí)甚至可以堵塞坑道，給施工造成很大的困難。10.3.3.4

重力坍塌

破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。第55頁(yè)/共68頁(yè)

10.3.4

圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問(wèn)題

10.3.4.1

圍巖變形破壞的累進(jìn)性發(fā)展

大量的實(shí)踐表明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均一性及各向異性，那些應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又相對(duì)較低的部位往往是累進(jìn)性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力--強(qiáng)度關(guān)系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其它部位轉(zhuǎn)移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發(fā)展，連鎖反應(yīng)，終將導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。第56頁(yè)/共68頁(yè)

因此，在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分析、評(píng)價(jià)時(shí)，必須充分考慮圍巖累進(jìn)性破壞的過(guò)程和特點(diǎn)，針對(duì)控制圍巖失穩(wěn)定破壞的關(guān)鍵部位采取有效措施，以防止累進(jìn)性破壞的發(fā)生和發(fā)展，這正是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。一般說(shuō)來(lái)，地下工程圍巖變形破壞累進(jìn)性發(fā)展的過(guò)程和特點(diǎn)主要取決于三方面因素：(1)原巖應(yīng)力的方向及大小；(2)地下洞室的形狀及尺寸，(3)巖體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度。所以，具體條件不同，圍巖累進(jìn)性破壞的過(guò)程和特點(diǎn)也迥異。第57頁(yè)/共68頁(yè)10.3.4.2

山巖壓力問(wèn)題

1．基本概念

設(shè)計(jì)隧道或其它地下洞室時(shí)，如果工程地質(zhì)分析與巖體力學(xué)計(jì)算的結(jié)果表明，開(kāi)挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達(dá)到這個(gè)目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相互作用。這種相互作用的力，對(duì)于支襯結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，就是所謂的山巖壓力(或簡(jiǎn)稱山壓)，它是設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。可見(jiàn)，上面討論的圍巖應(yīng)力與山壓是有原則區(qū)別的，前者是圍巖巖體中的內(nèi)力，后者是圍巖作用于支襯結(jié)構(gòu)上的外力，前者轉(zhuǎn)化為后者是有條件的。第58頁(yè)/共68頁(yè)

如果圍巖足夠強(qiáng)固，完全能夠承受住圍巖應(yīng)力的作用，當(dāng)然也就不需進(jìn)行支護(hù)。只有當(dāng)圍巖因適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力的作用而產(chǎn)生過(guò)大的變形或破壞時(shí)，圍巖才會(huì)向支撐結(jié)構(gòu)施加擠壓力，形成山壓。

2關(guān)于山壓的計(jì)算（1）變形山壓主要是由圍巖的塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、剪切碎裂以及彎折內(nèi)鼓等類型變形破壞所造成的，多呈塑性、半脆性。采用彈塑性力學(xué)的方法計(jì)算，詳見(jiàn)巖體力學(xué)。（2）散體山壓主要是由圍巖的張裂塌落、剪切滑移、碎裂松動(dòng)以及重力坍塌等類型的變形破壞引起的。計(jì)算方法主要有基于塌落體理論的普氏及太沙基的山壓計(jì)算法、地質(zhì)分析計(jì)算法以及經(jīng)驗(yàn)公式估算法等。第59頁(yè)/共68頁(yè)（3）鐵道部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)公式圍巖垂直均布?jí)毫Γ簆=0.45**

*26-s

式中：

---寬度影響系數(shù)，

=1+i（B-5），

B<5時(shí)，i=0.2；B>5時(shí)，i=0.1s---圍巖類別數(shù)

圍巖水平均布?jí)毫按下表取值。（4）水電部門(mén)的經(jīng)驗(yàn)公式P=Sy**Bq=Sx**H第60頁(yè)/共68頁(yè)10.4

地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)10.4.l

影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析

第一類因素是通過(guò)圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的。主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和