巖石力學(xué)-第10章 地下硐室圍巖應(yīng)力計(jì)算及穩(wěn)定性分析

第八章地下洞室圍巖應(yīng)力計(jì)算及穩(wěn)定性分析重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院

隧道及巖土工程系

本章內(nèi)容§8-1概述§8-2水平洞室圍巖應(yīng)力計(jì)算§8-3有壓隧洞圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性§8-4圍巖的變形與破壞重點(diǎn)、難點(diǎn):

1、地下洞室開挖引起的圍巖應(yīng)力重分布；2、地下洞室圍巖的變形破壞；3、地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素；4、洞室圍巖穩(wěn)定性分析；關(guān)鍵術(shù)語地下洞室，圍巖應(yīng)力，有壓洞室，圍巖，穩(wěn)定性。要求：1、須掌握本章重點(diǎn)難點(diǎn)內(nèi)容；2、了解影響巖石力學(xué)性質(zhì)的因素；§8-1概述一、地下硐室的概念和分類地下硐室(undergroundcavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按硐壁受壓情況：有壓硐室、無壓硐室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系：水平硐室、斜硐、垂直硐室（井）按介質(zhì)類型：巖石硐室、土硐按應(yīng)力情況：單式硐室、群硐二、應(yīng)力重分布在巖石力學(xué)中，將開挖后出現(xiàn)的應(yīng)力變化稱為應(yīng)力重分布圍巖：洞室周圍發(fā)生重新分布的巖體。

圍巖中應(yīng)力重新分布后形成的新的應(yīng)力狀態(tài)稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)。三、地下硐室圍巖穩(wěn)定性分析地下硐室圍巖穩(wěn)定性分析主要涉及到以下巖石力學(xué)研究課題1重分布應(yīng)力狀態(tài)的分析與計(jì)算；2開挖后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)判別；3地下洞室圍巖壓力分析與計(jì)算；4地下洞室的圍巖抗力問題。因此，地下洞室的穩(wěn)定性分析，必須：1首先根據(jù)工程所在的天然應(yīng)力狀態(tài)來確定圍巖中重分布應(yīng)力的大小和特點(diǎn)；2研究圍巖應(yīng)力與變形和強(qiáng)度的關(guān)系，進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)；3確定圍巖壓力和圍巖抗力的大小與分布情況，以作為地下洞室設(shè)計(jì)和施工的依據(jù)。本節(jié)采用彈性理論計(jì)算坑道圍巖應(yīng)力及其分布基本假定：1巖體為均質(zhì)、連續(xù)和各向同性的介質(zhì)。2巖體不受構(gòu)造應(yīng)力場作用將巷道和圍巖視為無重量的有孔平板的平面應(yīng)變問題，平板所受到的外力即原巖應(yīng)力。巷道上部和下部的初始應(yīng)力不相等，但當(dāng)巷道埋深大于其高度的20倍時(shí)，這種應(yīng)力差即可略去。于是，當(dāng)p=q,即λ＝1，可視為二向等壓下有孔平板平面應(yīng)變問題，當(dāng)p≠q時(shí)，即λ≠1，則視為二向不等壓的有孔平板平面應(yīng)變問題。計(jì)算結(jié)果表明，采用這種計(jì)算誤差不超過10％。研究圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)的方法：§8-2水平洞室圍巖應(yīng)力計(jì)算和穩(wěn)定性分析此節(jié)主要討論無內(nèi)壓坑道圍巖應(yīng)力分布

一、圓形洞室圍巖應(yīng)力計(jì)算設(shè)原巖垂直應(yīng)力為p，水平應(yīng)力為q，作用在圍巖邊界，忽略圍巖自重的影響，按彈性理論中的基爾希公式計(jì)算圍巖中任一點(diǎn)M（r,θ）的應(yīng)力：（1）當(dāng)r→∞時(shí)，(8－1)(8－2)上式即為極坐標(biāo)中的原巖應(yīng)力。（2）當(dāng)r＝a時(shí)，即洞室周邊的應(yīng)力為：(8－3)或：式中：λ=q/p為側(cè)壓力系數(shù)。(8－4)(8－1)由：可見，σθ

與λ和θ密切相關(guān)。當(dāng)θ＝0，π時(shí)，當(dāng)θ＝3π/2，π/2時(shí)，由于巖體的抗拉強(qiáng)度很小，認(rèn)為巖體不抗拉，因此，坑道周邊不能出現(xiàn)拉應(yīng)力的條件為：解得：當(dāng)θ＝0，π時(shí)，當(dāng)θ＝3π/2，π/2時(shí)，不同的λ下，坑道周邊切向應(yīng)力σθ

的分布：λθ=0，πθ=π/2，3π/24－p11p308p2p5p12p2p1/22.5p0.5p1/32.67p0p1/42.75p-0.25p不同的λ下，坑道周邊切向應(yīng)力σθ

的分布：（3）當(dāng)p=q,即λ=1時(shí)，(8－1)(8－5)可見，σθ、σr與θ無關(guān)，λ=1（軸對稱）時(shí)對圓形坑道圍巖應(yīng)力分布最有利。當(dāng)r=a,坑道周邊應(yīng)力為：(8－6)圓形坑道開挖應(yīng)力擾動范圍為坑道半徑的3－5倍。當(dāng)r→∞時(shí)，坑道原巖應(yīng)力為：(8－7)二、橢圓形坑道周邊應(yīng)力分布

在單向應(yīng)力p0作用下，橢圓形坑道周邊任一點(diǎn)的徑向應(yīng)力σr、切向應(yīng)力σθ、剪應(yīng)力τrθ，根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算公式為：式中：m——y軸上的半軸b與x軸上的半軸a的比值，即m＝b/a；θ——洞壁上任意一點(diǎn)M與橢圓形中心的連線與x軸的夾角；β——荷載p0作用線與x軸的夾角；p0——外荷載。若β＝0，p0＝λp,則：若β＝900，p0＝p,則：在原巖應(yīng)力

p、λp作用下,則由（1）＋（2）得：(1)(2)(8－8)上式也可表示為：坑道周邊兩幫中點(diǎn)處（θ＝0,π)切向應(yīng)力為：若（a)=(b),即σθ1＝σθ2，則可得：坑道周邊頂?shù)装逯悬c(diǎn)處（θ＝3π/2,π/2)切向應(yīng)力為：(8－8)(a)(b)(c)由（c)可得：可見，在原巖應(yīng)力(p,λp）一定的條件下，σθ隨軸比m而變化。為了獲得合理的應(yīng)力分布，可通過調(diào)整軸比m來實(shí)現(xiàn)。(c)滿足上式的軸比叫等應(yīng)力軸比。在等應(yīng)力軸比的條件下，橢圓形坑道頂?shù)装逯悬c(diǎn)和兩幫中點(diǎn)的切向應(yīng)力相等，周邊應(yīng)力分布比較均勻。(8－9)例：

λ＝1/4條件下，不同軸比m對應(yīng)的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)處的σθ：(1)當(dāng)m≤1，頂?shù)装逯械摩姚瘸霈F(xiàn)拉應(yīng)力，故在λ＝1/4條件下，應(yīng)選m>1.(2)當(dāng)m＝4時(shí)，巷道兩幫中點(diǎn)和頂?shù)装逯悬c(diǎn)的應(yīng)力為1.25p，出現(xiàn)切向應(yīng)力相等的應(yīng)力狀態(tài)，即等應(yīng)力軸比狀態(tài)。在等應(yīng)力軸比狀態(tài)下，即將上式代入（6－8）：在等應(yīng)力軸比條件下，

σθ與θ無關(guān)，周邊切向應(yīng)力為均勻分布?？梢姡瑱E圓形長軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，坑道周邊不出現(xiàn)切向拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較合理，等應(yīng)力軸比時(shí)最好。三、矩形洞室圍巖應(yīng)力分布由實(shí)驗(yàn)和理論分析可知，矩形巷道圍巖應(yīng)力的大小與矩形形狀（高寬比）和原巖應(yīng)力（λ）有關(guān)。高寬比＝1/3,λ<1矩形坑道圍巖應(yīng)力分布特征：（1）頂?shù)装逯悬c(diǎn)水平應(yīng)力在坑道周邊出現(xiàn)拉應(yīng)力，越往圍巖內(nèi)部，應(yīng)力逐漸由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力，并趨于原巖應(yīng)力q；（2）頂?shù)装逯悬c(diǎn)垂直應(yīng)力在坑道周邊為0，越往圍巖內(nèi)部，應(yīng)力越大，并趨于原巖應(yīng)力p；（3）兩幫中點(diǎn)水平應(yīng)力在坑道周邊為0，越往圍巖內(nèi)部，應(yīng)力越大，并趨于原巖應(yīng)力q.（4）兩幫中點(diǎn)垂直應(yīng)力在坑道周邊最大，越往圍巖內(nèi)部，應(yīng)力逐漸減小，并趨于原巖應(yīng)力p；高寬比＝1/3,λ<1（5）巷道四角處應(yīng)力集中最大，其大小與曲率半徑有關(guān)。曲率半徑越小，應(yīng)力集中越大，在角隅處可達(dá)6～8。例：不同λ和不同軸比m下，矩形坑道周邊頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)處的σθ：矩形坑道斷面長軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，圍巖應(yīng)力分布較合理，等應(yīng)力軸比時(shí)最好。（1）無論坑道斷面形狀如何，周邊附近應(yīng)力集中系數(shù)最大，遠(yuǎn)離周邊，應(yīng)力集中程度逐漸減小，在距巷道中心為3—5倍坑道半徑處，圍巖應(yīng)力趨近于與原巖應(yīng)力相等。（2）坑道圍巖應(yīng)力受側(cè)應(yīng)力系數(shù)λ、坑道斷面軸比的影響，一般說來，坑道斷面長軸平行于原巖最大主應(yīng)力方向時(shí)，能獲得較好的圍巖應(yīng)力分布；而當(dāng)坑道斷面長軸與短軸之比等于長軸方向原巖最大主應(yīng)力與短軸方向原巖應(yīng)力之比時(shí)，坑道圍巖應(yīng)力分布最理想。這時(shí)在巷道頂?shù)装逯悬c(diǎn)和兩幫中點(diǎn)處切向應(yīng)力相等，并且不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

四、各種洞形圍巖分布的共同特點(diǎn)：（3）坑道斷面形狀影響圍巖應(yīng)力分布的均勻性。通常平直邊容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生較大剪應(yīng)力集中，都不利于坑道的穩(wěn)定。（4）坑道影響區(qū)隨坑道半徑的增大而增大，相應(yīng)地應(yīng)力集中區(qū)也隨坑道半徑增大而增大。如果應(yīng)力很高，在周邊附近應(yīng)力超過巖體承載能力而產(chǎn)生的破裂區(qū)半徑也將較大。（5）上述特征都是在假定坑道周邊圍巖完整的情況下才具備的。在采用爆破方法開挖的坑道中，由于爆破的松動和破壞作用，坑道周邊往往不是應(yīng)力集中區(qū)，而是應(yīng)力降低區(qū)，此區(qū)域又叫爆破松動區(qū)。該區(qū)域的范圍一般在0．5m左右。四、各種洞形圍巖分布的共同特點(diǎn)：五、水平洞室圍巖穩(wěn)定性演算

◆對于整體性良好的堅(jiān)硬巖體來說，可假設(shè)巖體均勻、各向同性的連續(xù)介質(zhì)彈性體驗(yàn)算洞室邊界上的切應(yīng)力是否超過巖體的強(qiáng)度即可1、洞室周邊切向壓應(yīng)力驗(yàn)算分別為洞室周邊切向壓應(yīng)力最大值和洞室圍巖巖體容許抗壓強(qiáng)度◆考慮長期荷載作用，洞室圍巖巖體的強(qiáng)度可能降低，洞室圍巖巖體容許抗壓強(qiáng)度一般需要折減。對于無裂隙圍巖，取對于有裂隙圍巖，取式中：為巖石的單軸抗壓強(qiáng)度2、洞室周邊切向拉應(yīng)力驗(yàn)算當(dāng)洞室周邊切向應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，可采用下式進(jìn)行驗(yàn)算：分別為洞室周邊切向拉應(yīng)力最大值和洞室圍巖巖體容許抗拉強(qiáng)度式中：3、直墻圓拱洞室周邊切向應(yīng)力計(jì)算◆直墻圓拱洞室周邊應(yīng)力計(jì)算目前尚無現(xiàn)成公式，一般采用有限元分析，下面給出兩種經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法(1)P.H薩文公式法◆根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，只要洞室的高跨比h0/B在2/3-3/2范圍內(nèi)，則可將這種洞室近似地看作橢圓形斷面，利用橢圓形洞室的應(yīng)力計(jì)算公式近似計(jì)算圍巖的應(yīng)力(2)洞形等效法頂部A點(diǎn)：頂部B點(diǎn)一、無襯砌隧洞圍巖附加應(yīng)力計(jì)算1、厚壁圓筒理論設(shè)一彈性厚壁筒，內(nèi)徑為ri,外徑為R,內(nèi)壓為pi

，外壓為pa,由彈性理論拉密解答，在距中心為r處的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力為：(8－9)厚壁筒應(yīng)力公式§8-3有壓隧洞圍巖應(yīng)力和穩(wěn)定性分析管壁內(nèi)任一點(diǎn)的徑向位移2、無襯砌有壓隧洞圍巖附加應(yīng)力將隧道圍巖看成厚壁筒，內(nèi)徑為ri=a,外徑為R=∞,隧道充水后所產(chǎn)生的內(nèi)壓為pi

，外壓為pa＝0,由彈性理論拉密解答：得出在距中心為r處的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力為：(8－10)(8－9)厚壁筒應(yīng)力公式在r=a（洞周邊）：

在距中心為r處的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力為：(8－10)上式即是內(nèi)壓pi引起的附加應(yīng)力。（3）原巖應(yīng)力為p（λ=1)、水工隧道中內(nèi)壓為pi時(shí)的圍巖應(yīng)力：二、有襯砌隧洞圍巖與襯砌的應(yīng)力計(jì)算目前求取襯砌和圍巖各自承擔(dān)的內(nèi)水壓力可采用兩種方法：一為內(nèi)壓分配法，二為抗力系數(shù)法1無裂隙圍巖A、抗力系數(shù)法求襯砌的應(yīng)力

a襯砌外周邊的徑向位移設(shè)混凝土襯砌坑道的內(nèi)徑為ri,外徑為a,圍巖對襯砌的壓力pa

，內(nèi)壓為pi,混凝土的彈性模量和泊松比分別為Ec和μc,混凝土襯砌內(nèi)距坑道中心為r處的徑向位移為u,由彈性理論有：將拉密公式代入得：當(dāng)r=a時(shí)，即得襯砌外周邊的位移式中：t=a/ri當(dāng)r=a時(shí)，襯砌外周邊的徑向位移：

b坑道周邊圍巖的變形

設(shè)抗力系數(shù)為k，坑道周邊圍巖在壓力pa作用下發(fā)生的變形：

c根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，坑道周邊圍巖變形與襯砌變形相等，即式（8－12)=(8－11),則有：(8－11)(8－12)即：(8－13)令pa/pi=k1,則pa=k1pi,將pa、pi代入厚壁筒公式得到混凝土襯砌內(nèi)距坑道中心為r處的應(yīng)力為由于是平面應(yīng)變問題，故軸向應(yīng)力為：(8－14)(8－15)(8－16)(8－13)B、內(nèi)壓分配法求圍巖應(yīng)力設(shè)內(nèi)壓pi通過襯砌傳遞到圍巖上的壓力為pa

，pa＝λpi，λ為內(nèi)壓分配系數(shù)。假設(shè)襯砌與圍巖緊密接觸。設(shè)圍巖的彈性模量為E,泊松比μ，由彈性力學(xué)得圍巖內(nèi)半徑為r處的徑向應(yīng)變?yōu)椋涸趓=a處，即坑道壁面：σr=pa,σθ=-pa(8－17)對u積分，并令r=a得坑道壁面圍巖位移：由（8－11）襯砌外周邊處徑向位移：(8－11)坑道壁面圍巖位移：(8－17)式（8－11）＝式（8－17），于是：（8－18)B、內(nèi)壓分配法求圍巖應(yīng)力（8－18)求出λ后，即可按（8－10）求出圍巖任一點(diǎn)由內(nèi)壓引起的附加應(yīng)力，按厚壁筒公式（8－9）求出襯砌內(nèi)任一點(diǎn)的應(yīng)力。(8－10)2有裂隙圍巖設(shè)圍巖有徑向裂隙，其深度為d，沿巖石表面的徑向壓力可假定為：(8－19)(8－20)在裂隙巖體任一深度處（r<d):(8－21)在裂隙巖體外邊界處（r＝d)，壓力為:(8－22)3無裂隙圍巖(8－23)在圍巖內(nèi)任一點(diǎn)(d<r<∞)的應(yīng)力為:三、有壓隧洞圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)算◆有壓隧洞圍巖的穩(wěn)定性驗(yàn)算包括隧道周邊局部圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)算和上覆巖層的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算兩部分內(nèi)容◆隧洞周邊局部穩(wěn)定性驗(yàn)算方法同水平洞室圍巖穩(wěn)定性驗(yàn)算◆當(dāng)洞室周邊的最大切向應(yīng)力為壓應(yīng)力時(shí)，可采用下式進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算◆當(dāng)洞室周邊的最大切向應(yīng)力為拉應(yīng)力時(shí)，可采用下式進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算四、有壓隧洞圍巖最小覆蓋層厚度問題有壓隧洞的設(shè)計(jì)，必須解決兩個(gè)問題：◆當(dāng)內(nèi)水壓力恒定時(shí)，并考慮一定的安全系數(shù)，覆蓋層最小為多大才不會被掀起？◆當(dāng)覆蓋層厚度確定時(shí)，并考慮一定的安全系數(shù)，內(nèi)水壓力不超過多少才不會破壞？研究覆蓋層是否破壞，應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算覆蓋層內(nèi)的應(yīng)力分布是否超過巖體的強(qiáng)度。覆蓋層內(nèi)的應(yīng)力包含兩部分：◆洞室開挖后的重分布應(yīng)力◆內(nèi)水壓力作用下的附加應(yīng)力1、覆蓋層厚度分析(理論分析)由前面彈性理論分析可知，在原巖應(yīng)力為p（λ=1)、內(nèi)壓為pi共同作用下，圍巖中的應(yīng)力為：由上可知，圍巖內(nèi)徑向應(yīng)力為壓應(yīng)力，切向應(yīng)力可能出現(xiàn)拉應(yīng)力，因而計(jì)算時(shí)，以切向應(yīng)力來進(jìn)行控制，即：(1)λ=1如果，則破壞。即設(shè)巖體中深度Z處的天然應(yīng)力場為，則有實(shí)際上，只要洞壁滿足上式要求，則整個(gè)覆蓋層都不會掀起，則有：（）(2)λ≠1基本假設(shè)◆假設(shè)初始應(yīng)力場只有自重應(yīng)力場◆圍巖中只要出現(xiàn)拉應(yīng)力，就認(rèn)為是危險(xiǎn)狀態(tài)穩(wěn)定性判定條件：◆自重應(yīng)力引起的側(cè)向應(yīng)力為壓應(yīng)力，呈三角形分布，如右圖◆內(nèi)水壓力引起的附加應(yīng)力為拉應(yīng)力◆附加應(yīng)力的絕對值大于側(cè)向應(yīng)力，則圍巖中不出現(xiàn)拉應(yīng)力，認(rèn)為此時(shí)穩(wěn)定即，圍巖穩(wěn)定必須滿足下列條件：實(shí)際上，只要r=a的洞頂那點(diǎn)達(dá)到了上述要求，則洞頂圍巖范圍內(nèi)均達(dá)到這個(gè)要求，于是得到在內(nèi)水壓力p作用下，保證圍巖穩(wěn)定而需要的覆蓋巖層厚度為：考慮安全系數(shù)對于巖性較堅(jiān)硬，巖體較完整，又未風(fēng)化，抗風(fēng)化和抗沖刷能力較強(qiáng)的巖石，覆蓋層厚度應(yīng)當(dāng)不小于內(nèi)水壓力的水頭高度，即：令覆蓋層厚度與內(nèi)水壓力水柱高度之比為“覆蓋比”，則要求“覆蓋比”滿足下式：◆從整個(gè)圍巖的穩(wěn)定性考慮，在沒有其他方面問題，覆蓋比為1.0就可不加襯砌結(jié)構(gòu)◆一般認(rèn)為，設(shè)置襯砌后覆蓋比可以取0.4，圍巖厚度應(yīng)為隧洞直徑的3倍◆如果以上兩個(gè)條件不具備，在計(jì)算中就應(yīng)適當(dāng)降低巖體的彈性抗力，以減少巖體分擔(dān)的內(nèi)水壓力值，甚至也可以不考慮彈性抗力Jaeger方法計(jì)算有壓隧洞圍巖最小覆蓋層厚度◆將巖石分為三類：堅(jiān)硬而無裂隙巖石、裂縫巖石、塑性巖石(1)對于堅(jiān)硬而無裂隙巖石，最小覆蓋層厚度可按下式計(jì)算2、覆蓋層厚度分析(經(jīng)驗(yàn)分析)Jaeger建議：n=3，γ=25kN/m3，k0=0.7，則(2)對于具有徑向裂縫的巖石，最小覆蓋層厚度可按下式計(jì)算(3)對于塑性巖石，運(yùn)用彈塑性理論求解內(nèi)水壓力公式和附加應(yīng)力，最終可求得最小覆蓋層厚度C為巖石的粘聚力，kPa§8-4圍巖的變形與破壞分析◆

圍巖的破壞方式剪切破壞拉伸破壞我們將以剪切破壞為例加以討論。彈塑性圍巖的破壞方式是計(jì)算作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上壓力和支護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。堅(jiān)硬巖體：脆性破壞軟弱巖體：塑性屈服地下開挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(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、滑動或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素一、各類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞特點(diǎn)1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，主要結(jié)構(gòu)面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視為均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的線彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)變呈近似直線關(guān)系。圍巖具有很好的自穩(wěn)能力，其變形破壞形式主要有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變形破壞可用彈性理論分析，局部塊體滑移可用塊體極限平衡理論來分析。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應(yīng)力高度集中，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關(guān)系控制。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2、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等控制，破壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧椥粤?、彈性板或材料力學(xué)中的壓桿平衡理論來分析。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層可視為兩端固定的板梁，在頂板壓力下，將產(chǎn)生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側(cè)巖層彎曲塌落。另一側(cè)邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)力比值系數(shù)λ＜1/3時(shí)，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側(cè)墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內(nèi)鼓，危及洞頂安全。3、碎裂狀巖體圍巖碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平衡理論來分析。在夾泥少、以巖塊剛性接觸為主的碎裂圍巖中，不易大規(guī)模塌方。圍巖中含泥量很高時(shí)，由于巖塊間不是剛性接觸，易產(chǎn)生大規(guī)模塌方或塑性擠入4、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強(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、塑性擠入及滑動等變形破壞形式?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限平衡理論配合流變理論來分析。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)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測變形破壞逐次發(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。剪切破壞下面以剪切破壞為例討論圍巖的破壞。根據(jù)莫爾－庫倫準(zhǔn)則，圍巖破壞條件：坑道周邊圍巖的破壞條件：破壞面與最大主平面夾角為：以圓形坑道為例，討論軸對稱情況下的圍巖破壞方式。如圖所示：在λ=1的原巖應(yīng)力狀態(tài)下，圓形巷道周邊各處破壞機(jī)會均等，形成環(huán)形剪切破壞區(qū)。由圖（a)可得：當(dāng)極角由ρ變到θ時(shí)，極徑由a變到r，進(jìn)行積分：上式為剪切破壞面跡線方程。當(dāng)θ＝900時(shí)，剪切破壞跡線與巷道斷面垂直軸相交，這時(shí)形成最大剪切體。(8－24)即：得：如圖所示：在λ>1的原巖應(yīng)力狀態(tài)下，剪切破壞面發(fā)展趨勢，破壞起始角為ρ。當(dāng)周邊圍巖發(fā)生剪切破壞時(shí)，σθ=σc,則有：于是得到：破壞起始角ρ：ρ＝θ和ρ＝π－θ(6－25)最大剪切體水平長度：根據(jù)上式計(jì)算最大剪切體長度，作為噴錨支護(hù)時(shí)確定錨桿長度的依據(jù)。(8－25)(8－24)剪切體破壞跡線：二、圍巖位移計(jì)算(一)、彈性位移計(jì)算◆圍巖處于彈性狀態(tài)，位移可用彈性理論進(jìn)行計(jì)算。分兩種情況:◆由重分布應(yīng)力引起◆由重分布應(yīng)力與天然應(yīng)力之差引起(1)由重分布應(yīng)力引起平面應(yīng)變條件下洞壁圍巖彈性位移，據(jù)彈性理論，平面應(yīng)變與位移間的關(guān)系為：平面應(yīng)變-應(yīng)力的物理方程平面應(yīng)變條件下的圍巖位移靜水壓力式天然應(yīng)力在σh＝σv＝σ0的天然