第九章地下洞室圍巖穩(wěn)定性

1第九章地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析§9.1

概述§9.2

圍巖重分布應力計算§9.3

圍巖的變形與破壞§9.4

圍巖壓力計算§9.5

圍巖抗力與極限承載力2§9.1

概述地下洞室(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筑物。地下洞室的分類按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質類型：巖石洞室、土洞按應力情況：單式洞室、群洞地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章3圍巖應力重分布問題——計算重分布應力圍巖變形與破壞問題——計算位移、確定破壞范圍圍巖壓力問題——計算圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問題——計算圍巖抗力洞室圍巖力學問題hV地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章4§9.2

圍巖重分布應力計算重分布應力：地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應力。重分布應力與圍巖性質、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關。圍巖重分布應力計算：

①開挖前巖體天然應力狀態(tài)的確定②開挖后圍巖重分布應力的計算③支護襯砌后圍巖應力狀態(tài)的改善地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章5一、無壓洞室圍巖重分布應力計算1、彈性圍巖重分布應力堅硬致密的塊狀巖體，當天然應力大約等于或小于其單軸抗壓強度的一半時，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲?、連續(xù)、均質的線彈性體，其圍巖重分布應力可根據(jù)彈性力學計算。如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應變問題考慮，概化為兩側受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應力分布的計算問題。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章6（1）圓形洞室設無限大彈性薄板，在邊界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半徑為R0的小圓孔，按平面問題考慮，不計體力，M點的各應力分量為：柯西課題地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章xppR07邊界條件地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章解微分方程8M點的應力分量地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章9MxVHMxH=+VMx假定洞室開挖在天然應力比值系數(shù)為λ的巖體中，把問題簡化為無重板巖體力學模型柯西課題柯西課題無重板巖體力學模型地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章10σv引起的圍巖重分布應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章11由σH產生的重分布應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章12σv和σH同時作用時圓形洞室圍巖重分布應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章13σv和σH同時作用時圓形洞室圍巖重分布應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章14討論：

洞壁上的重分布應力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應力狀態(tài)σθ大小與與洞室尺寸R0無關當θ=0、180o，σθ=3σV-σh=（3-）σV

當θ=90、270o，σθ=3σh-σV=（3-1）σV當λ＜1/3時，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應力當1/3＜λ＜3時，σθ為壓應力且分布較均勻當λ＞3時，洞壁兩側出現(xiàn)拉應力，洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應力集中地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章15地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章16討論

靜水壓力式天然應力場中的圍巖重分布應力圍巖內重分布應力與θ角無關，僅與R0和σ0有關由于τrθ=0，則σr，σθ均為主應力，且σθ恒為最大主應力，σr恒為最小主應力當r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章17r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達到σ0值，但實際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當r=6R0時，σr和σθ與σ0接近。一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應力范圍為6R0。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章18（2）其他形狀洞室應力集中系數(shù)

地下洞室開挖后洞壁上一點的應力與開挖前洞壁處該點天然應力的比值，稱為應力集中系數(shù)。該系數(shù)反映了洞壁各點開挖前后應力的變化情況。圓形洞室α,β為應力集中系數(shù)，其大小僅與點的位置有關。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章19地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章20特點：①橢圓形洞室長軸兩端點應力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點或急拐彎處應力集中最大，如正方形或矩形洞室角點等。③長方形短邊中點應力集中大于長邊中點，而角點處應力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當巖體中天然應力σh和σv相差不大時，以圓形洞室圍巖應力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當巖體中天然應力σh和σv相差較大時，則應盡量使洞室長軸平行于最大天然應力的作用方向。⑥在天然應力很大的巖體中，洞室斷面應盡量采用曲線形，以避免角點上過大的應力集中。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章21地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、σθA都隨a/b的增加而增加，而σθB隨a/b的增加而減少(ξ=0情況除外)2、對于ξ=1/3的情況，當a=b時，σθB＝0；a>b時，σθB<0而ξ=0時，σθB＝-γZ22地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章23地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、應力集中的最高部位在四個角上；2、在ξ=0時，角點上的集中應力隨B/H的增加而升高；3、在ξ=1、1/3，B/H＝1時，角點的應力集中值最小；4、當ξ=0、1/3時頂部出現(xiàn)拉伸應力。24地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章25（3）軟弱結構面對圍巖重分布應力的影響1)圍巖中有一條垂直于σv、沿水平直徑與洞壁相交的軟弱結構面對于θ＝0，沿水平直徑方向上所有的點τrθ均為0。因此，沿結構面各點的σθ和σr均為主應力，結構面上無剪應力作用。所以不會沿結構面產生滑動，結構面存在對圍巖重分布應力的彈性分析無影響。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章262)圍巖中存在一平行于

σv、沿鉛直方向直徑與洞壁相交的軟弱結構面結構面上無剪應力作用，不會因結構面存在而改變圍巖中彈性應力分布情況。當λ＜1/3時，在洞頂?shù)讓a生拉應力，結構面將被拉開，并在頂?shù)仔纬梢粋€橢圓形應力降低區(qū)。橢圓短軸與洞室水平直徑一致，為2R0，長軸平行于結構面，為2R0＋2Δh地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章272、塑性圍巖重分布應力地下開挖后，洞壁的應力集中最大,當它超過圍巖屈服極限時，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應力σr由零逐漸增大，應力狀態(tài)由洞壁的單向應力狀態(tài)逐漸轉化為雙向應力狀態(tài)，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章28塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內一定范圍內的應力因釋放而明顯降低，而最大應力集中由原來的洞壁移至塑、彈圈交界處，使彈性區(qū)的應力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應力基本未產生變化的天然應力區(qū)(或稱原巖應力區(qū))。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章29彈塑性理論求解塑性圈內的圍巖重分布應力假設在均質、各向同性、連續(xù)的巖體中開挖一半徑為R0的水平圓形洞室，開挖后形成的塑性松動圈半徑為R1，巖體中的天然應力為σh＝σv＝σ0，圈內巖體強度服從莫爾直線強度條件。塑性圈以外圍巖體仍處于彈性狀態(tài)。在塑性圈內取一微小單元體abdc，bd上作用有σr，ac上作用有σr＋dσr，在ab和cd上作用有σθ。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章30塑性條件地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章31地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章32地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章塑性圈內圍巖重分布應力與巖體天然應力(σ0)無關，而取決于支護力(pi)和巖體強度(Cm，φm)值。33當r=R0時當r=R0，Pi=0時洞壁上地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章34塑性圈與彈性圈交界面(r＝R1)的應力該面上：彈性應力=塑性應力塑、彈性圈交界面上的重分布應力取決于σ0和Cm，φm，而與pi無關。支護力不能改變交界面上的應力大小，只能控制塑性松動圈半徑(R1)的大小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章35二、有壓洞室圍巖重分布應力計算由于洞室內壁上作用有較高的內水壓力，使圍巖中的重分布應力比較復雜。應力變化過程：1）圍巖最初處于開挖后引起的重分布應力之中2）進行支護襯砌，使圍巖重分布應力得到改善3）洞室建成運行后洞內壁作用有內水壓力，使圍巖中產生一個附加應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章36彈性厚壁筒理論在一內半徑為a，外半徑為b的厚壁筒內壁上作用有均布內水壓力pa，外壁作用有均勻壓力pb。在內水壓力作用下，內壁向外均勻膨脹，其膨脹位移隨距離增大而減小，最后到距內壁一定距離時達到零。附加徑向和環(huán)向應力也是近洞壁大，遠離洞壁小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章37b→∞，pb＝σ0時b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)≈0地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章38地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章若有壓洞室半徑為R0，內水壓力為pa有壓洞室圍巖重分布應力σr和σθ由開挖以后圍巖重分布應力和內水壓力引起的附加應力兩項組成。前項為重分布應力；后項為內水壓力引起的附加應力值。39內水壓力使圍巖產生負的環(huán)向應力，即拉應力。當這個環(huán)向應力很大時，則常使圍巖產生放射狀裂隙。內水壓力使圍巖產生附加應力的影響范圍大致也為6倍洞半徑。內水壓力引起的附加應力值地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章40§9.3圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章41圍巖變形破壞形式取決于圍巖應力狀態(tài)、巖體結構及洞室斷面形狀等因素地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章42一、各類結構圍巖的變形破壞特點

1、整體狀和塊狀巖體圍巖巖體具有很高的力學強度和抗變形能力，主要結構面是節(jié)理，很少有斷層，含有少量的裂隙水。在力學屬性上可視為均質、各向同性、連續(xù)的線彈性介質，應力應變呈近似直線關系。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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章43巖爆是高地應力地區(qū)，由于洞壁圍巖中應力高度集中，使圍巖產生突發(fā)性變形破壞的現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應力集中部位。塊體滑移是塊狀巖體常見的破壞形成。它是以結構面切割而成的不穩(wěn)定塊體滑出的形式出現(xiàn)。其破壞規(guī)模與形態(tài)受結構面的分布、組合形式及其與開挖面的相對關系控制。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章44地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章452、層狀巖體圍巖常呈軟硬巖層相間的互層形式。結構面以層理面為主，并有層間錯動及泥化夾層等軟弱結構面發(fā)育。變形破壞主要受巖層產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、彎曲內鼓等。變形破壞常可用彈性梁、彈性板或材料力學中的壓桿平衡理論來分析。

地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章46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，將產生下沉彎曲、開裂。在傾斜層狀圍巖中，沿傾斜方向一側巖層彎曲塌落。另一側邊墻巖塊滑移，形成不對稱的塌落拱。在直立層狀圍巖中，當天然應力比值系數(shù)λ＜1/3時，洞頂發(fā)生沿層面縱向拉裂，被拉斷塌落。側墻因壓力平行于層面，發(fā)生縱向彎折內鼓，危及洞頂安全。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章47地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章483、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，由于巖塊間不是剛性接觸，易產生大規(guī)模塌方或塑性擠入地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章49地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章504、散體狀巖體圍巖散體狀巖體是指強烈構造破碎、強烈風化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結構均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結構不均勻或松動巖體僅構成局部圍巖時，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式。可用松散介質極限平衡理論配合流變理論來分析。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章拱形冒落局部塌方側鼓底鼓51圍巖的變形破壞是漸進式逐次發(fā)展的。

開挖-->應力調整-->變形、局部破壞-->再次調整

-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章52分析圍巖變形破壞時，應抓住其變形破壞的始發(fā)點和發(fā)生連鎖反應的關鍵點，預測變形破壞逐次發(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。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章53二、圍巖位移計算1、彈性位移計算

圍巖處于彈性狀態(tài),位移可用彈性理論進行計算。分兩種情況:由重分布應力引起由重分布應力與天然應力之差引起(1)由重分布應力引起平面應變條件下洞壁圍巖彈性位移據(jù)彈性理論，平面應變與位移間的關系為：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章54平面應變-應力的物理方程地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章55平面應變條件下的圍巖位移地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章56靜水壓力式天然應力在σh＝σv＝σ0的天然應力狀態(tài)中，洞壁僅產生徑向位移，而無環(huán)向位移。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章洞壁的彈性位移57(2)由重分布應力與天然應力之差引起天然應力引起的位移在洞室開挖前就已經完成了，開挖后洞壁的位移僅是重分布應力與天然應力的應力差引起的。假設巖體中天然應力為σh＝σv＝σ0

，開挖前洞壁應力為σr1＝σθ1＝σ0，開挖后重分布應力為σr2＝0，σθ2＝2σ0。應力差為地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章58洞壁圍巖的徑向位移為地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章支護力為pi，洞壁的徑向位移592、塑性位移計算塑性位移采用彈塑性理論分析基本思路:先求出彈、塑性圈交界面上的徑向位移，然后根據(jù)塑性圈體積不變的條件求洞壁的徑向位移。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第八章彈性圈內的應力等于σ0引起的應力，疊加上塑性圈作用于彈性圈的徑向應力σR1引起的附加應力之和。60由σ0引起的應力由σR1引起的附加應力彈性圈內的重分布應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章61開挖形成塑性圈后，彈、塑性圈交界面上的徑向應力增量(Δσr)r＝R1和環(huán)向應力增量(Δσθ)r＝R1為：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章62彈、塑性圈交界面上的徑向應變εR1地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章彈、塑性圈交界面的徑向位移uR163地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章塑性圈作用于彈性圈的徑向應力塑性圈變形前后體積不變略去高階微量后，可得洞壁的徑向位移64三、圍巖破壞區(qū)范圍的確定方法對于整體狀、塊狀巖體可用彈性力學或彈塑性力學方法確定其圍巖破壞區(qū)厚度。松散巖體常用松散介質極限平衡理論方法來確定。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1、彈性力學方法確定：破壞范圍

破壞圈厚度65洞頂、底將出現(xiàn)拉應力。若拉應力大于圍巖的抗拉強度σt，則圍巖就要發(fā)生破壞。破壞范圍(λ＜1/3)地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章66洞壁圍巖均為壓應力集中，當大于圍巖的抗壓強度σc時，洞壁圍巖就要破壞。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章破壞范圍(λ>1/3)67破壞圈厚度當r>R0時，在θ＝0，π/2，π，3π/2四個方向上，τrθ=0，σr和σθ為主應力。圍巖的強度地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章68地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章692、彈塑性力學方法在裂隙巖體中開挖地下洞室時，將在圍巖中出現(xiàn)一個塑性松動圈。圍巖的破壞圈厚度為R1－R0關鍵是確定塑性松動圈半徑R1設巖體中的天然應力為σh＝σv＝σ0彈性圈內的應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章70彈、塑性圈交界面上的彈性應力為交界面上的塑性應力地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章71界面上彈性應力與塑性應力相等解出R1地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章72地下洞室開挖后，圍巖塑性圈半徑R1隨天然應力σ0增加而增大，隨支護力pi、巖體強度Cm增加而減小。修正芬納-塔羅勃公式卡斯特納(Kastner)公式地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章73§8.4

圍巖壓力計算一、基本概念地下洞室圍巖在重分布應力作用下產生過量的塑性變形或松動破壞，進而引起施加于支護襯砌上的壓力，稱為圍巖壓力(peripheralrockpressure)。圍巖壓力是圍巖與支襯間的相互作用力，它與圍巖應力不是同一個概念。圍巖應力是巖體中的內力，而圍巖壓力則是針對支襯結構來說的，是作用于支護襯砌上的外力。按圍巖壓力的形成機理，可將其劃分為形變圍巖壓力、松動圍巖壓力和沖擊圍巖壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章741、形變圍巖壓力形變圍巖壓力是由于圍巖塑性變形如塑性擠入、膨脹內鼓、彎折內鼓等形成的擠壓力。產生形變圍巖壓力的條件：①巖體較軟弱或破碎，圍巖應力超過巖體的屈服極限而產生較大的塑性變形；②深埋洞室，圍巖受壓力過大引起塑性流動變形。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章75一種特殊的形變圍巖壓力膨脹圍巖壓力：膨脹圍巖由于礦物吸水膨脹產生的對支襯結構的擠壓力。形成的基本條件：一是巖體中要有膨脹性粘土礦物(如蒙脫石等)；二是要有地下水的作用。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章762、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是由于圍巖拉裂塌落、塊體滑移及重力坍塌等破壞引起的壓力，這是一種有限范圍內脫落巖體重力施加于支護襯砌上的壓力。大小取決于圍巖性質、結構面交切組合關系及地下水活動和支護時間等因素。松動圍巖壓力可采用松散體極限平衡或塊體極限平衡理論進行分析計算。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章773、沖擊圍巖壓力沖擊圍巖壓力是由巖爆形成的一種特殊圍巖壓力。它是強度較高且較完整的彈脆性巖體過度受力后突然發(fā)生巖石彈射變形所引起的圍巖壓力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓力的大小與天然應力狀態(tài)、圍巖力學屬性等密切相關，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影響。沖擊圍巖壓力的大小，目前無法進行準確計算，只能對沖擊圍巖壓力的產生條件及其產生可能性進行定性的評價預測。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章78二、圍巖壓力計算 1、形變圍巖壓力計算支襯結構對圍巖的支護力pi就是作用于支襯上的形變圍巖壓力當R1愈大時，維持極限平衡所需的pi愈小。因此，在圍巖不至失穩(wěn)的情況下，適當擴大塑性區(qū)，可以減小圍巖壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章79不僅處于彈性變形階段的圍巖有自承能力，處于塑性變形階段的圍巖也具有自承能力。pi取決于天然應力σ0和巖體的Cm和φm。塑性圍巖的這種自承能力是有限的，當pi降到某一低值pimin時，塑性圈就要塌落，這時圍巖壓力可能反而增大。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章80地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章用洞壁位移UR1代替R181在實際工程中，如果忽略支襯與圍巖間回填層壓縮位移的情況下，uR0主要包括兩部分：洞室開挖后到支襯前的洞壁位移u0和支護襯砌后支襯結構的位移u2。u0取決于圍巖性質及其暴露時間，可實測u2取決于支襯型式和剛度，對于混凝土襯砌的圓形洞室，假定圍巖與襯砌共同變形，用厚壁筒理論u2地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章82pi隨uR0增大而減小，說明適當?shù)淖冃斡欣诮档蛧鷰r壓力，減小襯砌厚度。當uR0達到塑性圈開始出現(xiàn)時的位移(uR0)R1(即圍巖開始出現(xiàn)塑性變形)時，圍巖壓力將出現(xiàn)最大值pimax。隨uR0增大pi逐漸降低，到B點，

pi達到最低值。之后，pi又隨uR0增大而增大。因此，支護襯砌必須在AB之間進行，越接近A點，pi越大，越近B點，pi越小。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章832、松動圍巖壓力松動圍巖壓力是指松動塌落巖體重量所引起的作用在支護襯砌上的壓力。圍巖過度變形超過了它的抗變形能力，就會引起塌落等松動破壞，這時作用于支護襯砌上的圍巖壓力就等于塌落巖體的自重或分量。計算松動圍巖壓力的方法主要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理論。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章84(1)平衡拱理論（又稱普氏理論）該理論認為：洞室開挖以后，如不及時支護，洞頂巖體將不斷跨落而形成一個拱形，稱塌落拱。這個拱形最初不穩(wěn)定，如果側壁穩(wěn)定，拱高隨塌落不斷增高；反之，如側壁也不穩(wěn)定，則拱跨和拱高同時增大。當洞的埋深較大時，塌落拱不會無限發(fā)展，最終將在圍巖中形成一個自然平衡拱。作用于支護襯砌上的圍巖壓力就是平衡拱與襯砌間破碎巖體的重量，與拱外巖體無關。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章85曲線LOM為平衡拱，對稱于y軸。在半跨LO段內任取一點A，OA段的受力狀態(tài)為：半跨OM段對OA的水平作用力Rx，Rx對A點的力矩為Rxy；鉛直天然應力σv在OA上的作用力σvx，它對A點的力矩為σvx2/2；LA段對OA段的反力W，它對A點的力矩為零。設平衡拱的拱高為h，半跨為b地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章拱的方程86考慮半拱LO的平衡，L0受Rx、σv作用，在拱腳L點受反力T和N作用。f為巖體的普氏系數(shù)(或稱堅固性系數(shù))地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章87洞側壁穩(wěn)定：洞頂圍巖壓力為L0M以下巖體的重量洞室、側壁不穩(wěn)定：洞的半跨將由b擴大至b1，側壁巖體將沿LE和MF滑動，滑面與垂直洞壁的夾角為α＝45°－φm/2。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章88洞頂?shù)乃蓜訃鷰r壓力p1為AA′B′B塊體的重量地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章89側壁圍巖壓力為滑移塊體A′EL或

B′MF的自重在水平方向上的投影。按土壓力理論計算地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章平衡拱理論只適用散體結構巖體。洞室上覆巖體需有一定的厚度(埋深H＞5b1)，才能形成平衡拱。側壁圍巖壓力90(2)太沙基理論假定跨度為2b的矩形洞室，開挖在深度為H的巖體中。開挖以后側壁穩(wěn)定，頂拱不穩(wěn)定，沿面AA′和BB′發(fā)生滑移?；泼娴募羟袕姸圈訛椋簬r體的天然應力狀態(tài)為：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章91取厚度為dz的薄層分析薄層的自重dG＝2bρgdz，極限平衡條件當z＝0時，σv＝0地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章92當z＝H時，σv即為作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力，用q表示為：側壁亦不穩(wěn)定:側壁圍巖將沿與洞壁夾45°－φm/2角的面滑移將柱體A′ABB′的自重扣除A′A，B′B面上的摩擦阻力，可得作用于洞頂單位面積上的圍巖壓力q地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章93適用于散體結構巖體中開挖的淺埋洞室。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章94(3)塊體極限平衡理論地下洞室開挖后，圍巖中的某些塊體在自重作用下向洞內滑移。作用在支護襯砌上的壓力就是這些滑體的重量或其分量。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章95找出結構面的組合形式及其與洞軸線的關系。確定圍巖中可能不穩(wěn)定楔形體(或分離體)的位置和形狀。確定不穩(wěn)定體塌落或滑移的滑動方向、可能滑動面的位置、產狀和力學強度參數(shù)。對楔形體進行穩(wěn)定性計算。如果楔形體處于穩(wěn)定狀態(tài)，其圍巖壓力為零；如果不穩(wěn)定，就要具體地計算其圍巖壓力。步驟地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章961)洞頂圍巖壓力作用在楔形體的力：①圍巖重分布應力；②結構面剪切強度產生的抗滑力；③楔形體的自重G1。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章97如果楔形體不穩(wěn)定，則作用于洞頂支襯上的圍巖壓力pv就是該楔形體的自重。側壁不穩(wěn)定楔形體DEFH所形成的側壁圍巖壓力ph等于楔形體的重量在滑動方向上的分力減去滑動面的摩阻力后，在水平方向上的分力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章98若楔形體不穩(wěn)定，則該楔形體產生的側向圍巖壓力ph為：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章993、巖爆(rockburst)巖爆

高天然應力的彈脆性巖體地下開挖工程開挖卸荷及特殊的地質構造作用周邊巖體中應力高度集中，積聚于較高的彈性應變能當開挖體圍巖中應力超過巖體的容許極限狀態(tài)地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章100地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章101（1）巖爆的產生條件1)圍巖應力條件

判斷巖爆發(fā)生的應力條件有兩種方法：一是用洞壁的最大環(huán)向應力σθ與圍巖單軸抗壓強度σc之比值作為巖爆產生的應力條件；一是用天然應力中的最大主應力σ1與巖塊單軸抗壓強度σc之比進行判斷。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1021)圍巖應力條件經驗公式σ1／σc大于0.165～0.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章1032)巖性條件彈性變形能系數(shù)ω：加載到0.7σc后再卸載至0.05σc時，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分數(shù)。當ω＞70％時，會產生巖爆，ω越大發(fā)生巖爆的可能性越大。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章104應變能消耗比：巖石單向壓縮時，達到強度極限前積累于巖石內的應變能與強度極限后消耗于巖石破壞的應變能之比。式中：FOAB為曲線OAB包圍的面積；

FBAC為曲線BAC包圍的面積。n＜1時，不會發(fā)生巖爆；n＞1時，可能發(fā)生巖爆。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章105（2）影響巖爆的因素1)地質構造巖爆大都發(fā)生在褶皺構造中。巖爆與斷層、節(jié)理構造密切相關。當掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆有明顯的影響。據(jù)南非金礦觀測表明，節(jié)理間距小于40cm，且張開的巖體中，一般不發(fā)生巖爆。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也將發(fā)生巖爆。2)洞室埋深隨著洞室埋深增加，巖爆次數(shù)增多，強度也增大。發(fā)生巖爆的臨界深度H可按下式估算：地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章106（3）巖爆形成機理和圍巖破壞區(qū)分帶1)劈裂成板階段（巖爆孕育）垂直洞壁方向受張應力作用而產生平行于最大環(huán)向應力的板狀劈裂。僅在洞壁表部，部分板裂巖體脫離母巖而剝落，而無巖塊彈射出現(xiàn)。2)剪切成塊階段(巖爆的醞釀)劈裂巖板向洞內彎曲，發(fā)生張剪復合破壞。處于爆裂彈射的臨界狀態(tài)。3)塊、片彈射階段劈裂、剪斷巖板，產生響聲和震動。巖塊發(fā)生彈射，巖爆形成。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章107巖爆的漸進性破壞過程很短促。各階段在演化的時序和發(fā)展的空間部位，都是由洞壁向圍巖深部依次重復更迭發(fā)生的。因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三帶。地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析第九章108§8.5

圍巖抗力與極限承載力洞室由于存在很高的內水壓力作用，迫使襯砌向圍巖方向變形，圍巖被迫后退時，將產生一個反力來阻止襯砌的變形。圍巖對襯砌的反力稱為圍巖抗力，或稱彈性抗力。圍巖抗力愈大，愈有利于襯砌的穩(wěn)定。圍巖抗力承擔了一部分內水壓力，從而減小了襯砌所承受的內水壓力，起到了保護襯砌的作用。充分利用圍巖抗力，可以大大地減薄襯砌的厚度，降低工程造價。圍巖極限承載力是表征圍巖承擔內水壓力能力的指標。它主要與圍巖的強度性質及天