第81章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題

1、第8-1章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性,工程地質(zhì)學(xué),1 基本概念及研究意義 為各種目的修建征地層之內(nèi)的中空通道或中空洞私統(tǒng)稱(chēng)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(chǎng)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。,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

2、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。,2 地下開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力的重分布 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(chēng)為原巖應(yīng)力)通?？梢源怪闭龖?yīng)力(通常為主應(yīng)力)通常以垂直正應(yīng)力和水平正應(yīng)力來(lái)表示： v=v0+h h=N v 式中：v0值可以是零，也可以是常數(shù),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

3、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35倍,習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱(chēng)為“圍巖”。,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?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，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)夠應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中。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

4、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。,一些局部構(gòu)造條件，有時(shí)也有利于這類(lèi)變形破壞的產(chǎn)生。平行于洞室測(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)力特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。,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,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，對(duì)洞室圖巖穩(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

5、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0.15一0.6倍水頭。,鐵道部門(mén)規(guī)定，兩相鄰單線(xiàn)隧道的最小間距按下表(表10-5)確定。,表105,注: 1.圍巖類(lèi)型根據(jù)圍巖分類(lèi)（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。,3. 巖爆 有關(guān)巖爆的基本概念 在地下開(kāi)挖或開(kāi)采過(guò)程中突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來(lái)爆。圍巖的破壞有時(shí)會(huì)這就是所謂的巖當(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

6、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(lèi)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。,巖爆的類(lèi)型和特點(diǎn) 按發(fā)生的部位及所釋放的能量類(lèi)型,巖爆有不同的類(lèi)型 (1)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆 (2)礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆四川納竹天池煤礦就曾多次發(fā)生這類(lèi)巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多m遠(yuǎn) (3)斷層錯(cuò)動(dòng)引起的巖爆,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)

7、則是巖爆產(chǎn)生的外因。,4 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià) 影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析 第一類(lèi)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尺寸。其中巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)既受自然地質(zhì)因素控制(例如地質(zhì)歷史決定著貝值的大小又與人類(lèi)工程活動(dòng)的要求有關(guān)(例初洞室的埋深決定著”值)。而洞室的形狀則主要是由人類(lèi)工程活動(dòng)的要求與特點(diǎn)所決定。,第二類(lèi)因素包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)圍巖的強(qiáng)度來(lái)影府洞室圍巖穩(wěn)定性的。 由于巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，故這類(lèi)圍巖的強(qiáng)度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)，巖性本身的影響不十分顯著。在這類(lèi)圍巖中，碎裂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)次之，而厚層狀及塊體狀巖體則通常具有很高的穩(wěn)定性。,地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析-巖石力學(xué),城市地下道路建設(shè)與環(huán)境,地下瓦斯管道分布,土石流堆積層,安山巖自破砕溶巖層,土被D,掘削方向,火山円礫巖層,埋深與地層條件,吹付閉合,腳部補(bǔ)強(qiáng)試験施工狀況,特殊施工設(shè)備與方法,環(huán)境（地表沉降）控制效果,三維施工力學(xué)過(guò)程的數(shù)值解析方法,時(shí)空三維解析過(guò)程演示 (塑性區(qū)的擴(kuò)展),開(kāi)挖6,開(kāi)挖18,時(shí)空三維解析過(guò)程演示 (塑性區(qū)的擴(kuò)展),開(kāi)挖24,