第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

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1、 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 环境与土木工程学院地质工程系2007年9月 1 掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意义 2 掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征 3 掌握洞室围岩的变形破坏特征 类型及山岩压力问题 4 掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法 5 了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施 本章学习内容及要求 本章重点 1 地下洞室开挖后围岩应力分布特征 2 地下洞室围岩的变形破坏特征及类型 3 围岩稳定性分析与评价方法 本章难点 1 围岩变形破坏特征 2 围岩稳定性分析与评价方法 本章重点及难点 10 1地下洞室概念及研究意义 10 1 1基本概念地下洞室 undergr

2、oundcavity 是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物 为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室统称为地下洞室 包括矿山坑道 铁路隧道 水工隧洞 地下发电站厂房 地下铁道及地下停车场 地下储油库 地下弹道导弹发射井 以及地下飞机库等 虽然它们规模不等 但都有一个共同的特点 就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸 并有较大廷伸长度的洞子 二滩电站地下厂房 10 1地下洞室概念及研究意义 锦屏地下洞室三维地质模型 10 1地下洞室概念及研究意义 拉西瓦地下洞室三维地质模型 10 1地下洞室概念及研究意义 10 1 2地下洞室的分类按用途 矿山巷道 井 交通隧道 水工隧

3、道 地下厂房 仓库 地下军事工程按洞壁受压情况 有压洞室 无压洞室按断面形状 圆形 矩形 城门洞形 椭圆形按与水平面关系 水平洞室 斜洞 垂直洞室 井 按介质类型 岩石洞室 土洞按应力情况 单式洞室 群洞 10 1地下洞室概念及研究意义 1 3研究意义地下洞室开挖之前 岩体处于一定的应力平衡状态 开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布 如果围岩足够强固 不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著的变形和破坏 那么 开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定 但是 有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大 或因岩体强度低 以致围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用而丧失其稳定性 此时

4、如果不加固或加固而末保证质量 都会引起破坏事故 对地下建筑的施工和运营造成危害 10 1地下洞室概念及研究意义 2 1围岩应力重分布的一般特点由岩体力学可知 任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态 岩体内任何一点的初始应力状态 常称为原岩应力 通常可以垂直正应力 通常为主应力 和水平正应力来表示 其中 vo值可以是零 也可以是常数 由上式可知 岩体内的初始应力随深度而变化 因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说 其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的 即地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中 10 2开挖围岩的应力重分布特征 按照森维南原理 开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞室

5、横剖面中最大尺寸的3 5倍范围之内 为简化图岩应力的计算 假定在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的 这样 就将均匀应力场简化为均匀应力 大大简化了围岩应力的计算 10 2开挖围岩的应力重分布特征 围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空面方向移动 随围岩处所初始应力状态 N值 的不同 在洞室周边产生不同的应力分布特征 如下图所示 10 2开挖围岩的应力重分布特征 由上图可以看出 1 径向应力 随着向自由表面的接近而逐渐减小 至洞壁处变为零 2 切向应力 在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大 并于洞壁达最高值 即产生所谓压应力集中 在另一些部分 愈接近自由表面切向应力愈低 有时甚

6、至于洞壁附近出现够应力 即产生所谓拉应力集中 这样 地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象 使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大 至洞室周边达最大值 10 2开挖围岩的应力重分布特征 2 2圆 椭圆形洞室周边应力集中的一般规律对于圆形 椭圆形洞室 周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A B两点 而两点之间的应力则介于上述两个极值之间 呈逐渐过渡状态 如图10一4 10一5 可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两点的应力情况 就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律 10 2开挖围岩的应力重分布特征 A点

7、N 1 3时 Kc 0 为压应力 N 1 3时 Kc 0 为拉应力 B点 N不论取何值 都不产生拉应力 10 2开挖围岩的应力重分布特征 根据弹性理论 圆 椭圆形地下洞室周边A B两点的切向应力可根据下式求得 式中 N 称为应力集中系数 记为Kc 则有Kc v A点和B点的 和 值列于下表 10 2开挖围岩的应力重分布特征 10 2开挖围岩的应力重分布特征 拉应力产生的条件 1 当N 1 任何 b a 均不产生拉应力 2 当N 0时 周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点 且其应力集中系数与洞形无关 轴比 b a 为任何值时 h v均等于一1 3 当0 N 1时 特定洞

8、形有特定的产生拉应力的临界N值 同时 拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位 亦即当N l时 最大拉应力出现在A点 且N值愈低于临界值 所产生的拉应力将愈大 当N 1时 最大拉应力产生在B点 且N值愈高于临界值 该处所产生的拉应力将愈大 10 2开挖围岩的应力重分布特征 10 2开挖围岩的应力重分布特征 最大压应力集中的规律 1 当b a N时 周边上不产生拉应力 且各点的压应力集中系数均相等 为该特定N值条件下 不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值 故稳定条件最好 2 当b a N时 最大压应力集中产生于B点 且其应力集中系数随两者差值的增大而增大 3 当b a

9、 N时 最大压应力集中产生于A点 且两者的差值愈大 其应力集中系数愈高 10 2开挖围岩的应力重分布特征 2 3方形 矩形洞室周边应力集中规律 10 2开挖围岩的应力重分布特征 以上各图表明 1 方形 矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上 2 角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比 B H 的不同而变化 在不同的应力场中 N值不同时 大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低 随着宽高比的增大或减小 洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似干线性地增大 10 2开挖围岩的应力重分布特征 2 4圆拱直墙形洞室应力分布特征根据光弹试验的资料 图10 9所示断面上各特征点的

10、切向应力仍可按式10 1求得 图中各特征点的应力集中系数中 和 值 列于下表中 10 2开挖围岩的应力重分布特征 圆拱直墙形洞室周边各特征点的应力集中系数与N的关系 10 2开挖围岩的应力重分布特征 根据上述资料可以看出 1 对于圆拱直墙形洞室 在一般情况下 洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点 2 随着N值的不断增大 当达到某一值时 此例中为大于7以后 周边上的最大压应力集中转移到洞室的顶拱A点处 10 2开挖围岩的应力重分布特征 圆拱直墙形洞室周边各特征点的应力集中系数与N的关系 10 2开挖围岩的应力重分布特征 由此可以看出 1 最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的

11、边上 在N 1的应力场中 随着N值的降低 拉应力首先出现在洞底的中点F处 其产生拉应力的N值条件为N 0 37 随着N值的进一步降低 F点处的拉应力逐渐增大 当N降至小于0 25时 洞室顶拱的中点A点处也开始产生拉应力 2 在N 1的应力场中 最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点c处 其出现拉应力的N值条件为N 2 02 10 2开挖围岩的应力重分布特征 2 5洞室周边应力与其形状的定量关系根据森维南原理可知 洞室周边的应力状态 只要其表面是光滑的 主要受其局部几何形态的控制 在如图10 10所示的特例条件下 洞室周边特定点A B处的应力与其形态间有如下定量关系 10 2开挖围岩的应力重分布

12、特征 上述关系式表明 1 洞室周边应力与其曲率半径呈负相关 2 洞室周边应力与其宽或高呈正相关关系 实际上 利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室周边与主应力垂直相交两点 即A B点 处的周边应力 A B分别为A点及B点的切向应力 W H分别为洞室的宽度和高度 eA eB分别为A点及B点的曲率半径 2 6影响围岩应力状况的主要因素 1 洞室形态 2 围岩岩性 10 2开挖围岩的应力重分布特征 图10 12表明 当围岩的应力 应变关系具有非线性特征或围岩具有较大螺变特性时 洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力 但当远离洞壁一定距离后 岩层内的切向应力则要大于理想弹性岩层时的应力 v

13、r T O 实线为理想弹性体 虚线为非理想弹性体 10 2开挖围岩的应力重分布特征 3 存在不连续面 图10 13表明 当洞室附近有断层平行于洞壁通过时 任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用 从而使断层面上产生剪应力 如图10 13 c 如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值 单元就会发生位移 从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些 由于这种原因 在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高的应力集中 使该区围岩的稳定条件大为恶化 10 2开挖围岩的应力重分布特征 4 岩性及结构的各向异性通过某些测量所验证过的理论计算结果指出 各向异性的岩层

14、或岩体结构的应力集中程度远大于各向同性的岩层或岩体结构 5 洞室群的空间关系由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在该点引起的应力之和 故相邻洞室的存在通常使围岩应力 主要是压应力 的集中程度增高 对洞室图岩稳定不利 此外 洞室的交叉也会造成应力集中程度的增加 10 2开挖围岩的应力重分布特征 10 3地下洞室围岩的变形破坏 3 1围岩变形破坏的一般过程和特点地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化 促使围岩性状发生变化的因素 除上述的卸荷回弹和应力重分布之外 还有水分的重分布 一殷说来 洞室开挖后 如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用 围岩即将发生塑性变形成破坏 这种变形或破

15、坏通常是从洞室周边 特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始 而后逐步向围岩 内部发展的 10 3地下洞室围岩的变形破坏 围岩变形破坏过程 围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的 开挖 应力调整 变形 局部破坏 再次调整 再次变形 较大范围破坏 10 3地下洞室围岩的变形破坏 表10 6围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系 10 3地下洞室围岩的变形破坏 3 2脆性围岩的变形破坏 脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体 这类围岩的变形和破坏 主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的 水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱 脆性围岩变形破坏的形式和特点 除与由岩体初始应

16、力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外 主要取决于围岩结构 一般有弯折内鼓 张裂塌落 劈裂剥落 剪切滑移以及岩爆等不同类型 10 3地下洞室围岩的变形破坏 1 弯折内鼓层状 特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式 从力学机制来看 它的产生可能有两种情况 一是卸荷回弹的结果 二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的 卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内 或者洞室埋深较大 或者水平地应力较高 而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈 故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时 洞室开挖后 薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生弯曲 折裂和折断 最终挤入洞内而坍倒 10 3地下洞室围岩的变形破坏 压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位 通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁 故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时 切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度 从而使围岩发生弯折内鼓破坏 10 3地下洞室围岩的变形破坏 2 张裂塌落张裂塌落通常发生于