地下洞室围岩稳定性分析课件

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1、第九章 地下洞室围岩稳定性分析,9.1 概述 9.2 围岩重分布应力计算 9.3 围岩的变形与破坏 9.4 围岩压力计算 9.5 围岩抗力与极限承载力,9.1 概述,地下洞室(underground cavity)：人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 地下洞室的分类 按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、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、群洞,2007.12.11，18:00，安徽繁昌县阳冲铁矿井下-

2、13中段或-33中段,坍塌下来的泥石堵住安全出口,正在作业的7名矿工被困井下,矿山巷道（井）,交通隧道,武汉长江隧道,雁荡山隧道,水工隧道,引黄北干工程,地下厂房（仓库）,龙滩水电站,地下军事工程,湖北咸宁澄水洞,圆形隧道,西安地铁二号线,秦岭1线隧道,矩形洞室,凤滩水电站,城门洞形,苏州盘门,椭圆形,山东烟台烟霞洞,竖井,穿黄工程竖井区高喷加固开钻,岩洞,土洞,群洞,洋山深水港-双联拱隧道,围岩应力重分布问题计算重分布应力 围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围 围岩压力问题计算围岩压力 有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力,洞室围岩力学问题,9.2 围岩重分布应力计算,重分布应力：地下开挖扰

3、动后在围岩中形成的新应力。 重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。 围岩重分布应力计算： 确定开挖前岩体天然应力状态 计算开挖后围岩重分布应力 支护衬砌后围岩应力状态的改善,一、无压洞室围岩重分布应力计算,1、弹性围岩重分布应力 坚硬致密块状岩体，当天然应力c/2时，围岩弹性变形。 可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。 如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑： 两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。,（1）圆形洞室,无限大弹性薄板，边界上受沿x向外力p，薄板中有一半径=R0的小圆孔，按平面问题考虑，不计体力，M点的各应力

4、分量为：,柯西课题,边界条件,解微分方程,M点的应力分量,=,+,假定洞室开挖在的岩体中，简化为无重板岩体力学模型,柯西课题,柯西课题,无重板岩体力学模型,v引起的围岩重分布应力,由H产生的重分布应力,v和H同时作用圆形洞室围岩重分布应力,v和H同时作用圆形洞室围岩重分布应力,讨论：洞壁上的重分布应力,洞壁，r0，r0，单向应力状态 大小与R0无关 =0、180o，=3V-h=（3-）V =90、270o，=3h-V=（3-1）V 1/3，洞顶底：拉 1/33，：压，分布均匀 3，洞壁两侧：拉应力；洞顶底：较高压应力集中,讨论静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力,围岩内重分布应力与无关，仅与

5、R0和0有关 r=0，则r，均为主应力，且恒为1 ，r恒为3 rR0，r=0，=20，洞壁上应力差最大，单向受力，说明洞壁最易发生破坏,r，r ， ，0 理论，r，在r处=0； 实际，r，0的速度很快，r=6R0时，r和0。 一般，地下洞室开挖引起围岩分布应力范围=6R0。,（2）其他形状洞室,应力集中系数 地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值 反映洞壁各点开挖前后应力的变化情况。,圆形洞室,应力集中系数，大小仅与点的位置有关。,特点：,椭圆形：长轴两端点应力集中最大，易压碎破坏； 短轴两端易拉应力集中，不利围岩稳定 各种形状：角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩

6、形洞室角点等。 长方形：应力集中，短边中点大于长边中点；角点处应力集中最大，围岩最易失稳。 h和v相差不大时，圆形的应力分布最均匀，围岩稳定性最好。 h和v相差较大时，应尽量洞室长轴最大天然应力作用向。 天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集中。,（3）软弱结构面对围岩重分布应力的影响,1)围岩中有一条软弱结构面，v、沿水平直径与洞壁相交 对0，沿水平直径方向所有点r=0。 沿结构面各点和r均为主应力，结构面上r=0 。 不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。,2)围岩中存在一软弱结构面v、沿铅直方向直径与洞壁相交,结构面上r=0

7、，不会因结构面存在而改变围岩弹性应力分布情况。 1/3，洞顶底产生拉应力，结构面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区。 椭圆短轴与洞室水平直径一致=2R0，长轴结构面，=2R02h,2、塑性围岩重分布应力,地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态塑性状态，围岩中形成一个塑性松动圈。 随着距洞壁d，r由0逐渐，应力状态单向应力双向应力，围岩由塑性状态弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。,塑性松动圈，使圈内一定范围内的应力因释放而明显，最大应力集中由原来的洞壁塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显。 弹性区以外：原岩应力区,弹塑性理论求解塑性圈内围岩重分布应力,

8、假设均质、各向同性、连续岩体中开挖一R0水平圆洞室，开挖后塑性松动圈R1，岩体中天然应力hv0，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。 塑性圈内取一微小单元体abdc，bd上作用r，ac上作用rdr，在ab和cd上作用。,塑性条件,塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(0)无关，而取决于支护力(pi)和岩体强度(Cm，m)值。,当r=R0时,当r=R0，Pi=0时,洞壁上,塑性圈与弹性圈交界面(rR1)的应力 该面上： 弹性应力=塑性应力,塑、弹性圈交界面上重分布应力取决于0和Cm，m，而与pi无关。 支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R1)

9、的大小。,二、有压洞室围岩重分布应力计算,由于洞室内壁上作用有较高内水压力，使围岩中的重分布应力比较复杂。 应力变化过程： 1）围岩最初处于开挖后引起的重分布应力集中 2）支护衬砌，围岩重分布应力得到改善 3）建成运行后洞内壁作用有内水压力，围岩中产 生附加应力,弹性厚壁筒理论,厚壁筒，R内=a， R外=b。内壁上作用均布内水压力pa，外壁作用均匀压力pb。内水压力作用，内壁向外均匀膨胀，膨胀位移随距离而，距内壁一定距离时=0。附加径向和环向应力，近洞壁大，远离洞壁小。,b，pb0时 b2/(b2a2)1，a2/(b2a2) 0,若有压洞室R0，内水压力pa,有压洞室围岩重分布应力r和由开挖以

10、后围岩重分布应力和内水压力引起的附加应力两项组成。,内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当环向应力很大时，常使围岩产生放射状裂隙。 内水压力使围岩产生附加应力的影响范围6倍R0。,内水压力引起的附加应力值,9.3 围岩的变形与破坏,变形：地下开挖后自由变形空间围岩失去支撑向洞内松胀变形； 破坏：若变形超过围岩承受能力，则破坏，从母岩中脱落坍塌、滑动或岩爆，,变形破坏形式取决于：围岩应力状态、岩体结构、洞室断面形状等,一、各类结构围岩的变形破坏特点,1、整体状和块状岩体围岩 高力学强度和抗变形能力，主要结构面节理，少有断层，含少量裂隙水。 可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变近

11、直线关系。 围岩具很好自稳能力，变形破坏形式主要：岩爆、脆性开裂及块体滑移等。 用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。,岩爆：高地应力区，由于洞壁围岩应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。 脆性开裂：拉应力集中部位。 块体滑移：块状岩体常见的破坏形成。以结构面切割而成的不稳定块体滑出形式出现。,坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图 1.层面；2.断裂；3.裂隙,2、层状岩体围岩,常呈软硬岩层相间互层形式。 结构面以层理面为主，有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。 破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。 可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。,

12、水平层状，洞顶岩层视为两端固定的板梁，顶板压力，下沉弯曲、开裂。 倾斜层状，沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移不对称塌落拱。 直立层状，1/3时，洞顶：纵向拉裂，塌落；侧墙：纵向弯折内鼓。,3、碎裂状岩体围岩,断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥岩体。 变形破坏形式：塌方和滑动。 用松散介质极限平衡理论来分析。,夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。 围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入,4、散体状岩体围岩,强烈构造破碎、强烈风化的岩体。表现弹塑性、塑性或流变性。 结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构

13、成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。 可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。,围岩的变形破坏渐进式逐次发展。 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,围岩的变形破坏过程,二、围岩位移计算（了解）,1、弹性位移计算 围岩处于弹性状态,位移可用弹性理论进行计算。 分两种情况: 由重分布应力引起 由重分布应力与天然应力 之差引起,(1)由重分布应力引起,静水压力式天然应力,在hv0的天然应力状态中，洞壁仅产生径向位移，而无环向位移。,(2)由重分布应力与天然应力之差引起 假设岩体中天然应力：hv0 ，开挖前洞壁应力：r11 0，开挖后重分布

14、应力：r20，220。应力差：,2、塑性位移计算（了解）,弹塑性理论 基本思路:先求出弹、塑性圈交界面上径向位移，然后根据塑性圈V不变的条件求洞壁的径向位移。,弹性圈内的应力=0引起的应力+塑性圈作用于弹性圈的径向应力R1引起的附加应力,三、围岩破坏区范围的确定方法,整体状、块状岩体用弹性力学或弹塑性力学方法确定其围岩破坏区厚度。 松散岩体用松散介质极限平衡理论方法。,1、弹性力学方法 确定：破坏范围 破坏圈厚度,洞顶、底将出现拉应力。若拉应力大于围岩的抗拉强度t，则围岩就要发生破坏。,破坏范围(1/3 ),洞壁围岩均为压应力集中，围岩的抗压强度c时，洞壁围岩就要破坏。,破坏范围(1/3 ),

15、破坏圈厚度,当rR0时，0，/2，3/2时，r=0，r和为主应力。 围岩的强度,2、弹塑性力学方法（了解）,在裂隙岩体中开挖地下洞室时，将在围岩中出现一个塑性松动圈。围岩的破坏圈厚度=R1R0 关键：确定塑性松动圈半径R1 设岩体中天然应力：hv0,弹性圈内 应力,地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径R1随天然应力0增加而增大，随支护力pi、岩体强度Cm增加而减小。,修正芬纳-塔罗勃公式,卡斯特纳(Kastner)公式,9.4 围岩压力计算,一、基本概念 围岩压力(peripheral rock pressure)：地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量塑性变形或松动破坏，引起施加于支护衬砌上的压力

16、 围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。 按围岩压力的形成机理，划分：形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。,1、形变围岩压力 由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。 产生条件： 岩体较软弱或破碎，围岩应力超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形； 深埋洞室，围岩受压力过大引起塑性流动变形。,膨胀围岩压力（特殊的形变围岩压力）,膨胀围岩由于矿物吸水膨胀产生的对支衬结构的挤压力。 形成条件： 一、岩体中有膨胀性粘土矿物(如蒙脱石等)； 二、地下水。,2、松动围岩压力 由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。 其大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。 可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。,3、冲击围岩压力 由岩爆形成的一种特殊围岩压力。强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起