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1、第5讲 岩石地下工程 俞 缙 ,岩体力学,主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设计 岩石地下工程监测,概述,为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室统称为地下工程 包括：矿山坑道、铁路及公路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库及储气库、地下弹道导弹发射井、地下飞机库以及地下核废料密闭储藏库等 共同特点：要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸，并有较大延伸长度的洞室,基本特征,周围岩体的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用条件 地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面 地下
2、工程学科具有很强的实践性，它的发展与岩土力学的发展有着密切的关系,发展历史概述,土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展 岩石力学的发展促使围岩压力和地下工程理论的进一步飞跃 20世纪50年代以来，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐渐出现，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的新奥法的兴起 终于形成以岩石力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代理论,地下工程与地面工程的对比,地下工程与地面工程的对比,地下工程与地面工程的对比,地下工程类型,1. Barton分类 （1）临时性矿山坑硐； （2）竖井； （3）永久性矿山坑硐、水电工程的引水隧洞、导挖隧道、平巷和大型开
3、挖工程的导坑 （4）地下储藏室、污水处理站、公路和铁路支线的隧道、水电工程的调压室及进出隧道； （5）地下电站主硐室、公路和铁路干线的隧道、民防硐室、隧道入口及交叉点 （6）地下核电站、地铁车站、地下体育场及公共设施、地下厂房,地下工程类型,2.按地下工程埋置深度分类 我国经典的隧道工程著作根据埋深将隧道划分为深埋隧道和浅埋隧道两大类,在矿山法施工的条件下 III类围岩取Hp= 2.5hq；IVVI类围岩取Hp= 2.0hq,地下工程类型,3. 按用途分类 交通地下工程（如公路及铁路隧道、水底隧道、地下铁道、航运隧道、人行隧道等） 水工地下工程（如引水及尾水隧洞、导流隧洞、排沙隧洞等） 市政地
4、下工程（如给排水隧道、人防洞室等） 矿山地下工程等,地下工程类型,4.按地下工程所处位置 山地（区）地下工程 城市地下工程 水下地下工程,地下工程类型,5.按所处地层 岩石（软岩、硬岩）地下工程、土质地下工程,主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设计 岩石地下工程监测,概述,根据地下工程的性质与要求，将围岩体的某种或某些属性加以概略的划分，称为围岩分类或围岩分级 围岩分类的目的在于整理和传授复杂的岩石环境中开挖地下工程的经验，是将以地质条件为主的分散的实践经验加以概略量化的一种骨架，是应用前人经验进行支护设计、
5、选择施工方法的桥梁，是计算工程造价和投资的依据。,发展历史,20世纪70年代以前的围岩分类多数为单一因素（或少数因素）的定性分类或半定量分类，其局限性比较明显。 70年代后，逐渐过渡到能考虑各种重要因素、定性描述与定量评价相结合的分类阶段。 在70年代后期至90年代，我国在地下建筑物围岩稳定性分类研究上有了很大进展，提出了多种分类方案，为地下工程的建设和发展做出了重大贡献。,围岩分类,国内外围岩分类（级）及分类因素 5-2 公路隧道围岩分类 表5-3 教材P119-121,主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设
6、计 岩石地下工程监测,概述,围岩应力重分布 ： 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 切向应力的变化则有不同的情况： 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 在另一些部位，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现拉应力，即产生所谓拉应力集中,圆形截面弹性分析,基本假定： 连续 均匀 完全弹性 各向同性 微小变形 平面应变 双向受压无限大平板中的孔口的应力分布问题 适用于较完整的坚硬岩,圆形截面弹性分析,圆形截面弹性分析,圆形截面弹性分析,圆形截面弹性分析,圆形截面弹性分析,圆形截面弹塑性分析,轴对称问题 弹塑性分析 塑性破坏状态
7、： 一是围岩局部区域的拉应力达到了抗拉强度，产生局部受拉分离破坏 二是局部区域的剪应力达到了岩体抗剪强度，从而使这部分围岩进入塑性状态，但其余部分围岩仍然处于弹性状态。,圆形截面弹塑性分析,平衡方程 塑性区为一等厚圆 塑性区中假设、值为常数 弹性区与塑性区交界处同时满足弹性条件和塑性条件,圆形截面弹塑性分析,塑性条件 岩体中应力满足此条件时，岩体便呈现塑性状态,塑性区内应力圆与强度曲线的关系,莫尔强度理论,圆形截面弹塑性分析,塑性区的应力 联立平衡方程与塑性条件求解 C1为积分常数，由边界条件确定 支护与围岩接口（ra）上的应力边界条件=支护抗力,圆形截面弹塑性分析,由上代入求解： 轴对称问题
8、塑性区次生应力计算公式（修正的芬涅尔公式 ）,圆形截面弹塑性分析,围岩应力变化规律 围岩进入塑性状态时，的最大值从洞室周边转移到弹、塑性区的交界处。 随着往岩体内部延伸，围岩应力逐渐恢复到原岩应力状态。 在塑性区内，由于塑性区的出现，切向应力从弹、塑性区的交界处向洞室周边逐渐降低。,塑性区围岩应力分布状态,12塑性区；34弹性区；1松动区； 23承载区；4原岩应力区,椭圆形断面围岩应力,椭圆形断面洞室长半轴为a，短半轴为b，作用在洞室围岩上的垂直均布应力为P，水平应力为P,椭圆形断面围岩应力,椭圆形断面围岩应力,半圆直墙断面洞室围岩应力,半圆直墙断面洞室围岩应力,基本结论：,方形-矩形断面洞室
9、的围岩弹性应力,基本结论： 方形矩形断面洞室围岩应力的大小与侧压系数和方形矩形的边比（高宽比）有关。 方形矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些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（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应力集中系数则线性或近似于线性地增大。 方形矩形断面洞室系直线型周边，最易出现受拉区，所以受力状态较差，尤其是当洞室断面长轴与原岩最大主应力垂直时，会出现较大的拉应力，使洞室周边遭到破坏，不利于地下工程的稳定。,方形-矩形断面洞室的围岩弹性应力,
10、主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设计 岩石地下工程监测,地下工程围岩破坏机理,围岩应力调整 围岩变形 围岩破坏 主要表现为拉伸破坏和剪切破坏。,拉伸破坏机理,剪切破坏机理,剪切滑移楔体,剪切破坏理论（Robcewicz）认为，围岩稳定性的丧失，主要发生在洞室与主应力方向垂直的两侧，并形成剪切滑移楔体。 地下洞室开挖在侧压系数1的条件下 首先两侧壁楔形岩块由于剪切面分离，向洞内移动（图a）； 而后，上部和下部岩体由于楔形岩块滑移造成跨度加大，上下岩体向洞内挠曲（图b），甚至移动（图c）,a b c,围岩变形破
11、坏机理描述,围岩变形破坏形式与围岩岩性及结构的关系,主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设计 岩石地下工程监测,深埋地下工程围岩压力计算,直接测量法 工程模拟法 即根据大量实际资料分析统计和总结，按不同围岩类别提出围岩压力的经验数值（经验公式），作为后建地下工程确定围岩压力的依据 估算方法 是在实践的基础上从理论上研究围岩压力的估算方法。,基本规律： 理论和实践证明，围岩愈好则洞室就愈稳定，洞室开挖所影响区域就愈小，围岩压力值也较小。 相反，围岩愈差则压力值相应就大；在围岩类别相同的条件下，跨度愈大，洞室的稳定
12、性就愈差，压力值也就愈大，说明围岩压力的大小与洞室跨度成正比。,普氏理论坍落拱理论,普洛托季雅克诺夫（原苏联）： 引入了似摩擦系数的概念 所有地层都可视为具有一定粘结力的“松散介质” 在具有一定粘结力的松散介质中开挖隧道后，其上方会形成一抛物线状的天然拱 这实质上就是在松散介质、裂隙岩层中开挖坑道时的破坏范围 作用在支护上的竖向压力就是这个破坏范围（天然拱）以内的松动岩体的重量,普氏理论坍落拱理论,坍落拱,质点拱,普氏理论坍落拱理论,基本假定： 在任何一截面上无弯矩作用； 拱脚能保持稳定而不致产生滑动。,普氏理论坍落拱理论,普氏理论坍落拱理论,普氏理论坍落拱理论,普氏理论坍落拱理论,按普氏地压
13、理论计算的竖向压力 对于软土质地层偏小 对于硬土质和坚硬质地层则偏大 一般在松散，破碎围岩中较为适用,泰沙基理论,K.Terzaghi把隧道围岩视为散粒体。 他认为坑道开挖后，其上方围岩将形成卸落拱。 假定坑道上方岩体因坑道变形而下沉，并产生错动面OAB，假定作用在任何水平断面上的竖向压应力是均布的，相应的水平压应力与之比值为K。 在距地面深度h处，取出一厚度为dh的水平条带，考虑其平衡条件，得出：,泰沙基理论,泰沙基理论,泰沙基理论,我国有关部门的经验公式,我国有关部门的经验公式,适用条件： H/B1.7（式中H为坑道高度，以m计）； 深埋隧道； 不产生显著偏压力及膨胀力的一般围岩，围岩压力
14、按“松弛”荷载作为主动地压； 采用矿山法(即钻爆法)施工条件； 整体式混凝土衬砌。 不适用于锚喷结构,浅埋地下工程围岩压力计算,浅埋地下工程围岩压力计算,（2）当hqHHp(深埋与浅埋地下工程分界深度)时，为便于计算作如下假定： 假定土体中形成的破裂面是一条与水平成角的倾斜线， HFEG岩体下沉，带动两侧三棱岩体（如图中FDB及ECA）下沉；当整个岩体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩体的阻力。 斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c并采用了计算摩擦角；另一滑面FH或EG并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂滑面的阻力。,浅埋地下工程围岩压力计算,浅埋地下工程围岩压力计算,浅埋地下工程
15、围岩压力计算,浅埋地下工程围岩压力计算,支护结构上均布荷载图标,主要内容,地下工程基本概念 地下工程围岩分类 地下工程围岩应力 地下工程围岩破坏机理 地下工程围岩压力计算 地下工程支护设计 岩石地下工程监测,概 述,现代支护理论认为，地下工程支护设计的主要目的在于发挥岩体的自承能力，主要有以下4种设计理论： (1) 参照过去地下工程实践经验进行工程模拟为主的经验设计法； (2) 以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，如以地下工程净空量测位移为依据的收敛约束法； (3) 作用与反作用模型，即荷载结构模型，如弹性地基梁、弹性地基框架计算法等； (4) 连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算
16、法目前主要是有限单元法。,新奥法,20世纪60年代，奥地利L. V. Rabcewicz提出了一种新的隧道设计施工方法，称为新奥地利隧道施工方法（New Austrian Tunneling Method），简称新奥法（NATM） 1980年，奥地利土木工程学会地下空间分会把新奥法定义为“在岩体或土体中设置的以使地下空间的周围岩体形成一个中空筒状支撑环结构为目的的设计施工方法”。 新奥法的核心是利用围岩的自承作用来支撑隧道，促使围岩本身变为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的自承环。,新奥法基本原理,新奥法是应用岩体力学原理，以维护和利用围岩的自稳能力为基点，将锚杆和喷混凝土作为主要支护手段，及时进行支护，以便控制围岩的变形与松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，形成了以锚杆、喷射混凝土和隧道围岩为三位一体的承载结构，共同支承山体压力。 通过对围岩与支护的现场量测，及时反馈围岩支护复合体的力学动态及其变化状况，为二次支护提供合理的架设时机；通过监控量测及时反馈的信息来指导隧道和地下工程的设计与施工。,
