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1、3.1 3.1 概述概述基本概念及研究意义基本概念及研究意义地地下下洞洞室室(underground (underground cavity)cavity)是是指指人人工工开开挖挖或或天天然然存存在在于岩土体中作为各种用途的建（构）筑物于岩土体中作为各种用途的建（构）筑物。 包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂包括矿山坑道、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。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，就是都要虽然它们规模不等，但都有一个共
2、同的特点，就是都要在岩体内开挖在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子长度的洞子。 所以所以周围岩层的稳定性周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。常使用条件。3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，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
3、和破坏，那么，开挖出的地下洞室就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。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，如果不加固或加固而未保的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而未保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。成危害。3.1.2 3.1.2 地下洞室的分
4、类地下洞室的分类按按用用途途：矿矿山山巷巷道道（井井）、交交通通隧隧道道、水水工工隧隧道道、地地下下厂厂房（仓库）、地下军事工程房（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、土洞按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞按应力情况：单式洞室、群洞3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析北京地铁王府井车站北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）广
5、州地铁东（山口）杨（箕）区间隧道杨（箕）区间隧道3.2 3.2 岩体中的天然应力岩体中的天然应力 开开挖挖前前存存在在于于岩岩体体中中的的应应力力，称称天天然然应应力力或或初初始始应应力力。是是岩岩体体在在建建造造或或改改造造过过程程中中，各各种种地地质质作作用用综综合合作作用用形形成成的。的。 主要包括自重应力和构造应力。主要包括自重应力和构造应力。 岩体内任何一点的初始应力状态岩体内任何一点的初始应力状态( (常称为原岩应力常称为原岩应力) )通通常可以垂直正应力常可以垂直正应力( (通常为主应力通常为主应力) )通常以垂直正应力和水通常以垂直正应力和水平正应力来表示：平正应力来表示：v
6、v=v0+h=v0+h h h=N=Nv vvv0 0值可以是零，也可以是常数值可以是零，也可以是常数3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析 由上式可知，岩体内的由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化初始应力随深度而变化，因，因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说，其垂直剖面上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，即地下洞室在岩体各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体是是处在一种非均匀的初始应力场中处在一种非均匀的初始应力场中。围岩应力重分布围岩应力重分布 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，围岩内各质
7、点在回弹应力的作用下，均将力状态，围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严生了松胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严重了。这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就重了。这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形发生了改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形
8、成新的应力状态，称为应力重分布。成新的应力状态，称为应力重分布。围岩应力重分布特征围岩应力重分布特征 径向应力径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。处变为零。 切向应力切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，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，即产生所谓并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中压应力集中，在另一些部，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近分，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，即产生所谓出现拉应力，即产生所谓拉应力集中拉应力集中。 这样，地下洞宝的开挖就将
9、于围岩内引起强烈的主应这样，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，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。至洞室周边达最大值。围岩围岩 按照森维南原理，由开挖洞室引起的应按照森维南原理，由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的的3535倍倍, ,习惯上将此范围内的岩体称为习惯上将此范围内的岩体称为“围围岩岩”3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.2.1
10、3.2.1 围岩变形破坏的一般过程和特点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。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。坏。 这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最大这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别
11、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。压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩内部发展的。 围围岩岩的的变变形形破破坏坏是是渐进式逐次发展渐进式逐次发展的。的。 开开挖挖-应应力力调调整整-变变形形、局局部部破破坏坏-再次调整再次调整 -再再次次变变形形-较较大大范围破坏范围破坏围岩的变形破坏过程围岩的变形破坏过程分析围岩变形破坏时，分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的应抓住其变形破坏的始始发点发点和发生连锁反应的和发生连锁反应的关键点关键点，预测变形破坏，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样
12、才能就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。确保围岩的稳定性。围岩围岩变形破坏形式取决于围岩应力状变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等态、岩体结构及洞室断面形状等因素。见下图，不同岩体结构及因素。见下图，不同岩体结构及洞室断面形状，围岩变形破坏形洞室断面形状，围岩变形破坏形式不同。式不同。 3.2.2 3.2.2 脆性围岩的变形破坏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。硬或半坚硬的脆性岩体。 这类围岩的变形和破坏，主要是在这类围岩的变形和破坏，主要是在回
13、弹应力和回弹应力和重分布的应力作用下重分布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。和破坏的影响较为微弱。 这类围岩变形破坏的形式和特点除与由岩体这类围岩变形破坏的形式和特点除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要主要取决于围岩结构取决于围岩结构，一般有，一般有弯折内鼓弯折内鼓、张裂塌落张裂塌落、劈裂剥落劈裂剥落、剪切滑移剪切滑移以及以及岩爆岩爆等不同类型等不同类型3.2.2 3.2.2 脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏 1 1、弯折内鼓、弯折内鼓 这类变形破坏是层状、特别
14、是薄层状围岩变这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。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：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切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的。的。 1 1、弯折内鼓、弯折内鼓 由由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初在初始应力较高的岩体内始应力较高的岩体内( (或者洞室埋深较大，或者水或者洞室埋深较大，或者水平地应力较高平地应力较高) )，而且总是在与岩体内初始最大
15、主，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，最终挤入洞内而坍作用下发生弯曲、折裂和折断，最终挤入洞内而坍倒。倒。 从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与层状岩层
16、内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常通常轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳定性远低于平行于最大主应力方向者。定性远低于平行于最大主应力方向者。 这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的洞壁发生严重的弯折内鼓弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩，而当洞体通过平缓岩层时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力层时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因的洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓弯折内鼓的发展的发展而严重坍塌。而严重坍塌。2 2 张裂塌落张裂塌落 张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强
