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1、第五章 地下硐室工程地质 第一节第一节 洞室围岩应力的重分布及变形特征洞室围岩应力的重分布及变形特征第第二二节节 地压及其计算地压及其计算第三节第三节 地下硐室轴线选择的工程地质分析地下硐室轴线选择的工程地质分析第四节第四节 保障洞室围岩稳定的措施保障洞室围岩稳定的措施 第一节 洞室围岩应力的重分布及洞室围岩应力的重分布及变形特征变形特征一、原岩应力二、地下洞室围岩应力计算及稳定性验算 三、围岩松动圈与承载圈四、围岩的变形破坏特征返回返回一、原岩应力 原岩应力原岩应力即地应力，一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，或称为初始应力。 地应力是重力和地壳运动等综合作用下形成的
2、应力，主要包括自重应力自重应力和和构造应力构造应力、变异及其他应力变异及其他应力等几种形式。在进行地下洞室建筑时，应考虑总地应力的大小和方向。 目前在工程上多采用现场测定方法(应力解除法应力解除法)来确定地应力的大小。国内外大量实测资料表明：绝大多数地区的地应力，其水平应力常常大于垂直应力。一般为1.25，个别地区有的可达20以上。返回返回1、自重应力自重应力z=H式中:岩土的容重;H岩土的埋深;岩土的泊松比;岩土的侧压力系数。一般岩石的=0.10.3，=0.110.42z返回返回由于地壳运动等作用在地壳内造成的应力称为构构造造应应力力。构造应力以弹性应变能的形式储存在地壳内，当构造应力逐渐增
3、大并超过岩体强度或岩体中原有断裂的抵抗阻力时，便可能引起地层变形、蠕滑、破坏，甚至有可能由于构造应力的突然释放而导致地震的发生。这种由于构造应力的作用而导致的地层变形和破坏的过程称为构造运动。根据构造运动活动状态，构造应力又可分为活活动动的的构构造造应应力力和剩剩余的构造应力余的构造应力两种。活动的构造应力活动的构造应力一般是指目前正在活动的构造运动在地壳内形成的地应力；剩余的构造应力剩余的构造应力是指构造运动结束后，由构造运动过程中尚未释放完的弹性应变能在地壳内形成的地应力。2、构造应力构造应力返回返回3、变异及其他应力变异及其他应力是指岩体受岩浆活动，变质作用以及侵蚀卸荷等而受到的温度、应
4、力、化学应变能以及重力场改变等而形成的地应力。返回返回二、地下洞室围岩应力计算及稳定性验算二、地下洞室围岩应力计算及稳定性验算 （一）（一）地下洞室围岩的概念地下洞室围岩的概念（二）地下洞室围岩应力计算（二）地下洞室围岩应力计算 （三）地下洞室围岩稳定性验算（三）地下洞室围岩稳定性验算 返回返回 对于抗压强度较高结构比较完整的围岩，可近似地采用弹对于抗压强度较高结构比较完整的围岩，可近似地采用弹性理论来计算洞室的围岩应力。围岩应力不仅与洞室形状、性理论来计算洞室的围岩应力。围岩应力不仅与洞室形状、岩体初始应力状态有关，而且与洞室埋深也直接有关。以下岩体初始应力状态有关，而且与洞室埋深也直接有关
5、。以下仅讨论埋深较大断面形式较简单的情况。仅讨论埋深较大断面形式较简单的情况。 1、圆形洞室的应力计算圆形洞室的应力计算 2 2、非圆形断面洞室围岩应力计算非圆形断面洞室围岩应力计算 1、根据岩石单轴抗压强度的验算根据岩石单轴抗压强度的验算 2、根据岩石抗剪强度的验算根据岩石抗剪强度的验算（一）地下洞室围岩的概念硐室开挖之前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为原岩应力场或初始应力场；硐室开挖后破坏了这种平衡。由于开挖，洞室周围的岩土体中应力大小和方向发生了变化。这种现象称为应力重分布。通常将洞室周围发生应力重分布的这一部分岩体叫做地下洞室围岩地下洞室围岩（简称（简称围岩围岩），狭义上，围岩常
6、指硐室周围受到开挖影响，大体相当于地下硐室宽度或平均直径的35倍范围内的岩土体。返回返回1、圆形洞室的应力计算返回返回式中：式中： r0-洞室半径洞室半径r-自洞中心算起的径向距离自洞中心算起的径向距离-自水平轴算起的极坐标中的角度自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv-分别表示垂直与水平正应力，分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=H Ph=H (H为洞室平均埋深为洞室平均埋深)r、-分别为径向应力和切向应力；分别为径向应力和切向应力；r-剪应力剪应力r02r04r06r0Ph2Ph应力应力r距离距离埋深大于20r02、非圆形断面
7、洞室围岩应力计算利用弹性试验可测定各种非圆形洞室的应力。定义切向应力与垂直应力之比为应力集中系数，王建宁地下工程喷锚支护原理与设计列出了不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)（表)自表中查出切向应力集中系数值后，有下式即可计算切向应力值： t=Pv返回返回不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)不同形状的洞室边界切向应力集中系数(=t/Pv)本表摘自王建宁地下工程喷锚支护原理与设计返回返
8、回1、根据岩石单轴抗压强度的验算对于整体性良好的坚硬岩体来说，由于其节理裂隙不发育，强度较大，可近似假定岩体是均匀的各向同性的连续弹性介质，验算洞室边界上的切向应力是否超过岩体强度即可，即式中：-洞室边界上的切向应力Rc-岩石的许可抗压强度对于无裂隙坚硬围岩Rc=0.6Rc对于有裂隙坚硬围岩Rc=0.5RcRc为岩块单轴抗压强度返回返回2、根据岩石抗剪强度的验算假如岩体符合莫尔库仑强度条件的要求，则岩体稳定性验算可利用下式进行：式中：-洞室边界上的切向应力C、-岩石的抗剪强度参数，C为凝聚力，为内摩擦角返回返回三、围岩松动圈与承载圈洞室开挖后由于应力的重分布，将使洞室周围产生应力集中现象。当周
9、边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈松动圈。在松动圈形成的过程中、原来硐室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区。该区岩体被挤压紧密，宛如天然加固的岩体，故称承载区承载区。应当指出，如果岩体非常软弱或处于朔性状态地，则洞空开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，自然承载圈很难形成。在这种情况下，岩体始终处于不稳定状态，开挖洞室十分困难。如果岩体坚硬完整，则洞室围岩始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈，在生产实践中。确定洞室围岩松动圈的范围是非得重要的。因为松动圈一旦形成
10、，围岩就会坍塌或向洞内产生大量的塑性变形，要维持围岩稳定就要进行支撑或衬砌。返回返回松动圈松动圈 承载圈承载圈原岩原岩应力区应力区四、围岩的变形破坏特征洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间发生松胀变形。这种变形超过了围岩本身所能承受的能力、便发生破坏、从母岩中分离、脱落，形成坍塌、滑动及岩爆等破坏。围岩变形和破坏失稳的形式，除与岩体内的初始应力状态及洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构特征。 1、完整结构岩体的变形破坏特征 2、层状结构岩体的变形破坏特征 3、块断结构岩体的变形破坏特征 4、碎裂结构岩体的变形破坏特征 5、散体结构岩体的变形破坏特征
11、返回返回1、完整结构岩体的变形破坏特征坚硬完整岩体的强度高、稳定性好,其变形和破坏可根据弹性理论计算。该类岩体在高地应力区，洞室开挖后可能产生开挖后可能产生岩爆现象岩爆现象。岩爆系指在地下开挖过程中，围岩突然以爆炸形式表现出来的破坏现象。岩爆的产生需要具备两方面的条件：岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体（高高储能体（高强度、结构完整的脆性岩体）的存在，且其应力接强度、结构完整的脆性岩体）的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触某附加荷载的触发则是其产生的外因发则是其产生的外因。附加荷载主要包括两个方面：一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所
12、造成的弹性振荡；一是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。返回返回2 2、 层状结构岩体层状结构岩体的变形破坏特征的变形破坏特征这类岩体破坏形式主要有：沿层面张裂沿层面张裂、弯曲内鼓弯曲内鼓、折断塌落折断塌落等。层状围岩变形破坏特征（a）水平层状岩体；（b）倾斜层状岩体；（c）直立层状岩体1设计断面轮廓线；2破坏区；3崩塌；4滑动；5弯曲、张裂及折断返回返回3 3、块断结构岩体、块断结构岩体的变形破坏特征的变形破坏特征这类结构围岩的变形破坏，主要表现为沿结沿结构面的滑移掉块构面的滑移掉块。坚硬块状岩体中的块体滑移图1层面；2断裂；3裂隙返回返回4 4、 碎裂结构岩体碎裂结
13、构岩体的变形破坏特征的变形破坏特征碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常表现为塌方塌方和滑动滑动（图）。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块互相镶嵌挤压，错动时将产生一定阻力，因而不易大规模塌方。相反，当夹泥量很高时，由于岩块间失去刚性接触，则易产生大规模塌方，如不及时支护，将愈演愈烈，直至冒顶。返回返回5 5、散体结构岩体、散体结构岩体的变形破坏特征的变形破坏特征(5)松散状岩体是指强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩的力学属性表现为弹塑性、塑性或流变性。
14、其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则（图（a）。但当围岩结构不均匀或松软岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方局部塌方、塑性挤入塑性挤入及及滑滑动动等形式等形式（图（b）、（c）、（d）。松散围岩变形破坏形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏压；（c）侧鼓；（d)底鼓返回返回第二节第二节 地压及其计算地压及其计算一、一、地压的概念及其研究意义地压的概念及其研究意义二、二、地压的形成地压的形成三、三、地压的影响因素地压的影响因素四、地压（山岩压力）的计算四、地压（山岩压力）的计算 （一）（一）松散体理论（普氏地压学说）松散体理论（普氏地压学说）（二）（二）岩体结
15、构法岩体结构法返回返回（1 1）地压的概念及其研究意义地压的概念及其研究意义 一般都认为，地压是由于硐室等工程体开挖后，岩体变形和破坏而形成的作用在围岩和支护体上的力。 与地压有关的问题：硐室要不要支护？如果不进行支护，硐室是否稳定？硐室顶部的岩石会不会塌落？硐室侧面岩石会不会片落？若需要支护，则对支护体的压力有多大？若设计支护体时考虑的地压远大于实际所产生的数值，则设计的支护体强度就会过大，造成支护材料的浪费，使工程体的支护成本增高；反之，所考虑的地压过小，所设计的支护体强度太小，不能负担实际产生的地压倒支护体就会产生破坏，这不仅会使地下工程体不能正常使用，而且还会造成人员的伤亡，这样的事故
16、在矿山中经常遇到。 返回返回（2 2）地压的形成）地压的形成 1）在整体性良好的、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，硐室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。因此，岩石只有弹性变形而无塑性变形，岩石没有破坏和松动，硐室不会塌落。如果在开挖完成后进行支护测压这时支护体上没有地压。在这种岩石的硐室支护体主要用来防止岩石的风化以及剥落碎块的掉落。2）在中等质量的岩石中，硐室周围岩石的变形较大，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。由于硐室围岩的应力重新分布需要一定的时间，所以在进行支护以后，围岩的变形受到支护的约束，于是就产生地压力。因此，支护体的支护时间和结构刚度对地压的影响较大。在这类岩石中，地
17、压主要是由较大的变形所引起的，岩石的松动塌落很小。也就是说，这类岩石中主要是产生“变形压力”，较少产生“松动压力”。3）在破碎和软弱的岩石中，由于裂隙纵横交错切割，岩体强度很低。在这类岩石中，塌落和松动是产生地压的主要因素，而松动压力是主要的地压力。当没有支护体时，岩石的破坏范围可能逐渐扩大发展，故需要立即进行支护，支护体的作用主要是支承塌落岩块的重量，并阻止岩体继续变形、松动和破坏。在这种情况下，如果不及时支护，松动破坏不断发展，则就可能产生很大的地压力，支护困难而且不经济。返回返回（3 3）影响地压的因素）影响地压的因素 1）岩石的性质（见地压的形成)2）硐室的形状和大小。一般而言，在其他
18、条件相同时，圆形、椭圆形和拱形硐室的应力集中程度较小，破坏也少，岩石比较稳定，地压也就较小；矩形断面的硐室的应力集中程度较大，尤其以转角处最大，因而地压比其他形状的地压要大些；一般而言，地压与硐室的跨度成正比，但如果硐室尺寸较大，地压可能比按正比关系求得的压力大得多。 3）地质构造。地质构造对于围岩的稳定性以及地压的大小起着重要的影响。目前，有关围岩的分类和地压的经验公式大都建立在这一基础上。地质构造简单、地层完整、无软弱结构面，围岩就稳定，地压较小。反之，地质构造复杂、地层不完整、有软弱结构面，围岩就不稳定，地压相应增大。在断层破碎带、褶皱破坏带和裂隙发育的地段，地压一般都较大，因为这些地段
19、的硐室开挖过程中常常会有大量的较大范围的冒落，造成较大的松动压力。另外，如果岩层倾斜、节理不对称以及地形倾斜，都能引起不对称的地压，即所谓的偏压。所以在估计地压的大小时，应当特别重视地质构造的影响。 5）工程体所处的深度。研究表明，当围岩处于塑性变形状态时，工程体的埋深越深，地压也就越大。深工程体的围岩通常处于高压塑性状态，所以它的地压随着深度的增加而增加，在这种情况下适宜采用柔性较大的支护，以发挥围岩的自承作用，降低地压大小。6）时间。由于地压主要是由于岩体的变形和破坏而造成的，而岩体的变形和破坏都有一个时间过程，所以地压一般都与时间有关。地压随着时间而变化的原因，除了变形和破坏有一时间过程
20、之外，岩石的蠕变也是一个重要因素，目前在这方面还研究得不够。7）施工方法。地压的大小与工程体的施工方法和施工速率也有较大的关系。施工方法主要是指掘进的方法。在岩体较差的地层中，如采用钻眼爆破，尤其是放大炮，或采用高猛度炸药，都会引起围岩的破碎而增加地压力。用掘进机进行掘进、光面爆破、减少超挖量、采用合理的施工方法可以降低地压。在易风化的岩层中，需要加快施工速度和迅速进行支护，以便尽可能地减少这些地层与水的接触，减轻他们的风化程度，避免地压增加。通常，施工作业暴露过长、支护较晚、回填不实或者回填材料不好都会引起地压增大。返回返回h（一）松散体理论（普氏地压学说）（一）松散体理论（普氏地压学说）1
21、、两帮稳定时洞顶的山岩压力为P=2bhh=b/fk式中：岩石的容重fk（=c/10)岩石的坚固系数，又称普氏系数2b（一）松散体理论（普氏地压学说）（一）松散体理论（普氏地压学说）2、两帮不稳定时洞顶的山岩压力为P=2顶bhH总侧压为：h需要说明的是，该计算方法中，工程体的地压力与所处的深度无关，而且假定围岩为松散无粘性介质，生产应用中需进行普氏系数修正。在具体应用中，如果工程体断面为非矩形断面，则一律按外接矩形进行计算；当f帮3 时， 侧压可以忽略不计。返回返回普氏系数修正普氏系数修正fk=c/10式中修正系数；c岩石单轴抗压强度岩体风化及结构面发育程度微风化岩体弱风化岩体裂隙发育断裂发育大
22、断层值0.50.60.40.50.30.40.20.30.1裂隙率（%）020值1.0 0.90.80.70.60.5c（MPa）70307043423120.6安全系数k011.522.53塌落拱高度h01.6b+0.03H0.38b+0.08Hb+0.41H2.5b+1.44H返回返回二、岩体结构法二、岩体结构法设一方形巷道围岩被平行巷道方向的两组结构面- 及及 - 切割，其倾向与巷道斜交形成了4块分离体，试求它们的山岩压力。ABCDabcdefghijkledfNTQBbacH返回返回第三节 地下硐室轴线选择的工程地质分析地下硐室位置的选择，除取决于工程目的要求外，主要受地形、岩石性质、
23、地质构造、地下水及地应力等工程地质条件的控制。（一）地形地貌条件（一）地形地貌条件1、利用地形使硐室尽可能短而直，如何硐室较长，则尽可能利用沟谷地形，多开施工导洞或分段开挖以增加工作面；2、洞口最好选地基岩出露比较完整的、崖坡较陡的谷坡地带。地貌上应避开滑坡、崩塌、冲沟、泥石流等不良物理地质段，以及山麓堆积、坡积、崩积及洪积等第四系松散堆积物。（二）地层与岩性条件（二）地层与岩性条件尽量避开不良的围岩，使硐身置于坚硬完整的岩层中。尽量避开不良的围岩，使硐身置于坚硬完整的岩层中。（三）地质构造条件（三）地质构造条件1 1、应应尽尽量量使使轴轴线线与与构构造造线线方方向向相相垂垂直直或或成成大大角
24、角度度相相交交，尽尽量量避避开开大大的的断断层层破破碎碎带带或或呈呈小小角角度度相相交交；2 2、当当硐硐室室轴轴线线与与岩岩层层走走向向垂垂直直时时，围围岩岩稳稳定定性性较较好好，且且顺顺倾倾向向开开挖挖较较反反倾倾向向开开挖挖有有利利；当当硐硐室室轴轴线线与与岩岩层层走走向向平平行行时时，直直立立岩岩层层和和厚厚层层平平缓缓岩岩层层稳稳定定性性较较好好，倾倾斜斜岩岩层层中中的的硐硐室室易易产产生生偏偏压压，尽尽量量避避免免软软弱弱岩岩层层或或软软弱弱夹夹层层作作为为顶顶板板；、3 3、硐室尽可能避免沿褶皱的轴部布设。、硐室尽可能避免沿褶皱的轴部布设。（四）水文地质条件（四）水文地质条件应应
25、尽尽量量将将硐硐室室置置于于非非含含水水岩岩层层中中，对对易易透透水水的的岩岩层层和和构构造造，应应分分析析涌涌水水的的可可能能和和涌涌水水量量的的大大小小，还还应应注注意意地地下下水水质对设备及混凝土衬砌的影响。水水质对设备及混凝土衬砌的影响。返回返回第四节 保障洞室围岩稳定的措施保障围岩稳定性的途径有两个：一是保护围岩原有的稳定性，使之不降低；二是赋予岩体一定的强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌方案，后者主要是加固围岩。一、合理施工二、施工监控、信息反馈和超前预报三、支撑、衬砌与支护四、固结灌浆返回返回一、合理施工隧洞施工所遵循的原则隧洞施工所遵循的原则：一是尽可
26、能先挖断面尺寸较小的导洞；二是开挖后及时支撑或衬砌。这样可缩小围岩松动范围，或限制围岩早期松动；或把围岩松动限制在最小范围。隧洞施工方案隧洞施工方案：1围岩不稳定时，采用分部开挖，分部衬砌，逐步扩大断面；2围岩较稳定时，可采用导洞全面开挖，连续衬砌；3围岩稳定时，全断面开挖。返回返回二、施工监控、信息反馈和超前预报 施工监控和信息反馈施工监控和信息反馈就是在施工过程中及时发现地质问题，并就是在施工过程中及时发现地质问题，并根据新测试的地质数据根据新测试的地质数据(信息指标信息指标)，验证原设计方案是否符合，验证原设计方案是否符合当地的地质条件，如不符合则应修改设计，并采取有效的施工当地的地质条
27、件，如不符合则应修改设计，并采取有效的施工措施解决出现的工程地质问题。在隧洞施工监控工作中应注意措施解决出现的工程地质问题。在隧洞施工监控工作中应注意以下几点：以下几点： (1)在开挖过程中观测围岩的变形量、变形速率和加速度，以判在开挖过程中观测围岩的变形量、变形速率和加速度，以判别围岩的稳定性，预报险情。别围岩的稳定性，预报险情。 (2)确定围岩松动圈范围，找出不稳定的部位，提出支护及补强确定围岩松动圈范围，找出不稳定的部位，提出支护及补强措施，这需要及时做好地质记录及编绘工作、岩体物理力学性措施，这需要及时做好地质记录及编绘工作、岩体物理力学性质的试验工作，以及声波量测工作等，为设计及施工
28、提供可靠质的试验工作，以及声波量测工作等，为设计及施工提供可靠的地质参数或信息指标。的地质参数或信息指标。 (3)监控量测工作应紧跟施工工作面进行，并注意尽量减少与施监控量测工作应紧跟施工工作面进行，并注意尽量减少与施工的干扰。工的干扰。 (4)超前预报是当代隧洞施工个的重要环节，对保证安全、合理超前预报是当代隧洞施工个的重要环节，对保证安全、合理施工，往往作起着决定性的作用。一般应由有经验的地质工程施工，往往作起着决定性的作用。一般应由有经验的地质工程师担任此工作。施工工程师应尊重并听从地质工程师的建议和师担任此工作。施工工程师应尊重并听从地质工程师的建议和要求，特别是在地质条件比较复杂的地
29、区，尤为如此。要求，特别是在地质条件比较复杂的地区，尤为如此。返回返回三、支撑、衬砌与支护（图）支撑支撑是在开挖过程中，为防止围岩塌方而进行的临时性措施，过去通常采用木支撑、钢支撑及混凝土预制构件支撑等。近年来，国内外多采用锚杆支护。衬砌衬砌是维护隧洞围岩稳定的永久性结构，用以承受山岩压力和内、外水压力。衬砌厚度取决于岩石的性质。如对于坚硬类岩石一般要求2030cm即可。喷射混凝土(或水泥砂浆)衬砌是近代隧洞施工的新型支护方法，它往往与锚杆(或钢拱架及钢丝网)结合起来使用，即喷锚结构喷锚结构。与常规的支衬方法相比，它具有开挖断面小、节省支衬材料、岩体稳定性好、施工速度快等优点。返回返回锚杆喷混凝土（a) 喷锚衬砌喷锚衬砌（b) 半衬砌半衬砌（c) 厚拱薄墙厚拱薄墙（d) 直拱墙直拱墙（e) 曲拱墙曲拱墙（f) 落地拱落地拱锚杆f8，干燥f8，侧壁无坍塌危险f=6或7f=37f2，松散破碎大跨度仓库洞室支护洞室支护返回返回四、固结灌浆在裂隙严重切割的岩体中和极不稳定的第四纪松散堆积物中开挖洞室，常需要加固以增大围岩稳定性，降低其渗水性。最常用的加固方法就是水泥灌浆水泥灌浆，其次还有沥青灌浆、水玻璃(硅酸盐)灌浆及冻结法等。通过这种力法。可在围岩中大体形成一圆柱形或球形的固结层。返回返回
