地下洞室围岩稳定性的工程地质分析.ppt

地下洞室围岩稳定性 的工程地质分析 p1）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意 义； p2）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征； p3）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压 力问题； p4）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法； p5）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(underground cavity)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，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 b a点： n1/3时，kc0, 为压应力; n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 围岩岩性岩体结构变形破坏形式产生机制 脆性围岩块体状结构及厚 层状结构 张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏 劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂 剪切滑移及剪切碎 裂 压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂 岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破 坏 中薄层状结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂 碎裂结构碎裂松动压应力集中造成的剪切松动 塑性围岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动 膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀 散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流 塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流 重力坍塌重力作用下的坍塌 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，且其值超过围岩的抗拉强度 时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近 垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉 开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作 用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面 发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供 的塌落。但是在n0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比 的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为 压应力。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时 顶拱因岩韶趋于稳定。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (3) 劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动 这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中 的部位。 a）劈裂剥落 过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。 一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板 ，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。 当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能 按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏 。劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应 力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造 成顶供的片状冒落，后者则造成通常所谓的片帮。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 b） 剪切滑移 这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内 。随围岩应力条件的不同，可发生在边墙上，也可发生于顶 拱。 在水平应力大于垂直应力的应力场中(n1)，这类破坏 多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部 位。由于切向应力很大，而径向应力r很小，故沿断层 面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断 层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪 切滑移。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 c）碎裂松动 碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞 体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围 岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰，并 围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动屈。这类松动带本 身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导 致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间 的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的 过度发展，必须及时采取加固措施。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (4) 岩爆 a）有关岩爆的基本概念 在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出 来，这就是所谓的岩爆。 岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出 ，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘 米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响甚至还伴有周 围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造 成很大的危害大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的 伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 b）岩爆的类型和特点 (a)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆 在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多属这 种类型。发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射 击。 一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后2-3h，围岩表部岩石常 发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁 图岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较小，多呈几cm长、宽的薄 片，个别达几十m长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发 生；剥落者一般块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆 裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多 发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发 生，事前无明显的预兆。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (b)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆 发生于一些探矿坑中的大型岩爆多属这种类型。这类岩爆 发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强 烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，放常 披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于 距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的 煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、 振动和气浪，破坏力极大。 这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中压力 的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有明显的预 兆。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (c)断层错动引起的岩爆 坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开挖使作用 于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩阻力降低，引起 断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一般发生在构造活动区的 探矿井中，破坏性很大，且影响范围较广。 c）岩爆的产生条件与发生机制 本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧 烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体的存在及其应力 接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应 则是岩爆产生的外因。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 3.3 塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体(如页岩、泥岩和粘 土岩等)和散体结构岩体。 这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布 的作用下发生的主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重 力坍塌等不同类型，现分述如下： (1) 塑性挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软 弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空 间挤出。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括： 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (a)固结程度较差的泥岩、粘土岩； (b)各种富含泥质的沉积或变质岩层(如泥岩、页岩、板岩和 千枚岩等)中的挤压剪闭破碎带; (c)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩 体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风 化扰动且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤 出。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (2) 膨胀内鼓 洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应 力区向图岩表部转移,结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强 烈的膨胀内鼓变形.这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分 布引起的,除此之外,开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从 空气中吸收水分而使自身膨胀. 退水后易于膨胀的岩石主要有两类:一类是富含粘土矿物(待 别是蒙脱石)的塑性岩石,如泥质岩、钻土岩、膨胀性粘土等; 另一类是含硬石膏的地层,如硬石膏退水后就会发水化而 转化为石膏，体积随之而增大。从而可以产生的强大山压 ，给隧道的施工和运行带来很大困难。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 (3) 塑流涌出 当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时， 这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的 泥浆状突然地涌人洞中有时甚至可以堵塞坑道，给 施工造成很大的困难。 (4) 重力坍塌 破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。 10.3 地下洞室围岩的变形破坏 4.1 影响地下洞室围岩稳定性的因素 前述分析表明，地下洞室围岩稳定性问题主要是可能出 现的围岩应力与围岩强度间的矛盾问题。各类因素都是通过 这两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将影响地 下洞室稳定性的因素分为三大类： 第一类因素是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳 定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面形状和 尺寸。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素控制又与 人类工程活动的要求有关。而洞室的形状则主要是由人类工 程活动的要求与特点所决定。 10.4 围岩稳定性分析与评价 第二类因素包括围岩的岩性和结构，主要是通过围岩的强度来 影响洞室围岩稳定性的。从岩性角度，可以将围岩分为塑性围岩 和脆性围岩两大类: 塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易 于吸水膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有风化速度快、力学强度 低以及通水易于软化、膨胀或崩解等不良性质，故对地下洞室围 岩的稳定性最为不利。 脆性围岩主要包括各类坚硬及半坚硬岩体。由于岩石本身的强 度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构 ，岩性本身的影响不十分显著。在这类围岩中，碎裂结构的稳定 性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块体状岩体则通常具有很 高的稳定性。 对于厚层状及块体状岩体，其强度主要受软弱结构面的发育和 分布特点所控制。 10.4 围岩稳定性分析与评价 第三类因素是既能影响应力状态，又能影响围岩强度的 因素。主要为地下水的赋存活动条件。结构面中的空隙水压 力减小结构面上的有效应力，降低沿结构面的抗滑稳定性。 地下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下水活动往 往是围岩失稳的一个重要因素。 需要指出的是，上述三类因素，在内外营力作用下是不 断变化的。 10.4 围岩稳定性分析与评价 10.4.2 围岩分类 （略） 4.3 隧洞围岩稳定性的定性评价 对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，围岩应力较低且影 响范围较小，因而破坏失稳总是发生在围岩强度显著降低的部位，不 稳定的地质标志较为明显，通常能够通过一般的地质工作加以研究和 评价。 大量的实践经验表明，在一般工程隧洞中，围岩