第七章地下洞室围岩稳定性

1、第七章 地下洞室围岩稳定性分 析 7.1 洞室围岩变形与破坏洞室围岩变形与破坏 7.2 洞室围岩稳定性因素洞室围岩稳定性因素 7.3 保障洞室围岩稳定性措施保障洞室围岩稳定性措施 7.4 洞室围岩分类洞室围岩分类 7.1 地下洞室围岩的变形破坏 l7.1.1 7.1.1 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 l 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。这种这种 变形或破坏通常是从洞室周边

2、，特别是那些最大压或变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最大压或 拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩，内部发展拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩，内部发展 的的。 l 围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体 内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的 岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩 的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构之间的 关系列于下表。 围岩类型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性破坏 劈裂剥落 压应力集中造成的压制拉裂 剪切滑移及剪切破碎 压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂 岩 爆 压应力高度集

3、中造成的突然而猛烈的脆性破坏 中薄层结构 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 破碎松动 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 1 围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系 l7.2.2 7.2.2 脆姓围岩的变形和破坏脆姓围岩的变形和破坏 l 脆性图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。这类因岩的变形和破坏，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

4、对其变形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。 l弯折内鼓弯折内鼓 l 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。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范层状岩层的抗弯折强度所造成 的。 l 由卸荷回弹所造成的变形破坏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

5、 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如图的弯 曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。 l 例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、 引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过 这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中， 当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角小于20。) 陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生 弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速 发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号。十135航 段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形 越来越严重，一星期后已用

6、锚杆加固了的变形岩体突 然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在ot 360 o十470m段的施工过程中。 l 值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中， 当送洪道平行于陡顾的岩层走向时，新开挖出的边披 岩体经常在35天之内即发生强烈的倾倒破坏。由此 可见，在该区所发生酌上述两类变形破坏(即地宏边 坡岩体的倾倒和地下隧洞洞壁的弯折内鼓)同是卸荷 回弹与应力释放的结果。 l 由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

7、层状围岩的抗 弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。 l例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉 管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。 这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于6m的洞体 平行或近于平行(交角小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行 于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在 开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号 0十135航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变 形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌 风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在0十360o十470m段 的施工过程中。洞体两侧壁发生严重的弯折内鼓

8、，开挖中曾 用锚杆与工字钢联合封锁支护，半月之后，变形岩体连锚杆 与工字钢突然坍落，方量达500m3，不得不停工处理。 l 一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏 的产生。如图1017所示情况，平行于洞室侧壁的断 层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内的应力集中有所 增高，因此洞壁附近的切向应力特高于正常情况下的 平均值，而薄板的抗弯矩又比较低，往往造成弯折内 鼓破坏。 l 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层状岩 层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。通常轴向垂轴向垂 直于最大主应力方向的洞室，其稳定

9、性远低于平行于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 的洞壁发生严重的弯折内鼓弯折内鼓，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的洞室 顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓弯折内鼓的发展而严重坍塌。 l张裂塌落张裂塌落 l 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

10、可使岩体拉开产生垂直拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直 的张性裂缝的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不 稳定稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂岩体在垂 直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。 l劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动 l 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。 l 1.劈裂剥落 l 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。一些平行的破裂将围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

11、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。 片帮 l 3碎裂松动 l 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。 这类松动破碎带本身是不稳定的，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 采取加固指施。 l l膨胀内鼓膨胀内鼓 l 洞室

12、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。 l 另一类是含硬石膏的地层。陨石膏退水后就会发 土水化而转化为石膏，体积随之而增大。所以穿过这 类地层的陡道往往遇到因硬石膏水化膨胀而产生的强 大山压，给隧道的施工和运行带来很大困难。 l塑流涌出塑流涌出 l 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

13、，给 施工造成很大的困难。 l重力坍塌重力坍塌 l 破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。 7.2 地下洞室围岩稳定性因素地下洞室围岩稳定性因素 一、岩性 深度300-500m 开挖后完全能够自稳的岩石 大部分岩浆岩和变质岩 跨度10m 自稳 稳定性取决于结构面和风化程度 软弱的岩浆岩和变质岩 粘土质片岩 绿泥石片岩 千枚岩 泥质板岩 断层滑落，引起隧洞拱顶坍塌 变质岩地区，地质结构松散 大 盈 江 四 级 电 站 沉积岩 易坍塌 二、地质构造 水平岩层：（岩层倾角5 10），若岩层薄，彼此之间 联结性差，又属不同性质的岩 层，在开挖洞室（特别是大跨 度的洞室）时，常常发生塌顶 倾斜岩层：一般说

14、来是不利的， 因为此时岩层完全被洞室切割， 若岩层间缺乏紧密联结，又有几 组裂隙切割，则在洞室两侧边墙 所受的侧压力不一致，容易造成 洞室边墙的变形 洞室轴线与岩层走向平行 层间连接紧密、厚度大、不透水、 裂隙不发育、无破碎带-有利 页岩 泥灰岩 灰岩 近直立岩层：不能 将洞室置于直立岩 层厚度与洞室跨度 相等或小于跨度的 地层内 一定要注意不能 把洞室选在软硬 岩层的分界线上 洞室轴线与岩层走向正交通常为较好的洞室布置方案 若岩性均一，结构致密，各岩 层间联结紧密，节理裂隙不发 育。在这些岩层中开挖地下工 程最好 洞室轴线与岩层倾斜的夹角较 小，若岩性又属于非均质的、 垂直或外交层面节理裂隙

15、又发 育时，在洞顶就容易发生局部 石块坍落现象 洞室轴线穿过褶曲地层 背斜轴部形成了自然拱圈背斜轴 部的岩层处于张力带，遭受过强 烈的破坏，故在轴部设置洞室一 般是不利的 当洞室沿向斜轴线开挖，对工程 的稳定性极为不利 翼部：顶部及侧部均处于受剪切力状态 洞室轴线与褶曲轴线重合 一般情况下，应避免洞室轴线 沿断层带的轴线布置，特别在 较宽的破碎带地段 ，易崩落 虽然断裂破碎带在洞室内属局 部地段，但在断裂破碎带处岩 层压力增加，有时还能遇到高 压的地下水，影响施工。 u轴部的岩层遭到挤压破碎常呈上窄下宽的楔形石块，组成倒 拱形，因而使其轴部岩层压力增加，洞顶岩块最容易突然地坍 落到洞室。 u由

16、于轴部岩层破碎又弯曲呈盆形，在这些地带往往是自流水 储存的场所。若当洞室开挖在多孔隙的岩层中，在高压力下， 大量的地下水将突然涌入洞室；如果所处岩层是属致密的坚硬 岩石，则承压状态的地下水将出现于许多节理中，对洞室围岩 稳定和施工将会造成很大的威胁 洞室轴线与褶曲轴线正交 u由于背斜呈上拱形。虽岩层被破碎然犹如石砌的拱形结构，能很好 的将上覆岩层的荷重传递到两侧岩体中去。因而地层压力既小又较少 发生洞室顶部塌坍的事故。 u但是应注意若岩层受到剧烈的动力作用被压碎，则顶板破碎岩层容 易产生小规模掉块。因此，当洞室穿过背斜层也必须进行支撑和衬砌 7.3 保障地下洞室围岩稳定性措保障地下洞室围岩稳定

17、性措 施施 保障围岩稳定性的途径有二： 一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低； 二是提高岩体整体强度，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 u全断面开挖： 围岩稳定，可全断面一次开挖 多采用新奥法和盾构法等新型施工方法 （1）当围岩不太稳定，顶围易塌时，应在洞室最 大断面的上部先挖导洞，立即支撑，达到要求的轮 廓，作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断 面，最后做侧墙衬砌。这便是上导洞开挖、先拱后 墙的办法。为减少施工干扰和加速运输，还可以用 上下导洞开挖、先拱后墙的办法。 （2）当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时， 可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段