地下工程围岩稳定性分析课件

1、 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初初始应力状态始应力状态。 开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力重分布应力、二次应力或围岩应力。 直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形

2、状及岩体特性岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。等因素有关。一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力 洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。岩强度之间的关系。 如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。 否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。 围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的形成具有一定范围的应力松弛区应力松弛区，称为，称为塑性松

3、动圈塑性松动圈。 在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的深处转移，形成新的应力增高区应力增高区，该区岩体被挤压紧，该区岩体被挤压紧密，称为密，称为承载圈承载圈。此圈之外为。此圈之外为初始应力区初始应力区。 围岩的抗压强度和抗拉强度是否适围岩的抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力。（公式略）应围岩应力。（公式略） 围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。应力。 （公式略）（公式略）一、围岩稳定的概念一、围岩稳定的概念 围岩稳定是指在一定时间内，在一定的地质力围岩稳定是指在一定时间内，在一定的地质力和工

4、程力作用下岩体不产生破坏和失稳和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。围岩在压。围岩在压应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断：应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断： 由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。变形等。 1 1坚硬完整岩体的脆性破裂坚硬完整岩体的脆性破裂 在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生

5、岩般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。爆现象。岩爆岩爆是是储存有很大弹性应变能的岩体，储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。有关。 块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度于块

6、体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。及是否夹泥等。 岩层的弯曲折断岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的，是层状围岩变形失稳的主要形式。主要形式。 平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。顶板容易下沉弯曲折断。 在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。 在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容

7、易凸邦弯曲。与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。 一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。 碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。为滑塌或碎块的坍塌。 I I 类为稳定岩体，围岩可长期稳定

8、。类为稳定岩体，围岩可长期稳定。 类为基本稳定围岩，不会产生塑性变形，局部类为基本稳定围岩，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块。可能产生掉块。类围岩稳定性差，围岩强度不足，局部会产生类围岩稳定性差，围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏，塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏，完整的较软岩稳定性较好，可定为完整的较软岩稳定性较好，可定为“暂时稳暂时稳定定”。 类为不稳定围岩，规模较大的各种变形破坏都类为不稳定围岩，规模较大的各种变形破坏都可能发生。可能发生。 V V 类为极不稳定围岩，不能自稳，变形破坏严重。类为极不稳定围岩，不能自稳，变形破坏严重。围岩压力围岩压力 围

9、岩压力围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力力。 确定山岩压力的大小在工程上具有重要确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费。成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。 把围岩对衬砌的反力称为把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈大

10、，愈有利于衬砌的稳定，围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定，1 1山岩压力的类型山岩压力的类型 根据山岩压力形成机理，可分为根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、变形山压、松动山压和冲击山压松动山压和冲击山压几种类型。几种类型。 (1)(1)变形山压变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。形所产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。时间延长而增大的特点。 (2)(2)松动山压松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、是由于围岩拉裂塌落

11、、块体滑移、碎裂松动等所引起的碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。 (3)(3)冲击山压冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时产生岩爆的条件时才能才能产生冲击山压。产生冲击山压。 (1) (1)普氏压力拱理论。普氏压力拱理论。M MM M普罗托季亚科诺普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试夫根据对一些矿

12、山坑道的观察和松散介质的模型试验于验于19071907年提出了平衡拱理论。普氏认为，年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断由于断层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所。所以以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量量。这个拱称为。这个拱称为塌落拱、平衡拱或压力拱。塌落拱、平衡拱或压力拱。 (2)(2)围岩压力系数法。（简介）围岩压力

13、系数法。（简介） (3)(3)块体极限平衡法。（简介）块体极限平衡法。（简介）1.1.支撑支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照选用材料的不同，有的临时性措施，按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。围岩早期松动。 2. 2.衬砌衬砌 衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬完整的岩体中，围岩的自

14、稳能力高，也可以不完整的岩体中，围岩的自稳能力高，也可以不衬砌。衬砌。 衬砌有单层混凝土及钢筋混凝土衬砌，也衬砌有单层混凝土及钢筋混凝土衬砌，也可以用浆砌条石衬砌。可以用浆砌条石衬砌。 双层的联合衬砌，一般内环用钢筋混凝土双层的联合衬砌，一般内环用钢筋混凝土或钢板，外环用混凝土，或钢板，外环用混凝土，多用于岩体破碎，水多用于岩体破碎，水头高的隧洞。头高的隧洞。 当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土向围岩表面喷一薄层混凝土( (一般厚度为一般厚度为5 520cm)20cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。 1. 1.喷射混凝土喷射混凝土 锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为下述三两种。