岩石力学教学课件：岩石地下工程

1、第8章 岩石地下工程 地下工程：为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室，其共同特点是在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸的洞室。8.1 概 述 不同的分类方式有不同的分类 方法按所处的地质条件按所处的地理位置土质隧道岩质隧道山岭隧道水底隧道城市隧道地下工程类型 交通类隧道水工隧道市政隧道矿山隧道人防隧道铁路隧道公路隧道地下铁道人行通道引水隧道尾水隧道导流隧道泄洪隧道给水隧道排水隧道管路隧道（煤气、暖气、电力等）采矿巷道运输巷道按隧道的用途深埋地下工程（50m）的特点：可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道

2、影响范围（35 R0 ）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10以下）；深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。深埋隧道（地下工程自身影响达不到地表）浅埋隧道按隧道的埋置深度南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先例断面为1620米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工水工隧道采矿巷道地下水电站二滩水电站发电厂房海底储气工程汕头LPG工程，1997年10月开工，1999年12月建成地下物流系统地下原子能发电站地下停车场人

3、防隧道地下商场北京国贸地下滑冰馆城市隧道南京玄武湖地下快速路宁波甬江水底隧道广州地铁二号线【赤鹭区间隧道】盾构工程地下铁道北京地铁王府井车站隧道内路面施工隧道出口施工 重庆轻轨二号线（较场口-新山村） 18公里，投资43亿（2000-2005年）临江门车站较场口车站大坪车站轻轨地下车站:公路隧道重庆华蓥山隧道北碚隧道2005年2月15日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出100万方土石。其中，每条隧洞长3900米，单向双车道。 重庆大学城梨树湾隧道珠海板樟山公路隧道全长18.02公里，总投资31.93亿元断层、涌水、岩爆照明、通风、消防、通信、救援、交通安全控制、供配电、监控湖南邵怀高速隧

4、道内的“人造天空”陕西秦岭终南山公路隧道铁路隧道襄渝铁路松树车站三线隧道中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于（北）京包（头）铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长1091米，由我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，1907年开工，在中国技术人员和工人的努力下，仅用18个月，于1908年竣工。八达岭隧道在四川省境内的大渡河畔，有一条古老凉山分裂成的长达几里的大裂缝，名叫老昌沟。1964年修建成昆铁路时，桥梁建设者们在这里修建了一座中国跨度最大的铁路石拱桥。跨度最大的铁路石拱桥“一线天”桥中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道： 关角隧道位于青藏铁路西（宁）格（尔木）段的青海省天峻县内，全长400

5、0米。洞内轨面最高处海拔3692米。由于地处高海拔地区，气候寒冷，空气稀薄，年平均气温0，最低温度为零下37.5。关角隧道的施工前后历时30多年，除停工的13年外，正式开挖建设5年半，而整治病害耗时9年多，可见隧道地质构造之复杂、气候条件的恶劣和病害的严重。关角隧道 中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，全长14295米。隧道埋深70至910米，推行了国外最先进的设计和施工的方法“新奥法”。采用八十年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序钻爆、支护、装运三条机械化作业线。大瑶山隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道:分水关隧道中国最长的铁路隧道：位于西（安

6、）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30米，其中线隧道全长18460米；线隧道全长18456米。秦岭隧道中国最长的铁路隧道：秦岭隧道隧道最大埋深约1600米，埋深超过1000米地段长约3.8公里。线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关，且线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有六类24项部重点科研项目立项研

7、究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。世界高原多年冻土区第一长大隧道：昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长1686米，于2001年9月开工，2002年9月26日胜利贯通。昆仑山隧道世界海拔第一高的铁路隧道：位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人区”边缘，全长1338米，轨面海拔4905米，是世界上海拔最高的隧道，年均气温零下7，寒季最低气温达零下41，空气中氧气含量只有内地的50左右。隧道冻土层最厚达150米、覆盖层最薄处仅有米，施工稍

8、有不慎，就会导致大塌方，工程难度之大前所未遇。 2001年10月18日开工建设，2002年10月19日胜利贯通。风火山隧道 课后自己上网看看CCTV10的纪录片穿越梦想宜万铁路(沪蓉西高速铁路)城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。大型城市地下综合体：交通、市政、商业上海人民广场上海静安寺核心区地下城，以波浪文化城（100000 m2）和地铁1、2 号线换乘站为骨干，形成地下城，地下空间总量达到200万m2。杭州钱江新城 深圳罗湖口岸及火车站地区：该综合体地下地上各三层，该项目于2006年7月获城市土地

9、学会亚太区卓越奖。 深圳华强北地下商业街：以疏通人流为主，兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸，扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。 南 京 结合地铁1、2号线新街口换乘站建设，形成地下空间网络，总建筑面积超过了40万m2，基本形成了地下城。 深 圳朝鲜平壤地铁 平壤地铁1968年开建，1987年开通，全长35公里。最深处达120米，号称是世界上最深的地铁。健身房地下污水处理厂玉米棒式地下停车库第5章 岩石地下工程 当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过

10、津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长为53860米，其中海底部分为23300米。青函隧道1964年开挖斜坑道，经过24年的施工，于1988年3月13日正式投入运营。日本青函隧道从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径7.3米、长50000米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距30米，在其中间线再修一条直径为4.5米的辅助隧道，每隔375米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿法朗（约合70亿美元）。隧道于1987年动工，1994年竣工并投入使用。坐时速260公里的高速火车，穿越

11、隧道只用26分钟。英法海底隧道第5章 岩石地下工程 计划中的这条隧道长103公里，是英法隧道水下部分的3倍长，贯穿白令海峡，将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为北美和俄远东地区每年节省200亿美元运输费和电费。预计历时10到15年，耗资100亿到120亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。横跨白令海峡的海底隧道将沟通欧亚和北美香港海底隧道九龙入口 香港第1条过海行车隧道，于1972年8月通车，耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里，跨越维多利亚港，将九龙半岛

12、和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。厦门翔安海底隧道 第一条由内地专家自行设计的海底隧道，而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。全长9公里，海底隧道5.95公里，总投资39.5亿。隧道采取三孔建设形式，共由三条线路组成，其中中间一孔为服务隧道，作为紧急避难通道和日常维护检修用。主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米 ，隧道最深在海平面下约70米。 台海隧道即使以最短的北线计算也有150公里，是英法之间的英吉利海峡隧道长度的3倍。台海隧道的造价排除物价因素将在4000亿到5000亿元人民币之间。预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要2小时。 台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的

13、地质条件。由于台湾海峡地层处于较新的地质年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘探、科学的设计和完备的施工措施。台海隧道隧道施工及监测技术8.2 地下工程围岩应力 （1）围岩应力重分布问题计算重分布应力 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。 （2）围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。 （3）围岩压力问题计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩

14、进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。（4）有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力 在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。 力学问题围岩应力计算： 开挖前岩体天然应力状态的确定 开挖后围岩重分布应力的计算 支护衬砌后围岩应力状态的改善重分布应力： 地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关一、无压洞室围岩重分布应力计算1、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹

15、性力学计算。如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。MxVHMxVMxH=+假定洞室开挖在天然应力比值系数为的岩体中，则问题可简化为右图所示的无重板岩体力学模型。 H =v（1）圆形洞室 设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：边界条件：设应力函数解微分方程，得各常数柯西课题M点的应力分量由v引起的重分布应力由H产生的重分布应力v和H同时作用时圆形洞室围岩重分布应力 讨论：1）洞壁上的重分布应力洞壁上的r0，r0，仅有作用，为单向应

16、力状态大小仅与天然应力状态及计算点的位置有关，而与洞室尺寸R0无关。当=0、1800时， = 3v h当=90、2700时， = 3h v 2）洞壁上的重分布应力随变化当1/3时，洞顶底将出现拉应力； 当1/33时，洞壁的全为压应力且应力分布较均匀；当3时，两侧壁将出现拉应力，洞顶底则出现高压应力集中。每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。3）=1（H=v=0 ）时的围岩重分布应力围岩内重分布应力与角无关，仅与R0和0有关。由于r=0，则r，均为主应力，且恒为最大主应力，r恒为最小主应力。当rR0(洞壁)时，r=0，=20，可知洞壁上的应力差最

17、大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。 4） r 、随着离洞壁距离r的变化随着离洞壁距离r增大，r逐渐增大，逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力0值。在理论上，r，要在r处才达到0值，但实际上r，趋近于0的速度很快。当r=6R0时，r和与0相差仅2.8%。因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，是有限元计算模型的边界范围。5） r 、为主应力的条件当r0时， r 、为主应力，即：可得:当1)=0、90、180、2700 2) h= v 3) r=R0 时， r 、为主应力（2）其他形状洞室应力集中系数 地下洞室

18、开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。，为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。圆形洞室特点：椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；而短轴两端易出现拉应力集中，不利于围岩稳定各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳。当岩体中天然应力h和v相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。当岩体中天然应力h和v相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。在天然应力很大的岩体中，洞室断面

19、应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集中。2 塑性围岩重分布应力地下开挖后，洞壁的应力集中最大,当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态，并在围岩中形成一个塑性松动圈。随着距洞壁距离增大，径向应力r由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。围岩中出现塑性圈和弹性圈。塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区(或称原岩应力区)。弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力假设在均质、各向同性

20、、连续的岩体中开挖一半径为R0的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动圈半径为R1，岩体中的天然应力为hv0，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。在塑性圈内取一微小单元体abdc，bd上作用有r，ac上作用有rdr。平衡方程塑性条件当r =R0时当r =R0，Pi=0时塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(0)无关，而取决于支护力(pi)和岩体强度(Cm，m)值。洞壁上塑性圈与弹性圈交界面(rR1)该面上： 弹性应力=塑性应力塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于0和Cm、m，而与pi无关。支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R1)的大小。二、有压

21、洞室围岩重分布应力计算自学8.3 围岩的变形与破坏 地下开挖后 自由变形空间 松胀变形等变形现象； 如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏：坍塌、滑动或岩爆等现象。围岩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因素一、各类结构围岩的变形破坏特点 1、整体状和块状岩体围岩岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介质，应力应变呈近似直线关系。围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、脆性开裂及块体滑移等。这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论分析，局部块体滑移可用块体极

22、限平衡理论来分析。岩爆是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。脆性开裂出现在拉应力集中部位坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙块体滑移是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制。2、层状岩体围岩常呈软硬岩层相间的互层形式。结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。 在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为

23、两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。在倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数1/3时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。变形破坏形式常表现为塌方和滑动。用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性挤入4、散体

24、状岩体围岩散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。 开挖-应力调整-变形、局部破坏-再次调整 -再次变形-较大范围破坏围岩的变形破坏过程分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。8.4 围岩压力计算 一、基本概念地下洞室围岩在

25、重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为围岩压力(peripheral rock pressure)。围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压力、松动围岩压力和冲击围岩压力。 1、形变围岩压力形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。产生形变围岩压力的条件： 岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形； 深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起

26、塑性流动变形。 2、松动围岩压力松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。 3、冲击围岩压力冲击围岩压力是由岩爆形成的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生

27、条件及其产生可能性进行定性的评价预测。1、普氏理论假设条件（1）将岩体视为具有一定粘结力的松散体。式中：k 为岩体似内摩擦角。（2）洞顶岩体能够形成压力拱。（3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与拱外岩体和坑道埋深无关。二、 普氏地压理论式中c 为岩石单轴抗压强度，Mpa.也可按上式计算岩体似内摩擦角k ：（4） 采用坚固性系数f（普氏系数 ）来表征岩体的强度2、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法模型1：假定坑道两帮岩体稳定（ f2），而坑道顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成

28、自然平衡拱。模型2：假定坑道两帮岩体也不稳定（ f2），发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。（1）模型1 及相应的计算方法 A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b: E、单位长度平衡拱内岩体重量W：F、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:D、平衡拱面积：（2）模型2 及相应的计算方法 当f2时，坑道两帮岩体会发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。 A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：B、平衡拱跨度 两帮岩体发生剪切破坏，其破裂面与水平面的夹角为450/2，此时平衡拱跨度将增大至2a

29、1。C、平衡拱高度b:D、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv: 支架受到的顶压近似等于DCCD部分岩体的重量，即 可按滑动土体上有均布荷载q= b 作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即式中k为岩体换算内摩擦角，karctgf 。E、支架受到的总的侧压力Qh: 实际上，自然平衡拱有各种形状，在岩层倾斜的情况下，还会产生歪斜的平衡拱，如图所示。普氏平衡拱理论 适用于深埋洞室三、太沙基理论 对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。1、太沙基理论的基本假设（1）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从莫尔库伦强度理论，即（2）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉 ，引起应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。2、太沙基围岩压力公式一般分坑道两帮岩体稳定或不稳定两种情况考虑。1、坑道两帮岩体稳定 坑道两帮岩体稳定，下沉仅限于顶板上部岩体，如图，AD和BC为滑动面，并延伸至地表。 两侧岩体的剪力dF: 式中：h，v为在深度Z处的水平应力和垂直应力，为