隧道施工技术 课件 03入门任务三 认识围岩的稳定性1

入门任务三：认识围岩的稳定性

1任务分配教学内容教学情境时间安排教师引导教师向学生简单介绍隧道围岩的工程性质，布置教学任务并进行引导、检查和评价。PPT课件3施工录像2、160分钟学生学习1、成洞的三种情形及影响围岩稳定的因素？自然成拱作用？2、岩体力学性质的影响因素有哪些？有哪几项结论？3、岩体的力学性质是从哪几个方面反映的？4、何谓岩体的流变特性？何谓岩体的强度特性？5、岩体的结构分为哪几类？其破坏特征如何？6、岩体垂直应力一般特性有哪些？岩体水平应力一般特性有哪些？7、围岩的破坏失稳形态有哪几种？8、对围岩稳定性的定性解释有哪几个方面？9、围岩的稳定性分级的目的和原则？获取信息小组讨论120分钟+10、完成书面基本练习。Lotschberg

隧道地质剖面图Piora向斜勘查平洞及钻孔

围岩稳不稳坑道稳不稳决定着判断围岩的稳定能力认识

围岩所处的地质环境研究

围岩的工程性质分析

影响围岩稳定的因素掌握

这些因素是如何影响一、围岩稳定的影响因素分析（一）

成洞的三种情形是最希望的经常要做的要尽量避免有时不需要任何支护就可以获得稳定的洞室有时则需要加以支护才能获得稳定的洞室由于支护不及时或不足而导致围岩坍塌堵塞洞室1、围岩工程地质条件2、隧道工程结构条件3、隧道工程施工条件

围岩所处的原始应力状态围岩的破碎程度和结构特征

围岩所处的地质构造环境地下水的作用等条件

指隧道所处的位置坑道形状（尤其是顶部形状）坑道的断面大小等条件

施工方法（扰动程度）施工速度（围岩的暴露时间）支护的施作时间、时机支护的力学性能支护与围岩的协调状态（二）

围岩稳定的

影响因素不同的地质环境条件不同工程性质的围岩不同的影响因素不同的影响机理不同的影响程度隧道的稳定与安全必要又充分经济又合理的工程措施最终获得区分岩体

好不好挖开挖方法掘进方式——在漫长的地质历史中，经过造岩、构造变形和次生蜕变而形成的地质体。结构面结构体（岩块）填充物主要研究内容定义范围或组成——指坑道周围一定范围内，对坑道稳定有影响的那部分岩体。围岩内边界

—在坑道的周边外边界

—有无相互影响稳定能力影响因素支护措施（三）围岩与岩体的区别及研究内容岩体隧道侧面图隧道正面图洞室围岩围岩原状岩体开挖岩体围岩原状岩体围岩围岩开挖岩体（一）岩体的变形特性岩体受拉后立即沿结构面发生断裂或脱离，表现为抗拉能力很低或者根本没有抗拉能力。这种特性显然不能为工程所应用，故不必过多研究，但它对工程是有害的，因此应极力避免应用。1、岩体的受拉变形特性二、岩体的工程性质2、岩体的受压变形特性1、压密阶段（OA）2、弹性阶段（AB）3、塑性阶段（BC）4、破坏阶段（CD）典型应力——应变曲线3、岩体的受剪变形特性岩体受剪时的变形特征主要受结构面控制。首先沿结构面滑动变形。然后结构体受剪变形，进而被剪断。（二）岩体的强度特性1、岩体的抗压强度比岩石的抗压强度低得多。2、岩体的抗压强度具有明显的各向异性。（如图）1、岩体的抗压强度单轴抗压强度107.7MPa2、岩体的抗剪强度岩体抗剪强度主要受岩体内结构面的性质和形态所控制。即结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合形式和表面形态，填充物的性质和充填状况含水情况等，均直接而显著地影响着岩体的抗剪强度。岩体的岩性、构造、风化程度、含水性等因素对岩体的抗剪强度也有一定的影响。（三）岩体的结构特征及其分类岩体的结构特征是指结构体、结构面及填充物的特征总和。具体包括结构体的形状、大小，结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合形式和表面形态，填充物的性质和充填状况、含水情况等。岩体的结构特征对岩体的工程力学性能有着重要影响，继而影响岩体的破坏形态。1、岩体的结构特征2、岩体的结构分类（见课本表3.1）岩体的结构类型a)整体块状b)层状c)碎裂d)散体整体块状结构碎裂结构构造相对轻微的厚层状与大型岩体，节理少，含水少。构造相对强烈的互层或风化型岩体，节理多，切割破碎，含水多。层状结构散体结构构造中等的中厚层或薄层状岩体，节理发育，含水情况较复杂。构造变动强烈地带或剧烈风化带，节理多且乱，隔水。1、脆性破坏整体状和巨块状岩体，其结构完整，岩质坚硬，在一般工程开挖条件下，大多表现出很强的稳定能力，仅偶尔产生局部掉块。当地应力很高时，则可能发生坑道周边岩石成大小不等的碎片状射出，并伴有响声，工程中将这种现象成为“岩爆”。岩爆属于脆性破坏。（四）岩体的破坏失稳形态2、块状运动块状或层状岩体，受少数结构面切割，其块间或层间结合力较弱，在应力作用下，向坑道方向运动。可能逐渐形成块体滑动、转动，以及块体挤出、塌落、倾倒等失稳现象。塌落的往往只是局部，其规模一般不会太大。3、弯曲折断层状岩体尤其是有软弱夹层的互层岩体，结构面较发育，层间结合力差，易于错动，抗弯折性能较低。洞顶岩体受自重应力作用易产生下沉弯曲，进而张裂、折断，形成塌落；边墙岩体在侧向水平应力作用下向坑道方向变形挤入甚至滑塌。碎裂结构或散体结构的岩体随挖随塌，或不挖自塌，基本不能自稳。即使利用初期支护使其勉强不坍塌，但其塑性变形也长时间不能停止，具有很强的流变性。4、松动解脱和塑性变形局部塌方拱形冒落松动解脱和塑性变形的表现（五）岩体工程性质的结论1、结论既不是简单的弹性体也不是简单的塑性体而是较复杂的弹塑性体岩体变形特性

强度特性

结构特征分析2、具体表现岩体的变形特性不同于结构体或结构面，而是呈现为“四个阶段”。整体性较好的岩体接近弹性体，破碎及松散岩体偏向于塑性体。岩体的变形不是瞬间完成的，而是随着时间逐渐达到终值，具有流变特征。岩体的强度具有明显的“各向异性”。岩体的结构特征对其力学性质有着重要影响，继而影响着岩体的破坏形态。三、岩体的原始应力状态工程实践和研究表明，岩体在开挖前总是处在相对平衡和稳定状态之中，称为“原始应力状态”。在开挖坑道后，围岩出现松弛和位移、甚至坍塌破坏等现象，与岩体的原始应力状态有着密切的关系。岩体中任意一点处的应力是平衡的

初始应力状态（一次应力状态）洞室形成前:洞室形成后:形成自由变形空间

重分布应力（二次应力状态）围岩向洞内松胀变形引发围岩应力重新调整开挖稳定后:围岩自己稳定，或是人工支护结构的帮助下获得稳定达到新的应力平衡和稳定状态（三次应力状态）四、围岩的应力历程五、围岩稳定性的力学解释1、围岩二次应力状态与其强度能力的关系。岩体的“强度破坏和有限的变形”，只是围岩坍塌失稳的“必要条件”。2、围岩二次应力状态与其变形能力的关系。“变形过度”才是围岩坍塌失稳的“充分条件”。3、围岩局部稳定性与整体稳定性的关系。在一定的工程结构条件下和一定的施工条件下，岩体的“强度破坏和整体变形过度”才是围岩整体坍塌失稳的“充要条件”。3、隧道结构条件与围岩稳定性的关系

（1）坑道横断面形状与围岩稳定性的关系自然界地层中的天然洞室，其顶部形状都趋向于形成拱形。

（2）坑道横断面大小与围岩的稳定性的关系坑道断面越大，围岩的相对稳定性越低；反之则相对稳定。4、隧道施工条件与围岩稳定性的关系

（1）开挖方法的影响施工应尽可能地采用大断面开挖，以简化围岩应力重分布的过程，减少对围岩稳定性的不利影响。

（2）开挖面的支承作用的影响施工中应尽可能地对“开挖面的支承作用”加以充分利用。

（3）掘进方式的影响应视围岩条件尽可能地选用对围岩扰动小的破岩方式。

（4）施工速度的影响施工中应及时做初期支护，控制围岩变形。

（5）风化作用的影响施工中应尽可能早地封闭围岩表面，缩短围岩暴露时间，避免围岩急速风化，保持围岩的稳定能力。小结1、影响围岩稳定的因素（围岩地质条件、隧道结构条件、隧道施工条件）2、岩