地下洞室围岩稳定性问题

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。但是按照森 维南原理，由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局 限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横 剖面中最大尺寸的3—5倍,习惯上将此范围内的岩体 称为“围岩”。
第8-1章 地下洞室围岩稳定性
• 1 基本概念及研究意义
• 为各种目的修建征地层之内的中空通道或中 空洞私统称为地下洞室，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 。所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安 全和正常使用条件。
• 围岩应力重分布的主要特征是：
• 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。
• 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。
• 一些局部构造条件，有时也有利于这类变形 破坏的产生。平行于洞室测壁的断层，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。
•在洞室和断层之间的 狭窄地带往往产生很 高的应力集中，使该 区围岩的稳定条件大 为恶化．
时空三维wk.baidu.com析过程演示 (塑性区的扩展)
36m
开挖36ｍ
连续·非连续大变形转化辨别 与数值模拟方法
连续·非连续大变形转化数值模拟
数值模拟示例
潜在扩张裂缝的自动形成
新关键块的形成(解析结果)
(a) arch portion excavation Case 3
(b) 9th bench excavation Case 3
• 2 地下开挖后围岩应力的重分布
• 围岩应力重分布的一般特点
•
如前所述，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)通常以
垂直正应力和水平正应力来表示：
•
σv=σv0+γh
•
σh=N σv
式中：σv0值可以是零，也可以是常数
• 3. 岩爆
• 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 式表现出来爆。围岩的破坏有时会这就是所谓的 岩当岩爆发生时，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。因此，研究 这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工 作的安全与经济有着重要意义。
(A, B : Measurement point)
支护设计的优化
Shear failure
Tension failure
感谢下 载
• 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府洞室围岩稳定性的。
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。
地下洞室围岩稳定性的分析-岩石力学
• 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。
• 相邻洞室的存在对围岩应力的影响
• 由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个 洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在 通常使围岩应力(主要是压应力)的集中程度增高 ，对洞室图岩稳定不利。因此，不同的业务部门 规定了不同的最小安全洞室间距，例如水电部门 规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距为1.0-1.3倍 洞跨，高压隧洞之间的最小间距为0.15一0.6倍水 头。
• 铁道部门规定，两相邻单线隧道的最小间距按下 表(表10-5)确定。
表10—5
围岩类型
VI
V—IV
III
II
最小间距 （1.5—2.0）B （2.0—2.5）B （2.5—3.0）B （3.5—5.0）B
I
>5.0B
注: 1.围岩类型根据围岩分类（见《工程地质勘察》）确定， VI为硬岩，依次降低； 2.B为隧道的跨度。
城市地下道路建设与环境
上り線
下り線
地下瓦斯管道分布
No.1+65 No.6+00
上り線 下り線
警戒値 ：１０ｍｍ ：２５ｍｍ ：４０ｍｍ
埋深与地层条件
標高 (m) 70 14 100 14 200 15 300 16 400 27 500 36 600 60 700 59 800 62 900
4 地下洞室围岩稳定性的分析与评价
影响地下洞室围岩稳定性的因素分析
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(例如地质历史决定着贝值的 大小＞又与人类工程活动的要求有关(例初洞室的埋 深决定着‘”值)。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。
·不能正确反映施工过程 ·材料力学特性的单纯化 ·二维数值方法的局限性
U0
①
掘进方向
⑤二次支护
Ufin
④ 工型钢支护 ② 喷浆支护 ③ 锚杆
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
6m
开挖6ｍ
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
18m
开挖18ｍ
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
24m
开挖24ｍ
(c) final bench excavation
Case 3 A
B
Case 3
Fig.12 Controlling generation of new cracks by system bolting ①. Case 3
Case 3
Fig.13 Controlling generation of new cracks by system bolting ②.
•
• 岩爆的类型和特点 • 按发生的部位及所释放的能量类型,岩爆有不
同的类型
• (1)围岩表部岩石突然破裂引起的 岩爆
• (2)矿柱或大范围围岩突然破坏引起 的岩爆四川纳竹天池煤矿就曾多次发生这类岩
爆，最大的一次将20余吨煤抛出20多m远
• (3)断层错动引起的岩爆
• 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。
100
土被り１D～２
Ｄ
50
土石流堆
積層
0 測 点（m） 土被り（m）
火山円礫 岩層
安山岩自破砕 溶岩層
掘削方向
特殊施工设备与方法
トレヴィジェット
先行脚部ジェット
スリットコンクリート
インバート吹付けによる閉合
脚部補強試験施工状況
环境（地表沉降）控制效果
三维施工力学过程的数值解析方法
以往计算方法
时空三维施工过程