第七章地下洞室围岩稳定性分析

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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0十360—o十470m段 的施工过程中。洞体两侧壁发生严重的弯折内鼓,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。
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10—17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。

从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以
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 §7.2 洞室围岩稳定性因素 §7.3 保障洞室围岩稳定性措施 §7.4 洞室围岩分类
7.1 地下洞室围岩的变形破坏
7.1.1 围岩变形破坏的一般过程和特点 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 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 的。
中薄层结构 碎裂结构 层状结构
散体结构
变形破坏形式
张裂塌落 劈裂剥落 剪切滑移及剪切破碎 岩爆 弯折内鼓 破碎松动 塑性挤出 膨胀内鼓 塑性挤出 塑流涌出 重力坍塌
产生机制
拉应力集中造成的张性破坏 压应力集中造成的压制拉裂 压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂 压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏 卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂 压应力集中造成的剪切松动 压应力集中作用下的塑性流动 水分重分布造成的吸水膨胀 压应力作用下的塑流 松散饱水岩体的悬浮塑流 重力作用下的坍塌
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3—5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。
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层状围岩的抗 弯折强度,从而使围岩发生弯折内鼓破坏。
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。
造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直
的洞壁发生严重的弯折内鼓,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,因弯折内鼓的发展而严重坍塌。
张裂塌落

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
7.2.2 脆姓围岩的变形和破坏
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。
弯折内鼓
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。
由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 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。
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。
表 1 围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系
围岩类型 脆性围岩
塑性围岩
岩体wenku.baidu.com构
块体状结构及 厚层状结构
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
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。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
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