地下洞室围岩稳定性.
第八章地下洞室围岩稳定性分析
第一节概述
地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：
(1)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)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)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，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)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。
地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后上述4种力学作用的形成机理和计算方法。所谓围岩稳定性是一个相对的概念，它主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对比例关系。一般来说，当围岩内一点的应力达到并超过了相应围岩的强度时，就认为该处围岩已破坏；否则就不破坏，也就是说该处围岩是稳定的。因此，地下洞室围岩稳定性分析，首先应根据工程所在的岩体天然应力状态确定洞室开挖后围岩中重分布应力的大小和特点；进而研究围岩应力与围岩变形及强度之间的对比关系，进行稳定性评价；确定围岩压力和围岩抗力的大小与分布情况。以作为地下洞室设计和施工的依据。为此，本章将主要讨论地下洞室围岩重分布应力、围岩变形与破坏、围岩压力和围岩抗力等的岩体力学分析计
算问题。
第二节围岩重分布应力计算
地下洞室围岩应力计算问题可归纳为：①开挖前岩体天然应力状态(natuarLstress或称一次应力、初始应力和地应力等)的确定；②开挖后围岩重分布应力(或称二次应力)的计算；③支护衬砌后围岩应力状态的改善。本节仅讨论重分布应力计算问题。
地下开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。洞室开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，而向洞内空间胀松变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的调整，以达到新的平衡，形成新的应力状态。我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用，称为围岩应力重分布作用。经重分布作用后的围岩应力状态称为重分布应力状态，并把重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。据研究表明，围岩内重分布应力状态与岩体的力学属性、天然应力及洞室断面形状等因素密切相关。
一、无压洞室围岩重分布应力计算
(一)弹性围岩重分布应力
对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形。因此这类围岩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用弹性力学方法计算。这里以水平圆形洞室为重点进行讨论。
1.圆形洞室
深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，围岩重分布应力可以用柯西(Kirsh,1898)课题求解。如果洞室半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑。则可将该问题概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。
图8-1是柯西课题的概化模型，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。取如图的极坐标，薄板中任一点M(r,θ)的应力及方向如图所示。按平面问题考虑，不计体力，则M点的各应力分量，即径向应力?r、环向应力?θ和剪应力σrθ与应力函数φ间的关系，根据弹性理论可表示为：
图8-1 柯西课题分析示意图
(8-1)
(8-1)式的边界条件为：
(8-2)
为了求解微分方程(8-1)，设满足该方程的应力函数φ为：
(8-3)
将(8-3)式代入(8-1)式，并考虑到边界条件(8-2)式，可求得各常数为：
将以上常数代入(8-3)式，得到应力函数φ为：
(8-4)
将(8-4)式代入(8-1)式，就可得到各应力分量为：
(8-5)
式中：?r，?θ，σrθ分别为M点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负；θ为M点的极角，自水平轴(x轴)起始，反时针方向正；r为向径。
(8-5)式是柯西课题求解的无限薄板中心孔周边应力计算公式，我们把它引用到地下洞室围岩重分布应力计算中来。实际上深埋于岩体中的水平圆形洞室的受力情况是上述情况的复合。假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，则问题可简化为图8-2所示的无重板岩体力学模型。若水平和铅直天然应力都是主应力，则洞室开挖前板内的天然应力为：
图8-2 圆形洞室围岩应力分析模型
(8-6)
式中：?v，?h为岩体中铅直和水平天然应力；σzx，σxz为天然剪应力。
取铅直坐标轴为z，水平轴为x，那么洞室开挖后，铅直天然应力?v引起的围岩重分布应力也可由(8-5)式确定。在(8-5)式中，p用?v代替，而θ角应是向径OM与z轴的夹角θ′。若统一用OM与x轴的夹角θ来表示时，则
这样由?v引起的重分布应力为：
(8-7)
由水平天然应力?h产生的重分布应力，可由(8-5)式直接求得，只需把式中p换成λ?v即可。因此有：
(8-8)
将(8-7)和(8-8)式相加，即可得到?v和λ?r同时作用时圆形洞室围岩重分布应力的计算公式为：
(8-9)
或
(8-10)
由(8-9)式和(8-10)式可知，当天然应力?h，?v和R0一定时，围岩重分布应力是研究点位臵(r，θ)的函数。令r＝R0时，则洞壁上的重分布应力，由(8-10)式为：
(8-11)
由(8-11)式可知，洞壁上的σrθ＝0，?r＝0，仅有?θ作用，为单向应力状态，且其?θ大小仅与天然应力状态及计算点的位臵θ有关，而与洞室尺寸R0无关。
从(8-11)式，取λ＝?h /?v 为1/3，1，2，3…等不同数值时，可求得洞壁上0°，180°及90°，270°两个方向的应力?θ如表8-1和图8-3所示。结果表明，当λ＜ 1/ 3时，洞顶底将出现拉应力；当1/3＜λ＜3时，洞壁围岩内的?θ全为压应力且应力分布较均匀；当λ＞3时，洞壁两侧将出现拉应力，洞顶底则出现较高的压应力集中。因此可知，每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界λ值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。
表8-1 洞壁上特征部位的重分布应力?θ值
2。2F〗〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y 2〗
? θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，180°
90°，270°〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y
2〗 ? θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，1
80° 90°，270°[BHDG1*2]0 3 ? v － ? v 1／3〖
〗8 ? v／3 0〖BH〗1 2 ? v[]2 ? v[]2[] ? v[]5
? v[BH]3[]0[]8 ? v[]4[]－ ? v[]11 ? v 5 － ?
v 14 ? v [HT]〖TP3，11*2。40#〗
图8-3 ?θ/?v随λ的变化曲线
为了研究重分布应力的影响范围，设λ＝1，即?h＝?v＝?0，则(8-10)式变为：
(8-12)
(8-12)式说明：天然应力为静水压力状态时，围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和?0有关。由于σrθ=0，则?r，?θ均为主应力，且?θ恒为最大主应力，?r恒为最小主应力，其分布特征如图8-4所示。当r＝R0(洞壁)时，?r=0，?θ=2?0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。随着离洞壁距离r增大，?r逐渐增大，?θ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力?0值。在理论上，?r，?θ要在r→≦处才达到?0值，但实际上?r，?θ趋近于?0的速度很快。计算显示，当r=6R0时，?r和?θ与?0相差仅28%。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，也是有限元计算模型的边界范围。
图8-4 ?r，?θ随r增大的变化曲线
2.其他形状洞室
为了最有效和经济地利用地下空间，地下建筑的断面常需根据实际需要，开挖成非圆形的各种形状。下将讨论洞形对围岩重分布应力的影响。由圆形洞室围岩重分布应力分析可知，重分布应力的最大值在洞壁上，且仅有?θ，因此只要洞壁围岩在重分布应力?θ的作用下不发生破坏，那么洞室围岩一般也是稳定的。为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况，先引进应力集中系数的概念。
地下洞室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。从(8-11)式可知，圆形洞室洞壁处的应力?θ可表示为：
(8-13)
式中：α，β为应力集中系数，其大小仅与点的位臵有关。
类似地，对于其他形状洞室也可以用(8-13)式来表达洞壁上的重分布应力，不同的只是不同洞形，α，β也不同而已。图8-5列出了常见的几种形状洞室洞壁的应力集中系数α，β值。这些系数是依据光弹实验或弹性力学方法求得的。应用这些系数，可以由已知的岩体天然应力?h，?v来确定洞壁围岩重分布应力。由图8-5可以看出各种不同形状洞室洞壁上的重分布应力有如下特点：①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。②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。③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。④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。⑤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。⑥在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上过大的应力集中。
〖CM)〗〖TP5，0。40#][TS(40]〖HT6〗 [
FK(W77。52〗〖BG(!〗〖BHDFG6，FK2，K18，K10，K13,K9]编 号洞室形状
计算公式〖BHDWG3，WK13W〗各点应力系数〖BHDG，WK3，K5，K5W〗点号
αβ 备注〖BHDG68，FK30，K13，K9F〗
〖BHDG12，WK2，K18，K10W〗1 ? θ＝α? h ＋ β? v
〖BHG8〗2 ? ?＝α? h ＋ β? v〖BHG16〗3
? θ＝α? h ＋ β? v 〖BHG8〗4 ? θ＝α? h
＋ β? v 〖BHG8〗5 ? θ＝α? h ＋ β? v 6
? θ＝α? h ＋ β? v 〖BHDG4，WK3，K5，
K5W〗 A 3 －1〖BH〗B －1 3〖BH〗m 1－2cos2
θ 1＋2cos2 θ〖BH〗A 2 a b ＋1 －
1〖BH〗B －1 2 a b ＋1〖BH〗A 1 61
6 －0 87〖BH〗B －0 8
7 1 616〖BH〗C 0 265〖
〗4 230〖BH〗D 4 230 0 265〖BH〗A 1 40 －1
00〖BH〗B －0 80 2 20〖BH〗A 1 20 －0 95〖
BH〗B －0 80 2 40〖BH〗A 2 66 －0 38〖BH〗B
－0 38 0 77〖BH〗C 1 14 1 54〖BHG〗D 1
90 1 54〖ZB)〗〖ZB(〗〖BHDG52，WK9ZQ〗 资料取自萨文《孔口应力集中》一书据云南昆明水电勘测设计院“第四发电厂地下厂房光弹试验报告”
图8-5 各种洞形洞壁的应力集中系数图
3.软弱结构面对围岩重分布应力的影响
由于岩体中常发育有各种结构面，因此结构面对围岩重分布应力有何影响，就成为一个值得研究的问题。研究表明，在有些情况下，结构面的存在对围岩重分布应力有很大的影响。在下面的讨论中，假定围岩中结构面是无抗拉能力的，且其抗剪强度也很低；在剪切过程中，结构面无剪胀作用。分两种情况进行讨论。
(1)围岩中有一条垂直于?v、沿水平直径与洞壁相交的软弱结构面，如图8-6所示。由(8-9)式可知，对于θ＝0，沿水平直径方向上所有的点σrθ 均为0。因此，沿结构面各点的?θ和?r均为主应力，结构面上无剪应力作用。所以不会沿结构面产生滑动，结构面存在对围岩重分布应力的弹性分析无影响。
图8-6 沿圆形洞水平轴方向发育结构面的情况及应力分析示意图
(2)围岩中存在一平行于?v、沿铅直方向直径与洞壁相交的软弱结构面(图8-7(a))。由(8-9)式可知，对θ＝90°，结构面上也无剪应力作用。所以也不会因结构面存在而改变围岩中弹性应力分布情况。但是，当λ＜ 1/ 3时，在洞顶底将产生拉应力。在这一拉应力作用下，结构面将被拉开，并在顶底形成一个椭圆形应力降低区(图8-7(b))。设椭圆短轴与洞室水平直径一致，为2R0，长轴平行于结构面，其大小为2R0＋2Δh，而Δh可由下式确定：
图8-7 软弱结构面对重分布应力的影响示意图
(a)沿铅直方向直径与洞壁交切的软弱结构面；(b)λ＜1/ 3，洞顶底的应力降低区
(8-14)
图8-8 围岩中出现塑性圈时的应力重分布示意图
虚线为未出现塑性圈的应力；实线为出现塑性圈的应力
以上是两种简单的情况，在其他情况下，洞室围岩内的应力分布比较复杂，影响程度也不尽相同，在此不详细讨论，读者可参阅有关文献。
(二)塑性围岩重分布应力
大多数岩体往往受结构面切割使其整体性丧失，强度降低，在重分布应力作用下，很容易发生塑性变形而改变其原有的物性状态。由弹性围岩重分布应力特点可知，地下开挖后洞壁的应力集中最大。当洞壁重分布应力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。但是，这种塑性圈不会无限扩大。这是由于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。莫尔应力圆由与强度包络线相切的状态逐渐内移，变为与强度包络线不相切，围岩的强度条件得到改善。围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。这样，将在围岩中出现塑性圈和弹性圈。
塑性圈岩体的基本特点是裂隙增多，内聚力、内摩擦角和变形模量值降低。而弹性圈围岩仍保持原岩强度，其应力、应变关系仍服从虎克定律。
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)。各圈(区)的应力变化如图8-8所示。在这种情况下，围岩重分布应力就不能用弹性理论计算了，而应采用弹塑性理论求解。
为了求解塑性圈内的重分布应力，假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半径为R1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?h＝?v＝?0，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。
如图8-9所示，在塑性圈内取一微小单元体abdc，单元体的bd面上作用有径向应力?r，而相距dr的ac面上的径向应力为(?r＋d?r)，在ab和cd面上作用有切向应力?θ，由于λ＝1，所以单元体各面上的剪应力σrθ＝0。当微小单元体处于极限平衡状态时，则作用在单元体上的全部力在径向r 上的投影之和为零，即ΣFr＝0。取投影后的方向向外为正，则得平衡方程为：
图8-9 塑性圈围岩应力分析图
＝0
当dθ很小时，sindθ/2 ≈dθ/2。将上式展开，略去高阶微量整理后得：
(8-15)
因塑性圈内的?θ和?r是主应力，设岩体满足如下的塑性条件：
(8-16)
由(8-15)式得：
(8-17)
将(8-17)式代入(8-16)式中，整理简化得：
将上式两边积分后得：
(8-18)
式中：A为积分常数，可由边界条件：r＝R0，?r＝pi(pi为洞室内壁上的支护力)确定。代入(8-18)式中得：
(8-19)
将(8-19)式代入(8-18)式后整理得径向应力?r为：
同理可求得环向应力?θ为：
把上述?r，?θ，σrθ写在一起，即得到塑性圈内围岩重分布应力的计算公式为：
(8-20)
式中：Cm，φm为塑性圈岩体的内聚力和内摩擦角；r为向径；pi为洞壁支护力；R0为洞半径。
塑性圈与弹性圈交界面(r＝R1)上的重分布应力，利用该面上弹性应力与塑性应力相等的条件得：
(8-21)
式中：?rpe，?θpe，σrpe为r＝R1处的径向应力、环向应力和剪应力；?0为岩体天然应力。
弹性圈内的应力分布如本节(一)所述。综合以上可得围岩重分布应力如图8-8所示。
由(8-20)式可知，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，φm)值。由(8-21)式可知，塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于?0和Cm，φm，而与pi无关。这说明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、有压洞室围岩重分布应力计算
有压洞室在水电工程中较为常见。由于其洞室内壁上作用有较高的内水压力，使围岩中的重分布应力比较复杂。这种洞室围岩最初是处于开挖后引起的重分布应力之中；然后进行支护衬砌，又使围岩重分布应力得到改善；洞室建成运行后洞内壁作用有内水压力，使围岩中产生一个附加应力。
本节重点讨论内水压力引起的围岩附加应力问题。
图8-10 厚壁圆筒受力图
有压洞室围岩的附加应力可用弹性厚壁筒理论来计算。如图8-10所示，在一内半径为a，外半径为b的厚壁筒内壁上作用有均布内水压力pa，外壁作用有均匀压力pb。在内水压力作用下，内壁向外均匀膨胀，其膨胀位移随距离增大而减小，最后到距内壁一定距离时达到零。附加径向和环向应力也是近洞壁大，远离洞壁小。由弹性理论可推得，在内水压力作用下，厚壁筒内的应力计算公式为：
(8-22)
若使b→≦(即b/a)，pb＝?0时，则 b2/( b2－a2) ≈1，a2/(b2＋a2)＝0，代入(8-22)式得：
(8-23)
若有压洞室半径为R0，内水压力为pa，则上式变为：
(8-24)
由(8-24)式可知，有压洞室围岩重分布应力?r和?θ由开挖以后围岩重分布应力和内
水压力引起的附加应力两项组成。前项重分布应力即为(8-12)式；后项为内水压力引起的附加应力值，即：
(8-25)
由(8-25)式可知，内水压力使围岩产生负的环向应力，即拉应力。当这个环向应力很大时，则常使围岩产生放射状裂隙。内水压力使围岩产生附加应力的影响范围大致也为6倍洞半径。
第三节围岩的变形与破坏
地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；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，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，我们称前者为变形，后者为破坏。
研究表明：围岩变形破坏形式常取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素。本节重点讨论围岩结构及其力学性质对围岩变形破坏的影响，以及围岩变形破坏的预测方法。
一、各类结构围岩的变形破坏特点
在第二章中我们把岩体划分为整体状、块状、层状、碎裂状和散体状五种结构类型。它们各自的变形特征和破坏机理不同，现分述如下。
(一)整体状和块状岩体围岩
这类岩体本身具有很高的力学强度和抗变形能力，其主要结构面是节理，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。这类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。
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。伴随岩爆产生，常有岩块弹射、声响及冲击波产生，对地下洞室开挖与安全造成极大的危害。
脆性开裂常出现在拉应力集中部位。如洞顶或岩柱中，当天然应力比值系数λ＜1/ 3时，洞顶常出现拉应力，容易产生拉裂破坏。尤其是当岩体中发育有近铅直的结构面时，即使拉应力小也可产生纵
向张裂隙，在水平向裂隙交切作用下，易形成不稳定块体而塌落，形成洞顶塌方。
块体滑移是块状岩体常见的破坏形成。它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。典型的块体滑移形式如图8-11所示。
图8-11 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
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限平衡理论来分析。
(二)层状岩体围岩
这类岩体常呈软硬岩层相间的互层形式出现。岩体中的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。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制，其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。不同产状围岩的变形破坏形式如图8-12所示。在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。当岩层较薄时，如不及时支撑，任其发展，则将逐层折断塌落，最终形成图8-12(a)所示的三角形塌落体。在倾斜层状围岩中，常表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。这时将出现偏压现象(图8-12(b))。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数λ＜1/3时，洞顶由于受拉应力作用，使之发生沿层面纵向拉裂，在自重作用下岩柱易被拉断塌落。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(图8-12(c))。但当洞轴线与岩层走向有一交角时，围岩稳定性会大大改善。经验表明，当这一交角大于20°时，洞室边墙不易失稳。
图8-12 层状围岩变形破坏特征示意图
(a)水平层状岩体；(b)倾斜层状岩体；(c)直立层状岩体
1.设计断面轮廊线；
2.破坏区；
3.崩塌；
4.滑动；
5.弯曲、张裂及折断
图8-13 碎裂围岩塌方示意图
这类岩体围岩的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。
(三)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。这类围岩的变形破坏形式常表现为塌方和滑动(图8-13)。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块相互镶合挤压，错动时产生较大阻力，因而不易大规模塌方。相反，当围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，则易产生大规模塌方或塑性挤入，如不及时支护，将愈演愈烈。
这类围岩的变形破坏，可用松散介质极限平衡理论来分析。
(四)散体状岩体围岩
散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩常表现为弹塑性、塑性或流变性，其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则(图8 14(a))。但当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式(图8-14)。
图8-14 散体状围岩变形破坏特征示意图
(a)拱形冒落；(b)局部塌方造成的偏压；(c)侧鼓；(d)底鼓
这类围岩的变形破坏，可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。
应当指出，任何一类围岩的变形破坏都是渐进式逐次发展的。其逐次变形破坏过程常表现为侧向与垂向变形相互交替发生、互为因果，形成连锁反应。例如水平层状围岩的塌方过程常表现为：首先是拱脚附近岩体的塌落和超挖；然后顶板沿层面脱开，产生下沉及纵向开裂，边墙岩块滑落。当变形继续向顶板以上发展时，形成松动塌落，压力传至顶拱，再次危害顶拱稳定。如此循环往复，直至达到最终平衡状态。又如块状围岩的变形破坏过程往往是先由边墙楔形岩块滑移，导致拱脚失去支撑，进而使洞顶楔形岩块塌落等等。其他类型围岩的变形破坏过程也是如此，只是各次变形破坏的形式和先后顺序不同而已。我们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。
二、围岩位移计算
(一)弹性位移计算
在坚硬完整的岩体中开挖洞室，当天然应力不大的情况下，围岩常处于弹性状态。这时洞壁围岩的位移可用弹性理论进行计算。在此，先讨论平面应变条件下洞壁围岩弹性位移的计算问题。
据弹性理论，平面应变与位移间的关系为：
(8-26)
又平面应变与应力的物理方程为：
(8-27)
由以上两式得：
(8-28)
将(8-10)式的围岩重分布应力(?r，?θ)代入(8-28)式，并进行积分运算，可求得在平面应变条件下的围岩位移为：
(8-29)
式中：u，v分别为围岩内任一点的径向位移和环向位移；Eme，μm为岩体的弹性模量和泊松比；
其余符号意义同前。
由(8-29)式，当r＝R0时，可得洞壁的弹性位移为：
(8-30)
当天然应力为静水压力状态(?h＝?v＝?0)时，则(8-30)式可简化为：
(8-31)
可见在?h＝?v＝?0的天然应力状态中，洞壁仅产生径向位移，而无环向位移。(8-31)式是在?h＝?v时，考虑天然应力与开挖卸荷共同引起的围岩位移。但一般认为：天然应力引起的位移在洞室开挖前就已经完成了，开挖后洞壁的位移仅是由于开挖卸荷(开挖后重分布应力与天然应力的应力差)引起的。假设岩体中天然应力为?h＝?v＝?0，则开挖前洞壁围岩中一点的应力为?r1＝?r2＝?0，而开挖后洞壁上的重分布应力由(8-11)式得：?r2＝0，?θ2＝2?0，那么因开挖卸荷引起的应力差为：
将Δ?r，Δ?θ代入(8-28)式的第一个式子有：
两边积分后得洞壁围岩的径向位移为：
(8-32)
比较(8-31)式和(8-32)式可知：是否考虑天然应力对位移的影响，计算出的洞壁位移是不同的。
若开挖后有支护力pi作用，由(8-32)式则其洞壁的径向位移为：
(8-33)
(二)塑性位移计算
由于结构面的切割，降低了岩体的完整性和强度，洞室开挖后，在围岩内形成塑性圈。这时洞壁围岩的塑性位移可以采用弹塑性理论来分析。其基本思路是先求出弹、塑性圈交界面上的径向位移，然后根据塑性圈体积不变的条件求洞壁的径向位移。假定洞壁围岩位移是由开挖卸荷引起的，且岩体中的天然应力为?h＝?v＝?0。
由于开挖卸荷形成塑性圈后，弹、塑性圈交界面上的径向应力增量(Δ?r)r＝R1和环向应力增量(Δ?θ)r＝R1为：
代入(8-28)式的第一个式子，则弹、塑性圈交界面上的径向应变εR1为：
两边积分得交界面上的径向位移uR1为：
式中：Em，Gm为塑性圈岩体的变形模量和剪切模量，Gm＝Em2(1＋μm) ；?R1为塑性圈作用于弹性圈的径向应力。
由(8-24)式，在弹、塑性圈交界面上有r＝R1，R0＝R1，pa＝?R1，可得该界面上的应力为：
(8-36)
由于弹、塑性交界面处于极限平衡状态，因此将(8-21)式代入(8-36)式有：
将?R1代入(8-34)式得弹、塑圈交界面的径向位移μR1为：
(8-37)
塑性圈内的位移可由塑性圈变形前后体积不变的条件求得，即：
(8-38)
式中：uR0为洞壁径向位移，将(8-37)式展开，略去高阶微量后，可得洞壁的径向位移为：
(8-39)
式中：R1为塑性圈半径；R0为洞室半径；?0为岩体天然应力；Cm，φm为岩体内聚力和内摩擦角。
三、围岩破坏区范围的确定方法
在地下洞室喷锚支护设计中，围岩破坏圈厚度是必不可少的资料。针对不同力学属性的岩体可采用不同的确定方法。例如，对于整体状、块状等具有弹性或弹塑性力学属性的岩体，通常可用弹性力学或弹塑性力学方法确定其围岩破坏区厚度；而对于松散岩体则常用松散介质极限平衡理论方法来确定等。这里主要介绍弹性力学和弹塑性力学方法，松散介质极限平衡方法将在下节中介绍。
(一)弹性力学方法
由上节的围岩重分布应力分析可知，当岩体天然应力比值系数λ＜1/ 3 时，洞顶、底将出现拉应力，其值为?θ＝(3λ－1)?v。而两侧壁将出现压应力集中，其值为?θ＝(3－λ)?v。在这种情况下，若顶、底板的拉应力大于围岩的抗拉强度?t(严格地说应为一向拉、一向压的拉压强度)时，则围岩就要发生破坏。其破坏范围可用图8-15所示的方法进行预测。在λ＞1／3的天然应力场中，洞壁围岩均为压应力集中，顶、底的压应力?θ＝(3λ－1)?v，侧壁为?θ＝(3－λ)?v。当?θ大于围岩的抗压强度?c时，洞壁围岩就要破坏。沿洞周压破坏范围可按图8-16所示的方法确定。
图8-15 λ＜1／3时，洞顶破坏区范围预测示意图
图8-16 λ＞1／3时，洞壁破坏区范围预测示意图
对于围岩破坏圈厚度，可以利用围岩处于极限平衡时主应力与强度条件之间的对比关系求得。由(8-9)式可知，当r＞R0时，只有在θ＝0，π/ 2，π， 3π/ 2 四个方向上，σrθ等于零，?r和?θ才是主应力。由莫尔强度条件可知，围岩的强度为：
(8-40)
若用?r代入(8-40)式，求出?1(围岩强度)，然后与?θ比较，若?θ≥?1， 围岩就破坏，因此，围岩的破坏条件为：
(8-41)
据(8-41)式，可用作图法来求x轴和z轴方向围岩的破坏厚度。其具体方法如图8-17和图8-18所示。
图8-17 x轴方向破坏厚度预测示意图
图8-18 z轴方向破坏厚度预测示意图
求出x轴和z轴方向的破坏圈厚度之后，其他方向上的破坏圈厚度可由此大致推求。但当岩体中天然应力?h＝?v(λ＝1)时，可用以上方法精确确定各个方向的破坏圈厚度。求得了θ方向和r轴方向的破坏区范围，则围岩的破坏区范围也就确定了。
(二)弹塑性力学方法
图8-19 弹塑性区交界面上的应力条件
如前所述，在裂隙岩体中开挖地下洞室时，将在围岩中出现一个塑性松动圈。这时围岩的破坏圈厚度为R1－R0。因此在这种情况下，关键是确定塑性松动圈半径R1。
为了计算R1，设岩体中的天然应力为?h＝?v＝?0；因弹、塑性圈交界面上的应力，既满足弹性应力条件，也满足塑性应力条件。而弹性圈内的应力等于?0引起的应力，叠加上塑性圈作用于弹性圈的径向应力?R1引起的附加应力之和，如图8-19所示。
由?0引起的应力，可由(8-12)式求得为：
(8-42)
由?R1引起的附加应力，可由(8-25)式求得为：
(8-43)
(8-42)式与(8-43)式相加得弹性圈内的重分布应力为：
(8-44)
由(8-44)式，令r＝R1可得弹、塑性圈交界面上的应力为：
(8-45)
界面上的塑性应力由(8-20)式，令r＝R1求得为：
(8-46)
由假定条件(界面上弹性应力与塑性应力相等)得：
将上两式相加后消去?R1，并解出R1为：
(8-47)
(8-47)式为有支护力pi时塑性圈半径R1的计算公式，称为修正芬纳 塔罗勃公式。如果用?c代替(8-47)式中的Cm，则可得到计算R1的卡斯特纳(Kastner)公式。由库仑-莫尔理论可知：
(8-48)
将(8-48)式代入(8-47)式，并令1＋sinφm1－sinφm＝ξ，得R1为：
(8-49)
由(8 47)式和(8 49)式可知：地下洞室开挖后，围岩塑性圈半径 R 1随天然应力? 0增加而增大，随支护力p i、岩体强度C m增加而减小。
算例，有一半径为2m的圆形隧洞，开挖在抗压强度为 ? c＝12Mpa， φ m＝36 9°的泥灰岩中，岩体天然应力为 ? h＝ ? v＝ ? 0 ＝31 2MPa。若洞壁无支护，求其破坏圈厚度 d 。
解：〖ZK(〗≧ sin36 9°＝0 6，ctg36 9°＝1 3； ? C m＝ 12(1－sin36 9°) 2cos36 9°＝3 0MPa
按修正芬纳 塔罗勃公式(8 47)式，可求得：
〖JZ〗 R 1 ＝2〖JB(［〗 (31 2＋3×1 3)(1－0 6) 0＋3 0×1 3 〖JB)］〗 1－0 6 2×0 6 ＝3 06m
则塑性圈厚度 d＝R 1－R 0 ＝3 06－2 00＝1 06m。
按芬纳 塔罗勃公式， 〖JZ〗 R 1＝R 0〖JB(［〗 C mctg φ m＋ ? 0 (1－sin φ m) p i＋C mctg φ m 〖JB)］〗 1－sin φ m 2 sin φ m ＝2〖JB(［〗 3 0×1 3＋31 2(1－0 6) 0＋3 0×1 3 〖JB)］〗 1－0 6 2×0 6 ＝3 22m
因此，塑性圈厚度 d＝3 22－2 00 ＝1 22m
由本例可知，按芬纳 塔罗勃公式计算的 R 1要比修正的芬纳 塔罗勃公式求得的R1大，同时也比哈斯特纳公式求得的R 1大。其原因是芬纳 塔罗勃公式在推导中曾假定弹、塑性圈交界面上的Cm＝0。
以上是假定在静水压力(?h＝?v)条件下塑性圈半径R1的确定方法。在?h≠?v条件下R1 的确定方法比较复杂，在此不详细讨论。
第四节围岩压力计算
一、基本概念
地下洞室围岩在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(peripheraLrock pressure)。根据这一定义，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。因此，如果围岩足够坚固，能够承受住围岩应力的作用，就不需要设臵支护衬砌，也就不存在围岩压力问题。只有当围岩适应不了围岩应力的作用，而产生过量塑性变形或产生塌方、滑移等破坏时，才需要设臵支护衬砌以维护围岩稳定，保证洞室安全和正常使用，因而就形成了围岩压力。围岩压力是支护衬砌设计及施工的重要依据。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三种。
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。地下洞室开挖后围岩的变形包括弹性变形和塑性变形。但一般来说，弹性变形在施工过程中就能完成，因此它对支衬结构一般不产生挤压力。而塑性变形则具有随时间增长而增强的特点，如果不及时支护，就会引起围岩失稳破坏，形成较大的围岩压力。产生形变围岩压力的条件有：①岩体较软弱或破碎，这时围岩应力
隧道开挖围岩稳定性分析
隧道开挖围岩稳定性分析 发表时间：2020-04-03T01:52:44.878Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年24期作者：马智勇[导读] 我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。 中铁二十局集团有限公司 摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。 关键词：隧道开挖；围岩；稳定性 1地形地貌 隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。 2软弱岩群稳定性 2.1软岩地层工程地质特征 单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。 2.2软岩地层围岩变形分析 对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比; σcm一一岩体单轴抗压强度; σci一一岩石单轴抗压强度; Pi一一支护压力; Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。 3坚硬岩组围岩稳定性分析 根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明: σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆 σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆 σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆 σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆 由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。应力集中的结果，使得洞壁附近的切向应力有可能超过其临界值，从而产生岩爆。为了计算围岩的切向应力(σ0)，首先需要作一定假设，将隧道的横截面抽象为受两向正应力作用的平面应变模型。两向正应力其中之一为上覆岩石自重作用引起的垂向应力(Sv);其二维水平向正应力(σn)，它是根据实测的原地应力状态(SH、Sh以及SH的方向)利用线弹性理论公式计算得出，其计算公式如下:
地下洞室围岩稳定判定分析
2009年第5期 东北水利水电地下洞室围岩稳定判定分析 任建川，陈旭，姜淑香 ［摘要］地下洞室稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响洞室稳定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失稳判定是困难的,目前大多数判定是以周边允许收敛量和允许收敛速率的形式给出的,以此判定围岩是否稳定。 ［关键词］地下洞室；围岩稳定；判定分析［中图分类号］TV554 ［文献标识码］A ［文章编号］1002－0624（2009）05－0005－02 （中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118220） 1影响洞室围岩稳定性的主要因素 1.1地质因素 （1）岩体的结构特征。从稳定性分类角度来看，岩体结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。 （2）结构面性质与空间组合。在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互连锁作用有关。因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五方面来研究结构面对洞室围岩稳定性影响的大小。 （3）岩石的力学性质。在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性 破坏，易引起岩爆现象。而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。 （4）初始应力状态。初始应力会影响洞室开挖后稳定性。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的，而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。 （5）地下水的影响。地下水对围岩稳定性的影响主要表现为使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水影响较大。 （6）特殊地质条件。当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。这时岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。 1.2工程活动造成的人为因素 洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。 （1）洞室的尺寸和形状。跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三方面考虑：应 规划设计 · 5 ·
影响隧道围岩稳定性因素
B RIDGE&TUNNEL 桥梁隧道 毫无疑问，隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道，隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关，而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理，才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性，是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩，塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等，通常具有风化速度快，力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质，故对隧道围岩的稳定最为不利；脆1性围岩主要各类坚硬体，由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度，故这类围岩2的强度主要取决于岩体的结构，岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度，可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整。那么，隧道开挖后，围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏， 即使发生破坏，变形的量值也是较少 的。这种情况下，围岩岩性对围岩的稳 定性的影响是很微弱的，即一般是稳定 的，可以不采取支护，能适应各种断面 形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整 体性质差、强度低，节理裂隙发育或围 岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较 破碎或极破碎，则围岩的二次应力会产 生较大的塑性变形或破坏区域，同时节 理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增 大，势必给围岩的稳定带来重大的影 响，不利于隧道洞室稳定;软硬相间的 岩体，由于其中软岩层强度低，有的因 层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定 性不利。 从岩体的结构角度，可将岩体结 构划分为整体块状结构(整体结构和块 状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层 状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状 碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散 结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳 定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状 块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩 体，其强度主要受软弱结构面的分布特 点和较弱夹层的物质成分所控制，结构 面对围岩的影响，不仅取决于结构面 的本身特征，还与结构面的组合关系 及这种组合与临空面的交切关系密切 相关。一般情况下，当结构面的倾角 ≤30°时，就会出现不利于围岩稳定 的分离体，特别是当分离体的尺寸小 于隧道洞跨径时，就有可能向洞内产 生滑移，造成局部失稳;当倾角> 30° 时，将不会出现不利于围岩稳定性的 分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的 影响主要取决于它的性状和分布。一 般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗 粒含量、含水量、易溶盐和有机质等 的含量是决定其性质的主要因素，对 不同类型的软弱夹层，这些因素是不 大相同的。由于软弱夹层的抗强度较 低，故不利于隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特 点，不仅与岩体内的初始应力状态和隧 道形状有关，而且还与围岩的岩性及岩 体结构有关，但主要的是和围岩的岩性 及结构有关(见表1) 。 岩体的天然应力状态 岩体的天然应力是岩体的自重应 力、构造应力、变异及残余应力在某一 个具体地区以特定方式作用的结果。已 经有大量的实践资料证明，大多数地区 的岩体的天然应力状态是以水平方向为 主的即水平应力通常大于垂直应力。一 般情况下，隧道轴向与水平主应力垂 直，以改善隧道周边的应力状态。但水 平应力很大时，则隧道方向最好与之平 行以保证边墙的稳定性。然而，岩体的 天然应力对隧道的影响主要取决于垂直 于隧道轴向水平应力的大小与天然应 力的比值(ζ) ，它们是围岩内应力重分 布状态的主要因素。例如，圆形隧道， 当ζ= 1 时，围岩中不会出现拉应力集 中，压应力分布也比较均匀，围岩稳定 性最好;当ζ≤1/ 3 时围岩出现拉应力， 压应力集中也较大，对围岩稳定不利。 最大天然主应力的数量级及隧道轴向的 关系，对隧道围岩的变形特征有明显的 影响，因为最大主应力方向围岩破坏的 概率及严重程度比其它方向大。因此， 估算这种应力的大小并设法消除或利用 非常重要的。 地质构造 褶曲和断裂破坏了岩层的完整性 降低了岩体的力学强度，一般来说，岩 分析影响隧道围岩稳定性因素 文/王冠勇 TRANSPOWORLD 2012No.13(Jul) 234
7第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究.
授课题目第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究 教学目的要求掌握围岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法、地下洞室围岩工程地质分类的原则和方法;了解地下洞室开挖前后的应力特征;掌握洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素;了解改善地下洞室围岩稳定性的措施。 主要内容第一节地下洞室开挖前后的应力特征 一、应力重分布的特征 二、围岩的松动圈和承载圈 第二节洞室围岩的变形与破坏 第三节影响地下洞室围岩稳定性的地质因素 一、地形条件geographic conditions 二、岩性条件rock and soil engineering characters 三、地质构造条件geologecal structure conditions 四、地下水(水文地质hydrogeological conditions 五、地应力(natural stress 第四节围岩压力 第五节水工隧洞围岩的承载力 第六节地下洞室围岩工程地质分类 第七节改善地下洞室围岩稳定性的措施
重点与难点洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素,岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法。 教学方法 手段(教具 参考资料1戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:中国水利水电出版社,1997 2陈德基主编.水利工程勘测分册.北京:中国水利水电出版社,2004 3崔冠英主编,水利工程地质,北京:中国水利水电出版社,1999. 4左建,郭成久等主编.水利工程地质.北京:中国水利水电出版社,2004 5孙文怀.工程地质与岩石力学.北京:中央广播电视大学出版社,2002 6李智毅,杨裕云主编.工程地质学概论.武汉:中国地质出版社,1994 7张倬元,王士天,王兰生编著.工程地质分析原理.北京:地质出版社, 1981 8胡厚田.土木工程地质.北京:高等教育出版社,2001 课后作业与 思考题 第七章课后思考题与练习题1、2、4、6、8题;教学后记 讲稿 教学过程时间 分配 第七章地下洞室围岩稳定问题 第一节地下洞室围岩应力重分布
围岩分类
围岩分类 地峡工程围岩分类是依据地下工程围岩稳定的主要影响因素，将围岩的稳定性及主要的支护措施分成若干级序，便于地下岩土工程勘察，设计、施工及监测部门之间有关参数的互相对接，为地下工程的综合处理提供简要的方法。 由于影响围岩的因素较多，尤其是在时间和空间上表现出的非线性，使得围岩分类难于确定统一标准，因此在我国的不同行业、根据长期实线经验的总结，出现了不同的分类方法，他们既互相区别，又相互关联，但本质上是一致的。下面列出几个主要的分类。 1.《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)地下洞室围岩分类 地下洞室围岩的质量分级应与洞室设计采用的标准一致，无特殊要求时可根据现行国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218)执行。 1)洞室围岩应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标BQ两者相结合，按表14.2-1确定其基本质量级别。a、岩体基本质量分级应符合表14.2-1的规定。 岩体基本质量分级表14.2-1 注：1、岩石坚硬程度可按表14.2-2划分 2、岩体完整程度定量指标应采用实测的岩体完整性系数Kv值按表14.2-3划分； 当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数Jv按表14.2-4确定Kv值。 b、岩石按饱和单轴抗压强度?r划分其坚硬程度应符合表14.2-2的规定。 c、岩体按完整性系数Kv划分其完整程度应符合表14.2-3的规定。 d、Jv与Kv对照应符合表14.2-4的规定。 岩石坚硬程度表14.2-2 a、有地下水； b、围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用； c、存在表14.2-5所列高初始应力现象。 应对岩体基本质量指标值BQ修正，并以修正后的[BQ]值按表14.2-1确定围岩质量级别。 3)高初始应力地区岩体在开挖过程中出现的主要现象，可按表14.2-5的规定，判定其应力情况。
(完整版)第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。 2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。 目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。 3．分类： 按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等； 按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室； 按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等； 按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类； 按介质，土洞和岩洞。 4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程： 地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时） （洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系） 第二节围岩重分布应力计算 1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。 2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面： ①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定； ②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算； ③支护衬砌后围岩应力状态的改善。 3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）： 指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。
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，当天然应力()c v h σσσ2 1 ≤ 、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩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用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。 （1）圆形洞室 深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。 无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图
地下洞室的围岩分类方法
第四节地下工程的围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体结构特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。国内外的围岩分类所选取的基本因素大致都是这样，但在综合反映基本因素的指标上是不同的。 一、“普氏”分类 普氏分类在我国曾应用较广。主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论和公式，即垂直压力为： Ｐ＝γ0ｈ1 （8-26） 式中Ｐ——垂直压力； ｈ1——压力拱拱高，ｈ1=ａ1／ｆkp ； ａ1——压力拱半跨； ｆkp——岩石坚硬系数； γ0——围岩的重度。 工程地质勘测工作基本上是根据地质条件和经验确定ｆkp值。见表8-16。或按下面的经验公式确定ｆkp值： ｆkp=Ｒc/10 （8-27） 式中Ｒc——岩石的单轴抗压强度（ＭＰa）。 普氏岩石分类表8-16
这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。目前有些单位仍应用此分类。但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。 1.它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额服务的。因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。 2.ｆkp值以岩石强度为基础，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体结构特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态（风化的、破碎的）划归于较低一类去，这样给确定ｆkp值带来了很大的主观臆断性。我国各部门由于工程特点不同，确定ｆkp值标准也不同。甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人可以得出相差很大的ｆkp值。 3.分类等级较多，给使用上带来不便。由于选用的ｆkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。当ｆkp=２和ｆkp=４时，则压力可相差近一倍。 4.普氏压力计算公式根据松散体理论而得，而地下洞室多位于坚硬及中等坚硬以上较完整的岩体中，理论假设前提与客观实际相差太大。一般来说，在坚硬地层中围岩压力公式计算结果偏大，而在松散地层中计算结果偏小。
分析影响隧道围岩稳定性因素
分析影响隧道围岩稳定性因素 习小华 摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。 关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造 毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 1 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。 从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。
洞室围岩稳定性
第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 第一节围岩应力的重分布 一、岩体初始应力状态——地应力 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。 地应力的类型：自重应力 构造应力 变异及其他应力 二、围岩应力的重分布特征 （一）围岩应力：洞室周围发生应力重分布的这部 分岩体叫围岩 围岩中重分布的应力状态叫围岩应力 （二）地下洞室围岩应力重分布特征 1、圆形洞侧压力系数λ=1 径向应力向洞壁内方向逐渐增大 切向应力在洞壁处为2倍的自重应力，但向洞壁内逐渐减小，到5-6倍洞半径时径向应力=切向应力=自重应力 即围岩应力重分布影响范围是6倍的洞半径 2、圆形洞λ不等于1 洞壁受剪应力最大 3、其他形状洞室 洞顶、洞底容易出现拉应力，转角处剪应力最大 洞室高、宽对围岩应力影响最大 三、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 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应力松弛区，称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。 第二节围岩的变形破坏的特征 1、坚硬完整结构：岩爆、开裂 2．块断结构：块体滑移、掉块 3、层状结构岩体：层面张裂、岩层弯曲折断 4、碎裂结构、散体结构岩体 以塌方、塑性挤入为主 第三节地下工程位置选择的工程地质评价 一、地形条件 1、在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。 2、隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。 3、洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。 4、隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段 5、水工隧洞避免曲线或弯道，转弯角度大于60°，曲率半径大于5倍洞径。 二、岩性条件 坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体
地下洞室围岩稳定性综述
地下洞室围岩稳定性综述 摘要：地下洞室围岩的稳定性在地下洞室施工时有着至关重要的作用，简要介绍了近几年研究成果，并对这一研究的现状与发展趋势做了简要评述。 关键词：地下洞室围岩稳定性综述 引言 地下洞室等地下工程开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态。用于各种目的的地下开挖改变了原有的平衡状态，从而造成开挖空间周围的应力重新分布。如果围岩中的应力超过了岩体强度，则围岩会破坏，产生坍塌、片帮甚至底板隆起等现象，软岩或高地应力中的地下洞室则可能产生很大的塑性变形。如果不及时对围岩进行支护或加固开挖出来的地下空间就会因为围岩的变形与破坏而无法使用。当二次应力较低，达不到围岩的弹性极限时，围岩处于弹性状态，无需支护就可以保持稳定；反之当围岩应力较高、强较低时，就会产生塑性变形和断裂破坏；在有断层、节理等不连续面切割时，还有可能在地下洞室的顶板或边墙产生不稳定的楔形块体，也可以对地下空间构成威胁。在进行地下空间设计和施工之前，需要对开挖后的围岩应力进行分析，进而对围岩稳定性进行评价，以便采取合理的开挖方式和支护形式。地下洞室等地下工程不可能一次开挖完成，不同的开挖顺序及施工方案对地下洞室群的稳定性的影响不同，即开挖顺序或施工方案将直接影响围岩应力、变形及破坏区的发展变化过程。因此，选择合理的开挖顺序或施工过程是地下洞室群设计与施工的重要内容，具有重要的理论意义和过程使用价值。 主要研究成果 2004年周敏等[1]在针对影响因素与围岩稳定的非线性关系，利用神经网络理论与BP神经网络的建模能力，进行非线性运算，提出改进的BP神经网络评判围岩稳定性模型，得出神经网络方法可以很好的运用于洞室稳定性影响因素中，且输入的参数不受限制，分类，设计及预测精度高，还可以进行数据联想以及校正补错。提出神经网络方法在地下洞室稳定性分类中具有非常重要的意义。 2005年胡夏嵩等[2~4]以西北某市大型水利地下洞室工程为例，采用弹塑性二维有限元法通过低地应力区地下洞室开挖后围岩拉应力、剪切应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟研究，模拟结果表明：在低地应力地区对于椭圆形洞室，地下洞室开挖后在洞侧壁位置产生应力集中，在洞顶位置出现拉应力现象，基本产生在拱顶正中位置；低地应力区地下洞室开挖后，围岩中的剪应力集中带主要形成于洞顶垂直位置，即地下洞室围岩破坏主要发生在洞顶位置，略偏于拱顶的位置，最大剪切应力等值线分布具有对称性，形成于地下洞室底边墙拐角位置处的最大剪应力集中现象，这种现象与地下洞室开挖所引起的围岩块体结构面切向挤压滑落时的剪切变形、应力释放有一定的关系，洞顶位置处的最大剪应力值明显小于底部边墙拐角处的最大剪应力值，边墙拐角处的最大剪应力值一般是洞顶位置最大剪应力值得1.7倍以上，这与地下洞室底边与侧壁边墙之间开挖成直角形有关，直角形的拐角容易形成剪应力集中，产生围岩的不稳定区；低地应力区地下洞室围岩变形破坏主要是发生在垂直方向，水平方向的规模和程度均不及前者，同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。 2010年叶洲元[5]基于等效数值原理并结合地下洞室围岩本身特性，对大冶铁矿地下洞室工程进行分析，选取围岩质量指标D、单轴抗压强度R c、岩体完整性指标K v、地下水渗水流量W和节理状况对地下洞室围岩稳定性进行评价，结果表明等效数值法应用于围岩稳定性的评价，具有计算简单高效，使用方便等特点。 2013年朱义欢[6]针对地下洞室短长期稳定性的评判准则进行分类总结与归纳，得出岩体流变特性试验的开展以及长期强度的确定，如何给出围岩稳定性的综合评判以及相应的临界
地下工程的围岩分类
地下工程的围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体结构特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。国内外的围岩分类所选取的基本因素大致都是这样，但在综合反映基本因素的指标上是不同的。 一、“普氏”分类 普氏分类在我国曾应用较广。主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论和公式，即垂直压力为： Ｐ＝γ0ｈ1 （8-26） 式中Ｐ——垂直压力； ｈ1——压力拱拱高，ｈ1=ａ1／ｆkp ； ａ1——压力拱半跨； ｆkp——岩石坚硬系数； γ0——围岩的重度。 工程地质勘测工作基本上是根据地质条件和经验确定ｆkp值。见表8-16。或按下面的经验公式确定ｆkp值： ｆkp=Ｒc/10 （8-27） 式中Ｒc——岩石的单轴抗压强度（ＭＰa）。 普氏岩石分类表8-16
这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。目前有些单位仍应用此分类。但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。 1.它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额服务的。因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。 2.ｆkp值以岩石强度为基础，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体结构特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态（风化的、破碎的）划归于较低一类去，这样给确定ｆkp值带来了很大的主观臆断性。我国各部门由于工程特点不同，确定ｆkp值标准也不同。甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人可以得出相差很大的ｆkp值。 3.分类等级较多，给使用上带来不便。由于选用的ｆkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。当ｆkp=２和ｆkp=４时，则压力可相差近一倍。 4.普氏压力计算公式根据松散体理论而得，而地下洞室多位于坚硬及中等坚硬以上较完整的岩体中，理论假设前提与客观实际相差太大。一般来说，在坚硬地层中围岩压力公式计算结果偏大，而在松散地层中计算结果偏小。
地下洞室围岩分类综述
浅谈地下洞室围岩分类 （锦屏建设管理局工程一部周洪波） 【题记】 2005年是锦屏一级水电站前期工程和主体工程全面搭接的一年，这一年中，进场及场内公路工程将基本完工，导流洞工程开挖基本完成，地下厂房辅助洞室等工程将开工。在锦屏一级工程施工中，公路隧道与水电工程地下洞室采用的是不同的围岩分类方法。笔者拟通过本文对“地下洞室围岩分类方法”及现行规范中水电工程地下洞室与公路隧道围岩分类的系统介绍，让读者对其有一个清晰和全面的认识。 围岩是指因开挖，地下洞室周围初始应力状态发生了变化的岩体。地下工程所遇到的围岩是一种极其复杂的地质体，围岩分类的实质就是正确认识和反应这个客观实际。从工程地质的角度，对围岩的各种差异进行一定概括、简化和归纳，然后加以分类，并结合工程特征进行稳定性分析和评价，能为设计、施工提供科学的依据。现行水电与公路工程规范正是遵循这种原则，综合考虑影响围岩稳定的多种指标后，确定了各自的围岩分类标准。 1 洞室围岩分类方法 六十年代以前，围岩质量评价主要是以岩石强度这一单一指标为基础的。如前苏联的以普氏岩石坚固系数为依据的分类法，以抗压强度为依据的捷克分类法，太沙基的载荷分类法，日本围岩准抗压强度分类法，法国隧道围岩分类法。单指标分类不能反应岩体质量的本质，可靠度很低。六十年代至七十年代，逐渐引入了岩体完整性的概念。如Deere（1964）岩石质量指标RQD的提出，日本学者的RMR体系和Barton（1974）的Q体系的提出，展示了岩体质量评价的前景。在国外还有威克霍姆的RSR分类，德国John（1980）的围岩分类RCT，葡萄牙（1980）的岩体工程分类，印度（1980）的隧道围岩分类，日本Otakar（1985）的QTS围岩分类等。我国的围岩分类方案也很多，如谷德振的岩体质量系数Z分类法，杨子文的岩体质量指标M分类法，陈德基的块度模数分类法，东北大学林韵梅、王维纲（1983）提出的一种以围岩强度为指标可将岩体划分为五级的分级方法等。目前，总结国内外关于围岩分类的方法主要有以下几种。 1.1 国内洞室围岩分类常用方法 ①隧道工程岩体分级探讨（铁道部科学研究院西南研究所论文集（第一集），中国铁道出版社，1987年）。其分级依据是岩体质量分级RMQ值，又称岩体质量指标（RMQ）分类法，简称为M法，它是1978年由我国水利电力部岩石试验规程修订小组提出的。这种通过RMQ值的大小来划分岩体质量优劣的具体方法是：根据M值的大小可将围岩质量分为5级，即好、较好、中等、较坏和坏。 ②坑道工程围岩分类。其分类依据是围岩体质量Rs或Rm，它的大小主要由准围岩抗压强度R e、围岩相对完整性系数T e、地下水影响系数C及工程因素S e等四个因素决定。根据围岩体质量指标值的大小，可将围岩划分为五个等级，即稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和很不稳定。 ③鲁布革水电站（地下厂房围岩分类）。分类依据为围岩质量Q，并按该值的大小可将围岩分为
专业知识(二)辅导：围岩分类(一)
专业知识（二）辅导：围岩分类（一） 2 围岩分类 地下工程围岩分类是依据地下工程围岩稳定的主要影响因素，将围岩的稳定性及主要的支护措施分成若干级序，便于地下岩土工程勘察，设计、施工及监测部门之间有关参数的互相对接，为地下工程的综合处理提供简要的方法。 由于影响围岩的因素较多，尤其是在时间和空间上表现出的非线性，使得围岩分类难于确定统一标准，因此在我国的不同行业、根据长期实线经验的总结，出现了不同的分类方法，他们既互相区别，又相互关联，但本质上是一致的。下面列出几个主要的分类。 (1)《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)地下洞室围岩分类 地下洞室围岩的质量分级应与洞室设计采用的标准一致，无特殊要求时可根据现行国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218)执行。 1)洞室围岩应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标BQ两者相结合，按表14.2-1确定其基本质量级别。a、岩体基本质量分级应符合表14.2-1的规定。 岩体基本质量分级表14.2-1 基本质量级别岩体基本质量的定性特性岩体基本质量指标BQ Ⅰ坚硬岩，岩体完整 >550 Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整 550～451 Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整 450～351 Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主；岩体较完整～较破碎；软岩，岩体完整～较完整 350～251 Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩≤250 注：1、岩石坚硬程度可按表14.2-2划分 2、岩体完整程度定量指标应采用实测的岩体完整性系数Kv值按表14.2-3划分； 当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数Jv按表14.2-4确定Kv值。 b、岩石按饱和单轴抗压强度?r划分其坚硬程度应符合表14.2-2的规定。 c、岩体按完整性系数Kv划分其完整程度应符合表14.2-3的规定。 d、Jv与Kv对照应符合表14.2-4的规定。 【
国内外围岩分类概述
weiyan fenlei 围岩分类 classification of rock mass 围岩分类的目的是为了对隧道及地下建筑工程周围的地层进行工程地质的客观评价，判断坑道或洞室的稳定性，确定支护的荷载和设计参数，确定施工方法，选择钻孔和开挖等施工机械，以及确定施工定额和预算等。 发展概况隧道及地下工程围岩分类是在长期实践的基础上发展起来的，并与地质科学、岩土工程和量测技术的发展密切相关。初期的围岩分类多以单一的岩石强度作为分类指标。例如1949年前中国采用的坚石、次坚石、软石、硬土、 普通土和松软土的分类法，以及中华人民共和国成立后广泛应用的“”值分类法(即普罗托季亚科诺夫分类法,1907年)。这类方法在评价坑道或洞体稳定性方面是不充分的;但在选择钻孔机械,确定掘进机类型，尤其是确定松散围岩的地压值等方面仍有一定意义。1970年后，以岩体为对象的分类方法获得了迅速发展。如泰尔扎吉分类法(1974年)、巴顿分类法（1974年）、别尼亚夫斯基分类法（1974年）、法国隧道协会(AFTES)分类法（1975年）,以及中国铁路隧道围岩分类（1975年）和水工隧洞围岩分类(1983年)等。这些分类法多数是根据经验的定性分类，但由于反映了围岩的地质构造特征、围岩的结构面状态、风化状况、地下水情况以及洞室埋深等，因此在评价坑道或洞体稳定性、确定支护结构参数和选择施工方法等方面得到了广泛的应用。 近期的围岩分类中，引进了岩体力学的基本概念和数理统计方法,如考虑初始应力场、坑道周边位移值,以及量测信息等，使围岩分类逐渐从定性分类向定量分类方向发展。如拉布采维茨-帕赫分类(1974年)、日本地质学会的新奥法围岩分类（1979年）、奥地利阿尔贝格隧道的围岩分类（1979年）、苏联顿巴斯矿区的围岩分类(1979年)等。围岩分类的重要发展是把量测信息引进到分类之中，即根据量测的初期位移速度，拱顶下沉和洞体水平向的收敛、变形等进行分类。这也为隧道及地下工程的信息设计和施工打下了基础。到目前为止，已经提出的和正在应用的围岩分类约有50多种，但其中绝大多数仍处于定性描述或经验判别的阶段，尚需进一步研究和完善。 分类要素在围岩分类中，最有影响的要素有：①围岩的构造。指围岩被各种地质结构面切割的程度以及被切割的岩块的尺寸和组合形态，在分类中它是一个起主导作用的因素。视裂缝间距，即被结构面切割的岩块的大小，可将围岩分成 如表[围岩类型]所示的几种类型。②原岩或岩体的物理力学性质。包括单轴或三轴强度和变形特性，如抗压强度、抗剪强度以及弹性模量或变形模量等。一般说，在完整岩体中，原岩的指标是基本的；在非完整（裂隙）岩体中，岩体的指标是主要的。③地下水。地下水的水量和水压等对分类有重大影响，尤其是对软岩和破碎、松散围岩，它们导致岩质软化、降低强度。在有软弱结构面的围岩中，地下水会冲走充填物或使夹层液化等。因而在一些分类法中，都考虑了它的定性的或定量的影响。④围岩的初应力场。在现代围岩分类中，尤其是对于深埋隧道和软弱围岩而言，这一要素占有重要的地位。初应力场通常以上覆岩（土）体的重力来决定，并视为静水应力场；也可通过实地量测大致判定原岩应力场的大小及其方向。
地下工程围岩稳定性分析与控制
第6章 地下工程围岩稳定性分析与控制 6.1 概述 地下洞室是指在地下岩土体中人工开挖或天然存在的作为各种用途的构筑物，按用途分为：矿山井巷（竖井、斜井、巷道）交通隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程等。修建地下洞室，必然要进行岩土体开挖。开挖将使工程周围岩土体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布，这种新出现的不平衡应力没有超过围岩的承载能力，岩体就会自行平衡；否则，将引起岩体产生变形、位移甚至破坏。在这种情况下，就要求构筑物承力结构或支护结构，如支架、锚喷、衬砌等，进行人工稳定。在岩石力学中，将受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称作围岩。从原始地应力场变化至新的平衡应力场的过程，称为应力重新分布。经应力重新分布形成的行的平衡应力，称为次生应力或诱发应力，也叫围岩应力、二次应力、地压、岩亚、矿压或矿山压力。由于次生应力是岩体变形、破坏的主要根源，故次生应力是岩石力学研究的重要内容之一。因此，实现地下岩体工程稳定的条件是 max max u U σ??? ＜S ＜ （6.1） 式中， max σ和max u 分别为围岩内或支护体内的最大或最危险的应力和位移；S 和U 为围岩或支护体所允许的最大应力（极限强度）和最大位移（极限位移）。 有关这方面问题的研究，无论是否支护，都统称为稳定性问题。稳定性问题是岩体地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间的是否满足工程截面大小的安全可靠性。有的地下工程不稳定，还将造成对周围环境的影响，如地面建筑的损坏、边坡塌方以及工程地质条件的恶化等。 此处所讨论的稳定性问题，与压杆、薄壁、壳体等结构稳定性问题的概念有所不同，采用的理论分析方法也是不一样的。 岩体地下工程埋在地下的一定深度，如目前的交通隧道、矿山巷道，有的深到数百米甚至数千米。根据岩体地下工程埋入的深浅可以把它分为深埋和浅埋两种类型。浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而在力学处理上要考虑地表界面的影响。深埋地下工程可视为无线体问题，即在远离岩体地下工程的无穷远处的原岩体。
地下工程围岩稳定性分析
地下工程围堰稳定性分析 班级：08勘查1班 姓名：水如云 学号：08201030142 时间：2011.11.21 摘要通过对地下工程围岩稳定性分析的相关方法及在工程实践中存在问题的分析, 阐述在地下工程围岩稳定性分析中应避免追求精确的计算,提倡探索新的研究思想与研究方法。 关键字：围岩、稳定性分析、地下工程 一、前言 地下工程的稳定问题亦即围岩的变形与破坏问题。顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及地下空间利用的类型看,由于使用要求或标准不同,稳定性的定义就会有差异。围岩稳定性分析方法主要有:块体理论支持的分析方法,主要用于裂隙岩体的稳定分析中;模型试验方法,多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程;数值分析法,基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方法,是目前应用较广泛的一种分析方法,它根据力学模型和分析思想的不同又分为有限元分析、边界元分析、位移反分析等。 目前,在地下工程施工领域中,存在着一种倾向,即追求高精度的数值计算及数学方法的深奥,花了大量的精力、财力和时间去从事复杂而繁琐的数值计算,而放松了对地下工程特殊性的思考,忽略了对问题整体性的理解。 二、地下工程的特点 地下工程涉及到地理与地质环境因素、工程因素、社会经济水平、材料科学发展水平、施工过程控制水平以及地下工程在国民经济中的地位等因素。地理与地质环境本身就是复杂的,它是天然的介质(涉及地应力、地下水、岩性、地质结构、地质构造),很少有地质条件完全相同的两个工程;工程因素则是指工程规模、断面形状与尺寸、施工技术、过程控制、环境控制、工程材料、人、机、料的协调水平等。 地下工程的地理与地质环境、投资水平、设计水平、承建者的技术与管理水平等诸多因素都与工程的成败有联系,它们相互作用、相互渗透、相互影响、相互制约。因此,必须用