浅谈地下洞室围岩稳定性技术在工程地质中的应用
地下工程围岩稳定性分析及工程应用
内蒙古科技大学创新基金项 目（ 编号 ： １Ｎ ０９ 。 ２ ０ Ｃ４ ） ０ 鲍先凯（ ９ ４ ） 男 ， 师 ， 士，１０ ０内蒙古包头市。 １７ 一 ， 讲 硕 ０４ １ ９ ０
鲍先凯
李 义： 地下工程围岩稳定性分析及 工程应用
２３ 塌 ． 方
２１ 年 １ ０１ １月第 １ 期 １
摘
要
分析 了影 响地 下工 程 围岩 稳 定性 的各 种 因素及 围岩 失稳 的 主要 形 式 ， 并将 分 析应 用
地 应 力 地 下水 地 下结构 失稳
于地 下 工程 实践 中 ， 以期 对地 下 工程施 工提供 指 导作 用。
关键词 围岩 地 下工程
围岩 开挖后 会 失 去原 有 的平 衡 状 态 ， 内部 的 其
稳定起 控 制作用 ， 只单 纯 分析 岩 块 强 度 的 意义 并 不
大。
１ ２ 地 应 力 ．
初 始应 力发 生改 变 ， 新 调整 和分 布 后 的 应 力 即 围 重
岩应力。如果围岩应力没有超过岩体的承载能力 ， 岩体会 自然平衡 ， 否则将发生破坏。地下工程围岩 稳 定性 问 题 一 直 是 岩 土 工 程 界 的一 个 重 要 研 究 课
增长， 但其值会相差很大 ， 显示 出很强的方向性 。 同时 ， 地应 力 还会受 到工程 所处 的地形 、 表剥 地
蚀、 风化 、 岩体 力学 特 征 等 因素 的影 响 ， 别是 断 层 特
和地形 的影 响较 大 。
１ ３ 地 下水 ．
地 下 水 是 影 响 围 岩 稳 定 的 一 个 另 一 重 要 因
不同 ， 岩体的工程稳定性分析亦不同。
岩体 的强度和变形也是影 响稳定性 的另一重要
地下洞室围岩稳定性分析
地下洞室围岩稳定性分析在进行地下洞室围岩稳定性分析时，一般需要考虑以下几个主要因素：1.岩层的力学性质：岩层的力学性质是岩石稳定性的基础。
要进行稳定性分析，首先需要获取岩层的力学参数，如岩石的强度、弹性模量和剪胀性等。
通常可以通过室内试验、现场调查和实测等方法获得这些参数，或者借助已有的类似工程的资料进行评估。
2.地下水：地下水是地下洞室稳定性分析中重要的一项因素。
地下水对围岩的稳定性产生的主要影响是增加孔隙水压，降低岩层的有效应力，促使岩体产生破坏。
因此，需要充分考虑地下水对岩层的影响，包括水位高度、水质状况、渗流特性等。
3.岩体结构：岩体的结构对于岩层稳定性具有重要影响。
岩体的结构主要表现为节理、裂隙、岩体层理等。
这些结构特征对洞室的稳定性有直接影响，形成控制洞室稳定的主要因素之一、因此，在进行稳定性分析时，需要对岩体的结构特征进行详细调查和分析，选择合适的建模方法进行模拟。
4.洞室开挖方式和支护措施：洞室的开挖过程和支护措施对围岩稳定性有着直接的影响。
开挖过程中，洞室周围会受到剪切应力和变形等影响，进而对围岩稳定性产生影响。
因此，在稳定性分析中需要考虑洞室开挖方式和支护措施的影响，选择合适的岩体应力场和支护材料。
在进行地下洞室围岩稳定性分析时，常用的方法包括力学分析法、数值模拟法和现场监测法等。
力学分析法通过分析力学参数和地质参数，计算岩体的稳定系数，从而评估围岩的稳定性。
数值模拟法通过建立数学模型，采用有限元或边界元方法，模拟洞室周围围岩的变形和破坏过程，预测洞室的稳定性。
现场监测法是指通过安装监测点，对洞室周围的围岩变形和破坏进行实时监测，从而评估围岩的稳定性。
综上所述，地下洞室围岩稳定性分析是一个复杂的工程问题，需要考虑多个因素的综合影响。
只有充分了解地下洞室周围的地质和力学条件，选择合适的分析方法和模型，才能有效评估围岩的稳定性，并制定出合理的支护措施，确保地下洞室的安全和持续稳定。
地下旧空围岩稳定性的工程地质分析
地下旧空围岩稳定性的工程地质分析1 基本概念及研究意义为各种目的修建在地下的中空通道称为地下洞室，它具有一定的横断面形状和尺寸，并有较大的延伸长度。
围岩：洞室开挖，周边岩体卸荷而形成应力重分布，把洞室周边应力重分布范围内的岩体称为围岩。
围岩稳定性：即保证洞室安全和正常使用条件下，允许围岩变形、破坏的限度。
2 地下开挖后围岩应力的重分布2.1 围岩重分布的一般特点地下洞室一般都开挖在地下浅、表部，因此假定仅受重力场的影响，其应力状态为：⎩⎨⎧⋅=+⋅=γσσσσN h r x vo2根据圣·维南原理，洞室开挖以后，其对应力场影响仅仅局限在洞室周围较小的范围内，超出此范围，地应力场将不受影响。
因此，洞室形成后，其边界应力场设为洞室开挖前洞中心的初始应力场。
即如上式所示，洞室开挖后的围岩应力可按弹性理论求解。
洞室形成以后，原来的应力平衡被打破，围岩内各质点在回弹应力作用下将沿最短途径向消除应力的自由表面方向位移，甚至达到新的平衡。
如此，回弹方向产生了岩体松胀，而另一个方向则产生更大的挤压。
围岩应力的分布和大小，是围岩稳定分析的基础，必须对围岩庆力的分布状况有清楚的了解。
对圆形洞室，自重应力场条件下的围岩应力，有两个方向的应力分布状态值得关注：即垂直方向的洞顶和水平方向的洞周。
当0=H σ时，洞顶将出现环向拉应力。
2.2 圆、椭圆形洞室周边应力分布的一般规律圆形洞室周边应力集中状况根据弹性理论，圆、椭圆形洞室的洞顶（A 点）和水平洞边的环向应力（切向应力），可由下式计算：)(N v ⋅+=βασσθ 式中N ⋅+βα称为应力集中系数ab为椭圆的长轴短形洞空在转角处，应力集中程度最高（压应力）一、拉应力产生的条件a. 当N=1时，即静水压力状态，任何轴比的洞室周边均不产生拉应力。
b. 当N=0时，即洞室处于单向受压状态时，最大拉应力总是产生于最大主应力轴向的洞室顶点。
（A点）且与洞形无关。
c. 其余情况，特定洞室有产生拉应力的临界N值。
工程地质讲稿-第9章：地下洞室围岩稳定性
地下水作用
地下水压力、渗透性等对围岩 稳定性产生影响，特别是在软
弱岩体中更为显著。
围岩稳定性评价方法
工程地质分析法
通过对地质勘察资料进行综合 分析，评估围岩的稳定性和可
能发生的不良地质现象。
数值分析法
利用数值计算方法模拟围岩应 力分布、变形和破坏过程，为 工程设计和施工提供依据。
谢谢观看
重要性
围岩稳定性是地下洞室工程设计 和施工中的关键问题，直接关系 到工程的安全性、经济性和可行 性。
围岩稳定性影响因素
01
02
03
04
地质条件
包括岩体的物理性质、岩层结 构、节理裂隙发育程度和地下
水状况等。
洞室设计
洞室的跨度、形状、埋深、支 护方式等设计因素岩的扰动程度和 支护结构的及时性有直接影响
控制地下水压力
设置排水系统
在洞室周边设置排水系统，以降 低地下水压力和防止涌水。
采取止水措施
在洞室周边采取止水措施，如注 浆、粘土填塞等，以防止地下水
渗入。
合理选择施工方法
根据地下水压力情况，选择合适 的施工方法，如逆作法、分部开 挖法等，以减少对围岩稳定性的
影响。
监测与预警系统
设置监测点
在洞室周边设置监测点，对围岩位移、变形、应 力等情况进行实时监测。
工程地质讲稿-第9章地下洞室围岩 稳定性
目录
• 地下洞室围岩稳定性概述 • 地下洞室围岩应力分析 • 地下洞室围岩破坏模式与机理 • 提高地下洞室围岩稳定性措施 • 地下洞室围岩稳定性工程实例
01
地下洞室围岩稳定性概 述
定义与重要性
定义
地下洞室围岩稳定性是指围岩在 一定时间内保持其自身结构完整 性和稳定性的能力。
第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究课件
地形条件
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。
隧洞进出口地段的边坡应下徒上缓， 无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石 应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾 向山里以保证河—口坡的安全。在地 形徒的高边坡开挖洞口时，应不削坡 或少削坡即进洞，必要时可做人工洞 口先行进洞，以保钲边坡的稳定性。 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。
坚硬岩体中的块体滑移
层状弯折和拱曲
岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。 平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。 在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分 岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。 在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所 以边墙容易凸邦弯曲。
岩爆的产生需要具备两方面的条件
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。
岩爆产生的爆坑 右侧拱顶位置塌方情况
锦
屏
二
级 水
爆坑附近边墙下部破坏情况
电
站
排
水
洞
岩
爆
第二次岩爆塌方左侧拱架破坏情况
块体滑移 块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结 构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分 离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的 光滑程度及是否夹泥等。
当天然应力比λ=1时，洞室周边围 岩应力弹性重分布计算公式
工程地质 第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
处围岩的应力降低，加之新开裂处岩体在 水和空气影响下加速风化，岩体向洞内产 生塑性松胀。这种塑性松胀的结果，使原 来由洞边附近岩石承受的应力转移一部分 给邻近的岩体。因而邻近的岩体也就产生 塑性变形。这样，当应力足够大时，塑性 变形的范围是向围岩深部逐渐扩展的。由 于这种塑性变形的结果，在洞室周围形成 了一个圈，这个圈一般称为塑性松动圈
机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落 产生条件：
1) 断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物; 2）多位于洞顶→边墙.
溶洞堆积物
⑸松软岩体
局部塌方
表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。 机理：塑性变形、膨胀、流变、蠕变。
产生条件：
1）岩性软弱：形成年代新、胶结差；
—— 松软或破碎岩体
r
工程类比法
7.4 围岩工程地质分类
BQ的分类方法在第四章已经介绍过了。 在这具体提出修正系数的取值
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
指：未对洞壁采取任何支护措施，围岩由变形发展至 破坏的时间
式中：t切向拉应力，切向压应力，Rt围岩的抗拉强度，Rb饱和抗压强度
•围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。 例：如图
K
F T
洞顶块体Q1和洞壁块体Q2的稳定性系数分别为
K 2(c1l1 c2l2)(ctg ctg)/ L23
K (Q2 costg4 c4l4 ) / Q2 sin
情况的工程 隧 洞 分 类●
无压隧洞（承受围岩压力、外水压力）
⑵ 弹性抗力 —— 一般指有压隧洞冲水后，围岩在内水压力作用 下产生压缩变形的同时对衬砌所形成的反力
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
一、地下洞室围岩稳定性
地下洞室围岩稳定性是指开挖地下洞室时，所受水、渗、力、温度变
化作用下，围岩在洞室形成过程中，确保其稳定性，防止发生失稳破坏的
能力。
地下采掘洞室围岩稳定性受到岩性、受力形式、受力程度、渗透性、温度变化、洞室形状及支护形式等多种因素的影响，是复杂的工程力学问题。
二、稳定性分析指标
1、岩体的稳定性
假设在洞室围岩失稳前，围岩的状态是完全稳定的，所以在洞室围岩
的稳定性分析中，首先要对围岩的物理力学性质进行研究，确定洞室围岩
的初始稳定性或不稳定性，对洞室围岩的加载稳定性进行评价，并确定必
要的加固措施。
2、洞室围岩作用的潜在施工影响
稳定性分析还要考虑洞室的施工对围岩的影响，如渗漏的影响，支撑
结构的影响，排水管的影响，洞室入口封闭的影响等。
这些因素会对洞室
围岩的稳定性造成一定影响。
三、稳定性分析方法
1、岩层垂直受力平衡分析法
岩层垂直受力平衡分析法是指将洞室每一层的垂直受力状况按照垂直
受力平衡原理，进行层层分析，以确定每一层的受力及稳定情况。
浅谈城市人防地下工程洞室围岩的稳定性分析
一
断扩大 ， 土地利用率越来越高， 在原 有地下建筑的上部 建造高层建筑己经屡见不鲜 ， 由此引发的工程事故也越
来越 多 。可 见 ， 强城 市 防 空 洞 围岩 稳 定 性 评价 工作 ， 加 以期 采取合理 可靠 的处 理措施 ， 到既保 证 上部建 筑 的 做
１ ２ 定量 分析 法 ．
将上 式积 分 ， 引进 边 界 条件 ｚ ０ｄ一ｑ ｚ 并 一 ， ； —Ｈ，
（）近似结构力学分析法 ： １
①按无 铰拱计 算 验 算 ： 洞顶 呈 拱 形 时 ， 无 铰拱 当 按 验算 ， 据无 铰抛 物线拱 或 圆弧拱 计算 公式 求拱脚 和拱 根 顶 的支 座反 力和力矩 后 ， 再求 出铰拱 最 小安 全厚 度 。 ②按 板 梁验算 ： 当顶 板岩 层较 完整 、 强度 较高 、 层理 厚且 已知顶板 厚度 和 裂 隙切 割 情 况 时 ， 可按 板 梁验 算 。 当跨 中有 裂缝 、 顶板 两端 支 座 处 的 岩 石 坚 固完 整 时 ， 按
摘
要 ： 市 中广泛存 在 的人 防地 下 工程给 城 市建设 带来 了工程 隐患 ， 必要加 强洞 室 围岩 稳定性 评 城 有
价 工作 。在 综述 常 用的 围岩 稳定 性分析 方 法 的基 础上 ， 举例说 明 了有 限元 分析在 此领 域的应 用 。
关键词 ： 防地 Ｔ＝ 程 ； 室稳定性 ； 人 ｎ 洞 有限元 中图分 类号 ： ５ ． １ 文献标 识 码 ： 文 章编 号 ：０ ４ ５ １ （ ０ ７ ０ － ０ ２ － ０ Ｕ４ ６ ３ Ｂ １０－ ７６ ２０ ）５ １２ ２
常常受到其适用性的限制 ， 而且同一个模型计算出来的
结果差别很大。而数值模 拟分析方法具有考虑各种因
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浅谈地下洞室围岩稳定性技术在工程地质中的应用
摘要：近年来，我国经济飞速发展，各类工程建设更是取得了巨大的成就。
建设优质工程，稳定的岩土地质是基础。
本文结合作者多年工作经验，以构筑安全稳定的地下工程为研究目的，首先分析了地下围岩开挖后的应力分布，紧接着详细阐述了地下洞室围岩的变形破坏、山岩压力，最后对围岩稳定性进行了分析和评价，以供相关工作者参考。
关键词：地下洞室；围岩；稳定性；工程地质
地下洞室是一系列地下工程的统称，在当代社会，人们为了缓解人地矛盾节约空间的发展需要，在地上空间相对不足的情况下转向地下空间。
地下设施的种类有很多，具体包括矿山坑道、地下发电站厂房、铁路隧道、水工隧洞、地下停车场及地下铁道等。
通过建造这些地下设施，为现代城市的发展节约了大量的空间，有效的缓解了人地的矛盾。
地下设施不同于在地上修筑建筑物，它的施工环境条件更加复杂，建筑物不仅承受着自身重量，还承受着来自四周围岩的压力，围岩地质的不稳将对地下设施产生致命的破坏。
纵观这些地下设施，它们虽在设计、施工等方面各有不同，规模更是千差万别，但是从地质围岩方面分析，它们都有一个共同的特点，就是要在地下岩体内开挖出一个具有较大延伸长度，一定横断面积和尺寸的洞子。
这是工程施工的重要组成部分，同时也是工程安全稳定的决定性因素。
地下岩土是一个应力平衡状态体，自身有一个安全稳定的组织系统，对地下岩石进行开挖无疑是对这种平衡状态的破坏，因此，在开挖的过程中保持施工的顺利进行及工程的正常运营，就要保证地下洞室岩体的应力平衡。
在岩体开挖的过程中，周围岩体应力会重新分布并发生卸荷回弹，这时候要根据周围岩体的稳定状况，对岩体采取适当的措施。
如果围岩不够坚固，就会因应力状态的变化和卸荷回弹发生显著的变形，破坏岩体的稳定性。
有时候围岩适应不了应力的重新分布和回弹应力的作用丧失自身的稳定性，这就需要对围岩采取加固措施，否则将严重影响着地下建筑的施工和正常运营。
1地下开挖后围岩应力分布
①围岩应力分布的一般特点。
岩体保持天然状态，自身受到一种初始应力的支撑，这是岩体的存在一般状态，也是岩体安全稳固的平衡状态，岩体的稳固状态主要受两个力的影响，水平正应力和垂直正应力。
这两个力在通常情况下是平衡的，这也是岩体得以保持平衡的原因。
岩体内何一点的初始应力状态也都可以通过这两个力进行分析。
围岩应力分布与径向应力的分布有关，它的主要特征是随着径向应力向自由表面的接近而慢慢减小，直到在洞壁处应力大小变为为零。
切向应力在一些部位的分布也有其自身特点，越接近自由表面切向应力就越大，当接近洞壁时切向应力达到最高值，这就是所谓压应力集中现象。
②洞室压力集
中的一般规律。
对于不同形状的洞室，应力分布是不一样的。
圆形、椭圆形洞室，最大压应力和周边可能拉应力分别发生于岩体内，产生的部位在最小主应力轴和初始最大主应力轴与周边垂直相交的两点，而两点之间的应力呈逐渐过渡状态，介于上述两个极值之间。
围岩是否稳定的关键就是看这两点，要想掌握这类洞室周边应力集中的一般规律就必须对这两点的应力情况进行详细的了解。
2地下洞室围岩的变形破坏及发展
①围岩的变形和破坏。
围岩主要包括各种块状结构、层状结构坚硬围岩、半坚硬脆性围岩等。
这类围岩的破坏和变形，水分的分布对其破坏和变形的影响较为轻微，主要是在回弹应力的作用下发生的。
这类围岩变形破坏的形式和特点主要取决于围岩结构，一般有张裂塌落、弯折内鼓、剪切滑移、劈裂剥落及岩爆等不同类型。
②围岩变形破坏的发展。
由于围岩内应力分布的不均匀性以及岩体结构、强度的不均一性及各向异性，那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的部位往往是累进性破坏的突破口。
通过大量的研究实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常是累进性发展的。
在大范围围岩尚保持整体稳定性的情况下，这些应力强度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应力向其它部位转移，引起另外一些次薄弱部位的破坏。
3洞室围岩稳定性的分析与评价
3.1影响围岩稳定性的因素
围岩稳定性主要受两种因素的影响，即围岩的应力状态和围岩的强度，下面分别简述之。
①围岩应力状态。
围岩的应力状态受两个因素的影响，具体包括洞室的剖面形状、尺寸及岩体的天然应力状态。
其中洞室的形状主要受施工的影响，与工程设计有关，它在岩体稳定性因素中所占的比重是较小的，而且可以通过优化设计进行有效的避免，取决于工程活动的要求与特点。
而岩体的天然应力状态则受多种因素的影响，它不仅与人类工程活动的要求有关，而且受自然地质因素的制约，控制的难度较洞室的形状、尺寸大。
②围岩强度。
围岩强度是影响围岩稳定性的又一重要因素，单从岩性角度分析，围岩可以分为脆性围岩和塑性围岩两大类。
塑性围岩不同于脆性围岩，它主要包括各类破碎松散岩石、钻土质岩石及某些易于吸水变形膨胀的岩石等（如硬石膏），这类岩石通常具有力学强度低、风化速度快及遇水易膨胀、软化或崩解等不良性质，这些不良性质一旦表现出来，对地下洞室的稳定性是极为不利的。
3.2围岩稳定性的评价
围岩应力与工程的大小有关，一般情况下工程量越大围岩的应力就越大。
所以，围岩的应力状况要根据工程的具体情况进行分析，对于隧道工程而言，期深度和规模一般不大，围岩应力也较小，对工程的影响范围较小，工程不稳定的意外情况也多发生在围岩强度特别低的部位，地质不稳定的因素较为明显，通过大
量的实践表明，在一般的工程洞室中，围岩的失稳破坏通常发生在以下类型的地带：
①半坚硬的薄层状结构岩体及碎裂结构岩体分布区。
②层状及坚硬块状岩体中，洞或边墙上不稳定结构体或软弱结构面切割部位。
③软弱的塑性岩体或破碎松散岩石分布区，主要包括岩体中的风化速度快、力学强度低、构造破碎及遇水易膨胀、软化、或崩解的粘土质岩类分布地带。
4结语
综上，周围岩层的稳定性决定着地下建筑的安全和正常使用，在工作中要时刻保持谨慎的工作作风，严格施工程序打造优质工程。
实践中还有一些问题亟待去研讨解决，鉴于作者水平有限，文章论述不到之处望行业同仁多多指正，今后亦会加强相关理论知识的学习，争取为我国在地下洞室围岩稳定性研究方面做出更大的贡献。
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