6章3节洞室围岩变形及破坏的基本类型
水利工程施工 第六章 地下建筑工程
2.2 爆破开挖轮廓控制
2.3 钻孔爆破循环作业
第六章地下建筑工程
一. 平洞与大断面洞室开挖－平洞/先拱后墙/先墙后拱/ 先加固后开挖 二. 新奥法施工与TBM－支护原理/支护形式/TBM 三. 案例：大型地下工程－奥林匹克地下体育场/那不勒 斯地铁/广州地铁 一.地下工程施工 1.特点 施工于地下，场地受限制，干扰大，施工组织 复 杂，安全问题突出，受不良地质条件影响极大 2.工作项目 洞室开挖，出渣，临时支撑，衬砌支护， 洞室灌浆，质量检查 3.危险 塌方，涌水，流砂，地热，有害气体
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 地下建筑工程的施工顺序 钻孔爆破法开挖 (重点) 掘进机开挖 衬砌施工 喷锚支护 (难点) 地下工程施工辅助作业
1 地下建筑工程的施工顺序
1.1 1.2 1.3 1.4 平洞施工工作面 平洞施工的程序 (重点) 大断面洞室的施工程序 竖井的施工程序 (难点)
二.围岩分类
根据洞室围岩性质，判断围岩是否稳定，确定山岩压力，提出支护设计 方案和确定施工方法。目前我国地下工程施工设计中经常采用的围岩分类主 要有六种： （1）水工技术规范中的围岩分类。SDJ 212—83 （水工建筑物地下工程施工技 术规范》围岩分类；SDJ134—84《水工隧洞设计规范》围岩分类。 （2）国家标准中的围岩分类。GBJ86—85《锚杆喷射混凝土支护技术规范》， 冶金、煤炭工业系统多采用该规范中围岩分类法。 （3）普氏分类法。普罗托奇雅可诺夫根据岩石坚固系数t和岩体弱化系数A，对 围岩进行分类，坚固岩体中大多采用普氏分类法。 （4）比耶涅夫斯基岩体地质力学分类。该分类法的优点是综合考虑岩石的单轴 抗压强度、RQD、节理状态、节理间距、地下水等五个综合因素，确定围岩 等级，再根据节理产状进行修正，最后确定将围岩分成五个等级，具有工程 意 （5）巴顿分类。挪威著名人士N.巴顿根据岩石质量对围岩进行定量评价、分类。 我国很多工程多采用巴顿围岩分类法。 （6）水电地下工程围岩分类法。该方法首先根据洞室围岩变形破坏基本类型、 形式、岩体完整性、岩石强度、岩体结构和地下水等综合因素影响，定性评 价围岩分类，然后再根据围岩稳定性及其变形破坏等有关要素指标对围岩进 行定量分类。不同的是对水文地质的影响考虑更进一步，对地下水渗透量、 涌水状态、压力水头值都深入研究。
地下洞室围岩应力与围岩压力计算
第六章地下洞室围岩应力与围岩压力计算第一节概述一、地下洞室的定义与分类1、定义: 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地下空间。
2、地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞二、洞室围岩的力学问题（1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。
又称地应力、初始应力、一次应力等。
2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。
又称二次分布应力等。
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）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围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）围岩压力问题——计算围岩压力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）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力在有压洞室中，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。
天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力第二节围岩重分布应力计算一、围岩重分布应力的概念围岩：洞室开挖后，应力重分布影响范围内的岩体。
围岩（重分布）应力：应力重分布影响范围内岩体的应力。
围岩应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。
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围岩变形与破坏
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围岩变形与破坏
地下工程的围岩变形与破坏的形式多种多样，主要有五种：
(1)脆性破裂，它是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放形成的。
(2)块体滑移，是块状结构围岩常见的破坏形式，常以结构面交汇切割组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。
(3)岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。
(4)碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。
(5)—般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。
真题练习
【2017真题】围岩变形与破坏的形式多种多样,主要形式及其状况是()。
A.脆性破裂,常在储存有很大塑性应变能的岩体开挖后发生
B.块体滑移,常以结构面交汇切割组合成不同形状的块体滑移形式出现
C.岩层的弯曲折断,是层状围岩应力重分布的主要形式
D.碎裂结构岩体在洞顶产生崩落，是由于张力和振动力的作用
E.风化、构造破碎,在重力、围岩应力作用下产生冒落及塑性变形参考答案：BDE。
隧道地质环境围岩类别分级与不良地质现象概述
岩体 由结构面和结构体组成的具有结构特征的地质体 岩体力学性质取决于岩体结构特征和结构面特性
地下水对岩体力学性质影响很大！
岩体性质
物理性质 容重、节理产状等 水理性质 溶水性、透水性和持水性等
力学性质 抗拉、抗压、抗剪强度等 围岩抵抗变形和破坏的性质
对围岩稳定性影响最大的是力学性质！
隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质
应
变
应力=常数
应 力
应变=常数
t
t
0
0
蠕变曲线
松弛曲线
隧道工程的地质环境---2围岩的工程性质
➢岩体的强度
1.岩石强度： 通过试件获得 2.岩体强度： 低于岩石强度，约为岩石强度的70～80％。
抗压强度： 岩石：受微裂隙制约，强度大
岩体：受结构面制约，强度小，具有各向异性
抗剪强度： 受结构面的制约 结构面发育的岩体，只有抗压的5~10%
➢影响围岩稳定性的因素
两大类：
⑴ 岩体结构特征 ⑵ 结构面性质和空间的组合
地质因素—客观因素
⑶ 岩石的力学性质
⑷ 地下水的影响
⑸ 围岩的初始应力状态
人为因素－主观因素、工程因素
⑴ 隧道尺寸
⑵ 支护结构性质：强、弱
⑶ 隧道开挖方法
隧道工程的地质环境---3围岩的稳定性
➢影响围岩稳定性的因素
1.地质因素 ⑴岩体结构特征 指岩体的破碎程度或完整状态。
围岩是直接影响隧道稳定性的因素，围岩的好坏直接影响隧道的设计施工 及造价。
约为6~10倍隧道直径
说明：围岩既指岩体也指土体
围岩相关内容
围岩工程性质 围岩初始应力 围岩压力 围岩分级 围岩稳定性
岩体构造 物理、力学特征
地下洞室的围岩分类方法
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。
围岩稳定性评价总结
第6 节
◈
.经典案例.
围岩稳定性评价
渝怀铁路圆梁山隧道：线路重点控制工程，全 长11.068公里，隧道地质条件异常复杂。
隧道进口毛坝向斜和出口桐麻岭背斜有多处大 规模的深埋充填溶洞，出口段为岩堆体。
◈
◈
这是国内隧道建设中首次在深埋、向斜部位、 高压富水、形态类型多变的充满水、粉质泥砂 的深部地区中穿过。隧道施工难度属国内罕见。
（3）长隧洞信息化设计方法的研究 收集国内外已建和在建隧洞设计和施工资料，整理 分析，建立隧洞资料数据库；……… ；
◈
.相关链接.
（4）高地应力和高外水压力作用下岩体特性及隧洞 设计关键问题研究 研究高地应力和高外水压力作用下岩体变形和强度 特征；研究“双高”作用下围岩稳定性；围岩的流变 特性及其对衬砌后期的影响；岩体渗流参数反分析， 渗流场分析及渗流应力场的分析；研究“双高”作用 下压力隧洞的支护设计。
第7 节
洞室位址选择地质论证
1、岩性-- 影响洞室稳定性最基本的因素。
坚硬完整岩体
稳定性好，不需支护能 适应各种断面洞室。
软弱岩体-
力学强度低，遇水易软化、崩 解、膨胀等不良性质，不利于 洞室稳定，围岩易变形破坏。
软硬相间岩体-
其中软岩强度低，或错动成软弱夹层，此类 岩一般性质较差，围岩稳定性也较差。
完整坚硬岩体、裂隙较发育、但闭合且连续性
差、未形成分离体。
第6 节
围岩稳定性评价 Fs：安全系数， 一般取Fs=2
二、定量评价
1、整体稳定性计算--
σθc,σθt --洞壁处环向压、拉应力； 整体状或块状岩体，可视为均质、连续介质 σc ,σt --岩体饱和抗压、拉强度。
第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型
R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树林残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
第三节 地下洞室特殊地质问题
T＝T0 (H h)G
0.05 k
道的现象。地下洞室中，地下水影响可归纳为以下几个方面：
1．以静水压力的形式作用于同室衬砌。 2．使岩石和结构面软化，使其强度降低。 3．促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于
滑动。
4．石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作 用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生，将会出
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
三. 松散围岩的变形与破坏： 1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重 力作用下自由坍落。
塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形 成碎屑流涌出。
第三节 地下洞室特殊地质问题
一. 突水突泥： 突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道盾构施工
隧道锚喷支护
隧道衬砌施工
建好的地下厂房（二滩电站）
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏
1. 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力
常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值
气体名称 爆炸限度含量 气体名称 爆炸限度含量
甲烷（沼气）
岩体的变形与破坏
岩体的变形与破坏岩体的变形与破坏1 基本概念及研究意义变形：岩体的宏观连续性无明显变化者。
破坏：岩体的宏观连续性已发生明显变化。
岩体破坏的基本形式：（机制）剪切破坏和拉断（张性）破坏。
一、岩体破坏形式与受力状态的关系岩体破坏形式与围岩大小有明显关系。
注意：岩全破坏机制的转化随围压条件的变化而变化。
破坏机制转化的界限围压称破坏机制转化围压。
一般认为，1/5~1/4[σ]不可拉断转化为剪切。
1/3~2/3[σ]可由剪切转化为塑性破坏。
有人认为（纳达），可用2σ偏向1σ的程度来划分应力状态类型。
应力状态类型参数313122σσσσσα---= （＝1，即σ2＝σ1；＝－1，即σ2＝σ3）二、岩体破坏形式与岩体结构的关系低围压条件下岩石三轴试验表明。
坚硬的完整岩体主要表现为张性破坏。
含软弱结构面的块状岩体，当结构面与最大主应力夹角合适时，则表现为沿结构面的剪切。
碎裂岩体的破坏方式介于二者之间。
碎块状或散体状岩体主要为塑性破坏。
对第一种情况，某破坏判据已经介绍很多了。
第二种情况，可采用三向应力状态莫尔圆图解简单判断。
三、岩体的强度特征单轴应力状态时，结构与1σ方向决定了岩体的破坏形式。
复杂应力状态时，含一组结构面的岩体破坏形式与岩体性质、结构面产状，应力状态关系很大。
2 岩体在加荷过程中的变形与破坏2.1 拉断破坏机制与过程一、拉应力条件下的拉断破坏当0331≤+σσ时，拉应力对岩石破坏起主导作用。
t S -=][3σ二、压应力条件下的拉断破坏压应力条件下裂缝尖端拉应力集中最强的部位位于与主压应力是?=40~30β地方向上，并逐渐向与1σ平行地方向扩展。
当0331>+σσ时，破坏准则为： t S 8)/()(31231=+-σσσσ3σ=0时为单轴压拉断。
2.2 剪切变形破坏机制与过程一、潜在剪切面剪断机制与过程A ．滑移段B ．锁固段进入稳定破裂阶段后，岩体内部应力状态变化复杂。
产生一系列破裂。
（1）拉张分支裂隙的形成，原理同前。
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第三节 地下洞室特殊地质问题
造成地下洞室大量突水的条件是：
①洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到蓄水洞穴或 地下暗河系统时，可能有大量的突水，其突水量可达几百至几千 吨/小时。
②洞室通过厚层的含水砂砾石层，突水量可达几百吨/小时。 ③遇到富水的断层破碎带，特别是它又与地表水连通时，也 会发生大量的突水，突水量一般也在几十至几百吨/小时。 ④洞室通过节理发育的背斜、向斜轴部，当其富水时。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道盾构施工
隧道锚喷支护
隧道衬砌施工
建好的地下厂房（二滩电站）
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏 1. 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力 发生变化，其改变后重新分布的应力叫二
Ⅳ
<2.5 高岩爆活动，有很强的爆裂声
注：fr—岩石单轴抗压强度：σ1-地应力的最大主应力。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
6. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过 其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的 现象。
7. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈 集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出 的现象。
发生在高应力地区的坚硬岩石中 岩爆时，尚伴有声音 岩爆过程分为启裂阶段，应力调整阶段、岩爆阶段 岩爆发生的临界深度为200m
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
岩爆分级 Ⅰ
fr /i
说明
>14.5 无岩爆发生、也无声发射现象
Ⅱ 14.5～5.5 低岩爆活动，有轻微声发射现象
Ⅲ 5.5～2.3 中等岩爆活动，有较强的爆裂声
塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形 成碎屑流涌出。
第三节 地下洞室特殊地质问题
一. 突水突泥： 突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧
道的现象。地下洞室中，地下水影响可归纳为以下几个方面：
1．以静水压力的形式作用于同室衬砌。 2．使岩石和结构面软化，使其强度降低。 3．促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于
R
第三节 地下洞室特殊地质问题
（二）腐蚀：
ห้องสมุดไป่ตู้
1. 腐蚀类型：
芒硝型腐蚀
结晶类腐蚀：石膏型腐蚀
钙矾型腐蚀
此外：还有冰劈作用
分解类腐蚀：一 碳般 酸酸 型型 腐腐 蚀蚀
结晶分解复合类腐蚀
第三节 地下洞室特殊地质问题
2. 腐蚀严重程度：
无腐蚀 弱腐蚀 局部砂浆剥落 中等腐蚀 局部骨料外露 强腐蚀 局部呈豆腐碴状，深度达20cm以上
隧道变型破坏
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
二. 围岩构造控制的变形与破坏 指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度而产生的 沿结构面剪切滑移。
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
三. 松散围岩的变形与破坏： 1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重 力作用下自由坍落。
常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值
气体名称 爆炸限度含量 气体名称 爆炸限度含量
甲烷（沼气）
5%～16%
一氧化碳 12.5%～74%
氢气
4.1%～74%
乙烯
3%
乙烷
3.2%～12.5%
苯
1.1%～5.8%
从已有资料来看，造成突水的多是有丰富的地表水，沿着溶 洞、暗河或断层破碎带以及节理发育的背斜、向斜轴部等良好通 道进入地下洞室通过部位，形成局部富水区，当洞室开挖时便突 然产生大量突水。
第三节 地下洞室特殊地质问题
涌水量预测方法：
（1）相似比拟法： ① 由实测导坑涌水量推算：
Q
F F0
S S0
次应力。又叫重分布应力或围岩应力。
(一) 围岩应力变化规律
1. 圆形洞室：
r r
二次应力在围岩中形成的塑性圈
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
2. 直墙圆拱型洞室：
侧压力系数较低 ＝Hv 侧压力系数较高
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
（二）围岩应力引起的变形和破坏类型 1. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石 抗拉强度，引起岩石 破裂，导至洞顶塌落 的现象。 2. 劈裂剥落： 切向应力导至洞室 周边岩石形成平行 洞壁的密集破裂， 并产生剥落的现象。
滑动。
4．石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作 用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生，将会出
现附加的山岩压力。
5．含水层由于大量地下水的流出，在动水压力作用下，将出现 流砂及渗透变形。
6．如地下水的化学成分中含有害化合物(硫酸、侵蚀性二氧化 碳、硫化氢、亚硫酸)时。对衬砌将产生侵蚀作用。
（三）地温：
G＝1℃／33m≈ ℃∕m
（四）瓦斯：（以甲烷为主的有害气体的总称，主要发生
在含煤地层）
危害条件：瓦斯浓度小于5－6％；能在高温下燃烧
瓦斯浓度为5 ~ 6％－14 ~ 16%；易爆炸。
（特别是含量为8％时）
瓦斯浓度为42 ~ 57％时，易使人窒息。
施工要求：瓦斯浓度大于1％，不准装药放炮。 瓦斯浓度大于2％，工作人员撤离现场。
Q0
② 由于开挖地段涌水量推算：
Q
L L0
Q0
第三节 地下洞室特殊地质问题 （2）水均衡法：Q 1000 F A
T
（3）地下水动力学法： ① 潜水含水层中的完整型隧道：
Q B K H 2 h2 R
② 承压水含水层中的完整型隧道：
[M (2H M ) h2 ] Q BK
3. 腐蚀易发生地区：
R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树林残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
第三节 地下洞室特殊地质问题
T＝T0 (H h)G
0.05 k
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
3. 碎裂松动：碎裂状岩体开挖后，岩块沿结构面滑移并形 成松动圈的现象。
4. 弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折 内鼓，甚至坍倒的现象。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
5. 岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能 突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。 岩爆特点：