第9章地下洞室围岩稳定性
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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。
工程地质讲稿-第9章：地下洞室围岩稳定性
，进而影响围岩稳定性。
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。
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。
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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。
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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。
地下洞室围岩稳定性DING
σv=σv0+γh σh=Nσv σv0值可以是零，也可以是常数
精选ppt
6
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，即地下洞室在岩体是处 在一种非均匀的初始应力场中。
精选ppt
7
围岩应力重分布
地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态， 围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最 短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达 到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某 个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松 胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严重了。 这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了 改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形成新的 应力状态，称为应力重分布。
变形破坏形式取决于围岩应力状 态、岩体结构及洞室断面形状等 因素。见下图，不同岩体结构及 洞室断面形状，围岩变形破坏形 式不同。
精选ppt
17
3.2.2 脆性围岩的变形破坏
脆性围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。
这类围岩的变形和破坏，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。
通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的的3355倍倍习惯上将此范围内的岩体称为习惯上将此范围内的岩体称为围围3333地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏321321围岩变形破坏的一般过程和特点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
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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，即地下洞室在岩体是处 在一种非均匀的初始应力场中。
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7
围岩应力重分布
地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态， 围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最 短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达 到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某 个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松 胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严重了。 这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了 改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形成新的 应力状态，称为应力重分布。
变形破坏形式取决于围岩应力状 态、岩体结构及洞室断面形状等 因素。见下图，不同岩体结构及 洞室断面形状，围岩变形破坏形 式不同。
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3.2.2 脆性围岩的变形破坏
脆性围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。
这类围岩的变形和破坏，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。
通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的的3355倍倍习惯上将此范围内的岩体称为习惯上将此范围内的岩体称为围围3333地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏321321围岩变形破坏的一般过程和特点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
地下洞室围岩稳定性89页PPT
31、只有永远躺在泥坑里的人，才不会再掉进坑里。——黑格尔 32、希望的灯一旦熄灭，生活刹那间变成了一片黑暗。——普列姆昌德 33、希望是人生的乳母。——科策布 34、形成天才的决定因素应该是勤奋。——郭沫若 35、学到很多东西的诀窍，就是一下子不要学很多。——洛克
地下洞室围岩稳定性
51、没有哪个社会可以制订一部永远 适用的 宪法， 甚至一 条永远 适用的 法律。 ——杰 斐逊 52、法律源于人的自卫本能。——英 格索尔
53、人们通常会发现，法律就是这样 一种的 网，触 犯法律 的人， 小的可 以穿网 而过， 大的可 以破网 而出， 只有中 等的才 会坠入 网中。 ——申 斯通 54、法律就是法律它是一座雄伟的大 夏，庇 护着我 们大家 ；它的 每一块 砖石都 垒在另 一块砖 石上。 ——高 尔斯华 绥 55、今天的法律未必明天仍是法律。 —
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，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R0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：图8.1柯西课题分析示意图……………………①式中为应力函数，它是和的函数，也是和的函数。
地下洞室围岩的稳定性问题
通常情况下，自重应力和构 造应力是地应力中最主要的部分。
由于地下洞室的开挖破坏了 岩土体中原有的应力状态（一次 应力状态），造成应力重分布 （二次重分布应力）。
1.1围岩应力的重分布
2.围岩与围岩压力 围岩是指地下洞室开挖后发生应力重分布的洞周围的
土体。洞室开挖后，为保证洞室的稳定需要经常进行支护 和衬砌，洞室支护和衬砌结构上必然受到围岩变形和破坏 的岩土体的压力，这种由于围岩的变形与破坏而作用于支 护和衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力按其形成方 式主要有以下几种：
（3）冲击压力。冲击压力也 称“岩爆”，当建筑物埋深较大 ，或由于构造作用使初始应力很 高，开挖后洞体应力超过了围岩 的弹性界限时，这些能量突然释 放所产生的巨大压力，称为冲击 压力。
（4）膨胀压力。某些岩土体 由于遇水后体积膨胀而产生膨胀 压力。膨胀压力的大小取决于岩 土体的物理力学性质和地下水的 活动特征。
1.2地下洞室围岩的变形与破坏
（4）弯折内鼓。在薄层脆性 围岩中，当卸荷回弹或切向压应 力超过薄层岩层的抗弯强度时， 岩体变形、破坏将主要表现为层 状岩层以弯折内鼓的方式破坏。
当以垂直应力为主时，水平 岩层在洞顶易产生弯折；当以水 平应力为主时，竖直岩层在洞壁 易产生弯折。
Hale Waihona Puke 在卸荷回弹造成的破坏中， 破坏主要发生在地应力较高的岩 体内（如深埋洞室或水平应力高 的洞室），并且总是在与岩体内 初始最大应力垂直相交的洞壁上 表现最强烈。
（1）松动压力。松动压力也称“散体压力”，指由 于围岩松动或坍塌的岩土体以重力形式作用在支护结构 上的压力。
1.1围岩应力的重分布
（2）变形压力。变形压力是 指支护结构为抵抗围岩变形而承受 的压力。围岩变形是时间的函数， 变形压力与围岩变形和支护结构有 关，所以变形压力是时间和支护结 构特征的函数。洞室开挖后，一定 的支护结构应有一个合理的支护时 间；若同一支护时间采用不同的支 护结构，则变形压力也不同，一般 支护结构柔性越好，变形压力就越 小。
由于地下洞室的开挖破坏了 岩土体中原有的应力状态（一次 应力状态），造成应力重分布 （二次重分布应力）。
1.1围岩应力的重分布
2.围岩与围岩压力 围岩是指地下洞室开挖后发生应力重分布的洞周围的
土体。洞室开挖后，为保证洞室的稳定需要经常进行支护 和衬砌，洞室支护和衬砌结构上必然受到围岩变形和破坏 的岩土体的压力，这种由于围岩的变形与破坏而作用于支 护和衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力按其形成方 式主要有以下几种：
（3）冲击压力。冲击压力也 称“岩爆”，当建筑物埋深较大 ，或由于构造作用使初始应力很 高，开挖后洞体应力超过了围岩 的弹性界限时，这些能量突然释 放所产生的巨大压力，称为冲击 压力。
（4）膨胀压力。某些岩土体 由于遇水后体积膨胀而产生膨胀 压力。膨胀压力的大小取决于岩 土体的物理力学性质和地下水的 活动特征。
1.2地下洞室围岩的变形与破坏
（4）弯折内鼓。在薄层脆性 围岩中，当卸荷回弹或切向压应 力超过薄层岩层的抗弯强度时， 岩体变形、破坏将主要表现为层 状岩层以弯折内鼓的方式破坏。
当以垂直应力为主时，水平 岩层在洞顶易产生弯折；当以水 平应力为主时，竖直岩层在洞壁 易产生弯折。
Hale Waihona Puke 在卸荷回弹造成的破坏中， 破坏主要发生在地应力较高的岩 体内（如深埋洞室或水平应力高 的洞室），并且总是在与岩体内 初始最大应力垂直相交的洞壁上 表现最强烈。
（1）松动压力。松动压力也称“散体压力”，指由 于围岩松动或坍塌的岩土体以重力形式作用在支护结构 上的压力。
1.1围岩应力的重分布
（2）变形压力。变形压力是 指支护结构为抵抗围岩变形而承受 的压力。围岩变形是时间的函数， 变形压力与围岩变形和支护结构有 关，所以变形压力是时间和支护结 构特征的函数。洞室开挖后，一定 的支护结构应有一个合理的支护时 间；若同一支护时间采用不同的支 护结构，则变形压力也不同，一般 支护结构柔性越好，变形压力就越 小。
地下洞室围岩稳定性
石英岩、花岗 岩、流纹斑岩、 安山岩、玄武 岩、厚层硅质灰 岩等 节 理裂隙少，新鲜节 理 裂隙不太发育，微 风 化节理裂隙发育， 弱风化 节 理裂隙少，新鲜节 理 裂隙不太发育，微 风 化节理裂隙发育， 弱风化 0-0.05 0.05-1 0.1-0.2
Sx
— — —
砂岩、石灰岩、 白云岩、砾岩等
图9-16 美国弗吉尼亚洲皮特斯波夫煤层中 不同走向坑道围岩的变形破坏特征
(2) 剪切滑移
图9-17
滑移拉裂引起的顶拱冒落
(3) 碎裂松动 碎裂松动是碎裂 结构岩体变形、破坏 的主要形式，洞体开 挖后，如果围岩应力 已超过了围岩的屈服 强度，这类围岩就会 因沿多组已有断裂结 构面发生剪切错动而 松驰，并围绕洞体形 成一定的碎裂松动带 或松动圈。
2
图9-19
方柱形岩体手力变形及应 变能的储积
图9-20 易于产生岩爆的 高变异应力区
图9-21 由岩性条件所决定的 局部应力集中区
图9-22 开挖逼近断层时易于 产生岩爆的部位
9.2.3 塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩:包括各种软弱的层状结构岩体( 如页岩、泥岩 和粘土岩等)和散体结构岩体。 破坏方式：塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、重力坍塌 1.塑性挤出：洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的 屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向 向消除了阻力的自由空间挤出。 2.膨胀内鼓：洞室开挖后，围岩表部减压区的形成往往 促使水分由内部高应力区向围岩表部转移，结果常使其 些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。 3.塑流涌出：当开挖揭穿了饱水的断裂带内松散破碎物 质时，这上结物质就会和水一起在压力下呈夹有大量碎 屑物的泥浆状突然地涌入洞中。 4.重力坍塌：破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。
Sx
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砂岩、石灰岩、 白云岩、砾岩等
图9-16 美国弗吉尼亚洲皮特斯波夫煤层中 不同走向坑道围岩的变形破坏特征
(2) 剪切滑移
图9-17
滑移拉裂引起的顶拱冒落
(3) 碎裂松动 碎裂松动是碎裂 结构岩体变形、破坏 的主要形式，洞体开 挖后，如果围岩应力 已超过了围岩的屈服 强度，这类围岩就会 因沿多组已有断裂结 构面发生剪切错动而 松驰，并围绕洞体形 成一定的碎裂松动带 或松动圈。
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图9-19
方柱形岩体手力变形及应 变能的储积
图9-20 易于产生岩爆的 高变异应力区
图9-21 由岩性条件所决定的 局部应力集中区
图9-22 开挖逼近断层时易于 产生岩爆的部位
9.2.3 塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩:包括各种软弱的层状结构岩体( 如页岩、泥岩 和粘土岩等)和散体结构岩体。 破坏方式：塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、重力坍塌 1.塑性挤出：洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的 屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向 向消除了阻力的自由空间挤出。 2.膨胀内鼓：洞室开挖后，围岩表部减压区的形成往往 促使水分由内部高应力区向围岩表部转移，结果常使其 些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。 3.塑流涌出：当开挖揭穿了饱水的断裂带内松散破碎物 质时，这上结物质就会和水一起在压力下呈夹有大量碎 屑物的泥浆状突然地涌入洞中。 4.重力坍塌：破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。
地下洞室围岩稳定性分析与评价
N 0 N K nun K nu y sin S S 0 K s u s K s u y cos N H o cos K nu y sin S H o sin K s u y sin
式中：Kn与Ks分别为结构面的法向刚度和剪切刚度。
据水平方向力的平衡条件，可得：
地下洞室围岩稳定性评价
五、围岩稳定性的定量评价
1 矢量分析法 局部块体稳定性 2 图解法（实体比例投影法）
3 数学解析法
1 解析分析法 围岩整体稳定性 2 数值模拟
1 围岩稳定性的解析分析方法
1）均质或似均质围岩的稳定性验算 关键部位是洞室周边最大压应力和最大拉应力集中的部 位。整体围岩稳定的先决条件是这两个部位的应力 -强度条 件满足下列关系：
1
2 3
单轴抗压强度 评分 岩石质量指标RQD(%) 评分 结构面间距(cm) 评分 粗糙度 评分
充填物 mm
结 构 面 条 件 评分 张开度 mm 评分 结构面长度 m 评分 岩石风化程度 评分 状态 透水率 Lu 总体条件
无
6 未张开 6 <1 6 未风化 6 干燥 <0.1 完全干燥
4
ห้องสมุดไป่ตู้
5
地下水 条件
地下洞室围岩稳定性 的工程地质分析
环境与土木工程学院土木八班613 2016年12月
地下洞室概念
一、基本概念
1 地下洞室(underground cavity)
天然存在于岩土体中或为各种目的修建在地下的具有一定 断面形状和尺寸并有较大延伸长度的中空通道或中空洞室统称 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。
地下洞室围岩稳定性
1)围岩应力条件
判断岩爆发生的应力条件有两种方法： 一是用洞壁的最大环向应力σθ与围岩单轴抗压强度σc
之比值作为岩爆产生的应力条件；
一是用天然应力中的最大主应力σ1 与岩块单轴抗压强 度σc之比进行判断。
经验公式：σ1 ／σc大于0.165～0.35的脆性岩体最易发生 岩爆。
2）岩性条件
弹性变形能系数ω：加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时， 卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。
(3)断层错动引起的岩爆
坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开 挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩 阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一 般发生在构造活动区的探矿井中，破坏性很大，且影响范 围较广。
3）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。
围岩
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”
3.3 地下洞室围岩的变形破坏
3.2.1 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。
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洞轴∥σ1：最有利稳定 σ
1
σ
1
σ 1近水平，且σ 1┴洞轴： 顶围、底围处于压应力， 有利稳定
σ
1
σ
1
σ
1
σ
1
二、围岩压力问题 •1.围压的基本概念 洞室围岩由于开挖引起应力重分布而形 成塑性变形区，在一定条件下，围岩稳定性 可能遭到破坏。为保证洞室的稳定，常须进 行支护和衬砌。这样，洞室支护和衬砌上便 必然受到围岩变形与破坏的岩土体的压力。 这种由于围岩的变形与破坏而作用于支护或 衬砌上的压力，称为围岩压力(简称围压)。 围压是设计支护或衬砌的依据之一
h a
α
β
1 P0 ah 2
a h cos cos
1 a P0 3 fk
2 a fk 3 h
2
1 P0 ah n
形状系数n
1 a fk n 3 h
柱形分离体 n=1
尖角形分离体 n=2
塑性围压和膨胀围压
塑性围压：粘土岩、页岩、千枚岩、凝灰岩 等塑性岩石从洞室周边向压力减小的空间方 向变形、挤出。它所产生的围压随变形的增 大而增大，这种围压称为塑性围压。 膨胀围压：超固结粘土、硬石膏作为围岩 时，其变形会有岩土体积的膨胀，这种塑 性围压就称膨胀围压。
•塑流涌出
饱水的 断裂带
•重力坍塌：破碎松散岩体
四、采空区围岩变形、破坏引起的地表沉陷
Ⅲ弯曲带
Ⅱ裂隙带
Ⅰ冒落带
采空区冒落引起的上复岩层的变形与错动的分带 采空区浅、面积大、尺寸大：坍落带波及地面
采空区深、面积小、尺寸小：不波及地面
一、洞室围岩稳定性的影响因素
•围岩的岩性和岩体结构 塑性围岩：力学强度低，抗水性差，易变 形破坏，岩性对围岩稳定性影 岩 响大。 性 脆性围岩：岩性对围岩稳定性影响小，主 要取决于岩体结构。 土：强度低，易变形。
b.用地质分析法(岩体结构分析)确定围压
(适合坚硬岩体)
坚硬岩体被结构面切割成许多结构体的组
合体，所以在坚硬岩体中开挖洞室，根据
围岩失稳后由结构面围限的坍滑分离体的
重量来确定围岩压力。
柱形分离体的围压 h
a
P0=ah
1 a2 P0 3 fk
fk
1 a 3 h
尖角形分离体的围压
p h
E1 H H
p
h
b/2 b/2
E1
b
洞侧壁稳定
E2
洞侧壁不稳定
E2
2 P bh 3
b h 2 fk
2 P b h 3
b h 2 fk
2 1 b P 3 fk
1 b P 3 fk
坚固系数或 普氏系数fk
2
砂性土 fk=tg 粘性土 fk= tg+c/ 岩石 fk= R/100
脆性围岩：块体状结构或层状结构的坚硬、半坚硬 岩体
•弯折内鼓：层状、薄层状结构围岩
•张裂塌落：：厚层状或块体状岩体内的洞室 顶拱。
宽高比较大，顶部拉应 力集中
宽高比较小，顶部压应 力集中
•劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动
劈裂剥落：厚层状或块体结构围岩内
σ
σ
剪切滑移：厚层状或块体结构围岩内
σr σh σθ σv σθ σθ
岩体结构
结构面组合形成有利于塌落或滑动的分离体，且其尺寸小于洞 跨时，围岩易失稳 。
拉应力、压应力 集中时均不稳
拉应力集中时不 稳；压应力集中 时稳定
拉应力、压应力 集中时均稳定
•地质构造
褶皱：洞轴┴褶皱轴有利稳定
背斜:稳定
向斜：不稳定
•地下水:空隙水压力、机械潜蚀、膨胀、崩解、溶解
u
•围岩应力状态
碎裂松动:碎裂结构岩体内
•岩爆 岩爆 : 在地下洞室开挖过程中，围岩突然地以 爆炸的形式，呈透镜体碎片或岩块突然弹出或 抛出，并发出噼啪声响。
京西煤田门头沟矿岩爆破坏井巷和设备
广西隆林县天生桥二级水电站岩爆破坏隧洞的情况
广西隆林县天生桥二级水电站岩爆破坏隧洞的情况
岩爆的产生条件与发生机制 一定地质条件下，围岩弹性应变能的高度集 中，而又突然剧烈释放的过程。
变形围压、松动围压、膨胀围压、冲击围压
•2.围压计算
松动围压
a.用平衡拱理论(普氏fk法)确定围压
(适合松散岩土体和软弱岩体)
洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下 坍落，坍落部位以外的岩土体仍处于平衡状 态保持稳定，坍落的岩土体失稳坍落后边界 轮廓呈拱形，这个拱称为自然平衡拱。若及 时支护或衬砌，作用在支护或衬砌上的压力 (即围压)便是平衡拱以内的坍落体的重量， 而拱圈以外的砂体已维持自身平衡。
D
围岩应力重分布：由于洞室的开挖，围岩中应力、应 变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的 过程和现象。
ds dθ θ
σ
θ
dr
τ τ σ
θ r rθ r
τ τ
θ
σ
rθ θ r
r
0
σ
σ θ ：切向应力
σ r ：径向应力 τ rθ 力
、
τ
θ r：剪应
σ 2σ σ
σθ
σr
a
b
r
r
a 1 b2
流动围压:洞室揭穿处于地下水位以下的饱 和细砂、淤泥及断层破碎带等时，由于开挖 空间的形成，破坏了原始的按静水压力分布 的应力状态，这些岩土就会和水一起流入洞 室。若加支衬，这类围压即称为流动围压。 结构面、 软弱岩石、 断层
第9章 地下洞室围岩稳定性
♪ ♪ ♪ ♪
洞室围岩应力重分布特征
洞室围岩的变形破坏方式
洞室围岩稳定性评价
洞室围岩失稳的防治措施
地下洞室:建在地下岩土体内，具有一定断面形状和 尺寸，并有较大延伸长度的中空通道或中空洞室。
围岩：洞室周围受到开挖影响的岩土体，大体 相当于地下洞室横剖面最大尺寸的3—5倍范围 内的岩体。围岩范围与洞室大小有关
2
Байду номын сангаас
a2 1 2 b
r=a； σ r=0， σ θ =2σ r=b； σ r= σ ， σ θ =σ
一、围岩变形破坏的一般过程和特点 σ 2σ σ
θ
σr
1
2
3
D
ξ=1应力场中圆形隧洞周边的应力分带 1—应力减低区;2—应力增高区;3—天然应力区
二、 脆性围岩的变形破坏方式
机械开挖、施工爆破和 重分布应力的叠加影响 开挖断面的推进和渐进 破坏
应变能迅速 集中原因
易于产生岩爆的高变异应力区
由岩性条件所决定的局部应力 集中区
三、塑性围岩的变形破坏方式
塑性围岩：软弱的层状结构岩体(如页岩、泥岩和 粘土岩等)和散体结构岩体
•塑性挤出
泥 岩
•膨胀内鼓
吸水膨胀的 富含粘土矿物的塑性岩石 岩层的变形 含硬石膏的地层
1
σ
1
σ 1近水平，且σ 1┴洞轴： 顶围、底围处于压应力， 有利稳定
σ
1
σ
1
σ
1
σ
1
二、围岩压力问题 •1.围压的基本概念 洞室围岩由于开挖引起应力重分布而形 成塑性变形区，在一定条件下，围岩稳定性 可能遭到破坏。为保证洞室的稳定，常须进 行支护和衬砌。这样，洞室支护和衬砌上便 必然受到围岩变形与破坏的岩土体的压力。 这种由于围岩的变形与破坏而作用于支护或 衬砌上的压力，称为围岩压力(简称围压)。 围压是设计支护或衬砌的依据之一
h a
α
β
1 P0 ah 2
a h cos cos
1 a P0 3 fk
2 a fk 3 h
2
1 P0 ah n
形状系数n
1 a fk n 3 h
柱形分离体 n=1
尖角形分离体 n=2
塑性围压和膨胀围压
塑性围压：粘土岩、页岩、千枚岩、凝灰岩 等塑性岩石从洞室周边向压力减小的空间方 向变形、挤出。它所产生的围压随变形的增 大而增大，这种围压称为塑性围压。 膨胀围压：超固结粘土、硬石膏作为围岩 时，其变形会有岩土体积的膨胀，这种塑 性围压就称膨胀围压。
•塑流涌出
饱水的 断裂带
•重力坍塌：破碎松散岩体
四、采空区围岩变形、破坏引起的地表沉陷
Ⅲ弯曲带
Ⅱ裂隙带
Ⅰ冒落带
采空区冒落引起的上复岩层的变形与错动的分带 采空区浅、面积大、尺寸大：坍落带波及地面
采空区深、面积小、尺寸小：不波及地面
一、洞室围岩稳定性的影响因素
•围岩的岩性和岩体结构 塑性围岩：力学强度低，抗水性差，易变 形破坏，岩性对围岩稳定性影 岩 响大。 性 脆性围岩：岩性对围岩稳定性影响小，主 要取决于岩体结构。 土：强度低，易变形。
b.用地质分析法(岩体结构分析)确定围压
(适合坚硬岩体)
坚硬岩体被结构面切割成许多结构体的组
合体，所以在坚硬岩体中开挖洞室，根据
围岩失稳后由结构面围限的坍滑分离体的
重量来确定围岩压力。
柱形分离体的围压 h
a
P0=ah
1 a2 P0 3 fk
fk
1 a 3 h
尖角形分离体的围压
p h
E1 H H
p
h
b/2 b/2
E1
b
洞侧壁稳定
E2
洞侧壁不稳定
E2
2 P bh 3
b h 2 fk
2 P b h 3
b h 2 fk
2 1 b P 3 fk
1 b P 3 fk
坚固系数或 普氏系数fk
2
砂性土 fk=tg 粘性土 fk= tg+c/ 岩石 fk= R/100
脆性围岩：块体状结构或层状结构的坚硬、半坚硬 岩体
•弯折内鼓：层状、薄层状结构围岩
•张裂塌落：：厚层状或块体状岩体内的洞室 顶拱。
宽高比较大，顶部拉应 力集中
宽高比较小，顶部压应 力集中
•劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动
劈裂剥落：厚层状或块体结构围岩内
σ
σ
剪切滑移：厚层状或块体结构围岩内
σr σh σθ σv σθ σθ
岩体结构
结构面组合形成有利于塌落或滑动的分离体，且其尺寸小于洞 跨时，围岩易失稳 。
拉应力、压应力 集中时均不稳
拉应力集中时不 稳；压应力集中 时稳定
拉应力、压应力 集中时均稳定
•地质构造
褶皱：洞轴┴褶皱轴有利稳定
背斜:稳定
向斜：不稳定
•地下水:空隙水压力、机械潜蚀、膨胀、崩解、溶解
u
•围岩应力状态
碎裂松动:碎裂结构岩体内
•岩爆 岩爆 : 在地下洞室开挖过程中，围岩突然地以 爆炸的形式，呈透镜体碎片或岩块突然弹出或 抛出，并发出噼啪声响。
京西煤田门头沟矿岩爆破坏井巷和设备
广西隆林县天生桥二级水电站岩爆破坏隧洞的情况
广西隆林县天生桥二级水电站岩爆破坏隧洞的情况
岩爆的产生条件与发生机制 一定地质条件下，围岩弹性应变能的高度集 中，而又突然剧烈释放的过程。
变形围压、松动围压、膨胀围压、冲击围压
•2.围压计算
松动围压
a.用平衡拱理论(普氏fk法)确定围压
(适合松散岩土体和软弱岩体)
洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下 坍落，坍落部位以外的岩土体仍处于平衡状 态保持稳定，坍落的岩土体失稳坍落后边界 轮廓呈拱形，这个拱称为自然平衡拱。若及 时支护或衬砌，作用在支护或衬砌上的压力 (即围压)便是平衡拱以内的坍落体的重量， 而拱圈以外的砂体已维持自身平衡。
D
围岩应力重分布：由于洞室的开挖，围岩中应力、应 变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的 过程和现象。
ds dθ θ
σ
θ
dr
τ τ σ
θ r rθ r
τ τ
θ
σ
rθ θ r
r
0
σ
σ θ ：切向应力
σ r ：径向应力 τ rθ 力
、
τ
θ r：剪应
σ 2σ σ
σθ
σr
a
b
r
r
a 1 b2
流动围压:洞室揭穿处于地下水位以下的饱 和细砂、淤泥及断层破碎带等时，由于开挖 空间的形成，破坏了原始的按静水压力分布 的应力状态，这些岩土就会和水一起流入洞 室。若加支衬，这类围压即称为流动围压。 结构面、 软弱岩石、 断层
第9章 地下洞室围岩稳定性
♪ ♪ ♪ ♪
洞室围岩应力重分布特征
洞室围岩的变形破坏方式
洞室围岩稳定性评价
洞室围岩失稳的防治措施
地下洞室:建在地下岩土体内，具有一定断面形状和 尺寸，并有较大延伸长度的中空通道或中空洞室。
围岩：洞室周围受到开挖影响的岩土体，大体 相当于地下洞室横剖面最大尺寸的3—5倍范围 内的岩体。围岩范围与洞室大小有关
2
Байду номын сангаас
a2 1 2 b
r=a； σ r=0， σ θ =2σ r=b； σ r= σ ， σ θ =σ
一、围岩变形破坏的一般过程和特点 σ 2σ σ
θ
σr
1
2
3
D
ξ=1应力场中圆形隧洞周边的应力分带 1—应力减低区;2—应力增高区;3—天然应力区
二、 脆性围岩的变形破坏方式
机械开挖、施工爆破和 重分布应力的叠加影响 开挖断面的推进和渐进 破坏
应变能迅速 集中原因
易于产生岩爆的高变异应力区
由岩性条件所决定的局部应力 集中区
三、塑性围岩的变形破坏方式
塑性围岩：软弱的层状结构岩体(如页岩、泥岩和 粘土岩等)和散体结构岩体
•塑性挤出
泥 岩
•膨胀内鼓
吸水膨胀的 富含粘土矿物的塑性岩石 岩层的变形 含硬石膏的地层