地下洞室围岩稳定性分析与评价

① 赤平投影的基本原理与方法
赤平投影网及其透视图
90
O
O
平面投影
直线投影
直线旋转
直线投影到已知平面
② 结构体稳定性及失稳方式的一般判定
如图所示为三种典型情况：
a）块体顶点的铅垂线通过块体的底面，则块体是在重力作用 下的直接垮落；
b）块体顶点的投影不落在底面上，图中的虚线为摩擦角φ， 若滑动面或两个滑面的交线的倾角大于 φ，则块体会沿该结构面 或结构面交线产生滑动破坏；
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
5
地下水 条件
3 地下水
① ② ③ ④ 可使岩石软化，强度降低，加速岩石风化； 还能软化和冲走软弱结构面的充填物； 减小结构面的抗剪强度，促使岩体滑动与破坏； 在膨胀性岩体中地下水可造成膨胀地压。
4 原岩应力
是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素。为避免洞室的顶 拱和边墙出现过大的切向压应力和切向拉应力的集中，轴线应尽 可能与区域最大主应力方向一致；当地下工程的断面呈扁平形态 时，为避免顶拱出现拉应力，改善顶拱围岩的稳定条件，则应使 洞室轴线垂直于最大主应力方向。
c）则属于稳定的块体。
（a）直接垮落型
（b）滑动型
（c）稳定的块体
2）特殊结构体的图解分析及稳定性验算
① 拱顶结构体的图解分析及稳定性验算
N L1 L3 L1 N L3 W
L1
N
L3
B A
L2 W W E L2 L2 L1 S S E S
E
C
3
C 1
D
O’
O
E
A L2
B
L3
2
O’
C D O B E A
N 0 H 0 cos S0 H 0 sin
② 定量研究洞室开挖后顶拱围岩结构的松弛效应 假定结构体在重力作用下的垂直位移为 uy，其垂直和平行于结 构面的位移分量分别为un和us，则有：
us u y cos
，u n u y sin
结构体的上述位移必将引起围岩应力及结构面上应力的相应变 化：Ho及No减小为H及N，而So则增大为S。由于结构松弛过程中表面 应力的增量与位移增量成正比，故有：
式中， [BQ]为岩体基本质量指标修正值； BQ为岩体基本质量指标 值。地下水修正系数 K1 、初始应力修正系数 K2 、结构面组合情况 修正系数K3。
② RMR分类方案（国外）
RMR分类因素及评分标准（DL/T 5337-2006）
参数 评分标准 >10 250-100 15-10 90-100 20 >200 20 很粗糙 6 4-10 100-60 8 75-90 17 60-200 15 粗糙 4 <5 （硬） 4 <0.1 5 1-3 4 微风化 5 湿润 0.1-1 潮湿 2-4 60-30 5 50-75 13 20-60 10 较粗糙 2 >5 （硬） 2 0.1-1 4 3-10 2 弱风化 3 潮湿 1-10 湿润 1-2 30-15 3 25-50 8 6-20 8 光滑 1 <5 （软） 2 1-5 1 10-20 1 强风化 1 滴水 10-100 滴水 <1，不宜采用 15-5 2-0 <25 3 <6 5 擦痕、镜面 0 <5 （软） 0 >5 0 >20 0 全风化 0 流水 >100 流水 岩石强 度(MPa) 点荷载强度
地下洞室围岩稳定性评价
四、 围岩稳定性的定性评价
1 地质判断
对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，破坏失稳总是 发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为明显， 主要有： ① 破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区：包括岩体中的风 化、构造破碎带以及风化速度快、力学强度低、遇水易于软化、 膨胀或崩解的粘土质岩类的分布地带； ② 碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区；
③ 坚硬块体状及厚层状岩体中：为几组软弱结构面切割、能 于洞顶或边墙上构成不稳定结构体的部位。
①破碎松散岩体，稳定性最差
②碎裂或半坚硬薄层结构岩体,稳定性较差
③坚硬层状岩体结构紧密，稳定性较好
④新鲜、坚硬块层状岩体,稳定性最好
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3）典型围岩分类方案
① 工程岩体质量分级（国内）
θθ θ
a 为洞室半径； r 为研究点距洞中心的距离。
3）顶拱围岩中简单结构块体稳定性验算
如图示两组走向平行洞轴、倾向相反的结构面将隧洞顶拱围岩 切割成对称结构块体。
两组走向平行洞轴、倾向相反的结构面将隧洞顶拱围岩切割成对称结构块体
可采用松弛法进行分析，其步骤要点为： ① 先假定围岩为无体力的弹性介质，据弹性理论解求出切向 应力Ho及其作用在结构面上的正应力分量No及剪应力分量So：
1）岩体岩性 塑性围岩：风化速度快、力学强度低及遇水易软化、膨胀或崩 解，对围岩的稳定性最为不利。 脆性围岩：岩石本身的强度远高于结构面的强度，故主要取决 于岩体结构。
2）岩体结构 散体状及碎裂状结构的岩体稳定性最差，薄层状结构者次之， 而厚层状、块状及整体状结构岩体稳定性最好。
地下洞室围岩稳定性评价
H N cos S sin
所以据Ho、Kn、Ks和uy求得N、S后即可计算出H的大小。 假定其中 N 、 S 以及 H 所代表的恰是结构体处于极限平衡状态时 的应力，则有：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱS Ntg
整理，可得：
H0 sin Ksuy cos (H0 cos Knuy sin ) tg
②是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性
主要包括围岩的岩性和结构。 ③是既能影响应力状态，又能影响围岩强度的因素 主要为地下水的赋存、活动条件。
地下洞室围岩稳定性评价
1 褶曲与断裂
破坏了岩层的完整性，降低了岩体的强度。 经受的构造变动次数愈多、愈强烈，岩层节理就愈发育，岩石 也就愈破碎。
2 岩体的岩性及结构
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：
简化上式，可得：
H 0 sin( ) uy K s cos cos K n sin sin
③ 使单位长度结构体处于极限平衡状态的临界体力Pt 据上述各式可得： H N 0 ( K s cos2 K n sin2 ) cos D 根据垂直方向力的平衡条件： 将各分量代入得到：
④ 评价结构体在实际自重力作用下的稳定性
K Pt / P
式中：P为结构体的实际自重力，K为结构体安全系数 显然，当K<1时，结构体是不稳定的。为保证顶拱的稳定性，必 须采取支护措施，使其提供的抗力大于（P-Pt）。
2
围岩稳定性的图解分析法（分离结构体）
1）图解法的基本原理及结构体稳定性的一般判定
max
R K
min
H K
max 为周边最大压应力值； min 为周边最大拉应力值；
R为极限抗压强度；H为极限抗拉强度； K为安全系数。
稳定性验算时一般应考虑较大的安全系数，采用对边墙： K=4；对顶拱：K=4～8。
2）含有单一软弱结构面的围岩的稳定性验算
1 n 1 ( ) ( rr ) cos 2 rr 2 2
工程岩体初步定级时岩体质量指标按下式计算：
BQ=90+3Rc+250Kv
岩体基本质量分级（GB50218-94）
级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 岩体基本质量定性特征 坚硬岩，岩体完整 坚硬岩，岩体较完整，较坚硬岩，岩体完整 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 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 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 （BQ） > 550 550-451 450-351 350-251
2007年1月12日，巴西圣保罗市西部地 铁4号线一处工地发生塌方事故。当天 下午发生的这次塌方事故造成至少3人 受伤，1人失踪
地下洞室围岩稳定性评价
三、影响围岩稳定性的因素分析
地下洞室围岩稳定性主要是可能出现的围岩应力与围岩 强度间的矛盾问题，各因素都是通过这两个方面来影响洞室 的稳定性，归纳为三大类型： ①是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定性 主要包括岩体的原岩应力状态及洞室的剖面形状和尺寸；
Pt H0 ( K s cos2 K n sin2 ) sin D
S
其中，D Ks cos cos Kn sin sin P t 2( S cos N sin )
2H 0 ( K s cos2 K n sin2 ) sin( ) D 2 H 0 sin sin( ) Pt 当Kn>>Ks时，上式可简化为： sin
r cos 2 1 ( rr ) sin 2 2
据Kirsch公式求得各分量，代入上式：
a2 n p 1 cos 2 r2 a2 ， p 2 sin 2 r