第3节`影响地下洞室围岩稳定性的地质因素第2节`洞室围岩的变形与破坏

1、大型古地下工程第第1节、地下洞室开挖前后的应力特征节、地下洞室开挖前后的应力特征洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式2sin231212cos31211212cos43121121220440440220220440220rrrrrrrrrrrrrrvrvvrrr为径向应力为切向应力为剪应力r为质点至洞轴线的距离r0为隧洞半径当天然应力比=1时，洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式011220220rvvrrrrrvv24r05r06r07r08r02r03r0r0圆形洞室周边应力重分布围岩一旦松动，如不加支护，则围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范会向深部发展，形成具有一定范

2、围的围的应力松弛区应力松弛区，称为，称为塑性松动塑性松动圈圈。在松动圈形成过程中，原来周边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，集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的形成新的应力增高区应力增高区，该区岩体，该区岩体被挤压紧密，称为被挤压紧密，称为承载圈承载圈。此圈。此圈之外为之外为初始应力区初始应力区。洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变

3、形。围岩这类变形破坏的发展进程当围岩应力已经超过岩体的极限强度时，围岩发生破坏。当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏，通常可根据围岩变形历时曲线变化的特点而加以预报。当围岩应力的量级介于岩体的长时间强度及蠕变临界应力之间时，围岩除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定。当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。第第2节、洞室围岩的变形与破坏节、洞室围岩的变形与破坏在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是

4、储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。坚硬完整岩体的脆性破裂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。岩爆产生的爆坑爆坑附近边墙下部破坏情况右侧拱顶位置塌方情况第二次岩爆塌方左侧拱架破坏情况锦屏二级水电站排水洞岩爆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。岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形

5、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。1-设计断面2-破坏区3-崩塌4-滑动5-弯曲、张裂及折断 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。松软岩体一般强烈风化、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。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。水电站引水隧洞的塑性变形与塌方

6、地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。 理想的建洞山体应具备以下条件： 1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山捧稳定的断裂带； 2)岩体坚硬完整； 3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育； 4)地下水影响小； 5)无有害气体和异常地热。第第3节、影响地下地下洞室围岩稳定性的地质因素节、影响地下地下洞室围岩稳定性的地质因素对地下洞室选址影响对地下洞室选址影响地质因素地质因素地形条件（geographic conditions）岩性条件（rock a

7、nd soil engineering characters）地质构造条件（geologecal structure conditions） 褶皱(fold) 断裂(fault)岩层产状（attitude of layer）地下水（水文地质hydrogeological conditions）地应力（natural stress）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

8、冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。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。隧洞选线利用沟谷示意图岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于修建大型的地下工程。凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。岩性条件 地质构造是控制岩体

9、毙整性及渗透性的重要因素。1褶皱(fold)的影响 褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩体完整性最差。 （1）背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。 （2）向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。 2断裂(fault)的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应尽量避开大断层。地质构造条件(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。(2)洞室轴线与岩层走向平行。1）当岩层近于水平(倾角2m3m)分数 20

10、5E地下水（干燥流动）分数 150F不连续面产状条件（很好很差） 分数 0-12等级划分I 很好 RMR 10081II 好 RMR 8061III 中等 RMR 6041IV 差 RMR 4021V 很差 RMR=20R RS SR R系统系统RSR=A+B+C 和差综合法 （并联系统）（G.Wickham,1974)A地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。 构造由整体强烈断裂褶皱分为四等），分数 306B节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向 倾角与掘进方向关系折减）分数 457C地下水（无至大量） 分数 256RSR的变化范围 25100Q Q 系系统统 Q=RQ

11、D/Jn . Jr/Ja . Jw/SRF 乘积法 串联系统 （Baton, 1974)RQD岩石质量指标 0100Jn裂隙组数，无裂破裂 ，0.520 Jr裂隙粗糙度，粗糙镜面，40.5 Ja裂隙蚀变程度，新鲜蚀变夹泥，0.7520 Jw裂隙水折减系数，干燥特大水流，10.05SRF应力折减系数，表示洞室开挖中岩性和地应力对 围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态 岩石 趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石） 很好 Q 4001000 极好 Q 100400 很好 Q 40100 好 Q 1040 一般 Q 4 10 坏 Q 14 很坏 Q 0.11 坏 Q 0.010.1 特

12、坏 Q 0.0010.01Z Z系系统统 Z=I . f . R 乘积法（串联系统）谷德振，1979I完整性系数，I=V2m/V2rVm岩体中纵波速 Vr岩石中纵波速f结构面抗剪强度系数R岩石坚固系数（为岩石湿单轴抗压强度的百分之一）Z的变化范围为0.0120岩体质量分类代表性方案岩体质量分类代表性方案（1 1）支撑）支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。（1 1）喷射混凝土）喷射混凝土 锚杆有楔缝