地下洞室围岩稳定性与评价

1、 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6132016年12月 地下洞室概念 一、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。 2 围岩（surrounding rock） 开挖空间周围应力状态发生改变的那部分岩体。 3 二次应力（secondary stress） 岩体开挖引起的重新分布的应力，也称次生应力。 公路

2、隧道公路隧道武武汉汉长长江江隧隧道道水电站地下厂房水电站地下厂房 地下洞室概念 1 1 按用途按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程地下厂房（仓库）、地下军事工程 ； 2 2 按洞壁受压情况按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室；：有压洞室、无压洞室； 3 3 按断面形状按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形；：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形； 4 4 按与水平面关系按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）；（井）； 5 5 按介质类型按介质类型：岩石洞室、土洞；：岩石洞室、土洞； 6 6 按

3、应力情况按应力情况：单式洞室、群洞。：单式洞室、群洞。二、二、 地下洞室的分类二滩地下厂房二滩地下厂房锦屏地下洞室锦屏地下洞室拉西瓦水工建筑拉西瓦水工建筑 2009年 6月 6日，三亚市绕城高速公路迎宾隧道塌方，8名工人被困2008年年5月月17日，大盈江四级电站是盈日，大盈江四级电站是盈江县在建的重要水电站之一，它位于盈江县在建的重要水电站之一，它位于盈江县东南距离县城约江县东南距离县城约70公里的崇山之中公里的崇山之中 2006年年01月月16日，贵昆铁路辅助隧道日，贵昆铁路辅助隧道发生塌方发生塌方 12名施工人员被困名施工人员被困2007年年1月月12日，巴西圣保罗市西部地日，巴西圣保罗

4、市西部地铁铁4号线一处工地发生塌方事故。当天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下午发生的这次塌方事故造成至少3人人受伤，受伤，1人失踪人失踪 2005.10.27，天汕高速广福隧道塌方天汕高速广福隧道塌方12人被困，该隧道是双洞分离式高速公路人被困，该隧道是双洞分离式高速公路隧道，出事点离出口约隧道，出事点离出口约463米、离工作米、离工作面约面约80米；原设计该段岩层为较坚固的米；原设计该段岩层为较坚固的V类围岩，开挖后发现实际变更为较差类围岩，开挖后发现实际变更为较差的的III类围岩类围岩 地下洞室围岩稳定性评价 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

5、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： 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； 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。 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。三、影响围岩稳定性的因素分析 l 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。l 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。1 1 褶曲与断裂褶曲与断裂l 破坏了岩层的完整性，降低了岩体的强度。l 经受的构造变动次数愈多、愈

6、强烈，岩层节理就愈发育，岩石也就愈破碎。2 2 岩体的岩性及结构岩体的岩性及结构 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。 1 1）岩体岩性）岩体岩性2 2）岩体结构）岩体结构 地下洞室围岩稳定性评价 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。 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

7、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。 3 3 地下水地下水4 4 原岩应力原岩应力 地下洞室围岩稳定性评价 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： 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； 碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区； 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。四、四、 围岩稳定性的定性评价围岩稳定性的定性评价1 1 地质判断地

8、质判断 地下洞室围岩稳定性评价破碎松散岩体，稳定性最差破碎松散岩体，稳定性最差 碎裂或半坚硬薄层结构岩体碎裂或半坚硬薄层结构岩体,稳定性较差稳定性较差 坚硬层状岩体结构紧密，稳定性较好坚硬层状岩体结构紧密，稳定性较好新鲜、坚硬块层状岩体新鲜、坚硬块层状岩体,稳定性最好稳定性最好 3 3）典型围岩分类方案）典型围岩分类方案岩体基本质量分级（GB50218-94）级别岩体基本质量定性特征（BQ）坚硬岩，岩体完整 550坚硬岩，岩体较完整，较坚硬岩，岩体完整550-451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450-351坚硬岩，岩体破碎较，坚硬岩，岩体较破碎-破碎，

9、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350-251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90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值； 当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入BQ计算值。BQ=BQ-100（K1+K2+K3）l 工程岩体详细定级时岩体质量指标计算公式： 地下洞室围岩稳定性评价RMR分类因素及评分标准（分类因素及评分标准（DL/T 5337-2006）参数评分标准1岩石强岩石强度度(MPa)(MPa)点荷载强度104-102-41-21，不宜采用单轴抗压强度250-10

10、0100-6060-3030-1515-5评分15-108532-02岩石质量指标岩石质量指标RQD(%)RQD(%)90-10075-9050-7525-5020060-20020-606-206评分201510854结结构构面面条条件件粗糙度很粗糙粗糙较粗糙光滑擦痕、镜面评分64210充填物 mm无5（硬）5（软）5（软）评分64220张开度 mm未张开5评分65410结构面长度 m20评分64210岩石风化程度未风化微风化弱风化强风化全风化评分653105地下水地下水条件条件状态干燥湿润潮湿滴水流水透水率 Lu100总体条件完全干燥潮湿湿润滴水流水 RMRRMR分类方案（国外）分类方案（

11、国外）1 解析分析法围岩整体稳定性局部块体稳定性2 数值模拟1 矢量分析法2 图解法（实体比例投影法）3 数学解析法五、围岩稳定性的定量评价五、围岩稳定性的定量评价 地下洞室围岩稳定性评价KRmaxKHminmaxmin为周边最大压应力值； R为极限抗压强度；H为极限抗拉强度； K为安全系数。为周边最大拉应力值； 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 1）均质或似均质围岩的稳定性验算）均质或似均质围岩的稳定性验算 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=48。 1 1 围岩稳定性的解

12、析分析方法围岩稳定性的解析分析方法 2 2）含有单一软弱结构面的围岩的稳定性验算）含有单一软弱结构面的围岩的稳定性验算2sin)(2cos2cos)()(212121rrrrrrrn2sin2cos12222rap，rapna 为洞室半径；为洞室半径；r 为研究点距洞中心的距离。为研究点距洞中心的距离。 据据Kirsch公式求得各分量，代入上式：公式求得各分量，代入上式：rr为径向应力；为径向应力；为切向应力；为切向应力；r 为剪应力；为剪应力；cos00HN sin00HS 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。3 3）顶拱围岩中简单结构块体稳定性验算）顶

13、拱围岩中简单结构块体稳定性验算 可采用松弛法进行分析，其步骤要点为： 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：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 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： 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：sinsinsincoscossin00ysoynoyss

14、synnnuKHSuKHNuKuKSSuKuKNNsincosynysu，uuu式中：Kn与Ks分别为结构面的法向刚度和剪切刚度。 sincosSNH 据水平方向力的平衡条件，可得： 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： 整理，可得：NtgS 00sincos(cossin)synyHKHKtguu简化上式，可得： 0sin()coscossinsinysnHuKKcos)sincos(220nsKKDHNsin)sincos(220nsKKDHSsinsincoscos其中nsKK，D根据垂直方

15、向力的平衡条件：)sincos(2NSPt)sin()sincos(2220nstKKDHP当KnKs时，上式可简化为： sin)sin(sin20HPt 评价结构体在实际自重力作用下的稳定性PPKt/ 使单位长度结构体处于极限平衡状态的临界体力Pt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K1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）。将各分量代入得到：据上述各式可得：1 1）图解法的基本原理及结构体稳定性的一般判定）图解法的基本原理及结构体稳定性的一般判定赤平投影网及其透视图 2 2 围岩稳定性的图解分析法（分离结构体）围岩稳

16、定性的图解分析法（分离结构体）OO90平面投影直线投影直线投影到已知平面直线旋转 赤平投影的基本原理与方法 结构体稳定性及失稳方式的一般判定（a）直接垮落型（b）滑动型（c）稳定的块体 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，若滑动面或两个滑面的交线的倾角大于，则块体会沿该结构面或结构面交线产生滑动破坏； c）则属于稳定的块体。EWSNL1L2L3L1L2L3ACBOWSNL1L2L3EWSNL1L2L3E213DEBDE AOD” E”B”A” 拱顶结构体的图解分析及稳定性验算A AB

17、 BC CCOOEDBA2 2）特殊结构体的图解分析及稳定性验算）特殊结构体的图解分析及稳定性验算EWSNL1L2L3ABCDEFWESNL1L2L3ABCDEFABCOPlOOPWESNL1L2L3ACDEFACBBABEFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FABFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FOWESNL1L2L3ABEFACCBDA”C”BEFDL1L2L3 边墙结构体的图解分析及稳定性验算3 3） 一般结构体的图解分析及稳定性验算一般结构体的图解分析及稳定性验算 几何学分析几何学分析 基于石根华的块体理论，开发的专门用于地下工程块体分析的Unwedge程序。

18、假定结构面相切形成的块体为四面体；仅考虑块体的重力及结构面的力学性质，而不考虑地应力作用；结构面为平面，结构体为刚体，岩体变形仅为结构面的变形；结构面贯穿研究区域，且在保持产状不变的情况下可任意移动；开挖断面沿轴线方向恒定不变。掉掉块块 运动学分析运动学分析K=00K 沿沿单单面面滑滑动动costansiniiiiiQC SKQ沿沿双双面面滑滑动动tantansiniijjiijjNNC SC SKQcossinsin()jiijQNcossinsin()ijijQN稳定性系数计算公式：000iiiijjjjkkkkAxB yC zDA xB yC zDA xB yC zDijk 3 3 结构体稳定性的数学解析法结构体稳定性的数学解析法 通过平面方程与曲面方面联立求解，获得包括四面体在内的多面分离块体的几何学参数： 地下洞室围岩稳定性评价分解为平面四面体和曲面五面体分解为平面五面体和曲面四面体拱顶块体分解为平面四面体和曲面楔形体 4 4 地下洞室围岩稳定性的数值模拟研究地下洞室围岩稳定性的数值模拟研究 利用有限元、离散