地下洞室围岩稳定性问题

第8-1章地下洞室围岩稳定性1

基本概念及研究意义为各种目的修建征地层之内的中空通道或中空洞私统称为地下洞室，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。虽然它们规模不等，但都有一个共同的特点，就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著的变形和破坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。2

地下开挖后围岩应力的重分布围岩应力重分布的一般特点如前所述，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态，岩体内任何一点的初始应力状态(常称为原岩应力)通常可以垂直正应力(通常为主应力)通常以垂直正应力和水平正应力来表示：

σv=σv0+γhσh=Nσv

式中：σv0值可以是零，也可以是常数

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，即地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中。但是按照森维南原理，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”。围岩应力重分布的主要特征是：

径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。

切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中。这样，地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。平行于洞室测壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内的应力集中有所增高，因此洞壁附近的切向应力特高于正常情况下的平均值，而薄板的抗弯矩又比较低，往往造成弯折内鼓破坏。在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高的应力集中，使该区围岩的稳定条件大为恶化．

相邻洞室的存在对围岩应力的影响由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩应力(主要是压应力)的集中程度增高，对洞室图岩稳定不利。因此，不同的业务部门规定了不同的最小安全洞室间距，例如水电部门规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距为1.0-1.3倍洞跨，高压隧洞之间的最小间距为0.15一0.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧道的最小间距按下表(表10-5)确定。围岩类型VI

V—IVIIIIII最小间距（1.5—2.0）B（2.0—2.5）B（2.5—3.0）B（3.5—5.0）B>5.0B表10—5注:1.围岩类型根据围岩分类（见《工程地质勘察》）确定，VI为硬岩，依次降低；2.B为隧道的跨度。3.岩爆

有关岩爆的基本概念在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来爆。围岩的破坏有时会这就是所谓的岩当岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响．甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害．大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工作的安全与经济有着重要意义。

岩爆的类型和特点

按发生的部位及所释放的能量类型,岩爆有不同的类型

(1)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆(2)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆四川纳竹天池煤矿就曾多次发生这类岩爆，最大的一次将20余吨煤抛出20多m远(3)断层错动引起的岩爆

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。4地下洞室围岩稳定性的分析与评价影响地下洞室围岩稳定性的因素分析第一类因素是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面形状和尺寸。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素控制(例如地质历史决定着贝值的大小＞又与人类工程活动的要求有关(例初洞室的埋深决定着‘”值)。而洞室的形状则主要是由人类工程活动的要求与特点所决定。第二类因素包括围岩的岩性和结构，主要是通过围岩的强度来影府洞室围岩稳定性的。

由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构，岩性本身的影响不十分显著。在这类围岩中，碎裂结构的稳定性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块体状岩体则通常具有很高的稳定性。地下洞室围岩稳定性的分析-岩石力学上り線下り線城市地下道路建设与环境地下瓦斯管道分布土石流堆積層安山岩自破砕溶岩層土被り１D～２Ｄ掘削方向火山円礫岩層埋深与地层条件トレヴィジェット先行脚部ジェットスリットコンクリートインバート吹付けによる閉合脚部補強試験施工状況特殊施工设备与方法环境（地表沉降）控制效果三维施工力学过程的数值解析方法以往计算方法·不能正确反映施工过程·材料力学特性的单纯化·二维数值方法的局限性时空三维施工过程

⑤二次支护

②

喷浆支护

③锚杆

U0

Ufin

掘进方向

④工型钢支护

①时空三维解析过程演示(塑性区的扩展)开挖6ｍ开挖18ｍ时空三维解析过程演示(塑性区的扩展)开挖24ｍ时空三维解析过程演示(塑性区的扩展)开挖36ｍ时空三维解析过程演示(塑性区的扩展)连续·非连续大变形转化辨别

与数值模拟方法连续·非连续大变形转化数值模拟数值模拟示例潜在扩张裂缝的自动形成新关键块的形成(解析结果)(A,B:Measurementpoint)ShearfailureTensionfailureABCase3Case3Case3Case3Case3Case3

Fig.12Controllinggenerationofnewcracksbysystembolting