地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件

第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

110.1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宣统称为地F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。10.1基本概念及研究意义2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。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310.2地下开挖后围岩应力的重分布10.2.1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10.2地下开挖后围岩应力的重分布4

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[如图10一2(a)]，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。如果此范围不超出地表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的，这样，就可按图10一2(b)所示的均匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化5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(如图10一3中的X轴方位)，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(如图10一3中z轴方位)。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。围岩应力重分布的主要特征是：6地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件710．2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态(如图10一4、10一5)。可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。10．2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律8地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件9地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件10

根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点的切向应力可根据下式求得：σθ＝σv(α+βN）(10—1)式中：(α+βN）称为应力集中系数（=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表(表10—1)，符号见图10一4。

αβA点B点-12（b/a)+12（b/a）+1-1

表10—1根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点11图10-6洞室周边应力集中系数图10-6洞室周边应力集中系数12

10.2.2.1拉应力产生的条件从图10一6中可以看出，(1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不产生拉应力，(2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中系数与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时，σhθ／σv均等于一1，(3)当0N1时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位．亦即当N＜l时，最大拉应力出现在A点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；当N＞1时．最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。10.2.2.1拉应力产生的条件13地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件14

10.2.2.2最大压应力集中的规律图10一6表明，当b／a＝N时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当b／a＞N时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当b／a＜N时，最大压应力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可据式(10一1)或图10一6求得。10.2.2.2最大压应力集中的规律1510.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律10.2.2.1方形一矩形洞室图10一7及图Io一8表明，方形一矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(B／H的不同而变化，在不同的应力场中(N值不同时)，大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低，随着宽高比的增大或减小，洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似干线性地增大。不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压应力集中系数值，可根据10-7图10一8及表10一3的资料概略确定。

10.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律16这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与周边垂直相交的A点，不同条件下这类洞室周边上的最大拉内力集中系数可据表10一2的资料概路确定。从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。10.2.3.2长圆形(圆拱直墙式)洞室根据光弹试验的资料，图10一9所示断面上各特征点的切向应力仍可按式10一1求得。图中各特征点的应力集中系数中α和β值，列于表10-4中.

这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与17地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件18地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件19地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件20根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点，但当N值大于7以后，周边上的最大压应力集中则出现在洞室的顶拱A点处。最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故在N＜1的应力场中。随着N值的降低，拉应力首先出现在洞底的中点F处，其产生拉应力的N值条件为N0.39，随着N值的进一步降低，F点处的拉应力逐渐增大，当N降至小于0.25时，洞室顶拱的中点A点处也开始产生拉应力；在N＞1的应力场中，最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点c处，其出现拉应力的N值条件为N＞2.1。根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的21地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件2210.2.4洞室周边应力与其形状间的近似定量关系根据森维南原理可知．洞室周边的应力状态，只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的控制。在如图10一10所示的特例条件下，洞室周边特定点A、B处的应力与其形态间有如下定量关系：10.2.4洞室周边应力与其形状间的近似定量23

上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际上，利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室周边与主应力垂直相交两点(即A、B点)处的周边应力。例如，在图10一11所示的情况下，只要先求出A、B两点处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点的周边应力。A点的曲率半径可直接从图中求出B点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径计算。按上述方法求得的周边应力分别为：σA＝3．96P，σB＝-0.17P，与据边界无法求得的数据σA＝3．0P，σB＝-0.17P),可见，这种简易的近似计算完全能满足工程设计的精度要求。上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相2410.2.5图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图10一12表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的应力分布情况，它表明，当围岩的应力—应变关系具有非线性特征，或围岩具有较大螺变特性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力；但当远离洞壁一定医离后，岩层内的切向应力则要大干理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图10一12中的虚线所示。10.2.5图岩特性及不连续面对围岩应力的影响25地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件26

图10一13表示地下洞室附近断层等不连续面的存在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用[如图10—13(b)]，从而使断层面上产生剪应力[如图10一13(c)]。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原因，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．

图10一13表示地下洞室附近断层等不连续面的存27此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起。已被某些测量所验证过的理论计算结果指出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩层。10.2.6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(图10—14)，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此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起。280.15一0.6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。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2910.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题10.3.1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。10.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题30其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带，如图10—15所示的水静应力场中(N＝1)圆形隧洞周围的三个应力带就是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成很大的山压。

其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将31围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构之间的关系列于表10一6。围岩类型岩体结构变形破坏形式产生机制脆性围岩块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张性破坏劈裂剥落压应力集中造成的压制拉裂剪切滑移及剪切破碎压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏中薄层结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构破碎松动压应力集中造成的剪切松动塑性围岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌表10—6围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应3210.3.2脆姓围岩的变形和破坏脆性图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。这类因岩的变形和破坏，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。这类围岩变形破坏的形式和特点．除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型(见表10一6)，现分述如下。10.3.2脆姓围岩的变形和破坏3310.3.2.1弯折内鼓这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果；二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过范层状岩层的抗弯折强度所造成的。由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内(或者洞室埋深较大，或者水平地应力较高)，而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈．故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时，洞室开挖后．薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生如图Io一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。10.3.2.1弯折内鼓34例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号。十135航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在ot360—o十470m段的施工过程中。例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉35

值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中，当送洪道平行于陡顾的岩层走向时，新开挖出的边披岩体经常在3—5天之内即发生强烈的倾倒破坏。由此可见，在该区所发生酌上述两类变形破坏(即地宏边坡岩体的倾倒和地下隧洞洞壁的弯折内鼓)同是卸荷回弹与应力释放的结果。由压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。

值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中，当送36如图10一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号0十135航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在0十360—o十470m段的施工过程中。洞体两侧壁发生严重的弯折内鼓，开挖中曾用锚杆与工字钢联合封锁支护，半月之后，变形岩体连锚杆与工字钢突然坍落，方量达500m3，不得不停工处理。如图10一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而37一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。如图10—17所示情况，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。一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。如38

从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常．轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳定性远低于平行于最大主应力方向者。这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩层时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓的发展而严重坍塌。从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出3910.3.2.2张裂塌落

张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。但是在N0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力(如图10一18)。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时．顶拱因岩韶趋于稳定。10.3.2.2张裂塌落40地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件41

10.3.2.3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。1.劈裂剥落过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落[如图l0一19(b)]。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。10.3.2.3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动42劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者则造成通常所谓的片帮。2.剪切滑移这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边鹏上，也可发生于顶拱。

劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条43在水平应力大于垂直应力的应力场中(N＞1)，这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位，图10一20(a)就表示了这种情况。位于断层带内的岩层单元体通常具有如图10一20(b)所示的应力状态。由于切向应力σθ很大，而径向应力σr很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。这种滑移又会引起次生的拉应力[大体上垂直于因10一20(a)中的虚线]，从而使断层与虚线间的三角形岩体因滑移拉裂而冒落。在水平应力大于垂直应力的应力场中(N＞1)，这类破坏443．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屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固指施。

3．碎裂松动45上述二类破坏所引起的洞室宽高比的变化，一方面会使洞形急剧变化部分的因岩表部的切向压应力的集中程度随之急剧增大，另外还会在与最大主应力相垂直的洞壁上引起拉应力，从而进一步恶化围岩的稳定条件．引起围岩累进性破坏。如图Io一21所示，就是一个宠高比为6的矩形坑道，在川＝3的应力场中，顶拱挤压破坏所引起的洞形变化与围岩应力变化之间的关系。从图中可以看出，当破坏所造成的崩落向上发展时，顶板中央的压应力迅速随冒落高度增高而增大，在这种场合下，如不及时采取措施，顶拱的崩落作用必将累进性的加速发展，造成严重后果。上述二类破坏所引起的洞室宽高比的变化，一方面会使洞形4610.3.2.4岩爆1．有关岩屈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。

10.3.2.4岩爆472．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在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。成昆线官村坝隧道(最大埋操达1600贝)开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。它一殷发生在新开挖的工作面附近，爆破后2—3h，围岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。2．岩爆的类型和特点48弹出者一船块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、宽，但爆到声较大，月．爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一殷块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆

(2)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，弹出者一船块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、49故常被称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿个，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内[如图10一22(a)的s区]，在某些因素的作用于，那里的煤被突然粉婶，而这一区域与坑道间(ht区)的煤则大块地被饱到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护女或煤柱中压力的增大，有时还会出现G层声或振动，但有时则没有明显的预兆。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，故常被称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿个，这类岩爆多发生于距50(3)断层错动引起的岩爆这类岩爆产生的条件如图Io一22(c)所示，即当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。(3)断层错动引起的岩爆51(1)由原岩应力状态及洞形所决定的围岩内的最大压应力集中区。(2)围岩友部的高变异应力及残余应力分布区(如图10一25)以及由岩性条件所决定的局部应力集中区，如夹于软岩中的坚硬岩体。(3)断层、软弱破碎岩墙或岩脉等软弱结构面附近，洞体与这些软弱结构面所形成的应力集中局部增高区(图10一27)。图10一28更清楚地说明了这个问题。它是其隧洞以锐角穿越一破碎岩墙时发生岩爆的实际情况。在开挖向前推进的过程中，当隧洞处于图10一28(a)及(c)的位置时，在紧邻岩墙的洞壁上均发生了岩爆，而当隧洞远离岩墙或在岩墙之内时则无岩爆发生。(1)由原岩应力状态及洞形所决定的围岩内的最大压应力52

(4)已有洞体内，由于新开挖影响而出现的高应力区(如图10一29)。10.3.3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。这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的．主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同类型，现分述如下：10.3.3.1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。在一般情况下

(4)已有洞体内，由于新开挖影响而出现的高应力53(1)因结程度较差的泥岩、钻土岩；易于被挤出的岩体主要包括：(2)各种富含泥质的沉积或变质岩层(如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等)中的挤压剪闭破碎带，(3)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动i且团结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。(1)因结程度较差的泥岩、钻土岩；易于被挤出的岩体主54

10·3.3.2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图岩表部转移，结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的，除此之外，开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀。10·3.3.2膨胀内鼓55退水后易于膨胀的岩石主要有两类。一类是富含粘土矿物(待别是蒙脱石)的塑性岩石，如泥质岩、钻土岩、膨胀性粘土等。隧道围岩中有浸水后体积增大2．9％的岩石就会结开挖造成很大困难，而有些遭受热液变质的富合蒙脱石矿物的岩石，浸水后体积可增加14％一25％。因此，这类岩层的膨胀变形能对各类地下建筑物的施工和运行造成很大危害。退水后易于膨胀的岩石主要有两类。一类是富含粘土矿物(待56另一类是含硬石膏的地层。陨石膏退水后就会发土水化而转化为石膏，体积随之而增大。所以穿过这类地层的陡道往往遇到因硬石膏水化膨胀而产生的强大山压，给隧道的施工和运行带来很大困难。

10.3.3.3塑流涌出当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时，这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中．有时甚至可以堵塞坑道，给施工造成很大的困难。10.3.3.4重力坍塌破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。另一类是含硬石膏的地层。陨石膏退水后就会发土水化而转57

10.3.4围岩变形破坏的发展和山岩压力问题

10.3.4.1围岩变形破坏的累进性发展

大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常是累进性发展的。由于围岩内应力分布的不均匀性以及岩体结构、强度的不均一性及各向异性，那些应力集中程度高，而结构强度又相对较低的部位往往是累进性破坏的突破口，在大范围围岩尚保持整体稳定性的情况下，这些应力·强度关系中的最薄弱部位就可能发生局部破坏，并使应力向其它部位转移，引起另外一些次薄弱部位的破坏，如此逐渐发展，连锁反应，终特导致大范围因岩的矢稳破坏。10.3.4围岩变形破坏的发展和山岩压力问题58因此，在进行图岩稳定性的分桥、评价时，必须充分考虑图岩累进性破坏的过程和特点，针对控制围岩失稳破坏的关键部位采取有效措施，以防止累进性破坏的发生和发展，这正是支护设计的关键所在。一般说来，地下工程围岩变形破坏累进性发展的过程和特点主要取决于三方面因素，：(1)原岩应力的方向及大小；(2)地下洞室的形状及尺寸，(3)岩体结构及其强度。所以，具体条件不同，围岩累进性破坏的过程和特点也迥异，如图10一32所示。因此，在进行图岩稳定性的分桥、评价时，必须充分考虑图岩累进性5910.3.4.2山岩压力问题1．基本概念设计隧道或其它地下洞室时，如果工程地质分析与岩体力学计算的结果表明，开挖后围岩是不稳定的，那么就必须设计相应的支衬结构以支承变形或塌落的围岩，保证洞体的稳定。为了达到这个目的，支衬结构就必须能够适应与围岩之间的相互作用。这种相互作用的力，对于支衬结构来说，就是所谓的山岩压力(或简称山压)，它是设计支付结构的主要依据。可见，上面讨论的围岩应力与山压是有原则区别的，前者是围岩岩体中的内力，后者是围岩作用于支衬结构上的外力，前者转化为后者是有条件的。10.3.4.2山岩压力问题60如果围岩足够强固，完全能够承受住因岩应力的作用．当然也就不需进行支付。只有当围岩因适应10.4地下洞室围岩稳定性的分析与评价10.4.l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。如果围岩足够强固，完全能够承受住因岩应力的作61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。从岩性角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。塑性围岩，主要包括各类钻土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸木膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有风化速度快、力学强度低以及通水易于软化、膨胀或崩解等不良性质，校对地下洞室围岩的稳定性最为不利。脆性围岩主要包括各类坚硬及半坚硬岩体。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，而厚层状及炔体状岩体则通常具有很高酌稳定性。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6210.4.2隧洞围岩稳定性的定性评价。

对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，围岩应力较低且影响范围较小，因而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，通常能够通过一般的地质工作加以研究和评价。大量的实践经验表明，在一般工程隧洞中，围岩的失稳或破坏通常发生于下述几类地区(见表10一11)。(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。10.4.2隧洞围岩稳定性的定性评价。63

(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、膨胀或崩解的钻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10．4．3地下洞室围岩锡定性的定量评价对于高地应力区内的地下洞室，或埋深、规模大的地下洞室，由于围岩应力的作用显著增强，不稳定的地质标志比较难于掌握，因此，除一般的地质工作之外，(1)破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区，包括岩64还必须进行岩体力学方面的研究和计算，以便对地下洞室围岩的稳定性作出定量评价，所采用酌方法通常有解拆分袄法，赤平极射投影分桥方法以及数值模拟研究方法等，现分别讨论如下：10.4.3.1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2．含有单一(或一组)软弱结构面的围岩的稳定性验算3．顶拱围岩中简革结构块体稳定性的验算还必须进行岩体力学方面的研究和计算，以便对地下洞室围岩的稳定6510.5地下洞室围岩变形量测的方法及应用10.6地下洞室围岩的支护措施如前所述，报建的地下洞室围岩如果不稳定，就需设计相应的支衬结构来进行加固。常用的支衬结构有支撑、衬砌、锚杆支护以及“锚杆—喷射混凝土”联合文护等类型。支撑是临时性保护困岩的结机主要是用木结构的或钢结构的支架把围岩支掺起来。当开挖局部严重不稳定地段时，常作为施工中的临时性保护措施采用之。10.5地下洞室围岩变形量测的方法及应用66演讲完毕，谢谢观看！演讲完毕，谢谢观看！67第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

6810.1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宣统称为地F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。10.1基本概念及研究意义69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。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7010.2地下开挖后围岩应力的重分布10.2.1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10.2地下开挖后围岩应力的重分布71

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[如图10一2(a)]，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。如果此范围不超出地表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的，这样，就可按图10一2(b)所示的均匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化72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(如图10一3中的X轴方位)，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(如图10一3中z轴方位)。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。围岩应力重分布的主要特征是：73地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件7410．2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态(如图10一4、10一5)。可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。10．2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律75地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件76地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件77

根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点的切向应力可根据下式求得：σθ＝σv(α+βN）(10—1)式中：(α+βN）称为应力集中系数（=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表(表10—1)，符号见图10一4。

αβA点B点-12（b/a)+12（b/a）+1-1

表10—1根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点78图10-6洞室周边应力集中系数图10-6洞室周边应力集中系数79

10.2.2.1拉应力产生的条件从图10一6中可以看出，(1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不产生拉应力，(2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中系数与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时，σhθ／σv均等于一1，(3)当0N1时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位．亦即当N＜l时，最大拉应力出现在A点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；当N＞1时．最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。10.2.2.1拉应力产生的条件80地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件81

10.2.2.2最大压应力集中的规律图10一6表明，当b／a＝N时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当b／a＞N时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当b／a＜N时，最大压应力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可据式(10一1)或图10一6求得。10.2.2.2最大压应力集中的规律8210.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律10.2.2.1方形一矩形洞室图10一7及图Io一8表明，方形一矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(B／H的不同而变化，在不同的应力场中(N值不同时)，大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低，随着宽高比的增大或减小，洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似干线性地增大。不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压应力集中系数值，可根据10-7图10一8及表10一3的资料概略确定。

10.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律83这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与周边垂直相交的A点，不同条件下这类洞室周边上的最大拉内力集中系数可据表10一2的资料概路确定。从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。10.2.3.2长圆形(圆拱直墙式)洞室根据光弹试验的资料，图10一9所示断面上各特征点的切向应力仍可按式10一1求得。图中各特征点的应力集中系数中α和β值，列于表10-4中.

这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与84地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件85地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件86地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件87根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点，但当N值大于7以后，周边上的最大压应力集中则出现在洞室的顶拱A点处。最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故在N＜1的应力场中。随着N值的降低，拉应力首先出现在洞底的中点F处，其产生拉应力的N值条件为N0.39，随着N值的进一步降低，F点处的拉应力逐渐增大，当N降至小于0.25时，洞室顶拱的中点A点处也开始产生拉应力；在N＞1的应力场中，最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点c处，其出现拉应力的N值条件为N＞2.1。根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的88地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件8910.2.4洞室周边应力与其形状间的近似定量关系根据森维南原理可知．洞室周边的应力状态，只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的控制。在如图10一10所示的特例条件下，洞室周边特定点A、B处的应力与其形态间有如下定量关系：10.2.4洞室周边应力与其形状间的近似定量90

上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际上，利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室周边与主应力垂直相交两点(即A、B点)处的周边应力。例如，在图10一11所示的情况下，只要先求出A、B两点处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点的周边应力。A点的曲率半径可直接从图中求出B点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径计算。按上述方法求得的周边应力分别为：σA＝3．96P，σB＝-0.17P，与据边界无法求得的数据σA＝3．0P，σB＝-0.17P),可见，这种简易的近似计算完全能满足工程设计的精度要求。上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相9110.2.5图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图10一12表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的应力分布情况，它表明，当围岩的应力—应变关系具有非线性特征，或围岩具有较大螺变特性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力；但当远离洞壁一定医离后，岩层内的切向应力则要大干理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图10一12中的虚线所示。10.2.5图岩特性及不连续面对围岩应力的影响92地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件93

图10一13表示地下洞室附近断层等不连续面的存在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用[如图10—13(b)]，从而使断层面上产生剪应力[如图10一13(c)]。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原因，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．

图10一13表示地下洞室附近断层等不连续面的存94此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起。已被某些测量所验证过的理论计算结果指出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩层。10.2.6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(图10—14)，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此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起。950.15一0.6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。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9610.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题10.3.1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。10.3地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题97其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带，如图10—15所示的水静应力场中(N＝1)圆形隧洞周围的三个应力带就是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成很大的山压。

其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将98围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构之间的关系列于表10一6。围岩类型岩体结构变形破坏形式产生机制脆性围岩块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张性破坏劈裂剥落压应力集中造成的压制拉裂剪切滑移及剪切破碎压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏中薄层结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构破碎松动压应力集中造成的剪切松动塑性围岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌表10—6围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应9910.3.2脆姓围岩的变形和破坏脆性图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。这类因岩的变形和破坏，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。这类围岩变形破坏的形式和特点．除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型(见表10一6)，现分述如下。10.3.2脆姓围岩的变形和破坏10010.3.2.1弯折内鼓这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回弹的结果；二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过范层状岩层的抗弯折强度所造成的。由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内(或者洞室埋深较大，或者水平地应力较高)，而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈．故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时，洞室开挖后．薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生如图Io一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。10.3.2.1弯折内鼓101例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号。十135航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在ot360—o十470m段的施工过程中。例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉102

值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中，当送洪道平行于陡顾的岩层走向时，新开挖出的边披岩体经常在3—5天之内即发生强烈的倾倒破坏。由此可见，在该区所发生酌上述两类变形破坏(即地宏边坡岩体的倾倒和地下隧洞洞壁的弯折内鼓)同是卸荷回弹与应力释放的结果。由压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。

值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中，当送103如图10一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号0十135航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在0十360—o十470m段的施工过程中。洞体两侧壁发生严重的弯折内鼓，开挖中曾用锚杆与工字钢联合封锁支护，半月之后，变形岩体连锚杆与工字钢突然坍落，方量达500m3，不得不停工处理。如图10一16所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而104一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。如图10—17所示情况，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。一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。如105

从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常．轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳定性远低于平行于最大主应力方向者。这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩层时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓的发展而严重坍塌。从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出10610.3.2.2张裂塌落

张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。但是在N0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力(如图10一18)。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时．顶拱因岩韶趋于稳定。10.3.2.2张裂塌落107地下洞室围岩稳定性的工程地质分析课件108

10.3.2.3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。1.劈裂剥落过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落[如图l0一19(b)]。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。10.3.2.3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动109劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者则造成通常所谓的片帮。2.剪切滑移这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边鹏上，也可发生于顶拱。

劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条110在水平应力大于垂直应力的应力场中(N＞1)，这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位，图10一20(a)就表示了这种情况。位于断层带内的岩层单元体通常具有如图10一20(b)所示的应力状态。由于切向应力σθ很大，而径向应力σr很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。这种滑移又会引起次生的拉应力[大体上垂直于因10一20(a)中的虚线]，从而使断层与虚线间的三角形岩体因滑移拉裂而冒落。在水平应力大于垂直应力的应力场中(N＞1)，这类破坏1113．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屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固指施。

3．碎裂松动112上述二类破坏所引起的洞室宽高比的变化，一方面会使洞形急剧变化部分的因岩表部的切向压应力的集中程度随之急剧增大，另外还会在与最大主应力相垂直的洞壁上引起拉应力，从而进一步恶化围岩的稳定条件．引起围岩累进性破坏。如图Io一21所示，就是一个宠高比为6的矩形坑道，在川＝3的应力场中，顶拱挤压破坏所引起的洞形变化与围岩应力变化之间的关系。从图中可以看出，当破坏所造成的崩落向上发展时，顶板中央的压应力迅速随冒落高度增高而增大，在这种场合下，如不及时采取措施，顶拱的崩落作用必将累进性的加速发展，造成严重后果。上述二类破坏所引起的洞室宽高比的变化，一方面会使洞形11310.3.2.4岩爆1．有关岩屈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。

10.3.2.4岩爆1142．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在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。成昆线官村坝隧道(最大埋操达1600贝)开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。它一殷发生在新开挖的工作面附近，爆破后2—3h，围岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。2．岩爆的类型和特点115弹出者一船块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、宽，但爆到声较大，月．爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一殷块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆

(2)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，弹出者一船块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、116故常被称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿个，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内[如图10一22(a)的s区]，在某些因素的作用于，那里的煤被突然粉婶，而这一区域与坑道间(ht区)的煤则大块地被饱到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护女或煤柱中压力的增大，有时还会出现G层声或振动，但有时则没有明显的预兆。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，故常被称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿个，这类岩爆多发生于距117(3)断层错动引起的岩爆这类岩爆产生的条件如图Io一22(c)所示，即当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。(3)断层错动引起的岩爆118(1)由原岩应力状态及洞形所决定的围岩内的最大压应力集中区。(2)围岩友部的高变异应力及残余应力分布区(如图10一25)以及由岩性条件所决定的局部应力集中区，如夹于软岩中的坚硬岩体。(3)断层、软弱破碎岩墙或岩脉等软弱结构面附近，洞体与这些软弱结构面所形成的应力集中局部增高区(图10一27)。图10一28更清楚地说明了这个问题。它是其隧洞以锐角穿越一破碎岩墙时发生岩爆的实际情况。在开挖向前推进的过程中，当隧洞处于图10一28(a)及(c)的位置时，在紧邻岩墙的洞壁上均发生了岩爆，而当隧洞远离岩墙或在岩墙之内时则无岩爆发生。(1)由原岩应力状态及洞形所决定的围岩内的最大压应力119

(4)已有洞体内，由于新开挖影响而出现的高应力区(如图10一29)。10.3.3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。这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的．主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同类型，现分述如下：10.3.3.1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。在一般情况下

(4)已有洞体内，由于新开挖影响而出现的高应力120(1)因结程度较差的泥岩、钻土岩；易于被挤出的岩体主要包括：(2)各种富含泥质的沉积或变质岩层(如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等)中的挤压剪闭破碎带，(3)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动i且团结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。(1)因结程度较差的泥岩、钻土岩；易于被挤出的岩体主121

10·3.3.2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图岩表部转移，结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。这类膨胀变形显然是由