岩石力学课件：岩石地下工程.ppt

1、地下工程：地下工程：为各种目的修建在地层之内的中空巷为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室，其共同特点是在岩体内开挖出具道或中空洞室，其共同特点是在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸的洞室。有一定横断面积和尺寸的洞室。不同的分类方式有不同的分类不同的分类方式有不同的分类 方法方法按所处的地质条件按所处的地质条件按所处的地理位置按所处的地理位置土质隧道土质隧道岩质隧道岩质隧道山岭隧道山岭隧道水底隧道水底隧道城市隧道城市隧道交通类隧道交通类隧道水工隧道水工隧道市政隧道市政隧道矿山隧道矿山隧道人防隧道人防隧道铁路隧道铁路隧道公路隧道公路隧道地下铁道地下铁道人行通道人行通道引水隧道引水隧道尾水隧

2、道尾水隧道导流隧道导流隧道泄洪隧道泄洪隧道给水隧道给水隧道排水隧道排水隧道管路隧道管路隧道（煤气、暖气、电力等）（煤气、暖气、电力等）采矿巷道采矿巷道运输巷道运输巷道qphH)5 . 20 . 2(/qhq深埋地下工深埋地下工程（程（50m）的特点的特点：可视为可视为无限体中的孔洞无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；当埋深等于或大于巷道半径当埋深等于或大于巷道半径R R0 0或其宽、高之半的或其宽、高之半的2020倍以上时，巷道影响倍以上时，巷道影响范围（范围（35 R R0 0 ）以内的）以内的岩体自重可以忽略不计岩体自重可以忽略不计

3、；原岩水平应力可以简化；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（为均匀分布，通常误差不大（10以下）；以下）；深埋的水平巷道长度较大时，可作为深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变平面应变问题处理。其它类型巷道问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。深埋隧道深埋隧道（地下工程自身影响达不到地表）（地下工程自身影响达不到地表）浅埋隧道浅埋隧道南水北调东线穿黄探洞工程，开创南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先米深处穿越黄河先例例断面为断面为1620米的瀑布沟水电站泄洪洞米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢

4、纽导流隧洞工程四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工采矿巷道采矿巷道地下水电站地下水电站海底储气工程海底储气工程汕头汕头LPG工程，工程，1997年年10月开工，月开工，1999年年12月建成月建成人防隧道人防隧道广州地铁二号线广州地铁二号线【赤鹭区间隧道赤鹭区间隧道】盾构工程盾构工程隧道内路面施工隧道内路面施工重庆轻轨二号线（较场口重庆轻轨二号线（较场口-新山村）新山村） 18公里，投资公里，投资43亿（亿（2000-2005年）年）临江门车站临江门车站较场口车站较场口车站大坪车站大坪车站公路隧道公路

5、隧道2005年年2月月15日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出100万万方土石。其中，每条隧洞长方土石。其中，每条隧洞长3900米，单向双车道。米，单向双车道。 全长全长18.02公里，总投资公里，总投资31.93亿元亿元断层、涌水、岩爆断层、涌水、岩爆照明、通风、消防、通信、救援、照明、通风、消防、通信、救援、交通安全控制、供配电、监控交通安全控制、供配电、监控湖南邵怀高速湖南邵怀高速隧道内的隧道内的“人造天空人造天空”铁路隧道铁路隧道中国自行设计和施工的第一座中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于（北）京包越岭隧道，位于（北）京包（头）铁路

6、青龙桥车站附近。（头）铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长这座单线隧道全长1091米，由米，由我国杰出的工程师詹天佑亲自我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，规划督造，1907年开工，在中年开工，在中国技术人员和工人的努力下，国技术人员和工人的努力下，仅用仅用18个月，于个月，于1908年竣工。年竣工。在四川省境内的大渡河畔，在四川省境内的大渡河畔，有一条古老凉山分裂成的有一条古老凉山分裂成的长达几里的大裂缝，名叫长达几里的大裂缝，名叫老昌沟。老昌沟。1964年修建年修建成昆成昆铁路铁路时，桥梁建设者们在时，桥梁建设者们在这里修建了一座中国跨度这里修建了一座中国跨度最大的铁路石拱桥。最大的铁路石

7、拱桥。中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道： 关角隧道位于青藏铁路西关角隧道位于青藏铁路西（宁）格（尔木）段的青海省（宁）格（尔木）段的青海省天峻县内，全长天峻县内，全长4000米。洞内米。洞内轨面最高处海拔轨面最高处海拔3692米。由于米。由于地处高海拔地区，气候寒冷，地处高海拔地区，气候寒冷，空气稀薄，年平均气温空气稀薄，年平均气温0，最低温度为零下最低温度为零下37.5。关角关角隧道的施工前后历时隧道的施工前后历时30多年，多年，除停工的除停工的13年外，正式开挖建年外，正式开挖建设设5年半，而整治病害耗时年半，而整治病害耗时9年年多，可见隧道地

8、质构造之复多，可见隧道地质构造之复杂、气候条件的恶劣和病害的杂、气候条件的恶劣和病害的严重。严重。中国已通车的最长双线电气化铁路隧道中国已通车的最长双线电气化铁路隧道: :位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，全长全长1429514295米。隧道埋深米。隧道埋深7070至至910910米，推行了国外最米，推行了国外最先进的设计和施工的方法先进的设计和施工的方法“新奥法新奥法”。采用八十。采用八十年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序钻爆、支护、装运三条机械化作业线。钻爆、支护、装运三条机械化作业

9、线。穿越武夷山脉的长大越岭隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道: :中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为道组成，两线间距为3030米，其中米，其中线隧道全长线隧道全长1846018460米；米；线隧道全长线隧道全长1845618456米。米。中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道隧道最大埋深约隧道最大埋深约16001600米，埋深超过米，埋深超过10001000米地段长约米地段长约3.83.8公里。公里。线线( (左线左线

10、) )隧道使用隧道使用2 2台台8.88.8米敞开式掘进机（米敞开式掘进机（TBMTBM）由隧道两端相向施工。）由隧道两端相向施工。线隧道线隧道( (右线右线) )，采用新奥法，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大秦岭隧道地质复杂、工程巨大, ,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关，且多技术难关，且线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此

11、线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有六类有六类2424项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道19951995年年1 1月月1818日正式开工，日正式开工，19991999年年9 9月月6 6日全部贯通，日全部贯通，20002000年年8 8月月1818日西康铁路开通运营。日西康铁路开通运营。世界高原多年冻土区第一长大隧道：世界高原多年冻土区第一长大隧道：昆仑山隧道位于青藏铁路

12、青海境内，全长昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长1686米米，于于2001年年9月开工，月开工，2002年年9月月26日日胜利贯通。胜利贯通。世界海拔第一高的铁路隧道：世界海拔第一高的铁路隧道：位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人无人区区”边缘，全长边缘，全长13381338米，轨面海拔米，轨面海拔49054905米，是世界米，是世界上海拔最高的隧道，年均气温零下上海拔最高的隧道，年均气温零下77，寒季最低，寒季最低气温达零下气温达零下4141，空气中氧气含量只有内地的，空气中氧气含量只有内地的5050左右。隧道冻土层最厚达左右。隧道冻土层最厚达15

13、0150米、覆盖层最薄处仅米、覆盖层最薄处仅有米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难有米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难度之大前所未遇。度之大前所未遇。 20012001年年1010月月1818日开工建设，日开工建设，20022002年年1010月月1919日胜利贯通。日胜利贯通。 课后自己上网看看课后自己上网看看CCTV10CCTV10的纪录片的纪录片穿越梦想穿越梦想宜万铁路宜万铁路( (沪蓉西高速铁路沪蓉西高速铁路) )核心区地下城，以波浪文化城（100000 m2）和地铁1、2 号线换乘站为骨干，形成地下城，地下空间总量达到200万m2。 深圳罗湖口岸及火车站地区：该综合体地下地

14、上各三层，该项目于2006年7月获城市土地学会亚太区卓越奖。 深圳华强北地下商业街：以疏通人流为主，兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸，扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。 南 京 结合地铁1、2号线新街口换乘站建设，形成地下空间网络，总建筑面积超过了40万m2，基本形成了地下城。 平壤地铁平壤地铁19681968年开建，年开建，19871987年开通，全长年开通，全长3535公里。最深处达公里。最深处达120120米，号称是世界上最深的地铁。米，号称是世界上最深的地铁。当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海

15、峡，把津轻半岛和北海道的铁路连当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长为为53860米，其中海底部分为米，其中海底部分为23300米。青函隧道米。青函隧道1964年开挖斜坑道，经过年开挖斜坑道，经过24年年的施工，于的施工，于1988年年3月月13日正式投入运营。日正式投入运营。从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径7.3米、长米、长50000米的

16、铁路隧道。其中米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距米在海底。两条隧道之间相距30米，在其中间线再修米，在其中间线再修一条直径为一条直径为4.5米的辅助隧道，每隔米的辅助隧道，每隔375米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿亿法朗（约合法朗（约合70亿美元）。隧道于亿美元）。隧道于1987年动工，年动工，1994年竣工并投入使用。坐时速年竣工并投入使用。坐时速260公公里的高速火车，穿越隧道只用

17、里的高速火车，穿越隧道只用26分钟分钟。计划中的这条隧道长计划中的这条隧道长103公里，是英法隧道水下部分的公里，是英法隧道水下部分的3倍长，贯穿白令海峡，将倍长，贯穿白令海峡，将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为北美和俄远东地区每年节省北美和俄远东地区每年节省200亿美元运输费和电费。预计历时亿美元运输费和电费。预计历时10到到15年，耗资年，耗资1

18、00亿到亿到120亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。香港海底隧道九龙入口香港海底隧道九龙入口 香港第1条过海行车隧道，于1972年8月通车，耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里，跨越维多利亚港，将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道 第一条由内地专家自行设计的海底隧道，而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。全长9公里，海底隧道5.95公里，总投资39.5亿。隧道采取三孔建设形式，共由三条线路组成，其中中间一孔为服务隧道，作为紧急避难通道和日常维护检修用。主

19、洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米 ，隧道最深在海平面下约70米。 台海隧道即使以最短的北线计算也有台海隧道即使以最短的北线计算也有150公里，是英法之间的英吉利海峡隧公里，是英法之间的英吉利海峡隧道长度的道长度的3倍。台海隧道的造价排除物价因素将在倍。台海隧道的造价排除物价因素将在4000亿到亿到5000亿元人民币之间。亿元人民币之间。预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要2小时。小时。 台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海峡地层处于较新的地质

20、年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘峡地层处于较新的地质年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘探、科学的设计和完备的施工措施。探、科学的设计和完备的施工措施。盾构法沉管法水底隧道施工方法盾构法浅埋暗挖法盖挖法地下连续墙法明挖法法浅埋及软土隧道施工方掘进机法新奥法传统矿山法钻爆法矿山法山岭隧道施工方法隧道施工方法)(（1 1）围岩应力重分布问题）围岩应力重分布问题计算重分布应力计算重分布应力 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成

21、新的应力状态，称为重分布应力状态。变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。 （2 2）围岩变形与破坏问题）围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。体的承受能力，围岩将产生破坏。 （3 3）围岩压力问题）围岩压力问题计算围岩压力计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩

22、进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力( (或称山岩压力、地压等或称山岩压力、地压等) )。（4 4）有压洞室围岩抗力问题）有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力计算围岩抗力 在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。将产生一个反力，称为围岩抗力。 n围岩应力计算：围岩应力计算： 开挖前岩体天然应力状态的确定开挖前岩体天然应力状态的确定 开挖后开挖后围岩重分布应力围岩重分布应力的计算的计算

23、 支护衬砌后围岩应力状态的改善支护衬砌后围岩应力状态的改善n重分布应力：重分布应力： 地下开挖扰动后在围岩中形成的新地下开挖扰动后在围岩中形成的新的应力。重分布应力与围岩性质、洞的应力。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关形、洞室受外力状态有关一、无压洞室围岩重分布应力计算一、无压洞室围岩重分布应力计算1 1、弹性围岩重分布应力、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可根据弹性力学计算。重分布应力可根据弹性力学计算。如果洞室半径

24、相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为化为受均布压力受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。问题。MxVHMxVMxH=+假定洞室开挖在天然应力比值系数为的岩体中，则问题可简化为右图所示的无重板岩体力学模型。 H =v（1 1）圆形洞室）圆形洞室 设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：rrrrrrrrr22222221111边界条件：)( sin2)()( 0)()( cos22)(000R

25、bpRb Rb ppbrbrrbrrr设应力函数2cos)(ln222FDrCrBrrA解微分方程，得各常数2 4 4 4 2202020pRFpRDpCpBpRA2cos2212ln222020220220rRRrRrrpRrrrrrrrrr22222221111柯西课题M点的应力分量2sin23122cos31122cos43112220440440220220440220rRrRprRrRprRrRrRprr2sin23122cos31122cos43112220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVVVrr2sin23122cos31122cos431122

26、20440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVVVrr由由v引起的引起的重分布应力重分布应力由由H产生的产生的重分布应力重分布应力2sin231212cos31211212cos43121121220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVVVrr2sin23122cos312122cos431212220440440220220440220rRrRrRrRrRrRrRVhVhVhVhVhrrv和和H同时作用时圆形洞室围岩重分布应力同时作用时圆形洞室围岩重分布应力 讨论：1 1）洞壁上的重分布应力）洞壁上的重分布应力n洞壁上的洞壁上的rr0 0

27、，r r0 0，仅有，仅有作用，为单向作用，为单向应力状态应力状态n大小仅与天然应力状态及计算点的位置大小仅与天然应力状态及计算点的位置有关，有关，而与洞室尺寸而与洞室尺寸R R0 0无关。无关。n当当=0=0、1801800 0时，时， = 3= 3v v h hn当当=90=90、2702700 0时，时， = 3= 3h h v v02cos)1 (212cos)(20rVVhVhr 2 2）洞壁上的重分布应力随）洞壁上的重分布应力随变化变化n当当1/31/3时，洞顶底将出现时，洞顶底将出现拉应拉应力力； 当当1/31/33 3时，洞壁的时，洞壁的全为全为压应力且应力分布较均匀；压应力且

28、应力分布较均匀；n当当3 3时，两侧壁将出现时，两侧壁将出现拉应力拉应力，洞顶底则出现高洞顶底则出现高压应力压应力集中。集中。n每种洞形的洞室都有一个不出现每种洞形的洞室都有一个不出现拉拉应力应力的临界的临界值，这对不同天然应值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。力场中合理洞形的选择很有意义。2cos)1 ( 21V3 3）=1=1（H H=v v=0 0 ）时的围岩重分）时的围岩重分布应力布应力围岩内重分布应力与围岩内重分布应力与角无关，角无关，仅与仅与R R0 0和和0 0有关。有关。由于由于rr=0=0，则，则r r，均为主均为主应力应力，且，且恒为最大主应力，恒为最大主应力，

29、r r恒为最小主应力。恒为最小主应力。当当 r r R R0 0( ( 洞 壁洞 壁 ) ) 时 ，时 ， r r= 0= 0 ，=2=20 0，可知洞壁上的应力差，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。明洞壁最易发生破坏。01122002200rrRrRr 4 4） r r 、随着离洞壁距离随着离洞壁距离r r的变化的变化n随着离洞壁距离随着离洞壁距离r r增大，增大，r r逐渐增大，逐渐增大，逐渐减小逐渐减小，并，并都渐渐趋近于天然应力都渐渐趋近于天然应力0 0值值。在理论上，。在理论上，r r，要在要在rr处才达到处才达到0 0值，

30、但实际上值，但实际上r r，趋近于趋近于0 0的速度的速度很快。很快。n当当r=6R0时，时，r和和与与0相差仅相差仅2.8%。因此，一般认为，地。因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在该范围以在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩围岩，是有限元计算模型的边界范围。是有限元计算模型的边界范围。2200220011rRrRr5 5） r r 、为主应力的条件为主应力的条件当r0时， r 、为主应力，即：02sin2312220440rRrRVhr可得可得: :当当1)=01)

31、=0、9090、180180、2702700 0 2) 2) h h= = v v 3) r=R3) r=R0 0 时，时， r r 、为主应力为主应力（2 2）其他形状洞室）其他形状洞室n应力集中系数应力集中系数 地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的天然应力的比值比值，称为应力，称为应力集中系数集中系数。该系数反映了洞。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况壁各点开挖前后应力的变化情况。，为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。)2cos21 ()2cos21 (VhVh圆形洞室2cos)(2VhVh特点：特点：n椭圆

32、椭圆形洞室长轴形洞室长轴两端点应力集中最大两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；，易引起压碎破坏；而短轴两端易出现而短轴两端易出现拉应力集中拉应力集中，不利于围岩稳定，不利于围岩稳定n各种形状各种形状洞室的角点或急拐弯处洞室的角点或急拐弯处应力集中最大应力集中最大，如正方，如正方形或矩形洞室角点等。形或矩形洞室角点等。n长方形长方形短边中点短边中点应力集中大于长边中点应力集中大于长边中点，而，而角点角点处处应力应力集中最大集中最大，围岩最易失稳。，围岩最易失稳。n当岩体中天然应力当岩体中天然应力h h和和v v相差不大时，以圆形洞室围岩相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布应力分布最均匀最均匀，围岩

33、稳定性，围岩稳定性最好最好。n当岩体中天然应力当岩体中天然应力h h和和v v相差较大时，则应尽量使洞室相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行长轴平行于于最大天然应力最大天然应力的作用方向。的作用方向。n在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形曲线形，以避免角点上过大的应力集中。以避免角点上过大的应力集中。2 2 塑性围岩重分布应力塑性围岩重分布应力地下开挖后，洞壁的应力集中地下开挖后，洞壁的应力集中最大最大, ,当它超过围当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为岩屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为塑性状态塑性状态，并在围岩中形成一个

34、，并在围岩中形成一个塑性松动圈塑性松动圈。随着距洞壁距离增大，径向应力随着距洞壁距离增大，径向应力rr由零逐渐增由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为化为弹性状态弹性状态。围岩中出现。围岩中出现塑性圈和弹性圈塑性圈和弹性圈。塑性松动圈塑性松动圈的出现，使的出现，使圈内一定范围内的应力圈内一定范围内的应力因释放而明显降低，而因释放而明显降低，而最大最大应力集中由原来的应力集中由原来的洞壁移至塑、弹圈交界洞壁移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明处，使弹性区的应力明

35、显升高。显升高。弹性区以外则是应力基弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应本未产生变化的天然应力区力区( (或称原岩应力区或称原岩应力区) )。弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力n假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半径为假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半径为R0的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动圈半径为的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动圈半径为R1，岩体中的天然应力为岩体中的天然应力为hv0，圈内岩体强度服从莫尔，圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。n在塑性

36、圈内取一微小单元体在塑性圈内取一微小单元体abdc，bd上作用有上作用有r，ac上上作用有作用有rdr。rdrrdrctgCctgCdmmmmmmrmmrsin1sin21sin1sin1)(平衡方程02sin2)(ddrddrrdrdrrrrrrddr)(mmrrmctgc2/ )(2/ )(sinrrdrrd塑性条件ArctgCmmmmrlnsin1sin2)ln(0lnsin1sin2)ln(RctgCpAmmmmimmmmirctgCRrctgCpmmsin1sin20)(irpRr 0mmmmmmictgCRrctgCpmmsin1sin20sin1sin1)(当r =R0时mmmm

37、miirctgCppsin12sin1sin1当r =R0，Pi=0时mmmrctgCsin120塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(0)无关，无关，而取决于支护力而取决于支护力(pi)和岩体强度和岩体强度(Cm，m)值。值。洞壁上洞壁上0cos)sin1 (cos)sin1 (00rpemmmpemmmrpeCC塑性圈与弹性圈交界面塑性圈与弹性圈交界面(r(rR R1 1) )该面上：该面上： 弹性应力弹性应力= =塑性应力塑性应力塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于0和和Cm、m，而与，而与pi无关。无关。支护力不能

38、改变交界面上的应力大小，只能控制塑支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径性松动圈半径(R1)的大小。的大小。二、有压洞室围岩重分布应力计算自学8.3 围岩的变形与破坏 地下开挖后地下开挖后 自由自由变形空间变形空间 松胀变形松胀变形等变形现象；等变形现象； 如果这种变形超过了围如果这种变形超过了围岩本身所岩本身所能承受的能力能承受的能力，则围岩就要发生破坏：则围岩就要发生破坏：坍塌、滑动坍塌、滑动或或岩爆岩爆等现等现象。象。围岩变形围岩变形破坏形式破坏形式取决于围取决于围岩应力状岩应力状态、岩体态、岩体结构及洞结构及洞室断面形室断面形状等因素状等因素一、各类结构围岩的变形破坏

39、特点 1 1、整体状和块状岩体围岩、整体状和块状岩体围岩n岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。n在力学属性上可视为在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介均质、各向同性、连续的线弹性介质质，应力应变呈近似直线关系。，应力应变呈近似直线关系。n围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、岩爆、脆性开裂脆性开裂及及块体滑移块体滑移等。等。n这类围岩的整体变形破坏可用这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论弹性理论分析

40、，局部块体分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。滑移可用块体极限平衡理论来分析。n岩爆岩爆是高地应力地区，由于洞壁围是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。发性变形破坏的现象。n脆性开裂脆性开裂出现在拉应力集中部位出现在拉应力集中部位坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙n块体滑移块体滑移是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制其与开挖面的

41、相对关系控制。2、层状岩体围岩n常呈软硬岩层相间的互层形式。常呈软硬岩层相间的互层形式。n结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面以层理面为主，并有层间错动及泥化夹层等软弱结构面发育。结构面发育。n变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等控制，破坏形式主要有：主要有：沿层面张裂沿层面张裂、折断塌落折断塌落、弯曲内鼓弯曲内鼓等。等。n变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平变形破坏常可用弹性梁、弹性板或材料力学中的压杆平衡理论来分析。衡理论来分析。 n在在水平层状水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在围岩中，洞顶岩层可视为

42、两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。n在在倾斜层状倾斜层状围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯围岩中，常表现为现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的曲塌落。另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。将出现偏压现象。塌落拱。将出现偏压现象。n在在直立层状直立层状围岩中，当天然应力比值系数围岩中，当天然应力比值系数1/31/3时，洞时，洞顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行顶发生沿层面纵向拉裂，被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。于层面，常发生纵向弯

43、折内鼓，进而危及洞顶安全。3、碎裂状岩体围岩n碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。次生夹泥的岩体。n变形破坏形式常表现为变形破坏形式常表现为塌方塌方和和滑动滑动。n用松散介质极限平衡理论来分析。用松散介质极限平衡理论来分析。在夹泥少、以岩块刚性在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，接触为主的碎裂围岩中，不易大规模塌方。不易大规模塌方。围岩中含泥量很高时，围岩中含泥量很高时，由于岩块间不是刚性接触，由于岩块间不是刚性接触，易产生大规模塌方或塑性易产生大规模塌方或塑性挤入挤入4、散体状岩体围岩n散体状岩体是指散体状岩体

44、是指强烈构造破碎强烈构造破碎、强烈风化强烈风化的岩体。常表的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。现为弹塑性、塑性或流变性。n围岩结构均匀时，以围岩结构均匀时，以拱顶冒落拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑局部塌方、塑性挤入性挤入及及滑动滑动等变形破坏形式。等变形破坏形式。n可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。n围岩的变形破坏是围岩的变形破坏是渐渐进式逐次发展进式逐次发展的。的。 开挖开挖-应力调整应力调整-变形、局部破坏变形、局部破坏-再再次调

45、整次调整 -再次变形再次变形-较大较大范围破坏范围破坏围岩的变形破坏过程围岩的变形破坏过程n分析围岩变形破坏时，分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的应抓住其变形破坏的始始发点发点和发生连锁反应的和发生连锁反应的关键点关键点，预测变形破坏，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。逐次发展及迁移的规律。n在围岩变形破坏的早期在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。确保围岩的稳定性。8.4 围岩压力计算 一、基本概念一、基本概念n地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性地下洞室围岩在重分布应力作用下产生过量的塑性变形或松动

46、破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压变形或松动破坏，进而引起施加于支护衬砌上的压力，称为力，称为围岩压力围岩压力(peripheral rock pressure)(peripheral rock pressure)。n围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩围岩压力是围岩与支衬间的相互作用力，它与围岩应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，应力不是同一个概念。围岩应力是岩体中的内力，而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支而围岩压力则是针对支衬结构来说的，是作用于支护衬砌上的外力。护衬砌上的外力。n按围岩压力的形成机理，可将其划分为按围岩压力的形成机理，可将其划分为形变围岩压形变围

47、岩压力力、松动围岩压力松动围岩压力和和冲击围岩压力冲击围岩压力。 1 1、形变围岩压力、形变围岩压力n形变围岩压力是由于形变围岩压力是由于围岩塑性变形围岩塑性变形如塑性挤入、如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。n产生形变围岩压力的条件：产生形变围岩压力的条件： 岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形； 深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流动变形。动变形。 2 2、松动围岩压力、松动围岩压力n松动围

48、岩压力是由于松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏力坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。n大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。水活动和支护时间等因素。n松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。衡理论进行分析计算。 3 3、冲击围岩压力、冲击围岩压力n冲击围岩压力是由冲击围岩压力是由岩爆形成岩爆形成的一种特

49、殊围岩压力。的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。n冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。等因素的影响。n冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。

50、定性的评价预测。1 1、普氏理论假设条件、普氏理论假设条件（1）将岩体视为具有一定粘结力的松散体。kccf tgtgtg 式中：k 为岩体似内摩擦角。（2）洞顶岩体能够形成压力拱。（3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与拱外岩体和坑道埋深无关。二、二、 普氏地压理论普氏地压理论10cf 式中式中c c 为岩石单轴抗压强度，为岩石单轴抗压强度，Mpa.Mpa.也可按上式计算岩体似内摩擦角也可按上式计算岩体似内摩擦角k k ：（4 4） 采用坚固性系数采用坚固性系数f f（普氏系