1、6 6地地下下工工程程1 1第六章 地下工程.6 6地地下下工工程程2 2第六章 地下工程6.16.1 概述概述6.26.2 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算6.36.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏6.46.4 地下建筑稳定性评价地下建筑稳定性评价6.56.5 地下工程地质超前预报地下工程地质超前预报.6 6地地下下工工程程地下工程：地下工程：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，也称为地下建筑或地下洞室。，也称为地下建筑或地下洞室。分类分类按其用途可分为：按其用途可分为：交通隧道、水工隧道、矿山巷道，交通隧道、水工隧道、矿山巷道，地下厂房和仓库、
2、地下铁道及地下军事工程等类型地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型按其内壁是否有内水压作用：按其内壁是否有内水压作用：无压洞室、有压洞室无压洞室、有压洞室按其断面形状：按其断面形状：圆形、矩形、马蹄形等圆形、矩形、马蹄形等按洞室轴线与水平面对关系：按洞室轴线与水平面对关系：水平洞室、竖井、倾斜水平洞室、竖井、倾斜洞室洞室按围岩介质类型：按围岩介质类型：土洞、岩洞土洞、岩洞3 36.1 概述.6 6地地下下工工程程4 46.1 概述l地下工程的共同特点地下工程的共同特点: :都要在岩土体内开挖出具有都要在岩土体内开挖出具有一定断面形状和尺寸，并具有较大的延伸长度的一定断面形状和尺寸，并具有
3、较大的延伸长度的洞室。洞室。l洞室开挖之前洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，岩体处于一定的应力平衡状态; ;l洞室开挖洞室开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。新分布。l 围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著变形和破坏，开挖出的洞室就是稳定的。发生显著变形和破坏，开挖出的洞室就是稳定的。l 围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用，随着时围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用，随着时间的推移，开挖出的洞室就会逐渐丧失其稳定性。间的推移，开挖出的洞室就会逐渐丧失其稳定性。.6 6地地下
4、下工工程程5 56.1 概述围岩应力重分布问题围岩应力重分布问题计算计算重分布应力重分布应力围岩变形与破坏问题围岩变形与破坏问题计算计算位移位移、确定、确定破坏范围破坏范围围岩压力问题围岩压力问题计算计算围岩压力围岩压力有压洞室围岩抗力问题有压洞室围岩抗力问题计算计算围岩抗力围岩抗力洞室洞室围岩力学问题围岩力学问题hV5 5.6 6地地下下工工程程6 6第六章 地下工程6.16.1 概述概述6.26.2 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算6.36.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏6.46.4 地下建筑稳定性评价地下建筑稳定性评价6.56.5 地下工程地质超前预报地下工程地质超前预报6 6
5、.6 6地地下下工工程程6.2 6.2 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算7 7应力重分布作用应力重分布作用: :地下开挖以后，由于围岩质点地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起起天然应力大小、方应力、应变调整而引起起天然应力大小、方向和性质改变的作用向和性质改变的作用。重分布应力状态重分布应力状态: :经应力重分布作用后形成的新经应力重分布作用后形成的新的应力状态。的应力状态。围岩围岩: :把重分布应力影响范围内的岩体。把重分布应力影响范围内的岩体。重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态重分布应力与围岩性质、洞形、洞室受外力状态有关。有关。.6 6地地下下工工程程6.2 6.2
6、 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算8 8围岩重分布应力计算：围岩重分布应力计算： 开挖前开挖前岩体天然应力状态的确定岩体天然应力状态的确定 开挖后开挖后围岩重分布应力的计算围岩重分布应力的计算 支护衬砌后支护衬砌后围岩应力状态的改善围岩应力状态的改善8 8.6 6地地下下工工程程一、一、弹性围岩重分布应力弹性围岩重分布应力9 9坚硬致密坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈小于其单轴抗压强度的一半时，围岩呈弹性变形弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体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
7、根据，其围岩重分布应力可根据弹性力学弹性力学计算。计算。如果洞室半径相对洞长很小，按如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题平面应变问题考虑，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周考虑，概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。边应力分布的计算问题。.6 6地地下下工工程程1 1、圆形洞室圆形洞室 假定一半径为假定一半径为R R0 0的水平圆的水平圆形洞室，深埋于均质、连续形洞室，深埋于均质、连续、各向同性的弹性岩体中，、各向同性的弹性岩体中，开挖后仍保持弹性。开挖后仍保持弹性。 一、一、弹性围岩重分布应力弹性围岩重分布应力如果洞室半径相对于洞长很小时，可按平面应变问如果洞室
8、半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑，设岩体中的铅直与水平天然应力分别为题考虑，设岩体中的铅直与水平天然应力分别为vv和和hh则可概化出如图的力学模型，围岩中任意一点则可概化出如图的力学模型，围岩中任意一点M(rM(r，)的重分布应力状态可用的重分布应力状态可用弹性理论弹性理论求得。求得。1010.6 6地地下下工工程程围岩中任意一点围岩中任意一点M(r，)的重分布应力状态可用弹的重分布应力状态可用弹性理论求得：性理论求得：式中，式中，r:径向应力径向应力、 : 环向应力、环向应力、r : 剪应力剪应力 : M点的极角，点的极角，自水平轴自水平轴(x轴轴)起始，反时钟方向为正起始，反时钟
9、方向为正r : 极极距距一、一、弹性围岩重分布应力弹性围岩重分布应力1111.6 6地地下下工工程程一、一、弹性围岩重分布应力弹性围岩重分布应力洞壁上的应力洞壁上的应力， 令令r=Rr=R0 0 可得：可得：1212围岩内一点围岩内一点（r，）的重分布应力：的重分布应力：表明：洞壁上的表明：洞壁上的r=0r=0， r=0r=0，仅有，仅有 作作用，为单向应力状态，其用，为单向应力状态，其大小与水平应力、铅直应大小与水平应力、铅直应力和力和有关。有关。.6 6地地下下工工程程当水平应力与铅直应力当水平应力与铅直应力均等于均等于00时，即当时，即当=l=l时，时，有有h=v=0h=v=0，则有，则
10、有: :1313.6 6地地下下工工程程即当即当=l=l时，时，n有有h=v=0h=v=01414.6 6地地下下工工程程1515.6 6地地下下工工程程l讨论讨论1：洞壁上的重分布应力洞壁上的重分布应力l洞壁上的洞壁上的r0，r0，为，为单向应力状态单向应力状态l大小与与洞室尺寸大小与与洞室尺寸R0无关，无关， 取取= h/vl当当=0、180o，=3V -h=(3- )Vl 当当=90、270o，=3h -V=(3 -1)V当当1/3时，时，=洞顶底洞顶底0,将出现拉应力将出现拉应力当当1/33时，时，为压应力且分布较均匀为压应力且分布较均匀当当3时，洞壁两侧时，洞壁两侧0,出现拉应力；洞
11、顶底出现较出现拉应力；洞顶底出现较高的压应力集中高的压应力集中 02cos)1(212cos)(20 rVVhVhrl洞壁，洞壁，l即即r=R01616.6 6地地下下工工程程1717由右式由右式，取，取= h/v为为1/3，1，2，3，等等不同数值时，可求得不同数值时，可求得洞壁上洞壁上0，90，180，270四点的四点的应力应力。 .6 6地地下下工工程程1818当当1/31/3时，洞顶和洞底都将出现拉应力；时，洞顶和洞底都将出现拉应力； 当当1/331/333时洞壁两侧出现拉应力，洞顶和洞底则出时洞壁两侧出现拉应力，洞顶和洞底则出现较高的压应力集中。现较高的压应力集中。1818.6 6地
12、地下下工工程程讨论讨论2：静水压力式天然应力场中的围静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力岩重分布应力n围岩内重分布应力与围岩内重分布应力与角无关，仅与角无关，仅与R0和和0有关有关n由于由于r=0，则，则r、均为主应力，且均为主应力，且恒为最大主应力，恒为最大主应力，r恒为最小主应力恒为最小主应力n当当rR0(洞壁洞壁)时，时，r=0，=20，可知洞壁上的应力差最，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏nr增大，增大，r增大，增大，减小，都渐趋于减小，都渐趋于0值。值。n在理论上，在理论上，r，要在要在r处才达到处才达到0
13、值，但实际上值，但实际上r，趋近于趋近于0的速度很快，当的速度很快，当r=6R0时，时，r和和与与0接近。接近。n一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。 01122002200 rrRrRr静水压力式天然应力场是静水压力式天然应力场是=11919.6 6地地下下工工程程l为了最有效和经济地利用地下开挖空间，地下为了最有效和经济地利用地下开挖空间，地下洞室的断面形状常根据实际需要，开挖成洞室的断面形状常根据实际需要，开挖成非圆非圆形的各种不同形状形的各种不同形状。l在这些非圆形洞室的在这些非圆形洞室的急剧变化部位急剧变化部位和和拐点拐
14、点处，处，常存在较大的常存在较大的应力集中应力集中。l为了研究各种不同形状洞室洞壁上重力分布应为了研究各种不同形状洞室洞壁上重力分布应力变化情况，在此引进力变化情况，在此引进应力集中系数应力集中系数的概念。的概念。l把地下挖开后，洞壁上一点的应力与开挖前该把地下挖开后，洞壁上一点的应力与开挖前该点天然应力的比值，称为应力集中系数。点天然应力的比值，称为应力集中系数。2020.6 6地地下下工工程程式中，式中，、为应力集中系数。为应力集中系数。对于圆形洞室洞壁上一点：对于圆形洞室洞壁上一点： 有有=1-2cos2，=l+2cos2。洞壁上一点的洞壁上一点的重分布应力可重分布应力可以表示为：以表示
15、为：2121.6 6地地下下工工程程常见几种洞形的应力集中系数常见几种洞形的应力集中系数这些系数是这些系数是根据弹性理根据弹性理论及光弹实论及光弹实验求得的。验求得的。在已知天然在已知天然应力时，利应力时，利用这些系数用这些系数和式和式(6-4)即可求得不即可求得不同洞形洞壁同洞形洞壁上的应力。上的应力。2222.6 6地地下下工工程程不同洞形洞壁上的应力特点椭圆形洞室椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；长轴两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；短轴两端易拉应力集中，不利于围岩稳定短轴两端易拉应力集中，不利于围岩稳定各种形状洞室各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大，如正方形的角
16、点或急拐弯处应力集中最大，如正方形或矩形洞室角点等。或矩形洞室角点等。长方形长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集短边中点应力集中大于长边中点，而角点处应力集中最大，围岩最易失稳。中最大，围岩最易失稳。当岩体中天然应力当岩体中天然应力h和和v相差不大时相差不大时，以圆形洞室围岩，以圆形洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。应力分布最均匀，围岩稳定性最好。当岩体中天然应力当岩体中天然应力h和和v相差较大时相差较大时，则应尽量使洞室，则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。长轴平行于最大天然应力的作用方向。在天然应力很大的岩体中在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形
17、，洞室断面应尽量采用曲线形，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。2323.6 6地地下下工工程程2424.6 6地地下下工工程程2525l 地下开挖后，洞壁的应力地下开挖后，洞壁的应力集中集中最大最大, ,当它超过围岩当它超过围岩屈服极限时，洞壁围岩就屈服极限时，洞壁围岩就由弹性状态转化为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，并在围岩中形成一个塑性塑性松动圈松动圈。l 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r r由零逐渐增大，由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力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，到一
18、定距离后，围岩也就由塑性状态逐渐转化状态，到一定距离后，围岩也就由塑性状态逐渐转化为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。.6 6地地下下工工程程l 塑性松动圈塑性松动圈的出现，使圈内一定范围应力释放而明的出现，使圈内一定范围应力释放而明显降低，而显降低，而最大应力集中最大应力集中由原来的洞壁移至塑性松由原来的洞壁移至塑性松动圈与弹性圈的动圈与弹性圈的交界处交界处，使弹性区的应力明显升高。，使弹性区的应力明显升高。l 弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力区( (或称原岩应力区或称原岩应力区) )。2626.6
19、6地地下下工工程程 为了求解为了求解塑性圈围岩塑性圈围岩的分布应力，假定在均质、的分布应力，假定在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一各向同性、连续的岩体中开挖一半径为半径为R R0 0的水平圆形的水平圆形洞室；开挖后形成的洞室；开挖后形成的塑性松动圈半径为塑性松动圈半径为R R1 1，岩体中的，岩体中的天然应力为天然应力为h h=v v=0 0；圈内岩体强度服从；圈内岩体强度服从莫尔强莫尔强度度条件。在以上假设条件下，可求得当条件。在以上假设条件下，可求得当洞壁支护力洞壁支护力为为p pi i时，时，塑性松动圈内的重分布应力为：塑性松动圈内的重分布应力为：2727.6 6地地下下工工程程塑性松
20、动圈内的重分布应力2828由式可知：塑性由式可知：塑性圈和应力与岩体圈和应力与岩体天然应力无关，天然应力无关，而取决于支护力而取决于支护力(pi)和圈内岩体的和圈内岩体的强度强度(c、值值)。当当r=Rr=R0 0时时mmmmmiirctgCppsin12sin1sin1当当r=Rr=R0 0，P Pi i=0=0时时mmmrctgCsin120洞壁上洞壁上.6 6地地下下工工程程塑性圈与弹性圈交界面塑性圈与弹性圈交界面(r= R(r= R1 1) )上的重分布应力上的重分布应力(rperpe、pepe、rperpe) )；利用该面上弹性应力与塑；利用该面上弹性应力与塑性应力相等的条件得：性应
21、力相等的条件得：弹弹性性应应力力塑塑性性应应力力在式中，在式中，c、为岩体抗剪强为岩体抗剪强度参数；度参数；rperpe、pepe和和rperpe分别分别为为r=R1 1处的径处的径向，环向和剪向，环向和剪应力。应力。塑性圈与弹塑性圈与弹性圈交界面性圈交界面应力应力01100rpeperpecosC)sin(cosC)sin(2929.6 6地地下下工工程程3030由式可知：塑、弹性区交界面上的应力取决于天然由式可知：塑、弹性区交界面上的应力取决于天然应力和岩体强度，而与支护力无关。这说明支护力应力和岩体强度，而与支护力无关。这说明支护力不能改变交界面上的应力只能控制塑性松动圈半不能改变交界面
22、上的应力只能控制塑性松动圈半径径(R1)的大小。的大小。塑性圈与弹性圈交界面应力01100rpeperpecosC)sin(cosC)sin(.6 6地地下下工工程程3131第六章 地下工程6.16.1 概述概述6.26.2 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算6.36.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏6.46.4 地下建筑稳定性评价地下建筑稳定性评价6.56.5 地下工程地质超前预报地下工程地质超前预报3131.6 6地地下下工工程程6.3 围岩的变形与破坏n地下开挖后，岩体中形地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的使原来处于挤压状态的围岩，由于
23、失去了支撑围岩，由于失去了支撑而发生向洞内而发生向洞内松胀变形松胀变形；n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，并从母岩中脱落形成并从母岩中脱落形成坍坍塌、滑动塌、滑动或或岩爆岩爆。3232.6 6地地下下工工程程n围岩变形破坏形式取决于围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状结构及洞室断面形状等因素。等因素。3333.6 6地地下下工工程程l围岩变形破坏是由外向内逐步发展的结果，常可在洞围岩变形破坏是由外向内逐步发展的结果，常可在洞室室周围形成松动圈周围形成松动圈，围岩内的
24、应力状态也将因松动圈，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，形成一定的应力带。内的应力被释放而重新调整，形成一定的应力带。l围岩表部低应力区围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的的形成往往又会促使岩体内部的水水分分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅进一步恶化由高应力区向围岩的表部转移，这不仅进一步恶化围岩的稳定条件，而且能使某些易于吸水膨胀的表部围岩的稳定条件，而且能使某些易于吸水膨胀的表部围岩发生强烈的围岩发生强烈的膨胀变形膨胀变形。6.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏3434.6 6地地下下工工程程一、一、脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏脆性围岩变形破坏的形式
25、和特点与脆性围岩变形破坏的形式和特点与岩体初始应岩体初始应力状态力状态及及洞形洞形所决定的围岩应力状态有关外，主要所决定的围岩应力状态有关外，主要取决于取决于围岩的结构围岩的结构。 1 1、张裂坍落张裂坍落2 2、劈裂、劈裂3 3、剪切滑动或剪切破坏剪切滑动或剪切破坏4 4、岩爆岩爆5 5、弯折内鼓弯折内鼓3535.6 6地地下下工工程程一、一、脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏1 1、张裂坍落张裂坍落l当当铅直应力铅直应力大于大于水平应力水平应力时，且具有厚层状或时，且具有厚层状或块状结构的岩体中开挖宽高比较大的地下洞室块状结构的岩体中开挖宽高比较大的地下洞室，在其，在其顶拱常产生切向拉应
26、力顶拱常产生切向拉应力。l超过围岩的屈服强度，则顶拱围岩内就会产生超过围岩的屈服强度，则顶拱围岩内就会产生近于垂直的张裂缝。被裂缝切割的岩体中自重近于垂直的张裂缝。被裂缝切割的岩体中自重作用下变得不稳定，若水平法向有软弱的结构作用下变得不稳定，若水平法向有软弱的结构面发育，往往发生顶拱塌落。面发育，往往发生顶拱塌落。3636.6 6地地下下工工程程2 2、劈裂、劈裂l多发生在地应力较高的厚层块或者块体结构的多发生在地应力较高的厚层块或者块体结构的围岩中，一般出现在有较大的围岩中，一般出现在有较大的切向压应力集中切向压应力集中于边壁附近于边壁附近。l在围岩表部发生一系列平行于洞壁的破裂，将在围岩
27、表部发生一系列平行于洞壁的破裂，将洞壁岩体切成板状结构。当切向压应力大于其洞壁岩体切成板状结构。当切向压应力大于其抗弯强度时，板状岩体将被压弯，折断，造成抗弯强度时，板状岩体将被压弯，折断，造成塌方。塌方。3737一、一、脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏.6 6地地下下工工程程一、脆性围岩的变形破坏3 3、剪切滑动或剪切破坏剪切滑动或剪切破坏n 在厚层状或块体结构的岩体中开挖地下洞室时，在厚层状或块体结构的岩体中开挖地下洞室时，在在切向压力集中较高切向压力集中较高，且有，且有斜向断裂发育斜向断裂发育的洞顶的洞顶或洞壁部位往往发生或洞壁部位往往发生剪切滑动类型的破坏剪切滑动类型的破坏。n沿断
28、裂面作用的剪应力一般比较高，而正应力却沿断裂面作用的剪应力一般比较高，而正应力却比较小。比较小。3838.6 6地地下下工工程程4 4、岩爆岩爆岩爆是围岩的一种剧烈的脆岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，常以性破坏，常以“爆炸爆炸”的的形式出现。形式出现。岩爆发生时，能抛出大小不岩爆发生时，能抛出大小不等的岩块，大型者常伴有等的岩块，大型者常伴有强烈的震动、气浪和巨响，强烈的震动、气浪和巨响，对地下开挖和地下采掘造对地下开挖和地下采掘造成很大的危害。成很大的危害。3939一、一、脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏.6 6地地下下工工程程岩爆岩爆(ROCKBURST)(ROCKBURST)岩爆 高
29、高天然天然应力应力的弹的弹脆性脆性岩体岩体地下地下开挖开挖工程工程开挖卸荷及特殊开挖卸荷及特殊的地质构造作用的地质构造作用周边岩体中应周边岩体中应力高度集中，力高度集中，积聚于较高的积聚于较高的弹性应变能弹性应变能当开挖体围岩中应力超过当开挖体围岩中应力超过岩体的容许极限状态岩体的容许极限状态岩体中聚积的变形能在地下工程开挖中岩体中聚积的变形能在地下工程开挖中突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象来的现象岩爆岩爆4040.6 6地地下下工工程程岩爆产生两方面条件：岩爆产生两方面条件：高储能体的存在。高储能体的存在。高强度、块高强度、块体、或厚层状的脆性岩体
30、，体、或厚层状的脆性岩体，且应力接近于岩体强度。且应力接近于岩体强度。附加荷载的触发。附加荷载的触发。机械开挖、机械开挖、爆破及围岩局部破裂造成的爆破及围岩局部破裂造成的弹性震荡；二是开挖的迅速弹性震荡；二是开挖的迅速推进，或累积性破坏所引起推进，或累积性破坏所引起的应力突然某些部位集中。的应力突然某些部位集中。4141一、一、脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏4141.6 6地地下下工工程程p在一些深矿坑中，常发生称为冲击地压的大型岩爆。在一些深矿坑中，常发生称为冲击地压的大型岩爆。多发生于距坑道壁有一定距离的区域内。在附加的多发生于距坑道壁有一定距离的区域内。在附加的动载荷作用下，那里的
31、煤被突然粉碎，而这一区域动载荷作用下，那里的煤被突然粉碎，而这一区域与坑道壁间的煤则大块地被抛到巷道中，并伴随着与坑道壁间的煤则大块地被抛到巷道中，并伴随着强烈的震动、气浪和巨响，破坏力极大。强烈的震动、气浪和巨响，破坏力极大。p这类岩爆发生之前，常可发现支护上或煤柱中压力这类岩爆发生之前，常可发现支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或震动。但有时则没的增大，有时还会出现霹雳声或震动。但有时则没有明显预兆。有明显预兆。p四川绵竹天地煤矿就曾多次发生这类岩爆，最大的四川绵竹天地煤矿就曾多次发生这类岩爆，最大的一次将一次将2020余吨煤抛出余吨煤抛出2020多米远。多米远。4 4、岩爆岩爆
32、-大型大型4242.6 6地地下下工工程程p在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的岩爆，在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的岩爆，多为中小型。多为中小型。p其中有一类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈啪其中有一类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈啪啪的响声，故被称为岩石射击。啪的响声，故被称为岩石射击。p四川南桠河三级电站隧洞四川南桠河三级电站隧洞( (埋深埋深350350400m)400m)在开在开挖过程中通过花岗岩整体结构岩体段时，就曾发挖过程中通过花岗岩整体结构岩体段时，就曾发生过这类岩爆。开挖后不久，洞壁表部岩体发出生过这类岩爆。开挖后不久，洞壁表部岩体发出了劈劈啪啪的响声，同时有了劈劈啪啪
33、的响声，同时有“洋葱洋葱”状剥片自岩状剥片自岩壁上弹射出来。壁上弹射出来。4 4、岩爆岩爆-中小型4343.6 6地地下下工工程程一、脆性围岩的变形破坏5 5、弯折内鼓弯折内鼓l在层状，特别是在薄层状岩层中开挖地下洞室易发在层状，特别是在薄层状岩层中开挖地下洞室易发生弯折内鼓。生弯折内鼓。l从力学机制来看，这类变形破坏主要是卸荷回弹和从力学机制来看，这类变形破坏主要是卸荷回弹和应力集中使洞壁的应力集中使洞壁的切向压应力切向压应力超过薄层岩层的抗弯超过薄层岩层的抗弯强度而造成。强度而造成。弯折内鼓主要弯折内鼓主要发生在发生在初始应力较高初始应力较高的岩体内。的岩体内。4444.6 6地地下下工工
34、程程在区域最大主应力垂直于陡倾薄层状岩层的走向地区在区域最大主应力垂直于陡倾薄层状岩层的走向地区。平行于岩层走向开挖地下洞室时，两壁附近的薄层状围。平行于岩层走向开挖地下洞室时，两壁附近的薄层状围岩往往发生如图所示的弯曲、拉裂和折断，最终挤入洞内岩往往发生如图所示的弯曲、拉裂和折断，最终挤入洞内而坍倒。而坍倒。在平缓层状岩层中开挖大跨度地下洞室时，顶拱的问在平缓层状岩层中开挖大跨度地下洞室时，顶拱的问题往往比较严重。题往往比较严重。平行于洞室侧壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩平行于洞室侧壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内应力集中有所增高，因此洞壁附近的切向应力将高于体内应力集中有所增高，
35、因此洞壁附近的切向应力将高于正常情况的平均值，造成弯折内鼓破坏。正常情况的平均值，造成弯折内鼓破坏。4545.6 6地地下下工工程程4646.6 6地地下下工工程程4747.6 6地地下下工工程程4848.6 6地地下下工工程程二二、塑性围岩的变形破坏塑性围岩的变形破坏1 1、挤出挤出 l洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强洞室开挖后，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。向消除了阻力的自由空间挤出。l易于被挤出的岩体，易于被挤出的岩体，主要是那些固结程度差，富主要是那些固结程度差，富
36、含泥质的软弱岩层含泥质的软弱岩层，以及，以及挤压破碎或风化破碎的挤压破碎或风化破碎的岩体岩体。l挤出变形能造成很大的压力，足以破坏强固的钢挤出变形能造成很大的压力，足以破坏强固的钢支撑。但其发展通常都有一个时间过程，一般要支撑。但其发展通常都有一个时间过程，一般要几周至几个月之后方能达到稳定。几周至几个月之后方能达到稳定。4949.6 6地地下下工工程程二二、塑性围岩的变形破坏塑性围岩的变形破坏2 2、 膨胀膨胀：分为分为吸水膨胀吸水膨胀和和减压膨胀减压膨胀吸水膨胀吸水膨胀：洞室开挖后，围岩表部减压区的形成往洞室开挖后，围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向围岩表部转移，结果往促使水
37、分由内部高应力区向围岩表部转移，结果使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形。使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形。l与围岩内部的水分重分布相联系。暴露于表部的岩与围岩内部的水分重分布相联系。暴露于表部的岩体也会从空气中吸收水分而膨胀。体也会从空气中吸收水分而膨胀。l遇水后易于强烈膨胀的岩石主要有富含粘土矿物遇水后易于强烈膨胀的岩石主要有富含粘土矿物( (特别是蒙特别是蒙脱石脱石) )的塑性岩石和硬石膏。有些富含蒙脱石的粘土质岩石，的塑性岩石和硬石膏。有些富含蒙脱石的粘土质岩石，吸水后体积可增大吸水后体积可增大14142525，而硬石膏水化后转化为石膏，而硬石膏水化后转化为石膏，其体积
38、可增大，其体积可增大2020。这类岩石的膨胀变形能造成很大的压。这类岩石的膨胀变形能造成很大的压力，足以破坏支护结构，给各类地下建筑物的施工和运营带力，足以破坏支护结构，给各类地下建筑物的施工和运营带来很大的危害。来很大的危害。50505050.6 6地地下下工工程程二二、塑性围岩的变形破坏塑性围岩的变形破坏减压膨胀减压膨胀l减压膨胀：减压膨胀：通常发生在一些特殊的岩层中。通常发生在一些特殊的岩层中。l例如，一些富含橄榄石的超基性岩胀，但在有侧例如，一些富含橄榄石的超基性岩胀，但在有侧限而不能自由膨胀的天然条件下，新生成的矿物限而不能自由膨胀的天然条件下，新生成的矿物只能部分地膨胀，并只能部分
39、地膨胀，并于地层内形成一种新的体积于地层内形成一种新的体积- -压力平衡状态。压力平衡状态。l洞体开挖所造成的卸荷减压必然使附近这类地层洞体开挖所造成的卸荷减压必然使附近这类地层的体积随之增大，从而对支护结构造成强大的膨的体积随之增大，从而对支护结构造成强大的膨胀压力。胀压力。51515151.6 6地地下下工工程程3 3、涌流和坍塌涌流和坍塌涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入洞中的现象。洞中的现象。l多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部分。多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部分。坍塌是松散破碎岩石中重力作用下自由垮落的坍塌是松散破碎岩
40、石中重力作用下自由垮落的现象现象。l多发生在洞体通过断层破碎带或风化破碎岩体部多发生在洞体通过断层破碎带或风化破碎岩体部分分。l在施工过程中，如果对于可能发生的这类现象没在施工过程中，如果对于可能发生的这类现象没有足够的预见性，往往也会造成很大的危害。有足够的预见性，往往也会造成很大的危害。5252二二、塑性围岩的变形破坏塑性围岩的变形破坏.6 6地地下下工工程程5353.6 6地地下下工工程程围岩的变形破坏是围岩的变形破坏是渐进式逐次发展渐进式逐次发展的。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-再次调整再次调整 -再次变形再次变形-较大范围破坏较大范围破坏5454.6
41、6地地下下工工程程n分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发始发点点和发生连锁反应的和发生连锁反应的关键点关键点，预测变形破坏逐次发，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。展及迁移的规律。n在围岩变形破在围岩变形破坏的早期就加以坏的早期就加以处理，这样才能处理，这样才能有效地控制围岩有效地控制围岩变形，确保围岩变形，确保围岩的稳定性。的稳定性。5555.6 6地地下下工工程程5656第六章 地下工程6.16.1 概述概述6.26.2 围岩重分布应力计算围岩重分布应力计算6.36.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏6.4 6.4 地下建筑稳定性评价地下建筑稳
42、定性评价6.56.5 地下工程地质超前预报地下工程地质超前预报5656.6 6地地下下工工程程6.4 6.4 地下建筑稳定性评价地下建筑稳定性评价一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素l最主要的有地质构造、岩体的特性及结构，地下最主要的有地质构造、岩体的特性及结构，地下水以及构造应力等。水以及构造应力等。二、围岩稳定性定量评价二、围岩稳定性定量评价l解析分析法、赤平极射投影分析方法以及物理与解析分析法、赤平极射投影分析方法以及物理与数值模拟研究方法等。数值模拟研究方法等。5757.6 6地地下下工工程程一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素1 1、地质构造、地质构造l褶曲和
43、断裂破坏褶曲和断裂破坏岩层完整性，降低岩体的强度岩层完整性，降低岩体的强度。p在褶曲的核部，岩层受到张力和压力作用，就比在褶曲的核部，岩层受到张力和压力作用，就比翼部破碎得多；翼部破碎得多；p在断层附近，因地层的相对位移，会使破碎带达在断层附近，因地层的相对位移，会使破碎带达很大宽度；很大宽度；p在倒转岩层中，不仅节理裂隙十分发育，而且往在倒转岩层中，不仅节理裂隙十分发育，而且往往出现大的逆断层。往出现大的逆断层。l因此，可把构造变动的强烈程度作为衡量围岩稳定因此，可把构造变动的强烈程度作为衡量围岩稳定状况的一个主要因素。状况的一个主要因素。5858.6 6地地下下工工程程2 2、岩体的特征及
44、结构、岩体的特征及结构l岩性岩性：分为硬质岩、中等坚硬岩及软质岩三大类。：分为硬质岩、中等坚硬岩及软质岩三大类。p软质岩即塑性岩体软质岩即塑性岩体，通常具有风化速度快、力，通常具有风化速度快、力学强度低以及遇水易于软化、膨胀或崩解等不良学强度低以及遇水易于软化、膨胀或崩解等不良性质，故对地下工程围岩的稳定性最为不利。性质，故对地下工程围岩的稳定性最为不利。p硬质岩和中等坚硬岩通常属于脆性岩体硬质岩和中等坚硬岩通常属于脆性岩体。由于。由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类岩岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类岩体的强度主要取决于岩体结构。体的强度主要取决于岩体结构。l岩体结构岩体结构l
45、岩体强度岩体强度5959一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素.6 6地地下下工工程程一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素60602 2、岩体的特征及结构、岩体的特征及结构l岩体结构：岩体结构：分为整体状结构、块状结构、镶嵌状分为整体状结构、块状结构、镶嵌状结构、层状结构，碎裂状结构及散体状结构等。结构、层状结构，碎裂状结构及散体状结构等。p散体状结构及碎裂状结构的岩体稳定性最差，散体状结构及碎裂状结构的岩体稳定性最差，p薄层状结构者次之，薄层状结构者次之，p厚层状、块状及整体状结构有很高的稳定性。厚层状、块状及整体状结构有很高的稳定性。l岩体强度：岩体强度：是反映岩体的
46、特性及其结构特征的综是反映岩体的特性及其结构特征的综合指标，通常用岩体完整性系数与岩石单轴饱和合指标，通常用岩体完整性系数与岩石单轴饱和抗压强度的乘积，即抗压强度的乘积，即准抗压强度准抗压强度来表示。来表示。.6 6地地下下工工程程一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素3 3、地下水、地下水l地下水常是造成围岩失稳的重要因素之一，在破地下水常是造成围岩失稳的重要因素之一，在破碎软弱的围岩中，其影响尤为显著。碎软弱的围岩中，其影响尤为显著。p地下水可使岩石软化，强度降低，加速岩石地下水可使岩石软化，强度降低，加速岩石风化，还能软化和冲走软弱的结构面的填充风化，还能软化和冲走软弱的结构面
47、的填充物，减少摩阻力，促使岩块滑动。物，减少摩阻力，促使岩块滑动。p在膨胀性岩体中，地下水可造成膨胀地压。在膨胀性岩体中，地下水可造成膨胀地压。6161.6 6地地下下工工程程一、影响围岩稳定性的因素一、影响围岩稳定性的因素4 4、原岩应力、原岩应力l特别是特别是构造应力构造应力的的方向及大小方向及大小是控制地下工程围是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素。岩变形破坏的重要因素。l为避免地下洞室的顶拱和边墙出现应力集中：为避免地下洞室的顶拱和边墙出现应力集中：p洞室轴线的选择应尽可能地与该地最大主应洞室轴线的选择应尽可能地与该地最大主应力方向一致。力方向一致。p在一些特殊的情况下，当地下工程的断
48、面呈在一些特殊的情况下，当地下工程的断面呈扁平形时，为避免顶拱出现拉应力，改善顶扁平形时，为避免顶拱出现拉应力，改善顶拱围岩的稳定条件，尽量使洞室轴线垂直于拱围岩的稳定条件，尽量使洞室轴线垂直于最大主应力方向。最大主应力方向。6262.6 6地地下下工工程程二、围岩稳定性定量评价二、围岩稳定性定量评价1 1、原型调研及模型的建立、原型调研及模型的建立l为评价拟建地下工程围岩的稳定性，首先要通过勘为评价拟建地下工程围岩的稳定性，首先要通过勘探、测试和试验，正确阐明工程区岩体力学条件。探、测试和试验，正确阐明工程区岩体力学条件。研究工作主要包括：研究工作主要包括： 通过应力实测，定量地掌握工程区地
49、应力场的通过应力实测，定量地掌握工程区地应力场的基本特征；基本特征；通过地表调查、节理裂隙统计，掌握区内岩体通过地表调查、节理裂隙统计，掌握区内岩体结构的定量化模式；结构的定量化模式；通过现场及室内试验，掌握各岩体及各类结构通过现场及室内试验，掌握各岩体及各类结构面的变形及强度特性，取得用于计算的有关参数。面的变形及强度特性，取得用于计算的有关参数。6363.6 6地地下下工工程程二、围岩稳定性定量评价二、围岩稳定性定量评价l围岩稳定性的数值模拟研究，通常采用围岩稳定性的数值模拟研究，通常采用两维的有限两维的有限元分析元分析模型，按模型，按平面应变问题平面应变问题处理。处理。l通过适当的简化，
50、正确地确定通过适当的简化，正确地确定模型的范围和边界、模型的范围和边界、内部结构与各部分的力学参数以及边界的位移和受内部结构与各部分的力学参数以及边界的位移和受力条件力条件是建模的关键。是建模的关键。64646464.6 6地地下下工工程程6565GOCAD网格模型.6 6地地下下工工程程二、围岩稳定性定量评价二、围岩稳定性定量评价66662 2、模拟研究的方法、模拟研究的方法l计算模型建立之后，可采用已有的计算模型建立之后，可采用已有的有限元计算有限元计算程序程序，通过线弹性、弹塑性或粘弹塑性有限元，通过线弹性、弹塑性或粘弹塑性有限元分析，分析，系统地研究围岩应力以及围岩变形破坏系统地研究围
