1、4、地下结构稳定问题 包括五个方面的问题 l4.1 地下洞室开挖引起围岩应力变化l4.2 影响地下结构稳定的主要因素l4.3 地下洞室结构失稳的主要型式l4.4 地下结构稳定分析的主要方法l4.5 地下洞室的支护 4.1 地下洞室开挖引起的围岩应力变化1、围岩 由人工开挖或自然作用形成的地下洞室周围一定范围内的岩体，称为围岩，它是天然材料的地下结构地下结构，而衬砌只能称为人工构筑的人工材料的地下结构。所谓的“一定范围”是指洞室周围原始应力场受到扰动的范围，这个范围的直径一般为洞室最大线度的35倍。2、圆形隧洞围岩中的弹性应力分布l基本假定：l材料均匀、连续、无限体l力学性质为各向同性、线弹性l
2、应力场为均匀分布（垂直为p、水平为q）l隧洞断面为圆形、长度为无限长(平面应变问题)l施工过程为一次瞬时成洞根据弹性力学，洞周应力分布为：l 2sin321212cos31211212cos3412112144224422442222rarapqrapqraqprarapqraqprrr当p=q时，上式简化为：0112222rrrraprap当，且时l 0/2cos212cos21/,2cos212cos21/,0/arrarararrpporqp值对洞周应力分布影响很大l设0，代入上式，可得：l0p(1+2cos2)+p(1-2cos2)l 在洞顶90，洞底90 lcos2均等于1，得：l0
3、p(12)+p(12)，得：l31，1/3l即 1/3时，洞顶和洞底出现拉应力3、洞室断面的形状对洞周应力分布的影响l 平直的周边l容易出现拉l应力，因而l更容易发生l破坏l转角处容易形成很大剪应力，应尽量避免出现尖角4、洞室断面的高跨比对应力的影响l 5、圆形洞室围岩塑性解l采用摩尔库仑强度理论l其它条件同弹性解l列出微小单元的微分方程：l消去d和高阶无穷小量，得到：l（-r)dr=r drl即：dr/r=dr/(-r)（A）l这就是塑性区内应力应满足的微分方程22sin02sin2ddddrrdddrrdrrr根据摩尔圆与强度包线相切的关系可得出塑性区应力与强度的关系l l整理后得：l l
4、 （B）sin2222,sinrrrrrrCctgCctgAOBOAOBOsin1sin2rrCctg将(B)代入(A)，分离变量，两边积分,得到方程的通解 （C）l将ra处的边界条件rpb代入上式求出C1l 将求出的C1代回C式，求出特解：1lnsin1sin2)ln(CrCctgraCctgpCblnsin1sin2)ln(1CctgarCctgpbrsin1sin2 CctgarCctgpbsin1sin2sin1sin1l上述两式给出了塑性区中任一点的应力值。以下求塑性区的半径R，这要用到在此边界上，应力表达式同时满足塑性及弹性关系：lr 2p 弹性l 塑性l整理后得：l解出支护力pb
5、的表达式：CctgarCctgpbr2sin12sin1sin2sin2sin1sin1CctgpCctgpaRb上式就是著名的Kastner公式l还有两个重要的物理量就是隧洞周边及塑性区周边的径向位移：sinsin1sin12sin2sinCctgpCctgpGCctgpauGCctgpRubarRrCctgRaCctgppbsin1sin2sin16、圆形洞室围岩中的松弛压力l除了洞周围岩的弹塑性变形产生对支护的压力外，围岩松动圈内的岩石还会对支护产生所谓松弛压力：l1、pi=(R-a)(太保守，极值）l2、科卡公式sin11sin3sin1sin211sin3sin1RaaRaCctgC
6、ctgpil讨论：l松弛压力与弹模 E 和泊松 比无关l松弛压力与容重 呈正比l与地应力有无关系？l与C、有什么关系？l变形压力与松弛之和为支护所受到的压力。l变形压力随洞周位移增大而减小，若想使位移趋于零，变形压力会趋于无穷大l松弛压力随洞周位移增大而增大，最大？时间因素的影响岩体的流变l由于岩体可能具有的流变性质，实际工程中围岩变形和松弛还与时间有关。围岩流变性质不明显时，开挖后很快达到新的平衡，变形稳定，不再增长。围岩不好时，开挖后在一段时间内变形逐渐增加，松弛压力逐渐增加，因此有一个适时支护的问题。支护得太早，变位尚未充分发展，形变压力会较大。支护得太晚，松弛范围太大，松弛压力太大。4
7、.2 影响地下结构工程稳定的主要因素 1、岩体原始应力场l地应力是岩体中原已存在的应力。一般情况下，地应力很大的地区，对洞室围岩稳定不利。无论是选择洞室位置还是决定洞轴方位，均应仔细考虑地应力。由于岩体构造复杂，变化大，少数测点的地应力实测结果带有一定的局限性，不一定能确切代表该区域的地应力状态，因此，有人采用有限元回归分析方法来推求某一区域的地应力场。以此作为洞室布置和围岩稳定分析的依据。l岩体应立场是影响地下结构稳定的重要因素，应该指出的是，各个应力分量的比值，比应力分量量值的大小对稳定性起着更为关键的作用和影响。l应力场的大小和分布规律是复杂的，往往难以准确确定。但是它对于地下结构的位置
8、、轴线的走向、断面的形状、结构群体之间的相互关系的选择，都有着决定性的作用。2、岩体结构和材料特性l现在常说的岩石力学，实际上早已扩展为岩体力学。岩体是一个复杂的结构体，离弹塑性力学中所定义的均质、连续、各向同性的理想弹塑性体相去甚远。岩体常为节理面，层面，片理面甚至断层带等结构面所切割。这些结构面的强度较低，是影响洞室稳定的主要因素之一。这些软弱结构面常常分成很多组，各组的特点不同，即间距，连续性，宽度，充填情况，强度，成因都可能不同，要分辨其对洞室稳定影响的程度，然后决定洞室的布置。l要指出的是，被地质构造面所切割的危险块体除受重力作用外，尚与构造地应力相互影响，深埋洞室或水平构造应力较大
9、的情况下尤其如此。围岩结构的状态通常分为整体状，块状，层状，互层簿层，碎裂结构，散粒结构等，围岩的完整程度常用岩体完整性系数属表示，它是岩体和岩石的弹性纵波速度之比。岩体的强度和变形指标是影响稳定的主要指标，一般情况下，岩体结构的状态是控制性的，单论岩块强度的意义不大，只有对于整体状结构，岩体强度和岩块强度才有相近之处。3、地下水的存在及其活动l地下水的存在使洞室稳定性恶化。地下水的渗透压力对于洞室是不利荷载；地下水的长期作用又会使岩石软化，泥化，降低其强度。尤其弱面中的填充物又容易被地下渗流溶蚀、带走，形成空穴，造成岩体整体弱化。l地下水的处理历来是困难的令人头痛的问题。4、工程因素l包括地
10、下结构布置设计的合理性，洞室形状、大小、洞群间距、开挖顺序、支护措施等等是否得到充分的优化。地质条件越差，工程因素的影响就越突出。l施工队伍的技能、素质、责任心和团队精神、施工方法和机具的先进程度，施工管理水平等等。4.3 地下结构失稳的主要型式l1、局部失稳l2、整体失稳l3、塌方l4、岩爆1、局部失稳l指地下结构围岩局部性破坏：发生在多组节理切割的较坚硬岩体中，一般是非扩展性的。当结构面与临空面切割岩体，形成不稳定块体时，容易产生此种破坏；要结构面与开挖面平行或小角度相交时，易形成片帮、吊块等局部失稳破坏。采用锚固方式加固作用明显。2、整体失稳l 又称为“强度破坏”，即由大范围内岩体的地应
11、力值超过了围岩允许的极限强度而引起的破坏。表现型式为大范围坍塌、弯曲开裂、边墙挤出、底板鼓起、断面产生严重的收缩等。一般容易发生在地应力高且偏差应力大、岩体强度低的软岩中。3、塌方l指大规模岩体塌落、地下结构完全破坏、地下洞室埋没。主要发生在较大范围的断层影响带、强风化带、碎裂松动区。l由弱面和开挖面切割形成的孤立无限制块体、存在多组无胶结结构面或有夹泥层、又有地下水活动时，容易发生塌方甚至冒顶。4、岩爆l又称为“冲击地压”，片状剥落及破碎的岩块与岩体分离，并以弹射的形式突然离开开挖面，并伴随有巨大声响。对人员设备有较大威胁。l多发生在以构造应力为主的高地应力硬脆性岩体中。岩石新鲜、完整、干燥、裂隙连通性不高，宜于积蓄能量。变形特性属于硬脆性破坏类型。l开挖后即会出现，一天之内最明显，可延续12个月。
