地下洞室围岩稳定性课件

《地下洞室围岩稳定性课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下洞室围岩稳定性课件（88页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,,‹#›,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,,,*,,3.1 概述,基本概念及研究意义,地下洞室,(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的建（构）筑物,。,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

2、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。,3,地下洞室围岩稳定性分析,,,,,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

3、不加固或加固而未保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。,,,,3.1.2 地下洞室的分类,按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程,按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室,按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形,按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）,按介质类型：岩石洞室、土洞,按应力情况：单式洞室、群洞,3,地下洞室围岩稳定性分析,,,北京地铁王府井车站,,,广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道,,,,3.2 岩体中的天然应力,,开挖前存在于岩体中的应力，称天然应力或初始应力。是岩体在建造或改造过程中，各种地质作用综合作用形成的。

4、,主要包括自重应力和构造应力。,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：,σ,v,=σv0+γh,σ,h,=Nσ,v,σv,0,值可以是零，也可以是常数,3,地下洞室围岩稳定性分析,,,,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,是处在一种非均匀的初始应力场中,。,,,围岩应力重分布,,地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达到新的平

5、衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严重了。这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为应力重分布。,,,围岩应力重分布特征,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拉应力，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

6、由表面愈增大，至洞室周边达最大值。,,,,,,,围岩,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”,,,3.3 地下洞室围岩的变形破坏,,,,3.2.1 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

7、，而后逐步向围岩内部发展的。,,,,,,围岩的变形破坏是,渐进式逐次发展,的。,,开挖,-->,应力调整,-->,变形、局部破坏,-->,再次调整,-->,再次变形,-->,较大范围破坏,围岩的变形破坏过程,,,分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的,始发点,和发生连锁反应的,关键点,，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。,围岩变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等因素。见下图，不同岩体结构及洞室断面形状，围岩变形破坏形式不同。,,,,,,3.2.2 脆性围岩的变形破坏,,脆性围岩包括各种块体状结构或

8、层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。,这类围岩的变形和破坏，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,,,3.2.2 脆性围岩的变形破坏,,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薄层状岩层的抗弯折强度所造成的。,,,1、弯折

9、内鼓,,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弯曲、折裂和折断，最终挤入洞内而坍倒。,,,,,,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

10、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。,,,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

11、的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落,。但是在N,0,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。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。,,,,,,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。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

12、坏。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。,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。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。,,,,,,3）碎裂松动,碎裂松动是碎裂结构岩

13、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，必须及时采取加固措施。,,,,,,,,4 岩爆,1）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，这就是所谓的岩爆。,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

14、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。,,,,2）岩爆的类型和特点,,按发生的部位及所释放的能量类型。,(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(最大埋深达1600m)开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。,一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后2—3h

15、，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。弹出者一般块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，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，放

16、常披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道中，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，常可觉察到支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有明显的预兆。四川绵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,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

17、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。,,,1)围岩应力条件,判断岩爆发生的应力条件有两种方法：,一是用洞壁的最大环向应力,σ,θ,与围岩单轴抗压强度,σ,c,之比值作为岩爆产生的应力条件；,一是用天然应力中的最大主应力,σ,1,与岩块单轴抗压强度,σ,c,之比进行判断。,,经验公式：,σ,1,／,σ,c,大于0.165～0.35的脆性岩体最易发生岩爆。,,,,,2）岩性条件,弹性变形能系数ω

18、：加载到0.7σc后再卸载至0.05σc时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。,,,,,,,当,ω,＞70％时，会产生岩爆，,ω,越大发生岩爆的可能性越大。,,,,3）岩爆形成机理和围岩破坏区分带,,岩爆渐进破坏过程示意图,A、劈裂；B、剪断；C、弹射,,,,1)劈裂成板阶段（岩爆孕育）,垂直洞壁方向受张应力作用而产生平行于最大环向应力的板状劈裂。仅在洞壁表部，部分板裂岩体脱离母岩而剥落，而无岩块弹射出现。,2)剪切成块阶段(岩爆的酝酿),劈裂岩板向洞内弯曲，发生张剪复合破坏。处于爆裂弹射的临界状态。,3)块、片弹射阶段,劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形

19、成。,岩爆的渐进性破坏过程很短促。,各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三带。,,,,3.2.3 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：,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。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括

20、：,,,,(1)固结程度较差的泥岩、粘土岩；,(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且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。,,,,,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。,退水后易于膨胀的岩石

21、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。,,,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。,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

22、人洞中．有时甚至可以堵塞坑道，给施工造成很大的困难。,4 重力坍塌,破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。,,,3.3 影响地下洞室围岩稳定性的因素,前述分析表明，地下洞室围岩稳定性问题主要是可能出现的,围岩应力,与,围岩强度,间的矛盾问题。各类因素都是通过这两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将影响地下洞室稳定性的因素分为三大类：,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又与人类工程活动的要求有关。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

23、岩的岩性和结构,，主要是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性的。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,，主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水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，故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，而厚层状及块体状岩体则通常具有很高的稳定性。,对于厚层状及块体状岩体，其强度主要受,软弱结构面,

24、的发育和分布特点所控制。,,,第三类因素是,既能影响应力状态，又能影响围岩强度的因素,。主要为地下水的赋存活动条件。结构面中的空隙水压力减小结构面上的有效应力，降低沿结构面的抗滑稳定性。地下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下水活动往往是围岩失稳的一个重要因素。,需要指出的是，上述三类因素，在内外营力作用下是不断变化的。,,,3.4 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

25、或破坏通常发生于下述几类地区。,(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、膨胀或崩解的粘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;,(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。,,,3.5 地下洞室围岩的支护措施,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。,3.5.1 围岩压力,(1) 围岩应力（二次应力）：开挖地下洞室时发生重分布后的围岩中的应力。,,(2)围岩压

26、力： 地下建筑物的围岩在重分布应力作用下产生塑性变形破坏而产生的作用于支护结构上的压力。,,围岩压力是作用于地下建筑支护结构上的主要外力，其性质和大小取决于地应力状态和岩体特性。,,,A 围岩压力的类型,,,主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力、偏压等四种类型。,1）形变围岩压力,,是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的，它具有随时问增长的特点。,产生的条件,有：,①粘土质岩类、硬石膏等，特别是含蒙脱石多的岩石，遇水易产生膨胀变形或受压的岩土体的卸荷回弹；,,———,膨胀围压,②围岩应力超过岩体屈服极限时，围岩产生塑性变形；,,———,塑性围压,③深埋洞室，

27、由于围岩受压力过大，粘土夹层或断层泥易引起塑性流动变形的岩石。饱水砂等流动。,,,———,流动围压,,,2）松动围岩压力,,是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的。,,,,———,松动围压,3）冲击围岩压力,,是由于岩爆形成的。它是弹脆性围岩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。,,,———,弹性围压,,,4）偏压,这是一种主要产生于浅埋隧道的特殊围压。,1)傍山隧道,因隧道顶部松散堆积物沿底板倾斜面蠕动(图10—8)或因滑坡而形成的围压皆为偏压。,2)岩体沿软弱夹层(图10一10)或充填有易滑物质的裂隙蠕滑也可对位于其下洞室造成偏压,,,,,,,,B 各类围岩压力

28、的工程地质评价,,1.弹性围压一岩爆,在坚硬完整岩体内，地下建筑开挖后的洞体应力如果在围岩的弹性界限之内，则仅在开挖后的短时期内引起弹性变形，而不致产生围岩压力。但当建筑物理深较大，或由于构造作用致使初始应力很高，开挖后的洞体应力超过了围岩的弹性界限，弹性应变能的突然释放使围岩产生急剧的破坏，发出清脆的响声，破坏的岩片或岩块随即向洞内弹出，大型者还常伴有气浪，矿山部门也称之为,冲击地压,。,,,2. 松动围压,是地下建筑中最常见的一种围压。目前有以下几种评价方法。,（1） 用平衡拱理论确定围压,,M·M.普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质模型试验得出的，故称为,普氏理论,。这一

29、理论认为，被断层、节理裂隙等错综复杂的结构面切割，使围岩类似于松散介质，由于开挖的扰动，顶部出现拱形分离体。拱形分离体以外的岩体仍保持平衡状态，拱形分离体失稳塌落后便形成一个塌落拱或称自然平衡拱，所以普氏理论又称为,平衡拱理论,,,拱高（h）及洞顶围岩压力（p）分别为：,,,,f,k,为普氏系数，可查表。,适用性：该方法对松散岩体有一定应用价值，而对于坚硬岩体则不适用或只能近似适用。,,,,,（2）围岩压力系数法,我国水电部门（1966）年提出，计算围岩压力：,（3）铁道部隧道规范法,,,该方法仅适用于不具膨胀性的一般围岩，且洞高H与跨度B之比小于1.7的深埋洞室。,,,（4）地质分析法,,这

30、一方法的关键在于用地质分析法判明,软弱结构面的发育特征和组合关系,，确定分离体的类型与高度，然后分析滑动力与抗滑力之间的平衡关系，计算围压。,a: 柱形分离体的围压计算,当岩体的主要软弱面为陡立结构面和缓倾结构面时即可形成这种分离体(图10～6)。当软弱结构面呈张开状或泥化时其抗剪强度可忽略不计，则其围压即为分离体自身的重量。取其沿延伸方向的单宽围压为Po，则,,,b: 尖角形分离体的围压计算,,当岩体内的主要软弱面为与洞轴线近干平行而倾向相反或倾角不同的软弱结构面时j即可形成这类分离体。若分离体的尖角向下则是稳定的，反之则是不稳定的。若软弱面的抗剪强度很小而可以忽略不计，则此分离体沿

31、延伸方向的单宽围压p。为：,,,3．塑性围压和膨胀围压,,由于洞室的开挖，洞室周边岩体中由原来的三向应力状态转变为二向应力状态。如果有粘土岩、页岩、千枚岩、凝灰岩等塑性岩石存在，就会从洞室周边向压力减小的空间方向变形、挤出。如果以支撑或衬砌阻止其变形，则支衬就会承受压力。变形可以延续较长的时间，压力也随变形的增大而增大，这种围压称为,塑性围压,。根据塑性理论可得围岩压力：,,,如果围岩是粘土特别是超固结粘土、硬石膏等组成的，就不单纯是塑性变形，同时还伴有岩土体积的膨胀，这种塑性围压就称为,膨胀围压,。为了减小膨胀围压，常在围岩与圬工外缘之间预留15cm的空间。,,,4．流动围压,洞室揭穿处于地

32、下水位以下的饱水细砂、淤泥及断层破碎带等时，由于开挖空间的形成，破坏了原始的按静水压力分布的应力状态，这些岩土就会和水一起流入洞室。,若加支衬，则自洞顶至地表的全部岩土重量都可能压在支衬上，这类围压即,称为,流动围压,。,一般可按静水压力的原则来计算和评价其大小。,,,3.5.2 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”联合支护,等类型。,支撑是临时性保护围岩的结构，主要是用木结构的或钢结构的支架把围岩支撑起来。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。

33、,,,,(2),衬砌,--- 是加固围岩的永久性工程结构。,一般是用浆 砌条石、混凝土、钢筋混凝土砌筑的。在无压隧道和洞室中，衬砌经常承受来自围岩的压力，故其型式和厚度应与围压相适应。随着围压的增大，洞室将由不衬砌、半衬砌、全衬砌到带仰拱的整体衬砌，边墙也将由直墙式变到曲墙式，厚度也由薄变厚。,,,,,（3） 喷锚支护,A 喷锚支护 ----应用锚杆与喷射混凝土形成复合体加固围岩体的措施.,B 新奥法 ---以岩体力学理论和现场围岩变形观测资料为基础,采取一定措施,以充分发挥围岩自身承载能力,进行隧道开挖和支护的一套工程技术。 （岩土工程基本术语标准）,通过对围岩变形的测量、监控

34、、采用喷锚支护结构以控制围岩的变形和应力释放，尽量利用其自承载能力的指导隧道设计和施工方法.（工程地质名词术语）,优点 : 它具有投资少、施工快、质量可靠。,,,,,,3.5.3 地下工程常见的支护结构类型,及其优缺点、适用条件,,按支护的作用机理，地下工程支护结构可归纳为如下三类：,1.刚性支护结构,这类支护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承受围岩松动压力。通常采用现浇混凝土，有的采用石砌块或混凝土砌块。从构造上看，它有贴壁式结构和离壁式结构。贴壁式结构保持围岩和衬砌紧密接触，中间有回填层，但其排水防潮效果较差。离壁式结构的拱圈、边墙与岩壁相离，其间空隙不做回填，不能加强围岩

35、的稳定，一般仅适用于稳定或基本稳定围岩中修建的衬砌结构。,,,2.柔性支护结构,柔性支护结构是根据现代支护原理而提出来的，它既能及时地进行支护，限制围岩过大变形而出现松动，又能允许围岩出现一定的变形，所以它是适应现代支护原理的支护型式。锚喷支护是一种主要的柔性支护类型，其他如预制的薄型混凝土支护、硬塑性材料支护、钢支撑以及压力灌浆等亦均属于柔性支护。,,,3. 复合式支护结构,,复合式支护结构是柔性支护和刚性支护的组合。通常初期支护是柔性支护，一般采用锚喷支护；二次衬砌是刚性支护，一般采用现浇混凝土支护或高强钢架。复合式支护结构是一种新兴的支护结构型式，主要用于软弱地层，尤其适用于塑性流变地层

36、。复合式支护是根据支护结构原理中需要先柔后刚的思想，先采用柔性支护让围岩释放掉大部分变形和地压，然后再施加刚性支护承受余下的围岩变形和地压，以维持围岩稳定。可见复合式支护结构中的初期支护和最终支护一般都是承载结构，但在进行支护结构设计时，一般以采用初期支护承载为主。,,,,,,,,,,,3.6 地下建筑施工方法和施工条件的工程地质论证,,地下建筑施工方法的选择和施工过程中的工作条件主要受围岩条件的限制。,3.6.1 地下建筑施工方法的工程地质论证,,目前已有的掘进方法有隧道掘进机掘进法、传统的坑道掘进法和特殊掘进法。,1 隧道掘进机的适用条件：,具有掘进速度快，超挖小，围岩松动小，劳动条件好，

37、对周围环境影响小等优点。但掘进机目前还仅能用于没有塑性围压和涌水的中等坚硬岩石。,2. 各种坑道掘进法的适用条件,采用坑道掘进法在岩体中掘进一般需凿岩、爆破、出渣，工序较多、进度慢，且一般的爆破总是对围岩有破坏，常规衬砌不能制止围岩的早期变形。近年来多采用预裂爆破和喷锚支护。,,,,特殊的施工法,,若围岩稳定性低则宜采用一些特殊施工方法，如冻结法、压浆固结法和盾构法等。,（1）,压浆固结法,,当掘进即将进入,高水头含水破碎带,或,砂砾石层,时，可于掌子面前按环形打超前钻孔，并向孔内压浆（水泥浆、水玻璃、或环氧树脂等），使其在掌子面前方形成一个坚硬不透水的锥形岩体，然后在这个岩体中掘进。当隧道埋

38、藏较浅或用隧道掘进机掘进，在前方遇有松散含水层时，也可从地面打孔压浆，使掘进机即将通过的地段固结不透水。,,,压浆固结法是突破断层破碎带的重要施工方法。由于压浆水被从围岩四属排除，具有降低围岩的含水比和将隧洞四周的水压作用点压向外侧的两用效果。,,,（2）冻结法,,,含水层冻结后就成为坚固的不透水岩层，故也可采用冻结的方法使掘进能顺利地通过流沙层和其它高水头含水层。其方法：是在掌子面上按环形布置多层钻孔，插入冷却管道用冷冻机压入冷冻液(液态NH3或CaCl2盐水)，使掌子面前方形成一锥形冻结体，然后在冻结岩体中掘进。当隧道埋深较浅时，也可从地面钻孔、插管、压入冷冻液，在掌子面前方形成和洞轴向一

39、致的冻结墙，然后掘进。荷兰阿姆斯特丹地下铁道和意大利圣露西亚隧洞萨勒诺市段，都是采用这种方法施工的。,,,（3）,盾构法,：,在一个前端带刃脚的钢制圆筒－盾构保护之下施工。,头部,可以安全地开挖地层 ,,尾部,可以装配预制管片或砌块，迅速地拼装成隧道永久衬砌,。,,用盾构法修建隧道,开始于1818,年 ，法国工程师布鲁诺尔；,1825,年在英国泰晤士河下,首次用矩形盾构,建造隧道 ；,近代，,日本盾构法,得到了迅速发展，用途越来越广，并研制了大量新型盾构；,我国于1957年,北京下水道工程中,首次,出现2.6m小盾构 ；,上海市,延安东路,过江道路隧道,使用11.0 m直径的大盾构；,但盾构比

40、较笨重，造价高又局限于圆形断面。仅在江河或城市下的松散地层中修建大型隧道时才用。,,,,,,,,（4）顶管法,采用液压千斤顶,或具有顶进、牵引功能的设备，,以顶管工作井作承压壁,，将管子按设计高程、方位、坡度逐根顶入土层直至达到目的地。,,,大刀盘土压平衡顶管机,,,,3.6.2 地下建筑不良施工条件的工程地质预报,1.涌水的预报,,当遇到富水的砂砾石层、断层破碎带，特别是充水大溶洞大，来势很猛，常伴有洞顶塌陷，砂石随水涌入，往往造成淹没和冲毁洞室，不仅严重影响施工的正常进行，甚至还会造成人身事故；在遇水软化的岩层中能使支衬地基的承载力降低；大量涌水还会造成地表水源枯竭等。,,2.有害气体

41、突出的预报,在含有煤、石油、沥青、硫化矿床、炭质页岩和碳酸盐岩地层中掘进时，要警惕甲烷(H4)、硫化氢(H2S)、二氧化碳(C02)、一氧化碳(Co)以及乙烷(C2H6)、氡(Rn)等有害气体的袭击,3 .高地温预报,,4 .岩爆预报,,,3.7 围岩工程地质分类,,目前国内外已提出的围岩分类方案多达数十种，归纳起来大致可分为两类：,一类是以某一种能反映,围岩强度和破碎状态,等综合情况的定量指标作为分类的依据；,另一类则是综合考虑,几个方面的指标,作为分类的依据。,,,,,．以单一指标为依据的分类,,1 岩石质量指标,(RQD，单块岩心长度大于l00mm的采取率) 。它既反映了岩体的破碎情况

42、，也在一定程度上反映了岩石的强度，因此它是一个综合性指标。,2 劳弗的自承时间分类,，是以围岩在不加支护的情况下保持稳定所延续的时间。显然，这个时间将随不支护段的长度和围岩性质不同而变化，所以它也是一个综合性指标。,,,,3.7.2 综合多个指标为依据的分类,,,3.8 地下建筑位址和方向选择,1. 地形上,：要求山体完整，洞涵周围包括洞顶山体侧向应有足够的山体厚度，避免因地形条件不良造成的施工困难，同时也避免埋深过大造成的高地应力，高地温等地影响。,,2. 岩性条件,：岩性比较坚硬，力学性能较好，风化轻微，对围岩有利。而岩体易于软化，风化和侵蚀地岩体不利于围岩稳定。,,3.

43、 较大的断层破碎带、裂隙密集带等软弱带,，对地下建筑围岩的稳定性影响甚大，在施工中还可能遇到突发性涌水。因此一般薄层状围岩的变形破坏应予以绕避。,,,,4．水文地质条件选择,从水文地质条件选择地下建筑的位址时，应尽量避开松散饱水岩层、富水的断层破碎带及岩溶化碳酸盐层。,5．地应力方向的选择,洞轴向最好与之平行，以保证边墙的稳定。,6.其它条件选择,对于傍山隧道和其它地下建筑进出口位置的选择，要注意研究斜坡岩体的稳定性避免将进出口布置在有可能滑动的岩体内，而应尽可能地将它们布置在新鲜、裸露的坚硬基岩中，在地形上还应保证洪水期地表沟谷水流不会倒灌进洞，并有利于施工布置等。,地热异常区及地下建筑

44、埋深较大时，还应研究地温和有害气体的影响。,应当指出，在实际选择地下建筑位址时，不是对单一因素进行研究和选择，而应全面综合研究影响稳定性的各种因素的基础上，结合地下建筑类型，综合选择。,,,内容总结,3.1 概述。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。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。按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程。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：。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拉应力，即产生所谓拉应力集中。主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力、偏压等四种类型。拱形分离体以外的岩体仍保持平衡状态，拱形分离体失稳塌落后便形成一个塌落拱或称自然平衡拱，所以普氏理论又称为平衡拱理论,