1、第十章第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析地下洞室围岩稳定性的工程地质分析工程地质分析原理工程地质分析原理n10.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n 为各种目的修建在地层之内的中空通道或中为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室统称为空洞室统称为 地下洞室地下洞室 ，包括矿山坑道、铁路隧道，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、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，但都有一个共同的飞机库等。虽然它们规模不等，但都有一个共同的特点，
2、就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积特点，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。所以和尺寸并有较大廷伸长度的洞子。所以 周围岩层的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。稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。n 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生状态，开挖使洞室周围岩体发生 卸荷回弹和应力重卸荷回弹和应力重新分布。新分布。n 如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态如果围岩足够强固，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，开挖出的的变化而发生显著的
3、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地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。n 但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化但是，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，和重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时， 如果如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，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。对地下建筑的施工和运营造成危害。n 为了保证地下建筑符合多快好省的原则，必须为了保证地下建筑符合多快好
4、省的原则，必须了解和掌握地下洞室围岩的了解和掌握地下洞室围岩的 应力状态、变形破坏机应力状态、变形破坏机制制 和分析评价和分析评价 围岩稳定性围岩稳定性 的原理，以便能在工程地的原理，以便能在工程地质勘察过程中，为正确解决地下建筑设计和施工中质勘察过程中，为正确解决地下建筑设计和施工中的各类问题，提供充分而可靠的地质依据。的各类问题，提供充分而可靠的地质依据。n10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布n10.2.1 围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点n 如前所述，任何岩体在天然条件下均如前所述，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态，岩体内任何一点处于一
5、定初始应力状态，岩体内任何一点的初始应力状态的初始应力状态 (常称为原岩应力常称为原岩应力 )通常可以通常可以垂直正应力垂直正应力 (通常为主应力通常为主应力 ) 和水平正应力和水平正应力来表示：来表示：n v=v0+hn h=N v式中：式中： v0值可以是零，也可以是常数值可以是零，也可以是常数由上式可知，由上式可知， 岩体内的初始应力随深度而变化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，即地下洞室在上各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在 岩体岩体内将是处在一种非均匀的初始应
6、力场中内将是处在一种非均匀的初始应力场中 。但是按照森。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剖面中最大尺寸的 35倍倍 如图如图 10-2(a)，习惯上将此，习惯上将此范围内的岩体称为范围内的岩体称为 “ 围岩围岩 ” 。如果此范围不超出地表。如果此范围不超出地表，为简化围岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，为简化围岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在，在 洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态洞室的整个影响带内岩体的
7、初始应力状态 与与 洞中洞中心处是一样的心处是一样的 ，这样，就可按均匀应力场来处理围岩，这样，就可按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。算都是根据这种假定进行的。n围岩应力重分布的主要特征是：围岩应力重分布的主要特征是：n 径向应力径向应力 随着向自由表面的接近而逐渐减小随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。，至洞壁处变为零。n 切向应力切向应力 在一些部位愈接近自由表面切向应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，即产生所谓力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓 压
8、应力集压应力集中中 (如图如图 10-3中的中的 X轴方位轴方位 )，在另一些部分，愈接近，在另一些部分，愈接近自由表面自由表面 切向应力愈低切向应力愈低 ，有时甚至于洞壁附近出现，有时甚至于洞壁附近出现拉应力，即产生所谓拉应力，即产生所谓 拉应力集中拉应力集中 (如图如图 10-3中中 z轴方轴方位位 )。这样，地下洞宝的开挖就将于。这样，地下洞宝的开挖就将于 围岩内引起强烈围岩内引起强烈的主应力分异现象的主应力分异现象 ，使围岩内的应力差愈接近自由，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表面愈增大，至洞室周边达最大值 。 n10.2.2 圆圆 -椭圆形洞室周边压力集中的一
9、般规律椭圆形洞室周边压力集中的一般规律n 对于圆形对于圆形 -椭圆形洞室，周边上可能的椭圆形洞室，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与周边垂直相交的 A、 B两点，而两点之间的两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态状态 (如图如图 10-4、 10-5)。可见这两点是判定围。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应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。的一般规律。
