围岩稳定性的工程地质研究复习资料

围岩稳定性的工程地质研究复习资料1、地下洞室：人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。

2、地下洞室围岩稳定性问题的特点（1）普遍存在：水电工程、交通工程、国防工程；（2）与地质环境的联系更密切：置于岩土体内，处于复杂的地应力、地下水、地温和有害气体环境；（3）埋深大：几十至几百米，甚至可达上千米；（4）规模大：往往构成复杂的、庞大的地下建筑群；（5）问题多：变形破坏形式多样；（6）合理利用岩体的问题更重要：围岩是主体；（7）运营条件复杂：内水压力、外水压力、山岩压力、长期强度、蠕变、松弛。

3、地下洞室围岩应力重分布机理在地应力作用下，岩体产生压缩变形→洞室开挖在岩体内形成自由面→洞壁围岩失去径向约束而向洞内产生收敛变形（单向回弹变形）→因围岩发生收敛变形，使洞径、周长减小，即围岩在发生径向回弹变形的同时，切向压缩变形加剧→围岩切向压应力增大。

所以，围岩应力重分布的实质是：围岩由三向受力状态→平面受力状态（洞壁）→将径向应力加到切向应力上（但不等），轴向应力变化不大。

4、影响应力重分布的因素（1）洞室断面形态：应力集中的程度、部位、范围因洞形而异；（2）初始地应力（组成、大小、方向，尤其是侧压力系数）；（3）岩性：坚硬程度、变形模量；（4）岩体结构：结构面产状有很大影响：主应力的大小、方向及最不利部位；（5）时间：洞壁应力集中到大于弹性极限（屈服应力）后，产生屈服现象，向围岩深部迁移→形成 3 个应力分布区：塑性松动区→弹性压密区→天然应力区应力降低区→应力升高区→天然应力区。

（6）砌刚度及支护时间。

（7）相邻硐室的存在：使围岩应力集中加剧。

5、当r=6a 时切向应力σθ和径向应力σ近似等于σθ，故可以把6a 作为围岩应力r重分布的最大影响范围。

（a 为隧洞半径，r 为质点到洞轴线的距离）当λ≠1时，不同断面形状的洞体，在两侧及角点处出现切应力集中，在洞顶及洞底出现拉应力。

一般说来，圆形洞的洞体应力条件比较好；椭圆形洞的洞体在长轴平行荷载方向时比较有利；对于边墙岩体的隧洞，直墙拱顶式洞体较梯形洞体的应力条件有利。

6、围岩变形和破坏的方式围岩的变形与破坏方式取决于围岩应力状态、岩体结构、硐室断面形态等因素：（1）脆性破裂：表现形式：岩爆、板裂。

机理：双向受压的、坚硬完整的岩石在高地应力作用下产生脆性破裂。

产生条件：1）岩性坚硬完整；2）高地应力；3）轴线垂直于σ1；4）钻爆施工产生爆破裂隙。

（2）块体滑动与塌落：表现形式：结构面交切组合成不同形状的块体，发生滑动或塌落机理：分离块体在重力和切向应力共同作用下产生滑塌破坏。

产生条件：1）岩性坚硬，但发育 2~3 组软弱结构面，软、硬互层，倾斜地层；当分离块体有临空条件、结构面光滑或夹泥时稳定性差；2）地应力水平较高，或洞室规模较大。

（3）弯曲折断：表现形式：内鼓、张裂、折断破坏。

机理：层间结合力差或岩体呈迭板状，分离块体在重力和切向应力共同作用下发生破坏，软硬互层时抗弯能力较差。

缓倾岩层：当岩层很薄或软硬相间时，顶板易下沉弯曲、张裂、折断、塌落；陡倾或直立岩层：洞周切向应力和边墙岩层近于平行，所以边墙易向洞内凸邦、鼓出、弯曲、折断；（4）倾斜岩层：当层间结合力不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层一弯曲折断，逆倾向一侧边墙或拱顶易滑落掉块。

产生条件：1) 中厚层、薄层软、硬互层状岩体；2）劈理带；3) 裂隙密集带（一组特别发育）。

（5）松动垮塌：表现形式：塌方、冒顶、拱顶破裂。

机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落，在边墙上表现为滑塌或碎块的坍塌。

产生条件：1)断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物；2）多位于洞顶→边墙。

（6）塑性变形与膨胀：表现形式：内（底）鼓、缩径、局部边墙挤入机理：软弱破碎的岩体在重力、切向应力和地下水作用下产生塑性变形、膨胀、流变、蠕变。

产生条件：1）岩性软弱：形成年代新、胶结差或断层带；2）膨胀岩：含蒙脱石等粘土矿物、硬石膏等→物理化学效应；3）较高的围压。

（7）地下洞室特殊地质问题：突水突泥、腐蚀、地温、瓦斯7、影响地下洞室围岩稳定的因素：（1）地形地貌：要求：山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度；洞身：避开负地形←汇水或承载力不足；进出口：要求上覆厚度大，下陡上缓，无滑坡崩塌等现象；洞口岩石应直接出露或坡积层厚；岩层最好倾向山里；在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡或做人工洞口；隧道进出口不应该在排水困难的低洼处，也不应该在冲沟等受冲刷地方；（2）地层岩性：岩性：坚硬完整的岩浆岩和大部分变质岩，围岩稳定性好；但凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及片岩，稳定性差，开挖洞室易坍塌。

沉积岩较复杂：交接良好的、均质厚层的砂岩、砾岩、灰岩、白云岩，围岩稳定性好；软硬互层或软弱夹层的岩体，稳定性差；层次越多，单层厚度越薄，稳定性越差；胶结不良的砂岩、砾岩、部分凝灰岩、薄层泥灰岩、页岩、粘土岩、岩盐、煤岩等岩体软弱，开挖洞室易造成变形破坏，岩体完整性：均质厚层或块状结构硬质岩层作为围岩稳定性好；松散及破碎岩体稳定性差；层状结构岩体较复杂（单层与多层、互层，厚层与薄层）；总之，坚硬完整的块状岩体中开挖洞室最为稳定。

（3）地质构造（重要因素）：地质构造控制了岩体的完整性和透水性等。

褶皱：洞轴线与褶皱垂直是有利于围岩稳定：①褶皱形态标志着岩石所受过的压力条件，褶皱核部完整性差；②洞轴线垂直于褶皱轴时，最大主应力平行于洞轴线，岩体受挤压作用排列紧密，稳定性较好；③洞顶可能因抗拉强度不够而产生松动破坏，当岩体厚度大，强度高时洞顶起到承重板的作用，稳定性也很好；④ 洞轴线平行于褶皱轴时，不同部位围岩稳定性不同。

两翼：层间错动、块体滑动、山压不对称；背斜核部：破碎、松散；纵张裂隙及岩层倾角影响洞顶围岩稳定；向斜核部：破碎、松散、汇水；洞顶和边墙稳定性问题均突出。

断裂：应尽量避开①断裂构造破坏了岩体的完整性和连续性，形成构造岩，提供了地下水渗流通道，对围岩稳定性不利其影响取决于规模、胶结程度、力学性质、组合形式；②导致掉块、塌方、超挖、突水、块体滑动；影响：弹性抗力、山岩压力和稳定性。

（4）地质环境因素：地应力：地应力的大小、方向，控制围岩能否破坏和破坏形式；控制围岩的应力重分布、决定能否产生岩爆；③构造应力具有很强的方向性：要求轴线平行σ1。

高地温：影响施工、产生温度应力、指示地质异常有害气体：CH4、CO2、CO、H2S 危害：影响施工、磨蚀设备、瓦斯爆炸分布于：煤层、石油、硫化矿床、沥青。

地下水：突水，塌方、塌滑也与地下水有关。

影响：① 外水压力；② 动水压力；③溶解、软化、泥化作用；④ 吸水膨胀；⑤ 机械潜蚀。

分布：断层破碎带、岩溶、裂隙化脆性岩体。

风化：使岩体破碎、松散，地下水影响加剧。

施工因素：开挖方法；爆破方法；钻孔质量；爆破质量；支护方式等。

（5）洞室的形态和尺寸：圆形→椭圆形→城门洞形→梯形→方形。

8、围岩压力：由围岩的变形与破坏产生的、作用于支护或衬砌上的压力。

围岩压力按其形成机制和表现形式可分为变形山压、松动山压、膨胀山压和冲击山压。

（1）变形山压：由于围岩的弹性回弹（开挖后即完成和塑性变形（具有滞后性）所产生的山压。

（2）松动山压：由于围岩的松动破坏（含松动垮塌、块体滑动、弯曲折断）所产生的山压。

局部范围、大小取决于脱落体重量。

（3）膨胀山压：是围岩（含蒙脱石及大量伊利石矿物）吸水膨胀所产生的山压。

（4）冲击山压：由岩爆所产生的山压。

高地应力地区，分布及大小难确定。

9、影响围岩压力的因素时间、硐室尺寸和形状、隧洞的埋深、支护、爆破、超挖回填。

围岩压力的确定方法：散粒体理论、弹塑性平衡理论、流变徐变理论、块体极限平衡理论。

10、地下洞室特殊的地质问题：突水突泥、腐蚀、地温、瓦斯。

11、外水压力：是地下水作用在围岩和衬砌上的动、静水压力，是水工隧洞的基本荷载之一。

12、围岩的抗力：是指在内水压力作用下围岩对衬砌的反力。

围岩弹性抗力：围岩仅发生弹性变形（考虑衬砌的允许变形，确保衬砌在内水压力作用下不发生破坏）时所产生的反力。

弹性抗力系数K：是指围岩在放射状压力作用下产生一个单位变形时，单位面积上所需要的压力。

单位弹性抗力系数：隧洞半径为 100cm 时的 K。

影响因素：①压力的大小和岩体的强度特征（与压力呈负相关，但不是完全的线性关系，与岩体强度呈正相关）；②受力方向与主要结构面的关系（K0平行>K0垂直）；③地应力的状态（内水压力＜地应力，K 0↑；内水压力＞地应力，K 0 ↓）13、围岩抗力确定常用方法：现场试验直接测定法：（橡皮囊法，径向千斤顶法，水压法）、间接测量计算法、工程类比法。

14、覆盖比：指岩层覆盖厚度与内水压力水头之比。

确定最小覆盖层的方法：上台理论、岩石的拉裂理论。

高压隧洞的围岩承载力通常用覆盖比来确定。

15、岩体质量等级的围岩分类常见方法：岩体质量指标(RQD）分级、BQ、RSR、RMR 分类、HC 分类、Q 分类。

16、RMR 分类：也叫地质力学围岩分类，根据 6 个方面的参数对岩体质量进)、RQD、不连续面间距和方向、不连续面状态、地行评分：岩石单轴抗压强度 ( RC下水、不连续面的性状。

17、Q分类：考虑的六个参数：RQD、节理组数、节理面的粗糙度、节理面蚀变系数、节理水折减系数、应力折减系数。

18、几种围岩分类方法的评价（1）单指标 RQD 只考虑岩块的大小，并没有考虑岩石的质量和其他地质因素；（2） RSR主要考虑地址参数和结构参数，但因考虑因素过于复杂，有些参数很难准确获得，进行权值分配时，带有主观性，实际应用难度大，而且没有考虑围岩压力的影响，只适用于浅埋隧道；（3）Q系统分类科学，但由于分类涉及的因素太多，而且指标的确定具有较大的随意性，实际应用受到限制，此外，没有考虑岩石强度，没有考虑结构面的不利组合情况，没有考虑高外水压力等；（4）RMR分类仅限于受节理裂隙控制的较高强度的岩石，不适合质软的岩体，RMR 没有考虑岩体应力状态，高外水压力的影响；（5）围岩工程地质分类（HC分类），是可操作性较强的分类方法，但对高地应力的处理不够合理；（6）BQ分类是一个通用的标准，较易掌握但关于初始应力（极高，高）没有定量的指标，有一定的随意性。

19、改善围岩稳定性的措施（1）支撑（临时性的）：水支撑、钢支撑、混粘土支撑；（2）衬砌（永久性的）：1）无压隧洞的衬砌：平整衬砌、整体混粘土衬砌、钢筋混粘土衬砌；2）有压隧洞衬砌：平整的及止水衬砌、单层整体混粘土衬砌、钢筋混粘土衬砌、双层和联合衬砌、钢板衬砌、预应力衬砌；（3）锚杆；（4）喷混粘土支护；（5）钢筋网。

20、隧道衬砌：整体式衬砌、复合式衬砌、喷锚衬砌、装备式衬砌。