第7章 岩石地下工程
第7章_地下工程
7.2 隧道工程
一、概述
1.概念 是修筑在岩 体、土体或水底 的，两端有出入 口的，供车辆、 行人、水流及管 线等通过的通道。 包括交通运输方 面的铁路、道路、 水（海）底隧道 和各种水工隧道 等。
杨浦电厂取水工程
2.特点 • 是交通运输线路穿越 天然障碍的有效方法。 • 穿越的地质条件复杂 多变，工程定位、设计、 施工方法要随时作相应 调整。 • 施工作业面窄，劳力 设备受到限制，工业化、 机械化施工要求高。 • 造价昂贵。 八达岭隧道口前石拱桥
洞门基本类型
竖井、斜井
一般隧道开挖是从两洞口或从其中一个方向洞口进行， 但对于长大隧道，因工期限制、经济、施工、地形、 环境等条件，有必要分成几个工程区段进行施工，多 数情况下要设工作坑道。 工作坑道按坡度区分为横洞、斜井、竖井和平行导坑。 竖井、斜井除作为施工作业坑道外，常使用于公路隧 道的通风井，水底隧道的扬排水和维修保养通道，扬 水式发电站的调压水槽和压力管道闸门等，最近还使 用于石油和液化气的地下储藏的永久性洞库。
• 水底隧道一般分水底段和河岸段，后者又有暗埋、敞开及出口 部分。
• 施工方法：盾构法、沉管法
用盾构法建造的水底隧道， 自两端至洞口，一般为槽 形敞开式引道段，穿越水 底的暗埋段，断面大多为 圆形。 用沉管法建造水底隧道除 有引道段外，穿越水底的 沉管有时是由几个通道组 成的矩形管工程有关的遗址。
第二时代 古代时期。埃及金字塔、古代巴比伦引水隧道， 均为此时代的建筑典范。我国秦汉时期的陵墓和地下粮仓，已 具有相当技术水准和规模。
第三时代 中世纪时代。世界范围矿石开采技术 出现，推进了地下工程的发展。 第四时代 近代与现代。欧美产业革命，诺贝尔 发明黄色炸药，成为开发地下空间的有力武器。 日本明治时代，隧道及铁路技术开始引进并得 到发展。
(完整版)岩石力学计算题
第2章 岩石物理力学性质例：某岩样试件，测得密度为1。
9kg/cm3,比重为2.69，含水量为29％.试求该岩样的孔隙比、孔隙率、饱和度和干容量.解：孔隙比:83.019.1)29.01(69.21)1(=-+=-+∆=γωεd v孔隙度:%3.45%10083.0183.0%1001=⨯+=⨯+=v v n εε 饱和度：%9483.0%2969.2=⨯==εωG S r 干容重：)/(47.183.0169.213cm g d =+=+∆=εγ 例 某岩石通过三轴试验，求得其剪切强度c=10MPa ，φ=45°，试计算该岩石的单轴抗压强度和单轴抗拉强度.解:由例 大理岩的抗剪强度试验，当σ1n=6MPa, σ2n=10MPa ，τ1n=19.2MPa, τ2n=22MPa 。
该岩石作三轴抗压强度试验时，当σa=0,则Rc=100MPa.求侧压力 σa=6MPa 时，其三轴抗压强度等于多少？解：（1）计算内摩擦角φφστtg C n n 11+= （1) φστtg C n n 22+= （2）联立求解： 021212219.20.735106n n n n tg ττφφσσ--===⇒=--(2）计算系数K ：7.335sin 135sin 1sin 1sin 10=-+=-+=φφK（3）计算三轴抗压强度： 0100 3.7612.22C a S S K MPa σ=+=+⨯=第3章 岩石本构关系与强度理论例：已知岩石的应力状态如图,并已知岩石的内聚力为4MPa ，内摩擦角为35°。
求： （1）各单元体莫尔应力圆,主应力大小和方向； （2）用莫尔库仑理论判断，岩石是否发生破坏解：（1）A 单元：主应力大小：122223 5.00 5.00 5.0()()002222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+= 方向：与x σ的夹角20tan 200 5.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图:圆心:135.002.522σσ++==半径：13 5.002.522σσ--==B 单元：主应力大小：122223 4.00000()() 4.0 4.02222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=- 方向：与x σ的夹角2 4.0tan 20xyx yτθσσ===∞-，45θ=︒ 莫尔应力图：圆心:134.0 4.0022σσ+-==半径：13 4.0( 4.0)4.022σσ---==C 单元：主应力大小：122223 5.705.00 5.00()() 2.00.702222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=-方向：与x σ的夹角22 2.0tan 20.85.00xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：135.70.72.522σσ+-==半径：13 5.7(0.7)3.222σσ---==D 单元： 主应力大小:122223 6.06.0 6.0 6.0 6.0()()0 6.02222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+=方向：与x σ的夹角20tan 206.0 6.0xyx yτθσσ===--，0θ=︒莫尔应力图：圆心：136.0 6.06.022σσ++==半径:13 6.0 6.0022σσ--==E 单元：主应力大小：12222310.9110.0 1.010.0 1.0()() 3.00.092222x y x y xy MPa σσσσστσ+-+-=±+=±+= 方向：与x σ的夹角22 3.0tan 20.6710.0 1.0xyx yτθσσ⨯===--莫尔应力图：圆心：1310.910.095.522σσ++==半径：1310.910.095.4122σσ--==A 岩石单元体没有破坏，B 不存在正应力,存在切应力。
岩石地下工程施工测量的监理工作
水准线路 ，并 随着 掘扩工 作的进行 ，测 量监 理工 程师
２ １ １ 施工 前 的测量 监 理 ． ．
（ １） 复测 施 工 测 量 控 制 网 。岩 石 地 下 工 程 一 般 设 置精 密 三 角 网或 精 密 导 线 网 ， 由 于此 类 工程 设计 单 位提
供 的基准桩 位 ，只是提供现 场 的主要控制 点和基准标
高 ，并 不 能 保 证 现 场 测 量 放 样 的 需 要 ，其 中 有 些 桩 点
（ ５）审核和 认可施工单位 有关测量放样 方案 、方
法 及放 样 数据 。
２ １ ２ 施 工 过程 中 的人员，完全按测量放样 出来 的控制点线进 行掘进、被覆等作业 ，而且放样工作是随着掘进面的推进
不 断地测 设和 校核 ； 四是干扰 因素 多 。岩 石地 下工程 一般 作业 面狭 窄 、空气质 量 差 、不 同工段 之 间互不 通视 ，爆破 震 动和 重 型车 辆频 繁 通 行容 易对 测 量控 制 点扰 动或 破坏 。 因此 洞 内外控 制桩点 必须 稳定 可靠 ；五是 在纵 向横 向 、高 程 贯 通 误差 中 ，地 下 工程 施 工 测 量 主 要 以横 向贯通 误 差 作 为 衡量 精 度 的 主 要尺 度 。这 是 因 为纵 向贯 通 误 差 只影 响地 下 工程 的长 度 ，应 用 水 准 测 量 仪 的方 法 容 易 使 高程 贯通 达 到所 要 求 的 精 度 ， 只有 横 向误 差会 影 响 地 下 工程 通 道 和 洞 室有 效 断 面 的 大小 ，如 果 误 差太 大 致 使 有 效断 面 过小 ，就必 须采取 拆 除 、重 新掘扩 等耗 费 、耗 时的返工 措 施 ，增 大 施 工成 本 ， 延长 工 期 。 ２ 施 工 测量 监理 工作 内容 与工作 流程 ２ １ 施 工 测量 监理 工作 内容 ．
工程地质 第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
处围岩的应力降低，加之新开裂处岩体在 水和空气影响下加速风化，岩体向洞内产 生塑性松胀。这种塑性松胀的结果，使原 来由洞边附近岩石承受的应力转移一部分 给邻近的岩体。因而邻近的岩体也就产生 塑性变形。这样，当应力足够大时，塑性 变形的范围是向围岩深部逐渐扩展的。由 于这种塑性变形的结果，在洞室周围形成 了一个圈，这个圈一般称为塑性松动圈
机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落 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.
溶洞堆积物
⑸松软岩体
局部塌方
表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。 机理：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；
—— 松软或破碎岩体
r
工程类比法
7.4 围岩工程地质分类
BQ的分类方法在第四章已经介绍过了。 在这具体提出修正系数的取值
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
指：未对洞壁采取任何支护措施，围岩由变形发展至 破坏的时间
式中：t切向拉应力，切向压应力，Rt围岩的抗拉强度，Rb饱和抗压强度
•围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。 例：如图
K
F T
洞顶块体Q1和洞壁块体Q2的稳定性系数分别为
K 2(c1l1 c2l2)(ctg ctg)/ L23
K (Q2 costg4 c4l4 ) / Q2 sin
情况的工程 隧 洞 分 类●
无压隧洞（承受围岩压力、外水压力）
⑵ 弹性抗力 —— 一般指有压隧洞冲水后，围岩在内水压力作用 下产生压缩变形的同时对衬砌所形成的反力
岩石力学与地下工程稳定性分析
岩石力学与地下工程稳定性分析地下工程在现代城市建设中扮演着重要的角色，然而地下工程的稳定性常常受到岩石力学的影响。
岩石力学作为一门研究岩石的力学性质及其变形和破坏规律的学科，对地下工程的稳定性分析起着至关重要的作用。
本文将探讨岩石力学与地下工程稳定性分析的相关内容。
一、岩石力学基础知识1. 岩石的力学性质岩石的力学性质是指岩石在受力作用下的变形和破坏特征。
了解岩石的力学性质对于地下工程的稳定性分析是必要的。
2. 岩石的力学参数岩石的力学参数是描述岩石力学性质的量值，如弹性模量、抗压强度、剪切强度等。
通过测定岩石的力学参数可以为地下工程的设计和稳定性分析提供依据。
3. 岩石的变形和破坏规律岩石在受力作用下会发生变形和破坏，了解岩石的变形和破坏规律对于地下工程的稳定性分析具有重要意义。
二、地下工程稳定性分析方法1. 应力—应变分析法基于岩石的弹性性质，通过建立应力—应变关系来分析地下工程的稳定性。
这种方法适用于小变形和较为简单的工程情况。
2. 基于岩石力学参数的数值模拟方法基于岩石的力学参数和地下工程具体情况，利用数值模拟方法对地下工程进行稳定性分析。
数值模拟方法能够考虑更多复杂的因素，对于复杂工程情况具有较高的适用性。
三、岩石力学与地下工程稳定性分析实例1. 地下隧道工程地下隧道工程是岩石力学与地下工程稳定性分析的典型应用。
通过对岩石的力学性质和力学参数进行研究，可以对隧道的稳定性进行分析和评估，为隧道的设计和建设提供依据。
2. 地下采空区地下采空区是地下矿山开采过程中形成的空隙地带。
通过岩石力学的研究和分析，可以预测地下采空区的稳定性，制定有效的支护和加固措施，以减少地质灾害的发生。
3. 地下水库工程地下水库工程是一种新型的水利工程形式，在设计和建设过程中需要进行地下工程的稳定性分析。
岩石力学的知识可以为地下水库的开挖和建设提供科学依据，确保工程的安全和稳定性。
结论岩石力学与地下工程稳定性分析密切相关，通过深入研究岩石的力学性质和力学参数，可以为地下工程的设计、建设和维护提供科学依据。
岩石地下工程施工技术研究
此， 在试运转或经长期停机 后， 启动器要考虑 电、 水、 风是否 以安全争取地输 送到机器上， 首先核实洞外中压 电源是否输送 到机器的变 压器上 。 变压器的 次侧短路是否已经接通。电源接通后还要确认洞外的净水是否 已经接通
一Leabharlann 并送入洞 内， 同时确认洞外新鲜风机是否启动并把新鲜风送到机器尾部 。 （ ２ ） 启动 。在确定控制电压接通后， 启动净水泵 （ 正常水压应在０ ． ７ ＭＰ ａ 左右） ， 启动风机 。 启动时， 可接通组成启动按钮成组启动 ， 亦可单独启动 。 在 风机启动完毕后启动液压动力站。 （ ３ ） 掘进 。开始掘进前 ， 确认一下工作 ： 风机启动 ， 泵站启动， 点击 启动，
系统 ， 装卸调运系统， 进场场 区道路 ， 掘进机 的组装场地等。根据Ｔ Ｂ Ｍ掘进 机不同阶段的施工需求和现场 的实际情况， 科学合理地统筹布置 ， 是充分发 挥掘进机的性能， 确保掘进机顺利施工的前提。
种是钻爆法 ， 另一种则是隧道掘进机施工法。 本篇文章主要对岩石地下工 程的掘进机施工技术。
就 目前而言，我 国大多数公路隧道和地下通道等工程的施工都是采用 的掘
进机施工法。 什 么是岩 石地 下工程
一
施工的岩石掘进机一般都带有护盾，施工人员可 以 在护盾 的保护下进行隧 道开挖操作； 另外， 相比于钻爆法 ， 掘进机施 工法 没有炸药等化学物质 的爆 炸和污染， 且其操作的 自动化水平高， 更加有利于保护施工人 员的安全。
四、 Ｔ Ｂ Ｍ 的施工技 术 １ 、 开挖原理 在推力作用下， 安装在刀盘上的盘形滚 刀紧压岩面， 随着刀盘 的旋转 ，
盘形滚刀绕刀盘 中心轴公转的同时绕 自身轴线 自 转， 在刀盘强大 的推力 、 扭
岩石工程解决方案及措施
岩石工程解决方案及措施1. 岩石稳定性问题岩石工程中常见的问题之一是岩石的稳定性问题，包括岩体的破裂、滑坡和坍塌等。
对于这类问题，解决方案及措施包括：1.1 岩石稳定性评估首先需要对岩石进行稳定性评估，了解岩体的地质结构、岩性和裂隙情况，通过地质勘察和地质测量等手段获取岩体的相关数据，以便对岩体的稳定性进行定量分析。
1.2 岩石支护根据岩石稳定性评估的结果，选择合适的岩石支护措施，包括喷锚、钻孔爆破、钢筋混凝土支护等方式，对岩体进行加固和支护，以增强岩体的稳定性。
1.3 地质灾害治理针对岩石破裂、滑坡和坍塌等地质灾害问题，采取相应的治理措施，包括钢丝网防护、岩石体切除、边坡护坡等方式，控制地质灾害的扩展和危害。
2. 岩石开挖和爆破问题在岩石工程中，常常需要进行岩石的开挖和爆破作业，但是开挖和爆破过程中可能会引起岩体破坏和安全隐患。
因此，需要针对岩石开挖和爆破问题制定相应的解决方案及措施：2.1 岩石开挖方案根据岩石的性质和开挖要求，选择合适的岩石开挖方案，包括机械开挖、手工开挖、爆破开挖等方式，确保开挖作业的安全和高效进行。
2.2 爆破参数设计根据岩体的特性和工程要求，设计合适的爆破参数，包括爆破孔径、爆破深度、装药量、爆破序列等参数，以达到减震减振、提高爆破效果和保障周边环境安全的目的。
2.3 岩石振动控制针对岩石爆破产生的振动和冲击，采取相应的振动控制措施，包括地震监测、振动监测、振动削减等方式，减少岩石爆破对周边环境和建筑物的影响。
3. 岩石治理和加固问题在一些特殊地质条件下，岩石工程需要进行岩石治理和加固工程，以保障工程的安全和可靠。
对于岩石治理和加固问题，解决方案及措施包括：3.1 岩石裂隙灌浆利用注浆工艺将岩石裂隙中的松散物质填充，提高岩体的整体稳定性和承载能力，同时防止水、泥浆或其他杂质进入岩体内部，保障工程的安全。
3.2 岩石锚杆加固采用锚杆工法对岩石进行加固，通过预埋锚杆并注浆加固，提高岩石的抗拉性能和抗压性能，增强岩石的整体稳定性。
地质灾害防治4第7章矿山和地下工程地质灾害
采场岩石冒顶，特别是大面积的冒顶，一般还是有预 兆的。如掉碴、发响、出现裂缝等等。在有支柱的采 场，则会出现支柱发响断裂。大面积冒落前，支柱会 发出炸响，有很多支柱折断，采场中响声不断。
房柱法采场大面积冒落的主要前兆，则表现为采场顶 板冒落、矿柱破坏，采场中响声越来越大。
(2) 瓦斯抽放
在一些高瓦斯矿井，因CH4气体涌出量很大，靠 通风还难以稀释排除。此时可以进行瓦斯抽 放。抽出的瓦斯气体可以作为民用，或工业 应用，变害为利。
80年代，中国就有100多个矿井安装了瓦斯 抽放设备，每年抽放瓦斯3亿m3。
（3） 建立严格的瓦斯浓度检查制度
煤矿需要配备专门的仪器和专职安全人员，定期和 不定期地检查井下各处的瓦斯浓度，特别是采煤工 作面上的情况。安全人员有权命令停止生产。
岩爆发生时，多数情况下是响声与岩块的弹射现象 同时出现。
7.3.2 岩爆的成因条件
岩爆是岩体中储存的弹性变形能突然释放而产生 的。因此，岩爆是否会发生，取决于：
（1）岩体中是否存储了高能量； 岩体中储存高能量的条件是：埋藏深度深（矿山
深部开采），或应力集中地带，如河谷（如水电 站） 、褶皱带轴部等； （2）储存的能量能否迅速释放。 应变能迅速释放，则需要岩石是脆性，而不是具 有较大变形的塑性岩石。
采掘工作面上瓦斯浓度达到1％，就要停止电钻作 业；达到1.5％，就要停止作业，撤出人员。
煤矿井下工作面通常需要安装瓦斯报警器。
预防瓦斯爆炸的主要措施
2. 杜绝火源
（1） 煤矿井下严禁抽烟，严禁携带明火、烧电炉等。
（2）井下设备都必须是防爆型的：防爆电机、防爆开 关、防爆电缆，，确信在 放炮地点附近20米内CH4浓度不超过1％。
岩石力学作业
岩石力学习题第一章绪论1.1 解释岩石与岩体的概念，指出二者的主要区别与联系。
1.2 岩体的力学特征是什么？1.3 自然界中的岩石按地质成因分类可分为几大类，各有什么特点？1.4 简述岩石力学的研究任务与研究内容。
1.5 岩石力学的研究方法有哪些？第二章岩石的物理力学性质2.1 名词解释：孔隙比、孔隙率、吸水率、渗透性、抗冻性、扩容、蠕变、松弛、弹性后效、长期强度、岩石的三向抗压强度2.2 岩石的结构和构造有何区别？岩石颗粒间的联结有哪几种？2.3 岩石物理性质的主要指标及其表示方式是什么？2.4 已知岩样的容重=22.5kN/m3，比重，天然含水量，试计算该岩样的孔隙率n，干容重及饱和容重。
2.5 影响岩石强度的主要试验因素有哪些？2.6 岩石破坏有哪些形式？对各种破坏的原因作出解释。
2.7 什么是岩石的全应力－应变曲线？什么是刚性试验机？为什么普通材料试验机不能得出岩石的全应力－应变曲线？2.8 什么是岩石的弹性模量、变形模量和卸载模量？2.9 在三轴压力试验中岩石的力学性质会发生哪些变化？2.10 岩石的抗剪强度与剪切面上正应力有何关系？2.11 简要叙述库仑、莫尔和格里菲斯岩石强度准则的基本原理及其之间的关系。
2.12 简述岩石在单轴压力试验下的变形特征。
2.13 简述岩石在反复加卸载下的变形特征。
2.14 体积应变曲线是怎样获得的？它在分析岩石的力学特征上有何意义？2.15 什么叫岩石的流变、蠕变、松弛？2.16 岩石蠕变一般包括哪几个阶段？各阶段有何特点？2.17 不同受力条件下岩石流变具有哪些特征？2.18 简要叙述常见的几种岩石流变模型及其特点。
2.19 什么是岩石的长期强度？它与岩石的瞬时强度有什么关系？2.20 请根据坐标下的库仑准则，推导由主应力、岩石破断角和岩石单轴抗压强度给出的在坐标系中的库仑准则表达式，式中。
2.21 将一个岩石试件进行单轴试验，当压应力达到100MPa时即发生破坏，破坏面与大主应力平面的夹角(即破坏所在面与水平面的仰角)为65°，假定抗剪强度随正应力呈线性变化(即遵循莫尔库伦破坏准则)，试计算：1)内摩擦角。
基于透明土壤(岩石)的地下工程新研究方法
基于透明土壤（岩石）的地下工程新研究方法随着城市化进程的加速和人口增长的持续，地下空间利用已成为解决城市发展和资源利用的必然选择。
地下工程作为一个重要的工程领域，对于地下土体的力学性质和变形行为有着严格的要求。
然而，传统的地下工程研究方法主要依靠现场观测和试验室模型，其存在着局限性和不足之处。
而基于透明土壤（岩石）的地下工程新研究方法的出现，极大地拓展了地下工程研究的范围和深度，为地下工程的设计与施工提供了新的思路和方法。
1. 透明土壤（岩石）技术的应用透明土壤（岩石）技术是一种将真实土壤（岩石）表面的物理性质转化为透明或半透明表面的工程造模技术。
该技术利用透明或半透明材料制成的模型，通过投射光源，实现对土体内部变形和流动过程的实时观测。
透明土壤（岩石）技术可在保持真实土壤（岩石）力学性质的基础上，提供直观、可视的变形和流动信息，是地下工程研究的重要手段之一。
2. 透明土壤（岩石）技术的优势相比传统的地下工程研究方法，基于透明土壤（岩石）的地下工程新研究方法具有诸多优势：（1）直观可视化：透明土壤（岩石）技术能够实现土体内部变形和流动过程的实时观测，为研究人员提供了直观、可视的数据。
其可视化的特点使得研究人员能够直观地观察土体内部的变形与流动特征，从而更准确地把握土体的力学行为。
（2）无损检测：传统的地下工程研究方法通常需要进行大量的试验和现场观测，而基于透明土壤（岩石）的地下工程新研究方法无需破坏土体结构，能够实现对地下土体动态变形的无损检测，保持了土体本身的完整性。
（3）仿真程度高：透明土壤（岩石）技术模型具有高度的仿真性，能够充分还原真实土体（岩石）的物理性质和力学行为，从而为工程研究提供了高度可信的实验数据。
3. 透明土壤（岩石）技术在地下工程中的应用透明土壤（岩石）技术的应用已经在地下工程领域取得了一系列的研究成果，涉及地下隧道、地铁、地下储罐、地下管线等多个领域。
在地下隧道设计中，透明土壤（岩石）技术可以帮助工程设计人员实时观测隧道内部土体的变形情况，为设计提供可靠的数据支持；在地下管线施工中，透明土壤（岩石）技术可以帮助施工人员实时监测土体变形，及时调整施工方案，保障施工的安全与质量。
岩石地下工程围岩应力解析法
ln
r
C1
边界条件（内边界、周围）
r＝a
p r
Pi
C1
ln (
p r
c
cot
)
2 sin 1 sin
ln
r
修正旳芬纳（Fenner）公式
弹、塑性分析应力边界条件
rp
( Pi
c
cot
)(
r
2 sin
)1sin
a
c cot
p
( Pi
c cot )(1 1
sin sin
)(
r
2 sin
假设围岩均在弹性区，可直 接按弹性理论计算
更趋于真实旳情况是围岩属于弹塑性状 态，有弹塑性旳分区（如PPT最终一页）
5.2 岩石地下工程围岩应力解析法 三、深埋圆形洞室弹性分布旳二次应力状态
（一）侧压力系数λ= 1时围岩应力状态
1. 基本假定 ⑴计算单元为一无自重旳单元体，不计开挖后而产生旳重力变化。
5. 围岩应力、位移、应变旳求解
r
p0 (1
R02 r2
)
p0 (1
R02 r2
)
u 1
E
p0[(1 2 )r
R02 ] r
r
1
E
p0[(1 2 )
R02 r2
]
1
E
p0[(1 2 )
R02 r2
]
（5-5）
平面应变问题公式
5.2 岩石地下工程围岩应力解析法 三、深埋圆形洞室弹性分布旳二次应力状态
)1sin
a
c cot
与原岩应 力P无关
17
5.2 岩石地下工程围岩应力解析法
岩石力学与工程课后习题与思考解答
第一章岩石物理力学性质3.常见岩石的结构连接类型有哪几种？各有什么特点？答：岩石中结构连接的类型主要有两种，分别是结晶连接和胶结连接。
结晶连接指矿物颗粒通过结晶相互嵌合在一起。
这类连接使晶体颗粒之间紧密接触，故岩石强度一般较大，抗风化能力强；胶结连接指岩石矿物颗粒与颗粒之间通过胶结物连接在一起，这种连接的岩石，其强度主要取决于胶结物及胶结类型。
7.岩石破坏有几种形式？对各种破坏的原因作出解释。
答：岩石在单轴压缩载荷作用下，破坏形式包含三种：X状共轭面剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏。
前两类破坏形式主要是因为轴向主应力因起破坏面的剪应力超过岩石最大剪应力而导致的破坏；后一类破坏主要是因为轴向主应力引起破坏面横向拉应力超过岩石最大拉应力而导致的破坏。
9.什么是全应力-应变曲线，为什么普通材料试验机得不出全应力-应变曲线？答：能全面反映岩石受压破坏过程中的应力、应变特征，特别是岩石破坏后的强度与力学性质变化规律的应力应变曲线就叫全应力-应变曲线。
普通试验机只能得出半程应力-应变曲线不能得出全应力-应变曲线的原因是由于试验机的刚性不足，在岩石压缩过程中，试件受压，试验机框架受拉，随着岩样不断被压缩，试验机发生的弹性变形以应变能形式存于机器中，当施加压力超过岩石抗压强度，试件破坏，此时，试验机迅速回弹，被存于试验机中的应变能瞬间释放到岩石试件中，引起岩石的激烈破坏和崩解，因而造成无法获得岩石在超过峰值破坏强度后受压的应力应变曲线。
10.如何根据全应力-应变曲线预测岩石的岩爆、流变和反复加、卸载作用下的破坏？答：（1）如下图示全应力应变曲线：左半部A的面积代表，达到峰值强度时，积累在试件内部的应变能，右半部B代表试件从破裂到破坏所消耗的能量。
若A＞B，说明岩石破坏后尚余一部分能量，这部分能量突然释放就会产生岩爆，若A＜B，则说明应变能在破坏过程中全部消耗掉，因而不会产生岩爆。
（2）在试件加载到一定程度，保持一定应力水平不变，试件将发生蠕变，蠕变发生到一定程度，即应变达到某一值，蠕变就停止，全应力-应变曲线预测蠕变可由下应变-应力曲线预测蠕变破坏图示意：图中，全应力-应变曲线及蠕变终止轨迹线由大量实验所得，（1）当应力在H点以下时，保持应力不变，试件不会发生蠕变；（2）当应力在H至G点见时，保持应力不变，试件发生蠕变，最终发展到蠕变终止轨迹线，停止蠕变，试件不破坏，如EF；（3）当应力在G点以上时，保持应力值不变，试件发生蠕变，蠕变应变最终达到破坏段应力应变曲线破坏段，试件发生破坏，如AB,CD；（4）从C点开始发生蠕变则到D点发生破坏，若从A点发生蠕变，则到B点发生破坏，前者，蠕变时间较后者长。
《岩石地下工程》课件
在这个PPT课件中，我们将探讨岩石地下工程的各个方面：从工程的简介到勘 探、支护、爆破、加固以及一些实际案例。让我们一起来探索岩石地下工程 的奇妙世界！
岩石地下工程简介
什么是岩石地下工程
岩石地下工程是指在岩石层下进行的各种工程活动， 如隧道挖掘、地下室建设等。Biblioteka 岩石地下工程的特点2
岩石地下勘探流程
勘探流程包括数据收集、实地勘探、数据分析和勘探报告等环节。
岩石的支护
岩石地下支护方法
常见的岩石地下支护方法有衬砌法、喷射法和锚杆 法等。
岩石地下支护设计要点
岩石地下支护设计需要考虑地下水位、岩石应力等 因素，确保工程的稳定和安全。
岩石的爆破
岩石地下爆破原理
岩石地下爆破是利用爆炸能量破坏岩石结构以实现 工程目标的一种方法。
岩石地下爆破步骤
爆破步骤包括布药、引爆和监测等，需要严格控制 以确保施工的安全和效果。
岩石的加固
岩石地下加固方法
岩石地下加固方法包括注浆加固、地下水抽排和预应 力锚索等。
岩石地下加固设计要点
加固设计需要考虑岩石的变形特性、支护结构和施工 工艺等因素，以提高工程的安全和稳定。
岩石地下工程案例
岩石地下工程的应用范围
岩石地下工程具有复杂的岩石结构、艰巨的施工环 境和对勘探、支护等要求高的特点。
岩石的性质
岩石的分类
岩石按成因可分为火成岩、沉积 岩和变质岩三种。
岩石的物理性质
岩石的物理性质包括密度、孔隙 度、磁性等。
岩石的力学性质
岩石的力学性质包括强度、变形 能力、断裂特性等。
岩石的勘探
1
岩石地下勘探方法
岩石地下勘探常用方法包括地质勘探、地震勘探和非破坏性测试等。
岩石地下工程施工
岩石地下工程施工一、岩石地下工程施工的常见方法1. 钻孔爆破法钻孔爆破法是岩石地下工程施工中最常用的方法之一。
该方法是通过在岩石中钻孔，然后在孔内装入炸药，利用炸药的爆炸能量来破碎岩石。
钻孔爆破法具有施工速度快、易控制等优点，适用于硬岩和一定规模的岩石工程。
2. 钻孔切割法钻孔切割法是利用旋转式岩石切割机在岩石中进行切割的方法。
这种方法适用于一些较软的岩石和局部需求平整切割的工程。
钻孔切割法施工简单、效率高，但通常需要配合其他工法来完成较大规模的地下工程。
3. 液压爆破法液压爆破法是利用高压水流来破碎岩石的方法。
通过液压爆破器在岩石表面形成的喷射水流，可以有效地破碎岩石。
这种方法适用于对周围环境要求较高的地下工程，如城市地下管道施工等。
4. 冲击器法冲击器法是利用压缩空气或液压液体的冲击力来破碎岩石的方法。
这种方法施工简单、操作方便，适用于一些较小规模的地下工程。
但由于其工作原理的限制，冲击器法通常只适用于较软的岩石。
二、岩石地下工程施工中的技术和注意事项1. 岩石勘察在岩石地下工程施工前，必须进行详细的岩石勘察工作。
通过对地质勘察资料的分析和岩石样本的取样分析，可以确定岩石的物理力学性质和工程特性，为后续的工程设计和施工提供依据。
2. 岩石开挖在岩石地下工程施工中，开挖是一个非常关键的环节。
通常需要根据岩石的硬度和特性选择合适的开挖方法，采用合适的机械设备和工艺来进行开挖作业。
在开挖过程中，要注意保持岩体的稳定性，防止岩层垮塌和滑坡等意外事件的发生。
3. 岩石支护岩石地下工程施工中，岩石支护是必不可少的环节。
支护的目的是在岩石开挖过程中保持围岩的稳定性，防止地下水和地下岩层的塌陷。
常见的支护材料包括混凝土梁、锚杆、喷锚混凝土等，根据不同的工程要求选择合适的支护方法。
4. 安全措施在岩石地下工程施工中，安全是第一位的考虑因素。
施工现场必须严格遵守相关的安全规定，做好安全生产的各项措施。
同时要定期进行安全检查，确保施工人员的安全和设备的正常运转。
岩土工程测试技术(第七章)
地下工程监测的目的
（1）监视地层、支护与结构的应力和变形情况, 验证支 护系统的设计稳定性
（2）保障监控变形在允许范围之内, 保障地层稳定和施 工安全
（3）通过量测数据的分析处理, 掌握各种数据的变化规 律, 提供地层和支护系统衬砌最终稳定的信息
（4）积累量测数据, 为今后的设计与施工提供工程类比 的依据
3.3 拱顶下沉量测
拱顶下沉量值: 隧道拱顶内壁的绝对下沉量。 拱顶下沉速度: 单位时间内拱顶下沉值
3.3.1 量测方法 对于浅埋隧道, 用挠度计或其他仪表测定拱顶相对于地
面不动点的位移值 对于深埋隧道, 用拱顶变位计
3.3.2 量测仪器 隧道拱顶变位观测计
3.4 地表下沉量测
为了判定地下工程对地面建筑物的影响程度和范围, 并掌握地表沉降规律, 为分析洞室开挖对围岩力学形 态的扰动程度提供信息
地下工程类型
水利: 引水和泄洪隧洞、地下厂房、调压室 （井）、引水长隧洞、地下泵站等
采矿: 竖井、斜井、斜坡道、平巷、采场 交通: 铁路隧洞、地下车站、公路隧洞等 军备: 防空洞、地下军备库、发射井等 民用: 地下商场、地铁、仓库等
监控量测实施流程
现场调查, 收集基本资料
编制监测方案 监测与工程施工关系协调
岩体原岩应力、围岩应力、应变、支护结构的应力、应变 及围岩与支护间的接触应力
（4）压力测试 支撑上的围岩压力和渗水压力
（5）位移测试 围岩位移、支护结构位移及围岩与支护倾斜度
（6）温度测试 岩体温度、洞内温度及气温
（7）物理探测 弹性波（声波）测试和视电阻率测试
围岩松动范围监测孔布置图 (根据北京十三陵蓄能电站厂房观测)
隧洞埋深（m）
围岩
Ⅲ
第6及7章地下工程围岩稳定性分析
第６、7章 地下工程围岩稳定性分析学习指导：本章主要介绍了两部分内容：（一）山岩压力与围岩稳定性分析，（二）有压隧洞稳定性分析。
前部分介绍了围岩应力重分布，地下洞室脆性围岩和塑性围岩的变形破坏形式，影响地下工程岩体稳定的因素，着重介绍了山岩压力与围岩稳定性分析方法，其中包括山岩压力的概念、影响因素，太沙基理论；后部分重点介绍了围岩内附加应力的计算、有压隧洞围岩和衬砌的应力计算。
重 点：1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布2 地下洞室围岩的变形破坏3 地下工程岩体稳定性的影响因素4 洞室围岩稳定性分析6.1 地下洞室开挖引起的围岩应力重分布由于在岩体内开挖洞室，洞室围岩各质点的原有应力的平衡状态就受到破坏，各质点就要产生位移调整，以达到新的平衡位置。
岩体内某个方向原来处于紧张压缩状态，现在可能发生松胀，另一个方向可能反而挤压的程度更大了。
相应地，围岩内的应力大小和主应力方向也发生了改变，这种现象叫做围岩应力重分布。
围岩应力重分布只限于围岩一定范围内，在离洞壁较远的岩体内应力重分布甚微，可以略去不计。
地下开挖引起的围岩变形是有一定规律的。
变形终止时围岩内的应力就是重新分布的应力。
这个重新分布的应力对于评价围岩的稳定性具有重要意义。
为了便于说明起见，我们在这一节中对于最简单的条件(即在连续的均质的各向同性的岩体内开挖圆形隧洞，而且岩体的侧压力系数10=K ，即静水压力式的初始应力状态)下的围岩应力重分布问题，作定性分析，以便对于应力重分布的情况有一概念。
如图6-1所示，设岩体为连续的、均质的以及各向同性的，其侧压力系数为10=K ，亦即岩体的初始应力状态为静水压力式的。
此外，洞室的长度远较横截面的尺寸为大，所以可作为平面应变问题来研究。
在地下开挖以前，岩体内任一点A 的应力，即等于该点的自重应力v p ，而且由于10=K ，所以通过该点任何方向的应力都是v p 。
如果用极坐标来表示该点的应力状态，则该点的应力为：v r p =0σv p =0θσ式中 0r σ 岩体的径向应力；0θσ 岩体的切向应力。
7.1地下工程-概述
静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力-讨论
r增大，σr增大，σθ减小，都渐趋于σ0值。
在理论上， σr ， σθ 要在 r→∞ 处才达到 σ0 值，但实际上 σr ， σθ 趋近于σ0的速度很快，当r=6R0时，σr和σθ与σ0接近。
一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。
p
R0
x
p
1 1 2 2 r 2 r r r 2 2 r 1 1 2 r 2 r r r
2、圆形洞室-柯西课题
边界条件
p
(b R0 ) (b R0 ) (b R0 )
讨论
静水压力式天然应力场中的围岩重分布应力
2 R0 1 2 r 0 r 2 R0 1 2 0 r 0 r
围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0 和σ0有关 由于τrθ=0，则σr，σθ均为主应力，且σθ 恒为最大主应力，σr恒为最小主应力 当r＝R0(洞壁)时，σr=0，σθ=2σ0，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
解析方法 数值方法 试验方法
地下工程稳定 性分析途径
7.2 岩石地下工程围岩应力解析法分析 洞室围岩力学问题
围岩应力重分布问题——计算重分布应力 围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 围岩压力问题——计算围岩压力 有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力
V
h
7.2 岩石地下工程围岩应力解析法分析
2、圆形洞室-柯西课题 •M点的应力分量
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R0
打破平衡
θ
λ=0.25 径向应力
3~5r0
9
λ=0.25
三、地下工程围岩应力
地下工程稳定中的力学概念 本构关系概念： 本构关系概念：在力学范畴内讨论变形的相应关系 基本力学关系 根据材料性质及其工程影响，可分为： 根据材料性质及其工程影响，可分为： 1) 弹性 (线弹性、完全弹性与滞弹性 线弹性、 线弹性 完全弹性与滞弹性) 2) 塑性或弹塑性 (理想弹塑性和弹脆性；具有硬化、软 理想弹塑性和弹脆性； 理想弹塑性和弹脆性 具有硬化、 化性) 化性 3) 粘性 (粘弹性、粘塑性、弹-粘塑性、粘弹塑性) 粘弹性、粘塑性、 粘塑性、粘弹塑性 粘弹性 粘塑性
Ⅲ
中等稳 定岩层
Ⅳ
稳定性 较差岩 层
围岩的稳定时 间仅有几天
页岩、泥岩胶结不 好的砂岩、硬煤
Ⅴ
不稳定 岩层
围岩很容易产 生冒顶片帮
炭质页岩、花斑泥 岩、软质凝灰岩、 6 煤、破碎各类岩石
二、地下工程围岩分类及地下工程类型 地下工程围岩分类及地下工程类型
浅 埋问 题
浅埋地下工程
深
地下工程埋深
深埋地下工程 深埋地 下工程
εr
εθ
u
du u , εθ = dr r 1− µ2 µ (σ r − σθ ) εr = E 1− µ 1− µ 2 µ εθ = (σ θ − σr) E 1− µ
B σθ = A − 2 r B σr = A+ 2 r
σθ
R0
3) 边界条件 边界条件…r=R0，σr=0； ； r=∝，σr=p0…(γZ) ∝ γ 4) 结论 R2 σθ = p 0 (1 ± 2 ) σr r
θ
讨论： 讨论：
1) 当λ=1时，公式和轴对称情况一致； 时 公式和轴对称情况一致；
17
R 02 R 02 R 04 1 1 σ r = (1 + λ ) p 0 (1 − 2 ) − (1 − λ ) p 0 (1 − 4 2 + 3 4 ) cos 2θ r r r 2 2 1 R 02 1 R 04 一般圆形巷道 σ θ = (1 + λ ) p 0 (1 + 2 ) + (1 − λ ) p 0 (1 + 3 4 ) cos 2θ 弹性应力分析 r 2 2 r R 02 R 04 1 τ r θ = (1 − λ ) p 0 (1 + 2 2 − 3 4 ) sin 2θ 2 r r p0 λp0 2) 周边应力（r=R ） ： 周边应力（
岩石地下工程
概述 地下工程围岩分类及地下工程类型 地下工程围岩应力 地下工程围岩体的破坏机理 地下工程支护设计
1
一、概述 岩石地下工程 定义： 定义：
是指在地下岩石中开挖 并临时或永久修建的各 种工程(如地下井巷、 隧道、地下仓库，地下 发电厂，地下飞机库\ 地下核废料存储库等)
2
一、概述－地下工程的特点 概述－
地下工程自身影响 达不到地表的， 达不到地表的，称 为深埋。 为深埋。反之浅埋
7
三、地下工程围岩应力
地下工程围岩稳定定义 地下工程围岩稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需 定义 最小断面得以保证，称为稳定。
地下工程围岩稳 定性可分为两类
围岩内 危险点 的应力 和位移
σ max,Umax
自稳：不需要支护 自稳 围岩自身能保持长 期稳定
平面应 力
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三、地下工程围岩应力
地下工程围岩应力分析： 地下工程围岩应力分析： 轴对称圆形巷道弹性应力分析 一般圆形巷道弹性应力分析 椭圆形巷道弹性应力分析 矩形和其它形状巷道周边弹性应力分析
弹塑性应力分析（轴对称圆巷） 弹塑性应力分析（轴对称圆巷）
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三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道 地下工程围岩应力－
径向应力σr=0, 剪应力 τrθ =0 切向应力 σ θ = (1 + λ ) p 0 + 2(1 − λ ) p 0 cos 2θ 有关，不再轴对称分布。 与θ有关，不再轴对称分布。
0
θ
有最大压应力 当λ<1时， 在巷道横轴位置 θ=00，1800)有最大压应力（集中）； 时 在巷道横轴位置(θ 有最大压应力（集中）； σ = (3λ − 1) p0 有最小应力， 拉应力； 在竖轴位置(θ 有最小应力 可能为拉应力 θ 在竖轴位置 θ =900，2700)有最小应力， 可能为拉应力； （当λ＜1/3时，则出现拉应力； λ越小，越易出现拉应 ＜ 时 则出现拉应力； 越小， 力； λ=0，对稳定最不利 当λ≥ 时，σθ ≥0。） ，对稳定最不利; λ≥1/3时 。） 讨论同上； 当λ>1时，坐标轴转动 0后，讨论同上； 时 坐标轴转动90 可见， 值对洞室周边切向应力分布起着决定性作用(见下页图示 洞室周边切向应力分布起着决定性作用 见下页图示) 可见， λ值对洞室周边切向应力分布起着决定性作用 见下页图示
0
σr θ
P0
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三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道 地下工程围岩应力－
σ
σθ R02 = p0 (1 ± 2 ) σr r
次生应力场 应力重分布结果
p0
σθ
σr r
讨论： 讨论：
1) 次生应力场也是轴对称场 与θ无关 ； 次生应力场也是轴对称场(与 无关)； 2）巷道周边处于单轴受压 σr=0)状态，并有最大 状态， ）巷道周边处于单轴受压(σ 状态 应力集中(σ 应力集中 σθ=2p0，即应力集中系数 k=2 )，且与 ， 巷道半径大小无关； 巷道半径大小无关； 3) 如岩石是弹脆性材料，当σθ=Sc（单轴抗压 P0 如岩石是弹脆性材料， 强度）时巷道周边岩石将发生破坏； 强度）时巷道周边岩石将发生破坏； 4) 新应力场分布和弹性常数 ，υ无关，与相 新应力场分布和弹性常数E， 无关 无关， 对半径的平方(R 相关； 对半径的平方 0/r)2相关；巷道影响范围为 (3~5)R0。
10
三、地下工程围岩应力
地下工程中的一些力学分析特点： 地下工程中的一些力学分析特点： 弹性、塑性(理想塑性) 1) 弹性、塑性(理想塑性)、破碎体 强度条件与破坏条件： 2) 强度条件与破坏条件：具有软化性的不一致性 3) 平面问题的概念及其意义 平面应变与平面应力问题概念， 平面应变与平面应力问题概念，隧道与长巷道 4) 半无限体与无限体问题 地基和浅埋的地下工程， 地基和浅埋的地下工程，深埋的地下工程
共同特点：在岩体内开挖出具 有一定断面和尺寸，在地应力 条件下构筑的洞室。 地下工程周围岩体(围岩)的稳 定性决定着地下工程的安全和 正常使用 。
围岩：应力重分布 围岩 影响范围的岩石
初始应力影响(载荷先于结构 初始应力影响 载荷先于结构) 载荷先于结构 开挖是第一道工序 洞室的几何形状
3
一、概述－地下工程的特点 概述－ 地下工程特点：
1) 基本假设 轴对称条件(圆巷 原岩应力轴对称(静水压力 分布) 圆巷、 静水压力)分布 ♦ 轴对称条件 圆巷、原岩应力轴对称 静水压力 分布 线弹性平面问题条件(长巷道 平面应变)、均质连续、 长巷道(平面应变 ♦ 线弹性平面问题条件 长巷道 平面应变 、均质连续、各 向同性、线弹性围岩体) 向同性、线弹性围岩体 无限体问题条件(深埋 深埋, ♦ 无限体问题条件 深埋 Z＞20R0) p0
Ⅱ
稳定性 较好岩 层
1. 完整，比较坚硬岩层，Rb=40～60MPa 围岩基本稳定， 2. 层状岩层，胶结较好 较长时间不支 胶结好的砂岩、砾 岩、大冶薄层灰岩 3. 坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充填物， 护会出现小块 掉落 Rb>60MPa 1. 完整的中硬岩层，Rb=20～60MPa 2. 层状岩层，以坚硬层为主，夹有少数软岩层 3. 比较坚硬的块状岩层，Rb=40～60MPa 1.较软的完整岩层， Rb<20MPa 2.中硬的层状岩层 3. 中硬的块状岩层，Rb=20～60MPa 1. 易风化潮解剥落的松软岩层 2. 各类破碎岩层 围岩能维持一 页岩、砂质页岩； 个月以上稳定， 粉砂岩，石灰岩； 有时产生局部 硬质凝灰岩 岩块掉落
R0
θ
p0 弹性力学： 弹性力学：轴对称 平面应变圆孔问题
13
三、地下工程围岩应力－轴对称圆形巷道 地下工程围岩应力－
2) 基本方程 dσ r 平衡方程： ♦ 平衡方程： dr 几何方程： ♦ 几何方程： ε r = ♦ 物理方程： 物理方程：
+
σ r −σθ
r
=0
待求：σ r σ θ 待求：
通解
至洞壁处变为零；切向应力愈大， 至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达 愈大 最高值，即产生所谓压应力集中 压应力集中。 最高值，即产生所谓压应力集中。 在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低， 在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低， λP0 有时甚至于在洞壁附近出现拉应力 甚至于在洞壁附近出现拉应力， 有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓 拉应力集中。 拉应力集中。
5
地下工程围岩分类
围岩分类 岩层描述 类别 名称 1. 完整坚硬岩层，Rb>60MPa ，不易风化 2. 层状岩层层间胶结好，无软弱夹层 巷道开掘后围 岩的稳定状态 (3～5m跨度) 围岩稳定，长 期不支护无碎 块掉落现象 岩种举例
Ⅰ
稳定 岩层
完整的玄武岩、石 英质砂岩、奥陶纪 灰岩、茅口灰岩、 大冶厚层灰岩
与地面工程所处环境条件截然不同
a) 地质条件：地质条件不完全清楚；工程涉及范围大 b) 荷载特性：地应力不确定，受结构影响、施工影响； c) 结构特性：受力结构不明确，几何不稳定结构可能与围 岩共同作用稳定 d) 材料特性：岩体非均质、非连续、各向异性、时间效应 e) 施工影响：在荷载不确定下施工，开挖、施工影响围岩 稳定性