10地下洞室围岩稳定性的工程地质分析2012

围岩类型 最小间距
VI
V—IV
III
II
I
>5.0B
（1.5—2.0）B （2.0—2.5）B （2.5—3.0）B （3.5—5.0）B
注: 1.围岩类型根据围岩分类（见《工程地质勘察》）确定， VI为硬岩，依次降低； 2.B为隧道的跨度。
10.3
10.3.1
地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力问题

此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异 性而引起。已被某些测量所验证过的理论计算结果指 出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩层。 10.2.6 相邻洞室的存在对围岩应力的影响 由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在 该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩 应力(主要是压应力)的集中程度增高(图10-14)，对洞室 围岩稳定不利。因此，不同的业务部门规定了不同的 最小安全洞室间距，例如水电部门规定，无压隧洞相 邻洞室的最小间距为1.0-1.3倍洞跨，高压隧洞之间的最 小间距为0.15-0.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线 隧道的最小间距按下表(表10-5)确定。
β
2（a/b）+1 -1
图 10-6 洞 室 周 边 应 力 集 中 系 数


10.2.2.1 拉应力产生的条件
从图10-6中可以看出， (1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不产
生拉应力， (2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主 应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中系数 与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时， σAθ ／ σv 均等 于-1， (3)当0 N 1时，特定洞形有特定的产生拉应力的 临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周 垂直相交的部位．亦即当N ＜l时，最大拉应力出现在A 点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；当 N ＞1时，最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值， 该处所产生的拉应力将愈大。

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 内将是处在一种非均匀的初始应力场中。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 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[如图10-2(a)]，习惯上将此 范围内的岩体称为“围岩”。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， 在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心 处是一样的，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算 都是根据这种假定进行的。
这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始 最大主应力与周边垂直相交的A点，不同条件下这类 洞室周边上的最大拉应力集中系数可据表10-2的资 料概路确定。 从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应 力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。 10.2.3.2 长圆形(圆拱直墙式)洞室 根据光弹试验的资料，图10-9所示断面上各特 征点的切向应力仍可按式10-1求得。图中各特征点 的应力集中系数中α和β值，列于表10-4中。
工程地质分析原理
第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
10.1

基本概念及研究意义
☻为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空 洞室统称为地下洞室，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。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。 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。

10.2.5
围岩特性及不连续面对围岩应力的影响 图10-12表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的 应力分布情况，它表明，当围岩的应力-应变关系具 有非线性特征，或围岩具有较大蠕变特性时，洞室 周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力； 但当远离洞壁一定距离后，岩层内的切向应力则要 大于理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图10-12 中的虚线所示。
表10-6 围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系
围岩类型 岩体结构 变形、破坏形式 张裂塌落 块体状结构 及 厚层状结构 劈裂剥落 剪切滑移及剪 切破碎 岩 中薄层结构 碎裂结构 爆 产生机制 拉应力集中造成的张性破坏 压应力集中造成的压致拉裂 压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂 压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆 性破坏 卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂 压应力集中造成的剪切松动 压应力集中作用下的塑性流动 水分重分布造成的吸水膨胀 压应力作用下的塑流 松散饱水岩体的悬浮塑流 重力作用下的坍塌

10.2.3
其它形状洞室周边应力集中的一般规律 10.2.2.1 方形--矩形洞室 图10-7及图10-8表明，方形--矩形洞室周边上最 大压应力集中均产生于角点上，而且这些角点上的 最大压应力集中系数随洞室宽高比(B／H）的不同 而变化，在不同的应力场中(N值不同时)，大体上都 是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系 数为最低，随着宽高比的增大或减小，洞室角点上 的最大压应力集中系数则线性或近似于线性增大。 不同条件下方形--矩形洞室角点上的最大压应力 集中系数值，可根据图10-7、图10-8及表10-3的资料 概略确定。


A点 B点 C点 D点 E点 F点
α -1 -0.84 2.18 2.26 3.20 -1
表 10-4 β 4 1.21 -1.08 -0.98 3.40 2.72
根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类 洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E 点，但当N值大于7以后，周边上的最大压应力集中 则出现在洞室的顶拱A点处。 最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直 相交的边上。故在N＜1的应力场中，随着N值的降 低，拉应力首先出现在洞底的中点F处，其产生拉 应力的N值条件为N0.39，随着N值的进一步降低， F点处的拉应力逐渐增大，当N降至小于0.25时，洞 室顶拱的中点A点处也开始产生拉应力；在N＞1的 应力场中，最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交 界点c处，其出现拉应力的N值条件为N＞2.1。
围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部
的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进 一步恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩 表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造 成很大的山压。 围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩 体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围 岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现 将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结 构之间的关系列于表10-6。

10.2
10.2.1
地下开挖后围岩应力的重分布
围岩应力重分布的一般特点
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 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) 和水平正应力 来表示： σv=σv0+γh σh=N σv 式中：σv0值可以是零，也可以是常数
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 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。 为了保证地下建筑符合多快好省的原则，必须 了解和掌握地下洞室围岩的应力状态、变形破坏机 制和分析评价围岩稳定性的原理，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 的各类问题与其形状间的近似定量关系 根据森维南原理可知，洞室周边的应力状态， 只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的 控制。在如图10-10所示的特例条件下，洞室周边特 定点A、B处的应力与其形态间有如下定量关系： （点A、B 的位置与前述图的位置相反）
上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径 呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际上， 利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室周边与 主应力垂直相交两点(即A、B点)处的周边应力。例 如，在图10-11所示的情况下，只要先求出A、B两点 处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点的周边 应力。A点的曲率半径可直接从图中求出，B点的曲 率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径计算。按 上述方法求得的周边应力分别为：σA＝3.96P，σB ＝ -0.17P，与据边界元法求得的数据（σA＝3.60P ， σB ＝-0.17P)十分接近。可见，这种简易的近似计算完 全能满足工程设计的精度要求。
图10-13表示地下洞室附近断层等不连续面的存 在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有 一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带 内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作 用[如图10-13(b)]，从而使断层面上产生剪应力[如 图10-13(c)]。如果这种剪应力的数值大于断层泥或 断层角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发 生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层 时减小了一些，由于这种原因，在洞室和断层之间 的狭窄地带往往产生很高的应力集中，使该区围岩 的稳定条件大为恶化。
围岩应力重分布的主要特征是：
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(如图10-3中的X轴方位)，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(如图10-3中z轴方 位)。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由 表面愈增大，至洞室周边达最大值 。
根据弹性理论，圆--椭圆形地下洞室周边A、B 两点的切向应力可根据下式求得： σθ ＝ σv(α+βN） (10-1)

式中：
A点和B点的α和β 值列于下表(表10-1)，符号见 图10-4。

(α+βN）称为应力集中系数（= σθ / σv ）。
表10-1
α
A点 B点 -1 2（b/a)+1
10.2.2.2 最大压应力集中的规律 图10-6表明： 当b／a＝N时，周边上不产生拉应力，且各点的 压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不 同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系 数中的最小值，故稳定条件最好。 当b／a＞N时，最大压应力集中产生于B点，且 其应力集中系数随两者差值的增大而增大。 当b／a ＜N时，最大压应力集中产生于A点，且 两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。 不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可 据式(10-1)或图10-6求得。
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。一般说来，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，而 后逐步向围岩内部发展的。 其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内 的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新调整，通 常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩 体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带，如图 10-15所示的水静应力场中(N＝1)圆形隧洞周围的三个应 力带就是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。

10.2.2
圆--椭圆形洞室周边压力集中的一般规律
对于圆形---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 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A、B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 状态(如图10-4、10-5)。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 应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中 的一般规律。