第七章 有压隧洞围岩的应力与稳定性
隧道开挖围岩稳定性分析
隧道开挖围岩稳定性分析摘要：我国西部地区地质条件复杂，存在岩溶、高地应力等复杂地质体。
隧道穿越这些复杂地质构造时，会产生严重的变形破坏。
如果处理不当，可能造成重大事故，造成人员和财产损失。
在开挖过程中，不同的开挖方法对隧道围岩的影响也会不同，导致隧道围岩应力重分布的差异很大。
围岩应力应变随开挖断面的变化而变化。
目前，对围岩稳定性的判断方法主要有理论分析、工程类比和数值分析，其中数值分析法是最适合分析隧道施工的方法。
关键词：隧道开挖；围岩；稳定性1地形地貌隧道高程93.05m～640.1m，相对高差547.05m，地层岩性主要为中侏罗统自流井组（J2Z）和沙溪庙组、下侏罗统和上三叠统香溪组（t3-j1x）。
岩性为砂岩、泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，含薄层炭质页岩、炭质泥岩。
2软弱岩群稳定性2.1软岩地层工程地质特征单轴抗压强度小于30MPa的岩层称为软岩。
软岩地层具有强度低、孔隙率低、胶结程度高、受构造面切割和风化影响大等特点。
在隧道围岩压力的作用下，工程岩体具有明显的变形。
软岩隧道围岩具有强度低、结构软弱、易吸水膨胀等特点，隧道围岩变形较大。
2.2软岩地层围岩变形分析对于围岩是否会发生较大变形及变形量，支护压力和地应力作用下隧道围岩相对变形及掌子面变形预测公式如下：式中:εt一一隧道径向相对变形，指径向挤压变形量和隧道半径或者跨度之比;εf一一隧道掌子面相对变形，指掌子面挤压变形量和隧道半径或者跨度之比;σcm一一岩体单轴抗压强度;σci一一岩石单轴抗压强度;Pi一一支护压力;Po一一隧道中的原岩应力，取3σ1–σ3，即σmax。
3坚硬岩组围岩稳定性分析根据切向应力准则，将围岩的切向应力(σo)与岩石的抗压强度(σc)之比作为判断有无岩爆及发生岩爆等级划分原则，结果表明:σo/σc<0.30一一一一一一一一一一一无岩爆σo/σc介于0.30～50一一一一一一一轻微岩爆σo/σc介于0.50～0.70一一一一一一中等岩爆σo/σc>0.70一一一一一一一一一一一强烈岩爆由于地下洞室的开挖，原地应力状态将受到一定程度的扰动，在洞壁及其一定深度范围形成应力的二次分布和应力集中。
浅谈水利工程山岩压力与洞室围岩的稳定性
低的岩石由于应力达到强度的极限值 护和衬砌时考虑的山岩压力值远远大
而可能破坏，产生裂缝或剪切位移， 于实际所产生的数值，则设计出来的
破坏了的岩石在重力作用下甚至大量 支护或衬砌的尺寸必然过大，这就浪
塌落，造成所谓“冒顶”现象，特别 费了国家建设极为宝贵的木材、水泥
是节理、裂隙等软弱结构面发育的岩 及钢材，也浪费了人力。反之，所考
（三） 在破碎和软弱岩石中，由 于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围 岩应力超过岩体强度很多。在这类岩 石中，坍落和松动是产生山岩压力的 主要因素，而松动压力是主要的山岩 压力。当没有支护或衬砌时，岩石的 破坏范围可能逐渐扩大发展，故需要 立即进行支护或衬砌，支护或衬砌的 作用主要是支承坍落岩块的重量，并 阻止岩体继续变形、松动和破坏。
技术服务
浅
谈 水 利 工 程 山 岩 压 力
洞 室 围 岩 的 稳 定 性
与
· 40 ·
□
在岩体内开挖洞室以后，岩体的 压力的大小，探求其变化规律和特
原始平衡状态被破坏，发生应力重分 点，对于地下工程、水工隧洞、采
布。随着应力的重分布，围岩不断变 矿、交通隧道、战备工程等工程建设
形并向着洞室逐渐位移。一些强度较 都具有重要的意义。例如，若设计支
好、地质条件简单的情况下可不需进
多年来，各国岩石力学工作者对
行支护与衬砌；而另一些情况是非进 于山岩压力的计算进行了一系列的研
行支护与衬砌不可的。因此，在进行 究，建立了各种理论。但尽管如此，
地下洞室设计和施工时，工程技术人 到目前为止这一问题还是没有得到圆
员和地质人员必须进行围岩的稳定分 满的解决。这是因为山岩压力不仅与
（二） 在中等质量的岩石中，洞 室围岩的变形较大，不仅有弹性变 形，而且还有塑性变形和少量岩石破 碎。由于洞室围岩的应力重分布需要 一定的时间，所以在进行支护或衬砌 以后围岩的变形受到支护或衬砌的约 束，于是就产生山岩压力。因此支护 的浇筑时间和结构刚度对山岩压力影 响较大。在这类岩石中，山岩压力主 要是由较大的变形所引起，岩石的松 动坍落甚小，这类岩石中主要是产生 “变形压力”。
第七章 有压隧洞围岩的应力与稳定性
主要内容
第一节 概述 第二节 围岩内附加应力的计算 第三节 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算 第四节 有压隧洞围岩最小覆盖层厚度确定
第一节 概述
一.水电工程隧洞的特点 水工隧洞是水利枢纽中的重要输水建筑物，它的作 用是向下游灌区或电站输水，配合溢洪道渲泄洪水 或配合施工进行导流，因此水工隧洞一般都有过水 要求。 根无据压水隧流洞条：件当的洞不顶同高分出为水两面类一：定距离，以保证洞内
二. 围岩和衬砌的应力计算方法（内压力分配法） 砼衬砌的内半径为a，外半径b。如果隧洞内受到内 水压力P，则荷载Pb=λP通过砼衬砌传递到岩石上去。 λ称内压力分配系数。
pb
2a2 (m1 1)(m1 1)m2 E2
p m12 (m2 1)(b2 a2 ) m2 E2 (m1 1)[(m1 2)b2 m1a2 ]
覆盖层的厚薄是关系到有压隧洞能否正常运行的主要 因素之一。当内水压力为一定时，究竟采用多厚的覆盖层 为宜，必须通过计算才能合理选择。
二. 覆盖比 洞顶围岩岩柱的重量应等于洞内内水压力的上抬力， 这样围岩就不会产生拉应力而保持稳定。
h=FsP/γ Fs=1-5 覆盖层最度与内水压力水柱高度之比称为覆盖比。 覆盖比h/（P/γw）＞1 ，围岩保证稳定。 三. 叶格尔方法 1.坚硬无裂缝岩石
p
b r
2 2
(a2 (b 2
r a
2 2
) )
p
有裂隙砼衬砌:传到岩石上的压力Pb=a/bp
岩石表面处的应力是:
r
a b
p
a b
p
有裂隙围岩，其深度为d。围岩内应力： r
ad r2
p
ad r2
p
洞室围岩稳定性
第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析第一节围岩应力的重分布一、岩体初始应力状态——地应力地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。
地应力的类型：自重应力构造应力变异及其他应力二、围岩应力的重分布特征（一）围岩应力：洞室周围发生应力重分布的这部分岩体叫围岩围岩中重分布的应力状态叫围岩应力（二）地下洞室围岩应力重分布特征1、圆形洞侧压力系数λ=1径向应力向洞壁内方向逐渐增大切向应力在洞壁处为2倍的自重应力，但向洞壁内逐渐减小，到5-6倍洞半径时径向应力=切向应力=自重应力即围岩应力重分布影响范围是6倍的洞半径2、圆形洞λ不等于1洞壁受剪应力最大3、其他形状洞室洞顶、洞底容易出现拉应力，转角处剪应力最大洞室高、宽对围岩应力影响最大三、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。
在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。
此圈之外为初始应力区。
第二节围岩的变形破坏的特征1、坚硬完整结构：岩爆、开裂2．块断结构：块体滑移、掉块3、层状结构岩体：层面张裂、岩层弯曲折断4、碎裂结构、散体结构岩体以塌方、塑性挤入为主第三节地下工程位置选择的工程地质评价一、地形条件1、在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。
2、隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。
3、洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。
4、隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段5、水工隧洞避免曲线或弯道，转弯角度大于60°，曲率半径大于5倍洞径。
二、岩性条件坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。
而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。
地下洞室围岩的稳定性问题
由于地下洞室的开挖破坏了 岩土体中原有的应力状态（一次 应力状态），造成应力重分布 （二次重分布应力）。
1.1围岩应力的重分布
2.围岩与围岩压力 围岩是指地下洞室开挖后发生应力重分布的洞周围的
土体。洞室开挖后，为保证洞室的稳定需要经常进行支护 和衬砌，洞室支护和衬砌结构上必然受到围岩变形和破坏 的岩土体的压力，这种由于围岩的变形与破坏而作用于支 护和衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力按其形成方 式主要有以下几种：
（3）冲击压力。冲击压力也 称“岩爆”，当建筑物埋深较大 ，或由于构造作用使初始应力很 高，开挖后洞体应力超过了围岩 的弹性界限时，这些能量突然释 放所产生的巨大压力，称为冲击 压力。
（4）膨胀压力。某些岩土体 由于遇水后体积膨胀而产生膨胀 压力。膨胀压力的大小取决于岩 土体的物理力学性质和地下水的 活动特征。
1.2地下洞室围岩的变形与破坏
（4）弯折内鼓。在薄层脆性 围岩中，当卸荷回弹或切向压应 力超过薄层岩层的抗弯强度时， 岩体变形、破坏将主要表现为层 状岩层以弯折内鼓的方式破坏。
当以垂直应力为主时，水平 岩层在洞顶易产生弯折；当以水 平应力为主时，竖直岩层在洞壁 易产生弯折。
Hale Waihona Puke 在卸荷回弹造成的破坏中， 破坏主要发生在地应力较高的岩 体内（如深埋洞室或水平应力高 的洞室），并且总是在与岩体内 初始最大应力垂直相交的洞壁上 表现最强烈。
（1）松动压力。松动压力也称“散体压力”，指由 于围岩松动或坍塌的岩土体以重力形式作用在支护结构 上的压力。
1.1围岩应力的重分布
（2）变形压力。变形压力是 指支护结构为抵抗围岩变形而承受 的压力。围岩变形是时间的函数， 变形压力与围岩变形和支护结构有 关，所以变形压力是时间和支护结 构特征的函数。洞室开挖后，一定 的支护结构应有一个合理的支护时 间；若同一支护时间采用不同的支 护结构，则变形压力也不同，一般 支护结构柔性越好，变形压力就越 小。
隧道工程中的岩层稳定性分析
隧道工程中的岩层稳定性分析隧道工程是一项复杂而重要的工程，对岩层稳定性的分析是确保隧道安全建设的关键。
本文将介绍隧道工程中岩层稳定性的分析方法和技术。
一、隧道工程中的岩层稳定性分析概述在隧道施工过程中，岩层的稳定性是一个至关重要的问题。
如果岩层不稳定，就可能导致洞穴塌方、地质灾害等严重后果。
因此，进行岩层稳定性分析是隧道工程的基本要求之一。
二、岩层稳定性的评估指标1. 地应力地应力是岩层稳定性分析的一个重要参数。
通过测量地应力大小和变化趋势，可以判断岩层的稳定性状况。
2. 岩石力学参数岩石力学参数包括岩石的抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
通过测试这些参数，可以确定岩层的稳定性。
3. 水文地质参数水文地质参数包括地下水位、渗透性和含水量等。
这些参数的变化对地下岩层的稳定性具有重要影响。
三、岩层稳定性分析方法1. 数值模拟方法数值模拟方法是一种常用的岩层稳定性分析方法。
它通过借助计算机软件，对隧道工程中的岩层进行模拟和分析，可以预测岩层的变形和破坏情况，评估其稳定性。
2. 统计方法统计方法是通过统计大量实测数据和观测数据，来确定岩层的稳定性。
通过对数据的分析和比对，可以判断岩层是否处于稳定状态。
3. 实地勘察方法实地勘察方法是一种直接观察和测量隧道工程现场的方法。
通过对岩层的实地勘察和监测，可以了解岩层的实际情况，进而评估其稳定性。
四、岩层稳定性分析技术1. 地面测量技术地面测量技术是一种非常重要的岩层稳定性分析技术。
通过使用测量仪器，如全站仪、测距仪等，可以获得隧道工程现场的地形、地貌等数据，用于稳定性的分析。
2. 地球物理勘探技术地球物理勘探技术是通过使用地震波、电磁波等物理信号，对岩层的内部结构和性质进行探测的技术。
通过对地下岩层的勘探，可以获取到岩层的相关参数，用于岩层稳定性的分析。
3. 遥感技术遥感技术是一种通过卫星遥感图像、航空照片等数据，对隧道工程附近的地貌、岩层等进行分析的技术。
通过借助遥感技术，可以获取到大范围的岩层信息，进而对岩层的稳定性进行评估。
地下工程围岩稳定性分析概要
各种 断面 形状 的洞 体应 力状 态比 较
二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力
洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围 岩强度之间的关系。
如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。 否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。 围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展， 形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。 在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向 深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧 密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。
围岩失稳机制及破坏形式
围岩变形破坏的常见形式
2．块体滑移
块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。 这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体 滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决 于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度 及是否夹泥等。
坚硬岩体中的块体滑移
块 状 结 构 岩 体 的 块 体 滑 移
洞 室 围 岩 应 力 重 分 布 对 比 图
第三节 围岩稳定的工程地质分析
一、围岩稳定的概念 围岩稳定是指在一定时间内，在一定的地质力
和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。围岩在压 应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断：
1.围岩的抗压强度和抗拉强度是否适 应围岩应力。（公式略）
2.围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪 应力。 （公式略）
三 类 典 型 的 分 离 体
3．层状弯折和拱曲
岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的 主要形式。
平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时， 顶板容易下沉弯曲折断。
在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时， 顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆 倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。
在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力 与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。
地下硐室围岩应力计算及稳定性分析
b
a
x
r 0, r 0
(1 m )2s2 i(n ) s2 in m 2c2 os
p 0
s2 in m 2c2 os
式中：
m——y轴上的半轴b与x轴上的半轴a的比值，即 m＝b/a；
θ——洞壁上任意一点M与椭圆形中心的连线与x轴的夹角； β——荷载p0作用线与x轴的夹角； p0——外荷载。
s 2 i m n 2 c 2os
r r 0
r r 0
(3-8)
p m ( m 2 ) c 2 o s 2 s i n p ( 2 m 1 ) s 2 i m n 2 c 2o s
s 2 i m n 2 c 2os
2p
(3-6)
当r→∞时，坑道原岩应力为：
r p p r 0
(3-7)
圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的3－5倍。
几何模型
物理模型
圆形巷道周围sigmaYY等值线图
User Data - Sigma YY
User Data
40 35 30 25 20 15 10
mb p
将上式代入（3-8）：
p m ( m 2 ) c 2 o s 2 s i n p ( 2 m 1 ) s 2 i m n 2 c 2o s
s 2 i m n 2 c 2os
p 1( 12)co 2s ssi2in 2n ( 1 )(2 2 c o 2 1 )ssi2n( 1)2co 2s
要求
1、掌握本课程重点难点内容； 2、掌握圆形坑道围岩应力分布规律； 3、了解椭圆形、矩形坑道周边应力分布； 4、掌握有内压圆形坑道围岩与衬砌的应力计算 5、了解塑性区半径、松弛区半径及围岩位移的计算公式； 6、了解岩体构造对井壁稳定性的影响； 7、掌握井壁压力的平面挡土墙计算方法； 8、了解井壁压力空心圆柱体挡土墙计算方法。
第七章 有压隧洞围岩的应力与稳定性
N
kb(1 1 ) E1
r
b2 1 N 2 [1 N (1 2 1 )] r P 2 2 N [t (1 2 1 ) 1] (t 1) b2 1 N 2 [1 N (1 2 1 )] r P 2 2 N [t (1 2 1 ) 1] (t 1)
前面导出的有关围岩公式都是在岩石为弹性条 件下导出的，实际多少岩石有粘弹性，由于存在蠕 变影响，导致衬砌上的荷载不断增长，由于衬砌与 岩石接触点的应力随时间变化，则围岩与衬砌内的 应力也将随时间而变化。
第五节
有压隧洞围岩最小覆盖层厚度问题
一、基本方法
a2 P [h (r a)] 2 r
无压隧洞
有压隧洞
山岩压力，外水压力。
山岩压力，外水压力，内水压力或气压力。
第二节
围岩内附加应力（内水压力）的计算
一、厚壁圆筒理论
切向应变 径向应变
＝
r
dr du dr du ＝ dr dr
2 π （ r＋u） 2 π r u 2 π r r
广义虎克定律
r
1 2 ( ) r E 1
使围岩稳定而需的覆盖层厚度 考虑一个安全系数 Fs
h Fs
h
P
P
覆盖层厚度 h 覆盖比＝ ＝ 内水压力水柱高度 P
要求
h P
w
w
1
即可满足围岩稳定
二、叶格尔方法 1、坚硬、无缝隙的岩石
H 0.77 Pa
3
2
2、裂缝岩石 3、塑性岩石
第7章 有压隧洞围岩应力与稳定性 水电工程地质岩体力学课件 ppt
r r 2 2 t 2 b 2 1 tt 2 2 r 2 1 r b 2 2t2 1 2 N N t 1 2 1 1 2 1 1 p
ar2dp
7.3 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算
• 有裂隙混凝土衬砌
如果混凝土衬砌在半径方向有均匀的裂隙， 那么，传到岩石上的压力可假定与衬砌内 半径成正比，与外半径成反比，即
a pb b p
在岩石表面处的应力是
r
a b
p
a b
p
7.3 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算
•Hale Waihona Puke 有裂隙围岩r pad2 d r2
adp r2
第7章
有压隧洞围岩应力与稳定性
岩石力学课程组 华北水利水电学院
7.2 围岩内的附加应力
• 厚壁圆筒理论
u 1 E 1 r 2 t2 r 2 1 b 2p a b 2 r 1 t 22 1 t2 r2p b
7.2 围岩内的附加应力
• 有压隧洞围岩的附加应力
r
a2 r2
p
a2 r2
p
7.3 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算
• 无裂隙围岩 (1)内压力分配法
p p b m 1 2 E 1 m 2 1 m 2 2 2 a 2 b m 2 1 a 1 2 m m 1 2 2 E 2 2 m m 2 2 1 E 2 1 m 1 2 b 2 a 2
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。
隧道施工中的围岩稳定性分析与处理
隧道施工中的围岩稳定性分析与处理隧道施工是一项复杂而又具有挑战性的工程，而隧道围岩的稳定性是确保隧道施工顺利进行的关键。
本文将从围岩的性质和特点、围岩稳定性分析方法以及围岩处理方法等方面探讨隧道施工中的围岩稳定性问题。
围岩的性质和特点对于隧道施工的稳定性至关重要。
围岩由各种类型的岩层组成，例如花岗岩、辉石岩等。
这些岩层具有不同的物理和力学性质，如硬度、强度、稳定性等。
此外，围岩的结构也非常复杂，其中可能存在节理、褶皱、断层等地质构造。
这些特点决定了围岩在隧道施工中的行为和稳定性。
在隧道施工前，我们需要进行围岩稳定性分析，以了解围岩的性质和行为，为施工提供科学的依据。
其中一种常用的方法是岩体分类。
通过对围岩性质进行调查和实验，我们可以将围岩划分成不同的等级，例如稳定等级、控制等级等。
这可以帮助我们确定需要采取的措施以及施工中可能面临的风险。
另一种常用的方法是地质雷达探测。
地质雷达可以通过发送无线电波，并测量其反射信号来探测围岩内的隐蔽结构和裂缝。
这可以帮助我们了解围岩的内部情况，以及可能的不稳定因素，如地下水位、断层、岩石裂缝等。
通过这些信息，我们可以更好地预测围岩可能面临的挑战和风险。
一旦了解了围岩的特点和施工中可能遇到的问题，我们可以采取相应的围岩处理方法来保证施工的安全和稳定。
例如，在围岩较为稳定的情况下，我们可以选择使用钻孔爆破的方法，通过控制爆破的强度和方向来破坏围岩，提供施工的空间。
在围岩较不稳定的情况下，我们可以选择使用支护技术，例如喷射混凝土、锚杆以及岩锚等。
这些措施可以增强围岩的稳定性，并防止围岩的坍塌和塌方。
此外，我们还可以采用地下水控制技术来处理围岩稳定性问题。
地下水是围岩稳定性的重要因素之一，过高的地下水位有可能导致围岩变软和溶解。
通过合适的排水和防水措施，我们可以有效地控制地下水位，从而降低围岩的水分含量，提高围岩的稳定性。
总之，隧道施工中的围岩稳定性是一项复杂而又重要的问题。
第七章 有压隧洞围岩的应力与稳定性
pb p
λ －内压力分配系数
紧贴，没有 缝隙
内压力分配系数λ ，可根据厚壁圆筒理论推导而得：
pb 2a 2 (m1 1)(m1 1)m2 E2 2 p m1 E1 (m2 1)(b 2 a 2 ) m2 E2 (m1 1)[(m1 2)b 2 m1a 2 ]
H 3 0.77 pa2
p－－内水压力，Kpa a－－隧洞半径，m
（m）
h H a
（二）有裂缝的岩石
H 0.257pa
p－－内水压力，Kpa
（m）
a－－隧洞半径，m
h H a
（三）塑性岩石 如粘土类岩石，如图：
覆盖层厚度可根据限制塑性区范围大小 的方法来决定。
弹性区
H 3ae
隧洞开挖后引起围岩的重分布应力 为（假定K0＝1）：
a2 r 1 2 p0 r
a2 1 2 p0 r
按上述思想计算比较复杂，实际计算时需作 一些假定：
假定：围岩只有自重应力场，而且只要 岩体内出现拉应力则就是危险状态。
侧向自重应力 （压应力）
p h
即：洞顶围岩岩柱的重量大于或等于内水压 力的上抬力时，围岩不会产生拉应力区而保 持稳定。 则最小覆盖层厚度为：
h
p
附加应力 （拉应力）
侧向自重应力 （压应力）
考虑一定的安全系数Fs，则：
h Fs
Fs＝1～5
p
附加应力 （拉应力）
二、叶格尔法 应当考虑岩石的性质和强度，采用不同的公式。把岩石分为三种 类型进行考虑： （一）坚硬无裂缝的岩石 可用均质弹性体的公式来计算：
隧道围岩稳定性理论、设计、施工技术
实验结果
破坏荷载 试件名称 试件形式
绝对（吨） 相对 绝对（mm） 相对
5.0吨荷载时拱中挠度
块状围岩性
7.3
1
9
1
砂浆锚杆支护
50.7
6.95
1.2
1/7.5
喷混凝土支护
70.1
9.6
0.4
1/22.5
喷射混凝土和锚杆联合支护的作用
2.土质隧道 2.1 砂浆锚杆在土质隧道中的支护作用 黄土有垂直节理、构造斜节理和层，某些土体也有一些裂隙和层面，全长粘结砂 浆锚杆可以将它们加固，将土块连接；系统的砂浆锚杆能将砂浆、土体改性，增 加其整体强度。 现场试验证明了砂浆锚杆都在土质隧道中的支护作用
永久衬砌包括初期支护和二次衬砌，实际上二次衬砌可以是模筑混 凝土，也可以是喷射混凝土，也可以是砌块或拼装式结构。模筑衬砌和砌 块、拼装结构等，在中间有防水板时，与喷射混凝土之间没有粘结性，没 有切向摩阻力。
喷射混凝土和锚杆联合支护的作用
开挖分部 喷锚支护的一个主要特点是初期支护作为永久衬砌的一部分，这 是避免围岩在分部开挖时受二次扰动的重要优点。因此，应当尽量减少 分部的数目。小导坑扩大，实际上不是安全的办法，全断面和正台阶是 比较好的形式。非在不得已时，不应用侧壁导坑。侧壁导坑法较安全， 但是分部多，工序繁杂，还要破坏掉侧壁导坑的内侧初期支护。 在软弱围岩中，要及时封闭仰拱，形成完整、封闭的支护结构。 许多隧道在软弱围岩中，施工时变形（位移）不止，及时做仰拱后，都 能抑制变形发展。量测资料表明，变形不止的隧道段，主要是由于边墙 和拱脚不断内挤。仰拱施作后，首先抑制拱脚的内挤。正台阶法施工时， 上导坑不应拖的太长。
钻孔围岩应力及稳定性
B
Z
在正常条件下 P =1。如果 P >1.2，则为异常 高层压。遇到异常高压层的或然率随钻进深度加大而 增加。异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区。 异常高层压广泛分布于构造活动剧烈的地区
' C
' C
井底的压力为 PD=Y1·Z十Py±∆P 十 ±
Y1--冲洗液比重； 冲洗液比重； 冲洗液比重 Py--井口液体压力 在伴随压力钻进时 ； 井口液体压力(在伴随压力钻进时 井口液体压力 在伴随压力钻进时)； ∆P--由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值(洗井泵压力， 由于工艺原因而产生的井口压力波动值 洗井泵压力 提升或下降钻具时井内压力的变化) 提升或下降钻具时井内压力的变化
一、水平井的井眼净化 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 水平井井眼净化不好会导致摩阻和扭矩增加、 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下， 卡钻等事故。在一定的岩屑浓度下，流速变化可能 呈现不同的流动状态： 最高流速（紊流状态） 呈现不同的流动状态：①最高流速（紊流状态）下 岩屑均匀悬浮； 流速降低， 岩屑均匀悬浮；②流速降低，环空下部大颗粒岩屑 较多，呈非均匀悬浮； 在某一流速下， 较多，呈非均匀悬浮；③在某一流速下，全部岩屑 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； 冲击管壁，岩屑堆积于管底，形成连续的移动床； ④流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动，而使 流速进一步降低，床层底部颗粒基本不动， 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。 床层增厚，有效断面减小，称为固定岩屑床。
四、水平井的防漏堵漏 由于水平井钻井液循环当量密度远高于相同垂 深的直井，加之井眼净化困难， 深的直井，加之井眼净化困难，容易发生开泵蹩漏 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧， 地层；加入的堵漏剂极易被沉积在井眼的下侧，无 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 法封堵井眼上侧地层，为此，应增加堵漏材料加量。 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 150— 如采用桥接堵漏，堵漏材料的加量应大于150 并提高堵漏浆液的粘度和动切力， 200kg/m3，并提高堵漏浆液的粘度和动切力，增强 携带堵漏材料的能力。 携带堵漏材料的能力。
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σr=b2/r2 Pb=0.61MPa
σθ=-b2/r2 Pb=-0.61MPa
二. 围岩和衬砌的应力计算方法（内压力分配法） 砼衬砌的内半径为a，外半径b。如果隧洞内受到内 水压力P，则荷载Pb=λP通过砼衬砌传递到岩石上去。 λ称内压力分配系数。
2
b p 2 r
2
泊松数为泊松比的倒数。
P
b a
衬砌内任何点的应力：
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) r 2 2 2 p 2 2 2 p r (b a ) r (b a )
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) 2 2 2 p 2 2 2 p r (b a ) r (b a )
根据水流条件的不同分为两类： 无压隧洞：当洞顶高出水面一定距离，以保证洞内
空气畅通，使 洞内水流处于明流状态，
是无压的。断面可做成马蹄 或其它形状。
有压隧洞：全洞处于压力流状态。采用圆形。
二. 有压隧洞围岩受力的特点
有压隧洞最大的特点是其要承受来自于隧洞内部水
（气，油）内压力，其围岩的应力是不断变化的，其过 程比较复杂。 ☼☼由于地下开挖，引起了围岩应力的重新分布； ☼☼运行期，隧洞充水（或高压气、油等），内压力又使 围岩产生应力，即附加应力，附加应力叠加至重分布应 力上去，使围岩总的应力发生改变；
第四节 有压隧洞围岩最小覆盖层厚度确定
一. 最小覆盖层厚度 有压隧洞在内水压力作用下，隧洞顶部围岩承受着 方向向上的上托力，对于高压输水隧洞（水压 0.98MPa)，这种上托力尤为显著。当托力达到或超过
上覆岩体的自重力及抗破坏极限强度之和时，隧洞覆盖
层就会被掀起，围岩破坏。为了使覆盖层免遭掀起，并 且有足够的安全储备前提下，隧洞上覆岩层的厚度称之
pb 2a 2 (m1 1)(m1 1)m2 E2 p m12 (m2 1)(b 2 a 2 ) m2 E2 (m1 1)[(m1 2)b 2 m1a 2 ]
m1，E1，m2，E2分别为为衬砌和 无裂隙围岩内的任何点的应力： 岩石的泊松数和弹性模量。
b r 2 p r
有裂隙砼衬砌:传到岩石上的压力Pb=a/bp岩石表面处的应力是:源自 a p a p b b
r 有裂隙围岩，其深度为d。围岩内应力：
ad ad p p 2 2 r r
某有压隧洞的内水压力为3MPa，隧洞半径2.5m用厚度为
0.5m的砼衬砌，衬砌传给围岩的压力为1.69MPa。求内压
为隧洞围岩的最小覆盖层厚度。
覆盖层的厚薄是关系到有压隧洞能否正常运行的主 要因素之一。当内水压力为一定时，究竟采用多厚的覆
盖层为宜，必须通过计算才能合理选择。
二. 覆盖比 洞顶围岩岩柱的重量应等于洞内内水压力的上抬力， 这样围岩就不会产生拉应力而保持稳定。 h=FsP/γ Fs=1-5 覆盖层最度与内水压力水柱高度之比称为覆盖比。
厚壁圆筒受力图
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) 2 2 2 pa 2 2 2 p b r (b a ) r (b a )
求B，C时，如令r=a时，σr=Pa=P， r=∞时，σr=Pb=0
a2 a2 得到有压隧洞围岩的附加应力： r 2 p r 2 p r
一.水工隧洞常设衬砌，衬砌的主要作用
⑴承受围岩压力和外水压力，以阻止围岩向洞内滑动与 塌落； ⑵承受内水压力； ⑶封闭洞壁岩石的裂隙，以防渗漏和免除水及空气对围
岩的破坏作用；
⑷减少洞壁的粗糙度，便于水等更好的流通。
二. 围岩和衬砌的应力计算方法（内压力分配法） 砼衬砌的内半径为a，外半径b。如果隧洞内受到内 水压力P，则荷载Pb=λP通过砼衬砌传递到岩石上去。 λ称内压力分配系数。
第七章 有压隧洞围岩的应力与稳定性
主要内容
第一节 概述 第二节 围岩内附加应力的计算
第三节 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算
第四节 有压隧洞围岩最小覆盖层厚度确定
第一节 概述
一.水电工程隧洞的特点
水工隧洞是水利枢纽中的重要输水建筑物，它的作 用是向下游灌区或电站输水，配合溢洪道渲泄洪水 或配合施工进行导流，因此水工隧洞一般都有过水 要求。
pb 2a 2 (m1 1)(m1 1)m2 E2 p m12 (m2 1)(b 2 a 2 ) m2 E2 (m1 1)[(m1 2)b 2 m1a 2 ]
m1，E1，m2，E2分别为为衬砌和 无裂隙围岩内的任何点的应力： 岩石的泊松数和弹性模量。
b r 2 p r
r2
当厚壁圆筒受到内压Pa，外压Pb的作用时， 据r=a时，σr=Pa， r=b时，σr=Pb 求得： B
pb b 2 p a a 2 b2 a2
C pb p a 2 2 b a b2 a2
b
Pb
Pa
a
管壁内任一点的径向和切向应力分别为：
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) r 2 2 2 pa 2 2 2 pb r (b a ) r (b a )
2
b p 2 r
2
泊松数为泊松比的倒数。
P
b a
衬砌内任何点的应力：
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) r 2 2 2 p 2 2 2 p r (b a ) r (b a )
a 2 (b 2 r 2 ) b 2 (a 2 r 2 ) 2 2 2 p 2 2 2 p r (b a ) r (b a )
（1）当r=6a时，附加应力很小，可以忽略不计。 （2）内水压力使围岩产生的切向应力σθ是拉应力， 当其超过岩体的抗拉强度时岩石要发生开裂。 故有压隧洞中常见到新形成的，平行洞轴线呈放射 状的裂缝。 （3）需设置砼衬砌，以承受部分或 全部内水压力。
围岩内放射状裂缝
p
第三节 有压隧洞围岩和衬砌的应力计算
☼☼在检修或其它原因时，隧洞内的水（气）等可能放空，
附加应力减小为0。围岩中只有重分布应力； ☼☼再充水等，附加应力再度产生。
第二节 围岩内附加应力的计算
内水压力引起的围岩附加应力，用弹性厚壁筒理论计算。 设厚壁圆筒的内径为a，外径为b，在筒内离圆心的距离 为r处： C C
r B
r
2
B
覆盖比h/（P/γw）＞1 ，围岩保证稳定。
三. 叶格尔方法 1.坚硬无裂缝岩石
H 3 0.77 pa 2
2.裂缝岩石
H 0.257pa