8-1 地下洞室围岩稳定性分析
08第8-1章地下洞室围岩稳定性问题
? 1 基本概念及研究意义
? 为各种目的修建征地层之内的中空通道或中空 洞私统称为地下洞室，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。
? 第二类因素包括 围岩的岩性和结构 ，主要是通 过围岩的强度来影府洞室围岩稳定性的。
由于岩石本身的强度远高于结构面的强度，故这类 围岩的强度主要取决于 岩体结构，岩性本身的影 响不十分显著。在这类围岩中，碎裂结构的稳定 性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块体状岩 体则通常具有很高的稳定性。
地下洞室围岩稳定性的分析-岩石力学
?
? 岩爆的类型和特点 ? 按发生的部位及所释放的能量类型 ,岩爆有不同
的类型
? (1) 围岩表部岩石突然破裂引起的岩 爆
? (2) 矿柱或大范围围岩突然破坏引起 的岩爆四川纳竹天池煤矿就曾多次发生这类岩
爆，最大的一次将 20余吨煤抛出20多m远
? (3) 断层错动引起的岩爆
? 岩爆的产生条件与发生机制
? 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。
表10—5
围岩类型
VI
V—IV
III
II
最小间距 （1.5—2.0）B （2.0—2.5）B （2.5—3.0）B （3.5—5.0）B
I
>5.0B
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。
地下洞室围岩稳定性
北京地铁王府井车站
广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道
3 地下洞室围岩稳定性分析
3.2 岩体中的天然应力
开挖前存在于岩体中的应力，称天然应力或初始应力。是 岩体在建造或改造过程中，各种地质作用综合作用形成的。
主要包括自重应力和构造应力。
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)通常以垂直正应力和水平正应 力来表示：
围岩应力重分布特征
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，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。
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。
从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可 以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄 层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与 洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。 通常．轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳 定性远低于平行于最大主应力方向者。
这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条 件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时 强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞 壁发生严重的弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩层 时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力的 洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓的发展而 严重坍塌。
2 张裂塌落
张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室 顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗 拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那 里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力很 小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂缝 切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当有 近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗 拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。但是在N0的 情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱 处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当 项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时．顶拱 因岩韶趋于稳定。
第八章 地下洞室围岩稳定性评价
• 3、冲击压力 • 在坚硬完整岩体中，地下建筑开挖后的洞体应 力，如果是在围岩的弹性界限之内，则仅在开 挖后的短时间内引起弹性变形，而不致产生围 岩压力。但当建筑物埋深较大，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，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 • 某些岩体由于遇水后体积发生膨胀，从而产生 膨胀压力。膨胀压力与变形压力的区别在于它 是围岩吸水膨胀引起的。其大小主要岩体的物 理力学性质和地下水的活动特征等。
• 3、地质构造 、 • 地质构造对于围岩的稳定性起重要作用。 地质构造对于围岩的稳定性起重要作用。 • 1）当洞室通过软硬相间的层状岩体时，易在 ）当洞室通过软硬相间的层状岩体时， 接触面处变形或坍落； 接触面处变形或坍落； • 2）当洞室通过背斜轴部时，顶围向两侧倾斜， ）当洞室通过背斜轴部时，顶围向两侧倾斜， 由于拱的作用，利于顶围的稳定。而向斜相反， 由于拱的作用，利于顶围的稳定。而向斜相反， 两侧岩体倾向洞内，并且洞顶存在张裂， 两侧岩体倾向洞内，并且洞顶存在张裂，对围 岩稳定不利。 岩稳定不利。 • 3）当洞室邻近或处在断层破碎带时，若断层 ）当洞室邻近或处在断层破碎带时， 带宽度愈大，走向与洞室交角愈小， 带宽度愈大，走向与洞室交角愈小，则其在洞 内出露越长，对围岩稳定隆影响越大。 内出露越长，对围岩稳定隆影响越大。
• 5、地下水 、 • 围岩中地下水的赋存、活动状态，既影响着 围岩中地下水的赋存、活动状态， 围岩的应力状态，又影响着围岩的强度。 围岩的应力状态，又影响着围岩的强度。当 洞室处于含水层中或地下洞室围岩透水性强 这些影响更为明显。 时，这些影响更为明显。 • 地下洞室围岩的稳定性，除了受上述天然因 地下洞室围岩的稳定性， 素影响外，还受到人为因素的影响。比如： 素影响外，还受到人为因素的影响。比如： 开挖方法、开挖强度、支护方法和时间等。 开挖方法、开挖强度、支护方法和时间等。
地下洞室围岩稳定性分析
地下洞室围岩稳定性分析在进行地下洞室围岩稳定性分析时，一般需要考虑以下几个主要因素：1.岩层的力学性质：岩层的力学性质是岩石稳定性的基础。
要进行稳定性分析，首先需要获取岩层的力学参数，如岩石的强度、弹性模量和剪胀性等。
通常可以通过室内试验、现场调查和实测等方法获得这些参数，或者借助已有的类似工程的资料进行评估。
2.地下水：地下水是地下洞室稳定性分析中重要的一项因素。
地下水对围岩的稳定性产生的主要影响是增加孔隙水压，降低岩层的有效应力，促使岩体产生破坏。
因此，需要充分考虑地下水对岩层的影响，包括水位高度、水质状况、渗流特性等。
3.岩体结构：岩体的结构对于岩层稳定性具有重要影响。
岩体的结构主要表现为节理、裂隙、岩体层理等。
这些结构特征对洞室的稳定性有直接影响，形成控制洞室稳定的主要因素之一、因此，在进行稳定性分析时，需要对岩体的结构特征进行详细调查和分析，选择合适的建模方法进行模拟。
4.洞室开挖方式和支护措施：洞室的开挖过程和支护措施对围岩稳定性有着直接的影响。
开挖过程中，洞室周围会受到剪切应力和变形等影响，进而对围岩稳定性产生影响。
因此，在稳定性分析中需要考虑洞室开挖方式和支护措施的影响，选择合适的岩体应力场和支护材料。
在进行地下洞室围岩稳定性分析时，常用的方法包括力学分析法、数值模拟法和现场监测法等。
力学分析法通过分析力学参数和地质参数，计算岩体的稳定系数，从而评估围岩的稳定性。
数值模拟法通过建立数学模型，采用有限元或边界元方法，模拟洞室周围围岩的变形和破坏过程，预测洞室的稳定性。
现场监测法是指通过安装监测点，对洞室周围的围岩变形和破坏进行实时监测，从而评估围岩的稳定性。
综上所述，地下洞室围岩稳定性分析是一个复杂的工程问题，需要考虑多个因素的综合影响。
只有充分了解地下洞室周围的地质和力学条件，选择合适的分析方法和模型，才能有效评估围岩的稳定性，并制定出合理的支护措施，确保地下洞室的安全和持续稳定。
地下洞室围岩稳定性分析方法综述
问题，然而，由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料，一 般均具有非线性、非连续性、非均质及多相性等特点，尤其是天 然岩体，由于其赋存的特殊性，它被各种地质构造（如断层、节 理、层理等）切割成既连续又不连续的形态，从而一般均形成一 个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列，而且，天然岩体所 涉及的力学问题是一个多场（应力场、温度场、渗流场）、多相 （气相、固相、液相）等影响下的复杂耦合问题，再加上工程开 挖和外部环境的影响，致使许多情况下，我们不能获得较为准确 的力学参数和本构模型。“力学参数和本构模型不准”已成为岩 石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。
值或变形速率判据用于软弱围岩往往时效不佳，根据牛顿运动 定律，物体从运动转变为静止状态的必要条件是，加速度由负 值渐趋为零。因此，围岩稳定性判据应以加速度为主，辅以变 形值或变形速率，据此提出了变形速率比值判据。
然而采用不同的失稳判据得到的稳定安全度一般是不相同 的，如何建立一个具有理论基础的、可得到唯一解的失稳判据 是今后需要解决的问题。
2存在的问题21参数及本构岩石力学参数和本构模型是岩石力学研究中最核心的两个问题然而由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料一般均具有非线性非连续性非均质及多相性等特点尤其是天然岩体由于其赋存的特殊性它被各种地质构造如断层节理层理等切割成既连续又不连续的形态从而一般均形成一个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列而且天然岩体所涉及的力学问题是一个多场应力场温度场渗流场多相气相固相液相等影响下的复杂耦合问题再加上工程开挖和外部环境的影响致使许多情况下我们不能获得较为准确的力
传统的岩石力学理论是以岩石的加载试验（包括室内及现 场原位试验）为基础，引入成熟的弹塑性理论等建立起来的而 地下洞室岩体开挖后的实际情况是以卸荷为主，且往往有较大 的拉应力区出现。显然传统的岩石力学理论统一采用加载试验 获取的岩体力学参数，应用适合于加载情况的力学分析软件进 行分析与计算，得到的变形及稳定分析结论与现场的实际情况 必然有巨大区别，甚至连趋势都无法反映[4]。
《岩体力学》第八章地下洞室围岩分析
②开挖洞室半径为R0，塑性圈半径为R1，岩体中的天然应力 ，（ 时情况）；
③圈内岩体强度服从Mohr直线强度条件即（Coulomb－Naiver准则）。
分析如图8.8所示：
图 8.8 塑性圈围岩应力分析图
，
由 （取向外为正，向内为负）
得：
上式整理变为：
…………………………………………………………①
（洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系）
第二节 围岩重分布应力计算
1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。
2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面：
①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定；
② 开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算；
令 ，则：
其中 、 为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。
同理，根据光弹实验或弹性力学方法可求得不同形状洞室的应力集中系数 和 ，见教材P144。
（3）软弱结构面对围岩重分布应力的影响
假定岩体中结构面无抗拉能力，且 很小，在剪切过程中，结构面无剪胀作用。
（1）软弱结构面 ，沿水平直线方向
、 均为主应力，结构面上无剪切应力，无影响。不会沿结构面产生滑动，结构面对围岩重分布应力的弹性分析无影响。
设满足方程①的应力函数 为：
………………………………③
由③代入①，并由②可得：
故应力函数 为：
…………………………④
由④代入①可得各应力分量：
………………………………⑤
岩体天然应力比值系数为 ，假定岩体为无重板的力学模型如图8.2所示。
若水平和铅直的天然应力均为主应力，则开挖前板内的天然应力为：
地下洞室围岩稳定性分析与评价36页PPT
11、获得的成功越大，就越令人高兴 。野心 是使人 勤奋的 原因， 节制使 人枯萎 。 12、不问收获，只问耕耘。如同种树 ，先有 根茎， 再有枝 叶，尔 后花实 ，好好 劳动， 不要想 太多， 那样只 会使人 胆孝懒 惰，因 为不实 践，甚 至不接 触社会 ，难道 你是野 人。(名 言网) 13、不怕，不悔(虽然只有四个字，但 常看常 新。 14、我在心里默默地为每一个人祝福 。我爱 自己， 我用清 洁与节 制来珍 惜我的 身体， 我用智 慧和知 识充实 我的头 脑。 15、这世上的一切都借希望而完成。 农夫不 会播下 一粒玉 米，如 果他不 曾希望 它长成 种籽； 单身汉 不会娶 妻，如 果他不 曾希望 有小孩 ；商人 或手艺 人不会 工作， 如果他 不曾希 望因此 而有收 益。-- 马钉路 德。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
(完整版)第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述1．地下洞室（underground cavity）：指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．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。
目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。
3．分类：按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等；按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室；按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等；按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类；按介质，土洞和岩洞。
4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程：地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时）（洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系）第二节围岩重分布应力计算1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。
2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面：①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定；②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算；③支护衬砌后围岩应力状态的改善。
3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）：指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。
一、无压洞室围岩重分布应力计算1．弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，当天然应力()c v h σσσ21≤、，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。
这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。
重点讨论圆形洞室。
（1）圆形洞室深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。
无限大弹性薄板，沿X 方向的外力为P ，半径为R 0的小圆孔，如图8.1所示。
任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。
则：……………………①式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。
第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析
一、地下洞室围岩稳定性
地下洞室围岩稳定性是指开挖地下洞室时，所受水、渗、力、温度变
化作用下，围岩在洞室形成过程中，确保其稳定性，防止发生失稳破坏的
能力。
地下采掘洞室围岩稳定性受到岩性、受力形式、受力程度、渗透性、温度变化、洞室形状及支护形式等多种因素的影响，是复杂的工程力学问题。
二、稳定性分析指标
1、岩体的稳定性
假设在洞室围岩失稳前，围岩的状态是完全稳定的，所以在洞室围岩
的稳定性分析中，首先要对围岩的物理力学性质进行研究，确定洞室围岩
的初始稳定性或不稳定性，对洞室围岩的加载稳定性进行评价，并确定必
要的加固措施。
2、洞室围岩作用的潜在施工影响
稳定性分析还要考虑洞室的施工对围岩的影响，如渗漏的影响，支撑
结构的影响，排水管的影响，洞室入口封闭的影响等。
这些因素会对洞室
围岩的稳定性造成一定影响。
三、稳定性分析方法
1、岩层垂直受力平衡分析法
岩层垂直受力平衡分析法是指将洞室每一层的垂直受力状况按照垂直
受力平衡原理，进行层层分析，以确定每一层的受力及稳定情况。
地下洞室围岩稳定性分析(DOC)
第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。
从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。
较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。
如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。
但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。
随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。
目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。
地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。
按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。
按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。
按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。
按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。
另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。
各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。
如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
洞室围岩稳定性因素分析
洞室围岩稳定性因素分析
影响围岩稳定性的因素有天然的，也有人为的，其中天然因素起控制作用，如下：1、岩石特性：坚硬完整的岩石一般对围岩稳定性影响较小，而软弱岩石由于强度低、抗水性差、受力容易变形和破坏，对围岩稳定性影响较大。
2、地质构造：洞室通过坚硬和软弱相间的层状岩体时，易在接触面形成坍落。
洞室应尽量设置在坚硬岩层中，或尽量把坚硬岩层作为顶围。
褶皱的形式、疏密程度及轴向与洞室轴线的交角不同，围岩稳定性也不同。
洞身横穿褶皱轴，比平行褶皱轴有利。
洞室沿背斜轴部通过，顶围向两侧倾斜，由于拱的作用，有利于围岩稳定。
洞室通过断层，若断层宽度愈大，走向与洞轴交角愈小，它在洞内出露的距离便越长，对围岩稳定性影响便越大。
3、岩体结构：层状或块状岩体中围岩破坏常由几组结构面组合构成，一定几何形体的结构体，即围岩分离体的坍落、滑塌。
4、地下水与岩溶：洞室通过含水层便成为排水通道，改变了原来地下水动力条件。
裂隙水常以管状或脉状方式溃入洞内。
5、构造应力：构造应力具有明显的方向性，它控制着地下洞室围岩的变性和破坏。
构造应力最大主应力方向水平或近乎水平并垂直洞轴的情况下，可使顶围和底围不出现拉应力，所以它对顶围、底围的稳定有利。
这种应力较大时，加大洞室跨度能增大顶围的稳定。
地下洞室围岩稳定性分析与评价
赤平投影网及其透视图
90
O
O
平面投影
直线投影
直线旋转
直线投影到已知平面
② 结构体稳定性及失稳方式的一般判定
如图所示为三种典型情况：
a）块体顶点的铅垂线通过块体的底面，则块体是在重力作用 下的直接垮落；
b）块体顶点的投影不落在底面上，图中的虚线为摩擦角φ， 若滑动面或两个滑面的交线的倾角大于 φ，则块体会沿该结构面 或结构面交线产生滑动破坏；
1
2 3
单轴抗压强度 评分 岩石质量指标RQD(%) 评分 结构面间距(cm) 评分 粗糙度 评分
充填物 mm
结 构 面 条 件 评分 张开度 mm 评分 结构面长度 m 评分 岩石风化程度 评分 状态 透水率 Lu 总体条件
无
6 未张开 6 <1 6 未风化 6 干燥 <0.1 完全干燥
4
5
地下水 条件
3 地下水
① ② ③ ④ 可使岩石软化，强度降低，加速岩石风化； 还能软化和冲走软弱结构面的充填物； 减小结构面的抗剪强度，促使岩体滑动与破坏； 在膨胀性岩体中地下水可造成膨胀地压。
4 原岩应力
是控制地下工程围岩变形破坏的重要因素。为避免洞室的顶 拱和边墙出现过大的切向压应力和切向拉应力的集中，轴线应尽 可能与区域最大主应力方向一致；当地下工程的断面呈扁平形态 时，为避免顶拱出现拉应力，改善顶拱围岩的稳定条件，则应使 洞室轴线垂直于最大主应力方向。
c）则属于稳定的块体。
（a）直接垮落型
（b）滑动型
（c）稳定的块体
2）特殊结构体的图解分析及稳定性验算
① 拱顶结构体的图解分析及稳定性验算
N L1 L3 L1 N L3 W
浅谈围岩稳定性分析方法
浅谈围岩稳定性分析方法摘要：对于围岩稳定性分析方法进行了总结，简单地对这一领域的开展趋势作出了评述。
关键词：地下洞室；隧道；围岩稳定岩体力学是一门相对较年轻的学科，同时受制于岩体本身材料性质和几何形状的特殊性，其受力特点复杂，总结方法和结果非常复杂。
地下工程的失稳主要是由于施工中的开挖造成了围岩内部应力的变化而超过围岩自身强度的过程。
所以选择适宜的围岩稳定分析方法对于实际的工程应用来说，显得十分重要，关系到整个工程的平安和最终成败。
目前根据数学模型建立的围岩稳定分析方法主要分为以下四种。
我们在此进行分别讨论介绍。
在进行地下洞室的围岩稳定性分析时，会经常利用复变函数来计算围岩的内力，以此得到近似的弹性解析解。
【1】但是这种方法必须是以圆形隧道为根底进行计算。
众所周知，大局部隧道开挖尤其是公路隧道和地下洞室的开挖面都是不规那么的，这时候就要利用数学中的保角变换进行连续场函数的变换，而如何得到映射函数是其中的关键。
【2】当洞室形状并不复杂的时候，利用映射函数得到级数形式的近似解的级数项并不多。
而当地下洞室的开挖面极其不规那么时，利用映射函数所得到的解太过于复杂无法应用得出表达式。
为了解决这一问题，有人将求解过程方程化，编写成软件，得到围岩内力变化的近似解。
在计算机技术快速發展的今天，这种将求解方法和过程代数化，并结合程序编码加以利用的方法值得我们借鉴，能够大大地提高我们的工作效率，把我们从繁重的数学求解过程中解放出来。
方法在地下洞室的围岩稳定性分析中，解析法只适用于那些开挖面较简单的情况。
然而在实际的地下工程当中，我们往往面对的都是不规那么的开挖形状和围岩性质特性复杂的情况。
因此多数的具体工程应用中我们只能用具体的数值方法来求出我们想要的解。
数值方法众多，而这其中，有限元法应用最为广泛，我们在这里做主要介绍。
有限元法在土木工程的计算分析应用中已经非常成熟了。
它的根本原理是把连续体离散化为一系列的单元，用一个个独立的单元体分块近似表示需要求解的未知场函数。
水电站施工中地下洞室围岩稳定性分析
水电站施工中地下洞室围岩稳定性分析作者：严凯来源：《装饰装修天地》2018年第21期摘要：在水电站工程施工过程中，地下洞室过程中，为了保证施工质量，应当展开水电站地下洞室围岩稳定性的分析。
文章以实际工程为例，对水电站施工中地下洞室围岩稳定性进行了分析，以期优化施工效果。
关键词：水电站施工；地下洞室；围岩稳定性1 前言随着水电开发技术的日益成熟，大型水电枢纽工程的开发与建设受地区地形条件限制，多采用地下厂房式布置，进而形成了规模巨大的地下厂房洞室群，其洞室高边墙及洞室之间围岩的稳定性成为工程建设中成败的关键因素。
2 地下洞室围岩稳定性分析概述地下洞室的稳定性课题属于一项非线性力学问题，较为复杂，一般而言具有非均匀性、非连续性变形以及大位移等特征。
围岩稳定性的主要影响因素主要包括两个方面：天然地质条件以及工程因素。
天然地质条件方面涉及到初始地应力场、地质构造、地下水情况、围岩结构等；工程因素涵盖了洞室实际情况、洞室开挖施工、支护形式等。
近年来，岩石力学理论以及测试技术不断发展，电子计算机技术以及有限元方法得到了推广和应用，再加上科研工作者坚持不懈的努力，涌现出了许多新的研究方法，在岩体构造以及力学特征、地下围岩不稳定机理以及支护受力机制方面的研究，新设计理论以及方法等方面的研讨都取得了可喜的成果，为地下围岩的稳定性分析与评价提供了支持和途径。
然而作为地下工程的根源问题之一的围岩失稳分析，现阶段尚没有构成统一理论，针对地下围岩稳定性进行分析，主要是通过分析与考虑具体的地质条件和工程的情况要求，结合多种方法进行综合评价，因此有必要总结目前的地下洞室稳定性分析，以助力工程实践中可以进行科学判断。
3 地下洞室围岩稳定性分析思路洞室围岩稳定性分析是多学科理论方法、专家经验、监测量与计算机技术综合集成的科学。
洞室失稳是一个极其复杂的力学过程，在实际工程中更是受到了许多因素的影响。
通常伴随着非均匀性、非连续性变形和大位移，是一个高度非线性的问题。
地下洞室围岩稳定性分析与评价
地下洞室围岩稳定性分析与评价地下洞室围岩稳定性是地下工程中非常重要的问题之一，对地下工程的安全和经济运行具有重要意义。
地下洞室围岩稳定性的分析与评价可以帮助我们判断洞室围岩的稳定程度和寿命，为洞室工程的设计和施工提供可靠的依据。
首先，对地下洞室围岩的力学性质进行测试和分析。
这包括围岩的弹性模量、抗压强度、抗剪强度等力学参数的测定。
通过测试和分析得到的力学参数可以为后续的围岩稳定性分析提供基础数据。
其次，对围岩的岩性和结构进行详细的地质调查和研究。
通过对围岩的地质构造、结构洞的位置、破碎度和节理特征等进行详细的调查和研究，可以了解围岩的变形和破坏机理，为后续的稳定性分析提供依据。
然后，进行数值模拟和分析。
根据实际工程情况，可以使用有限元方法或者其他数值模拟方法对围岩的稳定性进行模拟和分析。
通过模拟和分析，可以得到围岩的应变、应力分布以及稳定性指标，进一步评价围岩的稳定性。
最后，根据分析和评价结果，对围岩稳定性进行评价。
根据实际工程要求和标准，可以将围岩的稳定性进行分级评价，确定围岩的稳定等级，并提出相应的建议和措施，以提高围岩的稳定性。
在地下洞室围岩稳定性分析与评价过程中，需考虑不同因素对围岩稳定性的影响。
例如，水文地质条件、地应力状态、围岩的强度参数、地震和地下水位变化等因素都会对围岩的稳定性产生重要影响，需要对这些因素进行综合分析和评价。
总之，地下洞室围岩稳定性的分析与评价是地下工程设计和施工的重要环节。
通过科学的测试、调查、分析和数值模拟，可以全面、准确地评价围岩的稳定性，为地下洞室工程的建设提供可靠的基础。
地下洞室围岩稳定性分析-岩体力学
– 有压洞室、无压洞室
断面形状
– 圆形、矩形、城门形、马蹄形
地下洞室围岩稳定性分析
概述
– 地下洞室分类
洞轴线方位Hale Waihona Puke – 水平洞室、倾斜洞室、竖井
围岩类型
– 土洞、岩洞
其他
– 人工洞室、天然洞室；单洞、群洞
地下洞室围岩稳定性分析
概述
– 地下洞室的力学效应
应力重分布作用
– 地下洞室开挖后，洞周围岩体中应力调整，使原有应力的 大小、方向和性质发生变化的作用。
θ
b2 pb b2
a2 pa a2
a2b2 b2 a2
pb r2
pa
（a）
对于地下洞室，在式（a）中令 b , pb = 0（天然应力），得到有 压圆形洞室围岩重分布应力公式：
r
0 1
a2 r2
pa
a2 r2
θ
0 1
a2 r2
pa
a2 r2
（1）
地下洞室围岩稳定性分析
圆形洞室围岩重分布应力 — 轴对称应力
地下洞室围岩稳定性分析
围岩重分布应力分析
地下洞室围岩应力分析涉及以下问题：
开挖前岩体天然应力状态的确定 开挖后围岩重分布应力的计算 支护衬砌后，围岩应力状态的改善
围岩重分布应力分析
弹性围岩重分布应力分析 塑性围岩重分布应力分析
地下洞室围岩稳定性分析
弹性围岩重分布应力分析
– 圆形洞室围岩重分布应力 — 轴对称应力 – 圆形洞室围岩重分布应力 — 非轴对称应力 – 其他形状洞室围岩的重分布应力 – 软弱结构面对围岩重分布应力的影响
地下洞室围岩稳定性分析
概述
– 地下洞室围岩稳定性分析
浅析地下洞室围岩稳定性分析方法
圭 ｌ
济 学 以及 地 质 学等 的 多 方 面跨 领 域 学 科 ， 目前 还 没 有 比较 完
整 的理 论 和 预 测 治 理 措 施 ． 笔 者 通过 研 究 对 这 个 问题 提 出 了
析 场地 条件 与岩 体 变形 等 因素 ， 可对 工程 进 行 全 面 的 评 价 。
２ 地下洞 室围岩稳 定性 的定量分析方法
２ ． １ 解析 法
稳 定 性 计 算 。 目前 ， 围岩 分 类 法 大 约 为 ２ ０多种 口 ， 广 泛应 用 于
滑 坡 灾 害破 坏 损 失 评 价 滑 坡 灾害 破 坏 评 价 是 危 险性 分 析 和 易损 性 分析 基 础 上 计 算 不 同强 度 灾 害 可 能造 成 的份 额 损
不稳定块体 的具体位置 、 重量等 ， 并 确 定 岩 体 滑动 的 方 向 、 面
因此 ． 为 了开发 利 用地 下 空 间资 源 ， 提 高在 工程 实践 中的判 断 能
积等 ． 最 后 分 析 结 构 体 在 自重 力 与 工程 力作 用 下的 稳 定 性 。 岩 体 结 构 分 析 法具 有 简单 性 、 直观性 ， 在 计 算 机 中容 易 实 现 ， 可
程地 质 类 比 法 主要 结合 拟 建 地 下 洞 室的 工 程 情 况 ．进 行 分 析 动 态观 测 资料 ．依 据 类 似 条 件 的 已建 工 程 ．综 合 分 析 工程 地 质． 合 理分类不 同的围岩 ， 最后结合 工程特征 定性资料 ， 进 行 加 固设 计提 供 充 分 的依 据 。 结 合 块 体 理 论 的部 分 假 定 ． 综 合 分
地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。
从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。
较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。
如我国铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，最大埋深60余米，其开采年代至迟始于西周(距今约3000年)。
但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。
随着生产的不断发展，地下洞室的规模和埋深都在不断增大。
目前，地下洞室的最大埋深已达2 500m，跨度已超过30m；同时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，如小浪底水库的泄洪、发电和排砂洞就集中分布在左坝肩，形成由16条隧洞(最大洞径14.5m)并列组成的洞群。
地下洞室的用途也越来越广。
地下洞室按其用途可分为交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库、地下铁道及地下军事工程等类型。
按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。
按其断面形状可分为圆形、矩形、城门洞形和马蹄形洞室等类型。
按洞室轴线与水平面的关系可分为水平洞室、竖井和倾斜洞室三类。
按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。
另外，还有人工洞室、天然洞室、单式洞室和群洞等类型。
各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。
由于开挖形成了地下空间，破坏了岩体原有的相对平衡状态，因而将产生一系列复杂的岩体力学作用，这些作用可归纳为：(1)地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
(2)在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。
如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。
(3)围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。
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洞顶
位移
底鼓在岩石地下工程中，受开应力状态发生改
二、地下洞室开挖所产生的岩体力学问题
向新的平衡应力状态调整，应力状态的调整过程，称
(redistribution of stress)。
洞顶
位移
底鼓
由于洞径方向的变形远大于洞轴方向的变形，当洞室半径远小于洞长时，洞
轴方向的变形可以忽略不
计，因此地下洞室问题可
视为平面应变问题深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，其围岩重分布应力按柯西课题求解(1)柯西课题概化模型
无限大弹性薄板，其边界上受到沿方向的外力作用，薄板中有一半径为的小圆孔。
x p R 弹性薄板柯西课题分析示意图
p
p 1.深埋圆形水平洞室围岩重分布应力
以圆的圆心为原点取极坐标，由弹性理论，若不考虑体积力，可求得薄板中任一点的应力及其方向。
(,)M r θ弹性薄板柯西课题分析示意图p p
若应力函数为φ22211r r r r φφσθ
∂∂=+∂∂径向应力：22r
θφσ∂=∂环向应力：2211r r r r θφφτθθ∂∂=−∂∂∂剪切应力：(2)柯西课题解
弹性薄板
柯西课题分析示意图
p p
边界条件：
()cos 222r r b p p
σθ
==+()sin 22
r r b p
θτθ
==−0b R >>()()0
r r r b r b θτσ====0
b R =0b R >>
v
σx
θ
M
v
σ0
R r
弹性薄板
p
p
柯西课题力学模型中极坐标轴与力的作用方向相同。
因此，需进行极角变换。
242
0002423411cos22v r R R R r r r σσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞
=−−+−⎢⎥
⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦
24
0024311cos22v R R r r θσσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞
=+++⎢⎥
⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦
420042
321sin22v r R R r
r θστθ
⎛
⎞=−+⎜⎟⎝⎠2）由柯西课题解得到作用下圆形洞室围岩重分布应力v σ22θθπ
→−
2θσσ=④随着距离增大，
增大，减小，并且都逐渐趋近于天然应力。
r σθσ0σr 2002
1r R r σσ⎛⎞
=−⎜⎟
⎝
⎠2
0021R r θσσ⎛⎞
=+⎜⎟
⎝
⎠0
r θτ=0001
1 2.8%36θθσσσσσ−=−==06r R =当时00135
13636
r σσσ⎛⎞=−=⎜⎟⎝⎠00
13713636θσσσ⎛⎞=+=⎜⎟⎝⎠00011 2.8%36r r σσσσσ−=−==因此，一般认为，围岩重分布范围为，该范围以外不受开挖的影响，该范围的岩体即为围岩，也是有限元计
算模型的边界范围
06R
21b a
+①椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大,易引起压碎破坏;短轴两端点易引起拉应力集中,不利于围岩稳定②洞室角点或急拐弯处应力集中最大。
③长方形短边中点应力集中大于长边中
点，角点处应力集中最大，围岩易失稳。
④当水平和铅直天然应力相差不大时,圆形洞室围岩应力分布最均匀,围岩稳定性最好。
⑤当水平和铅直地应力相差较大时,则应尽量使洞室长轴平行于最大天然应力的作用方向。
⑥当地应力很大时,洞室断面应尽量采用曲线形，以避免角点上产生过大的应力集中现象。
（二）塑性围岩重分布应力
由弹性理论知，地下开挖
后，洞壁的应力集中最大。
当重分布应力超过围岩屈服
极限时，洞壁围岩就由弹性
状态转化为塑性状态，并在
围岩中形成一个塑性松动圈。
r rσ
随着增大，由零逐渐增大，应力状态由洞壁的单向应力状态逐渐转化为双向应力状态，围岩也就由塑性状态逐渐转化为弹性状态。
围岩中出现塑性圈和弹性圈。
弹塑性理论求解塑性圈内重分布应力①岩体为均质的、各向同性的、连续的介质体。
1. 基本假定
②开挖半径为的水平圆形洞室，洞室开挖形成的塑性圈为圆，其半径为。
0R 1R ③天然应力为，塑性圈内岩体强度服从莫尔-库伦强度理论。
0h v σσσ==
2. 塑性圈微单元的选取及其应力abdc
取一微小单元bd 面径向应力：
r σac 面径向应力：r r d σσ+ab cd 和面切向应力：θ
σ10
r θλτ=→=
2. 建立平衡方程、求解极限平衡状态：0
r F =∑
()()2sin 0
2r r r d rd d r dr d dr θθσθσσθσ⎛⎞
−+++=⎜⎟⎝⎠sin 22
d d d θθ
θ⎛⎞→≈
⎜⎟⎝⎠若很小将上式展开，略去高阶，有：
()r r
dr rd θσσσ−=r
r
rd dr
θσσσ=+
θ
r m m
直线型
莫尔强度包络线曲线
m
()2sin 1sin 0m
m
r i m m m m
r p C ctg C ctg R φφσφφ−⎛⎞
=+−⎜⎟
⎝⎠0
=0r R =若0
i p =()2sin 1sin 01sin 1sin m m
m i m m m m m r p C ctg C ctg R φφθφσφφφ−⎛⎞
+=+−⎜⎟
−⎝⎠
2cos 1sin m m
m
C φφ=
−cm
σ=单轴抗压强度
132cos 1sin 1sin 1sin C φφσσφφ+=+−−13
2cos 1sin 1sin 1sin m m m
m m
C φφσσφφ+=+−−
•塑性圈与弹性圈交界面上的重分布应力
⎪⎪⎩
⎪
⎪⎨⎧=++=−−=0cos )sin 1(cos )sin 1(00rpe m m m pe m m m rpe C C τφφσσφφσσθ1r R =弹性应力与塑性应力相等塑、弹性圈交界面上的重分布应力取决于σ0和C m ，φm ，而与p i 无关。
支护力不能改变交界面上的应力大小，只能控制塑性松动圈半径(R 1)的大小。
θ
σ未出现塑性
圈的应力
出现塑性圈的应力
二、有压洞室围岩重分布应力计算水工隧洞，重点研究水压引起的围岩附加应力问题：弹性厚壁筒理论a
p 在内水压力作用下，内壁向外均匀膨胀，其膨胀位移随距离增大而减小，最后到距内壁一定距离时达到零。
附加径向和环向应力也是近洞壁大，远离洞壁小。
厚壁筒内的应力：
⎪⎪
⎩
⎪⎪⎨⎧−−+−−=−−−−−=2
2
22
222222
2
22222221
)(1)(r
a b b a p p a b p a p b r a b b
a p p a
b p a p b a b a b a b a b r θσσ。