第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究

岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变
形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。
水 电 站 引 水 隧 洞 的 塑 性 变 形 与 塌 方
第3节、影响地下地下洞室围岩稳定性的地质因素
地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需 要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、 地下水及地应力等因素的影响。 理想的建洞山体应具备以下条件： 1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距 大，无影响整个山捧稳定的断裂带； 2)岩体坚硬完整； 3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏 的地形。无岩溶或岩溶很不发育； 4)地下水影响小； 5)无有害气体和异常地热。
1-设计断面 2-破坏区 3-崩塌 4-滑动 5-弯曲、张裂及折断
层状结构围岩变形破坏特征
碎裂岩体的松动解脱
碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在 洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。
碎裂结构围岩塌方示意图
碎裂岩体松动解脱及顶拱破裂
松软岩体
一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围
大型古地下工程
第1节、地下洞室开挖前后的应力特征
圆 形 洞 室 围 岩 重 分 布 应 力 计 算 简 图
洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式
1 r0 2 1 3r0 4 4r0 2 r 为径向应力 1 2 1 4 2 cos 2 r v 2 r r 2 r 为切向应力 r 为剪应力 1 r0 2 1 3r0 4 1 2 1 4 cos 2 v r 2 r 2 2r 1 3r0 1 4 0 r v 2 r r2
隧洞选线利用沟谷示意图
岩性条件
岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚 硬完整岩石中。 岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于 修建大型的地下工程。
凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片 岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。
松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。
2．断裂(fault)的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应 尽量避开大断层。
岩层产状
(1)洞室轴线与岩层走向垂直。 这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳 定有利。 (2)洞室轴线与岩层走向平行。 1）当岩层近于水平(倾角<100)时， 软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引 起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。 2）在倾斜岩层中，一般说来是不利的。
v
r0 2r0
3r0 4r0
5r0
6r0 7r0
8r0
圆形洞室周边应力重分布
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。
围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性抗力系数表示的。
内水压力作用下的洞径变形
弹性抗力系数的概念 根据文克尔假定，抗力系数K为Ｋ＝Ｐ／Ｙ 式中：K为弹性抗力系数(MPa／cm)； Ｐ为围岩所承受的压力，对于有压隧洞即为内水压(MPa)； Ｙ为洞壁的径向变形(cm)。 从上式看出，K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位径向 变形所需施加的力。K值愈大，说明围岩承受内水压力的能力 愈大。假设岩体是理想的弹性体，对于圆形隧洞，K值与岩体 弹性模量之间有如下的关系： 式中：Ｅ为岩体的弹性模量或变形模量(MPa)，µ为泊松比， r为隧洞半径(cm)。 从上式可以看出，隧洞半径愈大，K值愈小，在工程 上为了便于比较，常采用隧洞半径为1m(100cm)时的弹性抗 力系数，作为单位抗力系数K0，即
4．块体极限半衡法(limit equilibrium)
第5节、水工隧洞围岩的承载力 1.外部水压力
是地下水在渗流过程中，作用在 围岩和衬砌中的体积力，也是水 工隧洞的基本荷载之一。
2.弹性抗力
对于有压隧洞，由于常存在很高的内水压力作用，迫 使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一 个反力来阻止衬砌的变形。把围岩对衬砌的反力称为 弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌 的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力。因此，弹 性抗力是有压隧洞设计时必须确定的重要参数之一。
岩爆产生的爆坑
锦 屏 二 级 水 电 站 排 水 洞 岩 爆
爆坑附近边墙下部破坏情况
右侧拱顶位置塌方情况
第二次岩爆塌方左侧拱架破坏情况
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。
对于软弱或破碎岩体，洞室开挖后洞壁周围会形成一个半径
为只的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算；
工程（经验）类比法
对于中小工程不能进行试验时，可采用工程类比的经验方
法确定K值。表7—10是我国水工隧洞规范(1964年)所列举的 各类岩体抗力系数经验值。表中关于无压隧洞K。值适用于 开挖宽度为5～10m的隧洞，当开挖宽度大于10m时，K0应 适当降低。
陡倾岩层中洞址
缓倾岩层中洞址
陡立岩层中洞址
陡立岩层岩性分界处洞址
水平岩层中洞址
倾斜岩层中洞址
地下水(水文地质)
地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常常和地下水的活动有关。
地下工程与地下水位关系：
1．在包气带中开挖地下工程，雨季可能沿裂隙滴水，旱季干燥， 但是当地表有大面积稳定的地表水体时，也可能遇到集中的渗流。
1．初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。
2．当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好
平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的 变形和破坏。
第4节、围岩压力
山岩压力也称围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应 力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。 根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山 压几种类型。 变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。 具有随时间延长而增大的特点。 松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起 的。是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的 重量。 冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的， 具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。
第2节、洞室围岩的变形与破坏
围岩这类变形破坏的发展进程
当围岩应力已经超过岩体的极限强度时，围岩发生破坏。 当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时， 围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到 最终的破坏，通常可根据围岩变形历时曲线变化的特点而加以 预报。 当围岩应力的量级介于岩体的长时间强度及蠕变临界应力之 间时，围岩除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕 动变形才能达到最终的稳定。 当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹 性变形后立即稳定下来。
影响弹性抗力系数大小的因素：
1）压力的大小和岩土体的强度特征；
2）受力方向和主要结构面的关系； 3）围岩的初始应力状态。
弹性抗力系数的确定方法
确定围岩抗力系数的方法有试验法、计算法和工程类比法等。 （１）试验的方法常用的有橡皮囊法、径向千斤顶法和隧洞 水压法等，具体内容可参看有关的试验规程。 （２）计算法是根据抗力系数与岩体弹性模量及泊松比之间的 关系确定的。 对于坚硬完整的岩体，
地形条件
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。
隧洞进出口地段的边坡应下徒上缓， 无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石 应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾 向山里以保证河—口坡的安全。在地 形徒的高边坡开挖洞口时，应不削坡 或少削坡即进洞，必要时可做人工洞 口先行进洞，以保钲边坡的稳定性。 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。
4 2
sin 2
r0为隧洞半径
r为质点至洞轴线的距离
r0 2 r v 1 2 r r0 2 v 1 2 r r 0
当天然应力比λ=1时，洞室周边围 岩应力弹性重分布计算公式
2 v
坚硬岩体中的块体滑移
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。
此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互 层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单 层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。
地质构造条件
地质构造是控制岩体毙整性及渗透性的重要因素。 1．褶皱(fold)的影响 褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部 岩体完整性最差。 （1）背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的 稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。 （2）向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙 切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。
围岩变形破坏的常见形式
坚硬完整岩体的脆性破裂
在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。
但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有
很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所 形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状 等因素有关。 岩爆的产生需要具备两方面的条件 高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的 内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。
对地下洞室选址影响地质因素
地形条件（geographic conditions）
岩性条件（rock and soil engineering characters）
地质构造条件（geologecal structure conditions） 褶皱(fold) 断裂(fault) 岩层产状（attitude of layer） 地下水（水文地质hydrogeological conditions） 地应力（natural stress）
第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质研究
第1节、地下洞室开挖前后的应力特征
第2节、洞室围岩的变形与破坏 第3节、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素 第4节、围岩压力 第5节、水工隧洞围岩的承载力 第6节、地下洞室围岩工程地质分类 第7节、改善地下洞室围岩稳定性的措施
地下洞室
为各种目的修建在地层之内的通道或空洞。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、地下导弹发 射井、以及地下飞机库等。
2．地下水位变幅带(，涌水量及外水压力随季节而变化，由于岩体 饱水脱水交替变化，可以加速软弱破碎岩石性质的恶化引起塌方。
3．在地下水位以下的地下工程，一开始施工就可能有较大的涌水 和渗透压力，因此要作好防水排水设计。
地应力
Hale Waihona Puke Baidu
在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所在部位初 始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力 重分布的特征，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。
围岩压力的确定方法
1．散粒体理论 （1）普氏压力拱(pressure arch)理论 （2）太沙基理论 （3）围岩压力系数法(coefficient of country rock)
2．弹塑性（elastic and plastic）平衡(equilibrium)理论 适用于具有镶嵌结构和碎裂结构的岩体 3．流变(flow)—徐变理论