08第8-1章地下洞室围岩稳定性问题
地下洞室围岩稳定性问题
岩爆 有关岩爆的基本概念 在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来爆。围岩的破坏有时会这就是所谓的岩当岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响．甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害．大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工作的安全与经济有着重要意义。
围岩应力重分布的主要特征是：
1
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。
2
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够应力，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。
(c) final bench excavation
(b) 9th bench excavation
(a) arch portion excavation
01
岩爆的类型和特点
05
断层错动引起的岩爆
03
围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆
02
按发生的部位及所释放的能量类型,岩爆有不同的类型
04
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
岩爆的产生条件与发生机制 本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，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。
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]。
造价工程师《土建工程》精讲：地下洞室围岩稳定性
造价工程师《土建工程》精讲：地下洞室围岩稳定性导语：造价工程师是通过全国造价工程师执业资格统一考试或者资格认定、资格互认，取得中华人民共和国造价工程师执业资格，并按照《注册造价工程师管理办法》注册，取得中华人民共和国造价工程师注册执业证书和执业印章，从事工程造价活动的专业人员。
下面和小编来看看2017造价工程师《土建工程》精讲:地下洞室围岩稳定性。
希望对大家有所帮助。
地下洞室围岩稳定性要高度重视地下洞室围岩的稳定性问题，防止围岩掉块、片帮乃至塌方等事件。
围岩稳定受区域、山体稳定性和地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等多方面的影响。
例如，山体完整性差、洞顶及傍山侧山体厚度不足、洞口地段的边坡上陡下缓甚至有滑坡、崩塌等现象存在、岩层倾向山外，围岩是黏土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩、破碎松散及风化岩体、吸水易膨胀的岩体，围岩处于向斜褶曲核部、断层破碎带及断层交汇区，洞室轴线沿充填胶结差的大断层或断层带布置，洞室走向与缓倾岩层走向平行，围岩处于地下水量大、有高压含水层的岩体内，围岩内压应力集中或出现拉应力，这些都对围岩的稳定性不利。
地下工业工程布置1.遵循厂房工艺流程的基本要求合理的工艺流程要求做到短、顺、不交叉、不逆行。
因此，从保证生产的合理和提高生产效率出发，要求安排好各主体厂房、各主要通道在相互位置和高程上的关系，使这一关系适应工艺流程的要求，并经过洞口把地下部分的生产与地面上联系起来。
这种布置方式与现场的地形、地质等具体结合起来，就基本上确定了地下厂房的总体布置方案。
(1)工艺流程比较简单，对厂房布置没有严格的要求。
例如，没有固定产品的生产，为科研服务的生产，或新产品的研制等，常常没有固定的工艺流程，可以的从地质、结构和施工等方面考虑厂房的合理布置。
(2)工艺流程有严格的顺序，但厂房布置的灵活性仍较大。
这种情况在机械制造类的生产中比较明显。
从原料运入，到机械加工和装配，由各种运输方式互相连接，形成一条比较严格的生产流水线。
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。
第8章 地下洞室围岩稳定性
8.2 围岩变形破坏的特点
• 由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室 围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式 有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、 塑性变形等。 • 1．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。
概述
7.按隧道长度分(山岭隧道):
铁路：特长隧道L＞10000 m 长隧道10000＞L＞3000 m 中长隧道3000＞L＞500m 短隧道L ＜ 500m
公路：特长隧道L＞3000m 长隧道3000＞L＞1000m 中长隧道1000＞L＞500m 短隧道L＜500m
概述
概述
概述
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
用 弹 性 理 应论 力计 重算 分圆 布形 洞 重分布
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。
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。
第八章_地下洞室围岩稳定性分析
塑性松动圈的出现，使圈内一定范围内的应力因 释放而明显降低，而最大应力集中由原来的洞壁 移至塑、弹圈交界处，使弹性区的应力明显升高。
弹性区以外则是应力基本未产生变化的天然应力 区(或称原岩应力区)。
弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力
假设在均质、各向同性、连续的岩体中开挖一半 径为R0的水平圆形洞室，开挖后形成的塑性松动 圈半径为R1，岩体中的天然应力为σ h＝σ v＝σ 0， 圈内岩体强度服从莫尔直线强度条件。塑性圈以 外围岩体仍处于弹性状态。
r
塑性条件
r C Cm mccttggm m1 1 ss
inm inm
d ( rr C C m m c c t tm m g g ) 1 1 s sii m m n n 1 d r r1 2 ssiim m n nd r r
4R02 r2
cos2
V
1
2
1
R02 r2
1
2
1
3R04 r4
cos2
r
V
1
2
1
3R04 r4
2R02 r2
sin2
r
h
V
p sin
2
(b R0) (b R0) (b R0)
应力函数φ
A lr n B 2 r (C 2 r D 2 r F )c2 os
解微分方程，得各常数
A p0 2R B pC pD p0 2R F p0 2R
24 4
4
2
p20 2 R ln r2 rR 2 0 2 12 rR 2 0 22 R r0 2 2 co 2 s
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α ，β 为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。
特点：
①椭圆形洞室长轴两端点应力集中最大，易引起压 碎破坏；而短轴两端易出现拉应力集中，不利于围 岩稳定。 ②各种形状洞室的角点或急拐弯处应力集中最大， 如正方形或矩形洞室角点等。 ③长方形短边中点应力集中大于长边中点，而角点 处应力集中最大，围岩最易失稳。 ④当岩体中天然应力σ h和σ v相差不大时，以圆形 洞室围岩应力分布最均匀，围岩稳定性最好。 ⑤当岩体中天然应力σ h和σ v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在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用 曲线形，以避免角点上过大的应力集中。
由σ H产生的重分布应力
2 4 2 V R 3 R 4 R 0 0 0 r 1 2 1 4 2 cos 2 2 r r r 2 4 V R 3 R 0 0 1 2 1 4 cos 2 2 r r 4 2 V 3 R 2 R 0 0 r 2 1 r 4 r 2 sin 2
第八章 地下洞室围岩稳定性分析
§8.1 §8.2 §8.3 §8.4 §8.5 力 概述 围岩重分布应力计算 围岩的变形与破坏 围岩压力计算 围岩抗力与极限承载
§8.1 概述
1、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。
3） λ =1（σ H=σ v=σ 时的围岩重分布应力
R 0 1 r R 0 1 r 0
2 0 2 2 0 2
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)。
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。
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。
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)。
第八章地下洞室围岩稳定分析及处理措施 公路工程地质课件(共13张PPT)
图8-1 天然拱
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第八章 地下洞室围岩稳定分析(fēnxī)及处理措施
第二节 洞室围岩(wéi yán)的变形与破坏
洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩， 由于解除束缚而向洞室空间松胀变形，这种变形大小超过了围岩所 能承受的能力，便发生破坏，从母岩中别离、脱落，导致坍塌、滑 动和岩爆等。
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第八章 地下洞室围岩稳定分析及处理措施
第一节 概述(ɡài shù)
一、 新奥法 二、 隧道围岩1 投资(tóu zī)学
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第八章 地下洞室围岩稳定分析及处理(chǔlǐ)措施
第一节 概述(ɡài shù)
第三节 地下洞室(dònɡ shì)围岩稳定性的分析方法及处理措施
一、 影响围岩稳定的因素
〔二〕 施工方法和措施的影响
〔1〕 时间因素 〔2〕 坑道的尺寸和形状因素 〔3〕 坑道埋深因素 〔4〕 支护因素 〔5〕 爆破因素 〔6〕 超挖回填因素
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第八章 地下洞室围岩稳定(wěndìng)分析及处理措施
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第十二页，共13页。
第八章 地下洞室围岩稳定分析(fēnxī)及处理措施
第三节 地下洞室围岩稳定性的分析方法及处理(chǔlǐ)措施
二、 保障围岩稳定的处理措施
〔二〕 支撑、衬砌与锚喷加固
支撑是临时性加固洞壁的措施，衬砌是永久性加固洞壁的措施。 此外还有喷射混凝土、锚喷支护等。
第三节 地下洞室(dònɡ shì)围岩稳定性的分析方法及处理措施
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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， 对洞室图岩稳定不利。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0.15一0.6倍水头。
支护设计的优化
Shear failure
Tension failure
2 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)通常以垂直 正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
0 測 点（m） 土被り（m）
安山岩自破砕溶岩層
掘削方向
特殊施工设备与方法
トレヴィジェット
先行脚部ジェット
スリットコンクリート
インバート吹付けによる閉合
脚部補強試験施工状況
环境（地表沉降）控制效果
三维施工力学过程的数值解析方法
以往计算方法
时空三维施工过程
·不能正确反映施工过程 ·材料力学特性的单纯化 ·二维数值方法的局限性
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。
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。
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，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够应力，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
第8-1章 地下洞室围岩稳定性
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。
值。
一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破 坏的产生。平行于洞室测壁的断层，使洞壁和断 层之间的薄层岩体内的应力集中有所增高，因此 洞壁附近的切向应力特高于正常情况下的平均值， 而薄板的抗弯矩又比较低，பைடு நூலகம்往造成弯折内鼓破 坏。
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．
U0
①
掘进方向
⑤二次支护
Ufin
④ 工型钢支护 ② 喷浆支护 ③ 锚杆
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
6m
开挖6ｍ
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
18m
开挖18ｍ
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
24m
开挖24ｍ
时空三维解析过程演示 (塑性区的扩展)
36m
开挖36ｍ
连续·非连续大变形转化辨别 与数值模拟方法
连续·非连续大变形转化数值模拟
数值模拟示例
潜在扩张裂缝的自动形成
新关键块的形成(解析结果)
(a) arch portion excavation Case 3
(b) 9th bench excavation Case 3
(c) final bench excavation
Case 3 A
B
3. 岩爆
有关岩爆的基本概念
在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式 表现出来爆。围岩的破坏有时会这就是所谓的岩 当岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出 或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨， 小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪 和巨响．甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于 地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危 害．大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤 亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究 这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工 作的安全与经济有着重要意义。
城市地下道路建设与环境
上り線
下り線
地下瓦斯管道分布
No.1+65 No.6+00
上り線 下り線
警戒値 ：１０ｍｍ ：２５ｍｍ ：４０ｍｍ
埋深与地层条件
100
土被り１D～２Ｄ
火山円礫岩層
50
土石流堆積層
標高 (m) 70 14 100 14 200 15 300 16 400 27 500 36 600 60 700 59 800 62 900
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,习惯上将此范围内的岩体称为 “围岩”。
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
本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释 放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面 来看，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。
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
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。
4 地下洞室围岩稳定性的分析与评价
影响地下洞室围岩稳定性的因素分析
第一类因素是通过围岩应力状态而影响地下洞室 围岩稳定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞 室的剖面形状和尺寸。其中岩体的天然应力状态既 受自然地质因素控制(例如地质历史决定着贝值的大 小＞又与人类工程活动的要求有关(例初洞室的埋深 决定着‘”值)。而洞室的形状则主要是由人类工程 活动的要求与特点所决定。
Case 3
Fig.12 Controlling generation of new cracks by system bolting ①. Case 3
Case 3
Fig.13 Controlling generation of new cracks by system bolting ②.
(A, B : Measurement point)