地下洞室围岩稳定性.
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。
洞室围岩稳定性研究及支护方案建议
洞室围岩稳定性研究及支护方案建议一、引言洞室围岩稳定性一直是地下工程中极为重要的问题，它关系到工程的安全与可靠性。
在本文中，我们将针对洞室围岩的稳定性问题进行研究，并提出相应的支护方案建议。
二、背景地下洞室工程是人类利用地下空间资源的重要手段，广泛应用于地铁、隧道以及水利、矿山等领域。
然而，由于地质条件的复杂性，洞室围岩稳定性问题一直困扰着工程师们。
处理好围岩的稳定性问题，将为地下工程的安全运行提供保障。
三、研究现状目前，对于洞室围岩稳定性的研究已取得一定成果。
研究者们通过实地观测、数值模拟以及室内试验等手段，深入探究了围岩的力学性质、变形特征以及破坏机理。
这些研究成果为我们提供了宝贵的基础数据。
四、围岩力学性质分析围岩的力学性质是洞室稳定性研究的基础，通过对岩石的抗压强度、弹性模量、滑移特性等进行测试和分析，可以对围岩的稳定性进行评估。
此外，还需考虑岩石的节理、岩石的裂缝和破碎程度等因素。
五、围岩变形特征研究围岩在受到应力作用下会发生变形，这种变形特征对于洞室稳定性的影响至关重要。
当前的研究主要集中在围岩的压缩变形、剪切变形以及破裂变形等方面。
了解围岩的变形特征可以为后续的支护方案制定提供重要参考。
六、围岩破坏机理探究围岩破坏是围岩稳定性问题中的核心内容，它关系到洞室的整体稳定性。
目前的研究主要集中在岩体的破裂方式、破裂类型、破裂力学以及围岩的支护措施等方面。
通过对围岩破坏机理的深入探究，我们可以更好地预测围岩的破坏情况，并制定相应的支护方案。
七、支护方案建议针对洞室围岩的稳定性问题，我们可以采取多种支护方案来增强围岩的稳定性。
具体的支护措施包括加固围岩、注浆加固、锚杆加固等。
在选择支护方案时，需要综合考虑洞室的大小、围岩的性质、地质条件以及经济成本等因素，并进行合理的设计和施工。
八、总结通过对洞室围岩稳定性的研究，我们可以更好地了解围岩的力学性质、变形特征以及破坏机理，为地下工程的安全运行提供保障。
8-1 地下洞室围岩稳定性分析
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pp 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：22rθφσ∂=∂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 pσθ==+()sin 22r r b pθτθ==−0b R >>()()0r r r b r b θτσ====0b R =0b R >>vσxθMvσ0R r弹性薄板pp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。
2420002423411cos22v r R R R r r r σσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=−−+−⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦240024311cos22v R R r r θσσθ⎡⎤⎛⎞⎛⎞=+++⎢⎥⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠⎣⎦420042321sin22v r R R rr 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。
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。
工程地质讲稿-第9章：地下洞室围岩稳定性
地下水作用
地下水压力、渗透性等对围岩 稳定性产生影响，特别是在软
弱岩体中更为显著。
围岩稳定性评价方法
工程地质分析法
通过对地质勘察资料进行综合 分析，评估围岩的稳定性和可
能发生的不良地质现象。
数值分析法
利用数值计算方法模拟围岩应 力分布、变形和破坏过程，为 工程设计和施工提供依据。
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重要性
围岩稳定性是地下洞室工程设计 和施工中的关键问题，直接关系 到工程的安全性、经济性和可行 性。
围岩稳定性影响因素
01
02
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地质条件
包括岩体的物理性质、岩层结 构、节理裂隙发育程度和地下
水状况等。
洞室设计
洞室的跨度、形状、埋深、支 护方式等设计因素岩的扰动程度和 支护结构的及时性有直接影响
控制地下水压力
设置排水系统
在洞室周边设置排水系统，以降 低地下水压力和防止涌水。
采取止水措施
在洞室周边采取止水措施，如注 浆、粘土填塞等，以防止地下水
渗入。
合理选择施工方法
根据地下水压力情况，选择合适 的施工方法，如逆作法、分部开 挖法等，以减少对围岩稳定性的
影响。
监测与预警系统
设置监测点
在洞室周边设置监测点，对围岩位移、变形、应 力等情况进行实时监测。
工程地质讲稿-第9章地下洞室围岩 稳定性
目录
• 地下洞室围岩稳定性概述 • 地下洞室围岩应力分析 • 地下洞室围岩破坏模式与机理 • 提高地下洞室围岩稳定性措施 • 地下洞室围岩稳定性工程实例
01
地下洞室围岩稳定性概 述
定义与重要性
定义
地下洞室围岩稳定性是指围岩在 一定时间内保持其自身结构完整 性和稳定性的能力。
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]。
211219472_缓倾岩层地下厂房洞室围岩稳定性评价——以某抽水蓄能电站地下厂房为例
行了预测分析[11-12],同时对地下厂房施工加固对策进行了探讨[13-15]㊂目前研究多针对局部结构面组合形成不稳定块体进行稳定性研究,而本次研究区整体岩层缓倾,与不同产状的结构面相互组合形成不稳定块体的分布范围更加广泛,不同位置的破坏结构㊁破坏形式更加多样,块体构成及破坏具有一定的特殊性㊂本文从抽水蓄能工程区地下厂房基本地质条件入手,分析结构面组合形式及分布情况,通过数值模拟分析洞室围岩整体稳定性,同时分析各结构面组合形成不稳定块体的组合形态,破坏模式及分布位置,为工程围岩等级划分及后期工程支护提供理论支持,为同类工程地下厂房层状岩体稳定性评价提供借鉴思路㊂1 厂房区岩体及结构面发育特征厂房内岩性以二叠系砂岩为主,岩石具细粒㊁中粗粒砂状结构,块状构造填隙物主要为少量杂基和胶结物,胶结物主要为铁泥质,支撑类型为颗粒支撑类型,胶结类型为接触式胶结㊂局部可见泥质砂岩为变余泥状结构,板状构造,含碎屑泥质,岩石具变余泥状结构㊁板状构造㊂据统计,岩层整体走向NNW 向,倾角较缓,岩层产状一般NW290°~330°SW∠10°~25°㊂工程区断层不发育,勘探偶见规模较小断层,发育间距数百米,宽度10~60cm 不等,多分布于强㊁弱风化带,呈陡倾角分布㊂工程区结构面主要以裂隙为主,通过对工程区㊁厂房区揭露的结构面统计分析结果显示(见图1),结构面主要由3组:产状以层面裂隙最为发育,产状为NW290°~330°SW ∠10°~25°,数量多㊁规模大㊁展布广,并切割其他裂隙;另外发育两组共轭陡倾角裂隙,分别为NW290°~330°SW∠80°~85°以及NE40°~60°SE(NW)∠69°~75°,结构面倾角陡峭,在岩体中与其他结构面相互组合,造成块体失稳和破坏㊂图1 结构面分布特征 从结构面发育情况来看,结构面迹长均以1~3m 最多,并且绝大多数在20m 以内,同时层面裂隙或者缓倾裂隙都要比陡倾裂隙的迹长更长,分布区间更广,而陡倾裂隙的迹长分布较集中㊂结构面形态以平直状结构面为主,其次为起伏和弯曲状,不发育台阶状结构面;结构面表面多呈光滑状态,粗糙状态较少;结构面主要为无充填结构面,其次为软弱夹层,少数结构面充填石英和泥质物㊂2 地下厂房围岩分类及处理建议平硐㊁钻孔揭示,在厂房边墙部位,中厚层状岩体较完整,洞室局部稳定差,以Ⅲ1类围岩为主,互层状岩体完整性较差~较破碎,洞室不稳定~稳定性差,以Ⅲ2类围岩为主,断层及其影响带附近多为碎裂㊁碎块状,岩体较破碎,洞室不稳定,以Ⅳ类围岩为主㊂与陡倾㊁中倾角岩层相比,缓倾结构面在厂房内空间延展性更强,尤其在厂房顶拱部位,受缓倾结构面影响,开挖时极易产生顶拱塌落,围岩不稳定,围岩分类应降级考虑,各洞室围岩分类如图2所示㊂厂房顶拱部位岩体较完整,局部有陡倾结构面穿过,陡倾结构面对顶拱稳定影响较小㊂由于厂房区围岩层面缓倾,在层面作用下顶拱易产生塌落,同时层面与陡倾结构面相互切割作用下,顶拱易产生块体楔形破坏,顶拱部位围岩岩体不稳定,以Ⅳ类围岩为主,建议加强支护并及时排查㊁清除加固处理㊂岩壁梁岩体无大的地质构造通过,节理总体不14西北水电㊃2023年㊃第2期===============================================发育,整体岩石较完整,总体基本稳定,受开挖爆破影响,易使局部层面裂隙㊁共轭陡倾裂隙相互切割部位岩体发生塌落,影响成型,需加固处理㊂主要优势结构面以层面为主,对边墙的影响较小,围岩整体稳定以Ⅲ1类围岩为主㊂局部NNW㊁NNE陡倾裂隙与层面裂隙组合在边墙局部有产生片状剥落破坏及块体楔形破坏的可能,为Ⅲ2类围岩㊂需及时进行加固处理,且边墙陡倾结构面位置多伴随地下水发育,边墙开挖后需及时支护处理㊂图2 各洞室围岩分类3 结构面组成对围岩块体稳定影响3.1 结构面组合及围岩岩体块体失稳模式与其他常见中陡倾角层状地层㊁及块状地层相比,研究区岩性以缓倾层状砂岩与泥岩互层为主,岩体内层间缓倾结构面发育,展布空间较大,开挖洞室内与临空面㊁切层结构面㊁共轭陡倾结构面相互交叉切割㊁组合并在洞壁上出露而形成相应的块体,可能发生滑落,塌落等失稳的现象㊂根据现场勘探平硐揭示,围岩在洞顶和洞壁的破坏模式不同,可将其归类为6类破坏模式(见图3),即洞壁块体掉落破坏㊁洞壁块体滑移-掉落破坏㊁洞壁块体层状剥离破坏㊁洞壁块体倾倒破坏㊁洞顶块体掉落模式以及洞顶层状剥离破坏㊂(1)洞壁岩体破坏模式在陡倾结构面组为洞壁围岩变形的主控结构面的情况下,洞左壁层状围岩上下端受固支,因此,由陡倾结构面切割而成的每一层岩层的受力模式为典型的压杆受力模型,其在重力作用下,压杆中部将向临空面发生内鼓和弯曲,进一步变形后在中部附近出现折断,折断处上部岩体表现为洞壁块体掉落破坏模式(见图3(a)),折断部位下部岩体表现为洞壁块体临空面倾倒(见图3(b))㊁洞壁层状剥离(见图3(c))的变形破坏模式㊂该破坏一般由最外侧围岩起始,逐步向内部围岩扩展,进而以周期破坏的模式出现,同时,当受力情况和岩体自身的性质达到一定条件时,多层围岩可同步向临空面发生弯曲-折断或倾倒破坏,此时各围岩层处于同一破坏周期㊂缓倾岩层结构面在陡倾结构面组主控条件下形成的压杆结构破坏过程中,起到提供优势折断裂隙以及加快压杆结构的破坏作用㊂同时,一点外层围岩压断破坏之后,缓倾层面的存在将使块体出现独立和连带掉落破坏现象,总之,其在围岩的破坏过程中起到加速和加剧作用㊂在陡倾结构面组和缓倾层面组为洞壁围岩变形的主控结构面的情况下,洞壁层状围岩上下端受固支,整体上同样为典型的压杆受力模型㊂缓倾层面将岩体切割成向临空面表现为顺层的结构,因此,层面的存在对洞壁围岩的变形破坏起到关键作用㊂不仅在围岩压杆破坏过程中起到加速和加剧作用,受两组或3组结构面切割,形成楔形块体,并沿下部缓倾结构面掉落的组合失稳模式,即洞壁块体滑移破坏模式(见图3(d))㊂(2)洞顶局部破坏模式对于洞顶,由于层状缓倾岩层在整个洞室展布范围较广,厂房开挖后,洞顶围岩块体的变形破坏由24李鹏,王启鸿.缓倾岩层地下厂房洞室围岩稳定性评价 以某抽水蓄能电站地下厂房为例===============================================岩层结构面组主控㊁近垂直发育的陡倾结构面组为辅控,即岩层面控制着洞顶围岩的塌落高度,而陡倾结构面控制着洞顶围岩破坏模式㊂图3 洞壁局部岩体破坏模式 在岩层层面结构面组为主控结构面的情况下,岩层仅受一端固支,为典型的倾斜悬臂梁,当其与周边岩层出现层离,发生弯曲-折断-掉落破坏后,周边岩层转化为围岩下一变形破坏周期的悬臂梁,洞顶层状围岩依次以此悬臂梁模式破坏,直至各岩层逐渐由悬臂梁变形破坏模式转化为典型的简支梁变形破坏模式㊂具体表现为洞顶部位局部薄层㊁互层状岩体分布段,洞顶围岩片状剥落,剥离破坏后形成 光面”,即 洞顶层状剥离破坏”模式(见图4(a)),该破坏模式在层状缓倾岩层中发育尤为广泛㊂层面组结构面控制着洞顶围岩的整体变形破坏模式为梁的力学模型,但除了层面主控结构面外,陡倾辅控结构面组的存在,让洞顶层状岩体在整体以梁的变形破坏模式的基础上进一步复杂和丰富化,使得洞顶岩层的变形破坏不再严格符合仅有层面条件下的由悬臂梁逐渐转变为简支梁的变形破坏周期规律㊂洞顶部位延伸较长的缓倾角裂隙㊁层面裂隙在共轭陡倾裂隙切割作用下形成 豆腐块”块状块体,重力作用下洞顶形成掉块现象,目前洞顶有块体掉落残留痕迹,即 洞顶块体掉落破坏”模式(见图4(b))㊂3.2 局部围岩岩体块体稳定性评价层面裂隙多为岩屑夹泥型,局部可见泥质岩体发育,抗剪断参数取值f′=0.40,C′=0.06MPa,洞室发育的两组陡倾结构面裂面新鲜㊁闭合,强度较高,强度参数采用f′=0.50,C′=0.10MPa㊂采用un⁃wedge 软件分析对应块体几何形态如图5所示㊂分析可知,延展较大的缓倾结构面与两组共轭陡倾结构面组合易出现不稳定块体,主要区域为拱顶及洞室左右边墙上部,块体重量有限,建议在洞室表面块体周界完全暴露之前做好支护工作㊂34西北水电㊃2023年㊃第2期===============================================图4 洞顶局部破坏模式图5 不稳定块体位置和形状示意图4 厂房应力应变调整4.1 开挖后洞室群围岩变形特征研究工程主副厂房开挖尺寸为76.5m×26.4m×58.5m(长×宽×高)㊂地下洞室群开挖后,各主要洞室洞壁处围岩变形特征如图6所示㊂由图6可知,洞室群围岩变形主要呈现为东西两壁变形大㊁南北两端变形小;其中东西两壁中间变形大㊁边缘变形小的分布规律㊂同时,相邻洞室之间将互相影响㊂主厂房上游壁与引水洞相交处㊁下游壁与母线洞相交处围岩变形均相对较大,在施工中应予以重视㊂开挖过程中围岩整体将表现出较好的自稳能力㊂4.2 开挖后洞室群围岩塑性区特征地下洞室群开挖后,围岩内部将会发生应力重分布和应力集中,导致洞室周边围岩沿切向应力增加而径向应力减小,导致洞室围岩破坏㊂尤其各洞室的洞顶拱墙交角㊁洞底墙脚交角㊁侧墙中部等易产生应力集中的区域,岩体可能发生强烈破坏㊂其中主厂房周边塑性圈较厚,围岩以剪切破坏为主,主厂房上游壁中部岩体为剪切和拉伸共同作用,主厂房底板与顶板区域均发生剪切破坏;主变室周边围岩塑性区厚度较小;尾调室周边围岩塑性区分布规律为顶拱周边存在部分岩体未进入塑性状态,上游㊁下游壁附近围岩塑性区㊁厚度均远小于开挖半径,开挖44李鹏,王启鸿.缓倾岩层地下厂房洞室围岩稳定性评价 以某抽水蓄能电站地下厂房为例===============================================后将呈现较好的自稳能力㊂图6 洞室群应变三维分布 此外受主厂房㊁主变室开挖的影响,主变搬运道周边围岩塑性圈也相对较大,靠近主厂房一侧围岩塑性圈厚度大于靠近主变室一侧塑性区厚度㊂同时,3条主变搬运道之间岩体也部分进入塑性状态㊂从塑性区三维分布特征(见图7)也可以得出工程区岩体破坏形式主要为剪切破坏,其中主厂房和尾调室侧壁的破坏模式主要为拉伸破坏和剪切破坏的共同作用,3条主变搬运道之间岩体进入塑性状态的区域较少㊂地下厂房区拱角㊁墙角受应力集中影响,可能存在破裂破坏,需及时采取支护措施或预防措施㊂图7 洞室群塑性区断面及三维分布特征5 结 论(1)厂房部位以二叠系中粒㊁细粒砂岩为主,偶见砂质泥岩岩层,厂房区岩层产状缓倾,结构面以层面裂隙㊁与层面展布方向相同及正交的两组共轭陡倾角裂隙组成㊂(2)建议在水平岩层地区地下厂房部位围岩分类按照厂房不同部位进行,相较于陡倾㊁中倾角产状岩体,缓倾层状岩体洞室在拱顶部位层面展布区域较广,顶拱部位易产生塌落,同时层面与陡倾结构面相互切割作用下,顶拱易产生块体楔形破坏,顶拱部位围岩岩体不稳定,以Ⅳ类围岩为主,建议加强支护并及时排查㊁清除加固处理㊂(3)洞室的临空面㊁岩层的层面及层间错动和其他结构面(切层断层㊁缓倾节理㊁陡倾节理)相互交叉切割㊁组合并在洞壁上出露而形成相应的块体㊂块体破坏模式主要有洞顶部位的块体掉落㊁层状剥离,洞壁部位的块体掉落㊁洞壁块体滑移-掉落㊁块体倾倒㊁块体层状剥离等6种;缓倾岩层主要破坏区域位于拱顶及洞室顺向侧边墙上部,建议在洞室表面块体周界完全暴露之前做好支护工作㊂(4)洞室开挖后围岩整体自稳能力较好,拱角㊁墙角等转折处易产生应力集中区域,可能发生强烈破坏,主厂房和尾调室侧壁的破坏模式主要为拉伸破坏和剪切破坏的共同作用,3条主变搬运道之间岩体进入塑性状态的区域较少㊂地下厂房区拱角㊁54西北水电㊃2023年㊃第2期===============================================墙角受应力集中影响,可能存在破裂破坏,需及时采取支护措施或预防措施㊂参考文献:[1] 刘锦华,吕祖珩.块体理论在工程岩体稳定分析中的应用[M].北京:水利电力出版社,1988.[2] 李攀峰.大型地下洞室群围岩稳定性工程地质研究 以黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群为例[D].成都:成都理工大学,2004.[3] 任爱武,伍法权,范永波,等.复杂地质条件下顶拱大型不稳定块体分析与预测[J].工程地质学报,2008,16(06):788-792.[4] 王家祥,叶圣生,周质荣,等.三峡地下电站主厂房顶拱块体模式及加固对策[J].人民长江,2007,38(09):63-68.[5] 陈剑平,卢波,王良奎,等.复杂不稳定块体的自动搜索及其失稳方式判断-基于随机不连续面三维网络模型[J].岩石力学与工程学报,2003,22(07):1126-1131.[6] 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(上接第39页)三维点云配准重建技术,具有自主定位㊁无接触影像采集㊁输出毫米级精度彩色点云的功能,实现了地下空间工程的高精度探测㊂(2)RGBD+SLAM 技术将SLAM 领域的图像特征㊁优化㊁闭环检测㊁点云等技术融为一体,建模过程中,又在点云数据的基础上加入了环境的纹理信息算法,使建立的环境模型更加形象㊁真实㊂(3)将智能管涵探测机器人 RGBD +SLAM”技术应用在某压缩空气储能项目的试验洞探测中,获取了可靠的围岩三维实景模型,基于点云数据对断层进行了解译,并评估了隧洞的超欠挖情况㊂研究成果对于快速构建地下工程三维实景模型,实现洞室施工过程的智能化㊁可视化管理具有促进意义㊂参考文献:[1] 李军远,陈宏钧,张晓华,等.基于信息融合的管道机器人定位控制研究[J].控制与决策,2006,21(06):661-665.[2] 徐小云,颜国正,鄢波.一种新型管道检测机器人系统[J].上海交通大学学报,2004,38(08):1324-1327.[3] 吴璋,佃松宜,龚永铭,等.电缆管道巡检机器人远程测控系统的研究与实现[J].测控技术,2013,32(09):32-36.[4] 祝赫,田梦,郑洪标.基于物联网的管道检测机器人研究与应用[J].给水排水,2014(10):96-99.[5] 伍亮,周敏,罗波,等.基于三维激光扫描的暗涵检测技术应用研究[J].给水排水,2022,58(S2):441-446.[6] 王令文,程效军,万程辉.基于三维激光扫描技术的隧道检测技术研究[J].工程勘察,2013,41(07):53-57.[7] 李海波,杨兴国,赵伟,等.基于三维激光扫描的隧洞开挖衬砌质量检测技术及其工程应用[J].岩石力学与工程学报,2017,36(S1):3456-3463.[8] 钱海,马小军,包仁标,等.基于三维激光扫描和BIM 的构件缺陷检测技术[J].计算机测量与控制,2016,24(02):14-17.[9] 巨广红,申恩昌,薛有平,等.工程勘测新技术及工程应用[J].西北水电,2020(02):12-18.[10] 李晓斌,林志军,林志军,等.基于激光扫描和倾斜摄影技术的三维实景融合建模研究[J].激光杂志,2021,42(08):166-170.[11] 张广羚.面向未知三维场景重建系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2018.[12] 李星宇,赫念学,魏英波,等.复杂环境倾斜摄影与实景三维建模技术应用[J].测绘通报,2021(S1):20-24.[13] 谭雅斯.基于RGB-D 相机的点云拼接三维重建研究与应用[D].贵阳:贵州大学,2017.[14] 孔李燕.基于RGB-D 的三维点云目标分割[D].青岛:中国石油大学,2018.[15] 周晓玉.基于图优化的移动机器人RGB -D 点云地图构建[D].秦皇岛:燕山大学,2018.[16] 张琦.移动机器人的路径规划与定位技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.[17] 贾浩.基于Cartographer 算法的SLAM 与导航机器人设计[D].济南:山东大学,2019.[18] 孙永泉,田红丽.视觉惯性SLAM 综述[J].计算机应用研究,2019(12):3530-3533.64李鹏,王启鸿.缓倾岩层地下厂房洞室围岩稳定性评价 以某抽水蓄能电站地下厂房为例===============================================文章编号:1006 2610(2023)02 0047 05黄土湿陷系数与物性指标的相关性分析潘登丽1,康尘云2(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.陕西铁道工程勘察有限公司,西安 710043)摘 要:为了探究湿陷系数与物性指标间的内在关系,在西安市南郊神禾塬采取270组土样进行室内试验,分析湿陷系数与12个物性指标的相关性,选取与湿陷系数具有高度相关关系的7个物性指标作为自变量,以平方根变换后的正态变量为因变量,采用逐步回归分析方法建立以天然密度㊁压缩系数㊁孔隙率㊁饱和度为自变量的最优回归模型,用同一场地的另外29组实测数据验证该预测模型的准确性㊂结果表明:该回归模型具有统计学意义,4个自变量对因变量的影响也均有统计学意义;湿陷系数实测值与预测值的决定系数等于0.930,二者得到的湿陷等级一致,说明该回归模型的预测精度较高㊂研究结果对于快速准确地预测黄土的湿陷系数具有一定的参考价值㊂关键词:湿陷性黄土;湿陷系数;相关分析;逐步回归;预测模型中图分类号:TU431 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2023.02.009Correlation Analysis of Loess Collapsibility Coefficient and Physical Property IndexPAN Dengli 1,KANG Chenyun 2(1.PowerChina Northwest Engineering Corporation.Ltd.,Xi'an 710065,China ;2.Shaanxi Railway Engineering Survey Corporation.Ltd.,Xi'an 710043,China )Abstract :To explore the inherent relationship between collapsibility coefficient and physical property indexes ,270groups of soil samples were taken from Shenhe Plateau in the southern suburb of Xi'an for indoor tests.The correlation between the collapsibility coefficient and 12physical property indexes was analyzed.Seven physical property indexes highly correlated with the collapsibility coefficient were selected as independent variables ,the normal variables after square root transformation were used as dependent variables ,and an optimal regression mod⁃el with natural density ,coefficient of compressibility ,porosity ,and saturation as independent variables was established by stepwise regression analysis method.Another 29groups of measured data from the same site were used to verify the accuracy of the prediction model.The results show that the regression model is statistically significant ,and the effects of the four independent variables on the dependent variables are also statistically significant ;The determination coefficient between the measured value and the predicted value of the collapsibility coefficient is e⁃qual to 0.930,and the collapsibility grades obtained by the two ways are consistent ,indicating that the prediction accuracy of the regression model is high.The study results have certain reference value and practical engineering significance for quick and accurate prediction of the collapsibility coefficient of loess.Key words :collapsible loess ;collapsibility coefficient ;correlation analysis ;stepwise regression ;prediction model 收稿日期:2022-10-10 作者简介:潘登丽(1993-),女,陕西省安康市人,工程师,主要从事岩土工程勘察方面的工作.0 前 言湿陷性黄土是在干旱㊁半干旱气候条件下形成的,受水浸湿后在一定压力作用下,土体强度弱化,承载力降低,结构迅速破坏,并产生显著的沉降㊂黄土的物理力学参数对黄土地区工程的设计和施工都有重要影响[1-3],湿陷系数是定量评价黄土地基湿陷变形的重要参数,通过湿陷系数计算得到的湿陷量是黄土地基湿陷等级划分的依据㊂为确定湿陷系数,一般需开挖探井采取原状试样,进行室内压缩试验,工作量大㊁费工费时㊁精度有限㊂因此,根据已有的基础试验资料,通过科学的分析方法,提出一种快速准确的预测黄土湿陷系数的新方法是有必要的㊂近年来很多学者通过对湿陷系74西北水电㊃2023年㊃第2期===============================================。
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
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，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R0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：图8.1柯西课题分析示意图……………………①式中为应力函数，它是和的函数，也是和的函数。
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)。
第六节 地下洞室围岩应力分布和稳定性判别
第六节地下洞室围岩应力分布和稳定性判别
一、岩石受破坏规律和强度特性
初始围岩应力：自重引起或者地质构造运动引起
二、岩石的初始应力场—海姆假定
在岩体深处的初始垂直应力（由自重引起的）与其上覆盖的岩体重量成正比，而水平应力与垂直应力几乎相等。
自重产生的初始地应力：视岩体为表面水平的半无限体，无地质构造作用，则深度Z处由自重产生的垂直应力为：
式中，为岩石的容重。
都是主应力，且无侧向（水平向）变形：
式中, M —静止侧压力系数或泊松系数.
初始地应力的现场量测方法：应力解除法，应力恢复法.
三、地下洞室围岩应力的弹性理论
圆形洞室围岩应力的分布：开挖洞室的影响在3倍洞高之内。
判断围岩的稳定性：
(1)弹性理论： r<0, 出现拉应力, 洞顶不稳定, 需进行衬砌;
(2) 自然平衡拱理论
(3) 经验方法:围岩分类法（将岩石分为五类）。
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。
地下厂房洞室群围岩稳定性方法研究
地下厂房洞室群围岩稳定性方法研究首先，地下厂房洞室群围岩的稳定性评价是保证地下工程安全的重要前提。
地下厂房洞室群围岩的稳定性评价可以通过对围岩岩性、构造、地质构造等因素的全面分析来进行。
通过对地质地质调查、钻探岩芯描述、摇杆、频谱分析、震源震议等多种方法对围岩进行综合分析，从而获得围岩的力学特性及其时空变化规律，进而对围岩的稳定性进行科学合理的评价。
其次，稳定性分析方法是地下厂房洞室群围岩稳定性研究的核心内容。
地下厂房洞室群围岩的稳定性分析方法主要包括全面预处理和计算力学模型两个环节。
全面预处理包括洞室群围岩的划分、边界条件设置和位移问题的预处理等，其目的是为后续计算力学模型的建立提供一个合理的基础。
计算力学模型是对围岩本构关系、荷载、约束条件等进行建模和数值求解，以获得围岩的应力和位移变化规律。
在建立计算力学模型时，可以采用有限元方法、解析方法、模型试验等多种方法，以获得准确的计算结果。
在地下厂房洞室群围岩稳定性研究中，需要注意以下几个问题。
首先，要对地下厂房所处的地质环境进行全面的调查和分析，包括围岩的类型、构造特征、地下水情况等。
其次，要根据地质环境的特点，选择适当的稳定性评价和分析方法。
例如，在存在地下水的情况下，需要考虑围岩的水文力学特性对稳定性的影响。
此外，还应考虑洞室群围岩的变形与破坏机理，以及围岩与洞室结构之间的相互作用等问题。
综上所述，地下厂房洞室群围岩稳定性研究是一个复杂而重要的课题。
通过全面的地质调查、合理的稳定性评价和分析方法，可以提高地下工程的安全性和可靠性，为地下厂房的设计和施工提供科学依据。
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。
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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)。
(4)在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。
地下洞室围岩稳定性分析，实质上是研究地下开挖后上述4种力学作用的形成机理和计算方法。
所谓围岩稳定性是一个相对的概念，它主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对比例关系。
一般来说，当围岩内一点的应力达到并超过了相应围岩的强度时，就认为该处围岩已破坏；否则就不破坏，也就是说该处围岩是稳定的。
因此，地下洞室围岩稳定性分析，首先应根据工程所在的岩体天然应力状态确定洞室开挖后围岩中重分布应力的大小和特点；进而研究围岩应力与围岩变形及强度之间的对比关系，进行稳定性评价；确定围岩压力和围岩抗力的大小与分布情况。
以作为地下洞室设计和施工的依据。
为此，本章将主要讨论地下洞室围岩重分布应力、围岩变形与破坏、围岩压力和围岩抗力等的岩体力学分析计算问题。
第二节围岩重分布应力计算地下洞室围岩应力计算问题可归纳为：①开挖前岩体天然应力状态(natuarLstress或称一次应力、初始应力和地应力等)的确定；②开挖后围岩重分布应力(或称二次应力)的计算；③支护衬砌后围岩应力状态的改善。
本节仅讨论重分布应力计算问题。
地下开挖前，岩体中每个质点均受到天然应力作用而处于相对平衡状态。
洞室开挖后，洞壁岩体因失去了原有岩体的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，而向洞内空间胀松变形，其结果又改变了相邻质点的相对平衡关系，引起应力、应变和能量的调整，以达到新的平衡，形成新的应力状态。
我们把地下开挖后围岩中应力应变调整而引起围岩中原有应力大小、方向和性质改变的作用，称为围岩应力重分布作用。
经重分布作用后的围岩应力状态称为重分布应力状态，并把重分布应力影响范围内的岩体称为围岩。
据研究表明，围岩内重分布应力状态与岩体的力学属性、天然应力及洞室断面形状等因素密切相关。
一、无压洞室围岩重分布应力计算(一)弹性围岩重分布应力对于那些坚硬致密的块状岩体，当天然应力大约等于或小于其单轴抗压强度的一半时，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形。
因此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。
这里以水平圆形洞室为重点进行讨论。
1.圆形洞室深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，围岩重分布应力可以用柯西(Kirsh,1898)课题求解。
如果洞室半径相对于洞长很小时，可按平面应变问题考虑。
则可将该问题概化为两侧受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。
图8-1是柯西课题的概化模型，设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔。
取如图的极坐标，薄板中任一点M(r,θ)的应力及方向如图所示。
按平面问题考虑，不计体力，则M点的各应力分量，即径向应力ςr、环向应力ςθ和剪应力σrθ与应力函数φ间的关系，根据弹性理论可表示为：图8-1 柯西课题分析示意图(8-1)(8-1)式的边界条件为：(8-2)为了求解微分方程(8-1)，设满足该方程的应力函数φ为：(8-3)将(8-3)式代入(8-1)式，并考虑到边界条件(8-2)式，可求得各常数为：将以上常数代入(8-3)式，得到应力函数φ为：(8-4)将(8-4)式代入(8-1)式，就可得到各应力分量为：(8-5)式中：ςr，ςθ，σrθ分别为M点的径向应力、环向应力和剪应力，以压应力为正，拉应力为负；θ为M点的极角，自水平轴(x轴)起始，反时针方向正；r为向径。
(8-5)式是柯西课题求解的无限薄板中心孔周边应力计算公式，我们把它引用到地下洞室围岩重分布应力计算中来。
实际上深埋于岩体中的水平圆形洞室的受力情况是上述情况的复合。
假定洞室开挖在天然应力比值系数为λ的岩体中，则问题可简化为图8-2所示的无重板岩体力学模型。
若水平和铅直天然应力都是主应力，则洞室开挖前板内的天然应力为：图8-2 圆形洞室围岩应力分析模型(8-6)式中：ςv，ςh为岩体中铅直和水平天然应力；σzx，σxz为天然剪应力。
取铅直坐标轴为z，水平轴为x，那么洞室开挖后，铅直天然应力ςv引起的围岩重分布应力也可由(8-5)式确定。
在(8-5)式中，p用ςv代替，而θ角应是向径OM与z轴的夹角θ′。
若统一用OM与x轴的夹角θ来表示时，则这样由ςv引起的重分布应力为：(8-7)由水平天然应力ςh产生的重分布应力，可由(8-5)式直接求得，只需把式中p换成λςv即可。
因此有：(8-8)将(8-7)和(8-8)式相加，即可得到ςv和λςr同时作用时圆形洞室围岩重分布应力的计算公式为：(8-9)或(8-10)由(8-9)式和(8-10)式可知，当天然应力ςh，ςv和R0一定时，围岩重分布应力是研究点位臵(r，θ)的函数。
令r＝R0时，则洞壁上的重分布应力，由(8-10)式为：(8-11)由(8-11)式可知，洞壁上的σrθ＝0，ςr＝0，仅有ςθ作用，为单向应力状态，且其ςθ大小仅与天然应力状态及计算点的位臵θ有关，而与洞室尺寸R0无关。
从(8-11)式，取λ＝ςh /ςv 为1/3，1，2，3…等不同数值时，可求得洞壁上0°，180°及90°，270°两个方向的应力ςθ如表8-1和图8-3所示。
结果表明，当λ＜ 1/ 3时，洞顶底将出现拉应力；当1/3＜λ＜3时，洞壁围岩内的ςθ全为压应力且应力分布较均匀；当λ＞3时，洞壁两侧将出现拉应力，洞顶底则出现较高的压应力集中。
因此可知，每种洞形的洞室都有一个不出现拉应力的临界λ值，这对不同天然应力场中合理洞形的选择很有意义。
表8-1 洞壁上特征部位的重分布应力ςθ值2。
2F〗〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y 2〗ς θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，180°90°，270°〖XXZSX2－YX〗〖XXZSY2－YX〗〖BSZSX1Y2〗 ς θ 〖BSYSX2Y1〗θ〖BSZXX1Y1 2〗λ 0°，180° 90°，270°[BHDG1*2]0 3 ς v － ς v 1／3〖〗8 ς v／3 0〖BH〗1 2 ς v[]2 ς v[]2[] ς v[]5ς v[BH]3[]0[]8 ς v[]4[]－ ς v[]11 ς v 5 － ςv 14 ς v [HT]〖TP3，11*2。
40#〗图8-3 ςθ/ςv随λ的变化曲线为了研究重分布应力的影响范围，设λ＝1，即ςh＝ςv＝ς0，则(8-10)式变为：(8-12)(8-12)式说明：天然应力为静水压力状态时，围岩内重分布应力与θ角无关，仅与R0和ς0有关。
由于σrθ=0，则ςr，ςθ均为主应力，且ςθ恒为最大主应力，ςr恒为最小主应力，其分布特征如图8-4所示。
当r＝R0(洞壁)时，ςr=0，ςθ=2ς0，可知洞壁上的应力差最大，且处于单向受力状态，说明洞壁最易发生破坏。
随着离洞壁距离r增大，ςr逐渐增大，ςθ逐渐减小，并都渐渐趋近于天然应力ς0值。
在理论上，ςr，ςθ要在r→≦处才达到ς0值，但实际上ςr，ςθ趋近于ς0的速度很快。
计算显示，当r=6R0时，ςr和ςθ与ς0相差仅28%。
因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。
在该范围以外，不受开挖影响，这一范围内的岩体就是常说的围岩，也是有限元计算模型的边界范围。
图8-4 ςr，ςθ随r增大的变化曲线2.其他形状洞室为了最有效和经济地利用地下空间，地下建筑的断面常需根据实际需要，开挖成非圆形的各种形状。
下将讨论洞形对围岩重分布应力的影响。
由圆形洞室围岩重分布应力分析可知，重分布应力的最大值在洞壁上，且仅有ςθ，因此只要洞壁围岩在重分布应力ςθ的作用下不发生破坏，那么洞室围岩一般也是稳定的。
为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况，先引进应力集中系数的概念。
地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值，称为应力集中系数。
该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况。
从(8-11)式可知，圆形洞室洞壁处的应力ςθ可表示为：(8-13)式中：α，β为应力集中系数，其大小仅与点的位臵有关。
类似地，对于其他形状洞室也可以用(8-13)式来表达洞壁上的重分布应力，不同的只是不同洞形，α，β也不同而已。
图8-5列出了常见的几种形状洞室洞壁的应力集中系数α，β值。
这些系数是依据光弹实验或弹性力学方法求得的。
应用这些系数，可以由已知的岩体天然应力ςh，ςv来确定洞壁围岩重分布应力。
由图8-5可以看出各种不同形状洞室洞壁上的重分布应力有如下特点：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。