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。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。

三、地质构造条件

1、洞轴线与构造线方向应垂直或大角度相交，顺倾向开挖

2．褶皱的影响

褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩层完整性最差。

在背斜核部，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。

向斜核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。

另外，向斜核部往往是承压水储存的场所，地下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。

在布置地下洞室时，原则上应避开褶皱核部

2．断裂的影响

断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。因此，在选址时应尽量避开大断层

3．岩层产状的影响

(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。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象

(2)洞室走向与岩层走向平行

在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。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。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。

四、地下水

在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。

五、地应力

初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。当应力比系数λ<1/3或λ>3时，围岩内将出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。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

第四节洞室设计参数

山岩压力与围岩抗力

山岩压力也称围岩压力，是指由于围岩变形、破坏所形成的松动岩体，作用在支护或衬砌上的力。

二、弹性抗力

对于有压隧洞，隧洞的内水压力通过衬砌传递到围岩上，围岩将产生一个反作用抗力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力大，愈有利于衬砌的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力

（一）、弹性抗力的确定方法

弹性抗力系数

抗力系数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

即为内水压力(MPa)；

Y为洞壁的径向变形(cm)。

（二）．围岩抗力的确定方法

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双筒橡皮囊法、径向千斤顶法和堵塞水压法等。

抗力系数K=P/Y

2、计算法

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R的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算：

K=E/[(1+μ+ln(R/r) ]/ r

3、工程类比法