第七章-地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

流
组合成不稳定的
隧
楔形体
洞
永
定
河 0+703 —
某 0+716
水
电
站
压
力
引
水
隧 洞
1+71岩
中，裂隙十分发
育，且有与洞线
近直交的 F 68 和 F 67 两断层切割。 F 67 充填有玢岩 风化物和亚粘土，
隧洞开挖至 F 67 时发生 坍塌，并有水涌出，总
塌方量约 600 余方
λ
1
3r04 r4
cos2θ
τ rθ
σv
1
2
λ
1
3r04 r4
2r02 r2
si n2θ
式中： σr为径向应力；σθ为切向应力；r0为隧洞半径；
r为质点至洞轴线的距离； τrθ为剪应力；极 角 反 时 针
用弹 性理 论计 算圆 形洞 室周 边应 力重 分布
2
r
1
r
2 0
采取特殊措施后保证了稳 定
3
物质处于饱水状态，
高 10m 的边墙很难
保持稳定
福
洞顶为缓倾角（ 8
建
°— 20 °）夹泥
某
节理切割成薄板 施工开挖拱脚后，使两
工
状且与另一陡倾 侧岩体失去下部支撑。
程 40 — 160 角充水夹泥石英 前后塌方四次，总方量 4
导
脉破碎带交切，
达 400 — 500m 3
r
v r 2
1
v
r
2 0
r 2
0
r
r0 2 r0 3 r0 4 r0 5 r0 6 r0 r0
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。
第七章 地下洞室围岩稳定性的 工程地质分析
概述
地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。 如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等； 地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷 道、地下输水隧洞等； 地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；
地下式水电站洞室布置剖面示意图
有压及无压隧洞
11
且地下水活动
模式口引水隧洞进 口段
微风化至强风化 的辉绿岩，处于 断层带内，风化 节理甚发育，充 填粘土，水的活
动剧烈
钢支撑后仍产生塌方， 将架立的钢支架全部 压垮，自洞顶至地表 20m 岩层全部坍塌， 塌方量达 1000 m 3
12
第一节 围岩应力的重分布
地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初 始应力状态。
一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力
v rz
圆形
洞室
围岩
重分
布应 力计 算简 图
h v
r0
x
h v
v rz
洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式
σr
σv
1
2
λ
1
r02 r2
σv
1
2
λ
1
3r04 r4
4r02 r2
cos2θ
σθ
σv
1 2
λ
1
r02 r2
σv
1 2
工程及桩号
0+170 —
河
0+180
南
伊 河
某
水
库
泻 0+405 —
洪
0+415
隧
洞
塌方段的地质 特点
玄武岩中。洞顶 有缓倾的夹泥软 弱结构面，与其 他陡倾角的结构 面相互切割成楔 形体，且有水沿
结构面下滴
塌方情况
例 号
每当开挖使软弱结构面
暴露时，洞顶软弱结构 面以下岩体立即坍落。
1
前后共发生过四次
5
F 68 夹有断层泥，
沿 F 67 地下水集
中渗流
破碎玢岩，裂隙 很发育，三组与 洞线近直交、平 行和斜交的陡倾 角裂隙，一组与 洞线近平行的缓 倾角裂隙，相互
切割
拆除木支撑后未及时衬
砌好而产生塌方
6
3+468 — 3+481
霏细岩，发育有两
条相距 4m 、倾向 木支撑拆除后扩大洞径，
相反的断层，组成 正值雨季，断层带涌水量
（1）洞室四周岩体的围岩压力的评价（即岩体本身对 衬砌支护的压力评价）； （2）岩体内地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护 的压力）； （3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固措施；
围岩：地下洞室周围的围岩土体。 即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度 或平均直径3倍左右范围内的岩土体。 我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例 见下表
洞顶有一走向平
行洞轴、倾角 25
°的煌斑岩脉，
由洞顶左侧倾向 一次放炮后岩体突然塌
右侧，并于右拱 落 20m ，坍落后顶拱又 2
脚出露，为平行
处于稳定状态
洞身的陡立小断
层切割，构成平
0+370 — 0+380
该段处于断层破碎
带中，整个边墙为
红色断层泥与强烈
破碎的玄武岩组成， 并有地下水流出， 断层带的松散破碎
靠近背斜轴部， 断裂发育，风化
破碎
多次发生顶拱坍塌，后 改明挖
9
充水夹泥断裂发 育，多组交切构
成不稳定体
塌方
1 0
福建某二级引 水隧洞的一段
北西向近直立的
大断层在洞内出 露，宽约 50 余 m ，其中十余条 岩脉穿插，节理 发育，风化严重，
施工中不断发生塌方，
大者计四次，最终冒 顶、 80m 岩层全部塌 落，地表陷落 3 — 5m
开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支 撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内 产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体 的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称 重分布应力、二次应力或围岩应力。
直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与 岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性 等因素有关。
一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如 下方面：
１．在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域 稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身 岩体的稳定）。
２．在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体 的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外， 还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题， 这些问题有：
楔形体。断层充填 增大，物质软化产生塌方， 7
物为粘土及碎石，
约 500 m 3
并有滴水
7+154 — 7+157
页岩与玢岩交界带， 为断层接触，破碎 带宽约 20 余 m ， 页岩风化破碎成粉
土状
开挖过程中不断掉块，后 因遇到小窑洞暂时停工， 由于未对已开挖段进行支
撑加固，导致大塌方
8
进口段
甘 肃 某 工 程 导 流 隧 0+095 — 洞 0+110