地下工程围岩稳定性分析概要

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。
围岩失稳机制及破坏形式
围岩变形破坏的常见形式
2．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。
坚硬岩体中的块体滑移
块 状 结 构 岩 体 的 块 体 滑 移
洞 室 围 岩 应 力 重 分 布 对 比 图
第三节 围岩稳定的工程地质分析
一、围岩稳定的概念 围岩稳定是指在一定时间内，在一定的地质力
和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。围岩在压 应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断：
1.围岩的抗压强度和抗拉强度是否适 应围岩应力。（公式略）
2.围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪 应力。 （公式略）
三 类 典 型 的 分 离 体
3．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。
Ⅳ类为不稳定围岩，规模较大的各种变形破坏都 可能发生。 V 类为极不稳定围岩，不能自稳，变形破坏严重。
地下 洞室 围岩 工程 地质 分类
岩石强度评分表(A)
围岩完整程度评分表（B)
结构面状态评分表（c）
地下水评分表（D)
主要结构面产状评分表(E)
地下工程围岩自稳能力
第四节围岩压力与弹性抗力
(2)围岩压力系数法。（简介）
(3)块体极限平衡法。（简介）
用 普 氏 平 衡 拱 理 论 计 算 山 岩 压 力
第五节 提高围岩稳定性的措施
一、支护与衬砌
1.支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用
的临时性措施，按照选用材料的不同，有 木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太 稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止 围岩早期松动。
层状结构围岩变形破坏特征
4．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。
5．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。
第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
鲁布革水电站隧道施工
有压及无压隧洞
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。
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。
一、山岩压力
1．山岩压力的类型
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。
(1)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。一般塑性变形主要有塑性 挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随 时间延长而增大的特点。
(2)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。松动山压仅限于围岩产生 松动脱落的局部范围内。它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。
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，岩压力的大小在工程上具有重要
的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造
成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不
了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。
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，
碎裂岩体松动解脱
碎裂结构围岩塌方示意图
散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形
三、（修正）围岩质量等级与自稳能力的关系
I 类为稳定岩体，围岩可长期稳定。
Ⅱ类为基本稳定围岩，不会产生塑性变形，局部 可能产生掉块。
Ⅲ类围岩稳定性差，围岩强度不足，局部会产生 塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏， 完整的较软岩稳定性较好，可定为“暂时稳 定”。
(3)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。
2．松动山岩压力的确定方法
(1)普氏压力拱理论。M．M．普罗托季亚科诺 夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试 验于1907年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断 层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的 散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩 体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所 以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重 量。这个拱称为塌落拱、平衡拱或压力拱。
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、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力
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 论计 算圆 形洞 室周 边应 力重 分布
地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布
二、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。