第7章 洞室围岩稳定性分析 工程地质

拉应力集中造成的张性破坏
脆性围岩 塑性围岩
块体状结构及 厚层状结构
中薄层结构 碎裂结构 层状结构
散体结构
劈裂剥落 剪切滑移及剪切破 碎 岩爆 弯折内鼓 破碎松动 塑性挤出 膨胀内鼓 塑性挤出 塑流涌出
压应力集中造成的压制拉裂
压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂
压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏 卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂 压应力集中造成的剪切松动 压应力集中作用下的塑性流动 水分重分布造成的吸水膨胀 压应力作用下的塑流 松散饱水岩体的悬浮塑流
❖ 不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压应力 集中系数值，可根据7图8及表3的资料概略确定。
❖
❖ 这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大 主应力与周边垂直相交的A点，不同条件下这类洞 室周边上的最大拉内力集中系数可据表2的资料概 路确定。
❖ 从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应力产 生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。
❖ 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。
❖ 不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可 据式(1)或图6求得。
❖ 7.2.3 其它形状洞室周边应力集中的一般规律
❖ 7.2.3.1 方形一矩形洞室
❖ 图7及图8表明，方形一矩形洞室周边上最大压应 力集中均产生于角点上，而且这些角点上的最大压 应力集中系数随洞室宽高比(B／H的不同而变化， 在不同的应力场中(N值不同时)，大体上都是方形或 近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低， 随着宽高比的增大或减小，洞室角点上的最大压皮 力集中系数则线性或近似干线性地增大。
❖ 7.2.2.1 拉应力产生的条件
❖ 从图6中可以看出，
❖ (1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不 产生拉应力;
❖ (2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大 主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中 系数与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时，σhθ ／ σv 均等于-1;
❖ 例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、 引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生 过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩 层中，当洞径大于6m的洞体平行或近于平行(交角 小于20。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁 上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖 后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在 桩号。十135航段的施工过程中，随着开挖的进行， 岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加 固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如 排沙洞，在ot 360—o十470m段的施工过程中。
第七章 洞室围岩稳定性分析
❖ 7.1 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宣 统称为地F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。
❖ 7.3.2 脆姓围岩的变形和破坏
❖ 脆性图岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬 或半坚硬的脆性岩体。这类因岩的变形和破坏，主 要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的，水 分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。这类 围岩变形破坏的形式和特点．除与由岩体初始应力 状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要 取决于围岩结构，一般有弯折内鼓、张裂塌落、劈 裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型(见表6)，现 分述如下。
❖ 7.2.5 图岩特性及不连续面对围岩应力的影响
❖ 图12表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的应力 分布情况，它表明，当围岩的应力—应变关系具有 非线性特征，或围岩具有较大螺变特性时，洞室周 边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力； 但当远离洞壁一定医离后，岩层内的切向应力则要 大干理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图12中 的虚线所示。
❖ 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。பைடு நூலகம்
❖ 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(如 图3中的X轴方位)，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(如图3中z轴方位)。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，
❖ 7.2.3.2 长圆形(圆拱直墙式)洞室
❖ 根据光弹试验的资料，图9所示断面上各特征点的 切向应力仍可按式1求得。图中各特征点的应力集 中系数中α和β值，列于表4中.
❖
❖ 根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞 室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的E点， 但当N值大于7以后，周边上的最大压应力集中则出 现在洞室的顶拱A点处。最大拉应力集中仍产生在 最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故在N＜1的应 力场中。随着N值的降低，拉应力首先出现在洞底 的中点F处，其产生拉应力的N值条件为N0.39， 随着N值的进一步降低，F点处的拉应力逐渐增大， 当N降至小于0.25时，洞室顶拱的中点A点处也开始 产生拉应力；在N＞1的应力场中，最大拉应力集中 产生在园拱与直墙的交界点c处，其出现拉应力的N 值条件为N＞2.1。
❖ 其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩 内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而重新 调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应 力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成 一定的应力分带，如图15所示的水静应力场中(N＝ 1)圆形隧洞周围的三个应力带就是围岩塑性变形或 破坏的发展所造成的。围岩表部低应力区的形成往 往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表 部转移，这不仅能进一步恶化围岩的稳定条件而且 能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生 强烈的膨胀变形，造成很大的山压。
❖ 此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各向异 性而引起。已被某些测量所验证过的理论计算结果 指出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性 岩层。
❖ 7.2.6 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(图14)，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
❖ 7.2.4 洞室周边应力与其形状间的近似定量关系
❖ 根据森维南原理可知．洞室周边的应力状态，
❖ 只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的控 制。在如图10所示的特例条件下，洞室周边特定点 A、B处的应力与其形态间有如下定量关系：
❖ 上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半 径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际 上，利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室 周边与主应力垂直相交两点(即A、B点)处的周边 应力。例如，在图11所示的情况下，只要先求出A、 B两点处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点 的周边应力。A点的曲率半径可直接从图中求出B 点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径 计算。按上述方法求得的周边应力分别为：σA＝ 3．96P，σB ＝-0.17P，与据边界无法求得的数 据σA＝3．0P ， σB＝-0.17P),可见，这种简易的 近似计算完全能满足工程设计的精度要求。
❖ 围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体 内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩 的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将 围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构 之间的关系列于表6。
表6 围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系
围岩类型 岩体结构 变形 破坏形式
产生机制
张裂塌落
❖ 7.3 地下洞室围岩变形破坏及山岩压力问题
❖ 7.3.1 围岩变形破坏的一般过程和特点
❖ 地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化， 促使围岩性状发生变化的因素，除上述的卸荷回弹 和应力重分布之外，还有水分的重分布。一殷说来， 洞室开挖后，如果围岩岩体承受不了回弹应力或重 分布的应力的作用，围岩即将发生塑性变形成破坏。 这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最 大压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩， 内部发展的。
❖ 0.15一0.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧道
的最小间距按下表(表5)确定。
表5
围岩类型
VI
V—IV
III
II
I
最小间距
（1.5—2.0） （2.0—2.5） （2.5—3.0） （3.5—5.0）
B
B
B
B
>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。
❖ 图6表明，当b／a＝N时，周边上不产生拉应力， 且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条 件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应 力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当b／a ＞N时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中 系数随两者差值的增大而增大。当b／a＜N时，最 大压应力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其 应力集中系数愈高。
❖ (3)当0N1时，特定洞形有特定的产生拉应力的 临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞 周垂直相交的部位。亦即当N ＜l时，最大拉应力出 现在A点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将 愈大；当N＞1时,最大拉应力产生在B点，且N值愈高 临界值，该处所产生的拉应力将愈大。
❖ 7.2.2.2 最大压应力集中的规律
❖ 7.3.2.1 弯折内鼓
❖ 这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形 破坏的主要形式。从力学机制来看，它的产生可能 有两种情况：一是卸荷回弹的结果；二是应力集中 使洞壁处的切向压应力超过范层状岩层的抗弯折强 度所造成的。
❖ 由卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生在 初始 应力较高的岩体内(或者洞室埋深较大，或者水平 地应力较高)，而且总是在与岩体内初始最大主应 力垂直相交的洞壁上表现得最强烈．故当薄层状岩 层与此洞壁平行或近于平行时，洞室开挖后．薄层 状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作 用下发生如图Io一16所示的弯曲、技裂和折断， 最终挤入洞内而坍阁。
至洞室周边达最大值。
❖ 7.2.2 圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律
❖ 对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应 力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始 最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的 A、B两点，而两点之间的应力则介于上述两个极 值之间，呈逐渐过渡状态(如图4、5)。可见这两 点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两 点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中 的一般规律。
❖ 根据弹性理论，圆-椭圆形地下洞室周边A、B 两点的切向应力可根据下式求得：
❖ σθ=σv(α+βN) (1)
❖ 式中： (α+βN）称为应力集中系数（=σθ/σv ）。
❖ A点和B点的α和β 值列于下表(表1)，符号见图4。
表1
α
β
A点
-1
2（b/a）+1
B点
2（b/a)+1
-1
图
6 洞 室 周 边 应 力 集 中 系 数
❖ 图13表示地下洞室附近断层等不连续面的存在 对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有一 个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内 的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用 [如图13(b)]，从而使断层面上产生剪应力[如图 13(c)]。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层 角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发生位 移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减 小了一些，由于这种原因，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．