地下工程围岩稳定性分析与控制

第6章 地下工程围岩稳定性分析与控制

6.1 概述

地下洞室是指在地下岩土体中人工开挖或天然存在的作为各种用途的构筑物，按用途分为：矿山井巷（竖井、斜井、巷道）交通隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程等。修建地下洞室，必然要进行岩土体开挖。开挖将使工程周围岩土体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布，这种新出现的不平衡应力没有超过围岩的承载能力，岩体就会自行平衡；否则，将引起岩体产生变形、位移甚至破坏。在这种情况下，就要求构筑物承力结构或支护结构，如支架、锚喷、衬砌等，进行人工稳定。在岩石力学中，将受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称作围岩。从原始地应力场变化至新的平衡应力场的过程，称为应力重新分布。经应力重新分布形成的行的平衡应力，称为次生应力或诱发应力，也叫围岩应力、二次应力、地压、岩亚、矿压或矿山压力。由于次生应力是岩体变形、破坏的主要根源，故次生应力是岩石力学研究的重要内容之一。因此，实现地下岩体工程稳定的条件是

max max u U σ⎫⎬⎭

＜S ＜ （6.1） 式中， max σ和max u 分别为围岩内或支护体内的最大或最危险的应力和位移；S 和U 为围岩或支护体所允许的最大应力（极限强度）和最大位移（极限位移）。

有关这方面问题的研究，无论是否支护，都统称为稳定性问题。稳定性问题是岩体地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间的是否满足工程截面大小的安全可靠性。有的地下工程不稳定，还将造成对周围环境的影响，如地面建筑的损坏、边坡塌方以及工程地质条件的恶化等。

此处所讨论的稳定性问题，与压杆、薄壁、壳体等结构稳定性问题的概念有所不同，采用的理论分析方法也是不一样的。

岩体地下工程埋在地下的一定深度，如目前的交通隧道、矿山巷道，有的深到数百米甚至数千米。根据岩体地下工程埋入的深浅可以把它分为深埋和浅埋两种类型。浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而在力学处理上要考虑地表界面的影响。深埋地下工程可视为无线体问题，即在远离岩体地下工程的无穷远处的原岩体。

岩体地下工程施工是在地应力环境之中展开的，这一点和地面结构工程完全不同，正是这个区别，给岩体地下工程带来了许多不同的性质和特点。地下工程开挖前，地下岩层处于天然平衡状态，地下工程的开挖破坏了原有的应力平衡状态，引起围岩应力重新分布，出现应力状态改变和高应力集中，产生向开挖空间的位移甚至破裂并在围岩与支护结构的接触过程中，形成对支护结构的荷载作用，所以，确定岩石地下工程结构的荷载是一个复杂的问题，它不仅涉及地下岩石条件，而且涉及地应力的确定问题，开挖影响问题，甚至还受到支护结构本身的刚度等性质的影响，这和作用在地面结构上的外荷载是不同的。

岩体地下工程，无论最终是平衡或者破坏，也不管有否构筑人工稳定的承载或维护结构，岩石内部的应力重分布行为都会发生，这一应力重分布行为是地下岩石自行组织稳定的过程，因此，充分发挥围岩的自稳能力是实现岩体地下工程稳定的最经济、最可靠的方法。实际上。地下岩体工程的稳定，同时包含了人工构筑结构物的稳定，以及围岩自身的稳定，两者往往是共存的。围岩稳定对于地下岩体工程的稳定是非常重要的，有时甚至是地下岩体工程稳定性好坏的决定性因素。

岩体地下工程稳定性研究及其在工程中的一系列成就，是20世纪中叶以来岩石力学的一个重要进展，如井巷(隧道)围岩的弹性和弹塑性(极限平衡)分析成果，用复变函数解围岩的弹性平面问题，用现代块体力学理论分析块状结构岩体的稳定性问题，软岩支护与新奥法理论技术，以及有关稳定问题的各种数值分析方法等。普氏压力拱理论或太沙基理论，这些成熟的古典力学方法，仍然是解决碎裂和松散结构岩体稳定性的可靠方法

当然，由于地质条件的复杂性，以及岩体地下工程的一系列特点，在地下岩体工程的理论与实践中，还有许多未知的或难以控制和掌握的因素，地下岩体工程稳定问题还远不能说已经解决，例如:在深部岩体工程建设中，发现岩体表现出了一些与浅部不一样的特性，深部硬岩岩体从脆性向延性转化，无论硬岩还是软岩巷道在高应力集中的深部都呈现了分区破裂化效应，等等，更需要人们为之付出更多的辛劳和努力。

围岩应力状态与原岩应力状态及巷道断面形状有密切关系，因此，从这两个方面进行讲解，此外，讨论中仍假设岩体为均质各向同性休。

6.2 弹性理论计算洞室围岩与衬砌应力(无内压\有内压)

解析方法是指采用数学力学的计算取得闭合解的方法。在采用数学力学方法解岩石力学问题时，必然要用到反映这些岩石力学基本性质的关系式，即本构方程，因此，在选择使用解析方法时，要特别注意这些物理关系式和岩体所处的物理状态相匹配，反映其真实的力学行为，例如，当地下工程围岩能够自稳时，围岩状态一般都处于全应力—应变曲线的峰前段，可以认为这时的岩体属于变形体范畴。采用变形体力学的方法研究岩体的应力不超过弹性范围、最适宜用弹性力学方法，否则，应用弹塑性力学或损伤力学方法。研究岩体的应力应变超过峰值应力，即围岩进人全应力—应变曲线的峰后段。岩体可能发生刚体滑移或者张裂状态，变形体力学的方法就往往不适宜，这时可以采用其他方法，例如块体力学，或者一些初等力学的方法。

解析方法可以解决的实际工程问题十分有限，但是，通过对解析方法及其结果的分析。可以获得一些规律性的认识这是非常重要和有益的。

6.2.1无内压巷道围岩应力分布

正如前述，弹性与黏弹性力学分析，适用于弹性或黏弹性材料，也就是说，围岩必为均质、各向同性、无蠕变性或黏性行为。弹性、黏弹性解析法仅能解析圆形、椭圆形断面间题。

6.2.1.1轴对称圆形巷道围岩的弹性应力

A 基本假设

符合深埋条件，并且埋深Z大于或等于20倍的巷道半径a（或其宽、高），既有

≥（6.2）

Z a

20

研究表明，当深埋20

≥时，忽略巷道影响范围（3~5倍a）内的岩石自重

Z a

（见图6.1a），与原问题的误差不超过10%，于是，水平原岩应力可以简化为均布力。

假设巷道断面为圆形，在无限长的巷道长度里围岩的性质一致，于是可以采用平面应变间题的方法。这样，原问题就构成荷载与结构都是轴对称的平面应变圆孔问题(见图6.1b)。轴对称应满足的两个条作是：（1）断面形状对称，即对称轴为通过圆心且垂直于圆形断面的一条直线；(2)荷载对称，即图6.1(b)中p=q，

τ=。

也就是说原岩应力为各向等压(静水压力)状态，即0

rθ