地下工程围岩破坏机理及控制技术研究
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图 １ 裂 隙 边 应 力
破 坏机理 ， 证 地 下 工 程 的正 常 施 工 和 安 全 运 营 。 保
一
０岩石 发 生 破 坏 ； Ｏ 当ｒ ＋３ ＂ ０ ３＜０时 ， 足 ｏ 满 ｒ ＝
大 量 的工 程实 践表 明 围岩 变形 破 坏 的形 式 与特 点 ，
８－ 岩石发 生 破坏 。式 中 ，ｒ为 单 向抗压 强 度 ， ｏ ， ｏ
他符号意义同前 。
总 第 ５ ２期 １
现代 矿 业
２１年 ｌ ０１ ２月第 １ ２期
当岩 石 承受 的应力 超 过岩 石 的抗 压 强度 时 ， 则 岩石破 坏 。
（） １ 在工 程荷 载 （ 般 小 于 １ ａ 范 围 内 ， 一 ０ＭＰ ） 工 程岩体 的失 稳破 坏有 相 当一 部分 是沿 软弱结 构 面破
１ 围岩破坏机理
１ １ 岩 石破坏 ．
根 据 岩性 的不 同 围岩 的破 坏方 式 有 ： 硬岩 体 坚 多 为脆性 破坏 ； 一般 岩体 多为剪切 破 坏 。
１ １ １ 脆 性破坏 ．．
根 据 Ｍｏｒ ｏｌｍ ｈ． ｕｏ ｂ准 则 ［ ］岩 体 的破 坏 是 一 Ｃ ２ ， － ３ 种 压剪 破坏 ， 地下 洞室开 挖后 ， 室 周边某 点 的切 向 ｝ 同 应 力 、 向应 力分 布见 图 ２ 而且符 合下 式 ： 径 ，
裂纹扩展 、 贯通 ， 从而使岩体产生宏观破坏。
根据椭圆孔应力状态的弹性解析解 ：
图 ２ 洞 室周 边 切 向应 力 、 向应 力分 布 径
ｏ－ｏ ：
当Ｏ ＋ ｏ ＞ 时， ｒ ３＂ ０ 满足（ １ Ｏ ） ８ 。 ＋ ） 】 ３ ｒ ｏ 一 － ＋ （ ３ ３ １
｝ ｒ 十
（． １ 内蒙古科技 大学建筑与土木 工程 学院；． ２ 太原理工大学矿 业工程 学院）
摘
要
针 对地 下 ３程 在 开挖 和运 营 中经 常 出现 的 围岩 破 坏 失稳 情 况 ， － ． 通过 分 析 不 同岩性 围
岩的破 坏方 式 ， 示 了地 下 工程 围岩 的破 坏机 理 ， 此 提 出 了对 围岩 变形 和破 坏 的控 制原 则和 手 揭 据
Ｓ ｒ ｌＮ ． １ ｅｉ ｏ ５ ２ ａ
Ｄｅ ｅＴｂ ｒ ２ ｅ ｌ ｅ ． ０１ ｌ １
现
代
矿
业
Ｍ ０ＤＥＲＮ Ｉ ＮＧ Ｍ ＮＩ
总 第 ５ ２期 １ ２１年 １ ０ １ ２月第 １ ２期
地 下 工程 围岩 破 坏机 理及 控 制 技术研 究
鲍先 凯 薛 刚’ 李 义
根据 Ｇｉｉ ｒ ｔ ｆ ｈ的脆性 断裂 理论 ， 体 的破 坏是 脆 岩 性 岩体 （ 砂 岩 等 ） 如 内部存 在着 许 多 杂 乱 无 章 的微 小裂 隙 。地下 洞室 开 挖 后 ， 岩 由三 维 应 力状 态 变 围 为 二维应 力 状 态 ， 压 缩 应 力 ｏ 、 作 用 下 ， 隙 在 ｒｏ ｒ 裂 尖 端产生 很 大的拉 应 力集 中 （ ） 见 图 １导 致 ｒ ｏ、 ， ，
脆性岩石受到高地应力作用发生岩爆等 ¨ 。随着
我 国地下 工程 数量 的增 加 和规 模 不 断扩 大 ， 特别 是 近几 年地 下工 程埋 藏 深 度不 断 增 加 ， 围岩 的失 稳 和 破 坏 问题 日益 严重 ， 制约着 地 下工程 的设计 、 工和 施 正 常 的使 用 ， 以非 常有 必 要研 究 地 下 工 程 围岩 的 所
坏 的。这时， 结构面 的强度性质是评价岩体稳定性
的关键 。
（） ２ 在工 程 荷 载 作 用 下 ， 构 面 及 其 充 填 物 的 结 变形 是岩体 变形 的 主要 组 分 ， 制 着 工 程 岩体 的变 控
形特 性 。
ｒ当角度 再增 量 ， 应半径增 加 ｄ。可 得方 程 ： ； 相 ｒ
（ ） 工 程 荷 载作 用下 ， 体 中 的应 力 分 布也 ３在 岩 受结 构 面及其 力学性 质 的影 响 。
。
除与岩体 内的初始应力状态和洞形等因素有关外 ， 主要 取决 于 围岩的 岩性和 结构 。从 以上 ２个 方 面展
开研 究 ， 揭示 地下 工程 围岩 的破 坏机 理 ， 此基础 上 在 达 到控制 围岩 稳定 的 目的 ， 地下 工 程 的 建设 提 供 为
一
Ｍ Ｐａ，， ｒ
＝
； 为单 向抗拉强度 ， ａ ＝ ＭＰ ，
Ｉ＋ ｓ Ｏ ｍ
； Ｃ为岩石 内聚力 ， Ｐ ； 为岩 石 内摩擦 角 Βιβλιοθήκη Baidu Ｍ ａ
（ ） 。。
定 的理 论依 据和科 学指 导 。
当洞 室周 边 的 主应 力分 布和 大小 不 符合 上 式 ， 岩 石则 不会 发生破 坏 ， 围岩处 于稳 定状态 。
１ １ ２ 剪切破 坏 ．．
如 果地 下 洞 室在 水 平 等压 条件 下 ， 大 主平 面 最 就是 径 向平 面 。剪 切 破 坏 面 发 展 趋 势 见 图 ３ 破 裂 ， 面 的方 向随 ０变化 ， 以破 裂 面是一个 曲面 ， 所 当角度
由 增 大 到 ， 则破 断半 径 相应 从 洞 室 半径 ０增 到
段， 能为地 Ｔ＿程 的建 设提供 一 定的理论 依据 和科 学指 导意 见。 ： ｒ －
关 键词 地 下工程 破 坏机理 施 工方 法 监 测
地 下工 程开挖 后 ， 果 围岩应 力 过 大 或 支 护不 如 当， 会使 得 开挖体 边界 附近 的岩石发 生破 坏 ， 可能导 致 地下 工程 结构失 去 稳 定 ， 形 式 可表 现 为 开挖 体 其 逐 渐闭 合 、 围岩开 裂 、 帮 、 板离层 和 冒落 ； 硬 的 片 顶 坚
， ㈩ ，
１ ０１
内蒙古科技大学创新基金项 目（ 编号 ： １ Ｎ ０ ９ 。 ２ ０ Ｃ ４ ） ０ 鲍先凯 （ ９６ ） 男， １７ ～ ， 讲师 ， 硕士 ，１ １ ０４ ０内蒙古包头市。 ０
式 中 ， 为切 向应 力 ， ａｏ 为径 向应力 ， Ｐ ； ＭＰ ； ｒ Ｍ ａ其
图 １ 裂 隙 边 应 力
破 坏机理 ， 证 地 下 工 程 的正 常 施 工 和 安 全 运 营 。 保
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０岩石 发 生 破 坏 ； Ｏ 当ｒ ＋３ ＂ ０ ３＜０时 ， 足 ｏ 满 ｒ ＝
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８－ 岩石发 生 破坏 。式 中 ，ｒ为 单 向抗压 强 度 ， ｏ ， ｏ
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总 第 ５ ２期 １
现代 矿 业
２１年 ｌ ０１ ２月第 １ ２期
当岩 石 承受 的应力 超 过岩 石 的抗 压 强度 时 ， 则 岩石破 坏 。
（） １ 在工 程荷 载 （ 般 小 于 １ ａ 范 围 内 ， 一 ０ＭＰ ） 工 程岩体 的失 稳破 坏有 相 当一 部分 是沿 软弱结 构 面破
１ 围岩破坏机理
１ １ 岩 石破坏 ．
根 据 岩性 的不 同 围岩 的破 坏方 式 有 ： 硬岩 体 坚 多 为脆性 破坏 ； 一般 岩体 多为剪切 破 坏 。
１ １ １ 脆 性破坏 ．．
根 据 Ｍｏｒ ｏｌｍ ｈ． ｕｏ ｂ准 则 ［ ］岩 体 的破 坏 是 一 Ｃ ２ ， － ３ 种 压剪 破坏 ， 地下 洞室开 挖后 ， 室 周边某 点 的切 向 ｝ 同 应 力 、 向应 力分 布见 图 ２ 而且符 合下 式 ： 径 ，
裂纹扩展 、 贯通 ， 从而使岩体产生宏观破坏。
根据椭圆孔应力状态的弹性解析解 ：
图 ２ 洞 室周 边 切 向应 力 、 向应 力分 布 径
ｏ－ｏ ：
当Ｏ ＋ ｏ ＞ 时， ｒ ３＂ ０ 满足（ １ Ｏ ） ８ 。 ＋ ） 】 ３ ｒ ｏ 一 － ＋ （ ３ ３ １
｝ ｒ 十
（． １ 内蒙古科技 大学建筑与土木 工程 学院；． ２ 太原理工大学矿 业工程 学院）
摘
要
针 对地 下 ３程 在 开挖 和运 营 中经 常 出现 的 围岩 破 坏 失稳 情 况 ， － ． 通过 分 析 不 同岩性 围
岩的破 坏方 式 ， 示 了地 下 工程 围岩 的破 坏机 理 ， 此 提 出 了对 围岩 变形 和破 坏 的控 制原 则和 手 揭 据
Ｓ ｒ ｌＮ ． １ ｅｉ ｏ ５ ２ ａ
Ｄｅ ｅＴｂ ｒ ２ ｅ ｌ ｅ ． ０１ ｌ １
现
代
矿
业
Ｍ ０ＤＥＲＮ Ｉ ＮＧ Ｍ ＮＩ
总 第 ５ ２期 １ ２１年 １ ０ １ ２月第 １ ２期
地 下 工程 围岩 破 坏机 理及 控 制 技术研 究
鲍先 凯 薛 刚’ 李 义
根据 Ｇｉｉ ｒ ｔ ｆ ｈ的脆性 断裂 理论 ， 体 的破 坏是 脆 岩 性 岩体 （ 砂 岩 等 ） 如 内部存 在着 许 多 杂 乱 无 章 的微 小裂 隙 。地下 洞室 开 挖 后 ， 岩 由三 维 应 力状 态 变 围 为 二维应 力 状 态 ， 压 缩 应 力 ｏ 、 作 用 下 ， 隙 在 ｒｏ ｒ 裂 尖 端产生 很 大的拉 应 力集 中 （ ） 见 图 １导 致 ｒ ｏ、 ， ，
脆性岩石受到高地应力作用发生岩爆等 ¨ 。随着
我 国地下 工程 数量 的增 加 和规 模 不 断扩 大 ， 特别 是 近几 年地 下工 程埋 藏 深 度不 断 增 加 ， 围岩 的失 稳 和 破 坏 问题 日益 严重 ， 制约着 地 下工程 的设计 、 工和 施 正 常 的使 用 ， 以非 常有 必 要研 究 地 下 工 程 围岩 的 所
坏 的。这时， 结构面 的强度性质是评价岩体稳定性
的关键 。
（） ２ 在工 程 荷 载 作 用 下 ， 构 面 及 其 充 填 物 的 结 变形 是岩体 变形 的 主要 组 分 ， 制 着 工 程 岩体 的变 控
形特 性 。
ｒ当角度 再增 量 ， 应半径增 加 ｄ。可 得方 程 ： ； 相 ｒ
（ ） 工 程 荷 载作 用下 ， 体 中 的应 力 分 布也 ３在 岩 受结 构 面及其 力学性 质 的影 响 。
。
除与岩体 内的初始应力状态和洞形等因素有关外 ， 主要 取决 于 围岩的 岩性和 结构 。从 以上 ２个 方 面展
开研 究 ， 揭示 地下 工程 围岩 的破 坏机 理 ， 此基础 上 在 达 到控制 围岩 稳定 的 目的 ， 地下 工 程 的 建设 提 供 为
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； Ｃ为岩石 内聚力 ， Ｐ ； 为岩 石 内摩擦 角 Βιβλιοθήκη Baidu Ｍ ａ
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定 的理 论依 据和科 学指 导 。
当洞 室周 边 的 主应 力分 布和 大小 不 符合 上 式 ， 岩 石则 不会 发生破 坏 ， 围岩处 于稳 定状态 。
１ １ ２ 剪切破 坏 ．．
如 果地 下 洞 室在 水 平 等压 条件 下 ， 大 主平 面 最 就是 径 向平 面 。剪 切 破 坏 面 发 展 趋 势 见 图 ３ 破 裂 ， 面 的方 向随 ０变化 ， 以破 裂 面是一个 曲面 ， 所 当角度
由 增 大 到 ， 则破 断半 径 相应 从 洞 室 半径 ０增 到
段， 能为地 Ｔ＿程 的建 设提供 一 定的理论 依据 和科 学指 导意 见。 ： ｒ －
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地 下工 程开挖 后 ， 果 围岩应 力 过 大 或 支 护不 如 当， 会使 得 开挖体 边界 附近 的岩石发 生破 坏 ， 可能导 致 地下 工程 结构失 去 稳 定 ， 形 式 可表 现 为 开挖 体 其 逐 渐闭 合 、 围岩开 裂 、 帮 、 板离层 和 冒落 ； 硬 的 片 顶 坚
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１ ０１
内蒙古科技大学创新基金项 目（ 编号 ： １ Ｎ ０ ９ 。 ２ ０ Ｃ ４ ） ０ 鲍先凯 （ ９６ ） 男， １７ ～ ， 讲师 ， 硕士 ，１ １ ０４ ０内蒙古包头市。 ０
式 中 ， 为切 向应 力 ， ａｏ 为径 向应力 ， Ｐ ； ＭＰ ； ｒ Ｍ ａ其