地下洞室围岩稳定性分析课件.ppt

1、本章学习内容及要求本章学习内容及要求 1 1）了解地下洞室的研究意义和一般分类方法，掌握地下洞了解地下洞室的研究意义和一般分类方法，掌握地下洞室、洞室围岩及支护的基本概念；室、洞室围岩及支护的基本概念； 2）熟悉地下开挖后围岩应力重分布的特征，熟悉地下开挖后围岩应力重分布的特征，重点掌握圆重点掌握圆- -椭椭圆形洞室围边拉应力与压应力的产生条件；圆形洞室围边拉应力与压应力的产生条件； 3）掌握洞室围岩的变形破坏类型、特征及其产生的结构与掌握洞室围岩的变形破坏类型、特征及其产生的结构与力学条件；力学条件； 4）掌握影响围岩稳定性的主要因素，）掌握影响围岩稳定性的主要因素，熟悉地下洞室围岩稳熟悉地

2、下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；定性的分析与评价方法； 5）了解地下岩体支护措施分类，熟悉常见、常用的围岩支了解地下岩体支护措施分类，熟悉常见、常用的围岩支护措施。护措施。 本章重点：本章重点： 1）地下洞室开挖后围岩应力分布特征；地下洞室开挖后围岩应力分布特征； 2）地下洞室围岩的各类变形破坏特征及其产生条件；地下洞室围岩的各类变形破坏特征及其产生条件； 3）地下洞室围岩稳定性分析与评价方法。地下洞室围岩稳定性分析与评价方法。 本章难点：本章难点： 1）各类洞室围岩在重分布应力作用下产生应力集中的条件；各类洞室围岩在重分布应力作用下产生应力集中的条件； 2）各类围岩变形破坏的控制因素和产生

3、条件。各类围岩变形破坏的控制因素和产生条件。本章重点及难点本章重点及难点10.1 10.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 10.1.1 10.1.1 基本概念基本概念 1 地下洞室地下洞室(underground cavity) 天然天然存在于岩土体中或为各种目的存在于岩土体中或为各种目的修建修建在地下在地下的的具有一定断面形状和尺寸并有较大延伸长度的中具有一定断面形状和尺寸并有较大延伸长度的中空通道或中空洞空通道或中空洞室室统称为地下洞室，包括矿山坑道、统称为地下洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下

4、停车场、地下储油库、地下弹道导弹发射井、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。以及地下飞机库等。 公路隧道武汉长江隧道水电站地下厂房ssss10.1 10.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 10.1.1 10.1.1 基本概念基本概念 2 围岩（围岩（surrounding rock） 开挖空间周围应力状态发生改变开挖空间周围应力状态发生改变的那部分岩体。的那部分岩体。 3 二次应力（二次应力（secondary stress） 岩体开挖引起的重新分布的应力，岩体开挖引起的重新分布的应力，也称次生应力。也称次生应力。 4 支护（支护（Support）

5、用于支撑地下洞室围岩，使其用于支撑地下洞室围岩，使其稳定的结构。稳定的结构。10.1 10.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 1 按用途按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下市政工程、地下军事工程地下厂房（仓库）、地下市政工程、地下军事工程 ； 2 按洞壁受压情况按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室；：有压洞室、无压洞室； 3 按断面形状按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形；：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形； 4 按与水平面关系按与水平面关系：水平式、倾斜式、垂直式；：水平式、倾斜式、垂直式； 5 按介质类型按介

6、质类型：岩体洞室、土体洞室、水中洞室；：岩体洞室、土体洞室、水中洞室； 6 按应力情况按应力情况：单式洞室、群洞；：单式洞室、群洞； 7 按埋置深度：按埋置深度：浅埋式、深埋式。浅埋式、深埋式。10.1.2 10.1.2 地下洞室的分类地下洞室的分类二滩地下厂房锦屏地下厂房拉西瓦水工建筑 10.1.3 10.1.3 研究意义研究意义 1.地下空间应用的历史地下空间应用的历史从从15 世纪开始的近代世纪开始的近代与现代与现代诺贝尔发明黄色炸药诺贝尔发明黄色炸药 ，成为地下空间开发的有成为地下空间开发的有效武器。效武器。第一时代第一时代第二时代第二时代第三时代第三时代至今至今古代时期（公元前古代时

7、期（公元前30005世纪世纪）埃及金字塔、古巴比伦引埃及金字塔、古巴比伦引水隧洞，秦汉陵墓等。水隧洞，秦汉陵墓等。5世纪世纪14世纪的中世纪时代世纪的中世纪时代欧洲经历了封建社会最黑暗的千欧洲经历了封建社会最黑暗的千年文化低潮，地下空间开发利用年文化低潮，地下空间开发利用基本处于停滞状态。我国石窟逐基本处于停滞状态。我国石窟逐渐形成。渐形成。远古时期（人类出现远古时期（人类出现 公元前公元前3000年）年）人类原始穴居人类原始穴居,北京周北京周口店的口店的“山顶洞人山顶洞人”人类居住地址。人类居住地址。第四时代第四时代10.1.3 10.1.3 研究意义研究意义 2.中国是世界地下工程发展强国

8、中国是世界地下工程发展强国中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、中国是世界隧道和地下工程最多、发展最快、地质条件及结构形式最复杂的国家地质条件及结构形式最复杂的国家。 工程建设空间资源的局限，促进了地下洞室的建筑需求，工程建设空间资源的局限，促进了地下洞室的建筑需求，但软基、高地应力、高水压、高地温、强破碎等复杂但软基、高地应力、高水压、高地温、强破碎等复杂地质地质条件条件及深埋、大跨度、超长等及深埋、大跨度、超长等建筑要求建筑要求增大了地下洞室的增大了地下洞室的失稳风险。失稳风险。 3.中国也是世界地下工程风险最大的国家中国也是世界地下工程风险最大的国家 以上客观事实要求对地下洞室进行系以

9、上客观事实要求对地下洞室进行系统研究统研究,解决围岩应力与强度之间的矛盾，解决围岩应力与强度之间的矛盾，防止地质灾害发生防止地质灾害发生:为地下建筑的安全、经济提供保障；为地下建筑的安全、经济提供保障；为工程设计、施工和各类问题提供充为工程设计、施工和各类问题提供充分可靠的地质依据。分可靠的地质依据。10.1.3 10.1.3 研究意义研究意义10.1 10.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义围岩应力围岩强度 基础设施建设中，各类地下洞室中的围岩失稳事故频发，基础设施建设中，各类地下洞室中的围岩失稳事故频发，如塌方、涌水、岩爆、大变形、瓦斯爆炸等屡见不鲜；如塌方、涌水、岩爆、大变

10、形、瓦斯爆炸等屡见不鲜；10.1.3 10.1.3 研究意义研究意义印度板块印度板块欧亚板块欧亚板块四川盆地四川盆地青藏高原青藏高原塔里木盆地塔里木盆地鄂尔多斯鄂尔多斯地下地质灾害问题，如：地下地质灾害问题，如：l 地下工程坍方问题地下工程坍方问题l 高地应力与围岩岩爆及大变形灾害问题高地应力与围岩岩爆及大变形灾害问题l 岩溶隧道涌水突泥灾害及超前预报问题岩溶隧道涌水突泥灾害及超前预报问题l 隧道瓦斯突出及防爆问题。隧道瓦斯突出及防爆问题。2009年 6月 6日，三亚市绕城高速公路迎宾隧道塌方，8名工人被困2008年年5月月17日，大盈江四级电站是盈日，大盈江四级电站是盈江县在建的重要水电站之

11、一，它位于盈江县在建的重要水电站之一，它位于盈江县东南距离县城约江县东南距离县城约70公里的崇山之中公里的崇山之中 2006年年01月月16日，贵昆铁路辅助隧道日，贵昆铁路辅助隧道发生塌方发生塌方 12名施工人员被困名施工人员被困2007年年1月月12日，巴西圣保罗市西部地日，巴西圣保罗市西部地铁铁4号线一处工地发生塌方事故。当天号线一处工地发生塌方事故。当天下午发生的这次塌方事故造成至少下午发生的这次塌方事故造成至少3人人受伤，受伤，1人失踪人失踪 2005.10.27，天汕高速广福隧道塌方天汕高速广福隧道塌方12人被困，该隧道是双洞分离式高速公路人被困，该隧道是双洞分离式高速公路隧道，出事

12、点离出口约隧道，出事点离出口约463米、离工作米、离工作面约面约80米；原设计该段岩层为较坚固的米；原设计该段岩层为较坚固的V类围岩，开挖后发现实际变更为较差类围岩，开挖后发现实际变更为较差的的III类围岩类围岩 锦屏二级水电站辅助洞岩爆锦屏二级水电站辅助洞岩爆 锦屏二级水电站辅助洞五次大涌水锦屏二级水电站辅助洞五次大涌水 圆梁山隧道突泥圆梁山隧道突泥 都汶高速公路隧道瓦斯爆炸都汶高速公路隧道瓦斯爆炸事故的直接原因：由于事故的直接原因：由于掌子面处塌方掌子面处塌方，瓦斯异常涌出，瓦斯异常涌出，致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸界限，模板台车配电致使模板台车附近瓦斯浓度达到爆炸界限，模板台车配电箱

13、附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引起瓦斯爆炸。 2005年年12月月22日日14日日40分，四分，四川省都江堰至汶川高速公路董家山川省都江堰至汶川高速公路董家山右线隧道发生特别右线隧道发生特别重大瓦斯爆炸重大瓦斯爆炸事事故，造成故，造成44人死亡，人死亡，11人受伤，直人受伤，直接经济损失接经济损失2035万元。董家山隧道万元。董家山隧道左线全长左线全长4090米，右线全长米，右线全长4060米，米，事故发生时右线隧道完成开挖事故发生时右线隧道完成开挖1487米、衬砌米、衬砌1419米。米。单轴应力作用下的主应力迹线 稳态水流 环绕圆柱形障碍时的流线

14、 10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布 10.2.1 10.2.1 围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点l岩体初始应力状态l洞室开挖后应力重分布l对比开挖岩体产生应力重分布的主应力迹线与稳态水流越过障碍物时的流线。 理想弹性平板在单轴应力作用下主应力迹线的分布与稳态水流经过障碍物时的流线特征具有相似性： 圆柱形障碍物置于光滑稳态水流中时，水流环绕障碍物呈现弯曲； 紧靠障碍物的上、下游处，水流速度减慢，流线向外展开，与拉应力区所出现的应力迹线分开相似； 在障碍物两侧，水流加速，产生汇流现象，与压应力增大区应力迹线的聚集相似； 在大约三倍于障碍物直径

15、以外的区域，流线并不受障碍物的影响而产生明显的弯曲。10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布0hhN10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布l岩体内任何一点的初始应力状态（即原岩应力）通常可以垂直正应力v （通常为主应力）和水平正应力h来表示（其中 vo值可以是零，也可以是常数）： 由上式可知： 岩体内的初始应力随深度而变化，对于地下洞室来说， 其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体内将地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中是处在一种非均匀的初始应力场中。hvvhNh10.2 10.2 开挖围岩的应力重

16、分布特征开挖围岩的应力重分布特征hvvhNh围岩原岩(3-5)D%5Dhl 据森维南原理，开挖洞室引起的应力状态的重大变化开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞室横剖面中最大尺寸的局限在洞室横剖面中最大尺寸的3-5倍范围之内倍范围之内。若此范围不超出地表，则可假定在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的,这样，就将非均匀应力场简化为均匀应力场，从而简化了围岩应力计算。围岩及围岩内的初始应力(a)(b) 由右图由右图(N =0.25)可以看出：可以看出： 径向应力：径向应力：随着向自由表面的接近而逐渐减小随着向自由表面的接近而逐渐减小,至洞壁至洞壁处变为零；处变为零； 切向应力

17、：切向应力：在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大,并于洞壁达最高值并于洞壁达最高值,产生产生压应力集中压应力集中；在另一些部分；在另一些部分,愈接近愈接近自由表面切向应力愈低自由表面切向应力愈低,有时甚至于洞壁附近出现拉应力有时甚至于洞壁附近出现拉应力,产产生生拉应力集中拉应力集中.引起强烈的引起强烈的主应力分异主应力分异l应力分布特征应力分布特征 围岩开挖引起洞室周边各质点围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空面方向移动向自由临空面方向移动,随围岩处初随围岩处初始应力状态的不同，在洞室周边产始应力状态的不同，在洞室周边产生不同的应力分布特征。生不同的应力分布

18、特征。10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布 对于圆-椭圆形洞室，周边可能周边可能的最大拉应力集中和最大压应力集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力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的交的A A、B B两点两点，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。 可见，这两点是判定围岩是否稳定的关键部位。10.2.2 10.2.2 圆圆- -椭圆形洞室周边应力集中的一般规律椭圆形洞室周边应力集中的一般规律 圆椭圆形洞室周边上可能产生最大拉应力和最大压应力集中的部位 10.2

19、 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布 A A点：点： 当当 N1/3 N1/3 时，时， / /00，为压应力；，为压应力； 当当 N1/3N1/3时，时， / /00，为拉应力。，为拉应力。 B B点：点： N N不论取何值，都不产生不论取何值，都不产生拉应力拉应力 对于不同对于不同N值条件下的圆形值条件下的圆形隧洞隧洞, 其关键点的应力状态为：其关键点的应力状态为：不同N值条件下圆形隧洞周边的应力分布 10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布AB 根据弹性理论，圆根据弹性理论，圆-椭圆形地下洞室周边椭圆形地下洞室周边A、B两点的切

20、两点的切向应力可根据下式求得：向应力可根据下式求得： 式中式中: (+N）称为应力集中系数，记为）称为应力集中系数，记为Kc，则有，则有, Kc= /v 。 A点和点和B点的点的和和值列于下表：值列于下表：A点-12(a/b)+1B点2(b/a)+1-1()N 由公式可知：对于不同由公式可知：对于不同N值，圆值，圆-椭圆形隧洞围边关键点椭圆形隧洞围边关键点的应力状态不同，可能出现拉应力，也可能出现压应力。的应力状态不同，可能出现拉应力，也可能出现压应力。10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布 当当N=1N=1, ,任何任何 b/a,b/a,均均不产生拉应力不产

21、生拉应力; ; 当当N=0N=0, ,最大拉应力最大拉应力产生在产生在A A点点, ,且其应力集且其应力集中系数与洞形无关中系数与洞形无关, , v v -1 -1; ; 当当0 0 N N 1 1, ,特定洞形特定洞形有特定的产生拉应力的有特定的产生拉应力的临界临界N N值：值：NlN1;N1时时, ,最大拉应力出现在最大拉应力出现在B B点点,N,N愈高于愈高于1,1,拉应力愈大拉应力愈大. .1）拉应力产生的条件洞室围边应力集中系数与N值和轴比的关系2）压应力产生的条件 当当b/a=Nb/a=N时时，周边无拉周边无拉应力应力, ,各点的压应力集中系各点的压应力集中系数相等数相等, ,为特

22、定为特定N N值下值下, ,不同不同轴比洞室中可能产生最大轴比洞室中可能产生最大压应力集中系数中的最小压应力集中系数中的最小值值, ,稳定条件最好稳定条件最好; ; 当当b/ab/aN N时时, ,最大压应最大压应力集中产生于力集中产生于B B点点, ,且应力且应力集中系数随两者差值的增集中系数随两者差值的增大而增大大而增大; ; 当当b/ab/aN N时时, ,最大压应最大压应力集中产生于力集中产生于A A点点, ,且两者且两者的差值愈大的差值愈大, ,其应力集中系其应力集中系数愈高数愈高. 洞室围边应力集中系数与N值和轴比的关系10.2.3 10.2.3 方形方形- -矩形洞室周边应力集中

23、的一般规律矩形洞室周边应力集中的一般规律 以上各图表明以上各图表明： 方形方形-矩形洞室周边上矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上最大压应力集中均产生于角点上; 角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(B/H)的不同而的不同而变化，变化，在不同在不同N值条件下，大体上都是方形或近似于方形洞室上的值条件下，大体上都是方形或近似于方形洞室上的最大压应力集中系数最低最大压应力集中系数最低，随着，随着B/H增大或减小，洞室角点上的最增大或减小，洞室角点上的最大压应力集中系数则线性或近似干线性地增大。大压应力集中系数则线性或近似干线性地增大。A-14B0.84

24、1.21C2.18-1.08D2.26-0.98E3.203.40F-12.72 10.2.4 10.2.4 圆拱直墙形洞室应力分布特征圆拱直墙形洞室应力分布特征 据光弹试验资料据光弹试验资料, 城门洞型断面上各特征点的切向应力仍城门洞型断面上各特征点的切向应力仍可按前式求得。图中各特征点的应力集中系数中可按前式求得。图中各特征点的应力集中系数中和和值列于值列于下表，据此数据可作出下表，据此数据可作出N值与应力集中系数的关系图。值与应力集中系数的关系图。10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布()N圆拱直墙形洞室周边各点的应力集中系数与N的关系 根据左图可以看出

25、：根据左图可以看出： 当当N7时时，周边上的最，周边上的最大压应力集中转移到洞室顶拱大压应力集中转移到洞室顶拱的的A点处。点处。1）压应力产生的条件10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布 由图中可以看出：由图中可以看出： 当当N1时时, 随着随着N值的降值的降低低, F处首先出现拉应力处首先出现拉应力(N 0.37), 随后随后A点处也开始产点处也开始产生拉应力生拉应力(N 0.25)； 当当N1时时, 随着随着N值的增值的增加加, C点最先出现拉应力点最先出现拉应力, (N2.02), 随后随后D点处也开始产生点处也开始产生拉应力拉应力(N2.31)。2）拉

26、应力产生的条件圆拱直墙形洞室周边各点的应力集中系数与N的关系10.2 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布地下开挖后围岩应力的重分布AvAeWN21BvBeHN21 据森维南原理可知据森维南原理可知: 洞室周边的应力状态，只要其表面是光洞室周边的应力状态，只要其表面是光滑的滑的, 主要受其局部几何形态的控制。在下图所示的特定条件下主要受其局部几何形态的控制。在下图所示的特定条件下,洞室周边特定点洞室周边特定点A、B处的应力与其形态间有如下定量关系：处的应力与其形态间有如下定量关系：A，B:分别为分别为A, B点的切向应力点的切向应力;eA，eB:分别为分别为A, B点的曲率半径点的曲率半径;W

27、, H :洞室的宽度和高度洞室的宽度和高度;10.2.5 10.2.5 洞室周边应力与其形状的定量关系洞室周边应力与其形状的定量关系BhAABHW 上述关系式表明：上述关系式表明： 洞室周边应力与其曲率半径呈负相关；洞室周边应力与其曲率半径呈负相关； 洞室周边应力与其宽或高呈正相关关系洞室周边应力与其宽或高呈正相关关系。 利用上述关系式，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可近似地计算任一形状洞室周边与主应力垂直相交两点垂直相交两点( (即即A、B点点) )处的周边应力处的周边应力。 1 初始应力状态初始应力状态 不同不同N值条件下，相同形态的洞室周边产生的应力集中程度和值条件

28、下，相同形态的洞室周边产生的应力集中程度和部位均不同部位均不同 10.2.6 10.2.6 影响围岩应力状况的主要因素影响围岩应力状况的主要因素 对具有明显对具有明显蠕变特性蠕变特性的围岩的围岩,洞洞室周边附近的切向应力要小于室周边附近的切向应力要小于理想理想弹性岩层弹性岩层时的应力时的应力;当远离洞壁一当远离洞壁一定距离后，岩层内的切向应力要大定距离后，岩层内的切向应力要大于理想弹性岩层时的应力于理想弹性岩层时的应力TOr/理想弹性体 非理想弹性体 围岩非线性特征对围岩应力的影响 3 围岩力学特性围岩力学特性 2 洞室形态洞室形态 相同相同N值条件下，不同形态的洞室周边产生的应力集中程度和值

29、条件下，不同形态的洞室周边产生的应力集中程度和部位均不同部位均不同 相邻或交叉洞室相邻或交叉洞室的存在通常使围的存在通常使围岩应力的集中程度增高，对洞室围岩应力的集中程度增高，对洞室围岩稳定不利。岩稳定不利。 当洞室附近有断层平行于洞壁通当洞室附近有断层平行于洞壁通过时，过时，在洞室和断层之间的狭窄地在洞室和断层之间的狭窄地带带往往产生很高的应力集中，使该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区围岩的稳定条件大为恶化。 断层等不连续面对围岩应力分布的影响 各向异性的岩层或岩体结构的各向异性的岩层或岩体结构的应力集中程度远大于各向同性的岩应力集中程度远大于各向同性的岩层或岩体结构。

30、层或岩体结构。5 岩性及结构的各向异性岩性及结构的各向异性4 不连续面不连续面6 洞室群的空间关系洞室群的空间关系并行倾斜隧道的围岩应力分布 当围岩应力已经超过岩体的当围岩应力已经超过岩体的极限强度极限强度时时,围岩发生破坏；围岩发生破坏； 当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度长期强度之间时，之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏；终的破坏； 当围岩应力的量级介于岩体的长期强度及当围岩应力的量级介于岩体的长期强度及蠕变临界应力蠕变临界应力之间之间时，除发生瞬时的

31、弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才时，除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定；能达到最终的稳定； 当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。性变形后立即稳定下来。 2 围岩变形破坏与岩体强度的关系围岩变形破坏与岩体强度的关系1 围岩变形破坏的实质围岩变形破坏的实质 围岩变形破坏实质上是围岩变形破坏实质上是围岩结构、围岩强度围岩结构、围岩强度与回弹应力和与回弹应力和应应力重分布力重分布及及地下水重分布地下水重分布作用相互适应的结果。作用相互适应的结果。10.3 10.3 围岩的

32、变形破坏围岩的变形破坏10.3.1 10.3.1 围岩变形破坏的一般规律性围岩变形破坏的一般规律性 围岩表部低应力区的形成会促使岩体内部的水分由高应围岩表部低应力区的形成会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，进一步恶化围岩的稳定条件，且使力区向围岩的表部转移，进一步恶化围岩的稳定条件，且使某些易于吸水膨胀的表部围岩发生强烈的膨胀变形某些易于吸水膨胀的表部围岩发生强烈的膨胀变形 开开 挖挖位移调整位移调整应力调整应力调整变形、局部破坏变形、局部破坏应力再次调整应力再次调整再次变形再次变形较大范围破坏较大范围破坏 围岩变形破坏具有渐进式逐次发展的特点围岩变形破坏具有渐进式逐次发展的特点r

33、hP应力降低区应力降低区D应力增高区应力增高区应力不变区应力不变区圆形隧洞围岩应力分带（N=1） 围岩的变形、破坏通常围岩的变形、破坏通常从从洞室周边洞室周边,特别是从那些最大压应特别是从那些最大压应力或拉应力集中的部位力或拉应力集中的部位开始开始,而后而后逐步逐步向围岩内部发展向围岩内部发展的的. 从而表从而表成明显的应力分带特征成明显的应力分带特征,其中表部其中表部的应力降低区即为的应力降低区即为松动圈松动圈。3 围岩变形破坏的一般规律围岩变形破坏的一般规律岩性岩体结构变形破坏形式产生机制产生机制脆脆性性围围岩岩块体状结构及块体状结构及厚层状结构厚层状结构张裂塌落张裂塌落拉应力集中造成的张

34、裂破坏拉应力集中造成的张裂破坏劈裂剥落劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂压应力集中造成的压致拉裂剪切滑移及剪切碎裂剪切滑移及剪切碎裂压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂岩爆岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏性破坏中薄层状结构中薄层状结构弯折内鼓弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构碎裂结构碎裂松动碎裂松动压应力集中造成的剪切松动压应力集中造成的剪切松动塑塑性性围围岩岩层状结构层状结构塑性挤出塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓膨胀内鼓水分重分布

35、造成的吸水膨胀水分重分布造成的吸水膨胀散体结构散体结构塑性挤出塑性挤出压应力作用下的塑流压应力作用下的塑流塑流涌出塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力坍塌重力作用下的坍塌重力作用下的坍塌围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系 岩体按介质强度分为岩体按介质强度分为脆性围岩脆性围岩与与塑性围岩塑性围岩，不同介质的变形，不同介质的变形破坏类型及特征不同。破坏类型及特征不同。4 围岩变形破坏的类型与特征围岩变形破坏的类型与特征 脆性围岩的内涵脆性围岩的内涵: 包括各种块体状结构或层状结构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（单轴饱和抗压强度的坚硬或半坚

36、硬的脆性岩体（单轴饱和抗压强度c 30MPa）；）； 力学机制力学机制：回弹变形和重分布应力作用；：回弹变形和重分布应力作用； 影响因素影响因素：岩体初始应力状态、洞形、围岩的岩体：岩体初始应力状态、洞形、围岩的岩体结构；结构； 主要变形破坏类型主要变形破坏类型：弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥：弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移和岩爆落、剪切滑移和岩爆10.3 10.3 围岩的变形破坏围岩的变形破坏10.3.2 10.3.2 脆性围岩变形破坏脆性围岩变形破坏 结构条件：结构条件：层状、薄层状岩体层状、薄层状岩体 力学机制：力学机制： a）卸荷回弹的结果；）卸荷回弹的结果； b）压应力集中使洞壁

37、处的切向应力超过岩层的抗）压应力集中使洞壁处的切向应力超过岩层的抗弯折强度所造成的。弯折强度所造成的。 应力条件：应力条件： a) 初始应力较高（洞室埋深较大、水平地应力较初始应力较高（洞室埋深较大、水平地应力较高）高）,且初始最大主应力与平行洞向的岩层垂直（对应且初始最大主应力与平行洞向的岩层垂直（对应卸荷回弹机制）；卸荷回弹机制）； b) 初始最大主应力与平行洞向的岩层平行（对应初始最大主应力与平行洞向的岩层平行（对应压应力集中机制）压应力集中机制） 1 弯折内鼓 产生部位：产生部位： a）洞壁、顶拱（对应机制）洞壁、顶拱（对应机制a-卸荷回弹卸荷回弹 ）; b）洞室角点、洞壁、顶拱（对应

38、机制）洞室角点、洞壁、顶拱（对应机制b- 应力集中）应力集中） 。 表现形式：表现形式：弯曲、拉裂、折断弯曲、拉裂、折断图10-8 薄层状围岩的弯折内鼓破坏a.水平岩层；水平岩层；b.陡立岩层陡立岩层1.设计断面设计断面 ;2.破坏区破坏区;3.崩塌崩塌;4.滑动滑动;5.弯曲弯曲,张裂张裂,折断折断 图10-9 有利于产生弯折内鼓破坏的局部构造条件 10.3 10.3 围岩的变形破坏围岩的变形破坏 结构条件：结构条件：厚层状或块状岩体厚层状或块状岩体 力学机制：力学机制：拉应力集中导致应力值拉应力集中导致应力值超过围岩的抗拉强度超过围岩的抗拉强度. 应力条件：应力条件：初始最大主应力垂直初始

39、最大主应力垂直（竖直方向）时（竖直方向）时（N1） 产生部位：产生部位：洞室的顶拱洞室的顶拱 表现形式：表现形式：掉块、坍塌掉块、坍塌 2 张裂塌落N=1/3N=1/3的应力场中宽高比为的应力场中宽高比为6 6的坑的坑道顶拱冒落对顶拱应力的影响道顶拱冒落对顶拱应力的影响 结构条件：结构条件：厚层状或块状岩体厚层状或块状岩体 力学机制：力学机制：压应力集中导致围岩产生平行于洞室周边的破裂压应力集中导致围岩产生平行于洞室周边的破裂. 应力条件：应力条件：初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交 产生部位：产生部位：边墙、顶拱边墙、顶拱 表现形式：表现形式：片邦（边墙

40、）、片状冒落（顶拱）片邦（边墙）、片状冒落（顶拱） 3 劈裂 结构条件结构条件: 厚层状或块状岩体，存在不利结构面；厚层状或块状岩体，存在不利结构面； 力学机制力学机制: 压应力集中压应力集中程度较高程度较高导致沿斜向结构面剪切导致沿斜向结构面剪切滑移；滑移； 应力条件应力条件: 初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交；初始最大主应力与洞轴垂直或近垂直相交； 产生部位产生部位: 边墙、顶拱；边墙、顶拱； 表现形式表现形式: 滑移（边墙）、冒落（顶拱）滑移（边墙）、冒落（顶拱） 块体结构围岩中的剪切滑移块体结构围岩中的剪切滑移1.1.层面；层面；2.2.断层；断层；3.3.节理节理4 剪切滑动或剪

41、切破坏 1） 岩爆的基本概念岩爆的基本概念 地下洞室开挖后，岩体应力重分布引起围岩地下洞室开挖后，岩体应力重分布引起围岩高弹性应变高弹性应变能的突然释放，而在洞室出现的岩体突发性爆裂现象。实能的突然释放，而在洞室出现的岩体突发性爆裂现象。实质上是洞室围岩突然释放大量潜能的一种动力脆性破坏。质上是洞室围岩突然释放大量潜能的一种动力脆性破坏。 5 岩爆 2） 岩爆的产生条件岩爆的产生条件 内因：内因： a）高储能体的存在）高储能体的存在(高强度、块状或厚层状脆性岩体高强度、块状或厚层状脆性岩体)； b）存在高地应力或应力接近于岩体强度极限）存在高地应力或应力接近于岩体强度极限. 外因：外因： a）

42、机械开挖、爆破以及围岩局部破裂产生的弹性振荡）机械开挖、爆破以及围岩局部破裂产生的弹性振荡 b）开挖迅速推进或累进性破坏所引起的局部应力集中）开挖迅速推进或累进性破坏所引起的局部应力集中 3） 岩爆的类型及特征岩爆的类型及特征 a）爆裂型）爆裂型 发生时伴有响声，岩体出现不规则裂缝、裂隙扩张和发生时伴有响声，岩体出现不规则裂缝、裂隙扩张和岩块掉落，在坚硬脆性岩体中易发生；岩块掉落，在坚硬脆性岩体中易发生； b）剥落型）剥落型 发生时无响声，岩体骤然劈裂，在半坚硬岩或层状岩发生时无响声，岩体骤然劈裂，在半坚硬岩或层状岩体中易发生；体中易发生； c）弹射型）弹射型 岩块或岩片骤然向外射出或伴有气喷

43、，在高地应力区岩块或岩片骤然向外射出或伴有气喷，在高地应力区或深埋隧洞、矿井中易发生；或深埋隧洞、矿井中易发生； d）松动型）松动型 发生时不易觉察发生时不易觉察, 岩体中裂隙扩大岩体中裂隙扩大, 但尚未掉块。但尚未掉块。 3） 岩爆的类型及特征岩爆的类型及特征l岩爆动力特征l破坏方式n片/层状剥落n弯曲鼓折破裂n穹状/楔状爆裂l破裂面特征 n平整破裂面n阶梯状破裂面n贝壳状破裂面n穹状破裂面n弧形破裂面l破坏性质：以为张性、张剪性破坏为主，少量剪切。 4） 岩爆烈度等级划分岩爆烈度等级划分岩爆分级主要现象地质力学模式应力强度比对工程的影响声响特征运动特征时效特征波及深度(m)岩块形态断口性质

44、轻微岩爆级噼啪、撕裂声剥离、外鼓零星间断爆裂2.0块状、板状或散体张剪性或剪性穹状爆裂0.9很大 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制 劈裂成板阶段劈裂成板阶段（岩爆孕育）（岩爆孕育） 洞壁表部在环向应力作用下形成板状洞壁表部在环向应力作用下形成板状劈裂，部分板裂岩体脱离母岩而剥落劈裂，部分板裂岩体脱离母岩而剥落, ,而无而无岩块弹射出现岩块弹射出现. . 剪切成块阶段剪切成块阶段( (岩爆的酝酿岩爆的酝酿) ) 劈裂岩板向洞内弯曲劈裂岩板向洞内弯曲, ,发生张剪复合破发生张剪复合破坏坏. .处于爆裂弹射的临界状态处于爆裂弹射的临界状态. . 块、片弹射阶段块、片弹射阶段 劈裂劈裂, ,剪断岩板，

45、产生响声和震动剪断岩板，产生响声和震动. .岩岩块发生弹射块发生弹射, ,岩爆形成岩爆形成. . a）岩爆形成过程）岩爆形成过程岩爆渐进破坏过程示意图A A、劈裂；、劈裂；B B、剪断；、剪断；C C、弹射、弹射 隧洞隧洞隧洞b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制张裂-剥落机制 b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制张裂-倾倒机制模式 b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制张裂-滑移机制模式 b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机

46、制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制张剪-爆裂机制模式 b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制弯曲-鼓折机制模式 b）岩爆形成机制的地质力学模式）岩爆形成机制的地质力学模式 5 5）岩爆形成机制岩爆形成机制穹状剪切-爆裂机制模式 l岩爆倾向性指数岩爆倾向性指数Wet 弹性变形能系数弹性变形能系数w: 加载到加载到0.7c后再卸载至后再卸载至0.05c时时, 卸载释卸载释放的弹性应变能（放的弹性应变能（SP）与耗）与耗损的弹性应变能（损的弹性应变能（ST）变形能）变形能之比。之比。 6）岩爆的基本预测方法岩爆的基本预测方法sps

47、tWet=SP/ST根据波兰国家标准：根据波兰国家标准：Wet5.0，将出现严重岩爆；，将出现严重岩爆； Wet=2.04.9，出现中、低烈度岩爆；，出现中、低烈度岩爆； Wet0.9 6）岩爆的基本预测方法岩爆的基本预测方法 l强度应力比法强度应力比法 岩爆等级轻微岩爆（级）中等岩爆（级）强烈岩爆（级）极强岩爆（级）b/m4724121 利用围岩饱和单轴抗压强度利用围岩饱和单轴抗压强度b与最大主应与最大主应力力m 之比预测岩爆等级之比预测岩爆等级。（据水力发电工程地质勘察规范 GB50287-2006） a) a)挪威挪威RussenseRussense判据判据（点荷载指数与围岩切向应力比）

48、（点荷载指数与围岩切向应力比） Is/Is/ 0.0830.200.20无岩爆无岩爆 b)b)安德森提出的判据安德森提出的判据 / / c c0.350.5-1.00.5-1.0 强烈岩爆强烈岩爆 c) Bartonc) Barton和和GrimstadGrimstad提出的判据提出的判据 / / c c0.5-0.60.5-0.6片帮及轻微岩爆片帮及轻微岩爆 / / c c0.6-1.00.6-1.0岩爆岩爆 / / c c1.01.0严重岩爆严重岩爆 以上以上, Is, Is点荷载指数点荷载指数, , 切向应力；切向应力； c c岩石抗压强度岩石抗压强度l 其他方法其他方法 10.3.3

49、10.3.3 塑性围岩的变形与破坏塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩的内涵塑性围岩的内涵: 包括各种软弱岩体（如页岩、泥岩、粘土岩、炭质包括各种软弱岩体（如页岩、泥岩、粘土岩、炭质千枚岩等）、断层破碎带和散体结构岩体。千枚岩等）、断层破碎带和散体结构岩体。 主要影响因素：主要影响因素：岩体初始应力状态、围岩的岩性和岩体初始应力状态、围岩的岩性和岩体结构、地下水。岩体结构、地下水。 主要变形破坏类型：主要变形破坏类型：挤出、膨胀、涌流和坍塌等不挤出、膨胀、涌流和坍塌等不同类型。同类型。10.3 10.3 围岩的变形与破坏围岩的变形与破坏 1 1 挤出 结构条件结构条件: : 层状及似层状结构的岩体层

50、状及似层状结构的岩体( (通常具有软硬相间的通常具有软硬相间的特征特征) ) 岩性条件：岩性条件： (a)(a)固结程度较差的泥岩、粘土岩；固结程度较差的泥岩、粘土岩； (b)(b)各种富含泥质的沉积或变质岩层各种富含泥质的沉积或变质岩层( (如泥岩、页岩、板岩和如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等千枚岩等) )中的挤压剪切破碎带中的挤压剪切破碎带; ; (c) (c)火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等。火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等。 地应力条件：地应力条件：多处于高地应力或者相对高应力状态多处于高地应力或者相对高应力状态。 力学机制：力学机制：压应力集中使洞壁处的切向应力超过围岩的屈压应力集中