地下洞室围岩稳定性的工程地质分析.ppt

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1、 地下洞室围岩稳定性地下洞室围岩稳定性的工程地质分析的工程地质分析p1 1）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意义；义；p2 2）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；p3 3）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压力问题；力问题；p4 4）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；p5 5）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；本章学习内容及要求本章学习内容及要求本章重点本章重

2、点：1 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 2）地下洞室围岩的变形破坏特征及类型；）地下洞室围岩的变形破坏特征及类型；3 3）围岩稳定性分析与评价方法；）围岩稳定性分析与评价方法；本章难点本章难点：1 1）围岩变形破坏特征；）围岩变形破坏特征；2 2）围岩稳定性分析与评价方法）围岩稳定性分析与评价方法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 地下洞室地下洞室(underground cavity)(underground cavity)是指人工开挖或天是指人工

3、开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。为各种目的修建在地层之内的为各种目的修建在地层之内的中空通道中空通道或或中空洞室中空洞室统称为地下洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、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、地下铁道及地下停车场、地下储油库、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。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都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较

4、出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。大廷伸长度的洞子。二滩电站地下厂房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锦屏地下洞室三维地质模型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拉西瓦地下洞室三维地质模型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10.1.2 10.1.2 地下洞室的分类地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程下厂房（仓库）、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按

5、断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞按应力情况：单式洞室、群洞10.1 10.1 地下洞室概念及研究意义地下洞室概念及研究意义 1.3 研究意义 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使地下洞室开挖之前，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

6、变化而发生显著的变形和破固，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，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，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。都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和

7、运营造成危害。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 2.1 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 由岩体力学可知，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应由岩体力学可知，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态，岩体内任何一点的初始应力状态力状态，岩体内任何一点的初始应力状态(常称为原岩应力常称为原岩应力)通常通常可以垂直正应力可以垂直正应力(通常为主应力通常为主应力)和水平正应力来表示（其中和水平正应力来表示（其中 v vo值可以是零，也可以是常数）：值可以是零，也可以是常数）：0hhN 由上式可知由上式可知:岩体内的初始应力随深度而变化岩体内的

8、初始应力随深度而变化,因而对于具有一因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说定尺寸的地下洞室来说,其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的的,即即地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中。10.2 10.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征 按照森维南原理按照森维南原理:开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞室横剖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面中最大尺寸的3-53-5倍范围之内。倍范围之内。为简化图岩应力的计算，假定在洞室的整为简化图岩应力的计算，假定在洞室的整

9、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，就将均匀应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，就将均匀应力场简化为均匀应力，大大简化了围岩应力的计算。力场简化为均匀应力，大大简化了围岩应力的计算。10.2 10.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征 围岩开挖引起洞室围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空周边各质点向自由临空面方向移动，随围岩处面方向移动，随围岩处所初始应力状态（所初始应力状态（N N值）值）的不同的不同,在洞室周边产在洞室周边产生不同的应力分布特征，生不同的应力分布特征，如下图所示：如下图所示：10.2 10.2 开挖围岩的应力重分布特征开

10、挖围岩的应力重分布特征 由上图可以看出：由上图可以看出：1 1）径向应力：）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。随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。2 2）切向应力：）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，即产生所谓达最高值，即产生所谓压应力集中压应力集中；在另一些部分，愈接；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，即产生所谓力，即产生所谓拉应力集中拉应力集中。这样，地下洞宝的开挖就将。这样，地下洞宝的开挖

11、就将于围岩内引起强烈的于围岩内引起强烈的主应力分异现象主应力分异现象，使围岩内的应力差，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。10.2 10.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征 2.2 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 对于圆形对于圆形-椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最椭圆形洞室，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应力轴与周边垂直相交的A A

12、、B B两点，两点，而两点之间的应力则介而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态(如图如图1010一一4 4、1010一一5)5)。可见这两点是判定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。的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。10.2 10.2 开挖围岩的应力重分布特征开挖围岩的应力重分布特征AB A点：点：N1/3时，时，Kc0,为压应力为压应力;N1/3时，时，Kc应力调整应力调整-变变形、局部破坏形、局部破坏-再次再次调整调整

13、-再次变形再次变形-较大范围破坏较大范围破坏10.3 10.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏图7.8 洞体逐次变形破坏示意图b.2、洞顶塌方；c.3、洞顶塌方；b.1、开挖；c.1、剪切破坏；b.3、边墙滑动；a.3、洞顶塌方；a.2、边坡滑动；a.1、开挖；c.3b.2a.3a.2b.2c.2c.1b.1a.1围岩岩性围岩岩性岩体岩体结构结构变形破坏形式变形破坏形式产生机制产生机制脆性围岩脆性围岩块体状块体状结构及厚结构及厚层状结构层状结构张裂塌落张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏拉应力集中造成的张裂破坏劈裂劈裂剥落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

14、剪切碎剪切滑移及剪切碎裂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性破压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏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卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂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压应力集中造成的剪切松动应力集中造成的剪切松动塑性围岩塑性围岩层状层状结构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

15、流塑流塑流涌出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表表10-610-6围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系10.3 10.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.2 脆性围岩的变形破坏 脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或脆性围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。半坚硬的脆性岩体。这类围岩的变形和破坏，主要是在这类围岩的变形和破坏，主要是在回弹应力和重分回弹应力和重分布的应力作用下布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形和破发生的，水分的重分

16、布对其变形和破坏的影响较为微弱。坏的影响较为微弱。脆性围岩变形破坏的形式和特点除与由岩体初始脆性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，主要取决于要取决于围岩结构围岩结构，一般有，一般有弯折内鼓弯折内鼓、张裂塌落张裂塌落、劈劈裂剥落裂剥落、剪切滑移剪切滑移以及以及岩爆岩爆等不同类型等不同类型.10.3 10.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏 (1)(1)弯折内鼓弯折内鼓 层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。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：一是从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是卸荷回卸荷回弹弹的结果；二是应力集中使洞壁处的的结果；二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度层的抗弯折强度所造成的所造成的.卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生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在初始应力较高的岩体内体内(或者洞室埋深较大或者洞室埋深较大,或者水平地应力较高或者水平地应力较高),