地下洞室围岩稳定性DING.ppt

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1、3.1 3.1 概述概述基本概念及研究意义基本概念及研究意义地地下下洞洞室室(underground(underground cavity)cavity)是是指指人人工工开开挖挖或或天天然然存存在在于岩土体中作为各种用途的建（构）筑物于岩土体中作为各种用途的建（构）筑物。包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂包括矿山坑道、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。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，就是都要虽然它们规模不等，但都有一个共同的特

2、点，就是都要在岩体内开挖在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子长度的洞子。所以所以周围岩层的稳定性周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。常使用条件。3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，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，

3、那么，开挖出的地下洞室就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。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未保的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而未保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。成危害。3.1.2 3.1.2 地下洞室的分类地下洞室

4、的分类按按用用途途：矿矿山山巷巷道道（井井）、交交通通隧隧道道、水水工工隧隧道道、地地下下厂厂房（仓库）、地下军事工程房（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、群洞3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析北京地铁王府井车站北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）广州地铁东（

5、山口）杨（箕）区间隧道杨（箕）区间隧道3.2 3.2 岩体中的天然应力岩体中的天然应力 开开挖挖前前存存在在于于岩岩体体中中的的应应力力，称称天天然然应应力力或或初初始始应应力力。是是岩岩体体在在建建造造或或改改造造过过程程中中，各各种种地地质质作作用用综综合合作作用用形形成成的。的。主要包括自重应力和构造应力。主要包括自重应力和构造应力。岩体内任何一点的初始应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)通通常可以垂直正应力常可以垂直正应力(通常为主应力通常为主应力)通常以垂直正应力和水通常以垂直正应力和水平正应力来表示：平正应力来表示：v v=v0+h=v0+h h h

6、=N=Nv vvv0 0值可以是零，也可以是常数值可以是零，也可以是常数3 地下洞室围岩稳定性分析地下洞室围岩稳定性分析 由上式可知，岩体内的由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化初始应力随深度而变化，因，因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说，其垂直剖面上而对于具有一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的，即地下洞室在岩体各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体是是处在一种非均匀的初始应力场中处在一种非均匀的初始应力场中。围岩应力重分布围岩应力重分布 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力状

7、态，围岩内各质点在回弹应力的作用下，均将力图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，图沿最短距离向消除了阻力的自由表面方向移动，直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩直至达到新的平衡。由于这种围岩变形的发展，岩体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发体内某个方向原来处于紧密压缩状态，现在可能发生了松胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严生了松胀变形，而另一个方向可能挤压的程度更严重了。这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就重了。这样，围岩应力的大小与主应力的方向也就发生了改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形发生了改变，即围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为应力重分布

8、。成新的应力状态，称为应力重分布。围岩应力重分布特征围岩应力重分布特征 径向应力径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。处变为零。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，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，即产生所谓并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中压应力集中，在另一些部，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拉应力，即产生所谓出现拉应力，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于围岩内引起强烈的主应这样，地下洞

9、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，力分异现象，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。至洞室周边达最大值。围岩围岩 按照森维南原理，由开挖洞室引起的应按照森维南原理，由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的的3535倍倍,习惯上将此范围内的岩体称为习惯上将此范围内的岩体称为“围围岩岩”3.3 3.3 地下洞室围岩的变形破坏地下洞室围岩的变形破坏3.2.1 3.2.1 围岩变形破坏的一般过程和特

10、点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。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。坏。这种变形或破坏通常是从洞室周边，特别是那些最大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

11、步向围岩内部发展的。压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩内部发展的。围围岩岩的的变变形形破破坏坏是是渐进式逐次发展渐进式逐次发展的。的。开开挖挖-应应力力调调整整-变变形形、局局部部破破坏坏-再次调整再次调整 -再再次次变变形形-较较大大范围破坏范围破坏围岩的变形破坏过程围岩的变形破坏过程分析围岩变形破坏时，分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的应抓住其变形破坏的始始发点发点和发生连锁反应的和发生连锁反应的关键点关键点，预测变形破坏，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，有

12、效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。确保围岩的稳定性。围岩围岩变形破坏形式取决于围岩应力状变形破坏形式取决于围岩应力状态、岩体结构及洞室断面形状等态、岩体结构及洞室断面形状等因素。见下图，不同岩体结构及因素。见下图，不同岩体结构及洞室断面形状，围岩变形破坏形洞室断面形状，围岩变形破坏形式不同。式不同。3.2.2 3.2.2 脆性围岩的变形破坏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。硬或半坚硬的脆性岩体。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回弹应力和重分布的应力作用下重分布的应力作

13、用下发生的，水分的重分布对其变形发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。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，初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要主要取决于围岩结构取决于围岩结构，一般有，一般有弯折内鼓弯折内鼓、张裂塌落张裂塌落、劈裂剥落劈裂剥落、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3.2.2 3.2.2 脆性围岩的变形破坏脆性围岩的变形破坏 1 1、弯折内鼓、弯折内鼓 这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变

14、形破坏的主要形式。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：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薄层状岩层的抗弯折强度所造成切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的。的。1 1、弯折内鼓、弯折内鼓 由由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在初始应力较高的岩体内始应力较高的岩体内(或者洞室埋深较大，或者水或者洞室埋深较大，或者水平地应力较高平地应力较高)，而且总是在与岩体内初始最大主，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

15、故当薄层状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弯曲、折裂和折断，最终挤入洞内而坍作用下发生弯曲、折裂和折断，最终挤入洞内而坍倒。倒。从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄以看出，在现代地应力或构造剩余应力较高的薄层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与层状岩层内修建这类地下洞室，围岩的稳定性与洞室轴向相对于区域最大主应力方位

16、有密切关系。洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常通常轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳轴向垂直于最大主应力方向的洞室，其稳定性远低于平行于最大主应力方向者。定性远低于平行于最大主应力方向者。这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的时强烈的卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的洞壁发生严重的弯折内鼓弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩，而当洞体通过平缓岩层时，高度的应力集中又会使平行于最大主应力层时，高度的应力集中又会使

17、平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因的洞室顶底板，特别是顶拱，因弯折内鼓弯折内鼓的发展的发展而严重坍塌。而严重坍塌。2 2 张裂塌落张裂塌落 张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的室顶拱。当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的拉应力拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝。被垂直裂被垂直裂

18、缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定，特别是当特别是当有近水平方向的软弱结构面发育有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落。但是在。但是在N N 0 0的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时顶当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时顶拱因岩韶趋于稳定。拱因岩韶趋于稳定。3 3 劈裂剥

19、落、剪切滑移及碎裂松动劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动 这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。大压应力集中的部位。1 1）劈裂剥落）劈裂剥落 过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂

20、板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者则也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者则造成通常所谓的片帮。造成通常所谓的片帮。2 2）剪切滑移剪切滑移 这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边鹏上，岩体内。

21、随围岩应力条件的不同，可发生在边鹏上，也可发生于顶拱。也可发生于顶拱。在水平应力大于垂直应力的应力场中在水平应力大于垂直应力的应力场中(N(N1)1)，这类，这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位。由于切向应力裂发育的部位。由于切向应力很大，而径向应力很大，而径向应力rr很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。3 3

22、）碎裂松动）碎裂松动 碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的形式，洞体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰，并围绕洞体形成一定的面发生剪切错动而松驰，并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动屈。这类松动带本身是不稳定碎裂松动带或松动屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度

23、会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固措岩变形、破坏的过度发展，必须及时采取加固措施。施。4 4 岩爆岩爆 1 1）有关岩爆的基本概念）有关岩爆的基本概念 在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来，这就是所谓的岩爆。式表现出来，这就是所谓的岩爆。岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的吨，小者长仅几厘米

24、。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆气浪和巨响甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤害大者能破坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究亡事故。小者也能威胁工人的安全。因此，研究这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工这类破坏的发生、发展与防治，对于地下开挖工作的安全与经济有着重要意义。作的安全与经济有着重要意义。2 2）岩爆的类型和特点）岩爆的类型和特点 按发生的部位及所释放的能量类型。按发生的部位及所释放的能量类型。

25、(1)(1)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆 在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈拍爆多届这种类型。这类岩爆发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。成昆线官村坝隧道拍响声，故被称为岩石射击。成昆线官村坝隧道(最大埋深最大埋深达达1600m)1600m)开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。开挖过程中通过震且系灰岩时就曾发生过这类岩爆。一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后23h23h，围岩，围岩表部岩石常发

26、出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规则片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较则片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较小，多呈几小，多呈几cmcm长、宽的薄片，个别达几十长、宽的薄片，个别达几十M M长、宽，但爆裂长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，可达几可达几m m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间后方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于友面长些时间后方脱离母岩而自由坠

27、下。这类岩爆多发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆。事前无明显的预兆。(2)(2)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆 发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，放常披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，的危害，放常

28、披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时则没有明显的预兆。四川绵竹天池煤矿就曾多次发生这类岩爆，明显的预兆。四川绵竹天池

29、煤矿就曾多次发生这类岩爆，最大的一次将最大的一次将2020余吨煤抛出余吨煤抛出2020多多m m远。远。(3)(3)断层错动引起的岩爆断层错动引起的岩爆 坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一般发生在构造活动区的探矿井中，破坏性很大，且影响范般发生在构造活动区的探矿井中，破坏性很大，且影响范围较广。围较广。3 3）岩爆的产生条件与发生机制）岩爆

30、的产生条件与发生机制 本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体高储能体的存在的存在及其及其应力接近于岩体强度应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，是产生岩爆的内在条件，而某些因素的而某些因素的触发效应触发效应则是岩爆产生的外因。则是岩爆产生的外因。1)围岩应力条件围岩应力条件判断岩爆发生的应力条件有两种方法：判断岩爆发生的应力条件有两种方法：一一是是用用洞洞壁壁的的最最大大环环向向应应力力与与围围岩岩单单轴轴抗抗压压强强度度c之比值作为岩爆产生的应力

31、条件；之比值作为岩爆产生的应力条件；一一是是用用天天然然应应力力中中的的最最大大主主应应力力1与与岩岩块块单单轴轴抗抗压压强强度度c之比进行判断。之比进行判断。经经验验公公式式：1c大大于于0.1650.35的的脆脆性性岩岩体体最最易易发发生生岩爆。岩爆。2）岩性条件）岩性条件弹性变形能系数弹性变形能系数：加载到：加载到0.7c后再卸载至后再卸载至0.05c时，时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。当当70时，会产生岩爆，时，会产生岩爆，越大发生岩爆的可能性越大。越大发生岩爆的可能性越大。3）岩爆形成机理和围岩破坏区分带）岩

32、爆形成机理和围岩破坏区分带岩爆渐进破坏过程示意图岩爆渐进破坏过程示意图A、劈裂；、劈裂；B、剪断；、剪断；C、弹射、弹射 1)劈裂成板阶段（岩爆孕育）劈裂成板阶段（岩爆孕育）垂垂直直洞洞壁壁方方向向受受张张应应力力作作用用而而产产生生平平行行于于最最大大环环向向应应力力的的板板状状劈劈裂裂。仅仅在在洞洞壁壁表表部部，部部分分板板裂裂岩岩体体脱脱离离母母岩岩而而剥剥落落，而而无无岩岩块块弹弹射射出出现现。2)剪切成块阶段剪切成块阶段(岩爆的酝酿岩爆的酝酿)劈劈裂裂岩岩板板向向洞洞内内弯弯曲曲，发发生生张张剪剪复复合合破破坏坏。处处于于爆爆裂裂弹弹射射的的临临界界状状态态。3)块、片弹射阶段块、片

33、弹射阶段劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。劈裂、剪断岩板，产生响声和震动。岩块发生弹射，岩爆形成。岩爆的渐进性破坏过程很短促。岩爆的渐进性破坏过程很短促。各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次各阶段在演化的时序和发展的空间部位，都是由洞壁向围岩深部依次重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂重复更迭发生的。因此，岩爆引起的围岩破坏区可以分弹射带、劈裂-剪切带和劈裂带等三带。剪切带和劈裂带等三带。3.2.3 3.2.3 塑性围岩的变形与破坏塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体(如

34、页岩、如页岩、泥岩和粘土岩等泥岩和粘土岩等)和散体结构岩体。和散体结构岩体。这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的主要有塑性挤出、和水分重分布的作用下发生的主要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同类型，现膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同类型，现分述如下：分述如下：1 1 塑性挤出塑性挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在一般情况方向向消除了阻力的自由空间挤

35、出。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括：下易于被挤出的岩体主要包括：(1)(1)固结程度较差的泥岩、粘土岩；固结程度较差的泥岩、粘土岩；(2)(2)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、如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等页岩、板岩和千枚岩等)中的挤压剪闭破碎带，中的挤压剪闭破碎带，(3)(3)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动且固结程度较易于被挤出。未经构造或风化扰动且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出

36、。高的泥质沉积岩及变质岩层则不易于被挤出。2 2）膨胀内鼓膨胀内鼓 洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向图岩表部转移，结果常使某些易于吸水膨胀部高应力区向图岩表部转移，结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。这类膨胀变形显然是由的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的，除此之外，开挖后暴露于围岩内部的水分重分布引起的，除此之外，开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀。表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀。退水后易于膨胀的岩石主要有两类。一类

37、是退水后易于膨胀的岩石主要有两类。一类是富含粘土矿富含粘土矿物物(待别是蒙脱石待别是蒙脱石)的塑性岩石的塑性岩石，如泥质岩、钻土岩、膨胀，如泥质岩、钻土岩、膨胀性粘土等。隧道围岩中有浸水后体积增大性粘土等。隧道围岩中有浸水后体积增大2 29 9的岩石就的岩石就会结开挖造成很大困难，而有些遭受热液变质的富合蒙脱会结开挖造成很大困难，而有些遭受热液变质的富合蒙脱石矿物的岩石，浸水后体积可增加石矿物的岩石，浸水后体积可增加1414一一2525。因此，这。因此，这类岩层的膨胀变形能对各类地下建筑物的施工和运行造成类岩层的膨胀变形能对各类地下建筑物的施工和运行造成很大危害。很大危害。另一类是含硬石膏的地

38、层。陨石膏退水后就会另一类是含硬石膏的地层。陨石膏退水后就会发土水化而转化为石膏，体积随之而增大。所以发土水化而转化为石膏，体积随之而增大。所以穿过这类地层的陡道往往遇到因硬石膏水化膨胀穿过这类地层的陡道往往遇到因硬石膏水化膨胀而产生的强大山压，给隧道的施工和运行带来很而产生的强大山压，给隧道的施工和运行带来很大困难。大困难。3 3 塑流涌出塑流涌出 当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时，这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量时，这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中有时甚至可以碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中有时甚至可以堵

39、塞坑道，给施工造成很大的困难。堵塞坑道，给施工造成很大的困难。4 4 重力坍塌重力坍塌 破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。3.3 3.3 影响地下洞室围岩稳定性的因素影响地下洞室围岩稳定性的因素 前述分析表明，地下洞室围岩稳定性问题主要是可能前述分析表明，地下洞室围岩稳定性问题主要是可能出现的出现的围岩应力围岩应力与与围岩强度围岩强度间的矛盾问题。各类因素都是间的矛盾问题。各类因素都是通过这两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将通过这两个方面来影响地下洞室的稳定性的。因此，可将影响地下洞室稳定性的因素分为三大类：影响地下洞室稳定性的因素分为三大类：第

40、一类因素是通过第一类因素是通过围岩应力状态围岩应力状态而影响地下洞室围而影响地下洞室围岩稳定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面岩稳定性的。主要包括岩体的天然应力状态及洞室的剖面形状和尺寸。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素形状和尺寸。其中岩体的天然应力状态既受自然地质因素控制又与人类工程活动的要求有关。而洞室的形状则主要控制又与人类工程活动的要求有关。而洞室的形状则主要是由人类工程活动的要求与特点所决定。是由人类工程活动的要求与特点所决定。第二类因素包括第二类因素包括围岩的岩性和结构围岩的岩性和结构，主要是通过围岩，主要是通过围岩的强度来影响洞室围岩稳定性的。从岩性角度，可以将围

41、的强度来影响洞室围岩稳定性的。从岩性角度，可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。塑性围岩塑性围岩，主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石，主要包括各类粘土质岩石、破碎松散岩石以及某些易于吸水膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有风化以及某些易于吸水膨胀的岩石如硬石膏等，通常具有风化速度快、力学强度低以及通水易于软化、膨胀或崩解等不速度快、力学强度低以及通水易于软化、膨胀或崩解等不良性质，故对地下洞室围岩的稳定性最为不利。良性质，故对地下洞室围岩的稳定性最为不利。脆性围岩脆性围岩主要包括各类坚硬及半坚硬岩体。由于岩石主要包括各类坚硬及半坚硬岩体。由于岩石本身的强度远高于结

42、构面的强度，故这类围岩的强度主要本身的强度远高于结构面的强度，故这类围岩的强度主要取决于岩体结构，岩性本身的影响不十分显著。在这类围取决于岩体结构，岩性本身的影响不十分显著。在这类围岩中，碎裂结构的稳定性最差，薄层状结构次之，而厚层岩中，碎裂结构的稳定性最差，薄层状结构次之，而厚层状及块体状岩体则通常具有很高的稳定性。状及块体状岩体则通常具有很高的稳定性。对于厚层状及块体状岩体，其强度主要受对于厚层状及块体状岩体，其强度主要受软弱结构面软弱结构面的发育和分布特点所控制。的发育和分布特点所控制。第三类因素是第三类因素是既能影响应力状态，又能影响围岩强度既能影响应力状态，又能影响围岩强度的因素的因

43、素。主要为地下水的赋存活动条件。结构面中的空隙。主要为地下水的赋存活动条件。结构面中的空隙水压力减小结构面上的有效应力，降低沿结构面的抗滑稳水压力减小结构面上的有效应力，降低沿结构面的抗滑稳定性。地下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下定性。地下水物理化学作用降低岩体的强度。所以，地下水活动往往是围岩失稳的一个重要因素。水活动往往是围岩失稳的一个重要因素。需要指出的是，上述三类因素，在内外营力作用下是需要指出的是，上述三类因素，在内外营力作用下是不断变化的。不断变化的。3.4 3.4 隧洞围岩稳定性的定性评价隧洞围岩稳定性的定性评价 对于一般的工程隧洞，由于规模和埋深不大，围岩应对于一般的

44、工程隧洞，由于规模和埋深不大，围岩应力较低且影响范围较小，因而破坏失稳总是发生在围岩强力较低且影响范围较小，因而破坏失稳总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为明显，通常能度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为明显，通常能够通过一般的地质工作加以研究和评价。够通过一般的地质工作加以研究和评价。大量的实践经验表明，在一般工程隧洞中，围岩的失大量的实践经验表明，在一般工程隧洞中，围岩的失稳或破坏通常发生于下述几类地区。稳或破坏通常发生于下述几类地区。(1)(1)破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区，包括岩体破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区，包括岩体中的风化、构造破碎带以及风化速度快、

45、力学强度低、遇中的风化、构造破碎带以及风化速度快、力学强度低、遇水易于软化、膨胀或崩解的粘土质岩类的分布地带；水易于软化、膨胀或崩解的粘土质岩类的分布地带；(2)(2)碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区;(3)(3)坚硬块体状及厚层状岩体中，为几组软弱结构面切坚硬块体状及厚层状岩体中，为几组软弱结构面切割、能于洞顶或边墙上构成不稳定结构体的部位。割、能于洞顶或边墙上构成不稳定结构体的部位。3.5 3.5 地下洞室围岩的支护措施地下洞室围岩的支护措施必须设计相应的支衬结构以支承变形或塌落的围岩，必须设计相应的支衬结构以支承变形或塌落的围岩，保证洞

46、体的稳定。为了达到这个目的，支衬结构就必须能保证洞体的稳定。为了达到这个目的，支衬结构就必须能够适应与围岩之间的相互作用。够适应与围岩之间的相互作用。3.5.1 3.5.1 围岩压力围岩压力(1)围岩应力（二次应力）：开挖地下洞室时发生重分围岩应力（二次应力）：开挖地下洞室时发生重分布后的围岩中的应力。布后的围岩中的应力。(2)围岩压力：围岩压力：地下建筑物的围岩在重分布应力作用下产地下建筑物的围岩在重分布应力作用下产生塑性变形破坏而产生的作用于支护结构上的压力。生塑性变形破坏而产生的作用于支护结构上的压力。围岩压力是作用于地下建筑支护结构上的主要外力，围岩压力是作用于地下建筑支护结构上的主要

47、外力，其性质和大小取决于地应力状态和岩体特性。其性质和大小取决于地应力状态和岩体特性。A围岩压力的类型围岩压力的类型主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击主要分为：形变围岩压力、松动围岩压力、冲击围岩压力、偏压等四种类型。围岩压力、偏压等四种类型。围岩压力、偏压等四种类型。围岩压力、偏压等四种类型。1 1）形变围岩压力）形变围岩压力）形变围岩压力）形变围岩压力是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折是由于围岩塑性变形如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折是由于围岩塑性变形

48、如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的，它具有随时问增长的特点。内鼓等形成的，它具有随时问增长的特点。内鼓等形成的，它具有随时问增长的特点。内鼓等形成的，它具有随时问增长的特点。产生的条件产生的条件产生的条件产生的条件有：有：有：有：粘土质岩类、硬石膏等，特别是含蒙脱石多的岩石，遇粘土质岩类、硬石膏等，特别是含蒙脱石多的岩石，遇粘土质岩类、硬石膏等，特别是含蒙脱石多的岩石，遇粘土质岩类、硬石膏等，特别是含蒙脱石多的岩石，遇水易产生膨胀变形或受压的岩土体的卸荷回弹；水易产生膨胀变形或受压的岩土体的卸荷回弹；水易产生膨胀变形或受压的岩土体的卸荷回弹；水易产生膨胀变形或受压的岩土体的卸荷回弹；膨胀围

49、压膨胀围压膨胀围压膨胀围压围岩应力超过岩体屈服极限时，围岩产生塑性变形；围岩应力超过岩体屈服极限时，围岩产生塑性变形；围岩应力超过岩体屈服极限时，围岩产生塑性变形；围岩应力超过岩体屈服极限时，围岩产生塑性变形；塑性围压塑性围压塑性围压塑性围压深埋洞室，由于围岩受压力过大，粘土夹层或断层泥易深埋洞室，由于围岩受压力过大，粘土夹层或断层泥易深埋洞室，由于围岩受压力过大，粘土夹层或断层泥易深埋洞室，由于围岩受压力过大，粘土夹层或断层泥易引起塑性流动变形的岩石。饱水砂等流动。引起塑性流动变形的岩石。饱水砂等流动。引起塑性流动变形的岩石。饱水砂等流动。引起塑性流动变形的岩石。饱水砂等流动。流动围压流动围

50、压流动围压流动围压2 2）松动围岩压力）松动围岩压力 是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏引起的。等破坏引起的。松动围压松动围压3 3）冲击围岩压力）冲击围岩压力 是由于岩爆形成的。它是弹脆性围岩过度受是由于岩爆形成的。它是弹脆性围岩过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。象。弹性围压弹性围压4 4）偏压）偏压 这是一种主要产生于浅埋隧道这是一种主要产生于浅埋隧道的特殊围压。的特殊围压。1)1)傍山隧道傍山隧道 因隧道顶部松散堆积物沿底板因隧道顶部松散堆积物沿底板倾斜面蠕动倾斜面蠕动(图图108