地下洞室围岩稳定性的工程.ppt

《地下洞室围岩稳定性的工程.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《地下洞室围岩稳定性的工程.ppt（66页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第十章第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析地下洞室围岩稳定性的工程地质分析n n10.110.1 基本概念及研究意义基本概念及研究意义n n 为各种目的修建征地层之内的中空通道或中为各种目的修建征地层之内的中空通道或中空洞宣统称为地空洞宣统称为地F F洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、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、地下弹道导弹发射井、以及车场、地下储油库、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，就是都要在岩体内开挖

2、出具有一定共同的特点，就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。正常使用条件。n n 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平地下洞室开挖之前，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。力重新分布。n n如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态如果围岩足够强固，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，那么，开挖出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不需要采取任何加固措施而能保持的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。稳定。n n但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大，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，重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果如果如果如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，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。对地下建筑的

4、施工和运营造成危害。对地下建筑的施工和运营造成危害。对地下建筑的施工和运营造成危害。n n10.210.2 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 n 围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点围岩应力重分布的一般特点n n 如前所述，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(常称为原岩应力)通常可以垂直正应力(通常为主应力)通常以垂直正应力和水平正应力来表示：n n v v=v0v0+hn n h h=N=N v v 式中：v0v0值可以是零，也可以是常数 由上式可知，岩由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化体内

5、的初始应力随深度而变化体内的初始应力随深度而变化体内的初始应力随深度而变化，因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说，其垂直剖面因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，即地下洞室在上各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体岩体岩体岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中内将是处在一种非均匀的初始应力场中内将是处在一种非均匀的初始应力场中内将是处在一种非均匀的初始应力场中。但是按照森。但是按照森维南原理，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。通常此范围等于地下洞室横限在洞周一定范围之内。通常此范围等

6、于地下洞室横剖面中最大尺寸的剖面中最大尺寸的3535倍倍 如图如图1010一一2(a)2(a)，习惯上将，习惯上将此范围内的岩体称为此范围内的岩体称为“围岩围岩”。如果此范围不超出地。如果此范围不超出地表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与与洞洞洞洞中心处是一样的中心处是一样的中心处是一样的中心处是一样的，这样，就可按图，这样，就可按图1010一一2(b)2(b)所示的均所示的均匀应力

7、场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。n n围岩应力重分布的主要特征是：围岩应力重分布的主要特征是：n n 径向应力径向应力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，至洞壁处变为零。至洞壁处变为零。n n 切向应力切向应力切向应力切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应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，即产生所谓力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力压应力压应力压应力集中集中集中集中(如图如图101

8、0一一3 3中的中的X X轴方位轴方位)，在另一些部分，在另一些部分，愈接近自由表面愈接近自由表面切向应力愈低切向应力愈低切向应力愈低切向应力愈低，有时甚至于洞壁，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中拉应力集中拉应力集中拉应力集中(如图如图1010一一3 3中中z z轴方位轴方位)。这样，地下洞宝的开挖就将于。这样，地下洞宝的开挖就将于围围围围岩内引起强烈的主应力分异现象岩内引起强烈的主应力分异现象岩内引起强烈的主应力分异现象岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大力差愈接近自由表面愈增大，至洞室

9、周边达最大值值。n n101010102 2 2 22 2 2 2 圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律规律规律规律n n 对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大对于圆形一椭圆形洞室，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应力轴与周边垂直相初始最大主应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，而两点之间的应力则介于上述两两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态个极值之间，呈逐渐过

10、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。周边应力集中的一般规律。n n 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 A、B B两点的切向应力可根据下式求得：两点的切向应力可根据下式求得：n n v(+N v(+N）(101)(101)n n式中：式中：(+N(+N）称为应力集中系数（）称为应力集中系数（=/v=/v）。）。n n A A点和点和B B点的点的和和 值

11、列于下表值列于下表(表表101)101)，符号见图符号见图1010一一4 4。A A点点B B点点 -1-12 2（b/a)+1b/a)+12 2（b/ab/a）+1+1-1-1 表101图10-6洞室周边应力集中系数n n 10.2.2.1 10.2.2.1 10.2.2.1 10.2.2.1 拉应力产生的条件拉应力产生的条件拉应力产生的条件拉应力产生的条件n n 从图从图1010一一6 6中可以看出，中可以看出，n n (1)1)当当N N1 1，任何轴比，任何轴比(b(ba)a)的洞室，周边上均的洞室，周边上均不产生拉应力，不产生拉应力，n n (2)(2)当当N N0 0时，周边上最大

12、拉应力总是产生在最时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的大主应力轴与洞室周边垂直相交的A A点，且其应力集点，且其应力集中系数与洞形无关，轴比中系数与洞形无关，轴比(b(ba)a)为任何值时，为任何值时，h h v v 均等于一均等于一1 1，n n (3)(3)当当0 0 N N 1 1时，特定洞形有特定的产生拉应时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界力的临界N N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位与洞周垂直相交的部位亦即当亦即当N N l l时时，最大拉应最大拉应力出现在力出现在A A点点，且，且N N值愈低于

13、临界值，所产生的拉应力值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；将愈大；当当N N 1 1时时最大拉应力产生在最大拉应力产生在B B点点，且，且N N值值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。n n 最大压应力集中的规律最大压应力集中的规律最大压应力集中的规律最大压应力集中的规律n n 图图1010一一6 6表明，当表明，当b ba aN N时，周边上不产生时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定特定N N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力

14、集中系数中的最小值，故稳定条件的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当最好，当b ba aN N时，最大压应力集中产生于时，最大压应力集中产生于B B点，点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当b ba a N N时，最大压应力集中产生于时，最大压应力集中产生于A A点，且两者点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。的差值愈大，其应力集中系数愈高。n n 不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可据式可据式(10(10一一1)1)或图或图1010一一6 6求得。求得。n n10.2.3 10.2

15、.3 10.2.3 10.2.3 其它形状洞室周边应力集中的一般规律其它形状洞室周边应力集中的一般规律其它形状洞室周边应力集中的一般规律其它形状洞室周边应力集中的一般规律n n10.2.2.1 10.2.2.1 10.2.2.1 10.2.2.1 方形一矩形洞室方形一矩形洞室方形一矩形洞室方形一矩形洞室n n 图图1010一一7 7及图及图IoIo一一8 8表明，方形一矩形洞室周表明，方形一矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些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(BH H的不同而变化，在不同的

16、应力场中的不同而变化，在不同的应力场中(N(N值不同时值不同时)，大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压大体上都是方形或近似于方形的洞室上的最大压应力集中系数为最低，随着宽高比的增大或减小，应力集中系数为最低，随着宽高比的增大或减小，洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似洞室角点上的最大压皮力集中系数则线性或近似干线性地增大。干线性地增大。n n 不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压不同条件下方形一矩形洞室角点上的最大压应力集中系数值，可根据应力集中系数值，可根据10-710-7图图1010一一8 8及表及表1010一一3 3的资料概略确定。的资料概略确定。n n n n 这类洞室周

17、边上最大拉应力集中仍产生于初这类洞室周边上最大拉应力集中仍产生于初始最大主应力与周边垂直相交的始最大主应力与周边垂直相交的A A点，不同条件下点，不同条件下这类洞室周边上的最大拉内力集中系数可据表这类洞室周边上的最大拉内力集中系数可据表1010一一2 2的资料概路确定。的资料概路确定。n n 从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉从表列资料中可以看出，这类洞室周边上拉应力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。应力产生的条件，与圆一椭圆形洞室十分相似。n n10.2.3.2 10.2.3.2 10.2.3.2 10.2.3.2 长圆形长圆形长圆形长圆形(圆拱直墙式圆拱直墙式圆拱直墙式圆拱直墙式)

18、洞室洞室洞室洞室n n 根据光弹试验的资料，图根据光弹试验的资料，图1010一一9 9所示断面上各所示断面上各特征点的切向应力仍可按式特征点的切向应力仍可按式1010一一1 1求得。图中各特求得。图中各特征点的应力集中系数中征点的应力集中系数中和和值，列于表值，列于表10-410-4中中.n n n n 根据上述资料可以看出，在一般情况下，这根据上述资料可以看出，在一般情况下，这类洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处类洞室周边上的最大压应力集中产生在边墙脚处的的E E点点，但当，但当N N值大于值大于7 7以后，周边上的最大压应力以后，周边上的最大压应力集中则出现在洞室的顶拱集中则出现在洞

19、室的顶拱A A点处。最大拉应力集中点处。最大拉应力集中仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故仍产生在最大主应力与洞壁垂直相交的边上，故在在N N1 1的应力场中。随着的应力场中。随着N N值的降低，拉应力首先值的降低，拉应力首先出现在洞底的中点出现在洞底的中点F F处，其产生拉应力的处，其产生拉应力的N N值条件值条件为为N N 0.390.39，随着，随着N N值的进一步降低，值的进一步降低，F F点处的拉应点处的拉应力逐渐增大，当力逐渐增大，当N N降至小于降至小于0.250.25时，洞室顶拱的中时，洞室顶拱的中点点A A点处也开始产生拉应力；在点处也开始产生拉应力；在N N1 1的应

20、力场中，的应力场中，最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点最大拉应力集中产生在园拱与直墙的交界点c c处，处，其出现拉应力的其出现拉应力的N N值条件为值条件为N N2.12.1。n n10.2.4 10.2.4 10.2.4 10.2.4 洞室周边应力与其形状间的近似定量洞室周边应力与其形状间的近似定量洞室周边应力与其形状间的近似定量洞室周边应力与其形状间的近似定量n n关系关系关系关系n n 根据森维南原理可知洞室周边的应力状态，根据森维南原理可知洞室周边的应力状态，n n只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的只要其表面是光滑的，主要受其局部几何形态的控制。在如图控制。在如图1010一

21、一1010所示的特例条件下，洞室周所示的特例条件下，洞室周边特定点边特定点A A、B B处的应力与其形态间有如下定量关处的应力与其形态间有如下定量关系：系：n n 上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半上述关系式表明，洞室周边应力与其曲率半径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际径呈负相关，而与其宽或高呈正相关关系。实际上，利用上述关系式可近似地计算任一形状洞室上，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垂直相交两点周边与主应力垂直相交两点(即即A A、B B点点)处的周边处的周边应力。例如，在图应力。例如，在图1010一一1111所示的情况下，只要先求所示的情况下，只要先求出出A

22、 A、B B两点处的曲率半径，即可按前述公式求得两点处的曲率半径，即可按前述公式求得该两点的周边应力。该两点的周边应力。A A点的曲率半径可直接从图中点的曲率半径可直接从图中求出求出B B点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率点的曲率半径可近似地按其内切椭圆的曲率半径计算。按上述方法求得的周边应力分别为：半径计算。按上述方法求得的周边应力分别为：AA3 396P96P，B B-0.17P-0.17P，与据边界无法求得的，与据边界无法求得的数据数据AA3 30P 0P，B B-0.17P),-0.17P),可见，这种简可见，这种简易的近似计算完全能满足工程设计的精度要求。易的近似计算完全能满足工

23、程设计的精度要求。n n 图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图岩特性及不连续面对围岩应力的影响图岩特性及不连续面对围岩应力的影响n n 图图1010一一1212表示圆形洞室围岩不是理想弹性体表示圆形洞室围岩不是理想弹性体时的应力分布情况，它表明，当围岩的应力时的应力分布情况，它表明，当围岩的应力应应变关系具有非线性特征，或围岩具有较大螺变特变关系具有非线性特征，或围岩具有较大螺变特性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性性时，洞室周边附近的切向应力要小于理想弹性岩层时的应力；但当远离洞壁一定医离后，岩层岩层时的应力；但当远离洞壁一定医离后，岩层内的切向应力则

24、要大干理想弹性岩层时的应力，内的切向应力则要大干理想弹性岩层时的应力，其变化情况如图其变化情况如图1010一一1212中的虚线所示。中的虚线所示。n n 图图1010一一1313表示地下洞室附近断层等不连续面表示地下洞室附近断层等不连续面的存在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室的存在对围岩应力分布的影响，它表明，当洞室附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位附近有一个断层平行于洞壁通过时，任何一个位于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切于断层带内的岩层单元体都要承受径向应力和切向应力的作用向应力的作用 如图如图1013(b)1013(b)，从而使断层面上，从而使断层面上产生剪应力产生剪

25、应力 如图如图1010一一13(c)13(c)。如果这种剪应力的。如果这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，数值大于断层泥或断层角砾岩所能承受的应力值，则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面则这一单元就会发生位移，从而使得传过断层面的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原的应力较之没有断层时减小了一些，由于这种原因，因，在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很高在洞室和断层之间的狭窄地带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的应力集中，使该区围岩的稳定条件大为恶化的应力集中，使该区围岩

26、的稳定条件大为恶化的应力集中，使该区围岩的稳定条件大为恶化 n n 此外，此外，应力集中程度的增加还会因岩层的各应力集中程度的增加还会因岩层的各应力集中程度的增加还会因岩层的各应力集中程度的增加还会因岩层的各向异性而引起向异性而引起向异性而引起向异性而引起。已被某些测量所验证过的理论计。已被某些测量所验证过的理论计算结果指出，各向异性岩层中的应力集中远大于算结果指出，各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩层。各向同性岩层。n n10.2.6 10.2.6 10.2.6 10.2.6 相邻洞室的存在对围岩应力的影响相邻洞室的存在对围岩应力的影响相邻洞室的存在对围岩应力的影响相邻洞室的存在对围岩

27、应力的影响n n 由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在洞室在该点引起的应力之和，故相邻洞室的存在通常使围岩应力通常使围岩应力(主要是压应力主要是压应力)的集中程度增高的集中程度增高(图图1014)1014)，对洞室图岩稳定不利。因此，不同，对洞室图岩稳定不利。因此，不同的业务部门规定了不同的最小安全洞室间距，例的业务部门规定了不同的最小安全洞室间距，例如水电部门规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距如水电部门规定，无压隧洞相邻洞室的最小间距为倍洞跨，高压隧洞之间的最小间距为为倍洞跨，高压隧洞之间的最小间距为n n0.1

28、50.15一一0.60.6倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧倍水头。铁道部门规定，两相邻单线隧道的最小间距按下表道的最小间距按下表(表表10-5)10-5)确定。确定。围岩类型围岩类型VIVI V VIVIVIIIIIIII III I最小间距最小间距 （1.52.01.52.0）B B（2.02.52.02.5）B B（2.53.02.53.0）B B（3.55.03.55.0）B B5.0B5.0B表105注:1.围岩类型根据围岩分类（见工程地质勘察）确定，VIVI为硬岩，依次降低；2.B为隧道的跨度。n n10.3 10.3 地下洞室围岩的变形破坏及山岩压地下洞室围岩的变形破坏及山岩压力

29、问题力问题n n10.3.1 10.3.1 10.3.1 10.3.1 围岩变形破坏的一般过程和特点围岩变形破坏的一般过程和特点围岩变形破坏的一般过程和特点围岩变形破坏的一般过程和特点n n 地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变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布之外，还有水分的重分布。荷回弹和应力重分布之外，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，围岩即将发生回弹应力或重分布的应力的作用，围岩即将

30、发生塑性变形成破坏。塑性变形成破坏。这种变形或破坏通常是从洞室这种变形或破坏通常是从洞室这种变形或破坏通常是从洞室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周边，特别是那些最大压或拉应力集中的部位开周边，特别是那些最大压或拉应力集中的部位开周边，特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始，而后逐步向围岩，内部发展的始，而后逐步向围岩，内部发展的始，而后逐步向围岩，内部发展的始，而后逐步向围岩，内部发展的。n n其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围其结果常可在洞室周围形成松动带或松动圈。围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释

31、放而重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，重新调整，通常在围岩的表部形成应力降低区，而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围而高应力集中区则向岩体内部转移，结果就在围岩内形成一定的应力分带，如图岩内形成一定的应力分带，如图10151015所示的水所示的水静应力场中静应力场中(N(N1)1)圆形隧洞周围的三个应力带就圆形隧洞周围的三个应力带就是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。围岩表是围岩塑性变形或破坏的发展所造成的。围岩表部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分部低应力区的形成往往又会促使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步由高应力区向围岩的表部转移，这不仅能进一步

32、恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩表恶化围岩的稳定条件而且能使某些存在于围岩表部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造部易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形，造成很大的山压。成很大的山压。n n 围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与围岩岩体的变形和破坏的形式和特点，除与岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决岩体内的初始应力状态和洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问于围岩的岩性和结构。为了更清楚地说明这个问题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的题，现将围岩的变形、破坏的类型及其与围岩的岩性和结构之间的关系列于表岩性和结构之间的关系列于表1010一一6

33、6。围岩类型围岩类型岩体结构岩体结构变形变形破坏形式破坏形式产生机制产生机制脆性围岩脆性围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性破坏拉应力集中造成的张性破坏 劈裂剥落劈裂剥落 压应力集中造成的压制拉裂压应力集中造成的压制拉裂 剪切滑移及剪切破碎剪切滑移及剪切破碎 压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂压应力集中造成的剪切破坏及滑移拉裂 岩岩 爆爆 压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏 中薄层结构中薄层结构 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

34、构 破碎松动破碎松动 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性围岩塑性围岩 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表106 围岩的变形破坏形式及其围岩岩性及结构的关系n n10.3.2 10.3.2 10.3.2 10.3.2 脆姓围岩的变形和破坏脆姓围岩的变形和破坏脆姓围岩的变形

35、和破坏脆姓围岩的变形和破坏n n 脆性图岩包括各种块体状结构或层状结构的脆性图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。这类因岩的变形和破坚硬或半坚硬的脆性岩体。这类因岩的变形和破坏，主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发坏，主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为生的，水分的重分布对其变形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微弱。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，主要取决于围岩结构，一般有弯折内态有关外，主要取决于围岩结构，一

36、般有弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移以及岩爆等不同类型不同类型(见表见表1010一一6)6)，现分述如下。，现分述如下。n n10.3.2.1 10.3.2.1 10.3.2.1 10.3.2.1 弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓n n 这类变形破坏是层状、特别是薄层状围岩变形这类变形破坏是层状、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：一是卸荷回弹的结果；二是应力集中有两种情况：一是卸荷回弹的结果；二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过范层状岩层的抗弯折强使洞壁处的切向

37、压应力超过范层状岩层的抗弯折强度所造成的。度所造成的。n n 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在 初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

38、在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生如图作用下发生如图IoIo一一1616所示的弯曲、技裂和折断，所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。最终挤入洞内而坍阁。n n 例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于在千枚岩层中，当洞径大于6m6m的洞体平行或近于的洞体平行或近于平行平行(交角小于交角小于2020。)陡倾的岩层走向时，在平行陡倾的岩层走向时，在平行于

39、层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号。十流洞一号支洞，在桩号。十135135航段的施工过程中，航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在ot 360oot 360o十十470m470m段的施工过程中。段的施工过程中。n n 值得注意的是，在该区地

40、表溢洪道的施工过值得注意的是，在该区地表溢洪道的施工过程中，当送洪道平行于陡顾的岩层走向时，新开程中，当送洪道平行于陡顾的岩层走向时，新开挖出的边披岩体经常在挖出的边披岩体经常在3535天之内即发生强烈的天之内即发生强烈的倾倒破坏。由此可见，在该区所发生酌上述两类倾倒破坏。由此可见，在该区所发生酌上述两类变形破坏变形破坏(即地宏边坡岩体的倾倒和地下隧洞洞壁即地宏边坡岩体的倾倒和地下隧洞洞壁的弯折内鼓的弯折内鼓)同是卸荷回弹与应力释放的结果。同是卸荷回弹与应力释放的结果。n n 由压应力集中所造成的变形破坏主要发生在由压应力集中所造成的变形破坏主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是

41、洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。发生弯折内鼓破坏。n n 如图如图1010一一1616所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入所示的弯曲、技裂和折断，最终挤入洞内而坍阁。例如白龙江碧口电站在导流洞一号支洞洞内而坍阁。例如白龙江碧口电站在导流洞一

42、号支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工过程中，均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千均发生过这类变形破坏。这些水工隧洞部是修建在千枚岩层中，当洞径大于枚岩层中，当洞径大于6m6m的洞体平行或近于平行的洞体平行或近于平行(交交角小于角小于2020。)陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞陡倾的岩层走向时，在平行于层面的洞壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖壁上经常发生弯折内鼓型破坏，而且一般部是在开挖后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩后不久即迅速发生。例如右岸导流洞一号支洞，在桩号号0 0十十135135航段的施工

43、过程中，随着开挖的进行，岩层航段的施工过程中，随着开挖的进行，岩层的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的的弯沂变形越来越严重，一星期后已用锚杆加固了的变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，变形岩体突然塌风几乎造成伤亡事故。又如排沙洞，在在0 0十十360o360o十十470m470m段的施工过程中。洞体两侧壁发段的施工过程中。洞体两侧壁发生严重的弯折内鼓，开挖中曾用锚杆与工字钢联合封生严重的弯折内鼓，开挖中曾用锚杆与工字钢联合封锁支护，半月之后，变形岩体连锚杆与工字钢突然坍锁支护，半月之后，变形岩体连锚杆与工字钢突然坍落，方量达落，方量达500m3500m3，不得不停工处理。，

44、不得不停工处理。n n 一些局部构造条件，有时也有利于这类变形一些局部构造条件，有时也有利于这类变形破坏的产生。如图破坏的产生。如图10171017所示情况，平行于洞室所示情况，平行于洞室测壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内的测壁的断层，使洞壁和断层之间的薄层岩体内的应力集中有所增高，因此洞壁附近的切向应力特应力集中有所增高，因此洞壁附近的切向应力特高于正常情况下的平均值，而薄板的抗弯矩又比高于正常情况下的平均值，而薄板的抗弯矩又比较低，往往造成弯折内鼓破坏。较低，往往造成弯折内鼓破坏。n n 从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中从这类变形、破坏的发生机制和发育特点中可以看出，在现代地应

45、力或构造剩余应力较高的可以看出，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，围岩的稳定性薄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有密切关与洞室轴向相对于区域最大主应力方位有密切关系。通常系。通常轴向垂直于最大主应力方向的洞室，轴向垂直于最大主应力方向的洞室，轴向垂直于最大主应力方向的洞室，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其稳定性远低于平行于最大主应力方向者其稳定性远低于平行于最大主应力方向者其稳定性远低于平行于最大主应力方向者。这是这是因为：在洞轴垂直于水平最大主应力的条件下，因为：在洞轴垂直于水平最大主

46、应力的条件下，当洞体平行或近于平行地通过陡倾岩层时强烈的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洞壁发生卸荷回弹会使垂直于最大主应力方向的洞壁发生严重的严重的弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓，而当洞体通过平缓岩层时，高，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的洞室顶度的应力集中又会使平行于最大主应力的洞室顶底板，特别是顶拱，因底板，特别是顶拱，因弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓的发展而严重坍的发展而严重坍塌。塌。n n10.3.2.2 10.3.2.2 10.3.2.2 10.3.2.2 张裂塌落张裂塌落张裂塌落张裂塌落n n 张裂塌落

47、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。被垂直裂被垂直裂被垂直裂被垂直裂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

48、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(如图如图1010一一18)

49、18)。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的。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。抗拉强度时顶拱因岩韶趋于稳定。n n 10.3.2.3 10.3.2.3 10.3.2.3 10.3.2.3 劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动n n 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。n n 1.1.劈裂剥落劈裂剥落n n 过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞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

50、切割成厚室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落剥落 如图如图l0l0一一19(b)19(b)。破裂的范围一般不超过洞。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，这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌度时，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。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状结构的岩体内，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，也可