工程地质分析原理 第十章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
第十章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
101基本概念及研究意义 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F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 共同的特点,就是都要在岩体內开挖出具有一定 横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所 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。 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
◼ 10.1 基本概念及研究意义 ◼ 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F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 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。 ◼ 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保持 稳 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
◼ 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， 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，都会引起破坏事故， 对地下建筑的施工和运营造成危害
■10.2地下开挖后围岩应力的重分布 10.21围岩应力重分布的一般特点 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 OV=Ovotyh Oh=n OV 式中:值可以是零,也可以是常数
◼ 10.2 地下开挖后围岩应力的重分布 ◼ 10.2.1 围岩应力重分布的一般特点 ◼ 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： ◼ σv=σv0+γh ◼ σh=N σv 式中：σv0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,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,即地下洞室在岩体内 将是处在一种非均匀的初始应力场中。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限 在洞周一定范围之內。通常此范围等于地下洞室横剖 面中最大尺寸的3-5倍[如图10-2(a)],习惯上将此 范围内的岩体称为“围岩”。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定, 在洞室的整个影响带內岩体的初始应力状态与洞中心 处是一样的,这样,就可按图10-2(6)所示的均匀应 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
由上式可知，岩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，其垂直剖面上 各点的原岩应力大小是不等的，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。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 面中最大尺寸的3—5倍[如图10一2(a)]，习惯上将此 范围内的岩体称为“围岩”。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，就可按图10一2(b)所示的均匀应 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
围岩应力重分布的主要特征是 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。 切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力 愈大,并于洞壁达最高值,即产生所谓压应力集 中(如图10-3中的X轴方位),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 近出现够应力,即产生所谓拉应力集中(如图10 3中z轴方位)。这样,地下洞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,至洞室周边达最大值
◼ 围岩应力重分布的主要特征是： ◼ 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。 ◼ 切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力 愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集 中(如图10一3中的X轴方位)，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 近出现够应力，即产生所谓拉应力集中(如图10一 3中z轴方位)。这样，地下洞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，至洞室周边达最大值
50 4. r 3.0 2.0 del 201 102.0 x 3.04.05.0 图10-3N=025时,圆形隧洞周边的应 力分布
10.2.2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般 规律 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初 始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交 的A、B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(如图10-4、10-5)。 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
◼ 10．2．2 圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般 规律 ◼ 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初 始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交 的A、B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(如图10一4、10一5)。 可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要 了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边 应力集中的一般规律
N No ≥1或≤ N≥1成≤主 图10-4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
3 N F=1 W=1 N 0 ○ 、 图10-5不同N值条件下圆形隧洞周 边的应力分布 (据D.F.科茨,1970)