10地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質分析

1、第十章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質分析,工程地質分析原理,10.1 基本概念及研究意義 ?為各種目的修建在地層之內的中空通道或中空洞室統稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下彈道導彈發(fā)射井以及地下飛機庫等。雖然它們規(guī)模不等，但都有一個共同的特點，就是都要在巖體內開挖出具有一定橫斷面積和尺寸并有較大廷伸長度的洞子。所以周圍巖層的穩(wěn)定性就決定著地下建筑的安全和正常

2、使用條件。 地下洞室開挖之前，巖體處于一定的應力平衡狀態(tài)，開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應力重新分布。,如果圍巖足夠強固，不會因卸荷回彈和應力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著的變形和破壞，那么，開挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持穩(wěn)定。 但是，有時或因洞室周圍巖體應力狀態(tài)的變化大，或因巖體強度低，以致圍巖適應不了回彈應力和重分布應力的作用而喪失其穩(wěn)定性。此時，如果不加固或加固而末保證質量，都會引起破壞事故，對地下建筑的施

3、工和運營造成危害。 為了保證地下建筑符合多快好省的原則，必須了解和掌握地下洞室圍巖的應力狀態(tài)、變形破壞機制和分析評價圍巖穩(wěn)定性的原理，以便能在工程地質勘察過程中，為正確解決地下建筑設計和施工中的各類問題，提供充分而可靠的地質依據。,10.2 地下開挖后圍巖應力的重分布10.2.1 圍巖應力重分布的一般特點 如前所述，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應力狀態(tài)，巖體內任何一點的初始應力狀態(tài)(常稱為原巖應力)通?？梢?/p>

4、垂直正應力(通常為主應力) 和水平正應力來表示： σv=σv0+γh σh=N σv 式中：σv0值可以是零，也可以是常數,由上式可知，巖體內的初始應力隨深度而變化，因而對于具有一定尺寸的地下洞室來說，其垂直剖面上各點的原巖應力大小是不等的，即地下洞室在巖體內將是處在一種非均勻的初始應力場中。但是按照森維南原理，由開挖洞室引起的應力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內。通常此范圍等于地下洞室橫剖面中最大尺寸的3

5、~5倍[如圖10-2(a)]，習慣上將此范圍內的巖體稱為“圍巖”。如果此范圍不超出地表，為簡化圍巖應力的計算，就可沒有嚴重誤差地假定，在洞室的整個影響帶內巖體的初始應力狀態(tài)與洞中心處是一樣的，這樣，就可按均勻應力場來處理圍巖應力的計算。實際上，巖石力學中圍巖應力的近似計算都是根據這種假定進行的。,圍巖應力重分布的主要特征是： 徑向應力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱恪?切向應力在一些部位愈接近自由表面切向應

6、力愈大，并于洞壁達最高值，即產生所謂壓應力集中(如圖10-3中的X軸方位)，在另一些部分，愈接近自由表面切向應力愈低，有時甚至于洞壁附近出現拉應力，即產生所謂拉應力集中(如圖10-3中z軸方位)。這樣，地下洞寶的開挖就將于圍巖內引起強烈的主應力分異現象，使圍巖內的應力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周邊達最大值 。,10.2.2 圓--橢圓形洞室周邊壓力集中的一般規(guī)律 對于圓形---橢圓形洞室，周邊上可能的最大拉應力集中和

7、最大壓應力集中分別發(fā)生于巖體內初始最大主應力軸和最小主應力軸與周邊垂直相交的A、B兩點，而兩點之間的應力則介于上述兩個極值之間，呈逐漸過渡狀態(tài)(如圖10-4、10-5)?？梢娺@兩點是判定圍巖是否穩(wěn)定的關鍵部位，只要了解這兩點的應力情況，就能掌握這類洞室周邊應力集中的一般規(guī)律。,根據彈性理論，圓--橢圓形地下洞室周邊A、B兩點的切向應力可根據下式求得： σθ ＝ σv(α+βN） (10-1)式中： (α+βN）稱為應力集

8、中系數（= σθ / σv ）。 A點和B點的α和β 值列于下表(表10-1)，符號見圖10-4。,表10-1,圖10-6 洞室周邊應力集中系數,10.2.2.1 拉應力產生的條件 從圖10-6中可以看出， (1)當N＝1，任何軸比(b／a)的洞室，周邊上均不產生拉應力， (2)當N＝0時，周邊上最大拉應力總是產生在最大主應力軸與洞室周邊垂直相交的A點，且其應力集中系數與洞形無關，軸比

9、(b／a)為任何值時， σAθ ／ σv 均等于-1， (3)當0 ? N ? 1時，特定洞形有特定的產生拉應力的臨界N值。同時，拉應力仍產生在最大主應力軸與洞周垂直相交的部位．亦即當N ＜l時，最大拉應力出現在A點，且N值愈低于臨界值，所產生的拉應力將愈大；當N ＞1時，最大拉應力產生在B點，且N值愈高于臨界值，該處所產生的拉應力將愈大。,10.2.2.2 最大壓應力集中的規(guī)律 圖10-6表明： 當b／a＝

10、N時，周邊上不產生拉應力，且各點的壓應力集中系數均相等，為該特定N值條件下，不同軸比洞室周邊上所可能產生的最大壓應力集中系數中的最小值，故穩(wěn)定條件最好。 當b／a＞N時，最大壓應力集中產生于B點，且其應力集中系數隨兩者差值的增大而增大。 當b／a ＜N時，最大壓應力集中產生于A點，且兩者的差值愈大，其應力集中系數愈高。 不同條件下洞室周邊上最大壓應力集中系數，可據式(10-1)或圖10-6求得。,10.2.3 其

11、它形狀洞室周邊應力集中的一般規(guī)律10.2.2.1 方形--矩形洞室 圖10-7及圖10-8表明，方形--矩形洞室周邊上最大壓應力集中均產生于角點上，而且這些角點上的最大壓應力集中系數隨洞室寬高比(B／H）的不同而變化，在不同的應力場中(N值不同時)，大體上都是方形或近似于方形的洞室上的最大壓應力集中系數為最低，隨著寬高比的增大或減小，洞室角點上的最大壓應力集中系數則線性或近似于線性增大。 不同條件下方形--矩形洞室角點

12、上的最大壓應力集中系數值，可根據圖10-7、圖10-8及表10-3的資料概略確定。,這類洞室周邊上最大拉應力集中仍產生于初始最大主應力與周邊垂直相交的A點，不同條件下這類洞室周邊上的最大拉應力集中系數可據表10-2的資料概路確定。 從表列資料中可以看出，這類洞室周邊上拉應力產生的條件，與圓一橢圓形洞室十分相似。10.2.3.2 長圓形(圓拱直墻式)洞室 根據光彈試驗的資料，圖10-9所示斷面上各特征點的切向應力仍可

13、按式10-1求得。圖中各特征點的應力集中系數中α和β值，列于表10-4中。,根據上述資料可以看出，在一般情況下，這類洞室周邊上的最大壓應力集中產生在邊墻腳處的E點，但當N值大于7以后，周邊上的最大壓應力集中則出現在洞室的頂拱A點處。最大拉應力集中仍產生在最大主應力與洞壁垂直相交的邊上。故在N＜1的應力場中，隨著N值的降低，拉應力首先出現在洞底的中點F處，其產生拉應力的N值條件為N?0.39，隨著N值的進一步降低，F點處的拉應力逐漸增大

14、，當N降至小于0.25時，洞室頂拱的中點A點處也開始產生拉應力；在N＞1的應力場中，最大拉應力集中產生在園拱與直墻的交界點c處，其出現拉應力的N值條件為N＞2.1。,10.2.4 洞室周邊應力與其形狀間的近似定量關系 根據森維南原理可知，洞室周邊的應力狀態(tài)，只要其表面是光滑的，主要受其局部幾何形態(tài)的控制。在如圖10-10所示的特例條件下，洞室周邊特定點A、B處的應力與其形態(tài)間有如下定量關系：（點A、B 的位置與前述圖的位置

15、相反）,上述關系式表明，洞室周邊應力與其曲率半徑呈負相關，而與其寬或高呈正相關關系。實際上，利用上述關系式可近似地計算任一形狀洞室周邊與主應力垂直相交兩點(即A、B點)處的周邊應力。例如，在圖10-11所示的情況下，只要先求出A、B兩點處的曲率半徑，即可按前述公式求得該兩點的周邊應力。A點的曲率半徑可直接從圖中求出，B點的曲率半徑可近似地按其內切橢圓的曲率半徑計算。按上述方法求得的周邊應力分別為：σA＝3.96P，σB ＝-0.17P，

16、與據邊界元法求得的數據（σA＝3.60P ， σB＝-0.17P)十分接近?？梢姡@種簡易的近似計算完全能滿足工程設計的精度要求。,10.2.5 圍巖特性及不連續(xù)面對圍巖應力的影響 圖10-12表示圓形洞室圍巖不是理想彈性體時的應力分布情況，它表明，當圍巖的應力-應變關系具有非線性特征，或圍巖具有較大蠕變特性時，洞室周邊附近的切向應力要小于理想彈性巖層時的應力；但當遠離洞壁一定距離后，巖層內的切向應力則要大于理想彈性巖層時的應

17、力，其變化情況如圖10-12中的虛線所示。,圖10-13表示地下洞室附近斷層等不連續(xù)面的存在對圍巖應力分布的影響，它表明，當洞室附近有一個斷層平行于洞壁通過時，任何一個位于斷層帶內的巖層單元體都要承受徑向應力和切向應力的作用[如圖10-13(b)]，從而使斷層面上產生剪應力[如圖10-13(c)]。如果這種剪應力的數值大于斷層泥或斷層角礫巖所能承受的應力值，則這一單元就會發(fā)生位移，從而使得傳過斷層面的應力較之沒有斷層時減小了一些，由于這

18、種原因，在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產生很高的應力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化。,此外，應力集中程度的增加還會因巖層的各向異性而引起。已被某些測量所驗證過的理論計算結果指出，各向異性巖層中的應力集中遠大于各向同性巖層。10.2.6 相鄰洞室的存在對圍巖應力的影響 由于圍巖內某一點的總應力等于兩個或多個洞室在該點引起的應力之和，故相鄰洞室的存在通常使圍巖應力(主要是壓應力)的集中程度增高(圖10-14)，對洞室圍巖穩(wěn)定不

19、利。因此，不同的業(yè)務部門規(guī)定了不同的最小安全洞室間距，例如水電部門規(guī)定，無壓隧洞相鄰洞室的最小間距為1.0-1.3倍洞跨，高壓隧洞之間的最小間距為0.15-0.6倍水頭。鐵道部門規(guī)定，兩相鄰單線隧道的最小間距按下表(表10-5)確定。,,注: 1.圍巖類型根據圍巖分類（見《工程地質勘察》）確定， VI為硬巖，依次降低； 2.B為隧道的跨度。,10.3 地下洞室圍巖的變形破壞及山巖壓力問題10.3.1 圍巖變形破壞的

20、一般過程和特點 地下洞室開挖常能使圍巖的性狀發(fā)生很大變化。促使圍巖性狀發(fā)生變化的因素，除上述的卸荷回彈和應力重分布之外，還有水分的重分布。一般說來，洞室開挖后，如果圍巖巖體承受不了回彈應力或重分布的應力的作用，圍巖即將發(fā)生塑性變形成破壞。這種變形或破壞通常是從洞室周邊，特別是那些最大壓或拉應力集中的部位開始，而后逐步向圍巖內部發(fā)展的。 其結果常可在洞室周圍形成松動帶或松動圈。圍巖內的應力狀態(tài)也將因松動圈內的應力被

21、釋放而重新調整，通常在圍巖的表部形成應力降低區(qū)，而高應力集中區(qū)則向巖體內部轉移，結果就在圍巖內形成一定的應力分帶，如圖10-15所示的水靜應力場中(N＝1)圓形隧洞周圍的三個應力帶就是圍巖塑性變形或破壞的發(fā)展所造成的。,圍巖表部低應力區(qū)的形成往往又會促使巖體內部的水分由高應力區(qū)向圍巖的表部轉移，這不僅能進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件而且能使某些存在于圍巖表部易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹變形，造成很大的山壓。 圍巖巖體的變形和破

22、壞的形式和特點，除與巖體內的初始應力狀態(tài)和洞形有關外，主要取決于圍巖的巖性和結構。為了更清楚地說明這個問題，現將圍巖的變形、破壞的類型及其與圍巖的巖性和結構之間的關系列于表10-6。,表10-6 圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結構的關系,10.3.2 脆性圍巖的變形和破壞 脆性圍巖包括各種塊體狀結構或層狀結構的堅硬或半堅硬的脆性巖體。這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應力和重分布的應力作用下發(fā)生的，水分的重分布

23、對其變形和破壞的影響較為微弱。這類圍巖變形破壞的形式和特點，除與由巖體初始應力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應力狀態(tài)有關外，主要取決于圍巖結構，一般有彎折內鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型(見表10-6)，現分述如下。,10.3.2.1 彎折內鼓 這類變形破壞是層狀，特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。從力學機制來看，它的產生可能有兩種情況：一是卸荷回彈的結果；二是應力集中使洞壁處的切向壓應力超過薄層狀巖層的抗

24、彎折強度所造成的。 由卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生在初始應力較高的巖體內(或者洞室埋深較大，或者水平地應力較高)，而且總是在與巖體內初始最大主應力垂直相交的洞壁上表現得最強烈．故當薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時，洞室開挖后．薄層狀圍巖就會在回彈應力的作用下發(fā)生回彈應力的作用下發(fā)生如圖10-16所示的彎曲、拉裂和折斷，最終擠入洞內而坍倒。,例如白龍江碧口電站在導流洞一號支洞的下叉洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過程中，均

25、發(fā)生過這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中，當洞徑大于6m的洞體平行或近于平行(交角小于20。)陡傾的巖層走向時，在平行于層面的洞壁上經常發(fā)生彎折內鼓型破壞，而且一般都是在開挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導流洞一號支洞，在樁號0十135m段的施工過程中，隨著開挖的進行，巖層的彎折變形越來越嚴重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌倒，幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞，在0+360—0+470m段的施工過程中，洞體兩側壁發(fā)生嚴重的彎

26、折內鼓，開挖中曾用錨桿與工字鋼聯合封鎖支護，半月之后，變形巖體連錨桿與工字鋼突然坍落，方量達500m3，不得不停工處理。,值得注意的是，在該區(qū)地表溢洪道的施工過程中，當溢洪道平行于陡傾的巖層走向時，新開挖出的邊披巖體經常在3-5天之內即發(fā)生強烈的傾倒破壞。由此可見，在該區(qū)所發(fā)生的上述兩類變形破壞(即地表邊坡巖體的傾倒和地下隧洞洞壁的彎折內鼓)同是卸荷回彈與應力釋放的結果。 由壓應力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的

27、壓應力集中的部位，通常是洞室的角點或與巖體內初始最大主應力平行或近于平行的洞壁，故當薄層狀巖體的層面與這類應力高度集中部位平行或近于平行時，切向壓應力往往超過薄層狀圍巖的抗彎折強度，從而使圍巖發(fā)生彎折內鼓破壞。,一些局部構造條件，有時也有利于這類變形破壞的產生。如圖10-17所示情況，平行于洞室側壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內的應力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應力將高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往造成彎折

28、內鼓破壞。,從這類變形、破壞的發(fā)生機制和發(fā)育特點中可以看出，在現代地應力或構造剩余應力較高的薄層狀巖層內修建這類地下洞室，圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對于區(qū)域最大主應力方位有密切關系。通常，軸向垂直于最大主應力方向的洞室，其穩(wěn)定性遠低于平行于最大主應力方向者。這是因為：在洞軸垂直于水平最大主應力的條件下，當洞體平行或近于平行地通過陡傾巖層時強烈的卸荷回彈會使垂直于最大主應力方向的洞壁發(fā)生嚴重的彎折內鼓，而當洞體通過平緩巖層時，高度的應力集中

29、又會使平行于最大主應力的洞室頂底板，特別是頂拱，因彎折內鼓的發(fā)展而嚴重坍塌。,10.3.2.2 張裂塌落 張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內的洞室頂拱。當那里產生拉應力集中，且其值超過圍巖的抗拉強度時，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是當那里發(fā)育有近垂直的構造裂隙時，即使產生的拉應力很小也可使巖體拉開產生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定，特別是當有近水平方向的軟弱結構面發(fā)育，巖體在垂直方向的抗拉強度

30、較低時，往往造成頂拱的塌落。但是在N?0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小會使頂拱處的拉應力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?如圖10-18)。當頂拱處的拉應力減小至小于巖體的抗拉強度時，頂拱圍巖就趨于穩(wěn)定。,10.3.2.3 劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動 這三種破壞形式都發(fā)生于壓應力、特別是最大壓應力集中的部位。 1.劈裂剝落 過大的切向壓應力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圍巖切割成厚

31、度由幾厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落[如圖l0-19(b)]。破裂的范圍一般不超過洞室的半跨。當切向壓應力大于劈裂巖板的抗彎強度時，這些劈裂板還可能被壓彎、折斷并造成塌方，轉化為類似于彎折內鼓類型的破壞。,劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結構的巖體內，視圍巖應力條件的不同，可發(fā)生于頂拱，也可發(fā)生于邊墻之上，前者造成頂拱的片狀冒落，后者則造成通常所謂的片幫。 2.剪切滑移 這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結構的

32、巖體內。隨圍巖應力條件的不同，可發(fā)生在邊墻上，也可發(fā)生于頂拱。,在水平應力大于垂直應力的應力場中(N＞1)，這類破壞多發(fā)生在頂拱壓應力集中程度較高，且有斜向斷裂發(fā)育的部位，圖10-20(a)就表示了這種情況。位于斷層帶內的巖層單元體通常具有如圖10-20(b)所示的應力狀態(tài)。由于切向應力σθ很大，而徑向應力σr很小，故沿斷層面作用的剪應力比較高，而正應力卻比較小，所以，沿斷層面作用的剪應力往往會超過其抗剪強度，引起沿斷層的剪切滑移。這種

33、滑移又會引起次生的拉應力[大體上垂直于因10-20(a)中的虛線]，從而使斷層與虛線間的三角形巖體因滑移拉裂而冒落。,3．碎裂松動 碎裂松動是碎裂結構巖體變形、破壞的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應力超過了圍巖的屈服強度，這類圍巖就會因沿多組已有斷裂結構面發(fā)生剪切錯動而松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動帶或松動圈。這類松動帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當有地下水的活動參與時，極易導致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動帶的厚度會隨時間的推移

34、而逐步增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過度發(fā)展，必須及時采取加固措施。,上述二類破壞所引起的洞室寬高比的變化，一方面會使洞形急劇變化部分的圍巖表部的切向壓應力的集中程度隨之急劇增大，另外還會在與最大主應力相垂直的洞壁上引起拉應力，從而進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，引起圍巖累進性破壞。如圖10-21所示，就是一個寬高比為6的矩形坑道，在N＝3的應力場中，頂拱擠壓破壞所引起的洞形變化與圍巖應力變化之間的關系。從圖中可以看出，當破壞所造成的

35、崩落向上發(fā)展時，頂板中央的壓應力迅速隨冒落高度增高而增大，在這種場合下，如不及時采取措施，頂拱的崩落作用必將累進性的加速發(fā)展，造成嚴重后果。,10.3.2.4 巖爆 1．有關巖爆的基本概念 在地下開挖或開采過程中，圍巖的破壞有時會突然地以爆炸的形式表現出來，這就是所謂的巖爆。當巖爆發(fā)生時，巖石或煤等突然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達幾十噸，小者長僅幾厘米。大型巖爆通常伴有劇烈的氣浪和巨響,甚至還伴有周圍

36、巖體的振動。巖爆對于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害。大者能破壞支護、堵塞坑道，造成重大的傷亡事故。小者也能威脅工人的安全。因此，研究這類破壞的發(fā)生、發(fā)展與防治，對于地下開挖工作的安全與經濟有著重要意義。,2．巖爆的類型和特點 按發(fā)生的部位及所釋放的能量類型，巖爆有不同的類型 (1)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆 在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的中小型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時發(fā)出如機槍射擊

37、的劈劈拍拍響聲，故被稱為巖石射擊。成昆線官村壩隧道(最大埋深達1600m)開挖過程中通過震旦系灰?guī)r時就曾發(fā)生過這類巖爆。它一般發(fā)生在新開挖的工作面附近，爆破后2~3h，圍巖表部巖石常發(fā)出如上所述的爆裂聲，同時有中厚邊薄的不規(guī)則片狀巖塊自洞壁圍巖中彈射出或剝落。,彈出者一般塊度較小，多呈幾cm長、寬的薄片，個別達幾十cm長、寬，但爆裂聲較大，且爆裂與彈射幾乎同時發(fā)生；剝落者一殷塊度較大，可達幾m長、寬，但爆聲較小，且多在爆裂聲的幾分鐘或更

38、長些時間后方脫離母巖而自由墜下。這類巖爆多發(fā)生于表面平整、有硬質結核或軟弱面的地方，且多平行于巖壁發(fā)生，事前無明顯的預兆。 (2)礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆 發(fā)生于一些探礦坑中的大型巖爆多屬這種類型。這類巖爆發(fā)生時通常伴有劇烈的氣浪和巨響，甚至還伴有周圍巖體的強烈振動，破壞力很大，對地下采掘工作造成嚴重的危害，故常被稱之為礦山打擊或沖擊地壓。,在煤礦中，這類巖爆多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內[如圖10-2

39、2(a)的s區(qū)]，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，而這一區(qū)域與坑道間(ht區(qū))的煤則大塊地被拋到巷道中，并伴隨著巨大的響聲、振動和氣浪，破壞力極大。這類沖擊地壓發(fā)生之前，常可覺察到支護上或煤柱中壓力的增大，有時還會出現霹靂聲或振動，但有時則沒有明顯的預兆。四川綿竹天池煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多m遠。,(3)斷層錯動引起的巖爆 這類巖爆產生的條件如圖10-22(c)所示，即當坑道以小角度

40、逼近一個潛在的活動斷層時，坑道的開挖使作用于斷層面上的正應力減小，從而使沿斷層面的摩阻力降低，引起斷層突然再活動，形成巖爆，這類巖爆一般發(fā)生在構造活動區(qū)的探礦井中，破壞性很大，且影響范圍較廣。 3．巖爆的產生條件與發(fā)生機制 本質上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。從產生條件方面來看，高儲能體的存在及其應力接近于巖體強度是產生巖爆的內在條件，而某些因素的觸發(fā)效應則是巖爆產生的外因。常發(fā)生的

41、部位如下：,(1)由原巖應力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖內的最大壓應力集中區(qū)。 (2)圍巖表部的高變異應力及殘余應力分布區(qū)(如圖10-25)以及由巖性條件所決定的局部應力集中區(qū)，如夾于軟巖中的堅硬巖體。 (3)斷層、軟弱破碎巖墻或巖脈等軟弱結構面附近，洞體與這些軟弱結構面所形成的應力集中局部增高區(qū)(圖10-27)。圖10-28更清楚地說明了這個問題。它是其隧洞以銳角穿越一破碎巖墻時發(fā)生巖爆的實際情況。在開挖向前推進的過程中

42、，當隧洞處于圖10-28(a)及(c)的位置時，在緊鄰巖墻的洞壁上均發(fā)生了巖爆，而當隧洞遠離巖墻或在巖墻之內時則無巖爆發(fā)生。,(4)已有洞體內，由于新開挖影響而出現的高應力區(qū)(如圖10-29)。10.3.3 塑性圍巖的變形與破壞 塑性圍巖包括各種軟弱的層狀結構巖體(如頁巖、泥巖和粘土巖等)和散體結構巖體。 這類圍巖的變形與破壞，主要是在應力重分布和水分重分布的作用下發(fā)生的．主要有塑性擠出、膨脹內鼓、塑流涌出和重力坍

43、塌等不同類型，現分述如下：10.3.3.1 塑性擠出 洞室開挖后，當圍巖應力超過塑性圍巖的屈服強度時，軟弱的塑性物質就會沿最大應力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。在一般情況下，容易被擠出的巖體主要包括：,(1)固結程度較差的泥巖、粘土巖； (2)各種富含泥質的沉積或變質巖層(如泥巖、頁巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪切破碎帶， (3)火成巖中的富含泥質的風化破碎夾層等，特別是當這些巖體富含水分處

44、于塑性狀態(tài)時，就更易于被擠出。未經構造或風化擾動且固結程度較高的泥質沉積巖及變質巖層則不易于被擠出。,10·3.3.2 膨脹內鼓 洞室開挖后圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內部高應力區(qū)向圍巖表部轉移，結果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹內鼓變形。這類膨脹變形顯然是由圍巖內部的水分重分布引起的，除此之外，開挖后暴露于表部的這類巖體有時也會從空氣中吸收水分而使自身膨脹。,遇水后易于膨脹的巖石主要有兩類。一類是富含

45、粘土礦物(特別是蒙脫石)的塑性巖石，如泥質巖、粘土巖、膨脹性粘土等。隧道圍巖中有浸水后體積增大2.9％的巖石就會給開挖造成很大困難，而有些遭受熱液變質的富含蒙脫石礦物的巖石，浸水后體積可增加14％~25％。因此，這類巖層的膨脹變形能對各類地下建筑物的施工和運行造成很大危害。 另一類是含硬石膏的地層。硬石膏遇水后就會發(fā)生水化而轉化為石膏，體積隨之而增大。所以穿過這類地層的隧道往往遇到因硬石膏水化膨脹而產生的強大山壓，給隧道的施

46、工和運行帶來很大困難。,10.3.3.3 塑流涌出 當開挖揭穿了飽水的斷裂帶內的松散破碎物質時，這些物質就會和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌人洞中，有時甚至可以堵塞坑道，給施工造成很大的困難。10.3.3.4 重力坍塌 破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。,10.3.4 圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題 10.3.4.1 圍巖變形破壞的累進性發(fā)展 大量的實踐表明，地下工程圍巖的變

47、形破壞通常是累進性發(fā)展的。由于圍巖內應力分布的不均勻性以及巖體結構、強度的不均一性及各向異性，那些應力集中程度高，而結構強度又相對較低的部位往往是累進性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應力--強度關系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應力向其它部位轉移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發(fā)展，連鎖反應，終將導致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。,因此，在進行圍巖穩(wěn)定性的分析、評價時，必須充分考慮圍巖累進性破壞的過程和

48、特點，針對控制圍巖失穩(wěn)定破壞的關鍵部位采取有效措施，以防止累進性破壞的發(fā)生和發(fā)展，這正是支護設計的關鍵所在。 一般說來，地下工程圍巖變形破壞累進性發(fā)展的過程和特點主要取決于三方面因素：(1)原巖應力的方向及大??；(2)地下洞室的形狀及尺寸，(3)巖體結構及其強度。所以，具體條件不同，圍巖累進性破壞的過程和特點也迥異。,10.3.4.2 山巖壓力問題 1．基本概念 設計隧道或其它地下洞室時，如果工程地質分析

49、與巖體力學計算的結果表明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設計相應的支襯結構以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達到這個目的，支襯結構就必須能夠適應與圍巖之間的相互作用。這種相互作用的力，對于支襯結構來說，就是所謂的山巖壓力(或簡稱山壓)，它是設計支護結構的主要依據。可見，上面討論的圍巖應力與山壓是有原則區(qū)別的，前者是圍巖巖體中的內力，后者是圍巖作用于支襯結構上的外力，前者轉化為后者是有條件的。,如果圍巖足夠強固，完全能夠承受住

50、圍巖應力的作 用，當然也就不需進行支護。只有當圍巖因適應不了圍巖應力的作用而產生過大的變形或破壞時，圍巖才會向支撐結構施加擠壓力，形成山壓。 2 關于山壓的計算（1）變形山壓主要是由圍巖的塑性擠出、膨脹內鼓、剪切碎裂以及彎折內鼓等類型變形破壞所造成的，多呈塑性、半脆性。采用彈塑性力學的方法計算，詳見巖體

51、力學。（2）散體山壓主要是由圍巖的張裂塌落、剪切滑移、碎裂松動以及重力坍塌等類型的變形破壞引起的。計算方法主要有基于塌落體理論的普氏及太沙基的山壓計算法、地質分析計算法以及經驗公式估算法等。,（3）鐵道部門的經驗公式 圍巖垂直均布壓力：p=0.45*?* ? *26-s 式中： ? ---寬度影響系數， ? =1+i（B-5）， B5時，i=0.1

52、 s---圍巖類別數 圍巖水平均布壓力q按下表取值。,（4）水電部門的經驗公式P=Sy* ?*Bq=Sx* ?*H,10.4 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評價10.4.l 影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析 第一類因素是通過圍巖應力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的。主要包括巖體的天然應力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和尺寸。其中巖體的天然應力狀態(tài)既受自然地質因素控制(例如地質歷史決定著N值的大?。峙c人類工程活動的要求有關(例

53、如洞室的埋深決定著σv值)。而洞室的形狀則主要是由人類工程活動的要求與特點所決定。,第二類因素包括圍巖的巖性和結構，主要是通過圍巖的強度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性的。從巖性角度，可以將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖兩大類。塑性圍巖，主要包括各類粘土質巖石、破碎松散巖石以及某些易于吸水膨脹的巖石如硬石膏等，通常具有風化速度快、力學強度低以及遇水易于軟化、膨脹或崩解等不良性質，故對地下洞室圍巖的穩(wěn)定性最為不利。脆性圍巖主要包括各類堅硬及半堅硬巖體。由

54、于巖石本身的強度遠高于結構面的強度，故這類圍巖的強度主要取決于巖體結構，巖性本身的影響不十分顯著。在這類圍巖中，碎裂結構的穩(wěn)定性最差，薄層狀結構次之，而厚層狀及塊體狀巖體則通常具有很高的穩(wěn)定性。,第三類是既能夠影響應力狀態(tài)，又能影響圍巖強度的因素。這主要是巖體中地下水的賦存、活動條件。地下水的活動往往是使圍巖失穩(wěn)的一個重要因素。,10.4.2 隧洞圍巖穩(wěn)定性的定性評價 對于一般的工程隧洞，由于規(guī)模和埋深不大，圍巖應力較低且影響

55、范圍較小，因而破壞失穩(wěn)總是發(fā)生在圍巖強度顯著降低的部位，不穩(wěn)定的地質標志較為明顯，通常能夠通過一般的地質工作加以研究和評價。 大量的實踐經驗表明，在一般工程隧洞中，圍巖的失穩(wěn)或破壞通常發(fā)生于下述幾類地區(qū)。(1)破碎松散巖石或軟弱的塑性巖類分布區(qū)，包括巖體中的風化、構造破碎帶以及風化速度快、力學強度低、遇水易于軟化、膨脹或崩解的粘土質巖類的分布地帶；,(2)碎裂結構巖體及半堅硬的薄層狀結構巖體分布區(qū)； (3)堅硬塊體狀及厚

56、層狀巖體中，為幾組軟弱結構面切割、能于洞頂或邊墻上構成不穩(wěn)定結構體的部位。圍巖分類法給定堅固性系數fk法10.4.3 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的定量評價 對于高地應力區(qū)內的地下洞室，或埋深、規(guī)模大的地下洞室，由于圍巖應力的作用顯著增強，不穩(wěn)定的地質標志比較難于掌握，因此，除一般的地質工作之外，還必須進行巖體力學方面的研究和計,算，以便對地下洞室圍巖的穩(wěn)定性作出定量評價，所采用的方法通常有解析分析法，赤平極射投影分析方法以及數

57、值模擬研究方法等。10.4.3.1 圍巖穩(wěn)定性的解析分析方法 1．均質或似均質圍巖的穩(wěn)定性驗算 2．含有單一(或一組)軟弱結構面的圍巖的穩(wěn)定性驗算 3．頂拱圍巖中簡單結構塊體穩(wěn)定性的驗算10.4.3.2 圍巖中分離結構體及其穩(wěn)定性的圖解分析方法（赤平極射投影分析方法） 1.頂拱結構體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算 2.邊墻結構體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算,10.5 地下洞室圍巖變形量測的方法及應用10.6