地下洞室圍巖穩(wěn)定性與評價

1、 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析環(huán)境與土木工程學(xué)院土木八班6132016年12月 地下洞室概念 一、一、基本概念 1 地下洞室(underground cavity) 天然存在于巖土體中或為各種目的修建在地下的具有一定斷面形狀和尺寸并有較大延伸長度的中空通道或中空洞室統(tǒng)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(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫等。 2 圍巖（surrounding rock） 開挖空間周圍應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的那部分巖體。 3 二次應(yīng)力（secondary stress） 巖體開挖引起的重新分布的應(yīng)力，也稱次生應(yīng)力。 公路

2、隧道公路隧道武武漢漢長長江江隧隧道道水電站地下廠房水電站地下廠房 地下洞室概念 1 1 按用途按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程地下廠房（倉庫）、地下軍事工程 ； 2 2 按洞壁受壓情況按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室；：有壓洞室、無壓洞室； 3 3 按斷面形狀按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形；：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形； 4 4 按與水平面關(guān)系按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）；（井）； 5 5 按介質(zhì)類型按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞；：巖石洞室、土洞； 6 6 按

3、應(yīng)力情況按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞。：單式洞室、群洞。二、二、 地下洞室的分類二灘地下廠房二灘地下廠房錦屏地下洞室錦屏地下洞室拉西瓦水工建筑拉西瓦水工建筑 2009年 6月 6日，三亞市繞城高速公路迎賓隧道塌方，8名工人被困2008年年5月月17日，大盈江四級電站是盈日，大盈江四級電站是盈江縣在建的重要水電站之一，它位于盈江縣在建的重要水電站之一，它位于盈江縣東南距離縣城約江縣東南距離縣城約70公里的崇山之中公里的崇山之中 2006年年01月月16日，貴昆鐵路輔助隧道日，貴昆鐵路輔助隧道發(fā)生塌方發(fā)生塌方 12名施工人員被困名施工人員被困2007年年1月月12日，巴西圣保羅市西部地日，巴西圣保羅

4、市西部地鐵鐵4號線一處工地發(fā)生塌方事故。當(dāng)天號線一處工地發(fā)生塌方事故。當(dāng)天下午發(fā)生的這次塌方事故造成至少下午發(fā)生的這次塌方事故造成至少3人人受傷，受傷，1人失蹤人失蹤 2005.10.27，天汕高速廣福隧道塌方天汕高速廣福隧道塌方12人被困，該隧道是雙洞分離式高速公路人被困，該隧道是雙洞分離式高速公路隧道，出事點離出口約隧道，出事點離出口約463米、離工作米、離工作面約面約80米；原設(shè)計該段巖層為較堅固的米；原設(shè)計該段巖層為較堅固的V類圍巖，開挖后發(fā)現(xiàn)實際變更為較差類圍巖，開挖后發(fā)現(xiàn)實際變更為較差的的III類圍巖類圍巖 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價 地下洞室圍巖穩(wěn)定性主要是可能出現(xiàn)的圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)

5、度間的矛盾問題，各因素都是通過這兩個方面來影響洞室的穩(wěn)定性，歸納為三大類型： 是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性 主要包括巖體的原巖應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和尺寸； 是通過圍巖的強(qiáng)度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性 主要包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。 是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強(qiáng)度的因素 主要為地下水的賦存、活動條件。三、影響圍巖穩(wěn)定性的因素分析 l 塑性圍巖：風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低及遇水易軟化、膨脹或崩解，對圍巖的穩(wěn)定性最為不利。l 脆性圍巖：巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，故主要取決于巖體結(jié)構(gòu)。1 1 褶曲與斷裂褶曲與斷裂l 破壞了巖層的完整性，降低了巖體的強(qiáng)度。l 經(jīng)受的構(gòu)造變動次數(shù)愈多、愈

6、強(qiáng)烈，巖層節(jié)理就愈發(fā)育，巖石也就愈破碎。2 2 巖體的巖性及結(jié)構(gòu)巖體的巖性及結(jié)構(gòu) 散體狀及碎裂狀結(jié)構(gòu)的巖體穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)者次之，而厚層狀、塊狀及整體狀結(jié)構(gòu)巖體穩(wěn)定性最好。 1 1）巖體巖性）巖體巖性2 2）巖體結(jié)構(gòu)）巖體結(jié)構(gòu) 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價 可使巖石軟化，強(qiáng)度降低，加速巖石風(fēng)化； 還能軟化和沖走軟弱結(jié)構(gòu)面的充填物； 減小結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，促使巖體滑動與破壞； 在膨脹性巖體中地下水可造成膨脹地壓。 是控制地下工程圍巖變形破壞的重要因素。為避免洞室的頂拱和邊墻出現(xiàn)過大的切向壓應(yīng)力和切向拉應(yīng)力的集中，軸線應(yīng)盡可能與區(qū)域最大主應(yīng)力方向一致；當(dāng)?shù)叵鹿こ痰臄嗝娉时馄叫螒B(tài)時，為避免頂拱出現(xiàn)拉

7、應(yīng)力，改善頂拱圍巖的穩(wěn)定條件，則應(yīng)使洞室軸線垂直于最大主應(yīng)力方向。 3 3 地下水地下水4 4 原巖應(yīng)力原巖應(yīng)力 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價 對于一般的工程隧洞，由于規(guī)模和埋深不大，破壞失穩(wěn)總是發(fā)生在圍巖強(qiáng)度顯著降低的部位，不穩(wěn)定的地質(zhì)標(biāo)志較為明顯，主要有： 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(fēng)化、構(gòu)造破碎帶以及風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易于軟化、膨脹或崩解的粘土質(zhì)巖類的分布地帶； 碎裂結(jié)構(gòu)巖體及半堅硬的薄層狀結(jié)構(gòu)巖體分布區(qū)； 堅硬塊體狀及厚層狀巖體中：為幾組軟弱結(jié)構(gòu)面切割、能于洞頂或邊墻上構(gòu)成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的部位。四、四、 圍巖穩(wěn)定性的定性評價圍巖穩(wěn)定性的定性評價1 1 地質(zhì)判斷地

8、質(zhì)判斷 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價破碎松散巖體，穩(wěn)定性最差破碎松散巖體，穩(wěn)定性最差 碎裂或半堅硬薄層結(jié)構(gòu)巖體碎裂或半堅硬薄層結(jié)構(gòu)巖體,穩(wěn)定性較差穩(wěn)定性較差 堅硬層狀巖體結(jié)構(gòu)緊密，穩(wěn)定性較好堅硬層狀巖體結(jié)構(gòu)緊密，穩(wěn)定性較好新鮮、堅硬塊層狀巖體新鮮、堅硬塊層狀巖體,穩(wěn)定性最好穩(wěn)定性最好 3 3）典型圍巖分類方案）典型圍巖分類方案巖體基本質(zhì)量分級（GB50218-94）級別巖體基本質(zhì)量定性特征（BQ）堅硬巖，巖體完整 550堅硬巖，巖體較完整，較堅硬巖，巖體完整550-451堅硬巖，巖體較破碎，較堅硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整，較軟巖，巖體完整450-351堅硬巖，巖體破碎較，堅硬巖，巖體較破碎-破碎，

9、較軟巖或軟硬巖互層且以軟巖為主，巖體較完整較破碎，軟巖，巖體完整較完整350-251較軟巖，巖體破碎，軟巖，巖體較破碎-破碎，全部極軟巖及全部極破碎巖90Kv+30時，應(yīng)以Rc=90Kv+30和Kv代入計算BQ值； 當(dāng)Kv0.04Rc+0.4時，應(yīng)以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入BQ計算值。BQ=BQ-100（K1+K2+K3）l 工程巖體詳細(xì)定級時巖體質(zhì)量指標(biāo)計算公式： 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價RMR分類因素及評分標(biāo)準(zhǔn)（分類因素及評分標(biāo)準(zhǔn)（DL/T 5337-2006）參數(shù)評分標(biāo)準(zhǔn)1巖石強(qiáng)巖石強(qiáng)度度(MPa)(MPa)點荷載強(qiáng)度104-102-41-21，不宜采用單軸抗壓強(qiáng)度250-10

10、0100-6060-3030-1515-5評分15-108532-02巖石質(zhì)量指標(biāo)巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD(%)RQD(%)90-10075-9050-7525-5020060-20020-606-206評分201510854結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面條條件件粗糙度很粗糙粗糙較粗糙光滑擦痕、鏡面評分64210充填物 mm無5（硬）5（軟）5（軟）評分64220張開度 mm未張開5評分65410結(jié)構(gòu)面長度 m20評分64210巖石風(fēng)化程度未風(fēng)化微風(fēng)化弱風(fēng)化強(qiáng)風(fēng)化全風(fēng)化評分653105地下水地下水條件條件狀態(tài)干燥濕潤潮濕滴水流水透水率 Lu100總體條件完全干燥潮濕濕潤滴水流水 RMRRMR分類方案（國外）分類方案（

11、國外）1 解析分析法圍巖整體穩(wěn)定性局部塊體穩(wěn)定性2 數(shù)值模擬1 矢量分析法2 圖解法（實體比例投影法）3 數(shù)學(xué)解析法五、圍巖穩(wěn)定性的定量評價五、圍巖穩(wěn)定性的定量評價 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價KRmaxKHminmaxmin為周邊最大壓應(yīng)力值； R為極限抗壓強(qiáng)度；H為極限抗拉強(qiáng)度； K為安全系數(shù)。為周邊最大拉應(yīng)力值； 關(guān)鍵部位是洞室周邊最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力集中的部位。整體圍巖穩(wěn)定的先決條件是這兩個部位的應(yīng)力-強(qiáng)度條件滿足下列關(guān)系：1 1）均質(zhì)或似均質(zhì)圍巖的穩(wěn)定性驗算）均質(zhì)或似均質(zhì)圍巖的穩(wěn)定性驗算 穩(wěn)定性驗算時一般應(yīng)考慮較大的安全系數(shù)，采用對邊墻：K=4；對頂拱：K=48。 1 1 圍巖穩(wěn)定性的解

12、析分析方法圍巖穩(wěn)定性的解析分析方法 2 2）含有單一軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖的穩(wěn)定性驗算）含有單一軟弱結(jié)構(gòu)面的圍巖的穩(wěn)定性驗算2sin)(2cos2cos)()(212121rrrrrrrn2sin2cos12222rap，rapna 為洞室半徑；為洞室半徑；r 為研究點距洞中心的距離。為研究點距洞中心的距離。 據(jù)據(jù)Kirsch公式求得各分量，代入上式：公式求得各分量，代入上式：rr為徑向應(yīng)力；為徑向應(yīng)力；為切向應(yīng)力；為切向應(yīng)力；r 為剪應(yīng)力；為剪應(yīng)力；cos00HN sin00HS 如圖示兩組走向平行洞軸、傾向相反的結(jié)構(gòu)面將隧洞頂拱圍巖切割成對稱結(jié)構(gòu)塊體。3 3）頂拱圍巖中簡單結(jié)構(gòu)塊體穩(wěn)定性驗算）頂

13、拱圍巖中簡單結(jié)構(gòu)塊體穩(wěn)定性驗算 可采用松弛法進(jìn)行分析，其步驟要點為： 先假定圍巖為無體力的彈性介質(zhì)，據(jù)彈性理論解求出切向應(yīng)力Ho及其作用在結(jié)構(gòu)面上的正應(yīng)力分量No及剪應(yīng)力分量So：兩組走向平行洞軸、傾向相反的結(jié)構(gòu)面將隧洞頂拱圍巖切割成對稱結(jié)構(gòu)塊體 定量研究洞室開挖后頂拱圍巖結(jié)構(gòu)的松弛效應(yīng) 假定結(jié)構(gòu)體在重力作用下的垂直位移為uy，其垂直和平行于結(jié)構(gòu)面的位移分量分別為un和us，則有： 結(jié)構(gòu)體的上述位移必將引起圍巖應(yīng)力及結(jié)構(gòu)面上應(yīng)力的相應(yīng)變化：Ho及No減小為H及N，而So則增大為S。由于結(jié)構(gòu)松弛過程中表面應(yīng)力的增量與位移增量成正比，故有：sinsinsincoscossin00ysoynoyss

14、synnnuKHSuKHNuKuKSSuKuKNNsincosynysu，uuu式中：Kn與Ks分別為結(jié)構(gòu)面的法向剛度和剪切剛度。 sincosSNH 據(jù)水平方向力的平衡條件，可得： 所以據(jù)Ho、Kn、Ks和uy求得N、S后即可計算出H的大小。 假定其中N、S以及H 所代表的恰是結(jié)構(gòu)體處于極限平衡狀態(tài)時的應(yīng)力，則有： 整理，可得：NtgS 00sincos(cossin)synyHKHKtguu簡化上式，可得： 0sin()coscossinsinysnHuKKcos)sincos(220nsKKDHNsin)sincos(220nsKKDHSsinsincoscos其中nsKK，D根據(jù)垂直方

15、向力的平衡條件：)sincos(2NSPt)sin()sincos(2220nstKKDHP當(dāng)KnKs時，上式可簡化為： sin)sin(sin20HPt 評價結(jié)構(gòu)體在實際自重力作用下的穩(wěn)定性PPKt/ 使單位長度結(jié)構(gòu)體處于極限平衡狀態(tài)的臨界體力Pt式中：P為結(jié)構(gòu)體的實際自重力，K為結(jié)構(gòu)體安全系數(shù) 顯然，當(dāng)K1時，結(jié)構(gòu)體是不穩(wěn)定的。為保證頂拱的穩(wěn)定性，必須采取支護(hù)措施，使其提供的抗力大于（P-Pt）。將各分量代入得到：據(jù)上述各式可得：1 1）圖解法的基本原理及結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的一般判定）圖解法的基本原理及結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的一般判定赤平投影網(wǎng)及其透視圖 2 2 圍巖穩(wěn)定性的圖解分析法（分離結(jié)構(gòu)體）圍巖穩(wěn)

16、定性的圖解分析法（分離結(jié)構(gòu)體）OO90平面投影直線投影直線投影到已知平面直線旋轉(zhuǎn) 赤平投影的基本原理與方法 結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性及失穩(wěn)方式的一般判定（a）直接垮落型（b）滑動型（c）穩(wěn)定的塊體 如圖所示為三種典型情況： a）塊體頂點的鉛垂線通過塊體的底面，則塊體是在重力作用下的直接垮落； b）塊體頂點的投影不落在底面上，圖中的虛線為摩擦角，若滑動面或兩個滑面的交線的傾角大于，則塊體會沿該結(jié)構(gòu)面或結(jié)構(gòu)面交線產(chǎn)生滑動破壞； c）則屬于穩(wěn)定的塊體。EWSNL1L2L3L1L2L3ACBOWSNL1L2L3EWSNL1L2L3E213DEBDE AOD” E”B”A” 拱頂結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算A AB

17、 BC CCOOEDBA2 2）特殊結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算）特殊結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算EWSNL1L2L3ABCDEFWESNL1L2L3ABCDEFABCOPlOOPWESNL1L2L3ACDEFACBBABEFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FABFACCBDWESNL1L2L3DA”EBC”FOWESNL1L2L3ABEFACCBDA”C”BEFDL1L2L3 邊墻結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算3 3） 一般結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算一般結(jié)構(gòu)體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算 幾何學(xué)分析幾何學(xué)分析 基于石根華的塊體理論，開發(fā)的專門用于地下工程塊體分析的Unwedge程序。

18、假定結(jié)構(gòu)面相切形成的塊體為四面體；僅考慮塊體的重力及結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)，而不考慮地應(yīng)力作用；結(jié)構(gòu)面為平面，結(jié)構(gòu)體為剛體，巖體變形僅為結(jié)構(gòu)面的變形；結(jié)構(gòu)面貫穿研究區(qū)域，且在保持產(chǎn)狀不變的情況下可任意移動；開挖斷面沿軸線方向恒定不變。掉掉塊塊 運動學(xué)分析運動學(xué)分析K=00K 沿沿單單面面滑滑動動costansiniiiiiQC SKQ沿沿雙雙面面滑滑動動tantansiniijjiijjNNC SC SKQcossinsin()jiijQNcossinsin()ijijQN穩(wěn)定性系數(shù)計算公式：000iiiijjjjkkkkAxB yC zDA xB yC zDA xB yC zDijk 3 3 結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)解析法結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性的數(shù)學(xué)解析法 通過平面方程與曲面方面聯(lián)立求解，獲得包括四面體在內(nèi)的多面分離塊體的幾何學(xué)參數(shù)： 地下洞室圍巖穩(wěn)定性評價分解為平面四面體和曲面五面體分解為平面五面體和曲面四面體拱頂塊體分解為平面四面體和曲面楔形體 4 4 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究 利用有限元、離散