第八章 地下洞室围岩稳定性分析

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1、第八章地下洞室围岩稳定性分析第一节概述1．地下洞室（undergroundcavity）：指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。2．我国古代的采矿巷道，埋深60m，距今约3000年左右（西周）。目前，地下洞室的最大埋深已达2500m，跨度已过50m，同时还出现有群洞。3．分类：按作用分类：交通隧洞（道）、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房仓库、地铁等等；按内壁有无水压力：有压洞室和无压洞室；按断面形状为：圆形、矩形或门洞形和马蹄形洞室等；按洞轴线与水平面间的关系分为：水平洞室、竖井和倾斜洞室三类；按介

2、质，土洞和岩洞。4．地下洞室→引发的岩体力学问题过程：地下开挖→天然应力失衡，应力重分布→洞室围岩变形和破坏→洞室的稳定性问题→初砌支护：围岩压力、围岩抗力（有内压时）（洞室的稳定性问题主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对关系）第二节围岩重分布应力计算1．围岩：指由于人工开挖使岩体的应力状态发生了变化，而这部分被改变了应力状态的岩体。2．地下洞室围岩应力计算问题可归纳的三个方面：①开挖前岩体天然应力状态（一次应力、初始应力和地应力）的确定；②开挖后围岩重分布应力（二次应力）的计算；③支护衬砌后围岩应力状态

3、的改善。3．围岩的重分布应力状态（二次应力状态）：指经开挖后岩体在无支护条件下，岩体经应力调整后的应力状态。117一、无压洞室围岩重分布应力计算1．弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，当天然应力，地下洞室开挖后围岩将呈弹性变形状态。这类围岩可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重分布应力可用弹性力学方法计算。重点讨论圆形洞室。（1）圆形洞室深埋于弹性岩体中的水平圆形洞室，可以用柯西求解，看作平面应变问题处理。无限大弹性薄板，沿X方向的外力为P，半径为R0的小圆孔，如图8.1所示。任取一点M（r,θ

4、）按平面问题处理，不计体力。则：图8.1柯西课题分析示意图……………………①式中为应力函数，它是和的函数，也是和的函数。边界条件：………………②设满足方程①的应力函数为：………………………………③由③代入①，并由②可得：117故应力函数为：…………………………④由④代入①可得各应力分量：………………………………⑤岩体天然应力比值系数为，假定岩体为无重板的力学模型如图8.2所示。图8.2圆形洞室围岩应力分析模型若水平和铅直的天然应力均为主应力，则开挖前板内的天然应力为：（1）由铅直天然应力引起（产生）的重分布应

5、力：代入⑤得：……………………………⑥117（2）由水平天然应力产生的重分布应力：代入⑤得：………………………………⑦⑥+⑦得由和同时作用时引起圆形洞室围岩重分布应力的计算公式：…………………⑧由⑧式可知：当、和R0恒定时，重分布应力是研究点位置的函数。当时，洞壁上的重分布应力：………………………………………………⑨※重分布应力的影响范围分析：117图8.3随的变化曲线设，由⑧式可得：…………………………………………………………………⑩图8.4，与之间的变化曲线（1）当，洞壁上应力差最大，且处于单向受力状态，

6、最易发生破坏；（2）那么计算得出因此，一般认为，地下洞室开挖引起的围岩分布应力范围为6R0。在此范围之外，不受开挖影响。（2）其他形状洞室非圆形由前面可知，重分布应力的最大值在洞壁上，且仅有，只要在作用下洞壁围岩不发生破坏，那么洞室围岩一般就是稳定的。引入“应力集中系数”→为了研究各种洞形洞壁上的重分布应力及其变化情况应力集中系数：地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的比值。如圆形洞室洞壁处的应力：117令，则：其中、为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。同理，根据光弹实验或弹性力学方

7、法可求得不同形状洞室的应力集中系数和，见教材P144。（3）软弱结构面对围岩重分布应力的影响假定岩体中结构面无抗拉能力，且很小，在剪切过程中，结构面无剪胀作用。（1）软弱结构面，沿水平直线方向、均为主应力，结构面上无剪切应力，无影响。不会沿结构面产生滑动，结构面对围岩重分布应力的弹性分析无影响。图8.5沿圆形洞水平轴向方向发育结构面的情况及应力分析示意图（2）软弱结构面平行，沿铅直方向，不会影响围岩弹性应力分布。但是，当时，顶底板产生拉应力。结构面被拉开，形成应力降低区，有影响。2．塑性围岩重分布应力117岩

8、体受结构面切割使其整体性丧失，强度降低，在重分布应力作用下，很容易产生塑性变形。时，洞壁围岩由弹性→塑性状态→形成一个塑性松动圈。→↑，围岩中出现三个区：图8.6软弱结构面对重分布应力的影响示意图图8.7围岩中出现塑性圈时的应力状态塑性圈（裂隙增多，C、φ和E↓）→弹性圈（↑）→天然应力区（r=6R0）（“单向应力状态→双向应力状态”）此时，就必须采用弹塑性理论求解。如何求解塑性圈内的重分布应力？假