地下洞室围岩稳定性的工程地

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1、第3章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析1）掌握地下洞室围岩稳定性的基本概念及研究意义；2）掌握地下洞室开挖后围岩应力重分布特征；3）掌握洞室围岩的变形破坏特征、类型及山岩压力问题；4）掌握地下洞室围岩稳定性的分析与评价方法；5）了解地下洞室围岩变形量测的方法及支护措施；本章学习内容及要求本章重点：1）地下洞室开挖后围岩应力分布特征；2）地下洞室围岩的变形破坏特征及类型；3）围岩稳定性分析与评价方法；本章难点：1）围岩变形破坏特征；2）围岩稳定性分析与评价方法本章重点及难点§3.1地下洞室概念及研究意义3.1.1基本概念地下洞室(undergroundcavity)是指人工

2、开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室统称为地下洞室，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。二滩电站地下厂房§3.1地下洞室概念及研究意义锦屏地下洞室三维地质模型§3.1地下洞室概念及研究意义拉西瓦地下洞室三维地质模型§3.1地下洞室概念及研究意义3.1.2地下洞室的分类按用途：矿山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下厂房（仓库）、

3、地下军事工程按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介质类型：岩石洞室、土洞按应力情况：单式洞室、群洞§3.1地下洞室概念及研究意义3.1.3研究意义地下洞室开挖之前，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，

4、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。§3.1地下洞室概念及研究意义3.2.1围岩应力重分布的一般特点由岩体力学可知，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)和水平正应力来表示（其中σvo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。§3.2开挖围岩的应力重分布特征按照森维南原理:开挖洞室引起的应力状

5、态的重大变化局限在洞室横剖面中最大尺寸的3-5倍范围之内。为简化图岩应力的计算，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，就将均匀应力场简化为均匀应力，大大简化了围岩应力的计算。§3.2开挖围岩的应力重分布特征围岩开挖引起洞室周边各质点向自由临空面方向移动，随围岩处所初始应力状态（N值）的不同,在洞室周边产生不同的应力分布特征，如下图所示：§3.2开挖围岩的应力重分布特征由上图可以看出：1）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。2）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；在另一些部

6、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。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。§3.2开挖围岩的应力重分布特征3.2.2圆-椭圆形洞室周边应力集中的一般规律对于圆形-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3一4、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

7、应力集中的一般规律。§3.2开挖围岩的应力重分布特征ABA点：N>1/3时，Kc>0,为压应力;N<1/3时，Kc<0,为拉应力。B点：N不论取何值，都不产生拉应力§3.2开挖围岩的应力重分布特征根据弹性理论，圆-椭圆形地下洞室周边A、B两点的切向应力可根据下式求得：式中：(α+βN）称为应力集中系数，记为Kc，则有Kc=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表：αβA点-12(a/b)+1B点2(b/a)+1-1§3.2开挖围岩的应力重分布特征§3.2开挖围岩的应力重分布特征拉应力产生的条件：(1)当N＝1，任