第5章地下洞室稳定.ppt

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1、第五章第五章 地下洞室围岩稳定的地下洞室围岩稳定的工程地质分析工程地质分析 5.1 地下洞室位置选择的工程地质评价地下洞室位置选择的工程地质评价5.2 地下洞室围岩应力的重分布地下洞室围岩应力的重分布5.3 围岩稳定的工程地质分析围岩稳定的工程地质分析5.4 地下洞室支护地下洞室支护设计设计中某些参数选择的中某些参数选择的评价评价山岩压力、弹性抗力山岩压力、弹性抗力5.5 喷锚支护与新奥法喷锚支护与新奥法黄河小浪底泄洪工程进水口洞群全貌三峡工程左坝段厂房5.1 地下洞室位置选择的地下洞室位置选择的工程地质评价工程地质评价()v工程目的；v区域稳定与山体稳定（无大断裂、烈度小于8度）；v地形、地

2、层岩性、地质构造、地下水、地应力等工程地质条件工程地质条件。一、地形条件一、地形条件清华书二、地层岩性条件二、地层岩性条件直接影响地下洞室的稳定性；分析沿线地层分布和各类岩石的工程性质，尽量使线路通过强度高的岩石地段；如岩浆岩（）、变质岩()、沉积岩（石灰岩、胶结好的砂岩、砾岩），但进度减慢；弱岩石（），易引起塌方、大变形，对稳定不利。花岗,闪长,辉长,辉绿,玢岩,安山,玄武,流纹片麻,石英,大理凝灰,片岩,千枚,泥岩,板岩,页岩,粘土岩三、地质构造条件三、地质构造条件（1）褶褶皱皱|核部不核部不宜，选宜，选两翼两翼（2）岩岩层层、结结构构面面产产状状洞轴线垂直岩层走向或大角度相交清华书洞轴线

3、平行岩层走向或小角度相交l 岩层倾角10且岩层较薄l 倾斜岩层（倾角30）（3）断断层层洞室避开断层；垂直断层走向带；避免严重塌方甚至冒顶或涌水现象四、地下水条件四、地下水条件治塌先治水排水与防水宜选在地下水位以上的干燥岩体内或地下水量不大、无承压水的岩体内。五、地应力条件五、地应力条件地下洞室轴线平行于最大主应力方向或小角地下洞室轴线平行于最大主应力方向或小角度相交，避免边墙产生严重变形或破坏度相交，避免边墙产生严重变形或破坏；对圆形洞室，当应力比值系数=1时，围岩中压应力分布较均匀，不出现拉应力集中，围岩稳定较好；当3时，围岩内出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。例：例：1/4条

4、件下，不同轴比条件下，不同轴比m对应的顶底板和两帮中点处的对应的顶底板和两帮中点处的：可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，向拉应力，应力分布较合理，等应力轴比时最好等应力轴比时最好。金川矿实例（华北水院书）5.2 地下洞室围岩应力的重分布地下洞室围岩应力的重分布一、围岩应力及分布特征一、围岩应力及分布特征（）rR洞室开挖后，周围岩体洞室开挖后，周围岩体失去原来的支撑，开始失去原来的支撑，开始向洞内位移，引起洞周向洞内位移，引起洞周一定范围内岩体应力改一定范围内岩体应力改变，重新调整形成

5、新的变，重新调整形成新的应力，称为应力，称为围岩应力围岩应力。应力状态发生改变的这应力状态发生改变的这部分岩体，称部分岩体，称围岩围岩；相；相当于当于6倍洞半径倍洞半径。R=6 r假定岩体是弹性介质，对圆形洞室，水平与垂直应力相同且均为时，围岩应力：r=0应力重分布范围应力重分布范围3-6倍洞半径倍洞半径上述围岩应力分布规律是假定围岩发生弹性变上述围岩应力分布规律是假定围岩发生弹性变形，以弹性力学理论推导径向、切向应力。形，以弹性力学理论推导径向、切向应力。实际上，当围岩应力超过围岩容许强度时，围实际上，当围岩应力超过围岩容许强度时，围岩将产生岩将产生破坏（松动山压）破坏（松动山压）或较大或较

6、大塑性变形（变塑性变形（变形山压）形山压）。二、围岩的松动圈与承载圈二、围岩的松动圈与承载圈此时若不加支护，此时若不加支护，松动岩块将坍落；松动岩块将坍落；变形会向深部发展，变形会向深部发展，最终形成具有一定最终形成具有一定范围应力松弛区，范围应力松弛区，称为称为塑性松动圈塑性松动圈（I）。在松动圈。在松动圈形成过程中，原来形成过程中，原来周边集中的高应力周边集中的高应力逐渐向深部转移，逐渐向深部转移，形成新的应力增高形成新的应力增高区，该区岩体被挤区，该区岩体被挤压紧密，称压紧密，称承载圈承载圈（II）。再往外，。再往外，岩体处于初始应力岩体处于初始应力状态，弹性状态状态，弹性状态（III）

7、。5.3 围岩稳定的工程地质分析围岩稳定的工程地质分析一、围岩稳定的概念一、围岩稳定的概念（）是指在一定时间内，在一定的地质力和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。二、围岩稳定的评价二、围岩稳定的评价（一）解析方法（一）解析方法（1）围岩应力小于围岩应力小于围岩的容许抗压强度和围岩的容许抗压强度和抗拉强度（均质岩体抗拉强度（均质岩体节理裂隙化或完整节理裂隙化或完整岩体）岩体）;Fs一般取一般取2（2）围岩切割的可动块体，其可能滑动）围岩切割的可动块体，其可能滑动面上的抗滑稳定系数大于规范容许的面上的抗滑稳定系数大于规范容许的K值值（工程安全考虑一般取工程安全考虑一般取K2，结构面切割岩体，结构面

8、切割岩体）;F滑动力-是指岩块自重、静水压力、动水压力、地震力及地应力等在可能滑动面上产生的滑动分力。T（二）围岩分类法（二）围岩分类法分类分类名称名称BQ分类工程岩体分级标准GB50218-94，国标95.7.1计算计算公式公式BQ=90+3Rc+250KvBQ=BQ-100(K1+K2+K3)参数参数Rc岩石单轴饱和极限抗压强度；Kv岩体完整性指数（岩体速度指数）；K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数；K3初始应力状态影响修正系数。等级等级划分划分I BQ或BQ550II BQ或BQ=550451III BQ或BQ=450351IV BQ或BQ=350251V BQ或

9、BQ250I类为稳定岩体类为稳定岩体，围岩可长期稳定；，围岩可长期稳定；II类基本稳定围岩类基本稳定围岩，不会产生塑性变形，局部，不会产生塑性变形，局部会掉块；会掉块；III类围岩稳定性差类围岩稳定性差，围岩强度不足，局部会产，围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护会产生塌方或变形破坏，生塑性变形，不支护会产生塌方或变形破坏，完整的较软岩稳定性较好，可定为暂时稳定；完整的较软岩稳定性较好，可定为暂时稳定；IV类不稳定围岩类不稳定围岩，会发生规模较大的各种变形，会发生规模较大的各种变形破坏；破坏；V类极不稳定围岩类极不稳定围岩，变形破坏严重。，变形破坏严重。不稳定围岩采用不稳定围岩采用的喷锚支

10、护措施的喷锚支护措施参见有关规范。参见有关规范。v块体理论-留美学者石根华博士提出，利用赤平极射投影，将洞室周边切割块体的各结构面在吴氏网上投影，初步确定最大可动区域和可动块体，进而判断块体的稳定性。（三）块体理论法（三）块体理论法（四）弹塑性数值分析方法（四）弹塑性数值分析方法三、围岩变形破坏类型及其特征三、围岩变形破坏类型及其特征1.坚硬完整岩体的脆性破裂坚硬完整岩体的脆性破裂开挖洞室，一般稳定；但在高应力区常发生岩爆现象（岩体积累的弹性应变能在开挖卸荷后突然释放）；其措施采用松动爆破或超前钻孔降低围岩应力。2.块体滑移块体滑移3.层状弯折和拱曲层状弯折和拱曲4.碎裂岩体的松动解脱碎裂岩体

11、的松动解脱洞顶易崩落，边墙易滑塌；当结构面夹泥时，产生大规模的塌方；5.松软岩体松软岩体5.4 地下洞室支护地下洞室支护设计设计中某些参数选择的评中某些参数选择的评价价山岩压力、弹性抗力山岩压力、弹性抗力一、山岩压力一、山岩压力1.山岩压力的概念山岩压力的概念（）是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用于支护或衬砌上的力，也称围岩压力。洞室衬砌设计的关键参数；山岩压力与围岩应力区别。2.山岩压力的类型山岩压力的类型（）（1）松动山压松动山压：由围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等引起；仅限于围岩松动塌落的局部范围，以重力形式作用于衬砌上。（2）变形山压变形山压：是由于围岩的弹性

12、恢复或塑性变形所产生的围岩压力，有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等；（3）冲击山压冲击山压：是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。据山岩压力形成机理3.松动山岩压力的确定方法松动山岩压力的确定方法普氏普氏压力拱理论压力拱理论kkkfhhParctan245tan2h2121h4.变形山岩压力的确定方法变形山岩压力的确定方法基于基于弹塑性理论的芬纳公式弹塑性理论的芬纳公式塑性极限条件边界条件塑性 区内的应力山岩压力山岩压力上式中当r=r0时，求得的r即为维持洞室岩石在以半径为R的范围内达到塑性平衡而所需要施加在洞壁上的径向压力的大小。令这个压力为Pi，

13、得到：讨论Pi R关系；刚性与柔性支护比较；芬纳公式这种允许塑性圈有一定发展，既让岩体变形这种允许塑性圈有一定发展，既让岩体变形又不让充分变形可以达到经济和安全目的，又不让充分变形可以达到经济和安全目的，若支护及时能够充分利用围岩的自承能力若支护及时能够充分利用围岩的自承能力二、弹性抗力二、弹性抗力对有压隧洞，存在一个很高的内水压力，迫使衬砌向围岩方向变形，而围岩将产生一个反力来阻止衬砌的变形，把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。其大小用弹性抗力系数表示。弹性抗力系数物理意义：使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值越大，说明围岩承受内水压力的能力越大，即围岩抗力越大，越有利于衬砌的

14、稳定。围岩视为弹性体，对圆形洞，K值表达式u显然，K与洞半径有关，工程上为便于比较，采用洞径1m(100cm)时的弹性抗力系数，作为单位弹性抗力系数K0。u有压隧洞设计的关键参数5.5 喷锚支护与新奥法喷锚支护与新奥法(新奥地利隧道施工法新奥地利隧道施工法)(New Austrian Tunelling Mehod-NATM)喷喷混凝土：高压高速（100m/s）的混合料（水泥、砂、速凝剂与水）喷到围岩表面，薄层（520cm）；锚 打锚杆量 现场测量新新奥奥法法一、喷锚支护原理一、喷锚支护原理()传统支护是刚性传统支护是刚性支护，被动承受支护，被动承受围岩压力；喷锚围岩压力；喷锚支护柔性支护，支

15、护柔性支护，与围岩协同工作与围岩协同工作承受山岩压力。承受山岩压力。及时-紧贴-柔性二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用1.喷层的力学作用喷层的力学作用()防止围岩与空气、水接触，恶化环境；防止围岩与空气、水接触，恶化环境；高压喷砼进入节理裂隙，提高岩体强度和整体性；高压喷砼进入节理裂隙，提高岩体强度和整体性；改善围岩的受力状态，从二向受力转为三向受力；改善围岩的受力状态，从二向受力转为三向受力；允许围岩变形（柔性支护），加速围岩稳定。允许围岩变形（柔性支护），加速围岩稳定。2.锚杆的力学作用锚杆的力学作用()悬吊作用；悬吊作用；组合作用；组合作用；挤压与加固作用挤压与加固作用3.挂网

16、的力学作用挂网的力学作用为防止锚杆间岩块坍落，喷锚支护中使用为防止锚杆间岩块坍落，喷锚支护中使用金属金属网网，联合作用，柔性支护。，联合作用，柔性支护。三、喷锚支护的施工步骤三、喷锚支护的施工步骤外拱外拱 喷层；挂网；锚杆。喷层；挂网；锚杆。内拱内拱变形稳定后再喷层（保护金属网与变形稳定后再喷层（保护金属网与锚杆），作为安全储备锚杆），作为安全储备。充分利用围岩自承能力测量变形 “新奥地利隧道施工法”（NATMNew Australia Tunnelling Method）法，由奥地利学派创始人之一米勒教授提出的。包括三方面的内容：1、支护-围岩共同作用原理。2、柔性支护观点/锚喷网综合支护主要支护手段。3、设计、施工、监测一条龙作业方式。v优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合理设计支护结构和施工顺序。四、四、新奥法简介新奥法简介 岩体作为支护结构的组成部分，构成共同承载体，岩体作为支护结构的组成部分，构成共同承载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。担全部围岩压力。1 1、支护、支护-围岩共