岩体工程稳定性问题岩体工程稳定性问题为各种目的修建在地层之内的中空通道或中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，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、并有较大廷开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷 伸长度的洞室。所以周围岩层的稳定性就决定伸长度的洞室。所以周围岩层的稳定性就决定 着地下建筑的安全和正常使用条件。着地下建筑的安全和正常使用条件。 地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力地下洞室开挖之前，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。和应力重新分布。地下式水电站洞室布置剖面示意图地下式水电站洞室布置剖面示意图鲁布革水电站隧道施工鲁布革水电站隧道施工二滩二滩 地下地下 厂房厂房 平面平面 布置布置 及典及典 型剖型剖 面图面图二滩地下厂房立体透视图二滩地下厂房立体透视图有压及无压隧洞有压及无压隧洞uu如果围岩足够坚固，不会因卸荷回弹和如果围岩足够坚固，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。采取任何加固措施而能保持稳定。uu但是，有时或因洞室周围岩体应力状态但是，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，而丧失其稳定性。此时，如果不加固或如果不加固或 加固而末保证质量，都会引起破坏事故加固而末保证质量，都会引起破坏事故 ，对地下建筑的施工和运营造成危害。，对地下建筑的施工和运营造成危害。 一、一、 围岩应力的重分布围岩应力的重分布任何岩体在天然条件下均处于一定任何岩体在天然条件下均处于一定 初始应力状态初始应力状态，岩体内任何一点的初，岩体内任何一点的初 始应力状态始应力状态( (常称为原岩应力常称为原岩应力) )通常可以通常可以 垂直正应力垂直正应力 v v( (通常为主应力通常为主应力) ) 和水平和水平 正应力正应力 h h来表示来表示开挖后，由于洞室周围岩体失去了原开挖后，由于洞室周围岩体失去了原 有的支撑，破坏了原来的受力平衡有的支撑，破坏了原来的受力平衡 状态，围岩将向洞内产生松胀位移状态，围岩将向洞内产生松胀位移 ，从而引起洞周围一定范围内岩体，从而引起洞周围一定范围内岩体 的应力重新调整，形成新的应力状的应力重新调整，形成新的应力状 态。态。 这种由于硐室的开挖，围岩中应力、这种由于硐室的开挖，围岩中应力、 应变调整而引起原有天然应力大小应变调整而引起原有天然应力大小 、方向和性质改变的过程和现象，、方向和性质改变的过程和现象， 称称围岩应力重分布围岩应力重分布。 用弹用弹 性理性理 论计论计 算圆算圆 形洞形洞 室周室周 边应边应 力重力重 分布分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布各种各种 断面断面 形状形状 的洞的洞 体应体应 力状力状 态比态比 较较n围岩应力重分布的主要特征是：n 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。n 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 下洞室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。1 1 围岩变形破坏的一般过程和特点围岩变形破坏的一般过程和特点洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩 强度之间的关系。 如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。 否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。 围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形 成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈 。 在松动圈形成过程中，原来周边集中的 高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区， 该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为 初始应力区。二、洞室围岩变形破坏的方式二、洞室围岩变形破坏的方式洞洞 室室 围围 岩岩 应应 力力 重重 分分 布布 对对 比比 图图 由于岩体在强度和结构方面的差异 ，洞室围岩变形与破坏的形式多种 多样，主要的形式有脆性破裂、块 体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑 性变形等。围岩变形破坏的常见形式及其与围岩岩性结构的关系围岩变形破坏的常见形式及其与围岩岩性结构的关系岩体结构变形破坏形式 产生机制 脆 性 围 岩块体结构及厚 层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏 劈裂破坏压应力集中造成的压致拉裂 剪切滑移及剪 切破裂压应力集中造成的剪切破裂及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆 性破坏 中薄层状结构 弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂 碎裂结构碎裂松动压应力集中造成的剪切松动 塑 性 围 岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动 膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀 散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流 塑性涌出松散饱水岩体的悬浮塑流 重力坍塌重力作用下的坍塌2脆性围岩的变形破坏方式 脆性围岩包括各种块状结构和层状结 构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。 这类围岩变形破坏的形式和特点，除 与围岩应力状态有关外，还与围岩 的结构有关。一般破坏形式有弯折 内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切 滑移、岩爆等不同类型。围岩失稳机制及破坏形式围岩失稳机制及破坏形式（1 1）弯折内鼓）弯折内鼓弯折内鼓弯折内鼓是层状围岩、特别是薄层状围岩 变形失稳的主要形式。 力学机制： a.卸荷回弹：发生于初始应力高的岩体中 且洞轴线与大主应力垂直的硐室。 b.应力集中使洞壁处的切向压应力超过岩 层的抗弯折强度造成：发生于硐室周边 有较大的压应力集中部位，如角点或与 岩体内初始主应力（近于）平行的洞壁 。层状结构围岩变形破坏特征层状结构围岩变形破坏特征 （2）张裂坍落 当在具有厚层状或块状结构的岩体中开挖 宽高比较大的地下洞室时，在其顶拱常产 生切向拉应力。如果此拉应力值超过围岩 的抗拉强度，在顶拱围岩内就会产生近于 垂直的张裂缝。被垂直裂缝切割的岩体在 自重作用下变得很不稳定，特别是当有近 水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直 方向的抗拉强度很低时，往往造成顶拱的 塌落。 （3）劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动 这类破坏多发生在地应力较高的厚 层状或块体状结构的围岩中。 A.劈裂剥落：一般出现在有较大切向压 应力集中的边壁附近。在这些部位，过 大的切向压应力往往使围岩表部发生一 系列平行于洞壁的破裂，将洞壁岩体切 割成为板状结构。当切向压应力大于劈 裂岩板的抗弯折强度时，这些裂板可能 被压弯、折断并造成塌方。 B.剪切滑移：在厚层状或块体状结构的岩 体中开挖地下洞室时，在切向压应力集中 较高，且有斜向断裂发育的洞顶或洞壁部 位往往发生剪切滑动类型的破坏。 水平应力大于垂直应力时，这种破坏发生 于顶拱。我国西南某水电站地下厂房上 游 边墙在施工过程中失稳下滑并将下部压力 隧道的衬砌剪断，就是这类破坏的一个典 型实例。 水平应力小于垂直应力时，这种破坏发生 于边墙。 另外，围岩表部的应力集中有时还会使 围岩发生局部的剪切破坏，造成顶拱坍塌 或边墙失稳。坚硬岩体中的块体滑移坚硬岩体中的块体滑移块块 状状 结结 构构 岩岩 体体 的的 块块 体体 滑滑 移移C.碎裂松动： 碎裂结构岩体在张力和振动力作用 下容易松动、解脱，在洞顶则产生 崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎 块的坍塌。 碎裂岩体松动解脱碎裂岩体松动解脱碎裂结构围岩塌方示意图碎裂结构围岩塌方示意图 （4）岩爆 岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，常以“爆炸”的形式 出现。岩爆发生时能抛出大小不等的岩块，大型者常伴 有强烈的震动、气浪和巨响，对地下开挖和地下采掘事 业造成很大的危害。 岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体（高 强度、块体状或厚层状的脆性岩体）的存在，且其应力 接近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触发 则是其产生的外因（一是机械开挖、爆破以及围岩局部 破裂所造成的弹性振荡；二是开挖的迅速推进或累进性 破坏所引起的应力突然向某些部位的集中）。 四川绵竹天地煤矿曾多次发生岩爆，最大的一次将 20余吨煤抛出20米远。四川南桠河三级电站隧洞(埋深 350400m)开挖过程中通过花岗岩整体结构岩体段时就 曾发生过岩爆。开挖后不久，洞壁表部岩石发出了劈劈 啪啪的响声，同时有“洋葱”状剥片自岩壁上弹射出。3塑性围岩的变形破坏方式 塑性围岩包括各种软弱的层状结构 岩体和散体结构岩体。这类围岩的 变形与破坏方式主要是应力重分布 和水分重分布的作用下发生的，主 要有塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌 出、重力坍塌等。 （1）塑性挤出 洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩 的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最 大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间 挤出。易于被挤出的岩体，主要是那些固 结程度差、富含泥质的软弱岩层，以及挤 压破碎或风化破碎的岩体。未经构造或风 化扰动，且固结程度较高的泥质岩层则不 易被挤出。挤出变形能造成很大的压力， 足以破坏强固的钢支撑。但其发展通常都 有一个时间过程，一般要几周至几个月之 后方能达到稳定。散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形 （2）膨胀内鼓：洞室开挖后围岩表部减压区的形 成往往促使水分由内部高应力区向围岩表部转移， 结果可使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀 变形。这类膨胀变形显然是与围岩内部的水分重分 布相联系的。除此之外，开挖后暴露于表部的这类 岩体有时也会从空气中吸收水分而膨胀。 遇水后易于强烈膨胀的岩石主要有富含粘土矿物( 特别是蒙脱石)的塑性岩石和硬石膏。有些富含蒙 脱石粘土质岩石，吸水后体积可增大14%25%，而 硬石膏水化后转化为石膏，其体积可增大20%。所 以这些岩石的膨胀变形能造成很大的压力，足以破 坏强固的支护结构，给各类地下建筑物的施工和运 营带来很大的危害。 减压膨胀型的变形通常发生在一些特殊 的岩层中。例如一些富含橄榄石的超基性 岩在近地质时期内由于遭热液、水解的作 用而生成蛇纹石，这种转变通常要伴有体 积的膨胀，但在有侧限而不能自由膨胀的 天然条件下，新生成的矿物只能部分地膨 胀，并于地层内形成一种新的体积压力 平衡状态。洞体开挖所造成的卸荷减压必 然使附近这类地层的体积随之而增大，从 而对支护结构造成强大的膨胀压力。日本 就有这类实例，几天之内，强大的支衬结 构全部被压断。 （3）塑流涌出：塑流涌出是松散破碎物 质和高压水一起呈泥浆状突然涌入洞中 的现象，多发生在开挖揭穿了饱水断裂 破碎带的部位。严重的涌流往往会给施 工造成很大的困难。 （4）重力坍塌：坍塌是松散破碎岩石 的重力作用下自由垮落的现象，多发生 在洞体通过断层破碎带或风化破碎岩体 的部位。在施工过程中，如果对于可能 发生的这类现象没有足够的预见性，往 往也会造成很大的危害。三、洞室围岩压力 硐室开挖后，由于应力重新分布而引