学习资料学习资料 三三认识围岩的稳定性认识围岩的稳定性一、围岩稳定的影响因素分析一、围岩稳定的影响因素分析（一）（一）成洞的三种情形成洞的三种情形有时不需要任何支撑有时不需要任何支撑就可以获得稳定的洞室就可以获得稳定的洞室有时则需要加以支撑有时则需要加以支撑才能获得稳定的洞室才能获得稳定的洞室有时由于支撑不及时或有时由于支撑不及时或不足而导致围岩坍塌不足而导致围岩坍塌是最希望的是最希望的经常要做的经常要做的要尽量避免要尽量避免围岩稳不稳围岩稳不稳坑道稳不稳坑道稳不稳决定着决定着认识认识研究研究分析分析掌握掌握围岩所处的地质环境围岩所处的地质环境围岩的工程性质围岩的工程性质影响围岩稳定的因素影响围岩稳定的因素这些因素是如何影响的这些因素是如何影响的判断围岩的判断围岩的稳定能力稳定能力（二）（二）围岩稳定的围岩稳定的影响因素影响因素1、围岩工程、围岩工程 地质条件地质条件2、隧道工程、隧道工程 结构条件结构条件3、隧道工程、隧道工程 施工条件施工条件围岩所处的原始应力状态围岩所处的原始应力状态围岩的破碎程度和结构特征围岩的破碎程度和结构特征围岩所处的地质构造环境围岩所处的地质构造环境地下水的作用等条件地下水的作用等条件隧道所处的位置隧道所处的位置坑道形状（尤其是顶部形状）坑道形状（尤其是顶部形状）坑道的断面大小等条件坑道的断面大小等条件施工速度（围岩的暴露时间）施工速度（围岩的暴露时间）支护的施作时间、时机支护的施作时间、时机支护的力学性能支护的力学性能施工方法（扰动程度）施工方法（扰动程度）支护与围岩的协调状态支护与围岩的协调状态区分区分最终获得最终获得必要又充分必要又充分经济又合理经济又合理的工程措施的工程措施不同的地质环境条件不同的地质环境条件不同工程性质的围岩不同工程性质的围岩不同的影响因素不同的影响因素不同的影响机理不同的影响机理不同的影响程度不同的影响程度隧道的稳定隧道的稳定与安全与安全（三）围岩与岩体的区别及研究内容（三）围岩与岩体的区别及研究内容名称名称定义定义范围或组成范围或组成主要研究内容主要研究内容围岩围岩指坑道周围一定范指坑道周围一定范围内，对坑道稳定围内，对坑道稳定有影响的那部分岩有影响的那部分岩体。体。内边界内边界在坑道的周围在坑道的周围外边界外边界有无相互影响有无相互影响稳定能力稳定能力影响因素影响因素支护措施支护措施岩体岩体在漫长的地质历史在漫长的地质历史中，经过造岩、构中，经过造岩、构造变形和次生蜕变造变形和次生蜕变而形成的地质体。而形成的地质体。结构面结构面结构体（岩块）结构体（岩块）填充物填充物好不好挖好不好挖开挖方法开挖方法掘进方式掘进方式二、岩体的工程性质二、岩体的工程性质（一）岩体的变形特性（一）岩体的变形特性1、岩体的受拉变形特性、岩体的受拉变形特性 岩体受拉后立即沿结构面发生断裂或脱离，表现为岩体受拉后立即沿结构面发生断裂或脱离，表现为抗拉能力很低或者根本没有抗拉能力。这种特性显然不抗拉能力很低或者根本没有抗拉能力。这种特性显然不能为工程所应用，故不必过多研究，但它对工程是有害能为工程所应用，故不必过多研究，但它对工程是有害的，因此应极力避免应用。的，因此应极力避免应用。2、岩体的受压变形特性、岩体的受压变形特性压密阶段（压密阶段（OA）弹性阶段（弹性阶段（AB）塑性阶段（塑性阶段（BC）破坏阶段（破坏阶段（CD）典型应力典型应力应变曲线应变曲线3、岩体的受剪变形特性、岩体的受剪变形特性 岩体受剪时的变形特征主要是受岩体受剪时的变形特征主要是受结构面结构面的控制。的控制。 首先沿结构面首先沿结构面滑动变形滑动变形。 然后结构体然后结构体受剪变形受剪变形，进而被，进而被剪断剪断。（二）岩体的强度特性（二）岩体的强度特性1、岩体的抗压强度、岩体的抗压强度岩体的抗压强度比岩石岩体的抗压强度比岩石 的抗压强度的抗压强度低得多低得多。岩体的抗压强度具有岩体的抗压强度具有 明显的明显的各向异性各向异性。2、岩体的抗剪强度、岩体的抗剪强度v岩体抗剪强度主要受岩体内岩体抗剪强度主要受岩体内结构面的性质和形态结构面的性质和形态所所控制。控制。v即即结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合形式和表面形态、填充物的性质和充填状况、含合形式和表面形态、填充物的性质和充填状况、含水情况水情况等，均直接而显著地影响着岩体的抗剪强度。等，均直接而显著地影响着岩体的抗剪强度。v岩体的岩体的岩性、构造、风化程度、含水性岩性、构造、风化程度、含水性等因素对岩等因素对岩体的抗剪强度也有一定的影响。体的抗剪强度也有一定的影响。（三）岩体的结构特征及其分类（三）岩体的结构特征及其分类1、岩体的结构特征、岩体的结构特征v岩体的结构特征是指岩体的结构特征是指结构体、结构面及其填充物结构体、结构面及其填充物的特征总和。具体包括结构体的形状、大小，结的特征总和。具体包括结构体的形状、大小，结构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合构面的产状、分布、规模、密集程度、空间组合形式和表面形态，填充物的性质和充填状况、含形式和表面形态，填充物的性质和充填状况、含水情况等。水情况等。v岩体的结构特征对岩体的岩体的结构特征对岩体的工程力学性能工程力学性能有着重要有着重要影响，继而影响岩体的影响，继而影响岩体的破坏形态破坏形态。2、岩体的结构分类（见课本表、岩体的结构分类（见课本表3-2-1）岩体的结构类型岩体的结构类型整体块状整体块状散体散体碎裂碎裂层状层状整体块状结构整体块状结构碎裂结构碎裂结构层状结构层状结构散体结构散体结构（四）岩体的破坏失稳形态（四）岩体的破坏失稳形态1、脆性破坏、脆性破坏v整体状和巨块状岩体，其整体状和巨块状岩体，其结构完整、岩质坚硬，在结构完整、岩质坚硬，在一般工程开挖条件下，大一般工程开挖条件下，大多表现出很强的稳定能力，多表现出很强的稳定能力，仅偶尔产生局部掉块。当仅偶尔产生局部掉块。当地应力很高时，则可能发地应力很高时，则可能发生坑道周边岩石成大小不生坑道周边岩石成大小不等的碎片状射出，并伴有等的碎片状射出，并伴有响声。工程中将这种现象响声。工程中将这种现象称为称为“岩爆岩爆”。岩爆属于。岩爆属于脆性破坏。脆性破坏。2、块状运动、块状运动v块状或层状岩体，受少数块状或层状岩体，受少数结构面切割，其块间或层结构面切割，其块间或层间结合力较弱，在应力作间结合力较弱，在应力作用下，向坑道方向运动。用下，向坑道方向运动。可能逐渐形成块体滑动、可能逐渐形成块体滑动、转动，以及块体挤出、塌转动，以及块体挤出、塌落、倾倒等失稳现象。塌落、倾倒等失稳现象。塌落的往往只是局部，其规落的往往只是局部，其规模一般不会太大。模一般不会太大。3、弯曲折断、弯曲折断v层状岩体层状岩体，尤其是有软弱夹，尤其是有软弱夹层的互层岩体，结构面较发层的互层岩体，结构面较发育，层间结合力差，易于错育，层间结合力差，易于错动，抗弯折性能较低。洞顶动，抗弯折性能较低。洞顶岩体受自重应力作用易产生岩体受自重应力作用易产生下沉弯曲，进而张裂、折断，下沉弯曲，进而张裂、折断，形成塌落形成塌落。边墙岩体在侧向。边墙岩体在侧向水平应力作用下，向坑道方水平应力作用下，向坑道方向变形挤入，甚至滑塌。向变形挤入，甚至滑塌。4、松动解脱和塑性变形、松动解脱和塑性变形v碎裂结构或散体结构的岩体随挖随塌，或不挖自塌，基本不能碎裂结构或散体结构的岩体随挖随塌，或不挖自塌，基本不能自稳。即使利用初期支护使其勉强不坍塌，但其塑性变形也长自稳。即使利用初期支护使其勉强不坍塌，但其塑性变形也长时间不能停止，具有很强的流变性。时间不能停止，具有很强的流变性。松松动动解解脱脱和和塑塑性性变变形形的的表表现现（五）岩体工程性质的结论（五）岩体工程性质的结论1、结论、结论分析分析变形特性变形特性强度特性强度特性结构特征结构特征岩体岩体既不是简单的弹性体既不是简单的弹性体也不是简单的塑性体也不是简单的塑性体而是较复杂的而是较复杂的弹塑性体弹塑性体2、具体表现、具体表现v岩体的变形特性不同于结构体或结构面，而是呈现为岩体的变形特性不同于结构体或结构面，而是呈现为“四个阶段四个阶段”。v整体性较好的岩体接近弹性体，破碎及松散岩体偏向于整体性较好的岩体接近弹性体，破碎及松散岩体偏向于塑性体。塑性体。v岩体的变形不是岩体的变形不是瞬间瞬间完成的，而是随着时间完成的，而是随着时间逐渐逐渐达到终达到终值，具有值，具有流变流变特征。特征。v岩体的强度具有明显的岩体的强度具有明显的“各向异性各向异性”。v岩体的岩体的结构特征结构特征对其力学性质有着重要影响，继而影响对其力学性质有着重要影响，继而影响着岩体的破坏形态。着岩体的破坏形态。三、岩体的原始应力状态三、岩体的原始应力状态v工程实践和研究表明，岩体在开挖前总是处在相对平工程实践和研究表明，岩体在开挖前总是处在相对平衡和稳定状态之中，称为衡和稳定状态之中，称为“原始应力状态原始应力状态”。v在开挖坑道后，围岩出现在开挖坑道后，围岩出现松弛和位移松弛和位移，甚至，甚至坍塌破坏坍塌破坏等现象，与岩体的等现象，与岩体的原始应力状态原始应力状态有着密切的关系。有着密切的关系。四、围岩的应力历程四、围岩的应力历程洞室形成前：洞室形成前：岩体中任意一点处岩体中任意一点处的应力是平衡的的应力是平衡的洞室形成后：洞室形成后：开挖稳定后：开挖稳定后： 初始应力状态初始应力状态（一次应力状态）（一次应力状态）形成自由形成自由变形空间变形空间围岩向洞内围岩向洞内松胀松胀 变形变形引发围岩应引发围岩应力重新调整力重新调整 应力重分布应力重分布（二次应力状态）（二次应力状态）围岩自己稳定，或围岩自己稳定，或是人工支护结构的是人工支护结构的帮助下获得稳定帮助下获得稳定达到新的应力平衡达到新的应力平衡和稳定状态和稳定状态（三次应力状态）（三次应力状态）五、围岩稳定性的力学解释五、围岩稳定性的力学解释v1、围岩二次应力状态与其强度能力的关系。、围岩二次应力状态与其强度能力的关系。岩体的岩体的“强度破坏和有限的变形强度破坏和有限的变形”，只是围岩坍塌失稳的只是围岩坍塌失稳的“必要必要条件条件”。v2、围岩二次应力状态与其变形能力的关系。、围岩二次应力状态与其变形能力的关系。“变形过变形过度度”才是围岩坍塌失稳的才是围岩坍塌失稳的“充分条件充分条件”。v3、围岩局部稳定性与整体稳定性的关系。在一定的工、围岩局部稳定性与整体稳定性的关系。在一定的工程结构条件下和一定的施工条件下，岩体的程结构条件下和一定的施工条件下，岩体的“强度破坏强度破坏和整体变形过渡和整体变形过渡”才是围岩整体坍塌失稳的才是围岩整体坍塌失稳的“充要条件充要条件”。v4、隧道结构条件与围岩稳定性的关系。、隧道结构条件与围岩稳定性的关系。 （1）坑道横断面形状与围岩稳定性的关系）坑道横断面形状与围岩稳定性的关系 自然界地层中的天然洞室，其顶部形状都趋向于形成自然界地层中的天然洞室，其顶部形状都趋向于形成拱形。拱形。（2）坑道横断面大小与围岩稳定性的关系）坑道横断面大小与围岩稳定性的关系 坑道断面越大，围岩的相对稳定性更低，反之则相对坑道断面越大，围岩的相对稳定性更低，反之则相对稳定。稳定。v5、隧道施工条件与围岩稳定性的关系。、隧道施工条件与围岩稳定性的关系。（1）开挖方法的影响）开挖方法的影响 施工应尽可能地采用大断面开挖，以简化围岩应力重施工应尽可能地采用大断面开挖，以简化围岩应力重分布的过程，减少对围岩稳定性的不利影响。分布的过程，减少对围岩稳定性的不利影响。（2）开挖面的支承作用的影响）开挖面的支承作用的影响 开挖中应尽可能地对开挖中应尽可能地对“开挖面的支承作用开挖面的支承作用”加以充分加以充分利用。利用。（3）掘进方式的影响）掘进方式的影响 应视围岩条件尽可能地选用对围岩扰动小的破岩方式。应视围岩条件尽可能地选用对围岩扰动小的破岩方式。（4）施工速度的影响）施工速度的影响 施工中应及时做初期支护，控制围岩变形。施工中应及时做初期支护，控制围岩变形。（5）风化作用的影响）风化作用的影响 施工中应尽可能早地封闭围岩表面，缩短围岩暴露时施工中应尽可能早地封闭围岩表面，缩短围岩暴露时间，避免围岩急速风化，保持围岩的稳定能力。间，避免围岩急速风化，保持围岩的稳定能力。1、分级的目的和原则、分级的目的和原则（一）分级的目的（一）分级的目的v为了工程应用的便利，有必要将围岩按其稳定性的为了工程应用的便利，有必要将围岩按其稳定性的好坏（能力的强弱）划分为有限个级别，以便于进好坏（能力的强弱）划分为有限个级别，以便于进行工程类比。行工程类比。（二）分级的原则（二）分级的原则v（1）、分级目的明确、形式简单、级数适中；）、分级目的明确、形式简单、级数适中；v（2）、分级指标清晰、便于识别、易于区分；）、分级指标清晰、便于识别、易于区分；v（3）、分级数据易得、便于定量、易于划分。）、分级数据易得、便于定量、易于划分。五、围岩的稳定性分级五、围岩的稳定性分级2 2、隧道围岩稳定性分级、隧道围岩稳定性分级（一）公路、铁路隧道围岩稳定性分级方法及分级表（一）公路、铁路隧道围岩稳定性分级方法及分级表v铁路隧道设计规范铁路隧道设计规范推荐的围岩稳定性分级方法是：推荐的围岩稳定性分级方法是：以围岩的以围岩的结构特征、完整状态、岩体强度和围岩的弹结构特征、完整状态、岩体强度和围岩的弹性波速度（性波速度（VP）作为基本分级指标，将围岩划分为作为基本分级指标，将围岩划分为共共六六个基本级别；然后适当考虑地下水和地应个基本级别；然后适当考虑地下水和地应力对围岩稳定性的影响程度，对基本级别予以适当修力对围岩稳定性的影响程度，对基本级别予以适当修正，确定出围岩稳定性的最后级别。正，确定出围岩稳定性的最后级别。（二）对分级中不便考虑的影响因素的处理（二）对分级中不便考虑的影响因素的处理v1、坑道横断面大小对围岩稳定性级别的影响；、坑道横断面大小对围岩稳定性级别的影响；v2、坑道横断面形状对围岩稳定性级别的影响；、坑道横断面形状对围岩稳定性级别的影响；v3、施工方法对围岩稳定性级别的影响。、施工方法对围岩稳定性级别的影响。3 3、国家标准、国家标准GB 50086-2001GB 50086-2001锚杆喷射锚杆喷射混凝土支护技术规范混凝土支护技术规范围岩分类法围岩分类法v（1 1）、本分类适用于矿山、铁路、水电、建工和军工）、本分类适用于矿山、铁路、水电、建工和军工等部门的地下工程锚喷支护设计。等部门的地下工程锚喷支护设计。v（2 2）、本分类采用多因素定性与定量指标相结合的分）、本分类采用多因素定性与定量指标相结合的分类方法。虽然分类表中没有给出岩体质量系数，但由类方法。虽然分类表中没有给出岩体质量系数，但由于分类表中给出了岩石单轴抗压强度和岩体完整性指于分类表中给出了岩石单轴抗压强度和岩体完整性指标，所以实际上也等于给出了岩体质量系数。标，所以实际上也等于给出了岩体质量系数。v（3）、岩体结构类型的划分，主要考虑了岩体结构体的）、岩体结构类型的划分，主要考虑了岩体结构体的块度尺寸，见下表。块度尺寸，见下表。岩体结构岩体结构类型类型整体状整体状结构结构块状块状结构结构碎裂镶嵌碎裂镶嵌与碎裂状与碎裂状结构结构散体状散体状结构结构块度尺寸块度尺寸（以结构（以结构面平均间面平均间距表示）距表示）0.8m0.40.8m0.20.4m0.2mv（4）、地质构造影响程度和结构面发育情况参见有关表）、地质构造影响程度和结构面发育情况参见有关表格。格。v（5）、对）、对、IV级围岩，当地下水较发育时，应根据地级围岩，当地下水较发育时，应根据地下水类型、水量大小、软弱结构面多少及其危害程度，下水类型、水量大小、软弱结构面多少及其危害程度，适当降级。适当降级。v（6）、对）、对、IV级围岩，当洞轴线与主要断层或软级围岩，当洞轴线与主要断层或软弱夹层夹角小于弱夹层夹角小于30时，应适当降级。时，应适当降级。v（7）、划分围岩类别通常分为两个阶段：勘察阶段初步）、划分围岩类别通常分为两个阶段：勘察阶段初步划分围岩类别与施工阶段详细划分围岩类别。划分围岩类别与施工阶段详细划分围岩类别。4 4、其他、其他分类方法分类方法v（1）、岩石坚固性系数（）、岩石坚固性系数（f）分类法和岩体坚固性系数）分类法和岩体坚固性系数（fm）分类法。）分类法。v（2）、）、泰沙基岩体荷载高度（泰沙基岩体荷载高度（hq）分类法：）分类法： 泰沙基岩体荷载高度（泰沙基岩体荷载高度（hq）分类法虽然简单、直观、易）分类法虽然简单、直观、易于理解，但经验性很强，也不够精确和严密。这种分类法于理解，但经验性很强，也不够精确和严密。这种分类法奠定了松弛荷载理论的基础。奠定了松弛荷载理论的基础。v（3）、岩石质量（）、岩石质量（RQD）分类法和岩体质量（）分类法和岩体质量（Q）分类法。）分类法。v（4）、围岩自稳时间（）、围岩自稳时间（Ts）分类法。）分类法。v（5）、弹性波速度（）、弹性波速度（Vp）分类法。）分类法。v（6）、）、岩体质量应力比（岩体质量应力比（S）分类法（总参工程兵）分类法（总参工程兵1984年年9月月坑道工程坑道工程围岩分类）。围岩分类）。 岩体质量应力比（岩体质量应力比（S）分类法是比较完善的分类法，）分类法是比较完善的分类法，它既考虑到了岩体质量即岩体结构特征和强度特性的影它既考虑到了岩体质量即岩体结构特征和强度特性的影响，又考虑到岩体所在的地层应力的客观存在和影响。响，又考虑到岩体所在的地层应力的客观存在和影响。小结小结v1、影响围岩稳定的因素、影响围岩稳定的因素（围岩地质条件、隧道结构条件、（围岩地质条件、隧道结构条件、隧道施工条件）隧道施工条件）v2、岩体的变形特性和强度特性、岩体的变形特性和强度特性（流变特性和各向异性）（流变特性和各向异性）v3、岩体的结构特征、岩体的结构特征（整体块状、层状、碎裂状和散体状）（整体块状、层状、碎裂状和散体状）v4、围岩的应力历程、围岩的应力历程（从原始到一次再到二次应力状态）（从原始到一次再到二次应力状态）v5、围岩的破坏失稳形态、围岩的破坏失稳形态（脆性破坏、块状运动、弯曲折断、（脆性破坏、块状运动、弯曲折断、松动解脱和塑性变形）松动解脱和塑性变形）v6、围岩稳定性的力学解释、围岩稳定性的力学解释（总结了围岩的稳定性与围岩的（总结了围岩的稳定性与围岩的强度和变形、隧道结构条件、隧道施工条件等因素的关系）强度和变形、隧道结构条件、隧道施工条件等因素的关系）