地下洞室群围岩稳定的离散元计算
第26卷第12期 岩 土 力 学 V ol.26 No.12 2005年12月 Rock and Soil Mechanics Dec. 2005
收稿日期：2004-09-29 修改稿收到日期：2005-01-20
基金项目：鄱阳湖生态环境与资源研究教育部重点实验室开放基金(No. 200401006(1))。
作者简介：王涛，男，1974年生，博士，讲师，目前主要从事GIS 、工程地质、岩土力学方面的教学和科研工作。E-mail: wantao6@https://www.wendangku.net/doc/fc17685983.html,
文章编号：1000－7598－(2005) 12―1936―05
地下洞室群围岩稳定的离散元计算
王 涛1, 2，陈晓玲2 ，于利宏3
(1. 武汉大学 水利水电学院，武汉 430072；2. 武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室，武汉 430079；
3. 北京国电水利电力工程有限公司，北京 100024）
摘 要：针对水电工程中的地下洞室群围岩稳定问题，采用三维离散元软件3DEC, 首先对围岩可能出现的破坏类型进行了分析，然后建立计算模型，对随机结构面进行了模拟，最后计算出了开挖过程中可能出现的破坏块体。使用的方法和得出的结论对类似工程具有一定的参考意义。
关 键 词：地下洞室；离散元；围岩稳定；3DEC 中图分类号：TU 457 文献标识码：A
Discrete element calculation of surrounding rock mass
stability of underground cavern group
WANG Tao
1, 2
, CHEN Xiao-ling 2, YU Li-hong 2
(1. School of Water Resources and Hydropower, Wuhan University, Wuhan 430072, China;
2. State Key Laboratory of Information Engineering in Surveying, Mapping and Remote Sensing, Wuhan University, Wuhan 430079, China ；
3. Beijing Guodian Water Resources & Electric Power Engineering Co. Ltd, Beijing 100024, China)
Abstract : The stability of surrounding rock mass of underground cavern is computed by using discrete element method software 3DEC. Firstly, the destroy type of rock mass is judged; secondly, the model is built and the random discontinuities are simulated; and at last the instability blocks are discovered after computation.The method and result can give reference to the similar engineering. Key words: underground cavern; discrete element method; stability of surrounding rock mass; 3DEC
1 引 言
目前，水电工程中的地下洞室的规模越来越大，地下洞室群的布局和所处的地质环境也越来越复杂。而数值计算已经普遍用于解决工程中的岩石力学问题，从工程角度出发，工程数值计算的关键问题之一是如何事先分析工程问题的性质，然后合理地选择计算方法或软件进行求解。岩体是一种非线性非连续的复杂介质，其主要特点之一是分布着大量随机的各种结构面。如果工程岩体稳定问题与岩体结构面密切相关，采用基于连续介质理论的计算方法不能得到合理的解答，而采用节理岩体计算方法是必需的。
近年来，关键块分析、离散元分析以及块体稳定分析等岩体稳定分析方法都有了长足的发展，已
成为解决岩土力学问题的重要数值方法。其中离散元方法最早由Peter Cundall 在20世纪70年代提出，三维离散元软件3DEC(v3.0)则于2003年面市。
2 地下厂房洞室群围岩稳定问题的
宏观分析
根据研究对象的基本条件（地质、结构几何形态、岩石力学性质和工程要求）、对潜在稳定问题的性质做出正确的宏观判断，并为具体的研究工作确定研究方法和针对性的研究手段。通俗地讲，就是根据研究对象的各种条件，首先对可能存在的问题有一个判断，然后制定相应的研究方法、内容和措施。
地下工程实践已经揭示了工程围岩破坏可以概括地分为两大类，一类是应力控制型破坏；另一类是块体控制型破坏(也称结构面控制型破坏或重力
第12期王涛等：地下洞室群围岩稳定的离散元计算
型破坏)。二者各有其发生条件。同时，两种破坏类型是具有耦合性和转化性的。应力控制破坏型围岩，可以在高应力条件下产生剪切破坏，产生的滑移线（面）组成滑移网络，从而产生新的结构面和结构体，进而会产生应力和结构面混合控制类型。
关于地应力高低的划分，目前国内外尚没有一致的界定。国内地矿、水电、交通等部门以及煤炭系统都有自己相应的划分办法。国际上较多采用的是根据地应力值与岩石或岩体强度之比来判断地应力的状态。修建在以硬岩为主的岩体地下工程，岩体初始应力水平在很大程度上决定了地下工程围岩二次应力的量级，而岩石强度和结构面发育程度在很大程度上描述了岩体的承载能力。初始应力水平、岩石强度、和结构面发育程度三者之间的关系直接影响着地下工程开挖以后围岩的稳定状态和潜在问题的性质，相对初始地应力水平，它是用初始地应力中的最大主应力与（硬岩）岩石的单轴抗压强度之比来表示，其比值小于0.15时，属于低地应力水平；在0.15～0.4之间为中等水平；高于0.4则是高地应力水平[4]。在低地应力条件下，不管岩体的完整程度如何，都不会表现出应力控制型破坏。
3 离散单元法及随机节理的模拟
像断层和层面这样的不连续面，如果它们在数量上较少，在以连续介质为基础的数值模拟中被当作特殊的单元单独处理[3]。当岩体中包含大量裂隙、节理、破碎带甚至断层等不连续结构，使得岩体既不完全连续，也不完全离散，如何合理地描述这种非连续岩体的力学行为已成为国际岩石力学界公认的理论难题。当岩体力学仅仅局限在连续介质力学体系框架内，在解释岩体断层、节理、破碎断裂、块度控制等非连续力学行为上遇到了本质的困难[5]。因此，必须深入地研究深部岩体的自然结构特征、非连续性描述方法以及岩体的非连续力学响应，在岩体力学的研究方法和基础理论上取得突破，才能准确地描述岩体的力学行为，从而为科学地分析岩石力学工程问题提供理论基础。离散单元元法是专门用来解决不连续介质问题的数值模拟方法，该法把节理岩体看成是由离散的岩块和岩块间的节理面所组成。岩块能移动、转动和变形，而节理面可被压缩、分离或滑动。因此，岩体被看作一种不连续的离散介质．离散介质内可存在大位移、旋转、滑动乃至块体的分离，从而可以较真实地模拟岩体中的不连续面[1]。
离散元法的单元从性质上分可以是刚性的，也可以是可变形的；从形状上分可以是任意多边形，也可以是圆形；从维数上分可以是二维平面单元，也可以是三维立体单元。对于离散元而言，由于介质一开始就假定为离散块体的集合，块与块之间可以是角-角接触，角-边接触或边-边接触等,而且这种接触关系可以随时调整，所以单元之间没有变形协调的约束，但是平衡方程仍需要满足。
在离散单元法的大多数应用中，块体被假设为刚性，这在一些情况下是合理的，如低地应力，坚硬岩体。但在另一些情况下，块体本身的变形是不容忽视的。在3DEC程序中，块体在默认状态下是刚性的，用命令GEN使块体变形。
坚硬岩石浅开挖工程的块体识别问题，在很大程度上依赖于对优势节理组的正确解译。离散单元法和节理网络模拟为我们进行块体识别和稳定分析提供了很好的基础，而ITASCA的产品3DEC为两者的结合提供了很好的平台，其提供的用户接口语言(FISH LANGUAGE)，使用户可以根据需要，在程序运行前设置有关变量或函数，通过其FISH语言，参与程序的运行，获得用户需要的结果。进行三维节理网络模拟，可以根据生成随机节理随机数直接法的原理，通过3DEC的接口用FISH语言编程实现[1, 2]。
3DEC可以针对问题的性质选择3种求解方式：蜕化成连续力学解（类似于有限元）、完全不连续解（块体为刚体，变形产生在不连续面上）和混合不连续解（在处理连续块体内部及界面上产生应力-应变的同时，允许不连续面上产生不连续变形），大型工程问题的混合不连续解要求较高的计算机配置以及较长的计算时间。
4 工程实例分析
某水电站的扩建工程装机容量600 MW，工程布置于右岸坝址附近，地下厂房、引水隧洞、主变室和尾水隧洞等主要建筑物位于新鲜辉绿岩岩体内。
4.1 围岩破坏的可能类型分析
水电工程选址阶段一般都尽可能避开性质特别软弱或破碎程度高的岩体，工程岩体总体上以坚硬、块状岩体为主，绝大多数岩体RMR值为50～75。水电站地下工程的埋深一般不会特别大，相对于岩体承载能力而言，地应力水平以低水平占主导地位。一般地，地下工程开挖后围岩破坏将以结构面控制的块体和楔形体的滑动破坏为主，研究块体的分布及其稳定特征，将是这类工程围岩稳定研究的主要
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岩土力学 2005年
任务。
现根据前面提出的围岩潜在破坏方式判断方法分析和宏观判断该地下厂房围岩中可能出现的围岩破坏形式和性质。辉绿岩中最大初始主应力与岩石单轴抗压强度之比低于0.15，在地下厂房开挖以后，辉绿岩中围岩的潜在破坏显然属于低应力的情形。就岩体完整性而言，它属于典型的块状岩体，估计岩体破坏方式以块体沿结构面的滑动为主。
性质相对坚硬的辉绿岩在地下厂房洞室群围岩中占绝大多数，根据上述分析结果，地下厂房围岩也因此以块体破坏为主导性的潜在破坏方式。二次围岩应力对围岩稳定的影响，将主要通过控制结构面的行为表现出来，使得围岩破坏并不只简单地取决于潜在不稳定块体的几何形态、临空状态和块体自重。
前述分析表明，该地下厂房洞室群在施工开挖过程中潜在的围岩稳定问题将主要取决于岩体不连续特性，同时受围岩应力状态的影响。考虑模型处理时间、计算机容量和计算运行时间等几个方面，实际计算中在考虑辉绿岩体稳定问题时，认为岩体本身的变形相对结构面的变形可以忽略，采用了3DEC的不连续算法，即在模型中严格按实际统计资料模拟随机分布节理，生成各种形态和规模的块体，进行不连续解法运算，研究块体的稳定性。4.2 地下厂房3DEC模型
在3DEC中，不连续介质被处理成离散块体的集合体，不连续面被视为块体的界面，不连续面可以产生滑动和张开，块体可以产生转动变形。视问题的需要，块体可以重新“粘结”起来成为连续体。在进行不连续问题求解时，块体既可以处理成可变形体，也可以处理成不可变形的刚体。在计算过程中，程序将自动识别块体之间可能不断变化的接触状态，这也是离散元方法与许多类似方法（如块体理论的DDA方法）的最大不同。
建立3DEC模型可以有两种途径，一种是由整体到个别的方式：把一个预先生成的模型块体通过反复的“切割”成需要的形状；另一种方式是从个别到整体，先建立各个满足要求的小模型，然后拼装成整体模型。在实际建模中，这两种办法可以交叉使用，即进行半整体、半拼装式的建模，以达到最佳效果。
3DEC使用左手法则的坐标系统，在本项目计算中，计算坐标系的选择以方便建立模型为准则，取X轴的正向与平面上的厂房上游侧至下游侧方向一致；Y轴正向垂直向上，取值与高程一致；Z轴沿厂房轴线方向。
在建立该地下厂房3DEC模型时，采用了由整
体到个别和由个别到整体的建模方式。结构面模拟
和相应的处理是3DEC建模中的一个重要环节，三
维节理网络模型，则利用了3DEC固有的节理模拟
基本功能、根据生成随机节理伪随机数的原理方法、通过3DEC的接口用FISH语言编程实现。从理论
上讲，利用该方法甚至可以直接把节理编录资料逼
真地移植到模型中，即可以模拟各个具体位置上的
单一节理的产状特征，并单独地赋予该节理的物理
力学特性，这对具体化研究某个特定部位的特定工
程问题非常有意义。开挖部分的厂房模型如图1所示，图中用不同颜色来区分开挖步。
图 1 地下厂房洞室群开挖体结构3DEC模型
Fig.1 The 3DEC model of a excavated parts of
a hydropower station
据目前水电站区域内PD27号平硐和一期厂坝
基坑节理统计，岩体内陡缓角节理各有3组发育，
因此计算中模拟的节理情况如表1所示。岩体中施
加节理后的模型如图2所示。
表1 计算中模拟的主要节理组
Table 1 Statistical results of joint elements
组号倾向/(°) 倾角/(°) 平均间距/m
J1 10～40 20～25
5.8
J2 70～80 24～25
7.5
J3 150～170 68～75 11.1 J4 230～270 75～80 14.3 J5 290～310 72～74 16.7 J6 350～360 68～75 15.1
4.3 地下厂房区初始地应力场及岩体物理力学参数
该区水平应力大于岩体自重应力；辉绿岩（微、新岩石）的单轴抗压强度R c为150～170 MPa，
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第12期 王 涛等：地下洞室群围岩稳定的离散元计算
图2 围岩节理岩体模型
Fig.2 The blocks distribution after adding the joint network
R c /max σ =14.6～16.2（max σ为垂直洞轴线方向的最大初始应力），属一般水平应力区。地下厂房区地表形态的变化，也会在一定程度上影响地应力分布。在计算中采用的地应力公式为：
????
?
??
===+?=+?=+?=0
.0 022.071.12026.076.8016.051.10zx yz xy z y x y y y τττσσσ (1)
式中 x ，y ，z 为3DEC 中的计算坐标系，y 为高程(m)；x σ，y σ，z σ均为应力(MPa)。表2和表3列示了岩体和节理的物理力学参数。
表2 岩体物理力学参数
Table 2 Physico-mechanical parameters of rockmass
弹性模量 /GPa 泊松比 重度/kN ·m -3体积模量/MPa 剪切模量/MPa 20
0.2
30
11 111
8 333
表 3 节理物理力学参数
Table 3 Physico-mechanical parameters of joints
类别
φ /(°) K n /MPa ·m -1K s /MPa ·m -1
c /MPa J 37 2 000
500
0.25
4.4 岩体整体稳定性的分析与判断。
利用离散元理论的特点和3DEC 的功能，根据系统不平衡力的大小所指示的意义分析岩体的稳定性。数值计算中每一次的循环迭代中都不可能保证每个单元、每个块体的不平衡应力或荷载都能达到平衡，实际上也只要求它们降低到一个足够低的水平就可以了。在考虑了离散块体的计算中，以滑动破坏为例，如果一个块体的滑动力不超过阻滑力时，块体只会发生位移；一旦滑动力超过阻滑力，块体
就会破坏，并产生剩余下滑力，也就是块体的不平衡力。整个模型全部的不平衡力的总和构成了系统不平衡力，系统总体不平衡力的一个主要来源是加载，如施加初始应力、开挖岩体等。但如果计算中模型内很多块体发生了破坏，系统总的不平衡力也可能相对较高；如果模型在某次加载以后的计算过程中不断有新的破坏块体产生，系统不平衡力就会呈现总体增加的趋势。显然，如果在计算过程中记录系统不平衡力的变化情况，是可以宏观上来判断
岩体的整体稳定特征的。
图3给出了计算过程中系统不平衡力变化特征的记录结果，其中的每一个峰值都代表了一次加载（施加初始应力或者开挖），每一次加载以后系统的不平衡力都可以降低到一个很低的水平并保持稳定，表明模型没有出现整体失稳现象。
图3 计算过程中系统不平衡力分布曲线 Fig. 3 Unbalance force curve of the process of
computation
4.5 不同位移块体的分布
在此基础上，把该地下厂房洞室群围岩块体按其绝对位移总体地分成如下4大类：(1) 位移大于50 mm 的不稳定块体，(2) 位移大于40～50 mm 的潜在不稳定块体，(3) 位移在30～40 mm 以内的明显位移块体，(4) 位移在30 mm 以下的稳定块体。
计算结果表明，围岩稳定的潜在问题将以地质结构面控制型破坏为主，地下工程开挖以后围岩二次应力场状态对块体稳定的影响主要是通过改变结构面的受力状态，从而改变其变形程度和破坏特征表现出来。
图4和图5清楚地显示不稳定和潜在不稳定块体以及明显变位块体的分布不是均匀的，其基本分布形态并不和围岩应力场的分布形态保持某种一致性的对应性的关系，而是明显地和岩体中的节理产
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岩土力学 2005年
状特征保持空间方位关系上的对应性。这显示着块
体的变形和失稳，更多地受到节理分布特征的制约，
应力不是控制性因素。
30～40 mm
40～
50 mm>50 mm m开挖
图4 不同位移块体分布（正视图）
Fig.4 Different displacement blocks distribution
(elevation view)
30～
40 mm40～50 mm>50 mm m开挖
图5 不同位移块体分布（斜视图）
Fig.5 Different displacement blocks distribution
(oblique view)
计算结果揭示了岩体结构面特征对围岩稳定和
破坏特征的控制性意义，具体地说：节理对岩体地
切割对厂房和调压井上游边墙中存在的不稳定块体
起到主导作用。
厂房和调压井上游边墙围岩中的松弛问题将会
比较突出，该部位普遍存在显著的松弛现象，松弛
范围在10～15 m范围内。该部位的松弛是否发展
成失稳现象，与具体部位的结构面发育密度密切相
关。厂房母线洞与主变室的连接部位，在约3～5 m
的水平深度范围内，该部位出现了块体松动现象。
受到不利组合节理切割形成的块体，当临空条件满
足要求时，很容易出现失稳现象。但总体来说，该
部位的破坏将以小型块体为主。
另外，主厂房与安装前连接处直立边墙的稳定
要充分引起注意。尾水洞在施工过程中会出现小规
模的塌方。顶拱围岩具备良好的自稳能力，但也会
出现少量的块体失稳现象，破坏块体规模一般不大。
5 结语
根据地应力值与岩石或岩体强度之比，可以对
地下洞室围岩可能破坏的方式进行判断。在此基础
上，对于结构面控制类型的破坏，采用离散元软件
3DEC计算是一种有效的方法。可以计算出开挖过
程中，可能产生的破坏块体，可以回答潜在破坏发
生的规模、和具体的分布特征等，并可以为工程提
供加固设计等相关建议和参考依据。
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(完整版)第八章地下洞室围岩稳定性分析
第八章地下洞室围岩稳定性分析 第一节概述 1．地下洞室（underground cavity）： 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。
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()c v h σσσ2 1 ≤ 、，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R 0的小圆孔，如图8.1所示。 任取一点M （r ,θ）按平面问题处理，不计体力。则： ……………………① 式中Φ为应力函数，它是x 和y 的函数，也是r 和θ的函数。 边界条件： ()()()()()??? ? ?? ???===>>-=??? ??--=>>+=-++=====003103131R b 0)(2sin 22sin 2)(2cos 222cos 22b r r b r r b r r b r r R b p R b p p θθτσθθσστθθσσσσσ ………………② 设满足方程①的应力函数φ为： () θ2cos ln 222F Dr cr Br r A ++++=Φ- ………………………………③ 由③代入①，并由②可得： 2 R F ,4-D ,4-c ,4B ,2204020p pR p p pR A = ===-= ???? ???????Φ ?-?Φ?=?Φ?= ?Φ ?+?Φ?=θθτσθσθθr r r r r r r r r 22 2 22 221111 图 8.1柯西课题分析示意图
地下洞室围岩稳定判定分析
2009年第5期 东北水利水电地下洞室围岩稳定判定分析 任建川，陈旭，姜淑香 ［摘要］地下洞室稳定性问题是一个复杂的非线性力学问题，通常伴随着变形非均匀性、非连续性和大位移等特点，影响洞室稳定的因素众多，关系错综复杂，找出一个普遍适用的定量失稳判定是困难的,目前大多数判定是以周边允许收敛量和允许收敛速率的形式给出的,以此判定围岩是否稳定。 ［关键词］地下洞室；围岩稳定；判定分析［中图分类号］TV554 ［文献标识码］A ［文章编号］1002－0624（2009）05－0005－02 （中国水利水电第六工程局有限公司，辽宁丹东118220） 1影响洞室围岩稳定性的主要因素 1.1地质因素 （1）岩体的结构特征。从稳定性分类角度来看，岩体结构特征可简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。实践证明，围岩的破碎程度对地下洞室稳定与否起主导作用，在相同岩性条件下，岩体愈破碎，洞室就愈容易失稳。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。一定程度上岩体越破碎则洞室越不稳定，越容易坍塌。 （2）结构面性质与空间组合。在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质，以及它们在空间的组合状态。对地下洞室来说，围岩中存在单一的软弱面一般不会影响洞室的稳定性。只有结构面与洞室轴线关系不利时，或出现两组或两组以上的结构面时，才构成易坠落的分离岩块。分离岩块的塌落或滑动，还与结构面的抗剪强度以及岩块之间的相互连锁作用有关。因此在围岩分类中，可从结构面的成因及其发展史、结构面的平整及光滑程度、结构面的物质组成及其充填物质情况、结构面的规模与方向、结构面的密度与组数五方面来研究结构面对洞室围岩稳定性影响的大小。 （3）岩石的力学性质。在整体结构的岩体中，影响围岩稳定性的主要因素是岩石力学性质，尤其是岩石强度，一般来说，岩石强度越高洞室越稳定。此外，岩石强度还影响围岩失稳破坏的形态，强度高的硬岩多表现为脆性 破坏，易引起岩爆现象。而强度低的软岩，多以塑性变形为主，流变现象明显。 （4）初始应力状态。初始应力会影响洞室开挖后稳定性。地下工程失稳主要由于开挖引起应力重分布超过围岩强度或引起围岩过分变形造成的，而应力重分布是否达到危险程度与初始应力场方向、量值有关。 （5）地下水的影响。地下水对围岩稳定性的影响主要表现为使岩石软化、疏松，充填物泥化，强度降低，增加动、静水压力等，从而降低隧道围岩的稳定性。调查资料表明，地下水对不同类别隧道稳定性影响程度存在明显差异，地下水对硬岩组成的围岩隧道稳定性影响甚微，可忽略不计，而对于弱岩，地下水影响较大。 （6）特殊地质条件。当地下工程穿越断层破碎带、强风化带、发育的岩溶区等特殊地质条件时，维护围岩的稳定往往较困难，因为构造破碎带往往包含断层泥、糜棱岩、角砾岩、压碎岩等断裂构造岩。这时岩层松软破碎，而临近地带的岩层节理裂隙也比较密集，地下水往往较活动，再加上地应力较大，则会出现强烈的地压现象。 1.2工程活动造成的人为因素 洞室施工是造成围岩丧失稳定的一个最主要的因素。开挖洞室所采用的施工方法、洞室断面尺寸和形状、施工质量、支护形式及实施过程都会对围岩的稳定产生影响。 （1）洞室的尺寸和形状。跨度大小对围岩的稳定性也有显著影响，实践证明，跨度越大则洞室的稳定性越差，跨度大小对隧道工程稳定性的影响可从三方面考虑：应 规划设计 · 5 ·
地下洞室围岩应力与围岩压力计算
第六章地下洞室围岩应力 与围岩压力计算 第一节概述 一、地下洞室的定义与分类 1、定义: 地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的地下空间。 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）、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 二、洞室围岩的力学问题 （1）围岩应力重分布问题——计算重分布应力 1）天然应力:人类工程活动之前存在于岩体中的应力。又称地应力、初始应力、一次应力等。 2）重分布应力:由于工程活动改变了的岩体中的应力。又称二次分布应力等。 地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。
（2）围岩变形与破坏问题——计算位移、确定破坏范围 在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体的承受能力，围岩将产生破坏。 （3）围岩压力问题——计算围岩压力 围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护、衬砌，变形破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力(或称山岩压力、地压等)。 （4）有压洞室围岩抗力问题——计算围岩抗力 在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将产生一个反力，称为围岩抗力。 天然应力，没有工程活动 开挖洞室后的应立场，为重分布应力，与天然应力有所改变 在附近开挖第二个洞室，则视前一个洞室开挖后的应力场为天然应力，第二个洞室开挖后的应力场为重分布应力
深部围岩变形破坏时效性分析
深部围岩变形破坏时效性分析 1.引言 围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。 因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。 2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素 岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。不少大断层至今仍有持续移动的迹象。在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的： (l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的
隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述
隧道围岩及支护结构稳定性分析方法综述 伍华刚 （贵州省交通规划勘察设计研究院，贵州贵阳，５５０００１） 摘 要：以隧道围岩与支护结构的相互关系为主要研究对象，以特长公路隧道围岩及支护结构稳定性分析方法为依托，对隧道掌子面所揭露围岩岩体、结构特征进行调查、记录，分析掌子面围岩等级，并与设计资料进行对比，对不同级别不同地质条件下的围岩与支护结构稳定性进行比较分析，总结围岩及支护结构稳定性分析的方法。 关键词：特长隧道；围岩；支护结构；稳定性分析中图分类号：U 452.1＋2 文献标识码：A 文章编号：1004-6429（2010）04-0072-03 ●应用技术 收稿日期：2010-05-14 作者简介：伍华刚，男，1959年出生，1983年毕业于云南广播电视大学，工程师，550001，贵州省贵阳市云岩区中山东路69号山西科技SHANXI SCIENCE AND TECHNOLOGY 2010年第25卷第4期 随着深埋特长隧道的不断涌现，所遇到的问题也越来越多，现行的设计与施工规范已不能满足设计与施工要求，虽然国内外有关深埋特长隧道的研究成果不少，但由于深埋特长隧道地形、 地质条件复杂，设计制约因素多，并且常伴有断裂带、破碎带、 岩爆、突泥、涌水等地质灾害，给设计和施工带来了很大的盲目性。加上深埋特长隧道埋深大、隧道长、地质条件复杂，使地质勘察也不可能全面精确地探清每一段的具体情况，很多时候勘察结果与隧道施工中实际遇到的地质条件相差很远，漏掉的一些不良地质体给施工带来许多预想不到的困难。1 公路隧道围岩稳定性分析方法 隧道围岩的稳定性分析主要包括隧道的整体稳定性分析和局部块体的稳定性分析，分析方法大致可归纳为工程地质类比法、岩体结构分析法、岩体稳定性力学分析法和模拟试验法等，其中，模拟试验法包括物理模拟和数值模拟。1.1 工程地质类比法 根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性和监测资料，结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从而判断工程区岩体的稳定性。由大量工程实例总结出来的各级围岩分类标准，如RQD 分类（Deer ，1969）、RMR 分类（Bieniawiski ，1973）、Q 系统分类（Barton ，1974）、Z 系统分类（谷德振，1979），以及我国的《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）等，都是工程地质类比法在稳定性评价中的具体应用。这些围岩分类系统可以对不同类型围岩按定量地给出其围岩压力值及支护衬砌的形式和厚度，对于一般性工程隧道实现地下工程（结构）设计标准起到了重要的作用，也是地质工程工作者的基本方法之一。1.2 岩体结构分析法 在岩体结构及其特性研究的基础上，考虑工程力作用方向 以及结构面与开挖临空面之间的空间组合关系，借助于赤平极射投影分析法、实体比例投影分析法和块体坐标投影法进行图解分析，从而判断岩体的稳定性。1.3 力学分析法 从19世纪人类对松散地层（主要是土层）围岩稳定和围岩压力理论进行研究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。 实际工程中，隧道开挖后，由于卸荷作用使围岩应力进行重分布，并出现应力集中，如果围岩应力处处小于岩体弹性极限强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入塑性状态并不意味着围岩将发生坍落或失稳。因而，研究围岩稳定就不能不考虑塑性问题，芬纳（Fenner ）—塔罗勃（Talo－bre ．J ）和卡斯特奈（Kaster．H ）等给出了围岩的弹塑性应力图形。1.4 数值计算方法 岩体不仅为一般材料，更重要的是本身就是一种复杂的地质结构体，它具有非均质、非连续、非线性以及复杂的加卸载条件和边界条件，这使得岩体力学的问题通常无法用解析法简单地求解，数值方法不仅能模拟岩体的复杂力学和结构特征，也可以方便地分析各种边值问题和施工过程，并对工程进行预测和预报，因此，数值分析方法是解决岩土体工程问题的有效工具之一。常用的数值方法有：有限元法（FEM ）、有限差分法（FLAC ，FDM ）、离散元法（DEM ）反分析法、边界元法（BEM ）、不连续变形分析法（DDA ）、流形方法等，这些方法在地下洞室和边坡稳定等均有较多的应用，取得了较好的效果。1．5 模型试验 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，其理论基础是相似理论。模型试验具有直观、全面的优点，20世 纪80年代，国内许多学者作了大量的实验研究，谷兆琪教授等（1981）进行了层状砂岩地下洞室稳定性的研究，朱维中、冯光北等（1983，1984）研究了单排裂隙岩体模型的抗剪强度研究，杨淑 72··
7第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究.
授课题目第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究 教学目的要求掌握围岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法、地下洞室围岩工程地质分类的原则和方法;了解地下洞室开挖前后的应力特征;掌握洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素;了解改善地下洞室围岩稳定性的措施。 主要内容第一节地下洞室开挖前后的应力特征 一、应力重分布的特征 二、围岩的松动圈和承载圈 第二节洞室围岩的变形与破坏 第三节影响地下洞室围岩稳定性的地质因素 一、地形条件geographic conditions 二、岩性条件rock and soil engineering characters 三、地质构造条件geologecal structure conditions 四、地下水(水文地质hydrogeological conditions 五、地应力(natural stress 第四节围岩压力 第五节水工隧洞围岩的承载力 第六节地下洞室围岩工程地质分类 第七节改善地下洞室围岩稳定性的措施
重点与难点洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素,岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法。 教学方法 手段(教具 参考资料1戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:中国水利水电出版社,1997 2陈德基主编.水利工程勘测分册.北京:中国水利水电出版社,2004 3崔冠英主编,水利工程地质,北京:中国水利水电出版社,1999. 4左建,郭成久等主编.水利工程地质.北京:中国水利水电出版社,2004 5孙文怀.工程地质与岩石力学.北京:中央广播电视大学出版社,2002 6李智毅,杨裕云主编.工程地质学概论.武汉:中国地质出版社,1994 7张倬元,王士天,王兰生编著.工程地质分析原理.北京:地质出版社, 1981 8胡厚田.土木工程地质.北京:高等教育出版社,2001 课后作业与 思考题 第七章课后思考题与练习题1、2、4、6、8题;教学后记 讲稿 教学过程时间 分配 第七章地下洞室围岩稳定问题 第一节地下洞室围岩应力重分布
分析影响隧道围岩稳定性因素
分析影响隧道围岩稳定性因素 习小华 摘要:主要对影响隧道围岩稳定性的自然因素如岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水进行了详细的分析。 关键词:围岩稳定性;天然应力状态;地质构造 毫无疑问,隧道围岩的稳定性对隧道的正常运营是至关重要的。从许多隧道发生的交通事故中可以知道,隧道围岩的稳定性不仅与岩石的性质、岩体的结构与构造、地下水、岩体的天然应力状态、地质构造等自然因素有关,而且还与隧道的开挖方式及支护的形式和时间等因素有关。但其中起主导作用的还是岩石性质及岩体的结构、岩体的天然应力状态、地质构造、地下水等自然因素。因此了解这些因素对围岩稳定性的影响和机理,才能够客观实际的采取相应的维护隧道围岩稳定的措施。 1 岩石性质及岩体的结构 围岩的岩石性质和岩体结构通过围岩的强度来影响围岩的稳定性,是影响围岩稳定性的基本因素。从岩性的角度,可以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩,塑性围岩主要包括各类粘土质岩石、粘土岩类、破碎松散岩石以及吸水易膨胀的岩石等,通常具有风化速度快,力学强度低以及遇水软化、崩解、膨胀等不良性质,故对隧道围岩的稳定最为不利;脆性围岩主要各类坚硬体,由于这类岩石本身的强度远高于结构面岩石的强度,故这类围岩的强度主要取决于岩体的结构,岩性本身的影响不是很显著。从围岩的完整性(围岩完整性可以用岩石质量指标RQD、节理组数J n、节理面粗糙程度J y、节理变质系数Ja、裂隙水降低系数Jw、应力降低系数SRF 八类因素进行定量分析) 角度,可以将围岩分为五级即:完整、较完整、破碎、较破碎、极破碎。如果隧道围岩的整体性质良好、节理裂隙不发育(如脆性围岩) 即围岩为完整或较完整,那么,隧道开挖后,围岩产生的二次应力一般不会使岩体发生破坏,即使发生破坏,变形的量值也是较少的。这种情况下,围岩岩性对围岩的稳定性的影响是很微弱的,即一般是稳定的,可以不采取支护,能适应各种断面形状及尺寸的隧道。如果隧道围岩的整体性质差、强度低,节理裂隙发育或围岩破碎(如塑性围岩)即围岩为破碎、较破碎或极破碎,则围岩的二次应力会产生较大的塑性变形或破坏区域,同时节理裂隙间的岩层错动会使滑移变形增大,势必给围岩的稳定带来重大的影响,不利于隧道洞室稳定;软硬相间的岩体,由于其中软岩层强度低,有的因层间错动成为软弱围岩而对围岩的稳定性不利。 从岩体的结构角度,可将岩体结构划分为整体块状结构(整体结构和块状结构) 、层状结构(薄层状结构和厚层状结构) 、碎裂结构(构镶嵌结构和层状碎裂结构) 、散体结构(破碎结构和松散结构) 。松散结构及破碎结构岩体的稳定性最差;薄层状结构岩体次之;厚层状块体最好。对于脆性的厚层状和块状岩体,其强度主要受软弱结构面的分布特点和较弱夹层的物质成分所控制,结构面对围岩的影响,不仅取决于结构面的本身特征,还与结构面的组合关系及这种组合与临空面的交切关系密切相关。一般情况下,当结构面的倾角≤30°时,就会出现不利于围岩稳定的分离体,特别是当分离体的尺寸小于隧道洞跨径时,就有可能向洞内产生滑移,造成局部失稳;当倾角> 30°时,将不会出现不利于围岩稳定性的分离体。而软弱夹层对围岩稳定性的影响主要取决于它的性状和分布。一般认为软弱夹层的矿物成分、粗细颗粒含量、含水量、易溶盐和有机质等的含量是决定其性质的主要因素,对不同类型的软弱夹层,这些因素是不大相同的。由于软弱夹层的抗强度较低,故它不利与隧道围岩的稳定。 围岩岩体的变形和破坏的形式特点,不仅与岩体内的初始应力状态和隧道形状有关,而且还与围岩的岩性及岩体结构有关,但主要的是和围岩的岩性及结构有关(见表1) 。
基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析武学毅
第３１卷第１期２ ０ １ ３年１月水 电 能 源 科 学 Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３１Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２ ０ １ ３文章编号：１０００－７７０９（２０１３）０１－０１０４－ ０４基于滑动测微计的地下洞室围岩变形分析 武学毅１， 熊成林１，成 涛２（１．中国水利水电科学研究院北京中水科水电科技开发有限公司，北京１０００３８；２．中国长江三峡集团公司，北京１０００３８ ）摘要：以呼和浩特抽水蓄能电站为例，应用滑动测微计对施工期地下洞室围岩表面和深度变形进行监测。近２０个月监测资料表明， 监测期间地下洞室处于稳定状态，围岩表面变形较大值发生于地下洞室第五、六层开挖过程中。由于围岩深度变形主要由岩体结构面张开引起，配合多点位移计进行校核验证，则可判断围岩结构面张开位置。可见开挖过程的变形监测，可实时指导施工、优化设计、保证地下洞室开挖安全。关键词：变形监测；滑动测微计；地下洞室；围岩变形；稳定性中图分类号：ＴＵ４５７ 文献标志码：Ａ 收稿日期：２０１２－０５－２５，修回日期：２０１２－０７－ ０９作者简介：武学毅（１９８４－），男，博士研究生、工程师，研究方向为工程安全监测，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｘｙ ５２１６８＠１２６．ｃｏｍ 地下洞室围岩内部变形监测分点法和线法两 种，点法监测是目前较常用的监测方法，多采用多点位移计进行监测，但其只能提供有限监测数据，难以准确刻画出岩体内部变形；线法监测是沿一条长测线进行近乎连续监测，以获取岩体内部沿钻孔方向的连续数据，可较为准确地了解岩体内 部变形，该方法在国外应用较为广泛［ １］ ，其典型监测仪器有滑动测微计、测斜仪等。滑动测微计具有可有效修正零点漂移、 精度高等特点，可有效区分桩基内力的诱发因素，全面评价桩基内力［ ［２～４ ］。国内首次采用滑动测微计监测围岩松动变形是在 水布垭电站地下厂房［ ５］ ，但目前国内应用滑动测微计监测地下洞室围岩变形的成果较少。鉴此，本文通过滑动测微计工程应用实例，与其他监测手段进行比对分析，研究了大型地下洞室施工期围岩表面和深度的变形机制。 １ 滑动测微计工作原理和方法 １．１ 工作原理 采用滑动测微计为瑞士ＳＯＬＥＸＰＥＲＴＳ公司研制的高精度位移（应变）观测仪器设备，可测量沿钻孔轴向的应变和轴向位移 的全部分布情况。滑动测微计由测头、电缆、操作杆、读数仪、标定筒和导管（含标芯）等部分组成（图１） 。其工作原理为［ ６］ ：测量导管预先埋设在岩体或混凝土的钻孔内，并与被观测体浇筑为一体。观测时，将滑动测微计测头放入导管内， 使测头与导管标芯顶紧，利用锥面—球面原理测量相邻测环（标芯）的精确距离，从而获得沿一测线（钻孔轴线）方向不同深度 图１ 滑动测微计组成示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｓｌｉｄｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒｓ的轴向位移或应变分布。滑动测微计测头内装有两套高精度的线圈系统（标距为１ｍ），当被测岩体（结构物）发生轴向变形时，测头内的两套线圈系统在测量位置上通过两个测环感应，产生一个与两测量环实际间距成比例的电信号，并由测读仪读出，经换算得出长度变化，该长度变化即为被测体的变形值。１．２ 计算方法 滑动测微计监测围岩内部松动变形主要优点在于精度高、可修正温度影响及零点漂移。其具体计算公式为： Ｍｓ＝ ∑ｉ＝顶 ｉ＝底 （ Ｍｉ －Ｍ０）（１）Ｍｉ＝珡Ｋｉ（ａｉ－珚Ｚｉ）（２）Ｍ０＝珡Ｋ０（ａ０－Ｚ０— ） （３ ）Ｋ＝４．７５２ ／（Ｅ２－Ｅ１）（４ ）Ｚ＝（Ｅ１＋Ｅ２）／２（５ ）式中，Ｍｓ为钻孔内各深度至孔口的轴向位移；Ｍ０ 为基准值；Ｍｉ为某深度相对轴向位移；珡Ｋ为修正后校正系数（观测前、后校正系数的算术均值） ；
地下洞室的围岩分类方法
第四节地下工程的围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体结构特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。国内外的围岩分类所选取的基本因素大致都是这样，但在综合反映基本因素的指标上是不同的。 一、“普氏”分类 普氏分类在我国曾应用较广。主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论和公式，即垂直压力为： Ｐ＝γ0ｈ1 （8-26） 式中Ｐ——垂直压力； ｈ1——压力拱拱高，ｈ1=ａ1／ｆkp ； ａ1——压力拱半跨； ｆkp——岩石坚硬系数； γ0——围岩的重度。 工程地质勘测工作基本上是根据地质条件和经验确定ｆkp值。见表8-16。或按下面的经验公式确定ｆkp值： ｆkp=Ｒc/10 （8-27） 式中Ｒc——岩石的单轴抗压强度（ＭＰa）。 普氏岩石分类表8-16
这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。目前有些单位仍应用此分类。但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。 1.它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额服务的。因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。 2.ｆkp值以岩石强度为基础，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体结构特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态（风化的、破碎的）划归于较低一类去，这样给确定ｆkp值带来了很大的主观臆断性。我国各部门由于工程特点不同，确定ｆkp值标准也不同。甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人可以得出相差很大的ｆkp值。 3.分类等级较多，给使用上带来不便。由于选用的ｆkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。当ｆkp=２和ｆkp=４时，则压力可相差近一倍。 4.普氏压力计算公式根据松散体理论而得，而地下洞室多位于坚硬及中等坚硬以上较完整的岩体中，理论假设前提与客观实际相差太大。一般来说，在坚硬地层中围岩压力公式计算结果偏大，而在松散地层中计算结果偏小。
地下洞室围岩稳定性综述
地下洞室围岩稳定性综述 摘要：地下洞室围岩的稳定性在地下洞室施工时有着至关重要的作用，简要介绍了近几年研究成果，并对这一研究的现状与发展趋势做了简要评述。 关键词：地下洞室围岩稳定性综述 引言 地下洞室等地下工程开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态。用于各种目的的地下开挖改变了原有的平衡状态，从而造成开挖空间周围的应力重新分布。如果围岩中的应力超过了岩体强度，则围岩会破坏，产生坍塌、片帮甚至底板隆起等现象，软岩或高地应力中的地下洞室则可能产生很大的塑性变形。如果不及时对围岩进行支护或加固开挖出来的地下空间就会因为围岩的变形与破坏而无法使用。当二次应力较低，达不到围岩的弹性极限时，围岩处于弹性状态，无需支护就可以保持稳定；反之当围岩应力较高、强较低时，就会产生塑性变形和断裂破坏；在有断层、节理等不连续面切割时，还有可能在地下洞室的顶板或边墙产生不稳定的楔形块体，也可以对地下空间构成威胁。在进行地下空间设计和施工之前，需要对开挖后的围岩应力进行分析，进而对围岩稳定性进行评价，以便采取合理的开挖方式和支护形式。地下洞室等地下工程不可能一次开挖完成，不同的开挖顺序及施工方案对地下洞室群的稳定性的影响不同，即开挖顺序或施工方案将直接影响围岩应力、变形及破坏区的发展变化过程。因此，选择合理的开挖顺序或施工过程是地下洞室群设计与施工的重要内容，具有重要的理论意义和过程使用价值。 主要研究成果 2004年周敏等[1]在针对影响因素与围岩稳定的非线性关系，利用神经网络理论与BP神经网络的建模能力，进行非线性运算，提出改进的BP神经网络评判围岩稳定性模型，得出神经网络方法可以很好的运用于洞室稳定性影响因素中，且输入的参数不受限制，分类，设计及预测精度高，还可以进行数据联想以及校正补错。提出神经网络方法在地下洞室稳定性分类中具有非常重要的意义。 2005年胡夏嵩等[2~4]以西北某市大型水利地下洞室工程为例，采用弹塑性二维有限元法通过低地应力区地下洞室开挖后围岩拉应力、剪切应力分布与围岩变形破坏进行了数值模拟研究，模拟结果表明：在低地应力地区对于椭圆形洞室，地下洞室开挖后在洞侧壁位置产生应力集中，在洞顶位置出现拉应力现象，基本产生在拱顶正中位置；低地应力区地下洞室开挖后，围岩中的剪应力集中带主要形成于洞顶垂直位置，即地下洞室围岩破坏主要发生在洞顶位置，略偏于拱顶的位置，最大剪切应力等值线分布具有对称性，形成于地下洞室底边墙拐角位置处的最大剪应力集中现象，这种现象与地下洞室开挖所引起的围岩块体结构面切向挤压滑落时的剪切变形、应力释放有一定的关系，洞顶位置处的最大剪应力值明显小于底部边墙拐角处的最大剪应力值，边墙拐角处的最大剪应力值一般是洞顶位置最大剪应力值得1.7倍以上，这与地下洞室底边与侧壁边墙之间开挖成直角形有关，直角形的拐角容易形成剪应力集中，产生围岩的不稳定区；低地应力区地下洞室围岩变形破坏主要是发生在垂直方向，水平方向的规模和程度均不及前者，同时总结分析了低地应力区地下洞室开挖后围岩变形破坏规律及其特征。 2010年叶洲元[5]基于等效数值原理并结合地下洞室围岩本身特性，对大冶铁矿地下洞室工程进行分析，选取围岩质量指标D、单轴抗压强度R c、岩体完整性指标K v、地下水渗水流量W和节理状况对地下洞室围岩稳定性进行评价，结果表明等效数值法应用于围岩稳定性的评价，具有计算简单高效，使用方便等特点。 2013年朱义欢[6]针对地下洞室短长期稳定性的评判准则进行分类总结与归纳，得出岩体流变特性试验的开展以及长期强度的确定，如何给出围岩稳定性的综合评判以及相应的临界
洞室围岩稳定性
第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 第一节围岩应力的重分布 一、岩体初始应力状态——地应力 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。 地应力的类型：自重应力 构造应力 变异及其他应力 二、围岩应力的重分布特征 （一）围岩应力：洞室周围发生应力重分布的这部 分岩体叫围岩 围岩中重分布的应力状态叫围岩应力 （二）地下洞室围岩应力重分布特征 1、圆形洞侧压力系数λ=1 径向应力向洞壁内方向逐渐增大 切向应力在洞壁处为2倍的自重应力，但向洞壁内逐渐减小，到5-6倍洞半径时径向应力=切向应力=自重应力 即围岩应力重分布影响范围是6倍的洞半径 2、圆形洞λ不等于1 洞壁受剪应力最大 3、其他形状洞室 洞顶、洞底容易出现拉应力，转角处剪应力最大 洞室高、宽对围岩应力影响最大 三、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 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。 第二节围岩的变形破坏的特征 1、坚硬完整结构：岩爆、开裂 2．块断结构：块体滑移、掉块 3、层状结构岩体：层面张裂、岩层弯曲折断 4、碎裂结构、散体结构岩体 以塌方、塑性挤入为主 第三节地下工程位置选择的工程地质评价 一、地形条件 1、在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。 2、隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。 3、洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。 4、隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段 5、水工隧洞避免曲线或弯道，转弯角度大于60°，曲率半径大于5倍洞径。 二、岩性条件 坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体
地下工程的围岩分类
地下工程的围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。因而围岩分类是围绕地下洞室的稳定性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。在实际制定围岩分类时，一般主要考虑岩体强度、岩体结构特征和完整程度以及地下水活动等方面的因素。国内外的围岩分类所选取的基本因素大致都是这样，但在综合反映基本因素的指标上是不同的。 一、“普氏”分类 普氏分类在我国曾应用较广。主要是考虑岩性，而未考虑岩体构造和围岩完整性。围岩压力公式是把坚硬地层视作松散介质，形式上套用了松散地层中的压力拱理论和公式，即垂直压力为： Ｐ＝γ0ｈ1 （8-26） 式中Ｐ——垂直压力； ｈ1——压力拱拱高，ｈ1=ａ1／ｆkp ； ａ1——压力拱半跨； ｆkp——岩石坚硬系数； γ0——围岩的重度。 工程地质勘测工作基本上是根据地质条件和经验确定ｆkp值。见表8-16。或按下面的经验公式确定ｆkp值： ｆkp=Ｒc/10 （8-27） 式中Ｒc——岩石的单轴抗压强度（ＭＰa）。 普氏岩石分类表8-16
这种方法曾在我国较长时期内得到广泛的应用。目前有些单位仍应用此分类。但在长期工程实践中，发现这种分类与其计算方法存在严重的缺陷。 1.它主要是为估计土石工程的工作量、确定施工开挖定额服务的。因此它只能说明岩石开挖的难易程度，不能全面反映岩体的稳定性。 2.ｆkp值以岩石强度为基础，大量工程实践证明，决定岩体稳定性的主要因素是岩体结构特性，即它的完整性，在分类中虽然也规定要根据岩石的物理状态（风化的、破碎的）划归于较低一类去，这样给确定ｆkp值带来了很大的主观臆断性。我国各部门由于工程特点不同，确定ｆkp值标准也不同。甚至在同一地点对同一洞室的岩石，不同的人可以得出相差很大的ｆkp值。 3.分类等级较多，给使用上带来不便。由于选用的ｆkp值不同，相应计算得到的围岩压力也相差很大。当ｆkp=２和ｆkp=４时，则压力可相差近一倍。 4.普氏压力计算公式根据松散体理论而得，而地下洞室多位于坚硬及中等坚硬以上较完整的岩体中，理论假设前提与客观实际相差太大。一般来说，在坚硬地层中围岩压力公式计算结果偏大，而在松散地层中计算结果偏小。
地下工程围岩稳定性分析与控制
第6章 地下工程围岩稳定性分析与控制 6.1 概述 地下洞室是指在地下岩土体中人工开挖或天然存在的作为各种用途的构筑物，按用途分为：矿山井巷（竖井、斜井、巷道）交通隧道、地下厂房（仓库）、地下军事工程等。修建地下洞室，必然要进行岩土体开挖。开挖将使工程周围岩土体失去原有的平衡状态，使其在一个有限的范围内产生应力重新分布，这种新出现的不平衡应力没有超过围岩的承载能力，岩体就会自行平衡；否则，将引起岩体产生变形、位移甚至破坏。在这种情况下，就要求构筑物承力结构或支护结构，如支架、锚喷、衬砌等，进行人工稳定。在岩石力学中，将受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称作围岩。从原始地应力场变化至新的平衡应力场的过程，称为应力重新分布。经应力重新分布形成的行的平衡应力，称为次生应力或诱发应力，也叫围岩应力、二次应力、地压、岩亚、矿压或矿山压力。由于次生应力是岩体变形、破坏的主要根源，故次生应力是岩石力学研究的重要内容之一。因此，实现地下岩体工程稳定的条件是 max max u U σ??? ＜S ＜ （6.1） 式中， max σ和max u 分别为围岩内或支护体内的最大或最危险的应力和位移；S 和U 为围岩或支护体所允许的最大应力（极限强度）和最大位移（极限位移）。 有关这方面问题的研究，无论是否支护，都统称为稳定性问题。稳定性问题是岩体地下工程的一个重要研究内容，关系到工程施工的安全性及其运行期间的是否满足工程截面大小的安全可靠性。有的地下工程不稳定，还将造成对周围环境的影响，如地面建筑的损坏、边坡塌方以及工程地质条件的恶化等。 此处所讨论的稳定性问题，与压杆、薄壁、壳体等结构稳定性问题的概念有所不同，采用的理论分析方法也是不一样的。 岩体地下工程埋在地下的一定深度，如目前的交通隧道、矿山巷道，有的深到数百米甚至数千米。根据岩体地下工程埋入的深浅可以把它分为深埋和浅埋两种类型。浅埋地下工程的工程影响范围可达到地表，因而在力学处理上要考虑地表界面的影响。深埋地下工程可视为无线体问题，即在远离岩体地下工程的无穷远处的原岩体。
地下工程围岩稳定性分析
地下工程围堰稳定性分析 班级：08勘查1班 姓名：水如云 学号：08201030142 时间：2011.11.21 摘要通过对地下工程围岩稳定性分析的相关方法及在工程实践中存在问题的分析, 阐述在地下工程围岩稳定性分析中应避免追求精确的计算,提倡探索新的研究思想与研究方法。 关键字：围岩、稳定性分析、地下工程 一、前言 地下工程的稳定问题亦即围岩的变形与破坏问题。顶板塌落、边墙挤入、底板隆起、围岩开裂、突发岩爆、支护折断等都是围岩不稳定的显现。但从永久性地下建筑物及地下空间利用的类型看,由于使用要求或标准不同,稳定性的定义就会有差异。围岩稳定性分析方法主要有:块体理论支持的分析方法,主要用于裂隙岩体的稳定分析中;模型试验方法,多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程;数值分析法,基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方法,是目前应用较广泛的一种分析方法,它根据力学模型和分析思想的不同又分为有限元分析、边界元分析、位移反分析等。 目前,在地下工程施工领域中,存在着一种倾向,即追求高精度的数值计算及数学方法的深奥,花了大量的精力、财力和时间去从事复杂而繁琐的数值计算,而放松了对地下工程特殊性的思考,忽略了对问题整体性的理解。 二、地下工程的特点 地下工程涉及到地理与地质环境因素、工程因素、社会经济水平、材料科学发展水平、施工过程控制水平以及地下工程在国民经济中的地位等因素。地理与地质环境本身就是复杂的,它是天然的介质(涉及地应力、地下水、岩性、地质结构、地质构造),很少有地质条件完全相同的两个工程;工程因素则是指工程规模、断面形状与尺寸、施工技术、过程控制、环境控制、工程材料、人、机、料的协调水平等。 地下工程的地理与地质环境、投资水平、设计水平、承建者的技术与管理水平等诸多因素都与工程的成败有联系,它们相互作用、相互渗透、相互影响、相互制约。因此,必须用
地下洞室围岩分类综述
浅谈地下洞室围岩分类 （锦屏建设管理局工程一部周洪波） 【题记】 2005年是锦屏一级水电站前期工程和主体工程全面搭接的一年，这一年中，进场及场内公路工程将基本完工，导流洞工程开挖基本完成，地下厂房辅助洞室等工程将开工。在锦屏一级工程施工中，公路隧道与水电工程地下洞室采用的是不同的围岩分类方法。笔者拟通过本文对“地下洞室围岩分类方法”及现行规范中水电工程地下洞室与公路隧道围岩分类的系统介绍，让读者对其有一个清晰和全面的认识。 围岩是指因开挖，地下洞室周围初始应力状态发生了变化的岩体。地下工程所遇到的围岩是一种极其复杂的地质体，围岩分类的实质就是正确认识和反应这个客观实际。从工程地质的角度，对围岩的各种差异进行一定概括、简化和归纳，然后加以分类，并结合工程特征进行稳定性分析和评价，能为设计、施工提供科学的依据。现行水电与公路工程规范正是遵循这种原则，综合考虑影响围岩稳定的多种指标后，确定了各自的围岩分类标准。 1 洞室围岩分类方法 六十年代以前，围岩质量评价主要是以岩石强度这一单一指标为基础的。如前苏联的以普氏岩石坚固系数为依据的分类法，以抗压强度为依据的捷克分类法，太沙基的载荷分类法，日本围岩准抗压强度分类法，法国隧道围岩分类法。单指标分类不能反应岩体质量的本质，可靠度很低。六十年代至七十年代，逐渐引入了岩体完整性的概念。如Deere（1964）岩石质量指标RQD的提出，日本学者的RMR体系和Barton（1974）的Q体系的提出，展示了岩体质量评价的前景。在国外还有威克霍姆的RSR分类，德国John（1980）的围岩分类RCT，葡萄牙（1980）的岩体工程分类，印度（1980）的隧道围岩分类，日本Otakar（1985）的QTS围岩分类等。我国的围岩分类方案也很多，如谷德振的岩体质量系数Z分类法，杨子文的岩体质量指标M分类法，陈德基的块度模数分类法，东北大学林韵梅、王维纲（1983）提出的一种以围岩强度为指标可将岩体划分为五级的分级方法等。目前，总结国内外关于围岩分类的方法主要有以下几种。 1.1 国内洞室围岩分类常用方法 ①隧道工程岩体分级探讨（铁道部科学研究院西南研究所论文集（第一集），中国铁道出版社，1987年）。其分级依据是岩体质量分级RMQ值，又称岩体质量指标（RMQ）分类法，简称为M法，它是1978年由我国水利电力部岩石试验规程修订小组提出的。这种通过RMQ值的大小来划分岩体质量优劣的具体方法是：根据M值的大小可将围岩质量分为5级，即好、较好、中等、较坏和坏。 ②坑道工程围岩分类。其分类依据是围岩体质量Rs或Rm，它的大小主要由准围岩抗压强度R e、围岩相对完整性系数T e、地下水影响系数C及工程因素S e等四个因素决定。根据围岩体质量指标值的大小，可将围岩划分为五个等级，即稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和很不稳定。 ③鲁布革水电站（地下厂房围岩分类）。分类依据为围岩质量Q，并按该值的大小可将围岩分为