岩石力学岩石地下工程课件

第第8章章 岩石地下工程岩石地下工程 地地下下工工程程：为为各各种种目目的的修修建建在在地地层层之之内内的的中中空空巷巷道道或或中中空空洞洞室室，其其共共同同特特点点是是在在岩岩体体内内开开挖挖出出具具有有一定横断面积和尺寸的洞室。一定横断面积和尺寸的洞室。8.1 概 述 1 1不同的分类方式有不同的分类不同的分类方式有不同的分类 方法方法按所处的地质条件按所处的地质条件按所处的地理位置按所处的地理位置土质隧道土质隧道岩质隧道岩质隧道山岭隧道山岭隧道水底隧道水底隧道城市隧道城市隧道2 2交通类隧道交通类隧道水工隧道水工隧道市政隧道市政隧道矿山隧道矿山隧道人防隧道人防隧道铁路隧道铁路隧道公路隧道公路隧道地下铁道地下铁道人行通道人行通道引水隧道引水隧道尾水隧道尾水隧道导流隧道导流隧道泄洪隧道泄洪隧道给水隧道给水隧道排水隧道排水隧道管路隧道管路隧道（煤气、暖气、电力等）（煤气、暖气、电力等）采矿巷道采矿巷道运输巷道运输巷道3 3深埋地下工深埋地下工程（程（50m）的特点的特点：可视为可视为无限体中的孔洞无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；当埋深等于或大于巷道半径当埋深等于或大于巷道半径R R0 0或其宽、高之半的或其宽、高之半的2020倍以上时，巷道影响倍以上时，巷道影响范围（范围（35 R R0 0 ）以内的）以内的岩体自重可以忽略不计岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（为均匀分布，通常误差不大（10以下）；以下）；深埋的水平巷道长度较大时，可作为深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变平面应变问题处理。其它类型巷道，问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。深埋隧道深埋隧道（地下工程自身影响达不到地表）（地下工程自身影响达不到地表）浅埋隧道浅埋隧道4 4南水北调东线穿黄探洞工程，开创南水北调东线穿黄探洞工程，开创70米深处穿越黄河先例米深处穿越黄河先例断面为断面为1620米的瀑布沟水电站泄洪洞米的瀑布沟水电站泄洪洞四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程四川紫坪铺水利枢纽导流隧洞工程甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工甘肃引大入秦隧洞采用双护盾全断面掘进机进行掘进施工5 5采矿巷道采矿巷道地下水电站地下水电站6 6海底储气工程海底储气工程汕头汕头LPG工程，工程，1997年年10月开工，月开工，1999年年12月建成月建成7 78 89 9人防隧道人防隧道10101111121213131414广州地铁二号线广州地铁二号线【赤鹭区间隧道赤鹭区间隧道】盾构工程盾构工程15151616隧道内路面施工隧道内路面施工1717重庆轻轨二号线（较场口重庆轻轨二号线（较场口-新山村）新山村）18公里，投资公里，投资43亿（亿（2000-2005年）年）临江门车站临江门车站较场口车站较场口车站大坪车站大坪车站1818公路隧道公路隧道191920202005年年2月月15日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出日歌乐山打通，工程分左右两条隧洞，共要挖出100万万方土石。其中，每条隧洞长方土石。其中，每条隧洞长3900米，单向双车道。米，单向双车道。21212222全长全长18.02公里，总投资公里，总投资31.93亿元亿元断层、涌水、岩爆断层、涌水、岩爆照明、通风、消防、通信、救援、照明、通风、消防、通信、救援、交通安全控制、供配电、监控交通安全控制、供配电、监控湖南邵怀高速湖南邵怀高速隧道内的隧道内的“人造天空人造天空”2323铁路隧道铁路隧道2424中国自行设计和施工的第一座中国自行设计和施工的第一座越岭隧道，位于（北）京包越岭隧道，位于（北）京包（头）铁路青龙桥车站附近。（头）铁路青龙桥车站附近。这座单线隧道全长这座单线隧道全长1091米，由米，由我国杰出的工程师詹天佑亲自我国杰出的工程师詹天佑亲自规划督造，规划督造，1907年开工，在中年开工，在中国技术人员和工人的努力下，国技术人员和工人的努力下，仅用仅用18个月，于个月，于1908年竣工。年竣工。2525在四川省境内的大渡河畔，在四川省境内的大渡河畔，有一条古老凉山分裂成的有一条古老凉山分裂成的长达几里的大裂缝，名叫长达几里的大裂缝，名叫老昌沟。老昌沟。1964年修建年修建成昆成昆铁路铁路时，桥梁建设者们在时，桥梁建设者们在这里修建了一座中国跨度这里修建了一座中国跨度最大的铁路石拱桥。最大的铁路石拱桥。2626中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：中国目前已开通运营的海拔最高的铁路隧道：关角隧道位于青藏铁路西（宁）关角隧道位于青藏铁路西（宁）格（尔木）段的青海省天峻县格（尔木）段的青海省天峻县内，全长内，全长4000米。洞内轨面最米。洞内轨面最高处海拔高处海拔3692米。由于地处高米。由于地处高海拔地区，气候寒冷，空气稀海拔地区，气候寒冷，空气稀薄，年平均气温薄，年平均气温0，最低温，最低温度为零下度为零下37.5。关角隧道的关角隧道的施工前后历时施工前后历时30多年，除停工多年，除停工的的13年外，正式开挖建设年外，正式开挖建设5年年半，而整治病害耗时半，而整治病害耗时9年多，年多，可见隧道地质构造之复杂、气可见隧道地质构造之复杂、气候条件的恶劣和病害的严重。候条件的恶劣和病害的严重。2727中国已通车的最长双线电气化铁路隧道中国已通车的最长双线电气化铁路隧道:位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，位于京广铁路广东省粤北瑶山山区的坪石至乐昌间，全长全长1429514295米。隧道埋深米。隧道埋深7070至至910910米，推行了国外最米，推行了国外最先进的设计和施工的方法先进的设计和施工的方法“新奥法新奥法”。采用八十。采用八十年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序年代国内外最先进的大型机械，实现了主要工序钻爆、支护、装运三条机械化作业线。钻爆、支护、装运三条机械化作业线。2828穿越武夷山脉的长大越岭隧道穿越武夷山脉的长大越岭隧道:2929中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为道组成，两线间距为3030米，其中米，其中线隧道全长线隧道全长1846018460米；米；线隧道全长线隧道全长1845618456米。米。3030中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道隧道最大埋深约隧道最大埋深约16001600米，埋深超过米，埋深超过10001000米地段长约米地段长约3.83.8公里。公里。线线(左线左线)隧道使用隧道使用2 2台台8.88.8米敞开式掘进机（米敞开式掘进机（TBMTBM）由隧道两端相向施工。）由隧道两端相向施工。线隧道线隧道(右线右线)，采用新奥法施工，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。3131中国最长的铁路隧道：中国最长的铁路隧道：秦岭隧道秦岭隧道秦岭隧道地质复杂、工程巨大秦岭隧道地质复杂、工程巨大,在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多在设计、施工、运营安全和维修管理方面都有许多技术难关，且技术难关，且线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有线隧道采用掘进机施工，在我国铁路隧道施工尚属首次，为此有六类六类2424项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，项部重点科研项目立项研究，均取得了不俗的成果。秦岭特长隧道的修建，使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道使我国隧道工程建设从整体上提高到一个新的技术水平。隧道19951995年年1 1月月1818日正式日正式开工，开工，19991999年年9 9月月6 6日全部贯通，日全部贯通，20002000年年8 8月月1818日西康铁路开通运营。日西康铁路开通运营。3232世界高原多年冻土区第一长大隧道：世界高原多年冻土区第一长大隧道：昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长昆仑山隧道位于青藏铁路青海境内，全长1686米米，于于2001年年9月开工，月开工，2002年年9月月26日日胜利贯通。胜利贯通。3333世界海拔第一高的铁路隧道：世界海拔第一高的铁路隧道：位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里位于青藏铁路青海境内青藏高原可可西里“无人区无人区”边缘，全长边缘，全长13381338米，轨面海拔米，轨面海拔49054905米，是世界上米，是世界上海拔最高的隧道，年均气温零下海拔最高的隧道，年均气温零下77，寒季最低气，寒季最低气温达零下温达零下4141，空气中氧气含量只有内地的，空气中氧气含量只有内地的5050左左右。隧道冻土层最厚达右。隧道冻土层最厚达150150米、覆盖层最薄处仅有米、覆盖层最薄处仅有米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难度米，施工稍有不慎，就会导致大塌方，工程难度之大前所未遇。之大前所未遇。20012001年年1010月月1818日开工建设，日开工建设，20022002年年1010月月1919日胜利贯通。日胜利贯通。3434 课后自己上网看看课后自己上网看看CCTV10CCTV10的纪录片的纪录片穿越梦想穿越梦想宜万铁路宜万铁路(沪蓉西高速铁路沪蓉西高速铁路)3535城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市地下空间开发利用已经成为提高城市容量、缓解城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设城市交通、改善城市环境的重要手段，正在成为建设资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。资源节约型、环境友好型城市的重要途径。363637373838核心区地下城，以波浪文化城（100000 m2）和地铁1、2 号线换乘站为骨干，形成地下城，地下空间总量达到200万m2。3939 深圳罗湖口岸及火车站地区：该综合体地下地上各三层，该项目于2006年7月获城市土地学会亚太区卓越奖。深圳华强北地下商业街：以疏通人流为主，兼顾商业和旅游观光的地下商业通道。设计停车泊位1000个。地下人行系统在三个十字路口处分别向东西方向的道路下方延伸，扩展为三个大厅。地下商业面积3.2万m2。南 京 结合地铁1、2号线新街口换乘站建设，形成地下空间网络，总建筑面积超过了40万m2，基本形成了地下城。4040平壤地铁平壤地铁19681968年开建，年开建，19871987年开通，全长年开通，全长3535公里。最深处达公里。最深处达120120米，米，号称是世界上最深的地铁。号称是世界上最深的地铁。4141424243434444第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连当前世界上最长的一条隧道。它通过津轻海峡，把津轻半岛和北海道的铁路连接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长接起来。隧道由本州的青森穿过津轻海峡到北海道的函馆，为双线隧道，全长为为53860米，其中海底部分为米，其中海底部分为23300米。青函隧道米。青函隧道1964年开挖斜坑道，经过年开挖斜坑道，经过24年年的施工，于的施工，于1988年年3月月13日正式投入运营。日正式投入运营。4545从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径从英吉利海峡最窄处即英国的多佛尔到法国的加来，同时修建两条直径7.3米、长米、长50000米的铁路隧道。其中米的铁路隧道。其中37000米在海底。两条隧道之间相距米在海底。两条隧道之间相距30米，在其中间线再修米，在其中间线再修一条直径为一条直径为4.5米的辅助隧道，每隔米的辅助隧道，每隔375米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当米与两侧主隧道连通，供通风、维修使用。当主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为主隧道因故列车不能通行时，辅助隧道还可作为应急的通道。全部工程耗资为530亿亿法朗（约合法朗（约合70亿美元）。隧道于亿美元）。隧道于1987年动工，年动工，1994年竣工并投入使用。坐时速年竣工并投入使用。坐时速260公公里的高速火车，穿越隧道只用里的高速火车，穿越隧道只用26分钟分钟。4646第第第第5 5 5 5章章章章 岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程岩石地下工程 计划中的这条隧道长计划中的这条隧道长103公里，是英法隧道水下部分的公里，是英法隧道水下部分的3倍长，贯穿白令海峡，将倍长，贯穿白令海峡，将俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道俄西伯利亚和美国阿拉斯加连接起来，横跨欧亚北美大陆。按照计划，海底隧道将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为将包括一条高速铁路和一条高速公路、多条输油管道、电缆和光缆，建成后将为北美和俄远东地区每年节省北美和俄远东地区每年节省200亿美元运输费和电费。预计历时亿美元运输费和电费。预计历时10到到15年，耗资年，耗资100亿到亿到120亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。亿美元。而一旦隧道完工，意味着将来可以乘坐火车从北京直达纽约。4747香港海底隧道九龙入口香港海底隧道九龙入口 香港第1条过海行车隧道，于1972年8月通车，耗资港币3亿2千万元兴建。隧道全长1.86公里，跨越维多利亚港，将九龙半岛和香港岛两岸独立的道路网络连接起来。4848厦门翔安海底隧道厦门翔安海底隧道 第一条由内地专家自行设计的海底隧道，而且是第一条采用钻爆法施工的海底隧道。全长9公里，海底隧道5.95公里，总投资39.5亿。隧道采取三孔建设形式，共由三条线路组成，其中中间一孔为服务隧道，作为紧急避难通道和日常维护检修用。主洞隧道建筑限界净宽13.5米，净高5米，隧道最深在海平面下约70米。4949 台海隧道即使以最短的北线计算也有台海隧道即使以最短的北线计算也有150公里，是英法之间的英吉利海峡隧公里，是英法之间的英吉利海峡隧道长度的道长度的3倍。台海隧道的造价排除物价因素将在倍。台海隧道的造价排除物价因素将在4000亿到亿到5000亿元人民币之间。亿元人民币之间。预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要预计将来通过隧道列车，从台湾到大陆单程只需要2小时。小时。台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海台海隧道工程目前面临的主要工程风险是台湾海峡的地质条件。由于台湾海峡地层处于较新的地质年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘峡地层处于较新的地质年代，构造复杂，为地震活动区域，还需要深入的地质勘探、科学的设计和完备的施工措施。探、科学的设计和完备的施工措施。505051518.2 8.2 地下工程围岩应力地下工程围岩应力地下工程围岩应力地下工程围岩应力 （1 1）围岩应力重分布问题）围岩应力重分布问题计算重分布应力计算重分布应力 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。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 2）围岩变形与破坏问题）围岩变形与破坏问题计算位移、确定破坏范围计算位移、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。体的承受能力，围岩将产生破坏。（3 3）围岩压力问题）围岩压力问题计算围岩压力计算围岩压力 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、地压等或称山岩压力、地压等)。（4 4）有压洞室围岩抗力问题）有压洞室围岩抗力问题计算围岩抗力计算围岩抗力 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。将产生一个反力，称为围岩抗力。5252n围岩应力计算：围岩应力计算：开挖前岩体天然应力状态的确定开挖前岩体天然应力状态的确定 开挖后开挖后围岩重分布应力围岩重分布应力的计算的计算 支护衬砌后围岩应力状态的改善支护衬砌后围岩应力状态的改善n重分布应力：重分布应力：地地下下开开挖挖扰扰动动后后在在围围岩岩中中形形成成的的新新的的应应力力。重重分分布布应应力力与与围围岩岩性性质质、洞洞形形、洞室受外力状态有关洞室受外力状态有关5353一、无压洞室围岩重分布应力计算一、无压洞室围岩重分布应力计算1 1、弹性围岩重分布应力、弹性围岩重分布应力坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。坚硬致密的块状岩体，围岩呈弹性变形。可近似视为各向同性、连续、均质的线弹性体，其围岩重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根据弹性力学计算。分布应力可根据弹性力学计算。如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化如果洞室半径相对洞长很小，按平面应变问题考虑，概化为为受均布压力受均布压力的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。的薄板中心小圆孔周边应力分布的计算问题。5454MxVHMxVMxH=+假定洞室开挖在天然应力比值系数为的岩体中，则问题可简化为右图所示的无重板岩体力学模型。H=v5555（1 1）圆形洞室）圆形洞室 设无限大弹性薄板，在边界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半径为R0的小圆孔，按平面问题平面问题考虑，不计体力，M点的各应力分量,根据弹性理论为：5656边界条件：设应力函数解微分方程，得各常数柯西课题5757M点的应力分量5858由由v引起的引起的重分布应力重分布应力由由H产生的产生的重分布应力重分布应力5959v和和H同时作用时圆形洞室围岩重分布应力同时作用时圆形洞室围岩重分布应力6060 讨论：1 1）洞壁上的重分布应力）洞壁上的重分布应力n洞洞壁壁上上的的rr0 0，r r0 0，仅仅有有作作用用，为为单单向向应力状态应力状态n大大小小仅仅与与天天然然应应力力状状态态及及计计算算点点的的位位置置有有关关，而与洞室尺寸而与洞室尺寸R R0 0无关。无关。n当当=0=0、1801800 0时，时，=3=3v v h hn当当=90=90、2702700 0时，时，=3=3h h v v6161 2 2）洞壁上的重分布应力随）洞壁上的重分布应力随变化变化n当当1/31/3时时，洞洞顶顶底底将将出出现现拉拉应应力力；当当1/31/33 3时时，洞洞壁壁的的全全为为压应力且应力分布较均匀；压应力且应力分布较均匀；n当当3 3时时，两两侧侧壁壁将将出出现现拉拉应应力力，洞顶底则出现高洞顶底则出现高压应力压应力集中。集中。n每每种种洞洞形形的的洞洞室室都都有有一一个个不不出出现现拉拉应应力力的的临临界界值值，这这对对不不同同天天然然应应力场中合理洞形的选择很有意义。力场中合理洞形的选择很有意义。62623 3）=1=1（H H=v v=0 0）时的围岩重分）时的围岩重分布应力布应力围围岩岩内内重重分分布布应应力力与与角角无无关关，仅与仅与R R0 0和和0 0有关。有关。由由于于rr=0=0，则则r r，均均为为主主应应力力，且且恒恒为为最最大大主主应应力力，r r恒为最小主应力。恒为最小主应力。当当 r r R R0 0(洞洞 壁壁)时时，r r=0=0，=2=20 0，可可知知洞洞壁壁上上的的应应力力差差最最大大，且且处处于于单单向向受受力力状状态态，说说明洞壁最易发生破坏。明洞壁最易发生破坏。6363 4 4）r r 、随着离洞壁距离随着离洞壁距离r r的变化的变化n随随着着离离洞洞壁壁距距离离r r增增大大，r r逐逐渐渐增增大大，逐逐渐渐减减小小，并并都都渐渐渐渐趋趋近近于于天天然然应应力力0 0值值。在在理理论论上上，r r，要要在在rr处处才才达达到到0 0值值，但但实实际际上上r r，趋趋近近于于0 0的的速速度度很快。很快。n当当r=6R0时时，r和和与与0相相差差仅仅2.8%。因因此此，一一般般认认为为，地地下下洞洞室室开开挖挖引引起起的的围围岩岩分分布布应应力力范范围围为为6R0。在在该该范范围围以以外外，不不受受开开挖挖影影响响，这这一一范范围围内内的的岩岩体体就就是是常常说说的的围围岩岩，是是有有限元计算模型的边界范围。限元计算模型的边界范围。64645 5）r r 、为主应力的条件为主应力的条件当r0时，r、为主应力，即：可得可得:当当1)=01)=0、9090、180180、2702700 0 2)2)h h=v v 3)r=R3)r=R0 0 时，时，r r 、为主应力为主应力6565（2 2）其他形状洞室）其他形状洞室n应力集中系数应力集中系数 地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点地下洞室开挖后洞壁上一点的应力与开挖前洞壁处该点天然应力的天然应力的比值比值，称为应力，称为应力集中系数集中系数。该系数反映了洞。该系数反映了洞壁各点开挖前后应力的变化情况壁各点开挖前后应力的变化情况。，为应力集中系数，其大小仅与点的位置有关。圆形洞室66666767特点：特点：椭圆椭圆形洞室长轴形洞室长轴两端点应力集中最大两端点应力集中最大，易引起压碎破坏；，易引起压碎破坏；而短轴两端易出现而短轴两端易出现拉应力集中拉应力集中，不利于围岩稳定，不利于围岩稳定各种形状各种形状洞室的角点或急拐弯处洞室的角点或急拐弯处应力集中最大应力集中最大，如正方形，如正方形或矩形洞室角点等。或矩形洞室角点等。长方形长方形短边中点短边中点应力集中大于长边中点应力集中大于长边中点，而，而角点角点处处应力集应力集中最大中最大，围岩最易失稳。，围岩最易失稳。当岩体中天然应力当岩体中天然应力h h和和v v相差不大时，以圆形洞室围岩相差不大时，以圆形洞室围岩应力分布应力分布最均匀最均匀，围岩稳定性，围岩稳定性最好最好。当岩体中天然应力当岩体中天然应力h h和和v v相差较大时，则应尽量使洞室相差较大时，则应尽量使洞室长轴平行长轴平行于于最大天然应力最大天然应力的作用方向。的作用方向。在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用在天然应力很大的岩体中，洞室断面应尽量采用曲线形曲线形，以避免角点上过大的应力集中。以避免角点上过大的应力集中。68682 2 塑性围岩重分布应力塑性围岩重分布应力地地下下开开挖挖后后，洞洞壁壁的的应应力力集集中中最最大大,当当它它超超过过围围岩岩屈屈服服极极限限时时，洞洞壁壁围围岩岩就就由由弹弹性性状状态态转转化化为为塑性状态塑性状态，并在围岩中形成一个，并在围岩中形成一个塑性松动圈塑性松动圈。随随着着距距洞洞壁壁距距离离增增大大，径径向向应应力力rr由由零零逐逐渐渐增增大大，应应力力状状态态由由洞洞壁壁的的单单向向应应力力状状态态逐逐渐渐转转化化为为双双向向应应力力状状态态，围围岩岩也也就就由由塑塑性性状状态态逐逐渐渐转转化为化为弹性状态弹性状态。围岩中出现。围岩中出现塑性圈和弹性圈塑性圈和弹性圈。6969塑塑性性松松动动圈圈的的出出现现，使使圈圈内内一一定定范范围围内内的的应应力力因因释释放放而而明明显显降降低低，而而最最大大应应力力集集中中由由原原来来的的洞洞壁壁移移至至塑塑、弹弹圈圈交交界界处处，使使弹弹性性区区的的应应力力明明显升高。显升高。弹弹性性区区以以外外则则是是应应力力基基本本未未产产生生变变化化的的天天然然应应力区力区(或称原岩应力区或称原岩应力区)。7070弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力弹塑性理论求解塑性圈内的围岩重分布应力n假假设设在在均均质质、各各向向同同性性、连连续续的的岩岩体体中中开开挖挖一一半半径径为为R0的的水水平平圆圆形形洞洞室室，开开挖挖后后形形成成的的塑塑性性松松动动圈圈半半径径为为R1，岩岩体体中中的的天天然然应应力力为为hv0，圈圈内内岩岩体体强强度度服服从从莫莫尔尔直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。直线强度条件。塑性圈以外围岩体仍处于弹性状态。n在在塑塑性性圈圈内内取取一一微微小小单单元元体体abdc，bd上上作作用用有有r，ac上上作用有作用有rdr。7171平衡方程塑性条件72727373当r=R0时当r=R0，Pi=0时塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力塑性圈内围岩重分布应力与岩体天然应力(0)无关，无关，而取决于支护力而取决于支护力(pi)和岩体强度和岩体强度(Cm，m)值。值。洞壁上洞壁上7474塑性圈与弹性圈交界面塑性圈与弹性圈交界面(r(rR R1 1)该面上：该面上：弹性应力弹性应力=塑性应力塑性应力塑塑、弹弹性性圈圈交交界界面面上上的的重重分分布布应应力力取取决决于于0和和Cm、m，而与而与pi无关。无关。支支护护力力不不能能改改变变交交界界面面上上的的应应力力大大小小，只只能能控控制制塑塑性松动圈半径性松动圈半径(R1)的大小。的大小。7575二、有压洞室围岩重分布应力计算自学76768.3 围岩的变形与破坏 地下开挖后地下开挖后 自由自由变形空间变形空间 松胀变形松胀变形等变形现象；等变形现象；如果这种变形超过了围如果这种变形超过了围岩本身所岩本身所能承受的能力能承受的能力，则围岩就要发生破坏：则围岩就要发生破坏：坍塌、滑动坍塌、滑动或或岩爆岩爆等现等现象。象。7777围岩变形围岩变形破坏形式破坏形式取决于围取决于围岩应力状岩应力状态、岩体态、岩体结构及洞结构及洞室断面形室断面形状等因素状等因素7878一、各类结构围岩的变形破坏特点 1 1、整体状和块状岩体围岩、整体状和块状岩体围岩n岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是岩体具有很高的力学强度和抗变形能力，主要结构面是节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。节理，很少有断层，含有少量的裂隙水。n在力学属性上可视为在力学属性上可视为均质、各向同性、连续的线弹性介均质、各向同性、连续的线弹性介质质，应力应变呈近似直线关系。，应力应变呈近似直线关系。n围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有围岩具有很好的自稳能力，其变形破坏形式主要有岩爆、岩爆、脆性开裂脆性开裂及及块体滑移块体滑移等。等。n这类围岩的整体变形破坏可用这类围岩的整体变形破坏可用弹性理论弹性理论分析，局部块体分析，局部块体滑移可用块体极限平衡理论来分析。滑移可用块体极限平衡理论来分析。7979n岩爆岩爆是高地应力地区，由于洞壁围是高地应力地区，由于洞壁围岩中应力高度集中，使围岩产生突岩中应力高度集中，使围岩产生突发性变形破坏的现象。发性变形破坏的现象。n脆性开裂脆性开裂出现在拉应力集中部位出现在拉应力集中部位坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙n块体滑移块体滑移是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式是以结构面切割而成的不稳定块体滑出的形式出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及出现。其破坏规模与形态受结构面的分布、组合形式及其与开挖面的相对关系控制其与开挖面的相对关系控制。80802、层状岩体围岩n常呈软硬岩层相间的互层形式。常呈软硬岩层相间的互层形式。n结结构构面面以以层层理理面面为为主主，并并有有层层间间错错动动及及泥泥化化夹夹层层等等软软弱弱结结构面发育。构面发育。n变变形形破破坏坏主主要要受受岩岩层层产产状状及及岩岩层层组组合合等等控控制制，破破坏坏形形式式主主要有：要有：沿层面张裂沿层面张裂、折断塌落折断塌落、弯曲内鼓弯曲内鼓等。等。n变变形形破破坏坏常常可可用用弹弹性性梁梁、弹弹性性板板或或材材料料力力学学中中的的压压杆杆平平衡衡理论来分析。理论来分析。8181n在在水水平平层层状状围围岩岩中中，洞洞顶顶岩岩层层可可视视为为两两端端固固定定的的板板梁梁，在在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。n在在倾倾斜斜层层状状围围岩岩中中，常常表表现现为为现现为为沿沿倾倾斜斜方方向向一一侧侧岩岩层层弯弯曲曲塌塌落落。另另一一侧侧边边墙墙岩岩块块滑滑移移等等破破坏坏形形式式，形形成成不不对对称称的的塌落拱。将出现偏压现象。塌落拱。将出现偏压现象。n在在直直立立层层状状围围岩岩中中，当当天天然然应应力力比比值值系系数数1/31/3时时，洞洞顶顶发发生生沿沿层层面面纵纵向向拉拉裂裂，被被拉拉断断塌塌落落。侧侧墙墙则则因因压压力力平平行行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全。82823、碎裂状岩体围岩n碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。次生夹泥的岩体。n变形破坏形式常表现为变形破坏形式常表现为塌方塌方和和滑动滑动。n用松散介质极限平衡理论来分析。用松散介质极限平衡理论来分析。在在夹夹泥泥少少、以以岩岩块块刚刚性性接接触触为为主主的的碎碎裂裂围围岩岩中中，不易大规模塌方。不易大规模塌方。围围岩岩中中含含泥泥量量很很高高时时，由由于于岩岩块块间间不不是是刚刚性性接接触触，易易产产生生大大规规模模塌塌方方或或塑塑性性挤入挤入83834、散体状岩体围岩n散体状岩体是指散体状岩体是指强烈构造破碎强烈构造破碎、强烈风化强烈风化的岩体。常表现的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。为弹塑性、塑性或流变性。n围岩结构均匀时，以围岩结构均匀时，以拱顶冒落拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤局部塌方、塑性挤入入及及滑动滑动等变形破坏形式。等变形破坏形式。n可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。可用松散介质极限平衡理论配合流变理论来分析。8484n围围岩岩的的变变形形破破坏坏是是渐渐进式逐次发展进式逐次发展的。的。开开挖挖-应应力力调调整整-变变形形、局局部部破破坏坏-再再次调整次调整 -再再次次变变形形-较较大大范围破坏范围破坏围岩的变形破坏过程围岩的变形破坏过程8585n分分析析围围岩岩变变形形破破坏坏时时，应应抓抓住住其其变变形形破破坏坏的的始始发发点点和和发发生生连连锁锁反反应应的的关关键键点点，预预测测变变形形破破坏坏逐次发展及迁移的规律。逐次发展及迁移的规律。n在在围围岩岩变变形形破破坏坏的的早早期期就就加加以以处处理理，这这样样才才能能有有效效地地控控制制围围岩岩变变形形，确保围岩的稳定性。确保围岩的稳定性。86868.4 围岩压力计算 一、基本概念一、基本概念n地地下下洞洞室室围围岩岩在在重重分分布布应应力力作作用用下下产产生生过过量量的的塑塑性性变变形形或或松松动动破破坏坏，进进而而引引起起施施加加于于支支护护衬衬砌砌上上的的压压力，称为力，称为围岩压力围岩压力(peripheral rock pressure)(peripheral rock pressure)。n围围岩岩压压力力是是围围岩岩与与支支衬衬间间的的相相互互作作用用力力，它它与与围围岩岩应应力力不不是是同同一一个个概概念念。围围岩岩应应力力是是岩岩体体中中的的内内力力，而而围围岩岩压压力力则则是是针针对对支支衬衬结结构构来来说说的的，是是作作用用于于支支护衬砌上的外力。护衬砌上的外力。n按按围围岩岩压压力力的的形形成成机机理理，可可将将其其划划分分为为形形变变围围岩岩压压力力、松动围岩压力松动围岩压力和和冲击围岩压力冲击围岩压力。8787 1 1、形变围岩压力、形变围岩压力n形变围岩压力是由于形变围岩压力是由于围岩塑性变形围岩塑性变形如塑性挤入、如塑性挤入、膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。膨胀内鼓、弯折内鼓等形成的挤压力。n产生形变围岩压力的条件：产生形变围岩压力的条件：岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体较软弱或破碎，这时围岩应力很容易超过岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；岩体的屈服极限而产生较大的塑性变形；深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流深埋洞室，由于围岩受压力过大易引起塑性流动变形。动变形。8888 2 2、松动围岩压力、松动围岩压力n松动围岩压力是由于松动围岩压力是由于围岩拉裂塌落、块体滑移及重力围岩拉裂塌落、块体滑移及重力坍塌等破坏坍塌等破坏引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩引起的压力，这是一种有限范围内脱落岩体重力施加于支护衬砌上的压力。体重力施加于支护衬砌上的压力。n大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水大小取决于围岩性质、结构面交切组合关系及地下水活动和支护时间等因素。活动和支护时间等因素。n松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡松动围岩压力可采用松散体极限平衡或块体极限平衡理论进行分析计算。理论进行分析计算。8989 3 3、冲击围岩压力、冲击围岩压力n冲击围岩压力是由冲击围岩压力是由岩爆形成岩爆形成的一种特殊围岩压力。的一种特殊围岩压力。它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突它是强度较高且较完整的弹脆性岩体过度受力后突然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。然发生岩石弹射变形所引起的围岩压力现象。n冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属冲击围岩压力的大小与天然应力状态、围岩力学属性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形性等密切相关，并受到洞室埋深、施工方法及洞形等因素的影响。等因素的影响。n冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只冲击围岩压力的大小，目前无法进行准确计算，只能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行能对冲击围岩压力的产生条件及其产生可能性进行定性的评价预测。定性的评价预测。90901 1、普氏理论假设条件、普氏理论假设条件（1）将岩体视为具有一定粘结力的松散体。式中：k k 为岩体似内摩擦角。（2）洞顶岩体能够形成压力拱。（3）沿拱切线方向只作用有压应力，而不能承受拉应力。自然平衡拱以上的岩体重量通过拱传递到两帮，对拱内岩体不产生任何影响。即作用在支架上的顶压仅为拱内岩体重量，与拱外岩体和坑道埋深无关。二、二、普氏地压理论普氏地压理论9191式中式中c c 为岩石单轴抗压强度，为岩石单轴抗压强度，Mpa.Mpa.也可按上式计算岩体似内摩擦角也可按上式计算岩体似内摩擦角k k ：（4 4）采用坚固性系数采用坚固性系数f f（普氏系数（普氏系数 ）来表征）来表征岩体的强度岩体的强度92922 2、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法、自然平衡拱的力学模型及相应的计算方法模型模型1 1：假定坑道两帮岩体稳定（f2），而坑道顶部岩体不稳定，会发生冒落而形成自然平衡拱。模型模型2 2：假定坑道两帮岩体也不稳定（f2），发生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。9393（1 1）模型）模型1 1 及相应的计算方及相应的计算方法法 A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：B、平衡拱跨度 平衡拱跨度等于坑道跨度，即2a。C、平衡拱高度b:9494 E、单位长度平衡拱内岩体重量W：F、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压pv:D、平衡拱面积：9595（2 2）模型）模型2 2 及相应的计算方法及相应的计算方法 当当f2f2时，坑道两帮岩体会发时，坑道两帮岩体会发生剪切破坏，导致平衡拱的跨生剪切破坏，导致平衡拱的跨度扩大。度扩大。A、平衡拱形状 平衡拱形状如图所示，平衡拱形状如图所示，为一条抛物线，其方程为：为一条抛物线，其方程为：9696B、平衡拱跨度 两两帮帮岩岩体体发发生生剪剪切切破破坏坏，其其破破裂裂面面与与水水平平面面的的夹夹角角为为45450 0/2/2，此此时时平平衡衡拱拱跨跨度度将将增大至增大至2 2a a1 1。C C、平衡拱高度平衡拱高度b:b:9797D D、单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压单位长度坑道上作用在坑道支架上的顶压p pv v:支架受到的顶压近似等于支架受到的顶压近似等于DCCDDCCD部分岩体的重量，即部分岩体的重量，即9898 可可按按滑滑动动土土体体上上有有均均布布荷荷载载q=b 作作用用的的挡挡土土墙墙上上主主动动土压力公式计算，即土压力公式计算，即式中式中k为岩体换算内摩擦角，为岩体换算内摩擦角，karctgf 。E、支架受到的总的侧压力Qh:9999 实际上，自然平衡拱有各种形状，在岩层倾斜实际上，自然平衡拱有各种形状，在岩层倾斜的情况下，还会产生歪斜的平衡拱，如图所示。的情况下，还会产生歪斜的平衡拱，如图所示。100100普氏平衡拱理论 适用于深埋洞室101101三、太沙基理论三、太沙基理论 对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋对于软弱破碎岩体或土体，在巷道浅埋的情况下，可的情况下，可以采用太沙基理论计算围岩压力。以采用太沙基理论计算围岩压力。1 1、太沙基理论的基本假设、太沙基理论的基本假设（1 1）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从）仍视岩体为具有一定粘结力的松散体，其强度服从莫尔库伦强度理论，即莫尔库伦强度理论，即（2 2）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉）假设坑道开挖后，顶板岩体逐渐下沉 ，引起应力，引起应力传递而作用在支架上，形成坑道压力。传递而作用在支架上，形成坑道压力。1021022 2、太沙基围岩压力公式、太沙基围岩压力公式一般分坑道一般分坑道两帮岩体稳定两帮岩体稳定或或不稳定不稳定两种情况考虑。两种情况考虑。1031031 1、坑道两帮岩体稳定、坑道两帮岩体稳定 坑道两帮岩体稳定，下沉仅限于顶板上部岩体，如图，AD和BC为滑动面，并延伸至地表。两侧岩体的剪力dF:式中：h，v为在深度Z处的水平应力和垂直应力，为侧压力系数，h/v104104 若地表作用有均布荷载 p，则薄层dz在垂直方向的平衡方程为：整理得：于是得：105105 根据地表边界条件求A:当z=0时，v p，代入上式得：则垂直应力的计算公式为：解微分方程得：106106 则垂直应力的计算公式：当z=H时，v就是 作用在坑道顶压qv。107107若H，c0,p=0时，坑道顶压：单位长度坑道上的顶压为：1081082 2、坑道两帮岩体不稳定、坑道两帮岩体不稳定 坑坑道道两两帮帮岩岩体体发发生生剪剪切切破破坏坏，形形成成直直达达地地表表的的破破裂裂面面OC和和OC并并 引引 起起 岩岩 柱柱 体体ABBA下下沉沉，产产生生垂垂直直破破裂裂面面AB和和A B。A A、坑道顶部下沉的跨度为：坑道顶部下沉的跨度为：109109B B、坑道顶压坑道顶压 坑道顶压计算方法同上，只需将以上各式中的a以a1代替即可。若H，c0,p=0时，坑道顶压：110110 C C、单位长度坑道上的顶压为：单位长度坑道上的顶压为：D D、支架受到的总的侧压力支架受到的总的侧压力Qh:Qh:可按滑动土体上有均布荷载q作用的挡土墙上主动土压力公式计算，即111111 例题：例题：某某矩矩形形巷巷道道，宽宽度度为为 4 m,高高度度为为3m，布布置置在在泥泥质质页页岩岩中中，岩岩石石的的换换算算内内摩摩擦擦角角k710，,岩岩石石重重度度20 kN/m3，按普氏地压理论试求：，按普氏地压理论试求：（1）拱的跨度和高度）拱的跨度和高度；（2）自然平衡拱的方程式；）自然平衡拱的方程式；（3）支架）支架所受的顶所受的顶压等于多少？压等于多少？解：解：2a=4 m,f=tg710=2.9,20 kN/m3(1)压力拱跨度压力拱跨度 2 a=4(m)压力拱高度压力拱高度 b=a/f=2/2.9=0.69(m)(2)压力拱方程式：压力拱方程式：y x2 b/a2=0.172 x2(3)总顶压力总顶压力1121121.1.新奥法简介新奥法简介 n新新奥奥地地利利隧隧道道施施工工方方法法（New Austrian Tunneling Method），简简称称新新奥奥法法（NATM）：在在岩岩体体或或土土体体中中设设置置的的以以使使地地下下空空间间的的周周围围岩岩体体形形成成一一个个中中空空筒筒状状支支撑撑环环结结构构为为目目的的的的设设计计施施工工方方法法，其其核核心心是是利利用用围围岩岩的的自自承承作作用用来来支支撑撑隧隧道道，促促使使围围岩岩本本身身变变为为支支护护结结构构的的重重要要组组成成部部分分，使使围围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的自承环。岩与构筑的支护结构共同形成坚固的自承环。支护支护-围岩共同作用原理；围岩共同作用原理；柔性支护观点、锚喷网综合支护为主要手段；柔性支护观点、锚喷网综合支护为主要手段；设计、施工、监测（应力应变、接触应力、位移）一条龙作业方式。设计、施工、监测（应力应变、接触应力、位移）一条龙作业方式。n传统隧道工程中应用传统隧道工程中应用厚壁混凝土结构支护松动围岩厚壁混凝土结构支护松动围岩的理论的理论。113113按支护的作用机理，支护结构大致可分为：按支护的作用机理，支护结构大致可分为：初期支护通常是初期支护通常是柔性支护柔性支护，一般采用锚喷支护，一般采用锚喷支护，最终支护是最终支护是刚性支护刚性支护，一般采用现浇混凝土支护或高强钢架。，一般采用现浇混凝土支护或高强钢架。复合式支护复合式支护结构是柔性支护与刚性支护的组合。结构是柔性支护与刚性支护的组合。114114写在最后写在最后成功的基成功的基础在于好的学在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habits115 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best,Failure Is Great,So DonT Give Up,Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日 116