1、地下 洞室围 岩稳定性的工程 地质分析7.4 地 下洞室围岩稳定性评价地 下 洞 室 围岩 稳 定 性主 要 是可 能 出 现的 围 岩应 力 与 围岩强度 间 的矛盾 问 题，各 因 素都是 通 过这两 个 方面来 影 响洞室的 稳 定 性，归 纳 为三 大 类 型：7.4.1 影 响 围 岩 稳 定 性 的 因 素 分 析 是 通 过 围岩 应 力 状态 而 影响 地 下 洞室 围 岩稳 定 性主 要 包 括 岩 体 原岩 应 力 状态 及 洞室 的 剖 面形 状 和尺 寸 是 通 过 围岩 的 强 度来 影 响洞 室 围 岩稳 定 性主 要 包 括 围 岩 的岩 性 和 结构。是 既 能
2、 影响 应 力 状态，又能 影 响 围岩 强 度的 因 素主 要 为 地 下水 的 赋 存、活 动条 件。7.4 地 下洞室围岩稳定性评价塑 性 围 岩：风 化速度快、力 学强度低及遇 水易软化、膨 胀或崩解，对围岩的 稳定性最 为不利。脆 性 围 岩：岩 石本身 的强度 远高于 结构面 的强度,故主要取决于岩 体结构。2 岩 体 的 岩 性 及 结构散 体 状及碎 裂状结 构的岩 体稳定 性最差，薄层 状结构 者次之，而厚层 状、块 状及整 体状结 构岩体 稳定性 最好。1）岩 体 岩 性2）岩 体 结 构是 控 制地下工程 围岩变 形破坏 的重要 因素。为避免 洞室顶拱和 边墙出现 过大的
3、切 向压应力 和切向拉 应力的集中，地下 工程 轴线 应尽可能 与区域最 大主应力 方向一致。1 原 岩 应 力 可 使岩 石软化，强度 降低，加速岩 石风化；还能 软 化和冲 走 软弱结构面 的 充填物；减 小结 构面的 抗剪强 度，促 使岩体 滑动与 破坏；在 膨胀 性岩体 中地下 水可造 成 膨胀 地压。4 地下水 软 化与 渗 压7.4 地 下洞室围岩稳定性评价3 地 质 构 造 褶 曲 与 断 裂 破 坏了岩 层的完 整性，降低了 岩体的 强度。经 受的构 造变动 次数愈 多、愈 强烈，岩层节 理就愈发育，岩石也就 愈破碎。7.4 地下洞室围岩稳定性评 价对 于 一 般 的 工程 隧
4、 洞，由 于 规模 和 埋深 不 大，破 坏 失稳总 是 发 生在 围 岩 强度 显 著 降低 的 部 位，不 稳 定的 地 质 标志 较为 明 显，主要 有：破 碎 松 散 岩 石或 软 弱 的塑 性 岩类 分 布 区：包 括岩 体 中的 风 化、构 造 破 碎带 以 及 风化 速 度 快、力 学 强度 低、遇水 易于 软 化、膨胀 或 崩解的 粘 土质岩 类 的分布 地 带；碎 裂 结 构 岩 体及 半 坚 硬的 薄 层状 结 构 岩体 分 布区;坚 硬 块 体 状 及厚 层 状 岩体 中 的不 稳 定 体：为 几组 软 弱结 构 面 切割、能 于洞顶 或 边墙上 构 成不稳 定 结构体
5、的 部位。7.4.2 围 岩 稳 定 性 的 定 性 评 价1 地质判断 破 碎 松 散 岩体，稳定 性 最 差 碎裂或半坚硬薄层结构岩体,稳 定 性 较 差 坚 硬 层 状岩体 结 构 紧 密，稳 定 性 较 好 新 鲜、坚 硬块 状 岩体,稳 定性 最 好2 围岩分类(广 义工程 地质类 比)中国地 下工程围 岩分类大 体经历了 二个阶段：以 岩石 强 度 为指 标 的 分类 阶 段20世纪50年代至60年代末，基本采用 以岩石强 度为指标的分类法，该法对 地质构造、岩石风 化、地下 水以及工 程因素等的影 响考虑较 少。如按 岩石的极 限抗压强 度的大小 的分类方法和 以 岩石坚 固性
6、为指 标的前苏 联 普氏围 岩分类法。视 围岩为 结 构体的 分 类阶段实践中 逐渐认识 到控制围 岩稳定的 决定性因 素是岩体 结构和岩体 强度，而 不是岩石 强度，视 围岩为结 构的分类 法在实践中很 快广泛所 接受。例 如我国的Z 系统分类、铁路隧 道围岩分类及 国外的RMR 分类以及Q 系统分类。1）地 下 工 程 围 岩分 类 概况7.4 地 下洞室围岩稳定性评价分类指标 分类法单一指标(1)前苏联普氏坚固系数f；(2)法国抗压强度Rc；(3)捷克抗拉强度Rt一个综合指标(1)美国岩石质量指标RQD；(2)奥地利自稳时间T；(3)日本声波速度Vp（新 奥 法 设计 施 工 指 南，1
7、983）少数指标并列 铁道隧道分类及水电等部门一些单位的工程分类多个指标并列 水电工程岩体分类多个指标复合乘积法(1)Barton岩体质量Q 系统（1974，1999，2002）；(2)谷德振，岩体质量系数Z（1979）；(3)前苏联稳定性指标法S（1977）和差法(1)Wickham岩石结构等级RSR（1972）；(2)Bieniawski地质力学分类RMR（1973）；(3)水利电力部水电地下工程围岩分类（1992）(4)国家标准工程岩体质量分类BQ（GB 50218-94）岩体力学介质属性(1)国家建委，人工洞室围岩分类（1975）；(2)水电部东北院，地下洞室围岩分类（1984）有代表
8、性的地下洞室围岩分类方案一览表上世纪70 年代以来 在总结 以往经 验的基 础上，中国一 些部门各自 根据本部 门的经验 和需求相 继制定了 一些围岩 分类，其 中 有铁道 部制定 的 铁 路隧道 围 岩分类（6 级划分），水 电部 制 定的 水工 隧 道 围岩 分 类（5 级划 分）具 有代表 性。1994 年，国家 颁布了 工 程 岩体 质 量 分类（GB 50218-94），标志 着我国 岩体分 类进入 了新的 阶段。该方法 采用两级 分 类法，首先按 岩体的 基本质 量指标BQ 进行初步分级；然后针对 各类工程 岩体的特 征，考虑 其它影响 因素进行 修正，如 天 然应力、地下 水、结
9、 构面方 位等。再按修 正后的BQ 进行 详 细分级。2）中 国 若 干 地 下工 程 围岩 分 类7.4 地 下洞室围岩稳定性评价3）典 型 围 岩 分 类方案7.4 地下洞室围岩稳定性评 价 工 程 岩 体 质量 分 级 法（国 标）a）工 程岩 体 初 步定 级 时 岩体 质 量 指标 按 下 式计 算：BQ=90+3Rc+250Kv 使 用 上式时 应遵守 下列限 制条件：当Rc90Kv+30 时，应以Rc=90Kv+30 和Kv 代入计 算BQ值；当Kv0.04Rc+0.4 时，应以Kv=0.04Rc+0.4 和Rc 代入BQ计算值。7.4 地下洞室围岩稳定性评 价岩体基本质量分级（
10、GB50218-94）级别 岩体基本质量定性特征（BQ）坚硬岩，岩体完整 550坚硬岩，岩体较完整，较坚硬岩，岩体完整550-451坚硬岩，岩体较破碎，较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整，较软岩，岩体完整450-351坚硬岩，岩体破碎较，坚硬岩，岩体较破碎破碎，较软岩或软硬岩互层且以软岩为主，岩体较完整 较破碎，软岩，岩体完整 较完整350-251较软岩，岩体破碎，软岩，岩体较破碎 破碎，全部极软岩及全部极破碎岩=250 工 程 岩 体 质量分 级 法（国 标）式中，BQ 为岩体基 本质量 指标修 正值；BQ 为岩 体 基本质量指标 值；K1为地下水修正 系数、K2为初始应力修正系数、K3为结构
11、面组合 情况修正 系数。7.4 地 下洞室围岩稳定性评价BQ=BQ-100（K1+K2+K3）b）工 程岩 体 详 细定 级 时 岩体 质 量 指标 计 算 公式：RMR 分类因素及评分标准（DL/T 5337-2006）参数 评分标准1岩 石 强度(MPa)点荷载强度 10 4-10 2-4 1-2 1，不宜采用单轴抗压强度 250-100 100-60 60-30 30-15 15-5评分 15-10 8 5 3 2-02岩 石 质量指 标RQD(%)90-100 75-90 50-75 25-50 200 60-200 20-60 6-20 6评分 20 15 10 8 54结构面条件粗
12、糙度 很粗糙 粗糙 较粗糙 光滑 擦痕、镜面评分 6 4 2 1 0充填物 mm 无5（硬）5（软）5（软）评分 6 4 2 2 0张开度 mm 未张开 5评分 6 5 4 1 0结构面长度 m 20评分 6 4 2 1 0岩石风化程度 未风化 微风化 弱风化 强风化 全风化评分 6 5 3 1 05地下水条件状态 干燥 湿润 潮湿 滴水 流水透水率 Lu 100总体条件 完全干燥 潮湿 湿润 滴水 流水 RMR 分 类 方 案（国外）RMR=R1+R2+R3+R4+R5+R6 结 构 面 方 向 修 正 RMR 分 类 方 案（国外）类 别 岩体的描述 RMR 很好的岩体 81100 好的岩
13、体 61 80 较好的岩体 41 60 较差的岩体 21 40 很差的岩体 0 20岩体RMR 分类表（据比尼奥斯基，1973）KRcmaxKtminRmax min 为周边最大压应力值；Rc 为极限抗压强度；Rt为极限抗拉强度；K 为安全系数。为周边最大拉应力值；关 键 部位是洞 室 周边最 大压应 力和最 大拉应 力集中 的部位。整体围 岩稳定 的先决 条件是 这两个 部位的 应力-强度条件满足下列关系：1）均质或似均质围岩的稳定性验算稳 定 性验算时 一 般应考 虑较大 的安全 系数,采 用 对边墙，K=4；对顶拱；K=4 8。1 围 岩 稳 定 性的 解 析分 析 方法7.4.3 围
14、岩 稳 定 性 的 定 量 评 价2）含有单一软弱结构面的围岩的稳 定性验 算 n/先按弹性理论解求出作用在结构面不同部位或最危险部位的剪应力 和正应力n。然后计算出各点的，并将其与结构面的摩擦系数（通常假定软弱结构面的内聚力C 等于零）相比较，据以判断各点的破坏情况：a.：结构面对围岩的稳定性和弹性应力分布不会产生任何影响；b.该部位将发生剪切滑动破坏n/tg tgn/tgn/基本思路2）含有单一软弱结构面的围岩的稳 定性验 算（a）（b）静水应力 场中圆 形 隧洞顶拱 围岩内 有 一 水平软 弱结构 面 通过 2 sin)(2 cos2 cos)()(212121 rr rrr rr n
15、2 sin 2 cos 12222rap，rapn a 为洞室半径；r 为 研 究 点 距洞 中心 的 距离。据Kirsch 公式求 得各分 量，代 入上式：rr为径向应力；为切向应力；r 为剪应力；中心线右侧的情况 cos0 0H N sin0 0H S yu如图示两组走向平行洞轴、倾向相反的结构面将隧洞 顶拱围岩切割成对称结构块体3）顶拱围岩中简单结构块体稳定性 验算可采用松弛法进行分析，其步骤要点为：先假定围岩为无体力的弹性介质，据弹性理论解求出切向应力Ho及其作用在结构面上的正应力分量No及剪应力分量So：两组走向 平行洞 轴、倾向相 反的结 构 面将隧洞 顶拱围 岩 切割成对 称结构
16、 块 体 定 量 研 究 洞 室开挖 后顶拱 围 岩结构 的松弛 效 应假 定 结构体在重力 作用下的 垂 直位 移 为uy，其平 行和垂 直于 结 构面的 位移分 量分别 为us和un，则有：结 构 体的 上述位 移必将 引起围 岩应力 及结构 面上应 力的相 应变化：Ho及No减小为H 及N，而So则增 大为S。由于结构松弛过程中 表 面应力的 增量与位 移增量成 正比，故 有：sin sinsin coscossin00y s oy n oy s s sy n n nu K H Su K H Nu K u K S Su K u K N N sin cosy n y su，u u u 式中
17、：Kn与Ks分别为结构面 的法向 刚度和 剪切刚 度。sin cos S N H 据 水 平方向 力的平 衡条件，可得：所以据Ho、Kn、Ks和uy求得N、S 后即可计 算出H 的大 小。假定 其中N、S 以及H 所代表的 恰是结 构体处 于极限 平衡状态时的应 力，则有：将 上页N 和S 表达式 代入上 式，整 理 可得：Ntg S 00sin cos(cos sin)s y n yH K H K tg uu 简 化 上式，可得：0sin()cos cos sin sinysnHuKK cos)sin cos(2 20n sK KDHN sin)sin cos(2 20n sK KDHS s
18、in sin cos cos 其中n sK K，D 根据 垂直 方向力的 平衡条件：)sin cos(2 N S Pt)sin()sin cos(22 20 n s tK KDHP当KnKs时，上式可简化为：sin)sin(sin 20HPt 使 单 位 长 度 结构 体 处于 极 限 平衡 状 态的 临 界 体力Pt将各分量 代入得到：将uy求得表达式代入N 和S 的计算式，可得：略去Ks项 评 价 结 构 体 在实 际 自 重力 作 用下 的 稳 定性P P Kt/式中：P为结构体的实际自重力，K 为结构 体安全系数。显然，当K1时，结构体是不稳定的。为保 证顶 拱的 稳 定 性，必 须
19、采 取 支 护 措 施，使 其 提 供 的 抗 力 大 于（P-Pt）.1）图解法的基本原理及结构体稳定性的一般判定赤 平投影 网及其透 视图2 围 岩 稳 定 性的 图 解分 析 法 赤平投影的基本原理与方法 结 构 体稳定性 及失稳 方式的 一般判 定（a）直 接 垮 落型（b）滑动型（c）稳 定 的 块体下 图 所示为三种典型情况：a）块 体顶点的铅垂 线通过块体的 底面，则块体 是在重力作用下的 直接垮落；b）块体顶点的 投影不落 在底面上，图中的 虚线为摩 擦角，若 滑 动面或 两个滑 面的交 线的倾 角大于，则 块体会沿该结 构面或结构 面交线产 生滑动破 坏；c）则 属于稳 定的
20、块 体。2）一 般 结构体的 图解分 析及稳 定性验 算基于石根华的块体理论，开发的专 门用于 地下工 程块体分析的Unwedge 程序。基本假定：结构面相 切形成的 块体为 四 面体；仅考虑块体的 重力及结构面 的力学性质，而不考虑地应力作用；结构面为 平面，结 构体为刚 体，岩体 变形仅为 结构面的变形；结构面贯穿研究区域，且在保持产状 不变的情况下可任意移动；开挖断面 沿轴线方 向恒定不 变。2）一 般 结构体的 图解分 析及稳 定性验 算 几 何 学分析掉块 力 学 分析K=00 K 沿单面滑动cos tansini i i iiQ CSKQ沿双面滑动tan tansini i j j
21、 i i j jN N CS C SKQ cos sinsin()jiijQNcos sinsin()ijijQN稳定性系数计算公式：Q 块体重量000i i i ij j j jk k k kAx B y Cz DA x B y C z DA x B y C z D i j k 3 结 构 体 稳 定 性 的数学 解 析法通过平面方程与曲面方面联立求解，获得包括四面体在内的多面分离块体的几何学参数：7.4 地 下洞室围岩稳定性评价分解为平面四面体和曲面五面体分解为平面五面体和曲面四面体拱顶块体分解为平面四面体和曲面楔形体4 地 下 洞 室 围 岩 稳 定 性 的 数 值 模 拟 研 究利用有
22、限元、离散元、有 限差分、边界元等数值计算方法可以计 算洞室围 岩应力、追踪变形 和破坏过 程、分析 失稳破坏机 制等。7.4 地 下洞室围岩稳定性评价 可 以处理 含有软 弱结构 面及具 有流变 特性和 复杂洞 形的 各 种涉及 非均质、非线 性围岩 的复杂 应力-应变问题；可 以模拟 研究各 种支护 方案的 有效性 以及不 同施工 程序 对 围岩稳 定性的 影响。1）分析方法2）主要特点及优势 通 过 地表调查、平硐编 录和专门的 节理裂隙 统计分析，掌握区内 岩体结构 的定量化 模式及构造 特征。基 于 地应力实测 及数值 反演分析，定量地掌 握工程区 地应力场的 基本特征。通 过 现场
23、及室内 试验，掌握区内岩 体及各类 结构面的 变形及强度 特性，取 得可用于 计算 的 有关参 数。3）原型调研及 模型建 立7.4 地 下洞室围岩稳定性评价 合 理确 定模型 的边界 条件。7.4 地 下洞室围岩稳定性评价 在 进行地 下工程 开挖之 前需先 构造初 始的地 应力场。正 确的模 拟分步 开挖步 骤出来 定 量地求解计算 围岩的应力和 位移（不同工 况）。根 据一定的破坏 准则，比较围 岩不同部位的 应力与强度，找出 初始的超 载破坏区 和变形较 大的部位。通 过降低破坏区 的岩石力学参 数，并使超载 应力向邻区转移的 迭代，追 索累进性 破坏的进 程。数 值试验：通过 对影响 地下洞 室围岩 稳定性 的因素 进行参数研 究，判别 关键因素。研 究不同加固措 施和施工方案 对围岩稳定性 的影响。4）数 值 分析要点7.4 地 下洞室围岩稳定性评价最大主应力剖切图最小主应力剖切图变形位移平切图
