岩 土 工 程 勘 察 地下洞室的勘察与评价 10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力 10.2 围岩的变形和破坏形式 10.3 围岩分类 地下洞室：埋置于地下岩土体内的各种构筑物。 应用：铁路和公路隧道，矿山地下巷道，国防地下仓库、指挥中心，城市地铁、地下商场、地下体育馆、地下游泳池等。 锦屏二级水电站超长引水隧洞 地下洞室的开挖引起的问题：应力状态的变化 会引起不同程度的变形甚至破坏，地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。 因此在设计前，进行详细的岩土工程勘察提供设计所需的地质资料，掌握地下洞室所在岩体、土体的地质情况和稳定程度以及周围的环境情况，有十分重要的意义。 10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力 初始应力：地下洞室施工前就已经存在于岩体中的应力称。 围岩：应力重分布所波及的岩石。 围岩应力：围岩中重新分布后的地应力。 山岩压力：围岩作用于支护结构上的力。 初始应力是山岩压力的基础，是力的来源。围岩应力既取决于初始应力，又取决于洞体的形态、规模以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力，但围岩应力要转化为山岩压力，必须通过岩体结构失稳的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决定了山岩压力的大小和特征。 初始应力 岩体中的初始应力状态是相当复杂的，要受到地质构造、岩性、地形地貌等多种因素的影响。初始应力可以划分为自重应力场和构造应力场。 自重应力 大量的实测地应力资料表明，对于未经受构造作用，产状较为平缓的岩层，其应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。 岩石泊松比：0.2~0.3。 构造应力 围岩应力 1. 三种初始应力场 距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。 没有经历构造运动作用的较深部岩体。 很深的岩体 围岩应力计算简图 2. 圆形洞室 采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式 式中没有弹性模量和泊松比，包含 。 洞室边界附近切向应力产生集中现象 3. 其他洞室 山岩压力 一般地，由于岩体隧洞内的变形作用于支护或衬砌上的压力称为变形压力，岩体因破坏而松动作用于支护或衬砌上的压力称为松动压力。 1. 压力拱理论 工程实践和模型试验的结果表明，洞顶坍落并不是没有止境的，当坍落进行到一定程度后，由岩块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态，称为自然平衡拱（压力拱）。而实际地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌，所以作用于衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌之间岩石的重量。这样正确决定压力拱的形状就成为计算山岩压力的关键。 通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论，简称为普氏压力拱理论。该理论将洞室周围的岩石看 作是没有黏聚力的散粒体，计算出洞室上方任何一点的垂直压力为： 侧向山岩压力采用朗肯土压力公式计算，两侧的山岩压力呈梯形分布 岩石坚固性系数 根据普氏理论，---比较破碎岩 体（fK＜2），地下洞室开挖： 侧墙：剪切破裂+顶拱“压力拱”. 压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。 抛物线方程 压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然平衡拱，因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定的岩体，对于洞室埋藏浅、围岩为粉砂或饱和软黏土等情况不能应用压力拱理论。 2. 弹塑性理论 围岩内的弹塑性应力分布 洞室开挖后，随着塑性松动圈的扩展，对支护产生的压力用下式计算： 芬那公式（未考虑岩石自重） 卡柯公式（考虑岩石自重） 3. 地质分析法 10.2 围岩的变形和破坏形式 岩土工程勘察 岩体的破坏形式表 脆性破坏 整体状结构及块状结构岩体，在一般开挖条件下表现稳定，仅产生局部掉块，但在高应力地区，洞周应力集中可引起岩爆，属于脆性破坏，岩石成为碎片射出可发出破裂响声。 块体运动 当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割，形成块体或数量有限的块体时，这种块体和围岩的联系很弱，在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体运动失稳方式：块体塌 落、滑动和转动、倾倒以及块体挤出等 弯曲折断破坏 弯曲折断破坏是层状，尤其是夹软弱夹层的互层岩体所特有的，但是在大型地下工程中受一组很发育的结构面所构成的似层状岩体也可产生类似的条块状的折断和倒塌。 洞体围岩是泥盆系石英砂岩及板岩互层，产状平缓，洞形为城门洞形。开挖中拱脚以上塌落，形成超挖，成为平板顶，洞体变为梯形断面。 巷道 洞顶的岩层受到力作用下沉弯曲，进而开裂、折断，形成塌落体；侧墙可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲鼓出破坏。 松动解脱 碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况下有一定的承载压力的能力，但是在张力、单轴压力及振动力作用下容易松动，解脱成为碎块散开或脱落。工程中洞顶表现为崩塌，而在边墙则为碎块滑塌、坍塌。 比如压碎岩带，如果挤压很紧，而且有的胶结良好，无泥质物充填，施工起来很是顺利。 相反，如果节理裂隙间有较多泥质充填，裂隙张开，岩石松动，则塌方的可能性就比较大，尤其是在地下水及震动力作用下较易失稳。