地下洞室圍巖穩(wěn)定性問(wèn)題

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1、第8-1章地下洞室圍巖穩(wěn)定性工程地質(zhì)學(xué)1基本概念及研究意義為各種目的修建征地層之內(nèi)的中空通道或中空洞私統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場(chǎng)、地下儲(chǔ)油庫(kù)、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫(kù)等。雖然它們規(guī)模不等，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都要在巖體內(nèi)開挖出具有一定橫斷面積和尺寸、并有較大廷伸長(zhǎng)度的洞子。所以周圍巖層的穩(wěn)定性就決定著地下建筑的安全和正常使用條件。地下洞室開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。如果圍巖足夠強(qiáng)固，不會(huì)因卸荷回彈和應(yīng)力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著的

2、變形和破壞，那么，開挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持穩(wěn)定。但是，有時(shí)或因洞室周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化大，或因巖體強(qiáng)度低，以致圍巖適應(yīng)不了回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力的作用而喪失其穩(wěn)定性。此時(shí)，如果不加固或加固而末保證質(zhì)量，都會(huì)引起破壞事故，對(duì)地下建筑的施工和運(yùn)營(yíng)造成危害。2地下開挖后圍巖應(yīng)力的重分布圍巖應(yīng)力重分布的一般特點(diǎn)如前所述，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)任何一點(diǎn)的初始應(yīng)力狀態(tài)(常稱為原巖應(yīng)力)通?？梢源怪闭龖?yīng)力(通常為主應(yīng)力)通常以垂直正應(yīng)力和水平正應(yīng)力來(lái)表示：σv=σv0+γhσh=Nσv式中：σv0值可以是零，也可以是

3、常數(shù)由上式可知，巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化，因而對(duì)于具有一定尺寸的地下洞室來(lái)說(shuō)，其垂直剖面上各點(diǎn)的原巖應(yīng)力大小是不等的，即地下洞室在巖體內(nèi)將是處在一種非均勻的初始應(yīng)力場(chǎng)中。但是按照森維南原理，由開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地下洞室橫剖面中最大尺寸的3—5倍,習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為“圍巖”。圍巖應(yīng)力重分布的主要特征是：徑向應(yīng)力隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱?。切向?yīng)力在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達(dá)最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中，在另一些部分，愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低，有時(shí)甚至于

4、洞壁附近出現(xiàn)夠應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中。這樣，地下洞寶的開挖就將于圍巖內(nèi)引起強(qiáng)烈的主應(yīng)力分異現(xiàn)象，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周邊達(dá)最大值。一些局部構(gòu)造條件，有時(shí)也有利于這類變形破壞的產(chǎn)生。平行于洞室測(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)的應(yīng)力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應(yīng)力特高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往造成彎折內(nèi)鼓破壞。在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化．相鄰洞室的存在對(duì)圍巖應(yīng)力的影響由于圍巖內(nèi)某一點(diǎn)的總應(yīng)力等于兩個(gè)或多個(gè)洞室在該點(diǎn)引起的應(yīng)力之和，故相鄰洞室的存

5、在通常使圍巖應(yīng)力(主要是壓應(yīng)力)的集中程度增高，對(duì)洞室圖巖穩(wěn)定不利。因此，不同的業(yè)務(wù)部門規(guī)定了不同的最小安全洞室間距，例如水電部門規(guī)定，無(wú)壓隧洞相鄰洞室的最小間距為1.0-1.3倍洞跨，高壓隧洞之間的最小間距為0.15一0.6倍水頭。鐵道部門規(guī)定，兩相鄰單線隧道的最小間距按下表(表10-5)確定。圍巖類型VIV—IVIIIIII最小間距（1.5—2.0）B（2.0—2.5）B（2.5—3.0）B（3.5—5.0）B>5.0B表10—5注:1.圍巖類型根據(jù)圍巖分類（見《工程地質(zhì)勘察》）確定，VI為硬巖，依次降低；2.B為隧道的跨度。3.巖爆有關(guān)巖爆的基本概

6、念在地下開挖或開采過(guò)程中突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來(lái)爆。圍巖的破壞有時(shí)會(huì)這就是所謂的巖當(dāng)巖爆發(fā)生時(shí)，巖石或煤等突然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達(dá)幾十噸，小者長(zhǎng)僅幾厘米。大型巖爆通常伴有劇烈的氣浪和巨響．甚至還伴有周圍巖體的振動(dòng)。巖爆對(duì)于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害．大者能破壞支護(hù)、堵塞坑道，造成重大的傷亡事故。小者也能威脅工人的安全。因此，研究這類破壞的發(fā)生、發(fā)展與防治，對(duì)于地下開挖工作的安全與經(jīng)濟(jì)有著重要意義。巖爆的類型和特點(diǎn)按發(fā)生的部位及所釋放的能量類型,巖爆有不同的類型(1)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆(2)礦柱或大

7、范圍圍巖突然破壞引起的巖爆四川納竹天池煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多m遠(yuǎn)(3)斷層錯(cuò)動(dòng)引起的巖爆巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機(jī)制本質(zhì)上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。從產(chǎn)生條件方面來(lái)看，高儲(chǔ)能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在條件，而某些因素的觸發(fā)效應(yīng)則是巖爆產(chǎn)生的外因。4地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析第一類因素是通過(guò)圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的。主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和尺寸。其中巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)既受自然地質(zhì)因素控制(例如地質(zhì)歷史

8、決定著貝值的大?。居峙c人類工程活動(dòng)的要求有關(guān)(例初洞室的埋深決定著‘”值)。而洞