工程地质：洞室围岩稳定性分析

一、工作任务

通过洞室围岩稳定性分析知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）理解围岩应力的变化规律。

（2）掌握围岩应力引起的变形和破坏类型。

（3）掌握围岩稳定性分析方法。

二、相关配套知识

（一）围岩应力引起的变形与破坏

在土木工程中，将地下的洞室开挖后洞室周围应力变化范围内的岩体称为围岩，变化后的应力称为围岩应力或二次应力。

1.围岩应力的变化规律

地下洞室开挖后，破坏了岩体中原有的地应力平衡状态，岩体内一些方向上的质点由原来的紧密状态逐渐松胀，另一些方向上的质点反而挤压程度更大，岩体应力的大小和主应力方向也随之发生变化。这种岩体应力变化，一般发生在地下洞室横剖面最大尺寸的3～5倍范围内，在此范围以外，岩体依然处于原来的地应力状态。

地下洞室开挖使围岩内主应力产生强烈分异现象，愈接近临空面，应力差值愈大，到洞室周边达最大值。因此，在围岩范围内，洞室周边为最不利应力条件。洞室周边围岩应力的变化主要随洞室形状和侧压力系数而变化。

2.围岩应力引起的变形和破坏类型

在围岩应力作用下，围岩变形和破坏的主要类型有张裂塌落、劈裂剥落、碎裂松动、弯折内鼓、塑性挤出等。

1）张裂塌落

在厚层状或块体状围岩的洞室拱顶部，当产生拉应力集中，其值超过围岩抗拉强度时，拱顶围岩将发生垂直张裂破坏。尤其是有近于垂直的构造节理发育时，拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展，使被裂缝切割的岩体在自重作用下变得不稳定。此外，当岩石在垂直方向抗拉强度较低，或近于水平方向的软弱结构面发育时，往往也造成拱顶塌落。

2）劈裂剥落

过大的切向压应力可使厚层或块体状围岩表部发生平行洞室周边的破裂。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板，这些薄板常沿壁面剥落，其破裂范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能被压弯、折断，并造成坍方。

3）碎裂松动

碎裂松动是硬质岩因多组节理发育呈镶嵌破裂状时的围岩变形、破坏的主要形式。洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，这类围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，并围绕洞体形成一个破碎松动带或松动圈。松动带本身是不稳定的，当有地下水活动参与时，极易导致拱顶坍塌和边墙失稳。松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大。因此，该类围岩开挖后应及时支护加固。

4）弯折内鼓(https://www.xing528.com)

在薄层脆性围岩中，岩体变形、破坏主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏。破坏成因有两种：一是卸荷回弹，二是切向压应力超过薄层岩层的抗弯强度。

5）塑性挤出

洞室开挖后，当围岩应力超过软弱岩体的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。产生塑性挤出的围岩主要有固结程度较低的泥质粉砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩等软弱岩体。此外，散体结构的围岩也存在塑性挤出的问题。

（二）围岩稳定性分析方法

岩体洞室的稳定性主要取决于岩体中的岩体质量、地下水形态、地应力状态、洞室断面尺寸、形状以及埋深等。岩体洞室围岩稳定性评价常采用以下四种方法。

1.围岩分级评价法

对洞室围岩进行工程分级，从而定性评价其稳定性，是普遍采用的一种方法。它以岩体质量评价为基础，结合已建工程的实践经验进行。对于小型洞室，一般采用围岩分级评价即可；对于大中型洞室，则常在围岩分级基础上进行岩体稳定性理论分析（解析法和图解法）；对于大型洞室或重点工程还需要进行各种模型、模拟试验，以预测洞室围岩的稳定性。

2.解析法

（1）连续介质力学分析方法。这种方法是利用弹性理论、弹塑性理论以及各种数值分析方法，评价围岩的稳定性。该方法主要根据地应力大小、洞室形态和尺寸，检算相对完整岩体的洞室周边最大压应力和最大拉应力集中部位，检查该应力集中部位的压应力和拉应力是否超过岩体抗压强度和抗拉强度，是否能引起洞室周边的变形与破坏。因洞室围岩的变形和破坏，一般都是从洞室周边开始，然后向围岩内部扩展，所以，洞室周边围岩应力检算有着重要作用。

（2）极限平衡分析方法。对于主要由结构面控制的围岩变形破坏，主要用极限平衡分析法检算。一般分两种情况：一种是有软弱结构面穿过洞室，造成洞壁围岩结构面剪切滑移或在结构面附近脱落；另一种是多组节理将围岩切割成分离块体。可通过研究结构面处岩块重力在结构面上的各个分量和结构面的抗剪强度及抗拉强度，确定结构面处岩块的稳定性。

3.图解分析法

图解法主要用赤平极射投影分析法，即通过将围岩中各组结构面产状投影到赤平极射图上，通过结构面产状在赤平极射图上的组合形态，分析洞室不稳定岩块的位置和滑动方向，并可确定洞室延伸部位和方向。但该方法确定的不稳定岩块的稳定性，尚须按块体极限平衡理论进行检算。

4.模型、模拟试验法

该方法主要有光弹性模拟试验、相似材料模型试验和离心模拟实验等。这种方法主要通过室内模型受力变形过程，推演洞室开挖过程中围岩可能出现的变形和破坏方式及物理机制，从而判断围岩稳定性。

（1）光弹法主要利用某些透明的光学敏感材料，在受力变形时产生光学各向异性的特点，根据偏振方向不同的光线的光程差，确定主应力差值，利用反映出来的等色线和等倾线，确定模型中的应力分布状态。

（2）相似材料法主要用重晶石粉、石膏、水泥、砂等材料按一定相似比例制成模型，在模型架上施加双向或三向载荷，模拟洞室的平面应力状态和平面应变状态，并进行模拟开挖以预测洞室的变形和破坏。

（3）离心模拟法主要采用一般原型材料，按原型密度和几何比例制作模型，在模型中埋置各种传感器，并放入离心器中，用增加离心加速度的方法增加离心力，从而增加模型中的重力，达到模型和原型几何相似和应力相似，模拟一定时间内原型的破坏。

由于地下工程围岩岩体变形、破坏过程非常复杂，目前对其发生、发展机理尚未完全清楚，因此，围岩岩体稳定分析方法仍在不断发展完善之中。