地下舊空圍巖穩(wěn)定性的工程地質分析

地下舊空圍巖穩(wěn)定性的工程地質分析1基本概念及研究意義為各種目的修建在地下的中空通道稱為地下洞室，它具有一定的橫斷面形狀和尺寸，并有較大的延伸長度。圍巖：洞室開挖，周邊巖體卸荷而形成應力重分布，把洞室周邊應力重分布范圍內的巖體稱為圍巖。圍巖穩(wěn)定性：即保證洞室安全和正常使用條件下，允許圍巖變形、破壞的限度。2地下開挖后圍巖應力的重分布2.1圍巖重分布的一般特點地下洞室一般都開挖在地下淺、表部，因此假定僅受重力場的影響，其應力狀態(tài)為：根據圣·維南原理，洞室開挖以后，其對應力場影響僅僅局限在洞室周圍較小的范圍內，超出此范圍，地應力場將不受影響。因此，洞室形成后，其邊界應力場設為洞室開挖前洞中心的初始應力場。即如上式所示，洞室開挖后的圍巖應力可按彈性理論求解。洞室形成以后，原來的應力平衡被打破，圍巖內各質點在回彈應力作用下將沿最短途徑向消除應力的自由表面方向位移，甚至達到新的平衡。如此，回彈方向產生了巖體松脹，而另一個方向則產生更大的擠壓。圍巖應力的分布和大小，是圍巖穩(wěn)定分析的基礎，必須對圍巖慶力的分布狀況有清楚的了解。對圓形洞室，自重應力場條件下的圍巖應力，有兩個方向的應力分布狀態(tài)值得關注：即垂直方向的洞頂和水平方向的洞周。當時，洞頂將出現環(huán)向拉應力。2.2圓、橢圓形洞室周邊應力分布的一般規(guī)律圓形洞室周邊應力集中狀況根據彈性理論，圓、橢圓形洞室的洞頂（A點）和水平洞邊的環(huán)向應力（切向應力），可由下式計算：式中稱為應力集中系數αβA點-1B點-1a為橢圓的短軸b為橢圓的長軸短形洞空在轉角處，應力集中程度最高（壓應力）一、拉應力產生的條件a.當N=1時，即靜水壓力狀態(tài)，任何軸比的洞室周邊均不產生拉應力。b.當N=0時，即洞室處于單向受壓狀態(tài)時，最大拉應力總是產生于最大主應力軸向的洞室頂點。（A點）且與洞形無關。c.其余情況，特定洞室有產生拉應力的臨界N值。但拉應力仍然產生在最大主應力軸向的洞室頂點，即當0<N<1時，為A點，N>1時為B點，且N值愈高于臨界值，拉應力愈大。二、最大壓應力集中規(guī)律a.當b/a=N時，洞空周邊無拉應力，全為壓應力，且應力集中系數最小。差值愈大，應力集中愈大b.當b/a>N時，最大壓應力集中于B點。差值愈大，應力集中愈大c．當b/a<N時，最大壓應力集中于A點。洞空周邊附近有結構面存時，將在結構面與洞空間巖體中產生應力集中。非線性巖體中近洞壁附近的切向應力較彈性介質低，遠離洞壁一定距離后，切向應力增大。此外，各向異性材料的應力集中程度也大于各向同性材料。相鄰洞室的影響由于一點的應力總值等于兩個或多個洞室在該點的應力之和，故相鄰洞室的存在會使圍巖應力集中程度增高。因此，工程實踐中常規(guī)定洞室安全距離。由此推知，相交洞室圍巖應力集中。3地下洞室圍巖變形破壞及山巖壓力3.1山巖太力（圍巖壓力）作用于襯砌上的力。可由圍巖變形引起。也可由圍巖塌落形成。（脫落圍巖的重量在襯砌上的分量）（吸水膨脹等）松動圈的形成。塑性變形甚至破壞，應力內部轉移。3.2脆性圍巖的變形和破壞主要為塊狀結構或層狀結構的堅硬或半堅硬巖體。脆性圍巖的變形和破壞除與舊形有關外，還與圍巖結構關系很大。a.彎折內鼓巖體條件：層狀。特別是薄層狀巖體結構條件，平行于洞壁力學條件：卸荷回彈。特別是切向應力超過層狀巖體的抗彎折強度。水平狀巖層：洞頂垂直狀巖層：洞側壁構造的影響b.張裂塌落巖體條件：塊狀或厚層狀巖體力學條件：拉應力超過巖體的抗拉強度（洞頂）3.2.3劈裂剝落、剪切滑移和碎裂松動a.劈裂剝落巖體條件：堅硬、半堅硬完整巖體力學條件：壓應力集中，導致壓致拉裂b.剪切滑移巖體條件：厚層狀或塊狀巖體，并受結構面影響力學條件：切向應力遠大于徑向應力。沿結構面的剪切滑移造成次生的拉裂，形成隔離從面塌落。c.碎裂松動巖體條件：碎裂巖體（強度降低）力學強度：圍巖應力超過巖體的屈服強度，沿結構面的剪切造成巖體碎裂松動，形成松動圈。3.2.4巖爆巖體條件：完整巖體，彈性模較大力學條件：高地應力圍巖破壞以爆炸的形成向外彈射，稱巖爆。巖爆形成條件為：應力高度集中和巖體內儲存很大的彈性應變能。3.3塑性圍巖的變形與破壞指軟弱巖體（粘土巖類）和散體結構巖體。塑性擠出圍巖應力超過圍巖的屈服強度時，軟巖產生塑性擠出。膨脹內鼓巖水吸水膨脹塑流涌出飽水松散物，斷層帶易發(fā)重力坍塌破碎巖體塌方。壩基的滑動破壞及抗滑穩(wěn)定性問題重力壩在庫水推力作用下有三種不同類型，即：表面滑動，淺部滑動和深部滑動。1、表面滑動混凝土底面與基巖接觸面發(fā)生的剪切滑動。巖體強度遠大于混凝土強度，巖體完整、無控制性軟弱結構面。2、淺層滑動當壩基的巖體抗剪強度低于壩體混凝土抗剪強度時，則往往發(fā)生淺部滑動。分三種情況：軟弱巖體，在表層巖體內部發(fā)生剪切滑移。薄層狀巖體，沿層面發(fā)生滑移——彎曲變形、破壞。碎裂結構巖體，沿滑移線滑動。應力較小時應力增大時隨BC面滑移量增大，被動區(qū)出現滑移面3、深層滑動壩基深部具有控制性滑面時，當控制性滑動與別的結構面構成不利組合時，易于產生深層滑動。當壩基內軟弱結構面無明顯優(yōu)勢控制方位時，則滑移面才能沿最大剪應面產生。3.4圍巖變形破壞發(fā)展和山巖壓力問題3.4.1圍巖變形破壞的累進性發(fā)展應力集中程度高，圍巖的強度低（包括結構強度）的部位往往是累進性破壞的突破口。→應力轉移→新的突破口→連鎖反應。最終導致大范圍的圍巖失穩(wěn)、破壞?！鷮﹃P鍵部位采取措施，防止之。三個影響因素：原巖應力的大小及方向地下洞室的形狀及尺寸巖體結構及強度天荒坪實例介紹，應力轉移，塑性區(qū)擴大，支護可以較好地防范圍巖破壞區(qū)擴大。3.4.2山巖壓力問題一、基本概念因圍巖破壞（變形）作用于支護結構上的力稱山巖壓力或叫圍巖壓力。圍巖應力——內力。山巖壓力——對支襯結構來說是外力→反作用，亦是外力。山巖壓力是由圍巖應力轉化而來（有前提）→有破壞性變形，需要襯砌。支護時間支護時間過快有可能形成很大的山壓，支護時間過慢。圍巖可能產生松動圈，因此，支護時機的掌握很重要，一般是在其破前進行支護。充分采用圍巖的自承能力是現代支護設計的重要思想。二、關于山巖壓力的計算山壓中的變形山巖，主要由圍巖的塑性擠出，膨脹內鼓、剪切碎裂及彎折內鼓等變形破壞新造成，主要內薄層狀、脆性、半脆性圍巖的地下洞室中，可采用彈塑性力學的計算方法。散體山巖則主要由圍巖張裂塌落、剪切滑移、碎裂松動及重力坍塌等變形、破壞構成，亦有多種算法。三、鐵道部門隧道規(guī)范所建議的計算方法這是一種半經驗的山壓估算方法，即：圍巖垂直均布壓力接下式計算：P=0.45?26-5?r?ws：圍巖類別；w：寬度影響系數w=1+i(B-5)B：為隧道寬度；i：為山壓增減率上式適用條件：（1）隧道高度比（H/B）<1.7；因高邊墻隧道主要問題在邊墻上；（2）深埋隧道。因淺埋隧道不能形成壓力拱；（3）不產生偏壓及膨脹壓力；（4）采用一般隧道施工法的隧道。四、水電方法鉛直向山壓：p=Sy、r、B（寬）水平向山壓：q=Sx、r、H（高）Sy、Sx為鉆直和水平的壓系數，可查表。4地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析與評價4.1影響因素分析圍巖穩(wěn)定：即應力→強度的關系根據上述觀點，影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素可分為三類：第一類：影響圍巖的應力狀態(tài)。主要把天然應力狀態(tài)及洞室的形狀和尺寸。當洞室軸比b/a=N時，可不產生拉應力。第二類：影響圍巖的強度。包括巖性和巖體結構。第三類：即影響圍巖應力狀態(tài)，又影響巖體的力學性質。主要以地下水活動為代表。4.2圍巖穩(wěn)定性評價（定性）由于目前的隧道多為淺埋隧道，故原巖應力水平不高，因而，圍巖破壞主要發(fā)生于哪些強度不高的巖段中。不穩(wěn)定巖體的主要特征：a.強裂破碎巖體或巖性軟弱巖體。b.碎裂結構巖體或半堅硬薄層狀巖體。c.堅硬巖體中有不利于巖體穩(wěn)定的分離塊體。工程上常根據經驗值來表達巖體的穩(wěn)定性，例如常用的圍巖堅固性系數fk值（稱普氏系數）。但由于普氏系數的物理意義不明確，理論上很難有所發(fā)展，目前有些單位對其進行修正，隨著巖體質量分級的應用，普氏系數也有淘汰趨勢。4.3圍巖穩(wěn)定性定量評價目前所采用的方法有解析法（理論解）、實體比例投影法（結構面切割的塊體）和數值分析法。一、解析法（略）均質、完整巖體，用點應力狀態(tài)的材料破壞判據判別，重點是，壓應力最大和拉應力最大的代表點的驗算判別。單一結構面是校核其剪切滑移的可能性。分離塊體采用極限平衡的計算方法。二、圖解法一、頂拱結構體的圖解分析及穩(wěn)定性驗算若在一個導洞中測得三條結構面的產狀，且三組結構面有可能在頂拱形成分高體。則在此，我們要確定以下問題：a.這些結構面能否形成分離體，且完全臨空。b.其體積是多大？c.穩(wěn)定性如何？采用實體比例投影法可以方便地解決這類問題。1）作三組結構面的赤平臺投影圖，三組結構面的交線為AO、BO、CO。2）過洞壁上三結構面實測點MF1、MF2、和MF3三點作走向線、相交于A1，B1和C1點，則A1B1C1便是在導洞測點平面的分離體底面。3）過A1、B1、C1三點作與AO、BO、CO平行的線交于O1點，則O1點為三結面形成的結構體在水平面上的投影。4）為判斷結構體在頂拱的規(guī)模及位置，畫出平硐剖面圖（按比例）將D1和G1點投在M平面上，并按①和②的角度在剖面上畫<和<交于點。拱項即是過頂點的重面上分高體的規(guī)模。5）為求分離的結構體的規(guī)模不需將剖面圖上的各特征點再反投回去。獲得結構體在拱頂的底面積及其高點可得其體積，可根據實際情況進行評價。邊墻上結構面圖解分析見書。（數值分析略）5地下洞室圍巖變形量測的方法及應用5.1方法概述目的：a.位移反分析，求解工程區(qū)初始地應力場的量級或彈模，為設施和優(yōu)化分析提供依據。b.開挖或運行過程進行監(jiān)測（長期監(jiān)測）。方法：洞壁收斂量測：采用收斂計在毛洞或支護條件下測量洞周邊的收縮或擴展變形隨時間的關系。圍巖內部位移量測：在鉆孔中的不同深度布設伸長計或鉆孔位移計，測量圍巖內位移隨時間的發(fā)展。5.2成果的分析及應用一、位移反分析位移反分析是通過對位移的實際量測，按彈性（彈塑性）理論反算應力值或彈性參數。一般反算應力水平的實