地下洞室围岩稳定性的工程地质分析.doc

地下洞室围岩稳定性的工程地质分析1.基本概念及研究意义为各种目的修建征地层之内的中空通道或中空洞宣统称为地下洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下弹道导弹发射井、以及地下飞机库等。虽然它们规模不等，但都有一个共同的特点，就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞子。所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件。地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著的变形和破坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。1.2地下开挖后围岩应力的重分布1.2.1围岩应力重分布的一般特点如前所述，任何岩体在天然条件下均处于一定初始应力状态，岩体内任何一点的初始应力状态(常称为原岩应力)通常可以垂直正应力(通常为主应力)通常以垂直正应力和水平正应力来表示：σv=σv0+γhσh=Nσv式中：σv0值可以是零，也可以是常数由上式可知，岩体内的初始应力随深度而变化，因而对于具有一定尺寸的地下洞室来说，其垂直剖面上各点的原岩应力大小是不等的，即地下洞室在岩体内将是处在一种非均匀的初始应力场中。但是按照森维南原理，由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的3—5倍[如图1一2(a)]，习惯上将此范围内的岩体称为“围岩”。如果此范围不超出地表，为简化图岩应力的计算，就可没有严重误差地假定，在洞室的整个影响带内岩体的初始应力状态与洞中心处是一样的，这样，就可按图1一2(b)所示的均匀应力场来处理围岩应力的计算。实际上，岩石力学中围岩应力的近似计算都是根据这种假定进行的。围岩应力重分布的主要特征是：径向应力随着向自由表面的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。切向应力在一些部位愈接近自由表面切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中(如图1一3中的X轴方位)，在另一些部分，愈接近自由表面切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中(如图1一3中z轴方位)。这样，地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周边达最大值。1.2．2圆一椭圆形洞室周边压力集中的一般规律对于圆形一椭圆形洞室，周边上可能的最大拉应力集中和最大压应力集中分别发生于岩体内初始最大主应力轴和最小主应力轴与周边垂直相交的A、B两点，而两点之间的应力则介于上述两个极值之间，呈逐渐过渡状态(如图1一4、1一5)。可见这两点是判定围岩是否稳定的关键部位只要了解这两点的应力情况，就能掌握这类洞室周边应力集中的一般规律。根据弹性理论，圆—椭圆形地下洞室周边A、B两点的切向应力可根据下式求得：σθ＝σv(α+βN）(1—1)式中：(α+βN）称为应力集中系数（=σθ/σv）。A点和B点的α和β值列于下表(表1—1)，符号见图1一4。图1-6洞室周边应力集中系数1.2.2.1拉应力产生的条件从图1一6中可以看出，(1)当N＝1，任何轴比(b／a)的洞室，周边上均不产生拉应力，(2)当N＝0时，周边上最大拉应力总是产生在最大主应力轴与洞室周边垂直相交的A点，且其应力集中系数与洞形无关，轴比(b／a)为任何值时，σhθ／σv均等于一1，(3)当0¹N¹1时，特定洞形有特定的产生拉应力的临界N值。同时，拉应力仍产生在最大主应力轴与洞周垂直相交的部位．亦即当N＜l时，最大拉应力出现在A点，且N值愈低于临界值，所产生的拉应力将愈大；当N＞1时．最大拉应力产生在B点，且N值愈高于临界值，该处所产生的拉应力将愈大。1.2.2.2最大压应力集中的规律图1一6表明，当b／a＝N时，周边上不产生拉应力，且各点的压应力集中系数均相等，为该特定N值条件下，不同轴比洞室周边上所可能产生的最大压应力集中系数中的最小值，故稳定条件最好，当b／a＞N时，最大压应力集中产生于B点，且其应力集中系数随两者差值的增大而增大。当b／a＜N时，最大压应力集中产生于A点，且两者的差值愈大，其应力集中系数愈高。不同条件下洞室周边上最大压应力集中系数，可据式(1一1)或图1一6求得。1.2.3其它形状洞室周边应力集中的一般规律1.2.2.1方形一矩形洞室图1一7及图Io一8表明，方形一矩形洞室周边上最大压应力集中均产生于角点上，而且这些角点上的最大压应力集中系数随洞室宽高比(B／H的不同而变化，在不同的应力场