第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质研究 第1节、地下洞室开挖前后的应力特征 第2节、洞室围岩的变形与破坏 第3节、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素 第4节、围岩压力 第5节、水工隧洞围岩的承载力 第6节、地下洞室围岩工程地质分类 第7节、改善地下洞室围岩稳定性的措施

地下洞室 为各种目的修建在地层之内的通道或空洞。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、地下导弹发射井、以及地下飞机库等。 大型古地下工程

第1节、地下洞室开挖前后的应力特征 圆形洞室围岩重分布应力计算简图

洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式 为径向应力 为切向应力 为剪应力 r0为隧洞半径 r为质点至洞轴线的距离 当天然应力比λ=1时，洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式

4r0 5r0 6r0 7r0 8r0 2r0 3r0 r0 圆形洞室周边应力重分布

开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。 如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。 否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。 围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。 在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。

第2节、洞室围岩的变形与破坏 围岩这类变形破坏的发展进程 当围岩应力已经超过岩体的极限强度时，围岩发生破坏。 当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏，通常可根据围岩变形历时曲线变化的特点而加以预报。 当围岩应力的量级介于岩体的长时间强度及蠕变临界应力之间时，围岩除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定。 当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。

围岩变形破坏的常见形式

坚硬完整岩体的脆性破裂 在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。 岩爆的产生需要具备两方面的条件 高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。

锦屏二级水电站排水洞岩爆 岩爆产生的爆坑 爆坑附近边墙下部破坏情况 右侧拱顶位置塌方情况 第二次岩爆塌方左侧拱架破坏情况

块体滑移 块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。 坚硬岩体中的块体滑移

层状弯折和拱曲 岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。 平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。 在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。 在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。 1-设计断面 2-破坏区 3-崩塌 4-滑动 5-弯曲、张裂及折断 层状结构围岩变形破坏特征

碎裂岩体的松动解脱 碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。 碎裂结构围岩塌方示意图 碎裂岩体松动解脱及顶拱破裂

松软岩体 一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。 水电站引水隧洞的塑性变形与塌方

第3节、影响地下地下洞室围岩稳定性的地质因素 地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。 理想的建洞山体应具备以下条件： 1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山捧稳定的断裂带； 2)岩体坚硬完整； 3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育； 4)地下水影响小； 5)无有害气体和异常地热。

对地下洞室选址影响地质因素 地形条件（geographic conditions） 岩性条件（rock and soil engineering characters） 地质构造条件（geologecal structure conditions） 褶皱(fold) 断裂(fault) 岩层产状（attitude of layer） 地下水（水文地质hydrogeological conditions） 地应力（natural stress）

地形条件 在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。 隧洞进出口地段的边坡应下徒上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证河—口坡的安全。在地形徒的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保钲边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。 隧洞选线利用沟谷示意图

岩性条件 岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。 岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于修建大型的地下工程。 凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。 松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。 此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。

地质构造条件 地质构造是控制岩体毙整性及渗透性的重要因素。 1．褶皱(fold)的影响 褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩体完整性最差。 （1）背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。 （2）向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。 2．断裂(fault)的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应尽量避开大断层。

岩层产状 (1)洞室轴线与岩层走向垂直。 这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。 (2)洞室轴线与岩层走向平行。 1）当岩层近于水平(倾角<100)时， 软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。 2）在倾斜岩层中，一般说来是不利的。

陡倾岩层中洞址 缓倾岩层中洞址 陡立岩层中洞址 陡立岩层岩性分界处洞址 水平岩层中洞址 倾斜岩层中洞址

地下水(水文地质) 地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常常和地下水的活动有关。 地下工程与地下水位关系： 1．在包气带中开挖地下工程，雨季可能沿裂隙滴水，旱季干燥，但是当地表有大面积稳定的地表水体时，也可能遇到集中的渗流。 2．地下水位变幅带(，涌水量及外水压力随季节而变化，由于岩体饱水脱水交替变化，可以加速软弱破碎岩石性质的恶化引起塌方。 3．在地下水位以下的地下工程，一开始施工就可能有较大的涌水和渗透压力，因此要作好防水排水设计。

地应力 在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力重分布的特征，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。 1．初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。 2．当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。

第4节、围岩压力 山岩压力也称围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。 根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山压几种类型。 变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。具有随时间延长而增大的特点。 松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。 冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。

围岩压力的确定方法 1．散粒体理论 （1）普氏压力拱(pressure arch)理论 （2）太沙基理论 （3）围岩压力系数法(coefficient of country rock) 2．弹塑性（elastic and plastic）平衡(equilibrium)理论 适用于具有镶嵌结构和碎裂结构的岩体 3．流变(flow)—徐变理论 4．块体极限半衡法(limit equilibrium)

第5节、水工隧洞围岩的承载力 1.外部水压力 是地下水在渗流过程中，作用在围岩和衬砌中的体积力，也是水工隧洞的基本荷载之一。

围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性抗力系数表示的。 2.弹性抗力 对于有压隧洞，由于常存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力。因此，弹性抗力是有压隧洞设计时必须确定的重要参数之一。 围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性抗力系数表示的。 内水压力作用下的洞径变形

弹性抗力系数的概念 根据文克尔假定，抗力系数K为Ｋ＝Ｐ／Ｙ 式中：K为弹性抗力系数(MPa／cm)； Ｐ为围岩所承受的压力，对于有压隧洞即为内水压(MPa)； Ｙ为洞壁的径向变形(cm)。 从上式看出，K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值愈大，说明围岩承受内水压力的能力愈大。假设岩体是理想的弹性体，对于圆形隧洞，K值与岩体弹性模量之间有如下的关系：　　　　　　　　 式中：Ｅ为岩体的弹性模量或变形模量(MPa)，µ为泊松比，r为隧洞半径(cm)。 从上式可以看出，隧洞半径愈大，K值愈小，在工程上为了便于比较，常采用隧洞半径为1m(100cm)时的弹性抗力系数，作为单位抗力系数K0，即

影响弹性抗力系数大小的因素： 1）压力的大小和岩土体的强度特征； 2）受力方向和主要结构面的关系； 3）围岩的初始应力状态。

　弹性抗力系数的确定方法 确定围岩抗力系数的方法有试验法、计算法和工程类比法等。 （１）试验的方法常用的有橡皮囊法、径向千斤顶法和隧洞水压法等，具体内容可参看有关的试验规程。 （２）计算法是根据抗力系数与岩体弹性模量及泊松比之间的关系确定的。 对于坚硬完整的岩体， 对于软弱或破碎岩体，洞室开挖后洞壁周围会形成一个半径为只的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算；

工程（经验）类比法 对于中小工程不能进行试验时，可采用工程类比的经验方法确定K值。表7—10是我国水工隧洞规范(1964年)所列举的各类岩体抗力系数经验值。表中关于无压隧洞K。值适用于开挖宽度为5～10m的隧洞，当开挖宽度大于10m时，K0应适当降低。

第四节 山岩压力与弹性抗力 一、山岩压力

3.高压隧洞得围岩承载力 （1）岩体上抬理论 P1为洞壁的径向水压力，上抬力为P1D，上部岩柱的重量为rHD， 则： P1D = rHD 极限状态 P1D ＜ rHD 稳定状态 P1D ＞ rHD 不稳定状态 当径向水压力P1等于内水压力P时， 岩体的最小覆盖厚度应为：

（2）岩石拉力理论 洞室周边上的拉应力 洞顶底部拉应力 洞侧壁拉应力 破裂区的深度X 上覆岩体的最小厚度H

当岩体过分破碎时，一般不允许修高压隧洞； 经验确定上覆岩体的最小厚度H 当岩体坚硬完整时，覆盖比取0.2~0.25； 裂隙较发育的岩体，覆盖比取0.3~0.4； 软弱和破碎的岩体，覆盖比取0.5~0.7； 当岩体过分破碎时，一般不允许修高压隧洞；

（3）节理岩体中地下洞室超挖预测 节理化岩体洞室超挖的定义 1) 具有明显的横剖面形状； 2）超挖是非故意形成的不稳定体的体积； 3）超挖主要原因有两类：人为和自然原因。 超挖预测的方法 超挖预测的技术及规划

第6节、地下洞室围岩工程地质分类 一、按围岩强度或岩体 力学属性的分类 二、按围岩稳定性的综合分类 三、按岩体质量等级的围岩分类

我国曾经按岩石的极限抗压强度把岩石分为四类：特坚硬、坚硬、次坚硬、软岩。 1.按围岩的强度或岩体力学属性的分类 （1）20世纪50年代 我国曾经按岩石的极限抗压强度把岩石分为四类：特坚硬、坚硬、次坚硬、软岩。 同时，按岩石坚固性系数值大小的普氏分类也被采用。 （2）20世纪70年代 中国科学院地质研究所和长春地质学院提出了按岩体属性分类，不同类型的岩体采用不同的计算方法。 39

2.按围岩稳定性的综合分类 （1）1972年以来，中国科学院、国家建委及铁道部门先后提出了按岩体结构的分类方法。 （2）1985年水利电力部颁布的《水工隧洞设计规范（84）》中，建议按岩体结构、结构面及其组合状态、地下水的状态等地质因素评价围岩的稳定性，并且把围岩划分为稳定、基本稳定、稳定性差、不稳定和极不稳定五个围岩类别。

工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类。为综合性分类. 3.按岩体质量等级的围岩分类 工程应用分类是以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的分类。为综合性分类. 目前主要考虑三方面因素的指标：即 与岩石工程性质有关的指标（力学性质）、 岩体后期改造有关的指标(岩体结构) 岩体赋存条件方面的指标（地下水或地应力）。 RMR(宾尼亚斯基分类，Bieniawski); RSR（威克霍姆 ）分类 巴顿的Q分类; 谷德振的岩体质量指标Z系统分类（1979）; 围岩工程地质分类 工程岩体分级标准基本指标BQ

岩体质量分类代表性方案 Q 系 统 R M 系统 R S R 系统 Z系统 很好 Q 400—1000 . Jr/Ja . Jw/SRF 分类方案 岩体质量指标计算公式及方法 参数 等级划分 R M 系统 A—岩石强度（点荷载.单轴压) 分数 15—0 I 很好 RMR 100—81 II 好 RMR 80—61 III 中等 RMR 60—41 IV 差 RMR 40—21 V 很差 RMR<=20 RMR=A+B+C+D +E+F 和差综合法 （并联系统） （T. Bieniawski,1973) B—RQD(岩石质量指标） 分数 20—3 C—不连续面间距（>2m—<3m)分数 20—5 D—不连续面性状（粗糙—夹泥） 分数 30—0 E—地下水（干燥—流动）分数 15—0 F—不连续面产状条件（很好—很差） 分数 0—-12 R RSR=A+B+C 和差综合法 （并联系统） （G.Wickham,1974) A—地质（岩石类型：按三大岩类由硬质至破碎划分四个等级。 构造由整体—强烈断裂褶皱分为四等），分数 30—6 S B—节理裂隙特征（按整体至极密集分为6个等级，按走向 倾角与掘进方向关系折减）分数 45—7 RSR的变化范围 25—100 R 系统 C—地下水（无至大量） 分数 25—6 RQD—岩石质量指标 0—100 很好 Q 400—1000 极好 Q 100—400 很好 Q 40—100 好 Q 10—40 一般 Q 4 —10 坏 Q 1—4 很坏 Q 0.1—1 坏 Q 0.01—0.1 特坏 Q 0.001—0.01 Q=RQD/Jn . Jr/Ja . Jw/SRF Q 系 统 Jn—裂隙组数，无裂—破裂 ，0.5—20 Jr—裂隙粗糙度，粗糙—镜面，4—0.5 Ja—裂隙蚀变程度，新鲜—蚀变夹泥，0.75—20 Jw—裂隙水折减系数，干燥—特大水流，1—0.05 乘积法 串联系统 （Baton, 1974) SRF—应力折减系数，表示洞室开挖中岩性和地应力对 围岩抗变形能力的折减，高者可达20（高应力状态 岩石 趋于流动），低者2.5（接近地表的坚硬岩石） Z系统 Z=I . f . R 乘积法 （串联系统） 谷德振，1979 I—完整性系数，I=V2m/V2r Vm—岩体中纵波速 Vr—岩石中纵波速 f—结构面抗剪强度系数 R—岩石坚固系数（为岩石湿单轴抗压强度的百分之一） Z的变化范围为0.01—20

第7节、改善地下洞室围岩稳定性的措施 1.支护与衬砌 （1）支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施，按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。 （2）衬砌 衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬完整的岩体中，围岩的自稳能力高，也可以不衬砌。

分部开挖、逐步扩挖示意图

衬砌类型示意图

2.喷锚支护 当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为5～20cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。

（1）喷射混凝土 喷射混凝土的作用

喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图

楔缝式及楔头式锚杆

胀壳式及砂浆粘结式预应力锚杆

（2）锚杆的作用 锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为下述三个方面。 (1)悬吊作用。 (2)组合作用。对于层状岩层，锚杆可以将数层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能力。 (3)加固作用。 为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层和钢丝网来配合。

支护时间与支护压力关系图