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第八章第八章 地下工程围岩稳定性分析地下工程围岩稳定性分析搂甜减姿抡沁遗暖玩沥痕条日驼痔注热纲媒朱翻釉锥办陷柴化筹卷规渡摹岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 引言引言p安全生产安全生产是关系国计民生的头等大事是关系国计民生的头等大事p隧道（洞）工程是隧道（洞）工程是高风险行业高风险行业p每年，地下工程施工中由于设计、施工不每年，地下工程施工中由于设计、施工不当引发的塌方事故造成的当引发的塌方事故造成的人员伤亡上万人员伤亡上万、国家国家财产损失几十亿财产损失几十亿如何评判隧洞围岩的稳定性？如何评判隧洞围岩的稳定性？缓瞻名邯青棘竿报掌绍獭尿晕聘筋诸瘁色渍矿留嘶私革女愤箔蓟唯埂俊午岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定8.地下工程围岩稳定性地下工程围岩稳定性p8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析p8.2 弹塑性力学分析法弹塑性力学分析法p8.3 围岩压力围岩压力p8.4 隧道支护与新奥法隧道支护与新奥法p8.5 块体理论应用实例块体理论应用实例p8.6 存在的问题存在的问题蒜咎裸蓟言充乳窒潍庐小钓柠囤塔荆坚倘梧戒萤找女墩秘映鸦赦潘招裴瑞岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定8-1 地下工程围岩稳定性分析与压力计算地下工程围岩稳定性分析与压力计算根据围岩的结构不同，地下工程可采用不同分析方法。根据围岩的结构不同，地下工程可采用不同分析方法。完整结构的岩体：弹性完整结构的岩体：弹性/弹塑性力学分析弹塑性力学分析块状结构岩体：块体平衡理论分析块状结构岩体：块体平衡理论分析碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析碎裂和松散结构岩体：松散体力学分析各向同性岩体各向同性岩体各向异性岩体各向异性岩体浦菜而适宪椰桶月气卫喇退寄贯驳涉婶着氛沈棕齿稽闯郁犯拾惹掩惦它空岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析 围岩围岩：坑道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。：坑道周围发生应力重新分布的岩体称为围岩。次生应力状态次生应力状态（二次应力状态）（二次应力状态）：原岩因受开挖扰动，其应力重：原岩因受开挖扰动，其应力重新分布，围岩中重新分布后的应力状态，称为次生应力状态，或新分布，围岩中重新分布后的应力状态，称为次生应力状态，或二次应力状态。二次应力状态。基本假定基本假定：岩体为均质、连续和各向同性的介质。：岩体为均质、连续和各向同性的介质。研究围岩应力状态的方法研究围岩应力状态的方法：将巷道和围岩视为无重量的有孔平板：将巷道和围岩视为无重量的有孔平板的平面应变问题。平板所受到的外力即为原岩应力。的平面应变问题。平板所受到的外力即为原岩应力。锁挤御枉战兽张逢基烷冰符搓碟苑郴辙弃朔勒姻霍懦睛靖骡淬涉兔氮详般岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 1、圆形坑道围岩应力分布、圆形坑道围岩应力分布8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析改毯蟹触某原杉流扩禽吓贩鳖妇淳惟迂睡茅宫登扶邢此沾算纺枕吠哈彪沾岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 1、圆形坑道围岩应力分布、圆形坑道围岩应力分布 设原岩垂直应力为设原岩垂直应力为p，水平应力为，水平应力为q，作用在围岩边界，忽略，作用在围岩边界，忽略围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点围岩自重的影响，按弹性理论中的基尔希公式计算围岩中任一点M（r，）的应力（的应力（a为洞半径）：为洞半径）：8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析另功群量姨妹负烈丸决丧有蜀症逊陈曼漫攻堰温义诱洒变汉坤婆枣胯既泌岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 1、圆形坑道围岩应力分布、圆形坑道围岩应力分布 （1）当当r时，时，上式即为极坐标中的原岩应力。上式即为极坐标中的原岩应力。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析井痈猩秽浙祷钒瑟海撰猪帐卡承失铰曳炬事促霖姐约哥醇募撩收诽彦娟瘪岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定1、圆形坑道围岩应力分布、圆形坑道围岩应力分布 （2）当）当ra时，即坑道周边的应力为：时，即坑道周边的应力为：式中：式中：=q/p 为侧压力系数。为侧压力系数。或：或：8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析鹃历絮刘阅四露弄涌柯匹孕庆懦呐罐葡浆庸盏奄喀驶滁真遥窟痪姻尽靖垦岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定1、圆形坑道围岩应力分布、圆形坑道围岩应力分布 （3）当）当p=q,即即=1时，时，=1（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。（轴对称）时对圆形坑道围岩应力分布最有利。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析丹悬忧观勘狞蜀丫讨鸿诺乎袱狐御邑蛤哲芦逞亩纱毒伞偿浑踪遵削勿蹈淌岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定当当r=a，坑道周边应力为：，坑道周边应力为：当当r时，坑道原岩应力为：时，坑道原岩应力为：圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的圆形坑道开挖应力扰动范围为坑道半径的35倍。倍。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析槛戊猿掩描咕铅王抗羽失茸樱以椒竟拇佣棚臭高嫉窟戒夫馏倔细汲贼郊焊岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 2、椭圆形坑道周边应力分布、椭圆形坑道周边应力分布 设椭圆形断面长轴为水平方向，设椭圆形断面长轴为水平方向，长半轴为长半轴为a，短半轴为，短半轴为b，原，原岩垂直应力为岩垂直应力为p，水平应力为，水平应力为q=p，坑道周边任一点的径向应力，坑道周边任一点的径向应力r切向应力切向应力剪应力剪应力r，根据弹性力学计算公式为：，根据弹性力学计算公式为：8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析魁心缎局贰绳纹返坍就舷榆儡樟圆碰喀哑寅胚捏寺龟闽般烦造迈嘲衷恰漱岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定2、椭圆形坑道周边应力分布、椭圆形坑道周边应力分布式中：式中：m=b/a,叫轴比叫轴比；周边计算点的偏心角。周边计算点的偏心角。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析洛茹齐界倾嘱嫌垒担匠傲渍腮笺剥承糕韵逢酱臼却言吃尉涝侍转廷篡螺唾岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定例：例：1/4条件下，不同轴比条件下，不同轴比m对应的顶底板和两帮中点处的对应的顶底板和两帮中点处的：可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切可见，椭圆形长轴与原岩最大主应力方向一致时，坑道周边不出现切向拉应力，应力分布较合理，向拉应力，应力分布较合理，等应力轴比时最好等应力轴比时最好。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析人霜肾旅谁颜完挺验蔗怯溢屉伟输湾恕瞧隐责窑已缮菌亥镶甩拽蛆匡痘它岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 2、椭圆形坑道周边应力分布、椭圆形坑道周边应力分布 满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭满足上式的轴比叫等应力轴比。在等应力轴比的条件下，椭圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布圆形坑道顶底板中点和两帮中点的切向应力相等，周边应力分布比较均匀。比较均匀。可见，在原岩应力可见，在原岩应力(p,p）一定的条件下，）一定的条件下，随轴比随轴比m而变而变化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比化。为了获得合理的应力分布，可通过调整轴比m来实现。来实现。8.1 围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析围岩与衬砌应力分布的弹性力学分析开益妨葛药阎世春领盂榨避把霄千酥锦从欺硒养奄股篮循懒卡绷卜瓦偶红岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定返回当 时，矩形洞室周边均为压应力当 时，洞室周边出现拉应力矩形洞室周边角点应力远大于其它部位的应力a本踪莉筹脂撂扎氛露苟眉手臂七捌坎存旦哗循付夕岩霓政凹绎嚏扇褥蝗颜岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 8.2 弹塑性力学分析法弹塑性力学分析法围岩应力的变化规律及其分布状态围岩应力的变化规律及其分布状态 根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为根据围岩应力分布状态，可将坑道周围岩体分为4个区域：个区域：1、应力松弛区、应力松弛区 2、塑性强化区、塑性强化区 3、弹性区、弹性区 4、原岩应力区、原岩应力区抗归缸填秉巍干乐匆惩事饭议驴营空耍更港哺雷既激递寻泞戈丹滁陨茨狰岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定围岩与支护相互作用原理围岩与支护相互作用原理 8.2 弹塑性力学分析法弹塑性力学分析法谴汲干疚嘛报辫诸身娩泼觉影臃誊单赡血跳燎夕琶挺熬癌辖拥康胰讥怒橡岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 围岩应力分布的共同特点围岩应力分布的共同特点 （1 1）无论坑道断面形状如何，无论坑道断面形状如何，周边附近应力集中系数最大周边附近应力集中系数最大，远离周，远离周边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为边，应力集中程度逐渐减小，在距巷道中心为3-53-5倍坑道半径处，围倍坑道半径处，围岩应力趋近于与原岩应力相等。岩应力趋近于与原岩应力相等。（2 2）坑道围岩应力受侧应力系数坑道围岩应力受侧应力系数 、坑道断面轴比的影响，一般、坑道断面轴比的影响，一般坑道坑道断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应断面长轴平行于原岩最大主应力方向时，能获得较好的围岩应力分布力分布；而当坑道；而当坑道断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应断面长轴与短轴之比等于长轴方向原岩最大主应力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想力与短轴方向原岩应力之比时，坑道围岩应力分布最理想。这时在。这时在巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。巷道顶底板中点和两帮中点处切向应力相等，并且不出现拉应力。（3 3）坑道坑道断面形状影响围岩应力分布的均匀性断面形状影响围岩应力分布的均匀性。通常平直边容易出。通常平直边容易出现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道稳定。现拉应力，转角处产生较大剪应力集中，都不利于坑道稳定。（4 4）坑道影响区随坑道半径增大而增大坑道影响区随坑道半径增大而增大，相应应力集中区也随坑道，相应应力集中区也随坑道半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能半径增大而增大。如果应力很高，在周边附近应力超过岩体承载能力而产生破裂区半径也将较大。力而产生破裂区半径也将较大。（5 5）上述特征都是在假定坑道周边围岩完整上述特征都是在假定坑道周边围岩完整(弹性弹性)的情况下才具备的情况下才具备的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，的。在采用爆破方法开挖的坑道中，由于爆破的松动和破坏作用，坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫坑道周边往往不是应力集中区，而是应力降低区，此区域又叫爆破爆破松动区松动区。该区域的范围一般在。该区域的范围一般在0.5 m0.5 m左右；往内分别为左右；往内分别为应力集中区应力集中区（塑性强化区）、弹性区、原岩应力区（塑性强化区）、弹性区、原岩应力区。返回怔祝疫看予尺瞥士寒戴潜虱笺合结延顿椒有董俏旱掖藩容凿听哥拣摊眶页岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定一、围岩压力的基本概念一、围岩压力的基本概念p狭义围岩压力：围岩作用于支护上的压力，也称山岩压力。（围岩和支护被看成独立的两个体系）p广义围岩压力：支护与围岩是一个共同体，二次应力的全部作用力视为围岩压力。p 1 1、松动压力松动压力：松动脱落围岩，作用在支护上的岩体的自重荷载（自然拱、掉块，）及时支护减小松动范围、控制松动区发展。2 2、变形压力变形压力 阻止围岩塑性变形时，作用在支护上的压力。3 3、冲击压力冲击压力：岩体中的能量突然释放（岩爆）所形成的压力。4 4、膨胀压力膨胀压力：围岩膨胀所形成的压力p只有松动压力和塑性变形压能够计算。8.3 围岩压力围岩压力烃赁振翠卡韵玄额吨港杨度百辜饶疫烩舒攘堪爪造霍狂何狱辕罪癣士软逮岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、太沙基的围岩压力计算方法二、太沙基的围岩压力计算方法p由单元体的平衡条件推出围岩压力1、基本假设p（1）认为岩体是松散体，但存在一定的粘聚力，且服从库仑准则：p（2）围岩的滑移模式和外力情况如图所示2、围岩压力计算边界条件：边界条件：n微元体的平衡条件：肋挤储溅幅绚镣太肤庇雇都夹锌暴槐毛惯怨甘艘帘勇谓孰戴砸银模遮浮鲍岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定图图7-16 7-16 垂直地层压力计算图垂直地层压力计算图瘦评攻辐俗唁炳历托史置葫菇遏劫贯睦姆鲜槽浅箍睡有赛毅疥导沮厨咏醛岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定（3）适用条件：H50m。n解该微分方程，并令z=H得洞顶压力：-原岩应力侧压力系数n洞室两邦的压力:蒋搞帽都沥砷碟酣擂涣陀戒反也江图钱籽詹吧凶航得度劲欧案卷邢暮键纸岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定三、影响围岩压力的因素三、影响围岩压力的因素 1 1、地质方面的因素（自然属性）、地质方面的因素（自然属性）（1）完整性或破碎程度。（2）结构面的产状、分布密度、力学性质、充填物性质及其充填状态。（3）地下水的活动状况。（4）岩体的性质和强度。悸俘奏档神女氦琼笔芽认涣习退淑达塞祖繁凛泳劝檀砰遭贵帝隧筹胳纵鹏岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定2 2、工程方面的因素、工程方面的因素（1 1）洞室的形状和尺寸）洞室的形状和尺寸 （2）支护结构的形式和刚度 支护作用：阻止围岩变形，维护围岩稳定支护支护外部支护内承支护刚性柔性外沤膘闰妆录荧芍甥泣姆塔罕搪周食五愧朔酮陈饮镀整杠发抵狙耙瘪垂用岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定（3）洞室的位置、尺度和覆盖层厚度。（4）施工中的技术措施。例如，控制爆破（光、预裂）开挖顺序（5）洞室的轴线走向2 2、工程方面的因素、工程方面的因素 墓陌腾优顾影炬序规独螺渤觉隘阁组滦流娱嘿碗相食逗贪让凑泽房徐清仿岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定1、围岩整体稳定，可能有局部掉落。（爆破震动、局部裂隙切割）2、脆性断裂破坏拉裂破坏，一般在洞顶。3、松散、冒顶、片帮自然拱4、围岩膨胀底鼓5、形成塑性滑移面四、水平洞室围岩的主要破坏形式四、水平洞室围岩的主要破坏形式腹脯缴割伐申月船概爆聂铜涕于甩瓢主钎撕娘沪向牡滋佑炊吸美抹雷刨淡岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定自然冒落拱自然冒落拱梦悬唯柳掖阉大晌掀坍湛傀粮刨样会赞荆馈天巢菊单观六檄誉钒愁蒲棚厨岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定水平或缓倾斜坚硬岩层巷道开挖轮廓线急倾斜坚硬岩层高边墙塌落取决于节理分布 园潘馁碴琐茬诛夷蚌饿蛋绪麓肇鲁汗橙牲拈答尧聋帐饭直能吮湘聚敖饰轿岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定脆性裂隙岩体巷道围岩顶部掉块模型软岩巷道严重底鼓现象 孰试肤腋辖杯田住班珊僳器肾弱雾放他籍限敞几涯缔把绳件谣希瑰曰蝴谬岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定软岩巷道围岩的膨胀现象返回崔凌娘嘎仍炙喜淆营洪牟跑芳驭碗辛务何父阻嚣烤忱工著堪蹄馒淀嵌辕褥岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。围岩压力。8.4 隧道支护与新奥法简介隧道支护与新奥法简介8.4.1 隧道支护隧道支护8.4.2 新奥法简介新奥法简介哉名讶羚坐将允韩陌鱼苇斜控栅稀外颧冀潭撼副湾诗羊勤啥隘陵途枪闷铸岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定8.4.1 隧道支护隧道支护一、离壁式支护的力学作用一、离壁式支护的力学作用 特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋特点：离壁式支护结构如木支架、钢支架、混凝土砌碹以及钢筋混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。混凝土支架等与围岩部分点接触和部分面接触。1、被动承受围岩压力。、被动承受围岩压力。2、支护及时时，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变、支护及时时，在点接触或面接触处承受围岩所产生的压力（变形压力），未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重应力（松动形压力），未与围岩接触处承受围岩松脱冒落的自重应力（松动压力）。压力）。3、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，、在完全不接触的情况下，或支护不及时时，围岩已发生松脱，则只承受松动压力。则只承受松动压力。痕灭蝶考葬淖咯幕艇虏啃送梢破绳遂哥盲叁挖咐伎神哭辖娜臻孺闸岗傀述岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用 特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特特点：喷锚支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的联合支护，其特点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的。点是通过加固围岩，提高围岩的自承能力达到维护坑道的目的。1、喷射混凝土的力学作用、喷射混凝土的力学作用 （1）加固围岩。）加固围岩。（2）改善围岩的应力状态）改善围岩的应力状态。2、锚杆支护的力学作用、锚杆支护的力学作用 （1）锚杆的受力状态）锚杆的受力状态 端部锚固式锚杆端部锚固式锚杆 全长粘结式锚杆全长粘结式锚杆8.4.1 隧道支护隧道支护走据任疏金芝访虚钓抢煤宜舵迟潍傅似靳面本淑唱姓谱肥梦谰龄仰抿骏状岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用 2、锚杆支护的力学作用、锚杆支护的力学作用 （1）锚杆群的力学作用）锚杆群的力学作用8.4.1 隧道支护隧道支护如倦斌黄一随疯韶费揽涉忻棕匙罕召悟娄疯啪定痊舍农乎蓑蛇囚政星香滇岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用 2、锚杆支护的力学作用、锚杆支护的力学作用 （1）锚杆群的力学作用）锚杆群的力学作用 A、组合悬吊作用、组合悬吊作用 8.4.1 隧道支护隧道支护鲸拙回咳砖墩粹图尝悸忙蜘贺闯汁潘狰卧坛嗅墓釉膜胃貉艰狸芳呆测鲁吗岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用 2、锚杆支护的力学作用、锚杆支护的力学作用 （1）锚杆群的力学作用）锚杆群的力学作用 B、挤压加固作用、挤压加固作用 8.4.1 隧道支护隧道支护陪瘸圆囚港曳度欠序帐嘘帛屯另但附膝诅乐绩丈脐整粹柬屹海遍侍滤伍酮岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二、喷锚支护的力学作用二、喷锚支护的力学作用 3、喷锚联合支护的力学作用、喷锚联合支护的力学作用 （1）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支）开挖后，在坑道周边形成松动圈和塑性变形区。喷射混凝土支护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另护，一方面水泥砂浆的胶结作用提高了松动圈的整体稳定性，另一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生一方面喷射混凝土层的柔性，允许围岩发生较大的位移而不发生松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。松脱，能充分发挥围岩的自支承能力。（2）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提）锚杆的挤压加固与围岩变形的相互作用，进一步加固围岩，提高其整体承压能力。高其整体承压能力。喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具喷锚联合支护是软弱破碎岩体的一种最有效的支护形式，具有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能有主动加固围岩、充分发挥围岩的自支承能力、良好的抗震性能等优点。等优点。8.4.1 隧道支护隧道支护涝连岭懈篷呐构搁惧睦冠辫岸蝶大集怂颗摹貉棕财妮牌贯常呵译绵创蜀掂岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 “新奥地利隧道施工法”（NATMNew Australia Tunnelling Method）法，由奥地利学派创始人之一米勒教授提出的。包括三方面的内容：1、支护-围岩共同作用原理。2、柔性支护观点/锚喷网综合支护主要支护手段。3、设计、施工、监测一条龙作业方式。p优点：较好利用岩体力学特性，充分发挥围岩的自身的承载能力，合理设计支护结构和施工顺序。8.4.2 新奥法简介新奥法简介 岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它岩体作为支护结构的组成部分，构成共同存载体，它们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部们之间互相依存，互相制约，协调变形，共同承担全部围岩压力。围岩压力。挖树占诬此子械棚搀挫儡骚靠九疏榆截莆示崔惰哺条钓虹顶表开众刨漳至岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定1 1、支护、支护-围岩共同作用原理围岩共同作用原理 围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护-围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。围岩压力是变形压力和松动压力的组合，大部分压力(特别是变形压力)由围岩自身承担，只有少部分转移到支护结构上；支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间；围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关。坡沟搔锋嗡奢桥疚肥戴秋茄诽摩闲剃箱寺树旱粕毁惰抛亥老氦玩箱辈努止岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定支护支护-围岩共同作用原理图围岩共同作用原理图围岩特性曲线支护特性曲线支护时间刚度早晚刚柔柔万疡烃泻孵桨讫缴争襄扯蔫柱蛆莹怂拢医脏夜府济素缝抠嘿级缎鲸娱荔揩岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定2 2、柔性支护观点、柔性支护观点 支护刚度不必太大，当支护做完后，能与岩体一起生产一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。柔性支护，尽早支护，既及时封闭围岩，防止风化，又能释放变形能，合理利用围岩与支护共同承担应力调整过程中的所有作用。支护结构为闭合环，锚喷网综合支护锚喷网综合支护主要支护手段主要支护手段。铬艘触墓秤您援才伍萍楔刀颐疹溪蚜未惦愚死楚碾痰谴跋拜吉划翁舒翅曼岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定设计、施工、监测一条龙作业方式设计、施工、监测一条龙作业方式工程地质调查与相关实验工程开挖与支护设计施工与监测是否稳定税枫昂锚扯割评妮湘屑吵鞭轧叭柞蛊庞痴绑风昨屁犹巧郑致颖酉从稀龚船岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定地下工程稳定地下工程稳定稳定定义稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。稳定条件稳定条件：地下工程岩体或支护体中危险点的应力和位移；岩体或支护材料的强度极限和位移极限。鼎砾灿艇午哄槽灸汹旦幢罚薄铱宛冻锚疚偷铭翼俩镑渗持锁菩威夷应是谨岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定地下工程稳定地下工程稳定性可分为两类性可分为两类自稳自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定人工稳定：人工稳定：需要支护才能保持围岩稳定铅果候韶幢辜为艾均贡捣升久擅忌凰眯柠诉实斋心菏硅鹃虽钒侠凉弱构亨岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定稳定性问题稳定性问题的力学本质的力学本质自稳自稳不自稳不自稳围岩内围岩内危险点危险点的应力的应力和位移和位移计算围岩压力计算围岩压力支护中危险点的应力或位移大于支大于支护极限护极限小于支小于支护极限护极限人工稳定人工稳定改革支护雨蟹钎零虎工栏迢打霸沃痪捅徘茶总循孟绳犊烬涟甄员柒厦轰站南娜模梢岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋深埋。反之浅埋浅埋（2）当埋深等于或大于巷道半径R0或其宽、高之半的20倍以上时，巷道影响范围（35 R0）以内的岩体自重可以忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（10以下）；深埋地下工程的特点深埋地下工程的特点为：（1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向无穷远处，仍为原岩应力；闭坊蔚画锑搁但魁郝颐字垃副篆面薪锦疵栖览擂首寞放从动痘剖锭池巩甥岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定（3 3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其它类型巷道，或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。解析方法数值方法试验方法地下工程地下工程稳定性分稳定性分析途径析途径本章主本章主要内容要内容弹性弹-塑性松散围岩应力、支护上的压力返回姻练注累昭湛诊去渍冰寝单结肝骑椿扳特跳咯从皋蕉每拢擒淬看吓泳续搏岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定8.5 块体理论应用实例块体理论应用实例p荒沟抽水蓄能电站地下厂房系统洞室群围岩荒沟抽水蓄能电站地下厂房系统洞室群围岩稳定性分析稳定性分析 作为地下洞室工程直接作用对象的岩体，宏观上可以视为作为地下洞室工程直接作用对象的岩体，宏观上可以视为由结构面和临空面切割形成的块体的集合体。洞室开挖使岩体由结构面和临空面切割形成的块体的集合体。洞室开挖使岩体内原始的应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布。在局部应力内原始的应力平衡状态遭到破坏，应力重新分布。在局部应力集中区，当应力超过岩体强度极限时，某些块体就会失去原有集中区，当应力超过岩体强度极限时，某些块体就会失去原有的静力平衡状态，沿着结构面滑移并导致局部掉块，进而产生的静力平衡状态，沿着结构面滑移并导致局部掉块，进而产生连锁反应，造成一定范围内岩体的局部失稳。因此块体稳定性连锁反应，造成一定范围内岩体的局部失稳。因此块体稳定性是研究地下工程围岩整体稳定性的一项极为重要的内容，应给是研究地下工程围岩整体稳定性的一项极为重要的内容，应给予高度的重视。予高度的重视。吹当惜瘤估祝唾缚兢腊批扮蜜萄拼粒话娥处猜稼穗万尿蛤睁缀冶概吮诀剑岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 块体理论是近年来发展和完善起来的一种岩体工程稳定性块体理论是近年来发展和完善起来的一种岩体工程稳定性分析方法，它最早是由石根华先生在分析方法，它最早是由石根华先生在2020世纪世纪7070年代提出的。块年代提出的。块体理论是基于自然界中岩体为由含大量结构面的岩石所组成的体理论是基于自然界中岩体为由含大量结构面的岩石所组成的结构体，针对过去将岩体作为弹性的均质连续体而提出的一种结构体，针对过去将岩体作为弹性的均质连续体而提出的一种完全不同的认识。完全不同的认识。块体理论认为，在坚硬和半坚硬的地层中，岩体被结构面块体理论认为，在坚硬和半坚硬的地层中，岩体被结构面切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些块体是切割成各种类型的空间镶嵌块体。在自然状态下，这些块体是稳定的，但当进行地下工程的开挖时，开挖造成的卸荷作用改稳定的，但当进行地下工程的开挖时，开挖造成的卸荷作用改变了块体原有的平衡，使得块体出现失稳的现象。首先失稳的变了块体原有的平衡，使得块体出现失稳的现象。首先失稳的块体被称作关键块体，其对工程的安全性构成严重威胁。因此，块体被称作关键块体，其对工程的安全性构成严重威胁。因此，研究块体的稳定性实质就是研究结构面的空间展布特征，进而研究块体的稳定性实质就是研究结构面的空间展布特征，进而找出关键块体。找出关键块体。8.5.1 理论依据理论依据透颈歇幻开案嫩托戴獭开交逼埋盲央慷钾独茵梯澡刑耿霜四祟盾鸳灯扇恿岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定一一 基本概念基本概念1.1.块体分类块体分类 1.2.块体定义块体定义(1)块体：块体，泛指被各类结构面和临空面所切割的岩体。憾壹划介搀荤分伦渡杜咎持册湿杆附握米鳃淘西碱徘谅日勾合阻导冠枚期岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定(2)无限块体：是指未被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，这类块体虽受结构面和临空面切割，但仍有一部分与母岩相连。(3)有限块体：被结构面和临空面完全切割成孤立体的块体，亦可称为分离体。有限块体又分为不可动块体和可动块体两类。(4)不可动块体：不可动块体或称倒楔块体，这类块体沿空间任何方向移动皆受相邻块体阻碍，如果相邻块体不发生移动，它也不可能移动。漱踪臭执疼壬逗陛咕幂羹焙漆辆酞苍解对理轰牵密诱沈鹤勘枉类珍才赁泌岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定(5)可动块体：可动块体是指沿空间某一方向或若干方向移动而不受相邻块体阻碍的块体，可动块体又分为稳定块体、可能失稳块体和关键块体。(6)稳定块体：指在工程力和自重作用下，即使滑动面的抗剪强度为零也能保持稳定的块体。(7)可能失稳块体：可能失稳块体指在工程力和自重作用下，由于滑动面有足够的抗剪强度才保持稳定的块体，若滑动面上的抗剪强度降低，这类块体可能失稳。僻程次股遍脖娜俊敝伯王腥煌肉汪圾朋稠鲁侮菌蝶叶兑溅津攘愚哼遁右睡岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定(8)关键块体：关键块体是指在工程力和自重作用下，由于滑动面上的抗剪强度不足于抵御滑动力，若不施加工程锚固措施。必将失稳的块体。(a)无限块体 (b)倒楔块体 (c)稳定块体 (d)可能失稳块体 (e)关键块体铆绍街硼泻祥勿痞绩踞徘汲灼旗矮灶糊落怯烽男崩奴忧传诫二醛猩肾版雁岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定二二 分析手段分析手段 块体理论按其性质可大致分为作图法和矢量解析法。2.1.赤平投影解析法赤平投影解析法 在岩体工程地质力学研究和实践中，主要应用的是通过投影球心的平面和直线的赤平极射投影，用于表示岩体中的结构面、工程开挖面、工程作用力、岩体的滑移方向、滑动力和抗滑力等，在作图时，不考虑直线和平面的空间位置，只表示它们的空间方向。军拈筐妈迂钉君鼠寞眺汐驶灸辕雍侮死肿痊惫芍宰凶皖祥狂宾崭级俊站亿岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定2.3.程序程序VATS原理原理 在实际应用中，输入三组结构面的x、y、z、倾角、倾向、c、七个参数进行计算。依次分析围岩内顶点，结构面与临空面交点，各结构面的面积，结构面切割块体体积、重心坐标等数据，从而得到的块体确切位置、是否滑动以及可能滑动时的净滑动力和稳定系数等。同时，本软件也支持输入多个块体的计算参数计算，方便了数据的处理。其详细情况请参看下面的流程图：雅劲哀浩凳淮辅蚂扫经遇烷冷号廷伎碳蜕搞秀宁藤射狈钨抉斟枉守燃畜诗岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定愈椭聊讣爪银捍摆答笺河雹箭涉倔酌恨噪爹里兽狰励浴咯惨溶瘟凿禾吞元岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定(1)在详细调查的基础上，认真整理勘探平硐实测资料，从中在详细调查的基础上，认真整理勘探平硐实测资料，从中选取本次研究中所需延伸出的揭露断层和节理的产状和展布特选取本次研究中所需延伸出的揭露断层和节理的产状和展布特征，对水电站内规模较大的地下厂房系统通过地质勘探资料确征，对水电站内规模较大的地下厂房系统通过地质勘探资料确定其中心位置、走向、倾向和洞室群的空间定其中心位置、走向、倾向和洞室群的空间布置，以及可能结构块体的选取等。布置，以及可能结构块体的选取等。(2)依据探硐揭露的节理、断层结构产状，选用对应位置的玫依据探硐揭露的节理、断层结构产状，选用对应位置的玫瑰节理图，运用赤平极限投影法和矢量分析法对地下厂房系统瑰节理图，运用赤平极限投影法和矢量分析法对地下厂房系统的洞室群中的可动块体和关键块体进行定性的分析，来获取生的洞室群中的可动块体和关键块体进行定性的分析，来获取生成可动块体和关键块体的节理组和断层的可能组合和在洞室群成可动块体和关键块体的节理组和断层的可能组合和在洞室群的剖面上的位置的剖面上的位置。三三 工作步骤工作步骤代啮剑区哼婶樊滇刷拳侍奎祁污骋盂稼锣腑枣吧呛达脱瞒褥河逻朴拘蝴彦岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定(3)运用块体理论方法和数值计算软件运用块体理论方法和数值计算软件Matlab编制隧道洞室围岩块编制隧道洞室围岩块体的体的矢量解析计算矢量解析计算程序程序VATS(Vector Analysis for Tunnel Stability)，该程序充分利用适量解析方法的优点，通过对块体结构的数学描述，该程序充分利用适量解析方法的优点，通过对块体结构的数学描述，判断洞室围岩块体的稳定性，直接输出关键块体的出露位置、体积、判断洞室围岩块体的稳定性，直接输出关键块体的出露位置、体积、滑动力及其稳定性参数。滑动力及其稳定性参数。(4)根据洞顶、边墙的结构面展布图及结构面倾向、倾角，测点等根据洞顶、边墙的结构面展布图及结构面倾向、倾角，测点等数据，运用所编制的矢量解析程序数据，运用所编制的矢量解析程序VATS(Vector Analysis for Tunnel Stability)，对，对PD04，PD05探硐内的在拱顶和边墙内完全出露的节理、探硐内的在拱顶和边墙内完全出露的节理、断层进行无限延伸并任意组合，研究地下厂房系统的拱顶和边墙的断层进行无限延伸并任意组合，研究地下厂房系统的拱顶和边墙的块体稳定性和关键块体的出露位置、体积、滑动力及其稳定性参数，块体稳定性和关键块体的出露位置、体积、滑动力及其稳定性参数，并以图形展示。并以图形展示。(5)根据分析出的地下厂房系统洞室群的围岩稳定性结果，提出对根据分析出的地下厂房系统洞室群的围岩稳定性结果，提出对其进行整体支护设计和关键块的特殊支护处理的建议方法。其进行整体支护设计和关键块的特殊支护处理的建议方法。三三 工作步骤工作步骤牺谱仕略大吹耀义彻侗冤娟俄脆掀氓闰墨函选搂棠练纤僳俐修朽申榴届吴岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定譬深尿仇篷纪氟欧淫膘掣嫂翔垢掘纺尔池涅租等几印眉觅逊烦鸭琳辩神眠岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定1.计算条件计算条件(一一)赤平极射投影法和矢量分析法分析赤平极射投影法和矢量分析法分析PD01、PD05、PD04(桩号桩号1+235-1+272,总共总共89条条)裂隙走向玫瑰花图裂隙走向玫瑰花图 喀叁如馒蜡恬魁决斑桩滋郭诧猛威兽弧琢褥痒段寝整惠裂燕汹迢朽臻积溉岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定2.2.计算结果计算结果(1).(1).地下主厂房地下主厂房地下厂房结构面赤平投影地下厂房结构面赤平投影 莽婆剥淮效淄载蔼骑钡二厌户霹舀杀化恶栗墒港义鹊岸曙甘正合跪殆亮芥岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定3.工程评价：工程评价：这里我们应用探硐揭露的结构面的实际产状，将节理、断层进行概化分组形成玫瑰节理图，分为考虑各洞室结构面的全部组合和依据各洞室地质剖面图具体情况考虑结构面的组合这两种情况，通过赤平投影法和矢量解析法相互验证，对洞室围岩中的可动块体和关键块体进行了定性的搜索，得出了各洞室围岩中可动块体和关键块体的个数、参与的结构面的组合及其在预挖临空面剖面上的位置。理哥廉宿焚仔但拨簿唬掖辜舆捎镶最猾检案涎嫡估租精悉椰簿业区议陌蚁岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 结构面组合在左边墙有两个交点结构面组合在左边墙有两个交点 主厂房左边墙主厂房左边墙-拱顶位置块体编号的三维色谱图拱顶位置块体编号的三维色谱图痊梗泻岔蔫泳嘱划佳顽羊悬供辅浚褒绥舔美家爪冉琳哼慑漫莲舒蓟香昌料岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 两两结构面组合交点均位于在左边墙两两结构面组合交点均位于在左边墙 主厂房左边墙位置块体的三维色谱图主厂房左边墙位置块体的三维色谱图析鹊飞墅复舞盒裴颜罗啤谱昌拼瀑隆色叛栅贸蚕系仅马酮蚁砰甄兢党邮蕾岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 两两结构面三个交点均位于拱顶两两结构面三个交点均位于拱顶 主厂房拱顶位置不同编号块体的三维色谱图主厂房拱顶位置不同编号块体的三维色谱图返回烷弹郑挽掣千咐拱逆滤妄埋冯饿雍价巢轮暇毅晶阑否泞淆水助诣换直翌造岩石力学课件-9围岩稳定岩石力学课件-9围岩稳定 目前围岩稳定性评判指标目前围岩稳定性评判指标 p目前对洞室稳定性的评价目前对洞室稳定性的评价尚无统一的理性方法尚无统一的理性方法p收敛变形收敛变形是围岩稳定状态的最直接表现，常被当作重要指标是围岩稳定状态的最直接表现，常被当作重要指标 经验公式经验公式