第5章-地下洞室穩(wěn)定

1、第五章第五章 地下洞室圍巖穩(wěn)定的地下洞室圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析工程地質(zhì)分析 5.1 地下洞室位置選擇的工程地質(zhì)評價(jià)地下洞室位置選擇的工程地質(zhì)評價(jià)5.2 地下洞室圍巖應(yīng)力的重分布地下洞室圍巖應(yīng)力的重分布5.3 圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析5.4 地下洞室支護(hù)地下洞室支護(hù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中某些參數(shù)選擇的中某些參數(shù)選擇的評價(jià)評價(jià)山巖壓力、彈性抗力山巖壓力、彈性抗力5.5 噴錨支護(hù)與新奧法噴錨支護(hù)與新奧法黃河小浪底泄洪工程進(jìn)水口洞群全貌三峽工程左壩段廠房5.1 地下洞室位置選擇的地下洞室位置選擇的工程地質(zhì)評價(jià)工程地質(zhì)評價(jià) ()v工程目的；v區(qū)域穩(wěn)定與山體穩(wěn)定（無大斷裂、烈度小于8度）；v地形、

2、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力等工程地質(zhì)條件工程地質(zhì)條件。一、地形條件一、地形條件清華書二、地層巖性條件二、地層巖性條件直接影響地下洞室的穩(wěn)定性；分析沿線地層分布和各類巖石的工程性質(zhì)，盡量使線路通過強(qiáng)度高的巖石地段；如巖漿巖（）、變質(zhì)巖()、沉積巖（石灰?guī)r、膠結(jié)好的砂巖、礫巖），但進(jìn)度減慢；弱巖石（），易引起塌方、大變形，對穩(wěn)定不利。花崗, 閃長, 輝長, 輝綠, 玢巖,安山,玄武,流紋片麻,石英,大理凝灰,片巖,千枚,泥巖,板巖,頁巖,粘土巖三、地質(zhì)構(gòu)造條件三、地質(zhì)構(gòu)造條件（1）褶褶皺皺|核部不核部不宜，選宜，選兩翼兩翼（2）巖巖層層、結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)面面產(chǎn)產(chǎn)狀狀洞軸線垂直巖層走向或大角度相交清

3、華書洞軸線平行巖層走向或小角度相交l 巖層傾角10且?guī)r層較薄l 傾斜巖層（傾角30 ）（3）斷斷層層洞室避開斷層；垂直斷層走向帶；避免嚴(yán)重塌方甚至冒頂或涌水現(xiàn)象四、地下水條件四、地下水條件治塌先治水排水與防水宜選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)或地下水量不大、無承壓水的巖體內(nèi)。五、地應(yīng)力條件五、地應(yīng)力條件地下洞室軸線平行于最大主應(yīng)力方向或小角地下洞室軸線平行于最大主應(yīng)力方向或小角度相交，避免邊墻產(chǎn)生嚴(yán)重變形或破壞度相交，避免邊墻產(chǎn)生嚴(yán)重變形或破壞；對圓形洞室，當(dāng)應(yīng)力比值系數(shù)=1時(shí)，圍巖中壓應(yīng)力分布較均勻，不出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，圍巖穩(wěn)定較好；當(dāng)3時(shí)，圍巖內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力集中也較大，對圍巖穩(wěn)定不利。例：

4、例： 1/4條件下，不同軸比條件下，不同軸比m對應(yīng)的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)處的對應(yīng)的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c(diǎn)處的： 可見，橢圓形長軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，坑道周邊不出現(xiàn)切可見，橢圓形長軸與原巖最大主應(yīng)力方向一致時(shí)，坑道周邊不出現(xiàn)切向拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較合理，向拉應(yīng)力，應(yīng)力分布較合理，等應(yīng)力軸比時(shí)最好等應(yīng)力軸比時(shí)最好。金川礦實(shí)例（華北水院書）5.2 地下洞室圍巖應(yīng)力的重分布地下洞室圍巖應(yīng)力的重分布一、圍巖應(yīng)力及分布特征一、圍巖應(yīng)力及分布特征（）rR洞室開挖后，周圍巖體洞室開挖后，周圍巖體失去原來的支撐，開始失去原來的支撐，開始向洞內(nèi)位移，引起洞周向洞內(nèi)位移，引起洞周一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改一定范圍內(nèi)巖體應(yīng)力改

5、變，重新調(diào)整形成新的變，重新調(diào)整形成新的應(yīng)力，稱為應(yīng)力，稱為圍巖應(yīng)力圍巖應(yīng)力。應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的這應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變的這部分巖體，稱部分巖體，稱圍巖圍巖；相；相當(dāng)于當(dāng)于6倍洞半徑倍洞半徑。R = 6 r假定巖體是彈性介質(zhì)，對圓形洞室，水平與垂直應(yīng)力相同且均為時(shí)，圍巖應(yīng)力：r= 0應(yīng)力重分布范圍應(yīng)力重分布范圍3-6倍洞半徑倍洞半徑上述圍巖應(yīng)力分布規(guī)律是假定圍巖發(fā)生彈性變上述圍巖應(yīng)力分布規(guī)律是假定圍巖發(fā)生彈性變形，以彈性力學(xué)理論推導(dǎo)徑向、切向應(yīng)力。形，以彈性力學(xué)理論推導(dǎo)徑向、切向應(yīng)力。實(shí)際上，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖容許強(qiáng)度時(shí)，圍實(shí)際上，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過圍巖容許強(qiáng)度時(shí)，圍巖將產(chǎn)生巖將產(chǎn)生破壞（松動山壓）破壞

6、（松動山壓）或較大或較大塑性變形（變塑性變形（變形山壓）形山壓）。二、圍巖的松動圈與承載圈二、圍巖的松動圈與承載圈此時(shí)若不加支護(hù)，此時(shí)若不加支護(hù)，松動巖塊將坍落；松動巖塊將坍落；變形會向深部發(fā)展，變形會向深部發(fā)展，最終形成具有一定最終形成具有一定范圍應(yīng)力松弛區(qū)，范圍應(yīng)力松弛區(qū)，稱為稱為塑性松動圈塑性松動圈（ I ） 。在松動圈。在松動圈形成過程中，原來形成過程中，原來周邊集中的高應(yīng)力周邊集中的高應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移，逐漸向深部轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力增高形成新的應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)巖體被擠區(qū)，該區(qū)巖體被擠壓緊密，稱壓緊密，稱承載圈承載圈（ II ） 。再往外，。再往外，巖體處于初始應(yīng)力巖體處于初始應(yīng)力狀態(tài)

7、，彈性狀態(tài)狀態(tài)，彈性狀態(tài)（ III ） 。5.3 圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析一、圍巖穩(wěn)定的概念一、圍巖穩(wěn)定的概念（）是指在一定時(shí)間內(nèi)，在一定的地質(zhì)力和工程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。二、圍巖穩(wěn)定的評價(jià)二、圍巖穩(wěn)定的評價(jià)（一）解析方法（一）解析方法（1）圍巖應(yīng)力小于圍巖應(yīng)力小于圍巖的容許抗壓強(qiáng)度和圍巖的容許抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度（均質(zhì)巖體抗拉強(qiáng)度（均質(zhì)巖體節(jié)理裂隙化或完整節(jié)理裂隙化或完整巖體）巖體）;Fs一般取一般取2（2）圍巖切割的可動塊體，其可能滑動）圍巖切割的可動塊體，其可能滑動面上的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范容許的面上的抗滑穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范容許的K值值（工程安全考慮一般取工程安

8、全考慮一般取K2，結(jié)構(gòu)面切割巖體，結(jié)構(gòu)面切割巖體）;F滑動力-是指巖塊自重、靜水壓力、動水壓力、地震力及地應(yīng)力等在可能滑動面上產(chǎn)生的滑動分力。T（二）圍巖分類法（二）圍巖分類法分類分類名稱名稱BQ分類工程巖體分級標(biāo)準(zhǔn)GB50218-94，國標(biāo)95.7.1計(jì)算計(jì)算公式公式BQ=90+3Rc+250KvBQ=BQ-100(K1+K2+K3)參數(shù)參數(shù)Rc巖石單軸飽和極限抗壓強(qiáng)度；Kv巖體完整性指數(shù)（巖體速度指數(shù)）；K1地下水影響修正系數(shù)；K2主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)；K3初始應(yīng)力狀態(tài)影響修正系數(shù)。等級等級劃分劃分I BQ或BQ550II BQ或BQ=550451III BQ或BQ=450351

9、IV BQ或BQ=350251V BQ或BQ250I類為穩(wěn)定巖體類為穩(wěn)定巖體，圍巖可長期穩(wěn)定；，圍巖可長期穩(wěn)定；II類基本穩(wěn)定圍巖類基本穩(wěn)定圍巖，不會產(chǎn)生塑性變形，局部，不會產(chǎn)生塑性變形，局部會掉塊；會掉塊；III類圍巖穩(wěn)定性差類圍巖穩(wěn)定性差，圍巖強(qiáng)度不足，局部會產(chǎn)，圍巖強(qiáng)度不足，局部會產(chǎn)生塑性變形，不支護(hù)會產(chǎn)生塌方或變形破壞，生塑性變形，不支護(hù)會產(chǎn)生塌方或變形破壞，完整的較軟巖穩(wěn)定性較好，可定為暫時(shí)穩(wěn)定；完整的較軟巖穩(wěn)定性較好，可定為暫時(shí)穩(wěn)定；IV類不穩(wěn)定圍巖類不穩(wěn)定圍巖，會發(fā)生規(guī)模較大的各種變形，會發(fā)生規(guī)模較大的各種變形破壞；破壞；V類極不穩(wěn)定圍巖類極不穩(wěn)定圍巖，變形破壞嚴(yán)重。，變形破壞嚴(yán)

10、重。不穩(wěn)定圍巖采用不穩(wěn)定圍巖采用的噴錨支護(hù)措施的噴錨支護(hù)措施參見有關(guān)規(guī)范。參見有關(guān)規(guī)范。v塊體理論-留美學(xué)者石根華博士提出，利用赤平極射投影，將洞室周邊切割塊體的各結(jié)構(gòu)面在吳氏網(wǎng)上投影，初步確定最大可動區(qū)域和可動塊體，進(jìn)而判斷塊體的穩(wěn)定性。（三）塊體理論法（三）塊體理論法（四）彈塑性數(shù)值分析方法（四）彈塑性數(shù)值分析方法三、圍巖變形破壞類型及其特征三、圍巖變形破壞類型及其特征1. 堅(jiān)硬完整巖體的脆性破裂堅(jiān)硬完整巖體的脆性破裂開挖洞室，一般穩(wěn)定；但在高應(yīng)力區(qū)常發(fā)生巖爆現(xiàn)象（巖體積累的彈性應(yīng)變能在開挖卸荷后突然釋放）；其措施采用松動爆破或超前鉆孔降低圍巖應(yīng)力。2. 塊體滑移塊體滑移3. 層狀彎折和拱

11、曲層狀彎折和拱曲4. 碎裂巖體的松動解脫碎裂巖體的松動解脫洞頂易崩落，邊墻易滑塌；當(dāng)結(jié)構(gòu)面夾泥時(shí)，產(chǎn)生大規(guī)模的塌方；5. 松軟巖體松軟巖體5.4 地下洞室支護(hù)地下洞室支護(hù)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)中某些參數(shù)選擇的評中某些參數(shù)選擇的評價(jià)價(jià)山巖壓力、彈性抗力山巖壓力、彈性抗力一、山巖壓力一、山巖壓力1. 山巖壓力的概念山巖壓力的概念（）是指圍巖的強(qiáng)度適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形或破壞時(shí)，作用于支護(hù)或襯砌上的力，也稱圍巖壓力。洞室襯砌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)；山巖壓力與圍巖應(yīng)力區(qū)別。2. 山巖壓力的類型山巖壓力的類型（）（1）松動山壓松動山壓：由圍巖拉裂塌落、塊體滑移、碎裂松動等引起；僅限于圍巖松動塌落的局部范圍，以重力形式

12、作用于襯砌上。（2）變形山壓變形山壓：是由于圍巖的彈性恢復(fù)或塑性變形所產(chǎn)生的圍巖壓力，有塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓及彎折內(nèi)鼓等；（3）沖擊山壓沖擊山壓：是由于巖體中積聚的彈性應(yīng)變能突然釋放所引起的，具有產(chǎn)生巖爆的條件時(shí)才能產(chǎn)生沖擊山壓。據(jù)山巖壓力形成機(jī)理3. 松動山巖壓力的確定方法松動山巖壓力的確定方法普氏普氏壓力拱理論壓力拱理論kkkfhhParctan245tan2h2121h4. 變形山巖壓力的確定方法變形山巖壓力的確定方法基于基于彈塑性理論的芬納公式彈塑性理論的芬納公式塑性極限條件邊界條件塑性 區(qū)內(nèi)的應(yīng)力山巖壓力山巖壓力上式中當(dāng)r=r0時(shí)，求得的r即為維持洞室?guī)r石在以半徑為R的范圍內(nèi)達(dá)到塑性平

13、衡而所需要施加在洞壁上的徑向壓力的大小。令這個(gè)壓力為Pi，得到：討論P(yáng)i R關(guān)系；剛性與柔性支護(hù)比較；芬納公式這種允許塑性圈有一定發(fā)展，既讓巖體變形這種允許塑性圈有一定發(fā)展，既讓巖體變形又不讓充分變形可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全目的，又不讓充分變形可以達(dá)到經(jīng)濟(jì)和安全目的，若支護(hù)及時(shí)能夠充分利用圍巖的自承能力若支護(hù)及時(shí)能夠充分利用圍巖的自承能力二、彈性抗力二、彈性抗力對有壓隧洞，存在一個(gè)很高的內(nèi)水壓力，迫使襯砌向圍巖方向變形，而圍巖將產(chǎn)生一個(gè)反力來阻止襯砌的變形，把圍巖對襯砌的反力稱為彈性抗力或圍巖抗力。其大小用彈性抗力系數(shù)表示。彈性抗力系數(shù)物理意義：使洞壁產(chǎn)生一個(gè)單位徑向變形所需施加的力。K值越大，說明

14、圍巖承受內(nèi)水壓力的能力越大，即圍巖抗力越大，越有利于襯砌的穩(wěn)定。圍巖視為彈性體，對圓形洞，K值表達(dá)式u顯然，K與洞半徑有關(guān)，工程上為便于比較，采用洞徑1m(100cm)時(shí)的彈性抗力系數(shù)，作為單位彈性抗力系數(shù)K0。u有壓隧洞設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)5.5 噴錨支護(hù)與新奧法噴錨支護(hù)與新奧法(新奧地利隧道施工法新奧地利隧道施工法)(New Austrian Tunelling Mehod-NATM)噴噴混凝土：高壓高速（100m/s）的混合料（水泥、砂、速凝劑與水）噴到圍巖表面，薄層（520cm）；錨 打錨桿量 現(xiàn)場測量新新奧奧法法一、噴錨支護(hù)原理一、噴錨支護(hù)原理()傳統(tǒng)支護(hù)是剛性傳統(tǒng)支護(hù)是剛性支護(hù)，被動承受

15、支護(hù)，被動承受圍巖壓力；噴錨圍巖壓力；噴錨支護(hù)柔性支護(hù)，支護(hù)柔性支護(hù)，與圍巖協(xié)同工作與圍巖協(xié)同工作承受山巖壓力。承受山巖壓力。及時(shí)-緊貼-柔性二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用二、噴錨支護(hù)的力學(xué)作用1. 噴層的力學(xué)作用噴層的力學(xué)作用 () 防止圍巖與空氣、水接觸，惡化環(huán)境；防止圍巖與空氣、水接觸，惡化環(huán)境；高壓噴砼進(jìn)入節(jié)理裂隙，提高巖體強(qiáng)度和整體性；高壓噴砼進(jìn)入節(jié)理裂隙，提高巖體強(qiáng)度和整體性；改善圍巖的受力狀態(tài)，從二向受力轉(zhuǎn)為三向受力；改善圍巖的受力狀態(tài)，從二向受力轉(zhuǎn)為三向受力；允許圍巖變形（柔性支護(hù)），加速圍巖穩(wěn)定。允許圍巖變形（柔性支護(hù)），加速圍巖穩(wěn)定。2. 錨桿的力學(xué)作用錨桿的力學(xué)作用() 懸吊作用

16、；懸吊作用；組合作用；組合作用；擠壓與加固作用擠壓與加固作用3. 掛網(wǎng)的力學(xué)作用掛網(wǎng)的力學(xué)作用為防止錨桿間巖塊坍落，噴錨支護(hù)中使用為防止錨桿間巖塊坍落，噴錨支護(hù)中使用金屬金屬網(wǎng)網(wǎng)，聯(lián)合作用，柔性支護(hù)。，聯(lián)合作用，柔性支護(hù)。三、噴錨支護(hù)的施工步驟三、噴錨支護(hù)的施工步驟外拱外拱 噴層；掛網(wǎng)；錨桿。噴層；掛網(wǎng)；錨桿。內(nèi)拱內(nèi)拱變形穩(wěn)定后再噴層（保護(hù)金屬網(wǎng)與變形穩(wěn)定后再噴層（保護(hù)金屬網(wǎng)與錨桿），作為安全儲備錨桿），作為安全儲備。充分利用圍巖自承能力測量變形 “新奧地利隧道施工法”（NATMNew Australia Tunnelling Method）法，由奧地利學(xué)派創(chuàng)始人之一米勒教授提出的。包括三方面

17、的內(nèi)容：1、支護(hù)-圍巖共同作用原理。2、柔性支護(hù)觀點(diǎn)/錨噴網(wǎng)綜合支護(hù)主要支護(hù)手段。3、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式。v優(yōu)點(diǎn)：較好利用巖體力學(xué)特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合理設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和施工順序。四、四、新奧法簡介新奧法簡介 巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，構(gòu)成共同承載體，巖體作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，構(gòu)成共同承載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調(diào)變形，共同承擔(dān)全部圍巖壓力。擔(dān)全部圍巖壓力。 1 1、支護(hù)、支護(hù)- -圍巖共同作用原理圍巖共同作用原理 圍巖既是生產(chǎn)支護(hù)荷載的主體，又是承受巖層荷載的結(jié)構(gòu)，支護(hù)-圍巖作為整體相互作用，共同承擔(dān)圍巖壓力

18、。摒棄了過去巖體作為對支護(hù)結(jié)構(gòu)的荷載采用厚襯砌的傳統(tǒng)做法。 圍巖壓力是變形壓力和松動壓力的組合，大部分壓力(特別是變形壓力)由圍巖自身承擔(dān)，只有少部分轉(zhuǎn)移到支護(hù)結(jié)構(gòu)上；支護(hù)荷載既取決于圍巖的性質(zhì)，又取決于支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時(shí)間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內(nèi)的二次應(yīng)力狀態(tài)又與支護(hù)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)和支護(hù)時(shí)間有關(guān)。支護(hù)支護(hù)- -圍巖共同作用原理圖圍巖共同作用原理圖圍巖特性曲線支護(hù)特性曲線支護(hù)時(shí)間剛度早晚剛2 2、柔性支護(hù)觀點(diǎn)、柔性支護(hù)觀點(diǎn) 支護(hù)剛度不必太大，當(dāng)支護(hù)做完后，能與巖體一起生產(chǎn)一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護(hù)足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。 柔性支護(hù)，盡早支護(hù)，既及時(shí)封閉圍巖，防止風(fēng)化，又能釋放變

19、形能，合理利用圍巖與支護(hù)共同承擔(dān)應(yīng)力調(diào)整過程中的所有作用。 支護(hù)結(jié)構(gòu)為閉合環(huán)，。設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式工程地質(zhì)調(diào)查與相關(guān)實(shí)驗(yàn)工程開挖與支護(hù)設(shè)計(jì)施工與監(jiān)測是否穩(wěn)定 地下工程穩(wěn)定地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內(nèi)，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。 穩(wěn)定條件穩(wěn)定條件 ： 地下工程巖體或支護(hù)體中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力和位移； 巖體或支護(hù)材料的強(qiáng)度極限和位移極限。 maxmaxUU ,Umaxmax, U地下工程穩(wěn)定地下工程穩(wěn)定性可分為兩類性可分為兩類自穩(wěn)自穩(wěn)：不需要支護(hù)圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：人工穩(wěn)定：需要支護(hù)才能保持圍巖穩(wěn)定穩(wěn)定性問題穩(wěn)定性問題

20、的力學(xué)本質(zhì)的力學(xué)本質(zhì)maxmaxUU自穩(wěn)自穩(wěn)maxmaxUU不自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內(nèi)圍巖內(nèi)危險(xiǎn)點(diǎn)危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力的應(yīng)力和位移和位移maxmax,U計(jì)算圍巖壓力計(jì)算圍巖壓力支護(hù)中危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力或位移大于支大于支護(hù)極限護(hù)極限小于支小于支護(hù)極限護(hù)極限人工穩(wěn)定人工穩(wěn)定改革支護(hù)深埋地深埋地下工程下工程地下工程自身影響達(dá)不到地表的，稱為深埋深埋。反之淺埋淺埋（2）當(dāng)埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時(shí)，巷道影響范圍（36 R0 ）以內(nèi)的巖體自重可以忽略不計(jì)；原巖水平應(yīng)力可以簡化為均勻分布，通常誤差不大（10以下）； 深埋地下工程的特點(diǎn)深埋地下工程的特點(diǎn)為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無

21、窮遠(yuǎn)處，仍為原巖應(yīng)力；( (3)3)深埋的水平巷道長度較大時(shí)，可作為平面應(yīng)變問題處理。其它類型巷道，或作為空間問題，或作為全平面應(yīng)變問題處理。解析方法數(shù)值方法試驗(yàn)方法地下工程地下工程穩(wěn)定性分穩(wěn)定性分析途徑析途徑本章主本章主要內(nèi)容要內(nèi)容11彈性彈-塑性松散圍巖應(yīng)力、支護(hù)上的壓力 目前圍巖穩(wěn)定性評判指標(biāo)目前圍巖穩(wěn)定性評判指標(biāo) v目前對洞室穩(wěn)定性的評價(jià)目前對洞室穩(wěn)定性的評價(jià)尚無統(tǒng)一的理性方法尚無統(tǒng)一的理性方法v收斂變形收斂變形是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的最直接表現(xiàn)，常被當(dāng)作重要指標(biāo)是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的最直接表現(xiàn)，常被當(dāng)作重要指標(biāo) 經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式由抗壓強(qiáng)度與洞室尺寸由抗壓強(qiáng)度與洞室尺寸估算最大允許變形估算最大允許變

22、形230 .12bRB頂2235 . 4bRH側(cè)式中：式中：B為洞室跨度為洞室跨度 H為洞室高度為洞室高度 Rb為巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度為巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度規(guī)范方法規(guī)范方法錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范(GB50086-2001)允許的允許的洞周相對收斂量洞周相對收斂量圍巖類別圍巖類別隧洞埋深（隧洞埋深（m）5050300300500III0.10.30.20.50.41.2IV0.150.50.41.20.82.0V0.20.80.61.61.03.0注：注：(1)洞周相對收斂量洞周相對收斂量指指實(shí)測收斂量實(shí)測收斂量與與兩點(diǎn)間距離兩點(diǎn)間距離之比之比 (2)適用于適用于高

23、跨比為高跨比為0.81.2和和III類圍巖跨度小于類圍巖跨度小于20 m、IV類小于類小于 15 m、V類小于類小于10 m (3)脆性巖體脆性巖體取表中取表中較小值，塑性巖體較小值，塑性巖體取表中取表中較大值較大值 工程上主要采用工程上主要采用經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式和和規(guī)范的規(guī)定規(guī)范的規(guī)定 目前圍巖穩(wěn)定性評判指標(biāo)目前圍巖穩(wěn)定性評判指標(biāo)變形模量變形模量E、圍巖埋深、圍巖埋深H等因素沒有直接關(guān)系，顯然不科學(xué)。等因素沒有直接關(guān)系，顯然不科學(xué)。 、c圍巖類別圍巖類別IIIIVV經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式3.7910.73120.00 規(guī)范的規(guī)定規(guī)范的規(guī)定102520603080洞徑洞徑10m時(shí)不同評判指標(biāo)允許的拱頂

24、最大沉降量時(shí)不同評判指標(biāo)允許的拱頂最大沉降量(mm) 彈性模量彈性模量（GPa）泊松比泊松比凝聚力凝聚力（MPa）內(nèi)摩擦角內(nèi)摩擦角（）5.010.00.250.300.61.535451.05.00.300.350.10.630350.31.00.350.450.050.12030 核軍事工業(yè)也產(chǎn)生高放廢物核軍事工業(yè)也產(chǎn)生高放廢物1945年年8月月6日日: 轟炸廣島轟炸廣島1964年年10月月16日日: 中國中國第一顆原子彈爆炸第一顆原子彈爆炸中國的核電站已建成中國的核電站已建成9套，在建套，在建2套，套， 在在2020年前再建年前再建25套套大亞灣大亞灣嶺澳嶺澳秦山秦山1，2秦山秦山-3田灣

25、田灣高放廢物處置的方法高放廢物處置的方法 唯一可行的處置方案 深地質(zhì)處置深地質(zhì)處置 地質(zhì)處置庫的特征地質(zhì)處置庫的特征 處置庫是安全處置高放廢物的礦山式地下工處置庫是安全處置高放廢物的礦山式地下工程，距地表程，距地表500-1000 500-1000 米深米深 由多重屏障組成由多重屏障組成, , 有效阻擋高放廢物中放射有效阻擋高放廢物中放射性核素的遷移，確保安全性核素的遷移，確保安全 多重屏障之一：工程屏障多重屏障之一：工程屏障廢物體、廢物罐、廢物體、廢物罐、外包裝、和緩沖材料膨潤土外包裝、和緩沖材料膨潤土 多重屏障之二多重屏障之二: : 天然屏障天然屏障經(jīng)過精心選擇的經(jīng)過精心選擇的位于穩(wěn)定地質(zhì)

26、體中的巖石位于穩(wěn)定地質(zhì)體中的巖石, ,如花崗巖、粘土巖如花崗巖、粘土巖等等 高放廢物地質(zhì)處置：科學(xué)挑戰(zhàn)高放廢物地質(zhì)處置：科學(xué)挑戰(zhàn) 處置庫中的廢物：處置庫中的廢物：放射性強(qiáng)放射性強(qiáng)毒性大毒性大半衰期長半衰期長 處置庫的壽命至少要達(dá)到處置庫的壽命至少要達(dá)到1 1萬年。這一要求是萬年。這一要求是 目前任何工程所沒有的。目前任何工程所沒有的。 并且要求有科學(xué)、可信的手段評價(jià)處置庫是并且要求有科學(xué)、可信的手段評價(jià)處置庫是 安全的安全的 地質(zhì)處置：地質(zhì)學(xué)難題地質(zhì)處置：地質(zhì)學(xué)難題1 1. .處置庫場址地質(zhì)演化的預(yù)測處置庫場址地質(zhì)演化的預(yù)測2.2.深部地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)和演化深部地質(zhì)環(huán)境的特點(diǎn)和演化3.3.地質(zhì)處

27、置庫多因素耦合條件下（中高溫、高壓、地地質(zhì)處置庫多因素耦合條件下（中高溫、高壓、地殼應(yīng)力、還原條件、水流作用和化學(xué)作用）深部巖殼應(yīng)力、還原條件、水流作用和化學(xué)作用）深部巖石和巖體的行為石和巖體的行為4.4.地質(zhì)處置庫多因素耦合條件下材料的行為：緩沖回地質(zhì)處置庫多因素耦合條件下材料的行為：緩沖回填材料填材料膨潤土等材料的行為膨潤土等材料的行為5.5.深部地質(zhì)環(huán)境下放射性核素（主要是超鈾核素）的深部地質(zhì)環(huán)境下放射性核素（主要是超鈾核素）的地球化學(xué)行為地球化學(xué)行為 6. 6. 各種因素對處置系統(tǒng)的影響各種因素對處置系統(tǒng)的影響7. 7. 地質(zhì)處置系統(tǒng)的性能評價(jià)方法及計(jì)算機(jī)仿真地質(zhì)處置系統(tǒng)的性能評價(jià)方法

28、及計(jì)算機(jī)仿真HUMBOLDTCOUNTYPERSHINGCOUNTYELKOCOUNTYWHITE PINECOUNTYNYECOUNTYLANDERCOUNTYEUREKACOUNTYCHURCHILLCOUNTYWASHOECOUNTYMINERALCOUNTYSTOREYLYONDOUGLASESMERALDACOUNTYLINCOLNCOUNTYCLARKCOUNTYLASVEGASINYO COUNTYCALIFORNIANELLISAIR FORCERANGENVTESTSITEYUCCAMOUNTAIN 100 miles northwest of Las Vegas Locat

29、ed on western boundary of the Nevada Test Site, a DOE facilityLocation of Yucca Mountain, Nevada 高放廢物地質(zhì)處置：美國進(jìn)展高放廢物地質(zhì)處置：美國進(jìn)展 人文、政治人文、政治、經(jīng)濟(jì)、經(jīng)濟(jì)、旅游資源、旅游資源、地震與地質(zhì)地震與地質(zhì)地殼穩(wěn)定性地殼穩(wěn)定性地球化學(xué)地球化學(xué)核設(shè)施布局核設(shè)施布局大地構(gòu)造大地構(gòu)造未來自然變化趨勢未來自然變化趨勢運(yùn)輸條件運(yùn)輸條件自然資源自然資源初步選址初步選址甘肅北山甘肅北山（100 Km2）地質(zhì)體的地質(zhì)、水文、地震、巖性、力學(xué)分析、地質(zhì)體的地質(zhì)、水文、地震、巖性、力學(xué)分析、斷裂構(gòu)造

30、和裂隙、地球化學(xué)、氣候及氣象斷裂構(gòu)造和裂隙、地球化學(xué)、氣候及氣象深部地下儲存庫穩(wěn)定性深部地下儲存庫穩(wěn)定性地下試驗(yàn)室研究地下試驗(yàn)室研究巖石力學(xué)巖石力學(xué)與工程與工程儲存場址的建議儲存場址的建議人大審批人大審批甘肅北山甘肅北山10 Km2 建庫建庫具有歷史意義的甘肅北山具有歷史意義的甘肅北山1號孔開工典禮號孔開工典禮（2000/07/08，18:00）返回（一）數(shù)值分析方法的分類在巖石力學(xué)有關(guān)領(lǐng)域的數(shù)值分析方法應(yīng)用中，主要使用的方法為有限元法，邊界單元，離散單元法，拉格朗日單元法及塊體理論等（二）有限元法原理及其應(yīng)用要點(diǎn)原理：通過變分原理（或加權(quán)余量法）和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉(zhuǎn)化為線性

31、代數(shù)方程，把待解域內(nèi)的連續(xù)函數(shù)轉(zhuǎn)化為求解有限個(gè)離散點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）處的場函數(shù)值。9. 數(shù)值計(jì)算方法及新進(jìn)展簡介數(shù)值計(jì)算方法及新進(jìn)展簡介v應(yīng)用要點(diǎn)： .正確劃分計(jì)算范圍與邊界條件 2.正確輸入巖體參數(shù)及初始地應(yīng)力場 3.采用特殊單元來考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應(yīng)（三）巖石力學(xué)問題的其他數(shù)值分析方法1.1.邊界單元法邊界單元法 有限元法是對問題的微分近似表達(dá)式給出了精確解，它實(shí)質(zhì)上屬于微分法。 與微分法相對應(yīng)的是積分法，積分法所涉及的邊界可包圍整個(gè)問題域，而數(shù)值分析的離散化僅在邊界上近似。下圖表示了在外部問題模擬時(shí)微分法與積分法之間的區(qū)別。2.2.離散單元法離散單元法 離散單元法完全強(qiáng)調(diào)巖體的非連續(xù)性。它認(rèn)為，巖體中的各離散單元，在初始應(yīng)力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內(nèi)部開挖以后，一部分巖體就存在不平衡力，離散單元法對計(jì)算域內(nèi)的每個(gè)塊體所受的四周作用力及自重進(jìn)行不平衡計(jì)算，并采用牛頓運(yùn)動定律確定該巖塊內(nèi)不平衡力引起的速度和位移。反復(fù)逐個(gè)巖塊進(jìn)行類似計(jì)算，最終確定巖體在已知荷載作用下是否將破壞