地下洞室圍巖穩(wěn)定性

《巖體力學(xué)》

ROCKMASSMECHANICS

巖、工系第9章地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析§9.1概述§9.2圍巖重分布應(yīng)力計算§9.3圍巖的變形與破壞§9.4圍巖壓力計算§9.5圍巖抗力與極限承載力§9.1概述1、地下洞室(undergroundcavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。2、地下洞室的分類按用途分：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程按洞壁受壓情況分：有壓洞室、無壓洞室按斷面形狀分：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形按與水平面關(guān)系分：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井）按介質(zhì)類型分：巖石洞室、土洞按應(yīng)力情況分：單式洞室、群洞開挖完成后的結(jié)構(gòu)圖隧道錨桿彎矩與軸力分布曲線圍巖應(yīng)力重分布問題——重分布應(yīng)力計算圍巖變形與破壞問題——位移計算、破壞區(qū)確定圍巖壓力問題——圍巖壓力計算有壓洞室圍巖抗力問題——圍巖抗力計算3、洞室圍巖力學(xué)問題hV§9.2圍巖重分布應(yīng)力計算圍巖應(yīng)力計算：

①開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定②開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計算③支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善重分布應(yīng)力：地下開挖擾動后在圍巖中形成的新的應(yīng)力。重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)一、無壓洞室圍巖重分布應(yīng)力計算1、彈性圍巖重分布應(yīng)力堅硬致密的塊狀巖體，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲?、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈性力學(xué)計算。如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布的計算問題。MxVHMxVMxH=+假定洞室開挖在天然應(yīng)力比值系數(shù)為λ的巖體中，則問題可簡化為右圖所示的無重板巖體力學(xué)模型。σH=λσv（1）圓形洞室設(shè)無限大彈性薄板，在邊界上受有沿x方向的外力p作用，薄板中有一半徑為R0的小圓孔，按平面問題考慮，不計體力，M點(diǎn)的各應(yīng)力分量,根據(jù)彈性理論為：邊界條件：設(shè)應(yīng)力函數(shù)φ解微分方程，得各常數(shù)柯西課題M點(diǎn)的應(yīng)力分量由σv引起的重分布應(yīng)力由σH產(chǎn)生的重分布應(yīng)力σv和σH同時作用時圓形洞洞室圍巖重分布應(yīng)應(yīng)力討論：1）洞壁上的重分分布應(yīng)力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，僅有σθ作用，為單向應(yīng)力力狀態(tài)σθ大小僅與天然應(yīng)力力狀態(tài)及計算點(diǎn)的的位置θ有關(guān)，而而與洞室尺寸R0無關(guān)。當(dāng)θ=0、1800時，σθ=3σv–σh當(dāng)θ=90、2700時，σθ=3σh–σv2）洞壁上的重分分布應(yīng)力隨λ變化化當(dāng)λ＜1/3時，，洞頂?shù)讓⒊霈F(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)1/3＜λ＜3時，洞壁的σθ全為壓應(yīng)力且應(yīng)力力分布較均勻；當(dāng)λ＞3時，兩側(cè)側(cè)壁將出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂?shù)讋t出現(xiàn)高高壓應(yīng)力集中。每種洞形的洞室都都有一個不出現(xiàn)拉應(yīng)力的臨界λ值，這對對不同天然應(yīng)力場場中合理洞形的選選擇很有意義。3）λ=1（σH=σv=σ0）時的圍巖重分布應(yīng)應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力力與θ角無關(guān)，僅僅與R0和σ0有關(guān)。由于τrθ=0，則σr，σθ均為主應(yīng)力，且σθ恒為最大主應(yīng)力，，σr恒為最小主應(yīng)力。。當(dāng)r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應(yīng)應(yīng)力差最大，且處處于單向受力狀態(tài)態(tài)，說明洞壁最易易發(fā)生破壞。4）σr、σθ隨著離洞壁距離r的變化隨著離洞壁距離r增大，σr逐漸增大，σθ逐漸減小，并都漸漸趨近于于天然應(yīng)力σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達(dá)達(dá)到σ0值，但實(shí)際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快。當(dāng)r=6R0時，σr和σθ與σ0相差僅2.8%。。因此，一般認(rèn)為為，地下洞室開挖挖引起的圍巖分布布應(yīng)力范圍為6R0。在該范圍以外，，不受開挖影響，，這一范圍內(nèi)的巖巖體就是常說的圍巖，是有限元計算模模型的邊界范圍。。5）σr、σθ為主應(yīng)力的條件由式（8—10））可知，當(dāng)τrθ＝0時，σr、σθ為主應(yīng)力，即：可得:當(dāng)1)θ=0、90、180、27002)σh=σv3)r=R0時，σr、σθ為主應(yīng)力（2）其他形狀洞洞室應(yīng)力集中系數(shù)地下洞室開挖后洞洞壁上一點(diǎn)的應(yīng)力力與開挖前洞壁處處該點(diǎn)天然應(yīng)力的的比值，稱為應(yīng)力集中系數(shù)。該系數(shù)反映了洞洞壁各點(diǎn)開挖前后后應(yīng)力的變化情況況。α，β為應(yīng)力集中中系數(shù)，其大小僅僅與點(diǎn)的位置有關(guān)關(guān)。圓形洞室特點(diǎn)：①橢圓形洞室長軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最最大，易引起壓碎破壞壞；而短軸兩端易易出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定定②各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形形洞室角點(diǎn)等。③長方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長邊邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。。④當(dāng)巖體中天然應(yīng)力力σh和σv相差不大時，以圓圓形洞室圍巖應(yīng)力力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當(dāng)巖體中天然應(yīng)力力σh和σv相差較大時，則應(yīng)應(yīng)盡量使洞室長軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。⑥在天然應(yīng)力很大的的巖體中，洞室斷斷面應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點(diǎn)上過過大的應(yīng)力集中。。2塑性圍巖重分分布應(yīng)力地下開挖后，洞壁壁的應(yīng)力集中最大,當(dāng)它超過圍巖屈屈服極限時，洞壁壁圍巖就由彈性狀狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增增大，徑向應(yīng)力σσr由零逐漸增大大，應(yīng)力狀態(tài)由洞洞壁的單向應(yīng)力狀狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙雙向應(yīng)力狀態(tài)，圍圍巖也就由塑性狀狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一一定范圍內(nèi)的應(yīng)力力因釋放而明顯降降低，而最大應(yīng)力集中由原來的的洞壁移至塑、彈彈圈交界處，使彈彈性區(qū)的應(yīng)力明顯顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)應(yīng)力基本未產(chǎn)生變變化的天然應(yīng)力區(qū)區(qū)(或稱原巖應(yīng)力力區(qū))。彈塑性理論求解塑塑性圈內(nèi)的圍巖重重分布應(yīng)力假設(shè)在均質(zhì)、各向向同性、連續(xù)的巖巖體中開挖一半徑徑為R0的水平圓形洞室，，開挖后形成的塑塑性松動圈半徑為為R1，巖體中的天然應(yīng)應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，圈內(nèi)巖體強(qiáng)度服服從莫爾直線強(qiáng)度度條件。塑性圈以以外圍巖體仍處于于彈性狀態(tài)。在塑性圈內(nèi)取一微微小單元體abdc，bd上作用用有σr，ac上作用有σσr＋dσr。平衡方程塑性條件當(dāng)r=R0時當(dāng)r=R0，Pi=0時塑性圈內(nèi)圍巖重分分布應(yīng)力與巖體天天然應(yīng)力(σ0)無關(guān)，而取決于支支護(hù)力(pi)和巖體強(qiáng)度(Cm，φm)值。洞壁上塑性圈與彈性圈交交界面(r＝R1)該面上：彈性應(yīng)應(yīng)力=塑性應(yīng)力塑、彈性圈交界面面上的重分布應(yīng)力力取決于σ0和Cm、φm，而與pi無關(guān)。支護(hù)力不能改變交交界面上的應(yīng)力大大小，只能控制塑塑性松動圈半徑(R1)的大小。彈性圈內(nèi)的應(yīng)力用用（8—12）式求。二、有壓洞室圍巖巖重分布應(yīng)力計算算由于洞室內(nèi)壁上作作用有較高的內(nèi)水壓力，使圍巖中的重分分布應(yīng)力比較復(fù)雜雜。應(yīng)力變化過程：1）圍巖最初處于于開挖后引起的重重分布應(yīng)力之中2）進(jìn)行支護(hù)襯砌砌，使圍巖重分布布應(yīng)力得到改善3）洞室建成運(yùn)行行后洞內(nèi)壁作用有有內(nèi)水壓力，使圍巖中產(chǎn)生一一個附加應(yīng)力彈性厚壁筒理論在一內(nèi)半徑為a，，外半徑為b的厚厚壁筒內(nèi)壁上作用用有均布內(nèi)水壓力力pa，外壁作用有均勻勻壓力pb。在內(nèi)水壓力作用下下，內(nèi)壁向外均勻勻膨脹，其膨脹位位移隨距離增大而而減小。附加應(yīng)力力也是近洞壁大，，遠(yuǎn)離洞壁小。若使b→∞，pb＝σ0(天然應(yīng)力)時，，則b2/(b2－a2)≈1，a2/(b2＋a2)＝0；a→R0,；Pa若有壓洞室半徑為為R0，內(nèi)水壓力為pa有壓洞室圍巖重分分布應(yīng)力σr和σθ由開挖以后圍巖重分布應(yīng)力和內(nèi)水壓力引起的的附加應(yīng)力兩項組成。前項為為重分布應(yīng)力；后后項為內(nèi)水壓力引引起的附加應(yīng)力值值。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)產(chǎn)生負(fù)的環(huán)向應(yīng)力力，即拉應(yīng)力。當(dāng)當(dāng)這個環(huán)向應(yīng)力很很大時，則常使圍圍巖產(chǎn)生放射狀裂隙。內(nèi)水壓力使圍巖產(chǎn)產(chǎn)生附加應(yīng)力的影影響范圍大致也為為6倍洞半徑。內(nèi)水壓力引起的附附加應(yīng)力值§9.3圍巖的變形與破壞壞地下開挖后自自由變形空間松脹變形等變形現(xiàn)象；如果這種變形超過過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生生破壞：坍塌、滑動或巖爆等現(xiàn)象。圍巖變形破壞形式式取決于圍巖應(yīng)力力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等等因素一、各類結(jié)構(gòu)圍巖巖的變形破壞特點(diǎn)點(diǎn)1、整體狀和塊狀狀巖體圍巖巖體具有很高的力力學(xué)強(qiáng)度和抗變形形能力，主要結(jié)構(gòu)構(gòu)面是節(jié)理，很少少有斷層，含有少少量的裂隙水。在力學(xué)屬性上可視視為均質(zhì)、各向同同性、連續(xù)的線彈彈性介質(zhì)，應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變呈近似直線關(guān)關(guān)系。圍巖具有很好的自自穩(wěn)能力，其變形形破壞形式主要有有巖爆、脆性開裂及塊體滑移等。這類圍巖的整體變變形破壞可用彈性性理論分析，局部部塊體滑移可用塊塊體極限平衡理論論來分析。巖爆是高地應(yīng)力地區(qū)，，由于洞壁圍巖中中應(yīng)力高度集中，，使圍巖產(chǎn)生突發(fā)發(fā)性變形破壞的現(xiàn)現(xiàn)象。脆性開裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中中部位堅硬塊狀巖體中的的塊體滑移形式示示意圖1.層面；2.斷斷裂；3.裂隙塊體滑移是以結(jié)構(gòu)面切割而而成的不穩(wěn)定塊體體滑出的形式出現(xiàn)現(xiàn)。其破壞規(guī)模與與形態(tài)受結(jié)構(gòu)面的的分布、組合形式式及其與開挖面的的相對關(guān)系控制。。2、層狀巖體圍巖巖常呈軟硬巖層相間間的互層形式。結(jié)構(gòu)面以層理面為為主，并有層間錯錯動及泥化夾層等等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育育。變形破壞主要受巖巖層產(chǎn)狀及巖層組組合等控制，破壞壞形式主要有：沿層面張裂、折斷塌落、彎曲內(nèi)鼓等。變形破壞?？捎脧棌椥粤骸椥园寤蚧虿牧狭W(xué)中的壓壓桿平衡理論來分分析。在水平層狀圍巖中，洞頂巖層層可視為兩端固定定的板梁，在頂板板壓力下，將產(chǎn)生生下沉彎曲、開裂裂。在傾斜層狀圍巖中，常表現(xiàn)為為現(xiàn)為沿傾斜方向一一側(cè)巖層彎曲塌落落。另一側(cè)邊墻巖巖塊滑移等破壞形形式，形成不對稱稱的塌落拱。將出出現(xiàn)偏壓現(xiàn)象。在直立層狀圍巖中，當(dāng)天然應(yīng)應(yīng)力比值系數(shù)λ＜＜1/3時，洞頂頂發(fā)生沿層面縱向向拉裂，被拉斷塌塌落。側(cè)墻則因壓壓力平行于層面，，常發(fā)生縱向彎折折內(nèi)鼓，進(jìn)而危及及洞頂安全。3、碎裂狀巖體圍圍巖碎裂巖體是指斷層層、褶曲、巖脈穿穿插擠壓和風(fēng)化破破碎加次生夾泥的的巖體。變形破壞形式常表表現(xiàn)為塌方和滑動。用松散介質(zhì)極限平平衡理論來分析。。在夾泥少、以巖塊塊剛性接觸為主的的碎裂圍巖中，不不易大規(guī)模塌方。。圍巖中含泥量很高高時，由于巖塊間間不是剛性接觸，，易產(chǎn)生大規(guī)模塌塌方或塑性擠入4、散體狀巖體圍圍巖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為為彈塑性、塑性或或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)構(gòu)不均勻或松動巖巖體僅構(gòu)成局部圍圍巖時，常表現(xiàn)為為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式。?？捎盟缮⒔橘|(zhì)極限限平衡理論配合流流變理論來分析。。圍巖的變形破壞是是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。開挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過過程分析圍巖變形破壞壞時，應(yīng)抓住其變變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連鎖反應(yīng)的的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測變形破壞逐逐次發(fā)展及遷移的的規(guī)律。在圍巖變形破壞的的早期就加以處理理，這樣才能有效效地控制圍巖變形形，確保圍巖的穩(wěn)穩(wěn)定性。二、圍巖位移計算算1、彈性位移計算算圍巖處于彈性狀態(tài)態(tài),位移可用彈性性理論進(jìn)行計算。。分兩種情況:(1)由重分布應(yīng)應(yīng)力引起(2)由重分布應(yīng)應(yīng)力與天然應(yīng)力之之差引起(1)由重分布應(yīng)應(yīng)力引起平面應(yīng)變條件下洞洞壁圍巖彈性位移移據(jù)彈性理論，平面面應(yīng)變與位移間的的關(guān)系為：平面應(yīng)變與應(yīng)力的的物理方程洞壁的彈性位移平面應(yīng)變條件下的的圍巖位移(8-30)當(dāng)天然應(yīng)力為靜水水壓力狀態(tài)(σh＝σv＝σ0)時洞壁的彈性位位移在σh＝σv＝σ0的天然應(yīng)力狀態(tài)中中，洞壁僅產(chǎn)生徑徑向位移，而無環(huán)環(huán)向位移。(2)由重分布應(yīng)應(yīng)力與天然應(yīng)力之之差引起天然應(yīng)力引起的位位移在洞室開挖前前就已經(jīng)完成了，，開挖后洞壁的位位移僅是由于開挖挖卸荷(開挖后重分布應(yīng)力力與天然應(yīng)力的應(yīng)應(yīng)力差)引起的。假設(shè)巖體中天然應(yīng)應(yīng)力為σh＝σv＝σ0，則開挖前洞洞壁圍巖中中一點(diǎn)的應(yīng)應(yīng)力為σr1＝σθ1＝σ0，而開挖后洞洞壁上的重重分布應(yīng)力力為σr2＝0，σθ2＝2σ0。因開挖卸荷荷引起的應(yīng)應(yīng)力差為是否考慮天天然應(yīng)力對對位移的影影響，計算算出的洞壁壁位移是不不同的。若開挖后有有支護(hù)力pi作用，則其其洞壁的徑徑向位移為為洞壁圍巖的的徑向位移移為2、塑性位位移計算洞壁圍巖的的塑性位移移采用彈塑性理論論來分析?；舅悸肥窍惹蟪鰪棌?、塑性圈圈交界面上上的徑向位位移，然后后根據(jù)塑性性圈體積不不變的條件件求洞壁的的徑向位移移。假定洞壁圍圍巖位移是是由開挖卸卸荷引起的的，且?guī)r體體中的天然然應(yīng)力為σσh＝σv＝σ0。由于開挖挖卸荷形成成塑性圈后后，彈、塑塑性圈交界界面上的徑徑向應(yīng)力增增量(Δσσr)r＝R1和環(huán)向應(yīng)力力增量(ΔΔσθ)r＝R1為：彈、塑性圈圈交界面上上的徑向應(yīng)變εR1為彈、塑性圈圈交界面的的徑向位移uR1塑性圈作用用于彈性圈圈的徑向應(yīng)應(yīng)力(8-37)塑性圈變形形前后體積不變略去高階微微量后，可可得洞壁的的徑向位移移R1為塑性圈半半徑；R0為洞室半徑徑；σ0為巖體天然然應(yīng)力；Cm，φm為巖體內(nèi)聚聚力和內(nèi)摩摩擦角(8-39)三、圍巖破破壞區(qū)范圍圍的確定方方法對于整體狀、塊塊狀巖體可用彈性力力學(xué)或彈塑塑性力學(xué)方方法確定其其圍巖破壞壞區(qū)厚度。。松散巖體常用松散介介質(zhì)極限平平衡理論方方法來確定定。1、彈性力力學(xué)方法確定：破壞范圍破壞圈厚度度當(dāng)巖體天然然應(yīng)力比值值系數(shù)λ＜＜1/3時時，洞頂頂、底將出出現(xiàn)拉應(yīng)力力。若拉應(yīng)應(yīng)力大于圍圍巖的抗拉拉強(qiáng)度σt，則圍巖就就要發(fā)生破破壞。在λ＞1/3的天然然應(yīng)力場中中，洞壁圍圍巖均為壓壓應(yīng)力集中中，當(dāng)大于于圍巖的抗抗壓強(qiáng)度σσc時，洞壁圍圍巖就要破破壞。破壞范圍破壞圈厚度度當(dāng)r>R0時，在θ＝＝0，π/2，π，，3π/2四個方向向上，τrθ=0，σr和σθ為主應(yīng)力。。圍巖的強(qiáng)強(qiáng)度為2、彈塑性性力學(xué)方法法在裂隙巖體體中開挖地地下洞室時時，將在圍圍巖中出現(xiàn)現(xiàn)一個塑性性松動圈。。圍巖的破破壞圈厚度度為R1－R0關(guān)鍵是確定定塑性松動圈半徑R1設(shè)巖體中的的天然應(yīng)力為σh＝σv＝σ0由σ0引起的應(yīng)力力由σR1引起的附加加應(yīng)力彈性圈內(nèi)的的應(yīng)力等于于σ0引起的應(yīng)力力，疊加上上塑性圈作作用于彈性性圈的徑向向應(yīng)力σR1引起的附加加應(yīng)力之和和彈性圈內(nèi)的的重分布應(yīng)應(yīng)力為彈、塑性圈圈交界面上上的彈性應(yīng)應(yīng)力為：交界面上的的塑性應(yīng)力力：界面上彈性性應(yīng)力與塑塑性應(yīng)力相相等聯(lián)立以上方方程，相加加消除σR1解出R1為：地下洞室開開挖后，圍圍巖塑性圈圈半徑R1隨天然應(yīng)應(yīng)力σ0增加而增大大，隨支護(hù)護(hù)力pi、巖體強(qiáng)度度Cm增加而減小小。修正芬納-塔羅勃公公式卡斯特納(Kastner)公式§9.4圍巖壓力計計算一、基本概概念地下洞室圍圍巖在重分分布應(yīng)力作作用下產(chǎn)生生過量的塑塑性變形或或松動破壞壞，進(jìn)而引引起施加于于支護(hù)襯砌砌上的壓力力，稱為圍巖壓力(peripheralrockpressure)。圍巖壓力是是圍巖與支支襯間的相相互作用力力，它與圍圍巖應(yīng)力不不是同一個個概念。圍圍巖應(yīng)力是是巖體中的的內(nèi)力，而而圍巖壓力力則是針對對支襯結(jié)構(gòu)構(gòu)來說的，，是作用于于支護(hù)襯砌砌上的外力力。按圍巖壓力力的形成機(jī)機(jī)理，可將將其劃分為為形變圍巖壓壓力、松動圍巖壓壓力和沖擊圍巖壓壓力。1、形變圍圍巖壓力形變圍巖壓壓力是由于于圍巖塑性性變形如塑塑性擠入、、膨脹內(nèi)鼓鼓、彎折內(nèi)內(nèi)鼓等形成成的擠壓力力。產(chǎn)生形變圍圍巖壓力的的條件：①巖體較軟軟弱或破碎碎，這時圍圍巖應(yīng)力很很容易超過過巖體的屈屈服極限而而產(chǎn)生較大大的塑性變變形；②深埋洞室室，由于圍圍巖受壓力力過大易引引起塑性流流動變形。。一種特殊的形變圍巖壓壓力膨脹圍巖壓壓力：膨脹脹圍巖由于于礦物吸水水膨脹產(chǎn)生生的對支襯襯結(jié)構(gòu)的擠擠壓力。形成的基本本條件：一是巖體中中要有膨脹脹性粘土礦礦物(如蒙蒙脫石等)；二是要有地地下水的作作用。2、松動圍圍巖壓力松動圍巖壓壓力是由于于圍巖拉裂裂塌落、塊塊體滑移及及重力坍塌塌等破壞引引起的壓力力，這是一一種有限范范圍內(nèi)脫落落巖體重力力施加于支支護(hù)襯砌上上的壓力。。大小取決于于圍巖性質(zhì)質(zhì)、結(jié)構(gòu)面面交切組合合關(guān)系及地地下水活動動和支護(hù)時時間等因素素。松動圍巖壓壓力可采用用松散體極極限平衡或或塊體極限限平衡理論論進(jìn)行分析析計算。3、沖擊圍圍巖壓力沖擊圍巖壓壓力是由巖巖爆形成的的一種特殊殊圍巖壓力力。它是強(qiáng)強(qiáng)度較高且且較完整的的彈脆性巖巖體過度受受力后突然然發(fā)生巖石石彈射變形形所引起的的圍巖壓力力現(xiàn)象。沖擊圍巖壓壓力的大小小與天然應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)、、圍巖力學(xué)學(xué)屬性等密密切相關(guān)，，并受到洞洞室埋深、、施工方法法及洞形等等因素的影影響。沖擊圍巖壓壓力的大小小，目前無無法進(jìn)行準(zhǔn)準(zhǔn)確計算，，只能對沖沖擊圍巖壓壓力的產(chǎn)生生條件及其其產(chǎn)生可能能性進(jìn)行定定性的評價價預(yù)測。二、圍巖壓壓力計算1、形變圍巖壓壓力計算支襯結(jié)構(gòu)對圍巖巖的支護(hù)力pi就是作用于支襯襯上的形變圍巖巖壓力Ⅰ+Ⅱ當(dāng)R1愈大時，維持極極限平衡所需的的pi愈小。因此，在在圍巖不至失穩(wěn)穩(wěn)的情況下，適適當(dāng)擴(kuò)大塑性區(qū)區(qū)，可以減小圍圍巖壓力。不僅處于彈性變變形階段的圍巖巖有自承能力，，處于塑性變形形階段的圍巖也也具有自承能力力。塑性圍巖的這種種自承能力是有有限的，當(dāng)pi降到某一低值pimin時，塑性圈就要要塌落，這時圍圍巖壓力可能反反而增大。當(dāng)φm一定時，pi取決于天然應(yīng)力力σ0和巖體Cm，而Cm的存在將減小維維持圍巖穩(wěn)定所所需的支護(hù)力pi值。圍巖壓力pi隨洞壁位移uR0增大而減小，說說明適當(dāng)?shù)淖冃涡斡欣诮档蛧鷩鷰r壓力，減小小襯砌厚度。因因此在實(shí)際工作作中常采用柔性性支襯結(jié)構(gòu)。隨uR0增大pi逐漸降低，到B點(diǎn)，pi達(dá)到最低值。之后，pi又隨uR0增大而增大。因此，支護(hù)襯砌砌必須在AB之間進(jìn)行行，越接近A點(diǎn)，pi越大，越近B點(diǎn)，pi越小。如果支護(hù)襯砌是是在B點(diǎn)以后，，則圍巖就要產(chǎn)產(chǎn)生松動塌落，，這時作用于支支護(hù)襯砌上的圍圍巖壓力反而會會增大，其值等等于松動圈塌落落巖體的自重。。當(dāng)松動圈塌落落時，最大松動動圍巖壓力pi可用下式計算式中：ρ，Cm為巖體密度和內(nèi)內(nèi)聚力；k1，k2為松動壓力系數(shù)數(shù)，用下式確定定。2、松動圍巖壓壓力松動圍巖壓力是是指松動塌落巖巖體重量所引起起的作用在支護(hù)護(hù)襯砌上的壓力力。圍巖過度變形超超過了它的抗變變形能力，就會會引起塌落等松松動破壞，這時時作用于支護(hù)襯襯砌上的圍巖壓壓力就等于塌落落巖體的自重或或分量。計算松動圍巖壓壓力的方法主要要有：平衡拱理論、太沙基理論及塊體極限平衡理理論。1.平衡拱理論論（又稱普氏理論））該理論認(rèn)為：洞室開挖以后，，如不及時支護(hù)護(hù)，洞頂巖體將將不斷跨落而形形成一個拱形，，又稱塌落拱。。最初這個拱形是是不穩(wěn)定的，如如果洞側(cè)壁穩(wěn)定定，則拱高隨塌塌落不斷增高；；反之，如側(cè)壁壁也不穩(wěn)定，則則拱跨和拱高同同時增大。當(dāng)洞的埋深較大大時，塌落拱不不會無限發(fā)展，，最終將在圍巖巖中形成一個自自然平衡拱。這時，作用于支支護(hù)襯砌上的圍圍巖壓力就是平平衡拱與襯砌間間破碎巖體的重重量，與拱外巖巖體無關(guān)。利用該理論計算算圍巖壓力時，，首先要找出平平衡拱的形狀和和拱高。曲線LOM為平衡拱，對稱稱于y軸。在半半跨LO段內(nèi)任任取一點(diǎn)A，取取OA考察它的的受力與平衡條條件。OA段受力狀態(tài)態(tài)：半跨OM段段對OA的水平平作用力Rx，，Rx對A點(diǎn)的的力矩為RxY；鉛直天然應(yīng)力力σv在OA上上的作用力σvX，它對A點(diǎn)點(diǎn)的力矩為σvX2/2；LA段對OA段的反力W，，它對A點(diǎn)的力矩為零。拱的曲線方程設(shè)平衡拱的拱高高為h，半跨為為b考慮半拱LO的的平衡，如圖所所示，L0除受受力Rx、σv作用外，在拱腳腳L點(diǎn)還有反力力T和N。洞側(cè)壁穩(wěn)定時：：洞頂?shù)乃蓜訃鷰r巖壓力即為L0M以下巖體的重重量f為巖體的普氏氏系數(shù)(或稱堅堅固性系數(shù))代入前式得：如果洞室、側(cè)壁壁都不穩(wěn)定，則：洞的半跨將由b擴(kuò)大至b1，側(cè)壁巖體將沿沿LE和MF滑滑動，滑面與垂垂直洞壁的夾角角為α＝45°－φφm/2。洞頂?shù)乃蓜訃鷰r巖壓力p1為AA′B′B塊體的重量側(cè)壁圍巖壓力為滑移塊體A′′EL或B′MF的自重在水水平方向上的投投影。也可按土土壓力理論計算算側(cè)壁圍巖壓力平衡拱理論只適適用散體結(jié)構(gòu)巖巖體。洞室上覆巖體需需有一定的厚度度(埋深H＞5b1)，才能形成平平衡拱。2.太沙基理論論受節(jié)理裂隙切割割的巖體視為一一種具有一定內(nèi)內(nèi)聚力的散粒體體。假定跨度為2b的矩形洞室，，開挖在深度為為H的巖體中。。開挖以后側(cè)壁壁穩(wěn)定，頂拱不不穩(wěn)定，并可能能沿面AA′和和BB′發(fā)生滑滑移?；泼娴募羟袕?qiáng)強(qiáng)度τ為：巖體的天然應(yīng)力力狀態(tài)為：取厚度為dz的的薄層分析薄層的自重dG＝2bρgdz，極限平衡條件當(dāng)z＝0時，σσv＝0。當(dāng)z＝H時，σσv即為作用于洞頂頂單位面積上的的圍巖壓力，用用q表示為：若開挖后，側(cè)壁亦不穩(wěn)定時，則側(cè)壁圍巖巖將沿與洞壁夾夾45°－φm/2角的面滑滑移將柱體A′ABB′的自重扣扣除A′A，B′B面上的摩摩擦阻力，可求求得作用于洞頂頂單位面積上的的圍巖壓力q適用于散體結(jié)構(gòu)構(gòu)巖體中開挖的的淺埋洞室。3、塊體極限平平衡理論地下洞室開挖后后，圍巖中的某某些塊體在自重重作用下向洞內(nèi)內(nèi)滑移。作用在在支護(hù)襯砌上的的壓力就是這些些滑體的重量或或其分量。從地質(zhì)構(gòu)造分析析著手，找出結(jié)結(jié)構(gòu)面的組合形形式及其與洞軸軸線的關(guān)系。確定圍巖中可能能不穩(wěn)定楔形體體(或分離體)的位置和形狀狀。對不穩(wěn)定體塌落落或滑移的運(yùn)動動學(xué)特征進(jìn)行分分析，確定其滑滑動方向、可能能滑動面的位置置、產(chǎn)狀和力學(xué)學(xué)強(qiáng)度參數(shù)。對楔形體進(jìn)行穩(wěn)穩(wěn)定性計算。如果楔形體處于于穩(wěn)定狀態(tài)，其其圍巖壓力為零零；如果不穩(wěn)定定，就要具體地地計算其圍巖壓壓力。步驟(1)洞頂圍巖巖壓力作用在楔形體的的力：①圍巖重分布應(yīng)應(yīng)力；②結(jié)構(gòu)面剪切強(qiáng)強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑滑力；③楔形體的自重重G1。如果楔形體不穩(wěn)穩(wěn)定，則作用于于洞頂支襯上的的圍巖壓力pv就是該楔形體的的自重。(2)側(cè)壁圍巖巖壓力側(cè)壁不穩(wěn)定楔形形體DEFH所所形成的側(cè)壁圍圍巖壓力ph等于楔形體的重重量在滑動方向向上的分力減去去滑動面的摩阻阻力后，在水平平方向上的分力力。楔形體的穩(wěn)穩(wěn)定條件為：若楔形體不穩(wěn)穩(wěn)定，則該楔楔形體產(chǎn)生的的側(cè)向圍巖壓壓力ph為：3、巖爆(rockburst)巖爆地下開挖周邊巖體中應(yīng)應(yīng)力高度集中中，積聚于較較高的彈性應(yīng)應(yīng)變能當(dāng)圍巖中應(yīng)力力超過巖體容容許極限狀態(tài)態(tài)高天然應(yīng)力彈彈脆性巖體（1）巖爆的的產(chǎn)生條件1)圍巖應(yīng)力力條件判斷巖爆發(fā)生生的應(yīng)力條件件有兩種方法法：一是用洞壁的的最大環(huán)向應(yīng)應(yīng)力σθ與圍巖單軸抗抗壓強(qiáng)度σc之比值作為巖巖爆產(chǎn)生的應(yīng)應(yīng)力條件；一是用天然應(yīng)應(yīng)力中的最大大主應(yīng)力σ1與巖塊單軸抗抗壓強(qiáng)度σc之比進(jìn)行判斷斷。1)圍巖應(yīng)力力條件根據(jù)我國已產(chǎn)產(chǎn)生巖爆的地地下洞室資料料統(tǒng)計，得出出σ1／σc大大于0.165～0.35的脆性巖巖體最易發(fā)生生巖爆。2)巖性條件件用彈性變形能能系數(shù)ω與應(yīng)應(yīng)變能消耗比比來判斷來判判斷巖爆的巖巖性條件。ω是指加載到到0.7σc后再卸載至0.05σc時，卸載釋放放的彈性變形形能與加載吸吸收的變形能能之比的百分分?jǐn)?shù)。當(dāng)ω＞70％％時，會產(chǎn)生生巖爆，ω越越大發(fā)生巖爆爆的可能性越越大。應(yīng)變能消耗比比：巖石單向壓縮縮時，達(dá)到強(qiáng)強(qiáng)度極限前積積累于巖石內(nèi)內(nèi)的應(yīng)變能與與強(qiáng)度極限后后消耗于巖石石破壞的應(yīng)變變能之比。式中：FOAB為圖8-28中曲線線OAB包圍圍的面積；FBAC為圖圖中曲線BAC包圍的面面積。n＜1時，不不會發(fā)生巖爆爆；n＞1時，在在高應(yīng)力條件件下可能發(fā)生生巖爆。（2）影響響巖爆的因素素1)地質(zhì)構(gòu)造造實(shí)踐表明，巖巖爆大都發(fā)生生在褶皺構(gòu)造造中。巖爆與斷層、、節(jié)理構(gòu)造也也有密切的關(guān)關(guān)系。調(diào)查表表明，當(dāng)掌子子面與斷裂或或節(jié)理走向平平行時，將觸觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密密度和張開度度對巖爆也有有明顯的影響響。據(jù)南非金金礦觀測表明明，節(jié)理間距距小于40cm，且張開開的巖體中，，一般不發(fā)生生巖爆。掌子子面巖體中有有大量巖脈穿穿插時，也將將發(fā)生巖爆。。2)洞室埋深深隨著洞室埋深深增加，巖爆爆次數(shù)增多，，強(qiáng)度也增大大。發(fā)生巖爆爆的臨界深度度H可按下式式估算：（3）巖爆形形成機(jī)理和圍圍巖破壞區(qū)分分帶巖爆的孕育、、發(fā)生和發(fā)展展過程，分為為三個階段。。1)劈裂成板板階段（巖爆爆孕育）垂直洞壁方向向受張應(yīng)力作作用而產(chǎn)生平平行于最大環(huán)環(huán)向應(yīng)力的板板狀劈裂。僅在洞壁表部部，部分板裂裂巖體脫離母巖巖而剝落，而而無巖塊彈射出出現(xiàn)。2)剪切成塊塊階段(巖爆爆的醞釀)劈裂巖板向洞洞內(nèi)彎曲，發(fā)發(fā)生張剪復(fù)合破壞壞。處于爆裂彈射射的臨界狀態(tài)態(tài)。3)塊、片彈彈射階段劈裂、剪斷巖巖板，產(chǎn)生響響聲和震動。巖塊發(fā)生彈射射，巖爆形成成。上述巖爆三個個階段構(gòu)成的的漸進(jìn)性破壞壞過程都是很很短促的。各各階段在演化化的時序和發(fā)發(fā)展的空間部部位，都是由由洞壁向圍巖巖深部依次重重復(fù)更迭發(fā)生生的。因此，，巖爆引起的的圍巖破壞區(qū)區(qū)可以分彈射帶、劈裂裂-剪切帶和劈裂帶等三帶。綜上所述，巖巖爆是地下工工程中與地殼殼巖體內(nèi)動力力作用有關(guān)的的地質(zhì)災(zāi)害，它不僅與巖巖體天然應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)關(guān)，而且與巖體的力學(xué)屬屬性有關(guān)。巖爆的的發(fā)生還受到到地質(zhì)構(gòu)造、洞室埋深、形狀、施工方法及爆破震動等因素的影響響。并可根據(jù)據(jù)巖爆顯現(xiàn)的的各種物理力力學(xué)現(xiàn)象對巖巖爆進(jìn)行預(yù)測測預(yù)報，采取取相應(yīng)的消除除和控制措施施，以減少其其災(zāi)害損失。?！?.5圍巖抗力與極極限承載力洞室由于存在在很高的內(nèi)水水壓力作用，，迫使襯砌向向圍巖方向變形，圍巖被迫后后退時，將產(chǎn)產(chǎn)生一個反力來阻止襯砌的的變形。圍巖對襯砌的的反力稱為圍巖抗力，或稱彈性抗力。圍巖抗力愈大大，愈有利于于襯砌的穩(wěn)定定。圍巖抗力力承擔(dān)了一部部分內(nèi)水壓力力，從而減小小了襯砌所承承受的內(nèi)水壓壓力，起到了了保護(hù)襯砌的作作用。充分利用圍巖抗力，可以大大地地減薄襯砌的厚度度，降低工程造造價。圍巖極限承載載力是表征圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力力能力的指標(biāo)。它主主要與圍巖的的強(qiáng)度性質(zhì)及及天然應(yīng)力狀狀態(tài)有關(guān)。一、圍巖抗力力系數(shù)及其確確定圍巖抗力系數(shù)數(shù)是表征圍巖抵抵抗襯砌向圍圍巖方向變形形能力的指標(biāo)標(biāo)，定義為使洞壁圍巖產(chǎn)產(chǎn)生一個單位位徑向變形所所需要的內(nèi)水水壓力。Pa為洞壁受到的的內(nèi)水壓力；；y為洞壁圍巖巖向外產(chǎn)生的的徑向位移。。(MPa／cm)圍巖抗力系數(shù)數(shù)（K）愈大大