巖石力學圍巖穩(wěn)定

巖石力學課件圍巖穩(wěn)定第一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

引言安全生產是關系國計民生的頭等大事隧道（洞）工程是高風險行業(yè)每年，地下工程施工中由于設計、施工不當引發(fā)的塌方事故造成的人員傷亡上萬、國家財產損失幾十億如何評判隧洞圍巖的穩(wěn)定性？

第二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.地下工程圍巖穩(wěn)定性8.1

圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析8.2彈塑性力學分析法8.3圍巖壓力8.4隧道支護與新奧法8.5塊體理論應用實例8.6存在的問題第三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三§8-1地下工程圍巖穩(wěn)定性分析與壓力計算根據圍巖的結構不同，地下工程可采用不同分析方法。

完整結構的巖體：彈性/彈塑性力學分析塊狀結構巖體：塊體平衡理論分析碎裂和松散結構巖體：松散體力學分析各向同性巖體各向異性巖體第四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析

圍巖：坑道周圍發(fā)生應力重新分布的巖體稱為圍巖。

次生應力狀態(tài)（二次應力狀態(tài)）：原巖因受開挖擾動，其應力重新分布，圍巖中重新分布后的應力狀態(tài)，稱為次生應力狀態(tài)，或二次應力狀態(tài)。

基本假定：巖體為均質、連續(xù)和各向同性的介質。

研究圍巖應力狀態(tài)的方法：將巷道和圍巖視為無重量的有孔平板的平面應變問題。平板所受到的外力即為原巖應力。第五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

1、圓形坑道圍巖應力分布8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

1、圓形坑道圍巖應力分布設原巖垂直應力為p，水平應力為q，作用在圍巖邊界，忽略圍巖自重的影響，按彈性理論中的基爾希公式計算圍巖中任一點M（r，θ）的應力（a為洞半徑）：8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

1、圓形坑道圍巖應力分布

（1）當r→∞時，

上式即為極坐標中的原巖應力。8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、圓形坑道圍巖應力分布

（2）當r＝a時，即坑道周邊的應力為：

式中：λ=q/p

為側壓力系數(shù)?；颍?.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、圓形坑道圍巖應力分布

（3）當p=q,即λ=1時，

λ=1（軸對稱）時對圓形坑道圍巖應力分布最有利。8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三當r=a，坑道周邊應力為：

當r→∞時，坑道原巖應力為：

圓形坑道開挖應力擾動范圍為坑道半徑的3－5倍。

8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

2、橢圓形坑道周邊應力分布設橢圓形斷面長軸為水平方向，長半軸為a，短半軸為b，原巖垂直應力為p，水平應力為q=λp，坑道周邊任一點的徑向應力σr切向應力σθ剪應力τrθ

，根據彈性力學計算公式為：8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2、橢圓形坑道周邊應力分布式中：m=b/a,叫軸比；β周邊計算點的偏心角。8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三例：λ＝1/4條件下，不同軸比m對應的頂?shù)装搴蛢蓭椭悬c處的σθ：

可見，橢圓形長軸與原巖最大主應力方向一致時，坑道周邊不出現(xiàn)切向拉應力，應力分布較合理，等應力軸比時最好。8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

2、橢圓形坑道周邊應力分布

滿足上式的軸比叫等應力軸比。在等應力軸比的條件下，橢圓形坑道頂?shù)装逯悬c和兩幫中點的切向應力相等，周邊應力分布比較均勻。可見，在原巖應力(p,λp）一定的條件下，σθ隨軸比m而變化。為了獲得合理的應力分布，可通過調整軸比m來實現(xiàn)。8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析第十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三返回當時，矩形洞室周邊均為壓應力當時，洞室周邊出現(xiàn)拉應力矩形洞室周邊角點應力遠大于其它部位的應力a第十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.2彈塑性力學分析法圍巖應力的變化規(guī)律及其分布狀態(tài)根據圍巖應力分布狀態(tài)，可將坑道周圍巖體分為4個區(qū)域：1、應力松弛區(qū)2、塑性強化區(qū)3、彈性區(qū)4、原巖應力區(qū)第十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三圍巖與支護相互作用原理

8.2彈塑性力學分析法第十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三圍巖應力分布的共同特點

（1）無論坑道斷面形狀如何，周邊附近應力集中系數(shù)最大，遠離周邊，應力集中程度逐漸減小，在距巷道中心為3-5倍坑道半徑處，圍巖應力趨近于與原巖應力相等。

（2）坑道圍巖應力受側應力系數(shù)λ、坑道斷面軸比的影響，一般坑道斷面長軸平行于原巖最大主應力方向時，能獲得較好的圍巖應力分布；而當坑道斷面長軸與短軸之比等于長軸方向原巖最大主應力與短軸方向原巖應力之比時，坑道圍巖應力分布最理想。這時在巷道頂?shù)装逯悬c和兩幫中點處切向應力相等，并且不出現(xiàn)拉應力。

（3）坑道斷面形狀影響圍巖應力分布的均勻性。通常平直邊容易出現(xiàn)拉應力，轉角處產生較大剪應力集中，都不利于坑道穩(wěn)定。

（4）坑道影響區(qū)隨坑道半徑增大而增大，相應應力集中區(qū)也隨坑道半徑增大而增大。如果應力很高，在周邊附近應力超過巖體承載能力而產生破裂區(qū)半徑也將較大。

（5）上述特征都是在假定坑道周邊圍巖完整(彈性)的情況下才具備的。在采用爆破方法開挖的坑道中，由于爆破的松動和破壞作用，坑道周邊往往不是應力集中區(qū)，而是應力降低區(qū)，此區(qū)域又叫爆破松動區(qū)。該區(qū)域的范圍一般在0.5m左右；往內分別為應力集中區(qū)（塑性強化區(qū)）、彈性區(qū)、原巖應力區(qū)。返回第十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三一、圍巖壓力的基本概念狹義圍巖壓力：圍巖作用于支護上的壓力，也稱山巖壓力。（圍巖和支護被看成獨立的兩個體系）廣義圍巖壓力：支護與圍巖是一個共同體，二次應力的全部作用力視為圍巖壓力。

1、松動壓力：松動脫落圍巖，作用在支護上的巖體的自重荷載（自然拱、掉塊，……）及時支護減小松動范圍、控制松動區(qū)發(fā)展。2、變形壓力阻止圍巖塑性變形時，作用在支護上的壓力。3、沖擊壓力：巖體中的能量突然釋放（巖爆）所形成的壓力。4、膨脹壓力：圍巖膨脹所形成的壓力只有松動壓力和塑性變形壓能夠計算。8.3圍巖壓力第二十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、太沙基的圍巖壓力計算方法由單元體的平衡條件推出圍巖壓力1、基本假設（1）認為巖體是松散體，但存在一定的粘聚力，且服從庫侖準則：（2）圍巖的滑移模式和外力情況如圖所示2、圍巖壓力計算邊界條件：微元體的平衡條件：

第二十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三圖7-16垂直地層壓力計算圖第二十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（3）適用條件：H<50m。解該微分方程，并令z=H得洞頂壓力：

-原巖應力側壓力系數(shù)洞室兩邦的壓力:第二十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三三、影響圍巖壓力的因素

1、地質方面的因素（自然屬性）（1）完整性或破碎程度。（2）結構面的產狀、分布密度、力學性質、充填物性質及其充填狀態(tài)。（3）地下水的活動狀況。（4）巖體的性質和強度。

第二十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2、工程方面的因素

（1）洞室的形狀和尺寸

（2）支護結構的形式和剛度支護作用：阻止圍巖變形，維護圍巖穩(wěn)定支護外部支護內承支護剛性柔性第二十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（3）洞室的位置、尺度和覆蓋層厚度。（4）施工中的技術措施。例如，控制爆破（光、預裂）開挖順序（5）洞室的軸線走向2、工程方面的因素

第二十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、圍巖整體穩(wěn)定，可能有局部掉落。（爆破震動、局部裂隙切割）2、脆性斷裂破壞拉裂破壞，一般在洞頂。3、松散、冒頂、片幫→自然拱4、圍巖膨脹底鼓5、形成塑性滑移面四、水平洞室圍巖的主要破壞形式第二十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三自然冒落拱第二十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三水平或緩傾斜堅硬巖層巷道開挖輪廓線急傾斜堅硬巖層高邊墻塌落取決于節(jié)理分布第二十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三脆性裂隙巖體巷道圍巖頂部掉塊模型軟巖巷道嚴重底鼓現(xiàn)象

第三十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三軟巖巷道圍巖的膨脹現(xiàn)象返回第三十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

巖體作為支護結構的組成部分，構成共同存載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調變形，共同承擔全部圍巖壓力。8.4隧道支護與新奧法簡介8.4.1隧道支護8.4.2新奧法簡介第三十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.4.1隧道支護一、離壁式支護的力學作用

特點：離壁式支護結構如木支架、鋼支架、混凝土砌碹以及鋼筋混凝土支架等與圍巖部分點接觸和部分面接觸。

1、被動承受圍巖壓力。2、支護及時時，在點接觸或面接觸處承受圍巖所產生的壓力（變形壓力），未與圍巖接觸處承受圍巖松脫冒落的自重應力（松動壓力）。3、在完全不接觸的情況下，或支護不及時時，圍巖已發(fā)生松脫，則只承受松動壓力。第三十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、噴錨支護的力學作用

特點：噴錨支護是噴射混凝土支護與錨桿支護的聯(lián)合支護，其特點是通過加固圍巖，提高圍巖的自承能力達到維護坑道的目的。1、噴射混凝土的力學作用

（1）加固圍巖。（2）改善圍巖的應力狀態(tài)。2、錨桿支護的力學作用（1）錨桿的受力狀態(tài)端部錨固式錨桿全長粘結式錨桿8.4.1隧道支護第三十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、噴錨支護的力學作用2、錨桿支護的力學作用（1）錨桿群的力學作用8.4.1隧道支護第三十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、噴錨支護的力學作用2、錨桿支護的力學作用（1）錨桿群的力學作用

A、組合懸吊作用

8.4.1隧道支護第三十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、噴錨支護的力學作用2、錨桿支護的力學作用（1）錨桿群的力學作用

B、擠壓加固作用

8.4.1隧道支護第三十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二、噴錨支護的力學作用3、噴錨聯(lián)合支護的力學作用（1）開挖后，在坑道周邊形成松動圈和塑性變形區(qū)。噴射混凝土支護，一方面水泥砂漿的膠結作用提高了松動圈的整體穩(wěn)定性，另一方面噴射混凝土層的柔性，允許圍巖發(fā)生較大的位移而不發(fā)生松脫，能充分發(fā)揮圍巖的自支承能力。（2）錨桿的擠壓加固與圍巖變形的相互作用，進一步加固圍巖，提高其整體承壓能力。噴錨聯(lián)合支護是軟弱破碎巖體的一種最有效的支護形式，具有主動加固圍巖、充分發(fā)揮圍巖的自支承能力、良好的抗震性能等優(yōu)點。8.4.1隧道支護第三十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

“新奧地利隧道施工法”（NATM－NewAustraliaTunnellingMethod）法，由奧地利學派創(chuàng)始人之一米勒教授提出的。包括三方面的內容：1、支護-圍巖共同作用原理。2、柔性支護觀點/錨噴網綜合支護主要支護手段。3、設計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式。優(yōu)點：較好利用巖體力學特性，充分發(fā)揮圍巖的自身的承載能力，合理設計支護結構和施工順序。8.4.2新奧法簡介

巖體作為支護結構的組成部分，構成共同存載體，它們之間互相依存，互相制約，協(xié)調變形，共同承擔全部圍巖壓力。

第三十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1、支護-圍巖共同作用原理

圍巖既是生產支護荷載的主體，又是承受巖層荷載的結構，支護-圍巖作為整體相互作用，共同承擔圍巖壓力。摒棄了過去巖體作為對支護結構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，只有少部分轉移到支護結構上；支護荷載既取決于圍巖的性質，又取決于支護結構的剛度和支護時間；圍巖的松動區(qū)和圍巖內的二次應力狀態(tài)又與支護結構的性質和支護時間有關。第四十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三支護-圍巖共同作用原理圖圍巖特性曲線支護特性曲線支護時間剛度早晚剛柔第四十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2、柔性支護觀點

支護剛度不必太大，當支護做完后，能與巖體一起生產一定的位移，釋放部分變形能，但又能使支護足以保持平衡，保持圍巖穩(wěn)定。

柔性支護，盡早支護，既及時封閉圍巖，防止風化，又能釋放變形能，合理利用圍巖與支護共同承擔應力調整過程中的所有作用。支護結構為閉合環(huán)，錨噴網綜合支護主要支護手段。第四十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三設計、施工、監(jiān)測一條龍作業(yè)方式工程地質調查與相關實驗工程開挖與支護設計施工與監(jiān)測是否穩(wěn)定第四十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三地下工程穩(wěn)定穩(wěn)定定義：地下工程工作期限內，安全和所需最小斷面得以保證，稱為穩(wěn)定。穩(wěn)定條件：

地下工程巖體或支護體中危險點的應力和位移；巖體或支護材料的強度極限和位移極限。

第四十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三地下工程穩(wěn)定性可分為兩類自穩(wěn)：不需要支護圍巖自身能保持長期穩(wěn)定人工穩(wěn)定：需要支護才能保持圍巖穩(wěn)定第四十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三穩(wěn)定性問題的力學本質自穩(wěn)不自穩(wěn)圍巖內危險點的應力和位移計算圍巖壓力支護中危險點的應力或位移大于支護極限小于支護極限人工穩(wěn)定改革支護第四十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三深埋地下工程地下工程自身影響達不到地表的，稱為深埋。反之淺埋（2）當埋深等于或大于巷道半徑R0或其寬、高之半的20倍以上時，巷道影響范圍（3~5R0）以內的巖體自重可以忽略不計；原巖水平應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為：（1）可視為無限體中的孔洞問題，孔洞各方向無窮遠處，仍為原巖應力；第四十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（3）深埋的水平巷道長度較大時，可作為平面應變問題處理。其它類型巷道，或作為空間問題，或作為全平面應變問題處理。解析方法數(shù)值方法試驗方法地下工程穩(wěn)定性分析途徑本章主要內容彈性彈-塑性松散圍巖應力、支護上的壓力返回第四十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.5塊體理論應用實例荒溝抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)洞室群圍巖

穩(wěn)定性分析

作為地下洞室工程直接作用對象的巖體，宏觀上可以視為由結構面和臨空面切割形成的塊體的集合體。洞室開挖使巖體內原始的應力平衡狀態(tài)遭到破壞，應力重新分布。在局部應力集中區(qū)，當應力超過巖體強度極限時，某些塊體就會失去原有的靜力平衡狀態(tài)，沿著結構面滑移并導致局部掉塊，進而產生連鎖反應，造成一定范圍內巖體的局部失穩(wěn)。因此塊體穩(wěn)定性是研究地下工程圍巖整體穩(wěn)定性的一項極為重要的內容，應給予高度的重視。第四十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

塊體理論是近年來發(fā)展和完善起來的一種巖體工程穩(wěn)定性分析方法，它最早是由石根華先生在20世紀70年代提出的。塊體理論是基于自然界中巖體為由含大量結構面的巖石所組成的結構體，針對過去將巖體作為彈性的均質連續(xù)體而提出的一種完全不同的認識。

塊體理論認為，在堅硬和半堅硬的地層中，巖體被結構面切割成各種類型的空間鑲嵌塊體。在自然狀態(tài)下，這些塊體是穩(wěn)定的，但當進行地下工程的開挖時，開挖造成的卸荷作用改變了塊體原有的平衡，使得塊體出現(xiàn)失穩(wěn)的現(xiàn)象。首先失穩(wěn)的塊體被稱作關鍵塊體，其對工程的安全性構成嚴重威脅。因此，研究塊體的穩(wěn)定性實質就是研究結構面的空間展布特征，進而找出關鍵塊體。8.5.1理論依據第五十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三一基本概念

1.1.塊體分類

1.2.塊體定義

(1)塊體：塊體，泛指被各類結構面和臨空面所切割的巖體。第五十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三(2)無限塊體：是指未被結構面和臨空面完全切割成孤立體的塊體，這類塊體雖受結構面和臨空面切割，但仍有一部分與母巖相連。

(3)有限塊體：被結構面和臨空面完全切割成孤立體的塊體，亦可稱為分離體。有限塊體又分為不可動塊體和可動塊體兩類。

(4)不可動塊體：不可動塊體或稱倒楔塊體，這類塊體沿空間任何方向移動皆受相鄰塊體阻礙，如果相鄰塊體不發(fā)生移動，它也不可能移動。第五十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三(5)可動塊體：可動塊體是指沿空間某一方向或若干方向移動而不受相鄰塊體阻礙的塊體，

可動塊體又分為穩(wěn)定塊體、可能失穩(wěn)塊體和關

鍵塊體。

(6)穩(wěn)定塊體：指在工程力和自重作用下，即使滑動面的抗剪強度為零也能保持穩(wěn)定的塊體。

(7)可能失穩(wěn)塊體：可能失穩(wěn)塊體指在工程力和自重作用下，由于滑動面有足夠的抗剪強度才保持穩(wěn)定的塊體，若滑動面上的抗剪強度降低，這類塊體可能失穩(wěn)。第五十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三(8)關鍵塊體：關鍵塊體是指在工程力和自重作用下，由于滑動面上的抗剪強度不足于抵御滑動力，若不施加工程錨固措施。必將失穩(wěn)的塊體。(a)無限塊體(b)倒楔塊體(c)穩(wěn)定塊體(d)可能失穩(wěn)塊體(e)關鍵塊體第五十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三二分析手段

塊體理論按其性質可大致分為作圖法和矢量解析法。

2.1.赤平投影解析法

在巖體工程地質力學研究和實踐中，主要應用的是通過投影球心的平面和直線的赤平極射投影，用于表示巖體中的結構面、工程開挖面、工程作用力、巖體的滑移方向、滑動力和抗滑力等，在作圖時，不考慮直線和平面的空間位置，只表示它們的空間方向。第五十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2.3.程序VATS原理

在實際應用中，輸入三組結構面的x、y、z、傾角、傾向、c、φ七個參數(shù)進行計算。依次分析圍巖內頂點，結構面與臨空面交點，各結構面的面積，結構面切割塊體體積、重心坐標等數(shù)據，從而得到的塊體確切位置、是否滑動以及可能滑動時的凈滑動力和穩(wěn)定系數(shù)等。同時，本軟件也支持輸入多個塊體的計算參數(shù)計算，方便了數(shù)據的處理。其詳細情況請參看下面的流程圖：第五十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第五十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三(1)在詳細調查的基礎上，認真整理勘探平硐實測資料，從中選取本次研究中所需延伸出的揭露斷層和節(jié)理的產狀和展布特征，對水電站內規(guī)模較大的地下廠房系統(tǒng)通過地質勘探資料確定其中心位置、走向、傾向和洞室群的空間

布置，以及可能結構塊體的選取等。

(2)依據探硐揭露的節(jié)理、斷層結構產狀，選用對應位置的玫瑰節(jié)理圖，運用赤平極限投影法和矢量分析法對地下廠房系統(tǒng)的洞室群中的可動塊體和關鍵塊體進行定性的分析，來獲取生成可動塊體和關鍵塊體的節(jié)理組和斷層的可能組合和在洞室群的剖面上的位置。三工作步驟第五十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

(3)運用塊體理論方法和數(shù)值計算軟件Matlab編制隧道洞室圍巖塊體的矢量解析計算程序VATS(VectorAnalysisforTunnelStability)，該程序充分利用適量解析方法的優(yōu)點，通過對塊體結構的數(shù)學描述，判斷洞室圍巖塊體的穩(wěn)定性，直接輸出關鍵塊體的出露位置、體積、滑動力及其穩(wěn)定性參數(shù)。

(4)根據洞頂、邊墻的結構面展布圖及結構面傾向、傾角，測點等數(shù)據，運用所編制的矢量解析程序VATS(VectorAnalysisforTunnelStability)，對PD04，PD05探硐內的在拱頂和邊墻內完全出露的節(jié)理、斷層進行無限延伸并任意組合，研究地下廠房系統(tǒng)的拱頂和邊墻的塊體穩(wěn)定性和關鍵塊體的出露位置、體積、滑動力及其穩(wěn)定性參數(shù)，并以圖形展示。

(5)根據分析出的地下廠房系統(tǒng)洞室群的圍巖穩(wěn)定性結果，提出對其進行整體支護設計和關鍵塊的特殊支護處理的建議方法。三工作步驟第五十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1.計算條件(一)赤平極射投影法和矢量分析法分析PD01、PD05、PD04(樁號1+235-1+272,總共89條)裂隙走向玫瑰花圖

第六十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2.計算結果

(1).地下主廠房地下廠房結構面赤平投影

第六十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三3.工程評價：

這里我們應用探硐揭露的結構面的實際產狀，將節(jié)理、斷層進行概化分組形成玫瑰節(jié)理圖，分為考慮各洞室結構面的全部組合和依據各洞室地質剖面圖具體情況考慮結構面的組合這兩種情況，通過赤平投影法和矢量解析法相互驗證，對洞室圍巖中的可動塊體和關鍵塊體進行了定性的搜索，得出了各洞室圍巖中可動塊體和關鍵塊體的個數(shù)、參與的結構面的組合及其在預挖臨空面剖面上的位置。第六十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三結構面組合在左邊墻有兩個交點

主廠房左邊墻-拱頂位置塊體編號的三維色譜圖第六十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三兩兩結構面組合交點均位于在左邊墻

主廠房左邊墻位置塊體的三維色譜圖第六十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三兩兩結構面三個交點均位于拱頂主廠房拱頂位置不同編號塊體的三維色譜圖返回第六十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三目前圍巖穩(wěn)定性評判指標

目前對洞室穩(wěn)定性的評價尚無統(tǒng)一的理性方法收斂變形是圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的最直接表現(xiàn)，常被當作重要指標

經驗公式由抗壓強度與洞室尺寸估算最大允許變形式中：B為洞室跨度H為洞室高度Rb為巖體單軸飽和抗壓強度規(guī)范方法《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》(GB50086-2001)允許的洞周相對收斂量圍巖類別隧洞埋深（m）<5050~300300~500III0.1~0.30.2~0.50.4~1.2IV0.15~0.50.4~1.20.8~2.0V0.2~0.80.6~1.61.0~3.0注：(1)洞周相對收斂量指實測收斂量與兩點間距離之比(2)適用于高跨比為0.8~1.2和III類圍巖跨度小于20m、IV類小于15m、V類小于10m(3)脆性巖體取表中較小值，塑性巖體取表中較大值工程上主要采用經驗公式和規(guī)范的規(guī)定

第六十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三目前圍巖穩(wěn)定性評判指標以上兩種方法均與圍巖的力學參數(shù)、變形模量E、圍巖埋深H等因素沒有直接關系，顯然不科學。沒有能夠反映圍巖力學特性、隧洞的埋深以及隧洞尺寸的圍巖穩(wěn)定性評價指標，更沒有理性的、明確的圍巖穩(wěn)定性評價標準與方法圍巖類別IIIIVV經驗公式3.7910.73120.00規(guī)范的規(guī)定10~2520~6030~80洞徑10m時不同評判指標允許的拱頂最大沉降量(mm)

彈性模量（GPa）泊松比凝聚力（MPa）內摩擦角（°）5.0~10.00.25~0.300.6~1.535~451.0~5.00.30~0.350.1~0.630~350.3~1.00.35~0.450.05~0.120~30返回第六十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

核軍事工業(yè)也產生高放廢物1945年8月6日:轟炸廣島1964年10月16日:中國第一顆原子彈爆炸第六十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三中國的核電站已建成9套，在建2套，在2020年前再建25套大亞灣嶺澳秦山1，2秦山-3田灣第六十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三高放廢物處置的方法

唯一可行的處置方案

深地質處置第七十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

地質處置庫的特征

處置庫是安全處置高放廢物的礦山式地下工程，距地表500-1000米深由多重屏障組成,有效阻擋高放廢物中放射性核素的遷移，確保安全多重屏障之一：工程屏障—廢物體、廢物罐、外包裝、和緩沖材料膨潤土多重屏障之二:天然屏障—經過精心選擇的位于穩(wěn)定地質體中的巖石,如花崗巖、粘土巖等第七十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

高放廢物地質處置：科學挑戰(zhàn)

處置庫中的廢物：放射性強毒性大半衰期長處置庫的壽命至少要達到1萬年。這一要求是目前任何工程所沒有的。并且要求有科學、可信的手段評價處置庫是安全的第七十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

地質處置：地質學難題1.處置庫場址地質演化的預測2.深部地質環(huán)境的特點和演化3.地質處置庫多因素耦合條件下（中高溫、高壓、地殼應力、還原條件、水流作用和化學作用）深部巖石和巖體的行為4.地質處置庫多因素耦合條件下材料的行為：緩沖回填材料—膨潤土等材料的行為5.深部地質環(huán)境下放射性核素（主要是超鈾核素）的地球化學行為6.各種因素對處置系統(tǒng)的影響7.地質處置系統(tǒng)的性能評價方法及計算機仿真第七十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三HUMBOLDTCOUNTYPERSHINGCOUNTYELKOCOUNTYWHITEPINECOUNTYNYECOUNTYLANDERCOUNTYEUREKACOUNTYCHURCHILLCOUNTYWASHOECOUNTYMINERALCOUNTYSTOREYLYONDOUGLASESMERALDACOUNTYLINCOLNCOUNTYCLARKCOUNTYLASVEGASINYOCOUNTYCALIFORNIANELLISAIRFORCERANGENVTESTSITEYUCCAMOUNTAIN100milesnorthwestofLasVegasLocatedonwesternboundaryoftheNevadaTestSite,aDOEfacilityLocationofYuccaMountain,Nevada第七十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

高放廢物地質處置：美國進展

第七十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三人文、政治、經濟、旅游資源、地震與地質地殼穩(wěn)定性地球化學核設施布局大地構造未來自然變化趨勢運輸條件自然資源初步選址甘肅北山（100Km2）地質體的地質、水文、地震、巖性、力學分析、斷裂構造和裂隙、地球化學、氣候及氣象深部地下儲存庫穩(wěn)定性地下試驗室研究巖石力學與工程儲存場址的建議人大審批甘肅北山10Km2

建庫第七十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三具有歷史意義的甘肅北山1號孔開工典禮（2000/07/08，18:00）返回第七十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三（一）數(shù)值分析方法的分類在巖石力學有關領域的數(shù)值分析方法應用中，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用要點原理：通過變分原理（或加權余量法）和分區(qū)插值的離散化處理把基本支配方程轉化為線性代數(shù)方程，把待解域內的連續(xù)函數(shù)轉化為求解有限個離散點（節(jié)點）處的場函數(shù)值。9.數(shù)值計算方法及新進展簡介第七十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三應用要點：

１.正確劃分計算范圍與邊界條件2.正確輸入巖體參數(shù)及初始地應力場3.采用特殊單元來考慮巖體的非連續(xù)性和邊界效應（三）巖石力學問題的其他數(shù)值分析方法1.邊界單元法

有限元法是對問題的微分近似表達式給出了精確解，它實質上屬于微分法。第七十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

與微分法相對應的是積分法，積分法所涉及的邊界可包圍整個問題域，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微分法與積分法之間的區(qū)別。第八十頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2.離散單元法離散單元法完全強調巖體的非連續(xù)性。它認為，巖體中的各離散單元，在初始應力作用下各塊體保持平衡。巖體被表面或內部開挖以后，一部分巖體就存在不平衡力，離散單元法對計算域內的每個塊體所受的四周作用力及自重進行不平衡計算，并采用牛頓運動定律確定該巖塊內不平衡力引起的速度和位移。反復逐個巖塊進行類似計算，最終確定巖體在已知荷載作用下是否將破壞或計算出最終穩(wěn)定體系的累計位移。第八十一頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

離散單元法算例：研究地下煤層開挖引起冒落和巖層移動，研究冒落帶深度與節(jié)理間距的關系。第八十二頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

3.塊體理論塊體理論就是針對個性各異的巖體中具有結構面這一共性，根據集合論柘樸學原理，運用矢量分析和全空間赤平投影圖形方法，構造出可能有的一切塊體類型，進而將這些塊體和開挖面的關系分成可移動塊體和不可移動塊體，對幾何可移動塊體在按力學條件分為穩(wěn)定塊體、潛在關鍵塊體、關鍵塊體。此外，在計算方法上，還有半解析法、加權殘余法以及松弛法中的經松弛法以及上述方法的耦合應用。第八十三頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三例子第八十四頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三五、位移反分析法在巖體力學中的應用1.位移反分析法：在巖體工程施工開挖過程中，通過測量位移、應變或應力，來確定巖體的初始地應力或巖體力學參數(shù)。2.應用反問題法不僅是參數(shù)估計，它的進一步推廣應用是工程預測和險情預報、反饋動態(tài)設計、調整施工方案以及可靠度評價等六、新的數(shù)學計算方法和軟科學在巖石力學中的應用第八十五頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三1.分形幾何及其在巖石力學中的應用分形幾何是近十年來發(fā)展起來的研究非線性現(xiàn)象和圖形不規(guī)律性的理論和方法，它在處理巖石斷裂形貌、巖石破碎、巖體結構、巖石顆粒特征等過去認為難以解決的復雜問題，得到了一系列準確的解釋和定量結果。下面圖表是分形幾何在巖體結構的分維中的應用。第八十六頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三

第八十七頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三2.統(tǒng)計巖石力學3.系統(tǒng)分析、控制論等軟科學在巖石力學與工程中的應用4.人工智能與專家系統(tǒng)在巖石力學中的應用第八十八頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三第八十九頁，共九十五頁，編輯于2023年，星期三8.1圍巖與襯砌應力分布的彈性力學分析

圍巖：坑道周圍發(fā)生應力重新分布的巖體稱為圍巖。

次生應力狀態(tài)（二次應力狀態(tài)）：原巖因受