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工程地质第9章
* 第9章 地下洞室围岩稳定性地下洞室:为各种目的修建在地层内的中空通道或中空洞室统称为地下洞室,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、地下弹道导弹发射井、以及地下飞机库等。围岩:由开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内。通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的3—5倍,习惯上将此范围内的岩体称为“围岩” 9.1 洞室围岩应力重分布特征围岩应力重分布的一般持点 围岩及围岩内的初始应力场 图9-2 N=0.25时,圆形隧洞周边的应力分布 理论与实验表明:地下洞室围岩应力重分布的特点主要取决于 洞形(横断面形状)和岩体的初始应力状态。 9.2 洞室围岩的变形破坏方式 9.2.1 围岩变形破坏的一般过程和特点 图9-12 N=1应力场中圆形隧洞 周边的应力分带 1—应力减低了的区域;2—应力增高了 的区域;3—初始应力未受影响的区域 9.2.2 脆性围岩的变形破坏方式 主要类型:弯折内鼓、张裂塌落、劈裂剥落、剪切滑移、 岩爆等 1.弯折内鼓 是层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。 有两种情况,一是卸荷回弹的结果,二是应力集中使洞壁 处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的。 2.张裂塌落 通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。 当那里产生拉应力集中,且其值超过围岩的抗拉强度时,顶拱围岩就将发生张裂破坏。 图9-15 N=1/3的应力场中宽度比为6的坑道顶拱的冒落对顶拱应力的影响 3.劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动 (1) 劈裂剥落 过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周期性的破裂。一些平行的破裂将围岩切割成厚度由几厘米 到几十厘米的薄板,它们沿壁面剥落。 图9-16 美国弗吉尼亚洲皮特斯波夫煤层中 不同走向坑道围岩的变形破坏特征 (2) 剪切滑移 图9-17 滑移拉裂引起的顶拱冒落 (3) 碎裂松动 图9-18 宽高比为6应力比值系数N=3,坑道 顶拱塌落对顶拱应力的影响 碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式,洞体开挖后,如果围岩应力已超过了围岩的屈服强度,这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰,并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动圈。 4.岩爆 (1) 岩爆的基本概念 岩爆:在地下开挖或开采过程中,围岩的破坏有时会突然地以爆炸的形式表现出来这就是所谓的岩爆。 (2) 岩爆的产生条件与发生机制 图9-19 方柱形岩体手力变形及应 变能的储积 图9-20 易于产生岩爆的 高变异应力区 图9-21 由岩性条件所决定的 局部应力集中区 图9-22 开挖逼近断层时易于 产生岩爆的部位 9.2.3 塑性围岩的变形与破坏 塑性围岩:包括各种软弱的层状结构岩体( 如页岩、泥岩和粘土岩等)和散体结构岩体。 破坏方式:塑性挤出、膨胀内鼓、塑流涌出、重力坍塌 1.塑性挤出:洞室开挖后,当围岩应力超过塑性围岩的 屈服强度时,软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向 向消除了阻力的自由空间挤出。 2.膨胀内鼓:洞室开挖后,围岩表部减压区的形成往往 促使水分由内部高应力区向围岩表部转移,结果常使其 些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形。 3.塑流涌出:当开挖揭穿了饱水的断裂带内松散破碎物 质时,这上结物质就会和水一起在压力下呈夹有大量碎 屑物的泥浆状突然地涌入洞中。 4.重力坍塌:破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方。 A—花岗岩的剪切破碎带;B—页岩中的缓倾角断裂带; C—富含蒙脱石的风化火山灰;D—固结差的泥岩; E—遭剪切破坏和风化的云母片岩; F—与岩脉相接触的强蚀变细斑岩 几种发生塑性挤出的地质条件 9.2.4 采空区围岩变形、破坏引起的地表沉陷 1.采空区矿柱系统的累进性破坏及采空区的冒落 图9-24 采空区矿柱系统示意图 2.地表沉陷与沉陷洼地的形成 图9-25 采空区冒落引起的上复岩层 的变形与错动的分带 图9-26 下沉洼地内压,拉应力的分布 图9-27 倾斜岩层中下沉洼地的特征 图9-28 与掘进掌子面平行剖面上下沉发展 9.3 洞室围岩稳定性评价 9.3.1 影响地下洞室围岩稳定性的因素分析 第一类因素是
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