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地下工程事故机理、因素及围岩稳定性判据

在进行风险辨识之前，首先要研究地下岩石洞室中发生安全事故的机理，弄

清哪些因素会导致安全事故的发生。辨识出风险因素后，要对洞室围岩的稳定性

判断给出合理的、易操作的判据，以便在围岩稳定性评价中作为依据；然后借助

已有方法对工程进行风险分析，综合失稳概率、后果、后果暴露程度及人的主观

因素对工程整体进行风险评估，最后提出相应的风险控制措施。图2-1所示为地

下工程风险评估系统。

图2-1地下洞室群工程风险评估系统示意

风险识别，即确定工程中可能存在的风险及其可能造成的影响，它是地下工

程风险分析的基础。多数情况下，隧道工程风险并非显而易见，有时甚至很难准

确预测。对地下工程进行风险识别，首先要预测可能面临的危险，本书中涉及的

风险主要是指工程方面，由于地质原因、设计缺陷、施工工艺或技术不善引起的

事故，或者是原材料缺陷引起的事故；其次要对总体风险因素进行分析，在风险

识别过程中，根据风险现象逐步分析，直至找到风险源；最后对主要风险因素的

组成和其影响程度做风险状态分析。

2.1地下工程破坏机理

地下工程特别是地铁、道路隧道或水电站地下洞室群等，都具有投资大、施

工周期长、施工项目多、施工技术复杂、不可预见风险因素多和对社会环境影响

大等特点，是一种高风险建设工程项目。地下工程的安全事故主要来自两个方面：

一是内部因素，如工程的地质条件、岩石力学参数、断层等特殊地质形态的分布

等；二是外部因素，如工程的施工工法、隧道的几何尺寸、布置形式等。其中，

起主要作用的还是岩石的性质、岩体结构等地质因素。

围岩稳定性对地下工程的顺利施工和安全运营起着至关重要的作用，因此分

析和研究围岩变形破坏机制和围岩稳定性的影响因素，采取正确合理的方法对隧

道围岩进行稳定性评价，对于隧道、地下厂房等地下工程的建设和运营有重大指

导意义。

地下工程开挖后，适应不了卸荷回弹和应力重分布作用的低强度围岩将发生

塑性变形和破坏，这种变形和破坏通常从洞室岩体中应力集中程度高、结构面强

度低的最薄弱部位开始，特别是最大主地应力洞室周边垂直部位，逐步向岩体内

部应力-强度关系中的次薄弱部位发展，最终引起隧道洞室周围形成松动带或松

动圈，围岩的应力进而因松动圈的应力释放而重新调整，在围岩表部形成应力降

低区，而高应力集中则向围岩内部转移，其结果是在围岩内形成一定的应力分带

（图2-2）［29-30］。

图2-2圆形洞室周围应力分布

依据岩体力学和工程地质理论，通过对隧道围岩变形破坏的主导因素和作用

力（临空围岩的自重力、地应力及动水压力等）的分析，将围岩变形破坏机制归

纳为四种类型：

（1）结构面控制型。岩石强度大大超过围岩承受的应力时，围岩的变形破

坏主要受结构面（尤其软弱结构面）控制，通常在重力作用下岩块沿着软弱结构

面塌滑破坏，一般不会发生塑性流动变形或脆性破裂。例如，在2、3区的应力

场中，在应力高度集中且有斜向断裂发育的部位，位于断裂带内的结构面由于切

向应力过大，径向应力却很小，使沿断裂面的剪应力超过其抗剪强度而引起剪切

滑移破坏。

结构面控制型围岩的变形破坏在块状和层状的硬质岩体主要表现为不稳定

块体的直接塌落和滑移，如图2-3所示，在碎裂和散体结构岩体中变形破坏的主

要方式是松弛、松脱，乃至崩溃。

图2-3不稳定块体的塌滑破坏

图2-4围岩压力较大的剥落破坏

（2）强度-应力控制型。围岩整体性较好，但岩石强度低于围岩应力，不仅

发生脆性围岩的弯折内鼓，还发生塑性围岩的塑性挤出，这类围岩的变形破坏主

要取决于岩石的抗弯或抗剪拉强度。例如，隧道顶拱的厚层状或块体状脆性围岩，

当顶部拉应力集中超过围岩的抗拉强度时，在裂隙特别是垂直裂隙发育时，即使

很小的拉应力也使岩体产生张性裂隙，被垂直裂隙切割成的岩体在自重作用下很

不稳定，往往造成顶拱的塌落。此外，还有塑性岩体的塑性流动变形和脆性岩体

的剥落，如图2-4所示。岩爆也是这类变形破坏的典型。

（3）混合类型。围岩结构面发育，岩石强度低于围岩应力，围岩稳定性不

仅受结构面控制，而且受地应力和岩体强度的制约。围岩的变形破坏除发生松弛、

塌落外，还发生塑性流动和剪切、挤出，隧道内常表现为侧墙的内挤和拱底的上

鼓，这类变形破坏主要发生