第5章 岩石地下工程

岩石力学 课件

岩石地下工程

中国矿业大学

王迎超

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力建学院岩石力学与工程研究所

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一、概述

二、地下工程围岩分类及地下工程类型三、地下工程围岩应力四、地下工程围岩体的破坏机理五、地下工程支护设计

本章内容

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一、概述岩石地下工程定义：

是指在地下岩石中开挖并临时或永久修建的各种工程(如地下井巷、隧道、地下仓库，地下发电厂，地下飞机库\地下核废料存储库等)

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一、概述-地下工程的特点共同特点：在岩体内开挖出具有一定断面和尺寸，在地应力条件下构筑的洞室。地下工程周围岩体(围岩)的稳定性决定着地下工程的安全和正常使用。围岩：应力重分布影响范围的岩石

初始应力影响(载荷先于结构)开挖是第一道工序洞室的几何形状4

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一、概述-地下工程的特点地下工程特点：与地面工程所处环境条件截然不同

a)地质条件：地质条件不完全清楚；工程涉及范围大 b)荷载特性：地应力不确定，受结构影响、施工影响； c)结构特性：受力结构不明确，几何不稳定结构可能与围岩共同作用稳定 d)材料特性：岩体非均质、非连续、各向异性、时间效应 e)施工影响：在荷载不确定下施工，开挖、施工影响围岩稳定性5

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二、地下工程围岩分类及地下工程类型地下工程围岩分类(围岩分级):根据地下工程的性质与要求，将围岩体的某些属性加以概略的划分。围岩分类的目的： (1)整理和传授复杂岩石环境中开挖地下工程的经验； (2)可将以地质条件为主的分散的实践经验加以概略量化； (3)是应用前人经验进行支护设计、选择施工方法的桥梁； (4)是计算工程造价和投资的依据。6

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发展历程

20世纪70年代，单因素，定性or半定量70年代后，多因素，定性与定量结合70年代后期至90年代，我国围岩分类取得大发展，提出很多分类方案。

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地下工程围岩分类围岩分类类别名称稳定岩层岩层描述巷道开掘后围岩的稳定状态 (3~5m跨度)围岩稳定，长期不支护无碎块掉落现象围岩基本稳定，较长时间不支护会出现小块掉落围岩能维持一个月以上稳定，有时产生局部岩块掉落围岩的稳定时间仅有几天围岩很容易产生冒顶片帮岩种举例完整的玄武岩、石英质砂岩、奥陶纪灰岩、茅口灰岩、大冶厚层灰岩胶结好的砂岩、砾岩、大冶薄层灰岩

Ⅰ

1.完整坚硬岩层，Rb>60MPa,不易风化 2.层状岩层层间胶结好，无软弱夹层

Ⅱ

1.完整，比较坚硬岩层，Rb=40~60MPa稳定性 2.层状岩层，胶结较好较好岩 3.坚硬块状岩层，裂隙面闭合，无泥质充

填层物， Rb>60MPa 1.完整的中硬岩层，Rb=20~60MPa中等稳 2.层状岩层，以坚硬层为主，夹有少数软岩层定岩层 3.比较坚硬的块状岩层，Rb=40~60MPa稳定性 1.较软的完整岩层， Rb<20MPa较差岩 2.中硬的层状岩层 3.中硬的块状岩层，Rb=20~60MPa层不稳定 1.易风化潮解剥落的松软岩层岩层 2.各类破碎岩层

Ⅲ

页岩、砂质页岩；粉砂岩，石灰岩；硬质凝灰岩页岩、泥岩胶结不好的砂岩、硬煤炭质页岩、花斑泥岩、软质凝灰岩、 8煤、破碎各类岩石

Ⅳ

Ⅴ

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二、地下工程围岩分类及地下工程类型

1.按埋置深度划分浅埋地下工程

浅埋问题

地下工程埋深深埋地下工程深埋地下工程

深

地下工程自身影响达不到地表的，称为深埋。反之浅埋9

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深、浅埋隧道分界深度的确定深、浅埋隧道的判定原则h≥ hp时为深埋； h< hp时为浅埋。以隧道顶部覆盖层能否形成“自然拱”为原则。

注：h为覆盖层厚度；hp为深浅埋隧道分界深度。 I~ III级围岩取: hp= 2 hq IV~VI级围岩取: hp= 2.5 hq注: hq为塌落拱的高度。10

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2. Barton分类

（1）临时性矿山坑硐；（2）竖井；

（3）永久性矿山坑硐、水电工程的引水隧洞（不包括高水头涵洞）、导挖隧道、平巷和大型开挖工程的导坑

（4）地下储藏室、污水处理站、公路和铁路支线的隧道、水电工程的调压室及进出隧道；

（5）地下电站主硐室、公路和铁路干线的隧道、民防硐室、隧道入口及交叉点

（6

）地下核电站、地铁车站、地下体育场及公共设施、地下厂房

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三、地下工程围岩应力地下工程围岩稳定定义：地下工程工作期限内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。

地下工程围岩稳定性可分为两类自稳：不需要支护围岩自身能保持长期稳定人工稳定：需要采取措施才能保持围岩稳定 max [ ] U max [U]

围岩内危险点的应力和位移 max,Umax

max [ ]

Umax [U]

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三、地下工程围岩应力地下工程开挖寻求平衡(应力重分布) P0在巷道侧帮，愈接近自由表面，径向应力越 θ小，至洞壁处变为零；切向应力愈大，至洞壁处达最高值，即产生所谓压应力集中。在巷道顶部，愈接近自由表面，切向应力愈低，有时甚至于在洞壁附近出现拉应力，产生所谓拉应力集中。理论与实验表明：地下洞室开挖，洞壁处的应力集中现象最明显；地下工程围岩应力重分布特点主要取决于地下工程的形状和岩体的初始应力状态。R0

打破平衡

λP0

r

切向应力

λ=0.25径向应力

3~5r0

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λ=0.25

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三、地下工程围岩应力

地下工程稳定中的力学概念

本构关系概念：在力学范畴内讨论变形的相应关系 基本力学关系

根据材料性质及其工程影响，可分为：1)弹性(线弹性、完全弹性与滞弹性)

2)塑性或弹塑性(理想弹塑性和弹脆性；具有硬化、软化性)

3) 粘性(粘弹性、粘塑性、弹-粘塑性、粘弹塑性)

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三、地下工程围岩应力地下工程中的一些力学分析特点： 1)弹性、塑性(理想塑性)、破碎体 2)强度条件与破坏条件：具有软化性的不一致性 3)平面问题的概念及其意义平面应变与平面应力问题概念，隧道与长巷道 4)半无限体与无限体问题地基和浅埋的地下工程，深埋的地下工程平面应力

平面应变

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三、地下工程围岩应力

地下工程围岩应力分析： 轴对称圆形巷道弹性应力分析 一般圆形巷道弹性应力分析 椭圆形巷道弹性应力分析

矩形和其它形状巷道周边弹性应力分析

弹塑性应力分析（轴对称圆巷）

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三、地下工程围岩应力-轴对称圆形巷道1)基本假设 轴对称条件(圆巷、原岩应力轴对称(静水压力)分布) 线弹性平面问题条件(长巷道(平面应变)、均质连续、各向同性、线弹性围岩体) 无限体问题条件(深埋, Z>20R0) p0R0

p0弹性力学：轴对称平面应变圆孔问题

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三、地下工程围岩应力-轴对称圆形巷道2)基本方程 d r 平衡方程： dr 几何方程： r 物理方程：

r r

0

待求： r 通解

r

u

du u , dr r 1 2 r ) ( r 1 E

1 2 ( r) 1 E

B A 2 r B r A 2 r θR0

3)边界条件…r=R0, r=0; r=∝, r=p0…( Z) 4)结论 R2 p 0 (1 2 ) r r0

r

P0

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三、地下工程围岩应力-轴对称圆形巷道

R02 p0 (1 2 ) r r

次生应力场应力重分布结果

p0

r r

讨论：1)次生应力场也是轴对称场(与 无关); 2)巷道周边处于单轴受压( r=0)状态，并有最大应力集中( θ=2p0,即应力集中系数 k=2 ),且与巷道半径大小无关； 3)如岩石是弹脆性材料，当 =Sc(单轴抗压 P0强度)时巷道周边岩石将发生破坏； 4)新应力场分布和弹性常数E,υ无关，与相对半径的平方(R0/r)2相关；巷道影响范围为 (3~5)R0。 θR0

r

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三、地下工程围岩应力-一般圆形巷道Z>20R0p0 p0

p0 z

1 p (1 ) p0 2

p

1 (1 ) p0 2

p0

I轴对称

II

基尔希 (G.Kisrch)解的迭加 (1898年)20

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公式5-3,p.126

三、地下工程围岩应力-一般圆形巷道2 2 4 R0 R0 R0 1 1 r (1 ) p0 (1 2 ) (1 ) p0 (1 4 2 3 4 ) cos2 2 2 r r r 2 4 R0 1 R0 1

(1 ) p0 (1 2 ) (1 ) p0 (1 3 4 ) cos2 2 2 r r 2 4 p0 R0 R0 1 p0 r (1 ) p0 (1 2 2 3 4 ) sin2 2 r r

讨论：1)当 =1时，公式和轴对称情况一致；21

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