地下硐室围岩稳固性研究.pdf

地下硐室围岩稳固性研究 李志国,黄志伟 武汉理工大学, 湖北 武汉 430070 摘 要地下硐室围岩稳固性问题是岩石地下工程的一个重要研究内容,关系到工程施工 的安全性及其运行可靠性。介绍了围岩稳定性研究通常采用的岩体工程地质研究与岩体 强度分析评价方法。 关键词采场围岩;稳固性;工程地质;岩体强度 地下硐室采场等被包围于岩土体介质围 岩中,在硐室开挖和建设工程中常遇到围岩塌方、 地下水涌水等现象。因此,在工程建设规划和选址 时都要进行区域稳定性评价,以便正确解决地下建 筑的设计和施工中的各类问题。 1 硐室围岩变形破坏机制 1. 1 围岩特性及不连续面对围岩应力的影响 图1表示圆形硐室围岩不是理想弹性体时的应 力分布情况,它表明,当围岩的应力-应变关系具有 非线性特征,或围岩具有较大的蠕变特性时,硐室周 边附近的切向应力要小于理想弹性体岩层时的应 力;但当远离洞壁一定距离后,岩层内的切向应力却 要大于理想弹性岩层的应力,其变化情况如图1中 的虚线所示。 图1 围岩的非线性特征对围岩应力的影响 图2表示地下硐室附近断层等不连续面的存在 对围岩应力分布的影响,它表明,当硐室附近有一个 断层平行硐壁时,任何一个位于断层带内的岩层单 元体都要承受径向应力和切向应力的作用如图 2b ,从而使断层面上产生剪应力如图 2c 。如果 这种剪应力的数值大于断层泥或断层角砾岩所能承 受的应力值,则这一单元就会发生位移,从而使得传 过断层面的应力较之没有断层时有所降低,由于这 种原因,在洞室和断层之间的狭窄地带往往产生很 高的应力集中,使该区围岩的稳定条件大为恶化。 图2 断层等不连续面对围岩应力分布的影响 此外,岩层的各向异性也会引起应力集中程度 的增加。已被某些测量所验证过的理论计算结果指 出,各向异性岩层中的应力集中远大于各向同性岩 层。例如,用有限单元法研究的结果表明,节理所造 成的各向异性,因节理组的产状不同,其应力集中也 有很大变化,最大压应力集中系数会从各向同性岩 层的2. 75上升到12或下降到- 0. 3,最小应力集中 系数也相应地从0. 29下降至- 3. 3。 1. 2 相邻硐室的存在对围岩应力的影响 由于围岩内某一点的总应力等于两个或多个硐 室在该点引起的应力之和,故相邻硐室的存在通常 会使围岩应力主要是压应力的集中程度增高见 图3 ,对硐室围岩稳定不利。此外,巷道等的相互 交叉也会使围岩的应力集中程度增加。 1. 3 硐室围岩变形破坏的一般过程和特点 地下硐室或巷道开挖常使围岩的性状发生很大 的变化,促使围岩性状发生变化的因素,除卸荷回弹 ISSN 1671 - 2900 CN 43 - 1347/TD 采矿技术 第5卷 第4期 Mining Technology, Vol . 5,No. 4 2005年12月 Dec. 2005 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图3 相邻硐室条件下圆硐室周边的应力分析 和应力重分布之外,还有水分的重分布。一般来说, 硐室开挖后,可在硐室周围形成松动带或松动圈。 围岩内的应力状态也将因松动圈内的应力被释放而 重新调整,通常在围岩的表面形成应力降低区,而高 应力集中区则向岩体内部转移,使围岩内部形成一 定的应力分带。围岩表部低应力区的形成往往又促 使岩体内部的水分由高应力区向围岩的表部转移, 进一步恶化围岩的稳固条件,使某些存在于围岩表 层易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形,造成 很大的地压。围岩岩体变形和破坏的形式与特点, 除与岩体内的初始应力状态和硐形有关外,主要取 决于围岩的岩性和结构见表1,表 2 。 表1 脆性围岩破坏形式与围岩岩性及结构的关系 岩体结构变形破坏形式产生机制 块状岩体结构 及厚层状结构 张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏 劈裂破坏压应力集中造成的压致拉裂 剪切滑移, 剪切破坏 压应力集中造成的 剪切破裂及滑移拉裂 岩 爆压应力高度集中造成的 突然而猛烈的脆性破坏 中薄层状结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集 中造成的弯曲拉裂 碎裂结构破裂松动压应力集中造成剪切松动 表2 塑性围岩破坏形式与围岩岩性及结构的关系 岩体结构变形破坏形式产生机制 层状结构塑性挤出压应力集中作用的塑性流动 膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀 散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流 塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流 重力坍塌重力作用下的坍塌 1. 4 影响地下硐室围岩稳定性的因素分析 地下硐室围岩稳定性问题主要是可能出现的围 岩应力与围岩强度间的矛盾问题。因此,各类因素 都是通过这两个方面来影响地下硐室的稳定性的, 概括起来可分为3大类 第1类因素通过围岩应力状态而影响地下硐室 围岩稳定性,主要包括岩体的天然应力状态及硐室 的剖面形状。 第2类因素主要通过围岩的强度来影响硐室围 岩稳定性,包括围岩的岩性和结构。从岩性角度,可 以将围岩分为塑性围岩和脆性围岩两大类。塑性围 岩通常具有分化速度快、 力学强度低以及遇水易于 软化、 膨胀或崩解等不良性质,故对地下硐室围岩的 稳定性最为不利。脆性围岩由于岩石本身的强度远 高于结构面的强度,故这类围岩的强度主要取决于 岩体结构,岩性本身的影响不大。在这类围岩中,碎 裂结构的稳定性最差,薄层状结构次之,而厚层状及 块体状岩体则通常具有很高的稳定性。 第3类因素既影响应力状态,又影响围岩强度, 这主要是岩体中地下水的赋存活动条件以及分化等 作用的影响。 2 围岩稳定性分析评价原理与方法 由于不同类型工程的岩体对稳定性要求的不 同,不同结构特征及边界条件的岩体的变形与失稳 机制的不同,岩体稳定性分析的方法亦不尽相同。 归纳起来用于稳定性分析的方法有地质分析类比 法、 岩体结构分析与计算法、 岩体稳定性分类法、 数 值模拟计算法、 地质模拟试验法等。 地下工程的地质研究以及以上分析和实践表 明,岩体结构控制着围岩稳定性,不仅表现在稳定与 否方面,还将控制失稳的方式、 失稳的过程及失稳的 规模等其它方面。显然准确认识岩体的结构对研究 大硐室的稳定性和进行支护设计施工具有很大的研 究价值。 2. 1 块体稳定分析 节理岩体中开挖硐室后,开挖面与各种地质结 构面组合,形成各种分离或部分分离的块体。这些 块体随机分布,稳定性各异。其中有些关键块体的 失稳可能影响围岩的整体稳定。因此,分析关键块 体的稳定性是硐室围岩稳定性研究的重要内容。块 体稳定分析主要根据结构面的分布与硐群开挖面的 方位及其两者的组合关系进行分析,确定所有可能 101 李志国,等 地下硐室围岩稳固性研究 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 构成可动块体的关键节理组及断层组,然后采用块 体理论赤平解析法进行块体稳定分析,并综合评价 洞室群围岩块体的稳定性。各结构面的不利组合对 主洞室可构成的可能失稳的块体有以下几种类型 1由3条断层或2条断层和层间错动构成的 特定楔体; 2由断层或层间错动与少量延伸较长的缓倾 角节理或裂隙错动面构成的楔体; 3由断层或层间错动与节理面构成的楔体, 及由随机节理组构成的节理楔体。 2. 2 岩体结构效应指标 利用模糊数学中的隶属度,采用专家评分方法 确定裂隙发育程度定量表示的隶属度。在分区中, 利用裂隙率、 岩芯采取率等地质资料,综合上述定性 及定量信息,确定分区中采用的岩体结构效应因素 指标。进而可进行围岩岩体稳定性分类。 2. 3 岩块强度指标向岩体强度指标转换 岩体的性质是由岩块和岩体结构两方面决定 的。由岩体的强度破坏准则有 σ1σ3 M σcσ3Sσc2 1/2 1 式中σ1 最大主应力,MPa; σ3 最小主应力或围岩压力,MPa; M, S 岩体特性常数; σc 岩块的单轴抗压强度,MPa。 M, S值可由岩体分级数RMR值计算 未扰动或咬合岩体 M /Mi exp[ RMR- 100 / 28]2 S exp[ RMR- 100 / 9]3 扰动岩体 M /Mi exp[ RMR- 100 / 14]4 S exp[ RMR- 100 / 9]5 式中Mi的值是岩块的M值与岩性有关 , 对于煤 系地层,泥岩类一般取Mi 10;砂岩类Mi 15。由 式1取σ30,可得岩体单轴抗压强度 σcmassS1 /2 σ c 6 类似地取σ10时,可得岩体单轴抗拉强度 σtmass0.5σc[M- M 2 4 S 1/2 ]7 对于巷道等地下工程,一般可由已知岩体的围 压σ3来确定岩体的抗剪强度指标 Cmass和 φmass。首 先由σ3值按1式计算破裂时的σ 1值;其次,再计 算破坏面上的正应力σn σnσ3 σ1-σ3 2 2σ1-σ3Mσc/2 8 然后计算破坏面上的剪应力τ τσn-σ31 Mσc 2σ1-σ3 9 则Cmass 、 φ mass为 φ mass90- arcsin 2τ σ1-σ3 10 Cmassτ-σntgφmass11 另外,关于岩体的弹性模量,据已有研究可由岩 块弹性模量降低一个数量级得到,泊松比则取岩块 试验中较大值。 3 结 论 综上所述,通过应用工程地质的研究理论与方 法可以初步评价地下洞室围岩稳定性,并得出围岩 岩体的各项强度指标,从而有效地对围岩作出稳定 性评价分析,为设计与施工提供有用参考。 岩石地下工程,由于受诸多因素影响,围岩稳定 性和支护强度分析,存在许多不确定性,如围岩内部 地质条件的不可见性、 计算模型与实体模型的差异 性等都影响分析成果的准确程度。相比而言,原位 监测对于评价围岩变形与应力变化是一种比较客观 的手段。为此,建议在施工期加强监测,为及时发现 围岩失稳迹象和调整支护设计提供更准确的信息。 参考文献 [1 ]李治平.工程地质学[M ].北京人民交通出版社, 2002 101～ 114. [2 ]蔡美峰.岩石力学与工程[M ].北京科学出版社, 2002 307～ 347. [3 ]杨志河,王永生.黄河大柳树水利枢纽工程地下洞群围岩稳定 性[J ].水利水电工程设计,2002, 2 25～28. [4 ]许 兵.中国矿山建设基本工程地质问题[ J ].中国矿业. 1994, 5 7～11. 收稿是日期 2005 - 07 - 11 201 采矿技术 2005, 54 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.