n05 地下洞室的围岩应力与围岩压力报告.doc

5 地下洞室的围岩应力与围岩压力 5.1 地下洞室的围岩应力计算及应力分布 5.1.1 概述 在岩体中开挖地下洞室，必然会破坏原来岩体内相对平衡的应力状态，并在一定范围内引起岩体天然应力状态的重分布。岩体的强度和变形特性是否适应重分布以后的应力状态，将直接影响地下建筑物的安全。为了正确评价地下建筑的稳定性，除进行必要的地质分析外，对围岩应力分布特征的分析和计算，也是评价围岩稳定性所必须的环节。 洞室开挖后，周围的岩石在一般情况下（侧压力系数3）必然会在半径方向上发生伸长变形，在切线方向上发生压缩变形，这就使原来径向上的压缩应力降低，切向上的压缩应力增高，而这种降低和增高的程度随着远离洞壁逐渐减弱，达到一定距离后基本无影响。通常将应力的这种变化称为应力重分布（即原始的应力状态变化到新的平衡的应力状态的过程）。把应力重分布影响范围内的岩体称为围岩。围岩内的应力称为围岩应力或二次应力（相对与天然应力）。理论研究和实际测量结果表明，围岩应力的分布规律与开挖前岩体的天然应力状态及洞型等有关。 地下工程在设计、施工和使用时，总是要研究其稳定性问题。 在地下工程（井巷、隧道、洞室等）工作期内，安全和所需最小断面得以保证，称为稳定。稳定如果用公式来表示的话，就是： 其中，(max、umax——地下工程岩体或支护体中最大、最危险的应力与位移；S、U——岩体或支护材料的强度极限与位移。 无论无支护或有支护，凡涉及这方面研究的问题，统称为稳定性问题。 地下工程稳定性可分为两类： （1）自稳——能长期自行稳定的情况，如天然石灰岩溶洞、某些金属采矿场等。通常不需要进行支护。 （2）人工稳定——需要依靠支护才能达到稳定的情况，如煤矿中的软岩巷道、表土洞室等，由于次生应力场的作用形成破碎带。 地下工程自身影响范围达不到地面的，称为深埋，否则称为浅埋。 深埋地下工程存在如下力学特点： （1）可视为无限体中的孔洞问题，孔洞各方向的无穷远处仍为原岩体； （2）当埋深Z达到巷道半径或宽高之半的20倍及以上时，巷道影响范围内的岩体自重可忽略不计；原岩水平应力可以简化为均匀分布，通常误差不大（在10%以下）； （3）深埋的水平巷道长度较大时，可作为平面应变问题处理。其他类型巷道或作为空间问题，或作为全平面应变问题处理。 对于地下工程稳定性问题，首先要分析研究岩体在工程开挖后的应力、位移的分布特征及其规律，并作出稳定性评价；然后根据评价结果，决定是否采取支护加固措施以及如何支护加固和加固的形式。本章介绍岩体开挖后的应力、位移的分布规律。 地下工程的稳定性问题目前主要通过三个途径来分析解决，即解析分析方法、数值分析方法和实验方法。 解析方法是指用一般数学力学方法通过计算可以取得闭合解的方法。在选择使用数学力学方法时，要注意和岩体所处的物理状态相匹配。当地下工程围岩能自稳时，围岩处于全应力-应变的峰前曲线段，岩体属于变形体范畴，可以使用任何变形体力学方法研究。对于应力应变不超过弹性范畴时，最适宜用弹性力学方法研究；否则采用弹塑性力学或损伤力学方法研究。一旦岩体的应力应变超过峰值应力和极限应变，围岩进入全应力应变的峰后曲线段，岩体处于刚性滑移和张裂状态，属于刚体力学范畴，变形体力学方法不在适用，此时最适宜采用刚性块体力学的方法，或实验力学的方法，有时甚至可采用初等力学的方法研究。 能自稳的岩体，当然不需要支护。岩体处于峰后破坏状态时，不可能自稳，要依靠支护才能达到人工稳定。因此，凡有支护的场合，支护背靠的或紧邻的岩体一定是破碎的，而不会是弹性状态或弹塑性状态没有破裂的岩体。 解析方法可以解决的实际工程问题是很有限的，但通过对解析方法及其结果的分析，可以获得一些规律性的认识。 本章仅介绍弹性条件下围岩的应力计算及其分布特征。 5.1.2 弹性岩体中圆形水平洞室的围岩应力计算及应力分布特征 围岩应力与洞形有关，还与施工前的原岩应力有关。这里介绍在各种天然应力场中开挖圆形断面巷道时所引起的应力。研究时作如下假设： （1）围岩是均质、各向同性、线弹性、无蠕变特性； （2）巷道断面为圆形，其半径为R0。 （3）巷道深埋（Z(20R0），忽略围岩内的岩体自重，即巷道顶、底板处的天然应力是相等的； （4）巷道的长度远大于巷道断面尺寸，可作为平面应变问题来研究； 1、静水压力式天然应力场 地壳深处，由于高压和高温，原岩应力有时可认为是静水压力状态，再加上上述假设条件，就构成了结构和荷载都是对称的轴对称平面应变圆孔问题。常见的工程中，圆巷和圆井为此类问题。这个问题在弹性力学中已经得到了解决，即按照弹性力学中的厚壁筒受均匀压力求解。 由于是轴对称的平面问题，为便于研究，通常将要研究的对象置于极坐标系中，坐标原点在圆形巷道的中心。在围岩中一点（r，(）处取一微小单元体，是宽度为dr、内弧长为rd(