地下工程圍岩是作為地下開挖工程環境的岩體。
基本介紹
- 中文名：地下工程圍岩
- 外文名：surrounding rock of under-ground engineering
- 學科：土木工程
- 全拼：dixia gongcheng weiyan
簡介,圍岩的工程分類,圍岩應力狀態,圍岩應力集中程度,圍岩加固設計,
簡介
作為地下開挖工程環境的岩體。岩體在開挖地下洞室以前處於天然地應力的平衡狀態，是穩定的。開挖地下洞室以後，天然應力狀態受到擾動，應力重新分布，而在洞室周圍一定範圍內形成局部應力集中帶。由於地下工程所處岩體的地質環境，岩石力學性質和應力集中程度的不同，可能在臨空面處形成新的平衡而趨於穩定，也可能超過極限狀態而趨於失穩。實際工程中，常採用工程類比的圍岩分類法，或基於各種假定的解析或數值分析方法，判別圍岩的穩定程度，而確定襯砌和支護的類型及其布置。
圍岩的工程分類
根據圍岩的地質條件、結構面狀況和岩石(體)力學性質指標對岩體進行分類。目前，國內外提出了多種分類系統，如N.K.巴頓(N.K.Barton)等人的NGI分類等。
圍岩應力狀態
地下工程開挖後，天然地應力狀態受到擾動，圍岩應力重新分布，並發生應力集中現象。洞室孔口部位的法向應力下降，在洞室邊界上為零。有的部位環向壓應力增加，而有的部位則下降甚至還會出現拉應力。它們在洞室邊界上變化最大，向岩體深部逐漸轉化為天然應力狀態。
圍岩應力集中程度
圍岩應力集中程度主要取決於岩體開挖前的天然地應力狀態、地下洞室的幾何形狀及圍岩的力學性狀。
(1)地應力。岩體天然地應力狀態十分複雜，地應力場是重力場和構造應力場的耦合。地應力不僅與深度有關，而且受地質環境和地形條件的影響，目前還不能通過理論分析進行計算，只能通過試驗測定。在地下工程設計中，取洞軸線與最大主應力方向一致或小角度相交，圍岩的應力集中就較緩和，因此根據地應力的最大主應力方向選擇洞室走向十分重要。
(2)洞室形狀。對於帶有尖銳輪廓的洞室，局部應力集中十分嚴重，應該予以避免。當地下洞室的方向確定之後，應根據與洞軸線垂直平面上的地應力分量選擇合理的斷面形狀。
(3)圍岩的力學性狀。地下工程所處岩體的地質背景、岩石力學性質和應力集中程度不同，圍岩可能出現不同的力學性狀。在均勻岩體中，圍岩可能處於彈性狀態，也可能進入塑性狀態、黏彈塑性狀態，甚至產生脆性破壞。在脆性破壞時，輕微的表現為岩石剝離，嚴重的出現噴射現象。在層狀岩體及鬆散破碎岩體中，圍岩可能失去平衡而沿岩體軟弱結構面滑動或脫落，甚至發生坍方事故。
圍岩加固設計
在地下洞室開挖及運行過程中，要防止圍岩失穩，保持其長期穩定性，有時需要對圍岩進行加固處理。加固方式有混凝土襯砌、鋼板襯砌、錨噴及各種支護、灌漿等。早期的地下工程重視襯砌和支護建設，將岩體僅僅作為襯砌和支護承受的載荷源，並假定岩體為鬆散介質建立了山岩壓力理論。近代地下工程設計理論認為圍岩既是載荷源，又是一種承載結構，應充分發揮岩石本身的強度，只在岩體本身不能維持穩定時，才進行加固處理。襯砌和支護的設計中也考慮與岩體的聯合作用。圍岩應力與穩定分析主要依靠有限元、邊界元、離散元及塊體理論等數值分析方法，在特殊條件下也可以用解析法求解。
水工隧洞要承受內水壓力作用，同時有平整度要求，多數情況下要採用混凝土襯砌，有的甚至要進行鋼板襯砌。這時圍岩的應力狀態是開挖後的應力重分布與承受內水壓力後的組合狀態，圍岩的變形性能決定了它分擔內水壓力的比例。設計中要考慮圍岩與襯砌的共同作用。對於圓形隧洞，基於彈性理論中的厚壁圓筒公式，根據岩體與襯砌的變形連續條件，建立了圍岩和襯砌的應力計算理論。對於任意形狀的壓力隧洞，基於彈性地基梁的地基反力係數假定，用結構力學或其他數值分析方法計算襯砌的內力。
