地下洞室不僅僅為交通、水電、礦等使用，而且現代已為地下城市建設、冷藏、儲油、儲水、環境工程及國防工程等廣泛使用。洞室可分為過水的(如引水隧洞)和不過水的(如交通隧洞)兩大類。前者又有無壓和有壓之分，後者均屬無壓的。有壓洞室的內水壓力作用到襯砌和周圍岩體上，對其穩定性將增加新的影響。洞室的橫斷面一般有矩形、方形、圓形和馬蹄形等。方形、矩形隧洞施工方便，而其他帶拱形洞壁的洞室．對周圍岩土體的穩定有利。
基本介紹
- 中文名：地下洞室圍岩穩定
- 外文名：surrounding rock stability of tunnel and underground chamber
- 學科：水利地質工程
介紹,主要破壞形式,影響地質因素,評價方法,
介紹
地下洞室圍岩穩定 - 簡介地下洞室周圍岩體，由於洞室開挖而發生變形或塌落等破壞的可能性和岩體自身抵抗這種破壞，維持穩定的能力。地下洞室的開挖,破壞了原始應力平衡條件,引起周圍岩體應力的重分布，並在洞室周邊出現應力集中現象。此時，如洞壁各點的應力場未超過能導致岩體破壞的臨界值，則圍岩是穩定的，否則將出現鬆弛變形甚至塌落破壞等現象，並從洞壁開始，逐漸沿半徑方向向岩體內部發展。為了防止圍岩的鬆弛變形和破壞，需要及時進行支護。作用在支護上的壓力稱山岩壓力或圍岩壓力。 
主要破壞形式
地下洞室圍岩穩定性破壞的形式主要有四種。①塑性擠出或鼓脹：這種破壞形式都發生在粘土岩、泥灰岩、板岩、千枚岩等塑性岩體。②流動：多發生在鬆散岩土體，包括斷層破碎帶，特別是地下水滲出的地段。③塌落：常發生在低強度岩石或被幾組結構面切割成不利楔體的地段。④岩爆和片狀剝落：多發生在高應力區的岩體中。
影響地質因素
影響圍岩穩定的工程地質因素主要是岩性、地質構造和岩體結構、地下水、地應力。此外，還與地下洞室的跨度和暴露時間的長短等因素有關。
岩性 一般新鮮完整的堅硬岩石,其穩定性較好;反之，穩定性差。如鬆散、軟弱和破碎岩體，包括各種類型的第四紀堆積層和粘土岩、頁岩、泥灰岩、板岩、千枚岩等軟弱岩石，某些膨脹性岩石，風化帶和大的構造破碎帶等，一般容易發生變形、塌落和土石流等失穩現象。
地質構造和岩體結構 構造斷裂破壞了岩體的完整性，降低了岩體的結構強度；結構面的不利組合形成不穩定結構體；岩層產狀的不對稱和構造殘餘應力的存在影響圍岩的應力條件；構造斷裂和節理裂隙的存在影響岩體內的地下水活動和外水壓力條件。因此，在隧洞選線或地下洞室選址時,就應考慮避開大的斷層破碎帶;無法繞避時，應儘量使洞線或地下洞室的長軸方向與斷層或區域構造線方向呈較大的交角，以減輕地質構造對地下洞室圍岩穩定的不利影響。
地下水 地下水活動可能導致某些岩體的結構強度降低，有些岩石吸水後，還會產生大的膨脹應力，造成縮徑和圍岩穩定性的破壞；鬆散岩石、斷層破碎帶和岩溶洞隙中的充填物有時會隨著地下水形成土石流大量湧入洞室，威脅施工安全。
地應力 產生地應力的條件有：深埋隧洞；新構造運動強烈地區，岩體中存在高的殘餘構造應力；地殼急劇上升地區，岸邊岩體由於河谷劇烈下切，可以產生高的重分布應力；相互毗鄰洞室之間的岩柱由於應力集中形成局部高應力區，從而導致圍岩的局部破壞。
岩性 一般新鮮完整的堅硬岩石,其穩定性較好;反之，穩定性差。如鬆散、軟弱和破碎岩體，包括各種類型的第四紀堆積層和粘土岩、頁岩、泥灰岩、板岩、千枚岩等軟弱岩石，某些膨脹性岩石，風化帶和大的構造破碎帶等，一般容易發生變形、塌落和土石流等失穩現象。
地質構造和岩體結構 構造斷裂破壞了岩體的完整性，降低了岩體的結構強度；結構面的不利組合形成不穩定結構體；岩層產狀的不對稱和構造殘餘應力的存在影響圍岩的應力條件；構造斷裂和節理裂隙的存在影響岩體內的地下水活動和外水壓力條件。因此，在隧洞選線或地下洞室選址時,就應考慮避開大的斷層破碎帶;無法繞避時，應儘量使洞線或地下洞室的長軸方向與斷層或區域構造線方向呈較大的交角，以減輕地質構造對地下洞室圍岩穩定的不利影響。
地下水 地下水活動可能導致某些岩體的結構強度降低，有些岩石吸水後，還會產生大的膨脹應力，造成縮徑和圍岩穩定性的破壞；鬆散岩石、斷層破碎帶和岩溶洞隙中的充填物有時會隨著地下水形成土石流大量湧入洞室，威脅施工安全。
地應力 產生地應力的條件有：深埋隧洞；新構造運動強烈地區，岩體中存在高的殘餘構造應力；地殼急劇上升地區，岸邊岩體由於河谷劇烈下切，可以產生高的重分布應力；相互毗鄰洞室之間的岩柱由於應力集中形成局部高應力區，從而導致圍岩的局部破壞。
評價方法
圍岩穩定性評價有多種方法。對均質岩體一般可按照彈性或彈塑性理論公式計算出圍岩的重分布應力，然後將計算所得的圍岩應力值與岩體的強度對比，分別求得其抗壓、抗拉和抗剪安全係數。或按圍岩的基本力學模型，用有限元法、邊界元法計算圍岩的應力重分布情況、位移的大小，分析剪下破壞塑性區和受拉區的範圍、大小和分布圖形以及圍岩安全度等。對受結構面切割的楔形體的局部穩定問題，通常按剛性體極限平衡理論分析計算楔形體的穩定安全係數，這種方法也叫結構面分析法。對鬆散、軟弱或破碎岩體，一般按Μ.Μ.普羅托季亞科諾夫的自然平衡拱理論公式或K.泰爾扎吉計算岩石荷載方法評價圍岩穩定性。近一二十年來,在圍岩穩定性評價方面,廣泛採用圍岩分類法。蘇聯的普氏分類和美國泰爾扎吉的分類，都以砂模型試驗為根據，以散體理論為基礎建立，並認為岩體給支護以荷載。隨著岩體工程的發展，人們逐漸認識到岩體有一定的自穩能力。如1973年南非Z.T.賓尼奧斯基提出岩體力學分類（簡寫作RMR）,1974年挪威N.巴頓提出隧洞岩體質量指數(用Q表示)等。由於這些分類法將地質條件和施工與支護方法緊密結合，所以得到廣泛套用。在中國一些大型工程也都根據類似的原則，結合工程自身的特點提出適合本工程的圍岩分類方法。
對壓力隧洞還需要研究岩體的整體穩定性。除考慮圍岩的彈性抗力外，圍岩的整體穩定性一般應同時滿足下列三個條件：①隧洞通過的山體不存在不利的分離體或滑裂面，不會因隧洞滲水而產生滑動破壞。②上覆岩層的自重壓力要等於或大於壓力隧洞的內水壓力。③圍岩厚度應大於3倍洞徑,當然還應結合圍岩的結構和強度，以及所承受的荷載大小等情況作具體分析。
對壓力隧洞還需要研究岩體的整體穩定性。除考慮圍岩的彈性抗力外，圍岩的整體穩定性一般應同時滿足下列三個條件：①隧洞通過的山體不存在不利的分離體或滑裂面，不會因隧洞滲水而產生滑動破壞。②上覆岩層的自重壓力要等於或大於壓力隧洞的內水壓力。③圍岩厚度應大於3倍洞徑,當然還應結合圍岩的結構和強度，以及所承受的荷載大小等情況作具體分析。
