[科普中国]-地下洞室围岩稳定

地下洞室不仅仅为交通、水电、矿等使用，而且现代已为地下城市建设、冷藏、储油、储水、环境工程及国防工程等广泛使用。洞室可分为过水的(如引水隧洞)和不过水的(如交通隧洞)两大类。前者又有无压和有压之分，后者均属无压的。有压洞室的内水压力作用到衬砌和周围岩体上，对其稳定性将增加新的影响。洞室的横断面一般有矩形、方形、圆形和马蹄形等。方形、矩形隧洞施工方便，而其他带拱形洞壁的洞室．对周围岩土体的稳定有利。1

概述地下洞室围岩稳定 - 简介地下洞室周围岩体，由于洞室开挖而发生变形或塌落等破坏的可能性和岩体自身抵抗这种破坏，维持稳定的能力。地下洞室的开挖,破坏了原始应力平衡条件,引起周围岩体应力的重分布，并在洞室周边出现应力集中现象。此时，如洞壁各点的应力场未超过能导致岩体破坏的临界值，则围岩是稳定的，否则将出现松弛变形甚至塌落破坏等现象，并从洞壁开始，逐渐沿半径方向向岩体内部发展。为了防止围岩的松弛变形和破坏，需要及时进行支护。作用在支护上的压力称山岩压力或围岩压力。

主要破坏形式地下洞室围岩稳定性破坏的形式主要有四种。①塑性挤出或鼓胀：这种破坏形式都发生在粘土岩、泥灰岩、板岩、千枚岩等塑性岩体。②流动：多发生在松散岩土体，包括断层破碎带，特别是地下水渗出的地段。③塌落：常发生在低强度岩石或被几组结构面切割成不利楔体的地段。④岩爆和片状剥落：多发生在高应力区的岩体中。

影响稳定的地质因素影响围岩稳定的工程地质因素主要是岩性、地质构造和岩体结构、地下水、地应力。此外，还与地下洞室的跨度和暴露时间的长短等因素有关。
岩性 一般新鲜完整的坚硬岩石,其稳定性较好;反之，稳定性差。如松散、软弱和破碎岩体，包括各种类型的第四纪堆积层和粘土岩、页岩、泥灰岩、板岩、千枚岩等软弱岩石，某些膨胀性岩石，风化带和大的构造破碎带等，一般容易发生变形、塌落和泥石流等失稳现象。
地质构造和岩体结构 构造断裂破坏了岩体的完整性，降低了岩体的结构强度；结构面的不利组合形成不稳定结构体；岩层产状的不对称和构造残余应力的存在影响围岩的应力条件；构造断裂和节理裂隙的存在影响岩体内的地下水活动和外水压力条件。因此，在隧洞选线或地下洞室选址时,就应考虑避开大的断层破碎带;无法绕避时，应尽量使洞线或地下洞室的长轴方向与断层或区域构造线方向呈较大的交角，以减轻地质构造对地下洞室围岩稳定的不利影响。
地下水 地下水活动可能导致某些岩体的结构强度降低，有些岩石吸水后，还会产生大的膨胀应力，造成缩径和围岩稳定性的破坏；松散岩石、断层破碎带和岩溶洞隙中的充填物有时会随着地下水形成泥石流大量涌入洞室，威胁施工安全。
地应力 产生地应力的条件有：深埋隧洞；新构造运动强烈地区，岩体中存在高的残余构造应力；地壳急剧上升地区，岸边岩体由于河谷剧烈下切，可以产生高的重分布应力；相互毗邻洞室之间的岩柱由于应力集中形成局部高应力区，从而导致围岩的局部破坏。

评价方法和围岩分类围岩稳定性评价有多种方法。对均质岩体一般可按照弹性或弹塑性理论公式计算出围岩的重分布应力，然后将计算所得的围岩应力值与岩体的强度对比，分别求得其抗压、抗拉和抗剪安全系数。或按围岩的基本力学模型，用有限元法、边界元法计算围岩的应力重分布情况、位移的大小，分析剪切破坏塑性区和受拉区的范围、大小和分布图形以及围岩安全度等。对受结构面切割的楔形体的局部稳定问题，通常按刚性体极限平衡理论分析计算楔形体的稳定安全系数，这种方法也叫结构面分析法。对松散、软弱或破碎岩体，一般按Μ.Μ.普罗托季亚科诺夫的自然平衡拱理论公式或K.泰尔扎吉计算岩石荷载方法评价围岩稳定性。近一二十年来,在围岩稳定性评价方面,广泛采用围岩分类法。苏联的普氏分类和美国泰尔扎吉的分类，都以砂模型试验为根据，以散体理论为基础建立，并认为岩体给支护以荷载。随着岩体工程的发展，人们逐渐认识到岩体有一定的自稳能力。如1973年南非Z.T.宾尼奥斯基提出岩体力学分类（简写作RMR）,1974年挪威N.巴顿提出隧洞岩体质量指数(用Q表示)等。由于这些分类法将地质条件和施工与支护方法紧密结合，所以得到广泛应用。在中国一些大型工程也都根据类似的原则，结合工程自身的特点提出适合本工程的围岩分类方法。
对压力隧洞还需要研究岩体的整体稳定性。除考虑围岩的弹性抗力外，围岩的整体稳定性一般应同时满足下列三个条件：①隧洞通过的山体不存在不利的分离体或滑裂面，不会因隧洞渗水而产生滑动破坏。②上覆岩层的自重压力要等于或大于压力隧洞的内水压力。③围岩厚度应大于3倍洞径,当然还应结合围岩的结构和强度，以及所承受的荷载大小等情况作具体分析。

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本词条内容贡献者为:

张勇 - 副教授 - 西南大学资源环境学院