第八章

地下洞室围岩稳定性分析

第一节概

述

地下洞室

(underground cavity)

是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构

筑物。从围岩稳定性研究角度来看，这些地下构筑物是一些不同断面形态和尺寸的地下空间。

较早出现的地下洞室是人类为了居住而开挖的窑洞和采掘地下资源而挖掘的矿山巷道。

如我国

铜绿山古铜矿遗址留下的地下采矿巷道，

最大埋深

60

余米，

其开采年代至迟始于西周

(

距今约

3000

年

)

。但从总体来看，早期的地下洞室埋深和规模都很小。随着生产的不断发展，地下洞

室的规模和埋深都在不断增大。目前，地下洞室的最大埋深已达

2 

500m

，跨度已超过

30m

；同

时还出了多条洞室并列的群洞和巨型地下采空系统，

如小浪底水库的泄洪、

发电和排砂洞就集

中分布在左坝肩，形成由

16

条隧洞

(

最大洞径

14.5m)

并列组成的洞群。地下洞室的用途也越

来越广。

地下洞室按其用途可分为交通隧道、

水工隧洞、

矿山巷道、

地下厂房和仓库、

地下铁道及

地下军事工程等类型。

按其内壁是否有内水压力作用可分为有压洞室和无压洞室两类。

按其断

面形状可分为圆形、

矩形、

城门洞形和马蹄形洞室等类型。

按洞室轴线与水平面的关系可分为

水平洞室、

竖井和倾斜洞室三类。

按围岩介质类型可分为土洞和岩洞两类。

另外，

还有人工洞

室、

天然洞室、

单式洞室和群洞等类型。

各种类型的洞室所产生的岩体力学问题及对岩体条件

的要求各不相同，因而所采用的研究方法和内容也不尽相同。

由于开挖形成了地下空间，

破坏了岩体原有的相对平衡状态，

因而将产生一系列复杂的岩

体力学作用，这些作用可归纳为：

(1)

地下开挖破坏了岩体天然应力的相对平衡状态，

洞室周边岩体将向开挖空间松胀变形，

使围岩中的应力产生重分布作用，形成新的应力状态，称为重分布应力状态。

(2)

在重分布应力作用下，洞室围岩将向洞内变形位移。如果围岩重分布应力超过了岩体

的承受能力，围岩将产生破坏。

(3)

围岩变形破坏将给地下洞室的稳定性带来危害，因而，需对围岩进行支护衬砌，变形

破坏的围岩将对支衬结构施加一定的荷载，称为围岩压力

(

或称山岩压力、地压等

)

。

(4)

在有压洞室中，作用有很高的内水压力，并通过衬砌或洞壁传递给围岩，这时围岩将

产生一个反力，称为围岩抗力。

地下洞室围岩稳定性分析，

实质上是研究地下开挖后上述

4

种力学作用的形成机理和计算

方法。

所谓围岩稳定性是一个相对的概念，

它主要研究围岩重分布应力与围岩强度间的相对比

例关系。

一般来说，

当围岩内一点的应力达到并超过了相应围岩的强度时，

就认为该处围岩已

破坏；否则就不破坏，也就是说该处围岩是稳定的。因此，地下洞室围岩稳定性分析，首先应

根据工程所在的岩体天然应力状态确定洞室开挖后围岩中重分布应力的大小和特点；

进而研究

围岩应力与围岩变形及强度之间的对比关系，

进行稳定性评价；

确定围岩压力和围岩抗力的大