知识点1：地下洞室开挖引起的围岩应力重分布在岩石地下工程中，受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称为围岩。从原始地下应力场变化到新的平衡应力场的过程，称为围岩应力重分布。围岩应力重分布只限于围岩一定范围内，在离洞壁较远的岩体内应力重分布甚微，可以略去不计。在地下开挖以前：静水压力式、岩体内均为压应力，每点均处于挤压状态。在地下开挖以后：应力就重新分布，地下开挖后洞室周围岩体就向洞室这个空间松胀。显然，在本情况中，松胀方向必然是沿着半径指向洞室中心的，这就必然引起径向应力的减小。径向松胀最充分的地方是在洞壁上。径向应力完全解除。越深入围岩内部，径向松胀就越困难，因为径向松胀的阻力是越来越大的。在离开洞壁的一定距离处，径向应力与原来未开挖时的初始应力相等。

知识点1：地下洞室开挖引起的围岩应力重分布

在岩石地下工程中，受开挖影响而发生应力状态改变的周围岩体，称为围岩。从原始地下应力场变化到新的平衡应力场的过程，称为围岩应力重分布。围岩应力重分布只限于围岩一定范围内，在离洞壁较远的岩体内应力重分布甚微，可以略去不计。

在地下开挖以前：静水压力式、岩体内均为压应力，每点均处于挤压状态。

在地下开挖以后：应力就重新分布，地下开挖后洞室周围岩体就向洞室这个空间松胀。显然，在本情况中，松胀方向必然是沿着半径指向洞室中心的，这就必然引起径向应力的减小。径向松胀最充分的地方是在洞壁上。径向应力完全解除。越深入围岩内部，径向松胀就越困难，因为径向松胀的阻力是越来越大的。在离开洞壁的一定距离处，径向应力与原来未开挖时的初始应力相等。

洞室围岩中的切向应力则有相反的变化规律。地下开挖后、围岩内越靠近洞壁的点，其切向应力增加值越大，越深入围岩内部的点，其切向应力增加值越小。

知识点2：地下洞室围岩的变形破坏

1．脆性围岩的变形破坏

1）张裂塌落

顶拱切向拉应力。当有近水平方向的软弱结构面发育，岩体在垂直方向的抗拉强度很低时，往往造成顶拱的塌落。

2）劈裂

出现在有较大切向压应力集中的边壁附近。过大的切向压应力往往使围岩表部发生一系列平行于洞壁的破裂，将洞壁岩体切割成为板状结构。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯折强度时，裂板可能被压弯、折断。较严重的部位可见明显的折断并伴有围岩内鼓现象。

3）剪切滑动或破坏

在厚层状或块体状结构的岩体中开挖地下洞室时，在切向压应力集中较高，且有斜向断裂发育的没顶或洞壁部位往往发生剪切滑动类型的破坏，这是因为在这些部位沿断裂面作用的剪应力一般比较高，而正应力却比较小，故沿断裂面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断裂面的剪切滑动。另外，围岩表部的应力集中有时还会使围岩发生局部的剪切破坏，造成顶拱坍塌或边墙失稳。

4）岩爆

岩爆是围岩的一种剧烈的脆性破坏，岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触发则是其产生的外因。就内因来看，具有储能能力的高强度、块体状或厚层状的脆性岩体，就是围岩内的高储能体，岩爆往往也就发生在这些部位。

从岩爆产生的外因方面看主要有两个方面：

一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所造成的弹性振荡；

二是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。

5）弯折内鼓

在层状特别是在薄层状岩中开挖地下洞室，围岩变形破坏的主要形式是弯折内鼓。从力学机制来看，这类变形破坏主要是卸荷回弹和应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的。但在水平产状岩层中开挖大跨度的洞室时，顶拱处的弯折内鼓变形也可能只是重力作用的结果。

由卸荷回弹和应力集中所造成的这类变形破坏主要发生在初始应力较高的岩体内。

2．塑性围岩的变形破坏

1）塑性挤出

洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。易于被挤出的岩体，主要是那些固结程度差、富含泥质的软弱岩层，以及挤压破碎或风化破碎的岩体。

2）膨胀内鼓

膨胀变形有吸水膨胀和减压膨胀两类不同的机制。

易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀变形。这类膨胀变形显然是与围岩内部的水分重分布相联系的。

开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而膨胀。

遇水后易于强烈膨胀的岩石主要有富含粘土矿物(特别是蒙脱石)的塑性岩石和硬石膏。

3）塑流涌出和坍塌

涌流是松散破碎物质和高压水一起呈泥浆状突然涌入洞中的现象，多发生在开挖揭穿了饱水断裂破碎带的部位。严重的涌流往往会给施工造成很大的困难。

坍塌是松散破碎岩石的重力作用下自由垮落的现象，多发生在洞体通过断层破碎带或风化破碎岩体的部位。在施工过程中，如果对于可能发生的这类现象没有足够的预见性，往往也会造成很大的危害。

3．围岩变形破坏的累进性发展

大量的实践表明，地下工程围岩的变形破坏通常是累进性发展的。累进性变形破坏的过程常表现为侧向与垂直向相互交替发生、互为因果，形成连锁反应。

地下工程围岩变形破坏累进性发展的过程和特点主要取决于下述三方面因素：

①原岩应力的方向及大小；

②地下洞室的形状和尺寸；

③岩体结构及其强度。

知识点3：地下工程岩体稳定性的影响因素

1．岩土性质

岩土性质是控制地下洞室围岩稳定、隧洞掘进方式和支护类型及其工作量等的重要因素。理想的岩体洞室围岩是岩体完整、厚度较大、岩性单一、成层稳定的沉积岩；规模很大的侵入岩(花岗岩、闪长岩等)或区域变质片麻岩。岩体内软弱夹层及岩脉不发育，岩石的饱和单轴抗压强度在70MPa以上。一般坚硬完整岩体，由于岩体完整，洞壁围岩稳定性好，施工也较顺利，支护也简单快速。而破碎岩体或松散岩层，由于围岩自身稳定性差，施工过程容易产生变形破坏，因而施工速度较慢，支护工程量及难度也较大，严重时还会产生较大规模的塌方，影响施工安全，延误工期。

2．地质构造和岩体结构

地质构造和岩体结构是影响地下工程岩体稳定的控制性因素。首先表现在建洞岩体必须区域构造稳定，第四纪以来无明显的构造活动，历史上无强烈地震。其次是在洞址洞线选择时一定要避开大规模的地质构造，并考虑构造线及主地应力方向而合理布置。另外，结构面的相互组合。

3．地下水

使岩石软化、泥化、溶解、膨胀等，使其完整性和强度降低。较高的外水压力。洞室涌水。地下工程宜选在不穿越地下水涌水及富水区、地下水影响较小的非含水岩层中。

4．地应力

地下洞室开挖后，应力的重新分布往往造成洞周应力集中。当集中后的应力值超过岩体的强度极限或屈服极限时，洞周岩石首先破坏或出现大的塑性变形，形成一定范围松动圈。在松动圈形成过程中，原来洞室周边应力集中向松动圈外的岩体内部转移，形成新的应力升高区，称为承载圈。

5．其他因素

影响地下工程岩体稳定性的因素还有地形、地下工程的施工技术与施工方法等。

1）地形上要求洞室区山体雄厚，地形完整，山体未受沟谷切割，没有滑坡、崩塌等地质现象破坏地形。

2）大量工程实践表明，地下工程施工技术和施工方法是影响岩体稳定的一个重要方面。良好的施工技术和科学的施工方法将有效地保护围岩稳定，不良的施工技术和不合理的施工方法将严重破坏岩体的稳定性，降低岩体的基本质量。在此，应根据实际地质条件，合理确定施工方案，尽量保护围岩不被扰动。

知识点4：山岩压力及洞室围岩稳定性计算

1．山岩压力概述

在岩体内开挖洞室以后，岩体的原始平衡状态被破坏，发生应力重分布。随着应力的重分布，围岩不断变形并向着洞室逐渐位移。一些强度较低的岩石由于应力达到强度的极限值而可能破坏，产生裂缝或剪切变位，破坏了岩石的重力作用下甚至大量塌落，造成所谓“冒顶”现象, 特别是节理、裂隙等软弱结构面发育的岩石更为显著。

在水工建设中，把由于洞室围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力，称为山岩压力，有的称为“地层压力”，“围岩压力”，“地压”，“岩石压力”

假设围岩没有受到其它洞室的影响，并且开挖爆破过程中没有受到破坏，则洞室周围的山岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段 (仅讨论岩石内最大压应力为垂直方向的情况)：

在第I阶段内，由于岩体的变形，在洞室的周界上产生一般的挤压，同时，在两侧的岩石因剪切破坏而形成了楔形岩块，这两个楔形岩块有朝着洞室内部移动的趋向。

在第Ⅱ阶段内，在侧向楔形体发生某种变形以后，在岩体内形成了一个椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与洞室周界线间的岩体发生了松动。

在第Ⅲ阶段，洞顶和洞底的松动岩体开始变形，并向着洞内移动，洞顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，山岩压力逐渐增加。

这是山岩压力的形成机理。可见山岩压力的形成是与洞室开挖后岩体的变形、松动和破坏分不开的。通常将由于岩体变形而对支护或衬砌给予的压力，称为变形压力；将岩体破坏和松动对支护或衬砌造成的压力，称为松动压力；深部坚硬完整岩体发生岩爆产生的压力，称为冲击压力；在粘土质页岩或凝灰岩之类的岩石中由于遇水膨胀产生的压力，称为膨胀压力。变形量的大小以及破坏程度的强弱就决定着山岩压力的大小。在不同性质的岩石中，由于它们的变形和破坏性质不同，所以产生山岩压力的主导因素也就不同，通常可以遇到下列三种情况。

1)在整体性良好、裂隙节理不发育的坚硬岩石中，洞室围岩的应力一般总是小于岩石的强度。

2)在中等质量的岩石中，不仅有弹性变形，而且还有塑性变形，少量岩石破碎。在这类岩石中，山岩压力主要是由较大的变形所引起，岩石的松动坍落甚小，这类岩石中主要是产生“变形压力”。

3)在破碎和软弱岩石中，由于裂隙纵横切割，岩体强度很低，围岩应力超过岩体强度很多。坍落和松动是产生山岩压力的主要因素，而松动压力是主要的山岩压力。

2．太沙基理论

由于岩体一般总是有一定的裂隙节理，又由于洞室开挖施工的影响，其围岩不可能是一个非常完整的整体，而太沙基理论中假定岩石为散粒体，并具有一定的凝聚力，所以用这一理论计算松动山岩压力有时也可以得到较好的效果。

假设洞室侧面的岩石比较稳定，没有形成的破裂面。洞室开挖后，其上方的岩体有趋向下沉，形成垂直滑动面AA'和BB'。这两个滑动面上的抗剪强度为：