在岩石或土中建造的地下空间，例如地下厂房（见图 1）、隧洞、竖井、斜井以及天然洞穴等。地下洞室的设计和施工与岩石力学、土力学、工程地质学和水文地质学等学科有着密切的关系。断层、岩爆、初始地应力等因素对于地下洞室的定位和布置很重要。地下洞室必须尽量布置在比较完整的岩石中，避开活动性断层及大规模破碎带。洞室的长轴线尽可能跟地应力场的最大主应力方向一致。地下电站厂房洞室系统的设计，除考虑地质条件外，还需要满足生产流程和通风、防火、防爆、噪声控制等要求。地下电站系统设计中需要有一定数目的大型洞室以及较小的联接隧洞与竖井。因此它们在布置上留下来的岩柱大小和形状对总稳定性是一项重要因素。主洞室的断面形状一般设计成直墙拱形，或接近马蹄形和椭圆形。20世纪60年代以来开挖和衬护施工技术已得到广泛发展，兴起的新奥地利隧洞施工方法正在推广。有限单元法等数值计算方法在洞室设计中已获得较广泛的应用。

图1 地下厂房

围岩应力 指洞室开挖后围岩（周围岩石）内的应力。它是判定围岩稳定和洞室安全的基础。地下开挖使洞室周围的岩石向室内移动，改变了初始应力场，引起围岩应力重新分布，出现二次应力状态。洞壁边缘岩石的径向应力σ_r趋于消失，切向应力σ_θ显著增大，产生了洞壁应力集中。均质、各向同性、线弹性连续岩石内半径为a 的圆形隧洞围岩任一点（其极坐标为r，θ）的应力为（见图 2）。

图2 均质各向同性线弹性连续介质中圆形隧洞附近应力

地下洞室

式中 p ₁和p₂分别为水平和垂直的初始应力。切向应力σ_θ与p₂之比，称为应力集中系数k；γ为自洞室中心算起的径向距离；θ为自水平轴逆时针方向算起的极坐标的角度；图2表明，它跟岩体的初始测压力系数k₀＝p ₁/p ₂有关。当围岩的应力达到岩体的强度时，岩体就发生塑性变形或破裂，这些地方就形成了塑性区。塑性区外面仍为弹性区。弹塑性地区的应力见图3。

图3 各向初始应力相等时隧洞围岩二次应力

对于任意断面形状的洞室，可用有限单元法求解围岩应力。围岩原有应力场为{σ_o}，开挖使围岩卸载而引起的附加应力为{Δσ^*}两者叠加，就得到开挖后的应力列阵为{σ}，即{σ}＝{σ_o}＋{Δσ^*}。计算中可考虑围岩的蠕变过程，也可建立节理单元、软弱夹层单元模型来模拟不连续面的受力性状。边界单元法、极限平衡分析方法在围岩应力计算中也已得到应用。现场应力量测、室内模拟材料的模型试验、离心机模型试验以及光弹模拟试验等也是研究围岩应力场的重要手段。

山岩压力 地下洞室开挖后，由于围岩的变形和破坏而作用在支护或衬砌上的压力。影响山岩压力的因素有岩体的破碎程度、结构面或软弱面的产状和性质、地下水活动状况、洞室大小和形状、支持结构的型式、刚度和设置时间、洞室埋置深度、施工技术等。山岩压力分为变形压力与松动压力（还有岩爆和膨胀压力）。前者是由于围岩变形中产生的，而后者是由于围岩破坏、松动引起的。

通常采用苏联普罗托奇耶柯诺夫压力拱理论或美国太沙基散粒体理论计算围岩的松动压力。普氏理论假设破碎性较大的围岩为松散体，按岩石的坚固系数f_K（抗剪强度对法向应力之比）、洞室高度h _o 和宽度2b ₁、压力拱高度h和跨度2b₂ 计算，洞室顶部的总垂直荷载Q 与洞壁上总的侧向压力p 分别为（见图4）：Q＝2γhb₁

图4 由压力拱理论计算松动压力

地下洞室

式中 φ_k＝arctgf_k

地下洞室

根据围岩内出现的塑性区（半径R），岩体变形条件下作用在洞室半径为r的洞壁上的变形压力p_i为

地下洞室

式中 P为覆盖压力；c为凝聚力；φ为内摩擦角。上式表明，开挖后洞壁发生径向变形，同时围岩塑性圈半径向外扩大，变形压力随着塑性圈的扩大而减小。对于地质构造复杂的情况，只能根据实际地质条件，查明断层、节理、软弱夹层分布情况及其相互结合，用赤平投影等方法，分析洞顶或洞壁崩塌或滑动的可能性和方向，确定崩塌体或滑动体的高度和形状，计算山岩压力大小。

有压隧洞 水工压力隧洞充水时，内水压力通过衬砌而部分地传递到岩石上，围岩出现了附加压力。其值常用弹性力学中厚壁圆筒应力公式进行计算。

喷锚支护 地下洞室衬砌和支护的一种施工技术。地下洞室开挖后，围岩总是逐渐向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后及时向岩石喷上一薄层混凝土，厚约5～20厘米，使岩层密封；也有用锚杆或锚杆加钢丝网和钢条增强围岩与喷层的复合结构，从而部分地防止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。这种方法称为新奥地利隧洞施工法（简称新奥法）。此法开创于50年代。用新奥法可实行快速掘进，而且由于喷层支护及时，紧贴围岩和自身的一定柔性作用，既让围岩部分地变形又有效地限制了围岩变形的发展，从而防止了岩体的松动、离层脱位和崩落。同时，喷层与围岩一道产生变形，保证围岩承载拱的形成，对山岩压力有效地起到卸载作用。实施新奥法支护技术，必须满足以下要求：开挖时控制超挖和欠挖，获得合理的断面型式；施工中尽量保持原岩强度；适时喷锚，以获得初期的柔性衬护，使衬护抗力接近最小而又不发生岩石的有害变形；必要时，封闭底拱；采取排水措施；完善二次衬护；坚持现场量测等。实施新奥法支护时，还必须对衬护效果、稳定状态和山体动态进行监测，以调整设计和施工，达到安全和经济的目的。