水工地質(zhì)8(地下建筑的工程地質(zhì)研究)

1、第八章第八章第八章第八章 地下洞室地下洞室: :是指建筑于地下巖土體中，具有一定斷面形態(tài)和是指建筑于地下巖土體中，具有一定斷面形態(tài)和尺寸，并有較大延伸長度的地下建筑。尺寸，并有較大延伸長度的地下建筑。 而洞室周圍的巖體簡稱為而洞室周圍的巖體簡稱為圍巖圍巖。實際工作中，一般認為其實際工作中，一般認為其是受到開挖影響，大體相當(dāng)于洞室寬度或平均直徑是受到開挖影響，大體相當(dāng)于洞室寬度或平均直徑3 3倍倍距離范圍距離范圍內(nèi)的巖土體。內(nèi)的巖土體。 水利水電工程中的地下建筑物，一般包括：輸水隧洞、導(dǎo)流隧水利水電工程中的地下建筑物，一般包括：輸水隧洞、導(dǎo)流隧洞、地下廠房、閘門井、調(diào)壓井（室）、壓力管道、尾水洞

2、等。洞、地下廠房、閘門井、調(diào)壓井（室）、壓力管道、尾水洞等。其中，各類地下洞室是主要的地下建筑類型。其中，各類地下洞室是主要的地下建筑類型。第八章第八章 地下建筑位置的地下建筑位置的選擇，除取決于工選擇，除取決于工程目的要求外，首程目的要求外，首先要考慮區(qū)域和山先要考慮區(qū)域和山體穩(wěn)定，其次為地體穩(wěn)定，其次為地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)造、地下水及地應(yīng)力等因素的影響。力等因素的影響。 第一節(jié)第一節(jié) 地下洞室選址的工程地質(zhì)條件地下洞室選址的工程地質(zhì)條件一、首要要求：一、首要要求： 區(qū)域穩(wěn)定性及山體的穩(wěn)定區(qū)域穩(wěn)定性及山體的穩(wěn)定-建洞地區(qū)應(yīng)是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)建洞地區(qū)應(yīng)是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定

3、，無區(qū)域性大斷裂通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造，地震基造穩(wěn)定，無區(qū)域性大斷裂通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造，地震基本烈度應(yīng)小于本烈度應(yīng)小于8度。度。第八章第八章 一）地形地貌一）地形地貌 山體完整，洞室周圍應(yīng)有足夠的山體厚度。山體完整，洞室周圍應(yīng)有足夠的山體厚度。 隧洞進出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌。隧洞進出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌。 洞口巖石直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里。洞口巖石直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里。 洞口開挖在高邊坡時，應(yīng)不削坡或少削坡即進洞，必要時可做洞口開挖在高邊坡時，應(yīng)不削坡或少削坡即進洞，必要時可做人工洞口先行進洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。人工洞口先行進洞

4、，以保證邊坡的穩(wěn)定性。 隧洞進出口排水方便且不易受水流沖刷。隧洞進出口排水方便且不易受水流沖刷。第八章第八章 二、其他條件二、其他條件：隧洞選線利用溝谷地形示意圖第八章第八章 1.盡量避開不良圍巖，使洞室置于盡量避開不良圍巖，使洞室置于堅硬巖層中。堅硬巖層中。2. 軟硬互層且層較薄時，將頂圍置軟硬互層且層較薄時，將頂圍置于硬巖中于硬巖中 。二）巖性二）巖性 巖石性質(zhì)是控制地下洞室圍巖穩(wěn)定的重要因素，也是決定工程巖石性質(zhì)是控制地下洞室圍巖穩(wěn)定的重要因素，也是決定工程工期和造價的主要條件之一。工期和造價的主要條件之一。堅硬巖石中開挖隧洞圍巖穩(wěn)定，日進尺快、造價便宜。軟弱巖層、破碎巖層和松堅硬巖石中

5、開挖隧洞圍巖穩(wěn)定，日進尺快、造價便宜。軟弱巖層、破碎巖層和松散巖層中掘進散巖層中掘進-頂板容易坍塌、側(cè)壁和底板容易產(chǎn)生鼓脹變形，常需支護或頂板容易坍塌、側(cè)壁和底板容易產(chǎn)生鼓脹變形，常需支護或襯砌后掘進，日進尺慢，造價高。軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層襯砌后掘進，日進尺慢，造價高。軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。 第八章第八章 地質(zhì)構(gòu)造條件對洞室圍巖穩(wěn)定有重要的影響。地質(zhì)構(gòu)造條件對洞室圍巖穩(wěn)定有重要的影響。 1. 盡盡量使軸線與地區(qū)構(gòu)造線的方向相垂直或成大角度相交。量使軸線與地區(qū)構(gòu)造線的方向

6、相垂直或成大角度相交。2.盡盡量避開大的斷層破碎帶或呈小角度相交。量避開大的斷層破碎帶或呈小角度相交。3.傾傾斜巖層地區(qū)，注意洞軸線與巖層產(chǎn)狀的關(guān)斜巖層地區(qū)，注意洞軸線與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系。系。 三）地質(zhì)構(gòu)造三）地質(zhì)構(gòu)造 第八章第八章 第八章第八章 第八章第八章 第八章第八章 須做工作：須做工作： 調(diào)查分析地下水的埋藏條件、類型及泉水出露情況。調(diào)查分析地下水的埋藏條件、類型及泉水出露情況。水量方面：水量方面：對易透水的巖層和構(gòu)造，特別是喀斯特地區(qū)，對易透水的巖層和構(gòu)造，特別是喀斯特地區(qū)，應(yīng)注意其分布規(guī)律和發(fā)育程度，并結(jié)合隧洞設(shè)計高程，分析評應(yīng)注意其分布規(guī)律和發(fā)育程度，并結(jié)合隧洞設(shè)計高程，分析評價地

7、下水涌水的可能性及涌水量。價地下水涌水的可能性及涌水量。水質(zhì)方面：水質(zhì)方面：資料分析，對資料分析，對PHPH5 5的酸性地下水，應(yīng)分析水中的酸性地下水，應(yīng)分析水中侵蝕性侵蝕性COCO2 2和和SOSO4 4-2-2侵蝕性對混凝土襯砌的影響。侵蝕性對混凝土襯砌的影響。四）水文地質(zhì)四）水文地質(zhì) 選址時最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)，地下水量不大、選址時最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)，地下水量不大、無高壓含水層的巖體內(nèi)。無高壓含水層的巖體內(nèi)。 第八章第八章 五）地應(yīng)力五）地應(yīng)力 了解初始應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律，至關(guān)重要。了解初始應(yīng)力場的分布和變化規(guī)律，至關(guān)重要。初始應(yīng)力狀態(tài)是決定圍巖應(yīng)力重分布的

8、主要因素。如果圍巖內(nèi)初始應(yīng)力狀態(tài)是決定圍巖應(yīng)力重分布的主要因素。如果圍巖內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力集中且較大，對圍巖穩(wěn)定不利。出現(xiàn)拉應(yīng)力，壓應(yīng)力集中且較大，對圍巖穩(wěn)定不利。初始應(yīng)力場的水平主應(yīng)力值較大時，洞室軸線最好平行于最大初始應(yīng)力場的水平主應(yīng)力值較大時，洞室軸線最好平行于最大水平主應(yīng)力方向水平主應(yīng)力方向( (與構(gòu)造主線垂直與構(gòu)造主線垂直）布置，否則邊墻將產(chǎn)生嚴(yán)重的）布置，否則邊墻將產(chǎn)生嚴(yán)重的變形和破壞。變形和破壞。 第八章第八章 地下洞室在開挖前，山體內(nèi)部的巖石處于天然應(yīng)力地下洞室在開挖前，山體內(nèi)部的巖石處于天然應(yīng)力（地應(yīng)力）狀態(tài)。（地應(yīng)力）狀態(tài)。地應(yīng)力一般可分為：地應(yīng)力一般可分為：自重應(yīng)力自重

9、應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力變異應(yīng)力變異應(yīng)力 第二節(jié)第二節(jié) 洞室設(shè)計的工程地質(zhì)問題洞室設(shè)計的工程地質(zhì)問題一、地應(yīng)力及其組成一、地應(yīng)力及其組成第八章第八章 二、圍巖應(yīng)力的重分布二、圍巖應(yīng)力的重分布 地下洞室開挖前，巖體內(nèi)任意點上的應(yīng)力都是平地下洞室開挖前，巖體內(nèi)任意點上的應(yīng)力都是平衡的。圍巖內(nèi)任意點都有：衡的。圍巖內(nèi)任意點都有：1xzzyyx第八章第八章 以圓形洞室為例（右以圓形洞室為例（右圖），假定開挖前只存在圖），假定開挖前只存在壓應(yīng)力壓應(yīng)力，無拉、剪力，無拉、剪力，則極坐標(biāo)下圍巖中任意一則極坐標(biāo)下圍巖中任意一點點有：有： m(m(,r),r)r ra a 軸向（徑向）應(yīng)力軸向（徑向）應(yīng)力 切向應(yīng)力

10、切向應(yīng)力 )1 (22rar)1 (22raaa洞室半徑洞室半徑rr圍巖中某點圍巖中某點的圓心距的圓心距極角極角 第八章第八章 第八章第八章 洞室開挖后，當(dāng)洞室開挖后，當(dāng)r ra a時，顯見時，顯見r r越大越大 )1 (22rarmaxr)1 (22ra越小越小，min也越大也越大，即無限遠處，即無限遠處，r r = = ，該點上的應(yīng)力重新恢復(fù)平衡。，該點上的應(yīng)力重新恢復(fù)平衡。第八章第八章 當(dāng)當(dāng) r=ar=a時，有時，有: : 0)1 (22aar2)1 (22aa 有最大值有最大值所以，破壞總是先從洞壁開始。所以，破壞總是先從洞壁開始。ar r在在處處第八章第八章 （1 1）概念：）概念：

11、山巖壓力（簡稱山壓）山巖壓力（簡稱山壓）-洞室上部巖體作用于洞室洞室上部巖體作用于洞室支撐襯砌結(jié)構(gòu)上的作用力。支撐襯砌結(jié)構(gòu)上的作用力。可分為：可分為：變形山壓變形山壓松動山壓松動山壓 三、洞室開挖運行后的新生應(yīng)力三、洞室開挖運行后的新生應(yīng)力1.1.山巖壓力山巖壓力第八章第八章 （2 2）普式平衡拱與普式山壓）普式平衡拱與普式山壓 地下洞室開挖后頂圍坍落是洞室圍巖失穩(wěn)最常見的地下洞室開挖后頂圍坍落是洞室圍巖失穩(wěn)最常見的一類。多數(shù)頂圍坍落后常形成一個自然的坍落拱（普式一類。多數(shù)頂圍坍落后常形成一個自然的坍落拱（普式平衡拱），在坍落拱上，圍巖的應(yīng)力達到平衡，破壞與平衡拱），在坍落拱上，圍巖的應(yīng)力達到

12、平衡，破壞與變形也就中止了，若能人為設(shè)變形也就中止了，若能人為設(shè)計出該坍落拱，使圍巖應(yīng)力計出該坍落拱，使圍巖應(yīng)力提前均衡，頂圍坍落便不會提前均衡，頂圍坍落便不會再發(fā)生（針對水平巖層和松再發(fā)生（針對水平巖層和松散巖體）。散巖體）。第八章第八章 u計算前提計算前提 圍巖為水平巖圍巖為水平巖層或散體結(jié)構(gòu)巖體層或散體結(jié)構(gòu)巖體 洞室側(cè)壁未發(fā)洞室側(cè)壁未發(fā)生滑坍生滑坍第八章第八章 第八章第八章 u普氏平衡拱法普氏平衡拱法 普羅托齊雅科諾夫普羅托齊雅科諾夫 （堅固系數(shù)）方法（堅固系數(shù)）方法tgftgCfkk或(散粒體散粒體一般巖體一般巖體對于整體性巖體，有：對于整體性巖體，有：= = Rc/Rc/100100

13、kfkf 取平衡拱左半拱，該塊取平衡拱左半拱，該塊巖體受力巖體受力（同三鉸拱同三鉸拱）為：為： 鉛直重力，右半拱水平鉛直重力，右半拱水平推力推力T T，拱角水平反力，拱角水平反力F F，鉛，鉛直反力直反力V V，依據(jù)靜力平衡條，依據(jù)靜力平衡條件，對拱角件，對拱角A A點取力矩，則點取力矩，則有有 z z F FV VA Ah h1 1b b1 1T T第八章第八章 dxxThbZ101當(dāng)達到平衡時，必然有當(dāng)達到平衡時，必然有 F=T V= F=T V= b1b1TbhZ2211z 這是這是F F為為V V產(chǎn)生的摩阻力，引入產(chǎn)生的摩阻力，引入 堅固系數(shù)替代巖堅固系數(shù)替代巖體內(nèi)摩擦系數(shù)（體內(nèi)摩擦系

14、數(shù)（ ） 則可知則可知tgkzkfbfVF1kf第八章第八章 一般地，當(dāng)一般地，當(dāng)F FT T時，拱圍即可達到穩(wěn)定，但為保證安全，時，拱圍即可達到穩(wěn)定，但為保證安全，設(shè)計時常取設(shè)計時常取F=2TF=2T，即安全系數(shù)為，即安全系數(shù)為2 2，代入有，代入有: :TfbTFkZ/2/1kZfbT121kkZZZfbfbbTbh/2/1121211將此值代入將此值代入h h1 1表達式有：表達式有：第八章第八章 即即 kfbh/11 就就是設(shè)計的是設(shè)計的普氏平衡拱高普氏平衡拱高。此拱高下，頂圍即可保證安全穩(wěn)定性。此拱高下，頂圍即可保證安全穩(wěn)定性。第八章第八章 * * 普氏還認為：平衡拱是呈拋物線形式的

15、，由此洞頂普氏還認為：平衡拱是呈拋物線形式的，由此洞頂普普氏山巖壓力氏山巖壓力Q Q應(yīng)為（面積應(yīng)為（面積容重）。容重）。kfbhbQ348342111實驗確定實驗確定第八章第八章 2.2.彈性抗力彈性抗力 彈性抗力：彈性抗力：指有壓隧洞充水后，襯砌部分或整體（如壓力隧洞襯指有壓隧洞充水后，襯砌部分或整體（如壓力隧洞襯砌的周邊）發(fā)生向圍巖方向變形時，在圍巖中產(chǎn)生的抵抗力。砌的周邊）發(fā)生向圍巖方向變形時，在圍巖中產(chǎn)生的抵抗力。彈性抗力常用彈性抗力系數(shù)來表示彈性抗力常用彈性抗力系數(shù)來表示, ,即：即： P P巖石承受的壓力（內(nèi)水壓力）巖石承受的壓力（內(nèi)水壓力） y y洞壁的徑向變形。洞壁的徑向變形。

16、 隧洞半徑愈大，巖體的彈性抗力系數(shù)越小。工程上常采用隧洞隧洞半徑愈大，巖體的彈性抗力系數(shù)越小。工程上常采用隧洞半徑為半徑為1m1m時的彈性抗力系數(shù)作為單位抗力系數(shù)時的彈性抗力系數(shù)作為單位抗力系數(shù). .yPK第八章第八章 3.3.外水壓力外水壓力外水壓力：外水壓力：作用在隧洞襯砌上的地下水靜水壓力。作用在隧洞襯砌上的地下水靜水壓力。其大小是由兩方面因素所決定的：其大小是由兩方面因素所決定的：隧洞圍巖的水文地質(zhì)條件：如地下水位的高隧洞圍巖的水文地質(zhì)條件：如地下水位的高低、巖石的透水性以及地下水的埋藏條件；低、巖石的透水性以及地下水的埋藏條件；隧洞設(shè)計和施工情況：如排水設(shè)置、襯砌本隧洞設(shè)計和施工情況

17、：如排水設(shè)置、襯砌本身的透水性、襯砌與巖石的結(jié)合程度以及灌漿效果身的透水性、襯砌與巖石的結(jié)合程度以及灌漿效果等。等。第八章第八章 隧洞外水壓力示意圖第八章第八章 第三節(jié)第三節(jié) 洞室施工的工程地質(zhì)問題洞室施工的工程地質(zhì)問題 一、地下洞室圍巖的變形、破壞形式 當(dāng)洞室圍巖難以承受應(yīng)力變化所帶來的影響時，就會發(fā)生變當(dāng)洞室圍巖難以承受應(yīng)力變化所帶來的影響時，就會發(fā)生變形與破壞，形式主要有以下形與破壞，形式主要有以下4 4種：種： 1 1頂圍懸垂坍落：頂圍懸垂坍落：常見于頂常見于頂部圍巖裂隙發(fā)育或風(fēng)化嚴(yán)重的部圍巖裂隙發(fā)育或風(fēng)化嚴(yán)重的水平巖層圍巖中，坍落后，可水平巖層圍巖中，坍落后，可自然形成自然形成 “

18、“坍落拱坍落拱”（重力（重力作用原因）。作用原因）。 第八章第八章 2 2側(cè)圍突出與滑塌：側(cè)圍突出與滑塌： 多發(fā)生于陡立層狀巖體中。多發(fā)生于陡立層狀巖體中。這種巖層側(cè)圍滑塌后又會發(fā)生這種巖層側(cè)圍滑塌后又會發(fā)生頂圍坍落（天然應(yīng)力頂圍坍落（天然應(yīng)力引起），引起），但不會形成坍落拱。但不會形成坍落拱。 第八章第八章 3 3底圍鼓脹與隆破：底圍鼓脹與隆破：多見于塑性、彈塑性巖體中或裂隙發(fā)育，多見于塑性、彈塑性巖體中或裂隙發(fā)育，有適當(dāng)結(jié)構(gòu)面的圍巖中，或因洞室埋深過大而引起。有適當(dāng)結(jié)構(gòu)面的圍巖中，或因洞室埋深過大而引起。 第八章第八章 4 4圍巖縮徑與巖爆：圍巖縮徑與巖爆：前者指頂、側(cè)、底三圍以相似速度向洞前者指頂、側(cè)、底三圍以相似速度向洞內(nèi)變形，多見于彈塑性和塑性巖體中，后者是脆性巖體中各別內(nèi)變形，多見于彈塑性和塑性巖體中，后者是脆性巖體中各別巖塊在失去一側(cè)圍壓阻擋后，突然向洞室內(nèi)彈出的現(xiàn)象巖塊在失去一側(cè)圍壓阻擋后，突然向洞室內(nèi)彈出的現(xiàn)象. . 彈出巖塊不可能再塞回彈出巖塊不可能再塞回原位原位 巖塊體積增大巖塊體積增大 原位變形原位變形 第八章第八章 二、提高圍巖穩(wěn)定性的措施二、提高圍巖穩(wěn)定性的措施常用的支襯結(jié)構(gòu)有支撐