第十三章地下洞室的工程地質(zhì)研究

1、第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述第二節(jié)第二節(jié) 洞室圍巖應(yīng)力的重分及布洞室圍巖應(yīng)力的重分及布變形與變形與破壞特征破壞特征第三節(jié)第三節(jié) 洞室位置選擇的工程地質(zhì)評價洞室位置選擇的工程地質(zhì)評價第四節(jié)第四節(jié) 地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析第五節(jié)第五節(jié) 隧道施工的工程地質(zhì)問題及提高圍巖穩(wěn)定性的措施隧道施工的工程地質(zhì)問題及提高圍巖穩(wěn)定性的措施 1.定義：人工開挖或天然存在于巖土體內(nèi)的構(gòu)筑物，統(tǒng)稱為地下建筑。2.地下工程的特征：開挖前處于應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖后洞室周圍的巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布，可能因此發(fā)生變形和破壞。3.研究意義：正確估計圍巖應(yīng)力和巖體強(qiáng)度，及時合理地對地下工程進(jìn)

2、行維護(hù)，是保證地下工程安全、經(jīng)濟(jì)地修建和運營的前提。一、地下洞室圍巖重分布應(yīng)力一、地下洞室圍巖重分布應(yīng)力（一）基本概念（一）基本概念（二）彈性圍巖重分布應(yīng)力（二）彈性圍巖重分布應(yīng)力 （三）塑性圍巖重分布應(yīng)力（三）塑性圍巖重分布應(yīng)力 1、圍巖松動圈與承載、圍巖松動圈與承載圈圈 2、松動圈與承載圈的應(yīng)用二、洞二、洞室室圍巖變形破壞的類型和特點圍巖變形破壞的類型和特點+洞室開挖之前，巖土體一般處于天然應(yīng)力平衡狀態(tài)，稱為原巖應(yīng)力場原巖應(yīng)力場或初始應(yīng)力場初始應(yīng)力場；硐室開挖后破壞了這種平衡。地下開挖以后，由于圍巖質(zhì)點應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起的天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用稱為應(yīng)力重分布應(yīng)力重分布；經(jīng)應(yīng)力

3、重分布作用后形成的新的應(yīng)力狀態(tài)，稱為重分布應(yīng)力狀態(tài)重分布應(yīng)力狀態(tài)。+通常將洞室周圍發(fā)生應(yīng)力重分布的這一部分巖體叫做地下洞室圍巖地下洞室圍巖（簡稱（簡稱圍巖圍巖），狹義上，圍巖常指硐室周圍受到開挖影響，大體相當(dāng)于地下硐室寬度或平均直徑的35倍范圍內(nèi)的巖土體。式中：式中： r0-洞室半徑洞室半徑r-自洞中心算起的徑向距離自洞中心算起的徑向距離-自水平軸算起的極坐標(biāo)中的角度自水平軸算起的極坐標(biāo)中的角度Ph、Pv-分別表示垂直與水平正應(yīng)力，分別表示垂直與水平正應(yīng)力，如果巖體的初始應(yīng)力反由重力形成，則如果巖體的初始應(yīng)力反由重力形成，則Pv=H Ph=H (H為洞室平均埋深為洞室平均埋深)r、-分別為徑向

4、應(yīng)力和切向應(yīng)力；分別為徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力；r-剪應(yīng)力剪應(yīng)力r02r04r06r0Ph2Ph應(yīng)力應(yīng)力r距離距離埋深大于20r0 洞室開挖后由于應(yīng)力的重分布，將使洞室周圍產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)周邊應(yīng)力小于巖體的強(qiáng)度極限(脆性巖石)或屈服極限(塑性巖石)時，洞室圍巖穩(wěn)定。否則，周邊巖石首先破壞或出現(xiàn)大的變形，并向深部擴(kuò)展到一定的范圍形成松動圈松動圈。在松動圈形成的過程中、原來洞室周邊集中的高應(yīng)力逐漸向松動圈外轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)巖體被擠壓緊密，宛如天然加固的巖體，故稱承載區(qū)承載區(qū)。 應(yīng)當(dāng)指出，如果巖體非常軟弱或處于朔性狀態(tài)地，則洞空開挖后，由于塑性松動圈的不斷擴(kuò)展，自然承載圈很難形成。在這種

5、情況下，巖體始終處于不穩(wěn)定狀態(tài)，開挖洞室十分困難。如果巖體堅硬完整，則洞室圍巖始終處于彈性狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定，不形成松動圈。 塑性松動塑性松動圈圈 彈性承彈性承載圈載圈原巖應(yīng)力區(qū)原巖應(yīng)力區(qū)1、松動圈，可以確定山巖的壓力的大小，并借以確定隧洞支護(hù)或趁砌的設(shè)計要求。2、承載圈，可以承受上覆巖體的自重以及側(cè)向地應(yīng)力的附加荷載，在設(shè)計支襯時，應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮圍巖的自承能力，既盡量利用圍巖支襯代替人工支襯，這樣就可以節(jié)省設(shè)計費用和提高施工速度。3、松動圈和承載圈不是固定不變的，而是隨地質(zhì)條件和時間而變化；同時與施工方法和速度密切相關(guān)，其中關(guān)鍵是確定松動圈。在生產(chǎn)實踐中。確定洞室圍巖松動圈的范圍是非得重要的。因為

6、松動圈一旦形成，圍巖就會坍塌或向洞內(nèi)產(chǎn)生大量的塑性變形，要維持圍巖穩(wěn)定就要進(jìn)行支撐或襯砌 洞室開挖后，地下形成了自由空間，原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于解除束縛而向洞室空間發(fā)生松脹變形。這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力、便發(fā)生破壞。脆性巖石的變形破壞的方式包括張裂坍落、劈裂、剪切滑動、巖爆彎折內(nèi)鼓等；塑性巖石的變形破壞包括擠出、膨脹、涌流和坍塌等 圍巖變形和破壞失穩(wěn)的形式，除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形有關(guān)外，主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)特征。 1、完整結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征 2、層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征 3、塊斷結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征 4、碎裂結(jié)構(gòu)巖體的變形破壞特征 5、散體結(jié)構(gòu)巖體的變形

7、破壞特征+堅硬完整巖體的強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好,其變形和破壞可根據(jù)彈性理論計算。該類巖體在高地應(yīng)力區(qū)，洞室開挖后可能產(chǎn)生開挖后可能產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象巖爆現(xiàn)象。+巖爆系指在地下開挖過程中，圍巖突然以爆炸形式表現(xiàn)出來的破壞現(xiàn)象。+巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：巖爆的產(chǎn)生需要具備兩方面的條件：高儲能體（高高儲能體（高強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整的脆性巖體）的存在，且其應(yīng)力接強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)完整的脆性巖體）的存在，且其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因近于巖體強(qiáng)度是巖爆產(chǎn)生的內(nèi)因；某附加荷載的觸某附加荷載的觸發(fā)則是其產(chǎn)生的外因發(fā)則是其產(chǎn)生的外因。附加荷載主要包括兩個方面：一是機(jī)械開挖、爆破以及圍巖局部破裂所造成的彈性振蕩；一是開挖

8、的迅速推進(jìn)或累進(jìn)性破壞所引起的應(yīng)力突然向某些部位的集中。+這類巖體破壞形式主要有：沿層面張裂沿層面張裂、彎曲內(nèi)鼓彎曲內(nèi)鼓、折斷塌落折斷塌落等。層狀圍巖變形破壞特征（a）水平層狀巖體；（b）傾斜層狀巖體；（c）直立層狀巖體1設(shè)計斷面輪廓線；2破壞區(qū)；3崩塌；4滑動；5彎曲、張裂及折斷 +這類結(jié)構(gòu)圍巖的變形破壞，主要表現(xiàn)為沿結(jié)沿結(jié)構(gòu)面的滑移掉塊構(gòu)面的滑移掉塊。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移圖1層面；2斷裂；3裂隙+碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風(fēng)化破碎加次生夾泥的巖體。這類圍巖的變形破壞形式常表現(xiàn)為塌方塌方和滑動滑動（圖）。破壞規(guī)模和特征主要取決于巖體的破碎程度和含泥多少。在夾泥少、以巖塊剛性接

9、觸為主的碎裂圍巖中，由于變形時巖塊互相鑲嵌擠壓，錯動時將產(chǎn)生一定阻力，因而不易大規(guī)模塌方。相反，當(dāng)夾泥量很高時，由于巖塊間失去剛性接觸，則易產(chǎn)生大規(guī)模塌方，如不及時支護(hù)，將愈演愈烈，直至冒頂。 (5)松散狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎和強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體或新近堆積的土體。這類圍巖的力學(xué)屬性表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。其變形破壞形式以拱形冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)均勻時，冒落拱形狀較為規(guī)則（圖（a）。但當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松軟巖體僅構(gòu)成局部圍巖時，則常表現(xiàn)為局部塌方局部塌方、塑性擠入塑性擠入及及滑滑動動等形式等形式（圖（b）、（c）、（d）。 松散圍巖變形破壞形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏壓；（c）側(cè)鼓；

10、（d)底鼓 一、 水電資源大多數(shù)位于高山峽谷地區(qū),岸坡陡峭,河谷狹窄,流量較大。受地形條件的制約,往往需要將發(fā)電機(jī)群設(shè)置在地下洞室中,而地下洞室位置的選擇關(guān)系到地下工程的成敗與否,一旦選擇不當(dāng),工程代價巨大。因此很有必要進(jìn)行地下廠房方案的比較選擇。大跨度、高邊墻的地下廠房系統(tǒng)必然會遇到復(fù)雜的地質(zhì)條件和大量的工程地質(zhì)問題,其中最受關(guān)注的是圍巖穩(wěn)定問題。1.隧洞選線時應(yīng)注意利用地形，方便施工。在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。在山區(qū)開鑿隧洞一般只有進(jìn)口和出口兩個工作面，如洞線長則將延長工期，影響效益。為此在選線時，應(yīng)充分利用溝谷地形，多開施工導(dǎo)洞，或分段開挖以增加工

11、作面。水工隧洞的選線。應(yīng)盡量采取直線，避免或減少曲線和彎道。如采用曲線布置，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，洞線轉(zhuǎn)彎角應(yīng)大于60，曲率半徑不小于5倍洞徑。此外，隧洞進(jìn)出口位置的地形地貌條件也很重要。隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌等現(xiàn)象存在。2.洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口坡的安全。在地形陡的高邊坡開挖洞口先行進(jìn)洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。隧洞進(jìn)出口不應(yīng)選在排水困難的低洼處，也不應(yīng)選在沖溝、傍河山嘴谷口等易受水流沖刷的地段。在地貌上應(yīng)避開滑坡、崩塌、泥石流等不良自然現(xiàn)象，以及山麓堆積，坡積、崩積及洪積物等四紀(jì)松散沉積物。1.地層與巖性條件的好壞直接影響隧洞的穩(wěn)定性。在洞線

12、選擇時，應(yīng)分析沿線地層的分布和各種巖石的工程地質(zhì)。巖性比較堅硬、完整，力學(xué)性能較好且風(fēng)化輕微者，對圍巖穩(wěn)定性有利 ；而那些易于軟化，泥化和溶蝕的巖體及膨脹和塑性巖體，則不利于圍巖穩(wěn)定。因此，洞室位置應(yīng)盡量選在堅硬完整巖石中。一般在堅硬完整巖層中掘進(jìn)，圍巖穩(wěn)定，日進(jìn)尺快，造價低，在軟弱、破碎、松散巖層中掘進(jìn)，頂板易坍塌，邊墻及底板易產(chǎn)生鼓脹擠出變形等事故，須邊掘進(jìn)邊支護(hù)，工期長，造價高。1.地質(zhì)構(gòu)造是控制巖體完整性及滲透性的重要因素。選址時應(yīng)盡量避開地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的地段，否則會給施工帶來困難。2.一、褶皺的影響3.褶皺構(gòu)造對工程的影響程度與工程類型及褶皺類型、褶皺部位密切相關(guān)，對于某一具體工程來說

13、，所遇到的褶皺構(gòu)造往往是其中的一部分，因此褶皺構(gòu)造的工程地質(zhì)評價應(yīng)根據(jù)具體情況作具體的分析。在褶皺的翼部主要是單斜構(gòu)造中傾斜巖層引起的順層滑坡問題。傾斜巖層作為建筑物地基時，一般無特殊不良的影響，但對于深路塹、高切坡及隧道工程等則有影響。對于深路塹、高切坡來說，當(dāng)路線垂直巖層走向，或路線與巖層走向平行但巖層傾向與邊坡傾向相反時形成反向坡，就巖層產(chǎn)狀與路線走向的關(guān)系而言，對邊坡的穩(wěn)定性是有利的；當(dāng)路線與巖層走向平行且?guī)r層傾向與邊坡傾向一致時形成順向坡，穩(wěn)定性較差，特別是當(dāng)邊坡傾角大于巖層傾角時且有軟弱巖層分布在其中時，穩(wěn)定性最差。對于隧道工程來說，從褶皺的翼部通過一般較為有利。如果中間有軟弱巖層

14、或軟弱結(jié)構(gòu)面時，則在順傾向一側(cè)的洞壁，有時會出現(xiàn)明顯的偏壓現(xiàn)象，甚至?xí)?dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞，發(fā)生局部坍塌。一.地下水對地下工程的影響主要表現(xiàn)為：二.1、產(chǎn)生靜水壓力作用于洞室襯砌，增加支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，造成洞室圍巖沿軟弱結(jié)構(gòu)面滑動，造成洞室變形、失穩(wěn)、地下水還會產(chǎn)生滲漏、泉涌，影響地下工程正常使用。2、地下水使巖土軟化，強(qiáng)度降低；使圍巖中軟弱夾層泥化，減小層間阻力；還會使某些巖土（如石膏、巖鹽、高嶺土等）產(chǎn)生溶解、膨脹，造成洞室變形。3、造成地下工程施工中產(chǎn)生涌水、流砂、涌泥等現(xiàn)象，引起洞室變形、塌方和沖潰，甚至淹沒和堵塞洞室。砂、水混合物涌入洞室，常常造成嚴(yán)重事故，影響地下工程的施工和地下建筑

15、物的使用。1.在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運動等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)，這種應(yīng)力稱為地應(yīng)力，它是地殼應(yīng)力的統(tǒng)稱。地應(yīng)力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力，廣義上也指地球體內(nèi)的應(yīng)力。它包括由地?zé)嶂亓Φ厍蜃赞D(zhuǎn)速度變化及其他因素產(chǎn)生的應(yīng)力。2.巖爆，也稱沖擊地壓，它是一種巖體中聚積的彈性變形勢能一定條件下的突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。輕微的巖爆僅有剝落巖片，無彈射現(xiàn)象，嚴(yán)重的可測到4.6級的震級，烈度達(dá)7一8度， 使地面建筑遭受破壞，并伴有很大的聲響。巖爆可瞬間突然發(fā)生，也可以持續(xù)幾天到幾個月。發(fā)生巖爆的條件是巖體中有較高的地應(yīng)力

16、，并且超過了巖石本身的強(qiáng)度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性，在這種條件下，一旦地下工程活動破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)，巖體中積聚的能量釋放就會導(dǎo)致巖石破壞，并將破碎巖石拋出。一、山巖壓力和彈性抗力的概念及其確定方法一、山巖壓力和彈性抗力的概念及其確定方法 （一）圍巖的山巖壓力一）圍巖的山巖壓力 1 1、山巖壓力的概念、山巖壓力的概念2 2、山巖壓力的類型、山巖壓力的類型3 3、山巖壓力的確定方法、山巖壓力的確定方法 （二）（二）圍巖圍巖的彈性抗力的彈性抗力1 1、彈性抗力的概念、彈性抗力的概念2 2、彈性抗力系數(shù)的確定方法、彈性抗力系數(shù)的確定方法二、圍巖工程地質(zhì)分類及其應(yīng)用二、圍巖工程地質(zhì)分類及

17、其應(yīng)用是指圍巖的強(qiáng)度適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形或破壞時，作用于支護(hù)或襯砌上的力，也稱圍巖壓力。山巖壓力與圍巖應(yīng)力區(qū)別圍巖應(yīng)力是單位面積上的圍巖內(nèi)力，而山巖壓力是作用在支護(hù)或襯砌上的外力。+（1）松動山壓松動山壓：由圍巖拉裂塌落、塊體滑移、碎裂松動等引起；僅限于圍巖松動塌落的局部范圍，以重力形式作用于襯砌上。+（2）變形山壓變形山壓：是由于圍巖的彈性恢復(fù)或塑性變形所產(chǎn)生的圍巖壓力，有塑性擠入、膨脹內(nèi)鼓及彎折內(nèi)鼓等；+（3）沖擊山壓沖擊山壓：是由于巖體中積聚的彈性應(yīng)變能突然釋放所引起的，具有產(chǎn)生巖爆的條件時才能產(chǎn)生沖擊山壓。kkkfhhParctan245tan2h2121h+圍巖壓力系數(shù)法+

18、塊體極限平衡法+聲波測定法對有壓隧洞，存在一個很高的內(nèi)水壓力，迫使襯砌向圍巖方向變形，而圍巖將產(chǎn)生一個反力來阻止襯砌的變形，把圍巖對襯砌的反力稱為彈性抗力或圍巖抗力。其大小用彈性抗力系數(shù)表示。圍巖視為彈性體，對圓形洞，K值表達(dá)式u顯然，K與洞半徑有關(guān)，工程上為便于比較，采用洞徑1m(100cm)時的彈性抗力系數(shù)，作為單位彈性抗力系數(shù)K0。彈性抗力系數(shù)物理意義：使洞壁產(chǎn)生一個單位徑向變形所需施加的力。K值越大，說明圍巖承受內(nèi)水壓力的能力越大，即圍巖抗力越大，越有利于襯砌的穩(wěn)定。+國內(nèi)外現(xiàn)有的圍巖分級方法有定性、定量、定性與定量相結(jié)合3種方法，且多以前兩種方法為主。+定性分級的做法是，在現(xiàn)場對影響

19、巖體質(zhì)量的諸因素進(jìn)行定性描述、鑒別、判斷，或?qū)χ饕蛩刈鞒鲈u判、打分，有的還引入部分量化指標(biāo)進(jìn)行綜合分級。+巖性：抗壓強(qiáng)度、彈性模量、彈性波速等。+地質(zhì)構(gòu)造：巖體完整性或結(jié)構(gòu)狀態(tài)。+地下水：地下水發(fā)育時，圍巖級別應(yīng)降低。 1個附加因素：+初始地應(yīng)力：適當(dāng)考慮。+保障圍巖穩(wěn)定性的途徑有兩個：一是保護(hù)圍巖原有的穩(wěn)定性，使之不降低；二是賦予巖體一定的強(qiáng)度，使其穩(wěn)定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支護(hù)襯砌方案，后者主要是加固圍巖。+一、合理施工+二、施工監(jiān)控、信息反饋和超前預(yù)報+三、支撐、襯砌與支護(hù)+四、固結(jié)灌漿+五、新奧法+隧洞施工所遵循的原則隧洞施工所遵循的原則： 一是盡可能先挖斷面尺寸較小

20、的導(dǎo)洞；二是開挖后及時支撐或襯砌。這樣可縮小圍巖松動范圍，或限制圍巖早期松動；或把圍巖松動限制在最小范圍。+隧洞施工方案隧洞施工方案：+1圍巖不穩(wěn)定時，采用分部開挖，分部襯砌，逐步擴(kuò)大斷面；+2 圍巖較穩(wěn)定時，可采用導(dǎo)洞全面開挖，連續(xù)襯砌；+3圍巖穩(wěn)定時，全斷面開挖。 施工監(jiān)控和信息反饋就是在施工過程中及時發(fā)現(xiàn)地質(zhì)問題，并根據(jù)新測試的地質(zhì)數(shù)據(jù)(信息指標(biāo))，驗證原設(shè)計方案是否符合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件，如不符合則應(yīng)修改設(shè)計，并采取有效的施工措施解決出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題。在隧洞施工監(jiān)控工作中應(yīng)注意以下幾點： (1)在開挖過程中觀測圍巖的變形量、變形速率和加速度，以判別圍巖的穩(wěn)定性，預(yù)報險情。 (2)確定圍巖

21、松動圈范圍，找出不穩(wěn)定的部位，提出支護(hù)及補(bǔ)強(qiáng)措施，這需要及時做好地質(zhì)記錄及編繪工作、巖體物理力學(xué)性質(zhì)的試驗工作，以及聲波量測工作等，為設(shè)計及施工提供可靠的地質(zhì)參數(shù)或信息指標(biāo)。 (3)監(jiān)控量測工作應(yīng)緊跟施工工作面進(jìn)行，并注意盡量減少與施工的干擾。 (4)超前預(yù)報是當(dāng)代隧洞施工個的重要環(huán)節(jié)，對保證安全、合理施工，往往作起著決定性的作用。一般應(yīng)由有經(jīng)驗的地質(zhì)工程師擔(dān)任此工作。施工工程師應(yīng)尊重并聽從地質(zhì)工程師的建議和要求，特別是在地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)，尤為如此。+支撐支撐是在開挖過程中，為防止圍巖塌方而進(jìn)行的臨時性措施，過去通常采用木支撐、鋼支撐及混凝土預(yù)制構(gòu)件支撐等。近年來，國內(nèi)外多采用錨桿支護(hù)。+襯砌襯砌是維護(hù)隧洞圍巖穩(wěn)定的永久性結(jié)構(gòu)，用以承受山巖壓力和內(nèi)、外水壓力。襯砌厚度取決于巖石的性質(zhì)。如對于堅硬類巖石一般要求2030cm即可。+ 噴射混凝土