第4章隧道工程的地質(zhì)環(huán)境ppt課件

1、第四章第四章 隧道工程的地質(zhì)環(huán)境隧道工程的地質(zhì)環(huán)境 第一節(jié) 概 述 地面結(jié)構(gòu)體系一般都是由結(jié)構(gòu)和地基所組成，地基在結(jié)構(gòu)底部起約束作用，除了自重外，荷載都是來(lái)自外部， （圖4-1a）。地下結(jié)構(gòu)是由周邊圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)兩者組成共同并相互作用的結(jié)構(gòu)體系，即地下結(jié)構(gòu)支護(hù)結(jié)構(gòu)周邊圍巖；地下結(jié)構(gòu)所承受的荷載又主要來(lái)自結(jié)構(gòu)體系的本身地層，故稱(chēng)為地層壓力或圍巖壓力。 在地下結(jié)構(gòu)體系中，地層既是承載結(jié)構(gòu)的基本組成部分，又是造成荷載的主要來(lái)源(圖4-1b)，這種合二為一的作用機(jī)理與地面結(jié)構(gòu)是完全不同的。 (a) 地面結(jié)構(gòu) (b)地下結(jié)構(gòu)圖4-1 結(jié)構(gòu)物與地層關(guān)系 地層被挖成隧道后的穩(wěn)定程度稱(chēng)為隧道圍巖的穩(wěn)定性，這是

2、一個(gè)反映地質(zhì)環(huán)境的綜合指標(biāo)。所以說(shuō)，研究隧道工程地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題，它包括隧道圍巖破壞或穩(wěn)定的規(guī)律、影響圍巖穩(wěn)定的主要因素、標(biāo)志圍巖穩(wěn)定性的指標(biāo)和判斷準(zhǔn)則、分析圍巖穩(wěn)定性的方法以及為維護(hù)圍巖穩(wěn)定而必須采取的工程措施(如施工程序和方法、支護(hù)結(jié)構(gòu)的類(lèi)型、數(shù)量和架設(shè)時(shí)間等)。第二節(jié)第二節(jié) 圍巖的工程性質(zhì)圍巖的工程性質(zhì) 隧道圍巖是指地殼中受隧道開(kāi)挖影響的那一部分巖體，或是指對(duì)隧道穩(wěn)定性有影響的那一部分巖體。這部分巖體在隧道開(kāi)挖和支護(hù)過(guò)程中，將產(chǎn)生應(yīng)力重新分布，其性質(zhì)也有所變化。 一、巖體的變形特性1、壓密階段(OA) 2、彈性階段(AB) 3、塑性階段(BC) 4、破裂

3、和破壞階段(CD) ABC巖 體巖 石軟 弱 結(jié) 構(gòu) 面0圖4-2 典型巖體全應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)二、循環(huán)荷載作用下巖體的變形特性 對(duì)于彈性材料，其加載和卸載曲線(xiàn)相同。 巖體屬于非線(xiàn)性材料，如果卸載點(diǎn)超過(guò)了其屈服點(diǎn)，則卸載曲線(xiàn)和加載曲線(xiàn)不重合，形成塑性回滯環(huán)。如果經(jīng)過(guò)多次反復(fù)加載與卸載，且每次施加的最大荷載與第一次加載的最大荷載一樣，則每次加載、卸載曲線(xiàn)都各自形成一個(gè)塑性回滯環(huán)，如圖4-3所示。 圖4-3 巖體加、卸載曲線(xiàn) 三、巖體的強(qiáng)度 巖體的強(qiáng)度要比巖石的強(qiáng)度低得多，并具有明顯的各向異性。一般情況下，巖體的抗壓強(qiáng)度只有巖石抗壓強(qiáng)度的7080，結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體，僅有510。和抗壓強(qiáng)度一樣，巖體的抗剪

4、強(qiáng)度主要也是取決于巖體內(nèi)結(jié)構(gòu)面的性態(tài)，包括巖體的力學(xué)性質(zhì)、充填狀況、產(chǎn)狀、分布和規(guī)模等；同時(shí)還受剪切破壞方式所制約。 四、巖體的構(gòu)造力學(xué)特性巖體是由下述幾部分構(gòu)成的： a) 不同尺寸和類(lèi)型的巖塊； b) 結(jié)構(gòu)面； c) 巖塊間的充填物。 從巖體構(gòu)造力學(xué)特性上看，大體上可分為無(wú)裂隙巖體和裂隙巖體兩大類(lèi)。地下工程在多數(shù)情況下是修筑在裂隙巖體中的。裂隙巖體的地質(zhì)構(gòu)造特征是結(jié)構(gòu)面的存在。 巖石只是巖體構(gòu)成的一部分，它的性質(zhì)不能代表巖體的物性，這一點(diǎn)是必須明確的。由上述條件決定的巖體構(gòu)造力學(xué)特性是它的非連續(xù)性、非均質(zhì)性、各向異性和突變性。五、巖體的破壞準(zhǔn)則 理論和試驗(yàn)研究都表明，多數(shù)巖石在初始應(yīng)力狀態(tài)下

5、處于彈性階段，而在開(kāi)挖成洞后，洞室周?chē)鷰r體將產(chǎn)生松弛或進(jìn)入塑性狀態(tài)。 彈塑性模型的基本概念是認(rèn)為巖石在屈服極限之前，只有可恢復(fù)的彈性變形，達(dá)到屈服極限以后，變形由可恢復(fù)的彈性變形和不可恢復(fù)的永久變形(塑性變形)兩部分組成，彈性變形按彈性理論計(jì)算，塑性變形按塑性理論計(jì)算。 材料隨著外力的增加由彈性狀態(tài)過(guò)渡到塑性狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)力的數(shù)值等于屈服極限 時(shí)，材料屈服，開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，而 就是單向應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件，也稱(chēng)作“塑性條件”，它是判斷是否達(dá)到塑性狀態(tài)的準(zhǔn)則。 目前，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，采用最多的是摩爾庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則。圖4-4表示受到主應(yīng)力( )作用時(shí)，材料屈服的應(yīng)力圓。 cc13C31Cx0 由圖可知x

6、2sin3131sinsin12cxsin1sin1031c圖4-4 材料強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)及應(yīng)力圓 格里非斯認(rèn)為，內(nèi)部有裂隙的材料，在裂隙的尖端部位將引起應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低。當(dāng)拉應(yīng)力集中值超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂隙就會(huì)擴(kuò)展，從而導(dǎo)致巖石破壞。為了計(jì)算應(yīng)力集中值，將這些裂隙假定為很小的扁平橢圓裂紋，按平面狀態(tài)破壞理論處理，如圖4-5所示 。圖4-5 格里非斯準(zhǔn)則除了上述準(zhǔn)則外，尚有許多其他的破壞準(zhǔn)則，如Mises準(zhǔn)則、Drucker-Prager準(zhǔn)則等。 六、巖體的流變特性 流變包括兩方面：一種是指作用的應(yīng)力不變，而應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)，即所謂蠕變；另一種則是作用的應(yīng)變不變，而應(yīng)力隨時(shí)間而衰減

7、，即所謂松弛，如圖4-6所示。圖4-6 巖體的流變七、巖體結(jié)構(gòu)分類(lèi)及其破壞特征工程地質(zhì)學(xué)中把巖體劃分為四大種結(jié)構(gòu)類(lèi)型： .整體結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu) .層狀結(jié)構(gòu)、板狀結(jié)構(gòu) .碎裂結(jié)構(gòu)、鑲嵌結(jié)構(gòu)、層狀碎裂結(jié)構(gòu) .散體結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)體的變形，塊狀和層狀結(jié)構(gòu)巖體的變形主要是結(jié)構(gòu)面的變形，碎裂和散體結(jié)構(gòu)巖體的變形，開(kāi)始是將裂隙或孔隙壓密，隨后是結(jié)構(gòu)體變形，并伴隨有結(jié)構(gòu)面張開(kāi)。破壞形式主要為剪切破裂和塑性變形。 八、隧道圍巖失穩(wěn)破壞性態(tài)隧道圍巖變形、破壞和巖體結(jié)構(gòu)的關(guān)系十分密切，根據(jù)工程實(shí)踐觀(guān)察，大致有以下五種情況： 1、脆性破裂 2、塊狀運(yùn)動(dòng) 3、彎曲折斷破壞 4、松動(dòng)解脫 5、塑性變形和剪

8、切破壞第三節(jié)第三節(jié) 圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)一、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的組成 (一)自重應(yīng)力場(chǎng) 在自重應(yīng)力場(chǎng)中，地表以下任一深度H處的垂直應(yīng)力等與其上覆巖體的重量(如圖4-7，a所示)Hz 以壓應(yīng)力為正， 為巖體的容重當(dāng)上覆巖體為多層時(shí)，則為(圖4-7，b) niiizH1式中 第 i 層巖體的容重 第 i 層巖體的厚度iiH圖4-7 地表水平時(shí)的自重應(yīng)力場(chǎng)圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律 應(yīng)力是隨深度成線(xiàn)性增加 水平應(yīng)力總是小于垂直應(yīng)力，最多也只能與其相等(二)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng) 地質(zhì)力學(xué)認(rèn)為：地殼各處發(fā)生的一切構(gòu)造變形與破裂都是地應(yīng)力作用的結(jié)果。因而地質(zhì)力學(xué)就把構(gòu)造體系和構(gòu)造形式在形成過(guò)程中的應(yīng)力狀態(tài)稱(chēng)為

9、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 我國(guó)大陸初始應(yīng)力場(chǎng)(包括自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng))的變化規(guī)律大致可以歸納為如下幾點(diǎn)： 地質(zhì)構(gòu)造形態(tài)不僅改變了重力應(yīng)力場(chǎng)，而且除以各種構(gòu)造形態(tài)獲得釋放外，還以各種形式積蓄在巖體內(nèi)，這種殘余構(gòu)造應(yīng)力將對(duì)地下工程產(chǎn)生重大影響。 垂直應(yīng)力的量值隨深度增加而增大，而且水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力。 水平主應(yīng)力具有明顯的各向異性。 二、圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)的影響因素 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)，一般受到兩類(lèi)因素的影響： 第一類(lèi)因素有重力、溫度、巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及構(gòu)造、地形等經(jīng)常性的因素。 第二類(lèi)因素有地殼運(yùn)動(dòng)、地下水活動(dòng)、人類(lèi)的長(zhǎng)期活動(dòng)等暫時(shí)性的或局部性的因素；此外，在眾多的因素中還要特別研究下面幾點(diǎn)： 1、

10、地形和地貌。 2、巖體的力學(xué)性質(zhì)。 3、地溫。 4、人類(lèi)活動(dòng)。 第四節(jié)第四節(jié) 隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用隧道圍巖分級(jí)及其應(yīng)用 根據(jù)坑道開(kāi)挖實(shí)踐，坑道開(kāi)挖后的穩(wěn)定性可分為以下幾類(lèi)： 1)充分穩(wěn)定的 坑道在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)有足夠的自穩(wěn)能力，無(wú)需任何人為支護(hù)而能維持穩(wěn)定，無(wú)坍塌、偶爾有掉塊。 2)基本穩(wěn)定的 坑道會(huì)因爆破、巖塊結(jié)合松弛等而產(chǎn)生局部掉塊，但不會(huì)引起坑道的坍塌，坑道是穩(wěn)定的。 3)暫時(shí)穩(wěn)定的 大多數(shù)坑道是屬于這個(gè)類(lèi)型的?？拥篱_(kāi)挖后呈現(xiàn)出不同程度的坍塌現(xiàn)象，坍塌后的坑道呈拱形而處于暫時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)。 4)不穩(wěn)定的 一、以巖石強(qiáng)度或巖石的物性指標(biāo)為代表的分級(jí)方法 在這種分級(jí)方法中，具有代表性的是前蘇聯(lián)普落托奇

11、雅柯諾夫(M.Jipoctonbn Monos)教授提出的“巖石堅(jiān)固系數(shù)分級(jí)法(或稱(chēng)“ ”值分級(jí)法，或普氏分級(jí)法)。這種分級(jí)方法在我國(guó)的隧道工程中得到了廣泛的應(yīng)用。 我國(guó)工程部門(mén)在將值分級(jí)法應(yīng)用到隧道工程的設(shè)計(jì)、施工時(shí)，已注意到必須考慮巖體的地質(zhì)構(gòu)造、風(fēng)化程度、地下水狀況等多種因素的影響，而將由單一巖石強(qiáng)度決定的值適當(dāng)降低，即：式中 值是由巖石強(qiáng)度決定的， 是考慮地質(zhì)條件的折減系數(shù)，一般情況下， 1.0。 巖石巖體fKf巖石fKKf二、以巖體構(gòu)造、巖性特征為代表的分級(jí)方法 60年代，我國(guó)在積累大量鐵路隧道修建經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出了以巖體綜合物性指標(biāo)為基礎(chǔ)的“巖體綜合分級(jí)法”，并于1975年經(jīng)修正

12、后被我國(guó)“鐵路工程技術(shù)規(guī)范(隧道)”所采用。該分級(jí)法將隧道圍巖分為6級(jí) 。 這類(lèi)方法的優(yōu)點(diǎn)是正確地考慮了地質(zhì)構(gòu)造特征、風(fēng)化狀況、地下水情況等多種因素對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，并建議了各類(lèi)圍巖應(yīng)采用的支護(hù)類(lèi)型和施工方法。此外，這種分級(jí)法最早考慮了埋深對(duì)圍巖級(jí)別的影響。其缺點(diǎn)是分類(lèi)指標(biāo)還缺乏定量描述，沒(méi)有提供可靠的預(yù)測(cè)隧道圍巖級(jí)別的方法，在一定程度上要等到隧道開(kāi)挖后才能確定。 三、與地質(zhì)勘探手段相聯(lián)系的分級(jí)方法 圍巖彈性波速度是判斷巖性、巖體結(jié)構(gòu)的綜合指標(biāo)，它既可以反映巖石軟硬，又可以表達(dá)巖體結(jié)構(gòu)的破碎程度。因此，在彈性波速度基礎(chǔ)上，綜合考慮與隧道開(kāi)挖及土壓有關(guān)的因素(巖性、風(fēng)化程度、破碎狀態(tài)、含水

13、及涌水狀態(tài)等)，將圍巖分為7級(jí)。 我國(guó)1986年施行的“鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中將彈性波(縱波)速度引入隧道圍巖分級(jí)中，將圍巖分為6級(jí)(表4-4)。 圍巖類(lèi)別彈性波速(km/s)4.53.54.52.54.01.53.01.02.01.0(飽和土1.5)表4-4 彈性波(縱波)速度分級(jí) 四、以多種因素進(jìn)行組合的分級(jí)方法 這種分級(jí)法認(rèn)為，評(píng)價(jià)一種巖體的好壞，既要考慮地質(zhì)構(gòu)造、巖性、巖石強(qiáng)度，還要考慮施工因素，如掘進(jìn)方向與巖層之間的關(guān)系、開(kāi)挖斷面的大小等，因此就需要建立在多種因素的分析基礎(chǔ)之上。 在這類(lèi)分級(jí)法中，比較完善的是1974年挪威地質(zhì)學(xué)家巴頓(N.Barton)等人所提出的“巖體質(zhì)量Q分級(jí)法。Q

14、與六個(gè)表明巖體質(zhì)量的地質(zhì)參數(shù)有關(guān)，表達(dá)如下：SRFJJJJRQDQwarh 根據(jù)不同的Q值，將巖體質(zhì)量評(píng)為九等，詳見(jiàn)表4-5。巖體質(zhì)量特別好極好良好好中等不良?jí)臉O壞特別壞Q4001000100400401001040410140.110.010.10.0010.01表4-5 巖體質(zhì)量評(píng)估五、以工程對(duì)象為代表的分級(jí)法 這類(lèi)分級(jí)法如專(zhuān)門(mén)適用于噴錨支護(hù)的原國(guó)家建委頒布的圍巖分級(jí)法(1979年)、蘇聯(lián)在巴庫(kù)修建地下鐵道時(shí)所采用的圍巖分級(jí)法(1966年)等，優(yōu)點(diǎn)是目的明確，而且和支護(hù)尺寸直接掛鉤，因此，使用方便，對(duì)指導(dǎo)施工很起作用。 六、我國(guó)現(xiàn)行鐵路隧道圍巖分級(jí) 在1975年鐵道部頒布了以圍巖結(jié)構(gòu)特征和

15、完整狀態(tài)為分類(lèi)基礎(chǔ)的新的鐵路隧道圍巖穩(wěn)定性分級(jí)法，它總結(jié)了我國(guó)建國(guó)以來(lái)在修建鐵路隧道中使用值分級(jí)法所積累的經(jīng)驗(yàn)，并參考了國(guó)內(nèi)外有關(guān)圍巖分級(jí)成果。 圍巖分級(jí)的基本因素及圍巖基本分級(jí)1、圍巖分級(jí)的基本因素 圍巖基本分級(jí)應(yīng)由巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度兩個(gè)基本因素確定。巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度應(yīng)采用定性劃分和定量指標(biāo)兩種方法確定。 bR巖石類(lèi)別單軸飽和抗壓極限強(qiáng)度(MPa)代 表 性 巖 石硬質(zhì)巖極硬巖60花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖等巖漿巖；硅巖、鈣質(zhì)膠結(jié)的礫巖及砂巖、石灰?guī)r、白云巖等沉積巖；片麻巖、石英巖、大理巖、板巖、片巖等變質(zhì)巖硬 巖3060軟質(zhì)巖較軟巖1530凝灰?guī)r等噴出巖；砂礫巖、泥質(zhì)砂巖、泥

16、質(zhì)頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r、泥巖、煤等沉積巖；云母片石或千枚巖等變質(zhì)巖軟 巖515極軟巖15 巖石堅(jiān)硬程度劃分為極硬巖、硬巖、較軟巖、軟巖和極軟巖等5類(lèi)表4-6）表4-6 巖石堅(jiān)硬程度的劃分巖體完整程度劃分為完整、較完整、較破碎、破碎和極破碎等5類(lèi)(表4-7)。vKvKvK完整程度結(jié) 構(gòu) 面 特 征結(jié)構(gòu)類(lèi)型巖體完整性指數(shù)完 整結(jié)構(gòu)面12組，以構(gòu)造型節(jié)理或?qū)用鏋橹?，密閉型巨塊狀整體結(jié)構(gòu)0.75較完整結(jié)構(gòu)面23組，以構(gòu)造型節(jié)理、層面為主，裂隙多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物塊狀結(jié)構(gòu)0.75 0.55較破碎結(jié)構(gòu)面一般為3組，以節(jié)理及風(fēng)化裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造影響較大，裂隙以微張型和張開(kāi)型為主，

17、多有充填物層狀結(jié)構(gòu)、塊石碎石結(jié)構(gòu)0.55 0.35破 碎結(jié)構(gòu)面大于3組，多以風(fēng)化型裂隙為主，在斷層附近受構(gòu)造作用影響大，裂隙以張開(kāi)型為主，多有充填物碎石角礫狀結(jié)構(gòu)0.35 0.15極破碎結(jié)構(gòu)面雜亂無(wú)序，在斷層附近受斷層作用影響大，寬張裂隙全為泥質(zhì)或泥夾巖屑充填，充填物厚度大散體狀結(jié)構(gòu)0.15表4-7vKvK2、圍巖基本分級(jí)圍巖級(jí)別巖 體 特 征土 體 特 征圍巖彈性縱波速度(km/s)極硬巖，巖體完整-4.5極硬巖，巖體較完整；硬巖，巖體完整-3.54.5極硬巖，巖體較破碎；硬巖或軟硬巖互層，巖體較完整；較軟巖，巖體完整-2.54.0極硬巖，巖體破碎；硬巖，巖體較破碎或破碎；較軟巖或軟硬巖互層

18、，且以軟巖為主，巖體較完整或較破碎；軟巖，巖體完整或較完整具壓密或成巖作用的粘性土、粉土及砂類(lèi)土，一般鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)的碎(卵)石土、大塊石土，黃土(Q1、Q2)1.53.0軟巖，巖體破碎至極破碎；全部極軟巖及全部極破碎巖(包括受構(gòu)造影響嚴(yán)重的破碎帶)一般第四系堅(jiān)硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍濕、潮濕的碎(卵)石土、圓礫土、角礫土、粉土及黃土(Q3、Q4)1.02.0受構(gòu)造影響很?chē)?yán)重呈碎石、角礫及粉末、泥土狀的斷層帶軟塑狀粘性土、飽和的粉土、砂類(lèi)土等1.0(飽和狀態(tài)的土1.5) 根據(jù)巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度將圍巖分為6級(jí)(見(jiàn)下表)。 圍巖分級(jí)的影響因素及分級(jí)的修正1、地下水 在隧道圍巖分級(jí)中水的影響是不容忽視的，在同級(jí)圍巖中，遇水后則適當(dāng)降低圍巖級(jí)別。降低的幅度主要視：圍巖的巖性及結(jié)構(gòu)面的狀態(tài)；地下水的性質(zhì)、大小、流通條件及對(duì)圍巖浸潤(rùn)狀況和危害程度而定。本圍巖分級(jí)中關(guān)于地下水影響的修正參照表4-9和表4-10。級(jí)別形狀滲水量L/(min10m)干燥或濕潤(rùn)10偶有滲水1025經(jīng)常滲水25125表4-9 地下水狀態(tài)的分級(jí) 圍巖級(jí)別地下水狀態(tài)級(jí)別-表4-10 地下水影響的修正2、初始應(yīng)力場(chǎng) 圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)巖體的構(gòu)造一力學(xué)特征是有一定影響的。因此，圍巖分級(jí)中考慮了初始應(yīng)力狀態(tài)的影響，將