第十一章隧洞的工程地質(zhì)研究

第十一章隧洞的工程地質(zhì)研究第一節(jié)概述第二節(jié)地下洞室圍巖應(yīng)力重分布第三節(jié)圍巖的變形與破壞第四節(jié)影響地下洞室圍巖穩(wěn)定的因素及洞線選擇第五節(jié)與襯砌及支護(hù)設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)第六節(jié)圍巖分類第七節(jié)圍巖施工的工程地質(zhì)問題及措施

主要內(nèi)容HooverDam胡佛大壩1936年3月建成，位于內(nèi)華達(dá)州和亞利桑那州交界之處的黑峽(BlackCanyon)，壩高221.4m，計(jì)劃裝機(jī)容量245.2萬kW胡佛大壩工程示意圖泄洪隧洞取水塔電力房壓力水管廣州抽水蓄能電站總裝機(jī)容量240萬千瓦上下水庫(kù)間引水距離約3km，水位落差500m；一期工程的地下廠房長(zhǎng)146.5m，寬21m，高44.54m。10萬千瓦的電廠年發(fā)電量約5.0億度左右壓力水管調(diào)壓室主機(jī)室發(fā)電機(jī)組引流管出水管母線豎井變電站取水口片巖中的隧洞（1）地下洞室圍巖穩(wěn)定問題的特點(diǎn)①普遍存在：水電工程、交通工程、國(guó)防工程；②與地質(zhì)環(huán)境的聯(lián)系更密切：置于巖土體內(nèi)，處于復(fù)雜的地應(yīng)力、地下水、地溫和有害氣體環(huán)境；③埋深大：幾十至幾百米，甚至可達(dá)上千米，如錦屏二級(jí)、南水北調(diào)西線、廣蓄、二灘；④規(guī)模大：往往構(gòu)成復(fù)雜的、龐大的地下建筑群；⑤問題多：變形破壞形式多樣；⑥合理利用巖體的問題更重要；⑦運(yùn)營(yíng)條件復(fù)雜：內(nèi)水壓力、外水壓力、山巖壓力、長(zhǎng)期強(qiáng)度、蠕變、松弛。

例：二灘：雙曲拱壩，壩高245m，玄武巖，地下廠房：埋深200m，246m×28.5m×71.15m，主變室：2個(gè)，190m×17m×27m，45.25m×8m×6.09m，尾水洞：330m、7m（16m~14m），尾水閘門井：61.87m×6.5m×13m。魯布革：堆石壩，壩高100m，白云巖、灰?guī)r，主廠房：115m×24m×45m，副廠房：14m×24m×45m，引水隧洞：φ8m，洞長(zhǎng)8786.8m。

廣蓄：花崗巖，最大埋深570m，洞長(zhǎng)3700m，φ9m，（2）具體任務(wù)全面認(rèn)識(shí)巖體有效而適時(shí)地支護(hù)巖體實(shí)時(shí)跟蹤觀測(cè)巖體盡量保護(hù)巖體合理利用巖體選擇最優(yōu)洞線第一節(jié)

概述南水北調(diào)西線工程73km長(zhǎng)隧,最大埋深1000多米(巴顏喀拉山)深埋長(zhǎng)隧穿越活動(dòng)斷裂、凍土凍害、巖爆、突水...3900m3500m3400m3300m通天河雅礱江大渡河黃河290m500-1100m500-1100m170m2001年7月17日，廣西南丹拉甲坡礦(錫礦)突水事故，死亡81人。地下工程突水災(zāi)害事故埋深>700m隔水層厚度30cm違規(guī)放炮作業(yè)事故原因：在-166米(深度700余m)的3號(hào)工作面實(shí)施爆破作業(yè)，致使隔水巖層擊穿，發(fā)生透水。（1）機(jī)理在地應(yīng)力作用下，巖體產(chǎn)生壓縮變形→洞室開挖在巖體內(nèi)形成自由面→洞壁圍巖失去徑向約束而向洞內(nèi)產(chǎn)生收斂變形（單向回彈變形）→→因圍巖發(fā)生收斂變形，使洞徑、周長(zhǎng)減小，即圍巖在發(fā)生徑向回彈變形的同時(shí)，切向壓縮變形加劇→圍巖切向壓應(yīng)力增大。所以，圍巖應(yīng)力重分布的實(shí)質(zhì)是：

圍巖由三向受力狀態(tài)→平面受力狀態(tài)（洞壁）→將徑向應(yīng)力加到切向應(yīng)力上（但不等），軸向應(yīng)力變化不大。

（2）重分布應(yīng)力均質(zhì)、連續(xù)、彈性、圓形斷面圍巖中的重分布應(yīng)力：“彈性力學(xué)”G.吉爾西應(yīng)力分布解：式中：r0為洞半徑；

r為質(zhì)點(diǎn)距洞心的距離；σv為垂向自重應(yīng)力。第二節(jié)地下洞室圍巖應(yīng)力重分布討論：①r=

r0時(shí)，即洞壁上：，，

；②λ=1，即很軟、很深時(shí)，洞壁上：

，

，

；圍巖內(nèi)：，，；

③λ=0，即很硬時(shí)（剛體），洞壁上：

，

，

；圍巖內(nèi)復(fù)雜。（3）影響應(yīng)力重分布的因素①洞室斷面形態(tài)：應(yīng)力集中的程度、部位、范圍因洞形而異；②地應(yīng)力水平（含方向）；③巖性：堅(jiān)硬程度、變形模量；④巖體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀有很大影響：主應(yīng)力的大小、方向及最不利部位；⑤時(shí)間：洞壁應(yīng)力集中到大于彈性極限（屈服應(yīng)力）后→產(chǎn)生屈服現(xiàn)象→向圍巖深部遷移→形成3個(gè)應(yīng)力分布區(qū)：塑性松動(dòng)區(qū)→彈性壓密區(qū)→天然應(yīng)力區(qū)應(yīng)力降低區(qū)→應(yīng)力升高區(qū)→天然應(yīng)力區(qū)。⑥襯砌剛度及支護(hù)時(shí)間。1、脆性破裂（1）表現(xiàn)形式：巖爆、板裂。（2）機(jī)理：?jiǎn)蜗蚴軌?、爆破裂隙、?yīng)力集中。（3）產(chǎn)生條件：1）巖性堅(jiān)硬完整；2）高地應(yīng)力；3）軸線垂直于σ1；4）鉆爆施工。2、塊體滑動(dòng)與塌落（1）表現(xiàn)形式：滑動(dòng)破壞。（2）機(jī)理：在重力和切向應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生。（3）產(chǎn)生條件：1）巖性堅(jiān)硬，但發(fā)育2~3組軟弱結(jié)構(gòu)面，軟、硬互層，傾斜地層；

2）地應(yīng)力水平較高，或洞室規(guī)模較大；側(cè)重結(jié)構(gòu)面與臨空面組合特征的研究。3、彎曲折斷（1）表現(xiàn)形式：內(nèi)鼓、折斷破壞。（2）機(jī)理：層間結(jié)合力差，巖體呈迭板狀，且軟硬互層，抗彎能力較差。緩傾巖層：洞頂巖體在重力和切向應(yīng)力作用下產(chǎn)生下沉彎曲、張裂、折斷、塌落；陡傾巖層：邊墻在切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力作用下，巖層向洞內(nèi)發(fā)生鼓出、彎曲、折斷、垮塌

(典型碧口水電站p198~199.圖7-8.千枚巖、凝灰?guī)r，傾角70°~80°）；傾斜巖層：拱角巖體在重力和切向應(yīng)力作用下，向下、向臨空方向下沉、張裂、塌落。（3）產(chǎn)生條件：1)中厚層、薄層軟、硬互層狀巖體；

2)劈理帶；

3)裂隙密集帶（一組特別發(fā)育）。第三節(jié)圍巖的變形與破壞

美國(guó)LuckyFriday金屬礦采場(chǎng)中發(fā)生的巖爆：

(埋深超過700m,震級(jí)3.6-4.2,發(fā)生于1988年10月18日)

沖擊地壓與巖爆

巖爆造成損害細(xì)部巖塊嵌入水管表面電纜被高速拋出的巖塊割斷(實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：巖石彈射速度>50m/s)

巷道變形與破壞

4、松動(dòng)垮塌（1）表現(xiàn)形式：塌方、冒頂、拱頂破裂。（例：小浪底F236、F238斷層）（2）機(jī)理：破碎、松散巖體在重力、滲壓、動(dòng)荷載作用下產(chǎn)生塌落（3）產(chǎn)生條件：1)斷層破碎帶、裂隙密集帶、槽狀、囊狀風(fēng)化帶、溶洞堆積物

2）多位于洞頂→邊墻5、塑性變形與膨脹（1）表現(xiàn)形式：內(nèi)鼓、縮徑、局部擠出、剪切、滯后性。

如：青藏公路某隧道一個(gè)長(zhǎng)240m的導(dǎo)洞，開挖斷面3.0m×2.5m，半年后縮為1.5m×1.2m。（2）機(jī)理：塑性變形、膨脹、流變、蠕變。（3）產(chǎn)生條件：1）巖性軟弱：形成年代新、膠結(jié)差；

2）膨脹巖：含蒙脫石等粘土礦物、硬石膏等→物理化學(xué)效應(yīng)；

3）高圍壓.1、地質(zhì)因素（1）地形地貌1）洞身：負(fù)地形←匯水或承載力不足2）進(jìn)出口：上覆厚度→陡，明流段（2）地層巖性堅(jiān)硬、半堅(jiān)硬、巖漿巖、正變質(zhì)巖、巖溶、不良礦物，塊狀巖體、層狀巖體，三大巖類分別闡述（3）地質(zhì)構(gòu)造（重要因素）

1）褶皺：導(dǎo)致不均勻性，一定程度上反映巖體的完整性和連續(xù)性：兩翼：層間錯(cuò)動(dòng)、塊體滑動(dòng)、山壓不對(duì)稱；核部：破碎、背斜松散、向斜匯水。2）斷裂：取決于規(guī)模、膠結(jié)程度、力學(xué)性質(zhì)、組合形式；

導(dǎo)致掉塊、塌方、超挖、突水、塊體滑動(dòng)；影響：彈性抗力、山巖壓力。第四節(jié)影響地下洞室圍巖穩(wěn)定的因素及洞線選擇（4）地質(zhì)環(huán)境因素

1）地應(yīng)力：大小、方向→控制圍巖能否破壞和破壞形式；控制圍巖的應(yīng)力重分布、決定能否產(chǎn)生巖爆；構(gòu)造應(yīng)力具有很強(qiáng)的方向性：要求軸線平行σ12）高地溫：可較高：西藏一口井水溫204℃；日本黑部川第三發(fā)電站尾水洞，巖層溫度達(dá)175℃影響施工、溫度應(yīng)力、指示地質(zhì)異常

3）有害氣體：CH4、CO2、CO、H2S危害：影響施工、磨蝕設(shè)備、瓦斯爆炸分布于：煤層、石油、硫化礦床、瀝青。（5）地下水：突水，塌方、塌滑也與地下水有關(guān)。影響：①外水壓力；②動(dòng)水壓力；③溶解、軟化、泥化作用；④吸水膨脹；⑤機(jī)械潛蝕分布：斷層破碎帶、巖溶、裂隙化脆性巖體（6）風(fēng)化2、施工因素：開挖方法、爆破方法、鉆孔質(zhì)量、爆破質(zhì)量、支護(hù)方式等。3、洞室的形態(tài)和尺寸：圓形→橢圓形→城門洞形→方形→扁形。與荷載有關(guān)的參數(shù)：內(nèi)水壓力、山巖壓力、外水壓力；與強(qiáng)度有關(guān)的參數(shù)：彈性抗力、承載力。1、圍巖壓力（山巖壓力、地層壓力、巖石壓力、地壓）（1）定義：由圍巖的變形與破壞產(chǎn)生的、作用于支護(hù)或襯砌上的壓力。是作用于襯砌的主要荷載。（2）形成機(jī)理：按形成機(jī)制及表現(xiàn)形式可分為：變形山壓：普遍存在；松動(dòng)山壓：局部存在；膨脹山壓：特定環(huán)境下存在；沖擊山壓：特定環(huán)境下存在。分布及類型隨時(shí)間可轉(zhuǎn)換。1）變形山壓：由于圍巖的彈性回彈（開挖后即完成）和塑性變形（滯后性）所產(chǎn)生的山壓。所以一般僅考慮塑性變形形成的山壓。軟巖、破碎巖體較突出，分布取決于λ2）松動(dòng)壓力：由于圍巖的松動(dòng)破壞（含松動(dòng)垮塌、塊體滑動(dòng)、彎曲折斷）所產(chǎn)生的山壓。局部范圍、大小取決于脫落體重量。3）膨脹壓力：是圍巖吸水膨脹（含蒙脫石及大量伊利石礦物）所產(chǎn)生的山壓。4）沖擊壓力：由巖爆所產(chǎn)生的山壓。高地應(yīng)力地區(qū)，分布及大小難確定。第五節(jié)與襯砌及支護(hù)設(shè)計(jì)有關(guān)的幾個(gè)參數(shù)（3）確定方法：非均布及偏壓?jiǎn)栴}。方法很多、差異很大：考慮機(jī)理及巖體結(jié)構(gòu)，建立不同的力學(xué)模型1）散粒體理論：①普氏壓力拱理論：安全儲(chǔ)備？②太沙基理論③修正的普氏理論2）彈塑性平衡理論：3）塊體極限平衡理論：2、深埋隧洞外水壓力（1）定義：是地下水作用在圍巖和襯砌上的動(dòng)、靜水壓力，是水工隧洞的基本荷載之一?？傻窒麅?nèi)水壓力的作用。但對(duì)于：無壓隧洞和廠房外水壓力過大可能會(huì)導(dǎo)致襯砌和圍巖的破壞，采取排水方法削減水頭。內(nèi)水水頭驟減時(shí)例：云南綠水河電站，D=2m，H=2.2cm的低合金鋼管，在182m外水水頭壓力作用下，約100m長(zhǎng)嚴(yán)重變形。（2）影響因素：大小及分布受控于水文地質(zhì)條件，確定時(shí)側(cè)重考慮：補(bǔ)、排水條件：尤其是負(fù)地形（如沖溝）匯水條件；不均勻和各向異性：巖體透水性、透水帶（如斷層破碎帶）的分布；水頭損失、水力折減。（3）確定方法1）半理論半經(jīng)驗(yàn)方法：巖體和襯砌都是均質(zhì)時(shí)，且滲流斷面大小不變：式中：H0——內(nèi)水壓力，用水柱高度(m)表示；

HA、HB——A點(diǎn)與B點(diǎn)對(duì)MN面的位能與壓力之和(m);

L1、L2——地下水滲徑與襯砌厚度(m);

K1、K2——巖體和襯砌的滲透系數(shù)(m/d);半徑為r的圓形隧洞：

2)折減系數(shù)法：（常用方法）β依據(jù)平硐編錄資料由《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》確定（書中P214、表7-5），3）實(shí)測(cè)法：滲壓計(jì)4）類比法：3、圍巖彈性抗力（1）圍巖的抗力：是指在內(nèi)水壓力作用下圍巖對(duì)襯砌的反力。（類似于地基承載力）（2）圍巖彈性抗力：圍巖僅發(fā)生彈性變形（考慮襯砌的允許變形，確保襯砌在內(nèi)水壓力作用下不發(fā)生破壞）時(shí)所產(chǎn)生的反力。以禮河電站內(nèi)水壓力的34%~56%由玄武巖圍巖承擔(dān)。（3）彈性抗力系數(shù)K：是指圍巖在放射狀壓力作用下產(chǎn)生一個(gè)單位變形時(shí)，單位面積上所需要的壓力。

y（cm），σMPa

是根據(jù)文克爾假定確立的，均質(zhì)連續(xù)，各向同性，圍巖厚度＞3D時(shí)，才能考慮其存在。

K=f（圍巖性質(zhì)、斷面形狀、尺寸、襯砌與圍巖接觸程度等）（4）單位彈性抗力系數(shù)：隧洞半徑為100cm時(shí)的K：為設(shè)計(jì)隧洞的半徑（5）影響K0的因素：1）壓力的大小和巖體的強(qiáng)度特征

K0與壓力呈負(fù)相關(guān)，但不完全呈線性關(guān)系：劉家峽云母石英片巖現(xiàn)場(chǎng)P215表7-6。2）受力方向與主要結(jié)構(gòu)的關(guān)系：

K0平行>K0垂直：碧口絹云母千枚巖

K0平行/K0垂直=3~6

南水工程砂巖

K0平行/K0垂直=73）地應(yīng)力狀態(tài)內(nèi)水壓力<地應(yīng)力：K0↑，云峰水電站引水洞（凝灰?guī)r）埋深>內(nèi)水水頭時(shí)：K0↑

內(nèi)水壓力>地應(yīng)力：K0↓（6）確定方法：1）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)直接測(cè)定法：給圍巖施加已知壓力，測(cè)圍巖變形，按公式計(jì)算。常用方法：橡皮囊法，徑向千斤頂法，水壓法。《巖石力學(xué)》已講。優(yōu)缺點(diǎn)：2）間接測(cè)量計(jì)算法原理：均勻連續(xù)；非均勻、不連續(xù)，洞壁形成半徑為R0的環(huán)形開裂區(qū)；

開裂區(qū)的變形模量降低。R0可實(shí)測(cè)，經(jīng)驗(yàn)：

E1、E2分別為未開裂區(qū)和開裂區(qū)圍巖的彈模。即利用K~E、μ的關(guān)系，通過測(cè)E、μ（靜力法或動(dòng)力法），換算K。當(dāng)E、μ采用室內(nèi)試驗(yàn)成果時(shí)，需乘修正系數(shù)A=f(巖體完整性）：3）工程類比法：考慮風(fēng)化程度、巖體完整性（第一版，P214,表7-6）。4、高壓隧洞圍巖承載力在內(nèi)水壓力作用下，圍巖中σθ可能為負(fù)（拉）。用覆蓋比表示。

（1）覆蓋比：指巖層覆蓋厚度與內(nèi)水壓力水頭之比。（2）確定方法：很多。1）巖體上抬理論①假定：a.松散介質(zhì)；

b.承載力完全由覆蓋厚度決定，不考慮構(gòu)造應(yīng)力；

c.不考慮洞徑及形狀。②原則：取單寬:上抬壓力（p1·D)<巖柱重量（γ·H·D)③最小覆蓋厚度H：p·D≤γ·H·D→H≥p/γ

缺點(diǎn)：沒考慮巖石的強(qiáng)度因素，太偏保守

云南以禮河電站支洞：上覆45m厚的破碎玄武巖，內(nèi)水水頭629m，圍巖未見松動(dòng)，開裂。④考慮抗剪強(qiáng)度修正：

B為開挖（毛洞）跨度（m）；

D為襯砌后的跨度（m）；K為安全系數(shù)，取1.5；

C為凝聚力（kPa）；γ為巖體重度（kN/m3）。

2）巖石拉力理論①假定：a.連續(xù)彈性介質(zhì)；

b.考慮地應(yīng)力；

c.考慮應(yīng)力重分布；

d.側(cè)重洞壁抗拉。②洞周切向應(yīng)力：P217,式7-31（由P193，式7-1中令r=a得出）。

注意：書中式7-31有誤：

改為：由式7-31確定的為壓應(yīng)力。③洞頂切向應(yīng)力：式7-32（由式7-31，令θ=90°得出）

④洞腰切向應(yīng)力：式7-33（由式7-31，令θ=0°或θ=180°得出）式7-34的導(dǎo)出？（先作為作業(yè)）式7-34的導(dǎo)出：假定：λ=1，破裂區(qū)厚度x（x/r→很?。?，破裂區(qū)外緣的重分布應(yīng)力仍為2γH（即應(yīng)力重分布區(qū)向圍巖深處遷移）。在內(nèi)水壓力P1作用下，對(duì)于深埋洞室（具有圓孔的無限大薄板）洞壁附近：

（見《彈性力學(xué)》上冊(cè)P87）由P193式7-1，令λ=1，則圍巖中距軸線為r(r=a+x)的點(diǎn)σθ為：

圍巖中：3）地質(zhì)分析法巖體結(jié)構(gòu)：堅(jiān)固完整巖體裂隙較發(fā)育巖體軟弱和破碎巖體覆蓋比：0.2~0.250.3~0.40.5~0.7因上覆巖體厚度太薄而發(fā)生拉裂破壞的例子：下馬嶺水電站：長(zhǎng)207m，D=5.4~4.2m，H=20m，弱風(fēng)化玢巖，斷裂較發(fā)育：

fb取4~6，K0取3500~8500MPa/m，隧洞上段136.6m，按84m水頭考慮，采用混凝土襯砌，下部段75.7m，按107m水頭考慮，采用8mm鋼板襯砌。運(yùn)行第3天，地面集中噴水，出現(xiàn)3條裂縫，寬約1cm。問題：2種襯砌交接處，圍巖中2條長(zhǎng)32m，1cm寬的大裂縫及若干小裂縫：襯砌設(shè)計(jì)錯(cuò)用了K0。實(shí)質(zhì)是工程地質(zhì)類比法，幾百種，7大類：①單一指標(biāo)：fk、Rc②一個(gè)綜合指標(biāo)：RQD、山壓、Vp③少量指標(biāo)并列：鐵道部門的分類方法④多個(gè)指標(biāo)并列：原水電部門的分類方法⑤多個(gè)指標(biāo)復(fù)合：多個(gè)指標(biāo)乘除：巴頓分類（Q分類）、多個(gè)指標(biāo)加減：RMR分類⑥巖體力學(xué)屬性：⑦膨脹巖類：第六節(jié)圍巖分類分類目的：①系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)圍巖的工程特性；②是揭示具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)面性狀的圍巖變形失穩(wěn)機(jī)制的基礎(chǔ)研究工作；③確定設(shè)計(jì)參數(shù)；④確定支護(hù)類型、支護(hù)時(shí)機(jī)。分類方法：①單指標(biāo)分類：如據(jù)fk的分類（按強(qiáng)度或力學(xué)屬性分類）②多指標(biāo)分類：BQ分類(Rc及完整性）③圍巖質(zhì)量分類：如，Q分類、RMR分類等。具體見書P228-2301.隧洞施工的工程地質(zhì)問題：

圍巖變性破壞：塌方，巖爆

地下涌水和突泥

有害氣體的冒出

高溫。。。第七節(jié)圍巖施工的工程地質(zhì)問題及措施2.圍巖加固措施：1）支撐：木支撐、鋼支撐及混凝土預(yù)制構(gòu)件支撐（臨時(shí)性結(jié)構(gòu)）2）襯砌：有單層混凝土、鋼筋混凝土及漿砌條石；雙層

有聯(lián)合襯砌—內(nèi)環(huán)用鋼筋混凝土或鋼板，外環(huán)用混凝土

厚度：堅(jiān)硬類巖石（20-30cm），中等堅(jiān)硬（40-50cm）

軟弱巖石（50-150cm）2.圍巖加固措施：3）支護(hù)：噴錨支護(hù)能使混凝土噴層與圍巖連續(xù)緊密地貼緊，能及時(shí)有效

控制和調(diào)整圍巖應(yīng)力的重分布

噴混凝土支護(hù)：高速（100m/s）；厚度（5-20cm）

錨固：楔縫式金屬錨桿，鋼絲繩砂漿錨桿，普通砂漿金屬錨桿，預(yù)應(yīng)

力錨桿及木錨桿4）固結(jié)灌漿：水泥灌漿、瀝青灌漿、水玻璃灌漿及凍結(jié)法3.合理施工：導(dǎo)洞分部開挖：適于斷面較大而巖體又不太穩(wěn)定導(dǎo)洞全面開挖：適于圍巖較穩(wěn)定全斷面開挖：適于圍巖穩(wěn)定4.新奧法、TBM和盾構(gòu)法1）新奧法：

NewAustrianTunnelingMethod（NATM）奧地利人L.v.Rabcewicz根據(jù)本國(guó)多年隧道施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出的一種施工法。既適用于堅(jiān)硬巖石，也適于軟弱巖石，特別適于破碎、變質(zhì)、易變形的施工困難段。特點(diǎn)是采用光面爆破；以錨噴作一次支護(hù)，必要時(shí)加鋼拱支架；根據(jù)圍巖地壓及變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，再合理進(jìn)行二次支護(hù)；對(duì)軟巖強(qiáng)調(diào)封底。三大支柱：噴射混凝土、錨桿和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量新奧法施工順序4.新奧法、TBM和盾構(gòu)法2）TBM：隧道掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoringMachine）利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械；相對(duì)于目前常用的方法，TBM集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子、信息、遙測(cè)、遙控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)。在國(guó)際上，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國(guó)防等工程中測(cè)量4.新奧法、TBM和盾構(gòu)法2）TBM：隧道掘進(jìn)機(jī)（TunnelBoringMachine）利用回轉(zhuǎn)刀具開挖，同時(shí)破碎洞內(nèi)圍巖及掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械；相對(duì)于目前常用的方法，TBM集鉆、掘進(jìn)、支護(hù)于一體，使用電子、信息、遙測(cè)、遙控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和監(jiān)控，使掘進(jìn)過程始終處于最佳狀態(tài)。在國(guó)際上，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國(guó)防等工程中測(cè)量4.新奧法、TBM和盾構(gòu)法3）盾構(gòu)法：ShieldMethod是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法（施工概貌）優(yōu)點(diǎn)1、安全開挖和襯砌，掘進(jìn)速度快；

2、盾構(gòu)的推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等全過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，施工勞動(dòng)強(qiáng)度低。3、不影響地面交通與設(shè)施，同時(shí)不影響地下管線等設(shè)施；4、穿越河道時(shí)不影響航運(yùn)，施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動(dòng)；5、在松軟含水地層中修建埋深較大的長(zhǎng)隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。缺點(diǎn)1、斷面尺寸多變的區(qū)段適應(yīng)能力差；2、新型盾構(gòu)購(gòu)置費(fèi)昂貴，對(duì)施工區(qū)段短的工程不太經(jīng)濟(jì)。盾構(gòu)法施工概貌4.新奧法、TBM和盾構(gòu)法3）盾構(gòu)法：ShieldMethod是暗挖法施工中的一種全機(jī)械化施工方法，它是將盾構(gòu)機(jī)械在地中推進(jìn)，通過盾構(gòu)外殼和管片支承四周圍巖防止發(fā)生往隧道內(nèi)的坍塌，同時(shí)在開挖面前方用切削裝置進(jìn)行土體開挖，通過出土機(jī)械運(yùn)出洞外，靠千斤頂在后部加壓頂進(jìn)，并拼裝預(yù)制混凝土管片，形成隧道結(jié)構(gòu)的一種機(jī)械化施工方法（施工概貌）優(yōu)點(diǎn)1、安全開挖和襯砌，掘進(jìn)速度快；

2、盾構(gòu)的推進(jìn)、出土、拼裝襯砌等全過程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)，施工勞動(dòng)強(qiáng)度低。3、不影響地面交通與設(shè)施，同時(shí)不影響地下管線等設(shè)施；4、穿越河道時(shí)不影響航運(yùn)，施工中不受季節(jié)、風(fēng)雨等氣候條件影響，施工中沒有噪音和擾動(dòng)；5、在松軟含水地層中修建埋深較大的長(zhǎng)隧道往往具有技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)越性。缺點(diǎn)1、斷面尺寸多變的區(qū)段適應(yīng)能力差；2、新型盾構(gòu)購(gòu)置費(fèi)昂貴，對(duì)施工區(qū)段短的工程不太經(jīng)濟(jì)。RockMassClassificationsRockQualityDesignation(RQD)RockMassRatingSystem(RMR)RockTunnellingQualityIndex(Q)ClassQualitativedescriptionBQValueIHardrock,intact>550IIHardrock,relativelyintact;

Relativelyhardrock,intact550~451IIIHardrock,relativelyfractured;

Relativelyhardorinterlayeredofhardandweakrock,relatively

intact;

Relativelyweakrock,intact450~351IVHardrock,fractured;

Relativelyhardrock,fractured-relativelyfractured;

Relativelyweakrock,orinterlayeredofweakandhardrockwithdominantweakrock,relativelyintactorrelativelyfractured;

Weakrock,intactorrelativelyintact350~251VRelativelyweakrock,fractured;

Weakrock,fractured-relativelyfractured;

Extremelyweakrock,extremelyfractured<250NationalStandardforEngineeringClassificationofRockMasses(GB50218-94)

Table1 Basicquality(BQ)ofrockmass

BQ=90+3Rc+250Kv

where Rc=uniaxialcompressivestrength(MPa) Kv=intactnessindexofrockmassTable2 ClassificationbasedonuniaxialcompressivestrengthRc

Rc(MPa)>6060~3030~1515~5<5DescriptionHardrockRelativelyhardrockRelativelyweakrockWeakrockExtremelyweakrock

Table4 IntactnessFactorKvasafunctionofJointIndexJv

Jv(numberofjoints/m3)<33~1010~2020~35>35Kv>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15

Kv=

Vpm=in-situvelocityoflongitudinalelasticwave(km/s)

Vpr =velocityoflongitudinalelasticwaveinintactrock(km/s)

Forengineeringclassification,use[BQ]amendedforgroundwater,jointorientationandin-situstressconditions:

[BQ]=BQ–100(K1+K2+K3)

where BQ=basicquality

K1=correctionfactorforgroundwater

K2=correctionfactorfororientationofplanesofweakness

K3=correctionfactorforin-situstressconditions

Table5 K1values-Correctionfactorforgroundwaterconditions

>450450~351350~251<250Wetordrops00.10.2~0.30.4~0.6ShowerorflowP<0.1MPaQ<10L/min.m0.10.2~0.30.4~0.60.7~0.9ShowerorflowP<0.1MPaQ<10L/min.m0.21.0BQK1Groundwaterinflow

Table6 K2values-Correctionfactorfororientationofplanesofweakness

Relationofstructureplanetotunnelaxis<30o

=30o~75o>30o

>75oOthercombinationsK20.4~0.60~0.20.2~0.4

* -anglebetweenstrikeofstructureplaneandtunnelaxis; -dippingangleofstructureplaneTable7 K3values-Correctionfactorforin-situstressconditions

>550550~351450~351350~251<250Extremelyhighstress1.01.01.0~1.51.0~1.51.0Highstress0.50.50.50.5~1.00.5~1.0BQK3InitialstressstateTechnicalSpecificationsforWaterResourcesandHydropowerProjectsRockMassRatingforTunnellingProjects

RockclassRockstabilityHostrockratingStrength/

StressSSupporttypeIStable,longterm

stability,generallynounstableblock100~85>4Nosupportorlocallybolting,orthinshotcretingincaseoflargespansystematicshotcrete,boltandmeshIIBasicallystable,noplasticitydeformation85~65>4;

ifS<4,

gotoIIIIIIPoorstability,locallyplasticitydeformation,orcollapse65~45>2;

ifS<2,

gotoIVSystematicshotcrete,boltandmeshifspan=20~25m,concreteliningisneededIVUnstable,shortself-standingtime,largescalecollapse45~25>2;

ifS<2,

gotoVSystematicshotcrete,boltandmesh,andconcreteliningVExtremelyunstable,severecollapse<25Nolimits

Hostrockrating(HRR)=A+B+C+D+E(somewhatsimilartoBieniawski’sRMR)Ratingonrockstrength(A)

TypeofrockmaterialHardrockWeakrockHardrockModeratelyhardrockRelativelyweakrockWeakrockUniaxialstrengthofsaturatedrock(MPa)100~6060~3030~1515~5Rating(A)Hardrock30~2020~10

Weakrock

10~55~0

* Foruniaxialstrengthc>100MPa,rockmassratingis30.

Ratingonrockintactness(B)

IntactnessIntactRelativelyintactPoorintactnessRelativelyfracturedFracturedIntactnessfactorKv1.0~0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15<0.15Rating(B)Hardrock40~3030~2222~1414~6<6Weakrock25~1919~1414~99~4<4Ratingonstateofstructureplanes(C)

Aperture(mm)FillingRoughness,evennessHardrockRelativelyweakrockWeakrockClosed<0.5

Undulating,rough272718Planar,smooth212114Slightopen0.5~5.0NofillingUndulating,rough242417Undulating,smooth,orplanar,rough212114Planar,smooth15158SlacksUndulating,rough212114Undulating,smooth,orplanar,rough171711Planar,smooth12128MudUndulating,rough151510Undulating,smooth,orplanar,rough12128Open>5.0Planar,smooth996Slacks

12128Mud

664

*Foralengthofstructureplanewhichislessthan3m,inhardrockandrelativelyweakrock,ratingwouldincreaseby3;forweakrock,ratingwouldincreaseby2.Forlength>10m,decreaseratingby3and2respectivelyforhardrockandrelativelyweakrock.Ifaperture>10m,withoutfilling,ratingis0.Ratingongroundwatercondition(D)

Basicrating

(A+B+C)StateWet,DropsLinearFlowFlowQuantityofflow

(L/min.m)<25

or

<1025-125

or

10-100>125

or

>100Waterhead

(m)100-85RatingonGroundwaterConditions(D)00-2~-685-650~-20~-2-6~-1065-45-2~-6-2~-6-10~-1445~25-6~-10-10~-14-14~-18<25-10~-14-14~-18-18~-20

Ratingonorientationofstructureplanes(E)

Anglebetweenstrikeofstructureplaneandtunnelaxis(o)90o~60o60o~30o<30oDippingangle(o)>7075~4545~20<20>7075~4545~20<20>7070~4545~20<20Rating(E)Crown0-2-5-10-2-5-10-12-5-10-12-12Wall-2-5-20-5-10-20-10-12-50FactorBasisforRatingRatingASaturatedCompressiveStrength(MPa)>100100-6060-3030-1515-5RatingforA>3030-2020-1010-55-0BIntactnessCoefficient1.0-0.750.75-0.550.55-0.350.35-0.15<0.15RatingforBc>30MPa40-3030-2222-1414-5<6c<30MPa25-1919-1414-99-4<4C1StructuralsurfaceconditionDegreeofopennessClosed<0.5mmSlightlyopen,0.5–5.0mmOpen>5mmInfillingsNilRockfragmentsClayFragmentedClayPolishnessofsurfaceFlat,polishedtocurved,roughRatingforC1c>60MPa27-2124-1521-1215-912-6c60-30MPa27-2124-1521-1215-912-6c<30MPa18-1417-814-810-68-4C2Lengthofstructuralsurface<3m3-10m>10mRatingforC2c>60MPa+30-3c<60MPa+20-2DA+B+C1+C2Rating100-8585-6564-4545-25<25RatingforDSeeping,dripping00-2-2-6-6-10-10-14Linearflow0-2-2-6-6-10-10-14-14-18Gushofwater-2-6-6-10-10-14-14-18-18-20EAnglebetweentunnelalignmentandstructuralorientation(strike)90o-60o60o-30o<30oDipofstructuralorientation>70o70o-45o45o-

20o<20o>70o70o-45o45o-20o<20o>70o70o-45o45o-20o<20oRatingforERoof0-2-5-102-5-10-12-5-10-12-12Sidewall-2-5-20-5-10-20-10-12-50HostRockRating(HRR)Recommendedrockparameters

ClassGravitydensity(kN/m3)Frictionangle(o)CohesionC(MPa)DeformationmoduleE(MPa)PoissonratioI>26.5>60>2.1>33<0.2II60~502.1~1.533~200.2~0.25III26.5~24.550~391.5~0.720~60.25~0.3IV24.5~22.539~270.7~0.26~1.30.3~0.35V<22.5<27<0.2<1.3>0.35Recommendedrockstrengthparameters

ClassConcrete-rockcontactRockmassDeformationmodulusfc(MPa)fc(MPa)E0X104(MPa)I1.5~1.31.5~1.31.6~1.42.5~2.0>2.0II1.3~1.11.3~1.11.4~1.22.0~1.52.0~1.0III1.1~0.91.1~0.71.2~0.81.5~0.71.0~0.5IV0.9~0.70.7~0.30.8~0.550.7~0.30.5~0.2V0.7~0.40.3~0.050.55~0.400.3~0.050.2~0.02

* f,c-ShearstrengthDesignApplicationsofHRRRockTypeRockMassStabilityHostRockRating(HRR)StrengthvsStressRatio(S)RockPropertiesSupportRequirementsfC(MPa)E(x104MPa)IStable,withlong-termstability;nounstableblocksingeneral100-851.6-1.42.5-2.0>2.0Unsupportedorlocalizedbolts/shotcreteorthinshotcrete;addwiremeshfortunnelswithlargespanIIEssentiallystable,withoverallstability;noplasticdeformation;localizedrockfall85-65DowngradetoIIIforS<41.4-1.22.0-1.52.0-1.0IIIPoorstability;localizedplasticdeformation,cave-inifunsupported;temporarilystableinintact,relativelysoftrock65-45DowngradetoIVforS<21.2-0.81.5-0.71.0-0.5Boltsandshotcrete,withwiremesh;concreteliningfortunnelspanof20-25mIVUnstable;veryshortstanduptime;relativelylargedeformation/failuremayoccur45-25DowngradetoVforS<10.8-0.550.7-0.30.5-0.2Boltsandshotcrete,withre-barmeshandconcreteliningVVeryunstable,couldnotstandup;severedeformation/failure<250.55-0.400.3-0.050.2-0.02GB-J86-85(Revised)

SUPPORTPARAMETERS(NationalStandardforDesignofBolt-shotcreteSupport)

Span(m)RockClassB<5m5<B<1010<B<2015<B<2020<B<25mINosupportShotcrete

50mm(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt2.0-2.5mShotcreteShotcrete120-150mm

withmeshbolt3.0-4.0mIIShotcrete

50mm(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt1.5-2m(1)Shotcrete120-150mmmesh,ifnecessary

(2)Shotcrete80-120mm

bolt2-3mmesh,ifnecessaryShotcrete120-150mm

meshbolt2.5-3.0mShotcrete150-200mm

meshbolt3-4mIII(1)Shotcrete80-100mm

(2)Shotcrete50mm

bolt1.5-2m(1)Shotcrete120-150mmmesh,ifnecessary

(2)Shotcrete80-120mm

bolt2-3mmesh,ifnecessaryShotcrete100-150mm

meshbolt2.0-3.0mShotcrete150-200mm

meshbolt3-4m

IVShotcrete80-100mm

bolt1.5-2.0mShotcrete100-200mm

meshbolt2.0-2.5mbottomarchifnecessaryShotcrete150-200mm

meshbolt2.5-3.0mbottomarchifnecessary

VShotcrete120-150mm

meshbolt1.5-2.0mbottomarchifnecessaryShotcrete150-200mm

meshbolt2.0-3.0mbottomframe,ifnecessary

GB-J86-85(Revised)ComparisonofRockMassClassificationSystems

SystemRange#ofClassesMainFactorsQ0.01-10009RQD;Jn(jointsetnumber),Jr(jointroughnessnumber),Ja(jointalterationnumber);StressreductionfactorSRFRMR0-1005Rockstrength;RQD;Spacing,conditionsandorientationofjoints;GroundwaterHRR0-1005Rockstrength;Intactness;ConditionsandOrientationofWeaknessPlanes;Groundwater;InitialStressesBQ<250-

>5005Rockstrength;Intactness;Groundwater;OrientationofWeaknessPlanes;InitialStressesImportantFactorsthatarecommonamongthevarioussystems

1.

Rockstrength

2.

Intactness

3.

Conditionofplanesofweakness

4.

Groundwater

5.

Orientationofdiscontinuities

6.

Initialstresses

SupportsystemsforundergroundexcavationsinChina

RockClass

Span(m)

Shotcrete

SteelMesh

Bolt

ConcreteLiningTotalNumberofProjects

Thickness(cm)Diameters(mm)Spacing(m)Diameter(mm)Length(m)Spacing(m)Thickness(cm)NumberofWorks

I5-103-15nono18-221.2-3.0Randomno

910-153-206-120.25-1.518-221.5-3.51.0-1.5no

915-2010-20nono20-221.0-3.01.0-1.5no

3II5-105-156-100.2-1.316-201.2-2.11.0-1.2no21010-154-206-180.2-1.318-221.5-3.50.8-1.530-50

1315-208-168-120.2-1.316-322.0-4.01.2-1.5no

10III5-105-206-100.2-1.018-221.6-3.01.0-1.5wall11210-155-205-120.2-1.016-241.5-3.51.0-1.5

1115-2010-166-120.2-0.816-302.0-4.00.8-1.2

8IV5-1015-206-140.2-0.2518-221.8-4.00.75-1.254041010-155-206-120.2-0.316-222.5-4.00.8-1.25502515-202010-190.25222.01.2

1V5-1010-158-140.2-0.2516-221.5-3.60.8-1.2402

4710-1518-206-120.2-0.320-222.5-3.50.8-1.060

4ThreeGorgesProject

Amended[BQ]ValuesforGranite

Maximum [BQ]max=630

Minimum [BQ]min=500

Average [BQ]mean=565

ClassI-toII+GuangzhouPumpedStorageProject

Location:northofGuangzhou,Guangdo