工程地質(zhì)學(xué)之地下工程課件

1第六章地下工程.2第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào).地下工程：人工開挖或天然存在于巖土體內(nèi)的構(gòu)筑物，也稱為地下建筑或地下洞室。分類按其用途可分為：交通隧道、水工隧道、礦山巷道，地下廠房和倉庫、地下鐵道及地下軍事工程等類型按其內(nèi)壁是否有內(nèi)水壓作用：無壓洞室、有壓洞室按其斷面形狀：圓形、矩形、馬蹄形等按洞室軸線與水平面對關(guān)系：水平洞室、豎井、傾斜洞室按圍巖介質(zhì)類型：土洞、巖洞36.1

概述.46.1

概述地下工程的共同特點(diǎn):都要在巖土體內(nèi)開挖出具有一定斷面形狀和尺寸，并具有較大的延伸長度的洞室。洞室開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài);洞室開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。圍巖足夠強(qiáng)固，不會因卸荷回彈和應(yīng)力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著變形和破壞，開挖出的洞室就是穩(wěn)定的。圍巖適應(yīng)不了回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力的作用，隨著時間的推移，開挖出的洞室就會逐漸喪失其穩(wěn)定性。.56.1

概述圍巖應(yīng)力重分布問題——計(jì)算重分布應(yīng)力圍巖變形與破壞問題——計(jì)算位移、確定破壞范圍圍巖壓力問題——計(jì)算圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問題——計(jì)算圍巖抗力洞室圍巖力學(xué)問題hV5.6第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)6.6.2圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算7應(yīng)力重分布作用:地下開挖以后，由于圍巖質(zhì)點(diǎn)應(yīng)力、應(yīng)變調(diào)整而引起起天然應(yīng)力大小、方向和性質(zhì)改變的作用。重分布應(yīng)力狀態(tài):經(jīng)應(yīng)力重分布作用后形成的新的應(yīng)力狀態(tài)。圍巖:把重分布應(yīng)力影響范圍內(nèi)的巖體。重分布應(yīng)力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)。.6.2圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算8圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算：

①開挖前巖體天然應(yīng)力狀態(tài)的確定②開挖后圍巖重分布應(yīng)力的計(jì)算③支護(hù)襯砌后圍巖應(yīng)力狀態(tài)的改善8.一、彈性圍巖重分布應(yīng)力9堅(jiān)硬致密的塊狀巖體，當(dāng)天然應(yīng)力大約等于或小于其單軸抗壓強(qiáng)度的一半時，圍巖呈彈性變形。可近似視為各向同性、連續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應(yīng)力可根據(jù)彈性力學(xué)計(jì)算。如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應(yīng)變問題考慮，概化為兩側(cè)受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應(yīng)力分布的計(jì)算問題。.1、圓形洞室假定一半徑為R0的水平圓形洞室，深埋于均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性巖體中，開挖后仍保持彈性。一、彈性圍巖重分布應(yīng)力如果洞室半徑相對于洞長很小時，可按平面應(yīng)變問題考慮，設(shè)巖體中的鉛直與水平天然應(yīng)力分別為σv和σh則可概化出如圖的力學(xué)模型，圍巖中任意一點(diǎn)M(r，θ)的重分布應(yīng)力狀態(tài)可用彈性理論求得。10.圍巖中任意一點(diǎn)M(r，θ)的重分布應(yīng)力狀態(tài)可用彈性理論求得：式中，σr:徑向應(yīng)力、σθ:環(huán)向應(yīng)力、τrθ:剪應(yīng)力θ:M點(diǎn)的極角，自水平軸(x軸)起始，反時鐘方向?yàn)檎齬:極距一、彈性圍巖重分布應(yīng)力11.一、彈性圍巖重分布應(yīng)力洞壁上的應(yīng)力，令r=R0可得：12圍巖內(nèi)一點(diǎn)（r，θ）的重分布應(yīng)力：表明：洞壁上的τrθ=0，σr=0，僅有σθ作用，為單向應(yīng)力狀態(tài)，其大小與水平應(yīng)力、鉛直應(yīng)力和θ有關(guān)。.當(dāng)水平應(yīng)力與鉛直應(yīng)力均等于σ0時，即當(dāng)λ=l時，有σh=σv=σ0，則有:13.式表明：天然應(yīng)力為靜水壓力狀態(tài)時,即當(dāng)λ=l時，有σh=σv=σ0

，圓形洞室圍巖內(nèi)的重分布應(yīng)力，因τrθ=0，σr，σθ

均為主應(yīng)力，且σθ

恒為最大主應(yīng)力，

σr恒為最小主應(yīng)力，其分布狀態(tài)如圖所示。14.洞壁位置即r=R0時，徑向應(yīng)力=0，環(huán)向應(yīng)力σθ

=2σ0。隨著離洞壁越遠(yuǎn)，即r增大，徑向應(yīng)力逐漸增大，環(huán)向應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)距離為6R0

時，有σr≈σθ≈σ0，環(huán)向與徑向應(yīng)力均接近天然應(yīng)力狀態(tài)。所以圍巖應(yīng)力重分布的6R0

范圍的巖體，稱為圍巖。15.討論1：洞壁上的重分布應(yīng)力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應(yīng)力狀態(tài)σθ大小與與洞室尺寸R0無關(guān)，取λ=σh/σv當(dāng)θ=0、180o，σθ=3σV-σh=(3-)σV

當(dāng)θ=90、270o，σθ=3σh-σV=(3-1)σV當(dāng)λ＜1/3時，σθ=洞頂?shù)爪姚?lt;0,將出現(xiàn)拉應(yīng)力當(dāng)1/3＜λ＜3時，σθ為壓應(yīng)力且分布較均勻當(dāng)λ＞3時，洞壁兩側(cè)σθ<0,出現(xiàn)拉應(yīng)力；洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中洞壁，即r=R016.17由右式，取λ=σh/σv為1/3，1，2，3，…等不同數(shù)值時，可求得洞壁上0°，90°，180°，270°四點(diǎn)的應(yīng)力σθ。.18當(dāng)λ<1/3時，洞頂和洞底都將出現(xiàn)拉應(yīng)力；當(dāng)1/3<λ<3時，洞壁上的全為壓應(yīng)力；當(dāng)λ>3時洞壁兩側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力，洞頂和洞底則出現(xiàn)較高的壓應(yīng)力集中。18.討論2：靜水壓力式天然應(yīng)力場中的圍巖重分布應(yīng)力圍巖內(nèi)重分布應(yīng)力與θ角無關(guān)，僅與R0和σ0有關(guān)由于τrθ=0，則σr、σθ均為主應(yīng)力，且σθ恒為最大主應(yīng)力，σr恒為最小主應(yīng)力當(dāng)r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應(yīng)力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達(dá)到σ0值，但實(shí)際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當(dāng)r=6R0時，σr和σθ與σ0接近。一般認(rèn)為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應(yīng)力范圍為6R0。靜水壓力式天然應(yīng)力場是λ=119.2、其他洞形為了最有效和經(jīng)濟(jì)地利用地下開挖空間，地下洞室的斷面形狀常根據(jù)實(shí)際需要，開挖成非圓形的各種不同形狀。在這些非圓形洞室的急劇變化部位和拐點(diǎn)處，常存在較大的應(yīng)力集中。為了研究各種不同形狀洞室洞壁上重力分布應(yīng)力變化情況，在此引進(jìn)應(yīng)力集中系數(shù)的概念。把地下挖開后，洞壁上一點(diǎn)的應(yīng)力與開挖前該點(diǎn)天然應(yīng)力的比值，稱為應(yīng)力集中系數(shù)。20.式中，α、β為應(yīng)力集中系數(shù)。對于圓形洞室洞壁上一點(diǎn)：有α=1-2cos2θ，β=l+2cos2θ。洞壁上一點(diǎn)的重分布應(yīng)力可以表示為：21.常見幾種洞形的應(yīng)力集中系數(shù)這些系數(shù)是根據(jù)彈性理論及光彈實(shí)驗(yàn)求得的。在已知天然應(yīng)力時，利用這些系數(shù)和式(6-4)．即可求得不同洞形洞壁上的應(yīng)力。22.不同洞形洞壁上的應(yīng)力特點(diǎn)①橢圓形洞室長軸兩端點(diǎn)應(yīng)力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應(yīng)力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點(diǎn)或急拐彎處應(yīng)力集中最大，如正方形或矩形洞室角點(diǎn)等。③長方形短邊中點(diǎn)應(yīng)力集中大于長邊中點(diǎn)，而角點(diǎn)處應(yīng)力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差不大時，以圓形洞室圍巖應(yīng)力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當(dāng)巖體中天然應(yīng)力σh和σv相差較大時，則應(yīng)盡量使洞室長軸平行于最大天然應(yīng)力的作用方向。⑥在天然應(yīng)力很大的巖體中，洞室斷面應(yīng)盡量采用曲線形，以避免角點(diǎn)上過大的應(yīng)力集中。23.24.二、塑性圍巖重分布應(yīng)力25地下開挖后，洞壁的應(yīng)力集中最大,當(dāng)它超過圍巖屈服極限時，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應(yīng)力σr由零逐漸增大，應(yīng)力狀態(tài)由洞壁的單向應(yīng)力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應(yīng)力狀態(tài)，到一定距離后，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。.塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍應(yīng)力釋放而明顯降低，而最大應(yīng)力集中由原來的洞壁移至塑性松動圈與彈性圈的交界處，使彈性區(qū)的應(yīng)力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應(yīng)力基本未產(chǎn)生變化的天然應(yīng)力區(qū)(或稱原巖應(yīng)力區(qū))。26二、塑性圍巖重分布應(yīng)力.為了求解塑性圈圍巖的分布應(yīng)力，假定在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的巖體中開挖一半徑為R0的水平圓形洞室；開挖后形成的塑性松動圈半徑為R1，巖體中的天然應(yīng)力為σh=σv=σ0；圈內(nèi)巖體強(qiáng)度服從莫爾強(qiáng)度條件。在以上假設(shè)條件下，可求得當(dāng)洞壁支護(hù)力為pi時，塑性松動圈內(nèi)的重分布應(yīng)力為：二、塑性圍巖重分布應(yīng)力27.塑性松動圈內(nèi)的重分布應(yīng)力28由式可知：塑性圈和應(yīng)力與巖體天然應(yīng)力無關(guān)，而取決于支護(hù)力(pi)和圈內(nèi)巖體的強(qiáng)度(c、φ值)。當(dāng)r=R0時當(dāng)r=R0，Pi=0時洞壁上.塑性圈與彈性圈交界面(r=R1)上的重分布應(yīng)力(σrpe、σθpe、τrpe)；利用該面上彈性應(yīng)力與塑性應(yīng)力相等的條件得：彈性應(yīng)力塑性應(yīng)力在式中，c、φ為巖體抗剪強(qiáng)度參數(shù)；σrpe、σθpe和τrpe分別為r=R1處的徑向，環(huán)向和剪應(yīng)力。塑性圈與彈性圈交界面應(yīng)力29.二、塑性圍巖重分布應(yīng)力30由式可知：塑、彈性區(qū)交界面上的應(yīng)力取決于天然應(yīng)力和巖體強(qiáng)度，而與支護(hù)力無關(guān)。這說明支護(hù)力不能改變交界面上的應(yīng)力．只能控制塑性松動圈半徑(R1)的大小。塑性圈與彈性圈交界面應(yīng)力.31第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)31.6.3圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆。32.圍巖變形破壞形式取決于圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素。33.圍巖變形破壞是由外向內(nèi)逐步發(fā)展的結(jié)果，?？稍诙词抑車纬伤蓜尤Γ瑖鷰r內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)也將因松動圈內(nèi)的應(yīng)力被釋放而重新調(diào)整，形成一定的應(yīng)力帶。圍巖表部低應(yīng)力區(qū)的形成往往又會促使巖體內(nèi)部的水分由高應(yīng)力區(qū)向圍巖的表部轉(zhuǎn)移，這不僅進(jìn)一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，而且能使某些易于吸水膨脹的表部圍巖發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹變形。6.3圍巖的變形與破壞34.一、脆性圍巖的變形破壞脆性圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn)與巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖的結(jié)構(gòu)。1、張裂坍落2、劈裂3、剪切滑動或剪切破壞4、巖爆5、彎折內(nèi)鼓35.一、脆性圍巖的變形破壞1、張裂坍落當(dāng)鉛直應(yīng)力大于水平應(yīng)力時，且具有厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中開挖寬高比較大的地下洞室，在其頂拱常產(chǎn)生切向拉應(yīng)力。超過圍巖的屈服強(qiáng)度，則頂拱圍巖內(nèi)就會產(chǎn)生近于垂直的張裂縫。被裂縫切割的巖體中自重作用下變得不穩(wěn)定，若水平法向有軟弱的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，往往發(fā)生頂拱塌落。36.2、劈裂多發(fā)生在地應(yīng)力較高的厚層塊或者塊體結(jié)構(gòu)的圍巖中，一般出現(xiàn)在有較大的切向壓應(yīng)力集中于邊壁附近。在圍巖表部發(fā)生一系列平行于洞壁的破裂，將洞壁巖體切成板狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于其抗彎強(qiáng)度時，板狀巖體將被壓彎，折斷，造成塌方。37一、脆性圍巖的變形破壞.一、脆性圍巖的變形破壞3、剪切滑動或剪切破壞在厚層狀或塊體結(jié)構(gòu)的巖體中開挖地下洞室時，在切向壓力集中較高，且有斜向斷裂發(fā)育的洞頂或洞壁部位往往發(fā)生剪切滑動類型的破壞。沿?cái)嗔衙孀饔玫募魬?yīng)力一般比較高，而正應(yīng)力卻比較小。38.4、巖爆巖爆是圍巖的一種劇烈的脆性破壞，常以“爆炸”的形式出現(xiàn)。巖爆發(fā)生時，能拋出大小不等的巖塊，大型者常伴有強(qiáng)烈的震動、氣浪和巨響，對地下開挖和地下采掘造成很大的危害。39一、脆性圍巖的變形破壞.巖爆(ROCKBURST)巖爆

高天然應(yīng)力的彈脆性巖體地下開挖工程開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用周邊巖體中應(yīng)力高度集中，積聚于較高的彈性應(yīng)變能當(dāng)開挖體圍巖中應(yīng)力超過巖體的容許極限狀態(tài)巖體中聚積的變形能在地下工程開挖中突然猛烈釋放，導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象——巖爆40.巖爆產(chǎn)生兩方面條件：高儲能體的存在。高強(qiáng)度、塊體、或厚層狀的脆性巖體，且應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度。附加荷載的觸發(fā)。機(jī)械開挖、爆破及圍巖局部破裂造成的彈性震蕩；二是開挖的迅速推進(jìn)，或累積性破壞所引起的應(yīng)力突然某些部位集中。41一、脆性圍巖的變形破壞41.在一些深礦坑中，常發(fā)生稱為沖擊地壓的大型巖爆。多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內(nèi)。在附加的動載荷作用下，那里的煤被突然粉碎，而這一區(qū)域與坑道壁間的煤則大塊地被拋到巷道中，并伴隨著強(qiáng)烈的震動、氣浪和巨響，破壞力極大。這類巖爆發(fā)生之前，常可發(fā)現(xiàn)支護(hù)上或煤柱中壓力的增大，有時還會出現(xiàn)霹靂聲或震動。但有時則沒有明顯預(yù)兆。四川綿竹天地煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多米遠(yuǎn)。4、巖爆--大型42.在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的巖爆，多為中小型。其中有一類巖爆發(fā)生時發(fā)出如機(jī)槍射擊的劈劈啪啪的響聲，故被稱為巖石射擊。四川南椏河三級電站隧洞(埋深350～400m)在開挖過程中通過花崗巖整體結(jié)構(gòu)巖體段時，就曾發(fā)生過這類巖爆。開挖后不久，洞壁表部巖體發(fā)出了劈劈啪啪的響聲，同時有“洋蔥”狀剝片自巖壁上彈射出來。4、巖爆--中小型43.一、脆性圍巖的變形破壞5、彎折內(nèi)鼓在層狀，特別是在薄層狀巖層中開挖地下洞室易發(fā)生彎折內(nèi)鼓。從力學(xué)機(jī)制來看，這類變形破壞主要是卸荷回彈和應(yīng)力集中使洞壁的切向壓應(yīng)力超過薄層巖層的抗彎強(qiáng)度而造成。彎折內(nèi)鼓主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)。44.在區(qū)域最大主應(yīng)力垂直于陡傾薄層狀巖層的走向地區(qū)。平行于巖層走向開挖地下洞室時，兩壁附近的薄層狀圍巖往往發(fā)生如圖所示的彎曲、拉裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍倒。在平緩層狀巖層中開挖大跨度地下洞室時，頂拱的問題往往比較嚴(yán)重。平行于洞室側(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)應(yīng)力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應(yīng)力將高于正常情況的平均值，造成彎折內(nèi)鼓破壞。45.46.47.脆性圍巖的變形破壞主要是與卸荷回彈及應(yīng)力重分布相聯(lián)系。變形破壞又可分為兩類。一類變形破壞是洞室周邊拉應(yīng)力集中所造成的，在一般情況下(λ≠0)。這類變形破壞由于其所引起的洞形變形會使洞周邊拉應(yīng)力趨向減小，故通常僅局限在一定范圍之內(nèi)。另一類變形破壞則是由于洞室周邊壓應(yīng)力集中所引起的，此類變形破壞的形式除與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與軸向應(yīng)力σ2的相對大小有關(guān)。當(dāng)軸向應(yīng)力的大小與切向應(yīng)力相近時，圍巖的變形破壞形式表現(xiàn)為劈裂；當(dāng)其與徑向應(yīng)力相近時，則表現(xiàn)為剪切破壞48.二、塑性圍巖的變形破壞1、擠出

洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的屈服強(qiáng)度時，軟弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。易于被擠出的巖體，主要是那些固結(jié)程度差，富含泥質(zhì)的軟弱巖層，以及擠壓破碎或風(fēng)化破碎的巖體。擠出變形能造成很大的壓力，足以破壞強(qiáng)固的鋼支撐。但其發(fā)展通常都有一個時間過程，一般要幾周至幾個月之后方能達(dá)到穩(wěn)定。49.二、塑性圍巖的變形破壞2、膨脹：分為吸水膨脹和減壓膨脹吸水膨脹：洞室開挖后，圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹變形。與圍巖內(nèi)部的水分重分布相聯(lián)系。暴露于表部的巖體也會從空氣中吸收水分而膨脹。遇水后易于強(qiáng)烈膨脹的巖石主要有富含粘土礦物(特別是蒙脫石)的塑性巖石和硬石膏。有些富含蒙脫石的粘土質(zhì)巖石，吸水后體積可增大14％～25％，而硬石膏水化后轉(zhuǎn)化為石膏，其體積可增大20％。這類巖石的膨脹變形能造成很大的壓力，足以破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，給各類地下建筑物的施工和運(yùn)營帶來很大的危害。5050.二、塑性圍巖的變形破壞減壓膨脹減壓膨脹：通常發(fā)生在一些特殊的巖層中。例如，一些富含橄欖石的超基性巖脹，但在有側(cè)限而不能自由膨脹的天然條件下，新生成的礦物只能部分地膨脹，并于地層內(nèi)形成一種新的體積-壓力平衡狀態(tài)。洞體開挖所造成的卸荷減壓必然使附近這類地層的體積隨之增大，從而對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成強(qiáng)大的膨脹壓力。5151.3、涌流和坍塌涌流是松散破碎物質(zhì)和高壓水一起呈泥漿狀突然涌入洞中的現(xiàn)象。多發(fā)生在開挖揭穿了飽水?dāng)嗔哑扑閹У牟糠?。坍塌是松散破碎巖石中重力作用下自由垮落的現(xiàn)象。多發(fā)生在洞體通過斷層破碎帶或風(fēng)化破碎巖體部分。在施工過程中，如果對于可能發(fā)生的這類現(xiàn)象沒有足夠的預(yù)見性，往往也會造成很大的危害。52二、塑性圍巖的變形破壞.53.圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。開挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞54.分析圍巖變形破壞時，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。55.56第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)56.6.4地下建筑穩(wěn)定性評價一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素最主要的有地質(zhì)構(gòu)造、巖體的特性及結(jié)構(gòu)，地下水以及構(gòu)造應(yīng)力等。二、圍巖穩(wěn)定性定量評價解析分析法、赤平極射投影分析方法以及物理與數(shù)值模擬研究方法等。57.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素1、地質(zhì)構(gòu)造褶曲和斷裂破壞巖層完整性，降低巖體的強(qiáng)度。在褶曲的核部，巖層受到張力和壓力作用，就比翼部破碎得多；在斷層附近，因地層的相對位移，會使破碎帶達(dá)很大寬度；在倒轉(zhuǎn)巖層中，不僅節(jié)理裂隙十分發(fā)育，而且往往出現(xiàn)大的逆斷層。因此，可把構(gòu)造變動的強(qiáng)烈程度作為衡量圍巖穩(wěn)定狀況的一個主要因素。58.2、巖體的特征及結(jié)構(gòu)巖性：分為硬質(zhì)巖、中等堅(jiān)硬巖及軟質(zhì)巖三大類。軟質(zhì)巖即塑性巖體，通常具有風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低以及遇水易于軟化、膨脹或崩解等不良性質(zhì)，故對地下工程圍巖的穩(wěn)定性最為不利。硬質(zhì)巖和中等堅(jiān)硬巖通常屬于脆性巖體。由于巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，故這類巖體的強(qiáng)度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)巖體強(qiáng)度59一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素602、巖體的特征及結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)：分為整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，碎裂狀結(jié)構(gòu)及散體狀結(jié)構(gòu)等。散體狀結(jié)構(gòu)及碎裂狀結(jié)構(gòu)的巖體穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)者次之，厚層狀、塊狀及整體狀結(jié)構(gòu)有很高的穩(wěn)定性。巖體強(qiáng)度：是反映巖體的特性及其結(jié)構(gòu)特征的綜合指標(biāo)，通常用巖體完整性系數(shù)與巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度的乘積，即準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度來表示。.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素3、地下水地下水常是造成圍巖失穩(wěn)的重要因素之一，在破碎軟弱的圍巖中，其影響尤為顯著。地下水可使巖石軟化，強(qiáng)度降低，加速巖石風(fēng)化，還能軟化和沖走軟弱的結(jié)構(gòu)面的填充物，減少摩阻力，促使巖塊滑動。在膨脹性巖體中，地下水可造成膨脹地壓。61.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素4、原巖應(yīng)力特別是構(gòu)造應(yīng)力的方向及大小是控制地下工程圍巖變形破壞的重要因素。為避免地下洞室的頂拱和邊墻出現(xiàn)應(yīng)力集中：洞室軸線的選擇應(yīng)盡可能地與該地最大主應(yīng)力方向一致。在一些特殊的情況下，當(dāng)?shù)叵鹿こ痰臄嗝娉时馄叫螘r，為避免頂拱出現(xiàn)拉應(yīng)力，改善頂拱圍巖的穩(wěn)定條件，盡量使洞室軸線垂直于最大主應(yīng)力方向。62.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價1、原型調(diào)研及模型的建立為評價擬建地下工程圍巖的穩(wěn)定性，首先要通過勘探、測試和試驗(yàn)，正確闡明工程區(qū)巖體力學(xué)條件。研究工作主要包括：①通過應(yīng)力實(shí)測，定量地掌握工程區(qū)地應(yīng)力場的基本特征；②通過地表調(diào)查、節(jié)理裂隙統(tǒng)計(jì)，掌握區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)的定量化模式；③通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗(yàn)，掌握各巖體及各類結(jié)構(gòu)面的變形及強(qiáng)度特性，取得用于計(jì)算的有關(guān)參數(shù)。63.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，通常采用兩維的有限元分析模型，按平面應(yīng)變問題處理。通過適當(dāng)?shù)暮喕?，正確地確定模型的范圍和邊界、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與各部分的力學(xué)參數(shù)以及邊界的位移和受力條件是建模的關(guān)鍵。6464.65GOCAD網(wǎng)格模型.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價662、模擬研究的方法計(jì)算模型建立之后，可采用已有的有限元計(jì)算程序，通過線彈性、彈塑性或粘彈塑性有限元分析，系統(tǒng)地研究圍巖應(yīng)力以及圍巖變形破壞的發(fā)展，定量地評價圍巖的穩(wěn)定性。通過對不同的洞室設(shè)計(jì)、支護(hù)及施工方案的模擬計(jì)算，不僅可以對不同方案洞室的穩(wěn)定性作出比較和評價，從而為設(shè)計(jì)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，還可挑選出最佳的支護(hù)和施工方案。.67第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應(yīng)力計(jì)算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)67.6.5地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)工程地質(zhì)勘察→工程設(shè)計(jì)→地下工程施工以隧道工程為例：除個別長大隧道設(shè)計(jì)精度稍高外，90％以上的設(shè)計(jì)與實(shí)際地質(zhì)條件不符或者嚴(yán)重不符。美國科羅拉多隧道，在隧道掘進(jìn)過程中遇到的小斷層和大節(jié)理遠(yuǎn)比地面測繪時多，地面測繪遇到的小斷層僅為開挖揭露的1％～9％，即使稍大的斷層，也僅有2％～7％。西班牙Talave輸水隧道長31.7km、直徑5.5m，通過糜棱巖總寬度達(dá)567m。因此，僅根據(jù)地表工程地質(zhì)勘察，獲得的資料與實(shí)際地質(zhì)條件通常不相符合，準(zhǔn)確率也較低。68.6.5地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)在復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工技術(shù)人員難以準(zhǔn)確判斷掌子面前方的地質(zhì)條件，施工帶有很大盲目性，經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)料不到的塌方、冒頂、涌水等事故。哥倫比亞某水工隧道施工至DK6+097時，發(fā)生突水和泥石流。西班牙Talave輸水隧道，施工中發(fā)生220000m3的涌水和20000m3的破碎圍巖涌入隧道，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。我國的軍都山隧道、大瑤山隧道等，在施工過程中發(fā)生了涌水、涌沙、突泥和塌方等嚴(yán)重災(zāi)害。這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期、增加工程投資，重則砸毀機(jī)械設(shè)備、造成人員傷亡，事故發(fā)生后的處理工作難度較大。69.一、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分類70施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)就是利用一定的技術(shù)和手段，收集地下工程所在巖土體的有關(guān)信息，運(yùn)用相應(yīng)的理論和規(guī)律對這些資料和信息進(jìn)行分析、研究，對施工掌子面前方巖土體情況，不良地質(zhì)體的工程部位及成災(zāi)可能性作出解釋、預(yù)測和預(yù)報(bào)，從而有針對性地進(jìn)行地下工程的施工。.一、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分類71目的是查明掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性狀、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征，特別是溶洞、斷層、各類破碎帶、巖體含水情況;以便提前、及時、合理地制定安全施工進(jìn)度，修正施工方案、采取有效的對策，避免塌方、涌水、突泥、巖爆等災(zāi)害;確保施工安全、加快施工進(jìn)度、保證工程質(zhì)量、降低建設(shè)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。71.以隧道工程為例，討論地下工程的施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)問題。①根據(jù)預(yù)報(bào)所用資料的獲取手段，地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的常用方法有地質(zhì)法和物探法。地質(zhì)法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)包括地面地質(zhì)調(diào)查法、鉆探法、斷層參數(shù)法、掌子面地質(zhì)編錄法，隧道鉆孔法、導(dǎo)洞法等。物探法地質(zhì)超前預(yù)報(bào)包括電法、電磁法、地震波法、聲波法和測井法等。一、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分類72.地面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)指通過地面工作對隧道掌子面前方作出的預(yù)報(bào)，以地質(zhì)方法和物探方法為主，以化探方法為輔。在隧道埋深不大的情況下（<100m），地面預(yù)報(bào)能獲得較為理想的預(yù)報(bào)結(jié)果。掌子面超前預(yù)報(bào)主要指借助洞口到掌子面范圍地質(zhì)條件的變化規(guī)律，參考勘察設(shè)計(jì)資料和地面預(yù)報(bào)成果，采用多種方法和手段，獲得相應(yīng)的地質(zhì)、物探或化探成果資料，經(jīng)綜合分析處理，對掌子面前方的地質(zhì)條件及其變化作出預(yù)報(bào)。②按照預(yù)報(bào)采用資料和信息的獲得部位，可分為地面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和隧道掌子面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。73.③按所預(yù)報(bào)地質(zhì)體與掌子面的距離，可分為長距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和短距離地質(zhì)超前預(yù)報(bào)。長期預(yù)報(bào)的距離一般大于100m，最大可達(dá)250～300m，甚至更遠(yuǎn)。其任務(wù)主要是較準(zhǔn)確地查明工作面前方較大范圍內(nèi)規(guī)模較大、嚴(yán)重影響施工的不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模及含水性，并按照不良地質(zhì)體的特征，結(jié)合預(yù)測段內(nèi)出露的巖石及涌水量的預(yù)測，初步預(yù)測圍巖類別。短期預(yù)報(bào)的距離一般小于20m，其任務(wù)是在長期超前預(yù)報(bào)成果的基礎(chǔ)上，依據(jù)導(dǎo)洞工作面的特征，通過觀測、鑒別和分析，推斷掌子面前方20～30m范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的地層、巖性情況，推斷掌子面實(shí)見的各種不良地質(zhì)體向掌子面前方延伸的情況；通過對掌子面涌水量的觀測，結(jié)合巖性、構(gòu)造特征，推斷工作面前方20～30m范圍內(nèi)可能的地下水涌出情況；并在上述推斷基礎(chǔ)上，預(yù)測工作面前方20～30m范圍內(nèi)的隧道圍巖類別，提出準(zhǔn)確的超前支護(hù)建議，并對施工支護(hù)提出初步建議。目標(biāo)是為隧道施工提供較為準(zhǔn)確的掌子面前方近距離內(nèi)的具體地質(zhì)狀況和圍巖類別情況。74.④按照預(yù)報(bào)階段，施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)可分為施工前地質(zhì)超前預(yù)報(bào)和施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)施工前階段的預(yù)報(bào)主要為概算和設(shè)計(jì)服務(wù)，其實(shí)質(zhì)上是傳統(tǒng)意義上的工程地質(zhì)勘察。施工期地質(zhì)超前預(yù)報(bào)是在施工前地質(zhì)預(yù)報(bào)所提供資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，它直接為工程施工服務(wù)。通常意義上的施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)即施工階段的地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，但需明確的是，勘察設(shè)計(jì)階段的地質(zhì)工作也屬于超前預(yù)報(bào)，是地下工程施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要組成部分。75.二、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)內(nèi)容地下工程的設(shè)計(jì)和施工受圍巖條件的制約，因此，地質(zhì)條件是施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的首要內(nèi)容。預(yù)報(bào)內(nèi)容包括巖性及其工程地質(zhì)特性、地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、地應(yīng)力狀態(tài)。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)2、圍巖類別超前預(yù)報(bào)3、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、判斷與防治76.（1）地層巖性及其工程性質(zhì)巖性是地質(zhì)超前預(yù)報(bào)必須包含的內(nèi)容。其中尤應(yīng)注意對軟巖及具有泥化、膨脹、崩解，易溶性質(zhì)和含瓦斯等特殊巖土體及風(fēng)化破碎巖體的預(yù)報(bào);如灰?guī)r、煤系地層、含油層、石膏、巖鹽、芒硝、蒙脫石等。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)77.（2）斷層破碎帶與巖性接觸帶

斷層及其破碎帶的規(guī)模、位置、力學(xué)性質(zhì)、新構(gòu)造活動性、產(chǎn)狀、構(gòu)造巖類別、膠結(jié)程度和水文地質(zhì)條件等是主要預(yù)報(bào)內(nèi)容。斷層不同程度地破壞了巖體的完整性和連續(xù)性，降低了圍巖的強(qiáng)度，增強(qiáng)了導(dǎo)水和富水性。斷層往往是地應(yīng)力易于集中的部位，從而圍巖發(fā)生大變形，并使支護(hù)受力增大和不均勻，往往引起襯砌破壞，對施工和運(yùn)營安全構(gòu)成很大威脅。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)78.（2）斷層破碎帶與巖性接觸帶

巖性接觸帶包括接觸破碎變質(zhì)帶和巖脈侵入形成的擠壓破碎帶、冷凝節(jié)理、接觸變質(zhì)帶等。它們易軟化、工程地質(zhì)條件差，并常常被后期構(gòu)造利用而進(jìn)一步惡化。巖脈本身易風(fēng)化、強(qiáng)度低，是隧道易于變形破壞的重要部位。如軍都山隧道、陸渾水庫泄洪洞和瑞士弗卡隧道等，遇到煌斑巖脈時，都發(fā)生了大塌方。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)79.(3)巖體結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方巖體結(jié)構(gòu)面的部位、產(chǎn)狀、密度、延展性、寬度及填充特征，預(yù)報(bào)可能發(fā)生塌方的位置、規(guī)模以及隧道漏水情況。受多組結(jié)構(gòu)面切割，當(dāng)其產(chǎn)狀與隧道軸向組合不利時，易產(chǎn)生塌方、順層滑動和偏壓。貫穿性節(jié)理是工程塌方和漏水的重要原因之一。向斜軸部的次生張裂隙，向上匯聚，形成上小下大的楔形體，對圍巖穩(wěn)定十分不利。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)80.(4)水文地質(zhì)條件地下水是隧道地質(zhì)災(zāi)害的最主要禍害之一，水文地質(zhì)條件是地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的重要內(nèi)容。工作要點(diǎn)是：①向斜盆地形成的儲水構(gòu)造；②斷層破碎帶、不整合面和侵入巖接觸帶；③巖溶水；④強(qiáng)透水和相對隔水層形成的層狀含水體。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)81.(5)地應(yīng)力狀態(tài)

地應(yīng)力是隧道穩(wěn)定性評價和支護(hù)設(shè)計(jì)的重要條件，高地應(yīng)力和低地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性不利。如高地應(yīng)力區(qū)的巖爆和圍巖大變形，低地應(yīng)力區(qū)塌方、滲漏水甚至涌水等。然而隧道工程很少進(jìn)行地應(yīng)力量測，因此，在施工過程中，應(yīng)注意與高、低地應(yīng)力有關(guān)的地質(zhì)現(xiàn)象，據(jù)此對地應(yīng)力場狀態(tài)作出粗略的評價，并預(yù)報(bào)相應(yīng)的工程地質(zhì)問題。1、地質(zhì)條件的超前預(yù)報(bào)82.圍巖分類就是通過對已掘洞段或?qū)Ф垂こ痰刭|(zhì)條件的綜合分析。包括軟硬巖劃分、受地質(zhì)構(gòu)造影響程度、節(jié)理發(fā)育狀況、有無軟弱夾層和夾層的地質(zhì)狀態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)及完整狀態(tài)、地下水和地應(yīng)力等。結(jié)合圍巖穩(wěn)定狀態(tài)以及中長期預(yù)報(bào)成果，依據(jù)隧道工程類型的劃分標(biāo)準(zhǔn)，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)掌子面前方的圍巖類別。2、圍巖類別的預(yù)報(bào)83.準(zhǔn)確識別各類不良地質(zhì)現(xiàn)象以及各類地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、判斷和防治是地下工程施工地質(zhì)工作最重要的內(nèi)容。在隧道施工中，地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是多種因素綜合作用的結(jié)果，既有地質(zhì)因素，也有人為因素。人為因素可以避免，前提是充分和正確認(rèn)識圍巖條件。預(yù)報(bào)可能存在的不良的地質(zhì)體和可能發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的類型、位置、規(guī)模和危害程度，并提出相應(yīng)的施工方案或搶險措施，從而最大限度地避免各類地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生。3、地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測、判斷與防治84.三、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)常用方法1、地質(zhì)預(yù)報(bào)法(1)地面地質(zhì)調(diào)查主要針對有疑問的地段或問題開展補(bǔ)充地質(zhì)測繪、必要的物探或少數(shù)鉆孔等。地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)是查明地層巖性、構(gòu)造地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件及工程動力地質(zhì)作用等。85.三、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)常用方法1、地質(zhì)預(yù)報(bào)法(2)隧道地質(zhì)編錄是隧道施工期間最主要的地質(zhì)工作，它是竣工驗(yàn)收的必備文件，還可為隧道支護(hù)提供依據(jù)。隧道地質(zhì)編錄應(yīng)與施工配合，內(nèi)容包括兩壁、頂板和掌子面的巖性、斷層、結(jié)構(gòu)面、巖脈、地下水，同時根據(jù)條件和要求，開展必要的簡單現(xiàn)場測試以及巖土樣和地下水試樣的采集。編錄成果用圖件、表格和文字的形式表示，供計(jì)算分析和預(yù)報(bào)之用。86.三、地質(zhì)超前預(yù)報(bào)常用方法1、地質(zhì)預(yù)報(bào)法(3)資料分析及地質(zhì)超前預(yù)報(bào)通過及時分析處理地質(zhì)編錄資料，并與施工前