第7章地下洞室1課件

第七章地下洞室的

工程地質研究概述地下洞室：指在地下或山體內部的各類建筑物。如地下交通運輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲存庫房用的地下車庫、油庫、水庫和物資倉庫等；地下式水電站洞室布置剖面示意圖有壓及無壓隧洞一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質問題有如下方面：１．在選擇地下建筑工程位置時，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。２．在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個階段除進行一般的巖體穩(wěn)定評價以外，還要解決一些與土建設計有關的巖體穩(wěn)定方面的問題，這些問題有：（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓力評價）；（2）巖體內地下水壓力的評價（即地下水對襯砌支護的壓力）；（3）提出保護圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；圍巖：地下洞室周圍的圍巖土體。即洞室周圍受到開挖影響，大體相當于地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內的巖土體。洞室周邊圍巖應力彈性重分布計算公式用彈性理論計算圓形洞室周邊應力重分布各種斷面形狀的洞體應力狀態(tài)比較二、開挖后圍巖中出現塑性圈時的重分布應力洞室開挖后圍巖的穩(wěn)定性，取決于二次應力與圍巖強度之間的關系。如果洞周邊應力小于巖體的強度，圍巖穩(wěn)定。否則，周邊巖石將產生破壞或較大的塑性變形。圍巖一旦松動，如不加支護，則會向深部發(fā)展，形成具有一定范圍的應力松弛區(qū)，稱為塑性松動圈。在松動圈形成過程中，原來周邊集中的高應力逐漸向深處轉移，形成新的應力增高區(qū)，該區(qū)巖體被擠壓緊密，稱為承載圈。此圈之外為初始應力區(qū)。洞室圍巖應力重分布對比圖三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，稱前者為變形，后者為破壞。

各類結構圍巖變形破壞的特點由于巖體在強度和結構方面的差異，洞室圍巖變形與破壞的形式多種多樣，主要的形式有脆性破裂、塊體滑移、彎曲折斷、松動解脫、塑性變形等。

1．堅硬完整巖體的脆性破裂在堅硬完整的巖體中開挖地下洞室，圍巖一般是穩(wěn)定的。但是在高地應力地區(qū)，經常產生巖爆現象。巖爆是儲存有很大彈性應變能的巖體，在開挖卸荷后，能量突然釋放所形成的，它與巖石性質、地應力積聚水平及洞室斷面形狀等因素有關。脆性開裂出現在拉應力集中部位。

2．塊體滑移塊體滑移是塊狀結構圍巖常見的破壞形式。這類破壞常以結構面交切組合成不同形狀的塊體滑移、塌落等形式出現。分離塊體的穩(wěn)定性取決于塊體的形狀、有無臨空條件、結構面的光滑程度及是否夾泥等。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙塊狀結構巖體的塊體滑移

3．層狀彎折和拱曲

巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式。平緩巖層，當巖層層次很薄或軟硬相間時，頂板容易下沉彎曲折斷。在傾斜層狀圍巖中，當層間結合不良時，順傾向一側拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆傾向一側邊墻或頂拱易滑落掉塊。在陡傾或直立巖層中，因洞周的切向應力與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容易凸邦彎曲。層狀結構圍巖變形破壞特征4．碎裂巖體的松動解脫一般強烈風化、強烈構造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應力和地下水作用下常產生冒落及塑性變形。常見的塑性變形和破壞的形式有邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。5．松軟巖體碎裂結構巖體在張力和振動力作用下容易松動、解脫，在洞頂則產生崩落，在邊墻上則表現為滑塌或碎塊的坍塌。

碎裂巖體松動解脫碎裂結構圍巖塌方示意圖散體狀巖體是指強烈構造破碎、強烈風化的巖體。常表現為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結構均勻時，以拱頂冒落為主。當圍巖結構不均勻或松動巖體僅構成局部圍巖時，常表現為局部塌方、塑性擠入及滑動等變形破壞形式。6．松散巖體圍巖的變形破壞是漸進式逐次發(fā)展的。

開挖-->應力調整-->變形、局部破壞-->再次調整-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過程分析圍巖變形破壞時，應抓住其變形破壞的始發(fā)點和發(fā)生連鎖反應的關鍵點，預測變形破壞逐次發(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。第二節(jié)地下工程位置選擇的工程地質評價地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，需要考慮區(qū)域穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質構造、地下水及地應力等因素的影響。

一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，歷史上地震烈度及震級不高，無毀滅性地震；2.區(qū)域地質構造穩(wěn)定，工程區(qū)無區(qū)域性斷裂帶通過，附近沒有發(fā)震構造；3.第四紀以來沒有明顯的構造活動。

區(qū)域穩(wěn)定性問題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進一步就要選擇建洞山體，一般認為理想的建洞山體具有以下條件：

1.在區(qū)域穩(wěn)定性評價基礎上，將洞室選擇在安全可靠的地段；2.建洞區(qū)構造簡單，巖層厚且產狀平緩，構造裂隙間距大、組數少，無影響整個山體穩(wěn)定的斷裂帶；3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地層，巖體結構強度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。4.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進洞生產面積的同時，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護地層；

5.地下水影響小，水質滿足建廠要求；6.無有害氣體及異常地熱；

一、洞口選擇的工程地質條件洞口的工程地質條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標高、洞口的方向等問題。至于洞口數量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據工程的具體要求，結合所處山體的地形、工程地質及水文地質條件等慎重考慮，因為出入口位置的確定，一般來說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。（一）洞口的地形和地質條件洞口宜設在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時刷方太大，破壞原來的地形地貌。（二）洞口底標高的選擇洞口底的標高一般應高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發(fā)時，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；（三）洞口邊坡的物理地質現象在選擇洞口位置時，必須將進出口地段的物理地質現象調查清楚。洞口應盡量避開易產生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對工程造成不必要的損失。

二、洞室軸線選擇的工程地質條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產狀、地質構造以及水文地質條件等方面綜合分析來考慮確定。（一）地形條件在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側應有足夠的山體厚度。隧洞進出口地段的邊坡應下陡上緩，無滑坡、崩塌等現象存在。洞口巖石應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時，應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。

隧洞進出口不應選在排水困難的低洼處，也不應選在沖溝、傍河山嘴及谷口等易受水流沖刷的地段。（二）巖性條件巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一。如堅硬完整的巖體，圍巖一般是穩(wěn)定的，能適應各種斷面形狀的地下洞室。而軟弱巖體如粘土巖類、破碎及風化巖體，吸水易膨脹的巖體等，通常力學強度低，遇水易軟化、崩解及膨脹等，不利于圍巖的穩(wěn)定。此外,巖層的組合特征對圍巖穩(wěn)定也有重要影響。一般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。均質厚層及塊狀巖體穩(wěn)定性好。

（三）地質構造條件1．褶皺的影響褶皺劇烈地區(qū)，一般斷裂也很發(fā)育，特別是褶皺核部巖層完整性最差。

地下洞室軸線與褶皺的關系2．斷裂的影響

斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)，穩(wěn)定性極差。地下掘進如遇較大規(guī)模的斷層，幾乎都要產生塌方甚至冒頂(洞頂大規(guī)模突然坍塌破壞)。一般情況下，應避免洞室軸線沿斷層帶布置。如洞室軸線垂直或近于垂直斷裂帶，則所需穿越的不穩(wěn)定地段較短，但也可以產生塌方或大量地下水涌入。因此，在選址時應盡量避開大斷層。斷層對地下洞室選線的影響

3．巖層產狀的影響

(1)洞室軸線與巖層走向垂直。這種情況，圍巖的穩(wěn)定性較好，特別是對邊墻穩(wěn)定有利。當巖層較陡時穩(wěn)定性最好。當巖層傾角較平緩且節(jié)理發(fā)育時，在洞頂易發(fā)生局部巖塊坍落現象，洞室頂部常出現階梯形超挖。洞室洞室單斜巖層中的地下洞室(2)洞室走向與巖層走向平行

在水平巖層中布置洞室時，應盡量使洞室位于均質厚層的堅硬巖層中，應避免將軟弱巖層置于洞室頂部，因為軟弱巖層易于造成頂板懸垂或坍塌。軟弱巖層位于洞室兩側或底部也不利，它容易引起邊墻或底板鼓脹變形或被擠出。在傾斜巖層中，一般說來是不利的。當洞身通過軟硬相間或破碎的傾斜巖層時，順傾向一側的圍巖易于變形或滑動，造成很大的偏壓，逆傾向一側圍巖側壓力小，有利于穩(wěn)定。因此，在傾斜巖層中最好將洞室選在均一完整堅硬的巖石中。此外，巖層的傾角對圍巖的穩(wěn)定性也有影響。水平及傾斜巖層中的地下洞室陡立巖層中的地下洞室abc（四）地下水在選址時最好選在地下水位以上的干燥巖體內，地下水量不大、無高壓含水層的巖體內。