工程地質(zhì)第6章01

第六章地下工程地質(zhì)問(wèn)題北京地鐵王府井車站廣州地鐵東（山口）~楊（箕）區(qū)間隧道6.1概述在巖（土）體內(nèi)，為各種目的經(jīng)人工開鑿形成的地下工程構(gòu)筑物稱為地下洞室。近半個(gè)世紀(jì)來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，大型工業(yè)、企業(yè)和市政設(shè)施的地下工程系統(tǒng)日益增多，在水利電力、交通運(yùn)輸、礦山開采、城市建設(shè)以及軍事工程等方面修建了大量的、規(guī)模巨大的地下洞室。例如，二灘水電站地下廠房跨度25.50m、高度65.38m、長(zhǎng)度280.29m，為目前我國(guó)最大的地下發(fā)電廠房。顯而易見(jiàn)，建成如此巨大的地下空間，勢(shì)必會(huì)遇到許多復(fù)雜的工程地質(zhì)問(wèn)題，其中最受關(guān)注的是圍巖在一定的時(shí)間內(nèi)，在地應(yīng)力和工程荷載作用下，是否會(huì)產(chǎn)生破壞性剪切滑動(dòng)或其他形式的失穩(wěn)問(wèn)題。為此就要求有充分可靠的工程地質(zhì)資料，作為分析巖體穩(wěn)定和進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選定施工方法及處理措施的基礎(chǔ)。在1996年11月中國(guó)工程院環(huán)境委員會(huì)成立大會(huì)上，工程院院士錢七虎指出，在土木工程界，19世紀(jì)是橋的世紀(jì);20世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì);而21世紀(jì)應(yīng)該是地下洞室開發(fā)利用的世紀(jì)。

因此，面對(duì)環(huán)境惡化和城市化問(wèn)題日益突出，應(yīng)把地下空間的開發(fā)利用放到可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度超前考慮。中國(guó)在21世紀(jì)初將和世界同步或稍后進(jìn)人地下空間開發(fā)利用的時(shí)期。研究地下洞室圍巖穩(wěn)定性的實(shí)質(zhì)，是研究巖體在開鑿洞室后，力學(xué)變化機(jī)理和巖體中應(yīng)力分布狀況。一般情況下，在查明巖體結(jié)構(gòu)特征和地應(yīng)力條件的基礎(chǔ)上，根據(jù)巖體的強(qiáng)度和變形特點(diǎn)就可以判別圍巖的穩(wěn)定性。目前用于研究圍巖穩(wěn)定性的方法有：數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算方法，圍巖的變形和破壞機(jī)制分析方法，圍巖地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和圍巖穩(wěn)定性分類方法，模擬試驗(yàn)方法等。以巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)地分析巖體變形與破壞機(jī)制和基本類型介紹圍巖的工程分類及其應(yīng)用。討論圍巖穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)方法。本章的主要內(nèi)容：6.2巖體、巖體結(jié)構(gòu)及地應(yīng)力的概念

巖體：是非均質(zhì)的、各向異性的不連續(xù)地質(zhì)體，是由巖塊和結(jié)構(gòu)面組成的，是自然歷史的形成物，位于一定的地質(zhì)環(huán)境中。由各種軟弱結(jié)構(gòu)面及其所切割的巖塊（或稱結(jié)構(gòu)體）組成的。從工程地質(zhì)角度來(lái)看，巖石（又稱巖塊），是沒(méi)有包含顯著軟弱面的巖石材料，是組成巖體的最小單元。堅(jiān)硬巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)，嚴(yán)格受其中軟弱面的強(qiáng)度、延展性、方向性、組合關(guān)系及密度等所控制。由于巖體中通常存在著多而顯著的軟弱面，致使巖體的強(qiáng)度值低于巖石的強(qiáng)度值，在沿軟弱面方向上更是如此建筑物的地基或洞室圍巖介質(zhì)都是巖體，而不是單塊的巖石。所以，過(guò)去未把巖石與巖體嚴(yán)格地加以區(qū)分、并籠統(tǒng)地以單塊巖石的工程地質(zhì)性質(zhì)代替整個(gè)巖體的工程地質(zhì)性質(zhì)，都是很不妥當(dāng)?shù)?。巖體與巖體結(jié)構(gòu)不同類型、級(jí)別和自然特征的結(jié)構(gòu)面及其切割而成的不同大小和形狀的結(jié)構(gòu)體相互組合形成了各種不同的結(jié)構(gòu)特征的巖體。巖體結(jié)構(gòu)類型的劃分是研究巖體的地質(zhì)特征、結(jié)構(gòu)面、結(jié)構(gòu)體自然特征及其組合狀況的基礎(chǔ)上的進(jìn)一步概括。中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)研究所谷德振等將巖體結(jié)構(gòu)劃分為四種基本類型和八個(gè)亞類，其基本特征見(jiàn)表6-1。不同的巖體結(jié)構(gòu)類型具有不同的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特征，對(duì)巖體變形與破壞的機(jī)制、應(yīng)力傳播的規(guī)律、地下水的含水性和滲透性質(zhì)以及彈性波傳播速度等都具有控制作用。但巖體結(jié)構(gòu)分類僅為第一級(jí)分類，在此基礎(chǔ)上，還必須進(jìn)一步研究不同結(jié)構(gòu)類型的巖體的變形和強(qiáng)度性質(zhì)、巖體的完整性等因素，結(jié)合不同的工程類型，對(duì)巖體質(zhì)量進(jìn)行定量化的綜合評(píng)價(jià)和巖體工程分類，這樣才能實(shí)際地應(yīng)用在工程的設(shè)計(jì)和施工中。地應(yīng)力：指地殼巖體處在未經(jīng)人為擾動(dòng)的天然狀態(tài)下所具有的內(nèi)應(yīng)力，或稱為初始應(yīng)力。地應(yīng)力主要是重力和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合作用下形成的應(yīng)力，有時(shí)也包括由巖體的物理、化學(xué)變化及巖漿侵人等作用形成的應(yīng)力，這里主要討論由自重應(yīng)力和構(gòu)造作用引起的地應(yīng)力。地應(yīng)力對(duì)于表面為水平的半無(wú)限體，巖體具有的重度為

在深度為H處的垂直自重應(yīng)力

v可按下列公式計(jì)算水平自重應(yīng)力

H式中，

為天然應(yīng)力比值因數(shù)，或稱為巖體的側(cè)壓力因數(shù)，

僅與泊松比有關(guān)，取值一般為0.25-0.40。自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力：指由構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的地應(yīng)力?；顒?dòng)的構(gòu)造應(yīng)力：是近期和現(xiàn)代地殼運(yùn)動(dòng)正在積累的應(yīng)力，也是地應(yīng)力中最活躍最重要的一種，常導(dǎo)致巖體的變形與破壞；殘余的構(gòu)造應(yīng)力：是由古代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)殘留下來(lái)的應(yīng)力。構(gòu)造應(yīng)力塑性松動(dòng)圈（應(yīng)力降低區(qū)）：

洞室開挖后，鄰近洞壁的巖體受到集中應(yīng)力的作用，當(dāng)巖體中的應(yīng)力差-

（極坐標(biāo)表示，分別為切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力）達(dá)到某一極限值時(shí)，就產(chǎn)生塑性變形；當(dāng)應(yīng)力足夠大時(shí)，有可能形成一個(gè)圈。

關(guān)于塑性圈的范圍，一般認(rèn)為與巖體的強(qiáng)度、天然應(yīng)力的高低有密切關(guān)系。在c（粘聚力）、（內(nèi)摩擦角）值比較低或天然應(yīng)力比較高的巖體中，塑性圈的擴(kuò)展范圍比較大；反之，則范圍很小，甚至不發(fā)生塑性變形。此外，塑性圈的范圍還與支護(hù)（襯砌）的反力大小有關(guān)，支護(hù)早或反力大，圍巖的塑性變形受限制，因而塑性開展的范圍就小。

地下洞室圍巖的應(yīng)力特征彈性圈（應(yīng)力升高區(qū)）：

在塑性松動(dòng)圈外側(cè)，徑向應(yīng)力逐步增大，形成應(yīng)力升高區(qū)。天然應(yīng)力區(qū)：在應(yīng)力升高區(qū)以外應(yīng)力狀態(tài)仍保持天然應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力條件不受洞室開挖的影響。

結(jié)構(gòu)的存在使巖體成為不連續(xù)介質(zhì)，不能承受和傳遞較大的切應(yīng)力和拉應(yīng)力。軟弱結(jié)構(gòu)面，又稱不連續(xù)面，是巖體中的層面、軟弱夾層、片理、劈理、節(jié)理、斷層、裂隙等的統(tǒng)稱。結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與洞室受力方向的不同，將產(chǎn)生三種不同的結(jié)果：巖體結(jié)構(gòu)特征對(duì)圍巖應(yīng)力的控制：1．結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向的夾角大于60?或垂直時(shí)，洞壁與結(jié)構(gòu)面垂直相交的部位產(chǎn)生最大切向應(yīng)力。2.結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向的夾角小于30?或平行時(shí)，洞壁與結(jié)構(gòu)面相切的部位產(chǎn)生最大切向應(yīng)力；當(dāng)結(jié)構(gòu)面的走向與洞室受力方向平行時(shí)，洞頂（底）的切向應(yīng)力成為最大主應(yīng)力而徑向應(yīng)力變得彎斜。3.結(jié)構(gòu)面與洞室受力方向斜交成45?角時(shí)，洞壁與結(jié)構(gòu)面相切及垂直的部位產(chǎn)生相等的最大切向應(yīng)力。6.3洞室圍巖的變形及破壞基本類型

一、巖體洞室的變形與破壞工程實(shí)踐證明，由于各種巖體在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)方向存在差異，在工程力和地應(yīng)力作用下，往往在局部洞段上或整個(gè)洞段產(chǎn)生巖體的變形與破壞，導(dǎo)致圍巖的失穩(wěn)。常見(jiàn)的圍巖變形與破壞形式見(jiàn)表6一21.脆性破裂整體狀結(jié)構(gòu)及塊狀結(jié)構(gòu)巖體，在一般工程地區(qū)開挖時(shí)是穩(wěn)定的，有時(shí)產(chǎn)生局部掉塊；但是在高地應(yīng)力地區(qū)，由于洞室周邊應(yīng)力集中可引起巖爆，屬脆性破裂。在地下洞室開挖過(guò)程中，施工導(dǎo)洞擴(kuò)挖時(shí)預(yù)留的巖柱，易產(chǎn)生劈裂破壞，也具有脆性破裂的特征。有時(shí)在整體塊狀堅(jiān)硬巖體中，由于斷續(xù)結(jié)構(gòu)面的存在，沿其端部延展易于產(chǎn)生巖體開裂應(yīng)變。在這種情況下，巖體的抗開裂強(qiáng)度可能比巖石的單軸抗壓強(qiáng)度低一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在有大量結(jié)構(gòu)面平行洞壁的巖體中，應(yīng)注意避免在主體洞室開挖之前，就對(duì)鄰近的支導(dǎo)洞做永久襯砌。2.塊體滑動(dòng)與塌落

塊狀、厚層狀以及一些均質(zhì)堅(jiān)硬的層狀結(jié)構(gòu)巖體構(gòu)成的圍巖其穩(wěn)定性是高的。當(dāng)這類巖體受軟弱結(jié)構(gòu)面的切割形成分離塊體時(shí)，在重力和圍巖應(yīng)力作用下，有可能向臨空面方向移動(dòng)，而形成塊體的滑動(dòng)與塌落。有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生塊體的轉(zhuǎn)動(dòng)、傾倒等現(xiàn)象。

該隧洞位于粗?；◢弾r巖體中，洞長(zhǎng)約600，洞徑10m，施工期間洞口段多次發(fā)生塌方，一次塌方量最多可達(dá)400-500m3。據(jù)查，塌方與洞口段花崗巖的風(fēng)化有關(guān)，而且洞頂有兩條裂隙夾泥，南側(cè)洞壁上有一條直立的風(fēng)化巖脈及一條陡傾的裂隙夾泥，這四組結(jié)構(gòu)面將洞壁切割成塊狀結(jié)構(gòu)體。當(dāng)隧洞的上半部分開挖至拱腳部位，結(jié)構(gòu)體外露失穩(wěn)向臨空方向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致洞口的滑塌在塊狀巖體中，由于破裂結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和組合形式不同，使分離體的形態(tài)各有差異，反映在塊體的塌落規(guī)模和自行穩(wěn)定的時(shí)間上也不一樣。因此，就可以根據(jù)洞室各個(gè)部位結(jié)構(gòu)面的組合特征，去預(yù)報(bào)不穩(wěn)定塊體的形態(tài)和大小。最為常見(jiàn)的