工程地質(zhì)第9章

第９章地下洞室圍巖穩(wěn)定性

地下洞室:為各種目的修建在地層內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱(chēng)為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車(chē)場(chǎng)、地下儲(chǔ)油庫(kù)、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫(kù)等。

圍巖：由開(kāi)挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地下洞室橫剖面中最大尺寸的3—5倍，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱(chēng)為“圍巖”

9.1洞室圍巖應(yīng)力重分布特征

圍巖應(yīng)力重分布的一般持點(diǎn)圍巖及圍巖內(nèi)的初始應(yīng)力場(chǎng)

圖9-2N=0.25時(shí)，圓形隧洞周邊的應(yīng)力分布

理論與實(shí)驗(yàn)表明：地下洞室圍巖應(yīng)力重分布的特點(diǎn)主要取決于洞形(橫斷面形狀)和巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。

9.2洞室圍巖的變形破壞方式9.2.1圍巖變形破壞的一般過(guò)程和特點(diǎn)

圖9-12N=1應(yīng)力場(chǎng)中圓形隧洞周邊的應(yīng)力分帶1—應(yīng)力減低了的區(qū)域;2—應(yīng)力增高了的區(qū)域;3—初始應(yīng)力未受影響的區(qū)域9.2.2脆性圍巖的變形破壞方式主要類(lèi)型：彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移、巖爆等1.彎折內(nèi)鼓

是層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。有兩種情況，一是卸荷回彈的結(jié)果，二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過(guò)薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的。

2.張裂塌落

通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞。

圖9-15N=1/3的應(yīng)力場(chǎng)中寬度比為6的坑道頂拱的冒落對(duì)頂拱應(yīng)力的影響

3.劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動(dòng)(1)劈裂剝落過(guò)大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周期性的破裂。一些平行的破裂將圍巖切割成厚度由幾厘米到幾十厘米的薄板，它們沿壁面剝落。

圖9-16美國(guó)弗吉尼亞洲皮特斯波夫煤層中

不同走向坑道圍巖的變形破壞特征

(2)剪切滑移

圖9-17滑移拉裂引起的頂拱冒落

(3)碎裂松動(dòng)

圖9-18寬高比為6應(yīng)力比值系數(shù)N=3，坑道

頂拱塌落對(duì)頂拱應(yīng)力的影響

碎裂松動(dòng)是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開(kāi)挖后，如果圍巖應(yīng)力已超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類(lèi)圍巖就會(huì)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)圈。

4.巖爆(1)巖爆的基本概念巖爆:在地下開(kāi)挖或開(kāi)采過(guò)程中，圍巖的破壞有時(shí)會(huì)突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來(lái)這就是所謂的巖爆。(2)巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機(jī)制

圖9-19方柱形巖體手力變形及應(yīng)變能的儲(chǔ)積

圖9-20易于產(chǎn)生巖爆的高變異應(yīng)力區(qū)

圖9-21由巖性條件所決定的

局部應(yīng)力集中區(qū)

圖9-22開(kāi)挖逼近斷層時(shí)易于產(chǎn)生巖爆的部位

9.2.3塑性圍巖的變形與破壞

塑性圍巖:包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體(如頁(yè)巖、泥巖和粘土巖等)和散體結(jié)構(gòu)巖體。破壞方式：塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出、重力坍塌1.塑性擠出：洞室開(kāi)挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過(guò)塑性圍巖的屈服強(qiáng)度時(shí)，軟弱的塑性物質(zhì)就會(huì)沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。

2.膨脹內(nèi)鼓：洞室開(kāi)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)果常使其些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形。

3.塑流涌出：當(dāng)開(kāi)挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)松散破碎物質(zhì)時(shí)，這上結(jié)物質(zhì)就會(huì)和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌入洞中。

4.重力坍塌：破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。

A—花崗巖的剪切破碎帶；B—頁(yè)巖中的緩傾角斷裂帶；C—富含蒙脫石的風(fēng)化火山灰；D—固結(jié)差的泥巖；E—遭剪切破壞和風(fēng)化的云母片巖；F—與巖脈相接觸的強(qiáng)蝕變細(xì)斑巖幾種發(fā)生塑性擠出的地質(zhì)條件

9.2.4采空區(qū)圍巖變形、破壞引起的地表沉陷1.采空區(qū)礦柱系統(tǒng)的累進(jìn)性破壞及采空區(qū)的冒落

圖9-24采空區(qū)礦柱系統(tǒng)示意圖

2.地表沉陷與沉陷洼地的形成

圖9-25采空區(qū)冒落引起的上復(fù)巖層

的變形與錯(cuò)動(dòng)的分帶

圖9-26下沉洼地內(nèi)壓，拉應(yīng)力的分布

圖9-27傾斜巖層中下沉洼地的特征

圖9-28與掘進(jìn)掌子面平行剖面上下沉發(fā)展

9.3洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)9.3.1影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析第一類(lèi)因素是通過(guò)圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的，主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀兩者。第二類(lèi)因素包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)圍巖的強(qiáng)度來(lái)影響洞室圍巖穩(wěn)定性的。第三類(lèi)是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強(qiáng)度的因素。這主要是巖體中地下水的賦存、活動(dòng)條件。

圖9-31地下洞室頂拱上的幾種典型結(jié)構(gòu)體

9.3.2圍巖壓力問(wèn)題1.圍壓的基本概念

設(shè)計(jì)隧道或其它地下洞室時(shí)，如果工程地質(zhì)分析與巖體力學(xué)計(jì)算的結(jié)果表明，開(kāi)挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達(dá)到這個(gè)目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相互作用，這種相互作用的力，對(duì)于支襯結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，就是所謂的圍巖壓力(或簡(jiǎn)稱(chēng)圍壓)。

2.圍壓計(jì)算

(1)松動(dòng)圍壓1）用平衡拱理論確定圍壓

(a)洞側(cè)壁穩(wěn)定；(b)洞側(cè)壁不穩(wěn)定；圖9-33用平衡拱理論求圍壓圖式b、b

—平衡拱底寬；h、h

—平衡拱高；H—洞高；

—巖石的內(nèi)摩擦角；p、p

—分別為洞側(cè)壁穩(wěn)定和不穩(wěn)定時(shí)的洞頂圍壓；E1、E2—側(cè)壁單位面積上的圍壓

計(jì)算公式為：

fk為巖石的堅(jiān)固性系數(shù)或稱(chēng)普氏系數(shù)砂性土，fk=tg

粘性土fk=tg

+c/

2）用地質(zhì)分析法確定圍壓

(a)

柱形分離體；(b)楔形分離體；(c)錐形分離體分離體類(lèi)型圖式

A：柱形分離體的圍壓計(jì)算

P0=ah

（1）

（2）（3）柱形分離體圍壓計(jì)算圖式

B：尖角形分離體的圍壓計(jì)算

h=a/(ctg

+ctg

)（1）（2）（3）（4）（5）尖角形分離體圍壓計(jì)算圖式

(2)塑性圍壓和膨脹圍壓塑性圍巖

膨脹圍壓

(3)流動(dòng)圍壓

按靜水壓力的原則來(lái)計(jì)算和評(píng)價(jià)其大小

(4)偏壓1）傍山隧道

巖堆蠕動(dòng)造成的偏壓及其處理措施圖

圖9-38高場(chǎng)山隧道襯砌變形情況

2）巖體沿軟弱斷層(圖9-39)或充填有易滑物質(zhì)裂隙蠕滑也可對(duì)位于其下洞室造成偏壓。沿軟弱巖層滑動(dòng)造成的偏壓

(5)我國(guó)鐵道部門(mén)隧道規(guī)范所建議的計(jì)算方法圍巖垂直均布?jí)毫Π聪率接?jì)算：P=0.45

2S

—寬度影響系數(shù)。=1+i(B-5)

1）H/B<1.7(H為隧道的高度)；

2）深埋隧道；

3）不產(chǎn)生顯著偏壓及膨漲壓力的一般圍巖；

4）采用一般隧道施工法的隧道；

圍巖類(lèi)別ⅠⅡⅢⅣⅥ~Ⅴ水平均布?jí)毫?(0~1/6)P(1/6~1/3)P(1/3~1/2)P(1/2~1)P圍巖水平均布?jí)毫?/p>

（6）我國(guó)水電部門(mén)水工隧洞設(shè)計(jì)暫行規(guī)范所建議的方法

建議用下式計(jì)算山壓：P=Sy

B(1)q=Sx

H(2)巖石堅(jiān)硬程度代表的巖石名稱(chēng)節(jié)理裂隙多少或風(fēng)化程度山壓系數(shù)SySx堅(jiān)硬巖石石英巖、花崗巖、流紋斑巖、安山巖、玄武巖、厚層硅質(zhì)灰?guī)r等節(jié)理裂隙少，新鮮節(jié)理裂隙不太發(fā)育，微風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化0-0.050.05-10.1-0.2———中等堅(jiān)硬巖石砂巖、石灰?guī)r、白云巖、礫巖等節(jié)理裂隙少，新鮮節(jié)理裂隙不太發(fā)育，微風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化0.05-0.10.1-0.20.2-0.3——0-0.05軟弱巖石砂頁(yè)巖互層、粘土質(zhì)7巖石、致密的泥灰?guī)r等節(jié)理裂隙少，新鮮節(jié)理裂隙不太發(fā)育，微風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化0.1-0.20.2-0.30.3-0.5—0-0.050.05-0.1松軟巖石嚴(yán)重風(fēng)化及十分破碎的巖石、斷層破碎帶等

0.3-0.7或更大0.05-0.5或更大

9.4洞室圍巖失穩(wěn)的防治措施

常用的支襯結(jié)構(gòu)有支撐、襯砌、錨桿支護(hù)以及“錨桿—噴射混凝土”聯(lián)合支護(hù)等類(lèi)型。