地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

第八章地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)本章內(nèi)容：第一節(jié)圍巖壓力第二節(jié)洞室圍巖的變形與破壞第三節(jié)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析方法第四節(jié)保障地下洞室圍巖穩(wěn)定性的處理方法第五節(jié)地質(zhì)作用對(duì)公路隧道施工的影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

地下洞室泛指修建于地下巖土體內(nèi)，具有一定斷面形狀和尺寸，并有較大延伸長度的各種形式和用途的建筑。由于地應(yīng)力的存在，地下洞室開挖勢必打破原來巖（土）體的自然平衡狀態(tài)，引起地下洞室周圍一定范圍內(nèi)的巖（土）體應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生變形、位移、甚至破壞，直至出現(xiàn)新的平衡為止。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第一節(jié)圍巖壓力周圍巖體作用于隧道和地下洞室襯砌或支護(hù)上的荷載，也稱地層壓力。廣義地講，圍巖壓力是開挖隧道后圍巖變形和應(yīng)力重新分布的一種物理現(xiàn)象。人們從開挖洞穴后圍巖變形和坍塌，襯砌或支護(hù)產(chǎn)生變形和開裂等現(xiàn)象，逐步認(rèn)識(shí)到圍巖壓力的存在。影響圍巖壓力的因素有：洞室形狀或大小、地質(zhì)構(gòu)造、支護(hù)形式和剛度、洞室埋深，以及時(shí)間因素和施工方法等。圍巖壓力的性質(zhì)、大小和分布規(guī)律是正確進(jìn)行隧道和洞室支護(hù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇施工方案的重要依據(jù)。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)洞室開挖前，巖體處在相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，其中任何一點(diǎn)的巖土都受到周圍地層的擠壓，稱為初始應(yīng)力狀態(tài)或一次應(yīng)力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造應(yīng)力以及地下水流動(dòng)等因素所決定的。洞室開挖以后，解除了部分圍巖的約束，原始的應(yīng)力平衡和穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，圍巖中出現(xiàn)了應(yīng)力的重分布，進(jìn)入二次應(yīng)力狀態(tài)。圍巖向洞室內(nèi)部空間變形，并力圖達(dá)到新的平衡。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)圍巖壓力？洞室圍巖由于開挖應(yīng)力重新分布而形成塑性變形區(qū)，在一定條件下，圍巖穩(wěn)定性便可能遭到破壞，為保證洞室的穩(wěn)定，常需要進(jìn)行支護(hù)和襯砌，洞室支護(hù)和襯砌上必然受到圍巖變形與破壞的巖土體的壓力。這種由于圍巖的變形與破壞而作用于支護(hù)和襯砌上的壓力稱為圍巖壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一、圍巖應(yīng)力重新分布的一般特征圍巖應(yīng)力重分布與巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)及洞室斷面形狀等因素有關(guān)。地下開挖后由于應(yīng)力重新分布，引起洞周產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)圍巖應(yīng)力小于巖體強(qiáng)度極限（脆性巖石）或屈服極限（塑性巖石）時(shí)，洞室圍巖穩(wěn)定；當(dāng)圍巖應(yīng)力超過了巖體屈服極限時(shí)，圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，形成一個(gè)塑性松動(dòng)圈，（如圖7-2）。在此過程中，原來洞室周邊高應(yīng)力逐漸向外轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力升高區(qū)。該區(qū)巖體擠壓得緊密，由如一圈天然加固體，故稱為承載圈。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)二、圍巖壓力的類型1、松動(dòng)壓力由于開挖引起圍巖松動(dòng)或塌落的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，稱為松動(dòng)壓力。松動(dòng)壓力是因?yàn)閲鷰r個(gè)別巖石塊體的滑動(dòng)、松散圍巖以及在節(jié)理裂隙發(fā)育的裂隙巖體中，圍巖某些部位沿軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切破壞或拉張破壞等而導(dǎo)致局部滑動(dòng)引起。2、變形壓力開挖必然引起圍巖變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)為抵抗圍巖變形而承受的壓力稱為變形壓力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3、沖擊壓力在堅(jiān)硬完整巖體中，地下建筑開挖后的洞體應(yīng)力，如果是在圍巖的彈性界限之內(nèi)，則僅在開挖后的短時(shí)間內(nèi)引起彈性變形，而不致產(chǎn)生圍巖壓力。但當(dāng)建筑物埋深較大，或由于構(gòu)造作用使初始應(yīng)力很高，開挖后洞體應(yīng)力超過了圍巖的彈性界限，這些能量突然釋放所產(chǎn)生的巨大壓力，稱為沖擊壓力。4、膨脹壓力某些巖體由于遇水后體積發(fā)生膨脹，從而產(chǎn)生膨脹壓力。膨脹壓力與變形壓力的區(qū)別在于它是圍巖吸水膨脹引起的。其大小主要巖體的物理力學(xué)性質(zhì)和地下水的活動(dòng)特征等。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第二節(jié)洞室圍巖的變形與破壞洞室開挖后，地下形成了自由空間，原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于解除束縛而向洞室空間松脹變形；這種變形如果超過了圍巖所能承受的能力，便發(fā)生破壞，從母巖中分離、脫落，導(dǎo)致坍塌、滑動(dòng)、隆破和巖瀑等。洞室圍巖的變形與破壞程度，一方面取決于地下天然應(yīng)力、重力分布以及附加應(yīng)力；另一方面與巖土體的結(jié)構(gòu)以及工程地質(zhì)性質(zhì)密切相關(guān)。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一、圍巖的變形1、原因——地應(yīng)力存在；2、應(yīng)力重新分布——應(yīng)力變化——圍巖變形重新分布的圍巖應(yīng)力在未達(dá)到或超過其強(qiáng)度以前，圍巖以彈性變形為主。一般認(rèn)為，彈性變形速度快、量值小，可瞬間完成，一般不易覺察。當(dāng)應(yīng)力超過圍巖強(qiáng)度時(shí)，圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)域，甚至發(fā)生破壞，此時(shí)圍巖變形以塑性變形為主。塑性變形延續(xù)時(shí)間長、變形量大，發(fā)生壓碎、拉裂或剪破。塑性變形是圍巖變形的主要組成部分。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)如果圍巖裂隙十分明顯或者圍巖破壞嚴(yán)重時(shí)，節(jié)理間的相互錯(cuò)位、滑動(dòng)及裂隙張開或壓縮變形將會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，而巖塊本身的變形成分居次要地位。按照巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的原理，由于巖體中大小結(jié)構(gòu)面的存在，圍巖的變形都會(huì)或多或少地存在結(jié)構(gòu)面的變形。此外，由于巖石的流變效應(yīng)十分明顯，圍巖長期處于一種動(dòng)態(tài)變化的高應(yīng)力作用之中，流變也是圍巖變形不可忽略的組成部分。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)二、常見圍巖破壞類型洞室開挖后，圍巖破壞就其表現(xiàn)形式分為：洞頂坍塌、邊墻滑落和洞底隆脹。其一，圍巖應(yīng)力重新分布導(dǎo)致洞頂和兩邊中部成為最先破壞的起點(diǎn)；其二，結(jié)構(gòu)面的不同組合，形成局部切割塊體不穩(wěn)定而滑移；其三，地下洞室開挖后由于風(fēng)化作用、圍巖遇水軟化或圍巖本身強(qiáng)度較低，引起地下洞室圍巖破壞或圍巖膨脹。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)常見圍巖破壞類型有：1、洞頂坍塌——冒頂頂板塌落后的形狀與地下洞室圍巖有很大關(guān)系，它在重力作用下與圍巖母體脫離，突然塌落而形成塌落拱，絕大多數(shù)頂板坍塌與結(jié)構(gòu)面的切割有關(guān)。2、邊墻滑落邊墻的滑落與頂板坍塌情形類似，結(jié)構(gòu)面的影響是主要的，由于側(cè)圍原有的和新生的結(jié)構(gòu)面相互匯合、交截、切割，構(gòu)成一定大小、數(shù)量、性狀的分離體，當(dāng)有具備滑動(dòng)條件的桔構(gòu)面時(shí)，便向洞室滑塌。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3、洞底隆脹地下洞室開挖后底板的隆脹是很常見的，特別是在圍巖塑性變形顯著、巖性軟弱和埋深較大的地下洞室，表現(xiàn)得最明顯，有時(shí)也造成洞壁擠出現(xiàn)象。實(shí)際上，由于我們?cè)诘叵露词抑ёo(hù)中常常不支護(hù)底板，所以幾乎所有地下洞室均有不同程度的底板隆脹現(xiàn)象。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)4、巖爆洞室開挖過程中，周壁巖石有時(shí)會(huì)驟然以爆炸形式，呈透鏡體碎片或巖塊突然彈出或拋出，并發(fā)出類似射擊的啪啪聲響，這就是所謂的“巖爆”。5、圍巖破壞導(dǎo)致地面沉降在礦山開采中，地下開采常留下很大范圍的采空區(qū)，圍巖變形與破壞將會(huì)擴(kuò)展或影響波及地面，引起地面沉降。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第三節(jié)地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析方法一、影響圍巖穩(wěn)定的因素地下洞室圍巖的穩(wěn)定與巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、構(gòu)造應(yīng)力、地下水等因素有關(guān)。1、巖性堅(jiān)硬完整的巖石—穩(wěn)定；軟弱巖石—不穩(wěn)定。圍巖整體性良好，裂隙不發(fā)育的堅(jiān)硬巖石，穩(wěn)定性好。圍巖強(qiáng)度低，裂隙發(fā)育，遇水弱化，特別是具有較強(qiáng)膨脹性的圍巖等—塑性變形—不穩(wěn)定。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)2、巖體結(jié)構(gòu)塊狀結(jié)構(gòu)的巖體，其穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度和分布特點(diǎn)所控制，這時(shí)的圍巖壓力來自最不利的結(jié)構(gòu)面組合，同時(shí)與結(jié)構(gòu)面和臨空面的切割關(guān)系密切。碎裂結(jié)構(gòu)的圍巖破壞往往是由于變形過大，導(dǎo)致塊體間相互脫落，連續(xù)性被破壞而發(fā)生坍塌，或某些主要連通結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定部分整體冒落，其穩(wěn)定性最差。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3、地質(zhì)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于圍巖的穩(wěn)定性起重要作用。1）當(dāng)洞室通過軟硬相間的層狀巖體時(shí)，易在接觸面處變形或坍落；2）當(dāng)洞室通過背斜軸部時(shí)，頂圍向兩側(cè)傾斜，由于拱的作用，利于頂圍的穩(wěn)定。而向斜相反，兩側(cè)巖體傾向洞內(nèi)，并且洞頂存在張裂，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。3）當(dāng)洞室鄰近或處在斷層破碎帶時(shí)，若斷層帶寬度愈大，走向與洞室交角愈小，則其在洞內(nèi)出露越長，對(duì)圍巖穩(wěn)定隆影響越大。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)4、構(gòu)造應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力隨地下洞室的埋深增加而增大，因此一般地下洞室埋藏越深，穩(wěn)定性越差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，沿構(gòu)造應(yīng)力最大主應(yīng)力方向延伸的地下洞室比垂直最大主應(yīng)力方向延伸的地下洞室穩(wěn)定；地下洞室的最大斷面尺寸沿構(gòu)造應(yīng)力最大主應(yīng)力方向延伸時(shí)較為穩(wěn)定，這是由圍巖應(yīng)力分布決定的。一般地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的巖層中，構(gòu)造應(yīng)力十分明顯，應(yīng)盡量避開這些巖層，對(duì)地下洞室穩(wěn)定非常重要。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)5、地下水圍巖中地下水的賦存、活動(dòng)狀態(tài)，既影響著圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，又影響著圍巖的強(qiáng)度。當(dāng)洞室處于含水層中或地下洞室圍巖透水性強(qiáng)時(shí)，這些影響更為明顯。地下洞室圍巖的穩(wěn)定性，除了受上述天然因素影響外，還受到人為因素的影響。比如：開挖方法、開挖強(qiáng)度、支護(hù)方法和時(shí)間等。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)二、地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析方法1、圍巖穩(wěn)定分類法2、工程地質(zhì)類比法3、巖體結(jié)構(gòu)分析法4、數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算分析法5、模擬試驗(yàn)法地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)1、圍巖穩(wěn)定分類法圍巖穩(wěn)定分類法是以大量的工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，以穩(wěn)定性觀點(diǎn)對(duì)工程巖體進(jìn)行分類，并以分類指導(dǎo)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。圍巖穩(wěn)定分類方法很多，大體上可以分為三類：巖體完整性分類、巖體結(jié)構(gòu)分類、巖體質(zhì)量的綜合分類。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)2、工程地質(zhì)類比法就是根據(jù)大量實(shí)際資料分析統(tǒng)計(jì)和總結(jié)，按不同圍巖壓力的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，作為后建工程確定圍巖壓力的依據(jù)。這種方法是常用的傳統(tǒng)方法，適用條件：必須是兩個(gè)地下工程具有相似的工程地質(zhì)特征。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3、巖體結(jié)構(gòu)分析法（1）借助赤平極射投影法等進(jìn)行圖解分析，初步判斷巖體的穩(wěn)定性。（2）在深入研究巖體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，進(jìn)行地質(zhì)力學(xué)建模，通過有限單元法或邊界元計(jì)算，得出工程巖體穩(wěn)定性的定量指標(biāo)，判斷圍巖的穩(wěn)定性。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)4、數(shù)學(xué)力學(xué)計(jì)算分析法是較新的一種分析方法。巖體穩(wěn)定性分析正在由定性分析向定量分析方向轉(zhuǎn)變的階段。5、模擬試驗(yàn)法即在巖體結(jié)構(gòu)和巖體力學(xué)研究的基礎(chǔ)上，考慮外力作用的特點(diǎn)，通過物理模似和數(shù)學(xué)模似方法，研究巖體變形、破壞的條件和過程，由此得出巖體穩(wěn)定性的直觀結(jié)果。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第四節(jié)保障地下洞室圍巖穩(wěn)定性的處理措施從工程地質(zhì)觀點(diǎn)出發(fā)，保障地下洞室圍巖穩(wěn)定性的途徑有兩種：第一，保護(hù)地下洞室圍巖原有的強(qiáng)度和承載能力，如及時(shí)封閉圍巖以防風(fēng)化，適時(shí)襯砌阻止圍巖產(chǎn)生過大變形和松動(dòng)；第二，賦予圍巖一定的強(qiáng)度，使其穩(wěn)定性有所提高。如給圍巖注漿、封閉裂隙、用錨桿加固危巖等。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一、合理施工，盡量減少圍巖擾動(dòng)圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的施工方案。并盡可能全斷面開挖，多次開挖會(huì)損壞巖體。若地下洞室斷面較大，一次開挖成型困難時(shí)，可采用分部開挖逐步擴(kuò)大的施工方法，并根據(jù)圍巖的特征，采用不同的開挖順序以保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)二、支撐、襯砌與錨噴加固支撐是臨時(shí)性的加固洞壁的措施，襯砌是永久性的加固洞壁的措施。1、支撐按材料分為：木、鋼、混凝土支撐。2、襯砌磚、石襯砌較便宜，鋼筋混凝土、鋼板襯砌的成本較高。襯砌一定要與洞壁緊密結(jié)合，填嚴(yán)塞實(shí)其間空隙才能起到良好效果。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)3、錨噴加固即充分利用圍巖自身強(qiáng)度來達(dá)到保護(hù)圍巖并使之穩(wěn)定的目的。錨噴支護(hù)是噴射混凝土支護(hù)與錨桿支護(hù)的簡稱。其特點(diǎn)是通過加固地下洞室圍巖，提高圍巖的自承載能力來達(dá)到維護(hù)地下洞室穩(wěn)定的目的。它是近三十年來發(fā)展起來的一種新型支護(hù)方式。這種支護(hù)方法技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、質(zhì)量可靠、用途廣泛，在世界各地的礦山、鐵路、地下建筑及水利工程中得到了廣泛應(yīng)用。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（1）噴層的力學(xué)作用有兩個(gè)方面：一是：防護(hù)加固圍巖，提高圍巖強(qiáng)度。地下洞室掘進(jìn)后立即噴射混凝土，可及時(shí)封閉圍巖暴露面，隔絕水和空氣，防止圍巖因潮解風(fēng)化產(chǎn)生剝落和膨脹，防止圍巖強(qiáng)度降低。二是：改善圍巖和支架的受力狀態(tài)。含有速凝劑的混凝土噴射液，可在噴射后幾分鐘內(nèi)凝固，及時(shí)向圍巖提供支護(hù)抗力，提高圍巖強(qiáng)度。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)（2）錨桿的力學(xué)作用目前比較成熟和完善的有關(guān)錨桿的支護(hù)力學(xué)原理有：懸吊作用、減跨作用、組合作用。懸吊作用：錨桿可將不穩(wěn)定的巖層懸吊在堅(jiān)固的巖層上。減跨作用：在地下洞室頂板巖層打入錨桿，相當(dāng)于在頂板上增加了新的支點(diǎn)，使地下洞室的跨度減小，減小了頂板圍巖壓力。組合作用：在層狀巖層中打入錨桿，把若干薄巖層錨固在一起，類似于將疊置的板梁組成組合梁，從而提高頂板巖層的自支撐能力。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)4、灌漿加固在裂隙發(fā)育嚴(yán)重的巖體和極不穩(wěn)定的第四紀(jì)堆積物中開挖地下洞室，常常需要加固圍巖以增大其穩(wěn)定性，降低其滲水性。最常用的加固方法有：水泥灌漿、瀝青灌漿、水玻璃灌漿等。通過灌漿加固，可以在圍巖中大體形成一圓柱形或球形的固結(jié)層。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)第五節(jié)地質(zhì)作用對(duì)公路隧道施工的影響修建隧道可以縮短路線長度、減緩縱坡，從而提高車輛運(yùn)行速度和改善交通運(yùn)輸條件。因此，在山嶺重丘區(qū)修建高等級(jí)公路，可縮短運(yùn)營里程、改善線形及保護(hù)國土環(huán)境，昔日那種“逢山盡量繞著走”的做法，勢必將被隧道所代替。公路隧道是道路從地層內(nèi)部或水底通過而修筑的建筑物，主要由洞身與洞門組成。地下洞室圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一、地質(zhì)構(gòu)造對(duì)隧道施工的影響1、水平巖層在緩傾或水平巖層中