8地下洞室工程地质

第七章地下洞室工程地质—考试大纲熟练掌握地下洞室选线（址）的工程地质要求。熟练掌握常用的围岩分类方法及其适用性，特别是《水利水电工程地质勘察规范》GB50287推荐的分类方法。熟练掌握影响围岩稳定性的地形地质因素及围岩稳定性评价方法。了解地下洞室超前预报方法、支护加固处理措施及适用条件。了解地下洞室围岩的主要监测内容和布置原则。第七章地下洞室工程地质—选线要求1、地形——地形完整、山体稳定，无深切冲沟等，无滑坡、塌方等不良地质现象。2、岩性——地下洞室应尽量避开岩性条件差的围岩，使洞身置于坚硬完整的岩体中。3、地质构造——洞室应选在岩体结构完整、地质构造简单的地段，尽量避开大的构造破碎带。洞室轴线宜与构造线、岩层走向垂直或大角度相交。第七章地下洞室工程地质—选线要求4、地下水——应尽量将洞室置于非含水岩层中或地下水位以上，或采取地下排水措施，避免或减少渗透压力对围岩稳定的影响。5、地应力——洞室轴线布置最好与最大主应力方向平行或以小夹角相交。洞室围岩上覆岩体最小厚度的确定洞室上覆围岩最小厚度与洞径、岩体完整性及岩石强度有关。根据工程经验，无压隧洞上覆岩体最小厚度与洞径（B）的关系如下：坚硬岩石（1.0~1.5）B中硬岩石（1.5~2.0）B软弱岩石（2.0~3.0）B对于高内水压力洞段，上覆岩体及侧向岩体厚度要满足上抬理论。上抬理论假定围岩的承载能力完全由岩体的覆盖厚度决定，而不考虑构造应力场及洞径大小等因素。经验准则：有压隧洞必须有足够厚度的上覆岩体，并具有承受内水压力的能力。水工隧洞设计规范规定上覆岩体“按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定”即：式中h—计算点上的上覆岩体的厚度；p—计算点的内水压力；其余两项分别为水和岩石的密度。rph第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法常用的围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法普氏分类法中科院地质所围岩分类挪威的Q系统分类法地质力学分类法（RMR）新奥法第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法（普氏）式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpaf≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱（详见下表）。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。10cRf普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。普氏围岩分类表分级坚硬程度主要岩性坚固系数fⅠ极坚硬石英岩、玄武岩20Ⅱ很坚硬花岗岩、石英斑岩、石英砂岩15Ⅲ坚硬很硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩10~8Ⅳ相当坚硬砂岩、片岩6~5Ⅴ普通很硬的砂岩、片岩和石灰岩、泥灰岩4~3Ⅵ相当软泥灰岩、软片岩、白垩、石膏3~2Ⅶ软岩密实岩土、粘壤土、砂砾1~0.8Ⅷ土质地层耕植土、泥炭、湿砂0.6Ⅸ散粒岩体砂、湿砾、松散土0.5Ⅹ流砂流砂、沼泽土、含水黄土0.3第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法基础判据——控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分，限定判据——围岩强度应力比S提出了相应的支护类型。围岩稳定性常分为Ⅴ类：稳定、基本稳定、局部稳定性差、不稳定和极不稳定。第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法围岩类别围岩稳定性围岩总评分T围岩强度应力比S支护类型Ⅰ稳定。围岩可长期稳定，一般无不稳定块体T＞85＞4不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土。大跨度时，喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。Ⅱ基本稳定。围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块85≥T＞65＞4Ⅲ局部稳定性差。围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产65≥T＞45＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为20~25m时，并浇筑混凝土衬砌。Ⅳ不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。45≥T＞25＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌。Ⅴ极不稳定。围岩不能自稳，变形破坏严重。T＜25第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法1、注意围岩类别与围岩强度应力比S的关系。即Ⅰ类与Ⅴ类围岩与s无关，Ⅱ类、Ⅲ类与Ⅳ围岩有关，需要根据S值进行调整2、应熟记S=Rb×Kv/σm公式及各个符号的含义3、赋值内插法。抗压强度、完整性系数、地下水的赋值为范围值，要用内插法赋值。以抗压强度为例。对于坚硬岩，抗压强度大于100MPa时为30分，大于60MPa时为20分，如某第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法岩石饱和抗压强度为80MPa，则（80-60）/（A-20）=（100-60）/（30-20）则A=25。4、注意各赋分表下面的注解内容。5、各赋分表及分类标准见P804~805。第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法中科院地质所围岩分类——以岩体结构为基础建立的分类标准。岩体结构类型共分为4类12亚类；从破坏机制、变形过程、分析方法、施工方法、稳定性评价和支护等方面，分别区分各类岩体的质量。详见P807表7-4-7挪威的Q系统分类法Barton等人依据200个工程实例，于1974年提出的，国际上应用较普遍。是一种较方便、较切合实际的分类方法。依据岩芯的岩石质量指标、节理组数、最脆弱的节理的粗糙度系数及其蚀变程度或填充情况、裂隙水的折减系数和应力折减系数等六个因子计算围岩的Q值，并依据Q值将围岩分为9级。巴顿岩体质量（Q）分类表达式SRFJJJJRQDQwarn式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。巴顿岩体质量（Q）分类——节理组数影响（Jn)取值巴顿岩体质量（Q）分类——节理粗糙度影响（Jr)取值巴顿岩体质量（Q）分类——节理蚀变程度影响（Ja)取值巴顿岩体质量（Q）分类——裂隙水影响（Ja)取值巴顿岩体质量（Q）分类——地应力影响（SRF)取值：根据围岩性质、结构特征、节理性质、地下水及隧洞埋深等因素估计其应力状态。围岩初始应力越高、SRF取值越大。经验数据：脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石：SRF=10~20坚硬、有单一剪切带的岩石：SRF=2.5地下开挖当量直径：ESRDr巷道支护比跨度、直径或高度根据Q值，可将岩体分为9类，如图：Q分类法考虑的地质因素较全面，而且把定性分析与定量评价结合起来了，软硬岩均适用，在处理极软弱的岩层中推荐采用此分类法。宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)在大量实测统计的基础上，发现Q值与RMR值之间具有如下条件关系：44ln9QRMRQ分类的优点：考虑因素相对全面适用于各种岩石（软、硬）Q分类的缺点：没有考虑节理方位（怕失去简单的特点，影响通用性）宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即：654321RRRRRRRMR（1）对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标（Mpa）岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值10250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用10（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~5025评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）31~30.3~10.05~0.30.05评分值302520105（4）对于节理状态的岩体评分值R4说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度5mm的断层泥充填的张开节理;张开度5mm的节理，延伸超过数米0（5）取决于地下水状态的岩体评分值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15100.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水41250.5有严重地下水问题，流水0（6）节理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25（7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般根据总分确定岩体分级654321RRRRRRRMR类别岩体描述岩体评分值RMRⅠ很好81~100Ⅱ好61~80Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的内聚力(kPa)400300~400200~300100~200100岩体内摩擦角450350~450250~350150~250150该分类法已得到比较广泛的应用。地质力学分类法（RMR）适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。分类表中给出了围岩的抗剪强度指标。岩体变形模量经验公式)(104010GpaERMRm第七章地下洞室工程地质—影响稳定因素影响围岩稳定性的因素地形地貌条件——冲沟、进出口段、破碎地形等。岩体结构——是影响围岩稳定性的重要因素之一，包括地层岩性、地质构造等。岩体应力——岩体应力的大小和方向是地下建筑物稳定的重要因素。地下水——地下水的存在及其活动，常常使围岩的稳定性恶化工程因素——洞室形状、大小，洞群间距，施工方法，开挖顺序。第七章地下洞室工程地质—围岩失稳型式围岩失稳的常见型式滑动与塌落——块状或中厚层状岩体、构造控制。弯曲与折断——层状岩体，特别是薄层状的软硬互层岩体。松动脱落——碎裂岩体、断层带等。变形与膨胀——深埋隧洞的软岩、破碎带，膨胀岩洞段。岩爆——硬脆岩体，高地应力。如有地下水，将加剧上述前四种破坏。岩爆与地下水不同时发生。第七章地下洞室工程地质—地应力地应力及其种类地应力一般是指地壳岩体天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。按不同的起源可分为自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。第七章地下洞室工程地质—地应力自重应力1、由岩体自重产生的应力，其垂直应力σZ与水平应力σx与σy分别为：式中：ρ为岩石的密度；g为重力加速度；h为上覆岩体的厚度；γ为泊松比；λ为侧压力系数。zzyxghz1第七章地下洞室工程地质—地应力自重应力2、一般来说，坚硬岩石的泊松比0.2~0.3，侧压力系数0.25~0.43，因而地壳岩体的自重应力其垂直应力总是大于水平应力，但地壳深部，岩体在上覆岩层的较大荷载长期作用下，或者当浅部岩石比较软弱的情况下，侧压力系数接近0.5，这时水平应力接近于垂直应力。大量实测资料表明，不少地区的地应力往往是水平应力大于垂直应力，这说明地应力的来源还有其他方面的因素。第七章地下洞室工程地质—地应力构造应