第十三章地下洞室的工程地质研究.

第一节概述第二节洞室围岩应力的重分及布变形与破坏特征第三节洞室位置选择的工程地质评价第四节地下洞室围岩稳定性的工程地质分析第五节隧道施工的工程地质问题及提高围岩稳定性的措施1.定义：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，统称为地下建筑。2.地下工程的特征：开挖前处于应力平衡状态，开挖后洞室周围的岩体发生卸荷回弹和应力重分布，可能因此发生变形和破坏。3.研究意义：正确估计围岩应力和岩体强度，及时合理地对地下工程进行维护，是保证地下工程安全、经济地修建和运营的前提。一、地下洞室围岩重分布应力（一）基本概念（二）弹性围岩重分布应力（三）塑性围岩重分布应力1、围岩松动圈与承载圈2、松动圈与承载圈的应用二、洞室围岩变形破坏的类型和特点+洞室开挖之前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为原岩应力场或初始应力场；硐室开挖后破坏了这种平衡。地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起的天然应力大小、方向和性质改变的作用称为应力重分布；经应力重分布作用后形成的新的应力状态，称为重分布应力状态。+通常将洞室周围发生应力重分布的这一部分岩体叫做地下洞室围岩（简称围岩），狭义上，围岩常指硐室周围受到开挖影响，大体相当于地下硐室宽度或平均直径的3~5倍范围内的岩土体。式中：r0---洞室半径r---自洞中心算起的径向距离θ---自水平轴算起的极坐标中的角度Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=γHPh=λγH(H为洞室平均埋深)σr、σθ---分别为径向应力和切向应力；τrθ---剪应力r02r04r06r0Ph2Ph应力σθσr距离埋深大于20r0洞室开挖后由于应力的重分布，将使洞室周围产生应力集中现象。当周边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中、原来洞室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区。该区岩体被挤压紧密，宛如天然加固的岩体，故称承载区。应当指出，如果岩体非常软弱或处于朔性状态地，则洞空开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，自然承载圈很难形成。在这种情况下，岩体始终处于不稳定状态，开挖洞室十分困难。如果岩体坚硬完整，则洞室围岩始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈。塑性松动圈弹性承载圈原岩应力区1、松动圈，可以确定山岩的压力的大小，并借以确定隧洞支护或趁砌的设计要求。2、承载圈，可以承受上覆岩体的自重以及侧向地应力的附加荷载，在设计支衬时，应当充分发挥围岩的自承能力，既尽量利用围岩支衬代替人工支衬，这样就可以节省设计费用和提高施工速度。3、松动圈和承载圈不是固定不变的，而是随地质条件和时间而变化；同时与施工方法和速度密切相关，其中关键是确定松动圈。在生产实践中。确定洞室围岩松动圈的范围是非得重要的。因为松动圈一旦形成，围岩就会坍塌或向洞内产生大量的塑性变形，要维持围岩稳定就要进行支撑或衬砌洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间发生松胀变形。这种变形超过了围岩本身所能承受的能力、便发生破坏。脆性岩石的变形破坏的方式包括张裂坍落、劈裂、剪切滑动、岩爆弯折内鼓等；塑性岩石的变形破坏包括挤出、膨胀、涌流和坍塌等围岩变形和破坏失稳的形式，除与岩体内的初始应力状态及洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构特征。1、完整结构岩体的变形破坏特征2、层状结构岩体的变形破坏特征3、块断结构岩体的变形破坏特征4、碎裂结构岩体的变形破坏特征5、散体结构岩体的变形破坏特征+坚硬完整岩体的强度高、稳定性好,其变形和破坏可根据弹性理论计算。该类岩体在高地应力区，洞室开挖后可能产生岩爆现象。+岩爆系指在地下开挖过程中，围岩突然以爆炸形式表现出来的破坏现象。+岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体（高强度、结构完整的脆性岩体）的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触发则是其产生的外因。附加荷载主要包括两个方面：一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所造成的弹性振荡；一是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。+这类岩体破坏形式主要有：沿层面张裂、弯曲内鼓、折断塌落等。层状围岩变形破坏特征（a）水平层状岩体；（b）倾斜层状岩体；（c）直立层状岩体1—设计断面轮廓线；2—破坏区；3—崩塌；4—滑动；5—弯曲、张裂及折断+这类结构围岩的变形破坏，主要表现为沿结构面的滑移掉块。坚硬块状岩体中的块体滑移图1—层面；2—断裂；3—裂隙+碎裂岩体是指断层、褶曲、岩脉穿插挤压和风化破碎加次生夹泥的岩体。这类围岩的变形破坏形式常表现为塌方和滑动（图）。破坏规模和特征主要取决于岩体的破碎程度和含泥多少。在夹泥少、以岩块刚性接触为主的碎裂围岩中，由于变形时岩块互相镶嵌挤压，错动时将产生一定阻力，因而不易大规模塌方。相反，当夹泥量很高时，由于岩块间失去刚性接触，则易产生大规模塌方，如不及时支护，将愈演愈烈，直至冒顶。(5)松散状岩体是指强烈构造破碎和强烈风化的岩体或新近堆积的土体。这类围岩的力学属性表现为弹塑性、塑性或流变性。其变形破坏形式以拱形冒落为主。当围岩结构均匀时，冒落拱形状较为规则（图（a））。但当围岩结构不均匀或松软岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等形式（图（b）、（c）、（d））。松散围岩变形破坏形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏压；（c）侧鼓；（d)底鼓一、地形地貌条件二、地层延性条件三、地质构造条件四、地下水五、地应力和岩爆水电资源大多数位于高山峡谷地区,岸坡陡峭,河谷狭窄,流量较大。受地形条件的制约,往往需要将发电机群设置在地下洞室中,而地下洞室位置的选择关系到地下工程的成败与否,一旦选择不当,工程代价巨大。因此很有必要进行地下厂房方案的比较选择。大跨度、高边墙的地下厂房系统必然会遇到复杂的地质条件和大量的工程地质问题,其中最受关注的是围岩稳定问题。1.隧洞选线时应注意利用地形，方便施工。在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。在山区开凿隧洞一般只有进口和出口两个工作面，如洞线长则将延长工期，影响效益。为此在选线时，应充分利用沟谷地形，多开施工导洞，或分段开挖以增加工作面。水工隧洞的选线。应尽量采取直线，避免或减少曲线和弯道。如采用曲线布置，根据现行规范要求，洞线转弯角应大于60°，曲率半径不小于5倍洞径。此外，隧洞进出口位置的地形地貌条件也很重要。隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。2.洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴谷口等易受水流冲刷的地段。在地貌上应避开滑坡、崩塌、泥石流等不良自然现象，以及山麓堆积，坡积、崩积及洪积物等四纪松散沉积物。1.地层与岩性条件的好坏直接影响隧洞的稳定性。在洞线选择时，应分析沿线地层的分布和各种岩石的工程地质。岩性比较坚硬、完整，力学性能较好且风化轻微者，对围岩稳定性有利；而那些易于软化，泥化和溶蚀的岩体及膨胀和塑性岩体，则不利于围岩稳定。因此，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。一般在坚硬完整岩层中掘进，围岩稳定，日进尺快，造价低，在软弱、破碎、松散岩层中掘进，顶板易坍塌，边墙及底板易产生鼓胀挤出变形等事故，须边掘进边支护，工期长，造价高。1.地质构造是控制岩体完整性及渗透性的重要因素。选址时应尽量避开地质构造复杂的地段，否则会给施工带来困难。2.一、褶皱的影响3.褶皱构造对工程的影响程度与工程类型及褶皱类型、褶皱部位密切相关，对于某一具体工程来说，所遇到的褶皱构造往往是其中的一部分，因此褶皱构造的工程地质评价应根据具体情况作具体的分析。在褶皱的翼部主要是单斜构造中倾斜岩层引起的顺层滑坡问题。倾斜岩层作为建筑物地基时，一般无特殊不良的影响，但对于深路堑、高切坡及隧道工程等则有影响。对于深路堑、高切坡来说，当路线垂直岩层走向，或路线与岩层走向平行但岩层倾向与边坡倾向相反时形成反向坡，就岩层产状与路线走向的关系而言，对边坡的稳定性是有利的；当路线与岩层走向平行且岩层倾向与边坡倾向一致时形成顺向坡，稳定性较差，特别是当边坡倾角大于岩层倾角时且有软弱岩层分布在其中时，稳定性最差。对于隧道工程来说，从褶皱的翼部通过一般较为有利。如果中间有软弱岩层或软弱结构面时，则在顺倾向一侧的洞壁，有时会出现明显的偏压现象，甚至会导致支护结构的破坏，发生局部坍塌。一.地下水对地下工程的影响主要表现为：二.1、产生静水压力作用于洞室衬砌，增加支护结构上的压力，造成洞室围岩沿软弱结构面滑动，造成洞室变形、失稳、地下水还会产生渗漏、泉涌，影响地下工程正常使用。2、地下水使岩土软化，强度降低；使围岩中软弱夹层泥化，减小层间阻力；还会使某些岩土（如石膏、岩盐、高岭土等）产生溶解、膨胀，造成洞室变形。3、造成地下工程施工中产生涌水、流砂、涌泥等现象，引起洞室变形、塌方和冲溃，甚至淹没和堵塞洞室。砂、水混合物涌入洞室，常常造成严重事故，影响地下工程的施工和地下建筑物的使用。1.在漫长的地质年代里，由于地质构造运动等原因使地壳物质产生了内应力效应，这种应力称为地应力，它是地壳应力的统称。地应力是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力，广义上也指地球体内的应力。它包括由地热﹑重力﹑地球自转速度变化及其他因素产生的应力。2.岩爆，也称冲击地压，它是一种岩体中聚积的弹性变形势能一定条件下的突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的震级，烈度达7一8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。岩爆可瞬间突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。一、山岩压力和弹性抗力的概念及其确定方法（一）围岩的山岩压力1、山岩压力的概念2、山岩压力的类型3、山岩压力的确定方法（二）围岩的弹性抗力1、弹性抗力的概念2、弹性抗力系数的确定方法二、围岩工程地质分类及其应用是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用于支护或衬砌上的力，也称围岩压力。山岩压力与围岩应力区别围岩应力是单位面积上的围岩内力，而山岩压力是作用在支护或衬砌上的外力。+（1）松动山压：由围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等引起；仅限于围岩松动塌落的局部范围，以重力形式作用于衬砌上。+（2）变形山压：是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力，有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等；+（3）冲击山压：是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。3.松动山岩压力的确定方法—普氏压力拱理论kkkfhhParctan245tan2h2121h+围岩压力系数法+块体极限平衡法+声波测定法1、弹性抗力概念对有压隧洞，存在一个很高的内水压力，迫使衬砌向围岩方向变形，而围岩将产生一个反力来阻止衬砌的变形，把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。其大小用弹性抗力系数表示。围岩视为弹性体，对圆形洞，K值表达式显然，K与洞半径有关，工程上为便于比较，采用洞径1m(100cm)时的弹性抗力系数，作为单位弹性抗力系数K0。2、弹性抗力系数的确定方法弹性抗力系数物理意义：使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值越大，说明围岩承受内水压力的能力越大，即围岩抗力越大，越有利于衬砌的稳定。+国内外现有的围岩分级方法有定性、定量、定性与定量相结合3种方法，且多以前两种方法为主。+定性分级的做法是，在现场对影响岩体质量的诸因素进行定性描述、鉴别、判断，或对主要因素作出评判、打分，有的还引入部分量化