地下洞室的工程地质问题.

第六章地下洞室的工程地质问题第一节概述第二节洞室位置的选择第三节洞室围岩压力(了解)第四节洞室围岩的破坏形式第五节洞室围岩稳定性因素的分析第六节保障洞室围岩稳定性的措施（重点）第七节岩体的工程分类一、定义地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等；地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷道、地下输水隧洞等；地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；第一节概述一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如下方面：１．在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身岩体的稳定）。２．在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外，还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题，这些问题有：（1）洞室四周岩体的围岩压力的评价（即岩体本身对衬砌支护的压力评价）；（2）岩体内地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护的压力）；（3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固措施；围岩：地下洞室周围的围岩土体。即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例见下表地铁塌方事故：北京：2007年3月28日海淀南路地铁10号线工程塌方，6名施工者被埋；广州：2008年1月17日，珠江大桥引桥下双桥路旁边花圃内地面突然下陷；深圳：2008年4月1日，龙岗区地铁3号线工地施工时发生坍塌，造成3死2伤。工程及桩号塌方段的地质特点塌方情况例号河南伊河某水库泻洪隧洞0+170—0+180玄武岩中。洞顶有缓倾的夹泥软弱结构面，与其他陡倾角的结构面相互切割成楔形体，且有水沿结构面下滴每当开挖使软弱结构面暴露时，洞顶软弱结构面以下岩体立即坍落。前后共发生过四次10+405—0+415洞顶有一走向平行洞轴、倾角25°的煌斑岩脉，由洞顶左侧倾向右侧，并于右拱脚出露，为平行洞身的陡立小断层切割，构成平卧楔形体一次放炮后岩体突然塌落20m，坍落后顶拱又处于稳定状态20+370—0+380该段处于断层破碎带中，整个边墙为红色断层泥与强烈破碎的玄武岩组成，并有地下水流出，断层带的松散破碎物质处于饱水状态，高10m的边墙很难保持稳定采取特殊措施后保证了稳定3福建某工程导流隧洞A+40—A+160洞顶为缓倾角（8°—20°）夹泥节理切割成薄板状且与另一陡倾角充水夹泥石英脉破碎带交切，组合成不稳定的楔形体施工开挖拱脚后，使两侧岩体失去下部支撑。前后塌方四次，总方量达400—500m34永定河某水电站压力引水隧洞0+703—0+716硅质灰岩与玢岩中，裂隙十分发育，且有与洞线近直交的F68和F67两断层切割。F67充填有玢岩风化物和亚粘土，F68夹有断层泥，沿F67地下水集中渗流隧洞开挖至F67时发生坍塌，并有水涌出，总塌方量约600余方51+711—1+714破碎玢岩，裂隙很发育，三组与洞线近直交、平行和斜交的陡倾角裂隙，一组与洞线近平行的缓倾角裂隙，相互切割拆除木支撑后未及时衬砌好而产生塌方63+468—3+481霏细岩，发育有两条相距4m、倾向相反的断层，组成楔形体。断层充填物为粘土及碎石，并有滴水木支撑拆除后扩大洞径，正值雨季，断层带涌水量增大，物质软化产生塌方，约500m377+154—7+157页岩与玢岩交界带，为断层接触，破碎带宽约20余m，页岩风化破碎成粉土状开挖过程中不断掉块，后因遇到小窑洞暂时停工，由于未对已开挖段进行支撑加固，导致大塌方8甘肃某工程导流隧洞进口段靠近背斜轴部，断裂发育，风化破碎多次发生顶拱坍塌，后改明挖90+095—0+110充水夹泥断裂发育，多组交切构成不稳定体塌方10福建某二级引水隧洞的一段北西向近直立的大断层在洞内出露，宽约50余m，其中十余条岩脉穿插，节理发育，风化严重，且地下水活动施工中不断发生塌方，大者计四次，最终冒顶、80m岩层全部塌落，地表陷落3—5m11模式口引水隧洞进口段微风化至强风化的辉绿岩，处于断层带内，风化节理甚发育，充填粘土，水的活动剧烈钢支撑后仍产生塌方，将架立的钢支架全部压垮，自洞顶至地表20m岩层全部坍塌，塌方量达1000m312二、分类成因人工洞室天然洞室过水洞室不过水洞室有压洞室无压洞室第二节洞室位置的选择一、地下工程总体位置的选择在进行地下工程总体位置选择时，首先要考虑区域稳定性，此项工作的进行主要是向有关部门收集当地的有关地震、区域地质构造史及现代构造运动等资料，进行综合地质分析和评价。特别是对于区域性深大断裂交会处，近期活动断层和现代构造运动较为强烈的地段，尤其要引起注意。一般认为，具备下列条件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，历史上地震烈度及震级不高，无毁灭性地震；2.区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过，附近没有发震构造；3.第四纪以来没有明显的构造活动。区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置选定后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想的建洞山体具有以下条件：1.在区域稳定性评价基础上，将洞室选择在安全可靠的地段；2.建洞区构造简单，岩层厚且产状平缓，构造裂隙间距大、组数少，无影响整个山体稳定的断裂带；3.岩体完整，成层稳定，且具有较厚的单一的坚硬或中等坚硬的地层，岩体结构强度不仅能抵抗静力荷载，而且能抵抗冲击荷载；地形完整，山体受地表水切割破坏少，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。4.岩溶很不发育，山体在满足进洞生产面积的同时，具有较厚的洞体顶板厚度作为防护地层；地下水影响小，水质满足建厂要求；5.无有害气体及异常地热；二、洞口选择的工程地质条件洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的地形及岩性、洞口底的标高、洞口的方向等问题。至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位置和洞室的平面形状。（一）洞口的地形和地质条件洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于30°），岩层完整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以免切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。（二）洞口底标高的选择洞口底的标高一般应高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室；（三）洞口边坡的物理地质现象在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现象调查清楚。洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要的损失。三、洞室轴线选择的工程地质条件洞室轴线的选择主要是由地层岩性、岩层产状、地质构造以及水文地质条件等方面综合分析来考虑确定。（一）布置洞室的岩性要求洞室工程的布置对岩性的要求是：尽可能使地层岩性均一，层位稳定，整体性强，风化轻微，抗压与抗剪强度较大的岩层中通过。一般说来，举凡没有经受剧烈风化及构造运动影响的大多数岩层都适宜修建地下工程。（二）地质构造与洞室轴线的关系下面进一步分析有关洞室轴线与岩层产状要素以及与地质构造的关系。1．当洞室轴线平行于岩层走向时，根据岩层产状要素和厚度不同大体有如下三种情况：（ｌ）在水平岩层中（岩层倾角＜5°～10°），若岩层薄，彼此之间联结性差，又属不同性质的岩层，在开挖洞室（特别是大跨度的洞室）时，常常发生塌顶，因为此时洞顶岩层的作用如同过梁，（1、过梁：可分为砖拱过梁、钢筋砖过梁和钢筋混凝土过梁三种。主要设置在墙体上开设门窗等洞的上方，承受洞口上部的荷载。）它很容易由于层间的拉应力到达极限强度而导致破坏。如果水平岩层具有各个方向的裂隙，则常常造成洞室大面积的坍塌。因此，在选择洞室位置时，最好选在层间联结紧密、厚度大（即大于洞室高度二倍以上者）不透水、裂隙不发育，又无断裂破碎带的水平岩体部位，这样对于修建洞室是有利的（图8-12）。（２）在倾斜岩层中，一般说来是不利的，因为此时岩层完全被洞室切割，若岩层间缺乏紧密联结，又有几组裂隙切割，则在洞室两侧边墙所受的侧压力不一致，容易造成洞室边墙的变形（图8-13）。（３）在近似直立的岩层中，一定要注意不能把洞室选在软硬岩层的分界线上（图8-14）。特别要注意不能将洞室置于直立岩层厚度与洞室跨度相等或小于跨度的地层内（图8-15）。因为地层岩性不一样，在地下水作用下更易促使洞顶岩层向下滑动，破坏洞室，并给施工造成困难。２．当洞室轴线与岩层走向垂直正交时，为较好的洞室布置方案。（１）当岩层倾角较陡，各岩层可不需依靠相互间的内聚力联结而能完全稳定。因此，若岩性均一，结构致密，各岩层间联结紧密，节理裂隙不发育。在这些岩层中开挖地下工程最好（图8-16）。（２）当岩层倾角较平缓，洞室轴线与岩层倾斜的夹角较小，若岩性又属于非均质的、垂直或外交层面节理裂隙又发育时，在洞顶就容易发生局部石块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形特征（图8-17）。３．洞室轴线穿过褶曲地层时，一般洞室轴线穿越褶曲地层时可遇到以下几种情况：（ｌ）洞室横穿向斜层。在向斜的轴部有时可遇到大量地下水的威胁和洞室顶板岩块崩落的危险。因轴部的岩层遭到挤压破碎常呈上窄下宽的楔形石块（图8-18），组成倒拱形，因而使其轴部岩层压力增加，洞顶岩块最容易突然地坍落到洞室。另外，由于轴部岩层破碎又弯曲呈盆形，在这些地带往往是自流水储存的场所。（图8-19）。（２）洞室轴线横穿背斜层。由于背斜呈上拱形。岩层被破碎如石砌的拱形结构，能很好的将上覆岩层的荷重传递到两侧岩体中去。因而地层压力既小又较少发生洞室顶部塌坍的事故。但是应注意若岩层受到剧烈的动力作用被压碎，则顶板破碎岩层容易产生小规模掉块。因此，当洞室穿过背斜层也必须进行支撑和衬砌（图8-20）。第三节洞室围岩压力一、天然地应力1、自重应力2、构造应力二、洞室围岩二次应力1、轴对称圆形洞室围岩二次应力2、圆形洞室时的情况3、椭圆形洞室、等应力轴比4、非圆形断面洞室的弹性应力分布特征三、有塑性区产生的围岩应力分布四、围岩压力的确定1、围岩压力的形成2、影响围岩压力的因素（1）洞室的形状和大小（2）地质构造（3）支护的形式和刚度（4）洞室深度（5）时间（6）施工方法（1）普室压力拱法（2）太沙基理论4、变形压力的计算第四节洞室围岩的破坏形式一、冒顶二、侧壁滑塌与内鼓三、底鼓及径缩四、岩爆五、局部破坏六、围岩破坏导致的地面沉降1、塌落带2、裂隙带3、弯曲带第五节洞室围岩稳定性因素分析一、围岩稳定的概念围岩稳定是指在一定时间内、在一定的地质力和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。影响因素（一）岩石特性（二）地质构造（三）岩体结构（四）地下水与岩溶（五）构造应力（六）洞室跨度（七）开挖方式（八）支护方式（九）支护时间第六节保障洞室围岩稳定性的措施围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义；隧洞的开挖方式，基本上有两种：一种是全断面开挖法；另一种是导洞开挖法。全断面开挖法一般适用于围岩很稳定，无塌方掉石的地区。对岩石稍差但断面尺寸较小的中小型隧洞亦可全断面开挖。导洞开挖法适用于断面较大，岩体又不太稳定的地质条件。为了防止塌方冒顶事故，可缩小断面，先打导洞，然后分块完成施工断面。两方面保证一、尽量保护围岩原有稳定性二、赋予围岩一定的强度，提高其稳定性。一、合理施工原则：尽量减少对围岩的扰动，及时封闭围岩，设置支护结构。对于大断面的洞室，可采取分段开挖1、上导洞施工法（围岩稳定性最差）导洞开挖法当围岩不太稳定，顶围易塌时，应在洞室最大断面的上部先挖导洞立即支撑，达到要求的轮廓作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。即先拱后墙的办法。2、单侧导洞施工法当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、即先墙后拱的方法，或称为核心