第七章-地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质分析概述地下洞室：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；地下式水电站洞室布置剖面示意图有压及无压隧洞一般来说，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第一节围岩应力的重分布地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力圆形洞室围岩重分布应力计算简图xr0vrzvrzhvhv洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式极角反时针；为剪应力；为质点至洞轴线的距离为隧洞半径；为切向应力；为径向应力；式中：rθ0θr220440440220220440220τrrσσ2sin231212cos31211212cos43121121θrrrrλστθrrλσrrλσσθrrrrλσrrλσσvvvθvvrrθ用弹性理论计算圆形洞室周边应力重分布2r0r02r03r04r05r06r0r011220220rvvrrrrr各种断面形状的洞体应力状态比较二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。洞室围岩应力重分布对比图第二节地下工程位置选择的工程地质评价地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。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）地形条件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。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。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时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，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、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。（二）岩性条件岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。（三）地质构造条件1．褶皱的影响褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩层完整性最差。地下洞室轴线与褶皱的关系2．断裂的影响断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏)。一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方或大量地下水涌入。因此，在选址时应尽量避开大断层。断层对地下洞室选线的影响3．岩层产状的影响(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。单斜岩层中的地下洞室(2)洞室走向与岩层走向平行在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。水平及倾斜岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室（四）地下水在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力重分布的特征，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。当应力比系数λ1/3或λ3时，围岩内将出现拉应力，压应力集中也较大，对围岩稳定不利。当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。（五）地应力第三节围岩稳定的工程地质分析•围岩稳定：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。•地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。围岩在压应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判据：(1)围岩抗压强度和抗拉强度是否适应围岩应力。分别为洞室周边围岩中的切向拉应力和切向压应力，Rt、Rb为围岩的抗拉强度和饱和抗压强度，安全系数Fs一般取2。（2）围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。K=F/T抗滑力（F）主要指可能滑动面上的摩擦力（和粘聚力）。滑动力（T）是指岩块自重、静水压力、动水压力、地震力及地应力等在可能滑动面上产生的滑动分力。理论上，当K≥1时块体稳定，但从工程安全考虑一般取安全系数等于2。sttsbFRFR//t、N