地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)

7.3

山巖壓力與彈性抗力7.2

圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析7.1地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評價7.5

提高圍巖穩(wěn)定性的措施7.4圍巖工程地質(zhì)分類第七章地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究

思考與作業(yè)為各種目的修建在地層之內(nèi)的通道或空洞。包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫等。地下洞室大型古地下工程地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，需要考慮圍巖的穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等因素的影響。

理想的建洞山體應(yīng)具備以下條件：

1)建洞區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層厚、節(jié)理組數(shù)少，間距大，無影響整個山捧穩(wěn)定的斷裂帶；

2)巖體堅(jiān)硬完整；

3)地形完整，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。無巖溶或巖溶很不發(fā)育；

4)地下水影響??；

5)無有害氣體和異常地?zé)帷?.1地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評價地下洞室選址影響地質(zhì)因素：地形條件（geographicconditions）巖性條件（rockandsoilengineeringcharacters）地質(zhì)構(gòu)造條件（geologecalstructureconditions）褶皺(fold)

斷裂(fault)巖層產(chǎn)狀（attitudeoflayer）地下水（水文地質(zhì)hydrogeologicalconditions）地應(yīng)力（naturalstress）隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌等現(xiàn)象存在。洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口邊坡的安全。在地形陡的高邊坡開挖洞口時，應(yīng)不削坡或少削坡即進(jìn)洞，必要時可做人工洞口先行進(jìn)洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。隧洞進(jìn)出口不應(yīng)選在排水困難的低洼處，也不應(yīng)選在沖溝、傍河山嘴及谷口等易受水流沖刷的地段。地形條件在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。隧洞選線利用溝谷示意圖巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一，洞室位置應(yīng)盡量選在堅(jiān)硬完整巖石中。巖漿巖、厚層堅(jiān)硬的沉積巖及變質(zhì)巖，圍巖的穩(wěn)定性好，適于修建大型的地下工程。凝灰?guī)r、粘土巖、頁巖、膠結(jié)不好的砂礫巖、千枚巖及某些片巖，穩(wěn)定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎巖石穩(wěn)定性極差，選址時應(yīng)盡量避開。此外，巖層的組合特征對圍巖穩(wěn)定也有重要影響。一般軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。均質(zhì)厚層及塊狀巖體穩(wěn)定性好。巖性條件地質(zhì)構(gòu)造是控制巖體完整性及滲透性的重要因素。1.褶皺(fold)的影響

褶皺劇烈地區(qū)，一般斷裂也很發(fā)育，特別是褶皺核部巖體完整性最差。(1)背斜(anticline)核部，巖層呈上拱形，有利于洞頂?shù)姆€(wěn)定。洞頂雖張裂隙發(fā)育，然巖塊呈上寬下窄形，不易掉塊。(2)向斜(syncline)核部巖層呈倒拱形，頂部被張裂隙切割的巖塊上窄下寬易于坍落。不宜修建地下洞室。

2.斷裂(fault)的影響

斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)，穩(wěn)定性極差。在選址時應(yīng)盡量避開大斷層。地質(zhì)構(gòu)造條件(1)洞室軸線與巖層走向垂直。這種情況圍巖的穩(wěn)定性較好，特別是對邊墻穩(wěn)定有利。(2)洞室軸線與巖層走向平行。1）當(dāng)巖層近于水平時，軟弱巖層位于洞室兩側(cè)或底部也不利，它容易引起邊墻或底板鼓脹變形或被擠出。2）在傾斜巖層中，一般說來是不利的。巖層產(chǎn)狀陡傾巖層中洞址緩傾巖層中洞址陡立巖層中洞址陡立巖層巖性分界處洞址水平巖層中洞址傾斜巖層中洞址地下工程與地下下水位關(guān)系：1．在包氣帶中開挖挖地下工程，雨季可能沿裂隙隙滴水，旱季干干燥，但是當(dāng)?shù)氐乇碛写竺娣e穩(wěn)穩(wěn)定的地表水體體時，也可能遇遇到集中的滲流流。2．地下水位變幅帶帶，涌水量及外水壓壓力隨季節(jié)而變變化，由于巖體體飽水脫水交替替變化，可以加加速軟弱破碎巖巖石性質(zhì)的惡化化，引起塌方。。3．在地下水位以下下的地下工程，一開始施工就可可能有較大的涌涌水和滲透壓力力，因此要作好好防水排水設(shè)計(jì)計(jì)。地下水(水文地質(zhì))地下工程施工中中的塌方或冒頂頂事故，常常和和地下水的活動動有關(guān)。在洞室的設(shè)計(jì)和和施工過程中，，必須了解工程程所在部位初始始應(yīng)力場的分布布和變化規(guī)律，，獲得洞室開挖挖后圍巖應(yīng)力重重分布的特征，，以便選用相應(yīng)應(yīng)的措施來維護(hù)護(hù)圍巖的穩(wěn)定。。1．初始應(yīng)力狀態(tài)態(tài)是決定圍巖應(yīng)應(yīng)力重分布的主主要因素。2．當(dāng)初始應(yīng)力場場的水平主應(yīng)力力值較大，洞室室軸線最好平行行最大水平主應(yīng)應(yīng)力方向布置，，否則邊墻將產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重的變形形和破壞。地應(yīng)力7.2圍巖穩(wěn)定的工程程地質(zhì)分析地下洞室開挖前前，巖體內(nèi)的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)稱為初始應(yīng)力狀態(tài)。開挖后，由于洞洞室周圍巖體失失去了原有的支支撐，破壞了原原來的受力平衡衡狀態(tài)，圍巖將將向洞內(nèi)產(chǎn)生松松脹位移，從而而引起洞周圍一一定范圍內(nèi)巖體體的應(yīng)力重新調(diào)調(diào)整，形成新的的應(yīng)力狀態(tài)。該該應(yīng)力稱重分布應(yīng)力、二二次應(yīng)力或圍巖巖應(yīng)力。直接影響圍巖穩(wěn)穩(wěn)定的是二次應(yīng)力狀態(tài)，它與巖體的初始應(yīng)力力狀態(tài)、洞室斷面形狀及巖體特性等因素有關(guān)。一、圍巖的應(yīng)力力重分布二、圍巖穩(wěn)定的的概念圍巖穩(wěn)定是指在一定時間間內(nèi)，在一定的的地質(zhì)力和工程程力作用下巖體體不產(chǎn)生破壞和和失穩(wěn)。圍巖在壓應(yīng)力、、拉應(yīng)力及剪應(yīng)應(yīng)力作用下能否否破壞的判斷：：圍巖的抗壓強(qiáng)度度和抗拉強(qiáng)度是是否適應(yīng)圍巖應(yīng)應(yīng)力。（公式略略）圍巖的抗剪強(qiáng)度度是否適應(yīng)圍巖巖的剪應(yīng)力。（（公式略）三、圍巖變形破破壞的類型和特特點(diǎn)由于巖體在強(qiáng)度度和結(jié)構(gòu)方面的的差異，洞室圍圍巖變形與破壞壞的形式多種多多樣，主要的形形式有：在堅(jiān)硬完整的巖巖體中開挖地下下洞室，圍巖一一般是穩(wěn)定的。。但是在高地應(yīng)應(yīng)力地區(qū)，經(jīng)常常產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象象。巖爆是儲存有很大彈性應(yīng)應(yīng)變能的巖體，在在開挖卸荷后，能能量突然釋放所形形成的，它與巖石性質(zhì)、、地應(yīng)力積聚水平平及洞室斷面形狀狀等因素有關(guān)。堅(jiān)硬完整巖體的脆性破裂巖爆的產(chǎn)生需要具具備兩方面的條件件：高儲能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在在條件，而某些因因素的觸發(fā)效應(yīng)則則是巖爆產(chǎn)生的外外因。巖爆產(chǎn)生的爆坑爆坑附近邊墻下部部破壞情況右側(cè)拱頂位置塌方方情況第二次巖爆塌方左左側(cè)拱架破壞情況況錦屏二級水電站排排水洞巖爆塊體滑移是塊狀結(jié)構(gòu)圍巖常常見的破壞形式。。這類破壞常以結(jié)結(jié)構(gòu)面交切組合成成不同形狀的塊體體滑移、塌落等形形式出現(xiàn)。分離塊體的穩(wěn)定性性取決于塊體的形狀有無臨空條件、結(jié)構(gòu)面的光滑程度度及是否夾泥等。塊體滑移堅(jiān)硬巖體中的塊體體滑移巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形形失穩(wěn)的主要形式式。平緩巖層，當(dāng)巖層很薄或軟軟硬相間時，頂板板容易下沉彎曲折折斷。在傾斜層狀圍巖中，當(dāng)層間結(jié)合不不良時，順傾向一一側(cè)拱腳以上部分分巖層易彎曲折斷斷，逆傾向一側(cè)邊邊墻或頂拱易滑落落掉塊。在陡傾或直直立巖層層中，因洞洞周的切切向應(yīng)力力與邊墻墻巖層近近于平行行，所以以邊墻容容易凸幫幫彎曲。。層狀彎折折和拱曲曲1-設(shè)計(jì)斷面面2-破壞區(qū)3-崩塌4-滑動5-彎曲、張張裂及折折斷平緩巖層層傾傾斜巖巖層直直立立巖層碎裂巖體體的松動動解脫碎裂結(jié)構(gòu)構(gòu)巖體在張張力和振振動力作作用下容容易松動動、解脫脫，在洞洞頂則產(chǎn)產(chǎn)生崩落落，在邊邊墻上則則表現(xiàn)為為滑塌或或碎塊的的坍塌。。碎裂巖體體松動解解脫及頂頂拱破裂裂碎裂結(jié)構(gòu)構(gòu)圍巖塌塌方示意意圖松軟巖體體的塑性性變形一般強(qiáng)烈烈風(fēng)化、、強(qiáng)烈構(gòu)構(gòu)造破碎碎或新近近堆積的的土體，，在重力力、圍巖巖應(yīng)力和和地下水水作用下下常產(chǎn)生生冒落及及塑性變變形。常見的塑塑性變形形和破壞壞的形式式有邊墻擠入入、底鼓及洞徑收縮縮等。變形山壓壓是由于圍圍巖變形形受到支支護(hù)的抑抑制而產(chǎn)產(chǎn)生的。。松動山壓壓是由于圍圍巖拉裂裂塌落、、塊體滑滑移、碎碎裂松動動等所引引起的，，以重力力的形式式作用在在襯砌上上的壓力力。沖擊山壓壓是由于巖巖體中積積聚的彈彈性應(yīng)變變能突然然釋放所所引起的的，具有有產(chǎn)生巖巖爆的條條件時才才能產(chǎn)生生沖擊山山壓。膨脹壓力力是由于圍圍巖吸水水膨脹、、崩解而而引起的的壓力。。山巖壓力力也稱圍巖壓力力，是指圍巖巖的強(qiáng)度度適應(yīng)不不了圍巖巖應(yīng)力而而產(chǎn)生塑塑性變形形或破壞壞時，作作用在支支護(hù)或襯襯砌上的的力。7.3山巖壓力力與彈性性抗力一、山巖巖壓力1．散粒體體理論（1）普氏壓壓力拱(pressurearch)理論（2）太沙基基理論（3）圍巖壓壓力系數(shù)數(shù)法(coefficientofcountryrock)2．彈塑性性（elasticandplastic）平衡(equilibrium)理論適用于具具有鑲嵌嵌結(jié)構(gòu)和和碎裂結(jié)結(jié)構(gòu)的巖巖體3．流變(flow)——徐變理論論4．塊體極極限半衡衡法(limitequilibrium)圍巖壓力力的確定定方法圍巖彈性性抗力的的大小，，通常是是用彈性抗力力系數(shù)表示的。。2.彈性抗力力對于有壓壓隧洞，，常存在在很高的的內(nèi)水壓壓力，使使襯砌向向圍巖方方向變形形擠壓圍圍巖，圍圍巖將產(chǎn)產(chǎn)生一個個被動的的抵抗力力，稱為為彈性抗力力。圍巖抗力力愈大，，愈有利利于襯砌砌的內(nèi)水壓力作用下的洞徑變形穩(wěn)定，等等于圍巖巖承擔(dān)了了一部分分內(nèi)水壓壓力。因因此，彈彈性抗力力是有壓壓隧洞設(shè)設(shè)計(jì)時必必須確定定的重要要參數(shù)之之一。式中：K為彈性抗抗力系數(shù)數(shù)(MPa/cm)；P為圍巖所所承受的的壓力，，對于有有壓隧洞洞即為內(nèi)內(nèi)水壓力力(MPa)；y為洞壁的的徑向變變形(cm)。彈性抗力力系數(shù)根據(jù)文克克爾假定定，抗力力系數(shù):從上式看看出：K的物理意意義是迫使洞壁壁產(chǎn)生一一個單位位徑向變變形所需需施加的的力。K值愈大，，說明圍圍巖承受受內(nèi)水壓壓力的能能力愈大大。彈性抗力力系數(shù)的的確定方方法試驗(yàn)法計(jì)算法工程類比比法橡皮囊法徑向千斤頂法隧洞水壓法根據(jù)抗抗力系系數(shù)與與巖體體彈性性模量量及泊泊松比比之間間的關(guān)關(guān)系確確定7.4圍巖工工程地地質(zhì)分分類7.5提高圍圍巖穩(wěn)穩(wěn)定性性的措措施一、支支護(hù)與與襯砌砌1.支撐在洞室室開挖挖過程程中，，用以以穩(wěn)定定圍巖巖用的的臨時時性措措施。。按照照選用用材料料的不不同，，有木支撐撐、鋼支撐撐及混凝土土支撐撐等。在在不太太穩(wěn)定定的巖巖體中中開挖挖時，，需及及時支支撐以以防止止圍巖巖早期期松動動。2.襯砌襯砌是是加固固圍巖巖的永永久性性工程程結(jié)構(gòu)構(gòu)。襯襯砌的的作用用主要要是承承受圍圍巖壓壓力及及內(nèi)水水壓力力，堅(jiān)堅(jiān)硬完完整的的巖體體中，，圍巖巖的自自穩(wěn)能能力高高，也也可以以不襯襯砌。。襯砌類類型示示意圖圖二、噴噴錨支支護(hù)當(dāng)?shù)叵孪露词沂议_挖挖后，，圍巖巖總是是逐漸漸地向向洞內(nèi)內(nèi)變形形。噴噴錨支支護(hù)就就是在在洞室室開挖挖后，，及時時地向向圍巖巖表面面噴一一薄層層混凝凝土(一般厚厚度為為5～20cm)，有時時再增增加一一些錨錨桿，，從而而部分分地阻阻止圍圍巖向向洞內(nèi)內(nèi)變形形，以以達(dá)到到支護(hù)護(hù)的目目的。。1.噴射混混凝土土噴錨支支護(hù)與與常規(guī)規(guī)襯砌砌支護(hù)護(hù)比較較示意意圖2.錨桿錨桿有有