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第七章地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析§7.1洞室圍巖變形與破壞§7.2洞室圍巖穩(wěn)定性因素§7.3保障洞室圍巖穩(wěn)定性措施§7.4洞室圍巖分類7.1

地下洞室圍巖的變形破壞7.1.1

圍巖變形破壞的一般過(guò)程和特點(diǎn)地下洞室開(kāi)挖常能使圍巖的性狀發(fā)生很大變化,促使圍巖性狀發(fā)生變化的因素,除上述的卸荷回彈和應(yīng)力重分布之外,還有水分的重分布。一殷說(shuō)來(lái),洞室開(kāi)挖后,如果圍巖巖體承受不了回彈應(yīng)力或重分布的應(yīng)力的作用,圍巖即將發(fā)生塑性變形成破壞。這種變形或破壞通常是從洞室周邊,特別是那些最大壓或拉應(yīng)力集中的部位開(kāi)始,而后逐步向圍巖,內(nèi)部發(fā)展的。圍巖巖體的變形和破壞的形式和特點(diǎn),除與巖體內(nèi)的初始應(yīng)力狀態(tài)和洞形有關(guān)外,主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)。為了更清楚地說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題,現(xiàn)將圍巖的變形、破壞的類型及其與圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系列于下表。圍巖類型巖體結(jié)構(gòu)變形破壞形式產(chǎn)生機(jī)制脆性圍巖塊體狀結(jié)構(gòu)及厚層狀結(jié)構(gòu)張裂塌落拉應(yīng)力集中造成的張性破壞劈裂剝落壓應(yīng)力集中造成的壓制拉裂剪切滑移及剪切破碎壓應(yīng)力集中造成的剪切破壞及滑移拉裂巖爆壓應(yīng)力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破壞中薄層結(jié)構(gòu)彎折內(nèi)鼓卸荷回彈或壓應(yīng)力集中造成的彎曲拉裂碎裂結(jié)構(gòu)破碎松動(dòng)壓應(yīng)力集中造成的剪切松動(dòng)塑性圍巖層狀結(jié)構(gòu)塑性擠出壓應(yīng)力集中作用下的塑性流動(dòng)膨脹內(nèi)鼓水分重分布造成的吸水膨脹散體結(jié)構(gòu)塑性擠出壓應(yīng)力作用下的塑流塑流涌出松散飽水巖體的懸浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌表1圍巖的變形破壞形式及其圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系7.2.2

脆姓圍巖的變形和破壞脆性圖巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的脆性巖體。這類因巖的變形和破壞,主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的,水分的重分布對(duì)其變形和破壞的影響較為微弱。這類圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn).除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外,主要取決于圍巖結(jié)構(gòu),一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型。彎折內(nèi)鼓這類變形破壞是層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。從力學(xué)機(jī)制來(lái)看,它的產(chǎn)生可能有兩種情況:一是卸荷回彈的結(jié)果;二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過(guò)范層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的。由卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)(或者洞室埋深較大,或者水平地應(yīng)力較高),而且總是在與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力垂直相交的洞壁上表現(xiàn)得最強(qiáng)烈.故當(dāng)薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時(shí),洞室開(kāi)挖后.薄層狀圍巖就會(huì)在回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生如圖的彎曲、技裂和折斷,最終擠入洞內(nèi)而坍閣。例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號(hào)支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過(guò)程中,均發(fā)生過(guò)這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中,當(dāng)洞徑大于6m的洞體平行或近于平行(交角小于20。)陡傾的巖層走向時(shí),在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞,而且一般部是在開(kāi)挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號(hào)支洞,在樁號(hào)。十135航段的施工過(guò)程中,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,巖層的彎沂變形越來(lái)越嚴(yán)重,一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌風(fēng)幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞,在ot360—o十470m段的施工過(guò)程中。

值得注意的是,在該區(qū)地表溢洪道的施工過(guò)程中,當(dāng)送洪道平行于陡顧的巖層走向時(shí),新開(kāi)挖出的邊披巖體經(jīng)常在3—5天之內(nèi)即發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒破壞。由此可見(jiàn),在該區(qū)所發(fā)生酌上述兩類變形破壞(即地宏邊坡巖體的傾倒和地下隧洞洞壁的彎折內(nèi)鼓)同是卸荷回彈與應(yīng)力釋放的結(jié)果。由壓應(yīng)力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的壓應(yīng)力集中的部位,通常是洞室的角點(diǎn)或與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力平行或近于平行的洞壁,故當(dāng)薄層狀巖體的層面與這類應(yīng)力高度集中部位平行或近于平行時(shí),切向壓應(yīng)力往往超過(guò)薄層狀圍巖的抗彎折強(qiáng)度,從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。

例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號(hào)支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過(guò)程中,均發(fā)生過(guò)這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中,當(dāng)洞徑大于6m的洞體平行或近于平行(交角小于20。)陡傾的巖層走向時(shí),在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞,而且一般部是在開(kāi)挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號(hào)支洞,在樁號(hào)0十135航段的施工過(guò)程中,隨著開(kāi)挖的進(jìn)行,巖層的彎沂變形越來(lái)越嚴(yán)重,一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌風(fēng)幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞,在0十360—o十470m段的施工過(guò)程中。洞體兩側(cè)壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓,開(kāi)挖中曾用錨桿與工字鋼聯(lián)合封鎖支護(hù),半月之后,變形巖體連錨桿與工字鋼突然坍落,方量達(dá)500m3,不得不停工處理。一些局部構(gòu)造條件,有時(shí)也有利于這類變形破壞的產(chǎn)生。如圖10—17所示情況,平行于洞室側(cè)壁的斷層,使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)的應(yīng)力集中有所增高,因此洞壁附近的切向應(yīng)力特高于正常情況下的平均值,而薄板的抗彎矩又比較低,往往造成彎折內(nèi)鼓破壞。

從這類變形、破壞的發(fā)生機(jī)制和發(fā)育特點(diǎn)中可以看出,在現(xiàn)代地應(yīng)力或構(gòu)造剩余應(yīng)力較高的薄層狀巖層內(nèi)修建這類地下洞室,圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對(duì)于區(qū)域最大主應(yīng)力方位有密切關(guān)系。通常.軸向垂直于最大主應(yīng)力方向的洞室,其穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于平行于最大主應(yīng)力方向者。這是因?yàn)椋涸诙摧S垂直于水平最大主應(yīng)力的條件下,當(dāng)洞體平行或近于平行地通過(guò)陡傾巖層時(shí)強(qiáng)烈的卸荷回彈會(huì)使垂直于最大主應(yīng)力方向的洞壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓,而當(dāng)洞體通過(guò)平緩巖層時(shí),高度的應(yīng)力集中又會(huì)使平行于最大主應(yīng)力的洞室頂?shù)装?,特別是頂拱,因彎折內(nèi)鼓的發(fā)展而嚴(yán)重坍塌。張裂塌落

張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中,且其值超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí),頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞,尤其是當(dāng)那里發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時(shí)、即使產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小也可使巖體拉開(kāi)產(chǎn)生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定,特別是當(dāng)有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育,巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時(shí),往往造成頂供的塌落。劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動(dòng)這兩種破壞形式都發(fā)生于壓應(yīng)力、特別是最大壓應(yīng)力集中的部位。

1.劈裂剝落過(guò)大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圍巖切割成厚度由兒厘米到幾十厘米的薄板,它們往往沿壁面剝落。破裂的范圍一般不超過(guò)洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強(qiáng)度時(shí),這些劈裂板還可能按壓彎、折斷并造成塌方,轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi),視圍巖應(yīng)力條件的不同,可發(fā)生于頂拱,也可發(fā)生于邊墻之上,前者造成頂供的片狀冒落,后者則造成通常所謂的片幫。

2.剪切滑移這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同,可發(fā)生在邊緣上,也可發(fā)生于頂拱。

片幫

3.碎裂松動(dòng)碎裂松動(dòng)是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式,洞體開(kāi)挖后,如果圍巖應(yīng)力超過(guò)了圍巖的屈服強(qiáng)度,這類圍巖就會(huì)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松馳,并圍繞洞體形成一定的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)屈。這類松動(dòng)破碎帶本身是不穩(wěn)定的,特別是當(dāng)有地下水的活動(dòng)參與時(shí),極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動(dòng)帶的厚度會(huì)隨時(shí)間的推移而逐步增大,因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過(guò)度發(fā)展,必須及時(shí)采取加固指施。

膨脹內(nèi)鼓洞室開(kāi)挖后圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圖巖表部轉(zhuǎn)移,結(jié)果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形。這類膨脹變形顯然是由圍巖內(nèi)部的水分重分布引起的,除此之外,開(kāi)挖后暴露于表部的這類巖體有時(shí)也會(huì)從空氣中吸收水分而使自身膨脹。退水后易于膨脹的巖石主要有兩類。一類是富含粘土礦物(待別是蒙脫石)的塑性巖石,如泥質(zhì)巖、鉆土巖、膨脹性粘土等。隧道圍巖中有浸水后體積增大2.9%的巖石就會(huì)結(jié)開(kāi)挖造成很大困難,而有些遭受熱液變質(zhì)的富合蒙脫石礦物的巖石,浸水后體積可增加14%一25%。因此,這類巖層的膨脹變形能對(duì)各類地下建筑物的施工和運(yùn)行造成很大危害。另一類是含硬石膏的地層。隕石膏退水后就會(huì)發(fā)土水化而轉(zhuǎn)化為石膏,體積隨之而增大。所以穿過(guò)這類地層的陡道往往遇到因硬石膏水化膨脹而產(chǎn)生的強(qiáng)大山壓,給隧道的施工和運(yùn)行帶來(lái)很大困難。塑流涌出當(dāng)開(kāi)挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)的松散破碎物質(zhì)時(shí),這些物質(zhì)就會(huì)和水一起在壓力下呈央有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌人洞中.有時(shí)甚至可以堵塞坑道,給施工造成很大的困難。重力坍塌破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方?!?.2地下洞室圍巖穩(wěn)定性因素一、巖性深度<300-500m開(kāi)挖后完全能夠自穩(wěn)的巖石大部分巖漿巖和變質(zhì)巖跨度<10m自穩(wěn)穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)面和風(fēng)化程度軟弱的巖漿巖和變質(zhì)巖粘土質(zhì)片巖綠泥石片巖千枚巖泥質(zhì)板巖斷層滑落,引起隧洞拱頂坍塌變質(zhì)巖地區(qū),地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散大盈江四級(jí)電站沉積巖易坍塌二、地質(zhì)構(gòu)造水平巖層:(巖層傾角<5°~10°),若巖層薄,彼此之間聯(lián)結(jié)性差,又屬不同性質(zhì)的巖層,在開(kāi)挖洞室(特別是大跨度的洞室)時(shí),常常發(fā)生塌頂傾斜巖層:一般說(shuō)來(lái)是不利的,因?yàn)榇藭r(shí)巖層完全被洞室切割,若巖層間缺乏緊密聯(lián)結(jié),又有幾組裂隙切割,則在洞室兩側(cè)邊墻所受的側(cè)壓力不一致,容易造成洞室邊墻的變形洞室軸線與巖層走向平行層間連接緊密、厚度大、不透水、裂隙不發(fā)育、無(wú)破碎帶---------有利頁(yè)巖泥灰?guī)r灰?guī)r近直立巖層:不能將洞室置于直立巖層厚度與洞室跨度相等或小于跨度的地層內(nèi)一定要注意不能把洞室選在軟硬巖層的分界線上洞室軸線與巖層走向正交通常為較好的洞室布置方案若巖性均一,結(jié)構(gòu)致密,各巖層間聯(lián)結(jié)緊密,節(jié)理裂隙不發(fā)育。在這些巖層中開(kāi)挖地下工程最好洞室軸線與巖層傾斜的夾角較小,若巖性又屬于非均質(zhì)的、垂直或外交層面節(jié)理裂隙又發(fā)育時(shí),在洞頂就容易發(fā)生局部石塊坍落現(xiàn)象洞室軸線穿過(guò)褶曲地層背斜軸部形成了自然拱圈背斜軸部的巖層處于張力帶,遭受過(guò)強(qiáng)烈的破壞,故在軸部設(shè)置洞室一般是不利的當(dāng)洞室沿向斜軸線開(kāi)挖,對(duì)工程的穩(wěn)定性極為不利

翼部:頂部及側(cè)部均處于受剪切力狀態(tài)洞室軸線與褶曲軸線重合一般情況下,應(yīng)避免洞室軸線沿?cái)鄬訋У妮S線布置,特別在較寬的破碎帶地段,易崩落雖然斷裂破碎帶在洞室內(nèi)屬局部地段,但在斷裂破碎帶處巖層壓力增加,有時(shí)還能遇到高壓的地下水,影響施工。軸部的巖層遭到擠壓破碎常呈上窄下寬的楔形石塊,組成倒拱形,因而使其軸部巖層壓力增加,洞頂巖塊最容易突然地坍落到洞室。由于軸部巖層破碎又彎曲呈盆形,在這些地帶往往是自流水儲(chǔ)存的場(chǎng)所。若當(dāng)洞室開(kāi)挖在多孔隙的巖層中,在高壓力下,大量的地下水將突然涌入洞室;如果所處巖層是屬致密的堅(jiān)硬巖石,則承壓狀態(tài)的地下水將出現(xiàn)于許多節(jié)理中,對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定和施工將會(huì)造成很大的威脅洞室軸線與褶曲軸線正交由于背斜呈上拱形。雖巖層被破碎然猶如石砌的拱形結(jié)構(gòu),能很好的將上覆巖層的荷重傳遞到兩側(cè)巖體中去。因而地層壓力既小又較少發(fā)生洞室頂部塌坍的事故。但是應(yīng)注意若巖層受到劇烈的動(dòng)力作用被壓碎,則頂板破碎巖層容易產(chǎn)生小規(guī)模掉塊。因此,當(dāng)洞室穿過(guò)背斜層也必須進(jìn)行支撐和襯砌§7.3保障地下洞室圍巖穩(wěn)定性措施保障圍巖穩(wěn)定性的途徑有二:一是保護(hù)圍巖原有穩(wěn)定性,使之不至于降低;二是提高巖體整體強(qiáng)度,使其穩(wěn)定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支護(hù)襯砌方案,后者主要是加固圍巖。一、合理施工全斷面開(kāi)挖:圍巖穩(wěn)定,可全斷面一次開(kāi)挖多采用新奧法和盾構(gòu)法等新型施工方法(1)當(dāng)圍巖不太穩(wěn)定,頂圍易塌時(shí),應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導(dǎo)洞,立即支撐,達(dá)到要求的輪廓,作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護(hù)下擴(kuò)大斷面,最后做側(cè)墻襯砌。這便是上導(dǎo)洞開(kāi)挖、先拱后墻的辦法。為減少施工干擾和加速運(yùn)輸,還可以用上下導(dǎo)洞開(kāi)挖、先拱后墻的辦法。(2)當(dāng)圍巖很不穩(wěn)定,頂圍塌落,側(cè)圍易滑時(shí),可先在設(shè)計(jì)斷面的側(cè)部開(kāi)挖導(dǎo)

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