第六章 地下工程地质问题

第六章地下工程地质问题第一节岩体、岩体结构及地应力的概念一.岩体及岩体结构的概念1.岩体：（应力影响范围内）。物有关的那一部分岩体工程岩体：与工程建筑特点。非均质性和各向异性的具有不连续性、”。然组成的“岩石结构物广义岩体：岩石块体自边坡岩体洞室岩体地基岩体2.结构面：岩体中的力学性质不连续界面。按成因分为：、卸荷裂隙、爆破裂隙次生结构面：风化裂隙、断层构造结构面：构造节理变质结构面：片理面、软弱夹层沉积结构面：层理、层状节理火成结构面：玄武岩柱原生结构面：3.结构体：岩体中被结构面切割而成的岩石块体。4.岩体结构及类型（1）岩体结构：岩体中结构面与结构体的组合关系（2）岩体结构类型：岩体中结构面与结构体的组合形式岩体结构分类（岩土工程勘察规范GB50021—2001）：散体状结构碎裂状结构层状结构块状结构整体结构整体块状结构岩体整体块状结构岩体整体块状结构岩体垂直层状结构岩体水平层状结构岩体镶嵌状结构岩体散体状结构岩体5.岩体破坏情况：不足而破坏软岩：主要是整体强度切破坏硬岩：主要沿结构面剪硬岩岩体沿结构面的剪切破坏岩体变形的各向异性:①当结构面发育时，受结构面控制的岩体各方向上的变形和强度有较大区别。②通常垂直结构面方向的变形大于平行结构面方向的变形，③垂直结构面方向的变形模量E┴小于平行结构面方向的变形模量E//，④垂直结构面方向的抗压强度σ┴大于平行结构面方向的抗压强度σ//。二.地应力1.定义：指存在于地壳岩体中的原始应力。又叫天然应力。2.类型：水压力、结晶应力等次要：地温应力、地下应力主要：自重应力、构造vvHHvH1,4321v的关系：水平应力）垂直应力（自重应力应力，垂直应力主要是）水平应力主要是构造（约等于垂直应力）地壳深层：水平应力（大于垂直应力）地壳浅层：水平应力（3.地应力分布规律：垂直应力与水平应力对隧道的破坏隧道掌子面第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型隧道掌子面开挖隧道盾构施工隧道衬砌施工建好的地下厂房（二滩电站）第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型一.围岩应力引起的变形与破坏1.围岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。2.二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力发生变化，其改变后重新分布的应力叫二次应力。又叫重分布应力或围岩应力。(一)围岩应力变化规律1.圆形洞室：二次应力在围岩中形成的塑性圈第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型2.直墙圆拱型洞室：较高侧压力系数＝较低侧压力系数vH第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型（二）围岩应力引起的变形和破坏类型1.张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。2.劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型3.碎裂松动：碎裂状岩体开挖后，岩块沿结构面滑移并形成松动圈的现象。4.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型5.岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。岩爆特点：m200岩爆发生的临界深度为阶段，应力调整阶段、岩爆岩爆过程分为启裂阶段岩爆时，尚伴有声音硬岩石中发生在高应力地区的坚岩爆分级说明Ⅰ14.5无岩爆发生、也无声发射现象Ⅱ14.5～5.5低岩爆活动，有轻微声发射现象Ⅲ5.5～2.3中等岩爆活动，有较强的爆裂声Ⅳ2.5高岩爆活动，有很强的爆裂声注：fr—岩石单轴抗压强度：σ1-地应力的最大主应力。irf/第二节洞室围岩变形及破坏的基本类型6.塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。7.膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。隧道变型破坏二.围岩构造控制的变形与破坏指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度而产生的沿结构面剪切滑移。vvvHHH三.松散围岩的变形与破坏：1.重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重力作用下自由坍落。塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形成碎屑流涌出。第三节地下洞室特殊地质问题一.突水突泥：突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧道的现象。地下洞室中，地下水影响可归纳为以下几个方面：1．以静水压力的形式作用于同室衬砌。2．使岩石和结构面软化，使其强度降低。3．促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，造成岩体易于滑动。4．石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类，在地下水的作用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生，将会出现附加的山岩压力。5．含水层由于大量地下水的流出，在动水压力作用下，将出现流砂及渗透变形。6．如地下水的化学成分中含有害化合物(硫酸、侵蚀性二氧化碳、硫化氢、亚硫酸)时。对衬砌将产生侵蚀作用。7．最为不利的影响是发生突然的大量突水突泥。这种突然突水突泥常造成停工和人身伤亡事故。第三节地下洞室特殊地质问题造成地下洞室大量突水的条件是：①洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到蓄水洞穴或地下暗河系统时，可能有大量的突水，其突水量可达几百至几千吨/小时。②洞室通过厚层的含水砂砾石层，突水量可达几百吨/小时。③遇到富水的断层破碎带，特别是它又与地表水连通时，也会发生大量的突水，突水量一般也在几十至几百吨/小时。④洞室通过节理发育的背斜、向斜轴部，当其富水时。从已有资料来看，造成突水的多是有丰富的地表水，沿着溶洞、暗河或断层破碎带以及节理发育的背斜、向斜轴部等良好通道进入地下洞室通过部位，形成局部富水区，当洞室开挖时便突然产生大量突水。第三节地下洞室特殊地质问题（二）腐蚀：1.腐蚀类型：结晶分解复合类腐蚀碳酸型腐蚀一般酸型腐蚀分解类腐蚀：此外：还有冰劈作用钙矾型腐蚀石膏型腐蚀芒硝型腐蚀结晶类腐蚀：第三节地下洞室特殊地质问题2.腐蚀严重程度：3.腐蚀易发生地区：以上达局部呈豆腐碴状，深度强腐蚀局部骨料外露中等腐蚀局部砂浆剥落弱腐蚀无腐蚀cm20水层场、堆煤场等地的地下冶炼厂、化工厂、废渣含硫矿床的地下水层土我国长江以南的酸性红残体的冲积层我国东南沿海有红树林泥炭、淤泥、沼泽等地灰岩等中的含膏地层红层及、、TJKR第三节地下洞室特殊地质问题（三）地温：G＝1℃／33m≈℃∕m（四）瓦斯：（以甲烷为主的有害气体的总称，主要发生在含煤地层）危害条件：施工要求：％时，易使人窒息。瓦斯浓度为％时）（特别是含量为；易爆炸。％－瓦斯浓度为％；能在高温下燃烧。－瓦斯浓度小于57~428%16~146~565。％，工作人员撤离现场瓦斯浓度大于％，不准装药放炮。瓦斯浓度大于21GhHTT)(0＝k05.0常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值气体名称爆炸限度含量气体名称爆炸限度含量甲烷（沼气）5%～16%一氧化碳12.5%～74%氢气4.1%～74%乙烯3%乙烷3.2%～12.5%苯1.1%～5.8%第四节围岩的工程地质分类及其应用一、围岩分级：铁路隧道围岩分级＝岩体分类：）－》（标《工程岩体分级标准岩体基本质量分级：国SRFJJJJRQDQBartonNGBwarn.200150021式中：Q——岩体分类RQD——岩石质量指标（%）Jn——节理组数影响系数Jr——节理面粗糙度系数Ja——节理面蚀变系数Jw——节理水影响系数SRF——地应力影响系数目前国内外岩土工程勘察规范中，普通采用岩体基本质量分级。根据我国2002年颁布实行《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）3.2.1、3.2.1和3.2.7条规定，在进行岩土工程勘察时，应鉴定岩石的地质名称和风化程度，并进行岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本质量等级的划分。岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本质量等级的划分应分别按照下列表6-4、6-5、6-6执行。对地下洞室和边坡工程，尚应确定岩体的结构类型。1.岩体基本质量分级（GB50021-2001）坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度(MPa)fr6060≥fr＞3030≥fr＞1515≥fr＞5fr5完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎完整性指数KV0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.150.15岩体完整性程度分类岩石坚硬程度分类注：岩体完整性系数KV为岩体压缩波波速与岩石压缩波波速之比的平方注：当岩体完整程度为极破碎时，可不进行坚硬程度分类完整程度坚硬程度完整较完整较破碎破碎极破碎坚硬岩ⅠⅡⅢⅣⅤ较硬岩ⅡⅢⅣⅣⅤ较软岩ⅢⅣⅣⅤⅤ软岩ⅣⅣⅤⅤⅤ极软岩ⅤⅤⅤⅤⅤ岩体基本质量等级分类SRFJJJJRQDQBartonNwarn＝岩体分类：..2RQD:岩体质量指标(钻探长度大于10CM的岩芯的百分比)JN:节理组数（直接量测）JR:节理面粗糙度系数（直接量测后查表）JA:节理面蚀变度系数（用回弹仪直接量测）JW:节理水影响系数（按含水情况查表）SRF:应力影响系数（按地应力分区查表）岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q1000~400400~100100~4040~1010~44~11.0~0.10.1~0.010.01~0.001岩体质量分类1．岩石质量指标RQD备注A坏的0~25（1）当调查或量测的RQD≤10（包括0）时，用以代入公式计算Q值时，可采用标称值10（2）RQD每级差用5，即100、95、90已有足够精度B不良25~50C中等50~75D良好75~90E优良90~1002.节理发育情况Jn值A整体的，没有或很少有节理0.5~1B1组节理2C1~2组节理3D2组节理4E2~3组节理6F3组节理9G3~4组节理12H4~5组节理，具大量的节理，岩石被多组切割成方块15J压碎岩石，似土类岩石203.节理面粗糙情况Jr值（a）节理面直接接触（b）剪切时当剪切变形10cm，岩壁接触A不连续的节理4B粗糙或不规则的起伏节理3C光，但是起伏的节理2D光滑，但具起伏的节理1.5E平坦且粗糙，或不规则节理1.5F光而平直的节理1G平直且光滑的节理0.5（c）剪切后，节理不再直接接触H节理面间充填有不能使节理面直接接触的连续粘土矿物带1.0J节理面间充填有不能使节理面直接接触的砂、砾石或挤压破碎带1.05.节理水情况Jw近似的水压力100kPaA开挖时干燥，或有少量水入渗，即只有局部渗水，渗水量小于5L/min1.0小于1.0B中等入渗，或填充物偶然受水压力冲击0.661.0~2.5C大量入渗，或为高水压，节理未充填0.52.5~10D大量入渗，或为高水压，节理充填物被大量带走0.332.5~10E异常大的入渗，或具有很高的水压，但水压随时间衰减0.1~0.2大于10F异常大的入渗，或具有很高且持续的无显著衰减的水压0.05~0.1小于10据值预测支护压力Q铁路隧道围岩分级.3级别岩体特征土体特征I极硬岩，岩体完整Ⅱ极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完善；较软岩，岩体完整IV极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土，Q1、Q2黄土V软岩，岩体破碎至破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一般第四纪坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及Q3、Q4的黄土VI受构造影响很严重呈碎石角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土,饱和的粉土，砂类土等