工程地质第六章

第六章地下洞室围岩稳定性分析•地下洞室(地下工程):系建筑在地面以下及山体内部的各类建筑物.•性能:隔热、隐蔽、防震、节约耕地、不受气候影响。•分类天然洞室人工洞室1.1地下洞室位置的选择位置-区域构造、进洞山体和洞口及洞轴方向。一、地形条件1.进洞山体的选择（1）山体高度能满足安全防护或工程需要（2）山形完整，地形切割和起伏不能太强烈侧向洞口（3）进洞山体边坡稳定，以反向坡为好（4）磅山隧洞必须具有一定的保护厚度。坚硬岩体：h=（1.0-1.5）B；中等岩体：h=（1.5-2.0）B；软弱岩体：h=（2.0-3.0）B；h-保护厚度；B-隧洞半径2.洞口的选择（1）洞口应选在新鲜的岩体上（2）洞口不宜选在冲沟、分水岭等水源侵蚀地段（3）洞口边坡应下陡上缓（4）高边坡洞口不宜削坡，一般做边坡支护或人工洞口二、岩性条件（1）坚硬完整岩体-日进尺快，造价便宜，安全性好（2）软弱松散岩体-日进尺慢，造价昂贵，安全性差磅山隧道绝壁长廊自然洞口三、构造条件区域构造线-地层走向、褶皱轴向、断裂走向（1）洞轴轴向与区域构造线垂直或大角度相交（2）地层倾角越陡越好（3）顺倾向开挖好于反倾向开挖（4）沿地层走向不宜布置在褶皱核部（5）沿断层走向应避开断层带四、其他地质条件（1）地应力：σh=（0.8-1.2）σv，轴向应平行于σ2（2）地下水（3）地温（4）瓦斯工程实例：1、工程概况洛卢路嵩县至旧县公路改扩建工程，属国家投资扶贫项目，该路线设计沿伊河阶地逆行而上，两岸为中低山系，相对高差不大。二标段内前范岭隧道，设计长度720m，净宽10．5m，净高7．8m，自进口K11+800向里穿越地层依次为强风化、安山岩弱风化安山岩，围岩极破碎，裂隙节理发育，粘土充填裂隙中，岩石整体性极差，节理滑面多，施工难度大。隧道进口洞门，部分设计在冲沟冲积层内，形成了半明洞开挖，只有选择合理的施工方案，才能确保洞门施工安全。2、施工方案选择隧道进口洞门位于K11+800里程桩位置(图1)，洞口及仰坡开挖工程量3130m，施工中采用露天深孔台阶法爆破岩石，挖掘机清碴，仅用6d完成了明挖工程，洞口位置开挖到位，洞口所处的地质情况亦完整显现出来(图2)。据所揭露地质情况分析，进洞有2个方案：①修改设计缩短隧道长度，洞门里程往里移。优点：施工安全，无偏压。缺点：洞口前进至少20m，明挖工程量增加20000m3，边坡及仰坡加固喷射混凝土工程量增加500m3，投资增加50万元，工期延长45d。②半明洞开挖，做半人工洞口。即按隧道原设计位置施工半人工洞口。优点：按原设计施工，不修改设计，边坡、仰坡加固工程量少，所需费用低，施工工期短，约需半个月。缺点：存在偏压问题，施工难度大，要求高。3、洞门加固及施工（1）明挖及清基：施工前首先将右侧及下部的虚土浮碴全部清除干净，露出坚固的岩层，然后用压力水进行清洗洗完后，在硬岩上按中线及高程线把洞门轮廓线画出，悬空(即明挖)部分用水泥袋装上砂子把口扎紧，然后摆到轮廓线内，直到悬空部分全部覆盖严。（2）布置半人工洞口：在上部加固与原岩接触面，向原岩内打双排生根钢筋眼，间距为0．6m，眼深2．5m。下部硬岩上打双排生根钢筋眼，眼距0．6m，眼深2．5m，两端钢筋分别插入眼底后，向里面灌注水泥砂浆。然后中间折弯，纵向和横向钢筋均采用焊接布置的双层钢筋，钢筋选用φ22mm螺纹钢。（3）砌筑洞身：h=（1.5-2.0）B。钢筋网焊好后，开始砌筑片石喷射混凝土。在填筑片石的过程中，每0．3—0．4m厚放置一层φ6mm规格为0．2m×0．2m的钢筋网片，然后喷射C20混凝土，直至达到设计高度。（4）开挖半人工洞口：沿洞门轮廓线打入超前钢插管，轮廓线以内采用风镐人工挖掘。开挖深度达1m，立即架钢格栅拱架，打锚杆、挂网、喷射混凝土，循序渐近，直到通过加固段。现该隧道已施工完毕，洞门加固至今，未发现加固部位裂缝位移，下沉量在允许范围之内。取得了较好的社会和经济效益。4、施工中的几点体会(1)施工必须因地制宜，结合实际情况，采取相应的施工方法。(2)施工时，加固段的混凝土、钢筋质量必须达到设计要求，确保洞门安全。(3)开挖洞身时，距洞口较近位置严禁放炮，采用风镐开挖，确需放炮时，采取措施，放小炮或加密分段起爆。围岩类别岩性主要工程地质条件围岩稳定性评价建议支护措施Ⅱ新鲜安山岩(S2l、Zbd)新鲜岩体，岩性致密坚硬完整，中厚层状结构，裂面轻微锈染～新鲜，多呈闭合状无充填物或轻微地下水活动。基本稳定一般不支护，仅做防糙处理。Ⅲ弱风化安山岩岩性致密坚硬，岩体完整性较好，一般为中厚层状结构，裂面轻微锈染，湿润，局部滴水。稳定性较好全断面锚喷支护Ⅳ中风化安山岩岩性致密，岩体完整性较差，具碎裂结构，裂隙发育，个别充填泥膜粘土。稳定性差稳定性差，应及时支衬。Ⅴ强风化安山岩及断层破碎带强风化岩体完整性差，呈碎裂结构～散体结构，裂隙普遍张开松驰，部分充填泥，厚0.1～0.5cm。性软，呈软塑状。极不稳定成洞条件差，开挖需支护紧跟或超前支护，及时衬砌。下游洞口岩体自然洞口上游洞口岩体人工洞口宜阳寺河水库明挖式人工洞口6.2围岩稳定分析一、围岩应力分析1.围岩应力分布特征（1）开挖前（初始应力）：σr=σθ=P（边界压力）=∑γihi（2）开挖后（二次应力）：平板圆孔双向受压单向受压：σr=σθ=坐标转换：令θ’=θ+∏/22420002423411cos222rrrPPrrr240024311cos222rrPPrr则得到双向受压应力状态：σr=σθ=a-洞半径；r、θ-极坐标（1）弹性状态r=a时：σr=0，σθ=2Pr=∞时：σr=P，σθ=P（2）塑性状态r=a时：σr=0，σθ=0r=∞时：σr=P，σθ=P20021rPr20021rPr131sin2cos1sin1sinpppppc2.围岩破坏条件库仑-摩尔屈服准则（又称极限平衡方程）：213231-45245224524522tgctgtgctg库仑摩尔屈服准则二、围岩变形特点1.完整结构岩体：硬岩-岩爆、弹性变形压力。软岩-膨胀内鼓、塑性挤入。2.层状结构岩体：水平岩层-冒顶、底鼓倾斜岩层-滑动、片帮直立岩层-轻微片帮3.松散结构岩体：坍塌成自然平衡拱三、围岩稳定分析1.厚层均匀岩体（1）库仑-摩尔屈服准则：131sin2cos1sin1sinpppppc洞口顶板弯沉顶板离层块体（2）切向应力法σ≤Rb/Fs；σt≤Rt/Fs式中：σ-切向压应力；σt-切向拉应力；Rb-饱和抗压强度；Rt-抗拉强度；Fs-安全系数，一般取2。2.块裂岩体（1）洞顶块体K=F/T=〔2（c1L1+c2L2）（ctgα+ctgβ）〕/γL32（2）洞壁块体K=F/T=（Q2cosαtgφ+C4L4）/Q2sinα式中：L1、L2、L3、L4-分离块体边长；c1、c2、c4-相应各边粘聚力；φ-L4的内摩擦角。6.3围岩工程地质参数分析一、山岩压力（支护抗力、围岩压力）山岩压力松动压力-松动围岩对衬砌的作用力变形压力-衬砌对围岩变形的限制而产生的作用力1.普氏法（松散体理论）P=4γbh/3h=b/fktgφ+c/σcz-粘土fk=tgφ-砂土Rb/100-岩石式中：P-山岩压力；γ-围岩重度；b-隧洞半径；h-拱的高度；fk-普氏系数。2.Fenner公式由弹塑性交界面处剪应力相等得芬纳（Fenner）表达式：Pi=(P0+c×ctgφ)（1—sinφ）—（c×ctgφ）由喷层和围岩的位移协调条件得喷层支护力Pi：Pi=式中：D=Fe=r0、r、R0分别为毛洞半径、喷层内半径和塑性区半径；E、E1分别为围岩、喷层弹性模量；c、φ-强度指标。2100SinSinrR200000200eeFeeeeFRRPcctgcctgrrRDr2210122101211rrEErr2sin1sinee二、弹性抗力定义：有压隧洞围岩在内水压力作用下而产生压缩变形后所形成的对衬砌的作用力。1.解析式：P=KYP-弹性抗力（MPa）；K-弹性抗力系数（MPa/cm）；Y-洞壁的径向变形（cm）。坚硬完整岩体软弱松散岩体式中：E-围岩弹性模量；r-隧洞半径；μ-泊松比；R-塑性区半径（R/r=3-300）1EKr1lnEKRrr6.4提高围岩稳定性原则新奥地利隧洞施工法（NATM）:L.V.RabcewiczNewAustrianTunnelingMethod新奥法是20世纪60年代奥地利专家L.V.Rabcewicz在总结前人经验的基础上提出来的一套隧道设计、施工新技术。新奥法指出围岩本身具有“自承能力”，采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种“自承”能力，可以得到最好的经济效果。它的要点就是：(1)适时支护。尽可能地不要恶化围岩中的应力分布，尽可能发挥支护层的安全效能。（2）锚喷支护。所有的支护都是相当全面柔性的且能适应围岩的变形。（3）现场监测。在施工过程中密切监测围岩变形、应力等情况，调整支护措施，控制变形。一、开挖原则1.光面爆破2.全断面开挖3.大断面分部开挖（1）硬岩-先开挖下部，方便施工（2）软岩-先开挖上部，安全第一（3）软硬互层-先开挖软层，后开挖硬层二、支护原则1.分类刚性支护支撑-木、钢、混凝土支撑衬砌-混凝土、钢筋混凝土、浆砌条（块、片）石柔性支护锚喷网喷2.支护方法围岩全硬里硬外软里软外硬围岩全软不支护稍支护简单支护全面支护1.构造应力与构造变形2．残积土与沉积土3．应变软化与应变硬化4．约束系数与冲坑系数5.块裂岩体与碎裂岩体6．山岩压力与弹性抗力7．片理构造与层理构造8．软弱夹层与泥化夹层9.风化作用与变质作用10.碎屑结构与碎裂结构11.支护抗力与弹性抗力12.普氏系数与弹性抗力系数13.岩石与岩体14.断裂构造与断层构造15.变质作用与风化作用例题•.某地区拟在双层结构地层中布置隧道（半径r0为1m），上层地层厚h1为100m，自然重度γ1为25KN/m3，内摩擦角ψ1为20o，粘聚力c1为5MPa；下层地层厚h2为1000m，自然重度γ2为30KN/m3，内摩擦角ψ2为30o，粘聚力c2为10MPa。问：•（1）用两种方法计算，深度（Z）在多少米时所布置的隧道围岩开始出现不稳定？（5分）•（2）如隧洞埋深600m，则衬砌受到的最大山岩压力为多少？（5分）•Pi=(P0+ce×ctgφe)（1-sinφe）-（ce×ctgφe）2314524522tgctg20021rPr2100eeSinSinrR•某地下洞室的围岩由节理岩体构成，自然重度γ为30KN/m3，内摩擦角ψ为300，粘聚力c为1.0MPa，岩块单轴抗压强度σc为5MPa；岩体质量系数m、S分别为0.33和0.00008。试用库仑-摩尔屈服准则和Hoek法分别计算，深度（Z）在多少米时所布置的隧道围岩开始出现不稳定？（10分）