岩土工程勘察-第十章-地下洞室的勘察与评价2

岩土工程勘察地下洞室的勘察与评价10.4地下洞室稳定性评价10.5地下洞室位址和方向的选择10.7地下洞室的勘察要点10.6地下采空区10.4地下洞室稳定性评价强度应力比方法强度应力比方法就是采用弹性理论的分析，通过重点考察洞室围岩周边关键点上的应力和围岩强度的比值，来评价洞室围岩稳定性的方法。这种方法主要用来评价裂隙不发育的、较为完整的围岩。在实际工作中，围岩中的应力值以及岩体的强度都要受到多种因素的影响，变化较大，因此在评定围岩的稳定性时，需考虑较大的安全系数。因而可采用围岩岩体强度R与周边切向应力的比值来评价洞室围岩的稳定性。tRt洞室周边关键点的切向应力可以由下式变换得到：圆形洞室[12(1)cos2]tvvvKK(1)()tvvtvvKK从右边墙中心逆时针计算非圆形洞室关键点（洞室顶点和边墙中点）切向应力用下式表示：顶点边墙中点系数取值表块体平衡理论对于在洞室围岩中被结构面切割形成的块体，由于洞室开挖，有可能产生滑移或坠落的变形破坏，这类块体在洞室围岩中的稳定性可以在对结构面的特征研究的基础上，采用块体平衡理论来进行分析。拱顶块体稳定性分析111111222222[(tan)cos(tan)cos]jjjjTNclTNclKW边墙块体稳定分析costansinjjWclKW水平层状围岩的稳定性洞室顶壁水平薄层状岩体逐步塌落过程示意图2max2hLt位于洞室顶部之上的水平层状岩体可以看作为两端固定的水平梁，梁的最大拉应力出现于两端的顶面处，用下式表示：水平地应力为安全起见，可以假定为零。h图解法数值解法下面以平面有限元为主按分析步骤进行简单讨论：1、确定计算范围理论分析表明：在3倍洞径范围之外小于5%，5倍洞径之外约小于1%。2、网格剖分3、边界条件和初始应力场4、施工过程的模拟（开挖、浇筑、喷锚支护等）5、岩体材料模型的选择6、相关的几个问题（橫观各项同性，节理单元，无拉应力分析等）网格剖分边界条件10.5地下洞室位址和方向的选择地下洞室的选址必须考虑一系列因素，工程地质条件是主要依据。对于一般的地下洞室来说，选址的主要依据是岩体的稳定，围绕岩体的稳定，其基本的要求如下。1.地形条件的选择地形上要求山形完整，洞室周围包括洞顶及傍山一侧应有足够厚度，要求洞顶上方留有足够厚度的新鲜岩层，其厚度可以在节理裂隙面上产生足够的正压力，以便拱顶可以自承。避免地形条件不良给施工造成困难以及洪水期间地表沟谷中的水倒流灌入地下洞室；尽量避免埋深过大，造成深部的高地应力作用。2.岩性条件选择岩性条件应选择比较坚硬、完整，力学性能较好且风化轻微的岩体，特别注意岩体强度的选择。有软弱薄层状围岩，应尽量绕避。对于易于软化、泥化和溶蚀的岩体及膨胀性和塑性岩体，也不利于围岩稳定。层状岩体则以厚层结构为好，遇软硬及厚薄相间的岩体，则应尽量将洞室顶板置于厚层坚硬岩体中。同一岩体内的压性断裂，往往上盘比较破碎，而下盘比较完整，应将洞室置于下盘岩体中。3.地质构造条件的选择地质构造上，应选择断裂少且规模较小及岩体结构比较简单的地区。较大的断层破碎带、裂隙密集带等软弱带，一般应尽量避开，若实在不能绕避，则应以最短距离穿过构造带，尽量使地下洞室轴向与其走向呈45º~60º夹角为宜。单斜岩层当隧道轴向与岩层走向平行时：倾斜岩层中a-在同一地层中；b-不同岩层交界处；c-软弱夹层处应注意避开岩层间连接较差的部位，并限制一次开挖的长度，以避免产生塌方事故。在直立岩层若岩层很薄，层间连接较弱或具有软弱结构面的情况，常由于隧道拱顶的拉应力超过岩层的抗拉强度而发生破坏、坍塌的现象。水平岩层（倾角小于10º）当隧道轴向垂直岩层走向时，各岩层受力条件有利，围岩压力也均布，开挖后易于成拱不塌。岩层倾角大时，各岩层不需要依靠相互间的摩擦力及粘聚力就可以完全稳定。若岩层倾角较缓、层厚较薄或夹有软弱层，在有垂直或斜交层面隙裂的情况下，则隧道拱顶容易产生局部塌落的现象。褶曲地带隧道位置的选择褶曲地带断层地带存在问题：A断裂面处有较大的剪应力B常伴有继承性的新构造运动及强烈地震活动C断裂处岩层被挤压破碎，多成块石、碎石角砾及断层泥，因而岩体强度低D断层往往是地下水活动的通道和储存的场所，容易形成突然涌水。因此，在断裂地带选择隧道位置时应极为慎重，一般均应避开断层。当不易避开时，隧道宜横穿或采用较大的角度穿过断裂带，最好交角不小于30º。当隧道在断层旁平行断层通过时，应避开断层破碎带一定距离，并考虑断层性质及倾角的影响。地下工程干燥无水时，有利于围岩稳定，因此在地下工程选址时，最好选择地下水位以上的干燥岩体或地下水量不大、无高压含水层的岩体内，应尽可能避开饱水的松散土层、富水的断层破碎带及岩溶化碳酸盐岩层。水文地质条件的选择一般情况下，洞室轴向应与最大主应力方向垂直，以改善洞室周边的应力状态，但当最大主应力很大时，则洞轴向最好与之平行，以保证边墙的稳定。地应力方向的选择进出口的边坡应选在山体雄厚、施工条件好的岩坡陡壁下，并避开地表径流汇水区，同时注意进出口边坡的稳定性，尽量将进出口置于新鲜、完整、坚硬的岩质边坡上，避免将进出口边坡布置在可能滑动岩体及断层破碎岩体上。进出口位置的选择10.6地下采空区地下矿层开采后形成的空间称为采空区。按照当前的开采现状分为老采空区、现采空区和未来采空区。采空区地表移动规律及特征1、上部岩层变形的垂直分带冒落带裂隙带弯曲带2、地表变形特征地表变形一般具有以下特征：连续的地表变形：变形在空间和时间上是连续发生的形成凹陷盆地即移动盆地。不连续的地表变形：变形在空间和时间上都不连续，常出现塌陷坑、台阶以及不规则的大裂缝等。不明显的地表变形：地表变形不明显，对地表建筑物不产生明显影响。3、地表移动盆地的分区4、地表变形的分类两种移动ABAB水平移动垂直移动三种变形倾斜弯曲水平变形12ABBCBiiKlABABABill地表移动变形的计算1、对于缓倾斜（倾角小于25º）矿层地表移动和变形预测，可按表10-23计算。2、矿层倾角近于水平或缓倾斜且开采已达充分采动时，最大变形值可按表10-24计算。3、开采倾斜矿层达充分采动时，最大下沉按下式计算：4、开采矿层为非充分采动时，最大下沉按下式进行计算0012cosSqmnn00cosSqmKDnH采动系数岩性系数（0.7~0.9）采空区水平投影长度地表移动和变形预测计算公式表10-23地表最大变形经验式表10-24采空区的勘察与评价1.勘察内容采空区的勘察以搜集资料，调查访问为主。当工地质调查不能查明采空区特征时，应进行物探和钻探，必要时再辅以地表移动的观测。通过搜集资料、调查访问要查明的内容有：①矿层及上覆岩层特征；②矿层开采的范围、深度、厚度、时间、方法和顶板管理，采空区的塌落、密实程度、空隙和积水等；地形变形特征和分布；③地表移动盆地的特征及分区，确定地表移动和变形的特征值；④采空区附近的抽水和排水情况及其对采空区稳定的影响；⑤搜集建筑物变形和防治措施的经验。地表移动观测原则：观测线宜平行和垂直矿层走向呈直线布置，其长度应超过移动盆地的范围；平行矿层走向的观测线，应有一条布置在最大下沉值的位置；垂直矿层走向的观测线，一般不应少于2条；观测线上观测点的间距，应大致相等，并根据开采深度按表10~25确定；观测周期可按地表变形速度由下式估算；在观测地表变形的同时，应观测地表裂缝、陷坑、台阶的发展和建筑物的变形等情况。观测点的间距取值2KntS观测周期估算地表变形月下沉量（mm/s）水准测量平均误差（mm）2.采空区评价下列地段不宜作为建筑场地；①在开采过程中可能出现非连续变形的地段；②地表移动活跃的地段；③特厚矿层和倾角大于55度的厚矿层露头地段；④由于地表移动和变形引起边坡失稳和山崖崩塌的地段；⑤地表倾斜大于10mm/m，地表曲率大于0.6mm/㎡，或地表水平变形大于6mm/m的地段。下列地段作为建筑场地时，应评价其适宜性；①采空区采深采厚比小于30的地段；②采深小，上覆岩层极坚硬，并采用非正规开采方法的地段；③地表倾斜为3～10mm/m，地表曲率为0.2~0.6mm/㎡或地表水平变形为2～6mm/m的地段．10.7地下洞室的勘察要点地下工程进行岩土工程勘察的目的，是为了给建设方案的选择、地下洞室的设计、施工提供可靠的基础资料，因此整个勘察工作与设计工作是相适应地分阶段进行的，各个勘察阶段的要求如下：可行性研究勘察的主要工作是搜集区域地质资料，现场踏勘和调查，了解拟选方案的地形地貌、地层岩性、地质构造、工程地质、水文地质和环境条件，做出可行性评价，选择合适的洞址和洞口。可行性研究勘察初步勘察1、勘察内容初步查明下列问题：地貌形态和成因类型；地层岩性、产状、厚度、风化程度；断裂和主要裂隙的性质、产状、充填、胶结、贯通及组合关系；不良地质作用的类型、规模和分布；地震地质背景；地应力的最大主应力作用方向；地下水类型、埋藏条件、补给、排泄和动态变化；地下水体的分布及与地下水的关系，淤积物的特征；洞室穿越地面建筑物、地下构筑物、管道等既有工程时的相互影响。2、勘察方法工程地质测绘：比例尺一般是1:2000~1:1000，对工程地质条件复杂和工程的重要地段部位，可选择1:1000~1:500的大比例尺，重点地段的纵横剖面比例尺可采用1:200~1:2000。物探：采用浅层地震剖面法或其他有效方法圈定隐伏断裂、构造破碎带，查明基岩埋深，划分风化带；必要时可进行钻孔弹性波或声波测试、钻孔地震CT或钻孔电磁波CT测试，获得弹性波速或声波波速，提供岩体动力参数，用于划分围岩类别等。钻探：针对工程地质测绘的疑点和工程物探的异常点布置。宜沿洞室外侧交叉布置，勘探点间距宜为100~200m，采取试样和原位测试勘探孔不宜少于勘探孔总数的2/3；控制性勘探孔深度，对岩体基本质量等级为Ⅰ级和Ⅱ级的岩体宜钻入洞底设计标高下1~3m，对Ⅲ级岩体宜钻入3~5m，对Ⅳ级、Ⅴ级岩体和土层，勘探孔深度宜根据实际情况确定。测试：每一主要岩层和土层均应采取试样，当有地下水时应采取水试样；当洞区存在有害气体或地湿异常时，应进行有害气体成分、含量或地湿测定，对高地应力地区，应进行地应力量测。进行室内岩石试验和土工试验为围岩分类和稳定性评价提供参数。初步查明选定方案的地质条件和环境条件，初步确定岩体质量等级（围岩类别），对洞口和洞址的稳定性做出评价。3、评价内容详细勘察是在初步勘察阶段选出的建筑场地上进行，其目的是为了确定地下工程轴线位置和方向，为设计支护结构和确定施工方案提供资料。详细勘察查明地层岩性及其分布，划分岩组和风化程度，进行岩石物理力学性质试验；查明断裂构造和破碎带形状，划分岩体结构类型；查明不良地质作用情况，并提出防治措施的建议；查明主要含水层情况，地下水条件，预测开挖期间出水状态、涌水量和水质的腐蚀性；城市地下洞室需降水施工时，应分析提出工程降水方案和有关参数；查明洞室所在位置及邻近地段的地面建筑和地下构筑物、管线状况，预测洞室开挖可能产生的影响，提出防护措施。1、勘察内容2、勘察方法钻探：勘探点宜在洞室中线外侧6~8m交叉布置，山区地下洞室按地质构造布置，且勘探点间距不应大于50m；城市地下洞室的勘探点间距，岩土变化复杂的场地宜小于25m，中等复杂的宜为25~40m，简单的宜为40~80m。采集试样和原位测试勘探孔数量不应少于勘探孔总数的1/2。第四系中的控制性勘探孔深度应根据工程地质、水文地质条件、洞室埋深、支护设计等需要确定；一般性勘探孔可钻至基底设计标高下6~10m，控制性勘探孔深度可参考初步勘察的要求。物探：采用浅层地震勘探和孔间地震CT或孔间电磁波CT测试等方法，详细查明基岩埋深、岩石风化程度、隐伏体的位置，在钻孔中进行弹性波波速测试，为确定岩体质量等级、计算动力参数提供资料。测试：除满足初步勘察的要求外，对于城市地下洞室的勘察还应进行下列试验：采用承压板