第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究

第3节、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素第2节、洞室围岩的变形与破坏第1节、地下洞室开挖前后的应力特征第5节、水工隧洞围岩的承载力第4节、围岩压力第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究第6节、地下洞室围岩工程地质分类第7节、改善地下洞室围岩稳定性的措施为各种目的修建在地层之内的通道或空洞。包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下导弹发射井、以及地下飞机库等。地下洞室大型古地下工程圆形洞室围岩重分布应力计算简图第1节、地下洞室开挖前后的应力特征洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式2sin231212cos31211212cos43121121220440440220220440220rrrrrrrrrrrrrrvrvvrrr为径向应力为切向应力为剪应力r为质点至洞轴线的距离r0为隧洞半径当天然应力比λ=1时，洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式011220220rvvrrrrrvv24r05r06r07r08r02r03r0r0圆形洞室周边应力重分布开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩这类变形破坏的发展进程当围岩应力已经超过岩体的极限强度时，围岩发生破坏。当围岩应力的量级介于岩体的极限强度和长期强度之间时，围岩需经瞬时的弹性变形及较长时期蠕动变形的发展方能达到最终的破坏，通常可根据围岩变形历时曲线变化的特点而加以预报。当围岩应力的量级介于岩体的长时间强度及蠕变临界应力之间时，围岩除发生瞬时的弹性变形外，还要经过一段时间的蠕动变形才能达到最终的稳定。当围岩应力小于岩体的蠕变临界应力时，围岩将于瞬时的弹性变形后立即稳定下来。第2节、洞室围岩的变形与破坏围岩变形破坏的常见形式在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。坚硬完整岩体的脆性破裂岩爆的产生需要具备两方面的条件高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。岩爆产生的爆坑爆坑附近边墙下部破坏情况右侧拱顶位置塌方情况第二次岩爆塌方左侧拱架破坏情况锦屏二级水电站排水洞岩爆块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。块体滑移坚硬岩体中的块体滑移岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。层状弯折和拱曲层状结构围岩变形破坏特征1-设计断面2-破坏区3-崩塌4-滑动5-弯曲、张裂及折断碎裂岩体的松动解脱碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。碎裂岩体松动解脱及顶拱破裂碎裂结构围岩塌方示意图松软岩体一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。水电站引水隧洞的塑性变形与塌方地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。理想的建洞山体应具备以下条件：1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山捧稳定的断裂带；2)岩体坚硬完整；3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育；4)地下水影响小；5)无有害气体和异常地热。第3节、影响地下地下洞室围岩稳定性的地质因素对地下洞室选址影响地质因素地形条件（geographicconditions）岩性条件（rockandsoilengineeringcharacters）地质构造条件（geologecalstructureconditions）褶皱(fold)断裂(fault)岩层产状（attitudeoflayer）地下水（水文地质hydrogeologicalconditions）地应力（naturalstress）隧洞进出口地段的边坡应下徒上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证河—口坡的安全。在地形徒的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保钲边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。地形条件在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。隧洞选线利用沟谷示意图岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于修建大型的地下工程。凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。岩性条件地质构造是控制岩体毙整性及渗透性的重要因素。1．褶皱(fold)的影响褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩体完整性最差。（1）背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。（2）向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。2．断裂(fault)的影响断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应尽量避开大断层。地质构造条件(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。(2)洞室轴线与岩层走向平行。1）当岩层近于水平(倾角100)时，软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。2）在倾斜岩层中，一般说来是不利的。岩层产状陡倾岩层中洞址缓倾岩层中洞址陡立岩层中洞址陡立岩层岩性分界处洞址水平岩层中洞址倾斜岩层中洞址地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常常和地下水的活动有关。地下工程与地下水位关系：1．在包气带中开挖地下工程，雨季可能沿裂隙滴水，旱季干燥，但是当地表有大面积稳定的地表水体时，也可能遇到集中的渗流。2．地下水位变幅带(，涌水量及外水压力随季节而变化，由于岩体饱水脱水交替变化，可以加速软弱破碎岩石性质的恶化引起塌方。3．在地下水位以下的地下工程，一开始施工就可能有较大的涌水和渗透压力，因此要作好防水排水设计。地下水(水文地质)在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力重分布的特征，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。1．初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。2．当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。地应力根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山压几种类型。变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。具有随时间延长而增大的特点。松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。山岩压力也称围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。第4节、围岩压力1．散粒体理论（1）普氏压力拱(pressurearch)理论（2）太沙基理论（3）围岩压力系数法(coefficientofcountryrock)2．弹塑性（elasticandplastic）平衡(equilibrium)理论适用于具有镶嵌结构和碎裂结构的岩体3．流变(flow)—徐变理论4．块体极限半衡法(limitequilibrium)围岩压力的确定方法第5节、水工隧洞围岩的承载力1.外部水压力是地下水在渗流过程中，作用在围岩和衬砌中的体积力，也是水工隧洞的基本荷载之一。2.弹性抗力对于有压隧洞，由于常存在很高的内水压力作用，迫使衬砌向围岩方向变形，围岩被迫后退时，将产生一个反力来阻止衬砌的变形。把围岩对衬砌的反力称为弹性抗力或围岩抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的稳定，等于围岩承担了一部分内水压力。因此，弹性抗力是有压隧洞设计时必须确定的重要参数之一。围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性抗力系数表示的。内水压力作用下的洞径变形弹性抗力系数的概念根据文克尔假定，抗力系数K为Ｋ＝Ｐ／Ｙ式中：K为弹性抗力系数(MPa／cm)；Ｐ为围岩所承受的压力，对于有压隧洞即为内水压(MPa)；Ｙ为洞壁的径向变形(cm)。从上式看出，K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值愈大，说明围岩承受内水压力的能力愈大。假设岩体是理想的弹性体，对于圆形隧洞，K值与岩体弹性模量之间有如下的关系：式中：Ｅ为岩体的弹性模量或变形模量(MPa)，µ为泊松比，r为隧洞半径(cm)。从上式可以看出，隧洞半径愈大，K值愈小，在工程上为了便于比较，常采用隧洞半径为1m(100cm)时的弹性抗力系数，作为单位抗力系数K0，即影响弹性抗力系数大小的因素：1）压力的大小和岩土体的强度特征；2）受力方向和主要结构面的关系；3）围岩的初始应力状态。弹性抗力系数的确定方法确定围岩抗力系数的方法有试验法、计算法和工程类比法等。（１）试验的方法常用的有橡皮囊法、径向千斤顶法和隧洞水压法等，具体内容可参看有关的试验规程。（２）计算法是根据抗力系数与岩体弹性模量及泊松比之间的关系确定的。对于坚硬完整的岩体，对于软弱或破碎岩体，洞室开挖后洞壁周围会形成一个半径为只的环形开裂区，这时抗力系数K可用下式计算；工程（经验）类比法对于中小工程不能进行试验时，可采用工程类比的经验方法确定K值。表7—10是我国水工隧洞规范(1964年)所列举的各类岩体抗力系数经验值。表中关于无压隧洞K。值适用于开挖宽度为5～10m的隧洞，当开挖宽度大于10m时，K0应适当降低。一、山岩压力第四节山岩压力与弹性抗力（1）岩体上抬理论P1为洞壁的径向水压力，上抬力为P1D，上部岩柱的重量为rHD，则：P1D=rHD极限状态P1D＜rHD稳定状态P1D＞rHD不稳定状态当径向水压力P1等于内水压力P时，岩体的最小覆盖厚度应为：3.高压隧洞得围岩承载力（2）岩石拉力理论洞室周边上的拉应力洞顶底部拉应力洞侧壁拉应力破裂区的深度X上覆岩体的最小厚度H经验确定上覆岩体的最小厚度H当岩体坚硬完整时，覆盖比取0.2~0.25；裂隙较发育的岩体，覆盖比取0.3~0.4；软弱和破碎的岩体，覆盖比取0.5~0.7；当岩体过分破碎时，一般不允许修高压隧洞；（3）节理岩体中地下洞室超挖预测节理化岩体洞室超挖的定义1)具有明显的横剖面形状；2）超挖是非故意形成