8地下洞室工程地质

第七章地下洞室工程地质—考试大纲熟练掌握地下洞室选线（址）的工程地质要求。熟练掌握常用的围岩分类方法及其适用性，特别是《水利水电工程地质勘察规范》GB50287推荐的分类方法。熟练掌握影响围岩稳定性的地形地质因素及围岩稳定性评价方法。了解地下洞室超前预报方法、支护加固处理措施及适用条件。了解地下洞室围岩的主要监测内容和布置原则。第七章地下洞室工程地质—选线要求1、地形——地形完整、山体稳定，无深切冲沟等，无滑坡、塌方等不良地质现象。2、岩性——地下洞室应尽量避开岩性条件差的围岩，使洞身置于坚硬完整的岩体中。3、地质构造——洞室应选在岩体结构完整、地质构造简单的地段，尽量避开大的构造破碎带。洞室轴线宜与构造线、岩层走向垂直或大角度相交。第七章地下洞室工程地质—选线要求4、地下水——应尽量将洞室置于非含水岩层中或地下水位以上，或采取地下排水措施，避免或减少渗透压力对围岩稳定的影响。5、地应力——洞室轴线布置最好与最大主应力方向平行或以小夹角相交。洞室围岩上覆岩体最小厚度的确定洞室上覆围岩最小厚度与洞径、岩体完整性及岩石强度有关。根据工程经验，无压隧洞上覆岩体最小厚度与洞径（B）的关系如下：坚硬岩石（1.0~1.5）B中硬岩石（1.5~2.0）B软弱岩石（2.0~3.0）B对于高内水压力洞段，上覆岩体及侧向岩体厚度要满足上抬理论。上抬理论假定围岩的承载能力完全由岩体的覆盖厚度决定，而不考虑构造应力场及洞径大小等因素。经验准则：有压隧洞必须有足够厚度的上覆岩体，并具有承受内水压力的能力。水工隧洞设计规范规定上覆岩体“按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定”即：式中h—计算点上的上覆岩体的厚度；p—计算点的内水压力；其余两项分别为水和岩石的密度。rph第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法常用的围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法普氏分类法中科院地质所围岩分类挪威的Q系统分类法地质力学分类法（RMR）新奥法第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法（普氏）式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpaf≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱（详见下表）。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。10cRf普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。普氏围岩分类表分级坚硬程度主要岩性坚固系数fⅠ极坚硬石英岩、玄武岩20Ⅱ很坚硬花岗岩、石英斑岩、石英砂岩15Ⅲ坚硬很硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩10~8Ⅳ相当坚硬砂岩、片岩6~5Ⅴ普通很硬的砂岩、片岩和石灰岩、泥灰岩4~3Ⅵ相当软泥灰岩、软片岩、白垩、石膏3~2Ⅶ软岩密实岩土、粘壤土、砂砾1~0.8Ⅷ土质地层耕植土、泥炭、湿砂0.6Ⅸ散粒岩体砂、湿砾、松散土0.5Ⅹ流砂流砂、沼泽土、含水黄土0.3第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法基础判据——控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分，限定判据——围岩强度应力比S提出了相应的支护类型。围岩稳定性常分为Ⅴ类：稳定、基本稳定、局部稳定性差、不稳定和极不稳定。第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法围岩类别围岩稳定性围岩总评分T围岩强度应力比S支护类型Ⅰ稳定。围岩可长期稳定，一般无不稳定块体T＞85＞4不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土。大跨度时，喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。Ⅱ基本稳定。围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块85≥T＞65＞4Ⅲ局部稳定性差。围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产65≥T＞45＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为20~25m时，并浇筑混凝土衬砌。Ⅳ不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。45≥T＞25＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌。Ⅴ极不稳定。围岩不能自稳，变形破坏严重。T＜25第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法1、注意围岩类别与围岩强度应力比S的关系。即Ⅰ类与Ⅴ类围岩与s无关，Ⅱ类、Ⅲ类与Ⅳ围岩有关，需要根据S值进行调整2、应熟记S=Rb×Kv/σm公式及各个符号的含义3、赋值内插法。抗压强度、完整性系数、地下水的赋值为范围值，要用内插法赋值。以抗压强度为例。对于坚硬岩，抗压强度大于100MPa时为30分，大于60MPa时为20分，如某第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法岩石饱和抗压强度为80MPa，则（80-60）/（A-20）=（100-60）/（30-20）则A=25。4、注意各赋分表下面的注解内容。5、各赋分表及分类标准见P804~805。第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法中科院地质所围岩分类——以岩体结构为基础建立的分类标准。岩体结构类型共分为4类12亚类；从破坏机制、变形过程、分析方法、施工方法、稳定性评价和支护等方面，分别区分各类岩体的质量。详见P807表7-4-7挪威的Q系统分类法Barton等人依据200个工程实例，于1974年提出的，国际上应用较普遍。是一种较方便、较切合实际的分类方法。依据岩芯的岩石质量指标、节理组数、最脆弱的节理的粗糙度系数及其蚀变程度或填充情况、裂隙水的折减系数和应力折减系数等六个因子计算围岩的Q值，并依据Q值将围岩分为9级。巴顿岩体质量（Q）分类表达式SRFJJJJRQDQwarn式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：nJRQD为岩体的完整性；arJJ表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；SRFJw表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。Q系统岩石质量指标（RQD）划分A.很差RQD=0~25%B.差=25~50%C.一般=50~75%D.好=75~90%E.很好=90~100%实际应用中隔5选取就足够精度，即100、95、90…等；当RQD≤10%时，则可取10%Q系统—节理组数（Jn）取值A.整体性岩体，含少量或不含节理0.5~1.0B.一组节理2C.一组节理再加些紊乱的节理（或1~2组）3D.两组节理4E.两组节理再加些紊乱的节理（或2~3组）6F.三组节理9G.三组节理再加些紊乱的节理（或3~4组）12H.四组或四组以上的节理，随机分布特别发育的节理，岩体被分成‘方糖状’等等（或4~5组）15J.粉碎状岩石，泥状物20备注：对于巷道交叉口，取3.0×Jn对于洞口，取2.0×JnQ系统—节理粗糙度影响（Jr)取值A.不连续节理4B.粗糙或不规则的波状节理3C.光滑的波状节理2D.带擦痕面的波状节理1.5E.粗糙或不规则的平面状节理1.5F.光滑的平面状节理1.0G.带擦痕面的平面状节理0.5H.节理中具有足够厚的粘土矿物、砂、砾石或岩粉（厚度大于起伏差）1.0(前7个为节理面完全接触，第8个为节理面不接触情况)使用时：若有关的节理组平均间距大于3m，Jr按上述取值+1对于具有线理且带擦痕的平面状节理，若线理指向最小强度方向，则Jr=0.5Q系统—节理蚀变影响因素（Ja）1节理完全闭合：A.节理比紧密接触，坚硬、无软化、充填物不透水0.75B.节理壁无蚀变、表面只有污染物1.0（25°~35°）C.节理壁轻度蚀变、不含软弱充填物2.0（25°~35°）D.含粉砂质或砂质粘土和粘土细粒（非软化的）3.0（20°~25°）E.含软化的粘土矿物（不连续，厚度≤1~2mm）4.0（8°~16°）Q系统—节理蚀变影响因素（Ja）2节理壁在剪切错动10cm前是接触的：F.含砂粒和无粘土的岩石碎块等4.0（25°~30°）G.含有厚＜5mm超固结的、非软化的粘土矿物6.0（16°~24°）H.含有厚＜5mm中等或轻度固结的软化的粘土矿物8.0（12°~16°）J.含厚＜5mm膨胀性粘土充填物，取决于粘土颗粒含量及含水量8.0~12.0（6°~12°）巴顿岩体质量（Q）分类——节理蚀变程度影响（Ja)取值3Q分类——裂隙水折减系数（JW)取值Q分类——应力折减系数（SRF）取值分为四种情况：a.软弱破碎带中开挖b.坚硬岩石中开挖c.挤压性岩体中开挖d.膨胀性岩体中开挖Q分类——应力折减系数（SRF）取值1软弱破碎带中开挖：A.含粘土或软弱岩石多处出现，围岩十分松散10.0B.含粘土或软弱岩石局部出现，埋深＜50m5.0C.含粘土或软弱岩石局部出现，埋深＞50m2.5D.岩石坚固不含粘土但多见剪切带，松散7.5E.坚硬岩石，含单一剪切带，埋深＜50m5.0F.坚硬岩石，含单一剪切带，埋深＞50m2.5G.含松散的张开节理，节理很发育5.0Q分类——应力折减系数（SRF）取值2坚硬岩石，岩体应力问题：SRFH.低应力，接近地表＞200＞132.5J.中等应力200~1013~0.661.0K.高应力，岩体结构非常紧密10~50.66~0.330.5~2L.整体岩体，轻微岩爆5~2.50.33~0.1610~20M.整体岩体，严重岩爆＜2.5＜0.1610~20为岩石单轴抗压强度，为岩石抗拉强度为最大主应力为最小主应力1c1tct13Q分类——应力折减系数（SRF）取值3挤压性岩体中开挖：N.挤压性微弱5~10O.挤压性很大10~20膨胀性岩体中开挖：P.膨胀性微弱5~10R.膨胀性很大10~20地下开挖当量直径：ESRDr巷道支护比跨度、直径或高度根据Q值，将岩体分为9类，如图：Barton关于开挖体支护比ESR取值开挖工程类型ESRA.临时性巷道3~5B.永久性矿山巷道、水电站引水隧洞（不含高水头）、大型开挖体的导洞等1.6C.地下储藏室、地下污水处理厂、次要公路及铁路隧道、调压室、隧道联络通道1.3D.地下电站、主要公路及铁路隧道、民防设施、隧道入口及交叉口1.0E.地下核电站、地铁车站、地下运动场和公共设施、地下厂房0.8Q分类应用实例如某地下洞室围岩为灰岩，基本情况如下，现运用Q系统确定其围岩类别。按下列步骤分析：分类因子基本情况赋分1.岩石质量好RQD=80%2.节理组数2组Jn=43.节理粗糙度粗糙Jr=34.节理蚀变情况粘土质充填物Ja=45.裂隙水流量大Jw=0.336.应力折减中等应力SRF=1.0故有：查分类图可知，该隧洞围岩为5类“一般”岩体（尚可据此确定最大不支护跨度）595.4133.043480QQ分类的优点：考虑因素相对全面适用于各种岩石（软、硬）Q分类的缺点：没有考虑节理方位（怕失去简单的特点，影响通用性）宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即：654321RRRRRRRMR（1）对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标（Mpa）岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值10250154~10100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用10（2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）90～10075~9050~7525~5025评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）20.6~20.2~0.60.06~0.20.06评分值20151085（4）不连续面状态的岩体评分值R4说明评分值粗糙，不连续张开，不风化30稍粗糙，张开