水工地质7-地下建筑的工程地质分析

第七章地下建筑的工程地质分析第七章地下建筑的工程地质分析地下洞室:是指建筑于地下岩土体中，具有一定断面形态和尺寸，并有较大延伸长度的地下建筑。而洞室周围的岩体简称为围岩。实际工作中，一般认为其是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径3倍距离范围内的岩土体。各类工程中的地下建筑物，一般包括：输水隧洞、导流隧洞、地下厂房、铁路隧洞、公路隧洞等。其中，各类地下洞室（隧洞）是主要的地下建筑类型。第七章地下建筑的工程地质分析地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，首先要考虑区域、山体稳定，其次为地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。第一节地下洞室选址的工程地质条件**区域稳定性及山体的稳定:一般要求，建洞地区应是区域地质构造稳定，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基本烈度应小于8度。第七章地下建筑的工程地质分析一、地形地貌条件山体完整，洞室周围应有足够的山体厚度。隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌。洞口岩石直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里。洞口开挖在高边坡时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。隧洞进出口排水方便且不易受水流冲刷。第七章地下建筑的工程地质分析隧洞选线利用沟谷地形示意图第七章地下建筑的工程地质分析坚硬岩石中开挖隧洞-------围岩稳定，日进尺快、造价便宜。软弱岩层、破碎岩层和松散岩层中掘进------顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需支护或衬砌后掘进，日进尺慢，造价高。尽量避开不良围岩，使洞室置于坚硬岩层中。二、岩性条件岩石性质是控制地下洞室围岩稳定的重要因素，也是决定工程工期和造价的主要条件之一。第七章地下建筑的工程地质分析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。尽量使洞室置于坚硬岩层和同一岩层中，若不能避免，则将顶围置于坚硬岩层中。第七章地下建筑的工程地质分析地质构造条件对洞室围岩稳定有重要的影响。尽量使轴线与地区构造线的方向相垂直或成大角度相交。尽量避开大的断层破碎带或呈小角度相交。倾斜岩层地区，注意洞轴线与岩层产状的关系。三、地质构造条件1)对断裂构造:隧洞所遇断裂破碎带宽度愈大，走向与洞轴线交角愈小，在洞内出露面积也愈大，对围岩的稳定影响就愈大，特别是平行于洞轴线的断层更应尽量避开。第七章地下建筑的工程地质分析断层对地下洞室选线的影响第七章地下建筑的工程地质分析2)褶皱剧烈地区，断裂也发育，尤其褶皱核部岩层完整性最差。背斜核部，虽岩层破碎，然犹如石砌的拱形结构，能将上覆岩层的荷重传递至两侧岩体中去，所以有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。向斜核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易坍落。另-----向斜核部往往是承压水储存的场所，地下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。第七章地下建筑的工程地质分析地下洞室轴线与褶皱的关系第七章地下建筑的工程地质分析√√须做工作：调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。水量方面：对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，应注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评价地下水涌水的可能性及涌水量。水质方面：资料分析，对PH＜5的酸性地下水，应分析水中侵蚀性CO2和硫酸盐侵蚀性对混凝土衬砌的影响。四、水文地质条件选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。第七章地下建筑的工程地质分析五、地应力了解初始应力场的分布和变化规律，至关重要。初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。如果围岩内出现拉应力，压应力集中且较大，对围岩稳定不利。初始应力场的水平主应力值较大时，洞室轴线最好平行于最大水平主应力方向(与构造主线垂直，即与主压应力方向平行）布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。第七章地下建筑的工程地质分析地下洞室在开挖前，山体内部的岩石处于天然应力（地应力）状态。地应力一般可分为：自重应力构造应力变异应力第二节洞室设计的工程地质问题一、地应力及其组成第七章地下建筑的工程地质分析二、围岩应力重分布的特征地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平衡的。围岩内任意点都有：1xzzyyxδδδδδδ第七章地下建筑的工程地质分析以圆形洞室为例（右图），假定开挖前只存在压应力δ，无拉、剪力，则极坐标下围岩中任意一点有：m(θ,r)raθ轴向（径向）应力切向应力)1(22rar)1(22raa——洞室半径r——围岩中某点的圆心距θ——极角第七章地下建筑的工程地质分析洞室开挖后，当r=a时，有:0)1(22aar2)1(22aa第七章地下建筑的工程地质分析r＞a时，显见r越大)1(22rarmaxr)1(22ra越小，min也越大，第七章地下建筑的工程地质分析有最大值所以，破坏总是先从洞壁开始。arr在处第七章地下建筑的工程地质分析（1）概念：山岩压力（简称山压）洞室上部岩体作用于洞室支撑衬砌结构上的作用力。可分为：变形山压松动山压三、洞室开挖运行后的新生应力1.山岩压力第七章地下建筑的工程地质分析（2）普式平衡拱与普式山压地下洞室开挖后顶围坍落是洞室围岩失稳最常见的一类。多数顶围坍落后常形成一个自然的坍落拱，在坍落拱上，围岩的应力达到平衡，破坏与变形也就中止了，若能人为设计出该坍落拱，使围岩应力提前均衡，顶围坍落使不会再发生（针对水平岩层和松散岩体）。第七章地下建筑的工程地质分析计算方法前提①围岩为水平岩层或散体结构岩体②洞室侧壁未发生滑坍第七章地下建筑的工程地质分析第七章地下建筑的工程地质分析普氏平衡拱法普罗托齐雅科诺夫（坚固系数）方法tgftgCfkk或(散粒体一般岩体对于整体性岩体，有：=Rc/100kfkf取平衡拱左半拱，该块岩体受力（同三铰拱）为：铅直重力，右半拱水平推力T，拱角水平反力F，铅直反力V，依据静力平衡条件，对拱角A点取力矩，则有zzFVAh1b1TdxxThbZ101第七章地下建筑的工程地质分析当达到平衡时，必然有F=TV=×b1TbhZ2211z这是F为V产生的摩阻力，引入——坚固系数替代岩体内摩擦系数（）则可知tgkzkfbfVF1kf第七章地下建筑的工程地质分析一般地，当F＞T时，拱围即可达到稳定，但为保证安全，设计时常取F=2T，即安全系数为2，时代入有:TfbTFkZ/2/1kZfbT121kkZZZfbfbbTbh//2/1121211将此值代入h1表达式有：第七章地下建筑的工程地质分析即kfbh/11就是设计的普氏平衡拱高。此拱高下，顶围即可保证安全稳定性。第七章地下建筑的工程地质分析*普氏还认为：平衡拱是呈抛物线形式的，由此洞顶普氏山岩压力Q应为（面积×容重）。kfbhbQ348342111实验确定第七章地下建筑的工程地质分析2.弹性抗力弹性抗力：指有压隧洞充水后，衬砌部分或整体（如压力隧洞衬砌的周边）发生向围岩方向变形时，在围岩中产生的抵抗力。弹性抗力常用弹性抗力系数来表示,即：P——岩石承受的压力（内水压力）y——洞壁的径向变形。隧洞半径愈大，岩体的弹性抗力系数越小。工程上常采用隧洞半径为1m时的弹性抗力系数作为单位抗力系数.yPK第七章地下建筑的工程地质分析3.外水压力外水压力：作用在隧洞衬砌上的地下水静水压力。其大小是由两方面因素所决定的：①决定于隧洞围岩的水文地质条件，如地下水位的高低、岩石的透水性以及地下水的埋藏条件；②决定于隧洞设计和施工情况，如排水设置、衬砌本身的透水性、衬砌与岩石的结合程度以及灌浆效果等。第七章地下建筑的工程地质分析隧洞外水压力示意图第七章地下建筑的工程地质分析第三节洞室施工的工程地质问题一、地下洞室围岩的变形、破坏形式当洞室围岩难以承受应力变化所带来的影响时，就会发生变形与破坏，形式主要有以下4种：1．顶围悬垂坍落：常见于顶部围岩裂隙发育或风化严重的水平岩层围岩中，坍落后，可自然形成一个“坍落拱”（重力作用原因）。第七章地下建筑的工程地质分析2．侧围突出与滑塌：多发生于陡立层状岩体中。这种岩层侧围滑塌后又会发生顶围坍落（天然应力δ引起），但不会形成坍落拱。第七章地下建筑的工程地质分析3．底围鼓胀与隆破：多见于塑性、弹塑性岩体中或裂隙发育，有适当结构面的围岩中，或因洞室埋深过大而引起。第七章地下建筑的工程地质分析4．围岩缩径与岩爆：前者指顶、侧、底三围以相似速度向洞内变形，多见于弹塑性和塑性岩体中，后者是脆性岩体中各别岩块在失去一侧围压阻挡后，突然向洞室内弹出的现象.弹出岩块不可能再塞回原位①岩块体积增大②原位变形第七章地下建筑的工程地质分析第七章地下建筑的工程地质分析地下洞室围岩的变形、破坏形式二、提高围岩稳定性的措施常用的支衬结构有支撑、衬砌、锚杆支护喷锚支护。（一）支撑、衬砌与锚杆支护第七章地下建筑的工程地质分析（二）锚杆喷射混凝土联合支护锚喷支护，是把喷射混凝土支护与锚杆结合起来，加强岩体本身的整体性和力学强度，同时迅速有效地控制与防止围岩表层岩体的松动坍落，从而使一定厚度的围岩与喷射混凝土层形成承载拱，起到有效支护作用的方法。（三）固结灌浆用于裂隙严重和稳定性极差的第四纪堆积型围岩。第七章地下建筑的工程地质分析