第7章--地下工程地质问题

工程地质学主编张士彩目录下页上页7地下工程地质问题目录下页上页内容提要能力要求本章主要内容包括岩体结构及地应力的基本概念、地下洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制、保证洞室围岩稳定的工程措施等。本章教学重点为地下洞室变形及破坏的类型，教学难点为保证洞室围岩稳定的各种工程措施。通过本章的学习，学生应达到如下能力：（1）掌握岩体及岩体结构的基本概念、地应力的基本概念。（2）理解地下洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制。（3）了解保证洞室围岩稳定的工程措施。（4）能够达到灵活运用所学理论知识以解决工程中遇到的实际问题的能力。目录下页上页随着我国经济的高速发展，有限的土地资源成为很多地区发展的瓶颈。21世纪是地下工程开发利用的世纪，为了能适应高速发展的经济，我们在平面发展空间不足的情况下，优先想到了向空中与地下要空间，尤其是地下空间的利用，具有很多优点与可操作性。因此，地下工程将会是近几年的热点关注所在。地下工程是与地质条件关系最为密切的工程建筑。不同于地面工程，地下工程位于地表以下一定深度，受周围岩土体的影响更为明显。因此这些岩土体的工程地质特性对地下工程的影响更为直接。修建于各种不同地质条件的岩土体内，所遭遇的工程地质问题比较复杂。本章将对地下工程中常见地质问题进行讲解。目录下页上页在岩（土）体内，为各种目的经人工形成的地下建筑物称为地下工程，其中经人工开凿形成的地下空间称为地下洞室，包括各种地下厂房、附建式地下结构及隧道等。随着科学技术的进步和建设事业的发展，大型工业、企业以及市政设施的地下工程系统日益增多，在水利水电、交通运输、矿山开采、城市建设以及军事工程、人防工程等方面出现了大量的、规模巨大的地下工程。目录下页上页纽约联邦储备银行的地下金库，地下5层深达海平面以下15米目录下页上页地下工业贮藏设施（油库）目录下页上页城市地下共同沟（东京）目录下页上页城市地下人防工程目录下页上页危险源地下工厂目录下页上页地铁车站（北京地铁1号线王府井站站厅层）目录下页上页地铁区间隧道目录下页上页山岭隧道目录下页上页地下工程是与地质条件关系密切的工程建筑。地下工程位于地表下一定深度，修建在各种不同地质条件的岩（土）体内，所遇到的工程地质问题十分复杂。从工程实践来看，地下工程的工程地质问题是围绕着工程岩（土）体的稳定而出现的。因此，研究地下工程围岩稳定性的主要影响因素，如岩体的物理力学性质、结构状态及结构面特征、地应力和含水情况等，预测可能发生的地质灾害并采取相应防治措施，是地下工程建设中非常重要的一个环节。7.1岩体及岩体结构7.2地下洞室变形及破坏类型7.3保证洞室围岩稳定的工程措施◎习题与思考题目录下页上页7地下工程地质问题目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体岩体的概念包含以下两个层次，一是从地质观点出发的广义岩体，是指在地质历史时期由各种岩石块体自然组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性及各向异性等特点；二是从工程观点出发的工程岩体，是指与工程建筑物有关的那一部分岩体，即地下洞室开挖后影响范围内的岩体，该部分岩体在地下洞室开挖后发生了应力重分布。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体岩石是矿物的自然集合体，是相对完整的块体。而岩体则是由这些相对完整的块体自然组合而成，岩体中各个岩块被不连续界面所分割，这些不连续界面被称为岩体的结构面，岩石块体被称为岩体的结构体，结构面与结构体的组合成为岩体。按工程性质不同，把岩体分为地基岩体、边坡岩体和洞室岩体。本章主要介绍洞室岩体。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体岩石的工程性质主要取决于组成它的矿物成分、结构和构造；而岩体的工程性质不仅取决于组成它的岩石自身工程性质，更重要的是取决于其结构面的性质。图7.1二滩电站右坝肩岩体结构示意图a—软弱岩体；b—断层；c—节理网络目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面结构面是指岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗拉强度。结构面是指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等，如岩层层面、层理、片理、软弱夹层、节理、断层、不整合接触面等。结构面按成因可分为原生结构面、构造结构面以及次生结构面。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面1.原生结构面：指岩石形成过程中产生的结构面。又可分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。2.构造结构面：指地壳运动引起岩石变形破坏形成的破裂面。如构造节理、断层、破劈理等。3.次生结构面：指地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面。如风化裂隙、卸荷裂隙、爆破裂隙、泥化夹层、不整合接触面等。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面一般情况下，结构面在岩体中是力学强度相对薄弱的部位。因此，岩体的力学性质及岩体的稳定性，很大程度上取决于岩体中结构面的工程性质。结构面工程性质的影响因素主要有结构面的类型、组数、密度、产状、结构面粗糙度和结构面壁强度、结构面长度、张开度、充填物性质及厚度、含水情况等。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体称为结构体。受结构面组数、密度、产状、长度等影响，结构体可以形成各种形状。常见结构体有块状、柱状、板状、锥状、楔形体、菱面体等。结构体形状、大小、产状和所处位置不同，对工程稳定性影响差别很大。当结构体形状、大小、产状都相同，在工程不同位置处，其稳定性也不相同。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体图7.2拱顶中心岩块A所处位置不同对地下洞室稳定性影响差异目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体图7.3水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合关系，其组合形式称为岩体结构类型。不同结构类型的岩体，其力学性质有明显差别。不同结构类型岩体的力学性质有明显差别。由于不同岩体结构类型具有不同的工程地质及水文地质特征，其岩体变形与破坏机制、应力传播规律、地下水渗透性等都各不相同，导致其变形和强度也各不相同。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念一般情况下，硬岩岩体主要为脆性破坏，软岩岩体主要为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度远高于软岩岩体。通常，在硬岩岩体中，结构面力学强度大大低于结构体力学强度，因此，硬岩岩体的变性破坏首先是从沿结构面的变形破坏，岩体工程性质主要取决于结构面的工程性质。在软岩岩体中，因结构体力学强度较低，有时与结构面强度相差无几，甚至低于结构面强度，因此，软岩岩体的工程性质常常取决于结构体的工程性质。综上所述，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念岩体变形的另一个显著特点是各向异性。当结构面发育时，受结构面控制的岩体各方向上的变形和强度有较大区别。通常垂直结构面方向的变形大于平行结构面方向的变形，垂直结构面方向的变形模量E⊥小于平行结构面方向的变形模量E∥，垂直结构面方向的抗压强度σ⊥大于平行结构面方向的抗压强度σ∥。岩体按结构类型分类仅为第一级分类，在此基础上还必须进一步研究不同结构类型岩体的变形和强度特征，结合不同工程类型，对岩体质量进行定量化综合评价和岩体工程分级（即围岩工程分级），才能在设计与施工中较方便地应用。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念地应力也称天然应力、原岩应力、初始应力、一次应力，是指存在于地壳岩体中的应力。由于工程开挖，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布，这种应力则称为二次应力或扰动应力，在地下工程中称围岩应力。地应力按作用方向可分为水平应力与垂直应力，水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力。依据埋深不同地应力的分布存在以下规律：地壳浅层部位有水平应力大于垂直应力；地壳深层部位有水平应力约等于垂直应力。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：1.在浅部岩层，地应力垂直分量σv值接近于岩体自重应力；大约3/4实测资料表明，水平分量σh大于垂直分量σv。2.在深部岩层，如1㎞以下，两者渐趋一致，甚至σV大于σh。3.水平分量σh有各向异性。中国华北地区实测结果表明比值σhmin/σhmax=0.19～0.27的占17%，比值为0.43～0.64的占60%，比值为0.66～0.78的约占20%。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：4.最大主应力在平坦地区或深层，受构造方向控制，而在山区则和地形有关，在浅层往往平行于山坡方向。5.由于多数岩体都经历过多次地质构造运动，且组成岩石的各种矿物的物理力学性质也不相同，因而地应力中的一部份以“封闭”或“冻结”状态存在于岩石中。目录下页上页§7.1岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念洞室围岩的变形与破坏程度，一方面取决于地下天然应力、重分布应力及附加应力；另一方面与岩土体的结构及其工程地质性质密切相关。地下洞室开挖后地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间松胀变形；这种变形大小超过了围岩所能承受的能力，便发生破坏，从母岩中分离、脱落，导致坍塌、滑动、隆破和岩爆等。岩土工程中，特别是地下工程建设中，地应力有十分重要的意义。在高应力地区修筑的隧道及地下洞室中，常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软弱岩层中的流变现象，给工程施工带来危害。目录下页上页§7.2地下洞室变形及破坏类型岩体通常情况下破坏类型可分为以下两种，一是硬岩情况下，岩体破坏主要沿结构面剪切破坏；二是软岩情况下，岩体破坏主要是整体强度不足而破坏。在土木工程中，将地下洞室开挖后洞室周围应力发生重分布范围内的岩体称为围岩。应力发生重分布后的应力称为围岩应力或二次应力。围岩应力引起的变形与破坏，主要指相对较完整岩体在围岩应力为主作用下产生的变形和破坏。目录下页上页§7.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律地下洞室开挖后，破坏了岩体中原有的地应力平衡状态，岩体内各质点在回弹应力作用下，力图沿最短距离向消除了阻力的临空面方向移动，直到达到新的平衡，这种位移现象称为卸荷回弹。随着岩体质点的位移，岩体内一些方向上的质点由原来的紧密状态逐渐松胀。另一些方向上的质点反而挤压程度更大，岩体应力的大小和主应力方向也随之发生变化。这种岩体应力变化，一般发生在地下洞室横剖面最大尺寸的3~5倍范围内。在此范围外，岩体依然处于原来的地应力状态。目录下页上页§7.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律地下洞室开挖使围岩内主应力产生强烈分异现象，愈接近临空面，应力差值愈大，到洞室周边达最大值。因此，在围岩范围内，洞室周边为最不利应力条件。洞室开挖后，只要洞壁各点的应力值均未超过岩体强度，则整个围岩是稳定的；相反，围岩则产生变形或破坏。并且，任何围岩的变形或破坏必将首先从洞室周边开始，然后沿半径方向向岩体内部发展。因此，研究洞室周边应力，对评价围岩稳定性有十分重要的意义。目录下页上页§7.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律洞室周边围岩应力的变化规律主要随洞室形状和侧压力系数（N=σh/σv）而变化。以铁路直墙圆拱形隧道为例，当侧压力系数较低时，拉应力主要出现在拱顶和洞底，并且洞底的拉应力常大于拱顶的拉应力；压应力主要出现在拱脚和边墙中部，并且边墙中部压应力最大。随着侧压力系数增加，拱顶和洞底由拉应力转为压应力，拱顶压应力大于洞底压应力并逐步接近拱脚压应力；边墙中部压应力增加，并仍为最大压应力区。目录下页上页§7.2地下洞室变形及破坏类型7.2.2围岩的变形导致围岩变形的根本原