工程地質(zhì)第9章

1、第章第章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性地下洞室圍巖穩(wěn)定性地下洞室地下洞室: :為各種目的修建在地層內(nèi)的中空通道或中為各種目的修建在地層內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機庫地下儲油庫、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機庫等。等。圍巖：圍巖：由開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在由開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地下洞室橫剖面洞周一定范圍之內(nèi)。通常此范圍等于地

2、下洞室橫剖面中最大尺寸的中最大尺寸的35倍，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為倍，習(xí)慣上將此范圍內(nèi)的巖體稱為“圍巖圍巖” 9.1 洞室圍巖應(yīng)力重分布特征洞室圍巖應(yīng)力重分布特征圍巖應(yīng)力重分布的一般持點圍巖應(yīng)力重分布的一般持點Hvv0vhN圍巖及圍巖內(nèi)的初始應(yīng)力場圍巖及圍巖內(nèi)的初始應(yīng)力場 圖圖9-2 N=0.259-2 N=0.25時，圓形隧洞周邊的應(yīng)力分布時，圓形隧洞周邊的應(yīng)力分布 理論與實驗表明：理論與實驗表明：地下洞室圍巖應(yīng)力重分布的特點主要取決于地下洞室圍巖應(yīng)力重分布的特點主要取決于洞形洞形(橫斷面形狀橫斷面形狀)和巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。和巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)。 9.2 洞室圍巖的變形破壞方式洞室圍巖

3、的變形破壞方式9.2.1 9.2.1 圍巖變形破壞的一般過程和特圍巖變形破壞的一般過程和特點點 圖圖9-12 N=1應(yīng)力場中圓形隧洞應(yīng)力場中圓形隧洞 周邊的應(yīng)力分帶周邊的應(yīng)力分帶1應(yīng)力減低了的區(qū)域應(yīng)力減低了的區(qū)域;2應(yīng)力增高了應(yīng)力增高了的區(qū)域的區(qū)域;3初始應(yīng)力未受影響的區(qū)域初始應(yīng)力未受影響的區(qū)域9.2.2 9.2.2 脆性圍巖的變形破壞方式脆性圍巖的變形破壞方式主要類型主要類型：彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移、：彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移、 巖爆等巖爆等1.1.彎折內(nèi)鼓彎折內(nèi)鼓 是層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。是層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。有兩種情

4、況，一是卸荷回彈的結(jié)果，二是應(yīng)力集中使洞壁有兩種情況，一是卸荷回彈的結(jié)果，二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過薄層狀巖層的抗彎折強度所造成的。處的切向壓應(yīng)力超過薄層狀巖層的抗彎折強度所造成的。 2.2.張裂塌落張裂塌落 通常發(fā)生于厚層狀或通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，當那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過圍巖的抗拉強且其值超過圍巖的抗拉強度時，頂拱圍巖就將發(fā)生度時，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞。張裂破壞。 圖圖9-15 N=1/39-15 N=1/3的應(yīng)的應(yīng)力場中寬度比為力場中寬度比為6 6的坑的坑道道頂拱的冒落對頂拱頂拱的冒落對頂拱應(yīng)力的影響應(yīng)

5、力的影響 3.3.劈裂剝落、剪切劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動滑移及碎裂松動(1) (1) 劈裂剝落劈裂剝落 過大的切向壓過大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周期生平行于洞室周期性的破裂。一些平性的破裂。一些平行的破裂將圍巖切行的破裂將圍巖切割成厚度由幾厘米割成厚度由幾厘米到幾十厘米的薄板，到幾十厘米的薄板，它們沿壁面剝落。它們沿壁面剝落。 圖圖9-16 9-16 美國弗吉尼亞洲皮特斯波夫煤層中美國弗吉尼亞洲皮特斯波夫煤層中 不同走向坑道圍巖的變形破壞特征不同走向坑道圍巖的變形破壞特征 (2) (2) 剪切滑移剪切滑移 圖圖9-17 9-17 滑移拉裂引起的頂拱冒落滑移拉裂引

6、起的頂拱冒落 (3) (3) 碎裂松動碎裂松動 圖圖9-18 9-18 寬高比為寬高比為6 6應(yīng)力比值系數(shù)應(yīng)力比值系數(shù)N=3N=3，坑道，坑道 頂拱塌落對頂拱應(yīng)力的影響頂拱塌落對頂拱應(yīng)力的影響 碎裂松動是碎裂碎裂松動是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應(yīng)力挖后，如果圍巖應(yīng)力已超過了圍巖的屈服已超過了圍巖的屈服強度，這類圍巖就會強度，這類圍巖就會因沿多組已有斷裂結(jié)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯動而構(gòu)面發(fā)生剪切錯動而松馳，并圍繞洞體形松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動帶成一定的碎裂松動帶或松動圈?；蛩蓜尤?。 4.4.巖爆巖爆(1) (1)

7、巖爆的基本概念巖爆的基本概念巖爆巖爆:在地下開挖或開采過在地下開挖或開采過程中，圍巖的破壞有時會程中，圍巖的破壞有時會突然地以爆炸的形式表現(xiàn)突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來這就是所謂的巖爆。出來這就是所謂的巖爆。(2) (2) 巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機制生機制EVEla22122 圖圖9-19 9-19 方柱形巖體手力變形及應(yīng)方柱形巖體手力變形及應(yīng)變能的儲積變能的儲積 圖圖9-20 9-20 易于產(chǎn)生巖爆的易于產(chǎn)生巖爆的 高變異應(yīng)力區(qū)高變異應(yīng)力區(qū) 圖圖9-21 9-21 由巖性條件所決定的由巖性條件所決定的 局部應(yīng)力集中區(qū)局部應(yīng)力集中區(qū) 圖圖9-22 開挖逼近斷層時易于開挖逼近斷層時

8、易于產(chǎn)生巖爆的部位產(chǎn)生巖爆的部位 9.2.3 9.2.3 塑性圍巖的變形與破壞塑性圍巖的變形與破壞 塑性圍巖塑性圍巖:包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體( 如頁巖、泥巖如頁巖、泥巖和粘土巖等和粘土巖等)和散體結(jié)構(gòu)巖體。和散體結(jié)構(gòu)巖體。破壞方式：破壞方式：塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出、重力坍塌塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑流涌出、重力坍塌1.1.塑性擠出：塑性擠出：洞室開挖后，當圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的洞室開挖后，當圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的屈服強度時，軟弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應(yīng)力梯度方向屈服強度時，軟弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。向消除了阻力的自由空間擠出。

9、 2.2.膨脹內(nèi)鼓：膨脹內(nèi)鼓：洞室開挖后，圍巖表部減壓區(qū)的形成往往洞室開挖后，圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果常使其促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果常使其些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹內(nèi)鼓變形。些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹內(nèi)鼓變形。 3.3.塑流涌出塑流涌出：當開挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)松散破碎物當開挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)松散破碎物質(zhì)時，這上結(jié)物質(zhì)就會和水一起在壓力下呈夾有大量碎質(zhì)時，這上結(jié)物質(zhì)就會和水一起在壓力下呈夾有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌入洞中。屑物的泥漿狀突然地涌入洞中。 4.4.重力坍塌：重力坍塌：破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌

10、方。破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。 A花崗巖的剪切破碎帶；花崗巖的剪切破碎帶；B頁巖中的緩傾角斷裂帶；頁巖中的緩傾角斷裂帶；C富含蒙脫石的風(fēng)化火山灰；富含蒙脫石的風(fēng)化火山灰；D固結(jié)差的泥巖；固結(jié)差的泥巖；E遭剪切破壞和風(fēng)化的云母片巖；遭剪切破壞和風(fēng)化的云母片巖；F與巖脈相接觸的強蝕變細斑巖與巖脈相接觸的強蝕變細斑巖幾幾種種發(fā)發(fā)生生塑塑性性擠擠出出的的地地質(zhì)質(zhì)條條件件 9.2.4 9.2.4 采空區(qū)圍巖變形、破壞引起的地表沉陷采空區(qū)圍巖變形、破壞引起的地表沉陷1.1.采空區(qū)礦柱系統(tǒng)的累進性破壞及采空區(qū)的冒落采空區(qū)礦柱系統(tǒng)的累進性破壞及采空區(qū)的冒落 圖圖9-24 9-24 采空區(qū)礦柱系統(tǒng)示意

11、圖采空區(qū)礦柱系統(tǒng)示意圖 2.2.地表沉陷與沉陷洼地的形成地表沉陷與沉陷洼地的形成 圖圖9-25 9-25 采空區(qū)冒落引起的上復(fù)巖層采空區(qū)冒落引起的上復(fù)巖層 的變形與錯動的分帶的變形與錯動的分帶 圖圖9-26 9-26 下沉洼地內(nèi)壓，拉應(yīng)力的分布下沉洼地內(nèi)壓，拉應(yīng)力的分布 圖圖9-27 9-27 傾斜巖層中下沉洼地的特征傾斜巖層中下沉洼地的特征 圖圖9-28 9-28 與掘進掌子面平行剖面上下沉發(fā)展與掘進掌子面平行剖面上下沉發(fā)展 9.3 洞室圍巖穩(wěn)定性評價洞室圍巖穩(wěn)定性評價9.3.1 9.3.1 影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素分析第一類第一類因素是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而

12、影響地下洞室圍巖穩(wěn)因素是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的，主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形定性的，主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀兩者。狀兩者。第二類第二類因素包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)，主要是通過圍巖的因素包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)，主要是通過圍巖的強度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性的。強度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性的。第三類第三類是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強度的因素。是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強度的因素。這主要是巖體中地下水的賦存、活動條件。這主要是巖體中地下水的賦存、活動條件。 圖圖9-31 9-31 地下洞地下洞室頂拱上的幾種室頂拱上的幾種典型結(jié)構(gòu)體典型結(jié)構(gòu)體 9.3.2

13、9.3.2 圍巖壓力問題圍巖壓力問題1.1.圍壓的基本概念圍壓的基本概念 設(shè)計隧道或其它地下洞室時，如果工程地質(zhì)分析與巖體設(shè)計隧道或其它地下洞室時，如果工程地質(zhì)分析與巖體力學(xué)計算的結(jié)果表明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)力學(xué)計算的結(jié)果表明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)計相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。計相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達到這個目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相為了達到這個目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相互作用，這種相互作用的力，對于支襯結(jié)構(gòu)來說，就是所謂的互作用，這種相互作用的力，對于支襯結(jié)構(gòu)來說，就是

14、所謂的圍巖壓力圍巖壓力( (或簡稱圍壓或簡稱圍壓) )。 2.2.圍壓計算圍壓計算 (1) (1) 松動圍壓松動圍壓 1 1）用平衡拱理論確定圍壓）用平衡拱理論確定圍壓 (a) 洞側(cè)壁穩(wěn)定；洞側(cè)壁穩(wěn)定； (b) 洞側(cè)壁不穩(wěn)定；洞側(cè)壁不穩(wěn)定；圖圖9-33 用平衡拱理論求圍壓圖式用平衡拱理論求圍壓圖式b、b 平衡拱底寬；平衡拱底寬；h、h 平衡拱高；平衡拱高；H洞高；洞高； 巖石的內(nèi)摩擦角；巖石的內(nèi)摩擦角；p、p 分別為洞側(cè)壁穩(wěn)定和不穩(wěn)定時的洞頂圍壓；分別為洞側(cè)壁穩(wěn)定和不穩(wěn)定時的洞頂圍壓；E1、E2側(cè)壁單位面積上的圍壓側(cè)壁單位面積上的圍壓 計算公式為計算公式為： bhP32hbP32kfbh2kf

15、bh2kfbP231kfbP231 fk為巖石的堅固性系數(shù)或稱普氏系數(shù)為巖石的堅固性系數(shù)或稱普氏系數(shù)砂性土，砂性土，f fk k=tg=tg 粘性土粘性土 f fk k= tg= tg +c/+c/ 2 2）用地質(zhì)分析法確定圍壓）用地質(zhì)分析法確定圍壓 (a) 柱形分離體；柱形分離體；(b) 楔形分離體；楔形分離體；(c) 錐形分離體錐形分離體分分離離體體類類型型圖圖式式 A： 柱形分離體的圍壓計算柱形分離體的圍壓計算 P0=ah （1） kfaP2031hafk31（2）（3）柱形分離體圍壓計算圖式柱形分離體圍壓計算圖式 B B：尖角形分離體的圍壓計算：尖角形分離體的圍壓計算 ahP210h=

16、a/(ctg +ctg ) kfaP2031hafk32hanfk31（1）（2）（3）（4）（5）尖角形分離體圍壓計算圖式尖角形分離體圍壓計算圖式 (2) (2) 塑性圍壓和膨脹圍壓塑性圍壓和膨脹圍壓塑性圍巖塑性圍巖 ctgcRrctgcPsin1sin2)(sin1)(sin2sin1)sin1 (ctgcctgcPR膨脹圍壓膨脹圍壓 (3) (3) 流動圍壓流動圍壓 按靜水壓力的原則來計算和評價其大小按靜水壓力的原則來計算和評價其大小 (4) (4) 偏壓偏壓1 1）傍山隧道）傍山隧道 巖巖堆堆蠕蠕動動造造成成的的偏偏壓壓及及其其處處理理措措施施圖圖 圖圖9-38 9-38 高場山隧道襯

17、砌變形情況高場山隧道襯砌變形情況 2 2）巖體沿軟弱斷層）巖體沿軟弱斷層( (圖圖9-39)9-39)或充填有易滑物質(zhì)裂隙蠕或充填有易滑物質(zhì)裂隙蠕 滑也可對位于其下洞室造成偏壓?；部蓪ξ挥谄湎露词以斐善珘?。 沿沿軟軟弱弱巖巖層層滑滑動動造造成成的的偏偏壓壓 (5) (5) 我國鐵道部門隧道規(guī)范所建議的計算方法我國鐵道部門隧道規(guī)范所建議的計算方法圍巖垂直均布壓力按下式計算：圍巖垂直均布壓力按下式計算： P=0.45P=0.45 2 2S S 寬度影響系數(shù)。寬度影響系數(shù)。 =1+i(B-5) 1）H/B1.7(H為隧道的高度為隧道的高度)； 2）深埋隧道；）深埋隧道； 3）不產(chǎn)生顯著偏壓及膨漲壓

18、力的一般圍巖；）不產(chǎn)生顯著偏壓及膨漲壓力的一般圍巖； 4）采用一般隧道施工法的隧道；）采用一般隧道施工法的隧道； 圍巖圍巖類別類別水平均水平均布壓力布壓力0(01/6)P(1/61/3)P(1/31/2)P(1/21)P圍巖水平均布壓力圍巖水平均布壓力 （6 6）我國水電部門水工隧洞設(shè)計暫行規(guī)范所建議的方法）我國水電部門水工隧洞設(shè)計暫行規(guī)范所建議的方法 建議用下式計建議用下式計算山壓：算山壓：P=SyB (1) q=SxH (2)巖石堅硬程度代 表 的 巖石名稱節(jié)理裂隙多少或風(fēng)化程度山壓系數(shù)SySx堅硬巖石石英巖、花崗巖、流紋斑巖、安山巖、玄武巖、厚層硅質(zhì)灰?guī)r等節(jié)理裂隙少，新鮮節(jié)理裂隙不太發(fā)育，微風(fēng)化節(jié)理裂隙發(fā)育，弱風(fēng)化0-0.050.05-10.1-0.2中等堅硬巖石砂巖、石灰?guī)r、白云巖、礫巖等節(jié)