洞室的工程地質(zhì)研究課件

1、水利水電工程中的地下建筑物，一般包括輸水隧洞、導(dǎo)流隧洞、地下廠房、閘門井調(diào)壓井（室）、壓力管道、尾水隧洞都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是要在巖體內(nèi)開挖出具有一定規(guī)模的洞室。鉆爆法鑿巖臺車隧洞掘進(jìn)機(jī)施工 第一節(jié) 洞室選址的工程地質(zhì)條件地下洞室位置的選擇，除取決于工程目的要求外，主要受地形、巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等工程地質(zhì)條件的控制。一、地形地貌條件進(jìn)行隧洞選線時(shí)，要注意山體外形完整，山體未被負(fù)地形切割破壞，無滑坡、塌方等破壞地形。在洞室選線時(shí)，進(jìn)出口地段的地形條件是非常重要的，要充分利用地形，方便施工。在傍山隧洞或地下廠房的山坡一側(cè)，圍巖應(yīng)有一定的厚度 。二、巖性條件巖石性質(zhì)是控制地下洞室圍

2、巖穩(wěn)定的重要因素，也是決定工程工期和造價(jià)的主要條件之一。在堅(jiān)硬巖石中開挖隧洞時(shí)，由于圍巖穩(wěn)定，所以日進(jìn)尺快、造價(jià)便宜。在軟弱巖層、破碎巖層和松散巖層中掘進(jìn)，則頂板容易坍塌、側(cè)壁和底板容易產(chǎn)生鼓脹變形，常需要進(jìn)行支護(hù)或襯砌后才能繼續(xù)掘進(jìn)，因此日進(jìn)尺慢，造價(jià)也高。盡量避開不良圍巖，使洞室置于堅(jiān)硬巖層中。隧洞選線利用溝谷地形示意圖三、地質(zhì)構(gòu)造條件地質(zhì)構(gòu)造條件對洞室圍巖穩(wěn)定有重要的影響。盡量使軸線與地區(qū)構(gòu)造線的方向相垂直或成大角度相交。盡量避開大的斷層破碎帶或呈小角度相交。傾斜巖層地區(qū)，注意洞軸線與巖層產(chǎn)狀的關(guān)系。對于斷裂構(gòu)造來說，隧洞所遇斷裂破碎帶寬度愈大，其走向與洞軸線交角愈小，在洞內(nèi)出露面積也愈

3、大，對圍巖的穩(wěn)定影響就愈大，特別是沿洞軸線的斷層更應(yīng)盡量避開。四、水文地質(zhì)條件調(diào)查分析地下水的埋藏條件、類型及泉水出露情況。水量方面：對易透水的巖層和構(gòu)造，特別是喀斯特地區(qū)，應(yīng)注意其分布規(guī)律和發(fā)育程度，并結(jié)合隧洞設(shè)計(jì)高程，分析評價(jià)地下水涌水的可能性及涌水量。水質(zhì)方面：資料分析，對PH5的酸性地下水，應(yīng)分析水中侵蝕性CO2和硫酸鹽侵蝕性對混凝土襯砌的影響。第二節(jié) 洞室設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)問題一、地應(yīng)力及其組成 地下洞室在開挖前，山體內(nèi)部的巖石處于天然應(yīng)力（或稱地應(yīng)力）狀態(tài)。地應(yīng)力一般可分為：自重應(yīng)力構(gòu)造應(yīng)力變異應(yīng)力 二、圍巖應(yīng)力重分布的一般特征地下洞室開挖前，巖體內(nèi)任意點(diǎn)上的應(yīng)力都是平衡的。洞室開挖后

4、，原來的應(yīng)力平衡狀態(tài)被破壞，圍巖內(nèi)的應(yīng)力就要重新分布，直到建立新的平衡為止。由于洞室開挖的應(yīng)力重分布形成松動圈、承載圈。如果巖體非常軟弱或處于塑性狀態(tài)，承載圈很難形成。如果巖體堅(jiān)硬，則洞室周圍巖體始終處于彈性狀態(tài)，圍巖穩(wěn)定，不形成松動圈。 圓形隧洞的應(yīng)力分布示意圖圍巖的松動圈和承載圈要維持圍巖松動圈巖體穩(wěn)定就要進(jìn)行支撐或襯砌。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)證明：（1）圍巖抗剪強(qiáng)度愈低則松動圈愈大（2）裂隙密度愈大及軟弱巖石愈多，松動圈愈大（3）圍巖原始地應(yīng)力愈大，則松動圈范圍也愈大（4）支撐對圍巖的反力愈大，則松動圈的范圍愈小 三、山巖壓力（一）山巖壓力的基本概念山巖壓力（簡稱山壓）：洞室上部巖體對洞室支襯結(jié)構(gòu)

5、上的作用力。山壓可分為變形山壓松動山壓 彈性抗力：指有壓隧洞充水后，襯砌部分或整體（如壓力隧洞襯砌的周邊）發(fā)生向圍巖方向變形時(shí)，在圍巖中產(chǎn)生的抵抗力。彈性抗力的大小常用彈性抗力系數(shù)來表示，彈性抗力系數(shù)是使洞壁產(chǎn)生一個(gè)單位徑向變形所需施加的力，即：式中：P巖石承受的壓力（內(nèi)水壓力）y洞壁的徑向變形。 假設(shè)巖體是理想的彈性體，對于圓形隧洞K值與巖體彈性模量之間有如下的關(guān)系：從上式可以看出；隧洞半徑愈大，巖體的彈性抗力系數(shù)越小。在工程上為了便于比較，常采用隧洞半徑為1m時(shí)的彈性抗力系數(shù)作為單位抗力系數(shù)，即：彈性抗力系數(shù)與彈性模量的概念類似，所不同的是，前者表征的是徑向變形，后者表征的是平面半無限體變

6、形，二者均與巖石或巖體性質(zhì)有關(guān)，它們之間成正比關(guān)系。 五、外水壓力外水壓力：作用在隧洞襯砌上的地下水靜水壓力。其大小是由兩方面因素所決定的：決定于隧洞圍巖的水文地質(zhì)條件，如地下水位的高低、巖石的透水性以及地下水的埋藏條件；決定于隧洞設(shè)計(jì)和施工情況，如排水設(shè)置、襯砌本身的透水性、襯砌與巖石的結(jié)合程度以及灌漿效果等。例如：隧洞圍巖及襯砌都是透水的，圍巖的滲透系數(shù)為K1、襯砌的為K2，地下水埋藏于洞頂之上，其水位差H，設(shè)h為地下水經(jīng)巖石和襯砌部分滲透后的水頭高度。根據(jù)達(dá)西定律，在巖石中的單位滲透流量q1為： 而通過隧洞襯砌的單位滲透流量q2為（假設(shè)隧洞內(nèi)水壓力為0）：因q1= q2，所以得；隧洞外水

7、壓力示意圖第三節(jié) 洞室施工的工程地質(zhì)問題 一、圍巖的變形和破壞主要取決于圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)特征。 （一）脆性圍巖的變形和破壞1彎折內(nèi)鼓2張裂塌落3劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動4巖爆 巖爆：在開挖過程中，圍巖的破壞以爆炸的形式表現(xiàn)出來的現(xiàn)象。巖爆本質(zhì)上是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。巖爆通常發(fā)生如下一些特定部位。1）圍巖內(nèi)的最大壓應(yīng)力集中區(qū)。2）圍巖表部的高變異應(yīng)力及殘余應(yīng)力分布區(qū)。3）斷層、軟弱碎破巖墻或巖脈等軟弱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中局部增高區(qū) （二）塑性圍巖的變形與破壞 1塑性擠出 2膨脹內(nèi)鼓 3塑流涌出 4重力坍塌 二、提高圍巖穩(wěn)定性的措施常用的支襯結(jié)構(gòu)有支撐、襯砌、錨桿支護(hù)噴錨支護(hù)。 （一）支撐與襯砌支撐是臨時(shí)性保護(hù)圍巖的結(jié)構(gòu)，常作為施工中的臨時(shí)性保護(hù)措施采用。襯砌是一種永久性加固圍巖的結(jié)構(gòu)。根據(jù)加固的需要，襯砌可有不同的類型。一般說來，襯砌是“被動”地承受荷載的結(jié)構(gòu)。 （二）錨桿支護(hù)錨桿支護(hù)是目前生產(chǎn)中大量采用的一種提高圍巖穩(wěn)定性的措施，它是將許多鋼筋錨桿通過風(fēng)鉆鉆孔插入洞室圍巖內(nèi)，使錨桿的里端錨固在完整的巖體內(nèi)，錨桿的外端與可能松動的巖