圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究分析

7.3

山巖壓力與彈性抗力7.2

圍巖穩(wěn)定的工程地質(zhì)分析7.1地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評價7.5

提高圍巖穩(wěn)定性的措施7.4圍巖工程地質(zhì)分類第七章地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究

思考與作業(yè)為各種目的修建在地層之內(nèi)的通道或空洞。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、地下儲油庫、地下導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫等。地下洞室大型古地下工程地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，需要考慮圍巖的穩(wěn)定、山體穩(wěn)定及地形、巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水及地應(yīng)力等因素的影響。

理想的建洞山體應(yīng)具備以下條件：

1)建洞區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，巖層厚、節(jié)理組數(shù)少，間距大，無影響整個山捧穩(wěn)定的斷裂帶；

2)巖體堅硬完整；

3)地形完整，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。無巖溶或巖溶很不發(fā)育；

4)地下水影響?。?/p>

5)無有害氣體和異常地?zé)帷?.1地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評價地下洞室選址影響地質(zhì)因素：地形條件（geographicconditions）巖性條件（rockandsoilengineeringcharacters）地質(zhì)構(gòu)造條件（geologecalstructureconditions）褶皺(fold)

斷裂(fault)巖層產(chǎn)狀（attitudeoflayer）地下水（水文地質(zhì)hydrogeologicalconditions）地應(yīng)力（naturalstress）隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無滑坡、崩塌等現(xiàn)象存在。洞口巖石應(yīng)直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口邊坡的安全。在地形陡的高邊坡開挖洞口時，應(yīng)不削坡或少削坡即進(jìn)洞，必要時可做人工洞口先行進(jìn)洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。隧洞進(jìn)出口不應(yīng)選在排水困難的低洼處，也不應(yīng)選在沖溝、傍河山嘴及谷口等易受水流沖刷的地段。地形條件在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側(cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。隧洞選線利用溝谷示意圖巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一，洞室位置應(yīng)盡量選在堅硬完整巖石中。巖漿巖、厚層堅硬的沉積巖及變質(zhì)巖，圍巖的穩(wěn)定性好，適于修建大型的地下工程。凝灰?guī)r、粘土巖、頁巖、膠結(jié)不好的砂礫巖、千枚巖及某些片巖，穩(wěn)定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎巖石穩(wěn)定性極差，選址時應(yīng)盡量避開。此外，巖層的組合特征對圍巖穩(wěn)定也有重要影響。一般軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。均質(zhì)厚層及塊狀巖體穩(wěn)定性好。巖性條件地質(zhì)構(gòu)造是控制巖體完整性及滲透性的重要因素。1.褶皺(fold)的影響

褶皺劇烈地區(qū)，一般斷裂也很發(fā)育，特別是褶皺核部巖體完整性最差。(1)背斜(anticline)核部，巖層呈上拱形，有利于洞頂?shù)姆€(wěn)定。洞頂雖張裂隙發(fā)育，然巖塊呈上寬下窄形，不易掉塊。(2)向斜(syncline)核部巖層呈倒拱形，頂部被張裂隙切割的巖塊上窄下寬易于坍落。不宜修建地下洞室。

2.斷裂(fault)的影響

斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)，穩(wěn)定性極差。在選址時應(yīng)盡量避開大斷層。地質(zhì)構(gòu)造條件(1)洞室軸線與巖層走向垂直。這種情況圍巖的穩(wěn)定性較好，特別是對邊墻穩(wěn)定有利。(2)洞室軸線與巖層走向平行。1）當(dāng)巖層近于水平時，軟弱巖層位于洞室兩側(cè)或底部也不利，它容易引起邊墻或底板鼓脹變形或被擠出。2）在傾斜巖層中，一般說來是不利的。巖層產(chǎn)狀陡傾巖層中洞址緩傾巖層中洞址陡立巖層中洞址陡立巖層巖性分界處洞址水平巖層中洞址傾斜巖層中洞址地下工工程與與地下下水位位關(guān)系系：1．在包氣氣帶中中開挖挖地下下工程程，雨季可可能沿沿裂隙隙滴水水，旱旱季干干燥，，但是是當(dāng)?shù)氐乇碛杏写竺婷娣e穩(wěn)穩(wěn)定的的地表表水體體時，，也可可能遇遇到集集中的的滲流流。2．地下水水位變變幅帶帶，涌水量量及外外水壓壓力隨隨季節(jié)節(jié)而變變化，，由于于巖體體飽水水脫水水交替替變化化，可可以加加速軟軟弱破破碎巖巖石性性質(zhì)的的惡化化，引引起塌塌方。。3．在地下下水位位以下下的地地下工工程，一開始始施工工就可可能有有較大大的涌涌水和和滲透透壓力力，因因此要要作好好防水水排水水設(shè)計計。地下水(水文地質(zhì)質(zhì))地下工程程施工中中的塌方方或冒頂頂事故，，常常和和地下水水的活動動有關(guān)。。在洞室的的設(shè)計和和施工過過程中，，必須了了解工程程所在部部位初始始應(yīng)力場場的分布布和變化化規(guī)律，，獲得洞洞室開挖挖后圍巖巖應(yīng)力重重分布的的特征，，以便選選用相應(yīng)應(yīng)的措施施來維護(hù)護(hù)圍巖的的穩(wěn)定。。1．初始應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)是決定定圍巖應(yīng)應(yīng)力重分分布的主主要因素素。2．當(dāng)初始始應(yīng)力場場的水平平主應(yīng)力力值較大大，洞室室軸線最最好平行行最大水水平主應(yīng)應(yīng)力方向向布置，，否則邊邊墻將產(chǎn)產(chǎn)生嚴(yán)重重的變形形和破壞壞。地應(yīng)力7.2圍巖穩(wěn)定定的工程程地質(zhì)分分析地下洞室室開挖前前，巖體體內(nèi)的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)稱為初始應(yīng)力力狀態(tài)。開挖后，，由于洞洞室周圍圍巖體失失去了原原有的支支撐，破破壞了原原來的受受力平衡衡狀態(tài)，，圍巖將將向洞內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生松松脹位移移，從而而引起洞洞周圍一一定范圍圍內(nèi)巖體體的應(yīng)力力重新調(diào)調(diào)整，形形成新的的應(yīng)力狀狀態(tài)。該該應(yīng)力稱稱重分布應(yīng)應(yīng)力、二二次應(yīng)力力或圍巖巖應(yīng)力。直接影響響圍巖穩(wěn)穩(wěn)定的是是二次應(yīng)力力狀態(tài)，它與巖體的初初始應(yīng)力力狀態(tài)、洞室斷面面形狀及巖體特性性等因素有有關(guān)。一、圍巖巖的應(yīng)力力重分布布二、圍巖巖穩(wěn)定的的概念圍巖穩(wěn)定定是指在一一定時間間內(nèi)，在在一定的的地質(zhì)力力和工程程力作用用下巖體體不產(chǎn)生生破壞和和失穩(wěn)。。圍巖在壓壓應(yīng)力、、拉應(yīng)力力及剪應(yīng)應(yīng)力作用用下能否否破壞的的判斷：：圍巖的抗抗壓強(qiáng)度度和抗拉拉強(qiáng)度是是否適應(yīng)應(yīng)圍巖應(yīng)應(yīng)力。（（公式略略）圍巖的抗抗剪強(qiáng)度度是否適適應(yīng)圍巖巖的剪應(yīng)應(yīng)力。（（公式式略）三、圍巖巖變形破破壞的類類型和特特點由于巖體體在強(qiáng)度度和結(jié)構(gòu)構(gòu)方面的的差異，，洞室圍圍巖變形形與破壞壞的形式式多種多多樣，主主要的形形式有：在堅硬完完整的巖巖體中開開挖地下下洞室，，圍巖一一般是穩(wěn)穩(wěn)定的。。但是在在高地應(yīng)應(yīng)力地區(qū)區(qū)，經(jīng)常常產(chǎn)生巖巖爆現(xiàn)象象。巖爆是儲存有很很大彈性性應(yīng)變能能的巖體體，在開開挖卸荷荷后，能能量突然然釋放所所形成的的，它與巖巖石性質(zhì)質(zhì)、地應(yīng)應(yīng)力積聚聚水平及及洞室斷斷面形狀狀等因素素有關(guān)。。堅硬完整整巖體的的脆性破裂裂巖爆的產(chǎn)產(chǎn)生需要要具備兩兩方面的的條件：：高儲能體體的存在在及其應(yīng)力接近于巖巖體強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的的內(nèi)在條件，，而某些因素素的觸發(fā)效應(yīng)應(yīng)則是巖爆產(chǎn)產(chǎn)生的外因。。巖爆產(chǎn)生的爆爆坑爆坑附近邊墻墻下部破壞情情況右側(cè)拱頂位置置塌方情況第二次巖爆塌塌方左側(cè)拱架架破壞情況錦屏二級水電電站排水洞巖巖爆塊體滑移是塊狀結(jié)構(gòu)圍圍巖常見的破破壞形式。這這類破壞常以以結(jié)構(gòu)面交切切組合成不同同形狀的塊體體滑移、塌落落等形式出現(xiàn)現(xiàn)。分離塊體的穩(wěn)穩(wěn)定性取決于塊體的形狀有無臨空條件件、結(jié)構(gòu)面的光滑滑程度及是否夾泥等。塊體滑移堅硬巖體中的的塊體滑移巖層的彎曲折折斷，是層狀圍巖巖變形失穩(wěn)的的主要形式。。平緩巖層，當(dāng)巖層很薄薄或軟硬相間間時，頂板容容易下沉彎曲曲折斷。在傾斜層狀圍巖巖中，當(dāng)層間結(jié)結(jié)合不良時，，順傾向一側(cè)側(cè)拱腳以上部部分巖層易彎彎曲折斷，逆逆傾向一側(cè)邊邊墻或頂拱易易滑落掉塊。。在陡傾或直立巖巖層中，因洞周的的切向應(yīng)力與與邊墻巖層近近于平行，所所以邊墻容易易凸幫彎曲。。層狀彎折和拱拱曲1-設(shè)計斷面2-破壞區(qū)區(qū)3-崩塌4-滑動5-彎曲、、張裂裂及折折斷平緩巖巖層傾傾斜巖巖層直直立巖巖層碎裂巖巖體的的松動動解脫脫碎裂結(jié)結(jié)構(gòu)巖體在在張力力和振振動力力作用用下容容易松松動、、解脫脫，在在洞頂頂則產(chǎn)產(chǎn)生崩崩落，，在邊邊墻上上則表表現(xiàn)為為滑塌塌或碎碎塊的的坍塌塌。碎裂巖巖體松松動解解脫及及頂拱拱破裂裂碎裂結(jié)結(jié)構(gòu)圍圍巖塌塌方示示意圖圖松軟巖巖體的的塑性性變形形一般強(qiáng)強(qiáng)烈風(fēng)風(fēng)化、、強(qiáng)烈烈構(gòu)造造破碎碎或新新近堆堆積的的土體體，在在重力力、圍圍巖應(yīng)應(yīng)力和和地下下水作作用下下常產(chǎn)產(chǎn)生冒冒落及及塑性性變形形。常見的的塑性性變形形和破破壞的的形式式有邊墻擠擠入、底鼓及洞徑收收縮等。變形山山壓是由于于圍巖巖變形形受到到支護(hù)護(hù)的抑抑制而而產(chǎn)生生的。。松動山山壓是由于于圍巖巖拉裂裂塌落落、塊塊體滑滑移、、碎裂裂松動動等所所引起起的，，以重重力的的形式式作用用在襯襯砌上上的壓壓力。。沖擊山山壓是由于于巖體體中積積聚的的彈性性應(yīng)變變能突突然釋釋放所所引起起的，，具有有產(chǎn)生生巖爆爆的條條件時時才能能產(chǎn)生生沖擊擊山壓壓。膨脹壓壓力是由于于圍巖巖吸水水膨脹脹、崩崩解而而引起起的壓壓力。。山巖壓壓力也也稱圍巖巖壓壓力力，是指指圍圍巖巖的的強(qiáng)強(qiáng)度度適適應(yīng)應(yīng)不不了了圍圍巖巖應(yīng)應(yīng)力力而而產(chǎn)產(chǎn)生生塑塑性性變變形形或或破破壞壞時時，，作作用用在在支支護(hù)護(hù)或或襯襯砌砌上上的的力力。7.3山巖巖壓壓力力與與彈彈性性抗抗力力一、、山山巖巖壓壓力力1．散散粒粒體體理理論論（1）普普氏氏壓壓力力拱拱(pressurearch)理論論（2）太太沙沙基基理理論論（3）圍圍巖巖壓壓力力系系數(shù)數(shù)法法(coefficientofcountryrock)2．彈彈塑塑性性（（elasticandplastic）平平衡衡(equilibrium)理論論適用用于于具具有有鑲鑲嵌嵌結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)和和碎碎裂裂結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的巖巖體體3．流流變變(flow)——徐變變理理論論4．塊塊體體極極限限半半衡衡法法(limitequilibrium)圍巖巖壓壓力力的的確確定定方方法法圍巖巖彈彈性性抗抗力力的的大大小小，，通通常常是是用用彈性性抗抗力力系系數(shù)數(shù)表示示的的。。2.彈性性抗抗力力對于于有有壓壓隧隧洞洞，，常常存存在在很很高高的的內(nèi)內(nèi)水水壓壓力力，，使使襯襯砌砌向向圍圍巖巖方方向向變變形形擠擠壓壓圍圍巖巖，，圍圍巖巖將將產(chǎn)產(chǎn)生生一一個個被被動動的的抵抵抗抗力力，，稱稱為為彈性性抗抗力力。圍巖巖抗抗力力愈愈大大，，愈愈有有利利于于襯襯砌砌的的內(nèi)水壓力作用下的洞徑變形穩(wěn)定定，，等等于于圍圍巖巖承承擔(dān)擔(dān)了了一一部部分分內(nèi)內(nèi)水水壓壓力力。。因因此此，，彈彈性性抗抗力力是是有有壓壓隧隧洞洞設(shè)設(shè)計計時時必必須須確確定定的的重重要要參參數(shù)數(shù)之之一一。。式中中：：K為彈彈性性抗抗力力系系數(shù)數(shù)(MPa/cm)；P為圍圍巖巖所所承承受受的的壓壓力力，，對對于于有有壓壓隧隧洞洞即即為為內(nèi)內(nèi)水水壓壓力力(MPa)；y為洞洞壁壁的的徑徑向向變變形形(cm)。彈性性抗抗力力系系數(shù)數(shù)根據(jù)據(jù)文文克克爾爾假假定定，，抗抗力力系系數(shù)數(shù):從上上式式看看出出：：K的物物理理意意義義是是迫使使洞洞壁壁產(chǎn)產(chǎn)生生一一個個單單位位徑徑向向變變形形所所需需施施加加的的力力。K值愈愈大大，，說說明明圍圍巖巖承承受受內(nèi)內(nèi)水水壓壓力力的的能能力力愈愈大大。。彈性性抗抗力力系系數(shù)數(shù)的的確確定定方方法法試驗驗法法計算算法法工程程類類比比法法橡皮囊法徑向千斤頂法隧洞水壓法根據(jù)據(jù)抗抗力力系系數(shù)數(shù)與與巖巖體體彈彈性性模模量量及及泊泊松松比比之之間間的的關(guān)關(guān)系系確確定定7.4圍巖巖工工程程地地質(zhì)質(zhì)分分類類7.5提高高圍圍巖巖穩(wěn)穩(wěn)定定性性的的措措施施一、、支支護(hù)護(hù)與與襯襯砌砌1.支撐撐在洞洞室室開開挖挖過過程程中中，，用用以以穩(wěn)穩(wěn)定定圍圍巖巖用用的的臨臨時時性性措措施施。。按按照照選選用用材材料料的的不不同同，，有有木支支撐撐、鋼支支撐撐及混凝凝土土支支撐撐等。。在在不不太太穩(wěn)穩(wěn)定定的的巖巖體體中中開開挖挖時時，，需需及及時時支支撐撐以以防防止止圍圍巖巖早早期期松松動動。。2.襯砌砌襯砌砌是是加加固固圍圍巖巖