工程地質(zhì)學之地下工程課件

1第六章地下工程.2第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應力計算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預報.地下工程：人工開挖或天然存在于巖土體內(nèi)的構(gòu)筑物，也稱為地下建筑或地下洞室。分類按其用途可分為：交通隧道、水工隧道、礦山巷道，地下廠房和倉庫、地下鐵道及地下軍事工程等類型按其內(nèi)壁是否有內(nèi)水壓作用：無壓洞室、有壓洞室按其斷面形狀：圓形、矩形、馬蹄形等按洞室軸線與水平面對關(guān)系：水平洞室、豎井、傾斜洞室按圍巖介質(zhì)類型：土洞、巖洞36.1

概述.46.1

概述地下工程的共同特點:都要在巖土體內(nèi)開挖出具有一定斷面形狀和尺寸，并具有較大的延伸長度的洞室。洞室開挖之前，巖體處于一定的應力平衡狀態(tài);洞室開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應力重新分布。圍巖足夠強固，不會因卸荷回彈和應力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著變形和破壞，開挖出的洞室就是穩(wěn)定的。圍巖適應不了回彈應力和重分布應力的作用，隨著時間的推移，開挖出的洞室就會逐漸喪失其穩(wěn)定性。.56.1

概述圍巖應力重分布問題——計算重分布應力圍巖變形與破壞問題——計算位移、確定破壞范圍圍巖壓力問題——計算圍巖壓力有壓洞室圍巖抗力問題——計算圍巖抗力洞室圍巖力學問題hV5.6第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應力計算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預報6.6.2圍巖重分布應力計算7應力重分布作用:地下開挖以后，由于圍巖質(zhì)點應力、應變調(diào)整而引起起天然應力大小、方向和性質(zhì)改變的作用。重分布應力狀態(tài):經(jīng)應力重分布作用后形成的新的應力狀態(tài)。圍巖:把重分布應力影響范圍內(nèi)的巖體。重分布應力與圍巖性質(zhì)、洞形、洞室受外力狀態(tài)有關(guān)。.6.2圍巖重分布應力計算8圍巖重分布應力計算：

①開挖前巖體天然應力狀態(tài)的確定②開挖后圍巖重分布應力的計算③支護襯砌后圍巖應力狀態(tài)的改善8.一、彈性圍巖重分布應力9堅硬致密的塊狀巖體，當天然應力大約等于或小于其單軸抗壓強度的一半時，圍巖呈彈性變形?？山埔暈楦飨蛲浴⑦B續(xù)、均質(zhì)的線彈性體，其圍巖重分布應力可根據(jù)彈性力學計算。如果洞室半徑相對洞長很小，按平面應變問題考慮，概化為兩側(cè)受均布壓力的薄板中心小圓孔周邊應力分布的計算問題。.1、圓形洞室假定一半徑為R0的水平圓形洞室，深埋于均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的彈性巖體中，開挖后仍保持彈性。一、彈性圍巖重分布應力如果洞室半徑相對于洞長很小時，可按平面應變問題考慮，設巖體中的鉛直與水平天然應力分別為σv和σh則可概化出如圖的力學模型，圍巖中任意一點M(r，θ)的重分布應力狀態(tài)可用彈性理論求得。10.圍巖中任意一點M(r，θ)的重分布應力狀態(tài)可用彈性理論求得：式中，σr:徑向應力、σθ:環(huán)向應力、τrθ:剪應力θ:M點的極角，自水平軸(x軸)起始，反時鐘方向為正r:極距一、彈性圍巖重分布應力11.一、彈性圍巖重分布應力洞壁上的應力，令r=R0可得：12圍巖內(nèi)一點（r，θ）的重分布應力：表明：洞壁上的τrθ=0，σr=0，僅有σθ作用，為單向應力狀態(tài)，其大小與水平應力、鉛直應力和θ有關(guān)。.當水平應力與鉛直應力均等于σ0時，即當λ=l時，有σh=σv=σ0，則有:13.式表明：天然應力為靜水壓力狀態(tài)時,即當λ=l時，有σh=σv=σ0

，圓形洞室圍巖內(nèi)的重分布應力，因τrθ=0，σr，σθ

均為主應力，且σθ

恒為最大主應力，

σr恒為最小主應力，其分布狀態(tài)如圖所示。14.洞壁位置即r=R0時，徑向應力=0，環(huán)向應力σθ

=2σ0。隨著離洞壁越遠，即r增大，徑向應力逐漸增大，環(huán)向應力逐漸減小。當距離為6R0

時，有σr≈σθ≈σ0，環(huán)向與徑向應力均接近天然應力狀態(tài)。所以圍巖應力重分布的6R0

范圍的巖體，稱為圍巖。15.討論1：洞壁上的重分布應力洞壁上的τrθ＝0，σr＝0，為單向應力狀態(tài)σθ大小與與洞室尺寸R0無關(guān)，取λ=σh/σv當θ=0、180o，σθ=3σV-σh=(3-)σV

當θ=90、270o，σθ=3σh-σV=(3-1)σV當λ＜1/3時，σθ=洞頂?shù)爪姚?lt;0,將出現(xiàn)拉應力當1/3＜λ＜3時，σθ為壓應力且分布較均勻當λ＞3時，洞壁兩側(cè)σθ<0,出現(xiàn)拉應力；洞頂?shù)壮霈F(xiàn)較高的壓應力集中洞壁，即r=R016.17由右式，取λ=σh/σv為1/3，1，2，3，…等不同數(shù)值時，可求得洞壁上0°，90°，180°，270°四點的應力σθ。.18當λ<1/3時，洞頂和洞底都將出現(xiàn)拉應力；當1/3<λ<3時，洞壁上的全為壓應力；當λ>3時洞壁兩側(cè)出現(xiàn)拉應力，洞頂和洞底則出現(xiàn)較高的壓應力集中。18.討論2：靜水壓力式天然應力場中的圍巖重分布應力圍巖內(nèi)重分布應力與θ角無關(guān)，僅與R0和σ0有關(guān)由于τrθ=0，則σr、σθ均為主應力，且σθ恒為最大主應力，σr恒為最小主應力當r＝R0(洞壁)時，σr=0，σθ=2σ0，可知洞壁上的應力差最大，且處于單向受力狀態(tài)，說明洞壁最易發(fā)生破壞r增大，σr增大，σθ減小，都漸趨于σ0值。在理論上，σr，σθ要在r→∞處才達到σ0值，但實際上σr，σθ趨近于σ0的速度很快，當r=6R0時，σr和σθ與σ0接近。一般認為，地下洞室開挖引起的圍巖分布應力范圍為6R0。靜水壓力式天然應力場是λ=119.2、其他洞形為了最有效和經(jīng)濟地利用地下開挖空間，地下洞室的斷面形狀常根據(jù)實際需要，開挖成非圓形的各種不同形狀。在這些非圓形洞室的急劇變化部位和拐點處，常存在較大的應力集中。為了研究各種不同形狀洞室洞壁上重力分布應力變化情況，在此引進應力集中系數(shù)的概念。把地下挖開后，洞壁上一點的應力與開挖前該點天然應力的比值，稱為應力集中系數(shù)。20.式中，α、β為應力集中系數(shù)。對于圓形洞室洞壁上一點：有α=1-2cos2θ，β=l+2cos2θ。洞壁上一點的重分布應力可以表示為：21.常見幾種洞形的應力集中系數(shù)這些系數(shù)是根據(jù)彈性理論及光彈實驗求得的。在已知天然應力時，利用這些系數(shù)和式(6-4)．即可求得不同洞形洞壁上的應力。22.不同洞形洞壁上的應力特點①橢圓形洞室長軸兩端點應力集中最大，易引起壓碎破壞；短軸兩端易拉應力集中，不利于圍巖穩(wěn)定②各種形狀洞室的角點或急拐彎處應力集中最大，如正方形或矩形洞室角點等。③長方形短邊中點應力集中大于長邊中點，而角點處應力集中最大，圍巖最易失穩(wěn)。④當巖體中天然應力σh和σv相差不大時，以圓形洞室圍巖應力分布最均勻，圍巖穩(wěn)定性最好。⑤當巖體中天然應力σh和σv相差較大時，則應盡量使洞室長軸平行于最大天然應力的作用方向。⑥在天然應力很大的巖體中，洞室斷面應盡量采用曲線形，以避免角點上過大的應力集中。23.24.二、塑性圍巖重分布應力25地下開挖后，洞壁的應力集中最大,當它超過圍巖屈服極限時，洞壁圍巖就由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)化為塑性狀態(tài)，并在圍巖中形成一個塑性松動圈。隨著距洞壁距離增大，徑向應力σr由零逐漸增大，應力狀態(tài)由洞壁的單向應力狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為雙向應力狀態(tài)，到一定距離后，圍巖也就由塑性狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)化為彈性狀態(tài)。圍巖中出現(xiàn)塑性圈和彈性圈。.塑性松動圈的出現(xiàn)，使圈內(nèi)一定范圍應力釋放而明顯降低，而最大應力集中由原來的洞壁移至塑性松動圈與彈性圈的交界處，使彈性區(qū)的應力明顯升高。彈性區(qū)以外則是應力基本未產(chǎn)生變化的天然應力區(qū)(或稱原巖應力區(qū))。26二、塑性圍巖重分布應力.為了求解塑性圈圍巖的分布應力，假定在均質(zhì)、各向同性、連續(xù)的巖體中開挖一半徑為R0的水平圓形洞室；開挖后形成的塑性松動圈半徑為R1，巖體中的天然應力為σh=σv=σ0；圈內(nèi)巖體強度服從莫爾強度條件。在以上假設條件下，可求得當洞壁支護力為pi時，塑性松動圈內(nèi)的重分布應力為：二、塑性圍巖重分布應力27.塑性松動圈內(nèi)的重分布應力28由式可知：塑性圈和應力與巖體天然應力無關(guān)，而取決于支護力(pi)和圈內(nèi)巖體的強度(c、φ值)。當r=R0時當r=R0，Pi=0時洞壁上.塑性圈與彈性圈交界面(r=R1)上的重分布應力(σrpe、σθpe、τrpe)；利用該面上彈性應力與塑性應力相等的條件得：彈性應力塑性應力在式中，c、φ為巖體抗剪強度參數(shù)；σrpe、σθpe和τrpe分別為r=R1處的徑向，環(huán)向和剪應力。塑性圈與彈性圈交界面應力29.二、塑性圍巖重分布應力30由式可知：塑、彈性區(qū)交界面上的應力取決于天然應力和巖體強度，而與支護力無關(guān)。這說明支護力不能改變交界面上的應力．只能控制塑性松動圈半徑(R1)的大小。塑性圈與彈性圈交界面應力.31第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應力計算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4

地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預報31.6.3圍巖的變形與破壞地下開挖后，巖體中形成一個自由變形空間，使原來處于擠壓狀態(tài)的圍巖，由于失去了支撐而發(fā)生向洞內(nèi)松脹變形；如果這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力，則圍巖就要發(fā)生破壞，并從母巖中脫落形成坍塌、滑動或巖爆。32.圍巖變形破壞形式取決于圍巖應力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及洞室斷面形狀等因素。33.圍巖變形破壞是由外向內(nèi)逐步發(fā)展的結(jié)果，?？稍诙词抑車纬伤蓜尤?，圍巖內(nèi)的應力狀態(tài)也將因松動圈內(nèi)的應力被釋放而重新調(diào)整，形成一定的應力帶。圍巖表部低應力區(qū)的形成往往又會促使巖體內(nèi)部的水分由高應力區(qū)向圍巖的表部轉(zhuǎn)移，這不僅進一步惡化圍巖的穩(wěn)定條件，而且能使某些易于吸水膨脹的表部圍巖發(fā)生強烈的膨脹變形。6.3圍巖的變形與破壞34.一、脆性圍巖的變形破壞脆性圍巖變形破壞的形式和特點與巖體初始應力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖應力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖的結(jié)構(gòu)。1、張裂坍落2、劈裂3、剪切滑動或剪切破壞4、巖爆5、彎折內(nèi)鼓35.一、脆性圍巖的變形破壞1、張裂坍落當鉛直應力大于水平應力時，且具有厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)的巖體中開挖寬高比較大的地下洞室，在其頂拱常產(chǎn)生切向拉應力。超過圍巖的屈服強度，則頂拱圍巖內(nèi)就會產(chǎn)生近于垂直的張裂縫。被裂縫切割的巖體中自重作用下變得不穩(wěn)定，若水平法向有軟弱的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，往往發(fā)生頂拱塌落。36.2、劈裂多發(fā)生在地應力較高的厚層塊或者塊體結(jié)構(gòu)的圍巖中，一般出現(xiàn)在有較大的切向壓應力集中于邊壁附近。在圍巖表部發(fā)生一系列平行于洞壁的破裂，將洞壁巖體切成板狀結(jié)構(gòu)。當切向壓應力大于其抗彎強度時，板狀巖體將被壓彎，折斷，造成塌方。37一、脆性圍巖的變形破壞.一、脆性圍巖的變形破壞3、剪切滑動或剪切破壞在厚層狀或塊體結(jié)構(gòu)的巖體中開挖地下洞室時，在切向壓力集中較高，且有斜向斷裂發(fā)育的洞頂或洞壁部位往往發(fā)生剪切滑動類型的破壞。沿斷裂面作用的剪應力一般比較高，而正應力卻比較小。38.4、巖爆巖爆是圍巖的一種劇烈的脆性破壞，常以“爆炸”的形式出現(xiàn)。巖爆發(fā)生時，能拋出大小不等的巖塊，大型者常伴有強烈的震動、氣浪和巨響，對地下開挖和地下采掘造成很大的危害。39一、脆性圍巖的變形破壞.巖爆(ROCKBURST)巖爆

高天然應力的彈脆性巖體地下開挖工程開挖卸荷及特殊的地質(zhì)構(gòu)造作用周邊巖體中應力高度集中，積聚于較高的彈性應變能當開挖體圍巖中應力超過巖體的容許極限狀態(tài)巖體中聚積的變形能在地下工程開挖中突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象——巖爆40.巖爆產(chǎn)生兩方面條件：高儲能體的存在。高強度、塊體、或厚層狀的脆性巖體，且應力接近于巖體強度。附加荷載的觸發(fā)。機械開挖、爆破及圍巖局部破裂造成的彈性震蕩；二是開挖的迅速推進，或累積性破壞所引起的應力突然某些部位集中。41一、脆性圍巖的變形破壞41.在一些深礦坑中，常發(fā)生稱為沖擊地壓的大型巖爆。多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內(nèi)。在附加的動載荷作用下，那里的煤被突然粉碎，而這一區(qū)域與坑道壁間的煤則大塊地被拋到巷道中，并伴隨著強烈的震動、氣浪和巨響，破壞力極大。這類巖爆發(fā)生之前，?？砂l(fā)現(xiàn)支護上或煤柱中壓力的增大，有時還會出現(xiàn)霹靂聲或震動。但有時則沒有明顯預兆。四川綿竹天地煤礦就曾多次發(fā)生這類巖爆，最大的一次將20余噸煤拋出20多米遠。4、巖爆--大型42.在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的巖爆，多為中小型。其中有一類巖爆發(fā)生時發(fā)出如機槍射擊的劈劈啪啪的響聲，故被稱為巖石射擊。四川南椏河三級電站隧洞(埋深350～400m)在開挖過程中通過花崗巖整體結(jié)構(gòu)巖體段時，就曾發(fā)生過這類巖爆。開挖后不久，洞壁表部巖體發(fā)出了劈劈啪啪的響聲，同時有“洋蔥”狀剝片自巖壁上彈射出來。4、巖爆--中小型43.一、脆性圍巖的變形破壞5、彎折內(nèi)鼓在層狀，特別是在薄層狀巖層中開挖地下洞室易發(fā)生彎折內(nèi)鼓。從力學機制來看，這類變形破壞主要是卸荷回彈和應力集中使洞壁的切向壓應力超過薄層巖層的抗彎強度而造成。彎折內(nèi)鼓主要發(fā)生在初始應力較高的巖體內(nèi)。44.在區(qū)域最大主應力垂直于陡傾薄層狀巖層的走向地區(qū)。平行于巖層走向開挖地下洞室時，兩壁附近的薄層狀圍巖往往發(fā)生如圖所示的彎曲、拉裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍倒。在平緩層狀巖層中開挖大跨度地下洞室時，頂拱的問題往往比較嚴重。平行于洞室側(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)應力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應力將高于正常情況的平均值，造成彎折內(nèi)鼓破壞。45.46.47.脆性圍巖的變形破壞主要是與卸荷回彈及應力重分布相聯(lián)系。變形破壞又可分為兩類。一類變形破壞是洞室周邊拉應力集中所造成的，在一般情況下(λ≠0)。這類變形破壞由于其所引起的洞形變形會使洞周邊拉應力趨向減小，故通常僅局限在一定范圍之內(nèi)。另一類變形破壞則是由于洞室周邊壓應力集中所引起的，此類變形破壞的形式除與巖體結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與軸向應力σ2的相對大小有關(guān)。當軸向應力的大小與切向應力相近時，圍巖的變形破壞形式表現(xiàn)為劈裂；當其與徑向應力相近時，則表現(xiàn)為剪切破壞48.二、塑性圍巖的變形破壞1、擠出

洞室開挖后，當圍巖應力超過塑性圍巖的屈服強度時，軟弱的塑性物質(zhì)就會沿最大應力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。易于被擠出的巖體，主要是那些固結(jié)程度差，富含泥質(zhì)的軟弱巖層，以及擠壓破碎或風化破碎的巖體。擠出變形能造成很大的壓力，足以破壞強固的鋼支撐。但其發(fā)展通常都有一個時間過程，一般要幾周至幾個月之后方能達到穩(wěn)定。49.二、塑性圍巖的變形破壞2、膨脹：分為吸水膨脹和減壓膨脹吸水膨脹：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)部高應力區(qū)向圍巖表部轉(zhuǎn)移，結(jié)果使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強烈的膨脹變形。與圍巖內(nèi)部的水分重分布相聯(lián)系。暴露于表部的巖體也會從空氣中吸收水分而膨脹。遇水后易于強烈膨脹的巖石主要有富含粘土礦物(特別是蒙脫石)的塑性巖石和硬石膏。有些富含蒙脫石的粘土質(zhì)巖石，吸水后體積可增大14％～25％，而硬石膏水化后轉(zhuǎn)化為石膏，其體積可增大20％。這類巖石的膨脹變形能造成很大的壓力，足以破壞支護結(jié)構(gòu)，給各類地下建筑物的施工和運營帶來很大的危害。5050.二、塑性圍巖的變形破壞減壓膨脹減壓膨脹：通常發(fā)生在一些特殊的巖層中。例如，一些富含橄欖石的超基性巖脹，但在有側(cè)限而不能自由膨脹的天然條件下，新生成的礦物只能部分地膨脹，并于地層內(nèi)形成一種新的體積-壓力平衡狀態(tài)。洞體開挖所造成的卸荷減壓必然使附近這類地層的體積隨之增大，從而對支護結(jié)構(gòu)造成強大的膨脹壓力。5151.3、涌流和坍塌涌流是松散破碎物質(zhì)和高壓水一起呈泥漿狀突然涌入洞中的現(xiàn)象。多發(fā)生在開挖揭穿了飽水斷裂破碎帶的部分。坍塌是松散破碎巖石中重力作用下自由垮落的現(xiàn)象。多發(fā)生在洞體通過斷層破碎帶或風化破碎巖體部分。在施工過程中，如果對于可能發(fā)生的這類現(xiàn)象沒有足夠的預見性，往往也會造成很大的危害。52二、塑性圍巖的變形破壞.53.圍巖的變形破壞是漸進式逐次發(fā)展的。開挖-->應力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞54.分析圍巖變形破壞時，應抓住其變形破壞的始發(fā)點和發(fā)生連鎖反應的關(guān)鍵點，預測變形破壞逐次發(fā)展及遷移的規(guī)律。在圍巖變形破壞的早期就加以處理，這樣才能有效地控制圍巖變形，確保圍巖的穩(wěn)定性。55.56第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應力計算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預報56.6.4地下建筑穩(wěn)定性評價一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素最主要的有地質(zhì)構(gòu)造、巖體的特性及結(jié)構(gòu)，地下水以及構(gòu)造應力等。二、圍巖穩(wěn)定性定量評價解析分析法、赤平極射投影分析方法以及物理與數(shù)值模擬研究方法等。57.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素1、地質(zhì)構(gòu)造褶曲和斷裂破壞巖層完整性，降低巖體的強度。在褶曲的核部，巖層受到張力和壓力作用，就比翼部破碎得多；在斷層附近，因地層的相對位移，會使破碎帶達很大寬度；在倒轉(zhuǎn)巖層中，不僅節(jié)理裂隙十分發(fā)育，而且往往出現(xiàn)大的逆斷層。因此，可把構(gòu)造變動的強烈程度作為衡量圍巖穩(wěn)定狀況的一個主要因素。58.2、巖體的特征及結(jié)構(gòu)巖性：分為硬質(zhì)巖、中等堅硬巖及軟質(zhì)巖三大類。軟質(zhì)巖即塑性巖體，通常具有風化速度快、力學強度低以及遇水易于軟化、膨脹或崩解等不良性質(zhì)，故對地下工程圍巖的穩(wěn)定性最為不利。硬質(zhì)巖和中等堅硬巖通常屬于脆性巖體。由于巖石本身的強度遠高于結(jié)構(gòu)面的強度，故這類巖體的強度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)巖體強度59一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素602、巖體的特征及結(jié)構(gòu)巖體結(jié)構(gòu)：分為整體狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)、鑲嵌狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)，碎裂狀結(jié)構(gòu)及散體狀結(jié)構(gòu)等。散體狀結(jié)構(gòu)及碎裂狀結(jié)構(gòu)的巖體穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)者次之，厚層狀、塊狀及整體狀結(jié)構(gòu)有很高的穩(wěn)定性。巖體強度：是反映巖體的特性及其結(jié)構(gòu)特征的綜合指標，通常用巖體完整性系數(shù)與巖石單軸飽和抗壓強度的乘積，即準抗壓強度來表示。.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素3、地下水地下水常是造成圍巖失穩(wěn)的重要因素之一，在破碎軟弱的圍巖中，其影響尤為顯著。地下水可使巖石軟化，強度降低，加速巖石風化，還能軟化和沖走軟弱的結(jié)構(gòu)面的填充物，減少摩阻力，促使巖塊滑動。在膨脹性巖體中，地下水可造成膨脹地壓。61.一、影響圍巖穩(wěn)定性的因素4、原巖應力特別是構(gòu)造應力的方向及大小是控制地下工程圍巖變形破壞的重要因素。為避免地下洞室的頂拱和邊墻出現(xiàn)應力集中：洞室軸線的選擇應盡可能地與該地最大主應力方向一致。在一些特殊的情況下，當?shù)叵鹿こ痰臄嗝娉时馄叫螘r，為避免頂拱出現(xiàn)拉應力，改善頂拱圍巖的穩(wěn)定條件，盡量使洞室軸線垂直于最大主應力方向。62.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價1、原型調(diào)研及模型的建立為評價擬建地下工程圍巖的穩(wěn)定性，首先要通過勘探、測試和試驗，正確闡明工程區(qū)巖體力學條件。研究工作主要包括：①通過應力實測，定量地掌握工程區(qū)地應力場的基本特征；②通過地表調(diào)查、節(jié)理裂隙統(tǒng)計，掌握區(qū)內(nèi)巖體結(jié)構(gòu)的定量化模式；③通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗，掌握各巖體及各類結(jié)構(gòu)面的變形及強度特性，取得用于計算的有關(guān)參數(shù)。63.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價圍巖穩(wěn)定性的數(shù)值模擬研究，通常采用兩維的有限元分析模型，按平面應變問題處理。通過適當?shù)暮喕?，正確地確定模型的范圍和邊界、內(nèi)部結(jié)構(gòu)與各部分的力學參數(shù)以及邊界的位移和受力條件是建模的關(guān)鍵。6464.65GOCAD網(wǎng)格模型.二、圍巖穩(wěn)定性定量評價662、模擬研究的方法計算模型建立之后，可采用已有的有限元計算程序，通過線彈性、彈塑性或粘彈塑性有限元分析，系統(tǒng)地研究圍巖應力以及圍巖變形破壞的發(fā)展，定量地評價圍巖的穩(wěn)定性。通過對不同的洞室設計、支護及施工方案的模擬計算，不僅可以對不同方案洞室的穩(wěn)定性作出比較和評價，從而為設計優(yōu)化提供科學依據(jù)，還可挑選出最佳的支護和施工方案。.67第六章地下工程§6.1

概述§6.2

圍巖重分布應力計算§6.3

圍巖的變形與破壞§6.4地下建筑穩(wěn)定性評價§6.5

地下工程地質(zhì)超前預報67.6.5地下工程地質(zhì)超前預報工程地質(zhì)勘察→工程設計→地下工程施工以隧道工程為例：除個別長大隧道設計精度稍高外，90％以上的設計與實際地質(zhì)條件不符或者嚴重不符。美國科羅拉多隧道，在隧道掘進過程中遇到的小斷層和大節(jié)理遠比地面測繪時多，地面測繪遇到的小斷層僅為開挖揭露的1％～9％，即使稍大的斷層，也僅有2％～7％。西班牙Talave輸水隧道長31.7km、直徑5.5m，通過糜棱巖總寬度達567m。因此，僅根據(jù)地表工程地質(zhì)勘察，獲得的資料與實際地質(zhì)條件通常不相符合，準確率也較低。68.6.5地下工程地質(zhì)超前預報在復雜地質(zhì)條件下，施工技術(shù)人員難以準確判斷掌子面前方的地質(zhì)條件，施工帶有很大盲目性，經(jīng)常出現(xiàn)預料不到的塌方、冒頂、涌水等事故。哥倫比亞某水工隧道施工至DK6+097時，發(fā)生突水和泥石流。西班牙Talave輸水隧道，施工中發(fā)生220000m3的涌水和20000m3的破碎圍巖涌入隧道，造成巨大的經(jīng)濟損失。我國的軍都山隧道、大瑤山隧道等，在施工過程中發(fā)生了涌水、涌沙、突泥和塌方等嚴重災害。這些事故一旦發(fā)生，輕則影響工期、增加工程投資，重則砸毀機械設備、造成人員傷亡，事故發(fā)生后的處理工作難度較大。69.一、地質(zhì)超前預報分類70施工地質(zhì)超前預報地下工程地質(zhì)超前預報就是利用一定的技術(shù)和手段，收集地下工程所在巖土體的有關(guān)信息，運用相應的理論和規(guī)律對這些資料和信息進行分析、研究，對施工掌子面前方巖土體情況，不良地質(zhì)體的工程部位及成災可能性作出解釋、預測和預報，從而有針對性地進行地下工程的施工。.一、地質(zhì)超前預報分類71目的是查明掌子面前方的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖性狀、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征，特別是溶洞、斷層、各類破碎帶、巖體含水情況;以便提前、及時、合理地制定安全施工進度，修正施工方案、采取有效的對策，避免塌方、涌水、突泥、巖爆等災害;確保施工安全、加快施工進度、保證工程質(zhì)量、降低建設成本、提高經(jīng)濟效益。71.以隧道工程為例，討論地下工程的施工地質(zhì)超前預報問題。①根據(jù)預報所用資料的獲取手段，地質(zhì)超前預報的常用方法有地質(zhì)法和物探法。地質(zhì)法地質(zhì)超前預報包括地面地質(zhì)調(diào)查法、鉆探法、斷層參數(shù)法、掌子面地質(zhì)編錄法，隧道鉆孔法、導洞法等。物探法地質(zhì)超前預報包括電法、電磁法、地震波法、聲波法和測井法等。一、地質(zhì)超前預報分類72.地面地質(zhì)超前預報指通過地面工作對隧道掌子面前方作出的預報，以地質(zhì)方法和物探方法為主，以化探方法為輔。在隧道埋深不大的情況下（<100m），地面預報能獲得較為理想的預報結(jié)果。掌子面超前預報主要指借助洞口到掌子面范圍地質(zhì)條件的變化規(guī)律，參考勘察設計資料和地面預報成果，采用多種方法和手段，獲得相應的地質(zhì)、物探或化探成果資料，經(jīng)綜合分析處理，對掌子面前方的地質(zhì)條件及其變化作出預報。②按照預報采用資料和信息的獲得部位，可分為地面地質(zhì)超前預報和隧道掌子面地質(zhì)超前預報。73.③按所預報地質(zhì)體與掌子面的距離，可分為長距離地質(zhì)超前預報和短距離地質(zhì)超前預報。長期預報的距離一般大于100m，最大可達250～300m，甚至更遠。其任務主要是較準確地查明工作面前方較大范圍內(nèi)規(guī)模較大、嚴重影響施工的不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模及含水性，并按照不良地質(zhì)體的特征，結(jié)合預測段內(nèi)出露的巖石及涌水量的預測，初步預測圍巖類別。短期預報的距離一般小于20m，其任務是在長期超前預報成果的基礎上，依據(jù)導洞工作面的特征，通過觀測、鑒別和分析，推斷掌子面前方20～30m范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的地層、巖性情況，推斷掌子面實見的各種不良地質(zhì)體向掌子面前方延伸的情況；通過對掌子面涌水量的觀測，結(jié)合巖性、構(gòu)造特征，推斷工作面前方20～30m范圍內(nèi)可能的地下水涌出情況；并在上述推斷基礎上，預測工作面前方20～30m范圍內(nèi)的隧道圍巖類別，提出準確的超前支護建議，并對施工支護提出初步建議。目標是為隧道施工提供較為準確的掌子面前方近距離內(nèi)的具體地質(zhì)狀況和圍巖類別情況。74.④按照預報階段，施工地質(zhì)超前預報可分為施工前地質(zhì)超前預報和施工期地質(zhì)超前預報施工前階段的預報主要為概算和設計服務，其實質(zhì)上是傳統(tǒng)意義上的工程地質(zhì)勘察。施工期地質(zhì)超前預報是在施工前地質(zhì)預報所提供資料的基礎上進行的，它直接為工程施工服務。通常意義上的施工地質(zhì)超前預報即施工階段的地質(zhì)超前預報，但需明確的是，勘察設計階段的地質(zhì)工作也屬于超前預報，是地下工程施工地質(zhì)超前預報的重要組成部分。75.二、地質(zhì)超前預報內(nèi)容地下工程的設計和施工受圍巖條件的制約，因此，地質(zhì)條件是施工地質(zhì)超前預報的首要內(nèi)容。預報內(nèi)容包括巖性及其工程地質(zhì)特性、地質(zhì)構(gòu)造及巖體結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件、地應力狀態(tài)。1、地質(zhì)條件的超前預報2、圍巖類別超前預報3、地質(zhì)災害的監(jiān)測、判斷與防治76.（1）地層巖性及其工程性質(zhì)巖性是地質(zhì)超前預報必須包含的內(nèi)容。其中尤應注意對軟巖及具有泥化、膨脹、崩解，易溶性質(zhì)和含瓦斯等特殊巖土體及風化破碎巖體的預報;如灰?guī)r、煤系地層、含油層、石膏、巖鹽、芒硝、蒙脫石等。1、地質(zhì)條件的超前預報77.（2）斷層破碎帶與巖性接觸帶

斷層及其破碎帶的規(guī)模、位置、力學性質(zhì)、新構(gòu)造活動性、產(chǎn)狀、構(gòu)造巖類別、膠結(jié)程度和水文地質(zhì)條件等是主要預報內(nèi)容。斷層不同程度地破壞了巖體的完整性和連續(xù)性，降低了圍巖的強度，增強了導水和富水性。斷層往往是地應力易于集中的部位，從而圍巖發(fā)生大變形，并使支護受力增大和不均勻，往往引起襯砌破壞，對施工和運營安全構(gòu)成很大威脅。1、地質(zhì)條件的超前預報78.（2）斷層破碎帶與巖性接觸帶

巖性接觸帶包括接觸破碎變質(zhì)帶和巖脈侵入形成的擠壓破碎帶、冷凝節(jié)理、接觸變質(zhì)帶等。它們易軟化、工程地質(zhì)條件差，并常常被后期構(gòu)造利用而進一步惡化。巖脈本身易風化、強度低，是隧道易于變形破壞的重要部位。如軍都山隧道、陸渾水庫泄洪洞和瑞士弗卡隧道等，遇到煌斑巖脈時，都發(fā)生了大塌方。1、地質(zhì)條件的超前預報79.(3)巖體結(jié)構(gòu)

準確預報掌子面前方巖體結(jié)構(gòu)面的部位、產(chǎn)狀、密度、延展性、寬度及填充特征，預報可能發(fā)生塌方的位置、規(guī)模以及隧道漏水情況。受多組結(jié)構(gòu)面切割，當其產(chǎn)狀與隧道軸向組合不利時，易產(chǎn)生塌方、順層滑動和偏壓。貫穿性節(jié)理是工程塌方和漏水的重要原因之一。向斜軸部的次生張裂隙，向上匯聚，形成上小下大的楔形體，對圍巖穩(wěn)定十分不利。1、地質(zhì)條件的超前預報80.(4)水文地質(zhì)條件地下水是隧道地質(zhì)災害的最主要禍害之一，水文地質(zhì)條件是地下工程地質(zhì)超前預報的重要內(nèi)容。工作要點是：①向斜盆地形成的儲水構(gòu)造；②斷層破碎帶、不整合面和侵入巖接觸帶；③巖溶水；④強透水和相對隔水層形成的層狀含水體。1、地質(zhì)條件的超前預報81.(5)地應力狀態(tài)

地應力是隧道穩(wěn)定性評價和支護設計的重要條件，高地應力和低地應力對圍巖穩(wěn)定性不利。如高地應力區(qū)的巖爆和圍巖大變形，低地應力區(qū)塌方、滲漏水甚至涌水等。然而隧道工程很少進行地應力量測，因此，在施工過程中，應注意與高、低地應力有關(guān)的地質(zhì)現(xiàn)象，據(jù)此對地應力場狀態(tài)作出粗略的評價，并預報相應的工程地質(zhì)問題。1、地質(zhì)條件的超前預報82.圍巖分類就是通過對已掘洞段或?qū)Ф垂こ痰刭|(zhì)條件的綜合分析。包括軟硬巖劃分、受地質(zhì)構(gòu)造影響程度、節(jié)理發(fā)育狀況、有無軟弱夾層和夾層的地質(zhì)狀態(tài)、圍巖結(jié)構(gòu)及完整狀態(tài)、地下水和地應力等。結(jié)合圍巖穩(wěn)定狀態(tài)以及中長期預報成果，依據(jù)隧道工程類型的劃分標準，準確預報掌子面前方的圍巖類別。2、圍巖類別的預報83.準確識別各類不良地質(zhì)現(xiàn)象以及各類地質(zhì)災害的監(jiān)測、判斷和防治是地下工程施工地質(zhì)工作最重要的內(nèi)容。在隧道施工中，地質(zhì)災害的發(fā)生，是多種因素綜合作用的結(jié)果，既有地質(zhì)因素，也有人為因素。人為因素可以避免，前提是充分和正確認識圍巖條件。預報可能存在的不良的地質(zhì)體和可能發(fā)生地質(zhì)災害的類型、位置、規(guī)模和危害程度，并提出相應的施工方案或搶險措施，從而最大限度地避免各類地質(zhì)災害的發(fā)生。3、地質(zhì)災害的監(jiān)測、判斷與防治84.三、地質(zhì)超前預報常用方法1、地質(zhì)預報法(1)地面地質(zhì)調(diào)查主要針對有疑問的地段或問題開展補充地質(zhì)測繪、必要的物探或少數(shù)鉆孔等。地質(zhì)調(diào)查的重點是查明地層巖性、構(gòu)造地質(zhì)特征、水文地質(zhì)條件及工程動力地質(zhì)作用等。85.三、地質(zhì)超前預報常用方法1、地質(zhì)預報法(2)隧道地質(zhì)編錄是隧道施工期間最主要的地質(zhì)工作，它是竣工驗收的必備文件，還可為隧道支護提供依據(jù)。隧道地質(zhì)編錄應與施工配合，內(nèi)容包括兩壁、頂板和掌子面的巖性、斷層、結(jié)構(gòu)面、巖脈、地下水，同時根據(jù)條件和要求，開展必要的簡單現(xiàn)場測試以及巖土樣和地下水試樣的采集。編錄成果用圖件、表格和文字的形式表示，供計算分析和預報之用。86.三、地質(zhì)超前預報常用方法1、地質(zhì)預報法(3)資料分析及地質(zhì)超前預報通過及時分析處理地質(zhì)編錄資料，并與施工前