第7章地下洞室1課件

第七章地下洞室的

工程地質(zhì)研究概述地下洞室：指在地下或山體內(nèi)部的各類(lèi)建筑物。如地下交通運(yùn)輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲(chǔ)存庫(kù)房用的地下車(chē)庫(kù)、油庫(kù)、水庫(kù)和物資倉(cāng)庫(kù)等；地下式水電站洞室布置剖面示意圖有壓及無(wú)壓隧洞一般來(lái)說(shuō)，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問(wèn)題有如下方面：１．在選擇地下建筑工程位置時(shí)，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。２．在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個(gè)階段除進(jìn)行一般的巖體穩(wěn)定評(píng)價(jià)以外，還要解決一些與土建設(shè)計(jì)有關(guān)的巖體穩(wěn)定方面的問(wèn)題，這些問(wèn)題有：（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評(píng)價(jià)（即巖體本身對(duì)襯砌支護(hù)的壓力評(píng)價(jià)）；（2）巖體內(nèi)地下水壓力的評(píng)價(jià)（即地下水對(duì)襯砌支護(hù)的壓力）；（3）提出保護(hù)圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；圍巖：地下洞室周?chē)膰鷰r土體。即洞室周?chē)艿介_(kāi)挖影響，大體相當(dāng)于地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內(nèi)的巖土體。洞室周邊圍巖應(yīng)力彈性重分布計(jì)算公式用彈性理論計(jì)算圓形洞室周邊應(yīng)力重分布各種斷面形狀的洞體應(yīng)力狀態(tài)比較二、開(kāi)挖后圍巖中出現(xiàn)塑性圈時(shí)的重分布應(yīng)力洞室開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性，取決于二次應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度之間的關(guān)系。如果洞周邊應(yīng)力小于巖體的強(qiáng)度，圍巖穩(wěn)定。否則，周邊巖石將產(chǎn)生破壞或較大的塑性變形。圍巖一旦松動(dòng)，如不加支護(hù)，則會(huì)向深部發(fā)展，形成具有一定范圍的應(yīng)力松弛區(qū)，稱為塑性松動(dòng)圈。在松動(dòng)圈形成過(guò)程中，原來(lái)周邊集中的高應(yīng)力逐漸向深處轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力增高區(qū)，該區(qū)巖體被擠壓緊密，稱為承載圈。此圈之外為初始應(yīng)力區(qū)。洞室圍巖應(yīng)力重分布對(duì)比圖三圍巖的變形與破壞地下開(kāi)挖后，巖體中形成一個(gè)自由變形空間，使原來(lái)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(guò)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(dòng)或巖爆，稱前者為變形，后者為破壞。

各類(lèi)結(jié)構(gòu)圍巖變形破壞的特點(diǎn)由于巖體在強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)方面的差異，洞室圍巖變形與破壞的形式多種多樣，主要的形式有脆性破裂、塊體滑移、彎曲折斷、松動(dòng)解脫、塑性變形等。

1．堅(jiān)硬完整巖體的脆性破裂在堅(jiān)硬完整的巖體中開(kāi)挖地下洞室，圍巖一般是穩(wěn)定的。但是在高地應(yīng)力地區(qū)，經(jīng)常產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。巖爆是儲(chǔ)存有很大彈性應(yīng)變能的巖體，在開(kāi)挖卸荷后，能量突然釋放所形成的，它與巖石性質(zhì)、地應(yīng)力積聚水平及洞室斷面形狀等因素有關(guān)。脆性開(kāi)裂出現(xiàn)在拉應(yīng)力集中部位。

2．塊體滑移塊體滑移是塊狀結(jié)構(gòu)圍巖常見(jiàn)的破壞形式。這類(lèi)破壞常以結(jié)構(gòu)面交切組合成不同形狀的塊體滑移、塌落等形式出現(xiàn)。分離塊體的穩(wěn)定性取決于塊體的形狀、有無(wú)臨空條件、結(jié)構(gòu)面的光滑程度及是否夾泥等。堅(jiān)硬塊狀巖體中的塊體滑移形式示意圖1.層面；2.斷裂；3.裂隙塊狀結(jié)構(gòu)巖體的塊體滑移

3．層狀彎折和拱曲

巖層的彎曲折斷，是層狀圍巖變形失穩(wěn)的主要形式。平緩巖層，當(dāng)巖層層次很薄或軟硬相間時(shí)，頂板容易下沉彎曲折斷。在傾斜層狀圍巖中，當(dāng)層間結(jié)合不良時(shí)，順傾向一側(cè)拱腳以上部分巖層易彎曲折斷，逆傾向一側(cè)邊墻或頂拱易滑落掉塊。在陡傾或直立巖層中，因洞周的切向應(yīng)力與邊墻巖層近于平行，所以邊墻容易凸邦彎曲。層狀結(jié)構(gòu)圍巖變形破壞特征4．碎裂巖體的松動(dòng)解脫一般強(qiáng)烈風(fēng)化、強(qiáng)烈構(gòu)造破碎或新近堆積的土體，在重力、圍巖應(yīng)力和地下水作用下常產(chǎn)生冒落及塑性變形。常見(jiàn)的塑性變形和破壞的形式有邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等。5．松軟巖體碎裂結(jié)構(gòu)巖體在張力和振動(dòng)力作用下容易松動(dòng)、解脫，在洞頂則產(chǎn)生崩落，在邊墻上則表現(xiàn)為滑塌或碎塊的坍塌。

碎裂巖體松動(dòng)解脫碎裂結(jié)構(gòu)圍巖塌方示意圖散體狀巖體是指強(qiáng)烈構(gòu)造破碎、強(qiáng)烈風(fēng)化的巖體。常表現(xiàn)為彈塑性、塑性或流變性。圍巖結(jié)構(gòu)均勻時(shí)，以拱頂冒落為主。當(dāng)圍巖結(jié)構(gòu)不均勻或松動(dòng)巖體僅構(gòu)成局部圍巖時(shí)，常表現(xiàn)為局部塌方、塑性擠入及滑動(dòng)等變形破壞形式。6．松散巖體圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的。

開(kāi)挖-->應(yīng)力調(diào)整-->變形、局部破壞-->再次調(diào)整-->再次變形-->較大范圍破壞圍巖的變形破壞過(guò)程分析圍巖變形破壞時(shí)，應(yīng)抓住其變形破壞的始發(fā)點(diǎn)和發(fā)生連鎖反應(yīng)的關(guān)鍵點(diǎn)，預(yù)測(cè)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。第二節(jié)地下工程位置選擇的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，需要考慮區(qū)域穩(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。

一般認(rèn)為，具備下列條件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，歷史上地震烈度及震級(jí)不高，無(wú)毀滅性地震；2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，工程區(qū)無(wú)區(qū)域性斷裂帶通過(guò)，附近沒(méi)有發(fā)震構(gòu)造；3.第四紀(jì)以來(lái)沒(méi)有明顯的構(gòu)造活動(dòng)。

區(qū)域穩(wěn)定性問(wèn)題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進(jìn)一步就要選擇建洞山體，一般認(rèn)為理想的建洞山體具有以下條件：

1.在區(qū)域穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；2.建洞區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)單，巖層厚且產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少，無(wú)影響整個(gè)山體穩(wěn)定的斷裂帶；3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅(jiān)硬或中等堅(jiān)硬的地層，巖體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒(méi)有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。4.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進(jìn)洞生產(chǎn)面積的同時(shí)，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護(hù)地層；

5.地下水影響小，水質(zhì)滿足建廠要求；6.無(wú)有害氣體及異常地?zé)幔?/p>

一、洞口選擇的工程地質(zhì)條件洞口的工程地質(zhì)條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標(biāo)高、洞口的方向等問(wèn)題。至于洞口數(shù)量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據(jù)工程的具體要求，結(jié)合所處山體的地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等慎重考慮，因?yàn)槌鋈肟谖恢玫拇_定，一般來(lái)說(shuō)，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。（一）洞口的地形和地質(zhì)條件洞口宜設(shè)在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設(shè)置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時(shí)刷方太大，破壞原來(lái)的地形地貌。（二）洞口底標(biāo)高的選擇洞口底的標(biāo)高一般應(yīng)高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發(fā)時(shí)，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象在選擇洞口位置時(shí)，必須將進(jìn)出口地段的物理地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查清楚。洞口應(yīng)盡量避開(kāi)易產(chǎn)生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產(chǎn)生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對(duì)工程造成不必要的損失。

二、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等方面綜合分析來(lái)考慮確定。（一）地形條件在地形上要求山體完整，洞室周?chē)ǘ错敿鞍絺?cè)應(yīng)有足夠的山體厚度。隧洞進(jìn)出口地段的邊坡應(yīng)下陡上緩，無(wú)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坡的安全。在地形陡的高邊坡開(kāi)挖洞口時(shí)，應(yīng)不削坡或少削坡即進(jìn)洞，必要時(shí)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。（二）巖性條件巖性是影響圍巖穩(wěn)定的基本因素之一。如堅(jiān)硬完整的巖體，圍巖一般是穩(wěn)定的，能適應(yīng)各種斷面形狀的地下洞室。而軟弱巖體如粘土巖類(lèi)、破碎及風(fēng)化巖體，吸水易膨脹的巖體等，通常力學(xué)強(qiáng)度低，遇水易軟化、崩解及膨脹等，不利于圍巖的穩(wěn)定。此外,巖層的組合特征對(duì)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。

（三）地質(zhì)構(gòu)造條件1．褶皺的影響褶皺劇烈地區(qū)，一般斷裂也很發(fā)育，特別是褶皺核部巖層完整性最差。

地下洞室軸線與褶皺的關(guān)系2．?dāng)嗔训挠绊?/p>

斷層破碎帶及斷層交匯區(qū)，穩(wěn)定性極差。地下掘進(jìn)如遇較大規(guī)模的斷層，幾乎都要產(chǎn)生塌方甚至冒頂(洞頂大規(guī)模突然坍塌破壞)。一般情況下，應(yīng)避免洞室軸線沿?cái)鄬訋Р贾?。如洞室軸線垂直或近于垂直斷裂帶，則所需穿越的不穩(wěn)定地段較短，但也可以產(chǎn)生塌方或大量地下水涌入。因此，在選址時(shí)應(yīng)盡量避開(kāi)大斷層。斷層對(duì)地下洞室選線的影響

3．巖層產(chǎn)狀的影響

(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(duì)邊墻穩(wěn)定有利。當(dāng)巖層較陡時(shí)穩(wěn)定性最好。當(dāng)巖層傾角較平緩且節(jié)理發(fā)育時(shí)，在洞頂易發(fā)生局部巖塊坍落現(xiàn)象，洞室頂部常出現(xiàn)階梯形超挖。洞室洞室單斜巖層中的地下洞室(2)洞室走向與巖層走向平行

在水平巖層中布置洞室時(shí)，應(yīng)盡量使洞室位于均質(zhì)厚層的堅(jiān)硬巖層中，應(yīng)避免將軟弱巖層置于洞室頂部，因?yàn)檐浫鯉r層易于造成頂板懸垂或坍塌。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。在傾斜巖層中，一般說(shuō)來(lái)是不利的。當(dāng)洞身通過(guò)軟硬相間或破碎的傾斜巖層時(shí)，順傾向一側(cè)的圍巖易于變形或滑動(dòng)，造成很大的偏壓，逆傾向一側(cè)圍巖側(cè)壓力小，有利于穩(wěn)定。因此，在傾斜巖層中最好將洞室選在均一完整堅(jiān)硬的巖石中。此外，巖層的傾角對(duì)圍巖的穩(wěn)定性也有影響。水平及傾斜巖層中的地下洞室陡立巖層中的地下洞室abc（四）地下水在選址時(shí)最好選在地下水位以上的干燥巖體內(nèi)，地下水量不大、無(wú)高壓含水層的巖體內(nèi)。