地下洞室的工程地质问题ppt.ppt

第七章 地下洞室的工程 地质问题 Z第一节 概 述 Z第二节 洞室位置的选择 Z第三节 洞室围岩压力(了解) Z第四节 洞室围岩的破坏形式 Z第五节 洞室围岩稳定性因素的分析 Z第六节 保障洞室围岩稳定性的措施（重点） Z第七节 岩体的工程分类 一、定义 地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。 如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等； 地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷 道、地下输水隧洞等； 地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等 ； 第一节 概 述 一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如 下方面： 在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域 稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身 岩体的稳定）。 在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体 的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外， 还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题， 这些问题有： （1）洞室四周岩体的围岩压力的评价（即岩体本身对 衬砌支护的压力评价）； （2）岩体内地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护 的压力）； （3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固措施； 围岩：地下洞室周围的围岩土体。 即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度 或平均直径3倍左右范围内的岩土体。 我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例 见下表 工 程 及 桩桩 号 塌 方 段 的 地 质质 特 点 塌 方 情 况 例 号 河 南 伊 河 某 水 库库 泻 洪 隧 洞 0+170 0+180 玄武岩中。洞顶顶 有缓倾缓倾 的夹夹泥软软 弱结结构面，与其 他陡倾倾角的结结构 面相互切割成楔 形体，且有水沿 结结构面下滴 每当开挖使软软弱结结构面 暴露时时，洞顶软顶软 弱结结构 面以下岩体立即坍落。 前后共发发生过过四次 1 0+405 0+415 洞顶顶有一走向平 行洞轴轴、倾倾角 25 的煌斑岩脉，由 洞顶顶左侧倾侧倾 向右 侧侧，并于右拱脚 出露，为为平行洞 身的陡立小断层层 切割，构成平卧 楔形体 一次放炮后岩体突然塌 落 20m ，坍落后顶顶拱又 处处于稳稳定状态态 2 0+370 0+380 该该段处处于断层层破碎 带带中，整个边墙为边墙为 红红色断层层泥与强烈 破碎的玄武岩组组成 ，并有地下水流出 ，断层带层带 的松散破 碎物质处质处 于饱饱水状 态态，高 10m 的边边 墙墙很难难保持稳稳定 采取特殊措施后保证证了稳稳 定 3 福 建 某 工 程 导导 流 隧 洞 A+40 A+160 洞顶为缓倾顶为缓倾 角（ 8 20 ）夹夹泥 节节理切割成薄板 状且与另一陡倾倾 角充水夹夹泥石英 脉破碎带带交切， 组组合成不稳稳定的 楔形体 施工开挖拱脚后，使两 侧侧岩体失去下部支撑。 前后塌方四次，总总方量 达 400 500m 3 4 永 定 河 某 水 电电 站 压压 力 引 水 隧 洞 0+703 0+716 硅质质灰岩与玢岩 中，裂隙十分发发 育，且有与洞线线 近直交的 F 68 和 F 67 两断层层切割 。 F 67 充填有玢 岩风风化物和亚亚粘 土， F 68 夹夹有断 层层泥，沿 F 67 地 下水集中渗流 隧洞开挖至 F 67 时发时发 生 坍塌，并有水涌出，总总 塌方量约约 600 余方 5 1+711 1+714 破碎玢岩，裂隙 很发发育，三组组与 洞线线近直交、平 行和斜交的陡倾倾 角裂隙，一组组与 洞线线近平行的缓缓 倾倾角裂隙，相互 切割 拆除木支撑后未及时衬时衬 砌好而产产生塌方 6 3+468 3+481 霏细细岩，发发育有两 条相距 4m 、倾倾向 相反的断层层，组组成 楔形体。断层层充填 物为为粘土及碎石， 并有滴水 木支撑拆除后扩扩大洞径， 正值值雨季，断层带层带 涌水量 增大，物质软质软 化产产生塌方 ，约约 500 m 3 7 7+154 7+157 页页岩与玢岩交界带带 ，为为断层层接触，破 碎带宽约带宽约 20 余 m ，页页岩风风化破碎成 粉土状 开挖过过程中不断掉块块，后 因遇到小窑洞暂时暂时 停工， 由于未对对已开挖段进进行支 撑加固，导导致大塌方 8 甘 肃肃 某 工 程 导导 流 隧 洞 进进口段 靠近背斜轴轴部， 断裂发发育，风风化 破碎 多次发发生顶顶拱坍塌，后 改明挖 9 0+095 0+110 充水夹夹泥断裂发发 育，多组组交切构 成不稳稳定体 塌方 1 0 福建某二级级引 水隧洞的一段 北西向近直立的 大断层层在洞内出 露，宽约宽约 50 余 m ，其中十余条 岩脉穿插，节节理 发发育，风风化严严重 ，且地下水活动动 施工中不断发发生塌方 ，大者计计四次，最终终 冒顶顶、 80m 岩层层全部 塌落，地表陷落 3 5m 11 模式口引水隧洞进进 口段 微风风化至强风风化 的辉绿辉绿 岩，处处于 断层带层带 内，风风化 节节理甚发发育，充 填粘土，水的活 动剧动剧 烈 钢钢支撑后仍产产生塌方 ，将架立的钢钢支架全 部压垮压垮 ，自洞顶顶至地 表 20m 岩层层全部坍塌 ，塌方量达 1000 m 3 12 二、分类 成因 人工洞室 天然洞室 过水洞室 不过水洞室 有压洞室 无压洞室 第二节洞室位置的选择 一、地下工程总体位置的选择 在进行地下工程总体位置选择时，首先要考虑区域稳 定性，此项工作的进行主要是向有关部门收集当地的 有关地震、区域地质构造史及现代构造运动等资料， 进行综合地质分析和评价。特别是对于区域性深大断 裂交会处，近期活动断层和现代构造运动较为强烈的 地段，尤其要引起注意。 一般认为，具备下列条件是宜于建洞的： 1.基本地震烈度一般小于度，历史上地震烈度及震 级不高，无毁灭性地震； 2.区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过， 附近没有发震构造； 3.第四纪以来没有明显的构造活动。 区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置选定 后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想的建洞 山体具有以下条件： 1.在区域稳定性评价基础上，将 洞室选择在安全可靠的地段； 2.建洞区构造简单，岩层厚且产 状平缓，构造裂隙间距大、组数 少，无影响整个山体稳定的断裂 带； 3.岩体完整，成层稳定，且具有 较厚的单一的坚硬或中等坚硬的 地层，岩体结构强度不仅能抵抗 静力荷载，而且能抵抗冲击荷载 ；地形完整，山体受地表水切割 破坏少，没有滑坡、塌方等早期 埋藏和近期破坏的地形。 4.岩溶很不发育，山体在满足进洞 生产面积的同时，具有较厚的洞 体顶板厚度作为防护地层； 地下水影响小，水质满足建厂要 求； 5.无有害气体及异常地热； 二、洞口选择的工程地质条件 洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的地形及岩 性、洞口底的标高、洞口的方向等问题。 至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定 必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工 程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置 的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位 置和洞室的平面形状。 （一）洞口的地形和地质条件 洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于30），岩层完 整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以免 切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。 （二）洞口底标高的选择 洞口底的标高一般应高于谷底最高洪水位以上0.51.0 的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴 发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室； （三）洞口边坡的物理地质现象 在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现 象调查清楚。 洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或 易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要 的损失。 三、洞室轴线选择的工程地质条件 洞室轴线的选择主要是由地层岩性、岩层产状、地质 构造以及水文地质条件等方面综合分析来考虑确定。 （一）布置洞室的岩性要求 洞室工程的布置对岩性的要求是：尽可能使地层岩性 均一，层位稳定，整体性强，风化轻微，抗压与抗剪 强度较大的岩层中通过。一般说来，举凡没有经受剧 烈风化及构造运动影响的大多数岩层都适宜修建地下 工程。 （二）地质构造与洞室轴线的关系 下面进一步分析有关洞室轴线与岩层产状要素以及与 地质构造的关系。 1当洞室轴线平行于岩层走向时，根据岩层产状要 素和厚度不同大体有如下三种情况： （）在水平岩层中（岩层倾角510），若 岩层薄，彼此之间联结性差，又属不同性质的岩层 ，在开挖洞室（特别是大跨度的洞室）时，常常发 生塌顶，因为此时洞顶岩层的作用如同过梁，（1 、过梁 ：可分为砖拱过梁、钢筋砖过梁和钢筋混 凝土过梁三种。主要设置在墙体上开设门窗等洞的 上方，承受洞口上部的荷载。） 它很容易由于层间的拉应力到达极限强度而导 致破坏。如果水平岩层具有各个方向的裂隙 ，则常常造成洞室大面积的坍塌。因此，在 选择洞室位置时，最好选在层间联结紧密、 厚度大（即大于洞室高度二倍以上者）不透 水、裂隙不发育，又无断裂破碎带的水平岩 体部位，这样对于修建洞室是有利的（图8- 12）。 （）在倾斜岩层中，一般说来是不利的，因为此 时岩层完全被洞室切割，若岩层间缺乏紧密联结， 又有几组裂隙切割，则在洞室两侧边墙所受的侧压 力不一致，容易造成洞室边墙的变形（图8-13）。 v（）在近似直立的岩层中，一定要注意不 能把洞室选在软硬岩层的分界线上（图8-14 ）。特别要注意不能将洞室置于直立岩层厚 度与洞室跨度相等或小于跨度的地层内（图8 -15）。 v因为地层岩性不一样，在地下水作用下更易 促使洞顶岩层向下滑动，破坏洞室，并给施 工造成困难。 当洞室轴线与岩层走向垂直正交时，为较好的洞 室布置方案。 （）当岩层倾角较陡，各岩层可不需依靠相互间的 内聚力联结而能完全稳定。因此，若岩性均一，结构 致密，各岩层间联结紧密，节理裂隙不发育。在这些 岩层中开挖地下工程最好（图8-16）。 （）当岩层倾角较平缓，洞室轴线与岩层倾斜的夹 角较小，若岩性又属于非均质的、垂直或外交层面节 理裂隙又发育时，在洞顶就容易发生局部石块坍落现 象，洞室顶部常出现阶梯形特征（图8-17）。 洞室轴线穿过褶曲地层时，一般洞室轴线穿越褶 曲地层时可遇到以下几种情况： （）洞室横穿向斜层。在向斜的轴部有时可遇到大 量地下水的威胁和洞室顶板岩块崩落的危险。因轴部 的岩层遭到挤压破碎常呈上窄下宽的楔形石块（图8- 18），组成倒拱形， 因而使其轴部岩层压力增加，洞顶岩块最容易突然地 坍落到洞室。 另外，由于轴部岩层破碎又弯曲呈盆形，在这些地带 往往是自流水储存的场所。（图8-19）。 （）洞室轴线横穿背斜层。由于背斜呈上拱形。 岩层被破碎如石砌的拱形结构，能很好的将上覆岩 层的荷重传递到两侧岩体中去。 因而地层压力既小又较少发生洞室顶部塌坍的事故 。 但是应注意若岩层受到剧烈的动力作用被压碎，则 顶板破碎岩层容易产生小规模掉块。因此，当洞室 穿过背斜层也必须进行支撑和衬砌（图8-20）。 第三节 洞室围岩压力 一、天然地应力 1、自重应力 2、构造应力 二、洞室围岩二次应力 1、轴对称圆形洞室围岩二次应力 2、圆形洞室时的情况 3、椭圆形洞室、等应力轴比 4、非圆形断面洞室的弹性应力分布特征 三、有塑性区产生的围岩应力分布 四、围岩压力的确定 1、围岩压力的形成 2、影响围岩压力的因素 （1）洞室的形状和大小 （2）地质构造 （3）支护的形式和刚度 （4）洞室深度 （5）时间 （6）施工方法 （1）普室压力拱法 （2）太沙基理论 4、变形压力的计算 第四节 洞室围岩的破坏形式 一、冒顶 二、侧壁滑塌与内鼓 三、底鼓及径缩 四、岩爆 五、局部破坏 六、围岩破坏导致的地面沉降 1、塌落带 2、 裂隙带 3、弯曲带 第五节洞室围岩稳定性因素分析 一、围岩稳定的概念 围岩稳定是指在一定时间内、在一定的地质力和工程 力作用下岩体不产生破坏和失稳。 v影响因素 v（一）岩石特性 v（二）地质构造 v（三）岩体结构 v（四）地下水与岩溶 v（五）构造应力 v（六）洞室跨度 v（七）开挖方式 v（八）支护方式 v（九）支护时间 第六节保障洞室围岩稳定性的措施 v围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工 方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义； v隧洞的开挖方式，基本上有两种： v一种是全断面开挖法； v另一种是导洞开挖法。 v全断面开挖法一般适用于围岩很稳定，无塌方掉石 的地区。对岩石稍差但断面尺寸较小的中小型隧洞 亦可全断面开挖。 v导洞开挖法适用于断面较大，岩体又不太稳 定的地质条件。为了防止塌方冒顶事故，可 缩小断面，先打导洞，然后分块完成施工断 面。 v两方面保证 v一、尽量保护围岩原有稳定性 v二、赋予围岩一定的强度，提高其稳定性。 v一、合理施工 v原则：尽量减少对围岩的扰动，及时封闭围 岩，设置支护结构。 v对于大断面的洞室，可采取分段开挖 1、上导洞施工法（围岩稳定性最差） v导洞开挖法 v当围岩不太稳定，顶围易塌时， v应在洞室最大断面的上部先挖导洞 v立即支撑，达到要求的轮廓 v作好顶拱衬砌。 v然后在顶拱衬砌保护下扩大断面， v最后做侧墙衬砌。 v 即先拱后墙的办法。 2、单侧导洞施工法 当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时， 可先在设计断面的侧部开挖导洞， 由下处向上逐段衬护。 到一定高程，再挖顶部导洞， 作好顶拱衬砌， 最后挖除残留岩体。 这便是侧导洞开挖、即先墙后拱的方法，或称 为核心支撑法。 3、双侧导洞施工法（围岩很不稳定） 4、全断面一次开挖施工法 v围岩稳定，可全断面一次开挖。现在多采用 新奥法和盾构法等新型施工方法。 二、支护（支撑、衬砌、锚喷、锚注） v支撑、衬砌与喷浆加固 v隧洞的支衬工作，包括支撑和衬砌两方面。 支撑是临时性加固洞壁的措施， v衬砌是永久性加固洞壁的措施。 v此外还有喷浆护壁、喷射混凝土、锚筋加固 及锚喷加固等。 v支撑 v支撑工作是开挖过程中，为防止围岩塌方的 临时性措施，过去通常用木支撑、钢支撑及 混凝土预制构件支撑等。近代国内外多采用 锚杆支护，锚杆能把松动岩块与稳固岩体牢 固地联在一起，是一种“悬吊式”支护。 v衬砌 v衬砌的作用与支撑相同，但经久耐用，使洞 壁光坦。 v砖、石衬砌较便宜，钢筋混凝土、钢板衬砌 的成本最高。衬砌一定要与洞壁紧密结合， 填严塞实其间空隙才能起到良好效果。作顶 拱的衬砌时，还要预留压浆孔。衬砌后，再 回填灌浆，达到严实的目的，在渗水地段也 可起防渗作用。 v衬砌厚度往往取决于岩石的性质， v如对于坚硬类岩石一般要求2030cm即可， 特别坚固或裂隙稀少的岩石甚至可不加衬砌 ；中等坚硬岩石一般4050cm； v软弱岩石及松散土层则要求50150cm或更 厚的混凝土衬砌。 v喷浆护壁 v喷浆护壁较简便而又经济，对保护易风化围岩的稳 定性效果较好。当洞室开炮后及时在洞壁上喷射水 泥砂浆，形成保护层，保护围岩原有强度。我国应 用日益广泛，国外采用也很普遍。 v喷射混凝土 v喷射混凝土与喷浆方法相仿，但作用大不相同。混 凝土内加速凝剂，及时(越早越好)喷射到洞壁上， 它便很快地凝固并有较大强度，可防止洞壁早期松 动。 v锚筋加固 v锚筋加固又称锚杆加固，目前大量采用。将 锚筋插入围岩： 使洞周松动围岩与稳定围岩 固定，起到钉子的作用。 v灌浆与加固 v裂隙严重的岩体和极不稳定的第四纪堆积物中开挖 洞室，常需要加固以增大围岩稳定性，降低其渗水 性。 v最常用的加固方法就是水泥灌浆，其次有沥青灌浆 、水玻璃(硅酸性)灌浆，还有冻结法，等等。通过 这种办法，在围岩中大体形成一圆柱形或球形的固 结层。 三、新奥法 v(二)新奥法的原理和应用 v顾名思义，新奥法创始于奥地利。新奥法的 基本思想是充分利用围岩自身的承载能力， 其要点可归结为： v运用现代岩石力学的理论，充分考虑并利用围岩 的自身承载能力，把衬砌与围岩当成一个整体看待 ； v在施工过程中，必须进行现场量测,并应用量测资 料修订设计和指导施工; v采用预裂爆破、光面爆破等技术或用掘进机开挖 ，用锚杆和喷射混凝土等作为支护手段，并强调适 时支护。 v总之，是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上， 因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。 v盾构法 v 盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术 ，主要用于第四系松软地层掘进成洞，起源 于欧洲，最近十几年来，经德国、日本大力 开发，已得到广泛应用。最大洞径已达几十 米，目前更大直径的盾构正在设计研究之中 。 v在英吉利海峡隧道，日本东京湾海底公路隧 道等建设中，发挥了巨大作用。这是一项先 进的高度机械化、自动化的施工技术。 v其优点是避开干扰，不影响地面建筑和环境 ，可充分开发地下空间。在施工中能把掘进 ，出渣、支护与衬砌，融为一体。施工安全 、可靠、准确，能缩短工期、提高工效、节 约资金。 v我国上海、兰州等地，已成功地在软粘土及 砂砾层中修建了地铁隧道，排污隧洞、引水 及电缆隧洞，穿黄浦江公路。目前不少大城 市的地铁隧道建设中；还有南水北调工程的 穿黄河输水隧洞都将用盾构法施工。因此， 它将在我国的工程建设中发挥更大的作用。 明挖法 v就是俗称的“大