水工地质8(地下建筑的工程地质研究)

1、第八章第八章第八章第八章 地下洞室地下洞室: :是指建筑于地下岩土体中，具有一定断面形态和是指建筑于地下岩土体中，具有一定断面形态和尺寸，并有较大延伸长度的地下建筑。尺寸，并有较大延伸长度的地下建筑。 而洞室周围的岩体简称为而洞室周围的岩体简称为围岩围岩。实际工作中，一般认为其实际工作中，一般认为其是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径3 3倍倍距离范围距离范围内的岩土体。内的岩土体。 水利水电工程中的地下建筑物，一般包括：输水隧洞、导流隧水利水电工程中的地下建筑物，一般包括：输水隧洞、导流隧洞、地下厂房、闸门井、调压井（室）、压力管道、尾水洞

2、等。洞、地下厂房、闸门井、调压井（室）、压力管道、尾水洞等。其中，各类地下洞室是主要的地下建筑类型。其中，各类地下洞室是主要的地下建筑类型。第八章第八章 地下建筑位置的地下建筑位置的选择，除取决于工选择，除取决于工程目的要求外，首程目的要求外，首先要考虑区域和山先要考虑区域和山体稳定，其次为地体稳定，其次为地形、岩性、地质构形、岩性、地质构造、地下水及地应造、地下水及地应力等因素的影响。力等因素的影响。 第一节第一节 地下洞室选址的工程地质条件地下洞室选址的工程地质条件一、首要要求：一、首要要求： 区域稳定性及山体的稳定区域稳定性及山体的稳定-建洞地区应是区域地质构建洞地区应是区域地质构造稳定

3、，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基造稳定，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基本烈度应小于本烈度应小于8度。度。第八章第八章 一）地形地貌一）地形地貌 山体完整，洞室周围应有足够的山体厚度。山体完整，洞室周围应有足够的山体厚度。 隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌。隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌。 洞口岩石直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里。洞口岩石直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里。 洞口开挖在高边坡时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做洞口开挖在高边坡时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。人工洞口先行进洞

4、，以保证边坡的稳定性。 隧洞进出口排水方便且不易受水流冲刷。隧洞进出口排水方便且不易受水流冲刷。第八章第八章 二、其他条件二、其他条件：隧洞选线利用沟谷地形示意图第八章第八章 1.尽量避开不良围岩，使洞室置于尽量避开不良围岩，使洞室置于坚硬岩层中。坚硬岩层中。2. 软硬互层且层较薄时，将顶围置软硬互层且层较薄时，将顶围置于硬岩中于硬岩中 。二）岩性二）岩性 岩石性质是控制地下洞室围岩稳定的重要因素，也是决定工程岩石性质是控制地下洞室围岩稳定的重要因素，也是决定工程工期和造价的主要条件之一。工期和造价的主要条件之一。坚硬岩石中开挖隧洞围岩稳定，日进尺快、造价便宜。软弱岩层、破碎岩层和松坚硬岩石中

5、开挖隧洞围岩稳定，日进尺快、造价便宜。软弱岩层、破碎岩层和松散岩层中掘进散岩层中掘进-顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需支护或顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需支护或衬砌后掘进，日进尺慢，造价高。软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层衬砌后掘进，日进尺慢，造价高。软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。 第八章第八章 地质构造条件对洞室围岩稳定有重要的影响。地质构造条件对洞室围岩稳定有重要的影响。 1. 尽尽量使轴线与地区构造线的方向相垂直或成大角度相交。量使轴线与地区构造线的方向

6、相垂直或成大角度相交。2.尽尽量避开大的断层破碎带或呈小角度相交。量避开大的断层破碎带或呈小角度相交。3.倾倾斜岩层地区，注意洞轴线与岩层产状的关斜岩层地区，注意洞轴线与岩层产状的关系。系。 三）地质构造三）地质构造 第八章第八章 第八章第八章 第八章第八章 第八章第八章 须做工作：须做工作： 调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。水量方面：水量方面：对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，应注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评应注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评价地

7、下水涌水的可能性及涌水量。价地下水涌水的可能性及涌水量。水质方面：水质方面：资料分析，对资料分析，对PHPH5 5的酸性地下水，应分析水中的酸性地下水，应分析水中侵蚀性侵蚀性COCO2 2和和SOSO4 4-2-2侵蚀性对混凝土衬砌的影响。侵蚀性对混凝土衬砌的影响。四）水文地质四）水文地质 选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。无高压含水层的岩体内。 第八章第八章 五）地应力五）地应力 了解初始应力场的分布和变化规律，至关重要。了解初始应力场的分布和变化规律，至关重要。初始应力状态是决定围岩应力重分布的

8、主要因素。如果围岩内初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。如果围岩内出现拉应力，压应力集中且较大，对围岩稳定不利。出现拉应力，压应力集中且较大，对围岩稳定不利。初始应力场的水平主应力值较大时，洞室轴线最好平行于最大初始应力场的水平主应力值较大时，洞室轴线最好平行于最大水平主应力方向水平主应力方向( (与构造主线垂直与构造主线垂直）布置，否则边墙将产生严重的）布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。变形和破坏。 第八章第八章 地下洞室在开挖前，山体内部的岩石处于天然应力地下洞室在开挖前，山体内部的岩石处于天然应力（地应力）状态。（地应力）状态。地应力一般可分为：地应力一般可分为：自重应力自重

9、应力构造应力构造应力变异应力变异应力 第二节第二节 洞室设计的工程地质问题洞室设计的工程地质问题一、地应力及其组成一、地应力及其组成第八章第八章 二、围岩应力的重分布二、围岩应力的重分布 地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平衡的。围岩内任意点都有：衡的。围岩内任意点都有：1xzzyyx第八章第八章 以圆形洞室为例（右以圆形洞室为例（右图），假定开挖前只存在图），假定开挖前只存在压应力压应力，无拉、剪力，无拉、剪力，则极坐标下围岩中任意一则极坐标下围岩中任意一点点有：有： m(m(,r),r)r ra a 轴向（径向）应力轴向（径向）应力 切向应力

10、切向应力 )1 (22rar)1 (22raaa洞室半径洞室半径rr围岩中某点围岩中某点的圆心距的圆心距极角极角 第八章第八章 第八章第八章 洞室开挖后，当洞室开挖后，当r ra a时，显见时，显见r r越大越大 )1 (22rarmaxr)1 (22ra越小越小，min也越大也越大，即无限远处，即无限远处，r r = = ，该点上的应力重新恢复平衡。，该点上的应力重新恢复平衡。第八章第八章 当当 r=ar=a时，有时，有: : 0)1 (22aar2)1 (22aa 有最大值有最大值所以，破坏总是先从洞壁开始。所以，破坏总是先从洞壁开始。ar r在在处处第八章第八章 （1 1）概念：）概念：

11、山岩压力（简称山压）山岩压力（简称山压）-洞室上部岩体作用于洞室洞室上部岩体作用于洞室支撑衬砌结构上的作用力。支撑衬砌结构上的作用力。可分为：可分为：变形山压变形山压松动山压松动山压 三、洞室开挖运行后的新生应力三、洞室开挖运行后的新生应力1.1.山岩压力山岩压力第八章第八章 （2 2）普式平衡拱与普式山压）普式平衡拱与普式山压 地下洞室开挖后顶围坍落是洞室围岩失稳最常见的地下洞室开挖后顶围坍落是洞室围岩失稳最常见的一类。多数顶围坍落后常形成一个自然的坍落拱（普式一类。多数顶围坍落后常形成一个自然的坍落拱（普式平衡拱），在坍落拱上，围岩的应力达到平衡，破坏与平衡拱），在坍落拱上，围岩的应力达到

12、平衡，破坏与变形也就中止了，若能人为设变形也就中止了，若能人为设计出该坍落拱，使围岩应力计出该坍落拱，使围岩应力提前均衡，顶围坍落便不会提前均衡，顶围坍落便不会再发生（针对水平岩层和松再发生（针对水平岩层和松散岩体）。散岩体）。第八章第八章 u计算前提计算前提 围岩为水平岩围岩为水平岩层或散体结构岩体层或散体结构岩体 洞室侧壁未发洞室侧壁未发生滑坍生滑坍第八章第八章 第八章第八章 u普氏平衡拱法普氏平衡拱法 普罗托齐雅科诺夫普罗托齐雅科诺夫 （坚固系数）方法（坚固系数）方法tgftgCfkk或(散粒体散粒体一般岩体一般岩体对于整体性岩体，有：对于整体性岩体，有：= = Rc/Rc/100100

13、kfkf 取平衡拱左半拱，该块取平衡拱左半拱，该块岩体受力岩体受力（同三铰拱同三铰拱）为：为： 铅直重力，右半拱水平铅直重力，右半拱水平推力推力T T，拱角水平反力，拱角水平反力F F，铅，铅直反力直反力V V，依据静力平衡条，依据静力平衡条件，对拱角件，对拱角A A点取力矩，则点取力矩，则有有 z z F FV VA Ah h1 1b b1 1T T第八章第八章 dxxThbZ101当达到平衡时，必然有当达到平衡时，必然有 F=T V= F=T V= b1b1TbhZ2211z 这是这是F F为为V V产生的摩阻力，引入产生的摩阻力，引入 坚固系数替代岩坚固系数替代岩体内摩擦系数（体内摩擦系

14、数（ ） 则可知则可知tgkzkfbfVF1kf第八章第八章 一般地，当一般地，当F FT T时，拱围即可达到稳定，但为保证安全，时，拱围即可达到稳定，但为保证安全，设计时常取设计时常取F=2TF=2T，即安全系数为，即安全系数为2 2，代入有，代入有: :TfbTFkZ/2/1kZfbT121kkZZZfbfbbTbh/2/1121211将此值代入将此值代入h h1 1表达式有：表达式有：第八章第八章 即即 kfbh/11 就就是设计的是设计的普氏平衡拱高普氏平衡拱高。此拱高下，顶围即可保证安全稳定性。此拱高下，顶围即可保证安全稳定性。第八章第八章 * * 普氏还认为：平衡拱是呈抛物线形式的

15、，由此洞顶普氏还认为：平衡拱是呈抛物线形式的，由此洞顶普普氏山岩压力氏山岩压力Q Q应为（面积应为（面积容重）。容重）。kfbhbQ348342111实验确定实验确定第八章第八章 2.2.弹性抗力弹性抗力 弹性抗力：弹性抗力：指有压隧洞充水后，衬砌部分或整体（如压力隧洞衬指有压隧洞充水后，衬砌部分或整体（如压力隧洞衬砌的周边）发生向围岩方向变形时，在围岩中产生的抵抗力。砌的周边）发生向围岩方向变形时，在围岩中产生的抵抗力。弹性抗力常用弹性抗力系数来表示弹性抗力常用弹性抗力系数来表示, ,即：即： P P岩石承受的压力（内水压力）岩石承受的压力（内水压力） y y洞壁的径向变形。洞壁的径向变形。

16、 隧洞半径愈大，岩体的弹性抗力系数越小。工程上常采用隧洞隧洞半径愈大，岩体的弹性抗力系数越小。工程上常采用隧洞半径为半径为1m1m时的弹性抗力系数作为单位抗力系数时的弹性抗力系数作为单位抗力系数. .yPK第八章第八章 3.3.外水压力外水压力外水压力：外水压力：作用在隧洞衬砌上的地下水静水压力。作用在隧洞衬砌上的地下水静水压力。其大小是由两方面因素所决定的：其大小是由两方面因素所决定的：隧洞围岩的水文地质条件：如地下水位的高隧洞围岩的水文地质条件：如地下水位的高低、岩石的透水性以及地下水的埋藏条件；低、岩石的透水性以及地下水的埋藏条件；隧洞设计和施工情况：如排水设置、衬砌本隧洞设计和施工情况

17、：如排水设置、衬砌本身的透水性、衬砌与岩石的结合程度以及灌浆效果身的透水性、衬砌与岩石的结合程度以及灌浆效果等。等。第八章第八章 隧洞外水压力示意图第八章第八章 第三节第三节 洞室施工的工程地质问题洞室施工的工程地质问题 一、地下洞室围岩的变形、破坏形式 当洞室围岩难以承受应力变化所带来的影响时，就会发生变当洞室围岩难以承受应力变化所带来的影响时，就会发生变形与破坏，形式主要有以下形与破坏，形式主要有以下4 4种：种： 1 1顶围悬垂坍落：顶围悬垂坍落：常见于顶常见于顶部围岩裂隙发育或风化严重的部围岩裂隙发育或风化严重的水平岩层围岩中，坍落后，可水平岩层围岩中，坍落后，可自然形成自然形成 “

18、“坍落拱坍落拱”（重力（重力作用原因）。作用原因）。 第八章第八章 2 2侧围突出与滑塌：侧围突出与滑塌： 多发生于陡立层状岩体中。多发生于陡立层状岩体中。这种岩层侧围滑塌后又会发生这种岩层侧围滑塌后又会发生顶围坍落（天然应力顶围坍落（天然应力引起），引起），但不会形成坍落拱。但不会形成坍落拱。 第八章第八章 3 3底围鼓胀与隆破：底围鼓胀与隆破：多见于塑性、弹塑性岩体中或裂隙发育，多见于塑性、弹塑性岩体中或裂隙发育，有适当结构面的围岩中，或因洞室埋深过大而引起。有适当结构面的围岩中，或因洞室埋深过大而引起。 第八章第八章 4 4围岩缩径与岩爆：围岩缩径与岩爆：前者指顶、侧、底三围以相似速度向洞前者指顶、侧、底三围以相似速度向洞内变形，多见于弹塑性和塑性岩体中，后者是脆性岩体中各别内变形，多见于弹塑性和塑性岩体中，后者是脆性岩体中各别岩块在失去一侧围压阻挡后，突然向洞室内弹出的现象岩块在失去一侧围压阻挡后，突然向洞室内弹出的现象. . 弹出岩块不可能再塞回弹出岩块不可能再塞回原位原位 岩块体积增大岩块体积增大 原位变形原位变形 第八章第八章 二、提高围岩稳定性的措施二、提高围岩稳定性的措施常用的支衬结构有支撑