地下工程地质问题

1、地下工程地质问题北京地铁王府井车站北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）广州地铁东（山口） 杨（箕）区间隧道杨（箕）区间隧道Chapter 7 Chapter 7 地下工程地质问题地下工程地质问题（纲要）（纲要）一、地下工程与地质环境条件关系一、地下工程与地质环境条件关系( (动态动态) )概述：概述：1 1、日本青函隧道、日本青函隧道 2 2、英吉利海底隧道、英吉利海底隧道3 3、日本关门隧道、日本关门隧道 4 4、厦门东翔安海底隧道、厦门东翔安海底隧道5 5、隧道工程的优势特点、隧道工程的优势特点二、地下工程相关的若干基本概念：二、地下工程相关的若干基本概念：1 1、岩体的含义及其构成、岩体

2、的含义及其构成 2 2、岩体结构类型含义和、岩体结构类型含义和 类型特征类型特征3 3、地应力问题概述、地应力问题概述 4 4、围岩、围岩应力含义、围岩、围岩应力含义 及其特征及其特征三、地下工程的专门工程地质问题概论：三、地下工程的专门工程地质问题概论：1 1、地下水作用问题、地下水作用问题 2 2、地下有害气体问题、地下有害气体问题3 3、地下温度场问题、地下温度场问题 4 4、岩爆问题、岩爆问题5 5、围岩工程地质特征分类（围岩工程特性分类）、围岩工程地质特征分类（围岩工程特性分类）四、围岩的工程分类及其应用（围岩稳定性的定性分析）四、围岩的工程分类及其应用（围岩稳定性的定性分析）1 1

3、、围岩工程分类的目的、围岩工程分类的目的2 2、围岩工程分类的主要依据（原则）和指标、围岩工程分类的主要依据（原则）和指标3 3、围岩工程分类方案概述、围岩工程分类方案概述. .五、围岩稳定性的（定量）计算分析评价：五、围岩稳定性的（定量）计算分析评价：1 1、围岩稳定性定量计算分析评价的目的、围岩稳定性定量计算分析评价的目的2 2、围岩压力的含义和类型、围岩压力的含义和类型3 3、围岩压力的计算分析理论和方法简述、围岩压力的计算分析理论和方法简述六、地下六、地下工程工程Chapter 7 Chapter 7 地下工程地质问题地下工程地质问题 一、地下工程与地质环境条件关系一、地下工程与地质环

4、境条件关系( (动态动态) )概述：概述： 地下工程是土木、交通和水利水电工程的重要构成类型地下工程是土木、交通和水利水电工程的重要构成类型之一。而地质环境条件因素对各类地下工程的决策、立项、之一。而地质环境条件因素对各类地下工程的决策、立项、设计和施工，以及运营使用均有举足轻重的影响作用。主要设计和施工，以及运营使用均有举足轻重的影响作用。主要以海底隧道工程为例概括评述之；如：以海底隧道工程为例概括评述之；如：kmkm（为至今世界最长），海底长为至今世界最长），海底长2323kmkm；始建于始建于19651965年，竣工于年，竣工于19851985年，历时年，历时2020年；历经磨难主因之一

5、，便是海底年；历经磨难主因之一，便是海底2323kmkm长无长无钻孔勘测，约钻孔勘测，约80%80%的地质条件与设计预测不附或太粗糙，不的地质条件与设计预测不附或太粗糙，不得不主要靠超前导洞及服务隧道掌子面的超前钻探孔来修改得不主要靠超前导洞及服务隧道掌子面的超前钻探孔来修改完善设计和指导施工，引发很多事故，故工期长，造价很大。完善设计和指导施工，引发很多事故，故工期长，造价很大。kmkm，海底长海底长3737kmkm（比日本青函长比日本青函长55%55%）；始建于）；始建于19881988年，完年，完工于工于19941994，历时，历时8 8年。施工顺利，造价仅为日本青函隧道年。施工顺利，造

6、价仅为日本青函隧道的一半，主要原因之一是，地质勘查详细，海底段实施深的一半，主要原因之一是，地质勘查详细，海底段实施深海钻探孔海钻探孔120120个，海底地质环境条件掌握的较详细，较准个，海底地质环境条件掌握的较详细，较准确，选在岩性较单一的确，选在岩性较单一的K K纪泥灰岩之中。纪泥灰岩之中。kmkm，kmkm；始建于始建于1936.91936.9，完工于，完工于19441944年，历时年，历时8 8年，工期长，年，工期长，造价高，重要原因之一是采用造价高，重要原因之一是采用“三边三边”政策。政策。kmkm，kmkm；隧道截面积为隧道截面积为100100m2m2，三车道，隧道围岩基本全为三车

7、道，隧道围岩基本全为岩浆岩，地质环境条件岩浆岩，地质环境条件( (简单简单) )较好，总投资较好，总投资3232亿。亿。20062006年年动工，动工，20102010年建成，即工期仅为年建成，即工期仅为4 4年。年。 5 5、隧道工程的优势；它兼具有不受台风、浓雾条件、海啸恶、隧道工程的优势；它兼具有不受台风、浓雾条件、海啸恶劣环境的影响的优点，还具有不象桥梁那样易阻塞海上航运劣环境的影响的优点，还具有不象桥梁那样易阻塞海上航运或易受航船撞击危害等优势；还具有备战防灾安全等优点。或易受航船撞击危害等优势；还具有备战防灾安全等优点。因此，海底隧道应是跨海峡（湾）交通的较佳方案。我国拥因此，海底

8、隧道应是跨海峡（湾）交通的较佳方案。我国拥有有2 2万多万多kmkm长的海岸线，海峡（湾），岛屿众多。随着国力长的海岸线，海峡（湾），岛屿众多。随着国力的增强，我国人民生活水平和质量的提高，对海湾（峡）交的增强，我国人民生活水平和质量的提高，对海湾（峡）交通高水平高质量的要求与日俱增，海底隧道工程远景广阔诱通高水平高质量的要求与日俱增，海底隧道工程远景广阔诱人。目前，我国的海底隧道工程水平离世界先进水平有较大人。目前，我国的海底隧道工程水平离世界先进水平有较大的距离。但是，我国陆上地下工程在国际上具有很高水平，的距离。但是，我国陆上地下工程在国际上具有很高水平，尤其是交通（公路、铁路）隧道工程

9、水平属世界先进水平，尤其是交通（公路、铁路）隧道工程水平属世界先进水平，已修建总长近已修建总长近30003000多多KmKm，KmKm），），KmKm）都属成功的范例工程。都属成功的范例工程。因此，我国已具备修建包括海底隧道在内各类地下工程的能因此，我国已具备修建包括海底隧道在内各类地下工程的能力和较好水平。力和较好水平。 厦门东隧道地质图厦门东隧道地质图厦门东隧道线路图厦门东隧道线路图厦门东隧道施工图厦门东隧道施工图厦门东隧道内部装饰和通风设计厦门东隧道内部装饰和通风设计二、若干基本概念问题：二、若干基本概念问题：1 1、岩体的含义及其构成：、岩体的含义及其构成：岩体含义：是由一种或多种岩石

10、组成，可以是不同岩体含义：是由一种或多种岩石组成，可以是不同 成因与类型岩石的组合体，是由结构面成因与类型岩石的组合体，是由结构面 和结构体两部份构成的，是自然形成的和结构体两部份构成的，是自然形成的 非场质各向异性不连续地质体。非场质各向异性不连续地质体。结构面：是指岩层（体）中的层理面，软弱夹层，结构面：是指岩层（体）中的层理面，软弱夹层， 片理面、节理（面）、断裂或断层面、裂隙面等片理面、节理（面）、断裂或断层面、裂隙面等 各种不连续面或软弱面的统称。各种不连续面或软弱面的统称。结构体：指被结构面包裹的岩块（岩石），常俗称岩块。结构体：指被结构面包裹的岩块（岩石），常俗称岩块。 2 2、

11、岩体结构类型含义和类型特征、岩体结构类型含义和类型特征 岩体结构含义：岩体结构含义： 指不同类型或成因、级别、特征的结构面与不同大小和指不同类型或成因、级别、特征的结构面与不同大小和形态的结构体（岩块或岩石），以不同特性组合（联结）形形态的结构体（岩块或岩石），以不同特性组合（联结）形成的岩体所具有的结构。成的岩体所具有的结构。岩体结构类型及其特征：请见岩体结构类型及其特征：请见P142P142表表6-16-1a. a. 整体块状结构岩体整体块状结构岩体 c. c. 碎裂状结构岩体碎裂状结构岩体b. b. 层状结构岩体层状结构岩体 d. d. 散体状结构岩体散体状结构岩体岩体结构类型确定划分的

12、重要意义岩体结构类型确定划分的重要意义a. a. 是岩体具有的工程特性的基本反映，是岩体工程分类的基是岩体具有的工程特性的基本反映，是岩体工程分类的基础（依据）础（依据）b. b. 是岩体的工程地质与水文地质条件特征的综合反映是岩体的工程地质与水文地质条件特征的综合反映c. c. 是岩体强度和变形特征的基本反映是岩体强度和变形特征的基本反映d. d. 是岩体应力状态、性质和分布特征或规律的基本反映。是岩体应力状态、性质和分布特征或规律的基本反映。 3 3、地应力问题概述、地应力问题概述 地应力的含义：地应力的含义： 指工程施工前或指未经人为扰动损伤破坏前存在于岩体中指工程施工前或指未经人为扰动

13、损伤破坏前存在于岩体中的应力，是岩体的内应力，亦称初始应力或天然应力。的应力，是岩体的内应力，亦称初始应力或天然应力。地应力类型与构成：地应力类型与构成： a. a. 构造应力：地壳（地质构造）运动所产生的应力；构造应力：地壳（地质构造）运动所产生的应力； 常分为常分为活动构造应力和残余构造应力。活动构造应力和残余构造应力。 b. b. 自重应力：岩体自重作用产生的应力自重应力：岩体自重作用产生的应力 。 4 4、围岩、围岩应力含义及其特征、围岩、围岩应力含义及其特征 围岩的含义：指洞（室）壁周围受应力（二次应力或重围岩的含义：指洞（室）壁周围受应力（二次应力或重分布应力，亦即围岩应力）有效影

14、响范围内的岩（土）体。分布应力，亦即围岩应力）有效影响范围内的岩（土）体。 含义及其分布特征含义及其分布特征： a. a. 围岩应力含义：指由于开挖使洞室周围岩体失去平衡围岩应力含义：指由于开挖使洞室周围岩体失去平衡 （支撑）、破坏了受力平衡状态，围（支撑）、破坏了受力平衡状态，围 岩将出现向洞内收敛位移变形，致岩将出现向洞内收敛位移变形，致 使洞室周围一定范围岩体内的应力使洞室周围一定范围岩体内的应力 重新调整分布，形成新分布的应力。重新调整分布，形成新分布的应力。 故亦称二次应力或重分布应力。故亦称二次应力或重分布应力。 b. b. 围岩应力分布特征：请看围岩应力分布特征：请看; ;p17

15、4.p174.图图6-4.6-4. i i）径向应力径向应力r r向自由面方向渐减向自由面方向渐减, ,至洞壁处径向至洞壁处径向应力为零应力为零( (即即r r=0)=0) ii) ii)切向应力切向应力向自由面方向渐增，至洞壁处向自由面方向渐增，至洞壁处增至最大增至最大( (即即=2=2o o) ) 即应力集中。即应力集中。 ( (围岩应力即径向应力围岩应力即径向应力r r和切向应力和切向应力影响的影响的有效厚度为有效厚度为2-32-3倍洞径倍洞径) ) iii) iii)洞壁处及附近为围岩内应力差（洞壁处及附近为围岩内应力差（=r r）最大处，故洞壁及附近具有不利的应力条件，而最大处，故洞

16、壁及附近具有不利的应力条件，而产生较大变形或破裂。产生较大变形或破裂。三、地下工程的专门工程地质问题概论：三、地下工程的专门工程地质问题概论：1 1、地下水作用问题、地下水作用问题 地下水常是造成地下工程围岩丧失稳定和塌方破坏的地下水常是造成地下工程围岩丧失稳定和塌方破坏的重要原因之一，是对地下工程施工和运营使用造成重大危重要原因之一，是对地下工程施工和运营使用造成重大危害的重大因素。害的重大因素。围岩围岩( (岩体岩体) )的软化、水化，膨胀致使降低围岩的强度的软化、水化，膨胀致使降低围岩的强度; ;增大增大围岩的变形；易产生大量突泥围岩的变形；易产生大量突泥( (危危) )灾害灾害. .形

17、成静水压力，增大地下工程支护衬砌结构上的载荷作用；形成静水压力，增大地下工程支护衬砌结构上的载荷作用；可能产生动水压力（渗流力）破坏，如流砂、流土、砂沸可能产生动水压力（渗流力）破坏，如流砂、流土、砂沸等渗流变形破坏的问题；等渗流变形破坏的问题；地下水化学成份特殊时，对砼和钢筋的腐蚀作用很强；地下水化学成份特殊时，对砼和钢筋的腐蚀作用很强；地下水的突然大量涌出和大量突泥产生危害很大；地下水的突然大量涌出和大量突泥产生危害很大；地下工程对水文地质环境、水文地质条件的扰动损伤破坏地下工程对水文地质环境、水文地质条件的扰动损伤破坏问题不容忽视。问题不容忽视。2 2、地下有害气体问题、地下有害气体问题

18、; ;如如CHCH4 4（甲烷、沼气）、甲烷、沼气）、COCO及及COCO2 2、H H2 2S S、SOSO2 2等等; ;地下工程不宜修建在富含有害气体地下工程不宜修建在富含有害气体的地层中的地层中. .3 3、地下温度场的梯度状态及其影响作用。、地下温度场的梯度状态及其影响作用。4 4、岩爆问题、岩爆问题 (1) (1)岩爆含义：岩爆含义：在较坚硬岩体深部开挖时，由于围岩应力的剧在较坚硬岩体深部开挖时，由于围岩应力的剧 增，导致洞壁岩石突然破裂或剥落，甚至突然射飞出来的现象。增，导致洞壁岩石突然破裂或剥落，甚至突然射飞出来的现象。 ( (释放出的能量可能象地震释放出的能量可能象地震, ,

19、危害较大危害较大; ;是地下是地下工程中常见的地质灾害之一工程中常见的地质灾害之一.).) (2) (2)岩爆的形成条件：岩爆的形成条件： a. a. 高地应力地带的硬质岩体内；高地应力地带的硬质岩体内； b. b. 坚硬完整高强度的岩体环境条件，且一般岩质属于脆坚硬完整高强度的岩体环境条件，且一般岩质属于脆 性岩石；性岩石； c. c. 深埋且围限较好的封闭环境深埋且围限较好的封闭环境( (自重引起的地应力与埋深自重引起的地应力与埋深 成线性关系成线性关系; ;埋深埋深200200米常作为岩爆发生的临界深度米常作为岩爆发生的临界深度) )。 (3) (3)岩爆的特征岩爆的特征: :a.a.释

20、放的能量大小悬殊释放的能量大小悬殊, ,大者象地震大者象地震, ,最大最大震级为震级为4.64.6级级. .b.b.持续时间长短悬殊不一持续时间长短悬殊不一, ,数十小时至数年数十小时至数年. .5 5、围岩工程地质特征分类即围岩稳定性的分析评、围岩工程地质特征分类即围岩稳定性的分析评价问题：价问题：分析评价围岩岩体结构类型和特征；也即围岩地质结构的分析评价围岩岩体结构类型和特征；也即围岩地质结构的分析研究；分析研究；围岩应力的分布状况的分析评价，含地应力的判识分析；围岩应力的分布状况的分析评价，含地应力的判识分析；围岩的变形及破坏类型和特征的分析评价；围岩的变形及破坏类型和特征的分析评价；围

21、岩压力类型及其特征的计算分析评价；围岩压力类型及其特征的计算分析评价；围岩工程分类及其应用，围岩稳定性评价分析方法类型及围岩工程分类及其应用，围岩稳定性评价分析方法类型及其应用特征。其应用特征。四、围岩的工程分类及其应用（围岩稳定四、围岩的工程分类及其应用（围岩稳定性的定性分析）：性的定性分析）：1 1、围岩工程分类的目的：、围岩工程分类的目的：系统综合认识岩体的工程特征，确定影响岩体特征的重要参系统综合认识岩体的工程特征，确定影响岩体特征的重要参数；数；综合系统认识围岩岩体可能产生的变形和破坏的特征与规律；综合系统认识围岩岩体可能产生的变形和破坏的特征与规律；为有效利用和改造岩体服务；为有效

22、利用和改造岩体服务；为地下洞室工程的设计和施工提供依据。为地下洞室工程的设计和施工提供依据。 2 2、围岩工程分类的主要依据（原则）：、围岩工程分类的主要依据（原则）： 依据岩石的强度或岩体的主要力学特性参数，如抗压强度依据岩石的强度或岩体的主要力学特性参数，如抗压强度R Rc c、岩石坚固系数岩石坚固系数f fk k；依据岩体结构类型和岩体力学属性特征的综合分类；依据岩体结构类型和岩体力学属性特征的综合分类；依据岩体质量等级差异划分的各类主要特征参数，如依据岩体质量等级差异划分的各类主要特征参数，如RQDRQD、KVKV、RMRRMR、RSRRSR值以及值以及Q Q值等参数。值等参数。 a.

23、 RQD a. RQD（岩体质量指标）：岩体质量指标）：RQD=RQD=大等于大等于1010cmcm柱状岩芯总长柱状岩芯总长/ / 钻孔总进尺钻孔总进尺100%100%，反映钻探，反映钻探 （孔）岩芯的采取率，反映岩体（孔）岩芯的采取率，反映岩体 的完整性和坚固性。的完整性和坚固性。 b. KVb. KV（岩体完整因数）：岩体完整因数）：KV=(VKV=(Vmpmp/V/Vrprp) )2 2 =( =(岩体纵波速岩体纵波速/ / 岩块纵波速岩块纵波速) )2 2；请见；请见P161P161表表6-116-11。c. RMRc. RMR（岩体质量评分值）：由抗压强度、岩体质量评分值）：由抗压强

24、度、RQDRQD、地下水状况、地下水状况、 结构面状况（间距延伸方向条件，结构面状况（间距延伸方向条件， 面特征）等六项指标综合确定分值。面特征）等六项指标综合确定分值。 请见书请见书P154-155P154-155表表6-56-5。d. RSRd. RSR（岩体结构岩体结构特征评价）：特征评价）： 由岩石类型、地由岩石类型、地质构造特征、节质构造特征、节理特征及地下水理特征及地下水状况（分属状况（分属A A、B B、C C）三大因素综合三大因素综合评分定值。请见评分定值。请见P156P156表表6-76-7。e. Qe. Q值（岩体质量指标）：（挪威、巴顿、特征指标）：由值（岩体质量指标）：

25、（挪威、巴顿、特征指标）：由 RQD RQD，结构面、地下水状况、地应结构面、地下水状况、地应 力状况等六项指标综合评分定值；力状况等六项指标综合评分定值； 即即Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)。 请见请见P158P158图图6-26-2及公式（及公式（6-76-7）。）。f. f. 围岩的工程地质总评分指标值：由抗压强度（围岩的工程地质总评分指标值：由抗压强度（RcRc）、）、岩体岩体 完整度、结构面状态、地下完整度、结构面状态、地下 水状态、主要结构面产状特水状态、主要结构面产状特 点等五项指标综合评价；请点等五项指标综合

26、评价；请 见见P160P160表表6-106-10，P161P161表表6-116-11， 6-12 6-12，6-136-13及及P162P162表表6-146-14。 f. f. 围岩的工程地质总评分指标值围岩的工程地质总评分指标值(2)(2)f. f. 围岩的工程地质总评分指标值围岩的工程地质总评分指标值(3)(3) 3 3、围岩工程、围岩工程( (特性特性) )分类方案分类方案： (1)(1)(50021-2001)(50021-2001)分类分类;(;(请见请见P184;P184; 表表6-4,6-5,6-6.). 6-4,6-5,6-6.). 分为分为: :五级五级(2)(2)巴顿

27、巴顿Q Q值分类（挪威、巴顿值分类（挪威、巴顿) :) :（岩体质量指标即特征指标（岩体质量指标即特征指标) )： 依据依据 RQD RQD 、结构面、地下水状况、地应力状况等六项指标、结构面、地下水状况、地应力状况等六项指标综合评分定出综合评分定出Q Q值后进行围岩工程分类值后进行围岩工程分类. . 巴顿依据巴顿依据Q Q值将围岩工程特性分为值将围岩工程特性分为: :九级九级. .(3)(3)铁道部围岩工程分类铁道部围岩工程分类;(;(请见请见P189;P189;表表6-14.) 6-14.) 分为分为: :六级六级. . 按按RMRRMR值划分：值划分：、 、 、 、 很好很好 好好 中等中等 差差 很差很差 按工程地质：按工程地质： 稳定、基本稳定、局部稳定性差、稳定、基本稳定、局部稳定性差、 不稳定、极不稳定。总评分划分不稳定、极