地下洞室围岩稳定性的工程地质研究ppt版（共35页）

1、7.3 山岩压力与弹性抗力7.2 围岩稳定的工程地质分析7.1 地下工程位置选择的工程地质评价7.5 提高围岩稳定性的措施7.4 围岩工程地质分类第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质研究 思考与作业为各种目的修建在地层之内的通道或空洞。包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下导弹发射井、以及地下飞机库等。地下洞室大型古地下工程 地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。 理想的建洞山体应具备以下条件： 1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山

2、捧稳定的断裂带； 2)岩体坚硬完整； 3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育； 4)地下水影响小； 5)无有害气体和异常地热。7.1 地下工程位置选择的工程地质评价地下洞室选址影响地质因素：地形条件（geographic conditions）岩性条件（rock and soil engineering characters）地质构造条件（geologecal structure conditions） 褶皱(fold) 断裂(fault)岩层产状（attitude of layer）地下水（水文地质hydrogeological conditions）地

3、应力（natural stress） 隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口边坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口时，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。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。地形条件在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。隧洞选线利用沟谷示意图 岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于修建大型的地下工程。凝灰岩、粘

4、土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般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。均质厚层及块状岩体稳定性好。岩性条件 地质构造是控制岩体完整性及渗透性的重要因素。1. 褶皱(fold)的影响 褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩体完整性最差。(1)背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。(2)向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被

5、张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。 2. 断裂(fault)的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应尽量避开大断层。地质构造条件(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。(2)洞室轴线与岩层走向平行。1）当岩层近于水平时，软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。2）在倾斜岩层中，一般说来是不利的。岩层产状陡倾岩层中洞址缓倾岩层中洞址陡立岩层中洞址陡立岩层岩性分界处洞址水平岩层中洞址倾斜岩层中洞址地下工程与地下水位关系：1在包气带中开挖地下工程，雨季可能沿裂隙滴水，旱季干燥，但是当地表有大面积稳定

6、的地表水体时，也可能遇到集中的渗流。2地下水位变幅带，涌水量及外水压力随季节而变化，由于岩体饱水脱水交替变化，可以加速软弱破碎岩石性质的恶化，引起塌方。3在地下水位以下的地下工程，一开始施工就可能有较大的涌水和渗透压力，因此要作好防水排水设计。 地下水(水文地质)地下工程施工中的塌方或冒顶事故，常常和地下水的活动有关。在洞室的设计和施工过程中，必须了解工程所在部位初始应力场的分布和变化规律，获得洞室开挖后围岩应力重分布的特征，以便选用相应的措施来维护围岩的稳定。1初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。2当初始应力场的水平主应力值较大，洞室轴线最好平行最大水平主应力方向布置，否则边墙将产生

7、严重的变形和破坏。地应力7.2 围岩稳定的工程地质分析 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态。 开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力。 直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。一、围岩的应力重分布二、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。围岩在压应力、拉应力及剪应力作用下能否破坏的判断： 围岩的抗压强度和抗拉强度是否适应围岩

8、应力。（公式略）围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。 （公式略）三、围岩变形破坏的类型和特点由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有：在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。坚硬完整岩体的脆性破裂岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应则是岩爆产生的外因。岩爆产生的爆坑爆坑附近边墙下部破坏情况右侧拱顶位置塌方情况第二次

9、岩爆塌方左侧拱架破坏情况锦屏二级水电站排水洞岩爆块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。块体滑移坚硬岩体中的块体滑移岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。平缓岩层，当岩层很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸帮弯曲。层状弯折和拱曲1-设计断面2-破坏区3-崩塌4-滑动5-弯曲

10、、张裂及折断 平缓岩层倾斜岩层直立岩层碎裂岩体的松动解脱碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。碎裂岩体松动解脱及顶拱破裂碎裂结构围岩塌方示意图松软岩体的塑性变形一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。变形山压是由于围岩变形受到支护的抑制而产生的。松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的，以重力的形式作用在衬砌上的压力。冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压

11、。膨胀压力是由于围岩吸水膨胀、崩解而引起的压力。山岩压力也称围岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。 7.3 山岩压力与弹性抗力一、山岩压力1散粒体理论 （1）普氏压力拱(pressure arch)理论 （2）太沙基理论 （3）围岩压力系数法(coefficient of country rock)2弹塑性（elastic and plastic）平衡(equilibrium)理论适用于具有镶嵌结构和碎裂结构的岩体3流变(flow)徐变理论4块体极限半衡法(limit equilibrium) 围岩压力的确定方法围岩弹性抗力的大小，通常是用弹性

12、抗力系数表示的。2.弹性抗力对于有压隧洞，常存在很高的内水压力，使衬砌向围岩方向变形挤压围岩，围岩将产生一个被动的抵抗力，称为弹性抗力。围岩抗力愈大，愈有利于衬砌的内水压力作用下的洞径变形稳定，等于围岩承担了一部分内水压力。因此，弹性抗力是有压隧洞设计时必须确定的重要参数之一。式中：K为弹性抗力系数(MPa/cm)； P为围岩所承受的压力，对于有压隧洞即为内水压力(MPa)； y为洞壁的径向变形(cm)。 弹性抗力系数根据文克尔假定，抗力系数:从上式看出：K的物理意义是迫使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力。K值愈大，说明围岩承受内水压力的能力愈大。弹性抗力系数的确定方法试验法计算法工程类比

13、法橡皮囊法径向千斤顶法隧洞水压法根据抗力系数与岩体弹性模量及泊松比之间的关系确定7.4 围岩工程地质分类 7.5 提高围岩稳定性的措施一、支护与衬砌1.支撑 在洞室开挖过程中，用以稳定围岩用的临时性措施。按照选用材料的不同，有木支撑、钢支撑及混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，需及时支撑以防止围岩早期松动。2.衬砌 衬砌是加固围岩的永久性工程结构。衬砌的作用主要是承受围岩压力及内水压力，坚硬完整的岩体中，围岩的自稳能力高，也可以不衬砌。衬砌类型示意图二、喷锚支护 当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为520cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。1.喷射混凝土喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图2.锚杆锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作