洞室的工程地质研究课件

1、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、尾水隧洞都有一个共同的特点，就是要在岩体内开挖出具有一定规模的洞室。钻爆法凿岩台车隧洞掘进机施工 第一节 洞室选址的工程地质条件地下洞室位置的选择，除取决于工程目的要求外，主要受地形、岩石性质、地质构造、地下水及地应力等工程地质条件的控制。一、地形地貌条件进行隧洞选线时，要注意山体外形完整，山体未被负地形切割破坏，无滑坡、塌方等破坏地形。在洞室选线时，进出口地段的地形条件是非常重要的，要充分利用地形，方便施工。在傍山隧洞或地下厂房的山坡一侧，围岩应有一定的厚度 。二、岩性条件岩石性质是控制地下洞室围

2、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。在坚硬岩石中开挖隧洞时，由于围岩稳定，所以日进尺快、造价便宜。在软弱岩层、破碎岩层和松散岩层中掘进，则顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需要进行支护或衬砌后才能继续掘进，因此日进尺慢，造价也高。尽量避开不良围岩，使洞室置于坚硬岩层中。隧洞选线利用沟谷地形示意图三、地质构造条件地质构造条件对洞室围岩稳定有重要的影响。尽量使轴线与地区构造线的方向相垂直或成大角度相交。尽量避开大的断层破碎带或呈小角度相交。倾斜岩层地区，注意洞轴线与岩层产状的关系。对于断裂构造来说，隧洞所遇断裂破碎带宽度愈大，其走向与洞轴线交角愈小，在洞内出露面积也愈

3、大，对围岩的稳定影响就愈大，特别是沿洞轴线的断层更应尽量避开。四、水文地质条件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：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，分析评价地下水涌水的可能性及涌水量。水质方面：资料分析，对PH5的酸性地下水，应分析水中侵蚀性CO2和硫酸盐侵蚀性对混凝土衬砌的影响。第二节 洞室设计的工程地质问题一、地应力及其组成 地下洞室在开挖前，山体内部的岩石处于天然应力（或称地应力）状态。地应力一般可分为：自重应力构造应力变异应力 二、围岩应力重分布的一般特征地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平衡的。洞室开挖后

4、，原来的应力平衡状态被破坏，围岩内的应力就要重新分布，直到建立新的平衡为止。由于洞室开挖的应力重分布形成松动圈、承载圈。如果岩体非常软弱或处于塑性状态，承载圈很难形成。如果岩体坚硬，则洞室周围岩体始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈。 圆形隧洞的应力分布示意图围岩的松动圈和承载圈要维持围岩松动圈岩体稳定就要进行支撑或衬砌。根据施工经验证明：（1）围岩抗剪强度愈低则松动圈愈大（2）裂隙密度愈大及软弱岩石愈多，松动圈愈大（3）围岩原始地应力愈大，则松动圈范围也愈大（4）支撑对围岩的反力愈大，则松动圈的范围愈小 三、山岩压力（一）山岩压力的基本概念山岩压力（简称山压）：洞室上部岩体对洞室支衬结构

5、上的作用力。山压可分为变形山压松动山压 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。弹性抗力的大小常用弹性抗力系数来表示，弹性抗力系数是使洞壁产生一个单位径向变形所需施加的力，即：式中：P岩石承受的压力（内水压力）y洞壁的径向变形。 假设岩体是理想的弹性体，对于圆形隧洞K值与岩体弹性模量之间有如下的关系：从上式可以看出；隧洞半径愈大，岩体的弹性抗力系数越小。在工程上为了便于比较，常采用隧洞半径为1m时的弹性抗力系数作为单位抗力系数，即：弹性抗力系数与弹性模量的概念类似，所不同的是，前者表征的是径向变形，后者表征的是平面半无限体变

6、形，二者均与岩石或岩体性质有关，它们之间成正比关系。 五、外水压力外水压力：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：决定于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；决定于隧洞设计和施工情况，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等。例如：隧洞围岩及衬砌都是透水的，围岩的渗透系数为K1、衬砌的为K2，地下水埋藏于洞顶之上，其水位差H，设h为地下水经岩石和衬砌部分渗透后的水头高度。根据达西定律，在岩石中的单位渗透流量q1为： 而通过隧洞衬砌的单位渗透流量q2为（假设隧洞内水压力为0）：因q1= q2，所以得；隧洞外水

7、压力示意图第三节 洞室施工的工程地质问题 一、围岩的变形和破坏主要取决于围岩的岩性和结构特征。 （一）脆性围岩的变形和破坏1弯折内鼓2张裂塌落3劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动4岩爆 岩爆：在开挖过程中，围岩的破坏以爆炸的形式表现出来的现象。岩爆本质上是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。岩爆通常发生如下一些特定部位。1）围岩内的最大压应力集中区。2）围岩表部的高变异应力及残余应力分布区。3）断层、软弱碎破岩墙或岩脉等软弱结构的应力集中局部增高区 （二）塑性围岩的变形与破坏 1塑性挤出 2膨胀内鼓 3塑流涌出 4重力坍塌 二、提高围岩稳定性的措施常用的支衬结构有支撑、衬砌、锚杆支护喷锚支护。 （一）支撑与衬砌支撑是临时性保护围岩的结构，常作为施工中的临时性保护措施采用。衬砌是一种永久性加固围岩的结构。根据加固的需要，衬砌可有不同的类型。一般说来，衬砌是“被动”地承受荷载的结构。 （二）锚杆支护锚杆支护是目前生产中大量采用的一种提高围岩稳定性的措施，它是将许多钢筋锚杆通过风钻钻孔插入洞室围岩内，使锚杆的里端锚固在完整的岩体内，锚杆的外端与可能松动的岩