地下洞室围岩稳定性的工程地质分析T

第14章地下洞室围岩

稳定性的工程地质分析E-mail:wenjiexu@徐文杰清华大学水利系0.概述地下洞室：为各种目的修建在地层内的中空通道或中空洞室。矿山坑道地下机库地下舰艇库0.概述以色列BetGuvrin大型古代地下采石场-国家公园时间：7世纪-11世纪数量：800洞室跨度：20-40m深度：15-20m方量：近百万m3围岩为灰岩蛇蟠岛海盗邨12号洞跨度60m，高度至少20m0.概述澜沧江糯扎渡电站地下主厂房0.概述瀑布沟水电站地下发电洞室位置图泄洪洞导流洞截流引水隧道尾水隧道0.概述三峡电站地下厂房（长311.3m，宽31m，高87.24m）溪洛渡水电站右岸地下厂房0.概述围岩强度高，不会发生显著的变形和破坏→洞室稳定无需加固洞室开挖在岩体内开挖出有一定横断面形状和尺寸、并具有较大延伸长度的空间。改变岩体应力状态和强度围岩强度低，无法适应应力状态改变→洞室将发生失稳，需加固处理本章内容洞室围岩应力重分布特征洞室围岩的变形与破坏洞室围岩失稳的防治措施影响洞室围岩稳定性的因素1.洞室围岩应力重分布特征-一般规律岩体天然应力分布特征垂直应力：σv=σv0+γh水平应力：σh=Nσvσv0值可以是零，也可以是常数。1.洞室围岩应力重分布特征由于洞室开挖引起周围岩土体中应力、应变调整，导致原有天然应力大小、方向和性质改变的过程和现象，称围岩应力重分布。-一般规律1.洞室围岩应-一般规律将开挖洞室引起起的应力状态发生生重大变化范范围内的岩体体称为“围岩”；一般等于地下洞室横剖剖面中最大尺尺寸的3~5倍。如果围岩范围不超出地表表，可假定在洞室的整个个影响带内岩体的初始应力状态态与洞中心处是是一样的，这样将简化为按均匀应力场来来处理围岩应应力的计算。岩体内的初始应应力随深度而变化，地下洞室垂垂直剖面上各点的的原岩应力大大小是不等的的，即地下洞室在岩岩体内将是处处在一种非均均匀的初始应应力场中。1.洞室围岩应力力重分布特征征-一般规律径向应力随着向自由表表面的接近而而逐渐减小，，至洞壁处结果：地下洞室的开挖将于围岩内引起强强烈的主应力力分异现象，使围岩内的的应力差愈接接近自由表面面愈增大，至至洞室周边达达最大值。切向应力围岩应力重分分布的主要特征：1.洞室围岩应力力重分布特征征-不连续面对围岩应力分布影响断层等不连续面对围岩应力分布的影响（据D.F.科茨,1970）当洞室附近有断层平行于洞壁本章内容洞室围岩应力重分布特征洞室围岩的变形与破坏洞室围岩失稳的防治措施影响洞室围岩稳定性的因素水分重分布2.洞室围岩的变变形与破坏洞室开挖应力重分布卸荷回弹-一般过程和特特点2.洞室围岩的变变形与破坏-一般过程和特特点径向位移2.洞室围岩的变变形与破坏-一般过程和特特点径向应力2.洞室围岩的变变形与破坏-一般过程和特特点切向应力2.洞室围岩的变变形与破坏-一般过程和特特点塑性区2.洞室围岩的变变形与破坏DP=γhσσθσr松动圈（应力降低区）应力升高区应力未受影响区N=1应力场中圆形形隧洞围岩应应力分带-一般过程和特特点2.洞室围岩的变变形与破坏脆性围岩的变形破坏方方式脆性围岩：块状结构或或层状结构的的坚硬或半坚坚硬的脆性岩岩体。变形破坏发生生的主要因素素：回弹应力和重重分布应力作作用，水分重重分布影响较较小。围岩结构洞室形态变形破坏特征初始应力状态岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围岩的变变形与破坏脆性围岩的变形破坏方方式-层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓变形破坏机制制：应力集中使洞洞壁处的压应应力超过薄层发生在洞室周边上上有较大的压压应力集中的的部位，比如如：洞室的角角点或与岩体体初始最大主主应力平行或或近于平行的的洞壁。岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围岩的变变形与破坏脆性围岩的变形破坏方方式-劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓卸荷回弹：发生在初始应应力较高的岩岩体内，而且且总是在与岩岩体内初始最最大主应力垂垂直相交的岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围岩的变变形与破坏脆性围岩的变形破坏方方式-常发生在厚层状或块状岩体内的洞室拱顶部位。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓变形破坏机制制：N<1（σv>σh）：拱顶张应应力集中→垂垂直张裂、重重力塌落；N≠0（σh≠0）：塌落→b/a变小，拉应力力变小→压应应力；N=0（σh=0）：塌塌落不不受限限制，，可达达地表表（冒冒顶））。拱顶塌塌落局局限在在一定定范围围内。岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围围岩的的变形形与破破坏脆性围围岩的变形形破坏坏方式式-主要发生在厚层及块状岩体内。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓N<1（σv>σh）：洞洞室侧壁；N>1（σv<σh）：洞室的顶、、底板板。过大的的切向向压应应力导导致围围岩岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围围岩的的变形形与破破坏脆性围围岩的变形形破坏-多发生在厚层状或块状结构的岩体中。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓N>1（σv<σh）：顶拱应力力集中中较高高，且且有斜斜向断断层发发育部部位；；N<1（σv岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围围岩的的变形形与破破坏脆性围围岩的变形形破坏坏方式式-碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓洞体开开挖后后，如如果围围岩应应力超超过了了围岩岩的屈屈服强强度，，这类类围岩岩就会会因沿沿多组组已有有断裂裂结构构面发发生剪剪切错错动而而松驰驰，并并围绕绕洞体体形成成一定定的碎碎裂松松动带带或松松动圈圈。碎裂松松动带本身身是不不稳定定的，，特别别是当当有地下水水的活动动参与与时，，极易易导致致顶拱拱的坍坍塌和和边墙墙的失失稳。。岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室围围岩的的变形形与破破坏脆性围围岩的变形形破坏坏方式式-在地下开挖或开采过程中，围岩的破坏有时会突然地以爆炸的形式表现出来，这就是岩爆。劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓是洞室室围岩岩的一一种伴伴有突突然释释放大大量潜潜能的的剧烈烈的脆脆性破破坏。。岩爆产生条件外因诱发因素：爆破、机械及围岩局部破裂→弹性振动；快速挖掘→突然应力集中。内因高蓄能岩体；应力接近于岩体强度。岩爆碎裂松动剪切滑移2.洞室室围围岩岩的的变变形形与与破破坏坏脆性性围围岩岩的变变形形破破坏坏方方式-劈裂剥落张裂塌落弯折内鼓岩爆发生部位原岩应力状态及洞形决定的围岩内的最大压应力集中区围岩表部高变异应力、残余应力、局部应力集中区洞体与软弱结构面形成的应力集中局部增高区原洞体内因新开挖影响而出现的高应力区2.洞室室围围岩岩的的变变形形与与破破坏坏的变形破坏方式-塑性性变形形破破坏坏发发生生的的主主要要因因素素：：重分分布布应应力力和和水水分分重重分分布布。。塑性挤出膨胀内鼓溯流涌出重力坍塌重力坍塌2.洞室室围围岩岩的的变变形形与与破破坏坏塑性性围围岩岩的变变形形破破坏坏方方式式-洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除阻力的自由空间挤出的一种现象。塑流涌出膨胀内鼓塑性性挤挤出固结富含泥质的沉积岩、变质岩中的挤压剪切破碎带；岩浆岩中富含泥质、云母矿物的破碎带；富含泥质风化破碎夹层。塑性性破破坏坏形形成成的的地地质质条重力坍塌2.洞室围岩的变变形与破坏塑性围岩的变形破坏方方式-塑流涌出膨胀内鼓塑性挤出固结差的泥岩遭剪切破坏和风化的云母片岩与岩脉相接触的强蚀变细斑岩花岗岩剪切破碎带页岩中的缓倾角断裂带富含蒙脱石的风化火山灰重力坍塌2.洞室围岩的变变形与破坏塑性围岩的变形破坏方方式-塑流涌出膨胀内鼓塑性挤出主要是由于围围岩内水分重分布引起起的。遇水易膨胀的岩石含硬石膏的地层。富含粘土矿物（尤其是蒙脱石）的塑性岩石，如泥质岩、粘土岩、膨胀性粘土等洞室开挖后，围围岩表部减压压区的形成往往往促使水分分由内部高应应力区向围岩岩表不转移，，结果常使某某些易于吸水水膨胀的岩层层发生强烈的的膨胀内鼓变变形。重力坍塌2.洞室围岩的变变形与破坏塑性围岩的变形破坏方方式-塑流涌出膨胀内鼓塑性挤出当开挖揭穿了了饱水的断裂裂带内松散破破碎物质时，，这些物质与与水在压力下下呈夹有大量量碎屑物的泥泥浆状突然涌涌入洞室，有有时甚至堵塞塞坑道，给施施工造成很大大的困难。重力坍塌2.洞室围岩的变变形与破坏塑性围岩的变形破坏方方式-塑流涌出膨胀内鼓塑性挤出破碎松散的岩岩体在重力作作用下发生的的塌方。2010.3.29内蒙古一铁路施工隧道坍塌现场2.洞室围岩的变变形与破坏围岩稳定性的地质标志-较稳定不稳定11破碎松散岩体体、软弱的塑塑性岩体分布布区2.洞室围岩的变变形与破坏围岩稳定性的地质标志-较稳定不稳定11破碎松散岩体体、软弱的塑塑性岩体分布布区22碎裂结构岩体体或半坚硬薄薄层结构2.洞室围岩的变变形与破坏围岩稳定性的地质标志-较稳定不稳定11破碎松散岩体体、软弱的塑塑性岩体分布布区22碎裂结构岩体体或半坚硬薄薄层结构33坚硬块状或厚厚层状岩体中中，发育有能够形成不不稳定结构体体的地段2.洞室围岩的变变形与破坏围岩稳定性的地质标志-较稳定不稳定11新鲜完整、裂裂隙不发育的的坚硬、半坚硬岩体，地地下水不发育育2.洞室围岩的变变形与破坏围岩稳定性的地质标志-较稳定不稳定11新鲜完整、裂裂隙不发育的的坚硬、半坚硬岩体，地地下水不发育育22新鲜完整、裂裂隙虽然发育育，但连续性差、嵌合紧、不构成不不稳定结构体体本章内容洞室围岩应力重分布特征洞室围岩的变形与破坏洞室围岩失稳的防治措施影响洞室围岩稳定性的因素地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力坚硬完整的岩石一般对围岩的稳定性影响较小；软弱岩石由于强度较低，抗水性差，受力容易变形和破坏，对围岩稳定性影响较大。岩体结构

地质构造围岩特性岩浆岩、变质质岩中大部分分岩石坚硬完完整：新鲜的花岗岩岩、闪长岩、、致密玄武岩岩、安山岩、、流纹岩、片片麻岩、石英英片岩等。粘土质片岩、、绿泥石片岩岩、千枚岩及及泥质板岩等等，相对软弱弱，容易造成成洞室坍塌。。地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性沉积岩较为复复杂，强度较较岩浆岩和变变质岩差：强度较高的沉沉积岩：胶结良好的的砂岩、砾岩岩、石灰岩及及白云岩等。。强度较差的沉沉积岩：泥质页岩、、钙质页岩、、粘土岩、石石膏、岩盐、、煤岩，胶结结不良的砂岩岩、砾岩和部部分凝灰岩等等。四川红层中的的粘土页岩新新鲜岩样经两两个月便风化化碎裂成0.5cm的碎块；辽宁宁的安山凝地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性第四纪松散土土层总的来讲讲强度低，易易变形；在其其中开挖大跨跨度洞室，常常需进行加固固处理：粘性土及遇水水软化的粘土土岩或风化严严重的岩石，，易泥化、崩崩解或膨胀；；洞室不仅顶顶围、侧围不不稳，而且常常出现底围鼓鼓胀，甚至形地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性洞室通过软硬相相间的层状岩岩体洞室应尽量设设置在坚硬岩岩层中，或尽尽量把坚硬岩岩层作为顶围围。洞室通过褶皱构构造洞室横穿褶皱皱轴比平行褶褶皱有利；洞室沿背斜轴轴部通过，顶顶围向两侧倾倾斜，由于拱拱作用，有利利于顶围稳定定；洞室沿向斜轴轴部通过，两两侧岩体倾向向洞内，并因因洞顶存在张张裂，不利于于围岩稳定；；另向斜轴部部常赋存地下下水。地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性洞室通过断层断层带越宽、、与洞轴夹角角越小对围岩岩稳定性影响响越大。1断层泥、未胶结的糜棱岩、片状岩或揉皱带，一般在构造中起“软弱层”作用；2胶结的角砾岩和紧密的压碎岩，稳定性较好；未胶结或松散的，稳定性甚差；3断层带有时常常构成地下水的赋存和导水通道。地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性板状结构体柱状结构体锥状结构体结构体类型地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性岩体结构分类A整体结构B块状结构C层状结构D碎裂结构E散体结构地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性构造应力具有有明显的方向向性，它控制制着地下洞室室围岩的变形形和破坏。洞室轴线的最优优方向一般应应与最大主应应力方向一致致：有利于顶围、、底围的稳定定；当最大主应力力为水平或近近于水平且较较大时，加大大洞室跨度，，将使得顶围围水平拉应力力相应提高，，从而抵消或或部分抵消水水平构造压应应力，改善顶顶围应力状态态，提高稳定定性。地下水与岩溶3.影响洞室围岩岩稳定性的因因素构造应力岩体结构

地质构造围岩特性既影响应力状态，，又影响围岩岩强度地下水通过断断层、裂隙、、破碎带等流流向洞内，水水力坡度有时时很大，可能能产生机械潜潜蚀，严重者者可形成流砂砂。突水等事事故；2007.8.5宜万铁路巴东县野三关隧道突水事故地下水的物理化学作作用将降低岩岩体的强度。。本章内容洞室围岩应力重分布特征洞室围岩的变形与破坏洞室围岩失稳的防治措施影响洞室围岩稳定性的因素4.洞室围岩失保护围岩原有稳定性，使之不至于降低；开挖后及时支撑或衬砌。围岩失稳防治途径合理施工和支护衬砌加固围岩4.洞室围岩失稳稳的防治措施施尽可能先开挖断面尺寸较小的导洞；开挖后及时支撑或衬砌。洞室施工原则缩小围岩松动动范围，或制制止围岩早期期松动；防止围岩松动动，或把松动动范围限制在在最小。-合理施工4.洞室围岩失稳稳的防治措施施-合理施工11分部开挖，分分部衬砌，逐逐步扩大断面面上导洞先拱后墙法在顶拱衬砌砌的保护下下扩大断面面，最后做做侧墙衬砌砌。围岩不太稳定、顶围易塌地段上导洞先拱后墙4.洞室围岩失失稳的防治治措施-合理施工11分部开挖，，分部衬砌砌，逐步扩扩大断面上下导洞先拱后墙法减少施工干干扰和加速速运输。围岩不太稳定、顶围易塌地段上下导洞先拱后墙