第六章-地下工程地质问题

上一章回顾概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度崩塌落石的影响因素滑坡的形成条件和影响因素泥石流形成的三个基本条件岩溶的形成的四个基本条件地震按成因分类第六章地下工程地质问题6.1岩体及地应力的概念6.1.1岩体的概念一、岩体广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有不连续性、非均质性和各向异性的特点。工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造岩体的工程性质影响因素：岩石，结构面的性质地基岩体边坡岩体洞室岩体岩体按工程性质分为

二、结构面岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗拉强度。主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。按成因分为原生结构面：构造结构面：次生结构面：岩石形成过程中产生的地壳运动引起岩石变形破坏形成的破裂面地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面原生结构面：构造结构面：次生结构面：沉积结构面：火成结构面：变质结构面：层理、层面、软弱夹层冷缩节理、侵入接触面片理面构造节理、断层风化节理、卸荷节理、爆破节理、不整合接触面等

三、结构体岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。影响因素：结构面组数、密度、产状、长度6.1.2岩体结构的概念岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。岩体破坏情况硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。岩体变形的显著特点：各向异性。6.1.3地应力的概念地应力：地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，也称为初始应力或天然应力。类型：主要：自重应力、构造应力次要：地下水压力、低温应力、结晶应力等围岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应力或围岩应力。地应力分布规律（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力（4）垂直应力与水平应力的关系：在岩土工程，地应力有十分重要的意义。6.2洞室围岩变形及破坏的主要类型围岩稳定性影响因素：地质因素工程因素岩石及岩体的物理力学性质岩体结构特征结构面性状含水状况地应力状态工程类型工程尺寸施工方法6.2.1围岩应力的变化规律卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状态被破坏，岩体内各质点沿最短距离达到新平衡时的位移现象。应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的5~6倍范围内。塑性圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁的岩体中形成塑性松动圈。应力降低区应力升高区天然应力区洞室开挖形成的三个应力区域影响塑性圈范围的因素：岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低，支护的反力大小。洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。oa2a3a4a5a6a7a8a6.2.2洞室围岩变形和破坏的主要类型1.错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中形成一个松动圈。一、岩质围岩变形和破坏的主要类型2.剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度而产生的沿结构面剪切滑移。3.张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩石破裂，导至洞顶塌落的现象。4.劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折内鼓，甚至坍倒的现象。6.岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。7.塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤出的现象。8.膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内鼓出的现象。

二、松散围岩变形和破坏的主要类型1.

重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩，开挖后在重力作用下自由坍落。

2.塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松散物质常形成碎屑流涌出。6.3地下洞室特殊地质问题6.3.1突水突泥——隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入隧道的现象。开挖洞室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带，蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。地下洞室大量突水的条件：洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时洞室通过厚层的含水砂砾石层遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时6.3.2腐蚀结晶类腐蚀分解类腐蚀结晶分解复合类腐蚀1.腐蚀类型芒硝型腐蚀石膏型腐蚀钙矾型腐蚀酸型腐蚀碳酸型腐蚀2.混凝土腐蚀严重程度外观完整，有坚硬感局部砂浆剥落局部骨料外露，内部坚硬表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状3.腐蚀易发生地区无腐蚀：弱腐蚀：中等腐蚀：强腐蚀：R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层泥炭、淤泥、沼泽等地我国东南沿海有红树残体的冲积层我国长江以南的酸性红土含硫矿床的地下水层冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层6.3.3地温地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。热传导系数地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动，地下水温度等。洞室埋深处地温计算：6.3.4有害气体——以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。危害条件施工要求瓦斯浓度<5~6%，能在高温下燃烧瓦斯浓度为5~6%-14~16%，易爆炸，特别是含量为8%时瓦斯浓度为42~57%时，易使人窒息。瓦斯浓度>1%，不准装药放炮瓦斯浓度>2%，工作人员撤离现场6.4围岩工程分级及其应用围岩质量分级：国际《工程岩体分级标准》（GB50218-94）N.Barton岩体分类：铁路隧道围岩分级6.5围岩稳定性评价方法土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。影响地下洞室稳定性的因素：围岩稳定性评价：根据不同的岩体结构、不同的受力性质，简化成不同的力学模型，应用相应的分析评价方法，研究围岩的变形破坏过程。几个概念围岩压力：围岩作用在支护上的压力，是确定衬砌设计荷载大小的依据。松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力。变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成的压力。膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩体积膨胀变形对支护形成的压力。