第10章 地下洞室的勘察与评价

第10章地下洞室的勘察与评价10.1初始应力、围岩应力和山岩应力10.2围岩的变形和破坏形式10.3围岩分类10.4地下洞室稳定性评价10.5地下洞室位址和方向的选择10.7地下洞室的勘察要点10.6地下采空区地下洞室：埋置于地下岩土体内的各种构筑物。地下洞室的开挖引起的问题：1应力状态的变化会引起不同程度的变形甚至破坏。2地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。锦屏二级水电站超长引水隧洞

10.1初始应力、围岩应力和山岩应力初始应力：地下洞室施工前就已经存在于岩体中的应力。围岩：应力重分布所波及的岩石。围岩应力：围岩中重新分布后的地应力。山岩压力：围岩作用于支护结构上的力。

初始应力是山岩压力的基础，是力的来源。围岩应力既取决于初始应力，又取决于洞体的形态、规模以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力，但围岩应力要转化为山岩压力，必须通过岩体结构失稳的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决定了山岩压力的大小和特征。初始应力岩体中的初始应力状态是相当复杂的，要受到地质构造、岩性、地形地貌等多种因素的影响。初始应力可以划分为自重应力场和构造应力场。

自重应力大量的实测地应力资料表明，对于未经受构造作用，产状较为平缓的岩层，其应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。岩石泊松比：0.2~0.3。

构造应力构造应力：在各种地壳构造运动作用力的影响下,地壳中所产生的应力。高应力引起岩爆、隧道偏压距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。围岩应力1.三种初始应力场

没有经历构造运动作用的较深部岩体。很深的岩体围岩应力计算简图2.圆形洞室采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式式中没有弹性模量和泊松比，包含。洞室边界附近切向应力产生集中现象3.其他洞室山岩压力一般地，由于岩体隧洞内的变形作用于支护或衬砌上的压力称为变形压力，岩体因破坏而松动作用于支护或衬砌上的压力称为松动压力。1.压力拱理论工程实践和模型试验的结果表明，洞顶坍落并不是没有止境的，当坍落进行到一定程度后，由岩块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态，称为自然平衡拱（压力拱）。而实际地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌，所以作用于衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌之间岩石的重量。压力拱的形状成为计算山岩压力的关键。通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论，简称为普氏压力拱理论。该理论将洞室周围的岩石看作是没有黏聚力的散粒体，计算出洞室上方任何一点的垂直压力为：侧向山岩压力采用朗肯土压力公式计算，两侧的山岩压力呈梯形分布1o砂土及松散材料2o整体性岩石岩石坚固性系数压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然平衡拱，因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定的岩体，对于洞室埋藏浅、围岩为粉砂或饱和软黏土等情况不能应用压力拱理论。围岩内的弹塑性应力分布2.弹塑性理论洞室开挖后，随着塑性松动圈的扩展，对支护产生的压力用下式计算：芬那公式（未考虑岩石自重）卡柯公式（考虑岩石自重）3.地质分析法10.2围岩的变形和破坏形式岩土工程勘察岩体的破坏形式表脆性破坏整体状结构及块状结构岩体，在一般开挖条件下表现稳定，仅产生局部掉块，但在高应力地区，洞周应力集中可引起岩爆，属于脆性破坏，岩石成为碎片射出可发出破裂响声。块体运动当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割，形成块体或数量有限的块体时，这种块体和围岩的联系很弱，在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体运动失稳方式：块体塌落、滑动和转动、倾倒以及块体挤出等弯曲折断破坏弯曲折断破坏是层状，尤其是夹软弱夹层的互层岩体所特有的，但是在大型地下工程中受一组很发育的结构面所构成的似层状岩体也可产生类似的条块状的折断和倒塌。巷道围岩是泥盆系石英砂岩及板岩互层，开挖中拱脚以上塌落，形成超挖，成为平板顶。

洞顶的岩层受到力作用下沉弯曲，进而开裂、折断，形成塌落体；侧墙可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲鼓出破坏。松动解脱碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况下有一定的承载压力的能力，但是在张力、单轴压力及振动力作用下容易松动，解脱成为碎块散开或脱落。工程中洞顶表现为崩塌，而在边墙则为碎块滑塌、坍塌。比如压碎岩带，如果挤压很紧，而且有的胶结良好，无泥质物充填，施工起来很是顺利。

相反，如果节理裂隙间有较多泥质充填，裂隙张开，岩石松动，则塌方的可能性就比较大，尤其是在地下水及震动力作用下较易失稳。塑性变形和剪切破坏松散结构岩体或碎裂结构岩体中含软弱结构面较多的情况下，在开挖临空及围岩应力作用下产生塑性变形及剪切破坏，往往表现为塌方、边墙挤入洞内、底鼓以及洞体收缩等。10.3围岩分类围岩分级的目的是：①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载(松散荷载)；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。围岩分级《工程岩体分级标准》(GB50218-94)采用定性与定量相结合的方法，分两步确定岩体级别，先确定岩体基本质量，再结合具体工程特点确定岩体级别。1.定性分析定性分析中岩体的基本质量指标由岩石坚硬程度和岩体完整性两个因素来确定。岩石坚硬程度的定性划分表3.2.1

名称定性鉴定代表性岩石硬质岩坚硬岩锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；浸水后，大多无吸水反应末风化～微风化的；花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等较坚硬岩锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；浸水后，有轻微吸水反应1.弱风化的坚硬岩；2.未风化～微风化的：熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等软质岩较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎；浸水后，指甲可刻出印痕1.强风化的坚硬岩；2.弱风化的较坚硬岩；3.未风化～微风化的：凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等软岩锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎；浸水后，手可掰开1.强风化的坚硬岩；2.弱风化～强风化的较坚硬岩；3.弱风化的较软岩；4.未风化的泥岩等极软岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；浸水后，可捏成团1.全风化的各种岩石；2.各种半成岩岩石风化程度的划分表3.2.2名称风化特征未风化结构构造未变，岩质新鲜微风化结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染弱风化结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层强风化结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石、云母等多风化成次生矿物全风化结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状岩体完整程度的定性划分表3.3.1名称结构面发育程度主要结构面的结合程度主要结构面类型相应结构类型组数平均间距(m)完整1～2＞1.0结合好或结合一般节理、裂隙、层面整体状或巨厚层状结构较完整1～2＞1.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构2～31.0～0.4结合好或结合一般块状结构较破碎2～31.0～0.4结合差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构≥30.4～0.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎≥30.4～0.2结合差各种类型结构面裂隙块状结构≤0.2结合一般或结合差碎裂结构极破碎无序结合很差散体状结构注：平均间距指主要结构面（1～2组）间距的平均值。结构面结合程度的划分表3.3.2名称结构面特征结合好张开度小于1mm，无充填物；结合好张开度1～3mm，为硅质或铁质胶结；张开度大于3mm，结构面粗糙，为硅质胶结结合一般张开度1～3mm，为钙质或泥质胶结；张开度大于3mm，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结结合差张开度1～3mm，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结；张开度大于3mm，多为泥质或岩屑充填结合很差泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差2.定量指标及两者的对应关系

岩石坚硬程度的定量指标，应采用岩石单轴饱和抗压强度

Rc

，Rc

应采用实用测值。当无条件取得实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数IS（50）的算值，并按下式换算：RC与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系表3.4.2Rc（MPa）＞6060～3030～1515～5＜5坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩岩体完整程度的定量指标，应采用岩体完整性指数

Kv

，Kv

应采用实测值。当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数

Jv

，按表3.4.3确定对应的Kv

值。Jv与Kv对照表表3.4.3Jv（条／m3）＜33～1010～2020～35＞35Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系表3.4.4Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎3.确定基本质量等级岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合，按表

4.1.1确定。岩体基本质量分级表4.1.1基本质量级别岩体基本质量的定性特征岩体基本质量指标(BQ)Ⅰ坚硬岩，岩体完整＞550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整450～351Ⅳ坚硬岩，岩体破碎；较坚硬岩，岩体较破碎～破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎；软岩，岩体完整～较完整350～251Ⅴ较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎～破碎；全部极软岩及全部极破碎岩≤250岩体基本质量指标（BQ），应根据分级因素的定量指标Rc的兆帕数值和Kv，按下式计算：

BQ＝90＋3Rc＋250Kv注：使用上式时，应遵守下列限制条件：①当Rc＞90Kv＋30时，应以Rc＝90Kv＋30和Kv代入计算BQ值。②当Kv＞0.04Rc＋0.4时，应以Kv＝0.04Rc＋0.4和Rc代入计算BQ值。4.修正当存在地下水、围岩处于高初始应力状态及岩体稳定性受软弱结构面影响且由一组起控制作用时，岩体基本质量指标按下式进行修正：[BQ]＝BQ－100（K1＋K2＋K3）

式中[BQ]-岩体基本质量指标修正值；

BQ-岩体基本质量指标；

K1-地下水影响修正系数；

K2-主要软弱结构面产状影响修正系数；

K3-初始应力状态影响修正系数。其中K1、K2、K3值，可分别按表D.0.1-1、D.0.1-2、D.0.1－3确定。无表中所列表情况时，修正系数取零。[BQ]出现负值时，应按特殊问题处理。地下水影响修正系数K1表D.0.1－1＞450450～351350～251≤250潮湿或点滴状出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L／min·m0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞10L／min·m0.20.4～0.60.7～0.91.0BQK1地下水出水状态BQK1BQK1BQ地下水出水状态K1BQ结构面产状及其与洞轴线的组合关系结构面走向与洞轴线夹角＜30º结构面倾角30º～75º结构面走向与洞轴线夹角＞60º结构面倾角＞75º其它组合K2

0.4～0.60～0.20.2～0.4主要软弱结构面产状影响修正系数K2表D.0.1－2初始应力状态影响修正系数K3表D.0.1－3＞550550～451450～351350～251≤250极高应力区1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高应力区0.50.50.50.5～1.00.5～1.0初始应力状态K3BQ确定了岩体级别后，可根据岩体级别评价岩体的物理力学参数和围岩自稳能力。岩体物理力学参数表C.0.1岩体基本质量级别重力密度γ（kN/m3）抗剪断峰值强度变形模量E（GPa）泊松比υ内摩擦角φ（º）粘聚力C（MPa）Ⅰ＞26.5＞60＞2.1＞33＜0.2Ⅱ60～502.1～1.533～200.2～0.25Ⅲ26.5～24.550～391.5～0.720～60.25～0.3Ⅳ24.5～22.539～270.7～0.26～1.30.3～0.35Ⅴ＜22.5＜27＜0.2＜1.3＞0.35地下工程岩体自稳能力表E.0.1岩体级别自稳能力Ⅰ跨度≤20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10～20m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；跨度＜10m，可长期稳定，偶有掉块Ⅲ跨度10～20m，可稳定数日～1月，可发生小～中塌方；距度5～10m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小～中塌方；跨度＜5m，可基本稳定Ⅳ跨度＞5m，一般无自稳能力，数日～数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中～大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；跨度≤5m，可稳定数日～1月Ⅴ无自稳能力注：①小塌方：塌方高度＜3m，或塌方体积＜30m3；②中塌方：塌方高度3～6m，或塌方体积30～100m3；③大塌方：塌方高度＞6m，或塌方体积＞100m3。

公路隧道围岩分级《公路隧道设计规范》(JTGD70－2004)注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、冻土等。注：Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类围岩，当围岩强度应力比小于本表规定时，围岩类别降低一级。

水工隧洞围岩工程地质分类围岩总评分T是5项因素的评分之和。岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状这5项因素的评分都有一定的评分标准。《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）

RMR分类比尼奥斯基（Z.T.Bieniawski）根据南非矿山开采经验提出的通过对岩体质量进行评分，来对岩体工程分类，分为两步：第一步，根据表按照完整岩石强度、RQD值、节理的间距、状态以及地下水状况5个方面内容逐一鉴定，给出评分，然后将5个单项因素的分数累加起来得到初值RMR。RMR岩体工程分类参数及评分标准表用直径为75mm的金刚石钻头和双层岩芯管在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示。RockQualityDesignation类别RQD(%)岩石质量190~100好275~90较好350~75一般425~50差5<25很差第二步，修正：根据节理裂隙的产状，按表对RMR值进行修正。RMR修正评分值RMR岩体工程分类表经过修正后的岩体总评分就是岩体质量综合评判标准，根据这个值将岩体分为5类。

Q分类挪威学者Barton等于1974年提出的Q值评分方法，主要考虑了岩石质量指标(RQD)、节理组数目(

Jn

)

、节理粗糙度数值(Jr)、节理蜕化系数(Ja)、节理含水折减系数(Jw)以及应力折减系数(SRF)个参数，由下式确定岩体质量岩体质量Q的变化范围从0.001~1000，相当于从严重破碎的糜棱岩化岩体到完整坚硬的岩体，根据Q值将岩体质量分为9类。岩体质量分类10.4地下洞室稳定性评价

强度应力比方法强度应力比方法就是采用弹性理论的分析，通过重点考察洞室围岩周边关键点上的应力和围岩强度的比值，来评价洞室围岩稳定性的方法。这种方法主要用来评价裂隙不发育的、较为完整的围岩。在实际工作中，围岩中的应力值以及岩体的强度都要受到多种因素的影响，变化较大，因此在评定围岩的稳定性时，需考虑较大的安全系数。因而可采用围岩岩体强度R与周边切向应力的比值来评价洞室围岩的稳定性。洞室周边关键点的切向应力可以由下式变换得到：圆形洞室从右边墙中心逆时针计算非圆形洞室关键点（洞室顶点和边墙中点）切向应力用下式表示：顶点边墙中点

系数取值表块体平衡理论对于在洞室围岩中被结构面切割形成的块体，由于洞室开挖，有可能产生滑移或坠落的变形破坏，这类块体在洞室围岩中的稳定性可以在对结构面的特征研究的基础上，采用块体平衡理论来进行分析。拱顶块体稳定性分析

边墙块体稳定分析洞室顶壁水平薄层状岩体逐步塌落过程示意图水平层状围岩的稳定性位于洞室顶部之上的水平层状岩体可以看作为两端固定的水平梁，梁的最大拉应力出现于两端的顶面处，用下式表示：水平地应力为安全起见，可以假定为零。数值解法下面以平面有限元为主按分析步骤进行简单讨论：1、确定计算范围理论分析表明：由于荷载释放引起的洞周介质应力和位移变化在3倍洞径范围之外小于5%，5倍洞径之外约小于1%。2、网格剖分3、边界条件和初始应力场4、施工过程的模拟（开挖、浇筑、喷锚支护等）5、岩体材料模型的选择6、相关的几个问题（橫观各项同性，节理单元，无拉应力分析等）网格剖分边界条件10.5地下洞室位址和方向的选择地下洞室的选址必须考虑一系列因素，工程地质条件是主要依据。选址的主要依据是岩体的稳定，围绕岩体的稳定，其基本的要求如下:1.地形条件的选择地形上要求山形完整，洞室周围包括洞顶及傍山一侧应有足够厚度，以便拱顶可以自承。避免地形条件不良给施工造成困难以及洪水期间地表沟谷中的水倒流灌入地下洞室；尽量避免埋深过大，造成深部的高地应力作用。2.岩性条件选择岩性条件应选择比较坚硬、完整，力学性能较好且风化轻微的岩体，特别注意岩体强度的选择。有软弱薄层状围岩，应尽量绕避。对于易于软化、泥化和溶蚀的岩体及膨胀性和塑性岩体，也不利于围岩稳定。

层状岩体则以厚层结构为好，遇软硬及厚薄相间的岩体，则应尽量将洞室顶板置于厚层坚硬岩体中。同一岩体内的压性断裂，往往上盘比较破碎，而下盘比较完整，应将洞室置于下盘岩体中。3.地质构造条件的选择地质构造上，应选择断裂少且规模较小及岩体结构比较简单的地区。较大的断层破碎带、裂隙密集带等软弱带，一般应尽量避开，若实在不能绕避，则应以最短距离穿过构造带。单斜岩层当隧道轴向与岩层走向平行时：倾斜岩层中a-在同一地层中；b-不同岩层交界处；c-软弱夹层处应注意避开岩层间连接较差的部位，并限制一次开挖的长度，以避免产生塌方事故。直立岩层若岩层很薄，层间连接较弱或具有软弱结构面的情况，常由于隧道拱顶的拉应力超过岩层的抗拉强度而发生破坏、坍塌的现象。水平岩层（倾角小于10º）当隧道轴向垂直岩层走向时，各岩层受力条件有利，围岩压力也均布，开挖后易于成拱不塌。褶曲地带隧道位置的选择褶曲地带断层地带

存在问题：A区域性大断裂常伴有继承性的新构造运动及强烈地震活动。B断裂处岩层被挤压破碎，多成块石、碎石角砾及断层泥，因而岩体强度低。C断层往往是地下水活动的通道和储存的场所，容易形成突然涌水。因此，一般均应避开断层。当不能避开断层时,应尽量使隧道与断层隔开足够的安全距离或与其大角度相交。在地下工程选址时，最好选择地下水位以上的干燥岩体或地下水量不大、无高压含水层的岩体内，应尽可能避开饱水的松散土层、富水的断层破碎带及岩溶化碳酸盐岩层。水文地质条件的选择一般情况下，洞室轴向应与最大主应力方向垂直，以改善洞室周边的应力状态，但当最大主应力很大时，则洞轴向最好与之平行，以保证边墙的稳定。地应力方向的选择进出口的边坡应选在山体雄厚、施工条件好的岩坡陡壁下，并避开地表径流汇水区，同时注意进出口边坡的稳定性，尽量将进出口置于新鲜、完整、坚硬的岩质边坡上，避免将进出口边坡布置在可能滑动岩体及断层破碎岩体上。进出口位置的选择可行性研究勘察10.7地下洞室的勘察要点4.2.3可行性研究勘察应通过搜集区域地质资料，现场踏勘和调查，了解拟选方案的地形地貌、地层岩性、地质构造、工程地质、水文地质和环境条件，做出可行性评价，选择合适的洞址和洞口。

初步勘察1、勘察内容初步查明下列问题：地貌形态和成因类型；地层岩性、产状、厚度、风化程度；断裂和主要裂隙的性质、产状、充填、胶结、贯通及组合关系；不良地质作用的类型、规模和分布；地震地质背景；地应力的最大主应力作用方向；地下水类型、埋藏条件、补给、排泄和动态变化；地下水体的分布及与地下水的关系，淤积物的特征；洞室穿越地面建筑物、地下构筑物、管道等既有工程时的相互影响。2、勘察方法4.2.4初步勘察应采用工程地质测绘、勘探和测试等方法，初步查明选定方案的地质条件和环境条件，初步确定岩体质量等级(围岩类别)，对洞址和洞口的稳定性做出评价，为初步设计提供依据。

4.2.6

初步勘察时，勘探与测试应符合下列要求：

1采用浅层地震剖面法或其他有效方法圈定稳伏断裂、构造破碎带，查明基岩埋深、划分风化带；

2勘探点宜沿洞室外侧交叉布置，勘探点间距宜为100~200m，采取试样和原位测试勘探孔不宜少于勘探孔总数的2/3；控制性勘探孔深度，对岩体基本质量等级为Ι级和ΙΙ级的岩体宜钻入洞底设计标高下1~3m；对ΙΙΙ级岩体宜钻入3~5m，对ΙV级、V级的岩体和土层，勘探孔深度应根据实际情况确定；3每一主要岩层和土层均应采取试样，当有地下水时应采取水试样；当洞区存在有害气体或地温异常时，应进行有害气体成分、含量或地温测定；对高地应力地区，应进行地应力量测；

4必要时，可进行钻孔弹性波或声波测试，钻孔地震CT或钻孔电磁波CT测试；

5室内岩石试验和土工试验项目，应按本规范第11章的规定执行。详细勘察4.2.7详细勘察应采用钻探、钻孔物探和测试为主的勘察方法，必要时可结合施工导洞布置洞探，详细查明洞址、洞口、洞室穿越线路的工程地质和水文地质条件，分段划分岩体质量等级（围岩类别），评价洞体和围