岩土工程勘察第九章地下洞室的勘察与评价二

岩土工程勘察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围岩分类地下洞室：埋置于地下岩土体内的各种构筑物。应用：铁路和公路隧道，矿山地下巷道，国防地下仓库、指挥中心，城市地铁、地下商场、地下体育馆、地下游泳池等。锦屏二级水电站超长引水隧洞地下洞室的开挖引起的问题：应力状态的变化会引起不同程度的变形甚至破坏，地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。因此在设计前，进行详细的岩土工程勘察提供设计所需的地质资料，掌握地下洞室所在岩体、土体的地质情况和稳定程度以及周围的环境情况，有十分重要的意义。

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称。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。

构造应力围岩应力1.三种初始应力场距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。

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.其他洞室山岩三压力一般三地，三由于三岩体三隧洞三内的三变形三作用三于支三护或三衬砌三上的三压力三称为变形三压力，岩三体因三破坏三而松三动作三用于三支护三或衬三砌上三的压三力称三为松动三压力。1.三压三力拱三理论工程三实践三和模三型试三验的三结果三表明三，洞三顶坍三落并三不是三没有三止境三的，三当坍三落进三行到三一定三程度三后，三由岩三块组三成的三上部三围岩三体可三以处三于新三的平三衡状三态，三称为自然三平衡三拱（压力三拱）。三而实三际地三下洞三室的三施工三并不三等待三自然三平衡三拱形三成后三才浇三筑衬三砌，三所以三作用三于衬三砌上三的垂直三山岩三压力就可三以认三为是压力三拱与三衬砌三之间三岩石三的重三量。这三样正三确决三定压三力拱三的形三状就三成为三计算三山岩三压力三的关三键。通常三采用三普罗三托奇三耶可三诺夫三的压三力拱三理论三，简三称为普氏三压力三拱理三论。该三理论三将洞三室周三围的三岩石三看作是三没有三黏聚三力的散粒三体，计三算出三洞室三上方三任何三一点三的垂三直压三力为三：侧向三山岩三压力三采用朗肯三土压三力公三式计算三，两三侧的三山岩三压力三呈梯三形分三布1o砂土及松散材料2o整体性岩石岩石三坚固三性系三数根据三普氏三理论三，-三--三比较三破碎三岩体（fK＜2），三地下三洞室三开挖三：三侧墙三：剪三切破三裂+三顶拱三“压三力拱三”.压力三拱稳三定条三件：三假定三岩体三为散三粒体三，其三抗拉三、抗三弯能三力很三小，三洞室三顶部三上的三压力三拱最三稳定三的条三件是三沿着三拱的三切线三方向三仅作三用压三力。抛物三线方三程压力三拱理三论要三求洞三室上三方的三岩石三能够三形成三自然三平衡三拱，三因此三要求三洞室三上方三有足三够厚三度且三相当三稳定三的岩三体，三对于洞室三埋藏三浅、围岩三为粉三砂或饱和三软黏三土等情三况不三能应三用压三力拱三理论三。2.三弹三塑性三理论围岩三内的三弹塑三性应三力分三布洞室三开挖三后，三随着三塑性三松动三圈的三扩展三，对三支护三产生三的压三力用三下式三计算三：芬那三公式（未三考虑三岩石三自重三）卡柯三公式（考三虑岩三石自三重）3.三地三质分三析法10三.2三围三岩的三变形三和破三坏形三式岩土三工程三勘察岩体三的破三坏形三式表脆性三破坏整体三状结三构及三块状三结构三岩体三，在三一般三开挖三条件三下表三现稳三定，三仅产三生局三部掉三块，三但在三高应三力地三区，三洞周三应力三集中三可引三起岩三爆，三属于三脆性三破坏三，岩三石成三为碎三片射三出可三发出三破裂三响声三。块体三运动当块三状或三层状三岩体三受明三显的三少数三软弱三结构三面切三割，三形成三块体三或数三量有三限的三块体三时，三这种三块体三和围三岩的三联系三很弱三，在三自重三力和三围岩三应力三的作三用下三有向三临空三面运三动的三趋势三，逐三渐形三成块三体运三动失三稳方三式：块体三塌落、三滑动三和转三动、三倾倒以及块体三挤出等弯曲三折断三破坏弯曲三折断三破坏三是层状，尤三其是夹软三弱夹三层的互三层岩三体所三特有三的，三但是三在大三型地三下工三程中三受一三组很三发育三的结三构面三所构三成的似层三状岩三体也可三产生三类似三的条三块状三的折三断和三倒塌三。洞体三围岩三是泥三盆系石英三砂岩及板岩互层三，产状三平缓，洞三形为三城门三洞形三。开三挖中三拱脚三以上三塌落三，形三成超三挖，三成为三平板三顶，三洞体三变为梯形三断面。巷道洞顶的岩三层受三到力三作用三下沉三弯曲三，进三而开三裂、三折断三，形三成塌三落体三；侧墙可能三发生三弯曲三倾倒三破坏三或弯三曲鼓三出破三坏。松动三解脱碎裂三结构三岩体三在泥三质软三弱结三构面三含量三较少三的情三况下三有一三定的三承载三压力三的能三力，三但是三在张三力、三单轴三压力三及振三动力三作用三下容三易松三动，三解脱三成为三碎块三散开三或脱三落。三工程三中洞顶表现三为崩三塌，三而在边墙则为三碎块三滑塌三、坍三塌。比如压碎三岩带，如三果挤三压很三紧，三而且三有的三胶结三良好三，无三泥质三物充三填，三施工三起来三很是三顺利三。相反，如三果节三理裂三隙间三有较三多泥三质充三填，三裂隙三张开三，岩三石松三动，三则塌三方的三可能三性就三比较三大，三尤其三是在三地下三水及三震动三力作三用下三较易三失稳三。塑性三变形三和剪三切破三坏松散三结构三岩体三或碎三裂结三构岩三体中三含软三弱结三构面三较多三的情三况下三，在三开挖三临空三及围三岩应三力作三用下三产生三塑性三变形三及剪三切破三坏，三往往三表现三为塌方、边墙三挤入三洞内、底鼓以及洞体三收缩等。10三.3三围三岩分三类围岩三分级三的目三的是三：①作三为选三择施三工方三法的三依据三；②进三行科三学管三理及三正确三评价三经济三效益三；③确三定结三构上三的荷三载(三松散三荷载三)；④给三出衬三砌结三构的三类型三及其三尺寸三；⑤制三定劳三动定三额、三材料三消耗三标准三的基三础等三等。围岩三分级《工三程岩三体分三级标三准》(GB三50三21三8-三94)采用三定性三与定三量相三结合三的方三法，三分两三步确三定岩三体级三别，三先确三定岩三体基三本质三量，三再结三合具三体工三程特三点确三定岩三体级三别。1.三定三性分三析定性三分析三中岩三体的三基本三质量三指标三由岩三石坚三硬程三度和三岩体三完整三性两三个因三素来三确定三。岩石三坚硬三程度三的定三性划三分三表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.各种半成岩岩石三风化三程度三的划三分三表三3.三2.三2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三完整三程度三的定三性划三分三表3三.3三.1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：三平均三间距三指主三要结三构面三（1三～2三组）三间距三的平三均值三。结构三面结三合程三度的三划分三表三3.三3.三2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2.三定三量指三标及三两者三的对三应关三系岩石三坚硬三程度三的定三量指三标，三应采三用岩三石单三轴饱和抗三压强三度Rc，Rc应采三用实用三测值。当三无条三件取三得实测三值时三，也三可采三用实三测的三岩石三点荷三载强三度指三数IS（50）的算三值，三并按三下式三换算三：RC三与定三性划三分的三岩石三坚硬三程度三的对三应关三系三表三3.三4.三2Rc（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三完整三程度三的定三量指三标，三应采三用岩体三完整三性指数Kv，Kv应采三用实三测值三。当三无条三件取三得实三测值三时，也可三用岩体三体积三节理三数Jv，按三表确定三对应三的Kv值。Jv三与K三v对三照表三表3三.4三.3Jv（条／m3）＜33～1010～2020～35＞35Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15Kv三与定三性划三分的三岩体三完整三程度三的对三应关三系三表三3.三4.三4Kv＞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3.三确三定基三本质三量等三级岩体三基本三质量三分级三，应三根据三岩体三基本三质量三的定三性特三征和三岩体三基本三质量三指标三（BQ）两三者相三结合三，按三表4.三1.三1确定三。岩体三基本三质量三分级三表三4.三1.三1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岩体三基本三质量三指标三（B三Q）三，应三根据三分级三因素三的定三量指三标三Rc三的三兆帕三数值三和三Kv三，按三下式三计算三：BQ三＝9三0＋三3R三c＋三25三0K三v注：三使用三上式三时，三应遵三守下三列限三制条三件：①当Rc三＞9三0K三v＋三30时，三应以三Rc三＝9三0K三v＋三30三和K三v代三入计三算B三Q值三。②当Kv三＞0三.0三4R三c＋三0.三4时，三应以三Kv三＝0三.0三4R三c＋三0.三4和三Rc三代入三计算三BQ三值。4.三修三正当存三在地下三水、围三岩处三于高初三始应三力状三态及岩三体稳三定性三受软弱三结构三面影三响且由三一组三起控三制作三用时三，岩三体基三本质三量指三标按三下式三进行三修正三：[BQ]＝BQ－1三00三（K1＋K2＋K3）式中[BQ]-岩体三基本三质量三指标三修正三值；BQ三-岩体三基本三质量三指标三；K1-地下三水影三响修三正系三数；K2-主要三软弱三结构三面产三状影三响修三正系三数；K3-初始三应力三状态三影响三修正三系数三。其中K1、K2、K3值，三可分三别按三表、三、－3确定三。无三表中三所列三表情三况时三，修三正系三数取三零。[BQ]出现三负值三时，三应按三特殊三问题三处理三。地下三水影三响修三正系三数K1表－三1＞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地下三水出三水状三态BQK1BQK1BQ地下三水出三水状三态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主要三软弱三结构三面产三状影三响修三正系三数K2表－三2初始三应力三状态三影响三修正三系数三K3三表三－3＞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初始三应力三状态K3BQ确定三了岩三体级三别后三，可三根据三岩体三级别三评价三岩体三的物三理力三学参三数和三围岩三自稳三能力三。岩体三物理三力学三参数三表C三.0三.1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地下三工程三岩体三自稳三能力三表E三.0三.1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：三①小三塌方三：塌三方高三度＜三3m三，或三塌方三体积三＜3三0m三3；②中三塌方三：塌三方高三度3三～6三m，三或塌三方体三积3三0～三10三0m三3；③大三塌方三：塌三方高三度＞三6m三，或三塌方三体积三＞1三00三m3三。公路三隧道三围岩三分级《公三路隧三道设三计规三范》(JT三GD三70三－2三00三4)注：三本表三不适三用于三特殊三条件三的围三岩分三级，三如膨三胀性三围岩三、冻三土等三。注三：Ⅱ、三Ⅲ、三Ⅳ类三围岩三，当三围岩三强度三应力三比小三于本三表规三定时三，围三岩类三别降三低一三级。水工三隧洞三围岩三工程三地质三分类围岩三总评三分T是5三项因三素的三评分三之和三。岩三石强三度、三岩体三完整三程度三、结三构面三状态三、地三下水三状态三、主三要结三构面三产状三这5三项因三素的三评分三都有三一定三的评三分标三准。《水三利水三电工三程三地质三勘察三规范三》（G三B三50三48三7-三20三08三）RM三R分类比尼三奥斯三基（）根三据南三非矿三山开三采经三验提三出的三通过三对岩三体质三量进三行评三分，三来对三岩体三工程三分类三，分三为两三步：第一