第7章地下洞室1课件

第七章地下洞室的

工程地质研究概述地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等；地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷道、地下输水隧洞等；地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；地下式水电站洞室布置剖面示意图有压及无压隧洞一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如下方面：１．在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身岩体的稳定）。２．在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外，还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题，这些问题有：（1）洞室四周岩体的围岩压力的评价（即岩体本身对衬砌支护的压力评价）；（2）岩体内地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护的压力）；（3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固措施；围岩：地下洞室周围的围岩土体。即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式用弹性理论计算圆形洞室周边应力重分布各种断面形状的洞体应力状态比较二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。洞室围岩应力重分布对比图三围岩的变形与破坏地下开挖后，岩体中形成一个自由变形空间，使原来处于挤压状态的围岩，由于失去了支撑而发生向洞内松胀变形；如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力，则围岩就要发生破坏，并从母岩中脱落形成坍塌、滑动或岩爆，称前者为变形，后者为破坏。

各类结构围岩变形破坏的特点由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。

1．坚硬完整岩体的脆性破裂在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常产生岩爆现象。岩爆是储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。脆性开裂出现在拉应力集中部位。

2．块体滑移块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形状、有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。坚硬块状岩体中的块体滑移形式示意图1.层面；2.断裂；3.裂隙块状结构岩体的块体滑移

3．层状弯折和拱曲

岩层的弯曲折断，是层状围岩变形失稳的主要形式。平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。层状结构围岩变形破坏特征4．碎裂岩体的松动解脱一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。5．松软岩体碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。

碎裂岩体松动解脱碎裂结构围岩塌方示意图散体状岩体是指强烈构造破碎、强烈风化的岩体。常表现为弹塑性、塑性或流变性。围岩结构均匀时，以拱顶冒落为主。当围岩结构不均匀或松动岩体仅构成局部围岩时，常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。6．松散岩体围岩的变形破坏是渐进式逐次发展的。

开挖-->应力调整-->变形、局部破坏-->再次调整-->再次变形-->较大范围破坏围岩的变形破坏过程分析围岩变形破坏时，应抓住其变形破坏的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移的规律。在围岩变形破坏的早期就加以处理，这样才能有效地控制围岩变形，确保围岩的稳定性。第二节地下工程位置选择的工程地质评价地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。

一般认为，具备下列条件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，历史上地震烈度及震级不高，无毁灭性地震；2.区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过，附近没有发震构造；3.第四纪以来没有明显的构造活动。

区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置选定后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想的建洞山体具有以下条件：

1.在区域稳定性评价基础上，将洞室选择在安全可靠的地段；2.建洞区构造简单，岩层厚且产状平缓，构造裂隙间距大、组数少，无影响整个山体稳定的断裂带；3.岩体完整，成层稳定，且具有较厚的单一的坚硬或中等坚硬的地层，岩体结构强度不仅能抵抗静力荷载，而且能抵抗冲击荷载；地形完整，山体受地表水切割破坏少，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。4.岩溶很不发育，山体在满足进洞生产面积的同时，具有较厚的洞体顶板厚度作为防护地层；

5.地下水影响小，水质满足建厂要求；6.无有害气体及异常地热；

一、洞口选择的工程地质条件洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的地形及岩性、洞口底的标高、洞口的方向等问题。至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位置和洞室的平面形状。（一）洞口的地形和地质条件洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于30°），岩层完整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以免切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。（二）洞口底标高的选择洞口底的标高一般应高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室；（三）洞口边坡的物理地质现象在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现象调查清楚。洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要的损失。

二、洞室轴线选择的工程地质条件

洞室轴线的选择主要是由地层岩性、岩层产状、地质构造以及水文地质条件等方面综合分析来考虑确定。（一）地形条件在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。

隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。（二）岩性条件岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。

（三）地质构造条件1．褶皱的影响褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩层完整性最差。

地下洞室轴线与褶皱的关系2．断裂的影响

断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏)。一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方或大量地下水涌入。因此，在选址时应尽量避开大断层。断层对地下洞室选线的影响

3．岩层产状的影响

(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。洞室洞室单斜岩层中的地下洞室(2)洞室走向与岩层走向平行

在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。水平及倾斜岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室abc（四）地下水在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。