工程地质第6章01

第六章地下工程地质问题北京地铁王府井车站广州地铁东（山口）~杨（箕）区间隧道6.1概述在岩（土）体内，为各种目的经人工开凿形成的地下工程构筑物称为地下洞室。近半个世纪来，随着科学技术的进步和建设事业的发展，大型工业、企业和市政设施的地下工程系统日益增多，在水利电力、交通运输、矿山开采、城市建设以及军事工程等方面修建了大量的、规模巨大的地下洞室。例如，二滩水电站地下厂房跨度25.50m、高度65.38m、长度280.29m，为目前我国最大的地下发电厂房。显而易见，建成如此巨大的地下空间，势必会遇到许多复杂的工程地质问题，其中最受关注的是围岩在一定的时间内，在地应力和工程荷载作用下，是否会产生破坏性剪切滑动或其他形式的失稳问题。为此就要求有充分可靠的工程地质资料，作为分析岩体稳定和进行结构设计、选定施工方法及处理措施的基础。在1996年11月中国工程院环境委员会成立大会上，工程院院士钱七虎指出，在土木工程界，19世纪是桥的世纪;20世纪是高层建筑的世纪;而21世纪应该是地下洞室开发利用的世纪。

因此，面对环境恶化和城市化问题日益突出，应把地下空间的开发利用放到可持续发展的战略高度超前考虑。中国在21世纪初将和世界同步或稍后进人地下空间开发利用的时期。研究地下洞室围岩稳定性的实质，是研究岩体在开凿洞室后，力学变化机理和岩体中应力分布状况。一般情况下，在查明岩体结构特征和地应力条件的基础上，根据岩体的强度和变形特点就可以判别围岩的稳定性。目前用于研究围岩稳定性的方法有：数学力学计算方法，围岩的变形和破坏机制分析方法，围岩地质结构分析和围岩稳定性分类方法，模拟试验方法等。以岩体结构及地应力理论为基础，系统地分析岩体变形与破坏机制和基本类型介绍围岩的工程分类及其应用。讨论围岩稳定性的评价方法。本章的主要内容：6.2岩体、岩体结构及地应力的概念

岩体：是非均质的、各向异性的不连续地质体，是由岩块和结构面组成的，是自然历史的形成物，位于一定的地质环境中。由各种软弱结构面及其所切割的岩块（或称结构体）组成的。从工程地质角度来看，岩石（又称岩块），是没有包含显著软弱面的岩石材料，是组成岩体的最小单元。坚硬岩体的工程地质性质，严格受其中软弱面的强度、延展性、方向性、组合关系及密度等所控制。由于岩体中通常存在着多而显著的软弱面，致使岩体的强度值低于岩石的强度值，在沿软弱面方向上更是如此建筑物的地基或洞室围岩介质都是岩体，而不是单块的岩石。所以，过去未把岩石与岩体严格地加以区分、并笼统地以单块岩石的工程地质性质代替整个岩体的工程地质性质，都是很不妥当的。岩体与岩体结构不同类型、级别和自然特征的结构面及其切割而成的不同大小和形状的结构体相互组合形成了各种不同的结构特征的岩体。岩体结构类型的划分是研究岩体的地质特征、结构面、结构体自然特征及其组合状况的基础上的进一步概括。中国科学院地质研究所谷德振等将岩体结构划分为四种基本类型和八个亚类，其基本特征见表6-1。不同的岩体结构类型具有不同的工程地质及水文地质特征，对岩体变形与破坏的机制、应力传播的规律、地下水的含水性和渗透性质以及弹性波传播速度等都具有控制作用。但岩体结构分类仅为第一级分类，在此基础上，还必须进一步研究不同结构类型的岩体的变形和强度性质、岩体的完整性等因素，结合不同的工程类型，对岩体质量进行定量化的综合评价和岩体工程分类，这样才能实际地应用在工程的设计和施工中。地应力：指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，或称为初始应力。地应力主要是重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括由岩体的物理、化学变化及岩浆侵人等作用形成的应力，这里主要讨论由自重应力和构造作用引起的地应力。地应力对于表面为水平的半无限体，岩体具有的重度为

在深度为H处的垂直自重应力

v可按下列公式计算水平自重应力

H式中，

为天然应力比值因数，或称为岩体的侧压力因数，

仅与泊松比有关，取值一般为0.25-0.40。自重应力构造应力：指由构造运动引起的地应力。活动的构造应力：是近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏；残余的构造应力：是由古代构造运动残留下来的应力。构造应力塑性松动圈（应力降低区）：

洞室开挖后，邻近洞壁的岩体受到集中应力的作用，当岩体中的应力差-

（极坐标表示，分别为切向应力和径向应力）达到某一极限值时，就产生塑性变形；当应力足够大时，有可能形成一个圈。

关于塑性圈的范围，一般认为与岩体的强度、天然应力的高低有密切关系。在c（粘聚力）、（内摩擦角）值比较低或天然应力比较高的岩体中，塑性圈的扩展范围比较大；反之，则范围很小，甚至不发生塑性变形。此外，塑性圈的范围还与支护（衬砌）的反力大小有关，支护早或反力大，围岩的塑性变形受限制，因而塑性开展的范围就小。

地下洞室围岩的应力特征弹性圈（应力升高区）：

在塑性松动圈外侧，径向应力逐步增大，形成应力升高区。天然应力区：在应力升高区以外应力状态仍保持天然应力状态，应力条件不受洞室开挖的影响。

结构的存在使岩体成为不连续介质，不能承受和传递较大的切应力和拉应力。软弱结构面，又称不连续面，是岩体中的层面、软弱夹层、片理、劈理、节理、断层、裂隙等的统称。结构面的产状与洞室受力方向的不同，将产生三种不同的结果：岩体结构特征对围岩应力的控制：1．结构面与洞室受力方向的夹角大于60⁰或垂直时，洞壁与结构面垂直相交的部位产生最大切向应力。2.结构面与洞室受力方向的夹角小于30⁰或平行时，洞壁与结构面相切的部位产生最大切向应力；当结构面的走向与洞室受力方向平行时，洞顶（底）的切向应力成为最大主应力而径向应力变得弯斜。3.结构面与洞室受力方向斜交成45⁰角时，洞壁与结构面相切及垂直的部位产生相等的最大切向应力。6.3洞室围岩的变形及破坏基本类型

一、岩体洞室的变形与破坏工程实践证明，由于各种岩体在强度和结构方向存在差异，在工程力和地应力作用下，往往在局部洞段上或整个洞段产生岩体的变形与破坏，导致围岩的失稳。常见的围岩变形与破坏形式见表6一21.脆性破裂整体状结构及块状结构岩体，在一般工程地区开挖时是稳定的，有时产生局部掉块；但是在高地应力地区，由于洞室周边应力集中可引起岩爆，属脆性破裂。在地下洞室开挖过程中，施工导洞扩挖时预留的岩柱，易产生劈裂破坏，也具有脆性破裂的特征。有时在整体块状坚硬岩体中，由于断续结构面的存在，沿其端部延展易于产生岩体开裂应变。在这种情况下，岩体的抗开裂强度可能比岩石的单轴抗压强度低一个数量级。因此，在有大量结构面平行洞壁的岩体中，应注意避免在主体洞室开挖之前，就对邻近的支导洞做永久衬砌。2.块体滑动与塌落

块状、厚层状以及一些均质坚硬的层状结构岩体构成的围岩其稳定性是高的。当这类岩体受软弱结构面的切割形成分离块体时，在重力和围岩应力作用下，有可能向临空面方向移动，而形成块体的滑动与塌落。有时还会产生块体的转动、倾倒等现象。

该隧洞位于粗粒花岗岩岩体中，洞长约600，洞径10m，施工期间洞口段多次发生塌方，一次塌方量最多可达400-500m3。据查，塌方与洞口段花岗岩的风化有关，而且洞顶有两条裂隙夹泥，南侧洞壁上有一条直立的风化岩脉及一条陡倾的裂隙夹泥，这四组结构面将洞壁切割成块状结构体。当隧洞的上半部分开挖至拱脚部位，结构体外露失稳向临空方向运动，导致洞口的滑塌在块状岩体中，由于破裂结构面的发育程度和组合形式不同，使分离体的形态各有差异，反映在块体的塌落规模和自行稳定的时间上也不一样。因此，就可以根据洞室各个部位结构面的组合特征，去预报不稳定块体的形态和大小。最为常见的