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隧道围岩稳定性工程地质分析 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室2010年10月 隧道基本概念隧道 又称地下洞室 是为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室 包括矿山坑道 铁路隧道 水工隧洞 地下发电站厂房 地下铁道及地下停车场 地下弹道导弹发射井等 共同的特点 就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸 并有较大廷伸长度的洞子 所以周围岩层的稳定性就决定着地下建筑的安全和正常使用条件 1基本概念 地下洞室的分类按用途 矿山巷道 井 交通隧道 水工隧道 地下厂房 仓库 地下军事工程按洞壁受压情况 有压洞室 无压洞室按断面形状 圆形 矩形 城门洞形 椭圆形按与水平面关系 水平洞室 斜洞 垂直洞室 井 按介质类型 岩石洞室 土洞按应力情况 单式洞室 群洞 1基本概念 广州地铁东 山口 杨 箕 区间隧道 公路隧道 围岩及围岩应力围岩 surroundingrock 开挖空间周围应力状态发生改变的那部分岩体 二次应力 secondarystress 岩体开挖引起的重新分布的应力 也称次生应力 1基本概念 开挖洞室引起的应力状态的重大变化局限在洞周一定范围之内 通常此范围等于地下洞室横剖面中最大尺寸的3 5倍 习惯上将此范围内的岩体称为 围岩 2008年5月17日 大盈江四级电站是盈江县在建的重要水电站之一 它位于盈江县东南距离县城约70公里的崇山之中 2006年01月16日 贵昆铁路辅助隧道发生塌方12名施工人员被困 2007年1月12日 巴西圣保罗市西部地铁4号线一处工地发生塌方事故 当天下午发生的这次塌方事故造成至少3人受伤 1人失踪 2005 10 27 天汕高速广福隧道塌方12人被困 该隧道是双洞分离式高速公路隧道 出事点离出口约463米 离工作面约80米 原设计该段岩层为较坚固的V类围岩 开挖后发现实际变更为较差的III类围岩 2隧道围岩变形破坏方式 地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化 促使围岩性状发生变化的因素 除了卸荷回弹和应力重分布之外 还有水分的重分布 一般说来 洞室开挖后 如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用 围岩即将发生塑性变形成破坏 这种变形或破坏通常是从洞室周边 特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始 而后逐步向围岩 内部发展的 脆性围岩变形破坏脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体 这类围岩的变形和破坏 主要是在回弹应力和重分布的应力作用下发生的 水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱 脆性围岩变形破坏的形式和特点 一般有弯折内鼓 张裂塌落 劈裂剥落 剪切滑移以及岩爆等不同类型 2隧道围岩变形破坏方式 1 弯折内鼓层状 特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式 从力学机制来看 它的产生可能有两种情况 一是卸荷回弹的结果 二是应力集中使洞壁处的切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度所造成的 2隧道围岩变形破坏方式 2隧道围岩变形破坏方式 2 张裂塌落张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱 当那里产生拉应力集中 且其值超过围岩的抗拉强度时 顶拱围岩就将发生张裂破坏 尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时 特别是当有近水平方向的软弱结构面发育 岩体在垂直方向的抗拉强度较低时 往往造成顶供的塌落 2隧道围岩变形破坏方式 2隧道围岩变形破坏方式 2隧道围岩变形破坏方式 3 劈裂剥落 剪切滑移及碎裂松动a 劈裂剥落围岩表部发生平行于洞室周边的破裂 一些平行的破裂将围岩切割成厚度由几厘米到几十厘米的薄板 它们往往沿壁面剥落 劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内 视围岩应力条件的不同 可发生于顶拱 也可发生于边墙之上 前者造成顶拱的片状冒落 后者则造成通常所谓的片帮 2隧道围岩变形破坏方式 b 剪切滑移这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内 随围岩应力条件的不同 可发生在边墙上 也可发生于顶拱 2隧道围岩变形破坏方式 2隧道围岩变形破坏方式 c 碎裂松动碎裂松动是碎裂结构岩体变形 破坏的主要形式 这类松动带本身是不稳定的 特别是当有地下水的活动参与时 极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳 由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大 因此为了防止这类围岩变形 破坏的过度发展 必须及时采取加固措施 2隧道围岩变形破坏方式 4 岩爆在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来 这就是所谓的岩爆 岩爆发生时 岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出 抛出的岩体大小不等 大者可达几十吨 小者长仅几厘米 大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响 甚至还伴有周围岩体的振动 岩爆对于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害 大者能破坏支护 堵塞坑道 造成重大的伤亡事故 小者也能威胁工人的安全 2隧道围岩变形破坏方式 塑性围岩的变形与破坏塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体 如页岩 泥岩和粘土岩等 和散体结构岩体 这类围岩的变形与破坏 主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的 主要有塑性挤出 膨胀内鼓 塑流涌出和重力坍塌等不同类型 现分述如下 2隧道围岩变形破坏方式 1 塑性挤出 结构条件 层状及类似层状结构的岩体 通过具有软硬相间的特征 岩性条件 a 固结程度较差的泥岩 粘土岩 b 各种富含泥质的沉积或变质岩层 如泥岩 页岩 板岩和千枚岩等 中的挤压剪切破碎带 c 火成岩中的富含泥质的风化破碎夹层等 特别是当这些岩体富含水分而处于塑性状态时 就更易于被挤出 力学机制 压应力集中使洞壁处的切向应力超过围岩的屈服强度 产生部位 软弱岩体出露部位 表现形式 局部鼓出或突起 2隧道围岩变形破坏方式 几种发生塑性挤出的地质条件 2隧道围岩变形破坏方式 2 膨胀内鼓洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向图岩表部转移 结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形 这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的 退水后易于膨胀的岩石主要有两类 一类是富含粘土矿物 特别是蒙脱石 的塑性岩石 如泥质岩 钻土岩 膨胀性粘土等 另一类是含硬石膏的地层 如硬石膏退水后就会发水化而转化为石膏 体积随之而增大 从而可以产生的强大山压 给隧道的施工和运行带来很大困难 2隧道围岩变形破坏方式 3 塑流涌出当开挖揭穿了饱水的断裂带内的松散破碎物质时 这些物质就会和水一起在压力下呈央有大量碎屑物的泥浆状突然地涌人洞中 有时甚至可以堵塞坑道 给施工造成很大的困难 4 重力坍塌破碎松散岩体在重力作用下发生的塌方 2隧道围岩变形破坏方式 围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系 2隧道围岩变形破坏方式 3隧道围岩稳定性影响因素 地下洞室围岩的稳定与岩性 岩体结构与构造等自然因素有关 与开挖方式 支护形式及时间等人为因素也有关 1 岩性坚硬完整的岩石一般对围岩稳定性影响较小 而软弱岩石则由于岩石强度低 抗水性差 受力容易变形和破坏 对围岩稳定性影响较大 如果地下洞室围岩强度较低 裂隙发育 遇水软化 特别是具有较强膨胀性围岩 则二次应力使围岩产生较大的塑性变形 或较大的破坏区域 同时裂隙间的错动 滑移变形也将增大 势必给围岩的稳定带来重大影响 2 岩体结构块状结构的岩体作为地下洞室的围岩 其稳定性主要受结构面的发育和分布特点所控制 这时的围岩压力主要来自最不利的结构面组合 同时与结构面和临空面的切割关系有密切关系 碎裂结构围岩的破坏往往是由于变形过大 导致块体间相互脱落 连续性被破坏而发生坍塌 或某些主要连通结构面切割而成的不稳定部分整体冒落 其稳定性最差 3隧道围岩稳定性影响因素 3 天然应力状态地应力随地下洞室的埋深增加而增大 因此一般地下洞室埋藏越深 稳定性越差 根据经验 沿构造应力最大主应力方向延伸的地下洞室比垂直最大主应力方向延伸的地下洞室稳定 地下洞室的最大断面尺寸沿构造应力最大主应力的方向延伸时较为稳定 这是由围岩应力分布决定的 一般地质构造复杂的岩层中构造应力十分明显 尽量避开这些岩层 对地下洞室的稳定非常重要 3隧道围岩稳定性影响因素 4 地下水静水压力作用于衬砌上 等于给衬砌增加了一定的荷载 因此 衬砌强度和厚度设计时 应充分考虑静水压力的影响 另一方面 静水压力使结构面张开 减小了滑动摩擦力 从而增加了围岩坍塌 滑落的可能性 动水压力的作用促使岩块沿水流方向移动 也冲刷和带走裂隙内的细小矿物颗粒 从而增加裂隙的张开程度 增加围岩破坏的程度 地下水对岩石的溶解作用和软化作用 也降低了岩体的强度 影响围岩的稳定性 3隧道围岩稳定性影响因素 5 工程因素地下洞室围岩的稳定性 除了受到上述天然因素的影响外 人为因素也是不可忽视的 比如开挖方法 开挖强度 支护方法和时间等因素 3隧道围岩稳定性影响因素 4隧道围岩稳定性评价 1 地质判断对于一般的工程隧洞 由于规模和埋深不大 破坏失稳总是发生在围岩强度显著降低的部位 不稳定的地质标志较为明显 主要有 破碎松散岩石或软弱的塑性岩类分布区 包括岩体中的风化 构造破碎带以及风化速度快 力学强度低 遇水易于软化 膨胀或崩解的钻土质岩类的分布地带 碎裂结构岩体及半坚硬的薄层状结构岩体分布区 坚硬块体状及厚层状岩体中 为几组软弱结构面切割 能于洞顶或边墙上构成不稳定结构体的部位 破碎松散岩体 稳定性最差 碎裂或半坚硬薄层结构岩体 稳定性较差 坚硬层状岩体结构紧密 稳定性较好 新鲜 坚硬块层状岩体 稳定性最好 2 围岩分级根据岩体完整程度和坚硬程度等主要指标 按稳定性对围岩级别进行划分 围岩分级方法20世纪60年代前 围岩分类主要以岩石强度这一单指标为基础 可靠度较低 60年代以后 地下洞室围岩分类有了新的发展 人们逐步引入了岩体完整性的概念等 并于20世纪末得到飞速发展 迄今 国内外提出的洞室围岩分类方法多达百种 见下表 4隧道围岩稳定性评价 4隧道围岩稳定性评价 国标BQ法 工程岩体分级标准 GB50218 94 确定BQ值需要两个指标 岩体单轴饱和 湿 抗压强度 RC 和岩体完整性指标 KV 确定了RC和KV的值以后 可按下式计算岩体的基本质量 BQ 90 3RC 250KV在使用上式前 应遵守以下限制条件 当RC 90KV 30时 应以RC 90KV 30代入上式计算BQ值 当KV 0 04RC 0 4时 应以KV 0 04RC 0 4代入上式计算BQ值 KV 岩体完整性指数 Kv 应针对不同的工程地质岩组或岩性段 选择有代表性的点 段 测定岩体弹性纵波速度 并应在同一岩体取样测定岩石弹性纵波速度 4隧道围岩稳定性评价 在计算出BQ值以后 可以根据表4进行岩体基本质量分类 下表岩体基本质量分级表 4隧道围岩稳定性评价 无论是采用定性的或定量的分类方法 国标法都对各种情况进行了考虑 例如在定性分类中 除给出了岩石的坚硬程度 岩体的风化程度 岩体的完整程度和结构面的结合程度的详细划分外 还对高地应力以及地下水的情况做了说明 在定量分类时 该方法考虑了当地下硐室遇有下列情况之一时 有地下水 围岩稳定性受软弱结构面影响 且由一组起控制作用 存在高初始应力现象 对于BQ值进行了修正 修正的BQ值按下式计算 BQ BQ 100 K1 K2 K3 式中 BQ 为修正的BQ值 K1 为地下水影响修正系数 K2 为主要软弱结构面产状影响修正系数 K3 为初始应力状态影响修正系数 4隧道围岩稳定性评价 地下水影响修正系数K1 4隧道围岩稳定性评价 主要软弱结构面产状影响修正系数K2 天然应力影响修正系数 K3 表 4隧道围岩稳定性评价 4隧道围岩稳定性评价 4隧道围岩稳定性评价 4隧道围岩稳定性评价 4隧道围岩稳定性评价 5隧道围岩分级现场工作方法 野外需要收集的资料和方法如下 1 岩石强度特征 岩石强度通过点荷载或回弹仪器进行测试 2 围岩RQD RQD一定程度上反映了围岩的完整性 在也是半定量评分中的一个关键因素 通过测量洞轴方向上的大于10cm完整岩块占总长的比例获得 如果在轴向和竖向上各向异性比较强 则可测量两个方向的RQD值 选其平均值作为计算值 5隧道围岩分级现场工作方法 5隧道围岩分级现场工作方法 3 围岩结构面特征围岩结构面特征主要通过实测地下洞室内的大于1m的结构面获取 结构展示图有单壁展示图和三壁展示图 详细测量每条结构面的延伸长度 间距 张开度 充填 产状等要素 5隧道围岩分级现场工作方法 4 围岩波速测试 有条件的情况下可进行波速测试 其可直接换算围岩的完整性 较为准确 5 围岩赋存环境要特别注意围岩中地下水的分布特征及其规模 对于地应力较高地区 要获取地应力量值 在以上围岩特征收集基础上 可进行定性分析 半定量分类和定量计算 5隧道围岩分级现场工作方法 5隧道围岩分级现场工作方法 三大岩类沉积岩 岩浆岩 变质岩岩石定名或描述规则 颜色 岩性 结构 构造比如 砖红色厚层岩屑砂岩灰色厚层块状流纹质凝灰岩 晶屑凝灰岩 玻屑凝灰岩等 其它相关内容 流纹凝灰岩 角砺凝灰岩 玻璃质凝灰岩 其它相关内容 凝灰岩野外识别标志 1 层理上 砂岩一般比较清晰 甚至有斜层理 凝灰岩则比较差 且不会有斜层理 2 颜色上 砂岩一般比较均一 凝灰岩则比较杂 3 碎屑上 砂岩中长石 石英碎屑磨圆度较好 大小也较为均一 因为经历过水的分选 而凝灰岩则各种几何形态都有 晶体有爆碎痕迹 即晶屑 而且大小较杂 4 上下层位上 砂岩一般与砾岩 泥岩 灰岩组合成一个大的沉积韵律 而凝灰岩则与火山角砾岩 火山集块岩 沉凝灰岩 凝灰质灰岩等构成火山喷发韵律 甚至有次火山脉岩等 其它相关内容 岩体及结构面 1 岩体 RockMass 地质体中与工程建设有关的那一部分岩石 它处于一定的应力状态 被各种结构面所分割 具有一定的结构特征 岩体具有三方面特征 一定的岩性 一定的结构类型 一定的应力状态 这些特征处于长期不断地变化过程中 其它相关内容 2 结构面 StructuralPlane 岩体中具有一定方向 力学强度相对较低 两向延伸 或具有一定厚度 的地质界面 或带 如岩层层面 软弱夹层 各种成因的断裂 裂隙等 由于这种界面中断了岩体的连续性 故又称不连续 discontinuities 其它相关内容 3 结构体 StructuralBody 结构面在空间的分布和组合将岩体切割成形状 大小不同的块体 称结构体 其它相关内容 结构面的主要类型及特征 1 结构面的成因分类 最基本的分类方法 原生结构面 沉积结构面 层理 层面 软弱夹层 不整合面等 火成结构面 侵入体与围岩接触面 岩脉 岩墙接触面 喷出岩的流线 流面 冷凝节理面等 变质结构面 片理 片麻理 板劈理 片岩软弱夹层等 层面 石英脉 片理 其它相关内容 构造结构面 节理 X型节理 张节理 断层 正断层 逆断层 走滑断层 层间错动带 羽状裂隙 破劈理 节理 断层 层间错动带 其它相关内容 浅 表生结构面 浅层结构面 表部结构面 卸荷断裂重力扩展变形破裂卸荷裂隙风化裂隙风化夹层泥化夹层次生夹泥 泥化夹层 次生夹泥 卸荷裂隙 其它相关内容 2 结构面规模等级划分 按其对岩体力学行为所起控制作用 可划分为三个等级 其它相关内容 岩体分类岩体分类 岩体结构分类 岩体工程应用分类 1 岩体结构分类 岩体结构是建造和改造这两方面的综合产物 岩体结构类型划分也必须从这两方面综合考虑 首先按建造特征将岩体划分为块体状 或整体状 结构 块状结构 层状结构 碎块状结构和散体状结构等类型 块体状结构 岩性均一 无软弱面的岩体 含有的原生结构面具有较强的结合力 间距大于1m 如 厚层碳酸盐岩 碎屑岩 花岗岩 闪长岩 原生节理不太发育的流纹岩 安山岩 玄武岩 凝灰角砾岩 其它相关内容 块状结构 岩性较均一 含有2 3组较发育的软弱结构面的岩体 结构面间距1 0 5m 如 成岩裂隙较发育的厚层砂岩或泥岩 槽状冲刷面发育的河流相砂岩体等沉积岩 原生节理较发育的火山岩体等 层状结构 含有一组连续性好 抗剪性能显著较低的软弱面的岩体 一般岩性不均一 可进一步分为层状 软弱面间距50 30cm 薄层状 间距小于30cm 还可以据岩性不均一程度划分出软硬相间的互层状结构 碎块状结构 含有多组密集结构面 岩体被分割成碎块状 以某些动力变质岩为典型 其次 按岩体改造的程度划分为完整的 块裂化或板裂化 碎裂化和散体化等四个等级 岩体结构分类已被广泛采用 划分依据和各结构类型岩体的主要特征见图1 4 其它相关内容 其它相关内容 其它相关内容 块状结构 次块状结构 结构面间距50cm 30cm 整体块状结构 结构面间距大于100cm 块状结构 结构面间距100cm 50cm 其它相关内容 层状结构 薄层状结构 小于10cm 厚层状结构 100 50cm 中厚层结构 50 30cm 互层状结构 30 10cm 巨厚层状结构 大于100cm 其它相关内容 镶嵌结构 岩块嵌合紧密 较紧密 结构面较发育 很发育 间距一般30cm 10cm 其它相关内容 碎裂结构 块裂结构 碎裂结构 完整性差 有岩屑和泥质物充填 嵌合中等紧密 较松弛 结构面很发育 间距30cm 10cm 较破碎 岩块间有岩屑和泥质物充填 嵌合较松弛 松弛 结构面很发育 间距小于10cm 其它相关内容 散体结构 碎块状结构 碎屑状结构 岩体破碎 岩块夹岩屑或泥质物 嵌合松弛 极破碎 岩屑或泥质物夹岩块 嵌合松弛 其它相关内容 2 岩体的工程应用分类以岩体稳定性或岩体质量评价为基础的综合性分类 目前主要考虑三方面因素的指标 与岩石工程性质有关的指标 力学性质 岩体后期改造有关的指标 岩体结构 岩体赋存条件方面的指标 地下水或地应力等 常用的分类体系有 BQ Q系统等这些分类力图将岩体类型与稳定性分析 定量评价以及工程对策设计等实际问题联系起来 因而受到地质和工程界的重视 其它相关内容 岩层产状 1 岩层产状要素即空间位置 由走向 倾向和倾角三要素来确定 走向 岩层面与水平面的交线 称走向线走向线两端所指的方向称走向 倾向 垂直于走向线沿层面向下所引的直线 称倾斜线 其在水平面上的投影线所指方向 称为倾向 倾角 倾斜线与其在水平面上的投影线间的夹角 其它相关内容 2 岩层产状的表示岩层产状要素用规定的文字和符号表示水电 走向 倾向 倾角N15 E SE