8 地下洞室的岩土工程勘察

第16章地下洞室的勘察与评价 16 1概述 16 2地下洞室围岩分类 16 3地下洞室围岩稳定性评价 16 4地下洞室位址选择的工程地质论证 16 5地下洞室 岩土工程勘察要点 一 地下洞室的概念地下洞室 人工开挖或天然存在于岩土体内作为各种用途的构筑物统称为地下洞室 也有称为地下建筑或地下工程的 起源 一是人类为了居住而挖掘的窑洞 二是为了采掘地下资源而挖掘的矿山巷道等 埋深2500m 跨度50m 16 1概述 杜甫出生的窑洞 毛泽东住过的窑洞 周恩来的窑洞卧室 煤矿井筒 煤矿巷道 锦屏二级水电站超长引水隧洞 二 地下洞室的分类 1 按用途可分为 地下洞室 地下军事工程 地下铁道 矿山巷道 水工隧洞 地下厂房和仓库 交通隧道 二 地下洞室的分类 2 按内壁有无水可分为 地下洞室 无压洞室 有压洞室 二 地下洞室的分类 3 按断面形状可分为 地下洞室 马蹄形地下洞室 圆形地下洞室 矩形地下洞室 城门洞形地下洞室 二 地下洞室的分类 4 按洞室轴线与水平面的关系可分为 地下洞室 倾斜洞室 水平洞室 竖井 二 地下洞室的分类 5 按围岩介质类型可分为 地下洞室 岩洞 土洞 另外 还有人工洞室与天然洞室之分 三 地下洞室主要的岩土工程问题 地下洞室主要的岩土工程问题 围岩抗力 围岩应力 围岩压力 围岩变形与破坏 各种类型的地下洞室 所产生的岩土工程问题不尽相同 对地质条件的要求也不同 因而所采用的研究方法和研究内容也不尽相同 本章主要讨论单个水平人工岩石洞室的岩土工程勘察与评价 围岩分类是地下洞室围岩稳定性分析的基础 也是解决地下洞室设计与施工工艺标准化的一个重要途径 从岩体工程地质特征出发 总结在各种围岩条件下的支护结构和施工工艺方面成功和失败经验教训的基础上 经过分析概括 即可将围岩归纳为几大类 16 2地下洞室围岩分类 一 围岩分级的目的 作为选择施工方法的依据 进行科学管理及正确评价经济效益 确定结构上的荷载 松散荷载 给出衬砌结构的类型及其尺寸 制定劳动定额 材料消耗标准的基础等等 二 围岩分类方法目前国内外已提出的围岩方法有数十种之多 在定性的 也有定量的 有单一因素分类 也有考虑多种因素的综合分类 分类原则和考虑因素也不尽相同 在各种分类中 考虑较多的因素有以下几种 岩体完整性 成层条件 岩块强度 结构面发育情况及地下水等 下面介绍几种国内外应用较广 影响较大的分类方法 建设部 工程岩体分级标准 交通部 公路隧道设计规范 水利部 水利水电工程地质勘察规范 中科院 岩体结构分类 铁道部 铁路隧道围岩分类 原国家建委 人工岩石洞室围岩分类 工程岩体分级标准 GB T50218 2014 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 16 2 1 工程岩体分级标准 GB T50218 2014 一 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 岩石风化程度的划分表3 2 2 岩体完整程度的定性划分表3 3 1 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 二 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 2 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 3 Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系表3 4 4 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 当Rc 90Kv 30时 应以Rc 90Kv 30和Kv代入计算BQ值 当Kv 0 04Rc 0 4时 应以Kv 0 04Rc 0 4和Rc代入计算BQ值 岩体基本质量指标BQ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 BQ K1 地下水出水状态 BQ K1 BQ K1 BQ 地下水出水状态 K1 BQ 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 初始应力状态 K3 BQ 三 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 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 地下工程岩体自稳能力表E 0 1 注 小塌方 塌方高度 3m 或塌方体积 30m3 中塌方 塌方高度3 6m 或塌方体积30 100m3 大塌方 塌方高度 6m 或塌方体积 100m3 16 2 2 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 公路隧道围岩分级 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 16 2 3 水利水电工程地质勘察规范 GB50487 2008 注 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 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 16 2 3岩体地质力学分类 RMR分类 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 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 16 2 4巴顿岩体质量 Q 分类 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 16 3地下洞室围岩稳定性评价 围岩稳定性评价是地下洞室岩土工程研究的核心 稳定性评价 定性评价 定量评价 工程地质条件综合分析 围岩强度与相应的围岩应力之比 16 5 1可行性研究勘察 16 5地下洞室的勘察要点 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 16 5 2初步勘察 一 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 二 勘察方法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 三 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 级和 级的岩体宜钻入洞底设计标高下1 3m 对 级岩体宜钻入3 5m 对 V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 16 5 3详细勘察 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 评价洞体和围岩的稳定性 为设计支护结构和确定施工方案提供资料 一 详细勘察内容 1查明地层岩性及其分布 划分岩组和风化程度 进行岩石物理力学性质试验 2查明断裂构造和破碎带的位置 规模 产状和力学属性 划分岩体结构类型 3查明不良地质作用的类型 性质 分布 并提出防治措施的建议 1 勘察内容 4查明主要含水层的分布 厚度 埋深 地下水的类型 水位 补给排泄条件 预测开挖期间出水状态 涌水量和水质的腐蚀性 5城市地下洞室需降水施工时 应分段提出工程降水方案和有关参数 6查明洞室所在位置及邻近地段的地面建筑和地下构筑物 管线状况 预测洞室开挖可能产生的影响 提出防护措施 1 勘察内容 二 勘察方法 详细勘察时 勘探点宜在洞室中线外侧6 8m交叉布置 山区地下洞室按地质构造布置 且勘探点间距不应大于50m 城市地下洞室的勘探点间距 岩土变化复杂的场地宜小于25m 中等复杂的宜为25 40m 简单的宜为40 80m 采集试样和原位测试勘探孔数量不应少于勘探孔总数的1 2 详细勘察时 第四系中的控制性勘探孔深度应根据工程地质 水文地质条件 洞室埋深 防护设计等需要确定 一般性勘探孔可钻至基底设计标高下6 10m 控制性勘探孔深度 可按本节第4 2 6条第2款的规定执行 详细勘察可采用浅层地震勘探和孔间地震CT或孔间电磁波CT测试等方法 详细查明基岩埋深 岩石风化程度 隐伏体 如溶洞 破碎带等 的位置 在钻孔中进行弹性波波速测试 为确定岩体质量等级 围岩类别 评价岩体完整性 计算动力参数提供资料 详细勘察的室内试验和原位测试 除应满足初步勘察的要求外 对城市地下洞室尚应根据设计要求进行下列试验 1采用承压板边长为30cm的载荷试验测求地基基床系数 2采用面热源法或热线比较法进行热物理指标试验 计算热物理参数 导温系数 导热系数和比热容 3当需提