隧道围岩稳定性工程地质分析

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。隧道的基本概念：隧道，也称为地下洞穴，是在地层中建造的用于各种目的的中空通道或空腔。包括矿井隧道、铁路隧道、水工隧道、地下电站、地下铁路和地下停车场、地下弹道导弹发射井等。其共同特征是，必须在岩体中挖掘具有一定横截面面积和尺寸以及较大延伸长度的孔。因此，围岩的稳定性决定了地下建筑的安全和正常使用条件。1、基本概念、地下洞室按用途分类：矿山隧道(井)、交通隧道、水工隧道、地下厂房(仓库)、地下军事工程(按墙压)、压力洞室和非压力洞室(按横截面形状):圆形、矩形、闸门洞室、椭圆形(按与水平面的关系):水平洞室、倾斜洞室、垂直洞室(按介质类型):岩石洞室和土壤洞室(按受力情况):单洞、群洞、1、基本概念。 广州地铁东(山口)-阳(基)段隧道、公路隧道、围岩及围岩应力开挖空间周围岩体应力状态发生变化的部分。 次应力是岩体开挖引起的再分布应力，也称为次应力。1、基本概念，开挖引起的应力状态的显著变化仅限于孔周围的一定范围。通常这个范围等于地下洞穴横截面最大尺寸的3-5倍。该范围内的岩体通常被称为“围岩”。2008年5月17日，盈江四级电站是盈江县正在建设的重要电站之一。它位于盈江县东南约70公里的崇山。2006年1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号线的一个建筑工地发生滑坡。在那天下午的山体滑坡中，至少有3人受伤，1人失踪。2005年10月27日，12人被困在天山高速公路广府隧道中，该隧道为双孔分离式公路隧道。事故点距离出口463米，距离工作面80米。根据原设计，该段岩层为较强的五类围岩。开挖后，发现实际变化为较差的三级围岩。2.隧道围岩变形破坏模式。地下洞室的开挖通常会导致围岩性质的巨大变化。促进围岩性质变化的因素不仅包括卸荷回弹和应力重分布，还包括水的重分布。一般来说，如果洞室开挖后围岩不能承受回弹应力或再分布应力，围岩将发生塑性变形，形成破坏。这种变形或破坏通常从洞穴周围开始，特别是最大压应力或拉应力集中的部分，然后逐渐向周围岩石和内部发展。脆性围岩变形与破坏脆性围岩包括具有各种块状或层状结构的硬或半硬脆性岩体。这类围岩的变形破坏主要发生在回弹应力和再分布应力的作用下，水的再分布对变形破坏的影响相对较小。脆性围岩变形破坏的形式和特征。一般来说，隧道围岩存在不同类型的变形和破坏，如弯曲内胀、拉裂缝坍塌、劈裂剥落、剪切滑移和岩爆。2隧道围岩变形破坏模式，(1)弯曲内部隆起层，特别是薄层围岩的主要变形破坏模式。从力学机理来看，它可能在两种情况下产生：一是卸载和回弹的结果；二是应力集中，使隧道壁的切向压应力超过薄层岩层的抗弯强度。隧道的变形和破坏模式2、隧道围岩的变形和破坏模式；2、隧道围岩的变形和破坏模式；2、隧道围岩的变形和破坏模式；3、劈裂剥落、剪切滑动和劈裂松动；a、平行于洞室围岩的劈裂剥落围岩表面裂纹。一些平行的裂缝将周围的岩石切割成厚度从几厘米到几十厘米的薄板，这些薄板通常会沿着墙面剥落。分裂剥落通常发生在厚层状或块状岩体中。根据围岩的应力条件，它可能发生在拱顶或侧壁。前者导致屋顶拱剥落，而后者导致所谓的剥落。2、隧道围岩的变形和破坏模式，b)剪切滑移，主要发生在厚层状或块状岩石中。根据围岩应力条件，它可能发生在侧壁或顶部拱上。2、隧道围岩变形破坏模式；2、隧道围岩变形破坏模式；3、破碎、松动、破碎和松动是破碎岩体变形破坏的主要形式。这种松散带本身是不稳定的，特别是当涉及地下水活动时，很容易导致拱顶坍塌和边墙失稳。随着时间的推移，松散带的厚度将逐渐增加，必须及时采取加固措施，防止这类围岩变形破坏的过度发展。2隧道围岩变形和破坏模式，(4)岩爆在地下开挖或开采过程中突然以爆炸的形式出现，这就是所谓的岩爆。当岩爆发生时，岩石或煤会突然从周围的岩石中抛出。抛出的岩体大小不一，从几十吨到几厘米不等。大型岩爆通常伴随着剧烈的空气翻腾和巨大的噪声，甚至伴随着围岩的振动。岩爆通常会对地下开挖或地下工程建筑造成巨大危害。较大的爆炸会损坏支架，堵塞隧道，造成重大伤亡。小人也会威胁到工人的安全。2、隧道围岩的变形破坏模式，塑性围岩的变形破坏塑性围岩包括各种软弱层状结构岩体(如页岩、泥岩、粘土岩等。)和松散结构岩体。这类围岩的变形破坏主要发生在应力重分布和水分重分布的作用下。主要有不同类型的塑性挤压、膨胀内胀、塑性流涌出和重力坍塌，现分为以下两种：隧道围岩的变形破坏模式，(1)塑性挤压 :层状及类似层状岩体(通过软硬相间的特性)；(2)岩性条件：(1)泥岩和粘土岩固结度差；(b)各种泥质沉积岩或变质岩(如泥岩、页岩、板岩、千枚岩等)中的压缩剪切破碎带。)；火成岩中富含泥浆的风化和破碎夹层等。特别是当这些岩石富含水且呈塑性状态时，它们更容易被挤压出来。(3)力学机制：压应力集中使洞壁切向应力超过围岩屈服强度。赋存位置：软弱岩体的出露位置。(5)表现形式：局部隆起或突出、隧道围岩变形破坏模式、隧道围岩塑性挤压的几种地质条件、变形破坏模式；(2)膨胀内膨式洞室开挖后在围岩表面形成减压区，往往促进水从内部高应力区向围岩表面转移，导致一些易吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内膨变形，这显然是围岩中水的再分布造成的。主要有两种岩石在抽水后容易膨胀：第一类是富含粘土矿物(尤其是蒙脱石)的塑性岩石，如泥质岩石、钻地岩石、膨胀粘土等。另一个是含有硬石膏的地层。例如，硬石膏脱水后会水合并转化为石膏，其体积也会相应增加。由此产生的强大山体压力给建设和运营带来了很大困难2、隧道围岩变形破坏模式，围岩变形破坏模式及其与围岩岩性和结构的关系，2、隧道围岩变形破坏模式，3、影响隧道围岩稳定性的因素，地下洞室围岩稳定性与岩性、岩石结构和构造等自然因素有关，还与开挖方式、支护形式和时间等有关。(1)岩性坚硬、完整的岩石一般对围岩稳定性影响不大，而软弱岩石由于强度低、抗水性差、受力易变形破坏，对围岩稳定性影响较大。如果地下洞室围岩强度低，遇到水时会产生裂缝并软化，特别是膨胀性强的围岩，次生应力会引起围岩大的塑性变形或大的破坏面积。同时，裂隙间的错动和滑移变形也会增加，这必然会对围岩的稳定性产生重大影响。(2)作为地下洞室的围岩，岩体结构庞大的岩体稳定性主要受结构面的发育和分布特征控制。此时，围岩压力主要来自结构面的最不利组合，与结构面与相邻面的切割关系密切相关。断裂构造的围岩破坏往往是由于过度变形，导致块体相互脱落，连续性被破坏而发生坍塌，或被一些主要连接构造面切割的不稳定部位整体脱落，稳定性最差。(3)自然应力状态下的地应力随着地下洞室埋深的增加而增加，地下洞室埋深越深，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于最大主应力方向延伸的地下洞室更稳定。地下洞室最大断面尺寸沿构造应力最大主应力方向延伸时相对稳定，这是由围岩应力分布决定的。总的来说，构造应力在地质构造复杂的地层中非常明显。尽可能避开这些地层对地下洞室的稳定性非常重要。3.影响隧道围岩稳定性的因素。4.作用在衬砌上的地下水静水压力给衬砌增加了一定的荷载。因此，在设计衬砌强度和厚度时，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，减少滑动摩擦，从而增加围岩坍塌和滑动的可能性。动水压力的作用促使岩块沿水流方向运动，同时冲刷并带走裂隙中的细小矿物颗粒，从而增加裂隙的张开度，增加围岩的破坏程度。地下水在岩石上的溶解和软化也会降低岩体的强度，影响围岩的稳定性。3、影响隧道围岩稳定性的因素，(5)工程因素地下洞室围岩稳定性，除了受上述自然因素影响外，人的因素也不可忽视，如开挖方法、开挖强度、支护方法和时间等。3、影响隧道围岩稳定性的因素，4、隧道围岩稳定性的评价，(1)一般工程隧道的地质判断，由于规模小、埋深小，在围岩强度明显降低的地方，往往会发生破坏和失稳，不稳定的地质迹象更加明显，主要包括：破碎松散岩或弱塑性岩的分布区域：包括岩体中的风化、 风化速度快、机械强度低、遇水易软化、膨胀或崩解的钻孔-土壤岩石的结构破碎带和分布区； (2)碎裂岩体和半硬薄层结构岩体的分布区域；(3)在坚硬块状、厚层状岩体中，是由几组弱结构面切割而成的部分，可在顶板或侧壁形成不稳定结构截至目前，国内外提出的洞室围岩分类方法多达100种，如下表所示。4隧道围岩稳定性评价、4隧道围岩稳定性评价、国家标准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)和岩体完整性指数(KV)。当钢筋混凝土和千伏值确定后，岩体的基本质量可按下式计算：BQ=90 3RC250KV在使用上式之前，应遵守以下限制：当钢筋混凝土为90KV30时，BQ值应以钢筋混凝土=90KV30代入上式计算；当KV0.04RC 0.4时，应通过将Kv=0.04Rc0.4代入上述公式来计算BQ值。Kv=岩体完整性指数(Kv)。对于不同的工程地质岩组或岩性剖面，应选择有代表性的点和剖面测量岩体的弹性纵波速度，在同一岩体中取样测量岩体的弹性纵波速度。4、隧道围岩稳定性评价。计算BQ值后，可根据表4进行岩体基本质量分类。下表列出了岩体的基本质量分类。4、隧道围岩稳定性评价，无论采用定性还是定量分级方法，国标方法都考虑了各种情况。例如，在定性分类中，除了给出岩石硬度、岩体风化程度、岩体完整性程度和结构面组合程度的详细划分外，还解释了高地应力和地下水的情况。在定量分类中，该方法考虑了地下洞室的下列情况之一：地下水；(2)围岩稳定性受软弱结构面影响，受一个群体控制；初始应力高。对BQ值进行修正，修正后的BQ值按下式计算：BQ=BQ-100(K1、K2、K3)，其中：BQ为修正后的BQ值；K1为地下水影响修正系数；K2是主要弱结构面出现的修正系数。K3是初始应力状态影响的修正系数。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、自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、5隧道围岩分级现场工作方法、现场数据及收集方法如下：(1)岩石强度特征：用点荷载或回弹仪测试岩石强度。(2)围岩质量指标：质量指标在一定程度上反映了围岩的完整性，也是半定量评分的关键因素。它是通过测量孔轴方向上大于10厘米的完整岩石块占总长度的比例获得的。如果轴向和垂直各向异性相对较强，可以测量两个方向的RQD值，并选择平均值作为计算值。5隧道围岩分类现场工作法、5隧道围岩分类现场工作法，(3)围岩结构面特征围岩结构面特征主要通过测量地下洞室中大于1m的结构面获得。结构展示图包括单壁展示图和三壁展示图。每个结构平面延伸长度、间距、开口、填充、产状等要素的详细测量。5、隧道围岩分类现场工作方法，(4)围岩波速测试：波速测试可以在一定条件下进行，可以直接转换围岩的完整性，更加准确。(5)应特别注意地下水在围岩中的分布特征和规模。对于高地应力地区，应获得地应力值。基于以上收集的围岩特征，可以进行定性分析、半定量分类和定量计算。、5隧道围岩分类现场工作方法、5隧道围岩分类现场工作方法、三大岩石沉积岩、岩浆岩和变质岩的命名或描述规则：颜色、岩性、结构和构造，如砖红色厚层岩屑砂岩灰色厚层块状流纹岩凝灰岩、水晶碎屑凝灰岩、玻璃碎屑凝灰岩等。其他相关内容、流纹岩凝灰岩、角闪石凝灰岩、玻璃凝灰岩、其他相关内容、凝灰岩现场识别标志层理、砂岩一般清晰甚至倾斜层理；凝灰岩相对较差，没有倾斜层理。(2)在颜色上，砂岩一般比较均匀，而凝灰岩比较混杂。(3)在碎屑上，砂岩中的长石和应时碎屑由于经过水的分选，具有良好的圆度和均匀的粒度。另一方面，凝灰岩有多种几何形状。晶体有爆炸痕迹，即晶体碎屑，大小不一。(4)在上下地层中，砂岩一般与砾岩、泥岩和灰岩结合，形成大的沉积韵律；另一方面，凝灰岩与火山角砾岩、火山集合体、凝灰岩、凝灰岩等形成火山喷发的韵律，甚至与次级火