地下洞室的工程地质问题

第六章地下洞室的工程地质问题,第一节概述第二节洞室位置的选择第三节洞室围岩压力(了解)第四节洞室围岩的破坏形式第五节洞室围岩稳定性因素的分析第六节保障洞室围岩稳定性的措施（重点）第七节岩体的工程分类,一、定义地下洞室：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；,第一节概述,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：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）。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。我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例见下表,地铁塌方事故：,北京：2007年3月28日海淀南路地铁10号线工程塌方，6名施工者被埋；广州：2008年1月17日，珠江大桥引桥下双桥路旁边花圃内地面突然下陷；深圳：2008年4月1日，龙岗区地铁3号线工地施工时发生坍塌，造成3死2伤。,二、分类成因人工洞室天然洞室过水洞室不过水洞室有压洞室无压洞室,第二节洞室位置的选择,一、地下工程总体位置的选择在进行地下工程总体位置选择时，首先要考虑区域稳定性，此项工作的进行主要是向有关部门收集当地的有关地震、区域地质构造史及现代构造运动等资料，进行综合地质分析和评价。特别是对于区域性深大断裂交会处，近期活动断层和现代构造运动较为强烈的地段，尤其要引起注意。,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；地下水影响小，水质满足建厂要求；5.无有害气体及异常地热；,二、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0.51.0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。,三、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）布置洞室的岩性要求洞室工程的布置对岩性的要求是：尽可能使地层岩性均一，层位稳定，整体性强，风化轻微，抗压与抗剪强度较大的岩层中通过。一般说来，举凡没有经受剧烈风化及构造运动影响的大多数岩层都适宜修建地下工程。,（二）地质构造与洞室轴线的关系下面进一步分析有关洞室轴线与岩层产状要素以及与地质构造的关系。1当洞室轴线平行于岩层走向时，根据岩层产状要素和厚度不同大体有如下三种情况：,（）在水平岩层中（岩层倾角510），若岩层薄，彼此之间联结性差，又属不同性质的岩层，在开挖洞室（特别是大跨度的洞室）时，常常发生塌顶，因为此时洞顶岩层的作用如同过梁，（1、过梁：可分为砖拱过梁、钢筋砖过梁和钢筋混凝土过梁三种。主要设置在墙体上开设门窗等洞的上方，承受洞口上部的荷载。）,它很容易由于层间的拉应力到达极限强度而导致破坏。如果水平岩层具有各个方向的裂隙，则常常造成洞室大面积的坍塌。因此，在选择洞室位置时，最好选在层间联结紧密、厚度大（即大于洞室高度二倍以上者）不透水、裂隙不发育，又无断裂破碎带的水平岩体部位，这样对于修建洞室是有利的（图8-12）。,（）在倾斜岩层中，一般说来是不利的，因为此时岩层完全被洞室切割，若岩层间缺乏紧密联结，又有几组裂隙切割，则在洞室两侧边墙所受的侧压力不一致，容易造成洞室边墙的变形（图8-13）。,（）在近似直立的岩层中，一定要注意不能把洞室选在软硬岩层的分界线上（图8-14）。特别要注意不能将洞室置于直立岩层厚度与洞室跨度相等或小于跨度的地层内（图8-15）。因为地层岩性不一样，在地下水作用下更易促使洞顶岩层向下滑动，破坏洞室，并给施工造成困难。,当洞室轴线与岩层走向垂直正交时，为较好的洞室布置方案。（）当岩层倾角较陡，各岩层可不需依靠相互间的内聚力联结而能完全稳定。因此，若岩性均一，结构致密，各岩层间联结紧密，节理裂隙不发育。在这些岩层中开挖地下工程最好（图8-16）。,（）当岩层倾角较平缓，洞室轴线与岩层倾斜的夹角较小，若岩性又属于非均质的、垂直或外交层面节理裂隙又发育时，在洞顶就容易发生局部石块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形特征（图8-17）。洞室轴线穿过褶曲地层时，一般洞室轴线穿越褶曲地层时可遇到以下几种情况：,（）洞室横穿向斜层。在向斜的轴部有时可遇到大量地下水的威胁和洞室顶板岩块崩落的危险。因轴部的岩层遭到挤压破碎常呈上窄下宽的楔形石块（图8-18），组成倒拱形，因而使其轴部岩层压力增加，洞顶岩块最容易突然地坍落到洞室。另外，由于轴部岩层破碎又弯曲呈盆形，在这些地带往往是自流水储存的场所。（图8-19）。,（）洞室轴线横穿背斜层。由于背斜呈上拱形。岩层被破碎如石砌的拱形结构，能很好的将上覆岩层的荷重传递到两侧岩体中去。因而地层压力既小又较少发生洞室顶部塌坍的事故。但是应注意若岩层受到剧烈的动力作用被压碎，则顶板破碎岩层容易产生小规模掉块。因此，当洞室穿过背斜层也必须进行支撑和衬砌（图8-20）。,第三节洞室围岩压力,一、天然地应力1、自重应力2、构造应力二、洞室围岩二次应力1、轴对称圆形洞室围岩二次应力2、圆形洞室时的情况3、椭圆形洞室、等应力轴比4、非圆形断面洞室的弹性应力分布特征,三、有塑性区产生的围岩应力分布四、围岩压力的确定1、围岩压力的形成2、影响围岩压力的因素（1）洞室的形状和大小（2）地质构造（3）支护的形式和刚度（4）洞室深度（5）时间（6）施工方法,（1）普室压力拱法（2）太沙基理论4、变形压力的计算,第四节洞室围岩的破坏形式一、冒顶二、侧壁滑塌与内鼓三、底鼓及径缩四、岩爆五、局部破坏六、围岩破坏导致的地面沉降1、塌落带2、裂隙带3、弯曲带,第五节洞室围岩稳定性因素分析,一、围岩稳定的概念围岩稳定是指在一定时间内、在一定的地质力和工程力作用下岩体不产生破坏和失稳。,影响因素（一）岩石特性（二）地质构造（三）岩体结构（四）地下水与岩溶（五）构造应力（六）洞室跨度（七）开挖方式（八）支护方式（九）支护时间,第六节保障洞室围岩稳定性的措施,围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。施工方案选定合理，对保护围岩稳定性有很大意义；隧洞的开挖方式，基本上有两种：一种是全断面开挖法；另一种是导洞开挖法。全断面开挖法一般适用于围岩很稳定，无塌方掉石的地区。对岩石稍差但断面尺寸较小的中小型隧洞亦可全断面开挖。,导洞开挖法适用于断面较大，岩体又不太稳定的地质条件。为了防止塌方冒顶事故，可缩小断面，先打导洞，然后分块完成施工断面。两方面保证一、尽量保护围岩原有稳定性二、赋予围岩一定的强度，提高其稳定性。,一、合理施工原则：尽量减少对围岩的扰动，及时封闭围岩，设置支护结构。对于大断面的洞室，可采取分段开挖1、上导洞施工法（围岩稳定性最差）导洞开挖法当围岩不太稳定，顶围易塌时，,应在洞室最大断面的上部先挖导洞立即支撑，达到要求的轮廓作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。即先拱后墙的办法。,2、单侧导洞施工法当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在设计断面的侧部开挖导洞，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、即先墙后拱的方法，或称为核心支撑法。,3、双侧导洞施工法（围岩很不稳定）4、全断面一次开挖施工法围岩稳定，可全断面一次开挖。现在多采用新奥法和盾构法等新型施工方法。,掘进机,二、支护（支撑、衬砌、锚喷、锚注）支撑、衬砌与喷浆加固隧洞的支衬工作，包括支撑和衬砌两方面。支撑是临时性加固洞壁的措施，衬砌是永久性加固洞壁的措施。此外还有喷浆护壁、喷射混凝土、锚筋加固及锚喷加固等。,支撑支撑工作是开挖过程中，为防止围岩塌方的临时性措施，过去通常用木支撑、钢支撑及混凝土预制构件支撑等。近代国内外多采用锚杆支护，锚杆能把松动岩块与稳固岩体牢固地联在一起，是一种“悬吊式”支护。,衬砌衬砌的作用与支撑相同，但经久耐用，使洞壁光坦。砖、石衬砌较便宜，钢筋混凝土、钢板衬砌的成本最高。衬砌一定要与洞壁紧密结合，填严塞实其间空隙才能起到良好效果。作顶拱的衬砌时，还要预留压浆孔。衬砌后，再回填灌浆，达到严实的目的，在渗水地段也可起防渗作用。,衬砌厚度往往取决于岩石的性质，如对于坚硬类岩石一般要求2030cm即可，特别坚固或裂隙稀少的岩石甚至可不加衬砌；中等坚硬岩石一般4050cm；软弱岩石及松散土层则要求50150cm或更厚的混凝土衬砌。,喷浆护壁喷浆护壁较简便而又经济，对保护易风化围岩的稳定性效果较好。当洞室开炮后及时在洞壁上喷射水泥砂浆，形成保护层，保护围岩原有强度。我国应用日益广泛，国外采用也很普遍。,喷射混凝土喷射混凝土与喷浆方法相仿，但作用大不相同。混凝土内加速凝剂，及时(越早越好)喷射到洞壁上，它便很快地凝固并有较大强度，可防止洞壁早期松动。,锚筋加固锚筋加固又称锚杆加固，目前大量采用。将锚筋插入围岩：使洞周松动围岩与稳定围岩固定，起到钉子的作用。,灌浆与加固裂隙严重的岩体和极不稳定的第四纪堆积物中开挖洞室，常需要加固以增大围岩稳定性，降低其渗水性。最常用的加固方法就是水泥灌浆，其次有沥青灌浆、水玻璃(硅酸性)灌浆，还有冻结法，等等。通过这种办法，在围岩中大体形成一圆柱形或球形的固结层。,三、新奥法(二)新奥法的原理和应用顾名思义，新奥法创始于奥地利。新奥法的基本思想是充分利用围岩自身的承载能力，其要点可归结为：,运用现代岩石力学的理论，充分考虑并利用围岩的自身承载能力，把衬砌与围岩当成一个整体看待；在施工过程中，必须进行现场量测,并应用量测资料修订设计和指导施工;采用预裂爆破、光面爆破等技术或用掘进机开挖，用锚杆和喷射混凝土等作为支护手段，并强调适时支护。总之，是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。,盾构法盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术，主要用于第四系松软地层掘进成洞，起源于欧洲，最近十几年来，经德国、日本大力开发，已得到广泛应用。最大洞径已达几十米，目前更大直径的盾构正在设计研究之中。,在英吉利海峡隧道，日本东京湾海底公路隧道等建设中，发挥了巨大作用。这是一项先进的高度机械化、自动化的施工技术。其优点是避开干扰，不影响地面建筑和环境，可充分开发地下空间。在施工中能把掘进，出渣、支护与衬砌，融为一体。施工安全、可靠、准确，能缩短工期、提高工效、节约资金。,我国上海、兰州等地，已成功地在软粘土及砂砾层中修建了地铁隧道，排污隧洞、引水及电缆隧洞，穿黄浦江公路。目前不少大城市的地铁隧道建设中；还有南水北调工程的穿黄河输水隧洞都将用盾构法施工。因此，它将在我国的工程建设中发挥更大的作用。,明挖法,就是俗称的“大揭盖”，即将整条路挖开作业，通常，埋设城市地下管线等施工均采取明挖法。这种施工方法的优点是，作业面大、施工速度快、工程造价低，能够在较短工期内完成高质量工程。不过，其缺点就是需要封闭道路，对城市交通秩序有一定影响。,暗挖法,俗称“