地下洞室工程围岩特征及其支护措施

地下工程围岩特征与支护处理措施,中国水电八局千岛湖项目部施工标刘明鑫2015年8月,一、地下洞室围岩特征,1.相关地质专业知识2.围岩的概念3.围岩分类4.围岩特征,岩体-在工程地质中，把工程作用范围内具有一定的岩石成分、结构特征及赋存于某种地质环境中的地质体称为岩体。岩体的重要特点-岩体内部的联结力较弱的层理、片理和节理、断层等切割下，具有明显的不连续性。1.岩体结构的力学效应减弱和消失；2.岩体强度远远低于岩石强度；3.岩体变形远远大于岩石本身；4.岩体的渗透性远远大于岩石的渗透性。,1.相关地质专业知识岩体特点,岩石固态矿物或矿物的混合物，岩石的总类：岩浆岩由岩浆喷出地表或侵入地壳冷却凝固所形成的岩石。沉积岩其他岩石的风化产物和一些火山喷发物，经过水流或冰川的搬运、沉积、成岩作用形成的岩石。变质岩受到地球内部力量（温度、压力、应力的变化、化学成分等）改造而成的新型岩石。,1.相关地质专业知识岩石总类,1.相关地质专业知识岩石成因,1.相关地质专业知识岩石转化,1.相关地质专业知识岩浆岩,岩浆岩-黄山花岗岩,1.相关地质专业知识沉积岩,沉积岩,1.相关地质专业知识变质岩,变质岩片岩,1.相关地质专业知识土体,土体凡第四纪松散物质沉积成土后，未经受成壤作用的松散物质经受压密固结作用，逐渐形成具有一定强度和稳定性的土体，这就是工程地质学中所说的土体，是人类活动和工程建设研究的对象。土体是由厚薄不等，性质各异的若干土层，以特定的上、下次序组合在一起的。土层、土壤土力学,1.相关地质专业知识地质构造,地质构造指组成地壳的岩层和岩体在内、外动力地质作用下发生的变形变位，从而形成诸如褶皱、节理、断层、劈理以及其他各种面状和线状构造等组成地壳的岩层和岩体，在内外地质作用下（多为构造运动），发生变形和变位后，形成的几何体，或残留下的形迹。次生构造是构造地质学研究的主要对象。褶皱、断层、节理、劈理,水平岩层,1.相关地质专业知识地质构造,1.相关地质专业知识地质构造,褶皱,1.相关地质专业知识断层,断层,1.相关地质专业知识节理,节理,1.相关地质专业知识劈理,劈理,1.相关地质专业知识,罗盘仪,2.围岩的概念,地下洞室是指为各种目的修建在岩（土）体内的通道或洞室，包括矿山坑道、公路及铁路隧道、水电站地下厂房、水工隧洞，以及地下停车场、储油库、导弹发射井、飞机库等。,2.围岩的概念,围岩：指地下洞室周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩（土）体。岩（土）体：岩体、土体两类地质体并称。岩体力学土力学,2.围岩的概念,3.围岩分类,地下洞室的主要工程地质问题1.围岩稳定问题2.高地应力与岩爆问题3.涌（突）水、涌（突）泥问题4.高地温问题5.有害气体及辐射问题,3.围岩分类围岩稳定问题,1.围岩稳定问题地下岩体在没有进行开挖之前，在自重应力和构造应力作用下，应力状态基本处于平衡。洞室开挖后，随着初始应力平衡状态的打破，应力产生重新分布，岩石向洞室空间变形，直到达到新的平衡，这种变形若超过了围岩本身所能承受的能力，便产生破坏，从而形成掉块、塌落、滑移、冒顶、底鼓等。围岩稳定问题是地下洞室最主要的工程地质问题。,3.围岩分类,围岩分类是对地下工程岩体工程地质特性进行综合分析、概括和评价的方法，是许多地下工程的设计、施工和运行经验的总结，故分类的实质是广义的工程地质类比，其目的就是对围岩的整体稳定程度进行判断，并指导系统支护设计和施工开挖。,3.围岩分类,影响围岩稳定性的主要因素影响围岩质量和稳定性的因素多种多样，各种围岩分类所考虑的因素，选取的定性、定量指标也各有侧重，总体上来说不外乎地质因素和工程因素两大类。,3.围岩分类,影响围岩稳定性的影响因素地质因素主要包括岩体的坚固性、岩体的结构、地下水状态、初始地应力状态等，其中岩体的坚固性和岩体的完整性又是影响围岩分类的基本地质因素。工程因素主要包括洞室的轴线方向、断面形状及尺寸、洞室间距，以及施工开挖方法、爆破方式等，其中洞室的轴线方向与优势结构面产状的组合关系对围岩稳定影响更大，是围岩类别修正时考虑的主要因素。,3.围岩分类,主要地质因素一、岩体完整性岩体是否完整，岩体中各种节理、片理、断层等结构面的发育程度，对洞室围岩稳定性影响极大。对此，应着重考虑三方面问题：1结构面的组数、密度和规模；2结构面的产状、组合形态及其与洞壁的关系；3结构面的强度。,3.围岩分类,主要地质因素二、岩石强度岩石强度主要处决于岩石的物质成分、组织结构、胶结程度和风化程度等。三、地下水地下水的长期作用将降低岩石的强度、软弱夹层强度、加速岩石风化，对软弱结构面起软化润滑作用，促使岩块坍塌。如遇膨胀性岩石，还会引起膨胀，增加围岩压力。地下水位很高，还有静水压力作用、渗流压力对洞室稳定不利。,3.围岩分类,国内外围岩分类的概况迄今为止，国内外提出的洞室围岩分类方法达百余种，比较有代表性的分类方法按所选取的分类指标多少及各指标间的相互关系，大致可归纳为7类。,3.围岩分类,国内外围岩分类的概况单一指标：普氏系数分类（前苏联，1907年）岩石准抗拉强度St分类（前捷克斯洛伐克）岩石抗压强度Rc分类（法国）一个综合指标：太沙基的荷载分类（美国，1946年）迪尔的RQD分类（美国，1964年）弹性波速Vp分类（日本，1983年）Rabcewiez自稳时间T(奥地利，1957年),3.围岩分类,国内外围岩分类的概况少数指标并列：Rabcewicz新奥法围岩分类（奥地利，1964）公路隧道围岩分类公路工程地质勘察规范（JTJ064-98）（中国，1998年）铁路隧道围岩分级铁路工程地质勘察规范（TB10012-2001）（中国，2001年）,3.围岩分类,国内外围岩分类的概况多个指标并列：水工隧洞围岩分类水工隧道设计规范（SD134-84）（中国、1985年）围岩分级锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）（中国，2001年）军用物资洞室锚喷支护中的围岩分类（中国）总参工程兵围岩分类（中国，刑念信等）,3.围岩分类,国内外围岩分类的概况多个指标复合：巴顿（N.Barton）岩体质量Q系统（挪威，1974年）比尼奥斯基（Bieniawsk）RMR分类（南非，1973年）水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）围岩工程地质分类（中国，2008年）中国水电顾问集团华东勘测设计研究院的高地应力、高外水压力条件下地下洞室的JPF分类体系（中国，2006年）工程岩体分级标准（GB50218-94）（中国，1994年）,3.围岩分类,国内外围岩分类的概况岩体结构力学介质属性：国家建委的人工洞室围岩分类（中国，1975年）特殊膨胀岩类：Liviez“一种新的岩石坚固性工程地质分类”（1979年）,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类：初步分类：主要依据岩质类型、岩体结构类型、岩体完整程度，主要适用于规划、可研设计；详细分类：是以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态和主要结构面产状五大因素评分之和为基本判据，围岩强度应力比为限定判据，最后综合判定围岩的类别，对于大跨度、高边墙地下洞室，洞顶、边墙及端墙应分别评分。主要用于初步设计、招标和施工图设计。,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水利水电工程地质勘察规范（GB50487-2008）附录N围岩工程地质分类,3.围岩分类,水电工程围岩分类法推荐支护参数表,3.围岩分类,水电工程围岩分类法推荐支护参数表,3.围岩分类,水电工程围岩分类法推荐支护参数表,4.围岩特征,硬质岩体内地下洞室的围岩破坏形式主要是各种结构面组合而成的不利块体的掉块、坍塌、滑落等。软岩内（包括断层破碎带、蚀变岩体等）的地下洞室围岩，常因遇水软化、泥化、崩解使围岩强度降低，或因膨胀产生附加的围岩压力，从而使围岩产生较大塑性变形甚至破坏。尤其在高地应力作用下，软岩产生大变形和长期流变，成为远比岩爆更难处理的工程地质问题。,4.围岩特征,4.围岩特征,4.围岩特征,整体块状岩体围岩,4.围岩特征,整体块状岩体围岩,4.围岩特征,层状岩体围岩,4.围岩特征,碎裂状岩体围岩,4.围岩特征,碎裂状岩体围岩,4.围岩特征,碎裂状岩体围岩,二、围岩支护处理措施,1.支护的概念2.支护类型3.锚杆支护,1.支护的概念,地下工程支护理论的发展至今已有百余年的历史，20世纪20年代以前，主要是古典的压力理论阶段，这类理论认为，作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量H（是岩石容重；H是埋深）。散体压力理论-这类理论认为，作用在支护结构上的压力，不是上覆岩层重量，而只是围岩塌落拱内的松动岩体重量，其中具有代表的有太沙基和普氏理论。支护形式一般采用衬砌。新奥地利隧洞施工法（新奥法）-充分利用围岩的自稳能力，尽可能利用喷锚加固；需要衬砌时，应做成封闭式衬砌；根据变形监测信息反馈修改、完善加固体系设计。,1.支护的概念,新奥法的7条主要原则：1.围岩是洞室的主要承载结构，而不是单纯的荷载，它具有一定的自承能力。支护的作用是保持围岩完整，与围岩联合作用形成稳定的承载环。2.尽量保持围岩原有的结构和强度，防止围岩的松动和破坏。宜采用控制爆破（预裂、光面爆破）或全断面掘进等开挖方法。3.尽可能做到适时支护。通过工程类比、施工前的室内试验和施工过程中对洞室围岩收敛变形、锚杆应力及喷混凝土支护应力的监测，正确了解围岩的物理力学特性与空间和时间的关系，适时调整支护方案。过早过迟的支护均为不利。,1.支护的概念,4.支护本身应具有薄、柔、与围岩密贴和早强等特性，支护施工应快速简便有效，使围岩尽快封闭而处于三向受力状态。5.岩层开挖后至永久支护完成期间，要进行现场量测，由收敛等量测数据，指导初步和二次支护时间及参数。6.洞室尽可能为圆形断面，或由光滑曲线连接而成的断面，以避免应力集中。围岩较差的情况下应尽快封闭底拱，使支护与围岩共同形成闭合的环状结构，以利稳定。7.良好的施工组织和施工人员的良好素质对洞室结构施工的安全稳定经济快速非常重要。合理安排防渗、排水、开挖、出渣、支护、封闭底拱，导洞进度等项工序，形成稳定合理的工作循环。,1.支护的概念,新奥法的基本原则归纳为-“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”，是一种设计、施工、监测相结合的科学的隧洞建造法。新奥法的三大支柱-控制爆破、喷锚支护与施工监测，其中施工监测对锚喷支护的设计和施工起着重要的作用，而喷锚本身仅是一种支护形式，可以把它称为“新奥法”的核心，而不是“新奥法”的全部内容。,2.支护的类型,从支护时机分-超前支护、初期支护、二次衬砌支护；从支护形式分-喷混凝土、钢筋网、锚杆、钢筋拱肋、钢拱架、超前小导管或管棚、超前灌浆等；常用支护类型：喷混凝土锚杆喷锚网联合支护钢拱架+喷锚网联合支护两个概念：随机支护系统支护,2.支护的类型,喷混凝土按一定比例，将水泥、沙、石、水及外加剂，经特定工艺方法混合搅拌再喷射到受喷面上，在半小时甚至更短时间内凝结、硬化后达到一定强度的快速支护方法。,2.支护的类型,喷混凝土,2.支护的类型,锚杆锚杆的力学作用主要有悬吊作用、组合梁作用、组合拱作用、减跨作用、加固作用。,2.支护的类型,钢筋网由纵向和横向钢筋十字交叉通过绑扎或焊接制作而成的网。,2.支护的类型,钢拱架采用L、u、I字型钢和钢轨、钢管等型钢，加工成所需形状，用整榀安装或杆件拼装方式加固地下工程的支护措施。可与锚杆、喷射混凝土、钢筋网组成复合支护。,锚杆支护,锚杆支护原理,悬吊作用原理：锚杆支护通过锚杆将软弱、松动、不稳定的岩土体悬吊于稳定的岩土体中，以防止其离层滑落。这种作用在地下工程锚固工程中，表现尤为突出。起悬吊作用的锚杆，主要是提供足够拉力，用以克服滑落岩土体的重力或下滑力，来维持工程稳定。组合梁作用原理：这种原理是把薄层状岩体看成一种梁（简支梁），在没有锚固前，它们只是简单地叠合在一起。由于层间抗剪力不足，在荷载作用下，单个梁均产生各自的弯曲变形，上下缘分别处于受压合受拉状态。锚杆支护后，相当于用螺栓将它们紧固成组合梁，各层板便相互挤压层间摩擦阻力大为增加，内应力和绕度大为减少，于是增加了组合梁的抗弯强度。挤压加固作用原理：兰格通过光弹试验证实了锚杆的挤压加固作用，当在弹性体上安装具有预应力的锚杆时，发现弹性体内形成以锚杆两头为定点的锥形压缩带，若将锚杆以适当的间距排列，使相邻锚杆的锥形体压缩区相互重叠，便形成了一定厚度的连续压缩带。,锚杆支护,锚杆支护原理-悬吊作用,锚杆支护,锚杆支护原理-悬吊作用,锚杆支护,锚杆支护原理-组合梁作用-减跨作用,锚杆支护,锚杆支护原理-组合梁作用,锚杆支护,锚杆支护原理-挤压加固作用-形成压缩拱,锚杆支护,锚杆类型,锚杆支护,锚杆类型,锚杆支护,锚杆类型,锚杆支护,锚杆类型,锚杆支护,锚杆类型,普通水泥砂浆锚杆是全长粘结式锚杆，利用水泥砂浆与锚杆的粘结力和砂浆与岩层的粘结力而达到锚固岩层的目的。,中空注浆锚杆也属于全长粘结式锚杆，是在锚杆安装后，通过中空的杆体向围岩注浆，确保锚杆孔注浆饱满，将松散岩体胶结成整体，以提高围岩的强度和自承力，并保证锚固支护永久可靠性。,水胀式锚杆是摩擦式锚杆，为一异形断面的无缝钢管，两端密封，借助2530MPa的高压水将异形钢管鼓胀并贴紧孔壁，沿整个锚杆全长产生了摩擦力和机械自锁力，从而加固岩体。,锚杆支护,锚杆类型,普通水泥砂浆锚杆是全长粘结式锚杆，利用水泥砂浆与锚杆的粘结力和砂浆与岩层的粘结力而达到锚固岩层的目的。,中空注浆锚杆也属于全长粘结式锚杆，是在锚杆安装后，通过中空的杆体向围岩注浆，确保锚杆孔注浆饱满，将松散岩体胶结成整体，以提高围岩的强度和自承力，并保证锚固支护永久可靠性。,水胀式锚杆是摩擦式锚杆，为一异形断面的无缝钢管，两端密封，借助2530MPa的高压水将异形钢管鼓胀并贴紧孔壁，沿整个锚杆全长产生了摩擦力和机械自锁力，从而加固岩体。,锚杆支护,锚杆类型,自进式锚杆是一种将钻孔、锚杆安装、注浆、锚固合而为一的锚杆，钻杆即为锚杆体，并使用等截面中空管取代钢筋，具有高效、可靠、施工方便的特点，能保证在各种不同的复杂地层中的锚固效果，主要适用于破碎围岩、风化岩、碎石层、砂砾层和圆卵石层等钻孔难以形成、易于塌孔地层的锚固。,锚杆支护,锚杆支护要点-,锚杆支护,锚杆支护要点-随机锚杆方向-与主结构面大角度（垂直）布置,锚杆支护,锚杆支护要点-,包家坞支洞-顶拱发育中缓倾角结构面局部坍塌,锚杆支护,锚杆支护要点-随机锚杆方向-与主结构面大角度（垂直）布置,包家坞支洞-顶拱发育缓倾角结构面,锚杆支护,锚杆支护要点-随机锚杆方向-与主结构面大角度（垂直）布置,包家坞支洞右侧拱肩发育陡倾角结构面,三角块体,围岩涌水情况,布置透水管解决渗透水,破碎不稳定块体,钢拱架支撑,不良地质洞段的开挖支护原则,不良地质洞段包括断层破碎带、软岩带、涌水带、膨胀土洞带、溶洞、岩爆区等，其共同特性是围岩自承能力差，自稳时间短。开挖支护原则：1根据围岩的具体情况，需要增加超前锚杆、超前管棚、超前预灌浆。在支护上需要进一步强化，如加钢筋肋或格栅钢架等手段，用以充分调动或提高围岩自承能力。2支护时间应该及时或尽早，并充分利用掌子面空间效应，即掌子面对其附近的围岩变形起约束作用，紧跟支护距掌子面距离应在2倍洞径范围之内。3设计时要在设计开挖轮廓线外预留一定的围岩变形量，确保设计要求的净空尺寸。,不良地质洞段的开挖支护原则,4.破碎软弱围岩中开挖需要采用自上而下的分层开挖，循环进尺小于1.0m，目的是减少一次爆破的炸药量，从而减少对围岩的震动影响，而且减少石渣量从而缩短出渣时间，以便及时迅速支护最不安全的顶拱，然后层层开挖，层层