地下工程岩体的稳定性分析

1、 地下工程岩体的稳定性分析 地下工程，系指在地面以下及山体内部的各类建筑物。地下工程具有隔热、恒温、密闭、防震、隐蔽及不占地面土地面积等许多优点。因此，在国民经济各个部门的工程建设中被广泛采用。如城市及交通建设中的地下铁道、地下仓库、地下商场、铁路隧道、公路隧道、过江隧道等，水电及矿山建设中的地下厂房、引水隧洞、地下水库、地下矿井巷道等，以及军工建设中的地下飞机场、地下试验室(站)、地下掩蔽部及各类军事设备器材仓库等。显然随着经济建设的高速发展及地下工程所具有的优越性，地下工程的应用将会越来越广泛，规模也将越来越大。 地下工程按成因分为人工洞室和天然洞室两大类。人工洞室指由人工开挖支护形成的地

2、下工程。天然洞室一般指由地质作用形成的地下空间，如可溶岩的溶洞等。地下工程完全被周围的岩土体介质所包围。因此，这些介质的性质直接影响着地下工程的稳定与安全。 地下工程岩体系指地下工程周围的岩土介质，以往也称为地下洞室围岩。其稳定性的工程地质研究是工程地质研究的重要课题之一。主要包括地下工程岩体稳定性的影响因素分析，地下工程洞线及进、出口边坡位置的正确选择地下工程岩体稳定性的合理评价，对不稳定地段的支护及施工方法的研究，施工过程中根据地质情况预测各种可能出现的工程地质问题等。 ， 一、洞室位置的选择 地下洞室按其用途分有压洞室和无压洞室，按工程岩体性质分岩体洞室和土体洞室。 (一)无压的岩体洞室

3、位置选择 无压的岩体洞室位置应满足以下条件： (1)洞址宜选在山体完整雄厚、地质构造简单、地下水影响小、岩性均一的坚硬岩层且岩层厚度为厚层、中厚层的地段；要避开透水的宽大破碎带、断裂交汇带、岩溶发育带、强风化带及有害气体和高地温等地段。洞址选在稳定性好的围岩中，是保证地下工程施工安全和正常运行的关键。 (2)洞口要选择在松散覆盖层薄、坡度较陡的反向坡，且有完整厚层岩层作顶板的地段；要避开冲沟或溪流源头，以及滑坡、崩塌、泥石流等不良地质现象发育或洪水可能淹没的地段。洞外还应该有相应规模的弃渣场地。大量工程实践表明，地下工程进出口位置选择十分重要，稍有不慎，将造成无法进洞或洞口岩体失稳等不良后果。

4、 (3)洞轴线要选择与区域构造线、岩层及主要节理走向垂直或大角度相交的方向；要避免洞线从冲沟、山洼等地表水和地下水汇集的地段通过；在高地应力地区，洞轴线宜与水平方向的最大主应力平行。例如我国金川矿巷道布置时，该区最大水平主应力方向为N35。E左右，mx2030MPa，而位于地下400m深处的西风井巷道走向为N30。W左右，与最大水平主应力方向近正交。结果建成后，此巷道产生明显变形和破坏，断面累计变形达200cm以上，断面减小致使巷道不能正常使用。后来将500m深处的巷道改为与最大水平主应力方向近平行(N23。E)，则巷道围岩的稳定性得到显著改善，即使穿越松散结构的断层破碎带，也末发生明显的破坏

5、。 水工隧洞多为有压隧洞，其工作条件比无压隧洞更为复杂。在洞址选择时，除考虑上述要求外，尚需对围岩的弹性抗力、高压隧洞围岩的承载力、洞室上覆岩体及间壁岩体厚度等进行专门研究，才能保证有压隧洞在内水压力作用下的正常运用。 (二)土体洞室位置的选择 土体洞室，包括明挖回填洞和暗挖衬砌洞室，在工业与民用建筑及道路建设中应用较普遍，其洞室位置选择应满足： (1)洞址应选择在滑坡、冲刷等不良地质现象不发育的地段。 (2)洞口宜选在地下水位以上并高于洪水位的地段。 (3)洞轴线要选择在土性单一的粘性土体中，避免穿越含水的粉土层、砂层和砾石层以反软土、膨胀土等不稳定土。 显而易见，洞室选择除取决于工程要求外

6、，主要受地形地貌、岩土性质、地质构造、地下水、地应力及物理地质现象等因素控制。在工程建设中一定要综合各方面因素，选择最佳位置。这是地下工程建设中最基本、最重要的一项工作，否则将后患无穷。 二、地下工程岩体稳定性的影响因素 地下工程岩体稳定性的影响因素主要有岩土性质、岩体结构与地质构造、地下水、地应力及地形等。此外，还要考虑地下工程的规模等因素。 (一)岩土性质 岩土性质是控制地下洞室围岩稳定、隧洞掘进方式和支护类型及其工作量等的重要因素，也是影响工期和工程造价的一个重要因素。理想的岩体洞室围岩是岩体完整、厚度较大、岩性单一、成层稳定的沉积岩，或规模很大的侵入岩(花岗岩、闪长岩等)，或区域变质的

7、片麻岩，岩体内软弱夹层及岩脉不发育。岩石的饱和单轴抗压强度在70MPa以上。一般坚硬完整岩体，由于岩体完整，洞壁围岩稳定性好，施工也较顺利，支护也简单快速。而破碎岩体或松散岩层，由于围岩自身稳定性差，施工过程容易产生变形破坏，因而施工速度较慢，文护工程量及其难度也较大，严重时还会产生较大规模的塌方，影响施工安全，延误工期。 (二)地质构造和岩体结构 地质构造和岩体结构是影响地下工程岩体稳定的控制性因素。首先表现在建洞山体必须区域构造稳定，第四纪以来元明显的构造活动，历史上无强烈地震。其次是在洞址洞线选择时一定要避开大规模的地质构造，并考虑构造线及主地应力方向而合理布置。断裂构造由于其有一定宽度

8、，因此洞轴线穿越破碎岩体时一般都产生一定规模塌方。严重时产生地下泥石流或碎屑流，或者产生洞室涌水，威胁施工安全。岩体结构对地下工程岩体稳定性影响主要表现在岩体结构类型与结构面的性状等方面。同一类型岩体结构对不同规模地下工程其自稳能力不同c比如在某一层状结构岩体中掘一2m直径的探洞和建一几十米跨度的地下厂房，顶板岩体的自稳能力显然不一样，前者可能安全、稳定，后者稳定性可能很差。另外，结构面的相互组合，切割成的结构体很可能向洞心方向产生位移，轻者掉块，重者塌方，更严重者可能造成冒顶。因此，在地下工程岩体稳定分析中一定要注意各种结构面的分布及其组合，尤其是一些大规模断层破碎带。 (三)地下水因素 地

9、下水对洞室围岩稳定性的影响是很不利的。其影响主要表现在使岩石软化、泥化、溶解、膨胀等，使其完整性和强度降低。另外当地下水位较高时，地下水以静水压力形式作用于衬砌上，形成一个较高的外水压力，对洞室稳定不利。地下水对地下工程最大的危害莫过于洞室涌水。地下岩溶、导水构造等，往往是地下水富集的场所，一旦在洞室中出露，往往形成一定规模的涌水、涌砂或者形成碎屑流涌入，轻者影响施工，严重者造成人身伤亡事故j因此，地下工程宜选在不穿越地下水涌水及富水区，地下水影响较小的非含水岩层中。 (四)地应力 岩体中的初始应力状态对洞室围岩的稳定性影响很大。地下洞室开挖后，岩体中的地应力状态要重新调整，调整后的地应力称为

10、重分布应力或二次应力。应力的重新分布往往造成洞周应力集中。当集中后的应力值超过岩体的强度极限或屈服极限时，洞周岩石首先破坏或出现大的塑性变形，并向深部扩展形成一定范围松动圈。在松动圈形成过程中，原来洞室周边应力集中向松动国外的岩体内部转移，形成新的应力升高区，称为承载圈(团618)。重分布应力一般与初始应力状态及洞室断面的形状等有关。在静水压力状态下的圆形洞室，开挖后应力重分布的主要特征是径向应力(6r)向洞壁方向逐渐减小至洞壁处为0，切向应力(66)在洞壁处增大为原本初始应力的两倍。重分布应力的范围一般为洞室半径r的56倍(图619)。另外，地应力因素的影响还表现在洞线选择时一定要注意与最大

11、水平主应力方向平行。特别在高地应力地区修建地下工程，一定要认真研究地应力的分布及对工程建筑的影响。如规划中的南水北调西线引水隧洞等高地应力区的地下工程建设中，地应力对围岩稳定性的影响就成为一个重要的研究课题。，此外，影响地下工程岩土稳定性还有地、地下工程的施工技术和施工方法等。地形上要求洞室区山体雄厚，地形完整，山体工程施工技术和施工方法是影响岩体稳定的一个重要方面。末受沟谷切割，没有滑坡、崩塌等地质现象破坏地形：大量工程实践表明，地下良好的施工技术和科学的施工方法将有效地保护围岩稳定，不良的施工技术和不合理的施工方法将严重破坏岩体的稳定性，降低岩体的基本质量。因此，应根据实际地质条件，合理确

12、定施工方案，尽量保护围岩不被扰动。 三、地下工程岩体稳定分析方法 地下工程岩体稳定分析评价，应采用工程地质分析与理论计算相结合的综合评价方法。 (一)工程地质分析法 工程地质分析法也称为工程地质类比法。主要在工程地质勘察的基础上，把拟建工程与工程地质条件、工程特点及施工方法类似的已建工程相比较，对其稳定性进行评价。为了便于对比，一般在大量实际资料的基础上，对地下工程岩体进行分级评价(参阅第五章岩体工程分级)。 (二)力学计算方法 力学计算方法是根据不同的岩体结构、不同的力学属性，简化成不同的力学模型，应用相应的力学方法，研究围岩的变形破坏过程，对围岩稳定性进行定量计算的评价方法。它可以弥补以往

13、工程地质分析法只侧重定性而缺乏定量评价的不足。应用中，应将两者结合使用，以起到相互验证的作用。力学计算法可分为解析计算法和数值计算法(有限单元法)，其重点是计算围岩压力等。 围岩压力是指围岩由于松动、变形而作用在支护(衬砌)上的压力，是确定衬砌设计荷载大小的依据。围岩压力也称山岩压力或地压。围岩压力有松动压力、变形压力和膨胀压力之分。 松动压力是指由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，以重力形式直接作用在支护上的压力。松动压力有不良地质条件造成的，如岩体破碎程度、软弱结构面与临空面的组合关系等，也有施工方面的因素造成的，如爆破、支护时间和回填密实程度等。 变形压力指围岩变形受到支护限制后，围岩

14、对支护形成的压力。其大小决定于岩体的初始地应力、岩体的力学性质、洞室形状、支护结构的刚度和支护时间等。 膨胀压力指围岩吸水后，岩体中的矿物产生膨胀崩解引起围岩体积膨胀变形作用在支护上的压力。膨胀压力也是一种变形压力，但它与变形压力的性质有所不同，它严格地受地下水的控制，其定量难度更大，目前尚无完善的计算方法。严格地区分松动压力与变形压力是不容易的，在实际进行围岩压力计算时一般不予区分。围岩压力计算有经验计算法与理论计算法两种。经验计算法如铁道部经验公式及黄土洞围压估算公式等。理论公式计算法如传统的普氏理论、Terzaghi松散体理论、Fenner公式、常士骡公式等。以上经验公式及理论公式请参阅

15、文献81。本节主要介绍国家标准岩土工程勘察规范(G135002l94)关于围岩压力计算的几种方法。 K。是水工隧洞支护设计的一个基本参数。及。通常与围岩的岩石性质、地质构造、内水压力大小及加荷方式等有关。确定X。的方法一般有现场试验方法、计算方法和经验数据法等。对大型地下工程通常采用现场试验方法；对中小型工程，则可采用计算法和经验数据方法求得。 四、改善地下工程岩体稳定性条件的措施 大量工程实例表明，各种不良的工程地质条件是导致地下工程岩体失稳的主要原因。为了保证各种地下工程的安全施工和正常运行，就需要采取一定的工程技术措施去改善围岩的稳定条件。 (一)选择良好的施工方法，尽量少扰动围岩 地下

16、工程岩体在地下处于一定的应力场之中，洞室开挖造成岩体内部应力重新分布，洞壁产生应力集中，不良的施工方法将会促使岩体破坏，松动圈向外扩展。因此，施工中应尽量采用先进掘进技术，如用光面爆破和掘进机开挖代替传统的钻爆法，并且尽可能全断面掘进，以避免爆破及多次开挖对围岩的扰动。有关工程实例表明不合理的施工方法将会降低岩体基本质量，可能使好岩体变为坏岩体。因此，应该根据实际地质条件，选择最佳施工方案和合理的施工方法。 (二)支护与衬砌 根据围岩压力的大小选择相应的支护与衬砌方法，是维护和改善地下工程岩体稳定条件的最常用方法。支护是地下工程开挖过程中为防止围岩坍塌和掉块采取的文撑防护措施。支护有构架支护及喷锚支护两种方式。除特殊地段(如严重破碎的岩体和松散地层)仍采用构架支撑外，一般情况下应首先选用喷锚支护。喷锚支护是采用锚杆与喷射混凝土支护围岩的工程措施。它把地下工程岩体视为承受应力的结构体，加强岩体本身的整体性和力学强度，充分发挥岩体的作用，以便承受各种荷载，是一种积极的措施。喷锚结构具有支护速度快，节省时间和原材料以