岩土工程地下洞室勘察技术工艺课件（65页）

1、 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

2、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

3、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

4、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/T 50218-2014)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/T 50218-2014)一、 定性分析 定性分析中岩体的基本质量指标由岩石

5、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 名 称定 性 鉴 定代表性岩石硬质岩坚 硬 岩锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎； 浸水后，大多无吸水反应 末风化微风化的； 花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等 较坚硬岩锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎； 浸水后，有轻微吸水反应 1.弱风化的坚硬岩； 2.未风化微风化的： 熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等 软质岩较软岩锤击声不清脆，无回弹，较易击碎； 浸水后，指甲可刻出印痕 1.强风化的坚硬岩； 2.

6、弱风化的较坚硬岩； 3.未风化微风化的： 凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等 软 岩锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎； 浸水后，手可掰开 1.强风化的坚硬岩； 2.弱风化强风化的较坚硬岩； 3.弱风化的较软岩； 4.未风化的泥岩等 极软岩锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎； 浸水后，可捏成团 1.全风化的各种岩石； 2.各种半成岩 岩石风化程度的划分 表3.2.2 名 称风 化 特 征未风化 结构构造未变，岩质新鲜 微风化 结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染 弱风化 结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层 强风化 结构

7、构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石、云母等多风化成次生矿物 全风化 结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状 岩体完整程度的定性划分 表3.3.1 名 称 结构面发育程度 主要结构面 的结合程度 主要结构面类型 相应结构类型 组数 平均间距(m) 完 整 12 1.0 结合好或 结合一般 节理、裂隙、层面 整体状或巨厚层状结构 较完整 12 1.0 结 合 差 节理、裂隙、层面 块状或厚层状结构 23 1.00.4 结合好或 结合一般 块状结构 较破碎 23 1.00.4 结 合 差 节理、裂隙、 层面、小断层 裂隙块状或中厚层状结构 3 0.40.2 结 合 好 镶嵌碎裂结构

8、 结合一般 中、薄层状结构 破 碎 3 0.40.2 结合差 各种类型 结 构 面 裂隙块状结构 0.2 结合一般 或结合差 碎裂结构 极破碎无序结合很差散体状结构注：平均间距指主要结构面（12组）间距的平均值。 结构面结合程度的划分 表3.3.2 名 称 结 构 面 特 征 结 合 好 张开度小于1mm，无充填物； 结 合 好 张开度13mm，为硅质或铁质胶结； 张开度大于3mm，结构面粗糙，为硅质胶结 结合一般 张开度13mm，为钙质或泥质胶结； 张开度大于3mm，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结 结 合 差 张开度13mm，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结； 张开度大于3mm，多为泥质或岩

9、屑充填 结合很差 泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差 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 Rc（MPa） 60 6030 3015 155 5 坚硬程度 坚硬岩 较坚硬岩 较软岩 软岩 极软岩 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

10、表 表3.4.3 Jv（条m3） 3 310 1020 2035 35 Kv 0.75 0.750.55 0.550.35 0.350.15 0.15 Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系 表3.4.4 Kv 0.75 0.750.55 0.550.35 0.350.15 0.15 完整程度 完整 较完整 较破碎 破碎 极破碎 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： BQ903Rc250Kv注：使用上式时，应遵守下列限制条件： 当Rc90Kv30时，应以Rc90Kv30和Kv代入计算BQ值。 当Kv0.04Rc0.4时，应以Kv0.04Rc

11、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：BQBQ100（K1K2K3） 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.0.13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.0.11 450 450351 350251 2

12、50 潮湿或点滴状出水 0 0.1 0.20.3 0.40.6 淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量10Lminm 0.1 0.20.3 0.40.6 0.70.9 淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量10Lminm 0.2 0.40.6 0.70.9 1.0 BQK1地下水出水状态BQK1BQK1BQ地下水出水状态K1BQ结构面产状及其与 洞轴线的组合关系 结构面走向与洞轴线夹角30结构面倾角3075结构面走向与洞轴线夹角60结构面倾角75其它组合 K2 0.40.6 00.2 0.20.4 主要软弱结构面产状影响修正系数K2 表D.0.12初始应力状态影响修正系数K

13、3 表D.0.13 550 550451 450351 350251 250 极高应力区 1.0 1.0 1.01.5 1.01.5 1.0 高应力区 0.5 0.5 0.5 0.51.0 0.51.0 初始应力状态K3BQ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 基本质 量级别 岩体基本质量的定性特征 岩体基本质 量指标(BQ) 坚硬岩，岩体完整 550 坚硬岩，岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整 550451 坚硬岩，岩体较破碎； 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整； 较软

14、岩，岩体完整 450351 坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎破碎； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎； 软岩，岩体完整较完整 350251 较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎破碎； 全部极软岩及全部极破碎岩 250 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 岩体基本 质量级别 重力密度 （kN/m3） 抗剪断峰值强度 变形模量 E（GPa） 泊松比 内摩擦角 （） 粘聚力 C（MPa） 26.5 60 2.1 33 0.2 6050 2.11.5 3320 0.20.25 26.524.5 5039 1.5

15、0.7 206 0.250.3 24.522.5 3927 0.70.2 61.3 0.30.35 22.5 27 0.2 1.3 0.35 地下工程岩体自稳能力 表E.0.1 岩体级别 自 稳 能 力 跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方 跨度1020m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方； 跨度10m，可长期稳定，偶有掉块 跨度1020m，可稳定数日1月，可发生小中塌方； 距度510m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小中塌方； 跨度5m，可基本稳定 跨度5m，一般无自稳能力，数日数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变

16、形和挤压破坏； 跨度5m，可稳定数日1月 无自稳能力 注：小塌方：塌方高度3m，或塌方体积30m3； 中塌方：塌方高度36m，或塌方体积30100m3； 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(JTGD702004)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 （GB 50487-2008）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

17、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。

18、 Rock Quality Designation 类别RQD(%)岩石质量190100好27590较好35075一般42550差525很差 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

19、质量(Q)分类 岩体质量 Q 的变化范围从 0.0011000，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

20、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

21、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100200m，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13m；对级岩体宜钻入35m，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

22、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