围岩稳定性的工程地质研究分析

7.3

山岩压力与弹性抗力7.2

围岩稳定的工程地质分析7.1地下工程位置选择的工程地质评价7.5

提高围岩稳定性的措施7.4围岩工程地质分类第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究

思考与作业为各种目的修建在地层之内的通道或空洞。包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下导弹发射井、以及地下飞机库等。地下洞室大型古地下工程地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑围岩的稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。

理想的建洞山体应具备以下条件：

1)建洞区地质构造简单，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山捧稳定的断裂带；

2)岩体坚硬完整；

3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育；

4)地下水影响小；

5)无有害气体和异常地热。7.1地下工程位置选择的工程地质评价地下洞室选址影响地质因素：地形条件（geographicconditions）岩性条件（rockandsoilengineeringcharacters）地质构造条件（geologecalstructureconditions）褶皱(fold)

断裂(fault)岩层产状（attitudeoflayer）地下水（水文地质hydrogeologicalconditions）地应力（naturalstress）隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口边坡的安全。在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。地形条件在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。隧洞选线利用沟谷示意图岩性是影响围岩稳定的基本因素之一，洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩，围岩的稳定性好，适于修建大型的地下工程。凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩，稳定性差，不宜建大型地下洞室。松散及破碎岩石稳定性极差，选址时应尽量避开。此外，岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。岩性条件地质构造是控制岩体完整性及渗透性的重要因素。1.褶皱(fold)的影响

褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩体完整性最差。(1)背斜(anticline)核部，岩层呈上拱形，有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。(2)向斜(syncline)核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。不宜修建地下洞室。

2.断裂(fault)的影响

断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。在选址时应尽量避开大断层。地质构造条件(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。(2)洞室轴线与岩层走向平行。1）当岩层近于水平时，软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。2）在倾斜岩层中，一般说来是不利的。岩层产状陡倾岩层中洞址缓倾岩层中洞址陡立岩层中洞址陡立岩层岩性分界处洞址水平岩层中洞址倾斜岩层中洞址地下工工程与与地下下水位位关系系：1．在包气气带中中开挖挖地下下工程程，雨季可可能沿沿裂隙隙滴水水，旱旱季干干燥，，但是是当地地表有有大面面积稳稳定的的地表表水体体时，，也可可能遇遇到集集中的的渗流流。2．地下水水位变变幅带带，涌水量量及外外水压压力随随季节节而变变化，，由于于岩体体饱水水脱水水交替替变化化，可可以加加速软软弱破破碎岩岩石性性质的的恶化化，引引起塌塌方。。3．在地下下水位位以下下的地地下工工程，一开始始施工工就可可能有有较大大的涌涌水和和渗透透压力力，因因此要要作好好防水水排水水设计计。地下水(水文地质质)地下工程程施工中中的塌方方或冒顶顶事故，，常常和和地下水水的活动动有关。。在洞室的的设计和和施工过过程中，，必须了了解工程程所在部部位初始始应力场场的分布布和变化化规律，，获得洞洞室开挖挖后围岩岩应力重重分布的的特征，，以便选选用相应应的措施施来维护护围岩的的稳定。。1．初始应应力状态态是决定定围岩应应力重分分布的主主要因素素。2．当初始始应力场场的水平平主应力力值较大大，洞室室轴线最最好平行行最大水水平主应应力方向向布置，，否则边边墙将产产生严重重的变形形和破坏坏。地应力7.2围岩稳定定的工程程地质分分析地下洞室室开挖前前，岩体体内的应应力状态态称为初始应力力状态。开挖后，，由于洞洞室周围围岩体失失去了原原有的支支撑，破破坏了原原来的受受力平衡衡状态，，围岩将将向洞内内产生松松胀位移移，从而而引起洞洞周围一一定范围围内岩体体的应力力重新调调整，形形成新的的应力状状态。该该应力称称重分布应应力、二二次应力力或围岩岩应力。直接影响响围岩稳稳定的是是二次应力力状态，它与岩体的初初始应力力状态、洞室断面面形状及岩体特性性等因素有有关。一、围岩岩的应力力重分布布二、围岩岩稳定的的概念围岩稳定定是指在一一定时间间内，在在一定的的地质力力和工程程力作用用下岩体体不产生生破坏和和失稳。。围岩在压压应力、、拉应力力及剪应应力作用用下能否否破坏的的判断：：围岩的抗抗压强度度和抗拉拉强度是是否适应应围岩应应力。（（公式略略）围岩的抗抗剪强度度是否适适应围岩岩的剪应应力。（（公式式略）三、围岩岩变形破破坏的类类型和特特点由于岩体体在强度度和结构构方面的的差异，，洞室围围岩变形形与破坏坏的形式式多种多多样，主主要的形形式有：在坚硬完完整的岩岩体中开开挖地下下洞室，，围岩一一般是稳稳定的。。但是在在高地应应力地区区，经常常产生岩岩爆现象象。岩爆是储存有很很大弹性性应变能能的岩体体，在开开挖卸荷荷后，能能量突然然释放所所形成的的，它与岩岩石性质质、地应应力积聚聚水平及及洞室断断面形状状等因素素有关。。坚硬完整整岩体的的脆性破裂裂岩爆的产产生需要要具备两两方面的的条件：：高储能体体的存在在及其应力接近于岩岩体强度是产生岩爆的的内在条件，，而某些因素素的触发效应应则是岩爆产产生的外因。。岩爆产生的爆爆坑爆坑附近边墙墙下部破坏情情况右侧拱顶位置置塌方情况第二次岩爆塌塌方左侧拱架架破坏情况锦屏二级水电电站排水洞岩岩爆块体滑移是块状结构围围岩常见的破破坏形式。这这类破坏常以以结构面交切切组合成不同同形状的块体体滑移、塌落落等形式出现现。分离块体的稳稳定性取决于块体的形状有无临空条件件、结构面的光滑滑程度及是否夹泥等。块体滑移坚硬岩体中的的块体滑移岩层的弯曲折折断，是层状围岩岩变形失稳的的主要形式。。平缓岩层，当岩层很薄薄或软硬相间间时，顶板容容易下沉弯曲曲折断。在倾斜层状围岩岩中，当层间结结合不良时，，顺倾向一侧侧拱脚以上部部分岩层易弯弯曲折断，逆逆倾向一侧边边墙或顶拱易易滑落掉块。。在陡倾或直立岩岩层中，因洞周的的切向应力与与边墙岩层近近于平行，所所以边墙容易易凸帮弯曲。。层状弯折和拱拱曲1-设计断面2-破坏区区3-崩塌4-滑动5-弯曲、、张裂裂及折折断平缓岩岩层倾倾斜岩岩层直直立岩岩层碎裂岩岩体的的松动动解脱脱碎裂结结构岩体在在张力力和振振动力力作用用下容容易松松动、、解脱脱，在在洞顶顶则产产生崩崩落，，在边边墙上上则表表现为为滑塌塌或碎碎块的的坍塌塌。碎裂岩岩体松松动解解脱及及顶拱拱破裂裂碎裂结结构围围岩塌塌方示示意图图松软岩岩体的的塑性性变形形一般强强烈风风化、、强烈烈构造造破碎碎或新新近堆堆积的的土体体，在在重力力、围围岩应应力和和地下下水作作用下下常产产生冒冒落及及塑性性变形形。常见的的塑性性变形形和破破坏的的形式式有边墙挤挤入、底鼓及洞径收收缩等。变形山山压是由于于围岩岩变形形受到到支护护的抑抑制而而产生生的。。松动山山压是由于于围岩岩拉裂裂塌落落、块块体滑滑移、、碎裂裂松动动等所所引起起的，，以重重力的的形式式作用用在衬衬砌上上的压压力。。冲击山山压是由于于岩体体中积积聚的的弹性性应变变能突突然释释放所所引起起的，，具有有产生生岩爆爆的条条件时时才能能产生生冲击击山压压。膨胀压压力是由于于围岩岩吸水水膨胀胀、崩崩解而而引起起的压压力。。山岩压压力也也称围岩岩压压力力，是指指围围岩岩的的强强度度适适应应不不了了围围岩岩应应力力而而产产生生塑塑性性变变形形或或破破坏坏时时，，作作用用在在支支护护或或衬衬砌砌上上的的力力。7.3山岩岩压压力力与与弹弹性性抗抗力力一、、山山岩岩压压力力1．散散粒粒体体理理论论（1）普普氏氏压压力力拱拱(pressurearch)理论论（2）太太沙沙基基理理论论（3）围围岩岩压压力力系系数数法法(coefficientofcountryrock)2．弹弹塑塑性性（（elasticandplastic）平平衡衡(equilibrium)理论论适用用于于具具有有镶镶嵌嵌结结构构和和碎碎裂裂结结构构的的岩岩体体3．流流变变(flow)——徐变变理理论论4．块块体体极极限限半半衡衡法法(limitequilibrium)围岩岩压压力力的的确确定定方方法法围岩岩弹弹性性抗抗力力的的大大小小，，通通常常是是用用弹性性抗抗力力系系数数表示示的的。。2.弹性性抗抗力力对于于有有压压隧隧洞洞，，常常存存在在很很高高的的内内水水压压力力，，使使衬衬砌砌向向围围岩岩方方向向变变形形挤挤压压围围岩岩，，围围岩岩将将产产生生一一个个被被动动的的抵抵抗抗力力，，称称为为弹性性抗抗力力。围岩岩抗抗力力愈愈大大，，愈愈有有利利于于衬衬砌砌的的内水压力作用下的洞径变形稳定定，，等等于于围围岩岩承承担担了了一一部部分分内内水水压压力力。。因因此此，，弹弹性性抗抗力力是是有有压压隧隧洞洞设设计计时时必必须须确确定定的的重重要要参参数数之之一一。。式中中：：K为弹弹性性抗抗力力系系数数(MPa/cm)；P为围围岩岩所所承承受受的的压压力力，，对对于于有有压压隧隧洞洞即即为为内内水水压压力力(MPa)；y为洞洞壁壁的的径径向向变变形形(cm)。弹性性抗抗力力系系数数根据据文文克克尔尔假假定定，，抗抗力力系系数数:从上上式式看看出出：：K的物物理理意意义义是是迫使使洞洞壁壁产产生生一一个个单单位位径径向向变变形形所所需需施施加加的的力力。K值愈愈大大，，说说明明围围岩岩承承受受内内水水压压力力的的能能力力愈愈大大。。弹性性抗抗力力系系数数的的确确定定方方法法试验验法法计算算法法工程程类类比比法法橡皮囊法径向千斤顶法隧洞水压法根据据抗抗力力系系数数与与岩岩体体弹弹性性模模量量及及泊泊松松比比之之间间的的关关系系确确定定7.4围岩岩工工程程地地质质分分类类7.5提高高围围岩岩稳稳定定性性的的措措施施一、、支支护护与与衬衬砌砌1.支撑撑在洞洞室室开开挖挖过过程程中中，，用用以以稳稳定定围围岩岩用用的的临临时时性性措措施施。。按按照照选选用用材材料料的的不不同同，，有有木支支撑撑、钢支支撑撑及混凝凝土土支支撑撑等。。在在不不太太稳稳定定的的岩岩体体中中开开挖挖时时，，需需及及时时支支撑撑以以防防止止围围岩岩早早期期松松动动。。2.衬砌砌衬砌砌是是加加固固围围岩岩