第七章：地下洞室的工程地质问题

第七章：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：洞室围岩压力第四节：洞室围岩破坏形式第五节：洞室围岩稳定性因素分析第六节：保障洞室围岩稳定性的措施第七节：岩体的工程分类概述●兴建地下洞室工程的意义1943年5月，为了报道中美合作修筑的史迪威公路，美国随军记者拍摄并发表了“24道拐”的照片，轰动世界：在看来并不遥远的山顶到山脚之间，蜿蜒崎岖着20余个弯道，运送军用物资的卡车缓缓前行。●其建设面临并需要解决诸多复杂的地质问题●最突出的问题就是围岩的稳定问题●洞室围岩——应力重分布所影响到的那一部分岩体在昆明市宜良县城西有一条通往靖安哨的盘山公路，公路依山梁而修，弯弯曲曲，短短的7公里公路，共有68道拐，远远超出了被称为世界闻名的贵州24道拐的公路。据有关专家介绍，这算得上是世界公路史上的奇迹。TheideaofconnectingFranceandEnglandwithatunnelundertheEnglishChannelhasbeenconsideredsincethetimeofNapoleon,whenthefirstplanforbuildingatunnelwasmade.Workonthecurrenttunnelactuallystartedinthelate1970sbutstoppedbecauseofmoneyproblems.Constructionbeganagainin1984andwascompletedin1993.Itopenedin1994.ChannelTunnel小浪底地下厂房开挖跨度达26.2m，高度61.44m，采用喷锚网作为永久支护结构DiversiontunnelatSplitRockDamexcavatedinsedimentarybreccia,greywackeandmudstone.⒈洞室围岩应力的重分布⑴围岩应力重分布的特征●洞室形成前岩体中任意一点处的应力是平衡的●洞室形成后：形成自由变形空间初始应力状态—重分布应力围岩向洞内松涨变形引发围岩应力重新调整●重分布应力的计算计算假定：★

岩体是弹性介质；★

侧压力系数λ＝1；★

为圆形硐室。初始应力径向应力切向应力洞室半径围岩中某点至洞室中心的距离重分布应力规律：★洞壁处，集中；★时，洞壁处；★应力重分布范围一般为3倍洞径。围岩⑵理想状态下的松动圈&承载圈基本特征●为具有同心结构的围岩圈层初始应力区承载圈松动圈●

松动圈位于围岩的内圈,承载圈位于外圈形成过程同时，原集中应力向内部转移新的应力增高区形成并导致该部位围岩紧密初期洞壁附近应力集中，围岩产生松动变形⒉地下洞室位置选择的工程地质评价⑴地形条件●洞口地段应下陡上缓,无滑坡、崩塌等不良地质现象●注意边坡整体稳定性●注意傍山隧洞或地下厂房的山坡侧应有一定厚度的围岩（对水工隧洞尤为重要）●硐室选线应注意山形完整（沿线尽可能无冲沟、山洼、滑坡、塌方）基岩的直接出露有利于硐室挂口下缓上陡，洞口处及有可能是松散对集体，不得不做导硐工程UnstablerockblocksinalternatingshaleandgreywackeoftheBrejeiraFormation,CarboniferousofSWPortugal,attheSamouqueirabeach,Odeceixe.Recentplanarslipsurfacesalongbeddingandopentensioncracksalongmajorjointsdefiningnewslidingblocks.洞口不应选在冲沟或溪沟的源头⑵岩性条件●尽可能避开不良围岩软弱岩层破碎岩层松散岩层●坚硬完整岩层中施工的好处安全度高掘进速度快⑶构造条件●洞室轴线应尽量与岩层走向垂直围岩稳定，对高边墙稳定更为有利顺倾向开挖较反倾向有利●若洞室轴线与岩层走向平行★在水平或缓倾岩层中★在倾斜岩层中尽量位于厚层、均质、坚硬岩层中以坚硬岩层作顶板不宜将软弱层作为边墙或底部●褶皱的影响—尽可能避开核部或转折端部位原因是：★岩体破碎★遭遇大规模地下水●断层的影响坍塌（冒顶）大规模地下水涌入⑷地下水对地下工程可能产生的影响●以静水压力的形式作用于洞室衬砌；●以动水压力的形式作用围岩体及衬砌；●使粘土质岩石软化，降低其强度；●使易溶岩类溶解，使膨胀岩类膨胀；●突然的大量涌水造成人员伤亡、施工机械受损；包气带地下水水位变幅带常年地下水流带

⑸不良工程施工条件的影响●

突然涌水应对原则是尽可能避开岩溶管道断层破碎带松散砂砾石层●

有害气体（CO、CO2、H2S、CH4）●

岩爆●

高地温当心地下工程活动中可能遭遇的“五毒”软弱岩体地下水岩爆有毒气体高地温●岩爆是指在高地应力区地下洞室开挖过程中,由于岩体应力释放导致岩块骤然以爆裂形式,从洞室周边岩体内飞射出岩块的现象。Rockburstdamage●按发生部位及释放的能量岩爆分为★岩石射击—围岩表部岩石突然破裂★矿山打击—矿柱或大范围围岩突然破坏★断层错动引起的岩爆●岩爆特征★岩爆的动力特征☆发出如鞭炮声、劈裂声、冰裂声或“啪啪”、“嘎嘎”、“嘭嘭”、“闷雷声”等声响☆伴随产生块体的弹射、抛掷、震动，洞顶岩爆块向下撒落时有一定散射角★岩爆破裂面的力学特征☆与洞壁斜交的破裂面属张剪性破裂面☆平行于洞壁的破裂面属张性破裂面●岩爆规律★岩爆发生时间☆延续时间一般1～2个月☆大量岩爆在开挖后24小时内最为明显★岩爆分布规律（请讨论原因）☆在洞轴线上岩爆洞段的岩爆频率与距掌子面距离存在一定的联系☆岩爆在横断面上发生的部位多数位于起拱线以上和边墙靠近低部区域☆岩爆大多产生在埋深大于200～250m的坑道或其它洞室内●岩爆的深度和宽度★连续岩爆及成片岩爆的深度和宽度变化规律性较强,在同一段连续岩爆中,深度和宽度变化幅度很小★深度和宽度成正比关系★地层岩性相同，岩爆形式也相同★零星岩爆的深度和宽度都比较小，变化幅度大，随机性强●岩爆的规模——小者几厘米厚，大者可多达几十吨重●岩爆产生的条件★围岩应力必须超过围岩强度；★岩体干燥、围岩新鲜完整、裂隙极少或仅有隐裂隙，岩体整体上属坚硬脆性介质，能够储存能量，而其变性特性属于脆性破坏类型；★岩石本身必须具备产生猛烈破坏的特性（一般认为岩石的单轴抗压强度应大于100MPa）；★山体内地应力较高，岩体内储存着很大的应变能，开挖断面形状不规则造成应力集中点；单轴抗压强度107.7MPa单轴抗压强度1.32MPa●岩爆预测方法★根据围岩应力和强度之间的关系进行理论分析的预测法★钻屑法或岩芯饼化法（观察岩饼及动力响应信息）★地质雷达、红外线及微震观测预测法★掌子面及附近的观测预报及地质素描围岩变形破坏的特点●坚硬完整岩体的脆性破裂——岩爆●块体滑移●层状弯折和拱曲★倾斜层状围岩★陡倾或直立层状围岩★平缓岩层，层次薄或软硬相间时●碎裂岩体（结构面间距一般小于10cm）的松动解脱●松软岩体1—设计断面2—破坏区3—崩塌5—弯曲、张裂及折断弯曲折断滑动4—滑动——凸邦弯曲高程：1293m位置：岷江侧井壁01020㎝NN65°～75°E/SE∠30°～42°0整体块状结构岩体次生夹泥碎裂岩体工程措施：及时的、连续的支护连续的锁口封闭圈梁

拱形冒落局部塌方⒍提高围岩稳定性的措施⑴尽量少扰动围岩●采用先进的隧道工程设计和施工方法(NATM)●尽可能采用控制爆破和全断面隧道掘进机开挖(TBM)新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是TheNewAustrianTunnelingMethod简称NATM，新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹（L.V.RABCEWICZ）教授于50年代提出的,它是以隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段的一种施工方法，经过一些国家的许多实践和理论研究，于60年代取得专利权并正式命名。之后这个方法在西欧、北欧、美国和日本等许多地下工程中获得极为迅速发展，已成为现代隧道工程新技术标志之一。六十年代NATM被介绍到我国，七十年代末八十年代初得到迅速发展。至今，可以说在所有重点难点的地下工程中都离不开NATM。新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修筑隧道的一种基本方法。新奥地利隧道施工方法新奥法（NATM）包括三方面的内容：①支护—围岩共同作用原理围岩既是生产支护荷载的主体，又是承受岩层荷载的结构，支护—围岩作为整体相互作用，共同承担围岩压力。摒弃了过去岩体作为对支护结构的荷载采用厚衬砌的传统做法。上述认识的理论依据●支护荷载既取决于围岩的性质，又取决于支护结构的刚度和支护时间●围岩的松动区和围岩内的二次应力状态又与支护结构的性质和支护时间有关●大部分围岩压力（特别是变形山压）由围岩自身承担②柔性支护观点支护刚度不必太大，当支护做完后，能与岩体一起生产一定的位移，释放部分变形能，但又能使支护足以保持平衡，保持围岩稳定。支护结构为闭合环，锚喷网综合支护主要支护手段。

优点●能使围岩合理地释放变形能；●喷锚支护在与围岩共同变形中受到压缩，对围岩产生越来越大的支护反力，能够抑制围岩产生过大变形，防止围岩发生松动破坏；●及时封闭围岩，防止风化；●喷射层与围岩所形成围岩—支护系统可以最大限度地利用围岩本身的承载力。③现场量测工作的特殊性●量测的结果可以作为施工现场分析参数和修改设计的依据，因而能够预见事故和险情，以便及时采取措施，防患于未然提到施工的安全程度。体现在●由于地质条件的复杂性，必须要通过许多量测手段，在施工过程中对围岩动态和支护结构工作状态和支护结构工作状态进行监测。并用监测结果修改初步设计，指导施工。施工顺序开挖一次支护二次支护和封底钻孔装药爆破通风出渣全断面开挖控制爆破打锚杆联网立钢拱架复喷混凝土一次喷射混凝土一般应在开挖后围岩自稳时间的二分之一时间内完成补喷射混凝土浇注混凝土内拱or在围岩变形趋于稳定时进行交叉进行预裂爆破（多用于明挖

）即在主体爆破前，在设计轮廓线上预先炸出一条一定宽度的裂缝。预裂原理：由于不耦合装药（即药包和孔壁间有环状空隙），空隙的存在削减了作用在孔壁上的爆压峰值，并为孔间彼此提供了聚能的临空面。削减后的爆压峰值不致使孔壁产生明显的压缩破坏，只切向拉力使炮孔四周产生径向裂纹，加之临空面聚能作用使孔间连线产生应力集中，孔间裂纹发展，而滞后的高压气体沿缝产生“气刃”劈裂作用，使周边孔间连线上裂纹全部贯通。Comparisonbetweentheresultsachievedbypre-splitblasting(ontheleft)andnormalbulkblastingforasurfaceexcavationingneiss.光面爆破（多用于地下工程开挖）指：主体工程爆破之后，利用布置在开挖轮廓线上的炮孔准确地把预留的光爆层在岩石上切下来。施工方法：沿设计开挖线布置小孔径，密间距的周边孔，采用低密度、低爆速、低猛度和高爆力的光爆炸药，不耦合装药或间隔装药，进行弱震爆破，炸除沿洞周留下的厚度为最小抵抗线的光爆层，形成光面。1～2—掏槽孔3～8—崩落孔9～12—周边孔Resultsachievedusingwelldesignedandcarefullycontrolledblastingina19footdiametertunnelingneissintheVictoriahydroelectricprojectinSriLanka.PhotographreproducedwithpermissionfromtheBritishOverseasDevelopmentAdministrationandfromBalfourBeatty-Nuttall.隧道TBM(Tunnelboringmachines)掘进法TBM法施工优点（相对于D&B法）具有快速、连续作业、机械化程度高、成洞速度快的特点一般采用圆形洞室开挖，开挖面平整，很少有超挖现象对地层拢动小、洞室受力比较均匀TheTBMcutterheadcanbeseenafteritreacheddaylightinApril1997.TheTBMmadea2.5-yearjourneyexcavatingthroughYuccaMountain.

施工环境好、劳动强度小大多采用预制混凝土管片拼装、衬砌支护质量好，节省衬砌混凝土圬工量通风条件好、减少辅助工程出渣一般采用皮带输送，出渣速度快，对洞室开挖干扰小⑵用连续支护（柔性支护）代替传统支护（刚性支护）①传统支护方法●支撑钢支撑●衬砌砌砖浆砌条石混凝土或钢筋混凝土临时性支护措施永久性支护措施●缺点：支护措施未能全面地与围岩紧密而连续接触木支撑Thetriumphantadvanceoftherailwaysinthe19thcenturywasmainlyresponsibleforrapiddevelopmentsintunnelconstruction.Inordertoprotecttheexcavatedspacesfromtheweightoftherockorearthabove,theymustbesecuredduringconstructionwithtemporarysupportsandbymasonrywheninpermanentuse.②围岩，特别是块状围岩的变形破坏方式及基本对策●首先是关键破坏点的掉落（所谓的“危石”掉落）围岩失稳的累进性过程示意图●然后破坏逐渐扩大，直至引发灾难性后果●基本对策：及时有效地防止个别“危石”掉落●传统的支护措施很难达到这一支护要求混凝土喷射法（NATM）的优点●喷混凝土能紧跟工作面，速度快，因而缩短了掘进与支护的间隔时间●及时地填补了围岩表面的超挖部分，使围岩应力状态得到改善喷混凝土NewAustrianTunnelingMethod(NATM)Constructionmethod,alsoknownastheshotcretemethod.Astheexcavationprogresses,alayerofconcreteisimmediatelysprayedontheinteriorsurfaceofthetunnelandrockboltsaredrivenin.Thismethodattemptstomaintaintheoriginalrockstructurebyavoidingsettling,subsidenceanddeformation.Additionallinersmaybeaddedormorelayersofshotcretemaybeapplied.●由于喷层与围岩紧密结合，又有相当高的早期强度，在洞室开挖后围岩应力重分布尚未完成，应力降低区还未充分发展之时，就及时地加固了岩体喷混凝土与刚性支护的比较1——混凝土喷层；2——钢材；3——木材初始应力区承载圈松动圈●由于有较高的喷射速度（100m/s）和压力，浆液能充填张开的裂缝，起加固岩体的作用，提高了岩体的强度和整体性●喷层与围岩紧密结合，有较高的粘结力和抗剪强度，能在结合面上传递各种应力，可以起到承载拱的作用⑶锚固指：利用穿过软弱结构面、深入至完整岩体内一定深度的钻孔，插入钢筋、钢棒、钢索、预应力钢筋及回填混凝土，借以提高岩体的磨擦阻力、整体性与抗剪强度的措施。锚杆倒楔式锚杆钢丝绳砂浆锚杆预应力锚索锚杆类型普通式砂浆锚杆（并称插筋）指：钻凿岩孔，然后在岩孔中灌入水泥沙浆并插入一根钢筋，当砂浆凝结硬化后钢筋便锚固在围岩中，借助于这种锚固在围岩中钢筋能有效地控制围岩或浅部岩体变形，防止其滑动和坍塌，这种插入岩孔，锚固在围岩中从而使围岩或上部岩体起到支护作用的钢筋称为“锚杆”楔缝式锚杆砂浆楔头预应力锚杆树脂锚杆锚杆支护原理组合梁原理——将层状岩层加固为组合梁，使岩层整体性增强，承载能力及抗弯强度提高，变形减小悬吊原理抗剪切原理挤压拱原理——将位于滑移面两侧的岩石连接在一起，锚杆起到抵抗两侧岩块相对位移，承受滑移剪切力作用——将离层或切割块体悬吊到固定围岩上，锚杆承受游离岩块重力悬吊原理层状围岩锚固前弯曲时的应力分布层状围岩锚固后弯曲时的应力分布组合梁原理——锚杆通过锚头及压板对其周围破碎岩石进行挤压，形成独立的挤压椎，当锚杆足够密时，各挤压椎相互包容，形成挤压拱（带），挤压拱（带）承受围岩压力作用挤压拱（带）原理⑷围岩分类与喷锚支护围岩分类目的●对围岩的工程特征进行半定量到定量的评价●根据分类评价结果，结合围岩支护设计指南确定支护措施参数●估算岩体原位变形特征参数喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土锚杆支护、喷混凝土锚杆钢筋网支护和喷混凝土锚杆钢拱架支护等不同支护型式的统称。它是地下工程支护的一种新型式，亦是新奥地利隧道工程法（新奥法）的主要支护措施。喷锚支护结构示意图喷锚支护原理●利用岩体中开挖洞室后产生变形的时间效应●适时采用既有一定刚度又有一定柔性的薄层支护结构与围岩紧密粘结成一个整体●该集合体既能对围岩变形起到某种抑制作用，又可与围岩“同步变形”来加固和保护围岩●使围岩成为支护的主体，充分发挥围岩自身承载能力（这是它与传统支护思想的最大区别）●把岩体视为具有粘性、弹性、塑性等物理性质的连续介质喷锚支护型式局部破坏对策●一般采用随机锚杆支护●根据需要加作喷混凝土支护整体破坏对策●喷混凝土锚杆支护●喷混凝土锚杆钢筋网支护●喷混凝土锚杆钢拱架支护针对坚硬的整体围岩——针对块状或层状围岩针对软弱围岩RECOVERYOFUNDERGROUND

BORINGMACHINESCanbequicklyemployedtorecoverdamagedboringmachineswithlittleornodewatering.Batterpipecanfreezesoilbeneaththecasingtosealoffgroundwater.Effectiveintightorlowoverheadareas,nearexistingstructuresoratvibration-sensitivesites.TunnelboringmachinesAdvantages

Nogearboxes

TailormadewithstandardComponents

Infinitevariablespeedi