岩土工程勘察地下洞室的勘察与评价

岩土工程勘察地下洞室的勘察与评价10.1初始应力、围岩应力和山岩应力10.2围岩的变形和破坏形式10.3围岩分类地下洞室:埋置于地下岩土体内的各种构筑物。

应用:铁路和公路隧道，矿山地下巷道，国防地下仓库、指挥中心，城市地铁、地下商场、地下体育馆、地下游泳池等。

锦屏二级水电站超长引水隧洞地下洞室的开挖引起的问题:应力状态的变化

会引起不同程度的变形甚至破坏，地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。

因此在设计前，进行详细的岩土工程勘察提供设计所需的地质资料，掌握地下洞室所在岩体、土体的地质情况和稳定程度以及周围的环境情况，有十分重要的意义。

10.1初始应力、围岩应力和山岩应力初始应力:地下洞室施工前就已经存在于岩体中的应力称。

围岩:应力重分布所波及的岩石。

围岩应力:围岩中重新分布后的地应力。

山岩压力:围岩作用于支护结构上的力。

初始应力是山岩压力的基础,是力的来源。围岩应力既取决于初始应力,又取决于洞体的形态、规模以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力,但围岩应力要转化为山岩压力,必须通过岩体结构失稳的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决定了山岩压力的大小和特征。

初始应力

岩体中的初始应力状态是相当复杂的,要受到地质构造、岩性、地形地貌等多种因素的影响。初始应力可以划分为自重应力场和构造应力场。

自重应力

大量的实测地应力资料表明,对于未经受构造作用,产状较为平缓的岩层,其应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。

岩石泊松比:0.2~0.3。

构造应力

围岩应力1.三种初始应力场距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。

没有经历构造运动作用的较深部岩体。很深的岩体围岩应力计算简图2.圆形洞室采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式式中没有弹性模量和泊松比,包含

。

洞室边界附近切向应力产生集中现象3.其他洞室

山岩压力

一般地,由于岩体隧洞内的变形作用于支护或衬砌上的压力称为变形压力,岩体因破坏而松动作用于支护或衬砌上的压力称为松动压力。

1.压力拱理论

工程实践和模型试验的结果表明，洞顶坍落并不是没有止境的，当坍落进行到一定程度后，由岩块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态，称为自然平衡拱（压力拱)。而实际地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌，所以作用于衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌之间岩石的重量。这样正确决定压力拱的形状就成为计算山岩压力的关键。

通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论，简称为普氏压力拱理论。该理论将洞室周围的岩石看作是没有黏聚力的散粒体，计算出洞室上方任何一点的垂直压力为:

侧向山岩压力采用朗肯土压力公式计算,两侧的山岩压力呈梯形分布1o

砂土及松散材料2o

整体性岩石岩石坚固性系数

根据普氏理论，---比较破碎岩体（fK＜2)，地下洞室开挖：

侧墙：剪切破裂+顶拱“压力拱”.

压力拱稳定条件:假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。

抛物线方程

压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然平衡拱,因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定的岩体,对于洞室埋藏浅、围岩为粉砂或饱和软黏土等情况不能应用压力拱理论。

2.弹塑性理论围岩内的弹塑性应力分布

洞室开挖后，随着塑性松动圈的扩展，对支护产生的压力用下式计算:芬那公式（未考虑岩石自重)卡柯公式（考虑岩石自重)3.地质分析法10.2围岩的变形和破坏形式岩土工程勘察岩体的破坏形式表脆性破坏

整体状结构及块状结构岩体,在一般开挖条件下表现稳定,仅产生局部掉块,但在高应力地区,洞周应力集中可引起岩爆,属于脆性破坏,岩石成为碎片射出可发出破裂响声。

块体运动

当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割，形成块体或数量有限的块体时，这种块体和围岩的联系很弱，在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体运动失稳方式:块体塌落、滑动和转动、倾倒以及块体挤出等弯曲折断破坏

弯曲折断破坏是层状,尤其是夹软弱夹层的互层岩体所特有的,但是在大型地下工程中受一组很发育的结构面所构成的似层状岩体也可产生类似的条块状的折断和倒塌。

洞体围岩是泥盆系石英砂岩及板岩互层,产状平缓,洞形为城门洞形。开挖中拱脚以上塌落,形成超挖,成为平板顶,洞体变为梯形断面。

巷道

洞顶的岩层受到力作用下沉弯曲，进而开裂、折断，形成塌落体;侧墙可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲鼓出破坏。

松动解脱

碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况下有一定的承载压力的能力,但是在张力、单轴压力及振动力作用下容易松动,解脱成为碎块散开或脱落。工程中洞顶表现为崩塌,而在边墙则为碎块滑塌、坍塌。

比如压碎岩带,如果挤压很紧,而且有的胶结良好,无泥质物充填,施工起来很是顺利。

相反,如果节理裂隙间有较多泥质充填,裂隙张开,岩石松动,则塌方的可能性就比较大,尤其是在地下水及震动力作用下较易失稳。

塑性变形和剪切破坏

松散结构岩体或碎裂结构岩体中含软弱结构面较多的情况下,在开挖临空及围岩应力作用下产生塑性变形及剪切破坏,往往表现为塌方、边墙挤入洞内、底鼓以及洞体收缩等。

10.3围岩分类围岩分级的目的是：①作为选择施工方法的依据;②进行科学管理及正确评价经济效益;③确定结构上的荷载(松散荷载);④给出衬砌结构的类型及其尺寸;⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。

围岩分级

《工程岩体分级标准》(GB50218-94)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。

1.定性分析定性分析中岩体的基本质量指标由岩石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.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1～2＞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1～2＞1.0结合差节理、裂隙、层面块状或厚层状结构2～31.0～0.4结合好或结合一般块状结构较破碎2～31.0～0.4结合差节理、裂隙、层面、小断层裂隙块状或中厚层状结构≥30.4～0.2结合好镶嵌碎裂结构结合一般中、薄层状结构破碎≥30.4～0.2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（1～2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1～3mm，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1～3mm，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1～3mm，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2.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应采用实用测值。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)的算值，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3.4.2Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)Rc（MPa)

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对照表表3.4.3Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Jv（条／m3)Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系表3.4.4Kv＞0.750.75～0.550.55～0.350.35～0.15＜0.15完整程度完整较完整较破碎破碎极破碎3.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)Ⅰ坚硬岩，岩体完整＞550Ⅱ坚硬岩，岩体较完整；较坚硬岩，岩体完整550～451Ⅲ坚硬岩，岩体较破碎；较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整450～351Ⅳ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350～251Ⅴ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

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：

BQ＝90＋3Rc＋250Kv注：使用上式时，应遵守下列限制条件：

①当Rc＞90Kv＋30时，应以Rc＝90Kv＋30和Kv代入计算BQ值。

②当Kv＞0.04Rc＋0.4时，应以Kv＝0.04Rc＋0.4和Rc代入计算BQ值。

4.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:[BQ]＝BQ－100（K1＋K2＋K3）

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.0.1－3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.0.1－1＞450450～351350～251≤250潮湿或点滴状出水00.10.2～0.30.4～0.6淋雨状或涌流状出水，水压≤0.1MPa或单位出水量≤10L／min·m0.10.2～0.30.4～0.60.7～0.9淋雨状或涌流状出水，水压＞0.1MPa或单位出水量＞10L／min·m0.20.4～0.60.7～0.91.0BQK1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＜30º结构面倾角30º～75º结构面走向与洞轴线夹角＞60º结构面倾角＞75º其它组合K2

0.4～0.60～0.20.2～0.4主要软弱结构面产状影响修正系数K2

表D.0.1－2初始应力状态影响修正系数K3表D.0.1－3＞550550～451450～351350～251≤250极高应力区1.01.01.0～1.51.0～1.51.0高应力区0.50.50.50.5～1.00.5～1.0初始应力状态K3BQ

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γ（kN/m3）抗剪断峰值强度变形模量E（GPa）泊松比υ内摩擦角φ（º）粘聚力C（MPa）Ⅰ＞26.5＞60＞2.1＞33＜0.2Ⅱ60～502.1～1.533～200.2～0.25Ⅲ26.5～24.550～391.5～0.720～60.25～0.3Ⅳ24.5～22.539～270.7～0.26～1.30.3～0.35Ⅴ＜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Ⅰ跨度≤20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方Ⅱ跨度10～20m，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Ⅲ跨度10～20m，可稳定数日～1月，可发生小～中塌方；距度5～10m，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Ⅳ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，有明显塑性流动变形和挤压破坏；跨度≤5m，可稳定数日～1月Ⅴ无自稳能力注：①小塌方：塌方高度＜3m，或塌方体积＜30m3;②中塌方：塌方高度3～6m，或塌方体积30～100m3;③大塌方：塌方高度＞6m，或塌方体积＞100m3。

公路隧道围岩分级《公路隧道设计规范》(JTGD70－2004)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。

注:Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ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