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1、课程主讲人：13 地下工程地质问题西南交通大学 廖昕第13讲 地下工程地质问题1岩体及地应力概念2洞室围岩变形及主要破坏类型4围岩工程分级及应用5围岩稳定性评价方法6超前超前地地质预报质预报本讲内容3洞室特殊地质问题1 岩体及地应力概念1.1 岩体的概念岩石：岩石是矿物的自然集合体，通常指不含结构面的相对完整的岩石块体。岩体：岩体是岩石块体的自然组合体，岩体中各个岩块被不连续面所分割，这些不连续面被称为岩体的结构面，岩石块体被称为岩体的结构体，结构面与结构体的组合称为岩体。从工程观点出发，将与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体叫做工程岩体，有时也简称岩体。结构面结构面是指岩体中的不连续界面，
2、通常没有或只有较低的抗拉强度。结构面主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。如岩层层面、节理、断层、不整合接触界面等。按成因结构面可分为原生结构面、构造结构面和次生结构面。原生结构面：指岩石形成过程中产生的结构面。又可分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。构造结构面：指地壳运动引起岩石变形破坏，形成的破裂面。如构造节理、劈理、断层等。次生结构面：指地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面。如风化节理、卸荷节理、爆破节理、溶蚀节理、泥化夹层、不整合接触面等。1.1 岩体的概念结构体岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体叫结构体。结构体的大小和形状受结构面组数、密度、产状、长度
3、等影响。结构体可以形成各种形状，常见的有块状、柱状、板状、锥状、楔形体、菱面体等。1.1 岩体的概念立方体四面体菱形体板状柱状楔状岩体中结构面和结构体的组合关系称为岩体结构，组合形式称为岩体结构类型。岩体的结构类型可分为五类1. 整体状结构2. 块状结构3. 层状结构4. 碎裂结构5. 散体结构1.2 岩体结构的概念岩体结构类型结构面发育情况岩土工程特征整体状结构以层面和原生、构造节理为主，多呈闭合型，间距大于1.5m，一般为12组，无危险结构岩体稳定，可视为均质弹性各向同性体块状结构有少量贯穿性节理裂隙，结构面间距0.71.5m，一般为23组，有少量分离体结构面互相牵制，岩体基本稳定，接近弹
4、性各向同性体层状结构有层理、片理、节理，常有层间错动变形和强度受层面控制，可视为各向异性弹塑性体，稳定性较差碎裂结构断层、节理、片理、层理发育，结构面间距0.250.50m，一般在3组以上，由许多分离体整体强度很低，并受软弱结构面控制，呈弹塑性体，稳定性很差散体结构构造和风化裂隙密集，结构面错综复杂，多充填粘性土，形成无序小块和碎屑完整性遭极大破坏，稳定性极差，接近松散体介质1.2 岩体结构的概念岩体结构类型地应力一般是指地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所具有的内应力，也称为初始应力或天然应力。岩体是天然状态下长期地质作用的产物，岩体中地应力场是各种不同时期、不同成因应力场迭加的结果。地应
5、力包括岩体自重应力、地质构造应力、地下水压力以及由于地温、矿物结晶、变质等作用引起的应力。一般情况下，地应力主要是指构造应力和自重应力。从实测地应力结果中减去岩体自重应力，便可用来评价地质构造应力。1.3 地应力的概念应力重分布由于工程开挖，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布，称为二次重分布应力。在地下工程中，洞室周围地应力变化范围内的岩体称为围岩，围岩中的二次重分布应力称为围岩应力。1.3 地应力的概念地应力特性vghh12hhv=1在地壳浅部，地应力的垂直分量接近于岩体自重应力，地应力的水平分量大于垂直分量 。对于表面为水平的半无限体，岩体重度为时，在深度为 h处的垂直自重应力可按
6、下列公式计算：1水平自重应力为:为天然应力比值系数，或称为侧压力系数, 通常取 0.25-0.4.1.3 地应力的概念在地壳深部，如1千米以下，两者渐趋一致23水平分量 存在各向异性。中国华北地区实测结果表明hmin/hmax=0.190.27的占17%，0.430.64的占60%，0.660.78的约占20%。 4最大主应力在平坦地区或深部受构造方向控制，而在山区则和地形有关，在浅层往往平行于山坡方向。hv地应力特性1.3 地应力的概念由于多数岩体都经历过多次地质构造运动，组成岩石的各种矿物的物理力学性质也不相同，因而地应力中的一部分以“封闭”或“冻结”状态存在于岩石中。 5地应力特性1.3
7、 地应力的概念(a) 强岩爆(b) 软岩大变形 围岩应力引起的变形与破坏，主要指围岩岩体在围岩应力为主作用下产生的变形和破坏。 在围岩应力作用下，围岩变形和破坏的主要类型有张裂塌落、劈裂剥落、碎裂松动、弯折内鼓、岩爆、塑性挤出、膨胀内鼓等。1张裂塌落 在厚层状或块体状围岩的洞室拱顶部，当产生拉应力集中，其值超过围岩抗拉强度时，拱顶围岩将发生垂直张裂破坏。尤其是当有近于垂直的构造节理发育时，拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展，使被裂缝切割的岩体在自重作用下变得不稳定。此外，当岩石在垂直方向抗拉强度较低，或近于水平方向的软弱结构面发育，往往也造成拱顶塌落。 傍河隧洞或越岭隧洞进出口段，常因岩体侧向卸荷影
8、响，岩体内侧压力系数较低，加之这些地段节理通常发育，所以，拱顶经常发生严重张裂塌落，有时甚至一直塌到地表。故这类地区，隧洞应尽量避开卸荷影响带。2 洞室围岩变形及主要破坏类型2劈裂剥落 过大的切向压应力可使厚层或块体状围岩表部发生平行洞室周边的破裂。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板，这些薄板常沿壁面剥落，其破裂范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能被压弯、折断，并造成坍方。 图 矿坑围岩的劈裂剥落（据RC巴松斯，1971） 2 洞室围岩变形及主要破坏类型3碎裂松动 碎裂松动是硬质岩因多组节理发育呈镶嵌碎裂状时的围岩变形、破坏的主要形式。
9、洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，这类围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，并围绕洞体形成一个碎裂松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，当有地下水活动参与时，极易导致拱顶坍塌和边墙失稳。松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大。因此，该类围岩开挖后应及时支护加固。4弯折内鼓 在薄层脆性围岩中，岩体变形、破坏主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏。破坏成因有两种，一是卸荷回弹，二是切向压应力超过薄层岩层的抗弯强度所造成的。2 洞室围岩变形及主要破坏类型在卸荷回弹造成的破坏中，破坏主要发生在地应力较高的岩体内（如深埋洞室或水平应力高的洞室），并且总是与岩体内初始最大应力垂直相交的洞
10、壁上表现最强烈。故当薄层状岩层与初始最大应力近于垂直时，洞室开挖后，就会在回弹应力作用下发生如图左所示的弯曲、拉裂和折断，最终挤入洞内面坍倒。如垂直应力为主时，水平岩层在洞顶易产生弯折。水平应力为主时，竖直岩层在洞壁易产生弯折。 走向平行于洞轴的薄层状围岩的弯折内鼓破坏 4弯折内鼓当洞室侧壁有平行断层通过时，将加强洞壁与断层之间薄层岩体内的应力集中，从而更易产生弯折内鼓。如图右所示。 有利于产生弯折内鼓破坏的局部构造条件 岩爆是高地应力区修建于较完整脆性岩中的隧道及其它地下工程中常见的一种地质灾害。在高地应力区地下洞室开挖中，围岩在局部集中应力作用下，当应力超过岩体强度时，围岩突然猛烈释放弹性
11、应变能，造成岩石脆性破坏，并导致大小不等的岩块弹射或抛落的现象称为岩爆。弹射或抛出岩体小者几厘米，大者可达几十吨，岩爆发生时，常伴有入耳可闻的爆裂声。发现岩爆虽已有200多年历史，但只在20世纪50年代以来才逐渐认清了岩爆的本质和发生条件。5岩爆岩爆的特点岩爆的特点岩爆是岩石内部弹性应变能积聚后而突然释放的结果，高地应力区较完整的硬岩最易出现。软岩因在弹性应变还不太大时，便产生塑性变形，不能形成岩爆。岩爆发生时，常伴有声音，有的岩爆虽然耳不闻其声响，但通过埋入岩石或与岩石面耦合的声接收器，仍可发现有声发射现象。岩爆的发生有一个过程，通常可分为三个阶段，即启裂阶段、应力调整阶段和岩爆阶段。 1.
12、 突水突泥3 地下洞室特殊地质问题2. 腐蚀突水突泥是指隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥沙涌入隧道的现象。地下洞室围岩腐蚀主要是指水、土、大气中的化学成分和气温变化对洞室混凝土及及其建筑材料的腐蚀。注：以上基础图片来自百度图片203. 地温地下工程中，高地温的影响又叫热害。对于深埋洞室，地下温度是一个重要问题，铁路规范规定隧道内温度不应超过25度，超过这个界线就认为存在热害，应采取降温措施。洞室埋深处的地温估算（T）：0=()T THh G0.05=Gk岩体温度随深度的增加取决于地热梯度（G）：3 地下洞室特殊地质问题4. 有害气体地下洞室通过含煤地层等富含有害气体的环境时，可能遇到的有害
13、气体的危害。主要包括甲烷、二氧化碳、硫化氢、二氧化硫等，其中以甲烷为主。 洞室开挖在不同性质的岩体中，表现出不同的稳定性。在坚硬岩石的整体块状结构的岩体中，岩体完整性好，强度高，洞室围岩稳定，可不用支护。在碎裂状和散体状岩体中，洞室围岩极易坍方，需要及时支护才能保持稳定。 洞室围岩工程分级，就是把稳定性相近的围岩划归一级，根据围岩稳定类别确定洞室施工方法、支护类型、衬砌形式和厚度等。所以，洞室围岩工程分级，是正确进行洞室设计、施工的基础。 4 围岩工程分级及其应用岩土工程勘察规范（2009版）坚硬程度坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩饱和单轴抗压强度 (MPa)fr6060fr3030fr1515
14、fr5fr 0.750.750.550.550.350.350.150.154 围岩工程分级及其应用岩体完整程度分类岩石坚硬程度分类岩体质量指标（Q）分类SRFJJJJRQDQWarn岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q1000400400100100404010104411.00.10.10.010.010.001 岩石质量指标RQD备注A 坏的025（1）当调查或量测的RQD10（包括0）时，用以代入公式计算Q值时，可采用标称值10；（2）RQD每级差用5，即100、95、90已有足够精度.B 不良2550C 中等5075D 良好7590E 优良90100岩石质量指标RQD注：R
15、QD为钻孔所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯的总长度与钻孔深度比值。 4 围岩工程分级及其应用岩体质量分类节理组数影响系数节理组数影响系数Jn4 围岩工程分级及其应用岩体质量指标（Q）分类SRFJJJJRQDQWarn节 理 面 粗 糙 情 况Jr值（a）节理面直接接触 （b）剪切时当剪切变形10cm，岩壁接触 A 不连续的节理4B 粗糙或不规则的起伏节理3C 光，但是起伏的节理2D 光滑，但具起伏的节理1.5E 平坦且粗糙，或不规则节理1.5F 光而平直的节理1G 平直且光滑的节理0.5（c）剪切后，节理不再直接接触 H 节理面间充填有不能使节理面直接接触的连续粘土矿物带1.0J 节理面间充
16、填有不能使节理面直接接触的砂、砾石或挤压破碎带1.0节理面粗造度系数Jr4 围岩工程分级及其应用岩体质量指标（Q）分类SRFJJJJRQDQWarn节 理 蚀 变 程 度Ja值（近似值）（a）节理面直接接触 A 坚硬的，半软弱的，经过胶结而紧密且具不透水充填物的节理（如石英或绿帘石充填）0.75 B 节理面未产生蚀变，仅少数表面稍有变化1.02530C 轻微蚀变的节理面，表面为半软弱矿物所覆盖，其砂质微粒、风化岩土等2.02530D 节理为粉质粘土或砂质粘土覆盖，少量粘土、半软弱粘土覆盖3.02035E 有软弱的或低摩擦角的粘土矿物覆盖在节量表面（如高岭土、云母、绿泥石、滑石、石膏等）或含有少
17、量膨胀性粘土（不连续覆盖，厚度约12mm或更薄）的节理面4.0816（b）当剪切变形10cm时，节理面直接接触 F 砂质微粒，岩石风化物充填42530G 紧密固结的半软弱粘土矿物填充（连续的或厚度小于5mm）61624H 中等或轻微固结的软弱粘土矿物填充（连续或厚度小于5mm）81216J 膨胀性粘土充填，如连续分布的厚度小于5mm的蒙脱土充填时，Ja值取决于膨胀性颗粒所占百分数，以及水的渗入情况812612（c）剪切后，节理面不再直接接触 K. L. M. 破碎带夹层或挤压破碎带岩石和粘土（对各种粘土状态的说明见G或H.J）6、8或812624N. 粉质或砂质粘土及少量粘土（半软弱）5 O.
18、 P. R厚的连续分布的粘土带或夹层（粘土状态说明见G. H. J）10、13或1320624节理面蚀变度系数Ja4 围岩工程分级及其应用岩体质量指标（Q）分类SRFJJJJRQDQWarn节 理 水 情 况Jw近似的水压力100kPaA 开挖时干燥，或有少量水入渗，即只有局部渗水，渗水量小于5L/min1.0小于1.0B 中等入渗，或填充物偶然受水压力冲击0.661.02.5C 大量入渗，或为高水压，节理未充填0.52.510D 大量入渗，或为高水压，节理充填物被大量带走0.332.510E 异常大的入渗，或具有很高的水压，但水压随时间衰减0.10.2大于10F 异常大的入渗，或具有很高且持
19、续的无显著衰减的水压0.050.1小于10节理水影响系数Jw4 围岩工程分级及其应用岩体质量指标（Q）分类SRFJJJJRQDQWarn（a）当隧洞的交义洞开挖在弱带上时，开挖后可能引起岩体的疏松SRFA含有粘土或化学风化岩石的软弱带多次出现，周围岩石非常疏松（处于任何深度部位）10B含有粘土或化学风化岩的单一的软弱带，开挖深度50m2.5D在坚硬石中，多次出现剪切带，周围岩石疏松7.5E坚硬岩石中，具单一剪切带（中夹少量粘土），开挖深度小于或等于50m5F坚硬岩石中，具单一剪切带（中夹少量粘土），开挖深度大于50m2.5G疏松的张节理，形成节理组很多，多呈方块状（外于任何深度部位）5（b）坚
20、硬岩石，岩石应力问题 H低应力，靠近地表200132.5J中等应力102000.66131.0K高应力，结构致密（对稳定是有利，但对岩壁则可能不利）5100.330.660.52.0L破碎软岩岩体2.550.160.33510M很破碎的岩体2.50.161020（c）经挤压的岩石，在高压下具塑性状态的软岩 N轻微挤压的岩石510O经强烈挤压的岩石1020（d）膨胀性岩石以及取决于水压力作用的化学膨胀岩石 P轻微膨胀的岩石510R强烈膨胀的岩石1015)()(11最大主应力抗压强度f)()(11最大主应力抗压强度Rf 地应力影响系数SRF4 围岩工程分级及其应用岩体质量指标（Q）分类SRFJJJ
21、JRQDQWarn 根据地下洞室所在岩体的性质，又可将地下洞室分为土体洞室和岩体洞室两大类。土体和岩体的工程性质差别较大，两类洞室的变形破坏形式、影响因素以及稳定性评价方法等，均有所不同。 岩体洞室的稳定性主要取决于岩体中的岩体质量、地下水状态、地应力状态、洞室断面尺寸、形状，以及埋深等。岩体洞室围岩稳定性评价常采用以下几种方法。 洞壁危岩稳定性分析5 围岩稳定性评价（一）理论公式1连续介质力学分析2散体围岩稳定性计算3极限平衡分析（二）模型试验与模拟分析 模型试验是指根据相似原理，采用相似材料进行的物理试验。模拟分析主要指利用计算机采用数值计算的方法进行多工况计算分析。（三）现场监测与信息化
22、设计 通过对地下工程的施工过程开展监测，可以了解隧道支护结构和周围地层的变形情况，及时反馈地表和洞内位移变化的信息。而利用所测量得到的物理量，采用数值计算方法分析勘察中难以确定的设计参数，从而调整相应的开挖支护参数, 进行动态设计并指导并组织施工，就是信息化设计技术。现场监测还可以了解隧道围岩在施工过程中的动态变化，明确工程施工对原始地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。监测测量还可以提供判断围岩和初期支护基本稳定的依据，确定二次衬砌的施作时间。通过监控量测，收集数据，为以后的工程设计，施工及规范修改提供参考和积累经验，并可以和计算结果比较，完善计算理论。5 围岩稳定性评价 超前预报常用的方法主要有地质素描、超前水平钻孔、弹性波探测、地质雷达以及红外探水等。6 超前地质预报 地质素描 超前水平钻孔 弹性波探测 地质雷达 红外探水1.岩体、结构面、结构体、岩体结构的定义与分类。2.地应力的定义及特点。3.地下洞室围岩变形破坏与特殊地质问题的主要类型。1.地下洞室围岩分级常见方法有哪些？2.在进行地下洞室建设开挖时需开展哪些超前地质预报工作及其选择依据？