水电地质培训教材：七、地下洞室工程地质课件.ppt

第七章地下洞室工程地质地下洞室选线（址）的工程地质要求。常用的围岩分类方法及其适用性，特别是《水利水电工程地质勘察规范》GB50287推荐的分类方法。影响围岩稳定性的地形地质因素及围岩稳定性评价方法。地下洞室超前预报方法、支护加固处理措施及适用条件。地下洞室围岩的主要监测内容和布置原则。 第七章地下建筑物对地形地质条件的要求1、进出口边坡地形较完整，边坡岩体稳定性好，没有重大的地质灾害危及进出口安全；2、隧洞通过地段应以Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，无厚层软岩或大型破碎带通过；3、地下建筑物地段地应力不宜过大，建筑物轴线与最大主应力方向的交角宜小；4、地下建筑物轴线与主要构造线（断层、褶皱、岩层产状）方向最好呈大角度相交； 第七章地下洞室工程地质—选线要求1、地形——地形完整、山体稳定，无深切冲沟等，无滑坡、塌方等不良地质现象。2、岩性——地下洞室应尽量避开岩性条件差的围岩，使洞身置于坚硬完整的岩体中。3、地质构造——洞室应选在岩体结构完整、地质构造简单的地段，尽量避开大的构造破碎带。洞室轴线宜与构造线、岩层走向垂直或大角度相交。 第七章地下洞室工程地质—选线要求4、地下水——应尽量将洞室置于非含水岩层中或地下水位以上，或采取地下排水措施，避免或减少渗透压力对围岩稳定的影响。5、地应力——洞室轴线布置最好与最大主应力方向平行或以小夹角相交。 洞室围岩上覆岩体最小厚度的确定洞室上覆围岩最小厚度与洞径、岩体完整性及岩石强度有关。根据工程经验，无压隧洞上覆岩体最小厚度与洞径（B）的关系如下：坚硬岩石（1.0~1.5）B中硬岩石（1.5~2.0）B软弱岩石（2.0~3.0）B对于高内水压力洞段，上覆岩体及侧向岩体厚度要满足上抬理论。 上抬理论假定围岩的承载能力完全由岩体的覆盖厚度决定，而不考虑构造应力场及洞径大小等因素。经验准则：有压隧洞必须有足够厚度的上覆岩体，并具有承受内水压力的能力。水工隧洞设计规范规定上覆岩体“按洞内静水压力小于洞顶以上围岩重量的要求确定”即：式中h—计算点上的上覆岩体的厚度；p—计算点的内水压力；其余两项分别为水和岩石的密度。 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法常用的围岩分类方法GB50287－2006规定的围岩分类方法，五大因素加限制判据法（是国内多个水电工程的实践成果总结）普氏分类法挪威的Q系统分类法地质力学分类法（RMR）隧洞施工中的新奥法：少扰动、早喷锚、勤量测 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法基础判据——控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整性、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分，限定判据——围岩强度应力比S提出了相应的支护类型。围岩稳定性常分为Ⅴ类：稳定、基本稳定、局部稳定性差、不稳定和极不稳定。 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法围岩类别围岩稳定性围岩总评分T围岩强度应力比S支护类型Ⅰ稳定。围岩可长期稳定，一般无不稳定块体T＞85＞4不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土。大跨度时，喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。Ⅱ基本稳定。围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可能产生掉块85≥T＞65＞4Ⅲ局部稳定性差。围岩强度不足，局部会产生塑性变形，不支护可能产65≥T＞45＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为20~25m时，并浇筑混凝土衬砌。Ⅳ不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生。45≥T＞25＞2喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌。Ⅴ极不稳定。围岩不能自稳，变形破坏严重。T＜25 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法1、注意围岩类别与围岩强度应力比S的关系。即Ⅴ类围岩与s无关，Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类与Ⅳ围岩有关，需要根据S值进行调整2、S=Rb×Kv/σm3、赋值内插法。抗压强度、完整性系数、地下水的赋值为范围值，要用内插法赋值。以抗压强度为例。对于坚硬岩，抗压强度大于100MPa时为30分，大于60MPa时为20分，如某 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法GB50287－99规定的围岩分类方法岩石饱和抗压强度为80MPa，则（80-60）/（A-20）=（100-60）/（30-20）则A=25。4、注意GB50287—2006附录J中各赋分表下面的注解内容。 第七章地下洞室工程地质—围岩分类方法（普氏）式中：Rc——岩石单轴抗压强度，Mpaf≥20为1级，最坚固；f≤0.3为第10级，最软弱（详见下表）。优点：形式简单，使用方便。缺点：未考虑岩体的完整性、岩体结构特征对稳定性影响，故不能准确评价岩体的稳定性。普氏分类法以岩石试件的单轴抗压强度作为分类依据，根据普氏坚固性系数f将岩石分为十级。f值越大，岩体越稳定。 普氏围岩分类表分级坚硬程度主要岩性坚固系数fⅠ极坚硬石英岩、玄武岩20Ⅱ很坚硬花岗岩、石英斑岩、石英砂岩15Ⅲ坚硬很硬的砂岩、石灰岩、大理岩、白云岩10~8Ⅳ相当坚硬砂岩、片岩6~5Ⅴ普通很硬的砂岩、片岩和石灰岩、泥灰岩4~3Ⅵ相当软泥灰岩、软片岩、白垩、石膏3~2Ⅶ软岩密实岩土、粘壤土、砂砾1~0.8Ⅷ土质地层耕植土、泥炭、湿砂0.6Ⅸ散粒岩体砂、湿砾、松散土0.5Ⅹ流砂流砂、沼泽土、含水黄土0.3 挪威的Q系统分类法Barton等人依据200个工程实例，于1974年提出的，国际上应用较普遍。是一种较方便、较切合实际的分类方法。依据岩芯的岩石质量指标、节理组数、最脆弱的节理的粗糙度系数及其蚀变程度或填充情况、裂隙水的折减系数和应力折减系数等六个因子计算围岩的Q值，并依据Q值将围岩分为9级。 巴顿岩体质量（Q）分类表达式式中：RQD——岩石质量指标；Jn——节理组数评分；Jr——节理面粗糙度评分；Jw——按裂隙水条件评分；Ja——节理蚀变程度评分；SRF——按地应力影响评分（应力折减系数）。Q反映了岩体质量的三个方面：为岩体的完整性；表示结构面的形态、充填物特征及次生变化程度；表示水与其他应力存在时对岩体质量的影响。 巴顿岩体质量（Q）分类——节理组数影响（Jn)取值 巴顿岩体质量（Q）分类——节理粗糙度影响（Jr)取值 巴顿岩体质量（Q）分类——节理蚀变程度影响（Ja)取值 巴顿岩体质量（Q）分类——裂隙水影响（Ja)取值 巴顿岩体质量（Q）分类——地应力影响（SRF)取值：根据围岩性质、结构特征、节理性质、地下水及隧洞埋深等因素估计其应力状态。围岩初始应力越高、SRF取值越大。经验数据：脆性而坚硬、有严重岩爆现象的岩石：SRF=10~20坚硬、有单一剪切带的岩石：SRF=2.5 地下开挖当量直径：根据Q值，可将岩体分为9类，如图： Q分类的优点：考虑因素相对全面适用于各种岩石（软、硬）Q分类的缺点：没有考虑节理方位（怕失去简单的特点，影响通用性） 宾尼奥夫斯基节理岩体地质力学分类（RMR分级系统）宾尼奥夫斯基（Bieniawski，1976)提出的分类指标RMR(RockMassRating)，由下列6种指标组成：（1）岩块强度(R1)（2）RQD值(R2)（3）节理间距(R3)（4）节理条件(R4)（5）地下水(R5)（6）节理方向对工程的影响的修正参数（R6）即： （1）对应岩石强度的岩体评分值R1点荷载指标（Mpa）岩石单轴抗压强度Rc(Mpa)评分值>10>250154~8100~250122~450~10071~225~504不采用5~252不采用1~51不采用<10 （2）对应于岩芯质量指标的岩体评分值R2RQD（％）91～10076~9051~7526~50<25评分值20171383（3）对应于最有影响的节理组间距的岩体评分值R3节理间距（m）>31~30.3~10.05~0.3<0.05评分值302520105 （4）对于节理状态的岩体评分值R4说明评分值尺寸有限的粗糙的表面、硬岩壁25略粗糙的表面、张开度<1mm，硬岩壁20略粗糙的表面、张开度<1mm，软岩壁12光滑表面；由断层泥充填厚度为1～5mm；张开度1～5mm，节理延伸超过数米6由厚度>5mm的断层泥充填的张开节理;张开度>5mm的节理，延伸超过数米0 （5）取决于地下水状态的岩体评分值R5每米隧道的涌水量（L/min）节理水压力与最大主应力的比值总的状态评分值无0完全干燥15<10<0.1潮湿1010～250.1～0.2湿725～1250.2～0.5有中等压力水，滴水4>125>0.5有严重地下水问题，流水0 （6）节理方位对RMR的修正值R6方位对工程的影响评价隧道地基边坡很有利000有利－2－2－5一般－5－7－25不利－10－15－50很不利－12－25 （7）节理走向与倾角对隧道掘进的影响节理走向垂直于隧道轴线节理走向平行于隧道轴线倾角00～200顺倾向掘进逆倾向掘进倾角450～900200～450450～900200～450450～900200～450不考虑走向很有利有利一般不利很不利一般一般 根据总分确定岩体分级类别岩体描述岩体评分值RMRⅠ很好81~100Ⅱ好61~80Ⅲ较好41~60Ⅳ较差21~40Ⅴ很差0~20 岩体分级的意义考虑不支护隧道的自稳时间分类号ⅠⅡⅢⅣⅤ平均自稳时间15m跨，20年10m跨，1年5m跨，1星期2.5m跨，10h1m跨，30min岩体的内聚力(kPa)>400300~400200~300100~200<100岩体内摩擦角>450350~450250~350150~250<150该分类法已得到比较广泛的应用。 地质力学分类法（RMR）适用：坚硬、节理岩体，浅埋隧道不适用：挤压、膨胀、涌水的及软岩体。 第七章地下洞室工程地质—影响稳定因素影响围岩稳定性的因素地形地貌条件——冲沟、进出口段、破碎地形等。岩体结构——是影响围岩稳定性的重要因素之一，包括地层岩性、地质构造等。岩体应力——岩体应力的大小和方向是地下建筑物稳定的重要因素。地下水——地下水的存在及其活动，常常使围岩的稳定性恶化工程因素——洞室形状、大小，洞群间距，施工方法，开挖顺序。 第七章地下洞室工程地质—围岩失稳型式围岩失稳的常见型式滑动与塌落——块状或中厚层状岩体、构造控制。弯曲与折断——层状岩体，特别是薄层状的软硬互层岩体。松动脱落——碎裂岩体、断层带等。变形与膨胀——深埋隧洞的软岩、破碎带，膨胀岩洞段。岩爆——硬脆岩体，高地应力。如有地下水，将加剧上述前四种破坏。岩爆与地下水不同时发生。 第七章地下洞室工程地质—地应力地应力及其种类地应力一般是指地壳岩体天然状态下所具有的内应力，或称初始应力，主要是在重力和构造运动综合作用下形成的应力，有时也包括在岩体的物理、化学变化及岩浆侵入等作用下形成的应力。按不同的起源可分为自重应力、构造应力、剩余应力和变异应力。 第七章地下洞室工程地质—地应力自重应力1、由岩体自重产生的应力，其垂直应力σZ与水平应力σx与σy分别为：式中：ρ为岩石的密度；g为重力加速度；h为上覆岩体的厚度；γ为泊松比；λ为侧压力系数。 第七章地下洞室工程地质—地应力自重应力2、一般来说，坚硬岩石的泊松比0.2~0.3，侧压力系数0.25~0.43，因而地壳岩体的自重应力其垂直应力总是大于水平应力，但地壳深部，岩体在上覆岩层的较大荷载长期作用下，或者当浅部岩石比较软弱的情况下，侧压力系数接近0.5，这时水平应力接近于垂直应力。大量实测资料表明，不少地区的地应力往往是水平应力大于垂直应力，这说明地应力的来源还有其他方面的因素。 第七章地下洞室工程地质—地应力构造应力指由构造运动引起的地应力。它们分为两类：活动的构造应力是近期和现代地壳运动正在积累的应力，也是地应力中最活跃最重要的一种，常导致岩体的变形与破坏；残余的构造应力是由古构造运动残留下来的应力。构造应力明显地存在于挽近构造运动强烈的地带，如强烈褶皱地带、深大断裂带常积累很大的地应力。 第七章地下洞室工程地质—地应力剩余应力与变异应力剩余应力：指地壳受风化剥蚀，承载岩体由于卸荷作用残留在岩体中的自相平衡的应力，致使垂直应力相应降低，水平应力则保持不变。变异应力：指由岩体的物理状态、化学性质或赋存条件方面的变化而引起的应力，通常只有局部意义。例如岩浆的侵入，沿接触带产生很大压力。 第七章地下洞室工程地质—地应力地应力场的分布和变化规律1、垂直应力（σV）随深度线性增加2、水平应力（σH）随深度的变化关系比较复杂，一般在地壳浅部，特别是构造活动区，大多数情况水平应力大于垂直应力，当达到临界深度后则相反。3、在深切河谷区的河床底部往往有很大的水平应力，分为应力释放区、应力集中区和应力平衡区 第七章地下洞室工程地质—地应力地应力对地下工程的影响1、地下洞室设计中，一般认为地下洞室的长轴方向应尽量与最大主应力方向平行或小角度相交，这样不致因应力释放而影响边墙的稳定。2、高地应力条件下，硬脆的完整岩体易产生岩爆，软岩易产生围岩变形。 第七章地下洞室工程地质—地应力洞室围岩的应力特征1、邻近洞壁的岩体受到集中应力的作用，当岩体中的应力差σθ-σr达到某一极限值时，就产生塑性变形；当应力足够大时，形成塑性松动圈；在塑性松动圈外侧，径向应力逐步增大，形成应力升高区（弹性圈）；在应力升高区以外，应力状态仍保持天然应力状态，应力条件不受洞室开挖的影响。因此，洞室开挖的结果是在围岩中形成三个应力分布区，即应力降低区，应力升高区和天然应力区。 第七章地下洞室工程地质—地应力洞室围岩的应力特征2、围岩中的岩体结构特征也对围岩应力起控制作用。节理面的产状与洞体受力方向的不同，将产生三种不同的结果：（1）节理面与洞体受力方向的夹角大于60°或垂直时，洞壁与节理面垂直相交的部位产生最大切向应力。 第七章地下洞室工程地质—地应力洞室围岩的应力特征（2）节理面与洞体受力方向的夹角小于30°或平行时，洞壁与节理面相切的部位产生最大切向应力；当节理面的走向与洞体受力方向平行时，洞顶（底）的切向应力成为最大主应力而径向应力变得弯斜。（3）节理面与洞体受力方向斜交成45°角时，洞壁与节理面相切及垂直的部位产生相等的最大切向应力。 第七章地下洞室工程地质—评价方法围岩稳定性评价方法地质分析法——是通过勘测手段了解与围岩稳定有关的、经常出现的、起控制作用的岩石特性、地质构造、水的作用和岩体应力四个主要因素，并通过综合分析确定围岩的稳定性。工程类比法——是根据拟建工程区的地质条件、岩体特性和动态观测资料，通过与具有类似条件的已建工程的综合分析和对比，从而判断工程区岩体的稳定性。岩体结构分析法——是块状岩体结构围岩稳定分析的简易方法。 第七章地下洞室工程地质—超前预报方法直接预报方法——可根据施工开挖情况，对照前期勘察预测的成果，预报隧洞掌子面前方的地质情况。若地质情况复杂，且对隧洞工程危害大时，可在掌子面布置超前钻探、超前导坑。间接预报方法——主要是采用物探手段，探测前方地质情况。近年来，越来越重视地质预报，特别是深埋长隧洞，地质条件不易查清。 第七章地下洞室工程地质—超前预报方法主要间接预报方法1、TSP是一种反射地震法仪器，瑞士Amberg公司生产。可探测深度100~200m。该法对与隧道呈大角度的软弱带，如断层、软弱夹层、地层分界等效果较好，对不规则形态的地质缺陷如溶洞、暗河及含水情况效果不理想。2、HSP（水平声波剖面法），是目前铁路系统应用得比较广泛的一种物探方法。 第七章地下洞室工程地质—超前预报方法主要间接预报方法3、地质雷达：是应用得最多的一种方法，探测深度一般在30m以内，对空洞、水体等的反映较灵敏，因而在岩溶地区用得较普遍，例如在引黄入晋工程南干线6号隧洞探测岩溶发育情况效果较好。4、红外探水法：此法基于岩体中地下水的富集程度和活动状况的差异而引起岩体红外幅射场强度的变化提出的。通过探测岩体红外幅射场强度的变化，判断掌子面前方或洞壁四周岩体含水程度，预报掌子面前方有无潜伏的含水体。 第七章地下洞室工程地质—支护加固支护的一般原则1、地下洞室支护加固处理的目的是保持围岩稳定或提供必要的稳定时间，为永久支护衬砌和施工创造安全条件。2、支护加固措施应充分发挥围岩的自承和承载能力，支护结构宜按围岩自承能力确定。3、对地下洞室（临时或一期）支护加固的建议，是在施工地质安全预报后提出的；支护措施是通过地质、设计、施工、监理等各方综合研究确定的。 第七章地下洞室工程地质—支护加固支护的一般原则4、支护型式应根据工程地质和水文地质条件、断面大小、施工方法等通过分析计算或工程类比决定，围岩支护加固的效果应根据围岩变形观测的分析，不断改进（或加强）支护加固的措施。5、支护加固措施主要方法：喷锚支护、管棚支护、钢拱架（松散层） 第七章地下洞室工程地质—围岩监测地下洞室围岩监测的布置原则在有代表性的洞段布置围岩的监测，主要有：1、不良地质洞段，如Ⅳ~Ⅴ类围岩洞段，具有特殊不良工程性质的岩土洞段、高外水和地下水丰富洞段、具有有害气体、放射性元素、有害水质洞段、高地应力洞段等等。2、土洞段：如具有湿陷性黄土、膨胀性粘土及岩土过渡段等等。3、大洞径、高（内）水头、高流速的水工隧洞。 第七章地下洞室工程地质—围岩监测地下洞室围岩的主要监测内容1、洞内监测的内容主要包括监测围岩的变形及应力，作用在衬砌结构上的围岩压力和外水压力、渗流量、温度等。2、洞外监测包括隧洞进出口山体的稳定性。隧洞地面沉陷、位移、震动、地下水位变化情况及隧洞渗漏情况等。3、其它监测项目