1、第一節第一節 概概 述述第二節第二節 洞室圍巖應力的重分及布洞室圍巖應力的重分及布變形與變形與破壞特征破壞特征第三節第三節 洞室位置選擇的工程地質評價洞室位置選擇的工程地質評價第四節第四節 地下洞室圍巖穩定性的工程地質分析地下洞室圍巖穩定性的工程地質分析第五節第五節 隧道施工的工程地質問題及提高圍巖穩定性的措施隧道施工的工程地質問題及提高圍巖穩定性的措施 1.定義：人工開挖或天然存在于巖土體內的構筑物，統稱為地下建筑。2.地下工程的特征：開挖前處于應力平衡狀態，開挖后洞室周圍的巖體發生卸荷回彈和應力重分布，可能因此發生變形和破壞。3.研究意義：正確估計圍巖應力和巖體強度，及時合理地對地下工程進

2、行維護，是保證地下工程安全、經濟地修建和運營的前提。一、地下洞室圍巖重分布應力一、地下洞室圍巖重分布應力（一）基本概念（一）基本概念（二）彈性圍巖重分布應力（二）彈性圍巖重分布應力 （三）塑性圍巖重分布應力（三）塑性圍巖重分布應力 1、圍巖松動圈與承載、圍巖松動圈與承載圈圈 2、松動圈與承載圈的應用二、洞二、洞室室圍巖變形破壞的類型和特點圍巖變形破壞的類型和特點+洞室開挖之前，巖土體一般處于天然應力平衡狀態，稱為原巖應力場原巖應力場或初始應力場初始應力場；硐室開挖后破壞了這種平衡。地下開挖以后，由于圍巖質點應力、應變調整而引起的天然應力大小、方向和性質改變的作用稱為應力重分布應力重分布；經應力

3、重分布作用后形成的新的應力狀態，稱為重分布應力狀態重分布應力狀態。+通常將洞室周圍發生應力重分布的這一部分巖體叫做地下洞室圍巖地下洞室圍巖（簡稱（簡稱圍巖圍巖），狹義上，圍巖常指硐室周圍受到開挖影響，大體相當于地下硐室寬度或平均直徑的35倍范圍內的巖土體。式中：式中： r0-洞室半徑洞室半徑r-自洞中心算起的徑向距離自洞中心算起的徑向距離-自水平軸算起的極坐標中的角度自水平軸算起的極坐標中的角度Ph、Pv-分別表示垂直與水平正應力，分別表示垂直與水平正應力，如果巖體的初始應力反由重力形成，則如果巖體的初始應力反由重力形成，則Pv=H Ph=H (H為洞室平均埋深為洞室平均埋深)r、-分別為徑向

4、應力和切向應力；分別為徑向應力和切向應力；r-剪應力剪應力r02r04r06r0Ph2Ph應力應力r距離距離埋深大于20r0 洞室開挖后由于應力的重分布，將使洞室周圍產生應力集中現象。當周邊應力小于巖體的強度極限(脆性巖石)或屈服極限(塑性巖石)時，洞室圍巖穩定。否則，周邊巖石首先破壞或出現大的變形，并向深部擴展到一定的范圍形成松動圈松動圈。在松動圈形成的過程中、原來洞室周邊集中的高應力逐漸向松動圈外轉移，形成新的應力升高區。該區巖體被擠壓緊密，宛如天然加固的巖體，故稱承載區承載區。 應當指出，如果巖體非常軟弱或處于朔性狀態地，則洞空開挖后，由于塑性松動圈的不斷擴展，自然承載圈很難形成。在這種

5、情況下，巖體始終處于不穩定狀態，開挖洞室十分困難。如果巖體堅硬完整，則洞室圍巖始終處于彈性狀態，圍巖穩定，不形成松動圈。 塑性松動塑性松動圈圈 彈性承彈性承載圈載圈原巖應力區原巖應力區1、松動圈，可以確定山巖的壓力的大小，并借以確定隧洞支護或趁砌的設計要求。2、承載圈，可以承受上覆巖體的自重以及側向地應力的附加荷載，在設計支襯時，應當充分發揮圍巖的自承能力，既盡量利用圍巖支襯代替人工支襯，這樣就可以節省設計費用和提高施工速度。3、松動圈和承載圈不是固定不變的，而是隨地質條件和時間而變化；同時與施工方法和速度密切相關，其中關鍵是確定松動圈。在生產實踐中。確定洞室圍巖松動圈的范圍是非得重要的。因為

6、松動圈一旦形成，圍巖就會坍塌或向洞內產生大量的塑性變形，要維持圍巖穩定就要進行支撐或襯砌 洞室開挖后，地下形成了自由空間，原來處于擠壓狀態的圍巖，由于解除束縛而向洞室空間發生松脹變形。這種變形超過了圍巖本身所能承受的能力、便發生破壞。脆性巖石的變形破壞的方式包括張裂坍落、劈裂、剪切滑動、巖爆彎折內鼓等；塑性巖石的變形破壞包括擠出、膨脹、涌流和坍塌等 圍巖變形和破壞失穩的形式，除與巖體內的初始應力狀態及洞形有關外，主要取決于圍巖的巖性和結構特征。 1、完整結構巖體的變形破壞特征 2、層狀結構巖體的變形破壞特征 3、塊斷結構巖體的變形破壞特征 4、碎裂結構巖體的變形破壞特征 5、散體結構巖體的變形

7、破壞特征+堅硬完整巖體的強度高、穩定性好,其變形和破壞可根據彈性理論計算。該類巖體在高地應力區，洞室開挖后可能產生開挖后可能產生巖爆現象巖爆現象。+巖爆系指在地下開挖過程中，圍巖突然以爆炸形式表現出來的破壞現象。+巖爆的產生需要具備兩方面的條件：巖爆的產生需要具備兩方面的條件：高儲能體（高高儲能體（高強度、結構完整的脆性巖體）的存在，且其應力接強度、結構完整的脆性巖體）的存在，且其應力接近于巖體強度是巖爆產生的內因近于巖體強度是巖爆產生的內因；某附加荷載的觸某附加荷載的觸發則是其產生的外因發則是其產生的外因。附加荷載主要包括兩個方面：一是機械開挖、爆破以及圍巖局部破裂所造成的彈性振蕩；一是開挖

8、的迅速推進或累進性破壞所引起的應力突然向某些部位的集中。+這類巖體破壞形式主要有：沿層面張裂沿層面張裂、彎曲內鼓彎曲內鼓、折斷塌落折斷塌落等。層狀圍巖變形破壞特征（a）水平層狀巖體；（b）傾斜層狀巖體；（c）直立層狀巖體1設計斷面輪廓線；2破壞區；3崩塌；4滑動；5彎曲、張裂及折斷 +這類結構圍巖的變形破壞，主要表現為沿結沿結構面的滑移掉塊構面的滑移掉塊。堅硬塊狀巖體中的塊體滑移圖1層面；2斷裂；3裂隙+碎裂巖體是指斷層、褶曲、巖脈穿插擠壓和風化破碎加次生夾泥的巖體。這類圍巖的變形破壞形式常表現為塌方塌方和滑動滑動（圖）。破壞規模和特征主要取決于巖體的破碎程度和含泥多少。在夾泥少、以巖塊剛性接

9、觸為主的碎裂圍巖中，由于變形時巖塊互相鑲嵌擠壓，錯動時將產生一定阻力，因而不易大規模塌方。相反，當夾泥量很高時，由于巖塊間失去剛性接觸，則易產生大規模塌方，如不及時支護，將愈演愈烈，直至冒頂。 (5)松散狀巖體是指強烈構造破碎和強烈風化的巖體或新近堆積的土體。這類圍巖的力學屬性表現為彈塑性、塑性或流變性。其變形破壞形式以拱形冒落為主。當圍巖結構均勻時，冒落拱形狀較為規則（圖（a）。但當圍巖結構不均勻或松軟巖體僅構成局部圍巖時，則常表現為局部塌方局部塌方、塑性擠入塑性擠入及及滑滑動動等形式等形式（圖（b）、（c）、（d）。 松散圍巖變形破壞形式（a）拱形冒落；（b）局部塌方造成偏壓；（c）側鼓；

10、（d)底鼓 一、 水電資源大多數位于高山峽谷地區,岸坡陡峭,河谷狹窄,流量較大。受地形條件的制約,往往需要將發電機群設置在地下洞室中,而地下洞室位置的選擇關系到地下工程的成敗與否,一旦選擇不當,工程代價巨大。因此很有必要進行地下廠房方案的比較選擇。大跨度、高邊墻的地下廠房系統必然會遇到復雜的地質條件和大量的工程地質問題,其中最受關注的是圍巖穩定問題。1.隧洞選線時應注意利用地形，方便施工。在地形上要求山體完整，洞室周圍包括洞頂及傍山側應有足夠的山體厚度。在山區開鑿隧洞一般只有進口和出口兩個工作面，如洞線長則將延長工期，影響效益。為此在選線時，應充分利用溝谷地形，多開施工導洞，或分段開挖以增加工

11、作面。水工隧洞的選線。應盡量采取直線，避免或減少曲線和彎道。如采用曲線布置，根據現行規范要求，洞線轉彎角應大于60，曲率半徑不小于5倍洞徑。此外，隧洞進出口位置的地形地貌條件也很重要。隧洞進出口地段的邊坡應下陡上緩，無滑坡、崩塌等現象存在。2.洞口巖石應直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里以保證洞口坡的安全。在地形陡的高邊坡開挖洞口先行進洞，以保證邊坡的穩定性。隧洞進出口不應選在排水困難的低洼處，也不應選在沖溝、傍河山嘴谷口等易受水流沖刷的地段。在地貌上應避開滑坡、崩塌、泥石流等不良自然現象，以及山麓堆積，坡積、崩積及洪積物等四紀松散沉積物。1.地層與巖性條件的好壞直接影響隧洞的穩定性。在洞線

12、選擇時，應分析沿線地層的分布和各種巖石的工程地質。巖性比較堅硬、完整，力學性能較好且風化輕微者，對圍巖穩定性有利 ；而那些易于軟化，泥化和溶蝕的巖體及膨脹和塑性巖體，則不利于圍巖穩定。因此，洞室位置應盡量選在堅硬完整巖石中。一般在堅硬完整巖層中掘進，圍巖穩定，日進尺快，造價低，在軟弱、破碎、松散巖層中掘進，頂板易坍塌，邊墻及底板易產生鼓脹擠出變形等事故，須邊掘進邊支護，工期長，造價高。1.地質構造是控制巖體完整性及滲透性的重要因素。選址時應盡量避開地質構造復雜的地段，否則會給施工帶來困難。2.一、褶皺的影響3.褶皺構造對工程的影響程度與工程類型及褶皺類型、褶皺部位密切相關，對于某一具體工程來說

13、，所遇到的褶皺構造往往是其中的一部分，因此褶皺構造的工程地質評價應根據具體情況作具體的分析。在褶皺的翼部主要是單斜構造中傾斜巖層引起的順層滑坡問題。傾斜巖層作為建筑物地基時，一般無特殊不良的影響，但對于深路塹、高切坡及隧道工程等則有影響。對于深路塹、高切坡來說，當路線垂直巖層走向，或路線與巖層走向平行但巖層傾向與邊坡傾向相反時形成反向坡，就巖層產狀與路線走向的關系而言，對邊坡的穩定性是有利的；當路線與巖層走向平行且巖層傾向與邊坡傾向一致時形成順向坡，穩定性較差，特別是當邊坡傾角大于巖層傾角時且有軟弱巖層分布在其中時，穩定性最差。對于隧道工程來說，從褶皺的翼部通過一般較為有利。如果中間有軟弱巖層

14、或軟弱結構面時，則在順傾向一側的洞壁，有時會出現明顯的偏壓現象，甚至會導致支護結構的破壞，發生局部坍塌。一.地下水對地下工程的影響主要表現為：二.1、產生靜水壓力作用于洞室襯砌，增加支護結構上的壓力，造成洞室圍巖沿軟弱結構面滑動，造成洞室變形、失穩、地下水還會產生滲漏、泉涌，影響地下工程正常使用。2、地下水使巖土軟化，強度降低；使圍巖中軟弱夾層泥化，減小層間阻力；還會使某些巖土（如石膏、巖鹽、高嶺土等）產生溶解、膨脹，造成洞室變形。3、造成地下工程施工中產生涌水、流砂、涌泥等現象，引起洞室變形、塌方和沖潰，甚至淹沒和堵塞洞室。砂、水混合物涌入洞室，常常造成嚴重事故，影響地下工程的施工和地下建筑

15、物的使用。1.在漫長的地質年代里，由于地質構造運動等原因使地殼物質產生了內應力效應，這種應力稱為地應力，它是地殼應力的統稱。地應力是存在于地殼中的未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力，廣義上也指地球體內的應力。它包括由地熱重力地球自轉速度變化及其他因素產生的應力。2.巖爆，也稱沖擊地壓，它是一種巖體中聚積的彈性變形勢能一定條件下的突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現象。輕微的巖爆僅有剝落巖片，無彈射現象，嚴重的可測到4.6級的震級，烈度達7一8度， 使地面建筑遭受破壞，并伴有很大的聲響。巖爆可瞬間突然發生，也可以持續幾天到幾個月。發生巖爆的條件是巖體中有較高的地應力

16、，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性度和彈性，在這種條件下，一旦地下工程活動破壞了巖體原有的平衡狀態，巖體中積聚的能量釋放就會導致巖石破壞，并將破碎巖石拋出。一、山巖壓力和彈性抗力的概念及其確定方法一、山巖壓力和彈性抗力的概念及其確定方法 （一）圍巖的山巖壓力一）圍巖的山巖壓力 1 1、山巖壓力的概念、山巖壓力的概念2 2、山巖壓力的類型、山巖壓力的類型3 3、山巖壓力的確定方法、山巖壓力的確定方法 （二）（二）圍巖圍巖的彈性抗力的彈性抗力1 1、彈性抗力的概念、彈性抗力的概念2 2、彈性抗力系數的確定方法、彈性抗力系數的確定方法二、圍巖工程地質分類及其應用二、圍巖工程地質分類及

17、其應用是指圍巖的強度適應不了圍巖應力而產生塑性變形或破壞時，作用于支護或襯砌上的力，也稱圍巖壓力。山巖壓力與圍巖應力區別圍巖應力是單位面積上的圍巖內力，而山巖壓力是作用在支護或襯砌上的外力。+（1）松動山壓松動山壓：由圍巖拉裂塌落、塊體滑移、碎裂松動等引起；僅限于圍巖松動塌落的局部范圍，以重力形式作用于襯砌上。+（2）變形山壓變形山壓：是由于圍巖的彈性恢復或塑性變形所產生的圍巖壓力，有塑性擠入、膨脹內鼓及彎折內鼓等；+（3）沖擊山壓沖擊山壓：是由于巖體中積聚的彈性應變能突然釋放所引起的，具有產生巖爆的條件時才能產生沖擊山壓。kkkfhhParctan245tan2h2121h+圍巖壓力系數法+

18、塊體極限平衡法+聲波測定法對有壓隧洞，存在一個很高的內水壓力，迫使襯砌向圍巖方向變形，而圍巖將產生一個反力來阻止襯砌的變形，把圍巖對襯砌的反力稱為彈性抗力或圍巖抗力。其大小用彈性抗力系數表示。圍巖視為彈性體，對圓形洞，K值表達式u顯然，K與洞半徑有關，工程上為便于比較，采用洞徑1m(100cm)時的彈性抗力系數，作為單位彈性抗力系數K0。彈性抗力系數物理意義：使洞壁產生一個單位徑向變形所需施加的力。K值越大，說明圍巖承受內水壓力的能力越大，即圍巖抗力越大，越有利于襯砌的穩定。+國內外現有的圍巖分級方法有定性、定量、定性與定量相結合3種方法，且多以前兩種方法為主。+定性分級的做法是，在現場對影響

19、巖體質量的諸因素進行定性描述、鑒別、判斷，或對主要因素作出評判、打分，有的還引入部分量化指標進行綜合分級。+巖性：抗壓強度、彈性模量、彈性波速等。+地質構造：巖體完整性或結構狀態。+地下水：地下水發育時，圍巖級別應降低。 1個附加因素：+初始地應力：適當考慮。+保障圍巖穩定性的途徑有兩個：一是保護圍巖原有的穩定性，使之不降低；二是賦予巖體一定的強度，使其穩定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支護襯砌方案，后者主要是加固圍巖。+一、合理施工+二、施工監控、信息反饋和超前預報+三、支撐、襯砌與支護+四、固結灌漿+五、新奧法+隧洞施工所遵循的原則隧洞施工所遵循的原則： 一是盡可能先挖斷面尺寸較小

20、的導洞；二是開挖后及時支撐或襯砌。這樣可縮小圍巖松動范圍，或限制圍巖早期松動；或把圍巖松動限制在最小范圍。+隧洞施工方案隧洞施工方案：+1圍巖不穩定時，采用分部開挖，分部襯砌，逐步擴大斷面；+2 圍巖較穩定時，可采用導洞全面開挖，連續襯砌；+3圍巖穩定時，全斷面開挖。 施工監控和信息反饋就是在施工過程中及時發現地質問題，并根據新測試的地質數據(信息指標)，驗證原設計方案是否符合當地的地質條件，如不符合則應修改設計，并采取有效的施工措施解決出現的工程地質問題。在隧洞施工監控工作中應注意以下幾點： (1)在開挖過程中觀測圍巖的變形量、變形速率和加速度，以判別圍巖的穩定性，預報險情。 (2)確定圍巖

21、松動圈范圍，找出不穩定的部位，提出支護及補強措施，這需要及時做好地質記錄及編繪工作、巖體物理力學性質的試驗工作，以及聲波量測工作等，為設計及施工提供可靠的地質參數或信息指標。 (3)監控量測工作應緊跟施工工作面進行，并注意盡量減少與施工的干擾。 (4)超前預報是當代隧洞施工個的重要環節，對保證安全、合理施工，往往作起著決定性的作用。一般應由有經驗的地質工程師擔任此工作。施工工程師應尊重并聽從地質工程師的建議和要求，特別是在地質條件比較復雜的地區，尤為如此。+支撐支撐是在開挖過程中，為防止圍巖塌方而進行的臨時性措施，過去通常采用木支撐、鋼支撐及混凝土預制構件支撐等。近年來，國內外多采用錨桿支護。+襯砌襯砌是維護隧洞圍巖穩定的永久性結構，用以承受山巖壓力和內、外水壓力。襯砌厚度取決于巖石的性質。如對于堅硬類巖石一般要求2030cm即可。+ 噴射混凝土