1、 地下工程巖體的穩定性分析 地下工程，系指在地面以下及山體內部的各類建筑物。地下工程具有隔熱、恒溫、密閉、防震、隱蔽及不占地面土地面積等許多優點。因此，在國民經濟各個部門的工程建設中被廣泛采用。如城市及交通建設中的地下鐵道、地下倉庫、地下商場、鐵路隧道、公路隧道、過江隧道等，水電及礦山建設中的地下廠房、引水隧洞、地下水庫、地下礦井巷道等，以及軍工建設中的地下飛機場、地下試驗室(站)、地下掩蔽部及各類軍事設備器材倉庫等。顯然隨著經濟建設的高速發展及地下工程所具有的優越性，地下工程的應用將會越來越廣泛，規模也將越來越大。 地下工程按成因分為人工洞室和天然洞室兩大類。人工洞室指由人工開挖支護形成的地

2、下工程。天然洞室一般指由地質作用形成的地下空間，如可溶巖的溶洞等。地下工程完全被周圍的巖土體介質所包圍。因此，這些介質的性質直接影響著地下工程的穩定與安全。 地下工程巖體系指地下工程周圍的巖土介質，以往也稱為地下洞室圍巖。其穩定性的工程地質研究是工程地質研究的重要課題之一。主要包括地下工程巖體穩定性的影響因素分析，地下工程洞線及進、出口邊坡位置的正確選擇地下工程巖體穩定性的合理評價，對不穩定地段的支護及施工方法的研究，施工過程中根據地質情況預測各種可能出現的工程地質問題等。 ， 一、洞室位置的選擇 地下洞室按其用途分有壓洞室和無壓洞室，按工程巖體性質分巖體洞室和土體洞室。 (一)無壓的巖體洞室

3、位置選擇 無壓的巖體洞室位置應滿足以下條件： (1)洞址宜選在山體完整雄厚、地質構造簡單、地下水影響小、巖性均一的堅硬巖層且巖層厚度為厚層、中厚層的地段；要避開透水的寬大破碎帶、斷裂交匯帶、巖溶發育帶、強風化帶及有害氣體和高地溫等地段。洞址選在穩定性好的圍巖中，是保證地下工程施工安全和正常運行的關鍵。 (2)洞口要選擇在松散覆蓋層薄、坡度較陡的反向坡，且有完整厚層巖層作頂板的地段；要避開沖溝或溪流源頭，以及滑坡、崩塌、泥石流等不良地質現象發育或洪水可能淹沒的地段。洞外還應該有相應規模的棄渣場地。大量工程實踐表明，地下工程進出口位置選擇十分重要，稍有不慎，將造成無法進洞或洞口巖體失穩等不良后果。

4、 (3)洞軸線要選擇與區域構造線、巖層及主要節理走向垂直或大角度相交的方向；要避免洞線從沖溝、山洼等地表水和地下水匯集的地段通過；在高地應力地區，洞軸線宜與水平方向的最大主應力平行。例如我國金川礦巷道布置時，該區最大水平主應力方向為N35。E左右，mx2030MPa，而位于地下400m深處的西風井巷道走向為N30。W左右，與最大水平主應力方向近正交。結果建成后，此巷道產生明顯變形和破壞，斷面累計變形達200cm以上，斷面減小致使巷道不能正常使用。后來將500m深處的巷道改為與最大水平主應力方向近平行(N23。E)，則巷道圍巖的穩定性得到顯著改善，即使穿越松散結構的斷層破碎帶，也末發生明顯的破壞

5、。 水工隧洞多為有壓隧洞，其工作條件比無壓隧洞更為復雜。在洞址選擇時，除考慮上述要求外，尚需對圍巖的彈性抗力、高壓隧洞圍巖的承載力、洞室上覆巖體及間壁巖體厚度等進行專門研究，才能保證有壓隧洞在內水壓力作用下的正常運用。 (二)土體洞室位置的選擇 土體洞室，包括明挖回填洞和暗挖襯砌洞室，在工業與民用建筑及道路建設中應用較普遍，其洞室位置選擇應滿足： (1)洞址應選擇在滑坡、沖刷等不良地質現象不發育的地段。 (2)洞口宜選在地下水位以上并高于洪水位的地段。 (3)洞軸線要選擇在土性單一的粘性土體中，避免穿越含水的粉土層、砂層和礫石層以反軟土、膨脹土等不穩定土。 顯而易見，洞室選擇除取決于工程要求外

6、，主要受地形地貌、巖土性質、地質構造、地下水、地應力及物理地質現象等因素控制。在工程建設中一定要綜合各方面因素，選擇最佳位置。這是地下工程建設中最基本、最重要的一項工作，否則將后患無窮。 二、地下工程巖體穩定性的影響因素 地下工程巖體穩定性的影響因素主要有巖土性質、巖體結構與地質構造、地下水、地應力及地形等。此外，還要考慮地下工程的規模等因素。 (一)巖土性質 巖土性質是控制地下洞室圍巖穩定、隧洞掘進方式和支護類型及其工作量等的重要因素，也是影響工期和工程造價的一個重要因素。理想的巖體洞室圍巖是巖體完整、厚度較大、巖性單一、成層穩定的沉積巖，或規模很大的侵入巖(花崗巖、閃長巖等)，或區域變質的

7、片麻巖，巖體內軟弱夾層及巖脈不發育。巖石的飽和單軸抗壓強度在70MPa以上。一般堅硬完整巖體，由于巖體完整，洞壁圍巖穩定性好，施工也較順利，支護也簡單快速。而破碎巖體或松散巖層，由于圍巖自身穩定性差，施工過程容易產生變形破壞，因而施工速度較慢，文護工程量及其難度也較大，嚴重時還會產生較大規模的塌方，影響施工安全，延誤工期。 (二)地質構造和巖體結構 地質構造和巖體結構是影響地下工程巖體穩定的控制性因素。首先表現在建洞山體必須區域構造穩定，第四紀以來元明顯的構造活動，歷史上無強烈地震。其次是在洞址洞線選擇時一定要避開大規模的地質構造，并考慮構造線及主地應力方向而合理布置。斷裂構造由于其有一定寬度

8、，因此洞軸線穿越破碎巖體時一般都產生一定規模塌方。嚴重時產生地下泥石流或碎屑流，或者產生洞室涌水，威脅施工安全。巖體結構對地下工程巖體穩定性影響主要表現在巖體結構類型與結構面的性狀等方面。同一類型巖體結構對不同規模地下工程其自穩能力不同c比如在某一層狀結構巖體中掘一2m直徑的探洞和建一幾十米跨度的地下廠房，頂板巖體的自穩能力顯然不一樣，前者可能安全、穩定，后者穩定性可能很差。另外，結構面的相互組合，切割成的結構體很可能向洞心方向產生位移，輕者掉塊，重者塌方，更嚴重者可能造成冒頂。因此，在地下工程巖體穩定分析中一定要注意各種結構面的分布及其組合，尤其是一些大規模斷層破碎帶。 (三)地下水因素 地

9、下水對洞室圍巖穩定性的影響是很不利的。其影響主要表現在使巖石軟化、泥化、溶解、膨脹等，使其完整性和強度降低。另外當地下水位較高時，地下水以靜水壓力形式作用于襯砌上，形成一個較高的外水壓力，對洞室穩定不利。地下水對地下工程最大的危害莫過于洞室涌水。地下巖溶、導水構造等，往往是地下水富集的場所，一旦在洞室中出露，往往形成一定規模的涌水、涌砂或者形成碎屑流涌入，輕者影響施工，嚴重者造成人身傷亡事故j因此，地下工程宜選在不穿越地下水涌水及富水區，地下水影響較小的非含水巖層中。 (四)地應力 巖體中的初始應力狀態對洞室圍巖的穩定性影響很大。地下洞室開挖后，巖體中的地應力狀態要重新調整，調整后的地應力稱為

10、重分布應力或二次應力。應力的重新分布往往造成洞周應力集中。當集中后的應力值超過巖體的強度極限或屈服極限時，洞周巖石首先破壞或出現大的塑性變形，并向深部擴展形成一定范圍松動圈。在松動圈形成過程中，原來洞室周邊應力集中向松動國外的巖體內部轉移，形成新的應力升高區，稱為承載圈(團618)。重分布應力一般與初始應力狀態及洞室斷面的形狀等有關。在靜水壓力狀態下的圓形洞室，開挖后應力重分布的主要特征是徑向應力(6r)向洞壁方向逐漸減小至洞壁處為0，切向應力(66)在洞壁處增大為原本初始應力的兩倍。重分布應力的范圍一般為洞室半徑r的56倍(圖619)。另外，地應力因素的影響還表現在洞線選擇時一定要注意與最大

11、水平主應力方向平行。特別在高地應力地區修建地下工程，一定要認真研究地應力的分布及對工程建筑的影響。如規劃中的南水北調西線引水隧洞等高地應力區的地下工程建設中，地應力對圍巖穩定性的影響就成為一個重要的研究課題。，此外，影響地下工程巖土穩定性還有地、地下工程的施工技術和施工方法等。地形上要求洞室區山體雄厚，地形完整，山體工程施工技術和施工方法是影響巖體穩定的一個重要方面。末受溝谷切割，沒有滑坡、崩塌等地質現象破壞地形：大量工程實踐表明，地下良好的施工技術和科學的施工方法將有效地保護圍巖穩定，不良的施工技術和不合理的施工方法將嚴重破壞巖體的穩定性，降低巖體的基本質量。因此，應根據實際地質條件，合理確

12、定施工方案，盡量保護圍巖不被擾動。 三、地下工程巖體穩定分析方法 地下工程巖體穩定分析評價，應采用工程地質分析與理論計算相結合的綜合評價方法。 (一)工程地質分析法 工程地質分析法也稱為工程地質類比法。主要在工程地質勘察的基礎上，把擬建工程與工程地質條件、工程特點及施工方法類似的已建工程相比較，對其穩定性進行評價。為了便于對比，一般在大量實際資料的基礎上，對地下工程巖體進行分級評價(參閱第五章巖體工程分級)。 (二)力學計算方法 力學計算方法是根據不同的巖體結構、不同的力學屬性，簡化成不同的力學模型，應用相應的力學方法，研究圍巖的變形破壞過程，對圍巖穩定性進行定量計算的評價方法。它可以彌補以往

13、工程地質分析法只側重定性而缺乏定量評價的不足。應用中，應將兩者結合使用，以起到相互驗證的作用。力學計算法可分為解析計算法和數值計算法(有限單元法)，其重點是計算圍巖壓力等。 圍巖壓力是指圍巖由于松動、變形而作用在支護(襯砌)上的壓力，是確定襯砌設計荷載大小的依據。圍巖壓力也稱山巖壓力或地壓。圍巖壓力有松動壓力、變形壓力和膨脹壓力之分。 松動壓力是指由于開挖造成圍巖松動而可能塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護上的壓力。松動壓力有不良地質條件造成的，如巖體破碎程度、軟弱結構面與臨空面的組合關系等，也有施工方面的因素造成的，如爆破、支護時間和回填密實程度等。 變形壓力指圍巖變形受到支護限制后，圍巖

14、對支護形成的壓力。其大小決定于巖體的初始地應力、巖體的力學性質、洞室形狀、支護結構的剛度和支護時間等。 膨脹壓力指圍巖吸水后，巖體中的礦物產生膨脹崩解引起圍巖體積膨脹變形作用在支護上的壓力。膨脹壓力也是一種變形壓力，但它與變形壓力的性質有所不同，它嚴格地受地下水的控制，其定量難度更大，目前尚無完善的計算方法。嚴格地區分松動壓力與變形壓力是不容易的，在實際進行圍巖壓力計算時一般不予區分。圍巖壓力計算有經驗計算法與理論計算法兩種。經驗計算法如鐵道部經驗公式及黃土洞圍壓估算公式等。理論公式計算法如傳統的普氏理論、Terzaghi松散體理論、Fenner公式、常士騾公式等。以上經驗公式及理論公式請參閱

15、文獻81。本節主要介紹國家標準巖土工程勘察規范(G135002l94)關于圍巖壓力計算的幾種方法。 K。是水工隧洞支護設計的一個基本參數。及。通常與圍巖的巖石性質、地質構造、內水壓力大小及加荷方式等有關。確定X。的方法一般有現場試驗方法、計算方法和經驗數據法等。對大型地下工程通常采用現場試驗方法；對中小型工程，則可采用計算法和經驗數據方法求得。 四、改善地下工程巖體穩定性條件的措施 大量工程實例表明，各種不良的工程地質條件是導致地下工程巖體失穩的主要原因。為了保證各種地下工程的安全施工和正常運行，就需要采取一定的工程技術措施去改善圍巖的穩定條件。 (一)選擇良好的施工方法，盡量少擾動圍巖 地下

16、工程巖體在地下處于一定的應力場之中，洞室開挖造成巖體內部應力重新分布，洞壁產生應力集中，不良的施工方法將會促使巖體破壞，松動圈向外擴展。因此，施工中應盡量采用先進掘進技術，如用光面爆破和掘進機開挖代替傳統的鉆爆法，并且盡可能全斷面掘進，以避免爆破及多次開挖對圍巖的擾動。有關工程實例表明不合理的施工方法將會降低巖體基本質量，可能使好巖體變為壞巖體。因此，應該根據實際地質條件，選擇最佳施工方案和合理的施工方法。 (二)支護與襯砌 根據圍巖壓力的大小選擇相應的支護與襯砌方法，是維護和改善地下工程巖體穩定條件的最常用方法。支護是地下工程開挖過程中為防止圍巖坍塌和掉塊采取的文撐防護措施。支護有構架支護及噴錨支護兩種方式。除特殊地段(如嚴重破碎的巖體和松散地層)仍采用構架支撐外，一般情況下應首先選用噴錨支護。噴錨支護是采用錨桿與噴射混凝土支護圍巖的工程措施。它把地下工程巖體視為承受應力的結構體，加強巖體本身的整體性和力學強度，充分發揮巖體的作用，以便承受各種荷載，是一種積極的措施。噴錨結構具有支護速度快，節省時間和原材料以