第六章_地下工程地质问题
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岩石力学 第六章 地下空间开挖围岩稳定性分析
行支护达到人工稳定； 支护和破裂岩体本应是相互影响、共同作用的，但 现在还做不到完全用共同作用理论为指导来解决支 护设计问题； 古典地压学说：1907年，普氏学说——俄罗斯学者； 1942年，太沙基学说——美国学者； 在60年代，共同作用理论提出以后的30多年，弹塑 性力学的研究方法在岩石力学研究中一直占据主导 的地位，古典地压学说则被冷落一旁；
r , r p0
解析表达式
R02 1 2 p0 r r
净水压力下围岩应力分布
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《岩石力学》
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讨论
开巷（孔）后，应力重新分布，也即次生应力场；
, 均为主应力，径向与切向平面为主平面； r
应力大小与弹性常数 周边
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c cot
《岩石力学》
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塑性区半径
( p0 c cot )(1 sin ) R p R0 P c cot 1
1sin 2 sin
讨论
R p与 R0 成正比，与 p0 成正变，与 c 、
塑性区应力与原岩应力
900 , 2700 处， p0 (3 1) ; 0 0 p0 (3 ) ; 在巷道的侧边，即 0 , 180 处，
在巷道的顶、底板，即
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《岩石力学》
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应力集中系数与 , 的关系
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《岩石力学》
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巷道周边位移
o
开挖后（周边）
u (1 ) p 0 R0 E
《岩石力学》
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水利工程施工 第六章 地下建筑工程
2.2 爆破开挖轮廓控制
2.3 钻孔爆破循环作业
第六章地下建筑工程
一. 平洞与大断面洞室开挖－平洞/先拱后墙/先墙后拱/ 先加固后开挖 二. 新奥法施工与TBM－支护原理/支护形式/TBM 三. 案例：大型地下工程－奥林匹克地下体育场/那不勒 斯地铁/广州地铁 一.地下工程施工 1.特点 施工于地下，场地受限制，干扰大，施工组织 复 杂，安全问题突出，受不良地质条件影响极大 2.工作项目 洞室开挖，出渣，临时支撑，衬砌支护， 洞室灌浆，质量检查 3.危险 塌方，涌水，流砂，地热，有害气体
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 地下建筑工程的施工顺序 钻孔爆破法开挖 (重点) 掘进机开挖 衬砌施工 喷锚支护 (难点) 地下工程施工辅助作业
1 地下建筑工程的施工顺序
1.1 1.2 1.3 1.4 平洞施工工作面 平洞施工的程序 (重点) 大断面洞室的施工程序 竖井的施工程序 (难点)
二.围岩分类
根据洞室围岩性质，判断围岩是否稳定，确定山岩压力，提出支护设计 方案和确定施工方法。目前我国地下工程施工设计中经常采用的围岩分类主 要有六种： （1）水工技术规范中的围岩分类。SDJ 212—83 （水工建筑物地下工程施工技 术规范》围岩分类；SDJ134—84《水工隧洞设计规范》围岩分类。 （2）国家标准中的围岩分类。GBJ86—85《锚杆喷射混凝土支护技术规范》， 冶金、煤炭工业系统多采用该规范中围岩分类法。 （3）普氏分类法。普罗托奇雅可诺夫根据岩石坚固系数t和岩体弱化系数A，对 围岩进行分类，坚固岩体中大多采用普氏分类法。 （4）比耶涅夫斯基岩体地质力学分类。该分类法的优点是综合考虑岩石的单轴 抗压强度、RQD、节理状态、节理间距、地下水等五个综合因素，确定围岩 等级，再根据节理产状进行修正，最后确定将围岩分成五个等级，具有工程 意 （5）巴顿分类。挪威著名人士N.巴顿根据岩石质量对围岩进行定量评价、分类。 我国很多工程多采用巴顿围岩分类法。 （6）水电地下工程围岩分类法。该方法首先根据洞室围岩变形破坏基本类型、 形式、岩体完整性、岩石强度、岩体结构和地下水等综合因素影响，定性评 价围岩分类，然后再根据围岩稳定性及其变形破坏等有关要素指标对围岩进 行定量分类。不同的是对水文地质的影响考虑更进一步，对地下水渗透量、 涌水状态、压力水头值都深入研究。
第六章 不良地质现象的工程地质问题
呈不着底的悬移运动，这种泥砂称为悬移质泥 砂。
❖ 流水对河床冲刷的重要条件是只有当水流未被 泥砂饱和时才会发生冲刷。
如果上游河段流来的水流中含有泥砂量小
于这一河段的输砂能力，则由于输砂能力未被 充分利用就会冲刷；
如果输砂量超过了这一河段的输砂能力则产生沉积。Fra bibliotek大家好
29
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2. 流水对河岸的掏蚀
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三、岩石风化程度和风化带
（一）岩石风化程度 岩石风化的结果，使原来母岩性质改变，形成
不同风化程度的风化岩。按岩石风化深浅和特征，
可将岩石风化程度划分为五级。
风化程度 未风化 微风化 弱风化 强风化
杂
全风化
岩石结构 未变
基本未变 部分破坏 大部分破坏
矿物成分 未变
基本未变 稍微变质 显著变化
大家好
21
基本概念
❖ 何谓河流?
是在河谷中流动的常年水流，河谷由谷底、河 床、谷坡、坡缘及坡麓等要素构成。
大家好
22
河流的构成?
主流: 由重力作用引起的流动; 付流: 由其它力引起的流动。 层流：水质点运动轨迹互相平行； 紊流：水质点运动轨迹互相相交，且杂乱无章。
水流流速？
河流中的流水具有一定的流速（v）， 即流水有一定的动能（E），这里的流速为平 均流速。
大家好
36
横向环流作用结果
❖ 凹岸受到冲刷，凸岸接受堆积 ❖ 河弯不断向下游发展，形成蛇曲 ❖ 洪水期间会发生截弯取直，从而形成牛
轭湖。
大家好
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❖ 流水对河床冲刷的重要条件是只有当水流未被 泥砂饱和时才会发生冲刷。
如果上游河段流来的水流中含有泥砂量小
于这一河段的输砂能力，则由于输砂能力未被 充分利用就会冲刷；
如果输砂量超过了这一河段的输砂能力则产生沉积。Fra bibliotek大家好
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2. 流水对河岸的掏蚀
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三、岩石风化程度和风化带
（一）岩石风化程度 岩石风化的结果，使原来母岩性质改变，形成
不同风化程度的风化岩。按岩石风化深浅和特征，
可将岩石风化程度划分为五级。
风化程度 未风化 微风化 弱风化 强风化
杂
全风化
岩石结构 未变
基本未变 部分破坏 大部分破坏
矿物成分 未变
基本未变 稍微变质 显著变化
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基本概念
❖ 何谓河流?
是在河谷中流动的常年水流，河谷由谷底、河 床、谷坡、坡缘及坡麓等要素构成。
大家好
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河流的构成?
主流: 由重力作用引起的流动; 付流: 由其它力引起的流动。 层流：水质点运动轨迹互相平行； 紊流：水质点运动轨迹互相相交，且杂乱无章。
水流流速？
河流中的流水具有一定的流速（v）， 即流水有一定的动能（E），这里的流速为平 均流速。
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横向环流作用结果
❖ 凹岸受到冲刷，凸岸接受堆积 ❖ 河弯不断向下游发展，形成蛇曲 ❖ 洪水期间会发生截弯取直，从而形成牛
轭湖。
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工程地质课件第6章不良地质现象
工程地质课件第6章 不良地质现象
第一节 概述
• 一、什么是不良地质现象？
• 不良地质现象：对工程建设不利或有不 良影响的动力地质现象。
• 包括：崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地 震、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等。
• 它们既影响场地稳定性，也对建筑、桥 梁、公路、边坡工程、地下洞室等产生 巨大破坏作用。
节理 软岩
• 4、拉裂－崩塌
• 在悬臂岩体上，当A
点的拉应力超过岩
体的抗拉强度时，
岩体开裂，在长期
断面
重力、地震、风化
(特别是根劈和冰劈)
作用下，节理不断
向下发展，产生的
崩塌。
• 5、错断－崩塌
• 陡坡上的柱状、板状 的不稳定岩体，当地
壳上升或河流下切，
使岩体自重增加，或
由于风化或剥蚀作用
岩体截面减小，当岩
泥石流—房屋的破坏
2010年8月12日舟曲县地质灾害共造成1144人 遇难，600人失踪，直接经济损失4亿人民币。
• 4、岩溶：是指地表水和地 下水对可溶性岩石的长期溶 蚀作用及形成的各种岩溶现 象的总称。
• 呈奇特形状，有洞穴、石芽、 石沟、石林、溶洞、地下河、 峭壁。
岩溶景观—溶洞
岩溶景观—黄龙
• 4、小型：因灾死亡和失踪 3 人以下或者 直接经济损失100万元以下的。
• （三）我国地质灾害现状
• 我国是世界上地质灾害最严重的国家之一。 滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的易发区 面积约占国土面积的65%，据统计，目前 全国约有地质灾害隐患点近23万处，其中 特大型和大型滑坡、崩塌、泥石流地质灾 害隐患点25000处。
• 土崩：产生在土体中者称为土崩 • 岩崩：产生在岩体中者称为岩崩
第一节 概述
• 一、什么是不良地质现象？
• 不良地质现象：对工程建设不利或有不 良影响的动力地质现象。
• 包括：崩塌、滑坡、泥石流、岩溶、地 震、地面塌陷、地裂缝、地面沉降等。
• 它们既影响场地稳定性，也对建筑、桥 梁、公路、边坡工程、地下洞室等产生 巨大破坏作用。
节理 软岩
• 4、拉裂－崩塌
• 在悬臂岩体上，当A
点的拉应力超过岩
体的抗拉强度时，
岩体开裂，在长期
断面
重力、地震、风化
(特别是根劈和冰劈)
作用下，节理不断
向下发展，产生的
崩塌。
• 5、错断－崩塌
• 陡坡上的柱状、板状 的不稳定岩体，当地
壳上升或河流下切，
使岩体自重增加，或
由于风化或剥蚀作用
岩体截面减小，当岩
泥石流—房屋的破坏
2010年8月12日舟曲县地质灾害共造成1144人 遇难，600人失踪，直接经济损失4亿人民币。
• 4、岩溶：是指地表水和地 下水对可溶性岩石的长期溶 蚀作用及形成的各种岩溶现 象的总称。
• 呈奇特形状，有洞穴、石芽、 石沟、石林、溶洞、地下河、 峭壁。
岩溶景观—溶洞
岩溶景观—黄龙
• 4、小型：因灾死亡和失踪 3 人以下或者 直接经济损失100万元以下的。
• （三）我国地质灾害现状
• 我国是世界上地质灾害最严重的国家之一。 滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的易发区 面积约占国土面积的65%，据统计，目前 全国约有地质灾害隐患点近23万处，其中 特大型和大型滑坡、崩塌、泥石流地质灾 害隐患点25000处。
• 土崩：产生在土体中者称为土崩 • 岩崩：产生在岩体中者称为岩崩
工程地质(六章完整版) 第六章 土的工程性质
工程特性：
1. 高含水量、高塑性，硬塑或可塑状态。
2. 孔隙比大、低密度、孔隙饱水。
3. 压缩性低、强度高、地基承载力高。 4. 浸水后膨胀量小，但失水后收缩剧烈。
黄土(loessal soil)：
是干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。
分布: 我国西北及华北地区,面积约63万km2。
特征：以粉粒为主，富含碳酸钙，肉眼 可见大孔隙，垂直节理发育，常呈现 直立的天然边坡。
第二节 土的野外鉴别 一、土的工程分类 1、按堆积年代分 2、按地质成因分 3、按有机质含量分 4、按颗粒级配和塑性指数分 二、野外鉴别 1、碎、卵石土 2、砂土 3、粘性土、粉土 4、新近堆积土 5、土的主要成因类型鉴定
残积土(residual soil)：
岩石经风化后未被搬运而 残留于原地的碎屑物质所 组成的土体，它处于岩石 风化壳的上部。 其粒度成分和矿物成分受 气候和母岩岩性的控制。 其发育情况还和地形有关。
湿陷起始压力:开始出现明显湿陷的压力。
盐渍土(saline soil): 土中易溶盐含量>0.5% . 分布: 滨海型、冲积平原型、内陆型
盐渍土类型：
1. 氯盐型：具强烈的吸湿性导致土有 很大的塑性和压缩性。 2. 硫酸盐型：结晶时体积膨胀，失水 干燥时体积缩小，周期性松胀变化 使土的结构破坏。
湖积土( limnetic soil )：
湖边沉积物是湖浪冲蚀湖岸形成的碎屑物质 在湖边沉积而形成的。近岸带沉积的多是粗 颗粒的卵石、圆砾和砂土，远岸带则是细颗 粒的砂土和粘性土。
湖心沉积物是由河流携带的细小悬浮颗粒到 达湖心后沉积形成，主要是粘土和淤泥，常 夹有细砂、粉砂薄层，土的压缩性高，强度 低。 沼泽土主要由半腐烂的植物残体－泥炭组成， 含水量极高，承载力极低，不宜作天然地基。
工程地质6不良地质现象的工程地质问题
6.5.3岩溶和土洞的工程地质问题 1、溶蚀岩石的强度大大降低 2、造成基岩面的不均匀起伏 3、溶蚀漏斗对地面稳定性的影响 4、溶洞和土洞对地基稳定性的影响 ①分布密度和发育情况 ②洞孔埋深 ③抽水降压对顶板的影响
6.5.4岩溶和土洞地基的防治 1、挖填 2、跨盖 3、灌注 4、排导 5、打桩
6.6 地震及其效应
6、地震效应 1）、地震力效应 2）、地震破裂效应 （1）地震断层 （2）地裂缝 3）、地震液化效应 4）、地震激发灾害效应 滑坡、坍塌、泥石流等次生灾害
6.7 不良地质现象对地基稳定性的影响
6.7.1 地基承载力 1、地基承载力 两个条件：（1）地基受载后不会产生破坏而丧失稳定 （2）沉降量在允许范围内 2、持力层的选择 （1）低层结构 （2）持力层的条件：a、承载力高 b、厚度大 稳定均匀； d、埋深尽可能浅 e、沉降量小 6.7.2 岩溶与土洞对地基稳定性的影响 1、洞顶稳定性 2、基岩面的起伏性 3、覆盖层的均匀性与稳定性
c、分布
6.7.3 地震液化与断裂对地基稳定性的影响 1、液化层的判别 2、断层带的影响 （1）全新世活动断裂 （2）发震断裂 （3）非全新活动断裂 （4）地裂：构造性地裂、重力性地裂 6.7.4 斜坡岩土体移动对地基稳定性的影响 （1）建筑物稳定性 （2）整体稳定性
6.8 不良地质现象对地下工程选址的影响 6.9 不良地质现象对道路选线的影响 6.10 不良地质作用对海港建设的影响
6.2 河流地质作用
河流：是河谷中流动的常年性水流。 河谷：谷底、河床、谷坡、坡缘及坡麓等构成。 水流的功能： 消耗于水的粘滞性、条流、涡流等形成 消耗于对河床的侵蚀 消耗于对泥沙的搬运 河流的地质作用： 侵蚀作用：侵蚀切割与搬运 堆积作用
油气田地下地质学-第六章 地层温度与压力
③ 判断水动力系统--对制定开发方案、分析开发动态十分重要。
水动力系统--在油气层内流体具有连续性流动的范围。
◆ 同一水动力系统内，原始地层压力等值线分布连续； ◆ 不同水动力系统，原始地层压力等值线分布不连续：
--因断层或岩性尖灭等因素被分割。
④ 计算油层的弹性能量
▲ 油层的弹性能量--指油层弹性膨胀时能排出的流体量。
绘制方法与构造图相同--在目的层构造图上进行： 根据各井原始油层压力，选择压力间隔值， 在相邻两井间进行线性内插 、圆滑曲线 等。
原始油层压力分布主要受构造因素影响→
▲ 油层厚度均匀，压力等值线与构造等高线基本平行； ▲ 若两类等值线形态差异较大，必须检查原因--
地层厚度不均，或因测量、计算导致数据不准等。
原始油层压力在背斜构造油藏上的分布特点： ★★
A、原始油层压力随油层埋藏深度的增加而加大；
B、流体性质对原始油层压力分布有着极为重要的影响： 井底海拔高度相同的各井：
井内流体性质相同→原始油层压力相等； 井内流体性质不同→流体密度大，原始油层压力小
流体密度小，原始油层压力大
C、气柱高度变化对气井压力影响很小。
当油藏平缓、含气面积不大时，油-气或气-水界面上 的原始油层压力可以代表气顶内各处的压力。
2、原始油层压力的确定方法
常用方法主要有4种：
⑴ 实测法--油井完井后关井，待井口压力表上压力稳定 后，把压力计下入井内油气层中部所测得的压力→油气层 的原始地层压力。---关井测压
★ 勘探和开发中，把油层中流体所承受的所有压力统称 为油层压力。一般情况下，油层压力与静岩压力关系不大
第一节 地层压力 ★★★
一、相关概念 二、原始油层压力 三、目前油层压力 四、油层折算压力 五、异常地层压力
土木工程地质-第六章-洞室围岩变形及破坏的基本类型
次应力。又叫重分布应力或围岩应力。
(一) 围岩应力变化规律
1. 圆形洞室：
r r
二次应力在围岩中形成的塑性圈
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
2. 直墙圆拱型洞室：
侧压力系数较低 ＝Hv 侧压力系数较高
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
（二）围岩应力引起的变形和破坏类型 1. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石 抗拉强度，引起岩石 破裂，导至洞顶塌落 的现象。 2. 劈裂剥落： 切向应力导至洞室 周边岩石形成平行 洞壁的密集破裂， 并产生剥落的现象。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道盾构施工
隧道锚喷支护
隧道衬砌施工
建好的地下厂房（二滩电站）
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏 1. 围 岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力：工程开挖后，岩体中一定范围内原始应力 发生变化，其改变后重新分布的应力叫二
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
3. 碎裂松动：碎裂状岩体开挖后，岩块沿结构面滑移并形 成松动圈的现象。
4. 弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯折 内鼓，甚至坍倒的现象。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
5. 岩爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹性应变能 突然释放而发生的岩石弹射或抛出的现象。 岩爆特点：
隧道变型破坏
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
二. 围岩构造控制的变形与破坏 指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度而产生的 沿结构面剪切滑移。
v
v H
H H
v
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
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6.2 洞室围岩变形及破坏的主要类型
围岩稳定性影响因素： 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征 结构面性状 含水状况 地应力状态 工程类型 工程尺寸 施工方法
地质因素
工程因素
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• 6.2.1 围岩应力的变化规律
卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状
态被破坏，岩体内各质点沿最短距离
• 6.1.1 岩体的概念
一、岩体
广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有
不连续性、非均质性和各向异性的特点。 工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。
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地基岩体 岩体按工程性质分为 边坡岩体 洞室岩体
岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造
岩体的工程性质影响因素：岩石，结构面的性质
抛出的现象。
7. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超 过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤 出的现象。 8. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动 圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内 鼓出的现象。
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二、松散围岩变形和破坏的主要类型
1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩， 开挖后在重力作用下自由坍落。
力或围岩应力。
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• 地应力分布规律
（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力
（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力
（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力 （4）垂直应力 v 与水平应力 H 的关系：
v H H v v 1
在岩土工程，地应力有十分重要的意义。
沉积结构面：层理、层面、软弱夹层
原生结构面： 火成结构面：冷缩节理、侵入接触面
变质结构面：片理面
构造结构面： 构造节理、断层 次生结构面：风化节理、卸荷节理、爆破节理、
不整合接触面等
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三、结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。 影响因素：结构面组数、密度、产状、长度
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二、结构面
岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗 拉强度。
主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。
原生结构面：岩石形成过程中产生的 构造结构面：地壳运动引起岩石变形破坏形成的破 裂面 次生结构面：地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀
按 成 因 分 为
等作用形成的不连续界面
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围岩工程分级法 连续介质力学计算法 理论计算法 极限平衡分析法 散体围岩温度计算法 不受结构面控制时
受结构面控制时
图解法
模型试验法
赤平极射投影 数值模型模拟法 物理模型试验法 光测弹性模型试验法 相似材料模型试验法 离心模型试验法
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本章小结
概念：岩体，结构面，结构体，地应力，围岩
2. 塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松
散物质常形成碎屑流涌出。
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6.3 地下洞室特殊地质问题
• 6.3.1 突水突泥
——隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入 隧道的现象。 开 挖 洞 室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带， 蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。
已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。
围岩稳定性评价：根据不同的岩体结构、不同的受力性质，
简化成不同的力学模型，应用相应的分析 评价方法，研究围岩的变形破坏过程。
河：围岩作用在支护上的压力，是确定衬
砌设计荷载大小的依据。
松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，
以重力形式直接作用在支护上的压力。
变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成 的压力。 膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩 体积膨胀变形对支护形成的压力。
地应力变化规律
造成地下洞室突水的条件
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分解类腐蚀
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2. 混凝土腐蚀严重程度 外观完整，有坚硬感 无 腐 蚀： 局部砂浆剥落 弱 腐 蚀：
局部骨料外露，内部坚硬 中等腐蚀：
表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状 强 腐 蚀： 3. 腐蚀易发生地区 R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
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• 地下洞室大量突水的条件：
洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时 洞室通过厚层的含水砂砾石层 遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时
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• 6.3.2 腐蚀
1. 腐蚀类型 芒硝型腐蚀 结晶类腐蚀 石膏型腐蚀 钙矾型腐蚀 酸型 腐蚀 碳酸型腐蚀 结晶分解复合类腐蚀
CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。
瓦斯浓度<5~6%，能在高温下燃烧 危害条件
瓦斯浓度为5~6%-14~16%，易爆炸，
特别是含量为8%时 瓦斯浓度为42~57%时，易使人窒息。
施工要求
瓦斯浓度>1%，不准装药放炮 瓦斯浓度>2%，工作人员撤离现场
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6.4 围岩工程分级及其应用
上一章回顾
概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、
震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度 崩塌落石的影响因素 滑坡的形成条件和影响因素 泥石流形成的三个基本条件 岩溶的形成的四个基本条件 地震按成因分类
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第六章 地下工程地质问题
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6.1 岩体及地应力的概念
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• 6.3.3 地温
洞室埋深处地温计算：
T＝T0 ( H h)G
地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。
0.05 o G C/m k 热传导系数
地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动， 地下水温度等。
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• 6.3.4 有害气体
——以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，
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洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。
2
r
a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
o
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• 6.2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型
一、岩质围岩变形和破坏的主要类型
1. 错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室
开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服 强度，围岩就会沿已有的多组节理发生 剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中 形成一个松动圈。 2. 剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度 而产生的沿结构面剪切滑移。
围岩质量分级：国际《工程岩体分级标准》（GB50218-94）
RQD J r N.Barton岩体分类： Q Jn Ja
铁路隧道围岩分级
Jw SRF
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6.5 围岩稳定性评价方法
影响地下洞室稳定性的因素： 土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、 洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。 岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、 洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。
达到新平衡时的位移现象。
应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的
5~6倍范围内。
塑 性 圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因
挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁 的岩体中形成塑性松动圈。
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洞室开挖形成的三个应力区域 应力降低区
应力升高区 天然应力区
影响塑性圈范围的因素：
岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低， 支护的反力大小。
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• 6.1.3 地应力的概念
地 应 力：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。
类
围
型：
主要：自重应力、构造应力 次要：地下水压力、低温应力、结晶应力等
岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。
二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力
受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应
• 6.1.2 岩体结构的概念
岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。
岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。
• 岩体破坏情况
硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。 软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。
岩体变形的显著特点：各向异性。
E E
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3. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩 石破裂，导至洞顶塌落的现象。 4. 劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行
洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。
5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯 折内鼓，甚至坍倒的现象。
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6. 岩
爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹 性应变能突然释放而发生的岩石弹射或
6.2 洞室围岩变形及破坏的主要类型
围岩稳定性影响因素： 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征 结构面性状 含水状况 地应力状态 工程类型 工程尺寸 施工方法
地质因素
工程因素
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• 6.2.1 围岩应力的变化规律
卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状
态被破坏，岩体内各质点沿最短距离
• 6.1.1 岩体的概念
一、岩体
广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有
不连续性、非均质性和各向异性的特点。 工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。
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地基岩体 岩体按工程性质分为 边坡岩体 洞室岩体
岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造
岩体的工程性质影响因素：岩石，结构面的性质
抛出的现象。
7. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超 过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤 出的现象。 8. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动 圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内 鼓出的现象。
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二、松散围岩变形和破坏的主要类型
1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩， 开挖后在重力作用下自由坍落。
力或围岩应力。
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• 地应力分布规律
（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力
（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力
（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力 （4）垂直应力 v 与水平应力 H 的关系：
v H H v v 1
在岩土工程，地应力有十分重要的意义。
沉积结构面：层理、层面、软弱夹层
原生结构面： 火成结构面：冷缩节理、侵入接触面
变质结构面：片理面
构造结构面： 构造节理、断层 次生结构面：风化节理、卸荷节理、爆破节理、
不整合接触面等
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三、结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。 影响因素：结构面组数、密度、产状、长度
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二、结构面
岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗 拉强度。
主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。
原生结构面：岩石形成过程中产生的 构造结构面：地壳运动引起岩石变形破坏形成的破 裂面 次生结构面：地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀
按 成 因 分 为
等作用形成的不连续界面
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围岩工程分级法 连续介质力学计算法 理论计算法 极限平衡分析法 散体围岩温度计算法 不受结构面控制时
受结构面控制时
图解法
模型试验法
赤平极射投影 数值模型模拟法 物理模型试验法 光测弹性模型试验法 相似材料模型试验法 离心模型试验法
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本章小结
概念：岩体，结构面，结构体，地应力，围岩
2. 塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松
散物质常形成碎屑流涌出。
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6.3 地下洞室特殊地质问题
• 6.3.1 突水突泥
——隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入 隧道的现象。 开 挖 洞 室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带， 蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。
已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。
围岩稳定性评价：根据不同的岩体结构、不同的受力性质，
简化成不同的力学模型，应用相应的分析 评价方法，研究围岩的变形破坏过程。
河：围岩作用在支护上的压力，是确定衬
砌设计荷载大小的依据。
松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，
以重力形式直接作用在支护上的压力。
变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成 的压力。 膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩 体积膨胀变形对支护形成的压力。
地应力变化规律
造成地下洞室突水的条件
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分解类腐蚀
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2. 混凝土腐蚀严重程度 外观完整，有坚硬感 无 腐 蚀： 局部砂浆剥落 弱 腐 蚀：
局部骨料外露，内部坚硬 中等腐蚀：
表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状 强 腐 蚀： 3. 腐蚀易发生地区 R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
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• 地下洞室大量突水的条件：
洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时 洞室通过厚层的含水砂砾石层 遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时
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• 6.3.2 腐蚀
1. 腐蚀类型 芒硝型腐蚀 结晶类腐蚀 石膏型腐蚀 钙矾型腐蚀 酸型 腐蚀 碳酸型腐蚀 结晶分解复合类腐蚀
CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。
瓦斯浓度<5~6%，能在高温下燃烧 危害条件
瓦斯浓度为5~6%-14~16%，易爆炸，
特别是含量为8%时 瓦斯浓度为42~57%时，易使人窒息。
施工要求
瓦斯浓度>1%，不准装药放炮 瓦斯浓度>2%，工作人员撤离现场
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6.4 围岩工程分级及其应用
上一章回顾
概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、
震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度 崩塌落石的影响因素 滑坡的形成条件和影响因素 泥石流形成的三个基本条件 岩溶的形成的四个基本条件 地震按成因分类
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第六章 地下工程地质问题
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6.1 岩体及地应力的概念
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• 6.3.3 地温
洞室埋深处地温计算：
T＝T0 ( H h)G
地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。
0.05 o G C/m k 热传导系数
地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动， 地下水温度等。
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• 6.3.4 有害气体
——以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，
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洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。
2
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a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
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• 6.2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型
一、岩质围岩变形和破坏的主要类型
1. 错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室
开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服 强度，围岩就会沿已有的多组节理发生 剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中 形成一个松动圈。 2. 剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度 而产生的沿结构面剪切滑移。
围岩质量分级：国际《工程岩体分级标准》（GB50218-94）
RQD J r N.Barton岩体分类： Q Jn Ja
铁路隧道围岩分级
Jw SRF
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6.5 围岩稳定性评价方法
影响地下洞室稳定性的因素： 土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、 洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。 岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、 洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。
达到新平衡时的位移现象。
应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的
5~6倍范围内。
塑 性 圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因
挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁 的岩体中形成塑性松动圈。
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洞室开挖形成的三个应力区域 应力降低区
应力升高区 天然应力区
影响塑性圈范围的因素：
岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低， 支护的反力大小。
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• 6.1.3 地应力的概念
地 应 力：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。
类
围
型：
主要：自重应力、构造应力 次要：地下水压力、低温应力、结晶应力等
岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。
二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力
受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应
• 6.1.2 岩体结构的概念
岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。
岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。
• 岩体破坏情况
硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。 软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。
岩体变形的显著特点：各向异性。
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3. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩 石破裂，导至洞顶塌落的现象。 4. 劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行
洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。
5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯 折内鼓，甚至坍倒的现象。
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6. 岩
爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹 性应变能突然释放而发生的岩石弹射或