7第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究.
《岩体力学》课后习题附答案
《岩体力学》课后习题附答案一、绪论岩体力学：研究岩体在各种力场作用下变形与破坏规律的科学。
.二、1．从工程的观点看，岩体力学的研究内容有哪几个方面？答：从工程观点出发，大致可归纳如下几方面的内容：1）岩体的地质特征及其工程分类。
2）岩体基本力学性质。
3）岩体力学的试验和测试技术。
4）岩体中的天然应力状态。
5）模型模拟试验和原型观测。
6）边坡岩体、岩基以及地下洞室围岩的变形和稳定性。
7）岩体工程性质的改善与加固。
2．岩体力学通常采用的研究方法有哪些？1）工程地质研究法。
2）试验法。
3）数学力学分析法。
4）综合分析法。
二、岩块和岩体的地质基础一、1、岩块：岩块是指不含显著结构面的岩石块体，是构成岩体的最小岩石单元体。
有些学者把岩块称为结构体、岩石材料及完整岩石等。
2、波速比k v：波速比是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块的纵波速度之比。
3、风化系数k f：风化系数是国标提出的用来评价岩的风化程度的指标之一，即风化岩块和新鲜岩块饱和单轴抗压强度之比。
4、结构面：其是指地质历史发展过程中，在岩体内形成的具有一定的延伸方向和长度、厚度相对较小的地质面或带。
它包括物质分异面和不连续面，如层面、不整合、节理面、断层、片理面等，国内外一些文献中又称为不连续面或节理。
5、节理密度：反映结构发育的密集程度，常用线密度表示，即单位长度内节理条数。
6、节理连续性：节理的连续性反映结构面贯通程度，常用线连续性系数表示，即单位长度内贯通部分的长度。
7、节理粗糙度系数JRC：表示结构面起伏和粗糙程度的指标，通常用纵刻面仪测出剖面轮廓线与标准曲线对比来获得。
8、节理壁抗压强度JCS：用施密特锤法（或回弹仪）测得的用来衡量节理壁抗压能力的指标。
9、节理张开度：指节理面两壁间的垂直距离。
10、岩体：岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩块和结构面网络组成的，具有一定的结构，赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的地质体。
地下厂房洞室群围岩稳定性方法研究
地下厂房洞室群围岩稳定性方法研究地下厂房洞室群围岩稳定性是指地下厂房洞室周围岩体的稳定性问题。
地下厂房洞室通常是为了满足人们的生产、生活和储存需求，因此洞室群围岩的稳定性对于地下厂房的长期运行、人员安全和资产保障至关重要。
在研究地下厂房洞室群围岩稳定性时，需要考虑以下几个方面的问题：首先，需要分析洞室群围岩的物理力学特性，包括岩石的强度、变形特性和破坏模式。
通过适当的岩石力学试验和野外观测，可以获取岩石的力学参数，如抗压强度、抗拉强度、抗剪强度等。
这些参数对于稳定性分析和设计起着重要的作用。
其次，需要考虑工程参数的影响，如洞室尺寸、埋深和周边岩性的条件。
洞室尺寸对岩体稳定性有直接影响，尤其是高宽比较大的洞室，容易导致岩体的变形和破坏。
洞室的埋深也会影响岩体的应力状态，从而影响岩体的稳定性。
周边岩性的条件决定了岩体的强度和变形特性，需要对周边岩性进行综合分析。
此外，岩体的结构面、节理和隐伏断层等地质构造的影响也需要考虑。
岩体中存在的结构面和节理体，会导致岩体的开裂和滑动，对岩体的稳定性产生不利影响。
隐伏断层的活动可能导致岩体的滑动和破坏，需要对其进行综合分析和评估。
最后，需要进行数值模拟和力学分析，包括有限元分析、离散元分析和解析方法等。
通过数值模拟可以模拟地下厂房洞室群围岩的应力-应变状态，预测岩体的破坏形态和稳定性。
数值模拟还可以进行灵敏度分析，评估不同参数对岩体稳定性的影响，为优化设计和工程措施提供依据。
综上所述，地下厂房洞室群围岩稳定性的研究是一项复杂的工作，需要考虑岩石力学特性、洞室尺寸与周边岩性、地质构造和数值模拟等多个方面的问题。
通过综合分析和评估，可以为地下厂房洞室的设计和建设提供科学依据，保障其长期稳定和安全运行。
工程地质学第7章 不同工程类型常见工程地质问题
7.1工业与民用建筑工程地质问题
主固结沉降是指荷载作用在地基上后， 随着时间的延续， 外 荷不变而地基土中的孔隙水不断排除过程中所发生的沉降，它起 于荷载施加之时，止于荷载引起的孔隙水压力完全消散之后，是 地基沉降的主要部分。
次固结沉降是指土中孔隙水已经消散，有效应力增长至基本 不变后变形随时间缓慢增长所引起的沉降。这种变形既包括剪应 变，又包括体积变化，并与孔隙水排出无关，而是取决于土骨架 本身的蠕变性质。
7.1工业与民用建筑工程地质问题
7.1.2 地基稳定性问题
2.地基沉降 地基沉降的计算方法包括分层总和法、有限元法和规范法，
计算时需要根据相关规范要求进行合理选择。地基计算的沉降量 一般指最终沉降量，是地基在荷载作用下沉降完全稳定后的沉降 量， 要达到这一沉降量的时间取决于地基排水条件。对于砂土， 施工结束后就可以完成；对于粘性土，少则几年，多则十几年、 几十年乃至更长时间。在具体建筑物的地基沉降计算时， 还需注 意土体的应力和变形的关系、土的压缩性指标的选定和精确度等 问题。
7.1工业与民用建筑工程地质问题
7.1.2 地基稳定性问题
3.持力层选择 所选持力层首先要满足承载力和变形要求， 并且下卧层也能
满足要求。建筑物的用途、有无地下室、设备基础、地下设施等 条件都会对基础持力层的选择产生影响。对不均匀沉降较敏感的 建筑物，如层数不多而平面形状又较复杂的框架结构，应选择坚 实、均匀的土层做持力层。对主楼和裙房层数相差较大的建筑物， 应根据承载力的不同选择两个不同的持力层，以保证沉降的相互 协调。对有上拔力或承受较大水平荷载的建筑结构，桩基应尽量 深埋，选择的桩基持力层要能满足抗拔要求。对动荷载作用的建 筑物不能选择饱和疏松的砂土做持力层，以免发生砂土液化。
地下洞室围岩稳定性分析
地下洞室围岩稳定性分析在进行地下洞室围岩稳定性分析时，一般需要考虑以下几个主要因素：1.岩层的力学性质：岩层的力学性质是岩石稳定性的基础。
要进行稳定性分析，首先需要获取岩层的力学参数，如岩石的强度、弹性模量和剪胀性等。
通常可以通过室内试验、现场调查和实测等方法获得这些参数，或者借助已有的类似工程的资料进行评估。
2.地下水：地下水是地下洞室稳定性分析中重要的一项因素。
地下水对围岩的稳定性产生的主要影响是增加孔隙水压，降低岩层的有效应力，促使岩体产生破坏。
因此，需要充分考虑地下水对岩层的影响，包括水位高度、水质状况、渗流特性等。
3.岩体结构：岩体的结构对于岩层稳定性具有重要影响。
岩体的结构主要表现为节理、裂隙、岩体层理等。
这些结构特征对洞室的稳定性有直接影响，形成控制洞室稳定的主要因素之一、因此，在进行稳定性分析时，需要对岩体的结构特征进行详细调查和分析，选择合适的建模方法进行模拟。
4.洞室开挖方式和支护措施：洞室的开挖过程和支护措施对围岩稳定性有着直接的影响。
开挖过程中，洞室周围会受到剪切应力和变形等影响，进而对围岩稳定性产生影响。
因此，在稳定性分析中需要考虑洞室开挖方式和支护措施的影响，选择合适的岩体应力场和支护材料。
在进行地下洞室围岩稳定性分析时，常用的方法包括力学分析法、数值模拟法和现场监测法等。
力学分析法通过分析力学参数和地质参数，计算岩体的稳定系数，从而评估围岩的稳定性。
数值模拟法通过建立数学模型，采用有限元或边界元方法，模拟洞室周围围岩的变形和破坏过程，预测洞室的稳定性。
现场监测法是指通过安装监测点，对洞室周围的围岩变形和破坏进行实时监测，从而评估围岩的稳定性。
综上所述，地下洞室围岩稳定性分析是一个复杂的工程问题，需要考虑多个因素的综合影响。
只有充分了解地下洞室周围的地质和力学条件，选择合适的分析方法和模型，才能有效评估围岩的稳定性，并制定出合理的支护措施，确保地下洞室的安全和持续稳定。
地下洞室围岩稳定性分析方法综述
问题，然而，由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料，一 般均具有非线性、非连续性、非均质及多相性等特点，尤其是天 然岩体，由于其赋存的特殊性，它被各种地质构造（如断层、节 理、层理等）切割成既连续又不连续的形态，从而一般均形成一 个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列，而且，天然岩体所 涉及的力学问题是一个多场（应力场、温度场、渗流场）、多相 （气相、固相、液相）等影响下的复杂耦合问题，再加上工程开 挖和外部环境的影响，致使许多情况下，我们不能获得较为准确 的力学参数和本构模型。“力学参数和本构模型不准”已成为岩 石力学理论分析和数值模拟的“瓶颈”问题。
值或变形速率判据用于软弱围岩往往时效不佳，根据牛顿运动 定律，物体从运动转变为静止状态的必要条件是，加速度由负 值渐趋为零。因此，围岩稳定性判据应以加速度为主，辅以变 形值或变形速率，据此提出了变形速率比值判据。
然而采用不同的失稳判据得到的稳定安全度一般是不相同 的，如何建立一个具有理论基础的、可得到唯一解的失稳判据 是今后需要解决的问题。
2存在的问题21参数及本构岩石力学参数和本构模型是岩石力学研究中最核心的两个问题然而由于岩石力学的研究对象是复杂的岩土体材料一般均具有非线性非连续性非均质及多相性等特点尤其是天然岩体由于其赋存的特殊性它被各种地质构造如断层节理层理等切割成既连续又不连续的形态从而一般均形成一个从松散体到弱面体再到连续体的材料序列而且天然岩体所涉及的力学问题是一个多场应力场温度场渗流场多相气相固相液相等影响下的复杂耦合问题再加上工程开挖和外部环境的影响致使许多情况下我们不能获得较为准确的力
传统的岩石力学理论是以岩石的加载试验（包括室内及现 场原位试验）为基础，引入成熟的弹塑性理论等建立起来的而 地下洞室岩体开挖后的实际情况是以卸荷为主，且往往有较大 的拉应力区出现。显然传统的岩石力学理论统一采用加载试验 获取的岩体力学参数，应用适合于加载情况的力学分析软件进 行分析与计算，得到的变形及稳定分析结论与现场的实际情况 必然有巨大区别，甚至连趋势都无法反映[4]。
地下洞室工程围岩特征及其支护措施
地下洞室工程围岩特征及其支护措施地下洞室工程是指在地下进行的洞穴开挖和地下结构施工的一种工程。
在地下洞室工程中，围岩是指洞室周围的地质岩体，包括岩层、岩性、岩体强度、岩体稳定性等一系列特征。
围岩的性质和特征对地下洞室的安全和稳定性起到至关重要的作用。
在地下洞室工程中，围岩的特征包括以下几个方面：1.地质结构特征：围岩的地质结构特征包括岩层倾角、岩层的发育程度、岩层的厚度等。
不同的地质结构会对围岩的稳定性和施工难度产生影响。
2.岩性特征：围岩的岩性特征包括岩石的种类、岩石的密度、岩石的坚硬程度等。
不同的岩性会对围岩的稳定性和施工难度产生影响。
3.岩体强度：围岩的强度是指岩体抵抗破坏的能力。
围岩的强度越高，洞室的稳定性越好。
因此，在地下洞室工程中，需要对围岩的强度进行测试和评估，以确定相应的施工方案和支护措施。
4.岩体稳定性：围岩的稳定性是指岩体在开挖和施工过程中是否容易发生破裂、塌陷等现象。
围岩的稳定性与地下水位、地应力、岩体结构等因素有关。
在地下洞室工程中，需要通过岩体稳定性分析，确定相应的支护措施，以确保洞室的安全施工和使用。
针对以上围岩特征，地下洞室工程中常用的支护措施有：1.开挖方式：在地下洞室开挖过程中，可以采用不同的开挖方式，如爆破开挖、钻机开挖、机械掘进等，根据围岩的特征选择合适的开挖方式。
同时，还需要合理设置开挖工作面和施工顺序，以降低围岩变形和破坏的发生。
2.支护结构：地下洞室工程中常用的支护结构有钢支撑、混凝土衬砌、锚杆支护等。
根据围岩的特征和洞室的设计要求，选择合适的支护结构，并进行稳定性分析和力学计算，以确保支护结构的稳定性和耐久性。
3.地下水控制：地下水是影响地下洞室稳定性的重要因素之一、在地下洞室工程中，需要采取相应的地下水控制措施，如井孔排水、封水墙施工等，以降低地下水对围岩的影响。
4.监测与预警：地下洞室工程中，需要设置相应的监测系统，对围岩的变形、位移、应力等进行实时监测，及时发现问题并采取相应措施。
工程地质 第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
处围岩的应力降低，加之新开裂处岩体在 水和空气影响下加速风化，岩体向洞内产 生塑性松胀。这种塑性松胀的结果，使原 来由洞边附近岩石承受的应力转移一部分 给邻近的岩体。因而邻近的岩体也就产生 塑性变形。这样，当应力足够大时，塑性 变形的范围是向围岩深部逐渐扩展的。由 于这种塑性变形的结果，在洞室周围形成 了一个圈，这个圈一般称为塑性松动圈
机理：破碎、松散岩体在重力、渗压、动荷载作用下产生塌落 产生条件：
1) 断层破碎带、裂隙密集带、槽状、囊状风化带、溶洞堆积物; 2）多位于洞顶→边墙.
溶洞堆积物
⑸松软岩体
局部塌方
表现形式：内鼓、缩径、局部挤出、剪切、滞后性。 机理：塑性变形、膨胀、流变、蠕变。
产生条件：
1）岩性软弱：形成年代新、胶结差；
—— 松软或破碎岩体
r
工程类比法
7.4 围岩工程地质分类
BQ的分类方法在第四章已经介绍过了。 在这具体提出修正系数的取值
[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)
指：未对洞壁采取任何支护措施，围岩由变形发展至 破坏的时间
式中：t切向拉应力，切向压应力，Rt围岩的抗拉强度，Rb饱和抗压强度
•围岩的抗剪强度是否适应围岩的剪应力。 例：如图
K
F T
洞顶块体Q1和洞壁块体Q2的稳定性系数分别为
K 2(c1l1 c2l2)(ctg ctg)/ L23
K (Q2 costg4 c4l4 ) / Q2 sin
情况的工程 隧 洞 分 类●
无压隧洞（承受围岩压力、外水压力）
⑵ 弹性抗力 —— 一般指有压隧洞冲水后，围岩在内水压力作用 下产生压缩变形的同时对衬砌所形成的反力
岩土工程7地下洞室
3
• 54
（4）以成地下洞室内可能产生渗漏泉涌， 影响地下洞室的正常使用。 二 工程因素： 后期人为形成的外在因素。 1 设计洞室断面形状不当或尺寸过大，产 生应力集中。 2 施工方法不当，如开挖没及时支护。 3 洞顶开挖时超挖形成积水，向洞内渗漏。 4 冷库设计或施工不当，洞周岩土体冻胀。
使结构发生变形和破坏。 5 已成洞室旁边开挖洞室，或在下采煤 （挖洞），使已成洞室破坏。 6 地震 爆破等作用下，因岩土体抗剪强度 降低产生变形和破坏。
7.5地下洞室岩爆及其特征 一 岩爆成因及分级 围岩内岩石性质和围岩应力大小
3
• 54
H (2.0 2.5)h0
二 岩体地下洞室 位置的选择 1 地质构造 、地层特性的影响 2 使用功能的考虑。 3 注意收集有关设计、 施工资料。 4 地下洞室的性能、规模、特点和与地面 建筑物的联系。 5 相临隧道间距的考虑。6 地下水的考虑 7 洞口位置与标高、洞轴走向、洞室断面 与长度等项选择。 8 方案比较与论证。
2003年7月1日9时左右，上海中山南路847号上海市音 像制品批发交易市场5层楼房发生倾斜，主楼裙房倒塌。 据悉，这是正在施工中的地铁4号线（浦东南路至南浦大 桥）区间隧道浦西联络通道发生大量流沙涌入，引起地面 大幅沉降所致。
三 土体洞室位置的选择 1 土体强度和含水情况。 应避免在有淤泥、软土、流沙及富含水的 土层及有可能冲刷、淹没的地带选择洞 址。 2 对邻近建筑物影响的考虑。 尽量离开重要建筑物一定的距离，不可从 高楼下直接通过。 3 施工方法的考虑。 4洞口位置与洞轴线走向的选择。
7地下洞室
第1节 洞室的类型和位置选择 一 洞室的类型 按使用功能分： 军事工程 、地下交通工程、 城市基础设施和共 同沟、 地下采掘空间 、地下工厂或车间、地下 仓储设备、 地下民用设施。
第七章-地下洞室围岩稳定性的工程地质分析
流
组合成不稳定的
隧
楔形体
洞
永
定
河 0+703 —
某 0+716
水
电
站
压
力
引
水
隧 洞
1+71岩
中，裂隙十分发
育，且有与洞线
近直交的 F 68 和 F 67 两断层切割。 F 67 充填有玢岩 风化物和亚粘土，
隧洞开挖至 F 67 时发生 坍塌，并有水涌出，总
塌方量约 600 余方
λ
1
3r04 r4
cos2θ
τ rθ
σv
1
2
λ
1
3r04 r4
2r02 r2
si n2θ
式中： σr为径向应力；σθ为切向应力；r0为隧洞半径；
r为质点至洞轴线的距离； τrθ为剪应力；极 角 反 时 针
用弹 性理 论计 算圆 形洞 室周 边应 力重 分布
2
r
1
r
2 0
采取特殊措施后保证了稳 定
3
物质处于饱水状态，
高 10m 的边墙很难
保持稳定
福
洞顶为缓倾角（ 8
建
°— 20 °）夹泥
某
节理切割成薄板 施工开挖拱脚后，使两
工
状且与另一陡倾 侧岩体失去下部支撑。
程 40 — 160 角充水夹泥石英 前后塌方四次，总方量 4
导
脉破碎带交切，
达 400 — 500m 3
r
v r 2
1
v
r
2 0
r 2
0
r
r0 2 r0 3 r0 4 r0 5 r0 6 r0 r0
各种 断面 形状 的洞 体应 力状 态比 较
地下洞室围岩稳定性分析与评价
地下洞室围岩稳定性分析与评价地下洞室围岩稳定性是地下工程中非常重要的问题之一，对地下工程的安全和经济运行具有重要意义。
地下洞室围岩稳定性的分析与评价可以帮助我们判断洞室围岩的稳定程度和寿命，为洞室工程的设计和施工提供可靠的依据。
首先，对地下洞室围岩的力学性质进行测试和分析。
这包括围岩的弹性模量、抗压强度、抗剪强度等力学参数的测定。
通过测试和分析得到的力学参数可以为后续的围岩稳定性分析提供基础数据。
其次，对围岩的岩性和结构进行详细的地质调查和研究。
通过对围岩的地质构造、结构洞的位置、破碎度和节理特征等进行详细的调查和研究，可以了解围岩的变形和破坏机理，为后续的稳定性分析提供依据。
然后，进行数值模拟和分析。
根据实际工程情况，可以使用有限元方法或者其他数值模拟方法对围岩的稳定性进行模拟和分析。
通过模拟和分析，可以得到围岩的应变、应力分布以及稳定性指标，进一步评价围岩的稳定性。
最后，根据分析和评价结果，对围岩稳定性进行评价。
根据实际工程要求和标准，可以将围岩的稳定性进行分级评价，确定围岩的稳定等级，并提出相应的建议和措施，以提高围岩的稳定性。
在地下洞室围岩稳定性分析与评价过程中，需考虑不同因素对围岩稳定性的影响。
例如，水文地质条件、地应力状态、围岩的强度参数、地震和地下水位变化等因素都会对围岩的稳定性产生重要影响，需要对这些因素进行综合分析和评价。
总之，地下洞室围岩稳定性的分析与评价是地下工程设计和施工的重要环节。
通过科学的测试、调查、分析和数值模拟，可以全面、准确地评价围岩的稳定性，为地下洞室工程的建设提供可靠的基础。
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授课题目第七章地下洞室围岩稳定性的工程地质研究教学目的要求掌握围岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法、地下洞室围岩工程地质分类的原则和方法;了解地下洞室开挖前后的应力特征;掌握洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素;了解改善地下洞室围岩稳定性的措施。
主要内容第一节地下洞室开挖前后的应力特征一、应力重分布的特征二、围岩的松动圈和承载圈第二节洞室围岩的变形与破坏第三节影响地下洞室围岩稳定性的地质因素一、地形条件geographic conditions二、岩性条件rock and soil engineering characters三、地质构造条件geologecal structure conditions四、地下水(水文地质hydrogeological conditions五、地应力(natural stress第四节围岩压力第五节水工隧洞围岩的承载力第六节地下洞室围岩工程地质分类第七节改善地下洞室围岩稳定性的措施重点与难点洞室围岩的变形与破坏、影响地下洞室围岩稳定性的地质因素,岩压力和弹性抗力的基本概念和确定方法。
教学方法手段(教具参考资料1戚筱俊.工程地质及水文地质.北京:中国水利水电出版社,19972陈德基主编.水利工程勘测分册.北京:中国水利水电出版社,20043崔冠英主编,水利工程地质,北京:中国水利水电出版社,1999.4左建,郭成久等主编.水利工程地质.北京:中国水利水电出版社,2004 5孙文怀.工程地质与岩石力学.北京:中央广播电视大学出版社,2002 6李智毅,杨裕云主编.工程地质学概论.武汉:中国地质出版社,1994 7张倬元,王士天,王兰生编著.工程地质分析原理.北京:地质出版社, 19818胡厚田.土木工程地质.北京:高等教育出版社,2001课后作业与思考题第七章课后思考题与练习题1、2、4、6、8题;教学后记讲稿教学过程时间分配第七章地下洞室围岩稳定问题第一节地下洞室围岩应力重分布一、应力重分布的特征地下洞室(underground cavern 开挖前,岩体内的应力状态称为初始应力状态。
开挖后,由于洞室周围岩体失去了原有的支撑,破坏了原来的受力平衡状态,围岩将向洞内产生松胀位移,从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整,形成新的应力状态。
该应力称重分布应力、二次应力或围岩应力(stress of country rock。
直接影响围岩稳定的是二次应力状态,它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。
在简单情况下,假定岩体为弹性介质,对于侧压力系数(水平应力与垂直应力的比值λ=1的圆形洞室,围岩中任一点的应力(图7—2可用公式7-4计算。
从式(7—4可知,当A 点处于洞壁,即R =r 时,σr =o ,σθ=2σ。
因此,围岩应力重分布的特征,是径向应力减小至洞壁处为零,切向应力集中,当λ=1时,洞壁处的切向应力约为初始应力的2倍左右。
应力重分布的范围,一般为3倍洞径左右(图7—3,在此范围外,岩体仍处于初始应力状态,不受开挖影响。
通常所说的围岩,就是指洞周受应力重分布影响范围内的岩体。
二、围岩的松动圈和承载圈洞室开挖后围岩的稳定性,取决于二次应力与围岩强度之间的关系。
如果洞周边应力小于岩体的强度,围岩稳定。
否则,周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。
围岩一旦松动,如不加支护,则会向深部发展,形成具有一定范围的应力松弛区,称为塑性松动圈。
在松动圈形成过程中,原来周边集中的高应力逐渐向深处转移,形成新的应力增高区,该区岩体被挤压紧密,称为承载圈。
此圈之外为初始应力区。
第二节地下洞室围岩的变形与破坏由于岩体在强度和结构方面的差异,洞室围岩变形(deformation与破坏的形式多种多样,主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。
上述的变形破坏形式与围岩的结构类型有关。
1.坚硬完整岩体(firm rock的脆性破裂(fragility fragment在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室,围岩一般是稳定的。
但是在高地应力地区,经常产生岩爆现象(rock popping。
岩爆形成的机理是很复杂的,它是储存有很大弹性应变能的岩体,在开挖卸荷后,能量突然释放所形成的,它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。
在坚硬岩体中易于发生岩爆。
岩爆的防治措施,一般有松动爆破或超前钻孔法降低围岩的应力、加固围岩或用注水法等提高围岩塑性变形的能力。
2.块体滑移(slippage块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。
这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。
分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。
3.层状弯折和拱曲岩层的弯曲折断,是层状围岩变形失稳的主要形式。
1平缓岩层(mild rock layer,当岩层层次很薄或软硬相间时,顶板容易下沉弯曲折断(图7—7a。
平缓岩层顶板的稳定性还与洞顶有无纵向切割有关。
如洞顶被高角度断层或节理纵向切割,则造成了组合悬臂梁形式,稳定性大为降低。
2在倾斜层状(dip rock layer围岩中,当层间笙合不良时,顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断,逆倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块(图7—7b。
法国某矿山巷道,岩层倾角300~ 400,岩性软弱,结果在巷道侧上方形成了很大的倾斜压力,使间距0.5m的工字钢支护压垮。
3在陡倾(steep或直立perpendicularity岩层中,因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行,所以边墙容易凸邦弯曲(图7—7c。
在这种条件下,如洞室轴线与岩层走向有一定的交角,边墙的稳定性将得到改善。
4.碎裂岩体的松动解脱碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱,在洞顶则产生崩落,在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。
当结构面间夹泥时,往往会产生大规模的塌方,如不及时支护,将愈演愈烈,直至冒顶。
5.松软(weak岩体的塑性变形(plasticdeformation和膨胀(expansion一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体,在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。
常见的塑性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。
当围岩均匀,全部是松软岩体时,破坏常以较为规则的拱形冒落为主,否则,常表现为局部塌方或边墙挤入、缩径及底鼓等。
由于不同类型围岩变形破坏形式不同,因此,在评价围岩的稳定性时,应采用不同的判据。
例如,碧口水电站泄洪洞破坏的情况。
该隧洞的围岩为薄层的千枚岩,单层厚仅3cm。
岩层倾角750,岩石单轴饱和抗压强度为12MPa。
设计洞形为马蹄形,顶拱直径12.9m。
经计算洞周边的切向应力为5.25~7.0MPa。
如果按抗压强度判据,因洞壁最大切向应力小于岩石的单轴抗压强度,围岩应该是稳定的。
但实际上围岩产生了严重的溃曲破坏,所以,应该用板梁理论求解其稳定性。
按梁屈曲理论求解,洞室开挖后千枚岩在自重作用下即能产生屈曲,千枚岩自稳段长度仅1.5m。
第三节与地下洞室围岩稳定有关的地质因素地下建筑位置的选择,除取决于工程目的要求外,需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。
首先要考虑区域稳定性及山体的稳定。
一般要求,建洞地区应是区域地质构造稳定,无区域性大断裂通过,附近没有发震构造,地震基本烈度应小于8度。
理想的建洞山体应具备以下条件:1建洞区地质构造简单,岩层厚、节理组数少,间距大,无影响整个山捧稳定的断裂带;2岩体坚硬完整;3地形完整,没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。
无岩溶或岩溶很不发育;4地下水影响小;5无有害气体和异常地热。
地质条件对选址的影响分述如后。
一、地形条件geographic conditions在地形上要求山体完整,洞室周围包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度。
隧洞进出口地段的边坡应下徒上缓,无滑坡、崩塌等现象存在。
洞口岩石应直接出露或坡积层薄,岩层最好倾向山里以保证河—口坡的安全。
在地形徒的高边坡开挖洞口时,应不削坡或少削坡即进洞,必要时可做人工洞口先行进洞,以保钲边坡的稳定性。
隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处,也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。
二、岩性条件rock and soil engineering characters岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。
如坚硬完整的岩体,围岩一般是稳定的,能适应各种断面形状的地下瓶室。
而软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体,吸水易膨胀的岩体等,通常力学强度低,遇水易软化、崩解及膨胀等,不利于围岩的稳定。
因此,洞室位置应尽量选在坚硬完整岩石中。
一般在坚硬完整岩层中掘进,围岩稳定,日进尺快,造价低。
在软弱、破碎、松散岩层中掘进,顶板易坍塌,边墙及底板易产生鼓胀挤出变形等事故,需边掘进边支护或超前支护,工期长,造价高。
岩浆岩、厚层坚硬的沉积岩及变质岩,围岩的稳定性好,适于修建大型的地下工程。
凝灰岩、粘土岩、页岩、胶结不好的砂砾岩、千枚岩及某些片岩,稳定性差,不宜建大型地下洞室。
松散及破碎岩石稳定性极差,选址时应尽量避开。
此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。
一般软硬互层或含软弱夹层的岩体,稳定性差。
层状岩体的层次愈多,单层厚度愈薄,稳定性愈差。
均质厚层及块状岩体稳定性好。
三、地质构造条件geologecal structure conditions地质构造是控制岩体毙整性及渗透性的重要因素。
选址时应尽量避开地质构造复杂的地段,否则会给施工带来困难。
如意大利的辛普朗隧道,长20多公里,由于地层严重褶皱、倒转并伴有大型的逆断层,岩石破碎,施工中多次产生塌方,经多次停工处理才打通。
下面就褶皱、断层及岩局产状对围岩稳定性的影响进行简要的分析。
1.褶皱(fold的影响褶皱剧烈地区,一般断裂也很发育,特别是褶皱核部岩体完整性最差。
如图7—4所示。
(1背斜(anticline核部,岩层呈上拱形,虽岩层破碎,然犹如石砌的拱形绪构,能将上覆岩层的荷重传递至两侧岩体中去,所以有利于洞顶的稳定。
洞顶虽张裂隙发育,然岩块呈上宽下窄形,不易掉块。
(2向斜(syncline核部岩层呈倒拱形,顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。
另外,向斜核部往往是承压水储存的场所,地下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。
因此,在向斜核部不宜修建地下洞室。
在理论上背斜核部虽较向斜优越,但实际上由于背斜核耶外缘受拉仲处于张力带,内缘受挤压,加上风化作用,岩层往往很破碎。
因此,在布置地下洞室时,原则上应避开褶皱核部。
若必须在褶皱岩层地段修建地下工程,可以将洞室放在褶皱的两翼。
2.断裂(fault的影响断层破碎带及断层交汇区,稳定性极差。
地下掘进如遇较大规模的断层,几乎都要产生塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏。