地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地.ppt

第3章 地下洞室圍巖穩(wěn)定性 的工程地質(zhì)分析,1）掌握地下洞室圍巖穩(wěn)定性的基本概念及研究意義； 2）掌握地下洞室開挖后圍巖應(yīng)力重分布特征； 3）掌握洞室圍巖的變形破壞特征、類型及山巖壓力問題； 4）掌握地下洞室圍巖穩(wěn)定性的分析與評價(jià)方法； 5）了解地下洞室圍巖變形量測的方法及支護(hù)措施；,本章學(xué)習(xí)內(nèi)容及要求,本章重點(diǎn)： 1）地下洞室開挖后圍巖應(yīng)力分布特征； 2）地下洞室圍巖的變形破壞特征及類型； 3）圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià)方法； 本章難點(diǎn)： 1）圍巖變形破壞特征； 2）圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià)方法,本章重點(diǎn)及難點(diǎn),3.1 地下洞室概念及研究意義,3.1.1 基本概念 地下洞室(underground cavity)是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。 為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場、地下儲油庫、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井、以及地下飛機(jī)庫等。 雖然它們規(guī)模不等，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都要在巖體內(nèi)開挖出具有一定橫斷面積和尺寸、并有較大廷伸長度的洞子。,二灘電站地下廠房,3.1 地下洞室概念及研究意義,錦屏地下洞室三維地質(zhì)模型,3.1 地下洞室概念及研究意義,拉西瓦地下洞室三維地質(zhì)模型,3.1 地下洞室概念及研究意義,3.1.2 地下洞室的分類 按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉庫）、地下軍事工程 按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室 按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形 按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井） 按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞 按應(yīng)力情況：單式洞室、群洞,3.1 地下洞室概念及研究意義,3.1.3 研究意義 地下洞室開挖之前，巖體處于一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，開挖使洞室周圍巖體發(fā)生卸荷回彈和應(yīng)力重新分布。如果圍巖足夠強(qiáng)固，不會(huì)因卸荷回彈和應(yīng)力狀態(tài)的變化而發(fā)生顯著的變形和破壞，那么，開挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持穩(wěn)定。但是，有時(shí)或因洞室周圍巖體應(yīng)力狀態(tài)的變化大，或因巖體強(qiáng)度低，以致圍巖適應(yīng)不了回彈應(yīng)力和重分布應(yīng)力的作用而喪失其穩(wěn)定性。此時(shí)，如果不加固或加固而末保證質(zhì)量，都會(huì)引起破壞事故，對地下建筑的施工和運(yùn)營造成危害。,3.1 地下洞室概念及研究意義,3.2.1 圍巖應(yīng)力重分布的一般特點(diǎn) 由巖體力學(xué)可知，任何巖體在天然條件下均處于一定初始應(yīng)力狀態(tài)，巖體內(nèi)任何一點(diǎn)的初始應(yīng)力狀態(tài)(常稱為原巖應(yīng)力)通?？梢源怪闭龖?yīng)力(通常為主應(yīng)力) 和水平正應(yīng)力來表示（其中 vo值可以是零，也可以是常數(shù)）：,由上式可知:巖體內(nèi)的初始應(yīng)力隨深度而變化,因而對于具有一定尺寸的地下洞室來說,其垂直剖面上各點(diǎn)的原巖應(yīng)力大小是不等的,即地下洞室在巖體內(nèi)將是處在一種非均勻的初始應(yīng)力場中。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,按照森維南原理:開挖洞室引起的應(yīng)力狀態(tài)的重大變化局限在洞室橫剖面中最大尺寸的3-5倍范圍之內(nèi)。為簡化圖巖應(yīng)力的計(jì)算，假定在洞室的整個(gè)影響帶內(nèi)巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)與洞中心處是一樣的，這樣，就將均勻應(yīng)力場簡化為均勻應(yīng)力，大大簡化了圍巖應(yīng)力的計(jì)算。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,圍巖開挖引起洞室周邊各質(zhì)點(diǎn)向自由臨空面方向移動(dòng)，隨圍巖處所初始應(yīng)力狀態(tài)（N值）的不同,在洞室周邊產(chǎn)生不同的應(yīng)力分布特征，如下圖所示：,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,由上圖可以看出： 1）徑向應(yīng)力： 隨著向自由表面的接近而逐漸減小，至洞壁處變?yōu)榱恪?2）切向應(yīng)力： 在一些部位愈接近自由表面切向應(yīng)力愈大，并于洞壁達(dá)最高值，即產(chǎn)生所謂壓應(yīng)力集中；在另一些部分，愈接近自由表面切向應(yīng)力愈低，有時(shí)甚至于洞壁附近出現(xiàn)夠應(yīng)力，即產(chǎn)生所謂拉應(yīng)力集中。這樣，地下洞寶的開挖就將于圍巖內(nèi)引起強(qiáng)烈的主應(yīng)力分異現(xiàn)象，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力差愈接近自由表面愈增大，至洞室周邊達(dá)最大值。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2.2 圓-橢圓形洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律 對于圓形-橢圓形洞室，周邊上可能的最大拉應(yīng)力集中和最大壓應(yīng)力集中分別發(fā)生于巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力軸和最小主應(yīng)力軸與周邊垂直相交的A、B兩點(diǎn)，而兩點(diǎn)之間的應(yīng)力則介于上述兩個(gè)極值之間，呈逐漸過渡狀態(tài)(如圖3一4、10一5)?？梢娺@兩點(diǎn)是判定圍巖是否穩(wěn)定的關(guān)鍵部位只要了解這兩點(diǎn)的應(yīng)力情況，就能掌握這類洞室周邊應(yīng)力集中的一般規(guī)律。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,A點(diǎn)： N1/3時(shí)，Kc0, 為壓應(yīng)力; N1/3時(shí)，Kc0, 為拉應(yīng)力。 B點(diǎn)： N不論取何值，都不產(chǎn)生拉應(yīng)力,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,根據(jù)彈性理論，圓-橢圓形地下洞室周邊A、B兩點(diǎn)的切向應(yīng)力可根據(jù)下式求得： 式中： (+N）稱為應(yīng)力集中系數(shù)，記為Kc，則有Kc= / v ）。 A點(diǎn)和B點(diǎn)的和值列于下表：,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,拉應(yīng)力產(chǎn)生的條件： (1)當(dāng)N1，任何 (ba) ,均不產(chǎn)生拉應(yīng)力; (2)當(dāng)N0時(shí)，周邊上最大拉應(yīng)力總是產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞室周邊垂直相交的A點(diǎn)，且其應(yīng)力集中系數(shù)與洞形無關(guān)，軸比(ba)為任何值時(shí)， h v 均等于一1; (3)當(dāng)0 N 1時(shí)，特定洞形有特定的產(chǎn)生拉應(yīng)力的臨界N值。同時(shí)，拉應(yīng)力仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力軸與洞周垂直相交的部位亦即當(dāng)N l時(shí)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在A點(diǎn)，且N值愈低于臨界值，所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大；當(dāng)N 1時(shí)最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在B點(diǎn)，且N值愈高于臨界值，該處所產(chǎn)生的拉應(yīng)力將愈大。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,最大壓應(yīng)力集中的規(guī)律: (1) 當(dāng)baN時(shí)，周邊上不產(chǎn)生拉應(yīng)力，且各點(diǎn)的壓應(yīng)力集中系數(shù)均相等，為該特定N值條件下，不同軸比洞室周邊上所可能產(chǎn)生的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)中的最小值，故穩(wěn)定條件最好; (2)當(dāng)baN時(shí)，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于B點(diǎn)，且其應(yīng)力集中系數(shù)隨兩者差值的增大而增大。 (3) 當(dāng)ba N時(shí)，最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生于A點(diǎn)，且兩者的差值愈大，其應(yīng)力集中系數(shù)愈高。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2.3 方形-矩形洞室周邊應(yīng)力集中規(guī)律,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,以上各圖表明： （1）方形-矩形洞室周邊上最大壓應(yīng)力集中均產(chǎn)生于角點(diǎn)上; （2）角點(diǎn)上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)隨洞室寬高比(BH）的不同而變化，在不同的應(yīng)力場中(N值不同時(shí))，大體上都是方形或近似于方形的洞室上的最大壓應(yīng)力集中系數(shù)為最低，隨著寬高比的增大或減小，洞室角點(diǎn)上的最大壓皮力集中系數(shù)則線性或近似干線性地增大。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2.4 圓拱直墻形洞室應(yīng)力分布特征 根據(jù)光彈試驗(yàn)的資料，圖3-9所示斷面上各特征點(diǎn)的切向應(yīng)力仍可按式3-1求得。圖中各特征點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)中和值，列于下表中：,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,圓拱直墻形洞室周邊各特征點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)與N的關(guān)系,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,根據(jù)上述資料可以看出： （1）對于圓拱直墻形洞室，在一般情況下，洞室周邊上的最大壓應(yīng)力集中產(chǎn)生在邊墻腳處的E點(diǎn)； （2）隨著N值的不斷增大，當(dāng)達(dá)到某一值時(shí)（此例中為大于7以后），周邊上的最大壓應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到洞室的頂拱A點(diǎn)處。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,圓拱直墻形洞室周邊各特征點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)與N的關(guān)系,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,由此可以看出： （1）最大拉應(yīng)力集中仍產(chǎn)生在最大主應(yīng)力與洞壁垂直相交的邊上，在N1的應(yīng)力場中，隨著N值的降低，拉應(yīng)力首先出現(xiàn)在洞底的中點(diǎn)F處，其產(chǎn)生拉應(yīng)力的N值條件為N0.37，隨著N值的進(jìn)一步降低，F(xiàn)點(diǎn)處的拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)N降至小于0.25時(shí)，洞室頂拱的中點(diǎn)A點(diǎn)處也開始產(chǎn)生拉應(yīng)力； （2）在N1的應(yīng)力場中，最大拉應(yīng)力集中產(chǎn)生在園拱與直墻的交界點(diǎn)c處，其出現(xiàn)拉應(yīng)力的N值條件為N2.02。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.2.5 洞室周邊應(yīng)力與其形狀的定量關(guān)系 根據(jù)森維南原理可知洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)，只要其表面是光滑的，主要受其局部幾何形態(tài)的控制。在如圖3-10所示的特例條件下，洞室周邊特定點(diǎn)A、B處的應(yīng)力與其形態(tài)間有如下定量關(guān)系：,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,上述關(guān)系式表明： （1）洞室周邊應(yīng)力與其曲率半徑呈負(fù)相關(guān)； （2）洞室周邊應(yīng)力與其寬或高呈正相關(guān)關(guān)系。 實(shí)際上，利用上述關(guān)系式可近似地計(jì)算任一形狀洞室周邊與主應(yīng)力垂直相交兩點(diǎn)(即A、B點(diǎn))處的周邊應(yīng)力。,A 、B分別為A點(diǎn)及B點(diǎn)的切向應(yīng)力; W、H分別為洞室的寬度和高度; eA 、eB分別為A點(diǎn)及B點(diǎn)的曲率半徑.,3.2.6 影響圍巖應(yīng)力狀況的主要因素 （1）洞室形態(tài) （2）圍巖巖性,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,圖3-12表明：當(dāng)圍巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有非線性特征或圍巖具有較大螺變特性時(shí)，洞室周邊附近的切向應(yīng)力要小于理想彈性巖層時(shí)的應(yīng)力；但當(dāng)遠(yuǎn)離洞壁一定距離后，巖層內(nèi)的切向應(yīng)力則要大于理想彈性巖層時(shí)的應(yīng)力.,/v,r,T,O,實(shí)線為理想彈性體； 虛線為非理想彈性體.,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,（3）存在不連續(xù)面,圖3-13表明：當(dāng)洞室附近有斷層平行于洞壁通過時(shí)，任何一個(gè)位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體都要承受徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的作用，從而使斷層面上產(chǎn)生剪應(yīng)力如圖3-13(c)。如果這種剪應(yīng)力的數(shù)值大于斷層泥或斷層角礫巖所能承受的應(yīng)力值，單元就會(huì)發(fā)生位移，從而使得傳過斷層面的應(yīng)力較之沒有斷層時(shí)減小了一些，由于這種原因，在洞室和斷層之間的狹窄地帶往往產(chǎn)生很高的應(yīng)力集中，使該區(qū)圍巖的穩(wěn)定條件大為惡化,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,（4）巖性及結(jié)構(gòu)的各向異性 通過某些測量所驗(yàn)證過的理論計(jì)算結(jié)果指出：各向異性的巖層或巖體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中程度遠(yuǎn)大于各向同性的巖層或巖體結(jié)構(gòu)。,（5）洞室群的空間關(guān)系 由于圍巖內(nèi)某一點(diǎn)的總應(yīng)力等于兩個(gè)或多個(gè)洞室在該點(diǎn)引起的應(yīng)力之和，故相鄰洞室的存在通常使圍巖應(yīng)力(主要是壓應(yīng)力)的集中程度增高，對洞室圖巖穩(wěn)定不利。 此外，洞室的交叉也會(huì)造成應(yīng)力集中程度的增加。,3.2 開挖圍巖的應(yīng)力重分布特征,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,3.1 圍巖變形破壞的一般過程和特點(diǎn) 地下洞室開挖常能使圍巖的性狀發(fā)生很大變化，促使圍巖性狀發(fā)生變化的因素，除上述的卸荷回彈和應(yīng)力重分布之外，還有水分的重分布。 一殷說來,洞室開挖后,如果圍巖巖體承受不了回彈應(yīng)力或重分布的應(yīng)力的作用,圍巖即將發(fā)生塑性變形成破壞. 這種變形或破壞通常是從洞室周邊,特別是那些最大壓或拉應(yīng)力集中的部位開始,而后逐步向圍巖,內(nèi)部發(fā)展的.,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,圍巖變形破壞過程:,圍巖的變形破壞是漸進(jìn)式逐次發(fā)展的: 開挖應(yīng)力調(diào)整變形、局部破壞再次調(diào)整 再次變形較大范圍破壞,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,表3-6圍巖的變形破壞形式及其與圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,3.2 脆性圍巖的變形破壞,脆性圍巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的脆性巖體。 這類圍巖的變形和破壞，主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的，水分的重分布對其變形和破壞的影響較為微弱。 脆性圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn)除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)，一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型.,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(1)彎折內(nèi)鼓 層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。 從力學(xué)機(jī)制來看，它的產(chǎn)生可能有兩種情況：一是卸荷回彈的結(jié)果；二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過薄層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的. 卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生在初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi)(或者洞室埋深較大,或者水平地應(yīng)力較高),而且總是在與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力垂直相交的洞壁上表現(xiàn)得最強(qiáng)烈.故當(dāng)薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時(shí),洞室開挖后.薄層狀圍巖就會(huì)在回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生彎曲、折裂和折斷,最終擠入洞內(nèi)而坍倒.,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,壓應(yīng)力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的壓應(yīng)力集中的部位，通常是洞室的角點(diǎn)或與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力平行或近于平行的洞壁，故當(dāng)薄層狀巖體的層面與這類應(yīng)力高度集中部位平行或近于平行時(shí)，切向壓應(yīng)力往往超過薄層狀圍巖的抗彎折強(qiáng)度，從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(2) 張裂塌落 張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是當(dāng)那里發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時(shí)、即使產(chǎn)生的拉應(yīng)力很小也可使巖體拉開產(chǎn)生垂直的張性裂縫。被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定，特別是當(dāng)有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，往往造成頂供的塌落。但是在N0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小全使頂拱處的拉應(yīng)力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力。當(dāng)項(xiàng)拱處的拉應(yīng)力減小至小于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)頂拱因巖韶趨于穩(wěn)定。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(3) 劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動(dòng) 這兩種破壞形式都發(fā)生于壓應(yīng)力、特別是最大壓應(yīng)力集中的部位。 a）劈裂剝落 過大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圖巖切割成厚度由兒厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落。破裂的范圍一般不超過洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強(qiáng)度時(shí)，這些劈裂板還可能按壓彎、折斷并造成塌方，轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)，視圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生于頂拱，也可發(fā)生于邊墻之上，前者造成頂供的片狀冒落，后者則造成通常所謂的片幫。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,b） 剪切滑移 這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生在邊墻上，也可發(fā)生于頂拱。 在水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的應(yīng)力場中(N1)，這類破壞多發(fā)生在頂拱壓應(yīng)力集中程度較高，且有斜向斷裂發(fā)育的部位。由于切向應(yīng)力很大，而徑向應(yīng)力r很小，故沿?cái)鄬用孀饔玫募魬?yīng)力，比較高，而正應(yīng)力卻比較小，所以，沿?cái)鄬用孀饔玫募魬?yīng)力往往會(huì)超過其抗剪強(qiáng)度，引起沿?cái)鄬拥募羟谢啤?3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,c）碎裂松動(dòng) 碎裂松動(dòng)是碎裂結(jié)構(gòu)巖體變形、破壞的主要形式，洞體開挖后，如果圍巖應(yīng)力超過了圍巖的屈服強(qiáng)度，這類圍巖就會(huì)因沿多組已有斷裂結(jié)構(gòu)面發(fā)生剪切錯(cuò)動(dòng)而松馳，并圍繞洞體形成一定的碎裂松動(dòng)帶或松動(dòng)屈。這類松動(dòng)帶本身是不穩(wěn)定的，特別是當(dāng)有地下水的活動(dòng)參與時(shí)，極易導(dǎo)致頂拱的坍塌和邊墻的失穩(wěn)。由于松動(dòng)帶的厚度會(huì)隨時(shí)間的推移而逐步增大，因此為了防止這類圍巖變形、破壞的過度發(fā)展，必須及時(shí)采取加固措施。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(4) 巖爆 a）有關(guān)巖爆的基本概念 在地下開挖或開采過程中突然地以爆炸的形式表現(xiàn)出來，這就是所謂的巖爆。 巖爆發(fā)生時(shí)，巖石或煤等突然從圍巖中被拋出或彈出，拋出的巖體大小不等，大者可達(dá)幾十噸，小者長僅幾厘米。大型巖爆通常伴有劇烈的氣浪和巨響甚至還伴有周圍巖體的振動(dòng)。巖爆對于地下采掘或地下工程建筑常能造成很大的危害大者能破壞支護(hù)、堵塞坑道，造成重大的傷亡事故。小者也能威脅工人的安全。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,b）巖爆的類型和特點(diǎn) (a)圍巖表部巖石突然破裂引起的巖爆 在深埋隧道或其它類型地下洞室中所發(fā)生的中小型巖爆多屬這種類型。發(fā)生時(shí)發(fā)出如機(jī)槍射擊的劈劈拍拍響聲，故被稱為巖石射擊。 一般發(fā)生在新開挖的工作面附近，爆破后2-3h，圍巖表部巖石常發(fā)出如上所述的爆裂聲，同時(shí)有中厚邊薄的不規(guī)則片狀巖塊自洞壁圖巖中彈射出或剝落。彈出者一般塊度較小，多呈幾cm長、寬的薄片，個(gè)別達(dá)幾十M長、寬，但爆裂聲較大，且爆裂與彈射幾乎同時(shí)發(fā)生；剝落者一般塊度較大，可達(dá)幾m長、寬，但爆聲較小，且多在爆裂聲的幾分鐘或更長些時(shí)間后方脫離母巖而自由墜下。這類巖爆多發(fā)生于友面平整、有硬質(zhì)結(jié)核或軟弱面的地方，且多平行于巖壁發(fā)生，事前無明顯的預(yù)兆。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(b)礦柱或大范圍圍巖突然破壞引起的巖爆 發(fā)生于一些探礦坑中的大型巖爆多屆這種類型。這類巖爆發(fā)生時(shí)通常伴有劇烈的氣浪和巨響，甚至還伴有周圍巖體的強(qiáng)烈振動(dòng)，破壞力很大，對地下采掘工作造成嚴(yán)重的危害，放常披稱之為礦山打擊或沖擊地壓。在煤礦中，這類巖爆多發(fā)生于距坑道壁有一定距離的區(qū)域內(nèi)，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大塊地被拋到巷道中，并伴隨著巨大的響聲、振動(dòng)和氣浪，破壞力極大。 這類沖擊地壓發(fā)生之前，?？捎X察到支護(hù)上或煤柱中壓力的增大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)霹靂聲或振動(dòng)，但有時(shí)則沒有明顯的預(yù)兆。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(c)斷層錯(cuò)動(dòng)引起的巖爆 坑道以小角度逼近一個(gè)潛在的活動(dòng)斷層時(shí)，坑道的開挖使作用于斷層面上的正應(yīng)力減小，從而使沿?cái)鄬用娴哪ψ枇档?，引起斷層突然再活?dòng)，形成巖爆，這類巖爆一般發(fā)生在構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的探礦井中，破壞性很大，且影響范圍較廣。 c）巖爆的產(chǎn)生條件與發(fā)生機(jī)制 本質(zhì)上，巖爆乃是洞室圍巖的一種伴有突然釋放大量潛能的劇烈的脆性破壞。從產(chǎn)生條件方面來看，高儲能體的存在及其應(yīng)力接近于巖體強(qiáng)度是產(chǎn)生巖爆的內(nèi)在條件，而某些因素的觸發(fā)效應(yīng)則是巖爆產(chǎn)生的外因。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(a) 圍巖應(yīng)力條件 判斷巖爆發(fā)生的應(yīng)力條件有兩種方法： 一是用洞壁的最大環(huán)向應(yīng)力與圍巖單軸抗壓強(qiáng)度c之比值作為巖爆產(chǎn)生的應(yīng)力條件； 一是用天然應(yīng)力中的最大主應(yīng)力1與巖塊單軸抗壓強(qiáng)度c之比進(jìn)行判斷。 經(jīng)驗(yàn)公式：1c大于0.1650.35的脆性巖體最易發(fā)生巖爆。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,（b）巖性條件 彈性變形能系數(shù)：加載到0.7c后再卸載至0.05c時(shí)，卸載釋放的彈性變形能與加載吸收的變形能之比的百分?jǐn)?shù)。 當(dāng)70時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巖爆，越大發(fā)生巖爆的可能性越大。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,（C）巖爆形成機(jī)理和圍巖破壞區(qū)分帶,劈裂成板階段（巖爆孕育） 垂直洞壁方向受張應(yīng)力作用而產(chǎn)生平行于最大環(huán)向應(yīng)力的板狀劈裂.僅在洞壁表部,部分板裂巖體脫離母巖而剝落,而無巖塊彈射出現(xiàn). 剪切成塊階段(巖爆的醞釀) 劈裂巖板向洞內(nèi)彎曲,發(fā)生張剪復(fù)合破壞.處于爆裂彈射的臨界狀態(tài). 塊、片彈射階段 劈裂,剪斷巖板，產(chǎn)生響聲和震動(dòng).巖塊發(fā)生彈射,巖爆形成.,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,巖爆漸進(jìn)破壞過程示意圖 A、劈裂；B、剪斷；C、彈射,巖爆的漸進(jìn)性破壞過程很短促.各階段在演化的時(shí)序和發(fā)展的空間部位,都是由洞壁向圍巖深部依次重復(fù)更迭發(fā)生的.因此，巖爆引起的圍巖破壞區(qū)可以分彈射帶、劈裂-剪切帶和劈裂帶等三帶.,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,較為有代表性的巖爆劃分方案有種： 挪威Russense提出用點(diǎn)荷載指數(shù)與圍巖切向應(yīng)力比值作為判據(jù): Is/0.20 無巖爆 安德森提出的判據(jù) /c0.5-1.0 強(qiáng)烈?guī)r爆 Barton和Grimstad提出的判據(jù) /c 0.5-0.6 片幫及輕微巖爆 /c 0.6-1.0 巖爆 /c 1.0 嚴(yán)重巖爆 以上： Is點(diǎn)荷載指數(shù),切向應(yīng)力；c巖石抗壓強(qiáng)度。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,3.3 塑性圍巖的變形與破壞 塑性圍巖包括各種軟弱的層狀結(jié)構(gòu)巖體(如頁巖、泥巖和粘土巖等)和散體結(jié)構(gòu)巖體。 這類圍巖的變形與破壞，主要是在應(yīng)力重分布和水分重分布的作用下發(fā)生的主要有塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、塑梳涌出和重力坍塌等不同類型，現(xiàn)分述如下： (1) 塑性擠出 洞室開挖后，當(dāng)圍巖應(yīng)力超過塑性圍巖的屈服強(qiáng)度時(shí)，軟弱的塑性物質(zhì)就會(huì)沿最大應(yīng)力梯度方向向消除了阻力的自由空間擠出。在一般情況下易于被擠出的巖體主要包括：,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(a)固結(jié)程度較差的泥巖、粘土巖； (b)各種富含泥質(zhì)的沉積或變質(zhì)巖層(如泥巖、頁巖、板巖和千枚巖等)中的擠壓剪閉破碎帶; (c)火成巖中的官含泥質(zhì)的風(fēng)化破碎夾層等，特別是當(dāng)這些巖體富含水分處于塑性狀態(tài)時(shí)，就更易于被擠出。未經(jīng)構(gòu)造或風(fēng)化擾動(dòng)且固結(jié)程度較高的泥質(zhì)沉積巖及變質(zhì)巖層則不易于被擠出。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(2) 膨脹內(nèi)鼓 洞室開挖后圍巖表部減壓區(qū)的形成往往促使水分由內(nèi)部高應(yīng)力區(qū)向圖巖表部轉(zhuǎn)移,結(jié)果常使某些易于吸水膨脹的巖層發(fā)生強(qiáng)烈的膨脹內(nèi)鼓變形.這類膨脹變形顯然是由圍巖內(nèi)部的水分重分布引起的,除此之外,開挖后暴露于表部的這類巖體有時(shí)也會(huì)從空氣中吸收水分而使自身膨脹. 退水后易于膨脹的巖石主要有兩類:一類是富含粘土礦物(待別是蒙脫石)的塑性巖石,如泥質(zhì)巖、鉆土巖、膨脹性粘土等; 另一類是含硬石膏的地層,如硬石膏退水后就會(huì)發(fā)水化而轉(zhuǎn)化為石膏，體積隨之而增大。從而可以產(chǎn)生的強(qiáng)大山壓，給隧道的施工和運(yùn)行帶來很大困難。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,(3) 塑流涌出 當(dāng)開挖揭穿了飽水的斷裂帶內(nèi)的松散破碎物質(zhì)時(shí)，這些物質(zhì)就會(huì)和水一起在壓力下呈央有大量碎屑物的泥漿狀突然地涌人洞中有時(shí)甚至可以堵塞坑道，給施工造成很大的困難。 (4) 重力坍塌 破碎松散巖體在重力作用下發(fā)生的塌方。,3.3 地下洞室圍巖的變形破壞,4.1 影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的因素 前述分析表明，地下洞室圍巖穩(wěn)定性問題主要是可能出現(xiàn)的圍巖應(yīng)力與圍巖強(qiáng)度間的矛盾問題。各類因素都是通過這兩個(gè)方面來影響地下洞室的穩(wěn)定性的。因此，可將影響地下洞室穩(wěn)定性的因素分為三大類： 第一類因素是通過圍巖應(yīng)力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性的。主要包括巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)及洞室的剖面形狀和尺寸。其中巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)既受自然地質(zhì)因素控制又與人類工程活動(dòng)的要求有關(guān)。而洞室的形狀則主要是由人類工程活動(dòng)的要求與特點(diǎn)所決定。,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),第二類因素包括圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)，主要是通過圍巖的強(qiáng)度來影響洞室圍巖穩(wěn)定性的。從巖性角度，可以將圍巖分為塑性圍巖和脆性圍巖兩大類: 塑性圍巖主要包括各類粘土質(zhì)巖石、破碎松散巖石以及某些易于吸水膨脹的巖石如硬石膏等，通常具有風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低以及通水易于軟化、膨脹或崩解等不良性質(zhì)，故對地下洞室圍巖的穩(wěn)定性最為不利。 脆性圍巖主要包括各類堅(jiān)硬及半堅(jiān)硬巖體。由于巖石本身的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，故這類圍巖的強(qiáng)度主要取決于巖體結(jié)構(gòu)，巖性本身的影響不十分顯著。在這類圍巖中，碎裂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差，薄層狀結(jié)構(gòu)次之，而厚層狀及塊體狀巖體則通常具有很高的穩(wěn)定性。 對于厚層狀及塊體狀巖體，其強(qiáng)度主要受軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育和分布特點(diǎn)所控制。,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),第三類因素是既能影響應(yīng)力狀態(tài)，又能影響圍巖強(qiáng)度的因素。主要為地下水的賦存活動(dòng)條件。結(jié)構(gòu)面中的空隙水壓力減小結(jié)構(gòu)面上的有效應(yīng)力，降低沿結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定性。地下水物理化學(xué)作用降低巖體的強(qiáng)度。所以，地下水活動(dòng)往往是圍巖失穩(wěn)的一個(gè)重要因素。 需要指出的是，上述三類因素，在內(nèi)外營力作用下是不斷變化的。,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),4.2 隧洞圍巖穩(wěn)定性的定性評價(jià) 對于一般的工程隧洞，由于規(guī)模和埋深不大，圍巖應(yīng)力較低且影響范圍較小，因而破壞失穩(wěn)總是發(fā)生在圍巖強(qiáng)度顯著降低的部位，不穩(wěn)定的地質(zhì)標(biāo)志較為明顯，通常能夠通過一般的地質(zhì)工作加以研究和評價(jià)。 大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在一般工程隧洞中，圍巖的失穩(wěn)或破壞通常發(fā)生于下述幾類地區(qū)。 (1)破碎松散巖石或軟弱的塑性巖類分布區(qū)，包括巖體中的風(fēng)化、構(gòu)造破碎帶以及風(fēng)化速度快、力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易于軟化、膨脹或崩解的鉆土質(zhì)巖類的分布地帶； (2)碎裂結(jié)構(gòu)巖體及半堅(jiān)硬的薄層狀結(jié)構(gòu)巖體分布區(qū); (3)堅(jiān)硬塊體狀及厚層狀巖體中，為幾組軟弱結(jié)構(gòu)面切割、能于洞頂或邊墻上構(gòu)成不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體的部位。,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),1 解析分析法,4.3 隧洞圍巖穩(wěn)定性的定量評價(jià),圍巖整體穩(wěn)定性,局部塊體穩(wěn)定性,2 數(shù)值模擬,1 矢量分析法,2 圖解法（實(shí)體比例投影法）,3 數(shù)學(xué)解析法,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),（1）局部塊體穩(wěn)定性分析,赤平投影+實(shí)體比例投影,（a）圖解法,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),拱頂塊體實(shí)體比例投影,邊墻塊體實(shí)體比例投影,（b）數(shù)學(xué)解析法,通過平面方程與曲面方面聯(lián)立求解，獲得局部塊體的幾何學(xué)參數(shù),幾何學(xué)分析,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),分解為平面四面體和曲面五面體,分解為平面五面體和曲面四面體,拱頂塊體分解為平面四面體和曲面楔形體,脫離巖體的運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,其穩(wěn)定性系數(shù)為： K=0,沿單面滑動(dòng),其穩(wěn)定性系數(shù)按下式計(jì)算：,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),沿雙面滑動(dòng),其穩(wěn)定性系數(shù)按下式計(jì)算：,（2）整體穩(wěn)定性分析,通過建模技術(shù)，利用有限元、離散元、有限差分等數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行分析洞室的整體穩(wěn)定狀況。,3.4 圍巖穩(wěn)定性分析與評價(jià),1圍巖變形破壞的累進(jìn)性發(fā)展 大量的實(shí)踐表明，地下工程圍巖的變形破壞通常是累進(jìn)性發(fā)展的。由于圍巖內(nèi)應(yīng)力分布的不均勻性以及巖體結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度的不均一性及各向異性，那些應(yīng)力集中程度高，而結(jié)構(gòu)強(qiáng)度又相對較低的部位往往是累進(jìn)性破壞的突破口，在大范圍圍巖尚保持整體穩(wěn)定性的情況下，這些應(yīng)力強(qiáng)度關(guān)系中的最薄弱部位就可能發(fā)生局部破壞，并使應(yīng)力向其它部位轉(zhuǎn)移，引起另外一些次薄弱部位的破壞，如此逐漸發(fā)展，連鎖反應(yīng)，終將導(dǎo)致大范圍圍巖的失穩(wěn)破壞。因此，在進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性的分析、評價(jià)時(shí)，必須充分考慮圍巖累進(jìn)性破壞的過程和特點(diǎn)，針對控制圍巖失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵部位采取有效措施，以防止累進(jìn)性破壞的發(fā)生和發(fā)展，這正是支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,一般說來，地下工程圍巖變形破壞累進(jìn)性發(fā)展的過程和特點(diǎn)主要取決于三方面因素，即：(1)原巖應(yīng)力的方向及大??；(2)地下洞室的形狀及尺寸；(3)巖體結(jié)構(gòu)及其強(qiáng)度。所以，具體條件不同，圍巖累進(jìn)性破壞的過程和特點(diǎn)也迥異。 每一特定條件下圍巖累進(jìn)性破壞能否發(fā)生，其特點(diǎn)如何，以及什么樣的支護(hù)方案才是最經(jīng)濟(jì)而有效的，這些問題通?？梢酝ㄟ^數(shù)值模擬的方法來加以研究和解決。 數(shù)值模擬方法在研究圍巖變形破壞及穩(wěn)定性評價(jià)中具有十分明顯的優(yōu)越性，運(yùn)用這種方法不僅可以研究不同條件下圍巖的穩(wěn)定狀況，為設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供基礎(chǔ)，而且還可以追索圍巖累進(jìn)性破壞的發(fā)展過程，找出可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)破壞的薄弱部位，為支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供依據(jù)。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,最大主應(yīng)力剖切圖,最小主應(yīng)力剖切圖,變形位移平切圖,2山巖壓力問題 (1)某本概念 設(shè)計(jì)隧道或其它地下洞室時(shí)，如果工程地質(zhì)分析與巖體力學(xué)計(jì)算的結(jié)果表明，開挖后圍巖是不穩(wěn)定的，那么就必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的支付結(jié)構(gòu)以支承變形或塌落的圍巖，保證洞體的穩(wěn)定。為了達(dá)到這個(gè)目的，支襯結(jié)構(gòu)就必須能夠適應(yīng)與圍巖之間的相互作用。這種相互作用的力，對于支襯結(jié)構(gòu)來說，就是所謂的山巖壓力(或簡稱山壓)，它是設(shè)計(jì)支付結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。 可見，上面討論的圍巖應(yīng)力與山壓是有原則區(qū)別的，前者是圍巖巖體中的內(nèi)力，后者是圍巖作用于支襯結(jié)構(gòu)上的外力，前者轉(zhuǎn)化為后者是有條件的。如果圍巖足夠強(qiáng)固，完全能夠承受住圍巖應(yīng)力的作用，當(dāng)然也就不需進(jìn)行支襯。只有當(dāng)圍巖因適應(yīng)不了圍巖應(yīng)力的作用而產(chǎn)生過大的變形或破壞時(shí)，圍巖才會(huì)向支付結(jié)構(gòu)施加擠壓力，形成所謂的山壓因此實(shí)際作用于文襯結(jié)構(gòu)上的山壓值除與圍巖的巖性、結(jié)構(gòu)及應(yīng)力條件有關(guān)外，還取決于允許圍巖變形發(fā)展的程度。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,假定在洞室開挖的同時(shí)立即做上剛性支襯結(jié)構(gòu)，不使圍巖產(chǎn)生絲毫變形，此時(shí)支襯結(jié)構(gòu)必須使圍巖保持原來的初始應(yīng)力狀態(tài)，因而它所承受的力最大，將等于巖體中的初始應(yīng)力所能形成的全部壓力。相反，如果通過滯后支護(hù)或柔性支護(hù)，允許圍巖產(chǎn)生一定變形，釋放相應(yīng)的應(yīng)變能，那么當(dāng)支襯結(jié)構(gòu)和圍巖達(dá)到力的平衡時(shí)，支襯結(jié)構(gòu)所承受的山巖壓力則將有所降低。但是，如果支護(hù)過遲，致使圍巖發(fā)生過大的變形和破裂，因而自承能力大為降低時(shí)，作用在支襯結(jié)構(gòu)上的山巖壓力又將有所增大。實(shí)踐表明，對于具有不同巖性、結(jié)構(gòu)的圍巖，其支護(hù)受力與洞壁位移的關(guān)系有不同的特征。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,因此，在每一具體條件下，合理地確定支護(hù)時(shí)間，使巖體的自承能力得以充分發(fā)揮，使之能夠承擔(dān)更多的荷載，對于既經(jīng)濟(jì)又安全的支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的。 基于上述支襯結(jié)構(gòu)與圍巖相互作用的原理，現(xiàn)代的支護(hù)設(shè)計(jì)已完全改變了將支護(hù)單純地作為被動(dòng)承載結(jié)構(gòu)處理的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，而是從更好地利用圍巖的自承能力的觀點(diǎn)出發(fā)，積極、主動(dòng)地加固圍巖。目前廣泛應(yīng)用的噴錨支護(hù)就充分體現(xiàn)了這一基本思想，它一方面為圍巖向洞內(nèi)的變形提供了阻抗力，同時(shí)又通過改善圍巖的應(yīng)力和強(qiáng)度條件而提高了圍巖的自承能力，所以能經(jīng)濟(jì)而有效地保證洞室圍巖的穩(wěn)定性。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,2關(guān)于山壓的計(jì)算 根據(jù)圍巖變形破壞特點(diǎn)的不同，目前通常將山壓分為變形山壓和散體山壓兩類。不同類型的山壓應(yīng)按不同的方法進(jìn)行計(jì)算。 變形山壓主要是由圍巖的塑性擠出、膨脹內(nèi)鼓、剪切碎裂以及彎擠內(nèi)鼓等類型變形破壞所造成的，因此通常出現(xiàn)在具有塑性圍巖或薄層狀脆性、半脆性圖巖圍巖的地下洞室中。這類山壓的計(jì)算應(yīng)采用彈塑性力學(xué)的方法，但目前尚不成熟，而且還只能計(jì)算一些特定條件下的問題，故使用價(jià)值有限。有關(guān)公式及其推導(dǎo)廣泛見于巖體力學(xué)教材中，這里不復(fù)贅述。 散體山壓主要是由圍巖的張裂塌落、剪切滑移、碎裂松動(dòng)以及重力坍塌等類變形破壞引起的。通常，這是一種有限范圍內(nèi)脫落巖石自重施加于支襯結(jié)構(gòu)上的壓力，其大小取決于巖石性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)以及地下水的活動(dòng)情況。這類山壓的計(jì)算主要有基于塌落體理論的普氏及太沙基的山壓計(jì)算法、地質(zhì)分析計(jì)算法以及經(jīng)驗(yàn)公式估算法等，這些方法也都有各自的不同問題。因此，在目前階段，山壓的確定，雖然形式上是定量的計(jì)算，但實(shí)質(zhì)上仍具有經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)估算的性質(zhì)。,3.5圍巖變形破壞的發(fā)展和山巖壓力問題,（1）圍巖變形量測的工程意義 a）估算工程區(qū)初始應(yīng)力的量組及巖體的彈性模量； b）判定巖體的穩(wěn)定程度，預(yù)測不穩(wěn)定巖體的分布及范圍； （2）圍巖變形量測的類型 根據(jù)其目得，主要分為臨時(shí)性的量測和長期監(jiān)測兩類 （3）圍巖變形量測的方法 主要有洞壁收斂量測和圍巖內(nèi)部位移量測兩種 （4）圍巖變形量測的儀器 伸長儀和鉆孔位移計(jì) （5）成果分析與應(yīng)用,3.6 圍巖變形測量的方法及應(yīng)用,研究洞室圍巖穩(wěn)定性，不僅在于正確地?fù)?jù)以進(jìn)行工程設(shè)計(jì)與施工也為了有效地改造圍巖，提高其穩(wěn)定性、這是至關(guān)重要的。 保證圍巖穩(wěn)定性的途徑有二：一是保護(hù)圍巖原有穩(wěn)定性，使之不至于降低；二是賦于巖體一定的強(qiáng)度，使其穩(wěn)定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和文護(hù)襯砌方案，后者主要是加固圍巖。 一、合理施工 圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護(hù)圍巖穩(wěn)定性有很大意義，所遵循的原則，一是盡可能先挖斷面尺寸較小的導(dǎo)洞，二是開挖后及時(shí)支撐或襯砌。這樣就可以縮小圍巖松動(dòng)范圍，或制止圍巖早期松動(dòng)，防止圍巖松動(dòng)，或把松動(dòng)范圍限制在最小限度。針對不同穩(wěn)定程度的圍巖，已有不少施工方案。歸納起來，可分為三類：,3.7 保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施,(一)分部開挖，分部襯砌，逐步擴(kuò)大斷面 圍巖不太穩(wěn)定，頂圍易塌，那就在洞室最大斷面的上部先挖導(dǎo)洞(圖1332，M)，立即支撐，達(dá)到要求的輪廓，作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護(hù)下擴(kuò)大斷面，最后做側(cè)墻襯砌。這便是上導(dǎo)洞開挖、先拱后墻的辦法。為減少施工干擾和加速運(yùn)輸，還可以用上下導(dǎo)洞開挖、先拱后墻的辦法。 圍巖很不穩(wěn)定，頂圍坍落，側(cè)圍易滑。這樣可先在設(shè)計(jì)斷面的側(cè)部開挖導(dǎo)洞，由下處向上逐段襯護(hù)。到一定高程，再挖頂部導(dǎo)洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側(cè)導(dǎo)洞開挖、先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。,3.7 保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施,(二)導(dǎo)洞全面開挖，連續(xù)襯砌 圍巖較穩(wěn)定，可采用導(dǎo)洞全面開挖、連續(xù)襯砌的辦法施工?；蛏舷码p導(dǎo)洞全面開挖，或下導(dǎo)洞全面開挖，或中央導(dǎo)洞全面開挖。將整個(gè)斷面挖成后，再由邊墻到頂拱一次襯砌。這樣，施工速度快，襯砌質(zhì)量高。 (三)全斷面開挖 圍巖穩(wěn)定、可全斷面一次開挖。施工速度快，出渣方便。小尺寸隧洞常用這種方法。,3.7 保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施,二、支撐、襯砌與錨噴加固 如前所述，擬建的地下洞室圍巖如果不穩(wěn)定，就需設(shè)計(jì)相應(yīng)的支襯結(jié)構(gòu)來進(jìn)行加固。常用的支襯結(jié)構(gòu)有支撐、襯砌、錨桿支護(hù)以及“錨桿噴射混凝土”聯(lián)合文護(hù)等類型。,（1）支撐 支撐是臨時(shí)性保護(hù)圍巖的結(jié)構(gòu)，主要是用木結(jié)構(gòu)的或鋼結(jié)構(gòu)的支架把圍巖支摻起來。當(dāng)開挖局部嚴(yán)重不穩(wěn)定地段時(shí)，常作為施工中的臨時(shí)性保護(hù)措施采用之。,（2）襯砌 襯砌是加固圍巖的永久性工程結(jié)構(gòu), 一般是用漿 砌條石、混凝土、鋼筋混凝土砌筑的。在無壓隧道和洞室中，襯砌經(jīng)常承受來自圍巖的壓力，故其型式和厚度應(yīng)與圍壓相適應(yīng)。根據(jù)加固需要，有不襯砌、半襯砌、全襯砌到帶仰拱的整體襯砌。,3.7 保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施,（3）錨桿 是目前普遍采用的提高圍巖穩(wěn)定性的措施，其特點(diǎn)在于對圍巖進(jìn)行了“主動(dòng)加固”，施加了預(yù)應(yīng)力后錨桿系統(tǒng)對圍巖造成了較為均勻的徑向壓力，使圍巖內(nèi)的應(yīng)力條件得到改善，同時(shí)也提高了圍巖的整體強(qiáng)度。,（4）噴-錨聯(lián)合支護(hù) 噴射混凝土與錨桿支護(hù)技術(shù)聯(lián)合使用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，綜合了噴、錨兩方面的優(yōu)越性，大大提高了對圍巖的支護(hù)能力。,3.7 保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 在隧道施工中，由于前方地質(zhì)情況不明，常出現(xiàn)塌方、涌水、巖爆、地下泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。 這些問題的發(fā)生嚴(yán)重影響工程進(jìn)展，增加工程造價(jià)，有時(shí)甚至?xí)a(chǎn)生重大傷亡的事故。,在隧道開挖階段如何超前預(yù)報(bào)隧道掘進(jìn)方向的地質(zhì)條件，準(zhǔn)確查出圍巖性狀、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，特別是溶洞、斷層、破碎帶的產(chǎn)狀、性質(zhì)及其含水情況，對于確保施工安全至關(guān)重要。,隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào) 依靠超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)能極大地減少塌方、突水、突泥等地質(zhì)災(zāi)害，保證施工的順利進(jìn)行并極大地降低成本。國外，瑞士、日本等國在隧道修建時(shí)，隧道施工地質(zhì)工作是非常重要、不可缺少的工序。 定量準(zhǔn)確的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，是工程地質(zhì)界尚未攻克的技術(shù)難題。,目前隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法從專業(yè)技術(shù)方面可分為常規(guī)地質(zhì)法和物探法兩大類。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),一、常規(guī)地質(zhì)法 1、超前導(dǎo)坑法 2、超前鉆孔法 3、地面地質(zhì)調(diào)查 4、掌子面編錄推測法 5、地質(zhì)前兆定量預(yù)測法 6、臨近前兆預(yù)測法,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),一、常規(guī)地質(zhì)法 1超前導(dǎo)坑法 超前導(dǎo)坑法可分為超前平行導(dǎo)坑和超前正洞導(dǎo)坑。 超前平行導(dǎo)坑- 平行導(dǎo)坑的布置平行于正洞，斷面小而且和正洞之間有一定的距離，在施工過程中對導(dǎo)坑中遇到的構(gòu)造、結(jié)構(gòu)面或地下水等情況作地質(zhì)素描圖，通過做地質(zhì)素描圖對正洞的地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)報(bào)。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),超前平行導(dǎo)坑（續(xù)）- 采用平行導(dǎo)坑預(yù)報(bào)的優(yōu)點(diǎn)是：平行導(dǎo)坑超前的距離越長，預(yù)報(bào)也越早，施工中就有充分的準(zhǔn)備時(shí)間，可以增加工作面，加快施工進(jìn)度，還可以起到排水減壓放水，改善通風(fēng)條件和探明地質(zhì)構(gòu)造條件的作用。 采用超前平行導(dǎo)坑進(jìn)行預(yù)報(bào)比較直觀，精度高，預(yù)報(bào)的距離長，便于施工人員安排施工計(jì)劃和調(diào)整施工方案。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),超前正洞導(dǎo)坑 正洞導(dǎo)坑布置在正洞中，其作用與平行導(dǎo)坑相比，效果更好。 但是采用超前導(dǎo)坑法進(jìn)行預(yù)報(bào)也有缺陷：一是成本太高，有時(shí)需要全洞進(jìn)行平導(dǎo)開挖；二是在構(gòu)造復(fù)雜地區(qū)準(zhǔn)確度不高。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),2超前鉆孔法 超前鉆孔法是在隧道掌子面上進(jìn)行鉆孔，以探明隧道開挖面前方的地質(zhì)情況的一種方法。 鉆孔的數(shù)量、角度及鉆孔長度可人為設(shè)計(jì)和控制。 液壓鉆孔臺車鉆進(jìn)時(shí),在掌子面范圍內(nèi)布置24個(gè)鉆孔,孔深5m,用秒表計(jì)時(shí),記錄鉆進(jìn)各進(jìn)尺段所用時(shí)間長短來判別軟弱圍巖和不良地質(zhì)構(gòu)造的位置。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),2超前鉆孔法（續(xù)） 超前風(fēng)鉆孔法是在掌子面上用風(fēng)鉆鉆兩到三個(gè)比一般炮眼深23m的風(fēng)鉆孔，根據(jù)成孔的難易和孔的出水狀況等來判定前方地質(zhì)情況。該法簡單、實(shí)用，與掌子面鉆眼可同時(shí)進(jìn)行。其布孔原則是：在掌子面左右各布置一個(gè)，必要時(shí)在拱部再布置一個(gè)。 一般可根據(jù)鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔取芯鑒定、鉆孔沖洗液的顏色、氣味、巖粉以及在鉆探過程中遇到的其他情況進(jìn)行判斷。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),2超前鉆孔法（續(xù)） 超前地質(zhì)鉆孔法適用于隧道開挖面前方地質(zhì)情況復(fù)雜、且又有地下水出露的情況。該方法既能探明隧道開挖面前方的地質(zhì)情況，且探孔又能起到排水作用。 其缺點(diǎn)是：在復(fù)雜地質(zhì)條件下預(yù)報(bào)效果較差，很難預(yù)測到正洞掌子面前方的小斷層和貫穿性大節(jié)理，特別是與隧道軸線平行的結(jié)構(gòu)面，其預(yù)報(bào)無反映；鉆孔與鉆孔之間的地質(zhì)情況反映不出來。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),3.地面地質(zhì)調(diào)查 地質(zhì)調(diào)查可分為重點(diǎn)復(fù)查和全面調(diào)查兩類。 前者適用于地質(zhì)勘察工作做得較好、精度較高的隧道,主要是深埋長大隧道； 后者適用于地質(zhì)勘察工作基礎(chǔ)較差、設(shè)計(jì)圖紙與施工實(shí)踐不符或嚴(yán)重不符的隧道,主要是占大多數(shù)的中長、中小隧道。 地質(zhì)調(diào)查方法-穿越調(diào)查法和追索調(diào)查法，具體調(diào)查內(nèi)容和工作步驟則視調(diào)查對象而定。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),上述5方面地面調(diào)查工作不是孤立進(jìn)行的,而是相互關(guān)聯(lián)、互為補(bǔ)充,常常一種調(diào)查方法解決幾方面的問題。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),主要調(diào)查對象劃分,4.掌子面編錄推測法 主要是通過掌子面已揭露地質(zhì)體(巖層、不良地質(zhì)體等)進(jìn)行觀測與編錄,對掌子面前方一定范圍內(nèi)可能出現(xiàn)的地質(zhì)體及位置及掌子面實(shí)見地質(zhì)體向掌子面前方延伸情況進(jìn)行有依據(jù)地推斷。 對掌子面進(jìn)行地質(zhì)素描是對開挖面的地質(zhì)情況如實(shí)而準(zhǔn)確的反映。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),4.掌子面編錄推測法（續(xù)） 在施工循環(huán)過程中, 爆破后或出碴后打眼裝藥前即可對隧道開挖工作面進(jìn)行地質(zhì)素描。 正洞地質(zhì)素描的優(yōu)點(diǎn)是不占用施工時(shí)間，設(shè)備簡單，不干擾施工，出結(jié)果快，預(yù)報(bào)的效果好，而且為整個(gè)隧道提供了完整的地質(zhì)資料；缺點(diǎn)是對與隧道夾角較大而又向前傾的結(jié)構(gòu)面容易產(chǎn)生漏報(bào)。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),4-1、地質(zhì)素描主要內(nèi)容： （1）巖性：是最基本的地質(zhì)資料。主要描述巖石名稱、顏色、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、礦物成分、風(fēng)化程度等。 （2）貫穿性節(jié)理：是造成塊體塌方的主要原因之一。主要描述節(jié)理產(chǎn)狀、密度、寬度、延伸情況、節(jié)理面特征(光滑、粗糙、起伏不平)、出露位置等。 （3）巖脈：巖脈侵入的位置往往是地殼的薄弱點(diǎn)。主要描述巖脈的巖性,出露位置、寬度、接觸關(guān)系、破碎情況、風(fēng)化程度等。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),（4）斷層：是地殼上主要的構(gòu)造痕跡,它的形成、特性及規(guī)模決定地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜程度,對隧道施工影響極大,是開挖時(shí)發(fā)生塌方的主要地質(zhì)原因之一。 針對斷層而言，主要描述斷層位置、產(chǎn)狀、斷層破碎帶寬度及構(gòu)造類型、斷層性質(zhì)及其與其它斷層的關(guān)系、派生節(jié)理產(chǎn)狀、密度及充填物等。 斷層露頭作圖法對結(jié)構(gòu)面向開挖后方傾斜的斷層預(yù)報(bào)效果較好，因?yàn)閿鄬酉仍谒淼赖壮雎?，對巖體穩(wěn)定性影響不大時(shí)就可以發(fā)現(xiàn)； 對于向掌子面前方傾斜的結(jié)構(gòu)面因?yàn)橄仍陧敳砍霈F(xiàn)，預(yù)報(bào)時(shí)效果相對較差。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),（5）地下水：水增加了隧道施工難度。地層滲水影響噴射混凝土的質(zhì)量;若在斷層帶內(nèi)巖體破碎,或節(jié)理被次生粘土充填地段有水,則會(huì)大大降低圍巖的自穩(wěn)能力,增加坍塌的可能。 主要描述出水點(diǎn)位置及其與斷層和節(jié)理的關(guān)系、出水狀態(tài)(滴、流、涌)、水味、水色、水溫、出水點(diǎn)附近有無沉淀物等。同時(shí)了解水對混凝土的侵蝕性。 對于地下水與地表水可能存在水力聯(lián)系的地方進(jìn)行了地下水動(dòng)態(tài)觀測,提前確定施工中的排水措施,以防止造成涌水事故。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),4-1、地質(zhì)狀況預(yù)測方法： 巖層及層位推測法 這是應(yīng)用地表地質(zhì)調(diào)查所取得的地表巖層層序的規(guī)律和地表、地下(隧道)巖層層序基本對應(yīng)出現(xiàn)的原理,在確認(rèn)隧道掌子面揭露的巖層與地表某巖層為同一的前提下,推斷掌子面前方一定范圍內(nèi)將出現(xiàn)什么巖層和出現(xiàn)在什么位置。 這種方法的關(guān)鍵技術(shù)是要依據(jù)掌子面揭露巖層的組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、特殊標(biāo)志等因素對該層巖石給予準(zhǔn)確定名,確認(rèn)它位于地表巖層層序中的位置和對應(yīng)的層位。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),工作方法和步驟如下： 對已揭露的巖層進(jìn)行地質(zhì)編錄(觀測巖石的礦物成份、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征和特殊標(biāo)志)，給予準(zhǔn)確定名，測量巖層產(chǎn)狀； 測量該巖層距離已揭露的標(biāo)志性巖層或界面的距離，并計(jì)算其垂直層面的厚度； 將該巖層與實(shí)測地層剖面圖和地層柱狀圖相對比，確定其在地層(巖層)層序中的位置和對應(yīng)的巖層； 依據(jù)實(shí)測地層剖面圖和柱狀圖的巖層層序， 結(jié)合TSP-202儀器探測的結(jié)果，反復(fù)比較分析，最終推斷出掌子面前方一定范圍內(nèi)即將出現(xiàn)的巖層和在隧道中的里程(位置)。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),條帶狀地質(zhì)體涉及隧道長度推斷法 條帶狀地質(zhì)體包括斷層破碎帶、各類圍巖。推斷其涉及隧道長度的實(shí)質(zhì)是:利用掌子面揭露地質(zhì)體的產(chǎn)狀,單壁始見位置和地面地質(zhì)調(diào)查法、長期(長距離)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果得出的該地質(zhì)體厚度(寬度)資料,經(jīng)過一系列的三角函數(shù)運(yùn)算,求得該條帶狀地質(zhì)體在兩壁上下和拱頂?shù)倪吔缥恢?。其中的關(guān)鍵技術(shù)是要把地質(zhì)體的真傾角換算成隧道剖面上的視傾角。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),不規(guī)則地質(zhì)體涉及隧道長度推斷法 不規(guī)則地質(zhì)體,包括巖溶陷落柱、溶洞、暗河、淤泥帶等,其涉及隧道長度目前只能依據(jù)導(dǎo)洞中始見點(diǎn)的位置(或推測始見點(diǎn)的位置)和地質(zhì)體的大約輪廓以及長期(長距離)超前預(yù)報(bào)的成果,作近似的推測。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),5、地質(zhì)前兆定量預(yù)測法 地質(zhì)前兆定量預(yù)測法即斷層參數(shù)預(yù)測法,它是一種超前預(yù)報(bào)隧道斷層及其與隧道斷層相關(guān)的不良地質(zhì)(溶洞、暗河、淤泥帶等)的地質(zhì)學(xué)方法。 其原理是根據(jù)斷層形成的力學(xué)機(jī)制和地應(yīng)力能量釋放形式的基本理論,推斷斷層斷距和斷層破碎帶的厚度必然與斷層影響帶和其所有組分寬度和強(qiáng)度之間有著事物本質(zhì)上的聯(lián)系,它們的相互關(guān)系可以用數(shù)學(xué)公式加以表達(dá)。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),在緩傾(傾角30)的沉積巖地區(qū)開挖隧道時(shí)，它只需伴隨隧道的掘進(jìn)，通過對隧道兩壁或單壁巖層內(nèi)的節(jié)理編錄，即可達(dá)到定量預(yù)測預(yù)報(bào)隧道掌子面前方隱伏斷層的目的；而且預(yù)報(bào)的距離可達(dá)掌子面前方100 m 以上，預(yù)報(bào)精度也極高。因而，這是一種極為經(jīng)濟(jì)的長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),它既可以單獨(dú)實(shí)施隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，又可以與隧道地震勘探 (TSP)和地面地質(zhì)調(diào)查預(yù)報(bào)法等長期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段聯(lián)合，實(shí)施綜合性的高精度、高水平的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。所有這些，都顯示該項(xiàng)技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),基本原理：在斷層影響帶中，有一組特殊的節(jié)理，稱為1節(jié)理組(圖 1)。,第3.8節(jié) 隧道施工地質(zhì)超前預(yù)報(bào),它的產(chǎn)狀與斷層產(chǎn)狀一致或相近，分布范圍很寬，其始見點(diǎn)離斷層很遠(yuǎn)。