地下工程巖體的穩(wěn)定性分析

1、 地下工程巖體的穩(wěn)定性分析 地下工程，系指在地面以下及山體內(nèi)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(yōu)點(diǎn)。因此，在國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門的工程建設(shè)中被廣泛采用。如城市及交通建設(shè)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(shè)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(shè)中的地下飛機(jī)場、地下試驗(yàn)室(站)、地下掩蔽部及各類軍事設(shè)備器材倉庫等。顯然隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展及地下工程所具有的優(yōu)越性，地下工程的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，規(guī)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(hù)形成的地

2、下工程。天然洞室一般指由地質(zhì)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(zhì)所包圍。因此，這些介質(zhì)的性質(zhì)直接影響著地下工程的穩(wěn)定與安全。 地下工程巖體系指地下工程周圍的巖土介質(zhì)，以往也稱為地下洞室圍巖。其穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究是工程地質(zhì)研究的重要課題之一。主要包括地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素分析，地下工程洞線及進(jìn)、出口邊坡位置的正確選擇地下工程巖體穩(wěn)定性的合理評(píng)價(jià)，對(duì)不穩(wěn)定地段的支護(hù)及施工方法的研究，施工過程中根據(jù)地質(zhì)情況預(yù)測各種可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)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(zhì)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(yīng)滿足以下條件： (1)洞址宜選在山體完整雄厚、地質(zhì)構(gòu)造簡單、地下水影響小、巖性均一的堅(jiān)硬巖層且?guī)r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(fā)育帶、強(qiáng)風(fēng)化帶及有害氣體和高地溫等地段。洞址選在穩(wěn)定性好的圍巖中，是保證地下工程施工安全和正常運(yùn)行的關(guān)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(zhì)現(xiàn)象發(fā)育或洪水可能淹沒的地段。洞外還應(yīng)該有相應(yīng)規(guī)模的棄渣場地。大量工程實(shí)踐表明，地下工程進(jìn)出口位置選擇十分重要，稍有不慎，將造成無法進(jìn)洞或洞口巖體失穩(wěn)等不良后果。

4、 (3)洞軸線要選擇與區(qū)域構(gòu)造線、巖層及主要節(jié)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(yīng)力地區(qū)，洞軸線宜與水平方向的最大主應(yīng)力平行。例如我國金川礦巷道布置時(shí)，該區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹35。E左右，mx2030MPa，而位于地下400m深處的西風(fēng)井巷道走向?yàn)镹30。W左右，與最大水平主應(yīng)力方向近正交。結(jié)果建成后，此巷道產(chǎn)生明顯變形和破壞，斷面累計(jì)變形達(dá)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(yīng)力方向近平行(N23。E)，則巷道圍巖的穩(wěn)定性得到顯著改善，即使穿越松散結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶，也末發(fā)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(fù)雜。在洞址選擇時(shí)，除考慮上述要求外，尚需對(duì)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(jìn)行專門研究，才能保證有壓隧洞在內(nèi)水壓力作用下的正常運(yùn)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(yè)與民用建筑及道路建設(shè)中應(yīng)用較普遍，其洞室位置選擇應(yīng)滿足： (1)洞址應(yīng)選擇在滑坡、沖刷等不良地質(zhì)現(xiàn)象不發(fā)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(wěn)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(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力及物理地質(zhì)現(xiàn)象等因素控制。在工程建設(shè)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(shè)中最基本、最重要的一項(xiàng)工作，否則將后患無窮。 二、地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素 地下工程巖體穩(wěn)定性的影響因素主要有巖土性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)與地質(zhì)構(gòu)造、地下水、地應(yīng)力及地形等。此外，還要考慮地下工程的規(guī)模等因素。 (一)巖土性質(zhì) 巖土性質(zhì)是控制地下洞室圍巖穩(wěn)定、隧洞掘進(jìn)方式和支護(hù)類型及其工作量等的重要因素，也是影響工期和工程造價(jià)的一個(gè)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(wěn)定的沉積巖，或規(guī)模很大的侵入巖(花崗巖、閃長巖等)，或區(qū)域變質(zhì)的

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

8、，因此洞軸線穿越破碎巖體時(shí)一般都產(chǎn)生一定規(guī)模塌方。嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生地下泥石流或碎屑流，或者產(chǎn)生洞室涌水，威脅施工安全。巖體結(jié)構(gòu)對(duì)地下工程巖體穩(wěn)定性影響主要表現(xiàn)在巖體結(jié)構(gòu)類型與結(jié)構(gòu)面的性狀等方面。同一類型巖體結(jié)構(gòu)對(duì)不同規(guī)模地下工程其自穩(wěn)能力不同c比如在某一層狀結(jié)構(gòu)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(wěn)能力顯然不一樣，前者可能安全、穩(wěn)定，后者穩(wěn)定性可能很差。另外，結(jié)構(gòu)面的相互組合，切割成的結(jié)構(gòu)體很可能向洞心方向產(chǎn)生位移，輕者掉塊，重者塌方，更嚴(yán)重者可能造成冒頂。因此，在地下工程巖體穩(wěn)定分析中一定要注意各種結(jié)構(gòu)面的分布及其組合，尤其是一些大規(guī)模斷層破碎帶。 (三)地下水因素 地

9、下水對(duì)洞室圍巖穩(wěn)定性的影響是很不利的。其影響主要表現(xiàn)在使巖石軟化、泥化、溶解、膨脹等，使其完整性和強(qiáng)度降低。另外當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，地下水以靜水壓力形式作用于襯砌上，形成一個(gè)較高的外水壓力，對(duì)洞室穩(wěn)定不利。地下水對(duì)地下工程最大的危害莫過于洞室涌水。地下巖溶、導(dǎo)水構(gòu)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(guī)模的涌水、涌砂或者形成碎屑流涌入，輕者影響施工，嚴(yán)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(qū)，地下水影響較小的非含水巖層中。 (四)地應(yīng)力 巖體中的初始應(yīng)力狀態(tài)對(duì)洞室圍巖的穩(wěn)定性影響很大。地下洞室開挖后，巖體中的地應(yīng)力狀態(tài)要重新調(diào)整，調(diào)整后的地應(yīng)力稱為

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

11、水平主應(yīng)力方向平行。特別在高地應(yīng)力地區(qū)修建地下工程，一定要認(rèn)真研究地應(yīng)力的分布及對(duì)工程建筑的影響。如規(guī)劃中的南水北調(diào)西線引水隧洞等高地應(yīng)力區(qū)的地下工程建設(shè)中，地應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響就成為一個(gè)重要的研究課題。，此外，影響地下工程巖土穩(wěn)定性還有地、地下工程的施工技術(shù)和施工方法等。地形上要求洞室區(qū)山體雄厚，地形完整，山體工程施工技術(shù)和施工方法是影響巖體穩(wěn)定的一個(gè)重要方面。末受溝谷切割，沒有滑坡、崩塌等地質(zhì)現(xiàn)象破壞地形：大量工程實(shí)踐表明，地下良好的施工技術(shù)和科學(xué)的施工方法將有效地保護(hù)圍巖穩(wěn)定，不良的施工技術(shù)和不合理的施工方法將嚴(yán)重破壞巖體的穩(wěn)定性，降低巖體的基本質(zhì)量。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，合理確

12、定施工方案，盡量保護(hù)圍巖不被擾動(dòng)。 三、地下工程巖體穩(wěn)定分析方法 地下工程巖體穩(wěn)定分析評(píng)價(jià)，應(yīng)采用工程地質(zhì)分析與理論計(jì)算相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法。 (一)工程地質(zhì)分析法 工程地質(zhì)分析法也稱為工程地質(zhì)類比法。主要在工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，把擬建工程與工程地質(zhì)條件、工程特點(diǎn)及施工方法類似的已建工程相比較，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。為了便于對(duì)比，一般在大量實(shí)際資料的基礎(chǔ)上，對(duì)地下工程巖體進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)(參閱第五章巖體工程分級(jí))。 (二)力學(xué)計(jì)算方法 力學(xué)計(jì)算方法是根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)、不同的力學(xué)屬性，簡化成不同的力學(xué)模型，應(yīng)用相應(yīng)的力學(xué)方法，研究圍巖的變形破壞過程，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定量計(jì)算的評(píng)價(jià)方法。它可以彌補(bǔ)以往

13、工程地質(zhì)分析法只側(cè)重定性而缺乏定量評(píng)價(jià)的不足。應(yīng)用中，應(yīng)將兩者結(jié)合使用，以起到相互驗(yàn)證的作用。力學(xué)計(jì)算法可分為解析計(jì)算法和數(shù)值計(jì)算法(有限單元法)，其重點(diǎn)是計(jì)算圍巖壓力等。 圍巖壓力是指圍巖由于松動(dòng)、變形而作用在支護(hù)(襯砌)上的壓力，是確定襯砌設(shè)計(jì)荷載大小的依據(jù)。圍巖壓力也稱山巖壓力或地壓。圍巖壓力有松動(dòng)壓力、變形壓力和膨脹壓力之分。 松動(dòng)壓力是指由于開挖造成圍巖松動(dòng)而可能塌落的巖體，以重力形式直接作用在支護(hù)上的壓力。松動(dòng)壓力有不良地質(zhì)條件造成的，如巖體破碎程度、軟弱結(jié)構(gòu)面與臨空面的組合關(guān)系等，也有施工方面的因素造成的，如爆破、支護(hù)時(shí)間和回填密實(shí)程度等。 變形壓力指圍巖變形受到支護(hù)限制后，圍巖

14、對(duì)支護(hù)形成的壓力。其大小決定于巖體的初始地應(yīng)力、巖體的力學(xué)性質(zhì)、洞室形狀、支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度和支護(hù)時(shí)間等。 膨脹壓力指圍巖吸水后，巖體中的礦物產(chǎn)生膨脹崩解引起圍巖體積膨脹變形作用在支護(hù)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(zhì)有所不同，它嚴(yán)格地受地下水的控制，其定量難度更大，目前尚無完善的計(jì)算方法。嚴(yán)格地區(qū)分松動(dòng)壓力與變形壓力是不容易的，在實(shí)際進(jìn)行圍巖壓力計(jì)算時(shí)一般不予區(qū)分。圍巖壓力計(jì)算有經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法與理論計(jì)算法兩種。經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法如鐵道部經(jīng)驗(yàn)公式及黃土洞圍壓估算公式等。理論公式計(jì)算法如傳統(tǒng)的普氏理論、Terzaghi松散體理論、Fenner公式、常士騾公式等。以上經(jīng)驗(yàn)公式及理論公式請(qǐng)參閱

15、文獻(xiàn)81。本節(jié)主要介紹國家標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察規(guī)范(G135002l94)關(guān)于圍巖壓力計(jì)算的幾種方法。 K。是水工隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)的一個(gè)基本參數(shù)。及。通常與圍巖的巖石性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造、內(nèi)水壓力大小及加荷方式等有關(guān)。確定X。的方法一般有現(xiàn)場試驗(yàn)方法、計(jì)算方法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法等。對(duì)大型地下工程通常采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法；對(duì)中小型工程，則可采用計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)方法求得。 四、改善地下工程巖體穩(wěn)定性條件的措施 大量工程實(shí)例表明，各種不良的工程地質(zhì)條件是導(dǎo)致地下工程巖體失穩(wěn)的主要原因。為了保證各種地下工程的安全施工和正常運(yùn)行，就需要采取一定的工程技術(shù)措施去改善圍巖的穩(wěn)定條件。 (一)選擇良好的施工方法，盡量少擾動(dòng)圍巖 地下

16、工程巖體在地下處于一定的應(yīng)力場之中，洞室開挖造成巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，洞壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，不良的施工方法將會(huì)促使巖體破壞，松動(dòng)圈向外擴(kuò)展。因此，施工中應(yīng)盡量采用先進(jìn)掘進(jìn)技術(shù)，如用光面爆破和掘進(jìn)機(jī)開挖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆爆法，并且盡可能全斷面掘進(jìn)，以避免爆破及多次開挖對(duì)圍巖的擾動(dòng)。有關(guān)工程實(shí)例表明不合理的施工方法將會(huì)降低巖體基本質(zhì)量，可能使好巖體變?yōu)閴膸r體。因此，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，選擇最佳施工方案和合理的施工方法。 (二)支護(hù)與襯砌 根據(jù)圍巖壓力的大小選擇相應(yīng)的支護(hù)與襯砌方法，是維護(hù)和改善地下工程巖體穩(wěn)定條件的最常用方法。支護(hù)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(hù)措施。支護(hù)有構(gòu)架支護(hù)及噴錨支護(hù)兩種方式。除特殊地段(如嚴(yán)重破碎的巖體和松散地層)仍采用構(gòu)架支撐外，一般情況下應(yīng)首先選用噴錨支護(hù)。噴錨支護(hù)是采用錨桿與噴射混凝土支護(hù)圍巖的工程措施。它把地下工程巖體視為承受應(yīng)力的結(jié)構(gòu)體，加強(qiáng)巖體本身的整體性和力學(xué)強(qiáng)度，充分發(fā)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(jié)構(gòu)具有支護(hù)速度快，節(jié)省時(shí)間和原材料以