地下工程地質問題

1、地下工程地質問題北京地鐵王府井車站北京地鐵王府井車站廣州地鐵東（山口）廣州地鐵東（山口） 楊（箕）區(qū)間隧道楊（箕）區(qū)間隧道Chapter 7 Chapter 7 地下工程地質問題地下工程地質問題（綱要）（綱要）一、地下工程與地質環(huán)境條件關系一、地下工程與地質環(huán)境條件關系( (動態(tài)動態(tài)) )概述：概述：1 1、日本青函隧道、日本青函隧道 2 2、英吉利海底隧道、英吉利海底隧道3 3、日本關門隧道、日本關門隧道 4 4、廈門東翔安海底隧道、廈門東翔安海底隧道5 5、隧道工程的優(yōu)勢特點、隧道工程的優(yōu)勢特點二、地下工程相關的若干基本概念：二、地下工程相關的若干基本概念：1 1、巖體的含義及其構成、巖體

2、的含義及其構成 2 2、巖體結構類型含義和、巖體結構類型含義和 類型特征類型特征3 3、地應力問題概述、地應力問題概述 4 4、圍巖、圍巖應力含義、圍巖、圍巖應力含義 及其特征及其特征三、地下工程的專門工程地質問題概論：三、地下工程的專門工程地質問題概論：1 1、地下水作用問題、地下水作用問題 2 2、地下有害氣體問題、地下有害氣體問題3 3、地下溫度場問題、地下溫度場問題 4 4、巖爆問題、巖爆問題5 5、圍巖工程地質特征分類（圍巖工程特性分類）、圍巖工程地質特征分類（圍巖工程特性分類）四、圍巖的工程分類及其應用（圍巖穩(wěn)定性的定性分析）四、圍巖的工程分類及其應用（圍巖穩(wěn)定性的定性分析）1 1

3、、圍巖工程分類的目的、圍巖工程分類的目的2 2、圍巖工程分類的主要依據(jù)（原則）和指標、圍巖工程分類的主要依據(jù)（原則）和指標3 3、圍巖工程分類方案概述、圍巖工程分類方案概述. .五、圍巖穩(wěn)定性的（定量）計算分析評價：五、圍巖穩(wěn)定性的（定量）計算分析評價：1 1、圍巖穩(wěn)定性定量計算分析評價的目的、圍巖穩(wěn)定性定量計算分析評價的目的2 2、圍巖壓力的含義和類型、圍巖壓力的含義和類型3 3、圍巖壓力的計算分析理論和方法簡述、圍巖壓力的計算分析理論和方法簡述六、地下六、地下工程工程Chapter 7 Chapter 7 地下工程地質問題地下工程地質問題 一、地下工程與地質環(huán)境條件關系一、地下工程與地質環(huán)

4、境條件關系( (動態(tài)動態(tài)) )概述：概述： 地下工程是土木、交通和水利水電工程的重要構成類型地下工程是土木、交通和水利水電工程的重要構成類型之一。而地質環(huán)境條件因素對各類地下工程的決策、立項、之一。而地質環(huán)境條件因素對各類地下工程的決策、立項、設計和施工，以及運營使用均有舉足輕重的影響作用。主要設計和施工，以及運營使用均有舉足輕重的影響作用。主要以海底隧道工程為例概括評述之；如：以海底隧道工程為例概括評述之；如：kmkm（為至今世界最長），海底長為至今世界最長），海底長2323kmkm；始建于始建于19651965年，竣工于年，竣工于19851985年，歷時年，歷時2020年；歷經(jīng)磨難主因之一

5、，便是海底年；歷經(jīng)磨難主因之一，便是海底2323kmkm長無長無鉆孔勘測，約鉆孔勘測，約80%80%的地質條件與設計預測不附或太粗糙，不的地質條件與設計預測不附或太粗糙，不得不主要靠超前導洞及服務隧道掌子面的超前鉆探孔來修改得不主要靠超前導洞及服務隧道掌子面的超前鉆探孔來修改完善設計和指導施工，引發(fā)很多事故，故工期長，造價很大。完善設計和指導施工，引發(fā)很多事故，故工期長，造價很大。kmkm，海底長海底長3737kmkm（比日本青函長比日本青函長55%55%）；始建于）；始建于19881988年，完年，完工于工于19941994，歷時，歷時8 8年。施工順利，造價僅為日本青函隧道年。施工順利，造

6、價僅為日本青函隧道的一半，主要原因之一是，地質勘查詳細，海底段實施深的一半，主要原因之一是，地質勘查詳細，海底段實施深海鉆探孔海鉆探孔120120個，海底地質環(huán)境條件掌握的較詳細，較準個，海底地質環(huán)境條件掌握的較詳細，較準確，選在巖性較單一的確，選在巖性較單一的K K紀泥灰?guī)r之中。紀泥灰?guī)r之中。kmkm，kmkm；始建于始建于1936.91936.9，完工于，完工于19441944年，歷時年，歷時8 8年，工期長，年，工期長，造價高，重要原因之一是采用造價高，重要原因之一是采用“三邊三邊”政策。政策。kmkm，kmkm；隧道截面積為隧道截面積為100100m2m2，三車道，隧道圍巖基本全為三車

7、道，隧道圍巖基本全為巖漿巖，地質環(huán)境條件巖漿巖，地質環(huán)境條件( (簡單簡單) )較好，總投資較好，總投資3232億。億。20062006年年動工，動工，20102010年建成，即工期僅為年建成，即工期僅為4 4年。年。 5 5、隧道工程的優(yōu)勢；它兼具有不受臺風、濃霧條件、海嘯惡、隧道工程的優(yōu)勢；它兼具有不受臺風、濃霧條件、海嘯惡劣環(huán)境的影響的優(yōu)點，還具有不象橋梁那樣易阻塞海上航運劣環(huán)境的影響的優(yōu)點，還具有不象橋梁那樣易阻塞海上航運或易受航船撞擊危害等優(yōu)勢；還具有備戰(zhàn)防災安全等優(yōu)點。或易受航船撞擊危害等優(yōu)勢；還具有備戰(zhàn)防災安全等優(yōu)點。因此，海底隧道應是跨海峽（灣）交通的較佳方案。我國擁因此，海底

8、隧道應是跨海峽（灣）交通的較佳方案。我國擁有有2 2萬多萬多kmkm長的海岸線，海峽（灣），島嶼眾多。隨著國力長的海岸線，海峽（灣），島嶼眾多。隨著國力的增強，我國人民生活水平和質量的提高，對海灣（峽）交的增強，我國人民生活水平和質量的提高，對海灣（峽）交通高水平高質量的要求與日俱增，海底隧道工程遠景廣闊誘通高水平高質量的要求與日俱增，海底隧道工程遠景廣闊誘人。目前，我國的海底隧道工程水平離世界先進水平有較大人。目前，我國的海底隧道工程水平離世界先進水平有較大的距離。但是，我國陸上地下工程在國際上具有很高水平，的距離。但是，我國陸上地下工程在國際上具有很高水平，尤其是交通（公路、鐵路）隧道工程

9、水平屬世界先進水平，尤其是交通（公路、鐵路）隧道工程水平屬世界先進水平，已修建總長近已修建總長近30003000多多KmKm，KmKm），），KmKm）都屬成功的范例工程。都屬成功的范例工程。因此，我國已具備修建包括海底隧道在內各類地下工程的能因此，我國已具備修建包括海底隧道在內各類地下工程的能力和較好水平。力和較好水平。 廈門東隧道地質圖廈門東隧道地質圖廈門東隧道線路圖廈門東隧道線路圖廈門東隧道施工圖廈門東隧道施工圖廈門東隧道內部裝飾和通風設計廈門東隧道內部裝飾和通風設計二、若干基本概念問題：二、若干基本概念問題：1 1、巖體的含義及其構成：、巖體的含義及其構成：巖體含義：是由一種或多種巖石

10、組成，可以是不同巖體含義：是由一種或多種巖石組成，可以是不同 成因與類型巖石的組合體，是由結構面成因與類型巖石的組合體，是由結構面 和結構體兩部份構成的，是自然形成的和結構體兩部份構成的，是自然形成的 非場質各向異性不連續(xù)地質體。非場質各向異性不連續(xù)地質體。結構面：是指巖層（體）中的層理面，軟弱夾層，結構面：是指巖層（體）中的層理面，軟弱夾層， 片理面、節(jié)理（面）、斷裂或斷層面、裂隙面等片理面、節(jié)理（面）、斷裂或斷層面、裂隙面等 各種不連續(xù)面或軟弱面的統(tǒng)稱。各種不連續(xù)面或軟弱面的統(tǒng)稱。結構體：指被結構面包裹的巖塊（巖石），常俗稱巖塊。結構體：指被結構面包裹的巖塊（巖石），常俗稱巖塊。 2 2、

11、巖體結構類型含義和類型特征、巖體結構類型含義和類型特征 巖體結構含義：巖體結構含義： 指不同類型或成因、級別、特征的結構面與不同大小和指不同類型或成因、級別、特征的結構面與不同大小和形態(tài)的結構體（巖塊或巖石），以不同特性組合（聯(lián)結）形形態(tài)的結構體（巖塊或巖石），以不同特性組合（聯(lián)結）形成的巖體所具有的結構。成的巖體所具有的結構。巖體結構類型及其特征：請見巖體結構類型及其特征：請見P142P142表表6-16-1a. a. 整體塊狀結構巖體整體塊狀結構巖體 c. c. 碎裂狀結構巖體碎裂狀結構巖體b. b. 層狀結構巖體層狀結構巖體 d. d. 散體狀結構巖體散體狀結構巖體巖體結構類型確定劃分的

12、重要意義巖體結構類型確定劃分的重要意義a. a. 是巖體具有的工程特性的基本反映，是巖體工程分類的基是巖體具有的工程特性的基本反映，是巖體工程分類的基礎（依據(jù)）礎（依據(jù)）b. b. 是巖體的工程地質與水文地質條件特征的綜合反映是巖體的工程地質與水文地質條件特征的綜合反映c. c. 是巖體強度和變形特征的基本反映是巖體強度和變形特征的基本反映d. d. 是巖體應力狀態(tài)、性質和分布特征或規(guī)律的基本反映。是巖體應力狀態(tài)、性質和分布特征或規(guī)律的基本反映。 3 3、地應力問題概述、地應力問題概述 地應力的含義：地應力的含義： 指工程施工前或指未經(jīng)人為擾動損傷破壞前存在于巖體中指工程施工前或指未經(jīng)人為擾動

13、損傷破壞前存在于巖體中的應力，是巖體的內應力，亦稱初始應力或天然應力。的應力，是巖體的內應力，亦稱初始應力或天然應力。地應力類型與構成：地應力類型與構成： a. a. 構造應力：地殼（地質構造）運動所產(chǎn)生的應力；構造應力：地殼（地質構造）運動所產(chǎn)生的應力； 常分為常分為活動構造應力和殘余構造應力?；顒訕嬙鞈蜌堄鄻嬙鞈Α?b. b. 自重應力：巖體自重作用產(chǎn)生的應力自重應力：巖體自重作用產(chǎn)生的應力 。 4 4、圍巖、圍巖應力含義及其特征、圍巖、圍巖應力含義及其特征 圍巖的含義：指洞（室）壁周圍受應力（二次應力或重圍巖的含義：指洞（室）壁周圍受應力（二次應力或重分布應力，亦即圍巖應力）有效影

14、響范圍內的巖（土）體。分布應力，亦即圍巖應力）有效影響范圍內的巖（土）體。 含義及其分布特征含義及其分布特征： a. a. 圍巖應力含義：指由于開挖使洞室周圍巖體失去平衡圍巖應力含義：指由于開挖使洞室周圍巖體失去平衡 （支撐）、破壞了受力平衡狀態(tài)，圍（支撐）、破壞了受力平衡狀態(tài)，圍 巖將出現(xiàn)向洞內收斂位移變形，致巖將出現(xiàn)向洞內收斂位移變形，致 使洞室周圍一定范圍巖體內的應力使洞室周圍一定范圍巖體內的應力 重新調整分布，形成新分布的應力。重新調整分布，形成新分布的應力。 故亦稱二次應力或重分布應力。故亦稱二次應力或重分布應力。 b. b. 圍巖應力分布特征：請看圍巖應力分布特征：請看; ;p17

15、4.p174.圖圖6-4.6-4. i i）徑向應力徑向應力r r向自由面方向漸減向自由面方向漸減, ,至洞壁處徑向至洞壁處徑向應力為零應力為零( (即即r r=0)=0) ii) ii)切向應力切向應力向自由面方向漸增，至洞壁處向自由面方向漸增，至洞壁處增至最大增至最大( (即即=2=2o o) ) 即應力集中。即應力集中。 ( (圍巖應力即徑向應力圍巖應力即徑向應力r r和切向應力和切向應力影響的影響的有效厚度為有效厚度為2-32-3倍洞徑倍洞徑) ) iii) iii)洞壁處及附近為圍巖內應力差（洞壁處及附近為圍巖內應力差（=r r）最大處，故洞壁及附近具有不利的應力條件，而最大處，故洞

16、壁及附近具有不利的應力條件，而產(chǎn)生較大變形或破裂。產(chǎn)生較大變形或破裂。三、地下工程的專門工程地質問題概論：三、地下工程的專門工程地質問題概論：1 1、地下水作用問題、地下水作用問題 地下水常是造成地下工程圍巖喪失穩(wěn)定和塌方破壞的地下水常是造成地下工程圍巖喪失穩(wěn)定和塌方破壞的重要原因之一，是對地下工程施工和運營使用造成重大危重要原因之一，是對地下工程施工和運營使用造成重大危害的重大因素。害的重大因素。圍巖圍巖( (巖體巖體) )的軟化、水化，膨脹致使降低圍巖的強度的軟化、水化，膨脹致使降低圍巖的強度; ;增大增大圍巖的變形；易產(chǎn)生大量突泥圍巖的變形；易產(chǎn)生大量突泥( (危危) )災害災害. .形

17、成靜水壓力，增大地下工程支護襯砌結構上的載荷作用；形成靜水壓力，增大地下工程支護襯砌結構上的載荷作用；可能產(chǎn)生動水壓力（滲流力）破壞，如流砂、流土、砂沸可能產(chǎn)生動水壓力（滲流力）破壞，如流砂、流土、砂沸等滲流變形破壞的問題；等滲流變形破壞的問題；地下水化學成份特殊時，對砼和鋼筋的腐蝕作用很強；地下水化學成份特殊時，對砼和鋼筋的腐蝕作用很強；地下水的突然大量涌出和大量突泥產(chǎn)生危害很大；地下水的突然大量涌出和大量突泥產(chǎn)生危害很大；地下工程對水文地質環(huán)境、水文地質條件的擾動損傷破壞地下工程對水文地質環(huán)境、水文地質條件的擾動損傷破壞問題不容忽視。問題不容忽視。2 2、地下有害氣體問題、地下有害氣體問題

18、; ;如如CHCH4 4（甲烷、沼氣）、甲烷、沼氣）、COCO及及COCO2 2、H H2 2S S、SOSO2 2等等; ;地下工程不宜修建在富含有害氣體地下工程不宜修建在富含有害氣體的地層中的地層中. .3 3、地下溫度場的梯度狀態(tài)及其影響作用。、地下溫度場的梯度狀態(tài)及其影響作用。4 4、巖爆問題、巖爆問題 (1) (1)巖爆含義：巖爆含義：在較堅硬巖體深部開挖時，由于圍巖應力的劇在較堅硬巖體深部開挖時，由于圍巖應力的劇 增，導致洞壁巖石突然破裂或剝落，甚至突然射飛出來的現(xiàn)象。增，導致洞壁巖石突然破裂或剝落，甚至突然射飛出來的現(xiàn)象。 ( (釋放出的能量可能象地震釋放出的能量可能象地震, ,

19、危害較大危害較大; ;是地下是地下工程中常見的地質災害之一工程中常見的地質災害之一.).) (2) (2)巖爆的形成條件：巖爆的形成條件： a. a. 高地應力地帶的硬質巖體內；高地應力地帶的硬質巖體內； b. b. 堅硬完整高強度的巖體環(huán)境條件，且一般巖質屬于脆堅硬完整高強度的巖體環(huán)境條件，且一般巖質屬于脆 性巖石；性巖石； c. c. 深埋且圍限較好的封閉環(huán)境深埋且圍限較好的封閉環(huán)境( (自重引起的地應力與埋深自重引起的地應力與埋深 成線性關系成線性關系; ;埋深埋深200200米常作為巖爆發(fā)生的臨界深度米常作為巖爆發(fā)生的臨界深度) )。 (3) (3)巖爆的特征巖爆的特征: :a.a.釋

20、放的能量大小懸殊釋放的能量大小懸殊, ,大者象地震大者象地震, ,最大最大震級為震級為4.64.6級級. .b.b.持續(xù)時間長短懸殊不一持續(xù)時間長短懸殊不一, ,數(shù)十小時至數(shù)年數(shù)十小時至數(shù)年. .5 5、圍巖工程地質特征分類即圍巖穩(wěn)定性的分析評、圍巖工程地質特征分類即圍巖穩(wěn)定性的分析評價問題：價問題：分析評價圍巖巖體結構類型和特征；也即圍巖地質結構的分析評價圍巖巖體結構類型和特征；也即圍巖地質結構的分析研究；分析研究；圍巖應力的分布狀況的分析評價，含地應力的判識分析；圍巖應力的分布狀況的分析評價，含地應力的判識分析；圍巖的變形及破壞類型和特征的分析評價；圍巖的變形及破壞類型和特征的分析評價；圍

21、巖壓力類型及其特征的計算分析評價；圍巖壓力類型及其特征的計算分析評價；圍巖工程分類及其應用，圍巖穩(wěn)定性評價分析方法類型及圍巖工程分類及其應用，圍巖穩(wěn)定性評價分析方法類型及其應用特征。其應用特征。四、圍巖的工程分類及其應用（圍巖穩(wěn)定四、圍巖的工程分類及其應用（圍巖穩(wěn)定性的定性分析）：性的定性分析）：1 1、圍巖工程分類的目的：、圍巖工程分類的目的：系統(tǒng)綜合認識巖體的工程特征，確定影響巖體特征的重要參系統(tǒng)綜合認識巖體的工程特征，確定影響巖體特征的重要參數(shù)；數(shù)；綜合系統(tǒng)認識圍巖巖體可能產(chǎn)生的變形和破壞的特征與規(guī)律；綜合系統(tǒng)認識圍巖巖體可能產(chǎn)生的變形和破壞的特征與規(guī)律；為有效利用和改造巖體服務；為有效

22、利用和改造巖體服務；為地下洞室工程的設計和施工提供依據(jù)。為地下洞室工程的設計和施工提供依據(jù)。 2 2、圍巖工程分類的主要依據(jù)（原則）：、圍巖工程分類的主要依據(jù)（原則）： 依據(jù)巖石的強度或巖體的主要力學特性參數(shù)，如抗壓強度依據(jù)巖石的強度或巖體的主要力學特性參數(shù)，如抗壓強度R Rc c、巖石堅固系數(shù)巖石堅固系數(shù)f fk k；依據(jù)巖體結構類型和巖體力學屬性特征的綜合分類；依據(jù)巖體結構類型和巖體力學屬性特征的綜合分類；依據(jù)巖體質量等級差異劃分的各類主要特征參數(shù)，如依據(jù)巖體質量等級差異劃分的各類主要特征參數(shù)，如RQDRQD、KVKV、RMRRMR、RSRRSR值以及值以及Q Q值等參數(shù)。值等參數(shù)。 a.

23、 RQD a. RQD（巖體質量指標）：巖體質量指標）：RQD=RQD=大等于大等于1010cmcm柱狀巖芯總長柱狀巖芯總長/ / 鉆孔總進尺鉆孔總進尺100%100%，反映鉆探，反映鉆探 （孔）巖芯的采取率，反映巖體（孔）巖芯的采取率，反映巖體 的完整性和堅固性。的完整性和堅固性。 b. KVb. KV（巖體完整因數(shù)）：巖體完整因數(shù)）：KV=(VKV=(Vmpmp/V/Vrprp) )2 2 =( =(巖體縱波速巖體縱波速/ / 巖塊縱波速巖塊縱波速) )2 2；請見；請見P161P161表表6-116-11。c. RMRc. RMR（巖體質量評分值）：由抗壓強度、巖體質量評分值）：由抗壓強

24、度、RQDRQD、地下水狀況、地下水狀況、 結構面狀況（間距延伸方向條件，結構面狀況（間距延伸方向條件， 面特征）等六項指標綜合確定分值。面特征）等六項指標綜合確定分值。 請見書請見書P154-155P154-155表表6-56-5。d. RSRd. RSR（巖體結構巖體結構特征評價）：特征評價）： 由巖石類型、地由巖石類型、地質構造特征、節(jié)質構造特征、節(jié)理特征及地下水理特征及地下水狀況（分屬狀況（分屬A A、B B、C C）三大因素綜合三大因素綜合評分定值。請見評分定值。請見P156P156表表6-76-7。e. Qe. Q值（巖體質量指標）：（挪威、巴頓、特征指標）：由值（巖體質量指標）：

25、（挪威、巴頓、特征指標）：由 RQD RQD，結構面、地下水狀況、地應結構面、地下水狀況、地應 力狀況等六項指標綜合評分定值；力狀況等六項指標綜合評分定值； 即即Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)Q=(RQD/Jn)(Jr/Ja)(Jw/SRF)。 請見請見P158P158圖圖6-26-2及公式（及公式（6-76-7）。）。f. f. 圍巖的工程地質總評分指標值：由抗壓強度（圍巖的工程地質總評分指標值：由抗壓強度（RcRc）、）、巖體巖體 完整度、結構面狀態(tài)、地下完整度、結構面狀態(tài)、地下 水狀態(tài)、主要結構面產(chǎn)狀特水狀態(tài)、主要結構面產(chǎn)狀特 點等五項指標綜合評價；請點等五項指標綜合

26、評價；請 見見P160P160表表6-106-10，P161P161表表6-116-11， 6-12 6-12，6-136-13及及P162P162表表6-146-14。 f. f. 圍巖的工程地質總評分指標值圍巖的工程地質總評分指標值(2)(2)f. f. 圍巖的工程地質總評分指標值圍巖的工程地質總評分指標值(3)(3) 3 3、圍巖工程、圍巖工程( (特性特性) )分類方案分類方案： (1)(1)(50021-2001)(50021-2001)分類分類;(;(請見請見P184;P184; 表表6-4,6-5,6-6.). 6-4,6-5,6-6.). 分為分為: :五級五級(2)(2)巴頓

27、巴頓Q Q值分類（挪威、巴頓值分類（挪威、巴頓) :) :（巖體質量指標即特征指標（巖體質量指標即特征指標) )： 依據(jù)依據(jù) RQD RQD 、結構面、地下水狀況、地應力狀況等六項指標、結構面、地下水狀況、地應力狀況等六項指標綜合評分定出綜合評分定出Q Q值后進行圍巖工程分類值后進行圍巖工程分類. . 巴頓依據(jù)巴頓依據(jù)Q Q值將圍巖工程特性分為值將圍巖工程特性分為: :九級九級. .(3)(3)鐵道部圍巖工程分類鐵道部圍巖工程分類;(;(請見請見P189;P189;表表6-14.) 6-14.) 分為分為: :六級六級. . 按按RMRRMR值劃分：值劃分：、 、 、 、 很好很好 好好 中等中等 差差 很差很差 按工程地質：按工程地質： 穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差、穩(wěn)定、基本穩(wěn)定、局部穩(wěn)定性差、 不穩(wěn)定、極不穩(wěn)定。總評分劃分不穩(wěn)定、極