13地下洞室的工程地质研究

Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,Click to edit Master title style,第十三章 地下洞室的工程地质研究,地下洞室概念及研究意义,根本概念,地下洞室(underground cavity)是指人工开挖或天然存在于岩土体中作为各种用途的构筑物。,为各种目的修建在地层之内的中空通道或中空洞室统称为地下洞室，包括矿山坑道、铁路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库、地下弹道导弹发射井、以及地下飞机库等。,虽然它们规模不等，但都有一个共同的特点，就是都要在岩体内开挖出具有一定横断面积和尺寸、并有较大廷伸长度的洞。,二滩电站地下厂房,地下洞室概念及研究意义,地下洞室的分类,按用途：矿山巷道井、交通隧道、水工隧道、地下厂房仓库、地下军事工程,按洞壁受压情况：有压洞室、无压洞室,按断面形状：圆形、矩形、城门洞形、椭圆形,按与水平面关系：水平洞室、斜洞、垂直洞室井,按介质类型：岩石洞室、土洞,按应力情况：单式洞室、群洞,地下洞室概念及研究意义,研究意义,地下洞室开挖之前，岩体处于一定的应力平衡状态，开挖使洞室周围岩体发生卸荷回弹和应力重新分布。如果围岩足够强固，不会因卸荷回弹和应力状态的变化而发生显著的变形和破坏，那么，开挖出的地下洞室就不需要采取任何加固措施而能保持稳定。但是，有时或因洞室周围岩体应力状态的变化大，或因岩体强度低，以致围岩适应不了回弹应力和重分布应力的作用而丧失其稳定性。此时，如果不加固或加固而末保证质量，都会引起破坏事故，对地下建筑的施工和运营造成危害。,地下洞室概念及研究意义,1径向应力：,随着向自由外表的接近而逐渐减小，至洞壁处变为零。,2切向应力：,在一些部位愈接近自由外表切向应力愈大，并于洞壁达最高值，即产生所谓压应力集中；在另一些局部，愈接近自由外表切向应力愈低，有时甚至于洞壁附近出现够应力，即产生所谓拉应力集中。这样，地下洞宝的开挖就将于围岩内引起强烈的主应力分异现象，使围岩内的应力差愈接近自由外表愈增大，至洞室周边达最大值。,开挖围岩的应力重分布特征,地下洞室围岩的变形破坏,围岩变形破坏的一般过程和特点,地下洞室开挖常能使围岩的性状发生很大变化，促使围岩性状发生变化的因素，除上述的卸荷回弹和应力重分布之外，还有水分的重分布。,一般说来,洞室开挖后,如果围岩岩体承受不了回弹应力或重分布的应力的作用,围岩即将发生塑性变形成破坏.,这种变形或破坏通常是从洞室周边,特别是那些最大压或拉应力集中的部位开始,而后逐步向围岩,内部开展的.,地下洞室围岩的变形破坏,围岩变形破坏过程,:,围岩的变形破坏是渐进式逐次开展的:,开挖-应力调整-变形、局部破坏-再次调整 -再次变形-较大范围破坏,地下洞室围岩的变形破坏,围岩岩性,岩体结构,变形破坏形式,产生机制,脆性围岩,块体状结构及厚层状结构,张裂塌落,拉应力集中造成的张裂破坏,劈裂剥落,压应力集中造成的压致拉裂,剪切滑移及剪切碎裂,压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂,岩爆,压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏,中薄层状结构,弯折内鼓,卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂,碎裂结构,碎裂松动,压应力集中造成的剪切松动,塑性围岩,层状结构,塑性挤出,压应力集中作用下的塑性流动,膨胀内鼓,水分重分布造成的吸水膨胀,散体结构,塑性挤出,压应力作用下的塑流,塑流涌出,松散饱水岩体的悬浮塑流,重力坍塌,重力作用下的坍塌,围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系,地下洞室围岩的变形破坏,脆性围岩的变形破坏,脆性围岩包括各种块体状结构或层状结构的坚硬或半坚硬的脆性岩体。,这类围岩的变形和破坏，主要是在,回弹应力和重分布的应力作用下,发生的，水分的重分布对其变形和破坏的影响较为微弱。,脆性围岩变形破坏的形式和特点除与由岩体初始应力状态及洞形所决定的围岩的应力状态有关外，主要取决于,围岩结构,，一般有,弯折内鼓,、,张裂塌落,、,劈裂剥落,、,剪切滑移,以及,岩爆,等不同类型,.,地下洞室围岩的变形破坏,(1),弯折内鼓,层状、特别是薄层状围岩变形破坏的主要形式。,从力学机制来看，它的产生可能有两种情况：一是,卸荷回弹,的结果；二是应力集中使洞壁处的,切向压应力超过薄层状岩层的抗弯折强度,所造成的,.,卸荷回弹所造成的变形破坏主要发生,在初始应力较高的岩体内,(,或者洞室埋深较大,或者水平地应力较高,),而且总是在与岩体内初始最大主应力垂直相交的洞壁上表现得最强烈,.,故当薄层状岩层与此洞壁平行或近于平行时,洞室开挖后,.,薄层状围岩就会在回弹应力的作用下发生回弹应力的作用下发生弯曲、折裂和折断,最终挤入洞内而坍倒,.,地下洞室围岩的变形破坏,压应力集中所造成的变形破坏,主要发生在洞室周边上有较大的压应力集中的部位，通常是洞室的角点或与岩体内初始最大主应力平行或近于平行的洞壁，故当薄层状岩体的层面与这类应力高度集中部位平行或近于平行时，切向压应力往往超过薄层状围岩的抗弯折强度，从而使围岩发生弯折内鼓破坏。,地下洞室围岩的变形破坏,(2),张裂塌落,张裂塌落通常发生于厚层状或块体状岩体内的洞室顶拱。,当那里产生拉应力集中，且其值超过围岩的抗拉强度时，顶拱围岩就将发生张裂破坏，尤其是当那里发育有近垂直的构造裂隙时、即使产生的,拉应力很小也可使岩体拉开产生垂直的张性裂缝,。,被垂直裂缝切割的岩体在自重作用下变得很不稳定,，,特别是当有近水平方向的软弱结构面发育,，,岩体在垂直方向的抗拉强度较低时，往往造成顶供的塌落,。但是在,N,0,的情况下，顶拱坍塌引起的洞室宽高比的减小全使顶拱处的拉应力集中也随之而减小，甚至变为压应力。当项拱处的拉应力减小至小于岩体的抗拉强度时顶拱因岩韶趋于稳定。,地下洞室围岩的变形破坏,(3)劈裂剥落、剪切滑移及碎裂松动,这两种破坏形式都发生于压应力、特别是最大压应力集中的部位。,a劈裂剥落,过大的切向压应力使围岩表部发生平行于洞室周边的破裂。一些平行的破裂将图岩切割成厚度由儿厘米到几十厘米的薄板，它们往往沿壁面剥落。破裂的范围一般不超过洞室的半跨。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能按压弯、折断并造成塌方，转化为类似于弯折内鼓类型的破坏。劈裂剥落多发生于厚层状或块体状结构的岩体内，视围岩应力条件的不同，可发生于顶拱，也可发生于边墙之上，前者造成顶供的片状冒落，后者那么造成通常所谓的片帮。,地下洞室围岩的变形破坏,b 剪切滑移,这种形式的破坏多发生于厚层状或块体状结构的岩体内。随围岩应力条件的不同，可发生在边墙上，也可发生于顶拱。,在水平应力大于垂直应力的应力场中(N1)，这类破坏多发生在顶拱压应力集中程度较高，且有斜向断裂发育的部位。由于切向应力很大，而径向应力r很小，故沿断层面作用的剪应力，比较高，而正应力却比较小，所以，沿断层面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起沿断层的剪切滑移。,地下洞室围岩的变形破坏,地下洞室围岩的变形破坏,c碎裂松动,碎裂松动是碎裂结构岩体变形、破坏的主要形式，洞体开挖后，如果围岩应力超过了围岩的屈服强度，这类围岩就会因沿多组已有断裂结构面发生剪切错动而松驰，并围绕洞体形成一定的碎裂松动带或松动屈。这类松动带本身是不稳定的，特别是当有地下水的活动参与时，极易导致顶拱的坍塌和边墙的失稳。由于松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大，因此为了防止这类围岩变形、破坏的过度开展，必须及时采取加固措施。,地下洞室围岩的变形破坏,地下洞室围岩的变形破坏,(4)岩爆,a有关岩爆的根本概念,在地下开挖或开采过程中突然地以爆炸的形式表现出来，这就是所谓的岩爆。,岩爆发生时，岩石或煤等突然从围岩中被抛出或弹出，抛出的岩体大小不等，大者可达几十吨，小者长仅几厘米。大型岩爆通常伴有剧烈的气浪和巨响甚至还伴有周围岩体的振动。岩爆对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坏支护、堵塞坑道，造成重大的伤亡事故。小者也能威胁工人的平安。,地下洞室围岩的变形破坏,b岩爆的类型和特点,(a)围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆,在深埋隧道或其它类型地下洞室中所发生的中小型岩爆多属这种类型。发生时发出如机枪射击的劈劈拍拍响声，故被称为岩石射击。,一般发生在新开挖的工作面附近，爆破后2-3h，围岩表部岩石常发出如上所述的爆裂声，同时有中厚边薄的不规那么片状岩块自洞壁图岩中弹射出或剥落。弹出者一般块度较小，多呈几cm长、宽的薄片，个别达几十M长、宽，但爆裂声较大，且爆裂与弹射几乎同时发生；剥落者一般块度较大，可达几m长、宽，但爆声较小，且多在爆裂声的几分钟或更长些时间前方脱离母岩而自由坠下。这类岩爆多发生于友面平整、有硬质结核或软弱面的地方，且多平行于岩壁发生，事前无明显的预兆。,地下洞室围岩的变形破坏,(b)矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆,发生于一些探矿坑中的大型岩爆多届这种类型。这类岩爆发生时通常伴有剧烈的气浪和巨响，甚至还伴有周围岩体的强烈振动，破坏力很大，对地下采掘工作造成严重的危害，放常披称之为矿山打击或冲击地压。在煤矿中，这类岩爆多发生于距坑道壁有一定距离的区域内，在某些因素的作用下，那里的煤被突然粉碎，大块地被抛到巷道中，并伴随着巨大的响声、振动和气浪，破坏力极大。,这类冲击地压发生之前，常可觉察到支护上或煤柱中压力的增大，有时还会出现霹雳声或振动，但有时那么没有明显的预兆。,地下洞室围岩的变形破坏,(c)断层错动引起的岩爆,坑道以小角度逼近一个潜在的活动断层时，坑道的开挖使作用于断层面上的正应力减小，从而使沿断层面的摩阻力降低，引起断层突然再活动，形成岩爆，这类岩爆一般发生在构造活动区的探矿井中，破坏性很大，且影响范围较广。,c岩爆的产生条件与发生机制,本质上，岩爆乃是洞室围岩的一种伴有突然释放大量潜能的剧烈的脆性破坏。从产生条件方面来看，高储能体的存在及其应力接近于岩体强度是产生岩爆的内在条件，而某些因素的触发效应那么是岩爆产生的外因。,地下洞室围岩的变形破坏,(a),围岩应力条件,判断岩爆发生的应力条件有两种方法：,一是用洞壁的最大环向应力,与围岩单轴抗压强度,c,之比值作为岩爆产生的应力条件；,一是用天然应力中的最大主应力,1,与岩块单轴抗压强度,c,之比进行判断。,经验公式：,1,c,大于,0.165,0.35,的脆性岩体最易发生岩爆。,地下洞室围岩的变形破坏,b岩性条件,弹性变形能系数：加载到0.7c后再卸载至0.05c时，卸载释放的弹性变形能与加载吸收的变形能之比的百分数。,当70时，会产生岩爆，越大发生岩爆的可能性越大。,地下洞室围岩的变形破坏,塑性围岩的变形与破坏,塑性围岩包括各种软弱的层状结构岩体,(,如页岩、泥岩和粘土岩等,),和散体结构岩体。,这类围岩的变形与破坏，主要是在应力重分布和水分重分布的作用下发生的主要有,塑性挤出、膨胀内鼓、塑梳涌出和重力坍塌,等不同类型，现分述如下：,(1),塑性挤出,洞室开挖后，当围岩应力超过塑性围岩的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在一般情况下易于被挤出的岩体主要包括：,地下洞室围岩的变形破坏,(a)固结程度较差的泥岩、粘土岩；,(b)各种富含泥质的沉积或变质岩层(如泥岩、页岩、板岩和千枚岩等)中的挤压剪闭破碎带;,(c)火成岩中的官含泥质的风化破碎夹层等，特别是当这些岩体富含水分处于塑性状态时，就更易于被挤出。未经构造或风化扰动且固结程度较高的泥质沉积岩及变质岩层那么不易于被挤出。,地下洞室围岩的变形破坏,(2),膨胀内鼓,洞室开挖后围岩表部减压区的形成往往促使水分由内部高应力区向图岩表部转移,结果常使某些易于吸水膨胀的岩层发生强烈的膨胀内鼓变形,.,这类膨胀变形显然是由围岩内部的水分重分布引起的,除此之外,开挖后暴露于表部的这类岩体有时也会从空气中吸收水分而使自身膨胀,.,退水后易于膨胀的岩石主要有两类,:,一类是,富含粘土矿物,(,待别是