地下洞室围岩稳定性课件.ppt

.,1,第8章 地下洞室围岩稳定性,地下洞室（工程）指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。以任何方式修建，最终使用于地表以下的条形建筑物，其内部空洞净空断面在2m2以上者均为隧道。地下工程指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支。,.,2,概述,.,3,概述,隧道及地下工程的类型,1.按用途分:,交通运输：铁路、道路、地下铁道、水底隧道矿山：煤炭、有色金属等采矿、储存和生产等用途的 地下矿井和巷道工程市政工程：地下人行道、地下商场、给排水设施、天然气管道、电缆管道水利发电工程：地下发电厂房以及其他各种水工隧道等军工与人防工程：各种国防坑道，地下厂房和仓库、地下核试验场、防空洞、核废料的储存等,.,4,山岭隧道 城市隧道 水底隧道,概述,2.按地层分(经过的地层)：,岩石(软、硬)隧道土质隧道,3.按所处位置分:,.,5,圆形隧道 矩形隧道 马蹄形隧道,概述,4.按施工方法分:,钻爆法隧道 明挖法隧道机械法隧道 沉埋法隧道,5.按断面形状分:,.,6,特大断面（100m2）大断面（50100m2）中等断面（1050m2）小断面（310m2）极小断面（3m2）这是按国际隧道协会(ITAInternational Tunnel Association)的定义数值划分的。,概述,6.按开挖断面大小分:,.,7,公路：特长隧道L3000m 长隧道3000L1000m 中长隧道1000L500m 短隧道L500m,概述,7.按隧道长度分(山岭隧道):,铁路：特长隧道L10000 m 长隧道10000L3000 m 中长隧道3000L500m 短隧道L 500m,.,8,.,9,.,10,.,11,.,12,.,13,概述,.,14,概述,.,15,概述,.,16,北京复兴门车站,.,17,二滩电站的大坝：高240米,.,18,二滩电站的引水隧道,.,19,二滩电站的尾水隧道,.,20,.,21,水工隧道,.,22,地下电缆隧洞,.,23,概述,.,24,隧洞开挖图,.,25,地下式水电站洞室布置剖面示意图,.,26,鲁布革水电站隧道施工,.,27,二滩地下厂房平面布置及典型剖面图,.,28,二滩地下厂房立体透视图,.,29,有压及无压隧洞,.,30,8.1 地下工程位置选择的工程地质评价,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。关于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；2)岩体坚硬完整，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山体稳定的断裂带；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。,.,31,水工隧洞选线的基本原则,根据隧洞的用途，结合枢纽总布置，综合考虑地形地质、水力学、沿线建筑物、洞线长度、施工条件、运行条件、环境影响等因素，从技术和经济两方面对可能方案进行比较选定。,.,32,选线应首先满足水工隧洞的应用要求和枢纽总布置要求，同时，尽可能避开对隧洞围岩稳定不利的复杂的工程地质、水文地质条件的区段(如沿线深大沟谷发育、地质构造破坏强烈、地下水汇集、喀斯特洞穴发育等)，避开将对环境带来严重恶化的区段，尽量选择较短的路线，对长隧洞应考虑施工支洞成洞及进口条件。在充分研究上述条件的基础上，洞线宜选在沿线地形较完整、上覆岩体厚度较大、地质构造简单、岩石坚硬、岩体完整、喀斯特不发育、水文地质条件简单、施工方便的区段。,.,33,8.1.1 地形条件,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陡上缓，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洞口坡的安全。在地形陡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，以保证边坡的稳定性。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。,.,34,8.1.2 岩性条件,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洞室。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。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。,.,35,8.1.3 地质构造条件,.,36,1岩层产状的影响,(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。,.,37,单斜岩层中的地下洞室,.,38,(2)洞室走向与岩层走向平行 在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。,.,39,水平及倾斜岩层中的地下洞室,.,40,陡立岩层中的地下洞室,.,41,2褶皱的影响,褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是褶皱核部岩层完整性最差。在背斜核部，岩层呈上拱形，虽岩层破碎，然犹如石砌的拱形结构，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。向斜核部岩层呈倒拱形，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。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。,.,42,地下洞室轴线与褶皱的关系,.,43,3断裂的影响,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)。一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方或大量地下水涌入。因此，在选址时应尽量避开大断层。,.,44,断层对地下洞室选线的影响,.,45,8.1.4 地下水,在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。,.,46,8.1.5 地应力,地下洞室开挖前，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。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。一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力,.,47,圆形洞室围岩重分布应力计算简图,.,48,洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式,.,49,用弹性理论计算圆形洞室周边应力重分布,.,50,地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布,.,51,各种断面形状的洞体应力状态比较,.,52,二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分 布应力,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。,.,53,洞室围岩应力重分布对比图,.,54,隧洞选线的实例,鲁布革水电站有压引水隧洞的选线。该电站位于我国珠江水系上游黄泥河，装机容量60万kW，已建成投产。引水隧洞长9387m，洞径8m，分布岩层为三叠系石灰岩、白云岩夹少量泥质岩。在规划阶段曾比选了左、右岸布置方案。鉴于右岸地形异常陡峻，沿线交通及施工布置难度很大，且隧洞末段将通过砂页岩软弱岩层；而左岸洞线地形较为开阔，便于施工布置，隧洞末端及地下厂房枢纽区白云岩、石灰岩山体雄厚，岩性坚硬完整，同时洞线比右岸短12km，因此选择了左岸引水方案。,.,55,隧洞区地质条件较为复杂，分布有与河流近平行的F201、F205、F113、F268等规模较大的断层；石灰岩、白云岩喀斯特发育，地表喀斯特洼地直径可达100m以上，在地下也发现了高达4050m的大溶洞；石灰岩、白云岩中夹有软弱的泥质岩层。,.,56,针对上述不利的地质条件，左岸隧洞选线考虑了以下四条原则：第一，尽量避开大断层或以较大的交角穿过断层破碎带较窄、胶结较好的地段；第二，避开喀斯特洞穴强烈发育地段，而从喀斯特发育相对微弱的地段通过；第三，隧洞尽量少穿软弱的泥质岩层；第四，隧洞线路较短。经过前期设计阶段的地质测绘，地质构造、喀斯特及水文地质专门调查，钻探以及施工初期利用施工支洞导洞延伸勘探平洞等手段，收集了大量实际资料，进行了深入研究分析，洞线在初设拟定的基础上遵照上述原则经过两次调整后才最终选定。,.,57,开挖后引水隧洞地质条件良好，I、类围岩占91.5，类围岩占5.5，、V类围岩仅占3；施工顺利，进展快，1984年11月开始掘进，经两年施工全线贯通，平均月进尺220m，最高月进尺达3735m；665洞段采用了薄型(厚40cm)素混凝土衬砌，335采用钢筋混凝土衬砌，投资比初设节省3250万元，比招标设计节省 600万元，表明引水隧洞的选线和定线是成功的。,.,58,8.2 围岩变形破坏的特点,由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室围岩变形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。1坚硬完整岩体的脆性破裂 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。岩爆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。,.,59,围岩失稳机制及破坏形式,.,60,围岩变形破坏的常见形式,.,61,2块体滑移,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。,.,62,坚硬岩体中的块体滑移,.,63,块状结构岩体的块体滑移,.,64,三类典型的分离体,.,65,3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。平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断。在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，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。在陡倾或直立岩层中，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。,.,66,层状结构围岩变形破坏特征,.,67,4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。5松软岩体 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。,.,68,碎裂岩体松动解脱,.,69,碎裂结构围岩塌方示意图,.,70,散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形,.,71,8.3 围岩分类,8.3.1 工程岩体分级标准(GB50218-94)之方案第6章 已经介绍了我国“工程岩体分级标准”中的岩体基本质量BQ的确定方法，地下工程岩体的分级还应考虑来自地下水、主要软弱结构面产状以及初始应力状态的影响，必须根据上述三个因素对基本岩体质量分级进行修正。其修正的BQ值按下式计算：BQ=BQ-100（K1+K2+K3）式中 BQ岩体基本质量指标修正值；BQ岩体基本质量指标；K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数；K3初始应力状态影响修正系数。,.,72,8.3.2 地下工程岩体自稳能力,.,73,8.4 山(围)岩压力,8.4.1 围岩压力的概念 围岩压力也称山岩压力，是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力。确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。,.,74,影响围岩压力的因素,地质因素 1.岩体初始应力状态 2.岩石力学性质 3.岩体结构面 4.地下水等 工程因素 1.施工方法 2.支护设置时间 3.支护本身刚度 4.隧道断面形状等,.,75,8.4.2 山岩压力的类型,根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松动山压和冲击山压几种类型。(1)变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。(2)松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。(3)冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时才能产生冲击山压。,.,76,1.围岩压力的确定方法,直接量测法 理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）,.,77,2松动山岩压力的确定方法,普氏压力拱理论。M.M.普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试验于1907年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断层、节理的切割，使洞室围岩成为类似松散介质的散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量。这个拱称为塌落拱、平衡拱或压力拱。,.,78,自然拱,.,79,用普氏平衡拱理论计算山岩压力,.,80,围岩应力的现场量测,直接量测 间接量测,.,81,.,82,.,83,.,84,.,85,8.5 洞室围岩失稳的防治措施,.,86,隧道支护技术,临时支护形式：1木支撑 2钢支撑 3钢筋混凝土支撑 4锚杆支撑及喷射混凝土支撑,.,87,初期支护,锚喷支护 锚杆支护 喷射混凝土支护 喷射混凝土锚杆联合支护 喷射混凝土钢筋网联合支护 喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护 喷钢纤维混凝土与锚杆及钢筋网联合支护以及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而成的联合支护等。,.,88,一、支护与衬砌,.,89,衬砌类型示意图,.,90,二、喷锚支护,当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土(一般厚度为520cm)，有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。1.喷射混凝土,.,91,喷射混凝土的作用,.,92,.,93,.,94,.,95,喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图,.,96,楔缝式及楔头式锚杆,.,97,胀壳式及砂浆粘结式预应力锚杆,.,98,2.锚杆的作用,锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为下述三个方面。(1)悬吊作用。(2)组合作用。对于层状岩层，锚杆可以将数层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能力。(3)加固作用。为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层和钢丝网来配合。,.,99,支护时间与支护压力关系图,.,100,喷射混凝土,喷射混凝土是用喷射机把渗有速凝剂的粗细骨料混凝土以适当的压力，高速喷射到隧道岩壁表面凝结而成的混凝土。(一)喷射混凝土的特点 1.充填裂隙加固围岩 2.封闭围岩壁面防止风化 3.喷射混凝土与围岩组成共同承载体系,.,101,(二)喷射混凝土的优缺点优点：1.柔性支护 2.支护及时 3.不用模板、拱架 4.施工工艺简单 缺点：回弹量大、止水性弱。,.,102,喷射混凝土的机械(具)设备,机械手,.,103,喷射混凝土的机械(具)设备,混凝土喷射三联机,.,104,4、锚喷支护的特点,.,105,(四)喷射凝土的材料及其组成1.喷射混凝土的材料(1)水泥。喷射混凝土对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。采用425号以上的普通硅酸盐水泥。(2)砂子(3)石子(4)速凝剂。一般为水泥质量的24（喷拱部时可用34，喷边墙时可用23）。水泥浆初凝应不大于5min，终凝应不大于10min。,.,106,2.喷射混凝土配合比和水灰比 质量比水泥：中砂或中粗砂：石子，对于隧道边墙采用1:(22.5):(22.5)；对于隧道拱部采用1:2:(1.52.0)较为合适。水灰比一般为0.40.5(五)喷射混凝土的机械(具)设备 混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。,.,107,工字型钢拱架,.,108,钢架,格栅网构钢架,特点：,质量轻，制作容易，架设方便，省工省料；与喷射混凝土结合良好，能形成整体钢筋混凝土结构；易与锚杆、超前小导管形成整体。,钢架的纵向间距应根据所支护的围岩而定，一般为0.751.2m，两榀钢架之间设置直径为2022mm的纵向钢拉杆。,.,109,格栅网构钢架,.,110,新奥法的基本概念,一、名称由来与产生的背景 1963年，由奥地利学者 L.V.Rabcewiez教授命名为“新奥地利隧道施工法（New Astrian Tunnelling Method）”，简称“新奥法（NATM）”正式出台。产生背景：1.锚杆支护在20世纪初出现。2.喷射混凝土机在1940年代末研制成功。3.岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据。,.,111,二、新奥法的基本概念,新奥法:用薄层支护手段来保持围岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力，并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工。新奥法的三大要素：控制爆破 喷锚支护 监控量测 三项作业：开挖 初次支护 二次支护,.,112,新奥法原理的要点,1.承载体系：支护结构+围岩 2.少扰动围岩 3.既允许又限制围岩的变形 4.复合式衬砌（初期支护和二次衬砌）5.初期支护应尽量做成柔性的 6.要尽可能使结构做得圆顺 7.进行有效的监控量测 8.通过“排堵措施”解决衬砌渗水,.,113,新奥法的施工技术,施工基本原则“少扰动，早支护，勤量测，紧封闭”,谢谢观看！,