第十三章地下洞室的工程地质范例.pptx

第十三章 地下洞室的工程地质研究 第一节 概 述 第二节 洞室围岩应力的重分及布变形与破坏特征 第三节 洞室位置选择的工程地质评价 第四节 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析 第五节 隧道施工的工程地质问题及提高围岩稳定性的措施 第一节 地 下 工 程 概 述 定义：人工开挖或天然存在于岩土体内的构筑物，统称为地下建筑。 地下工程的特征：开挖前处于应力平衡状态，开挖后洞室周围的岩体发生卸荷回弹和应力重分布，可能因此发生变形和破坏。 研究意义：正确估计围岩应力和岩体强度，及时合理地对地下工程进行维护，是保证地下工程安全、经济地修建和运营的前提。 第二节 洞室围岩应力的重分布 一、地下洞室围岩重分布应力 （一）基本概念 （二）弹性围岩重分布应力 （三）塑性围岩重分布应力 1、围岩松动圈与承载圈 2、松动圈与承载圈的应用 二、洞室围岩变形破坏的类型和特点 （一）基本概念 洞室开挖之前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称为原岩应力场或初始应力场；硐室开挖后破坏了这种平衡。地下开挖以后，由于围岩质点应力、应变调整而引起的天然应力大小、方向和性质改变的作用称为应力重分布；经应力重分布作用后形成的新的应力状态，称为重分布应力状态。 通常将洞室周围发生应力重分布的这一部分岩体叫做地下洞室围岩（简称围岩），狭义上，围岩常指硐室周围受到开挖影响，大体相当于地下硐室宽度或平均直径的3~5倍范围内的岩土体。 (二）弹性围岩重分布应力 式中： r0---洞室半径 r---自洞中心算起的径向距离 θ---自水平轴算起的极坐标中的角度 Ph、Pv---分别表示垂直与水平正应力，如果岩体的初始应力反由重力形成，则Pv=γH Ph=λγH (H为洞室平均埋深) σr、σθ---分别为径向应力和切向应力；τrθ---剪应力 埋深大于20r0 1、围岩松动圈与承载圈 洞室开挖后由于应力的重分布，将使洞室周围产生应力集中现象。当周边应力小于岩体的强度极限(脆性岩石)或屈服极限(塑性岩石)时，洞室围岩稳定。否则，周边岩石首先破坏或出现大的变形，并向深部扩展到一定的范围形成松动圈。在松动圈形成的过程中、原来洞室周边集中的高应力逐渐向松动圈外转移，形成新的应力升高区。该区岩体被挤压紧密，宛如天然加固的岩体，故称承载区。 应当指出，如果岩体非常软弱或处于朔性状态地，则洞空开挖后，由于塑性松动圈的不断扩展，自然承载圈很难形成。在这种情况下，岩体始终处于不稳定状态，开挖洞室十分困难。如果岩体坚硬完整，则洞室围岩始终处于弹性状态，围岩稳定，不形成松动圈。 2、松动圈与承载圈的应用 1、松动圈，可以确定山岩的压力的大小，并借以确定隧洞支护或趁砌的设计要求。 2、承载圈，可以承受上覆岩体的自重以及侧向地应力的附加荷载，在设计支衬时，应当充分发挥围岩的自承能力，既尽量利用围岩支衬代替人工支衬，这样就可以节省设计费用和提高施工速度。 3、松动圈和承载圈不是固定不变的，而是随地质条件和时间而变化；同时与施工方法和速度密切相关，其中关键是确定松动圈。 在生产实践中。确定洞室围岩松动圈的范围是非得重要的。因为松动圈一旦形成，围岩就会坍塌或向洞内产生大量的塑性变形，要维持围岩稳定就要进行支撑或衬砌 二、洞室围岩变形破坏的类型和特点 洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间发生松胀变形。这种变形超过了围岩本身所能承受的能力、便发生破坏。脆性岩石的变形破坏的方式包括张裂坍落、劈裂、剪切滑动、岩爆弯折内鼓等；塑性岩石的变形破坏包括挤出、膨胀、涌流和坍塌等 围岩变形和破坏失稳的形式，除与岩体内的初始应力状态及洞形有关外，主要取决于围岩的岩性和结构特征。 1、完整结构岩体的变形破坏特征 2、层状结构岩体的变形破坏特征 3、块断结构岩体的变形破坏特征 4、碎裂结构岩体的变形破坏特征 5、散体结构岩体的变形破坏特征 1、完整结构岩体的变形破坏特征 坚硬完整岩体的强度高、稳定性好,其变形和破坏可根据弹性理论计算。该类岩体在高地应力区，洞室开挖后可能产生岩爆现象。 岩爆系指在地下开挖过程中，围岩突然以爆炸形式表现出来的破坏现象。 岩爆的产生需要具备两方面的条件：高储能体（高强度、结构完整的脆性岩体）的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因；某附加荷载的触发则是其产生的外因。附加荷载主要包括两个方面：一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所造成的弹性振荡；一是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。 2、 层状结构岩体的变形破坏特征 这类岩体破坏形式主要有：沿层面