第五章岩石地下工程.doc

第5章 岩石地下工程 §5.1 概 述 为各种目的修建在地层之内的中空巷道或中空洞室统称为地下工程，包括矿山坑道、铁路及公路隧道、水工隧洞、地下发电站厂房、地下铁道及地下停车场、地下储油库及储气库、地下弹道导弹发射井、地下飞机库以及地下核废料密闭储藏库等。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，并有较大延伸长度的洞室，所以周围岩体的稳定性就决定着地下工程的安全和正常使用条件。 地下工程所处的环境条件与地面工程是截然不同的，地下工程的设计与实施具有更多的复杂性（表5-1）。但长期以来都是沿用适用于地面工程的理论和方法来解决在地下工程中所遇到的各类问题，因而常常不能正确地阐明地下工程中出现的各种力学现象和过程，使地下工程长期处于“经验设计”和“经验施工”的局面。因此，人们都在努力寻求用于解决地下工程问题的新理论和新方法。 地下工程学科具有很强的实践性，它的发展与岩土力学的发展有着密切的关系。土力学的发展促使松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的发展促使围岩压力和地下工程理论的进一步飞跃。20世纪50年代以来，围岩弹性、弹塑性和粘弹性解答逐渐出现，锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的新奥法（NATM）的兴起，终于形成了以岩石力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代理论。 地下工程与地面建筑工程的对比 表5-1 工程类别 项目 地 下 工 程 地 面 建 筑 工 程 地 质 条 件 特 点 复杂多变，意外情况较多 简单明确 对工程的影响 较地面建筑影响更大 决定基础的设计与施工 力 学 分 析 与 设 计 方 法 受力结构 （1）在岩体中开挖，围岩与支护共同组成承载体，受力结构不明确 （2）工程结构在超负荷时具有可缩性 （3）几何不稳定的结构在地下工程中可能稳定 在地表筑基础，其上建结构，受力结构明确 材料特性 （1）岩体亦可视为地下结构的建材 （2）岩体一般是非均质、非连续、非线性、有流变性的 （1）主要结构材料一般是人造的 （2）材料均质、连续，正常荷载下表现为线弹性，流变性可忽略 外载条件 （1）初始地应力场为主要荷载来源 （2）先受力后开挖 （3）原岩应力及边界条件不明确 （4）支护压力不是定值，而是变值；不仅与围岩性质有关，还与支护结构的性质有关 （1）结构承载包括恒载（如结构自重、永久承重等）、活载（如风载、楼面活荷载、移动承载物重量）等 （2）结构承载是确知的 计算参数 往往要进行原位试验与测试 一般在室内试验 计算误差 计算误差常达百分之几十至几倍，甚至一个数量级以上 上部结构的计算误差可小于5％，下部结构也不超过百分之几十 设计方法 设计还是以经验准测和模拟法为主 已形成统一的标准和设计规范 实 施 施工 作业面狭窄，工期长 场地开阔，便于组织，工期短 造价 高 低 §5.2 地下工程围岩分类及地下工程类型 5.2.1 地下工程围岩分类 地下工程围岩是指地壳中受地下工程开挖影响的那一部分岩体，其范围通常等于地下工程横剖面中最大尺寸的3～5倍。岩体是一种经历地质构造运动而发生变形与破坏的十分复杂的地球介质。在地下工程建设中，无论怎样仔细地研究都不可能把工程区域内岩体的力学性质的细节完全搞清楚。因此，根据地下工程的性质与要求，将围岩体的某种或某些属性加以概略的划分，称为围岩分类或围岩分级。围岩分类的目的在于整理和传授复杂的岩石环境中开挖地下工程的经验，是将以地质条件为主的分散的实践经验加以概略量化的一种骨架，是应用前人经验进行支护设计、选择施工方法的桥梁，是计算工程造价和投资的依据。 目前国内外提出了许多地下工程围岩分类方法，有的已在实践中得到广泛应用。纵观国内外地下工程围岩分类，20世纪70年代以前的围岩分类多数为单一因素（或少数因素）的定性分类或半定量分类，其局限性比较明显。70年代后，逐渐过渡到能考虑各种重要因素、定性描述与定量评价相结合的分类阶段。在多因素综合分类中，最为成熟、简便且应用最广的是确定性模型。在70年代后期至90年代，我国在地下建筑物围岩稳定性分类研究上有了很大进展，提出了多种分类方案，为地下工程的建设和发展做出了重大贡献。 目前，虽然不同部门有自己不同的围岩分类标准，但考虑的因素、指标相差不大（表5-2），且不同分类系统之间有一定的联系。如Rufledge T.C.(1978)等根据新西兰多个工程的经验，对RMR、RSR和Q系统三者得出如下关系式： (5-1) 国内外围岩分类（级）及分类因素 （李世辉，1999） 表5-2 序号 国别 围