第四章地下工程4.6圍巖穩定性評價第四章地下工程4.6圍巖穩定性評價1

第四章

地下工程第1節概述第2節圍巖應力分布第3節圍巖變形破壞第4節圍巖分類第5節圍巖壓力第6節圍巖穩定性評價第7節地下工程超前預報第四章地下工程2第6節圍巖穩定性評價圍巖穩定性是地下建筑工程研究的核心一般采用定性與定量結合的方法進行。問題：1、圍巖穩定性評價的思路、程序是什么？2、定性評價主要考慮哪些方面？3、定量評價有幾種方法？各自的適用條件是什么?第6節圍巖穩定性評價圍巖穩定性是地下建筑工程研究的核3第6節圍巖穩定性評價

一、定性評價1、圍巖穩定性巖體性質-巖體強度、完整性、天然應力狀態、水文地質條件建筑特性-規模、斷面形狀施工方法-開挖方式、速率、支護結構與形式取決于三方面第6節圍巖穩定性評價一、定性評價1、圍巖穩定性巖體4第6節圍巖穩定性評價

一、定性評價1、圍巖穩定性淺埋洞室（小規模）的穩定性取決于巖體強度→有無破碎帶等因素。深埋洞室（大規模）穩定性因素復雜，地應力條件很重要。第6節圍巖穩定性評價一、定性評價1、圍巖穩定性淺埋5第6節圍巖穩定性評價⑴破碎松散巖、軟弱巖-強風化巖、易軟化巖、膨脹巖體、構造破碎帶；⑵碎裂結構、半堅硬結構巖；⑶堅硬塊狀及厚層狀巖體-在多組軟弱結構面切割成不穩定分離體部位；⑷洞室中應力集中部位-洞中巖柱、洞形急劇變化部位。2、洞室易失穩部位--第6節圍巖穩定性評價⑴破碎松散巖、軟弱巖-強風化巖、6第6節圍巖穩定性評價破碎松散巖體、軟弱巖體堅硬塊狀巖不穩定分離體洞室中應力集中部位這些部位是洞室選擇時應首先避開的部位。對穩定有利的條件—2、洞室易失穩部位-新鮮完整巖體、裂隙不發育、少量地下水。完整堅硬巖體、裂隙較發育、但閉合且連續性差、未形成分離體。第6節圍巖穩定性評價破碎松散巖體、軟弱巖體堅硬塊狀巖7第6節圍巖穩定性評價1、整體穩定性計算--

其穩定性根據重分布應力計算或實測結果，與巖體的抗壓（拉）強度比較，評價穩定性。整體狀或塊狀巖體，可視為均質、連續介質由前述可知，洞壁處彈性應力為：應力集中系數--此時：Fs：安全系數，一般取Fs=2σθc,σθt--洞壁處環向壓、拉應力；σc,σt--巖體飽和抗壓、拉強度。二、定量評價第6節圍巖穩定性評價1、整體穩定性計算--其穩8第6節圍巖穩定性評價結構面切割形成不穩定分離體⑴洞頂分離體對三角形分離體ABC：2、圍巖局部穩定性計算第6節圍巖穩定性評價結構面切割形成不穩定分離體⑴洞頂9第6節圍巖穩定性評價側壁分離體在自重W2作用下沿結構面L4滑移，其后緣切割面L2的抗拉強度可忽略。式中：c,φ為結構面L4上的內聚力和內摩擦角。⑵側壁分離體此時，分離體的穩定性系數為：第6節圍巖穩定性評價側壁分離體在自重W2作用下沿結構10L3-分離體底寬；b-分離體高；α,β-結構面傾角；Tj1,Tj2-結構面抗拉強度。洞頂洞壁分離體穩定計算W2-側壁分離體自重；α-結構面L4的傾角；L3-分離體底寬；b-分離體高；α,β-結構面傾角；Tj111大秦鐵路軍都山隧道(1985年)：隧道進尺16km,塌方21次,累計影響工期685d。川藏公路二郎山隧道：全長4176m、最大埋深達760余m，該隧道穿越11條斷層，地質條件較為復雜。其中高地應力與巖爆問題是該隧道的主要工程技術難題之一。隧道施工過程中共發生了近百次巖爆活動,主洞和導洞中連續發生巖爆的累計總長度達1095m。第6節圍巖穩定性評價.經典案例.三、實例分析大秦鐵路軍都山隧道(1985年)：隧道進尺16km,塌方2112渝懷鐵路圓梁山隧道：線路重點控制工程，全長11.068公里，隧道地質條件異常復雜。隧道進口毛壩向斜和出口桐麻嶺背斜有多處大規模的深埋充填溶洞，出口段為巖堆體。這是國內隧道建設中首次在深埋、向斜部位、高壓富水、形態類型多變的充滿水、粉質泥砂的深部地區中穿過。隧道施工難度屬國內罕見。

.經典案例.第6節圍巖穩定性評價渝懷鐵路圓梁山隧道：線路重點控制工程，全長11.068公里，13相關數據巖溶突水（9.8×104～14.5×104m3／d）；巖溶突泥；高水壓（4.42～4.6Mpa）；高地應力（水平主應力Max16～21Mpa，Min8～11Mpa）；煤層瓦斯（涌出量0.124～0.137m3／d，壓力0.3～0.9Mpa）；高地溫（28℃）；斷層破碎帶（總計10余條）；.經典案例.第6節圍巖穩定性評價相關數據.經典案例.第6節圍巖穩定性評價14深埋長隧洞秦嶺鐵路隧道（長18.4km）已經貫通；南水北調西線一期工程93.8％的線路為隧洞；瓊州海峽隧道、臺灣海峽隧道、秦嶺終南山特長公路隧道；錦屏二級電站引水隧洞長17.5km，綜合技術難度復雜，預計一批重大的技術難題將攻克，屆時我國隧道及地下工程技術將會再上一個新臺階。.相關鏈接.第6節圍巖穩定性評價深埋長隧洞.相關鏈接.第6節圍巖穩定性評價15錦屏一級電站在2005年正式開工，至2012年下半年第一臺機組發電。錦屏二級電站在2007年上半年正式開工，至2012年年底第一臺機組發電。.相關鏈接.錦屏一級電站在2005年正式開工，至2012年下半年第一臺機16雅礱江錦屏河段開發方案選定為一級高壩壩后發電和二級低閘引水發電兩級開發，制約工程開發的最大技術瓶頸就是一級高壩和二級深埋長隧洞的勘測設計和施工。錦屏二級引水隧洞長約17.4km，單頭掘進近10km，最大埋深約2500m，開挖洞徑在12m以上，各項技術指標都稱得上居世界地下工程前列，綜合技術難度巨大。.相關鏈接.雅礱江錦屏河段開發方案選定為一級高壩壩后發電和二級低閘引水發17錦屏二級水電站引水隧洞長約17.4Km，超過國內已建和在建各種類型隧洞長度，和秦嶺隧道、福堂電站隧洞長度相近；其埋深最大達2525m，超過世界著名的辛普倫公路隧洞（最大埋深為2135m），與目前世界上埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞（最大埋深2619m）相近；錦屏隧洞的最大洞徑超過12m，遠大于秦嶺隧道（D=8.8m）和謝拉隧洞（D=5.8m）的洞徑；錦屏隧道軸線和錦屏山脊線近乎正交，沿線山體陡峭雄厚，受地形限制無法布置施工平硐、斜井和豎井。所有以上問題將給地質勘測、設計、和施工帶來一系列復雜的技術難度。.相關鏈接.錦屏二級水電站引水隧洞長約17.4Km，超過國內已建和在建各18鑒于錦屏地區特殊的自然地理條件，常規勘探難以解決，因此實施了5km長探洞的施工和科學試驗工作。探洞掘進至4168m終止處，埋深已達2200m左右，超過了錦屏二級水電站引水隧洞的一般埋深，距最大埋深僅差約300m。由超深埋引起的一系列工程地質問題已得到了基本的探查，用長探洞已取得的勘測、試驗成果來評價錦屏二級水電站引水隧洞的工程及水文地質條件，具有較高的參考價值和可信度。.相關鏈接.鑒于錦屏地區特殊的自然地理條件，常規勘探難以解決，因此實施了19錦屏二級水電站地下廠房開挖最大跨度26.8m，邊墻最大高度75.1m，長度超過335m，埋深在400m以上，這幾項指標是地下廠房中罕見的，大埋深將給廠房洞群的設計和施工帶來一系列特殊的問題。錦屏長隧洞和大型地下洞室主要技術難點為：（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究（3）長隧洞信息化設計方法的研究（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研究（5）長引水隧洞的水力學問題研究.相關鏈接.錦屏二級水電站地下廠房開挖最大跨度26.8m，邊墻最大高度720（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究

在已進行的綜合勘探和長探洞的勘探基礎上，綜合分析深埋長隧洞的地質勘探技術和方法；深層巖溶的探測及評估方法；以及隧洞施工中的巖爆、涌（突）水、涌泥等地質災害的測試和預報方法。我國深埋長隧洞施工技術已達到國際先進水平，秦嶺鐵路隧道18.45km平導洞僅用三年零52天即貫通，創國內最高單工作面開挖紀錄456m/月，取得了深埋長隧道快速施工豐富經驗。.相關鏈接.（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究.相關鏈接.21（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究研究錦屏電站引水隧洞合理的修建程序和施工方法；隧洞施工的通風技術措施；研究施工綜合機械化措施或其他掘進方式開挖長隧洞的關鍵技術；研究隧洞施工中的巖爆、涌（突）水、涌泥等地質災害防范措施和對策；從通風、排水、降溫以及巖爆處理等方面研究長隧洞施工環境的措施；研究通過復雜地質條件下的施工技術；（3）長隧洞信息化設計方法的研究收集國內外已建和在建隧洞設計和施工資料，整理分析，建立隧洞資料數據庫；………；.相關鏈接.（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究.相關鏈接.22（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研究研究高地應力和高外水壓力作用下巖體變形和強度特征；研究“雙高”作用下圍巖穩定性；圍巖的流變特性及其對襯砌后期的影響；巖體滲流參數反分析，滲流場分析及滲流應力場的分析；研究“雙高”作用下壓力隧洞的支護設計。

（5）長引水隧洞的水力學問題研究長引水隧洞水力過渡過程的試驗研究；研究長引水隧洞不襯砌或噴砼段減少糙率的措施；長引水隧洞調壓室的設計。.相關鏈接.（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研23天然應力狀態-取決于垂直洞軸的水平應力σH、天然應力比系數λ一、圍巖穩定性分析巖性-影響洞室穩定性最基本的因素巖體結構-對巖體變形破壞起控制作用地質構造-關注斷層破碎帶、裂隙密集帶、褶皺軸部水文地質條件-影響圍巖應力狀態及圍巖強度地質方面影響因素補充：洞室位址選擇的地質論證天然應力狀態-取決于垂直洞軸的水平應力σH、天然應力比系數λ24第7節洞室位址選擇地質論證1、巖性--堅硬完整巖體-穩定性好，不需支護能適應各種斷面洞室。軟弱巖體-力學強度低，遇水易軟化、崩解、膨脹等不良性質，不利于洞室穩定，圍巖易變形破壞。軟硬相間巖體-其中軟巖強度低，或錯動成軟弱夾層，此類巖一般性質較差，圍巖穩定性也較差。影響洞室穩定性最基本的因素。第7節洞室位址選擇地質論證1、巖性--堅硬完整巖體-軟25⑴巖體性狀-松散結構及碎裂結構巖體穩定性最差；薄層狀巖體次之；厚層狀巖體穩定性最好⑵結構面性狀-對于脆性厚層塊狀巖體，強度取決于軟弱結構面的特性。結構面自身特征；結構面組合關系；結構面與臨空面的交切關系；考慮：對巖體變形破壞起控制作用。2、巖體結構-⑴巖體性狀-⑵結構面性狀-結構面自身特征；結構面組合關系26⑶分離體形狀-當分離體小于洞跨時，可能向洞內滑移、失穩。頂拱三種情況正三角錐體--最不穩定柱狀結構體--受拉時不穩倒三角錐體--有利于穩定對巖體變形破壞起控制作用。2、巖體結構-⑶分離體形狀-當分離體小于洞跨時，可能向洞內滑移、失穩。頂27取決于垂直洞軸的水平應力σH的大小及天然應力比系數λ。這是決定天然應力重分布狀態的主因。天然最大主應力的量級。其與洞軸的關系對圍巖變形破壞有顯著影響。在最大主應力（壓）方向上，圍巖破壞概率及嚴重程度比其他方向大。估計其值并設法消除其對洞體的影響或設法利用它是非常重要的。3、天然應力狀態由于最大主應力多系水平向的，在選擇洞線時，應盡量使二者平行而非垂直。取決于垂直洞軸的水平應力σH的大小及天然應力比系數λ。這是決28避開斷層破碎帶、裂隙密集帶褶皺地區應盡量避免沿緊閉向斜的軸部部置洞線。？關注斷層破碎帶、裂隙密集帶、褶皺軸部其對圍巖穩定性影響最大，且在施工中可能有突發涌水。該處圍壓較大，頂拱自穩性差，常遇突發涌水。4、地質構造避開斷層破碎帶、裂隙密集帶褶皺地區應盡量避免沿緊閉向斜的軸部29⑴主要作用軟化作用-對軟弱巖體和軟弱夾層軟化泥化；溶蝕作用-對可溶性巖體溶蝕；浸潤作用-對滑動面浸潤，使穩定性下降。⑵水壓力（靜）--⑶涌水—是地下建筑主要工程地質問題之一。作用于襯砌，有時比山巖壓力大幾倍；作用于未襯砌巖體，在平緩結構面上形成水壓力，促使分離體下滑；流入陡立結構面，相當于施加張力，同樣促其破壞。此地下水壓力最大值可等于洞頂以上地下水厚度（水頭值）。影響圍巖應力狀態及圍巖強度5、地下水-⑴主要作用軟化作用-對軟弱巖體和軟弱夾層軟化泥化；⑵水壓力（30建筑物特性--斷面形狀--決定應力集中的部位、程度；洞室規模--洞室規模大，則圍巖范圍亦大。施工方法--開挖方式、施工速率主要影響圍巖中的應力調整與再分配。支護方法—影響—圍巖中的應力重分布→變形→圍壓穩定性。6、工程因素--臨時支護、永久性支護；半襯、全襯。建筑物特性--斷面形狀--決定應力集中的部位、程度；施工方法31按工程特點與設計要求，考慮巖性、構造、地形、水文等因素綜合評判。選擇穩定性好的巖體→無需襯砌自穩性好易施工二、洞室位址選擇論證按工程特點與設計要求，考慮巖性、構造、地形、水文等因素綜合評321、地形-不利-地形急變處。山脊直拐，埡口深切，淺埋洞室需避開。洞身-圍巖要有一定厚度，（無壓，≥3倍洞徑；有壓，計算確定）；避開地形不利地段；考慮洪水影響；不可埋深過大，高地應力導致施工困難。洞口-山體厚、施工條件好，巖坡陡壁；避開地表徑流；避開可能滑動的坡體；避開斷層破碎帶。1、地形-不利-地形急變處。山脊直拐，埡口深切，淺埋洞室需33選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。巖漿巖-花崗、閃長、輝長、致密的玄武巖屬良好圍巖。變質巖-未風化的片麻巖、石英片巖、鈣質板巖、變質礫巖為較好圍巖。粘土質片巖、綠泥石片巖、泥質板巖、千枚巖等屬軟弱巖。2、巖性--風化程度、巖相選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。巖漿巖-變質巖-未風化的片麻34選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。層狀巖體以厚層為好，薄層易塌落，軟硬相間巖體，洞頂置于厚層中；壓性斷層，將洞室置于下盤中。沉積巖-總體強度稍低。厚層白云巖、石灰巖、鈣質膠結的砂巖、礫巖一般是堅硬的，屬良好圍巖。泥巖、凝灰巖、煤系地層、泥質膠結的砂礫巖是軟弱巖。2、巖性--選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。層狀巖體以厚層為好，薄層易塌35遇斷層垂直通過，減少洞室與破碎帶交匯長度。區域性斷層破碎帶、裂隙密集帶不利于圍巖穩定，應避開。⑴斷裂-斷層破碎帶無法避開時，系統軸向與其呈45°~65°夾角為宜。選擇斷裂少、巖性結構簡單的地區。3、地質結構-斷層破碎帶規模？斷裂、褶皺、軟弱結構面、巖體結構、地應力遇斷層垂直通過，減少洞室與破碎帶交匯長度。區域性斷層破碎帶、36⑵褶皺—置于背斜核部，雖張裂發育，但巖層自成拱，有利于穩定；避開向斜軸，巖體破碎，地下水富集，不利于穩定。3、地質結構--⑶軟弱結構面--洞軸線盡量與巖層走向、構造線方向、軟弱面垂直相交。⑵褶皺—3、地質結構--⑶軟弱結構面--洞軸線盡量與巖層走37⑷巖層產狀-巖層傾斜、較薄或軟硬相間時，洞軸垂直巖層走向較有利；非平行不可時，應將洞頂置于堅硬巖層中。3、地質結構--洞頂圍巖最易失穩，其次是側壁。令設計挪移洞軸線、調整高程。使位于硬巖中，洞底置于軟巖，對整體穩定性較有利。⑷巖層產狀-巖層傾斜、較薄或軟硬相間時，洞軸垂直巖層走向較有38

一般情況洞軸與最大水平應力σ1垂直（1/3<λ<3），當σ1很大時，洞軸最好與其平行，有利邊墻穩定。⑸地應力—現代天然應力較顯著地區，地下建筑軸線應與最大天然主應力近平行，盡量避開活動性斷裂。當洞室各部位軸向不同時，上述原則優先滿足重要洞室（大跨度隧洞），其它部位以工程措施解決。3、地質結構--一般情況洞軸與最大水平應力σ1垂直（1/3<λ<3）39干燥無水最有利。選擇地下水位以上、或水量不大、無高壓含水層的巖體。避開飽水松散地層；富水斷層破碎帶；巖溶化地層。4、水文地質--以上幾種情況可能產生突發涌水。干燥無水最有利。選擇地下水位以上、或水量不大、無高壓含水層的40水量極大、來勢猛，常造成洞頂坍塌，砂石隨水涌入、沖毀洞室，輕者影響施工，重者人員傷亡涌水特點及后果：大量涌水造成地表水枯竭在遇水軟化的巖層中使支襯地基的承載力降低施工前預先查明涌水的可能性，大致確定涌水帶位置及涌水量，超前預報，采取防范措施。對策：水量極大、來勢猛，常造成洞頂坍塌，砂石隨水涌入、沖毀洞室，輕41問題：人員安全、爆破安全、混凝土澆筑與養護等。發生條件：埋深很大的洞室、地熱異常區。對策：查明地熱異常區的分布及特點，采取防護措施。5、高地溫及有害氣體--深埋洞室考慮地溫及有害氣體、高地應力的影響。首先考慮避開，不能避開時，要有防范措施。問題：人員安全、爆破安全、混凝土澆筑與養護等。發生條件：埋深42甲烷、硫化氫、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、氡等有害氣體。發生條件：在含煤、石油、瀝青、硫化礦床、碳質頁巖、碳酸鹽巖地層中掘進。危害：含量到一定程度，嚴重危害健康；可能引起爆炸。防范：預測預報、施工中加強檢驗、采取通風措施。有害氣體突出-甲烷、硫化氫、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、氡等有害氣體。發生條43補充-特殊的施工方法盾構法-在一個前端帶有刃角的鋼制圓筒，即盾構保護下施工。較笨重、造價高，僅圓形斷面。江河、城市地下松散地層中建大型隧道時采用。在地下水位以下掘進斷層破碎帶、飽水粉細紗、淤泥層等難度較大的地層，必須采用特殊的施工方法補充-特殊的施工方法盾構法-在一個前端帶有刃角的鋼制圓筒，即44補充-特殊的施工方法壓漿固結法-在掌子面前方按環形打超前孔，并向孔內壓漿形成一個堅硬不透水的錐形，由此掘進。凍結法-在掌子面上布置多層鉆孔，插入冷卻管，壓入冷凍液，形成錐形冷凍體，在其中掘進。是突破破碎帶的重要施工方法。補充-特殊的施工方法壓漿固結法-在掌子面前方按環形打超前孔，451、地質條件2、地形地貌條件3、工程難易程度4、投資的數額5、工期要求6、現有施工技術水平7、運營條件（線路條件）補充--鐵路隧道位置選擇考慮的因素鐵路隧道位置選擇1、地質條件補充--鐵路隧道位置選擇考慮的因素鐵路隧道位置選46（一）按地形地質條件進行選擇1、按地形條件進行選擇--高程障礙、平面障礙（1）高程障礙克服高程障礙的三種方案：繞行方案、深塹方案、隧道方案（2）平面障礙平面障礙：線路依山傍河而行（河谷線）的凸岸山嘴，跨越河流、湖泊、海峽等克服凸岸山嘴平面障礙的兩種方案：沿河傍山繞行，隧道直穿。（一）按地形地質條件進行選擇2、按地質條件進行選擇（1）按地質構造類型進行選擇地質構造類型：單斜構造、褶曲構造、斷層。位置選擇（2）不良地質區隧道位置的選擇不良地質區指：滑坡、崩塌、巖堆、泥石流、巖溶、含瓦斯和水文地質條件復雜地區。位置選擇（一）按地形地質條件進行選擇（一）按地形地質條件進行47隧道位址按地質條件進行選擇？隧道位址按地質條件進行選擇？48隧道位址按地質條件進行選擇隧道位址按地質條件進行選擇49（二）按線路類別進行選擇--越嶺線1、越嶺線上隧道位置的選擇何謂越嶺線？隧道是跨越分水嶺的唯一選擇。選擇內容：（1）、選擇埡口（2）、確定高程（二）按線路類別進行選擇--河谷線2、河谷線上隧道位置的選擇何謂河谷線？線路特點兩種選擇：靠外（稍偏河流一側）—短隧道群，靠里（稍偏山體一側）—長隧道工程實踐總結出一條經驗：“寧里勿外”（二）按線路類別進行選擇--越嶺線（二）按線路類別進50靠外靠里靠外靠里51綠色洞門綠色洞門52隧洞垂直巖層走向穿過褶皺總體較有利，過背斜軸部時可能遇楔形掉塊（b）；通過向斜軸部時遇地下水問題（c）；巖層傾向開挖面，有巖塊墜落危險（a）。最有利的部位是巖層傾向與隧洞開挖方向一致的翼部。隧洞垂直巖層走向穿過褶皺總體較有利，過背斜軸部時可能遇楔形掉53隧洞平行巖層走向過褶皺條件較差，（a）不對稱巖壓及冒落問題；（c）巖層陡傾時不利，巖壓力全部由拱頂承擔，（b）也不利，兩側巖體順層滑落及透水巖導水問題，應避開。隧洞平行巖層走向過褶皺條件較差，（a）不對稱巖壓及冒落問題；54圓梁山隧道---地質災害嚴重困擾隧道施工:2001年7月14日隧道在背斜段與富水區遭遇，水頭高達3m,霎時，泥水帶著礦車、氣瓶等沿著已開挖好的780m隧道一瀉而出，沖進了洞外的冷水河，洞外河床被抬高了10m,780m隧道的開挖方量不過5萬m3，而沖出的泥水卻達到11萬m3，高出開挖方量的兩倍多,此后，隧道中僅10000m3以上的突泥突水就發生了30余次。2002年2月1日，發生嚴重突泥突水，最大涌水量達每小時10000m3，動水壓曾高達3.6MPa以上，致使鉆機鉆桿被泥水推出，鉆孔內射出高壓水，射程達30m。2002年9月10日，突泥4200m3，隧道斷面被泥石塞滿244m；11日和12日又先后兩次突泥突水，最大涌水量達每小時72000m3，隧道被充填389m。.經典案例.圓梁山隧道---地質災害嚴重困擾隧道施工:2002年2月1日55↑帶冷凍頭的眼睛墻在冰傘下挖掘→↑帶冷凍頭的眼睛墻在冰傘下挖掘→56作業題：某水利樞紐地下電站廠房,在技術勘察階段查明與電站廠房主軸平行的斷層破碎帶，其寬度約達25m，且延伸穩定，破碎帶內物質欠膠結。試分析：①斷層破碎帶對洞室穩定性有何影響？②是否需要調整設計，如何調整洞軸線對洞群整體穩定較有利？③調整洞軸方向時，還應同時考慮哪些其他相關因素？作業題：57小結1.圍巖穩定性評價定性評價；定量評價；2.洞室的位址選擇地質論證主要考慮巖性、構造、地形、水文、高溫及有害氣體等因素。小結1.圍巖穩定性評價58地下工程巖體自穩能力巖體級別自穩能力Ⅰ跨度<20m，可長期穩定，偶有掉塊，無塌方Ⅱ跨度10~20m，可基本穩定，局部掉塊或小塌方；跨度<10m，可長期穩定，偶有掉塊Ⅲ跨度10~20m，可穩定數日至1個月，可發生小至中塌方；跨度5~10m，可穩定數月，局部塊體位移及小至中塌方；跨度<5m，可基本穩定。Ⅳ跨度>5m，一般無自穩能力，數日至數月可發生松動變形、小塌方，進而發展為中至大塌方。埋深小，以拱部松動破壞為主，埋深大時，有明顯塑流變形和擠壓破壞；跨度<5m時，可穩定數日至1個月Ⅴ無自穩能力根據修正值[BQ]的巖體分級可評價圍巖自穩能力。地下工程巖體自穩能力巖體級別自穩能力Ⅰ跨度<20m，可長期穩59各種洞形洞壁的應力集中參數各種洞形洞壁的應力集中參數60巖體地質力學ＲＭＲ分類表走向與隧道軸垂直走向與隧道軸平行與走向無關沿傾向掘進反傾向掘進傾角20~45°傾角45~90°傾角0~20°傾角45~90°傾角20~45°傾角45~90°傾角20~45°非常有利有利一般不利一般非常不利不利節理走向和傾向對隧道開挖的影響巖體地質力學ＲＭＲ分類表走向與隧道軸垂直走向與隧道軸平行與走61圍巖破壞特征

塊體滑移

折斷塌落

彎曲內鼓

局部塌方

拱形冒落圍巖破壞特征

塊體滑移

折斷塌落

彎曲內鼓

局部塌方

拱形冒62第四章地下工程4.6圍巖穩定性評價第四章地下工程4.6圍巖穩定性評價63

第四章

地下工程第1節概述第2節圍巖應力分布第3節圍巖變形破壞第4節圍巖分類第5節圍巖壓力第6節圍巖穩定性評價第7節地下工程超前預報第四章地下工程64第6節圍巖穩定性評價圍巖穩定性是地下建筑工程研究的核心一般采用定性與定量結合的方法進行。問題：1、圍巖穩定性評價的思路、程序是什么？2、定性評價主要考慮哪些方面？3、定量評價有幾種方法？各自的適用條件是什么?第6節圍巖穩定性評價圍巖穩定性是地下建筑工程研究的核65第6節圍巖穩定性評價

一、定性評價1、圍巖穩定性巖體性質-巖體強度、完整性、天然應力狀態、水文地質條件建筑特性-規模、斷面形狀施工方法-開挖方式、速率、支護結構與形式取決于三方面第6節圍巖穩定性評價一、定性評價1、圍巖穩定性巖體66第6節圍巖穩定性評價

一、定性評價1、圍巖穩定性淺埋洞室（小規模）的穩定性取決于巖體強度→有無破碎帶等因素。深埋洞室（大規模）穩定性因素復雜，地應力條件很重要。第6節圍巖穩定性評價一、定性評價1、圍巖穩定性淺埋67第6節圍巖穩定性評價⑴破碎松散巖、軟弱巖-強風化巖、易軟化巖、膨脹巖體、構造破碎帶；⑵碎裂結構、半堅硬結構巖；⑶堅硬塊狀及厚層狀巖體-在多組軟弱結構面切割成不穩定分離體部位；⑷洞室中應力集中部位-洞中巖柱、洞形急劇變化部位。2、洞室易失穩部位--第6節圍巖穩定性評價⑴破碎松散巖、軟弱巖-強風化巖、68第6節圍巖穩定性評價破碎松散巖體、軟弱巖體堅硬塊狀巖不穩定分離體洞室中應力集中部位這些部位是洞室選擇時應首先避開的部位。對穩定有利的條件—2、洞室易失穩部位-新鮮完整巖體、裂隙不發育、少量地下水。完整堅硬巖體、裂隙較發育、但閉合且連續性差、未形成分離體。第6節圍巖穩定性評價破碎松散巖體、軟弱巖體堅硬塊狀巖69第6節圍巖穩定性評價1、整體穩定性計算--

其穩定性根據重分布應力計算或實測結果，與巖體的抗壓（拉）強度比較，評價穩定性。整體狀或塊狀巖體，可視為均質、連續介質由前述可知，洞壁處彈性應力為：應力集中系數--此時：Fs：安全系數，一般取Fs=2σθc,σθt--洞壁處環向壓、拉應力；σc,σt--巖體飽和抗壓、拉強度。二、定量評價第6節圍巖穩定性評價1、整體穩定性計算--其穩70第6節圍巖穩定性評價結構面切割形成不穩定分離體⑴洞頂分離體對三角形分離體ABC：2、圍巖局部穩定性計算第6節圍巖穩定性評價結構面切割形成不穩定分離體⑴洞頂71第6節圍巖穩定性評價側壁分離體在自重W2作用下沿結構面L4滑移，其后緣切割面L2的抗拉強度可忽略。式中：c,φ為結構面L4上的內聚力和內摩擦角。⑵側壁分離體此時，分離體的穩定性系數為：第6節圍巖穩定性評價側壁分離體在自重W2作用下沿結構72L3-分離體底寬；b-分離體高；α,β-結構面傾角；Tj1,Tj2-結構面抗拉強度。洞頂洞壁分離體穩定計算W2-側壁分離體自重；α-結構面L4的傾角；L3-分離體底寬；b-分離體高；α,β-結構面傾角；Tj173大秦鐵路軍都山隧道(1985年)：隧道進尺16km,塌方21次,累計影響工期685d。川藏公路二郎山隧道：全長4176m、最大埋深達760余m，該隧道穿越11條斷層，地質條件較為復雜。其中高地應力與巖爆問題是該隧道的主要工程技術難題之一。隧道施工過程中共發生了近百次巖爆活動,主洞和導洞中連續發生巖爆的累計總長度達1095m。第6節圍巖穩定性評價.經典案例.三、實例分析大秦鐵路軍都山隧道(1985年)：隧道進尺16km,塌方2174渝懷鐵路圓梁山隧道：線路重點控制工程，全長11.068公里，隧道地質條件異常復雜。隧道進口毛壩向斜和出口桐麻嶺背斜有多處大規模的深埋充填溶洞，出口段為巖堆體。這是國內隧道建設中首次在深埋、向斜部位、高壓富水、形態類型多變的充滿水、粉質泥砂的深部地區中穿過。隧道施工難度屬國內罕見。

.經典案例.第6節圍巖穩定性評價渝懷鐵路圓梁山隧道：線路重點控制工程，全長11.068公里，75相關數據巖溶突水（9.8×104～14.5×104m3／d）；巖溶突泥；高水壓（4.42～4.6Mpa）；高地應力（水平主應力Max16～21Mpa，Min8～11Mpa）；煤層瓦斯（涌出量0.124～0.137m3／d，壓力0.3～0.9Mpa）；高地溫（28℃）；斷層破碎帶（總計10余條）；.經典案例.第6節圍巖穩定性評價相關數據.經典案例.第6節圍巖穩定性評價76深埋長隧洞秦嶺鐵路隧道（長18.4km）已經貫通；南水北調西線一期工程93.8％的線路為隧洞；瓊州海峽隧道、臺灣海峽隧道、秦嶺終南山特長公路隧道；錦屏二級電站引水隧洞長17.5km，綜合技術難度復雜，預計一批重大的技術難題將攻克，屆時我國隧道及地下工程技術將會再上一個新臺階。.相關鏈接.第6節圍巖穩定性評價深埋長隧洞.相關鏈接.第6節圍巖穩定性評價77錦屏一級電站在2005年正式開工，至2012年下半年第一臺機組發電。錦屏二級電站在2007年上半年正式開工，至2012年年底第一臺機組發電。.相關鏈接.錦屏一級電站在2005年正式開工，至2012年下半年第一臺機78雅礱江錦屏河段開發方案選定為一級高壩壩后發電和二級低閘引水發電兩級開發，制約工程開發的最大技術瓶頸就是一級高壩和二級深埋長隧洞的勘測設計和施工。錦屏二級引水隧洞長約17.4km，單頭掘進近10km，最大埋深約2500m，開挖洞徑在12m以上，各項技術指標都稱得上居世界地下工程前列，綜合技術難度巨大。.相關鏈接.雅礱江錦屏河段開發方案選定為一級高壩壩后發電和二級低閘引水發79錦屏二級水電站引水隧洞長約17.4Km，超過國內已建和在建各種類型隧洞長度，和秦嶺隧道、福堂電站隧洞長度相近；其埋深最大達2525m，超過世界著名的辛普倫公路隧洞（最大埋深為2135m），與目前世界上埋深最大的法國謝拉水電站引水隧洞（最大埋深2619m）相近；錦屏隧洞的最大洞徑超過12m，遠大于秦嶺隧道（D=8.8m）和謝拉隧洞（D=5.8m）的洞徑；錦屏隧道軸線和錦屏山脊線近乎正交，沿線山體陡峭雄厚，受地形限制無法布置施工平硐、斜井和豎井。所有以上問題將給地質勘測、設計、和施工帶來一系列復雜的技術難度。.相關鏈接.錦屏二級水電站引水隧洞長約17.4Km，超過國內已建和在建各80鑒于錦屏地區特殊的自然地理條件，常規勘探難以解決，因此實施了5km長探洞的施工和科學試驗工作。探洞掘進至4168m終止處，埋深已達2200m左右，超過了錦屏二級水電站引水隧洞的一般埋深，距最大埋深僅差約300m。由超深埋引起的一系列工程地質問題已得到了基本的探查，用長探洞已取得的勘測、試驗成果來評價錦屏二級水電站引水隧洞的工程及水文地質條件，具有較高的參考價值和可信度。.相關鏈接.鑒于錦屏地區特殊的自然地理條件，常規勘探難以解決，因此實施了81錦屏二級水電站地下廠房開挖最大跨度26.8m，邊墻最大高度75.1m，長度超過335m，埋深在400m以上，這幾項指標是地下廠房中罕見的，大埋深將給廠房洞群的設計和施工帶來一系列特殊的問題。錦屏長隧洞和大型地下洞室主要技術難點為：（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究（3）長隧洞信息化設計方法的研究（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研究（5）長引水隧洞的水力學問題研究.相關鏈接.錦屏二級水電站地下廠房開挖最大跨度26.8m，邊墻最大高度782（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究

在已進行的綜合勘探和長探洞的勘探基礎上，綜合分析深埋長隧洞的地質勘探技術和方法；深層巖溶的探測及評估方法；以及隧洞施工中的巖爆、涌（突）水、涌泥等地質災害的測試和預報方法。我國深埋長隧洞施工技術已達到國際先進水平，秦嶺鐵路隧道18.45km平導洞僅用三年零52天即貫通，創國內最高單工作面開挖紀錄456m/月，取得了深埋長隧道快速施工豐富經驗。.相關鏈接.（1）深埋長隧洞的地質勘探技術研究.相關鏈接.83（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究研究錦屏電站引水隧洞合理的修建程序和施工方法；隧洞施工的通風技術措施；研究施工綜合機械化措施或其他掘進方式開挖長隧洞的關鍵技術；研究隧洞施工中的巖爆、涌（突）水、涌泥等地質災害防范措施和對策；從通風、排水、降溫以及巖爆處理等方面研究長隧洞施工環境的措施；研究通過復雜地質條件下的施工技術；（3）長隧洞信息化設計方法的研究收集國內外已建和在建隧洞設計和施工資料，整理分析，建立隧洞資料數據庫；………；.相關鏈接.（2）深埋長隧洞快速施工關鍵技術研究.相關鏈接.84（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研究研究高地應力和高外水壓力作用下巖體變形和強度特征；研究“雙高”作用下圍巖穩定性；圍巖的流變特性及其對襯砌后期的影響；巖體滲流參數反分析，滲流場分析及滲流應力場的分析；研究“雙高”作用下壓力隧洞的支護設計。

（5）長引水隧洞的水力學問題研究長引水隧洞水力過渡過程的試驗研究；研究長引水隧洞不襯砌或噴砼段減少糙率的措施；長引水隧洞調壓室的設計。.相關鏈接.（4）高地應力和高外水壓力作用下巖體特性及隧洞設計關鍵問題研85天然應力狀態-取決于垂直洞軸的水平應力σH、天然應力比系數λ一、圍巖穩定性分析巖性-影響洞室穩定性最基本的因素巖體結構-對巖體變形破壞起控制作用地質構造-關注斷層破碎帶、裂隙密集帶、褶皺軸部水文地質條件-影響圍巖應力狀態及圍巖強度地質方面影響因素補充：洞室位址選擇的地質論證天然應力狀態-取決于垂直洞軸的水平應力σH、天然應力比系數λ86第7節洞室位址選擇地質論證1、巖性--堅硬完整巖體-穩定性好，不需支護能適應各種斷面洞室。軟弱巖體-力學強度低，遇水易軟化、崩解、膨脹等不良性質，不利于洞室穩定，圍巖易變形破壞。軟硬相間巖體-其中軟巖強度低，或錯動成軟弱夾層，此類巖一般性質較差，圍巖穩定性也較差。影響洞室穩定性最基本的因素。第7節洞室位址選擇地質論證1、巖性--堅硬完整巖體-軟87⑴巖體性狀-松散結構及碎裂結構巖體穩定性最差；薄層狀巖體次之；厚層狀巖體穩定性最好⑵結構面性狀-對于脆性厚層塊狀巖體，強度取決于軟弱結構面的特性。結構面自身特征；結構面組合關系；結構面與臨空面的交切關系；考慮：對巖體變形破壞起控制作用。2、巖體結構-⑴巖體性狀-⑵結構面性狀-結構面自身特征；結構面組合關系88⑶分離體形狀-當分離體小于洞跨時，可能向洞內滑移、失穩。頂拱三種情況正三角錐體--最不穩定柱狀結構體--受拉時不穩倒三角錐體--有利于穩定對巖體變形破壞起控制作用。2、巖體結構-⑶分離體形狀-當分離體小于洞跨時，可能向洞內滑移、失穩。頂89取決于垂直洞軸的水平應力σH的大小及天然應力比系數λ。這是決定天然應力重分布狀態的主因。天然最大主應力的量級。其與洞軸的關系對圍巖變形破壞有顯著影響。在最大主應力（壓）方向上，圍巖破壞概率及嚴重程度比其他方向大。估計其值并設法消除其對洞體的影響或設法利用它是非常重要的。3、天然應力狀態由于最大主應力多系水平向的，在選擇洞線時，應盡量使二者平行而非垂直。取決于垂直洞軸的水平應力σH的大小及天然應力比系數λ。這是決90避開斷層破碎帶、裂隙密集帶褶皺地區應盡量避免沿緊閉向斜的軸部部置洞線。？關注斷層破碎帶、裂隙密集帶、褶皺軸部其對圍巖穩定性影響最大，且在施工中可能有突發涌水。該處圍壓較大，頂拱自穩性差，常遇突發涌水。4、地質構造避開斷層破碎帶、裂隙密集帶褶皺地區應盡量避免沿緊閉向斜的軸部91⑴主要作用軟化作用-對軟弱巖體和軟弱夾層軟化泥化；溶蝕作用-對可溶性巖體溶蝕；浸潤作用-對滑動面浸潤，使穩定性下降。⑵水壓力（靜）--⑶涌水—是地下建筑主要工程地質問題之一。作用于襯砌，有時比山巖壓力大幾倍；作用于未襯砌巖體，在平緩結構面上形成水壓力，促使分離體下滑；流入陡立結構面，相當于施加張力，同樣促其破壞。此地下水壓力最大值可等于洞頂以上地下水厚度（水頭值）。影響圍巖應力狀態及圍巖強度5、地下水-⑴主要作用軟化作用-對軟弱巖體和軟弱夾層軟化泥化；⑵水壓力（92建筑物特性--斷面形狀--決定應力集中的部位、程度；洞室規模--洞室規模大，則圍巖范圍亦大。施工方法--開挖方式、施工速率主要影響圍巖中的應力調整與再分配。支護方法—影響—圍巖中的應力重分布→變形→圍壓穩定性。6、工程因素--臨時支護、永久性支護；半襯、全襯。建筑物特性--斷面形狀--決定應力集中的部位、程度；施工方法93按工程特點與設計要求，考慮巖性、構造、地形、水文等因素綜合評判。選擇穩定性好的巖體→無需襯砌自穩性好易施工二、洞室位址選擇論證按工程特點與設計要求，考慮巖性、構造、地形、水文等因素綜合評941、地形-不利-地形急變處。山脊直拐，埡口深切，淺埋洞室需避開。洞身-圍巖要有一定厚度，（無壓，≥3倍洞徑；有壓，計算確定）；避開地形不利地段；考慮洪水影響；不可埋深過大，高地應力導致施工困難。洞口-山體厚、施工條件好，巖坡陡壁；避開地表徑流；避開可能滑動的坡體；避開斷層破碎帶。1、地形-不利-地形急變處。山脊直拐，埡口深切，淺埋洞室需95選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。巖漿巖-花崗、閃長、輝長、致密的玄武巖屬良好圍巖。變質巖-未風化的片麻巖、石英片巖、鈣質板巖、變質礫巖為較好圍巖。粘土質片巖、綠泥石片巖、泥質板巖、千枚巖等屬軟弱巖。2、巖性--風化程度、巖相選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。巖漿巖-變質巖-未風化的片麻96選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。層狀巖體以厚層為好，薄層易塌落，軟硬相間巖體，洞頂置于厚層中；壓性斷層，將洞室置于下盤中。沉積巖-總體強度稍低。厚層白云巖、石灰巖、鈣質膠結的砂巖、礫巖一般是堅硬的，屬良好圍巖。泥巖、凝灰巖、煤系地層、泥質膠結的砂礫巖是軟弱巖。2、巖性--選擇堅硬完整、力學強度高的巖體。層狀巖體以厚層為好，薄層易塌97遇斷層垂直通過，減少洞室與破碎帶交匯長度。區域性斷層破碎帶、裂隙密集帶不利于圍巖穩定，應避開。⑴斷裂-斷層破碎帶無法避開時，系統軸向與其呈45°~65°夾角為宜。選擇斷裂少、巖性結構簡單的地區。3、地質結構-斷層破碎帶規模？斷裂、褶皺、軟弱結構面、巖體結構、地應力遇斷層垂直通過，減少洞室與破碎帶交匯長度。區域性斷層破碎帶、98⑵褶皺—置于背斜核部，雖張裂發育，但巖層自成拱，有利于穩定；避開向斜軸，巖體破碎，地下水富集，不利于穩定。3、地質結構--⑶軟弱結構面--洞軸線盡量與巖層走向、構造線方向、軟弱面垂直相交。⑵褶皺—3、地質結構--⑶軟弱結構面--洞軸線盡量與巖層走99⑷巖層產狀-巖層傾斜、較薄或軟硬相間時，洞軸垂直巖層走向較有利；非平行不可時，應將洞頂置于堅硬巖層中。3、地質結構--洞頂圍巖最易失穩，其次是側壁。令設計挪移洞軸線、調整高程。使位于硬巖中，洞底置于軟巖，對整體穩定性較有利。⑷巖層產狀-巖層傾斜、較薄或軟硬相間時，洞軸垂直巖層走向較有100

一般情況洞軸與最大水平應力σ1垂直（1/3<λ<3），當σ1很大時，洞軸最好與其平行，有利邊墻穩定。⑸地應力—現代天然應力較顯著地區，地下建筑軸線應與最大天然主應力近平行，盡量避開活動性斷裂。當洞室各部位軸向不同時，上述原則優先滿足重要洞室（大跨度隧洞），其它部位以工程措施解決。3、地質結構--一般情況洞軸與最大水平應力σ1垂直（1/3<λ<3）101干燥無水最有利。選擇地下水位以上、或水量不大、無高壓含水層的巖體。避開飽水松散地層；富水斷層破碎帶；巖溶化地層。4、水文地質--以上幾種情況可能產生突發涌水。干燥無水最有利。選擇地下水位以上、或水量不大、無高壓含水層的102水量極大、來勢猛，常造成洞頂坍塌，砂石隨水涌入、沖毀洞室，輕者影響施工，重者人員傷亡涌水特點及后果：大量涌水造成地表水枯竭在遇水軟化的巖層中使支襯地基的承載力降低施工前預先查明涌水的可能性，大致確定涌水帶位置及涌水量，超前預報，采取防范措施。對策：水量極大、來勢猛，常造成洞頂坍塌，砂石隨水涌入、沖毀洞室，輕103問題：人員安全、爆破安全、混凝土澆筑與養護等。發生條件：埋深很大的洞室、地熱異常區。對策：查明地熱異常區的分布及特點，采取防護措施。5、高地溫及有害氣體--深埋洞室考慮地溫及有害氣體、高地應力的影響。首先考慮避開，不能避開時，要有防范措施。問題：人員安全、爆破安全、混凝土澆筑與養護等。發生條件：埋深104甲烷、硫化氫、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、氡等有害氣體。發生條件：在含煤、石油、瀝青、硫化礦床、碳質頁巖、碳酸鹽巖地層中掘進。危害：含量到一定程度，嚴重危害健康；可能引起爆炸。防范：預測預報、施工中加強檢驗、采取通風措施。有害氣體突出-甲烷、硫化氫、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、氡等有害氣體。發生條105補充-特殊的施工方法盾構法-在一個前端帶有刃角的鋼制圓筒，即盾構保護下施工。較笨重、造價高，僅圓形斷面。江河、城市地下松散地層中建大型隧道時采用。在地下水位以下掘進斷層破碎帶、飽水粉細紗、淤泥層等難度較大的地層，必須采用特殊的施工方法補充-特殊的施工方法盾構法-在一個前端帶有刃角的鋼制圓筒，即106補充-特殊的施工方法壓漿固結法-在掌子面前方按環形打超前孔，并向孔內壓漿形成一個堅硬不透水的錐形，由此掘進。凍結法-在掌子面上布置多層鉆孔，插入冷卻管，壓入冷凍液，形成錐形冷凍體，在其中掘進。是突破破碎帶的重要施工方法。補充-特殊的施工方法壓漿固結法-在掌子面前方按環形打超前孔，1071、地質條件2、地形地貌條件3、工程難易程度4、投資的數額5、工期要求6、現有施工技術水平7、運營條件（線路條件）補充--鐵路隧道位置選擇考慮的因素鐵路隧道位置選擇1、地質條件補充--鐵路隧道位置選擇考慮的因素鐵路隧道位置選108（一）按地形地質條件進行選擇1、按地形條件進行選擇--高程障礙、平面障礙（1）高程障礙克服高程障礙的三種方案：繞行方案、深塹方案、隧道方案（2）平面障礙平面障礙：線路依山傍河而行（河谷線）的凸岸山嘴，跨越河流、湖泊、海峽等克服凸岸山嘴平