第六章地下洞室的工程地質(zhì)問題第一節(jié)概述第二節(jié)洞室位置的選擇第三節(jié)洞室圍巖壓力(了解)第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素的分析第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施（重點）第七節(jié)巖體的工程分類第六章地下洞室的工程地質(zhì)問題第一節(jié)1一、定義地下洞室：指在地下或山體內(nèi)部的各類建筑物。如地下交通運輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲存庫房用的地下車庫、油庫、水庫和物資倉庫等；第一節(jié)概述一、定義第一節(jié)概述2一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：１．在選擇地下建筑工程位置時，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。２．在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個階段除進行一般的巖體穩(wěn)定評價以外，還要解決一些與土建設(shè)計有關(guān)的巖體穩(wěn)定方面的問題，這些問題有：一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：3（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓力評價）；（2）巖體內(nèi)地下水壓力的評價（即地下水對襯砌支護的壓力）；（3）提出保護圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；圍巖：地下洞室周圍的圍巖土體。即洞室周圍受到開挖影響，大體相當于地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內(nèi)的巖土體。我國幾處地下洞室圍巖失穩(wěn)或破壞的典型實例

見下表（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓4地鐵塌方事故：北京：2007年3月28日海淀南路地鐵10號線工程塌方，6名施工者被埋；廣州：2008年1月17日，珠江大橋引橋下雙橋路旁邊花圃內(nèi)地面突然下陷；深圳：2008年4月1日，龍崗區(qū)地鐵3號線工地施工時發(fā)生坍塌，造成3死2傷。地鐵塌方事故：北京：2007年3月28日海淀南路地鐵10號線5定義地下洞室課件6定義地下洞室課件7定義地下洞室課件8定義地下洞室課件9定義地下洞室課件10定義地下洞室課件11定義地下洞室課件12二、分類成因人工洞室天然洞室過水洞室不過水洞室有壓洞室無壓洞室定義地下洞室課件13第二節(jié)洞室位置的選擇一、地下工程總體位置的選擇在進行地下工程總體位置選擇時，首先要考慮區(qū)域穩(wěn)定性，此項工作的進行主要是向有關(guān)部門收集當?shù)氐挠嘘P(guān)地震、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造史及現(xiàn)代構(gòu)造運動等資料，進行綜合地質(zhì)分析和評價。特別是對于區(qū)域性深大斷裂交會處，近期活動斷層和現(xiàn)代構(gòu)造運動較為強烈的地段，尤其要引起注意。第二節(jié)洞室位置的選擇一、地下工程總體位置的選擇14一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，歷史上地震烈度及震級不高，無毀滅性地震；2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，工程區(qū)無區(qū)域性斷裂帶通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造；3.第四紀以來沒有明顯的構(gòu)造活動。

區(qū)域穩(wěn)定性問題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進一步就要選擇建洞山體，一般認為理想的建洞山體具有以下條件：一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：151.在區(qū)域穩(wěn)定性評價基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；2.建洞區(qū)構(gòu)造簡單，巖層厚且產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少，無影響整個山體穩(wěn)定的斷裂帶；1.在區(qū)域穩(wěn)定性評價基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；163.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地層，巖體結(jié)構(gòu)強度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地174.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進洞生產(chǎn)面積的同時，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護地層；

地下水影響小，水質(zhì)滿足建廠要求；5.無有害氣體及異常地熱；4.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進洞生產(chǎn)面積的同時，具有較厚的洞18二、洞口選擇的工程地質(zhì)條件

洞口的工程地質(zhì)條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標高、洞口的方向等問題。至于洞口數(shù)量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據(jù)工程的具體要求，結(jié)合所處山體的地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等慎重考慮，因為出入口位置的確定，一般來說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。二、洞口選擇的工程地質(zhì)條件19（一）洞口的地形和地質(zhì)條件

洞口宜設(shè)在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設(shè)置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時刷方太大，破壞原來的地形地貌。（一）洞口的地形和地質(zhì)條件20（二）洞口底標高的選擇

洞口底的標高一般應(yīng)高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發(fā)時，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；（二）洞口底標高的選擇21（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象

在選擇洞口位置時，必須將進出口地段的物理地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查清楚。洞口應(yīng)盡量避開易產(chǎn)生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產(chǎn)生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對工程造成不必要的損失。

（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象22三、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等方面綜合分析來考慮確定。

（一）布置洞室的巖性要求

洞室工程的布置對巖性的要求是：盡可能使地層巖性均一，層位穩(wěn)定，整體性強，風化輕微，抗壓與抗剪強度較大的巖層中通過。一般說來，舉凡沒有經(jīng)受劇烈風化及構(gòu)造運動影響的大多數(shù)巖層都適宜修建地下工程。三、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件23（二）地質(zhì)構(gòu)造與洞室軸線的關(guān)系下面進一步分析有關(guān)洞室軸線與巖層產(chǎn)狀要素以及與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。1．當洞室軸線平行于巖層走向時，根據(jù)巖層產(chǎn)狀要素和厚度不同大體有如下三種情況：（二）地質(zhì)構(gòu)造與洞室軸線的關(guān)系24（ｌ）在水平巖層中（巖層傾角＜5°～10°），若巖層薄，彼此之間聯(lián)結(jié)性差，又屬不同性質(zhì)的巖層，在開挖洞室（特別是大跨度的洞室）時，常常發(fā)生塌頂，因為此時洞頂巖層的作用如同過梁，（1、過梁：可分為磚拱過梁、鋼筋磚過梁和鋼筋混凝土過梁三種。主要設(shè)置在墻體上開設(shè)門窗等洞的上方，承受洞口上部的荷載。）（ｌ）在水平巖層中（巖層傾角＜5°～10°），若巖層薄，彼此25

它很容易由于層間的拉應(yīng)力到達極限強度而導致破壞。如果水平巖層具有各個方向的裂隙，則常常造成洞室大面積的坍塌。因此，在選擇洞室位置時，最好選在層間聯(lián)結(jié)緊密、厚度大（即大于洞室高度二倍以上者）不透水、裂隙不發(fā)育，又無斷裂破碎帶的水平巖體部位，這樣對于修建洞室是有利的（圖8-12）。

它很容易由于層間的拉應(yīng)力到達極限強度而導致破壞26定義地下洞室課件27（２）在傾斜巖層中，一般說來是不利的，因為此時巖層完全被洞室切割，若巖層間缺乏緊密聯(lián)結(jié)，又有幾組裂隙切割，則在洞室兩側(cè)邊墻所受的側(cè)壓力不一致，容易造成洞室邊墻的變形（圖8-13）。

（２）在傾斜巖層中，一般說來是不利的，因為此時巖層完全被洞室28（３）在近似直立的巖層中，一定要注意不能把洞室選在軟硬巖層的分界線上（圖8-14）。特別要注意不能將洞室置于直立巖層厚度與洞室跨度相等或小于跨度的地層內(nèi)（圖8-15）。因為地層巖性不一樣，在地下水作用下更易促使洞頂巖層向下滑動，破壞洞室，并給施工造成困難。（３）在近似直立的巖層中，一定要注意不能把洞室選在軟硬巖層的29定義地下洞室課件30２．當洞室軸線與巖層走向垂直正交時，為較好的洞室布置方案。（１）當巖層傾角較陡，各巖層可不需依靠相互間的內(nèi)聚力聯(lián)結(jié)而能完全穩(wěn)定。因此，若巖性均一，結(jié)構(gòu)致密，各巖層間聯(lián)結(jié)緊密，節(jié)理裂隙不發(fā)育。在這些巖層中開挖地下工程最好（圖8-16）。２．當洞室軸線與巖層走向垂直正交時，為較好的洞室布置方案。31定義地下洞室課件32（２）當巖層傾角較平緩，洞室軸線與巖層傾斜的夾角較小，若巖性又屬于非均質(zhì)的、垂直或外交層面節(jié)理裂隙又發(fā)育時，在洞頂就容易發(fā)生局部石塊坍落現(xiàn)象，洞室頂部常出現(xiàn)階梯形特征（圖8-17）。３．洞室軸線穿過褶曲地層時，一般洞室軸線穿越褶曲地層時可遇到以下幾種情況：

（２）當巖層傾角較平緩，洞室軸線與巖層傾斜的夾角較小，若巖性33（ｌ）洞室橫穿向斜層。在向斜的軸部有時可遇到大量地下水的威脅和洞室頂板巖塊崩落的危險。因軸部的巖層遭到擠壓破碎常呈上窄下寬的楔形石塊（圖8-18），組成倒拱形，因而使其軸部巖層壓力增加，洞頂巖塊最容易突然地坍落到洞室。另外，由于軸部巖層破碎又彎曲呈盆形，在這些地帶往往是自流水儲存的場所。（圖8-19）。

（ｌ）洞室橫穿向斜層。在向斜的軸部有時可遇到大量地下水的威脅34定義地下洞室課件35（２）洞室軸線橫穿背斜層。由于背斜呈上拱形。巖層被破碎如石砌的拱形結(jié)構(gòu)，能很好的將上覆巖層的荷重傳遞到兩側(cè)巖體中去。因而地層壓力既小又較少發(fā)生洞室頂部塌坍的事故。但是應(yīng)注意若巖層受到劇烈的動力作用被壓碎，則頂板破碎巖層容易產(chǎn)生小規(guī)模掉塊。因此，當洞室穿過背斜層也必須進行支撐和襯砌（圖8-20）。（２）洞室軸線橫穿背斜層。由于背斜呈上拱形。巖層被破碎如石砌36定義地下洞室課件37第三節(jié)洞室圍巖壓力一、天然地應(yīng)力1、自重應(yīng)力2、構(gòu)造應(yīng)力二、洞室圍巖二次應(yīng)力1、軸對稱圓形洞室圍巖二次應(yīng)力2、圓形洞室時的情況3、橢圓形洞室、等應(yīng)力軸比4、非圓形斷面洞室的彈性應(yīng)力分布特征第三節(jié)洞室圍巖壓力一、天然地應(yīng)力38三、有塑性區(qū)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力分布四、圍巖壓力的確定1、圍巖壓力的形成2、影響圍巖壓力的因素（1）洞室的形狀和大?。?）地質(zhì)構(gòu)造（3）支護的形式和剛度（4）洞室深度（5）時間（6）施工方法三、有塑性區(qū)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力分布39（1）普室壓力拱法（2）太沙基理論4、變形壓力的計算（1）普室壓力拱法40第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式一、冒頂二、側(cè)壁滑塌與內(nèi)鼓三、底鼓及徑縮四、巖爆五、局部破壞六、圍巖破壞導致的地面沉降1、塌落帶2、裂隙帶3、彎曲帶第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式41第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素分析一、圍巖穩(wěn)定的概念圍巖穩(wěn)定是指在一定時間內(nèi)、在一定的地質(zhì)力和工程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素分析一、圍巖穩(wěn)定的概念42影響因素（一）巖石特性（二）地質(zhì)構(gòu)造（三）巖體結(jié)構(gòu)（四）地下水與巖溶（五）構(gòu)造應(yīng)力（六）洞室跨度（七）開挖方式（八）支護方式（九）支護時間

影響因素43第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護圍巖穩(wěn)定性有很大意義；隧洞的開挖方式，基本上有兩種：一種是全斷面開挖法；另一種是導洞開挖法。全斷面開挖法一般適用于圍巖很穩(wěn)定，無塌方掉石的地區(qū)。對巖石稍差但斷面尺寸較小的中小型隧洞亦可全斷面開挖。第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的44導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩(wěn)定的地質(zhì)條件。為了防止塌方冒頂事故，可縮小斷面，先打?qū)Ф?，然后分塊完成施工斷面。兩方面保證一、盡量保護圍巖原有穩(wěn)定性二、賦予圍巖一定的強度，提高其穩(wěn)定性。導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩(wěn)定的地質(zhì)條件。為了防止45一、合理施工原則：盡量減少對圍巖的擾動，及時封閉圍巖，設(shè)置支護結(jié)構(gòu)。對于大斷面的洞室，可采取分段開挖1、上導洞施工法（圍巖穩(wěn)定性最差）導洞開挖法當圍巖不太穩(wěn)定，頂圍易塌時，一、合理施工46應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導洞立即支撐，達到要求的輪廓作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護下擴大斷面，最后做側(cè)墻襯砌。即先拱后墻的辦法。應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導洞472、單側(cè)導洞施工法當圍巖很不穩(wěn)定，頂圍塌落，側(cè)圍易滑時，可先在設(shè)計斷面的側(cè)部開挖導洞，由下處向上逐段襯護。到一定高程，再挖頂部導洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側(cè)導洞開挖、即先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。

2、單側(cè)導洞施工法483、雙側(cè)導洞施工法（圍巖很不穩(wěn)定）4、全斷面一次開挖施工法圍巖穩(wěn)定，可全斷面一次開挖?，F(xiàn)在多采用新奧法和盾構(gòu)法等新型施工方法。3、雙側(cè)導洞施工法（圍巖很不穩(wěn)定）49定義地下洞室課件50掘進機掘進機51二、支護（支撐、襯砌、錨噴、錨注）支撐、襯砌與噴漿加固隧洞的支襯工作，包括支撐和襯砌兩方面。支撐是臨時性加固洞壁的措施，襯砌是永久性加固洞壁的措施。此外還有噴漿護壁、噴射混凝土、錨筋加固及錨噴加固等。二、支護（支撐、襯砌、錨噴、錨注）52支撐支撐工作是開挖過程中，為防止圍巖塌方的臨時性措施，過去通常用木支撐、鋼支撐及混凝土預(yù)制構(gòu)件支撐等。近代國內(nèi)外多采用錨桿支護，錨桿能把松動巖塊與穩(wěn)固巖體牢固地聯(lián)在一起，是一種“懸吊式”支護。支撐53襯砌襯砌的作用與支撐相同，但經(jīng)久耐用，使洞壁光坦。磚、石襯砌較便宜，鋼筋混凝土、鋼板襯砌的成本最高。襯砌一定要與洞壁緊密結(jié)合，填嚴塞實其間空隙才能起到良好效果。作頂拱的襯砌時，還要預(yù)留壓漿孔。襯砌后，再回填灌漿，達到嚴實的目的，在滲水地段也可起防滲作用。襯砌54襯砌厚度往往取決于巖石的性質(zhì)，如對于堅硬類巖石一般要求20—30cm即可，特別堅固或裂隙稀少的巖石甚至可不加襯砌；中等堅硬巖石一般40—50cm；軟弱巖石及松散土層則要求50—150cm或更厚的混凝土襯砌。襯砌厚度往往取決于巖石的性質(zhì)，55噴漿護壁噴漿護壁較簡便而又經(jīng)濟，對保護易風化圍巖的穩(wěn)定性效果較好。當洞室開炮后及時在洞壁上噴射水泥砂漿，形成保護層，保護圍巖原有強度。我國應(yīng)用日益廣泛，國外采用也很普遍。噴漿護壁56噴射混凝土噴射混凝土與噴漿方法相仿，但作用大不相同?；炷羶?nèi)加速凝劑，及時(越早越好)噴射到洞壁上，它便很快地凝固并有較大強度，可防止洞壁早期松動。噴射混凝土57錨筋加固錨筋加固又稱錨桿加固，目前大量采用。將錨筋插入圍巖：使洞周松動圍巖與穩(wěn)定圍巖固定，起到釘子的作用。錨筋加固58灌漿與加固裂隙嚴重的巖體和極不穩(wěn)定的第四紀堆積物中開挖洞室，常需要加固以增大圍巖穩(wěn)定性，降低其滲水性。最常用的加固方法就是水泥灌漿，其次有瀝青灌漿、水玻璃(硅酸性)灌漿，還有凍結(jié)法，等等。通過這種辦法，在圍巖中大體形成一圓柱形或球形的固結(jié)層。灌漿與加固59三、新奧法(二)新奧法的原理和應(yīng)用顧名思義，新奧法創(chuàng)始于奧地利。新奧法的基本思想是充分利用圍巖自身的承載能力，其要點可歸結(jié)為：三、新奧法60①運用現(xiàn)代巖石力學的理論，充分考慮并利用圍巖的自身承載能力，把襯砌與圍巖當成一個整體看待；②在施工過程中，必須進行現(xiàn)場量測,并應(yīng)用量測資料修訂設(shè)計和指導施工;③采用預(yù)裂爆破、光面爆破等技術(shù)或用掘進機開挖，用錨桿和噴射混凝土等作為支護手段，并強調(diào)適時支護。總之，是在充分考慮圍巖自身承載能力的基礎(chǔ)上，因地制宜地搞好隧洞開挖與支護。

①運用現(xiàn)代巖石力學的理論，充分考慮并利用圍巖的自身承載能力，61盾構(gòu)法盾構(gòu)法是用特制機器開挖隧洞的施工技術(shù)，主要用于第四系松軟地層掘進成洞，起源于歐洲，最近十幾年來，經(jīng)德國、日本大力開發(fā)，已得到廣泛應(yīng)用。最大洞徑已達幾十米，目前更大直徑的盾構(gòu)正在設(shè)計研究之中。盾構(gòu)法62在英吉利海峽隧道，日本東京灣海底公路隧道等建設(shè)中，發(fā)揮了巨大作用。這是一項先進的高度機械化、自動化的施工技術(shù)。其優(yōu)點是避開干擾，不影響地面建筑和環(huán)境，可充分開發(fā)地下空間。在施工中能把掘進，出渣、支護與襯砌，融為一體。施工安全、可靠、準確，能縮短工期、提高工效、節(jié)約資金。在英吉利海峽隧道，日本東京灣海底公路隧道等建設(shè)中，發(fā)揮了巨大63我國上海、蘭州等地，已成功地在軟粘土及砂礫層中修建了地鐵隧道，排污隧洞、引水及電纜隧洞，穿黃浦江公路。目前不少大城市的地鐵隧道建設(shè)中；還有南水北調(diào)工程的穿黃河輸水隧洞都將用盾構(gòu)法施工。因此，它將在我國的工程建設(shè)中發(fā)揮更大的作用。我國上海、蘭州等地，已成功地在軟粘土及砂礫層中修建了地鐵隧道64定義地下洞室課件65明挖法就是俗稱的“大揭蓋”，即將整條路挖開作業(yè)，通常，埋設(shè)城市地下管線等施工均采取明挖法。這種施工方法的優(yōu)點是，作業(yè)面大、施工速度快、工程造價低，能夠在較短工期內(nèi)完成高質(zhì)量工程。不過，其缺點就是需要封閉道路，對城市交通秩序有一定影響。明挖法就是俗稱的“大揭蓋”，即將整條路挖開作業(yè)，通常，埋設(shè)城66暗挖法俗稱“礦山法”，暗挖法在技術(shù)上我國走在世界的前列,一般在繁華的市區(qū),不中斷交通,減少對城市人民生活的干擾,特別是在地下水位較深、不需要降水的條件下采用。

其施工程序大致是，先利用鋼拱架加噴射混凝土，作為地下洞室的初期支撐保護，然后進行二次襯砌加固。這種施工作業(yè)方法由于在地下進行，因此對地面交通秩序影響極小暗挖法俗稱“礦山法”，67蓋挖法蓋挖法是由地面向下開挖至一定深度后，將頂部封閉，其余的下部工程在封閉的頂蓋下進行施工。主體結(jié)構(gòu)可以順作，也可以逆作。在城市繁忙地帶修建地鐵車站時，往往占用道路，影響交通。當?shù)罔F車站設(shè)在主干道上，而交通不能中斷，且需要確保一定交通流量要求時，可選用蓋挖法。蓋挖法蓋挖法是由地面向下開挖至一定深度后，將頂部封閉，其余的68定義地下洞室課件69注漿錨桿注漿錨桿70定義地下洞室課件71定義地下洞室課件72第七節(jié)巖體的分類一、單指標分類1、巖體的RQD分類2、圍巖自穩(wěn)時間分類3、巖體彈性波速分類4、巖體完整性系數(shù)分類第七節(jié)巖體的分類一、單指標分類73二、多指標分類1、比式分類2、巴頓分類3、巖體結(jié)構(gòu)分類三、我國公路隧道圍巖分類1、公路隧道圍巖分類出發(fā)點2、分類指標和因素3、公路隧道圍巖分類4、隧道施工圍巖分類二、多指標分類74四、錨噴支護圍巖分級五、工程巖體分級1、巖體基本質(zhì)量的分級因素2、巖體基本質(zhì)量分級3、工程巖體級別的確定四、錨噴支護圍巖分級75END[思考題]選擇地下洞室位置包括哪幾個方面？各方面要考慮哪些地質(zhì)條件的影響？洞室圍巖的概念是什么？圍巖產(chǎn)生變形和破壞的機理是什么？地下圍巖破壞的主要類型有哪些？各有什么特征？保護地下圍巖穩(wěn)定性的工程措施有哪些？新奧法和盾構(gòu)法的特點是什么？END[思考題]76第六章地下洞室的工程地質(zhì)問題第一節(jié)概述第二節(jié)洞室位置的選擇第三節(jié)洞室圍巖壓力(了解)第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素的分析第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施（重點）第七節(jié)巖體的工程分類第六章地下洞室的工程地質(zhì)問題第一節(jié)77一、定義地下洞室：指在地下或山體內(nèi)部的各類建筑物。如地下交通運輸用的鐵道和公路隧道、地下鐵道等；地下工業(yè)用房的地下工廠、電站和變電所及地下礦井巷道、地下輸水隧洞等；地下儲存庫房用的地下車庫、油庫、水庫和物資倉庫等；第一節(jié)概述一、定義第一節(jié)概述78一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：１．在選擇地下建筑工程位置時，判定擬建工程的區(qū)域穩(wěn)定性和山體巖體的穩(wěn)定性（包括洞口邊坡穩(wěn)定和洞身巖體的穩(wěn)定）。２．在已選定的工程位置上判定地下建筑工程所在巖體的穩(wěn)定性。這個階段除進行一般的巖體穩(wěn)定評價以外，還要解決一些與土建設(shè)計有關(guān)的巖體穩(wěn)定方面的問題，這些問題有：一般來說，地下工程所要解決的主要工程地質(zhì)問題有如下方面：79（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓力評價）；（2）巖體內(nèi)地下水壓力的評價（即地下水對襯砌支護的壓力）；（3）提出保護圍巖穩(wěn)定性和提高穩(wěn)定性的加固措施；圍巖：地下洞室周圍的圍巖土體。即洞室周圍受到開挖影響，大體相當于地下洞室寬度或平均直徑3倍左右范圍內(nèi)的巖土體。我國幾處地下洞室圍巖失穩(wěn)或破壞的典型實例

見下表（1）洞室四周巖體的圍巖壓力的評價（即巖體本身對襯砌支護的壓80地鐵塌方事故：北京：2007年3月28日海淀南路地鐵10號線工程塌方，6名施工者被埋；廣州：2008年1月17日，珠江大橋引橋下雙橋路旁邊花圃內(nèi)地面突然下陷；深圳：2008年4月1日，龍崗區(qū)地鐵3號線工地施工時發(fā)生坍塌，造成3死2傷。地鐵塌方事故：北京：2007年3月28日海淀南路地鐵10號線81定義地下洞室課件82定義地下洞室課件83定義地下洞室課件84定義地下洞室課件85定義地下洞室課件86定義地下洞室課件87定義地下洞室課件88二、分類成因人工洞室天然洞室過水洞室不過水洞室有壓洞室無壓洞室定義地下洞室課件89第二節(jié)洞室位置的選擇一、地下工程總體位置的選擇在進行地下工程總體位置選擇時，首先要考慮區(qū)域穩(wěn)定性，此項工作的進行主要是向有關(guān)部門收集當?shù)氐挠嘘P(guān)地震、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造史及現(xiàn)代構(gòu)造運動等資料，進行綜合地質(zhì)分析和評價。特別是對于區(qū)域性深大斷裂交會處，近期活動斷層和現(xiàn)代構(gòu)造運動較為強烈的地段，尤其要引起注意。第二節(jié)洞室位置的選擇一、地下工程總體位置的選擇90一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：1.基本地震烈度一般小于８度，歷史上地震烈度及震級不高，無毀滅性地震；2.區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，工程區(qū)無區(qū)域性斷裂帶通過，附近沒有發(fā)震構(gòu)造；3.第四紀以來沒有明顯的構(gòu)造活動。

區(qū)域穩(wěn)定性問題解決以后，即地下工程總體位置選定后，進一步就要選擇建洞山體，一般認為理想的建洞山體具有以下條件：一般認為，具備下列條件是宜于建洞的：911.在區(qū)域穩(wěn)定性評價基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；2.建洞區(qū)構(gòu)造簡單，巖層厚且產(chǎn)狀平緩，構(gòu)造裂隙間距大、組數(shù)少，無影響整個山體穩(wěn)定的斷裂帶；1.在區(qū)域穩(wěn)定性評價基礎(chǔ)上，將洞室選擇在安全可靠的地段；923.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地層，巖體結(jié)構(gòu)強度不僅能抵抗靜力荷載，而且能抵抗沖擊荷載；地形完整，山體受地表水切割破壞少，沒有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破壞的地形。3.巖體完整，成層穩(wěn)定，且具有較厚的單一的堅硬或中等堅硬的地934.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進洞生產(chǎn)面積的同時，具有較厚的洞體頂板厚度作為防護地層；

地下水影響小，水質(zhì)滿足建廠要求；5.無有害氣體及異常地熱；4.巖溶很不發(fā)育，山體在滿足進洞生產(chǎn)面積的同時，具有較厚的洞94二、洞口選擇的工程地質(zhì)條件

洞口的工程地質(zhì)條件，主要是考慮洞口處的地形及巖性、洞口底的標高、洞口的方向等問題。至于洞口數(shù)量和位置（平面位置和高程位置）的確定必須根據(jù)工程的具體要求，結(jié)合所處山體的地形、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件等慎重考慮，因為出入口位置的確定，一般來說，基本上就決定了地下洞室軸線位置和洞室的平面形狀。二、洞口選擇的工程地質(zhì)條件95（一）洞口的地形和地質(zhì)條件

洞口宜設(shè)在山體坡度較大的一面（大于30°），巖層完整，覆蓋層較薄，最好設(shè)置在巖層裸露的地段，以免切口刷坡時刷方太大，破壞原來的地形地貌。（一）洞口的地形和地質(zhì)條件96（二）洞口底標高的選擇

洞口底的標高一般應(yīng)高于谷底最高洪水位以上0.5～1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴發(fā)時，洪水泛濫倒灌流入地下洞室；（二）洞口底標高的選擇97（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象

在選擇洞口位置時，必須將進出口地段的物理地質(zhì)現(xiàn)象調(diào)查清楚。洞口應(yīng)盡量避開易產(chǎn)生崩塌、剝落和滑坡等地段，或易產(chǎn)生泥石流和雪崩的地區(qū)。以免對工程造成不必要的損失。

（三）洞口邊坡的物理地質(zhì)現(xiàn)象98三、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件

洞室軸線的選擇主要是由地層巖性、巖層產(chǎn)狀、地質(zhì)構(gòu)造以及水文地質(zhì)條件等方面綜合分析來考慮確定。

（一）布置洞室的巖性要求

洞室工程的布置對巖性的要求是：盡可能使地層巖性均一，層位穩(wěn)定，整體性強，風化輕微，抗壓與抗剪強度較大的巖層中通過。一般說來，舉凡沒有經(jīng)受劇烈風化及構(gòu)造運動影響的大多數(shù)巖層都適宜修建地下工程。三、洞室軸線選擇的工程地質(zhì)條件99（二）地質(zhì)構(gòu)造與洞室軸線的關(guān)系下面進一步分析有關(guān)洞室軸線與巖層產(chǎn)狀要素以及與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系。1．當洞室軸線平行于巖層走向時，根據(jù)巖層產(chǎn)狀要素和厚度不同大體有如下三種情況：（二）地質(zhì)構(gòu)造與洞室軸線的關(guān)系100（ｌ）在水平巖層中（巖層傾角＜5°～10°），若巖層薄，彼此之間聯(lián)結(jié)性差，又屬不同性質(zhì)的巖層，在開挖洞室（特別是大跨度的洞室）時，常常發(fā)生塌頂，因為此時洞頂巖層的作用如同過梁，（1、過梁：可分為磚拱過梁、鋼筋磚過梁和鋼筋混凝土過梁三種。主要設(shè)置在墻體上開設(shè)門窗等洞的上方，承受洞口上部的荷載。）（ｌ）在水平巖層中（巖層傾角＜5°～10°），若巖層薄，彼此101

它很容易由于層間的拉應(yīng)力到達極限強度而導致破壞。如果水平巖層具有各個方向的裂隙，則常常造成洞室大面積的坍塌。因此，在選擇洞室位置時，最好選在層間聯(lián)結(jié)緊密、厚度大（即大于洞室高度二倍以上者）不透水、裂隙不發(fā)育，又無斷裂破碎帶的水平巖體部位，這樣對于修建洞室是有利的（圖8-12）。

它很容易由于層間的拉應(yīng)力到達極限強度而導致破壞102定義地下洞室課件103（２）在傾斜巖層中，一般說來是不利的，因為此時巖層完全被洞室切割，若巖層間缺乏緊密聯(lián)結(jié)，又有幾組裂隙切割，則在洞室兩側(cè)邊墻所受的側(cè)壓力不一致，容易造成洞室邊墻的變形（圖8-13）。

（２）在傾斜巖層中，一般說來是不利的，因為此時巖層完全被洞室104（３）在近似直立的巖層中，一定要注意不能把洞室選在軟硬巖層的分界線上（圖8-14）。特別要注意不能將洞室置于直立巖層厚度與洞室跨度相等或小于跨度的地層內(nèi)（圖8-15）。因為地層巖性不一樣，在地下水作用下更易促使洞頂巖層向下滑動，破壞洞室，并給施工造成困難。（３）在近似直立的巖層中，一定要注意不能把洞室選在軟硬巖層的105定義地下洞室課件106２．當洞室軸線與巖層走向垂直正交時，為較好的洞室布置方案。（１）當巖層傾角較陡，各巖層可不需依靠相互間的內(nèi)聚力聯(lián)結(jié)而能完全穩(wěn)定。因此，若巖性均一，結(jié)構(gòu)致密，各巖層間聯(lián)結(jié)緊密，節(jié)理裂隙不發(fā)育。在這些巖層中開挖地下工程最好（圖8-16）。２．當洞室軸線與巖層走向垂直正交時，為較好的洞室布置方案。107定義地下洞室課件108（２）當巖層傾角較平緩，洞室軸線與巖層傾斜的夾角較小，若巖性又屬于非均質(zhì)的、垂直或外交層面節(jié)理裂隙又發(fā)育時，在洞頂就容易發(fā)生局部石塊坍落現(xiàn)象，洞室頂部常出現(xiàn)階梯形特征（圖8-17）。３．洞室軸線穿過褶曲地層時，一般洞室軸線穿越褶曲地層時可遇到以下幾種情況：

（２）當巖層傾角較平緩，洞室軸線與巖層傾斜的夾角較小，若巖性109（ｌ）洞室橫穿向斜層。在向斜的軸部有時可遇到大量地下水的威脅和洞室頂板巖塊崩落的危險。因軸部的巖層遭到擠壓破碎常呈上窄下寬的楔形石塊（圖8-18），組成倒拱形，因而使其軸部巖層壓力增加，洞頂巖塊最容易突然地坍落到洞室。另外，由于軸部巖層破碎又彎曲呈盆形，在這些地帶往往是自流水儲存的場所。（圖8-19）。

（ｌ）洞室橫穿向斜層。在向斜的軸部有時可遇到大量地下水的威脅110定義地下洞室課件111（２）洞室軸線橫穿背斜層。由于背斜呈上拱形。巖層被破碎如石砌的拱形結(jié)構(gòu)，能很好的將上覆巖層的荷重傳遞到兩側(cè)巖體中去。因而地層壓力既小又較少發(fā)生洞室頂部塌坍的事故。但是應(yīng)注意若巖層受到劇烈的動力作用被壓碎，則頂板破碎巖層容易產(chǎn)生小規(guī)模掉塊。因此，當洞室穿過背斜層也必須進行支撐和襯砌（圖8-20）。（２）洞室軸線橫穿背斜層。由于背斜呈上拱形。巖層被破碎如石砌112定義地下洞室課件113第三節(jié)洞室圍巖壓力一、天然地應(yīng)力1、自重應(yīng)力2、構(gòu)造應(yīng)力二、洞室圍巖二次應(yīng)力1、軸對稱圓形洞室圍巖二次應(yīng)力2、圓形洞室時的情況3、橢圓形洞室、等應(yīng)力軸比4、非圓形斷面洞室的彈性應(yīng)力分布特征第三節(jié)洞室圍巖壓力一、天然地應(yīng)力114三、有塑性區(qū)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力分布四、圍巖壓力的確定1、圍巖壓力的形成2、影響圍巖壓力的因素（1）洞室的形狀和大小（2）地質(zhì)構(gòu)造（3）支護的形式和剛度（4）洞室深度（5）時間（6）施工方法三、有塑性區(qū)產(chǎn)生的圍巖應(yīng)力分布115（1）普室壓力拱法（2）太沙基理論4、變形壓力的計算（1）普室壓力拱法116第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式一、冒頂二、側(cè)壁滑塌與內(nèi)鼓三、底鼓及徑縮四、巖爆五、局部破壞六、圍巖破壞導致的地面沉降1、塌落帶2、裂隙帶3、彎曲帶第四節(jié)洞室圍巖的破壞形式117第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素分析一、圍巖穩(wěn)定的概念圍巖穩(wěn)定是指在一定時間內(nèi)、在一定的地質(zhì)力和工程力作用下巖體不產(chǎn)生破壞和失穩(wěn)。第五節(jié)洞室圍巖穩(wěn)定性因素分析一、圍巖穩(wěn)定的概念118影響因素（一）巖石特性（二）地質(zhì)構(gòu)造（三）巖體結(jié)構(gòu)（四）地下水與巖溶（五）構(gòu)造應(yīng)力（六）洞室跨度（七）開挖方式（八）支護方式（九）支護時間

影響因素119第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的施工方案。施工方案選定合理，對保護圍巖穩(wěn)定性有很大意義；隧洞的開挖方式，基本上有兩種：一種是全斷面開挖法；另一種是導洞開挖法。全斷面開挖法一般適用于圍巖很穩(wěn)定，無塌方掉石的地區(qū)。對巖石稍差但斷面尺寸較小的中小型隧洞亦可全斷面開挖。第六節(jié)保障洞室圍巖穩(wěn)定性的措施圍巖穩(wěn)定程度不同，應(yīng)選擇不同的120導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩(wěn)定的地質(zhì)條件。為了防止塌方冒頂事故，可縮小斷面，先打?qū)Ф?，然后分塊完成施工斷面。兩方面保證一、盡量保護圍巖原有穩(wěn)定性二、賦予圍巖一定的強度，提高其穩(wěn)定性。導洞開挖法適用于斷面較大，巖體又不太穩(wěn)定的地質(zhì)條件。為了防止121一、合理施工原則：盡量減少對圍巖的擾動，及時封閉圍巖，設(shè)置支護結(jié)構(gòu)。對于大斷面的洞室，可采取分段開挖1、上導洞施工法（圍巖穩(wěn)定性最差）導洞開挖法當圍巖不太穩(wěn)定，頂圍易塌時，一、合理施工122應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導洞立即支撐，達到要求的輪廓作好頂拱襯砌。然后在頂拱襯砌保護下擴大斷面，最后做側(cè)墻襯砌。即先拱后墻的辦法。應(yīng)在洞室最大斷面的上部先挖導洞1232、單側(cè)導洞施工法當圍巖很不穩(wěn)定，頂圍塌落，側(cè)圍易滑時，可先在設(shè)計斷面的側(cè)部開挖導洞，由下處向上逐段襯護。到一定高程，再挖頂部導洞，作好頂拱襯砌，最后挖除殘留巖體。這便是側(cè)導洞開挖、即先墻后拱的方法，或稱為核心支撐法。

2、單側(cè)導洞施工法1243、雙側(cè)導洞施工法（圍巖很不穩(wěn)定）4、全斷面一次開挖施工法圍巖穩(wěn)定，可全斷面一次開挖?，F(xiàn)在多采用新奧法和盾構(gòu)法等新型施工方法。3、雙側(cè)導洞施工法（圍巖很不穩(wěn)定）125定義地下洞室課件126掘進機掘進機127二、支護（支撐、襯砌、錨噴、錨注）支撐、襯砌與噴漿加固隧洞的支襯工作，包括支撐和襯砌兩方面。支撐是臨時性加固洞壁的措施，襯砌是永久性加固洞壁的措施。此外還有噴漿護壁、噴射混凝土、錨筋加固及錨噴加固等。二、支護（支撐、襯砌、錨噴、錨注）128支撐支撐工作是開挖過程中，為防止圍巖塌方的臨時性措施，過去通常用木支撐、鋼支撐及混凝土預(yù)制構(gòu)件支撐等。近代國內(nèi)外多采用錨桿支護，錨桿能把松動巖塊與穩(wěn)固巖體牢固地聯(lián)在一起，是一種“懸吊式”支護。支撐129襯砌襯砌的作用與支撐相同，但經(jīng)久耐用，使洞壁光坦。磚、石襯砌較便宜，鋼筋混凝土、鋼板襯砌的成本最高。襯砌一定要與洞壁緊密結(jié)合，填嚴塞實其間空隙才能起到良好效果。作頂拱的襯砌時，還要預(yù)留壓漿孔。襯砌后，再回填灌漿，達到嚴實的目的，在滲水地段也可起防滲作用。襯砌130襯砌厚度往往取決于巖石的性質(zhì)，如對于堅硬類巖石一般要求20—30cm即可，特別堅固或裂隙稀少的巖石甚至可不加襯砌；中等堅硬巖石一般40—50cm；軟弱巖石及松散土層則要求50—150cm或更厚的混凝土襯砌。襯砌厚度往往取決于巖石的性質(zhì)，131噴漿護壁噴漿護壁較簡便而又經(jīng)濟，對保護易風化圍巖的穩(wěn)定性效果較好。當洞室開炮后及時在洞壁上噴射水泥砂漿，形成保護層，保護圍巖原有強度。我國應(yīng)用日益廣泛，國外采用也很普遍。噴漿護壁132噴射混凝土噴射混凝土與噴漿方法相仿，但作用大不相同。混凝土內(nèi)加速凝劑，及時(越早越好)噴射到洞壁上，它便很快地凝固并有較大強度，可防止洞壁早期松動。噴射混凝土133錨筋加固錨筋加固又稱錨桿加固，目前大量采用。將錨筋插入圍巖：使洞周松動圍巖與穩(wěn)定圍巖固定，起到釘子的作用。錨筋加固134灌漿與加固裂隙嚴重的巖體和極不穩(wěn)定的第四紀堆積物中開挖洞室，常需要加固以增大圍巖穩(wěn)定性，降低其滲水性。最常用的加固方法就是水泥灌漿，其次有瀝青灌漿、水玻璃(硅酸性)灌漿，還有凍結(jié)法，等等。通過這種辦法，在圍巖中大體形成一圓柱形或球形的固結(jié)層。灌漿與加固135三、新奧法(二)新奧法的原理和應(yīng)用顧名思義，新奧法創(chuàng)始于奧地利。新奧法的基本思想是充分利用圍巖自身的承載能力，其要點可歸結(jié)為：三、新奧法136①運用現(xiàn)