第七章地下建筑的工程地質分析第七章

地下建筑的工程地質分析

地下洞室:是指建筑于地下巖土體中，具有一定斷面形態(tài)和尺寸，并有較大延伸長度的地下建筑。

而洞室周圍的巖體簡稱為圍巖。實際工作中，一般認為其是受到開挖影響，大體相當于洞室寬度或平均直徑3倍距離范圍內的巖土體。

各類工程中的地下建筑物，一般包括：輸水隧洞、導流隧洞、地下廠房、鐵路隧洞、公路隧洞等。其中，各類地下洞室（隧洞）是主要的地下建筑類型。第七章

地下建筑的工程地質分析

地下建筑位置的選擇，除取決于工程目的要求外，首先要考慮區(qū)域、山體穩(wěn)定，其次為地形、巖性、地質構造、地下水及地應力等因素的影響。第一節(jié)地下洞室選址的工程地質條件**區(qū)域穩(wěn)定性及山體的穩(wěn)定:一般要求，建洞地區(qū)應是區(qū)域地質構造穩(wěn)定，無區(qū)域性大斷裂通過，附近沒有發(fā)震構造，地震基本烈度應小于8度。第七章

地下建筑的工程地質分析一、地形地貌條件

山體完整，洞室周圍應有足夠的山體厚度。隧洞進出口地段的邊坡應下陡上緩，無滑坡、崩塌。洞口巖石直接出露或坡積層薄，巖層最好傾向山里。洞口開挖在高邊坡時，應不削坡或少削坡即進洞，必要時可做人工洞口先行進洞，以保證邊坡的穩(wěn)定性。隧洞進出口排水方便且不易受水流沖刷。第七章

地下建筑的工程地質分析隧洞選線利用溝谷地形示意圖第七章

地下建筑的工程地質分析堅硬巖石中開挖隧洞-------圍巖穩(wěn)定，日進尺快、造價便宜。軟弱巖層、破碎巖層和松散巖層中掘進------頂板容易坍塌、側壁和底板容易產生鼓脹變形，常需支護或襯砌后掘進，日進尺慢，造價高。盡量避開不良圍巖，使洞室置于堅硬巖層中。二、巖性條件巖石性質是控制地下洞室圍巖穩(wěn)定的重要因素，也是決定工程工期和造價的主要條件之一。第七章

地下建筑的工程地質分析軟硬互層或含軟弱夾層的巖體，穩(wěn)定性差。層狀巖體的層次愈多，單層厚度愈薄，穩(wěn)定性愈差。盡量使洞室置于堅硬巖層和同一巖層中，若不能避免，則將頂圍置于堅硬巖層中。第七章

地下建筑的工程地質分析地質構造條件對洞室圍巖穩(wěn)定有重要的影響。

盡量使軸線與地區(qū)構造線的方向相垂直或成大角度相交。盡量避開大的斷層破碎帶或呈小角度相交。傾斜巖層地區(qū)，注意洞軸線與巖層產狀的關系。

三、地質構造條件1)對斷裂構造:隧洞所遇斷裂破碎帶寬度愈大，走向與洞軸線交角愈小，在洞內出露面積也愈大，對圍巖的穩(wěn)定影響就愈大，特別是平行于洞軸線的斷層更應盡量避開。第七章

地下建筑的工程地質分析斷層對地下洞室選線的影響

第七章

地下建筑的工程地質分析2)褶皺劇烈地區(qū)，斷裂也發(fā)育，尤其褶皺核部巖層完整性最差。背斜核部，雖巖層破碎，然猶如石砌的拱形結構，能將上覆巖層的荷重傳遞至兩側巖體中去，所以有利于洞頂?shù)姆€(wěn)定。洞頂雖張裂隙發(fā)育，然巖塊呈上寬下窄形，不易掉塊。向斜核部巖層呈倒拱形，頂部被張裂隙切割的巖塊上窄下寬易坍落。

另-----向斜核部往往是承壓水儲存的場所，地下洞室開挖時地下水會突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。

第七章

地下建筑的工程地質分析地下洞室軸線與褶皺的關系第七章

地下建筑的工程地質分析√√須做工作：調查分析地下水的埋藏條件、類型及泉水出露情況。

水量方面：對易透水的巖層和構造，特別是喀斯特地區(qū)，應注意其分布規(guī)律和發(fā)育程度，并結合隧洞設計高程，分析評價地下水涌水的可能性及涌水量。

水質方面：資料分析，對PH＜5的酸性地下水，應分析水中侵蝕性CO2和硫酸鹽侵蝕性對混凝土襯砌的影響。四、水文地質條件選址時最好選在地下水位以上的干燥巖體內，地下水量不大、無高壓含水層的巖體內。

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地下建筑的工程地質分析五、地應力了解初始應力場的分布和變化規(guī)律，至關重要。初始應力狀態(tài)是決定圍巖應力重分布的主要因素。如果圍巖內出現(xiàn)拉應力，壓應力集中且較大，對圍巖穩(wěn)定不利。初始應力場的水平主應力值較大時，洞室軸線最好平行于最大水平主應力方向(與構造主線垂直，即與主壓應力方向平行）布置，否則邊墻將產生嚴重的變形和破壞。第七章

地下建筑的工程地質分析地下洞室在開挖前，山體內部的巖石處于天然應力（地應力）狀態(tài)。地應力一般可分為：

自重應力

構造應力

變異應力

第二節(jié)洞室設計的工程地質問題一、地應力及其組成第七章

地下建筑的工程地質分析二、圍巖應力重分布的特征地下洞室開挖前，巖體內任意點上的應力都是平衡的。圍巖內任意點都有：第七章

地下建筑的工程地質分析

以圓形洞室為例（右圖），假定開挖前只存在壓應力δ，無拉、剪力，則極坐標下圍巖中任意一點有：

m(θ,r)raθ

軸向（徑向）應力切向應力

a——洞室半徑r——圍巖中某點的圓心距θ——極角

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地下建筑的工程地質分析洞室開挖后，當r=a時，有:

第七章

地下建筑的工程地質分析r＞a時，顯見r越大越小，也越大，第七章

地下建筑的工程地質分析有最大值所以，破壞總是先從洞壁開始。在處第七章

地下建筑的工程地質分析（1）概念：山巖壓力（簡稱山壓）

洞室上部巖體作用于洞室支撐襯砌結構上的作用力?？煞譃椋?/p>

變形山壓松動山壓

三、洞室開挖運行后的新生應力1.山巖壓力第七章

地下建筑的工程地質分析（2）普式平衡拱與普式山壓地下洞室開挖后頂圍坍落是洞室圍巖失穩(wěn)最常見的一類。多數(shù)頂圍坍落后常形成一個自然的坍落拱，在坍落拱上，圍巖的應力達到平衡，破壞與變形也就中止了，若能人為設計出該坍落拱，使圍巖應力提前均衡，頂圍坍落使不會再發(fā)生（針對水平巖層和松散巖體）。第七章

地下建筑的工程地質分析計算方法前提

①圍巖為水平巖層或散體結構巖體②洞室側壁未發(fā)生滑坍第七章

地下建筑的工程地質分析第七章

地下建筑的工程地質分析普氏平衡拱法

普羅托齊雅科諾夫（堅固系數(shù)）方法散粒體一般巖體對于整體性巖體，有：=Rc/100

取平衡拱左半拱，該塊巖體受力（同三鉸拱）為：鉛直重力，右半拱水平推力T，拱角水平反力F，鉛直反力V，依據(jù)靜力平衡條件，對拱角A點取力矩，則有FVAh1b1T第七章

地下建筑的工程地質分析當達到平衡時，必然有

F=TV=×b1

這是F為V產生的摩阻力，引入——堅固系數(shù)替代巖體內摩擦系數(shù)（）則可知第七章

地下建筑的工程地質分析

一般地，當F＞T時，拱圍即可達到穩(wěn)定，但為保證安全，設計時常取F=2T，即安全系數(shù)為2，時代入有:將此值代入h1表達式有：第七章

地下建筑的工程地質分析即

就是設計的普氏平衡拱高。此拱高下，頂圍即可保證安全穩(wěn)定性。第七章

地下建筑的工程地質分析*普氏還認為：平衡拱是呈拋物線形式的，由此洞頂普氏山巖壓力Q應為（面積×容重）。實驗確定第七章

地下建筑的工程地質分析2.彈性抗力彈性抗力：指有壓隧洞充水后，襯砌部分或整體（如壓力隧洞襯砌的周邊）發(fā)生向圍巖方向變形時，在圍巖中產生的抵抗力。彈性抗力常用彈性抗力系數(shù)來表示,即：

P

——巖石承受的壓力（內水壓力）

y

——洞壁的徑向變形。隧洞半徑愈大，巖體的彈性抗力系數(shù)越小。工程上常采用隧洞半徑為1m時的彈性抗力系數(shù)作為單位抗力系數(shù).第七章

地下建筑的工程地質分析3.外水壓力外水壓力：作用在隧洞襯砌上的地下水靜水壓力。其大小是由兩方面因素所決定的：①決定于隧洞圍巖的水文地質條件，如地下水位的高低、巖石的透水性以及地下水的埋藏條件；②決定于隧洞設計和施工情況，如排水設置、襯砌本身的透水性、襯砌與巖石的結合程度以及灌漿效果等。第七章

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隧洞外水壓力示意圖第七章

地下建筑的工程地質分析第三節(jié)

洞室施工的工程地質問題一、地下洞室圍巖的變形、破壞形式

當洞室圍巖難以承受應力變化所帶來的影響時，就會發(fā)生變形與破壞，形式主要有以下4種：1．頂圍懸垂坍落：常見于頂部圍巖裂隙發(fā)育或風化嚴重的水平巖層圍巖中，坍落后，可自然形成一個“坍落拱”（重力作用原因）。第七章

地下建筑的工程地質分析2．側圍突出與滑塌：多發(fā)生于陡立層狀巖體中。這種巖層側圍滑塌后又會發(fā)生頂圍坍落（天然應力δ引起），但不會形成坍落拱。第七章

地下建筑的工程地質分析3．底圍鼓脹與隆破：多見于塑性、彈塑性巖體中或裂隙發(fā)育，有適當結構面的圍巖中，或因洞室埋深過大而引起。第七章

地下建筑的工程地質分析4．圍巖縮徑與巖爆：前者指頂、側、底三圍以相似速度向洞內變形，多見于彈塑性和塑性巖體中，后者是脆性巖體中各別巖塊在失去一側圍壓阻擋后，突然向洞室內彈出的現(xiàn)象.

彈出巖塊不可能再塞回原位①巖塊體積增大②原位變形第七章

地下建筑的工程地質分析第七章

地下建筑的工程地質分析地下洞室圍巖的變形、破壞形式二、提高圍巖穩(wěn)定性的措施常用的支襯結構有支撐、襯砌