土木工程第七章地下洞室围岩稳定性分析

土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『第七章▎地下洞室围岩稳定性7『7.1▎洞室围岩应力重分布『7.2▎洞室围岩变形与破坏『7.3▎洞室围岩稳定性因素分析『7.4▎洞室围岩压力『7.5▎洞室围岩承载性能『7.6▎洞室围岩的外水压力『7.7▎保障洞室围岩稳定性措施*土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI地下洞室:是指在岩体或土体内挖掘而形成的空洞或通道。它们共同的特点是：建设在地下岩土体内，具有一定断面形状和尺寸，并有较大延伸长度（图7-1）。图7-1地下水电动室布置剖面示意图1—进水闸门2—引水隧道3—调压室4—压力斜管5—地下电站厂房6—尾水隧道围岩：洞室周围的岩土体简称围岩。狭义上，围岩常常是指洞室周围受到开挖影响、大体相当地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。地下洞室突出的工程地质问题是围岩的稳定问题。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.1▎洞室围岩应力重分布洞室开挖前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称一次应力或初始应力状态。洞室开挖后，应力平衡状态被破坏。洞室周边围岩失去原有支撑，就要向洞室空间松胀，结果又改变了围岩的相对平衡关系，形成新的应力状态。这种由于洞室开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的过程和现象，称为围岩应力重分布。图7-2洞室围岩中的应力分布土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-3洞室围岩的范围当岩体为均质、连续、各向同性和l=1的情况下，弹性理论导出洞室围岩应力计算式：(7-1)由式(7-1)可见，当r=a时，sq=2s，sr=0;当r=b时，sq=s。一般认为此深度大约为(5~6倍)a(相当于洞室直径的3倍)。这个范围内的岩土体便是所谓的“狭义围岩”(图7-4)。显然，在洞壁(r=a)处sq与sr的差值是最大的2s,因此围岩的破坏多是从洞壁开始。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-4l=1时圆形洞室围岩应力分布曲线当洞室断面不是圆形而是其他形状时，应力分布图形都有变化。不同断面洞室围岩中应力分布情况如图7-5所示。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-5各种不同断面形状洞室周边应力分布曲线注：“+”压应力；“-”拉应力围岩应力分布的规律是：顶、底板围容易出现拉应力；周边转角处存在很大的剪应力；洞室的高宽比对围岩应力分布的影响极大。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.2▎洞室围岩变形与破坏洞室围岩的变形与破坏，一方面取决于地下岩体的天然应力，重分布应力及附加应力；另一方面与岩土体的结构及其工程地质性质密切相关。『7.2.1▎围岩松动圈当应力增高值达到或超过围岩强度时，围岩进入塑性变性状态，在洞壁附近产生裂隙、破坏、松胀，因而应力释放，强度降低，出现应力降低区或“松动圈”。松动圈是洞室围岩变形与破坏的重要地带。『7.2.2▎围岩的悬垂与坍落、突出与滑塌、鼓胀与隆破。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI洞室开挖初始阶段，顶壁围岩虽发生变形，但仍可保持其稳定状态（图7-6）。进一步发展，顶围原有和新生的结构面相互汇合交截，便可构成数量不一、形状不同、大小不等的分离体。它们在重力作用下与围岩母体脱落，突然坍落而终至形成坍落拱。图7-6层状岩体的围岩变形顶围坍落与围岩的结构面和风化程度密切相关。2.侧围突出与滑塌侧围原有和新生的结构面相互汇合交截，构成一定大小、数量、形状各异的分离体。当有具备滑动条件的结构面存在时便向洞室滑塌。1.顶围悬垂与坍落土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI3.底围鼓胀与隆破洞室开挖后，底围总是或大或小，或隐或显地发生鼓胀现象。进一步发展，在适当条件下，底围便可能被破坏，失去完整性冲向洞室空间，甚至堵塞全部洞室，形成隆破(图7-7，图7-8)。图7-7京西史家滩某巷道底围鼓胀示意图a)底围鼓胀b)侧围突出与底围鼓胀土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-8底围隆破土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI4.围岩缩径与岩爆顶围、侧围、底围三者以相似的大小和速度，向洞室空间方向变形，而不失其完整性，最终导致支撑和衬砌的破坏。这便是在粘性土或粘土岩、泥灰岩，凝灰岩中常见的围岩缩径(图7-9)。又称“全面膨胀”。图7-9围岩缩径示意图土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI洞室开挖过程中，周壁岩石有时会骤然以爆炸形式，呈透镜体碎片或者碎块突然弹出或抛出，并发出类似射击的噼啪声响，这就是“岩爆”，也有称“山岩射击”。岩爆本质上是在定地质条件下，围岩弹性应变能的高度而迅速集中继而又突然剧烈释放的过程。『7.2.3▎围岩破坏导致的地面沉降矿山采空区上覆岩体变形与破坏，常有明显分带性(图7-10)。图7-10采空区上采覆岩层的变形与破坏Ⅰ—塌落带Ⅱ—裂隙带Ⅲ—弯曲带(1)塌落带紧挨矿体上覆岩层因破坏而坍落的地带。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI(2)裂隙带位于坍落带上方，这一带岩体因变曲变形较大，采空区上方产生较大的近水平的拉应力，两侧承受较大剪应力，因而岩体中出现大量裂隙。(3)弯曲带位于裂隙带以上，有时直至地面的这一带，称为弯曲带。『7.3▎洞室围岩稳定性因素分析天然因素主要有岩石特性、地质构造、地下水和岩溶作用。影响围岩稳定性的因素有天然的，也有人为的。天然因素起控制作用。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.3.1▎岩石特性坚硬完整的岩石一般对围岩稳定性影响较小。而软弱岩石由于强度低，抗水性差，受力容易变形和破坏，对围岩稳定性影响较大。岩浆岩、变质岩中大部分岩石坚硬完整，如花岗岩、闪长岩、致密玄武岩、安山岩、流纹岩、混合岩、片麻岩、石英片岩、变质砾岩等。有些岩石较软弱，如粘土质片岩、绿泥石片岩、千枚岩和泥质板岩等。沉积岩较复杂，其强度比岩浆岩和变质岩要差。除胶结良好的砂岩、砾岩和石灰岩、白云岩比较坚硬外，大都比较较弱，如泥质页岩、钙质页岩、粘土岩、石膏、岩盐、煤，还有胶结不良砂岩、砾岩和部分凝灰岩等。『7.3.2▎地质构造土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI洞室通过坚硬和软弱相间的层状岩体时，易在接触面处变形或坍落。洞室应尽量设置在坚硬岩层中，或尽量把坚硬岩层作为顶围(图7-11)。图7-11层状岩体中隧道褶皱的形式，疏密程度及其轴向与洞室轴线的交角不同，围岩稳定性也不同。洞身横穿褶皱轴，比平行褶皱轴有利。洞室沿背斜轴部通过，顶围向两侧倾斜，由于拱的作用，有利于围岩稳定。而向斜则相反，两侧围岩倾向洞内，并因洞顶存在张裂，对围岩稳定不利(图7-12)。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-12褶皱轴部的隧洞洞室通过断层，若断层带宽度愈大，走向与洞轴交角愈小，它在洞内出露的距离便越长，对围岩稳定性的影响便越大。断层带破碎物质的碎块性质及其胶结情况也都影响围岩稳定性。此外还应特别注意以下几点：土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI①断层泥、未胶结的糜棱岩、片状岩或揉皱带，一般在构造岩带中起“软弱层”作用，要特别注意其分布和力学性质。②胶结的角砾岩和紧密的压碎岩具有一定强度，稳定性尚好，未胶结或疏散的稳定性差。③断层带中地下水的影响也很重要。『7.3.3▎岩体结构层状或块状岩体中围岩破坏，常由几组结构面组合构成一定几何形态的结构体，即围岩分离体的坍落、滑塌。(1)方顶块分离体顶围由陡倾结构面和近水平结构面组合构成的分离体。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI(2)尖顶块分离体两组走向平行但倾向相反的结构面和另一组与其走向垂直或斜交的陡倾结构面组合构成的尖顶块分离体可以是半尖顶可尖锥顶的分离体。『7.3.4▎地下水与岩溶洞室通过含水层，便成为排水通道，改变了原来地下水动力条件。裂隙水常以管状或脉状方式溃入洞内。地下水通过断层、裂隙、破碎带或裂隙密集带流向洞内，水力坡度有时会很大，可能产生机械潜蚀，严重都可形成流砂，水带泥砂一起涌向洞室。有压洞室还就考虑内水压力与外水压力对稳定性的影响。大溶洞可作为地下建筑的场所，但在不少情况下反倒是工程上的威胁。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.3.5▎构造应力构造应力具有明显的方向性，它控制着地下洞室围岩的变性和破坏。工程布置上，洞室轴线的最优方向，一般应与最大主应力方向一致。构造应力最大主应力方向水平或近于水平并垂直洞轴的情况下，可使顶围和底围不出现拉应力，所以它对顶围、底围的稳定有利。这种应力较大时，加大洞室跨度，能增大顶围的稳定。『7.4▎洞室围岩压力由于围岩的变形与破坏而作用于支护或衬砌上的压力，称为“围岩压力”。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI围岩达压力按其形成方式，有变形围岩压力、松动围岩压力、膨胀围岩压力和冲击围岩压力。围岩压力的计算是一个极为复杂的问题，到目前为止，还没有圆满的解决方法。下面主要介绍一定简化条件下的松动围岩压力理论即平衡拱理论。1.普氏fK法目前我了用得最普遍的是沿用已久的普氏fK法。普氏fk方法的基本假定：洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位以上和两侧砂体，处于新的平衡状态而稳定。塌落边界轮廓呈拱形。若洞室侧围砂体沿斜面滑动，洞顶仍塌落后呈拱形。若有支撑或衬砌，作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体维持自身平衡。这个拱便称为“天然平衡拱”。图7-13平衡拱受力情况土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI根据静力平衡条件可得：(7-2)平衡时该点反力F=T，V=×b1。把F视为由V产生的摩擦阻力，并引用一个特有的强度指标fK(坚固系数)来代替土的内摩擦系数。粘性土,无粘性土因此为使拱圈有足够的稳定性使F>T,取安全系数为2,即则土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI设单位面积上的侧围压力为Pa(见图7-14)则：代入式(7-2)有普氏认为，平衡拱呈抛物线型，因此洞顶围岩压力(Q)便可按下式计算：(7-3)式中g——土的重度。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI侧壁围岩压力(Pa)便可按下式计算：(7-4)图7-13侧壁围压分布示意图土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI普氏将此方法推广到岩体上，认为被许多裂隙切割的岩体也可视为具有一定凝聚力的松散体，并认为坚固系数为岩石抗压强度Rc的1/100,即对于fk<4的土和岩石，同剪面一样计算洞顶和洞壁的围岩压力fk>4的岩石，则只有洞顶出现围岩压力，一般没有侧壁围岩压力。普氏理论有定的优点，把塌落体的重力视为围岩压力，很直观，但也有很大局限性，普氏理论完全不考虑岩体结构，构造应力，特别是围岩应力重分布的影响。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI2.围岩压力系数法我国水电部1966年归纳了水电工作成果，整理了不同岩石和不同风化破碎程度岩石的fk值，提出围岩压力系数S,估算围岩压力。铅垂围岩压力的计算为水平围岩压力的计算公式为式中Sz、Sx——铅垂和水平围岩压力系数；g——围岩重度B——洞室宽度H0——洞室高度土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.5▎洞室围岩承载性能围岩承载能力是有压洞室围岩的承担荷载能力的总称。包括两个方面，一是洞室围岩在内水压力作用下的整体稳定性，即围岩整体能够承担多大内水压力；二是洞室围岩对由内水压力而产生的衬砌变形所现出来的抵抗力。有压洞室在内水压力(P)作用下，衬砌圈将胀大。假定其半径胀大ycm,便意味着洞壁被迫压缩ycm(图7-15)。但围岩具有一定弹性和强度，当它被迫压缩的同时，就支产生一定的弹性抗了力(s)，它与变形(y)成正比即式中k——弹性抗力系数充分利用围岩弹性抗力，就可以减薄衬砌厚度，节省材料而降低造价。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.6▎洞室围岩的外水压力外水压力：作用于衬砌上的地下水静水压力。式中gw——水的重度，一般取1g/cm3;h——洞室顶壁至水位间的水柱高；b——折减系数，据我国实践，一般取b=0.25~1.0。折减系数b的选择是一个复杂的问题，既要考虑水文地质条件，又要考虑工程设置和工程运营。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.7▎保障洞室围岩稳定性措施保障围岩稳定性的途径有二：一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低；二是赋与岩体一定的强度，使其稳定性有所增高。前都主要采用合理的施工和支护衬砌，后都主要是加固围岩。『7.7.1▎合理施工1.分部开挖，分部衬砌，逐步扩大断面当围岩不太稳定，顶围易塌时，应在洞室最大断面的上部先挖导洞(图7-16a)，立即支撑，达到要求的轮廓，作好顶拱衬砌。然后在顶拱衬砌保护下扩大断面，最后做侧墙衬砌。这便是上导洞开挖、先拱后墙的办法。为减少施工干扰和加速运输，还可以用上下导洞开挖、先拱后墙的办法(图7-16b)。当围岩很不稳定，顶围塌落，侧围易滑时，可先在断面的侧部开挖导洞(图7-16c)，由下处向上逐段衬护。到一定高程，再挖顶部导洞，作好顶拱衬砌，最后挖除残留岩体。这便是侧导洞开挖、先墙后拱的方法，或称为核心支撑法。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI图7-16分布开挖、逐扩断面示意图a)上导洞先拱后墙b)上下导洞先拱后墙c)侧导洞先墙后拱1、2、3、…开挖顺序Ⅳ、Ⅴ衬砌顺序2.导洞全面开挖，连续衬砌当围岩较稳定时，可采用单导洞全面开挖、连续衬砌的办法施工。或上下双导洞全面开挖，或下导洞全面开挖，或中央导洞全面开挖。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI3.全断面开挖围岩较稳定，可全断面一次开挖。小尺寸隧洞常用这种方法。『7.7.2▎支撑、衬砌与锚喷加固支撑是临时性加固洞壁的措施，衬砌是永久性加固洞壁的措施。此外还有喷浆护壁、喷射混凝土、锚筋加固及锚喷加固等。支撑手续简便，开挖后立即进行，可防止围岩早期松动，是保护围岩稳定性的简易可行的办法。衬砌的作用与支撑相同，但经久耐用，使洞壁光坦。砖、石衬砌较便宜，钢筋混凝土、钢板衬砌的成本最高。衬砌一定要与洞壁紧密结合，填严塞实其间空隙才能起到良好效果。喷浆护壁较简便而又经济，对保护易风化围岩的稳定性效果较好。当洞室开炮后及时在洞壁上喷射水泥砂浆，形成保护层，保护围岩原有强度。土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI喷射混凝土与喷浆方法相仿，但作用大不相同。混凝土内加速凝剂，及时(越早越好)喷射到洞壁上，它便很快地凝固并有较大强度，可防止洞壁早期松动。锚筋加固又称锚杆加固，目前大量采用。将锚筋插入围岩：使洞周松动围岩与稳定围岩固定，起到钉子的作用(图7-17a)。常用的有楔头锚筋(图7-17b)和砂浆锚筋(图7-17c)两种。图7-17锚筋加固洞室围岩示意图a)加固断面b)楔头锚筋c)砂浆锚筋土木工程地质TUMUGONGCHENGDIZHI『7.7.3▎灌浆加固裂隙严重的岩体和极不稳定的第四纪堆积物中开挖洞室，常需要加固以增大围岩稳定性，降低其渗水性。最常用的加固方法就是水泥灌浆，其次有沥青灌浆、水玻璃(硅酸性)灌浆，还有冻结法，等等。通过这种办法，在围岩中大体形成一圆柱形或球形的固结层。*