围岩稳定性评价.ppt

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1、第四章 地下工程,4.6 围岩稳定性评价,第四章 地下工程第1节 概述第2节 围岩应力分布第3节 围岩变形破坏第4节 围岩分类第5节 围岩压力第6节 围岩稳定性评价第7节 地下工程超前预报,第6节 围岩稳定性评价,围岩稳定性是地下建筑工程研究的核心,一般采用定性与定量结合的方法进行。,问题：1、围岩稳定性评价的思路、程序是什么？2、定性评价主要考虑哪些方面？3、定量评价有几种方法？各自的适用条件是什么?,第6节 围岩稳定性评价,一、定性评价,1、围岩稳定性,取决于三方面,第6节 围岩稳定性评价,一、定性评价,1、围岩稳定性,浅埋洞室（小规模）的稳定性取决于岩体强度有无破碎带等因素。,深埋洞室（

2、大规模）稳定性因素复杂，地应力条件很重要。,第6节 围岩稳定性评价,破碎松散岩、软弱岩-强风化岩、易软化岩、膨胀岩体、构造破碎带；,碎裂结构、半坚硬结构岩；,坚硬块状及厚层状岩体-在多组软弱结构面切割成不稳定分离体部位；,洞室中应力集中部位-洞中岩柱、洞形急剧变化部位。,2、洞室易失稳部位-,第6节 围岩稳定性评价,破碎松散岩体、软弱岩体,坚硬块状岩不稳定分离体,洞室中应力集中部位,这些部位是洞室选择时应首先避开的部位。,对稳定有利的条件,2、洞室易失稳部位-,新鲜完整岩体、裂隙不发育、少量地下水。,完整坚硬岩体、裂隙较发育、但闭合且连续性差、未形成分离体。,第6节 围岩稳定性评价,1、整体稳

3、定性计算-,其稳定性根据重分布应力计算或实测结果，与岩体的抗压（拉）强度比较，评价稳定性。,整体状或块状岩体，可视为均质、连续介质,由前述可知，洞壁处弹性应力为：,此时：,Fs：安全系数，一般取Fs=2,c,t-洞壁处环向压、拉应力；c,t-岩体饱和抗压、拉强度。,二、定量评价,第6节 围岩稳定性评价,结构面切割形成不稳定分离体,洞顶分离体,对三角形分离体ABC：,2、围岩局部稳定性计算,第6节 围岩稳定性评价,侧壁分离体在自重W2作用下沿结构面L4滑移，其后缘切割面L2的抗拉强度可忽略。,式中：c,为结构面L4 上的内聚力和内摩擦角。,侧壁分离体,此时，分离体的稳定性系数为：,L3-分离体底

4、宽；b-分离体高；,-结构面倾角；Tj1,Tj2-结构面抗拉强度。,洞顶洞壁分离体稳定计算,W2-侧壁分离体自重；-结构面L4的倾角；,大秦铁路军都山隧道(1985年)：隧道进尺16km,塌方21次,累计影响工期685d。川藏公路二郎山隧道：全长4176m、最大埋深达760余m，该隧道穿越11条断层，地质条件较为复杂。其中高地应力与岩爆问题是该隧道的主要工程技术难题之一。隧道施工过程中共发生了近百次岩爆活动,主洞和导洞中连续发生岩爆的累计总长度达1095m。,第6节 围岩稳定性评价,.经典案例.,三、实例分析,渝怀铁路圆梁山隧道：线路重点控制工程，全长11.068公里，隧道地质条件异常复杂。隧

5、道进口毛坝向斜和出口桐麻岭背斜有多处大规模的深埋充填溶洞，出口段为岩堆体。这是国内隧道建设中首次在深埋、向斜部位、高压富水、形态类型多变的充满水、粉质泥砂的深部地区中穿过。隧道施工难度属国内罕见。,.经典案例.,第6节 围岩稳定性评价,相关数据岩溶突水（9.810414.5104m 3d）；岩溶突泥；高水压（4.424.6Mpa）；高地应力（水平主应力Max 1621Mpa，M in 811Mpa）；煤层瓦斯（涌出量0.1240.137m 3d，压力0.30.9Mpa）；高地温（28）；断层破碎带（总计10余条）；,.经典案例.,第6节 围岩稳定性评价,深埋长隧洞秦岭铁路隧道（长18.4km）

6、已经贯通；南水北调西线一期工程93.8的线路为隧洞；琼州海峡隧道、台湾海峡隧道、秦岭终南山特长公路隧道；锦屏二级电站引水隧洞长17.5km，综合技术难度复杂，预计一批重大的技术难题将攻克，届时我国隧道及地下工程技术将会再上一个新台阶。,.相关链接.,第6节 围岩稳定性评价,锦屏一级电站在2005年正式开工，至2012年下半年第一台机组发电。锦屏二级电站在2007年上半年正式开工，至2012年年底第一台机组发电。,.相关链接.,雅砻江锦屏河段开发方案选定为一级高坝坝后发电和二级低闸引水发电两级开发，制约工程开发的最大技术瓶颈就是一级高坝和二级深埋长隧洞的勘测设计和施工。锦屏二级引水隧洞长约17.

7、4km，单头掘进近10km，最大埋深约2500m，开挖洞径在12m以上，各项技术指标都称得上居世界地下工程前列，综合技术难度巨大。,.相关链接.,锦屏二级水电站引水隧洞长约17.4Km，超过国内已建和在建各种类型隧洞长度，和秦岭隧道、福堂电站隧洞长度相近；其埋深最大达2525m，超过世界著名的辛普伦公路隧洞（最大埋深为2135m），与目前世界上埋深最大的法国谢拉水电站引水隧洞（最大埋深2619m）相近；锦屏隧洞的最大洞径超过12m，远大于秦岭隧道（D=8.8m）和谢拉隧洞（D=5.8m）的洞径；锦屏隧道轴线和锦屏山脊线近乎正交，沿线山体陡峭雄厚，受地形限制无法布置施工平硐、斜井和竖井。所有以上

8、问题将给地质勘测、设计、和施工带来一系列复杂的技术难度。,.相关链接.,鉴于锦屏地区特殊的自然地理条件，常规勘探难以解决，因此实施了5km长探洞的施工和科学试验工作。探洞掘进至4168m终止处，埋深已达2200m左右，超过了锦屏二级水电站引水隧洞的一般埋深，距最大埋深仅差约300m。由超深埋引起的一系列工程地质问题已得到了基本的探查，用长探洞已取得的勘测、试验成果来评价锦屏二级水电站引水隧洞的工程及水文地质条件，具有较高的参考价值和可信度。,.相关链接.,锦屏二级水电站地下厂房开挖最大跨度26.8m，边墙最大高度75.1m，长度超过335m，埋深在400m以上，这几项指标是地下厂房中罕见的，大

9、埋深将给厂房洞群的设计和施工带来一系列特殊的问题。锦屏长隧洞和大型地下洞室主要技术难点为：（1）深埋长隧洞的地质勘探技术研究（2）深埋长隧洞快速施工关键技术研究（3）长隧洞信息化设计方法的研究（4）高地应力和高外水压力作用下岩体特性及隧洞设计关键问题研究（5）长引水隧洞的水力学问题研究,.相关链接.,（1）深埋长隧洞的地质勘探技术研究 在已进行的综合勘探和长探洞的勘探基础上，综合分析深埋长隧洞的地质勘探技术和方法；深层岩溶的探测及评估方法；以及隧洞施工中的岩爆、涌（突）水、涌泥等地质灾害的测试和预报方法。我国深埋长隧洞施工技术已达到国际先进水平，秦岭铁路隧道18.45km平导洞仅用三年零52天

10、即贯通，创国内最高单工作面开挖纪录456m/月，取得了深埋长隧道快速施工丰富经验。,.相关链接.,（2）深埋长隧洞快速施工关键技术研究 研究锦屏电站引水隧洞合理的修建程序和施工方法；隧洞施工的通风技术措施；研究施工综合机械化措施或其他掘进方式开挖长隧洞的关键技术；研究隧洞施工中的岩爆、涌（突）水、涌泥等地质灾害防范措施和对策；从通风、排水、降温以及岩爆处理等方面研究长隧洞施工环境的措施；研究通过复杂地质条件下的施工技术；（3）长隧洞信息化设计方法的研究 收集国内外已建和在建隧洞设计和施工资料，整理分析，建立隧洞资料数据库；,.相关链接.,（4）高地应力和高外水压力作用下岩体特性及隧洞设计关键问

11、题研究 研究高地应力和高外水压力作用下岩体变形和强度特征；研究“双高”作用下围岩稳定性；围岩的流变特性及其对衬砌后期的影响；岩体渗流参数反分析，渗流场分析及渗流应力场的分析；研究“双高”作用下压力隧洞的支护设计。（5）长引水隧洞的水力学问题研究 长引水隧洞水力过渡过程的试验研究；研究长引水隧洞不衬砌或喷砼段减少糙率的措施；长引水隧洞调压室的设计。,.相关链接.,天然应力状态-取决于垂直洞轴的水平应力H、天然应力比系数,一、围岩稳定性分析,岩性-影响洞室稳定性最基本的因素,岩体结构-对岩体变形破坏起控制作用,地质构造-关注断层破碎带、裂隙密集带、褶皱轴部,水文地质条件-影响围岩应力状态及围岩强度

12、,地质方面影响因素,补充：洞室位址选择的地质论证,第7节 洞室位址选择地质论证,1、岩性-,坚硬完整岩体-稳定性好，不需支护能适应各种断面洞室。,软弱岩体-力学强度低，遇水易软化、崩解、膨胀等不良性质，不利于洞室稳定，围岩易变形破坏。,软硬相间岩体-其中软岩强度低，或错动成软弱夹层，此类岩一般性质较差，围岩稳定性也较差。,影响洞室稳定性最基本的因素。,岩体性状-松散结构及碎裂结构岩体稳定性最差；薄层状岩体次之；厚层状岩体稳定性最好,结构面性状-对于脆性厚层块状岩体，强度取决于软弱结构面的特性。,结构面自身特征；结构面组合关系；结构面与临空面的交切关系；,考虑：,分离体形状-当分离体小于洞跨时，

13、可能向洞内滑移、失稳。,顶拱三种情况,正三角锥体-最不稳定,柱状结构体-受拉时不稳,倒三角锥体-有利于稳定,对岩体变形破坏起控制作用。,2、岩体结构-,取决于垂直洞轴的水平应力H的大小及天然应力比系数。这是决定天然应力重分布状态的主因。,天然最大主应力的量级。其与洞轴的关系对围岩变形破坏有显著影响。,3、天然应力状态,由于最大主应力多系水平向的，在选择洞线时，应尽量使二者平行而非垂直。,避开断层破碎带、裂隙密集带,褶皱地区应尽量避免沿紧闭向斜的轴部部置洞线。,？,关注断层破碎带、裂隙密集带、褶皱轴部,其对围岩稳定性影响最大，且在施工中可能有突发涌水。,该处围压较大，顶拱自稳性差，常遇突发涌水。

14、,4、地质构造,主要作用,水压力（静）-,涌水是地下建筑主要工程地质问题之一。,作用于衬砌，有时比山岩压力大几倍；,作用于未衬砌岩体，在平缓结构面上形成水压力，促使分离体下滑；流入陡立结构面，相当于施加张力，同样促其破坏。,此地下水压力最大值可等于洞顶以上地下水厚度（水头值）。,影响围岩应力状态及围岩强度,5、地下水-,建筑物特性-,断面形状-决定应力集中的部位、程度；洞室规模-洞室规模大，则围岩范围亦大。,施工方法-,开挖方式、施工速率主要影响围岩中的应力调整与再分配。,支护方法,影响围岩中的应力重分布变形围压稳定性。,6、工程因素-,临时支护、永久性支护；半衬、全衬。,按工程特点与设计要求

15、，考虑岩性、构造、地形、水文等因素综合评判。,选择稳定性好的岩体,无需衬砌自稳性好易施工,二、洞室位址选择论证,1、地形-,不利-地形急变处。山脊直拐，垭口深切，浅埋洞室需避开。,洞身-围岩要有一定厚度，（无压，3倍洞径；有压，计算确定）；避开地形不利地段；考虑洪水影响；不可埋深过大，高地应力导致施工困难。,洞口-山体厚、施工条件好，岩坡陡壁；避开地表径流；避开可能滑动的坡体；避开断层破碎带。,选择坚硬完整、力学强度高的岩体。,岩浆岩-花岗、闪长、辉长、致密的玄武岩属良好围岩。,变质岩-未风化的片麻岩、石英片岩、钙质板岩、变质砾岩为较好围岩。,粘土质片岩、绿泥石片岩、泥质板岩、千枚岩等属软弱岩

16、。,2、岩性-,风化程度、岩相,选择坚硬完整、力学强度高的岩体。,层状岩体以厚层为好，薄层易塌落，软硬相间岩体，洞顶置于厚层中；压性断层，将洞室置于下盘中。,沉积岩-总体强度稍低。厚层白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩、砾岩一般是坚硬的，属良好围岩。,泥岩、凝灰岩、煤系地层、泥质胶结的砂砾岩是软弱岩。,2、岩性-,遇断层垂直通过，减少洞室与破碎带交汇长度。,区域性断层破碎带、裂隙密集带不利于围岩稳定，应避开。,断裂-,断层破碎带无法避开时，系统轴向与其呈4565夹角为宜。,选择断裂少、岩性结构简单的地区。,3、地质结构-,断层破碎带规模？,断裂、褶皱、软弱结构面、岩体结构、地应力,褶皱置于背斜核部

17、，虽张裂发育，但岩层自成拱，有利于稳定；避开向斜轴，岩体破碎，地下水富集，不利于稳定。,3、地质结构-,软弱结构面-,洞轴线尽量与岩层走向、构造线方向、软弱面垂直相交。,岩层产状-,岩层倾斜、较薄或软硬相间时，洞轴垂直岩层走向较有利；,非平行不可时，应将洞顶置于坚硬岩层中。,3、地质结构-,洞顶围岩最易失稳，其次是侧壁。令设计挪移洞轴线、调整高程。使位于硬岩中，洞底置于软岩，对整体稳定性较有利。,一般情况洞轴与最大水平应力1垂直（1/3 3），当1很大时，洞轴最好与其平行，有利边墙稳定。,地应力现代天然应力较显著地区，地下建筑轴线应与最大天然主应力近平行，尽量避开活动性断裂。,当洞室各部位轴向

18、不同时，上述原则优先满足重要洞室（大跨度隧洞），其它部位以工程措施解决。,3、地质结构-,干燥无水最有利。,选择地下水位以上、或水量不大、无高压含水层的岩体。,避开,4、水文地质-,以上几种情况可能产生突发涌水。,水量极大、来势猛，常造成洞顶坍塌，砂石随水涌入、冲毁洞室，轻者影响施工，重者人员伤亡,涌水特点及后果：,大量涌水造成地表水枯竭,在遇水软化的岩层中使支衬地基的承载力降低,施工前预先查明涌水的可能性，大致确定涌水带位置及涌水量，超前预报，采取防范措施。,对策：,问题：人员安全、爆破安全、混凝土浇筑与养护等。,发生条件：埋深很大的洞室、地热异常区。,对策：查明地热异常区的分布及特点，采取

19、防护措施。,5、高地温及有害气体-,深埋洞室考虑地温及有害气体、高地应力的影响。,首先考虑避开，不能避开时，要有防范措施。,甲烷、硫化氢、二氧化碳、一氧化碳、乙烷、氡等有害气体。,发生条件：在含煤、石油、沥青、硫化矿床、碳质页岩、碳酸盐岩地层中掘进。,危害：含量到一定程度，严重危害健康；可能引起爆炸。,防范：预测预报、施工中加强检验、采取通风措施。,有害气体突出-,补充-特殊的施工方法,盾构法-在一个前端带有刃角的钢制圆筒，即盾构保护下施工。较笨重、造价高，仅圆形断面。,江河、城市地下松散地层中建大型隧道时采用。,在地下水位以下掘进断层破碎带、饱水粉细纱、淤泥层等难度较大的地层，必须采用特殊的

20、施工方法,补充-特殊的施工方法,压浆固结法-在掌子面前方按环形打超前孔，并向孔内压浆形成一个坚硬不透水的锥形，由此掘进。,冻结法-在掌子面上布置多层钻孔，插入冷却管，压入冷冻液，形成锥形冷冻体，在其中掘进。,是突破破碎带的重要施工方法。,1、地质条件2、地形地貌条件3、工程难易程度4、投资的数额5、工期要求6、现有施工技术水平7、运营条件（线路条件）,补充-铁路隧道位置选择,（一）按地形地质条件进行选择1、按地形条件进行选择-高程障碍、平面障碍（1）高程障碍 克服高程障碍的三种方案：绕行方案、深堑方案、隧道方案（2）平面障碍平面障碍：线路依山傍河而行（河谷线）的凸岸山嘴，跨越河流、湖泊、海峡等

21、克服凸岸山嘴平面障碍的两种方案：沿河傍山绕行，隧道直穿。,（一）按地形地质条件进行选择2、按地质条件进行选择（1）按地质构造类型进行选择地质构造类型：单斜构造、褶曲构造、断层。位置选择（2）不良地质区隧道位置的选择不良地质区指：滑坡、崩塌、岩堆、泥石流、岩溶、含瓦斯和水文地质条件复杂地区。位置选择,隧道位址按地质条件进行选择,？,隧道位址按地质条件进行选择,（二）按线路类别进行选择-越岭线1、越岭线上隧道位置的选择何谓越岭线？隧道是跨越分水岭的唯一选择。选择内容：（1）、选择垭口（2）、确定高程,（二）按线路类别进行选择-河谷线2、河谷线上隧道位置的选择何谓河谷线？线路特点两种选择：靠外（稍偏

22、河流一侧）短隧道群，靠里（稍偏山体一侧）长隧道工程实践总结出一条经验：“宁里勿外”,靠外,靠里,绿色洞门,隧洞垂直岩层走向穿过褶皱,总体较有利，过背斜轴部时可能遇楔形掉块（b）；通过向斜轴部时遇地下水问题（c）；岩层倾向开挖面，有岩块坠落危险（a）。最有利的部位是岩层倾向与隧洞开挖方向一致的翼部。,隧洞平行岩层走向过褶皱,条件较差，（a）不对称岩压及冒落问题；（c）岩层陡倾时不利，岩压力全部由拱顶承担，（b）也不利，两侧岩体顺层滑落及透水岩导水问题，应避开。,圆梁山隧道-地质灾害严重困扰隧道施工:2001年7月14日隧道在背斜段与富水区遭遇，水头高达3m,霎时，泥水带着矿车、气瓶等沿着已开挖好

23、的780m隧道一泻而出，冲进了洞外的冷水河，洞外河床被抬高了10m,780m隧道的开挖方量不过5万m3，而冲出的泥水却达到11万m3，高出开挖方量的两倍多,此后，隧道中仅10000m3以上的突泥突水就发生了30余次。,2002年2月1日，发生严重突泥突水，最大涌水量达每小时10000m3，动水压曾高达3.6MPa以上，致使钻机钻杆被泥水推出，钻孔内射出高压水，射程达30m。,2002年9月10日，突泥4200m3，隧道断面被泥石塞满244m；11日和12日又先后两次突泥突水，最大涌水量达每小时72000m3，隧道被充填389m。,.经典案例.,带冷冻头的眼睛墙,在冰伞下挖掘,作业题：某水利枢纽地下电站厂房,在技术勘察阶段查明与电站厂房主轴平行的断层破碎带，其宽度约达25m，且延伸稳定，破碎带内物质欠胶结。试分析：断层破碎带对洞室稳定性有何影响？是否需要调整设计，如何调整洞轴线对洞群整体稳定较有利？调整洞轴方向时，还应同时考虑哪些其他相关因素？,小 结,1.围岩稳定性评价 定性评价；定量评价；2.洞室的位址选择地质论证 主要考虑岩性、构造、地形、水文、高温及有害气体等因素。,地下工程岩体自稳能力,根据修正值BQ的岩体分级可评价围岩自稳能力。,各种洞形洞壁的应力集中参数,岩体地质力学分类表,节理走向和倾向对隧道开挖的影响,围岩破坏特征块体滑移折断塌落弯曲内鼓局部塌方拱形冒落,