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1、第七章地下建筑的工程地质分析,第七章 地下建筑的工程地质分析,地下洞室:是指建筑于地下岩土体中，具有一定断面形态和尺寸，并有较大延伸长度的地下建筑。而洞室周围的岩体简称为围岩。实际工作中，一般认为其是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径3倍距离范围内的岩土体。,各类工程中的地下建筑物，一般包括：输水隧洞、导流隧洞、地下厂房、铁路隧洞、公路隧洞等。其中，各类地下洞室（隧洞）是主要的地下建筑类型。,第七章 地下建筑的工程地质分析,地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，首先要考虑区域、山体稳定，其次为地形、岩性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。,第一节 地下洞室选址的工程地质条件,
2、*区域稳定性及山体的稳定:一般要求，建洞地区应是区域地质构造稳定，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基本烈度应小于8度。,第七章 地下建筑的工程地质分析,一、地形地貌条件,山体完整，洞室周围应有足够的山体厚度。隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌。洞口岩石直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里。洞口开挖在高边坡时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡的稳定性。隧洞进出口排水方便且不易受水流冲刷。,第七章 地下建筑的工程地质分析,隧洞选线利用沟谷地形示意图,第七章 地下建筑的工程地质分析,坚硬岩石中开挖隧洞-围岩稳定，日进尺快、造价便宜。软弱岩层、破碎岩层
3、和松散岩层中掘进-顶板容易坍塌、侧壁和底板容易产生鼓胀变形，常需支护或衬砌后掘进，日进尺慢，造价高。尽量避开不良围岩，使洞室置于坚硬岩层中。,二、岩性条件,岩石性质是控制地下洞室围岩稳定的重要因素，也是决定工程工期和造价的主要条件之一。,第七章 地下建筑的工程地质分析,软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。尽量使洞室置于坚硬岩层和同一岩层中，若不能避免，则将顶围置于坚硬岩层中。,第七章 地下建筑的工程地质分析,地质构造条件对洞室围岩稳定有重要的影响。尽量使轴线与地区构造线的方向相垂直或成大角度相交。尽量避开大的断层破碎带或呈小角度相交。倾斜岩层地区
4、，注意洞轴线与岩层产状的关系。,三、地质构造条件,1)对断裂构造:隧洞所遇断裂破碎带宽度愈大，走向与洞轴线交角愈小，在洞内出露面积也愈大，对围岩的稳定影响就愈大，特别是平行于洞轴线的断层更应尽量避开。,第七章 地下建筑的工程地质分析,断层对地下洞室选线的影响,第七章 地下建筑的工程地质分析,2)褶皱剧烈地区，断裂也发育，尤其褶皱核部岩层完整性最差。背斜核部，虽岩层破碎，然犹如石砌的拱形结构，能将上覆岩层的荷重传递至两侧岩体中去，所以有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。向斜核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易坍落。另-向斜核部往往是承压水储存的场所，地
5、下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。,第七章 地下建筑的工程地质分析,地下洞室轴线与褶皱的关系,第七章 地下建筑的工程地质分析,须做工作：调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。水量方面：对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，应注意其分布规律和发育程度，并结合隧洞设计高程，分析评价地下水涌水的可能性及涌水量。水质方面：资料分析，对PH5的酸性地下水，应分析水中侵蚀性CO2和硫酸盐侵蚀性对混凝土衬砌的影响。,四、水文地质条件,选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。,第七章 地下建筑的工程地质分析,五、地应力,了解初始应
6、力场的分布和变化规律，至关重要。初始应力状态是决定围岩应力重分布的主要因素。如果围岩内出现拉应力，压应力集中且较大，对围岩稳定不利。初始应力场的水平主应力值较大时，洞室轴线最好平行于最大水平主应力方向(与构造主线垂直，即与主压应力方向平行）布置，否则边墙将产生严重的变形和破坏。,第七章 地下建筑的工程地质分析,地下洞室在开挖前，山体内部的岩石处于天然应力（地应力）状态。地应力一般可分为：自重应力构造应力变异应力,第二节 洞室设计的工程地质问题,一、地应力及其组成,第七章 地下建筑的工程地质分析,二、围岩应力重分布的特征地下洞室开挖前，岩体内任意点上的应力都是平衡的。围岩内任意点都有：,第七章
7、地下建筑的工程地质分析,以圆形洞室为例（右图），假定开挖前只存在压应力，无拉、剪力，则极坐标下围岩中任意一点有：,m(,r),r,a,轴向（径向）应力 切向应力,a洞室半径r围岩中某点的圆心距极角,第七章 地下建筑的工程地质分析,洞室开挖后，当 r=a时，有:,第七章 地下建筑的工程地质分析,ra时，显见r越大,越小，,也越大，,第七章 地下建筑的工程地质分析,有最大值,所以，破坏总是先从洞壁开始。,在,处,第七章 地下建筑的工程地质分析,（1）概念：山岩压力（简称山压）洞室上部岩体作用于洞室支撑衬砌结构上的作用力。可分为：变形山压松动山压,三、洞室开挖运行后的新生应力,1.山岩压力,第七章
8、地下建筑的工程地质分析,（2）普式平衡拱与普式山压,地下洞室开挖后顶围坍落是洞室围岩失稳最常见的一类。多数顶围坍落后常形成一个自然的坍落拱，在坍落拱上，围岩的应力达到平衡，破坏与变形也就中止了，若能人为设计出该坍落拱，使围岩应力提前均衡，顶围坍落使不会再发生（针对水平岩层和松散岩体）。,第七章 地下建筑的工程地质分析,计算方法前提 围岩为水平岩层或散体结构岩体 洞室侧壁未发生滑坍,第七章 地下建筑的工程地质分析,第七章 地下建筑的工程地质分析,普氏平衡拱法 普罗托齐雅科诺夫（坚固系数）方法,散粒体,一般岩体,对于整体性岩体，有：,=Rc/100,取平衡拱左半拱，该块岩体受力（同三铰拱）为：铅直
9、重力，右半拱水平推力T，拱角水平反力F，铅直反力V，依据静力平衡条件，对拱角A点取力矩，则有,F,V,A,h1,b1,T,第七章 地下建筑的工程地质分析,当达到平衡时，必然有 F=T V=b1,这是F为V产生的摩阻力，引入 坚固系数替代岩体内摩擦系数（）则可知,第七章 地下建筑的工程地质分析,一般地，当FT时，拱围即可达到稳定，但为保证安全，设计时常取F=2T，即安全系数为2，时代入有:,将此值代入h1表达式有：,第七章 地下建筑的工程地质分析,即,就是设计的普氏平衡拱高。此拱高下，顶围即可保证安全稳定性。,第七章 地下建筑的工程地质分析,*普氏还认为：平衡拱是呈抛物线形式的，由此洞顶普氏山岩
10、压力Q应为（面积容重）。,实验确定,第七章 地下建筑的工程地质分析,2.弹性抗力 弹性抗力：指有压隧洞充水后，衬砌部分或整体（如压力隧洞衬砌的周边）发生向围岩方向变形时，在围岩中产生的抵抗力。弹性抗力常用弹性抗力系数来表示,即：P岩石承受的压力（内水压力）y洞壁的径向变形。隧洞半径愈大，岩体的弹性抗力系数越小。工程上常采用隧洞半径为1m时的弹性抗力系数作为单位抗力系数.,第七章 地下建筑的工程地质分析,3.外水压力外水压力：作用在隧洞衬砌上的地下水静水压力。其大小是由两方面因素所决定的：决定于隧洞围岩的水文地质条件，如地下水位的高低、岩石的透水性以及地下水的埋藏条件；决定于隧洞设计和施工情况，
11、如排水设置、衬砌本身的透水性、衬砌与岩石的结合程度以及灌浆效果等。,第七章 地下建筑的工程地质分析,隧洞外水压力示意图,第七章 地下建筑的工程地质分析,第三节 洞室施工的工程地质问题,一、地下洞室围岩的变形、破坏形式,当洞室围岩难以承受应力变化所带来的影响时，就会发生变形与破坏，形式主要有以下4种：,1顶围悬垂坍落：常见于顶部围岩裂隙发育或风化严重的水平岩层围岩中，坍落后，可自然形成一个“坍落拱”（重力作用原因）。,第七章 地下建筑的工程地质分析,2侧围突出与滑塌：多发生于陡立层状岩体中。这种岩层侧围滑塌后又会发生顶围坍落（天然应力引起），但不会形成坍落拱。,第七章 地下建筑的工程地质分析,3
12、底围鼓胀与隆破：多见于塑性、弹塑性岩体中或裂隙发育，有适当结构面的围岩中，或因洞室埋深过大而引起。,第七章 地下建筑的工程地质分析,4围岩缩径与岩爆：前者指顶、侧、底三围以相似速度向洞内变形，多见于弹塑性和塑性岩体中，后者是脆性岩体中各别岩块在失去一侧围压阻挡后，突然向洞室内弹出的现象.弹出岩块不可能再塞回原位 岩块体积增大 原位变形,第七章 地下建筑的工程地质分析,第七章 地下建筑的工程地质分析,地下洞室围岩的变形、破坏形式,二、提高围岩稳定性的措施常用的支衬结构有支撑、衬砌、锚杆支护喷锚支护。（一）支撑、衬砌与锚杆支护,第七章 地下建筑的工程地质分析,（二）锚杆喷射混凝土联合支护锚喷支护，是把喷射混凝土支护与锚杆结合起来，加强岩体本身的整体性和力学强度，同时迅速有效地控制与防止围岩表层岩体的松动坍落，从而使一定厚度的围岩与喷射混凝土层形成承载拱，起到有效支护作用的方法。,（三）固结灌浆 用于裂隙严重和稳定性极差的第四纪堆积型围岩。,第七章 地下建筑的工程地质分析,
