岩土工程勘察-第九章-地下洞室的勘察与评价1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,岩 土 工 程 勘 察,地下洞室的勘察与评价,10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力,10.2 围岩的变形和破坏形式,10.3 围岩分类,地下洞室：,埋置于地下岩土体内的各种构筑物。,应用：,铁路和公路隧道，矿山地下巷道，国防地下仓库、指挥中心，城市地铁、地下商场、地下体育馆、地下游泳池等。,锦屏二级水电站超长引水隧洞,地下洞室的开挖引起的问题：,应力状态的变化,会引起不同程度的变形甚至破坏，地下洞室围岩的,变形,对周围环境的影响。,因此在设计前，进行详细的岩土工程勘察提供设计所需的地质资料，掌握地下洞室所在岩体、土体的地质情况和稳定程度以及周围的环境情况，有十分重要的意义。,10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力,初始应力：,地下洞室施工前就已经存在于岩体中的应力称。,围岩：,应力重分布所波及的岩石。,围岩应力：,围岩中重新分布后的地应力。,山岩压力：,围岩作用于支护结构上的力。,初始应力是山岩压力的基础，是力的来源。围岩应力既取决于初始应力，又取决于洞体的形态、规模以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力，但围岩应力要转化为山岩压力，必须通过岩体结构失稳的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决定了山岩压力的大小和特征。,初始应力,岩体中的初始应力状态是相当复杂的，要受到,地质构造、岩性、地形地貌,等多种因素的影响。初始应力可以划分为,自重应力场,和,构造应力场,。,自重应力,大量的实测地应力资料表明，对于未经受构造作用，产状较为平缓的岩层，其应力状态十分接近于由弹性理论所确定的应力状态。,岩石泊松比：0.20.3。,构造应力,围岩应力,1.三种初始应力场,距地表较浅的岩体且存在大量地表裂隙的情况。,没有经历构造运动作用的较深部岩体。,很深的岩体,围岩应力计算简图,2.圆形洞室,采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式,式中没有,弹性模量,和,泊松比,，包含 。,洞室边界附近切向应力产生集中现象,3.其他洞室,山岩压力,一般地，由于岩体隧洞内的变形作用于支护或衬砌上的压力称为,变形压力,，岩体因破坏而松动作用于支护或衬砌上的压力称为,松动压力,。,1.压力拱理论,工程实践和模型试验的结果表明，洞顶坍落并不是没有止境的，当坍落进行到一定程度后，由岩块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态，称为,自然平衡拱,（,压力拱,）。而实际地下洞室的施工并不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌，所以作用于衬砌上的,垂直山岩压力,就可以认为是,压力拱与衬砌之间岩石的重量,。这样正确决定压力拱的形状就成为计算山岩压力的关键。,通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论，简称为,普氏压力拱理论,。该理论将洞室周围的岩石看,作是没有黏聚力的,散粒体,，计算出洞室上方任何一点的垂直压力为：,侧向山岩压力采用,朗肯土压力公式,计算，两侧的山岩压力呈梯形分布,1,o,砂土及松散材料,2,o,整体性岩石,岩石坚固性系数,根据普氏理论，-比较破碎岩,体（,f,K,2,），地下洞室开挖：侧墙：剪切破裂+顶拱“压力拱”.,压力拱稳定条件：假定岩体为散粒体，其抗拉、抗弯能力很小，洞室顶部上的压力拱最稳定的条件是沿着拱的切线方向仅作用压力。,抛物线方程,压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然平衡拱，因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定的岩体，对于,洞室埋藏浅,、,围岩为粉砂,或,饱和软黏土,等情况不能应用压力拱理论。,2.弹塑性理论,围岩内的弹塑性应力分布,洞室开挖后，随着塑性松动圈的扩展，对支护产生的压力用下式计算：,芬那公式,（未考虑岩石自重）,卡柯公式,（考虑岩石自重）,3.地质分析法,10.2 围岩的变形和破坏形式,岩土工程勘察,岩体的破坏形式表,脆性破坏,整体状结构及块状结构岩体，在一般开挖条件下表现稳定，仅产生局部掉块，但在高应力地区，洞周应力集中可引起岩爆，属于脆性破坏，岩石成为碎片射出可发出破裂响声。,块体运动,当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割，形成块体或数量有限的块体时，这种块体和围岩的联系很弱，在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运动的趋势，逐渐形成块体运动失稳方式：,块体塌,落、滑动和转动、倾倒,以及,块体挤出,等,弯曲折断破坏,弯曲折断破坏是,层状,，尤其是,夹软弱夹层,的互层岩体所特有的，但是在大型地下工程中受一组很发育的结构面所构成的,似层状岩体,也可产生类似的条块状的折断和倒塌。,洞体围岩是泥盆系,石英砂岩,及,板岩,互层，,产状平缓,，洞形为城门洞形。开挖中拱脚以上塌落，形成超挖，成为平板顶，洞体变为,梯形断面,。,巷道,洞顶,的岩层受到力作用下沉弯曲，进而开裂、折断，形成塌落体；,侧墙,可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲鼓出破坏。,松动解脱,碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况下有一定的承载压力的能力，但是在张力、单轴压力及振动力作用下容易松动，解脱成为碎块散开或脱落。工程中,洞顶,表现为崩塌，而在,边墙,则为碎块滑塌、坍塌。,比如,压碎岩带,，如果挤压很紧，而且有的胶结良好，无泥质物充填，施工起来很是顺利。,相反,，如果节理裂隙间有较多泥质充填，裂隙张开，岩石松动，则塌方的可能性就比较大，尤其是在地下水及震动力作用下较易失稳。,塑性变形和剪切破坏,松散结构岩体或碎裂结构岩体中含软弱结构面较多的情况下，在开挖临空及围岩应力作用下产生塑性变形及剪切破坏，往往表现为,塌方,、,边墙挤入洞内,、,底鼓,以及,洞体收缩,等。,10.3 围岩分类,围岩分级的目的是：,作为选择施工方法的依据；,进行科学管理及正确评价经济效益；,确定结构上的荷载(松散荷载)；,给出衬砌结构的类型及其尺寸；,制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。,围岩分级,工程岩体分级标准,(,GB50218-94,),采用定性与定量相结合的方法，分两步确定岩体级别，先确定岩体基本质量，再结合具体工程特点确定岩体级别。,1.定性分析,定性分析中岩体的基本质量指标由岩石坚硬程度和岩体完整性两个因素来确定。,岩石坚硬程度的定性划分 表,3.2.1,名 称,定 性 鉴 定,代表性岩石,硬,质,岩,坚 硬 岩,锤击声清脆，有回弹，震手，难击碎；,浸水后，大多无吸水反应,末风化微风化的；,花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质石灰岩等,较坚硬岩,锤击声较清脆，有轻微回弹，稍震手，较难击碎；,浸水后，有轻微吸水反应,1.弱风化的坚硬岩；,2.未风化微风化的：,熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰岩、钙质胶结的砂岩等,软,质,岩,较软岩,锤击声不清脆，无回弹，较易击碎；,浸水后，指甲可刻出印痕,1.强风化的坚硬岩；,2.弱风化的较坚硬岩；,3.未风化微风化的：,凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质砂岩、粉砂岩、页岩等,软 岩,锤击声哑，无回弹，有凹痕，易击碎；,浸水后，手可掰开,1.强风化的坚硬岩；,2.弱风化强风化的较坚硬岩；,3.弱风化的较软岩；,4.未风化的泥岩等,极软岩,锤击声哑，无回弹，有较深凹痕，手可捏碎；,浸水后，可捏成团,1.全风化的各种岩石；,2.各种半成岩,岩石风化程度的划分 表3.2.2,名 称,风 化 特 征,未风化,结构构造未变，岩质新鲜,微风化,结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面有铁锰质渲染,弱风化,结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化，裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层,强风化,结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化，长石、云母等多风化成次生矿物,全风化,结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大部分风化成土状,岩体完整程度的定性划分 表3.3.1,名 称,结构面发育程度,主要结构面,的结合程度,主要结构面类型,相应结构类型,组数,平均间距(m),完 整,12,1.0,结合好或,结合一般,节理、裂隙、层面,整体状或巨厚层状结构,较完整,12,1.0,结 合 差,节理、裂隙、层面,块状或厚层状结构,23,1.00.4,结合好或,结合一般,块状结构,较破碎,23,1.00.4,结 合 差,节理、裂隙、,层面、小断层,裂隙块状或中厚层状结构,3,0.40.2,结 合 好,镶嵌碎裂结构,结合一般,中、薄层状结构,破 碎,3,0.40.2,结合差,各种类型,结 构 面,裂隙块状结构,0.2,结合一般,或结合差,碎裂结构,极破碎,无序,结合很差,散体状结构,注：平均间距指主要结构面（12组）间距的平均值。,结构面结合程度的划分 表3.3.2,名 称,结 构 面 特 征,结 合 好,张开度小于1mm，无充填物；,结 合 好,张开度13mm，为硅质或铁质胶结；,张开度大于3mm，结构面粗糙，为硅质胶结,结合一般,张开度13mm，为钙质或泥质胶结；,张开度大于3mm，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结,结 合 差,张开度13mm，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶结；张开度大于3mm，多为泥质或岩屑充填,结合很差,泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差,2.定量指标及两者的对应关系,岩石坚硬程度的定量指标，应采用岩石单轴饱,和抗压强度,R,c,，,R,c,应采用,实用测值,。当无条件取得,实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数,I,S,（,50,）,的算值，并按下式换算：,RC与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系 表3.4.2,R,c（MPa）,60,6030,3015,155,5,坚硬程度,坚硬岩,较坚硬岩,较软岩,软岩,极软岩,岩体完整程度的定量指标，应采用,岩体完整性指,数,K,v,，,Kv,应采用实测值。当无条件取得实测值时，,也可用,岩体体积节理数,Jv,，按表,3.4.3,确定对应的,Kv,值。,Jv与Kv对照表 表3.4.3,Jv（条m3）,3,310,1020,2035,35,Kv,0.75,0.750.55,0.550.35,0.350.15,0.15,Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系 表3.4.4,Kv,0.75,0.750.55,0.550.35,0.350.15,0.15,完整程度,完整,较完整,较破碎,破碎,极破碎,3.确定基本质量等级,岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性特征和岩体基本质量指标（,BQ,）两者相结合，按表,4.1.1,确定。,岩体基本质量分级 表4.1.1,基本质,量级别,岩体基本质量的定性特征,岩体基本质,量指标(BQ),坚硬岩，岩体完整,550,坚硬岩，岩体较完整；,较坚硬岩，岩体完整,550451,坚硬岩，岩体较破碎；,较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；,较软岩，岩体完整,450351,坚硬岩，岩体破碎；,较坚硬岩，岩体较破碎破碎；,较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整较破碎；,软岩，岩体完整较完整,350251,较软岩，岩体破碎；,软岩，岩体较破碎破碎；,全部极软岩及全部极破碎岩,250,岩体基本质量指标（BQ），应根据分级因素的定量指标 Rc 的兆帕数值和 Kv，按下式计算：,BQ903Rc250Kv,注：使用上式时，应遵守下列限制条件：,当,Rc90Kv30,时，应以Rc90Kv30和Kv代入计算BQ值。,当,Kv0.04Rc0.4,时，应以Kv0.04Rc0.4和Rc代入计算BQ值。,4.修正,当存在,地下水,、围岩处于,高初始应力状态,及岩体稳定性受,软弱结构面影响,且由一组起控制作用时，岩体基本质量指标按下式进行修正：,BQ,BQ,100（,K,1,K,2,K,3,）,式中,BQ,-,岩体基本质量指标修正值；,BQ-,岩体基本质量指标；,K,1,-,地下水影响修正系数；,K,2,-,主要软弱结构面产状影响修正系数；,K,3,-,初始应力状态影响修正系数。,其中,K,1,、,K,2,、,K,3,值，可分别按表,D.0.1-1,、,D.0.1-2,、,D.0.13,确定。无表中所列表情况时，修正系数取零。,BQ,出现负值时，应按特殊问题处理。,地下水影响修正系数K,1,表D.0.11,450,450351,350251,250,潮湿或点滴状出水,0,0.1,0.20.3,0.40.6,淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量10Lminm,0.1,0.20.3,0.40.6,0.70.9,淋雨状或涌流状出水，水压0.1MPa或单位出水量10Lminm,0.2,0.40.6,0.70.9,1.0,BQ,K,1,地下水出水状态,BQ,K,1,BQ,K,1,BQ,地下水出水状态,K,1,BQ,结构面产状及其与,洞轴线的组合关系,结构面走向与洞轴线夹角30,结构面倾角30,75,结构面走向与洞轴线夹角60,结构面倾角75,其它组合,K,2,0.40.6,00.2,0.20.4,主要软弱结构面产状影响修正系数K,2,表D.0.12,初始应力状态影响修正系数K3 表D.0.13,550,550451,450351,350251,250,极高应力区,1.0,1.0,1.01.5,1.01.5,1.0,高应力区,0.5,0.5,0.5,0.51.0,0.51.0,初始应力状态,K,3,BQ,确定了岩体级别后，可根据岩体级别评价岩体的物理力学参数和围岩自稳能力。,岩体物理力学参数 表C.0.1,岩体基本,质量级别,重力密度,（kN/m3）,抗剪断峰值强度,变形模量,E（GPa）,泊松比,内摩擦角,（）,粘聚力,C（MPa）,26.5,60,2.1,33,0.2,6050,2.11.5,3320,0.20.25,26.524.5,5039,1.50.7,206,0.250.3,24.522.5,3927,0.70.2,61.3,0.30.35,22.5,27,0.2,1.3,0.35,地下工程岩体自稳能力 表E.0.1,岩体级别,自 稳 能 力,跨度20m，可长期稳定，偶有掉块，无塌方,跨度1020m，可基本稳定，局部可发生掉块或小塌方；,跨度10m，可长期稳定，偶有掉块,跨度1020m，可稳定数日1月，可发生小中塌方；,距度510m，可稳定数月，可发生局部块体位移及小中塌方；,跨度5m，可基本稳定,跨度5m，一般无自稳能力，数日数月内可发生松动变形、小塌方，进而发展为中大塌方。埋深小时，以拱部松动破坏为主，埋深大时，有明显塑性流动变形和挤压破坏；,跨度5m，可稳定数日1月,无自稳能力,注：小塌方：塌方高度3m，或塌方体积30m3；,中塌方：塌方高度36m，或塌方体积30100m3；,大塌方：塌方高度6m，或塌方体积100m3。,公路隧道围岩分级,公路隧道设计规范,(,JTGD702004,),注：本表不适用于特殊条件的围岩分级，如膨胀性围岩、冻土等。,注：,、类围岩，当围岩强度应力比小于本表规定时，围岩类别降低一级。,水工隧洞围岩工程地质分类,围岩总评分,T,是5项因素的评分之和。岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水状态、主要结构面产状这5项因素的评分都有一定的评分标准。,水利水电工程 地质勘察规范,（GB 50487-2008）,RMR,分类,比尼奥斯基（,Z.T.Bieniawski,）根据南非矿山开采经验提出的通过对岩体质量进行评分，来对岩体工程分类，分为两步：,第一步，根据表按照,完整岩石强度,、,RQD 值,、,节理的间距,、,状态,以及,地下水状况,5个方面内容逐一鉴定，给出评分，然后将5个单项因素的分数累加起来得到,初值 RMR,。,用直径为,75mm,的,金刚石钻头,和,双层岩芯管,在岩石中钻进，连续取芯，回次钻进所取岩芯中，长度大于10cm的岩芯段长度之和与该回次进尺的比值，以百分比表示。,Rock Quality Designation,类别,RQD(%),岩石质量,1,90100,好,2,7590,较好,3,5075,一般,4,2550,差,5,25,很差,RMR,岩体工程分类参数及评分标准表,第二步，修正：根据节理裂隙的产状，按表对,RMR,值进行修正。,RMR,修正评分值,RMR,岩体工程分类表,经过修正后的岩体总评分就是岩体质量综合评判标准，根据这个值将岩体分为5类。,Q,分类,挪威学者,Barton,等于1974年提出的 Q 值评分方法，主要考虑了岩石质量指标,(,RQD,),、节理组数目,(,J,n,),、节理粗糙度数值,(,J,r,),、节理蜕化系数,(,J,a,),、节理含水折减系数,(,J,w,),以及应力折减系数,(,SRF,),个参数，由下式确定岩体质量,岩体质量,Q,的变化范围从,0.0011000,，相当于从严重破碎的糜棱岩化岩体到完整坚硬的岩体，根据,Q,值将岩体质量分为,9,类。,岩体质量分类,RSR,分类,