第16章-地下洞室工程.课件.ppt

1、第第16章章 地下洞室工程地下洞室工程本章重点：本章重点：地下洞室的围岩分级及稳定性评价；地下洞室勘察要点。地下洞室的围岩分级及稳定性评价；地下洞室勘察要点。第1节 概述 地下洞室系指为了某种目的，修建在地面以下及山体内部的各类建筑物。地下厂房施工地下洞室的分类类型小 型中 型大 型跨度（B）(m)小跨度中跨度大跨度B55B1010B1515B202025 按按 毛毛 洞洞 跨跨 度度 分分 类类类型代 表 性 地 下 洞室主 要 特 点地下交通运输铁路隧道、公路隧道、地下铁道、水下隧道、地下通道（含车站地下通道及人行道）1.多数单洞,也有相距很近的平行的两个单线洞。2.一般为中等跨度，铁路亦

2、有大跨度。3.除地下通道外，一般都较长4.地下铁道、地下通道多属浅埋，且多位于土层中。水工隧洞输水洞、引水洞、泄洪洞1.为单洞和群洞2.一般为中、小跨度 3.一般较长 4.分为有压和无压两种矿山巷道煤矿巷道，各种金属矿巷道，非金属矿巷道，其它矿山巷道等（以上各巷道均含运输大巷和开采巷道）1.多属群洞 2.多为小跨度 3.多为深埋 4.对地质条件基本上没有选择的余地地下工业用房地下工厂、地下电站（含水力发电厂房）、地下试验室、地下污水处理场、其它工业厂房等1.以主洞为主的洞群2.多为大型和巨型地下工程地下民用及公共建筑地下商店、地下街道、地下影剧院、地下医院、地下运动场、地下住宅、地下旅馆等;

3、地下车库、地下油库、水封油库、地下冷库、地下物资仓库、地下水库、地下废料库等1.地下单洞或群洞2.大中小跨度都有，但以小跨度为主3.多为浅埋4.大部分利用人防工程，且地处城市地下军事工程飞机库、舰艇库、武器库、指挥所、掩蔽体、作战坑道、各类军事装备器材库、人防工程等1.单洞或群洞 2.飞机库（跨度远大于高度）和舰艇库属大型地下工程；作战坑道一般为小跨度；人防工程大、中、小跨度均有，但以小跨度为主。3.除人防工程外选址取决于军事上考虑，工程地质条件选择余地小。按按 用用 途途 分分 类类第2节 地下洞室围岩分类 围岩分类是为解决地下洞室的围岩稳定和支护问题而建立的。 围岩分类是围绕地下洞室的稳定

4、性和支护的影响因素而作为分类原则，这些因素主要有：岩体的结构特征和完整状态；岩体强度；岩石的风化程度；地下水的影响；区域构造影响和地震影响等。洞室围岩质量分级 工程岩体分级标准GB5021894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

5、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 分 级岩体基本质量指标 岩体基本质量指标（BQ），应根据分级因素的定量指标岩石单轴饱和抗压强度Rc（MPa）和岩体的完整性系数Kv，按下式计算： BQ=90+3Rc+250Kv 注：使用上式时，应遵守下列限制条件： 当Rc90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值。 当Kv0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。铁路隧道围岩的基本分级级别岩 体 特 征土 体 特 征纵波速（km/s）围岩开挖后的稳定状态（单线）极硬岩，岩体完整4.5围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆极硬

6、岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整3.54.5暴露时间长会有局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平层，顶板易坍塌极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整2.54.0拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌 极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土，Q1、Q2黄土 1.53.0拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定 软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一

7、般第四系坚硬、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及Q3、Q4的黄土 1.02.0围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表 受构造影响很严重呈碎石角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等1.0（饱和状态60Mpa（600kgf/cm2）：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩石Rb30Mpa（300kgf/cm2）：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，但其产状及组合

8、关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象；或为硬质岩石偶夹软质岩石呈大块状砌体结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.54.5软质岩石Rb30Mpa（300kgf/cm2）：受地质构造影响轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构 硬质岩石Rb30Mpa（300kgf/cm2）：受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层；层间结合差，多有分离现象，或为硬、软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌结构拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破

9、震动过大易坍2.54.0软质岩石Rb=5 Mpa30 Mpa（50 kgf/cm2300 kgf/cm2）：受地质构造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层；层间结合一般呈大块状砌体结构公路工程地质勘察规范公路隧道围岩分类类别围 岩 主 要 工 程 地 质 条 件围岩开挖后的稳定状态（坑道跨度5m时）围岩弹性波速度 VV(km/s)主要工程地质特征结构特征和完整状态 硬质岩石Rb30 Mpa（300kgf/cm2）：受地质构造影响很严重，节理很发育；层状软弱面（或夹层）已基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定1.53.0软质岩石Rb=5 Mpa30

10、Mpa（50 kgf/cm2300 kgf/cm2）：受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌结构土：1.略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土2.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土3.黄土（Q1、Q2）1.呈大块状压密结构；2、3.呈巨块状整体结构 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状呈角（砾）碎（石）状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉（陷）或坍至地表1.02.0一般第四系的半干硬硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎、卵石土, 圆砾，角砾土及黄土（Q3、Q4）非粘性土呈松散结构粘性土及黄土呈松软结构 石质围岩位于

11、挤压极强烈的断裂带内，呈角砾、砂、泥松软体 围岩极易坍塌变形、有水时土砂常与水一齐涌出，浅埋时易坍至地表854不支护或局部锚杆或喷薄层混凝土.大跨度时,喷混凝土、系统锚杆加钢筋网基本稳定。围岩整体稳定，不会产生塑性变形，局部可产生掉块85T654局部稳定性差。围岩强度不足局部会产生塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏，完整的较软岩，可能暂时稳定65T452喷混凝土、系统锚杆加钢筋网。跨度为2025m时，并浇筑混凝土衬砌不稳定。围岩自稳时间很短，规模较大的各种变形和破坏都可能发生45T252喷混凝土、系统锚杆加钢筋网，并浇筑混凝土衬砌极不稳定，围岩不能自稳，变形破坏严重T25 岩体地质力学分类

12、 巴顿岩体质量分类地下洞室围岩稳定性评价 对于地下工程，一般都面临着区域稳定性、山体稳定性和洞体稳定性问题。 洞室稳定性受多种因素制约 洞室稳定性分为定性评价和定量评价各种洞体的稳定性问题变形破坏机制变形破坏方式变 形 破 坏 特 征岩 体 结 构 条件脆性破裂岩爆表现为地下开挖围岩岩爆，或岩柱劈裂整体状及块状岩体，岩性坚硬开裂块体运动滑落表现为块体沿结构而拉开或滑动，向洞内位移。在拱顶一般为块体状崩塌，在洞壁为块体滑动。在爆破等动载作用下可产生倒塌或抛掷裂隙块状岩体受贯穿结构面切割的块状岩体，层状岩体中有显著的软弱结构面切割滑动转动变曲折断弯曲挤入表现为岩层向临空面弯曲、折断，并崩塌，在边墙

13、上可表现为倾倒层状岩体，薄层及软硬互层岩体折断塌落松动塌落塌落表现为崩塌或塌滑，岩石碎块等松动，解体面散开（溃散）块状夹泥碎结构、镶嵌结构岩体边墙跨塌石流粘弹塑性破坏塑性挤入表现为围岩的塑性、粘弹性和粘弹塑性变形，洞体收缩或局部挤出、剪切破坏和拉开碎块碎裂结构及层状结构、松软结构剪切破坏底鼓围岩稳定性的定性评价类型亚 类破坏机制变形破坏过程分 析 方 法稳定性评价块 状结 构整体状岩爆、劈裂瞬间能量释放弹性理论，断裂力学良好块体状块体塌滑、开裂与爆破同时发生或因爆破逐次松动、突然塌方块体力学弹脆性、节理单元良好（局部加固） 赤平投影作图裂隙块状块体塌滑突然发生与爆破松动有关坐标投影作图较好（局

14、部重点处理）层 状结 构互层顺层滑动、岩层弯曲稳定变形、失稳变形时间可达数天至数十天弹性、粘弹性、弹塑性理论；层状单元，层体结构力学较好及良好间（夹）层顺层滑动、塌落稳定变形可达数日至一月以上弹性、粘弹性、弹塑性理论；层状单元，层体结构力学较好（局部加固）薄层顺层滑动、岩层弯曲、剥裂稳定变形可达数日至数十日弹性、粘弹性、弹塑性理论；层状单元，层体结构力学一般（局部加固）软层塑性变形及剪切破坏变形阶段达数月甚至更长弹性、粘弹性、弹塑性理论；层状单元，层体结构力学较差围岩稳定性的定性评价类型亚 类破坏机制变形破坏过程分 析 方 法稳定性评价碎 裂结 构镶嵌松动崩塌变形过程很短，一般在数天以内双向无

15、拉伸材料，碎块力学一般碎裂松动崩塌、塑性变形和剪切破坏变形阶段达数月甚至更长弹塑性，不抗拉材料；粘弹塑性碎块力学差或较差层状结构松动塌方、塑性变形和剪切破坏变形阶段达数月甚至更长弹塑性，不抗拉材料；粘弹塑性碎块力学差或较差松 散结 构松散松动剪切破坏变形阶段达数月甚至更长弹塑性，散体，极限平衡差或很差松软塑性变形、剪切破坏变形阶段可达数月、一年甚至更长弹塑性理论、粘弹塑性分析很差围岩稳定性的定量评价 整体稳定性计算 局部稳定性计算 计算方法： 极限平衡方法 强度折减方法第4节 地下洞室位址的工程地质论证 地形上：山体完整、埋深合理 岩性：坚硬、完整 地质构造：断裂少、规模小 水文地质：地下水位

16、以上 进出口：覆盖层薄、坡度陡、完整、稳定 避开高地温、有害气体等第5节 地下洞室勘察要点 勘察阶段划分勘 范勘 察 阶 段岩土工程勘察规范可行性研究勘察初步勘察详细勘察施工勘察铁路工程地质勘察规范踏勘初测定测 补充定测水力水电工程地质勘察规范规划阶段勘察可行性研究阶段勘察初步设计阶段勘察 技施阶段勘察公路工程地质勘察规范可行性研究工程地质勘察初步工程地质勘察详细工程地质勘察 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范可行性研究勘察初步勘察详细勘察施工勘察港口工程地质勘察规范可行性研究阶段勘察初步设计阶段勘察施工图设计阶段勘察 各勘察阶段的目的和要求勘察阶段范 围目 的方 法 和 要 求可行性研究勘察

17、（踏勘、规划阶段勘察）包括若干个拟初步比选的洞址地区根据工程的用途、性质、规模和国家的规划布暑，为方案立项比选提供资料通过搜集区域地质资料、现场踏勘和调查，了解拟选方案的地形、地貌、地层岩性、地质构造、工程地质及水文地质条件。必要时进行少量勘探，做出可行性评价，选择合适的洞址和洞口；铁路越岭隧道，可充分利用卫片、航片进行室内解译，选择洞址和洞口的合理位置，地质复杂地段，宜在初测前开展子阶段地质工作。初步勘察（初测、初步设计阶段勘察）包括几个有定点价值的洞址及其周围地段为选出一个最佳洞址，并为初步设计、概算等提供资料。一般以工程地质测绘为主，特长交通隧道或多线隧道宜采用遥感图像，地质解译、地质测

18、绘、综合物探的方法，必要时辅以少量的钻探和试验。初步查明选定方案的地质条件和环境条件；初步确定岩体围岩分类；对洞口和洞址的稳定性做出评价，为初步设计提供依据。勘 察 阶段范 围目 的方 法 和 要 求详 细 勘察 （ 定测 、 补充定测、施 工 图设 计 阶段勘察、技 施 阶段勘察）选定的洞址及洞室边界以外50200m，以及有关地段为检验和加深初勘工作，为施工图设计和制定施工方案提供资料。采用钻探、物探和测试为主的综合勘探方法，必要时可结合施工导洞布置洞探详细查明洞址、洞口、洞室穿越线路的工程地质及水文地质条件，分段划分围岩类别（岩体质量分级），评价洞体和围岩的稳定性，为设计支护结构和确定施工

19、方案提供资料。物探：查明覆盖层厚度、构造破碎带分布及围岩分类等.钻探：查明重要岩土工程问题或验证物探异常，钻孔宜综合利用.洞探：用于上述各方法仍未查明岩土工程条件的大型重要工程。勘察阶段范 围目 的方 法 和 要 求施工勘察洞室内及其有关的地段为在施工中验证和补充前阶段资料，预测和解决施工中新揭露的岩土工程问题，为调整围岩类别，修改设计和施工方法提供资料。配合施工应进行下列工作：1.配合施工前的准备工作（熟悉前阶段地质资料、文件、规程、规范等）2.施工地质编录及地质图件编制3.进行超前地质预报，利用掌子面位移量测法，掌子面地质素描法，超前导坑预报法；超前钻孔测试法及综合物探等方法，探明掌子面前

20、方的地层构造、水量、水压以及有无地热、岩爆、膨胀岩等问题 4.测定围岩的地应力，弹性波速度及岩石物理力学性质，修正围岩类别。 5.进行围岩稳定性分析，测定开挖后围岩变形，松弛范围及随时间变化的速度。6.参加施工监测系统设计、监控分析和数值分析7.测定支护系统应力应变，对支护参数和施工方法，及时提出建议。一、可行性研究勘察及初步勘察一、可行性研究勘察及初步勘察 本阶段勘察的目的是选择优良的地下洞室位址和最佳轴线方位。其本阶段勘察的目的是选择优良的地下洞室位址和最佳轴线方位。其勘察研究内容有勘察研究内容有: : 搜集已有地形、航卫片、区域地质、地震及岩土工程等方面的资搜集已有地形、航卫片、区域地质

21、、地震及岩土工程等方面的资料；料； 调查各比较洞线地貌、地层岩性、地质构造及物理地质现象等条调查各比较洞线地貌、地层岩性、地质构造及物理地质现象等条件，查明是否存在不良地质因素，如性质不良岩层、与洞轴线平行或交件，查明是否存在不良地质因素，如性质不良岩层、与洞轴线平行或交角很小的断裂和断层破碎的存在与分布等；角很小的断裂和断层破碎的存在与分布等； 调查洞室进出口和傍山浅埋地段的滑坡、泥石流、覆盖层等的分调查洞室进出口和傍山浅埋地段的滑坡、泥石流、覆盖层等的分布，分析其所在山体的稳定性；布，分析其所在山体的稳定性； 调查洞室沿线的水文地质条件，并注意是否有岩溶洞穴、矿山采调查洞室沿线的水文地质条

22、件，并注意是否有岩溶洞穴、矿山采空区等存在；空区等存在； 进行洞室工程地质分段和初步围岩分类。进行洞室工程地质分段和初步围岩分类。 勘察方法以工程地质测绘为主，辅以必要的物探、钻探勘察方法以工程地质测绘为主，辅以必要的物探、钻探与测试等工作。测绘比例尺一般为与测试等工作。测绘比例尺一般为1 1：5 0005 0001 1：25 00025 000。对。对可行性研究阶段的小比例尺测绘可在遥感资料解释的基础上可行性研究阶段的小比例尺测绘可在遥感资料解释的基础上进行。进行。 本阶段的勘探以物探为主，主要用于探测覆盖层厚度及古本阶段的勘探以物探为主，主要用于探测覆盖层厚度及古河道、岩溶洞穴、断层破碎带

23、和地下水的分布等。钻探孔距河道、岩溶洞穴、断层破碎带和地下水的分布等。钻探孔距一般为一般为200200500m500m，主要布置在洞室进出口、地形低洼处及有，主要布置在洞室进出口、地形低洼处及有岩土工程问题存在的地段。钻探中应注意收集水文地质资料，岩土工程问题存在的地段。钻探中应注意收集水文地质资料，并根据需要进行地下水动态观测和抽、压水试验。试验则以并根据需要进行地下水动态观测和抽、压水试验。试验则以室内岩土物理力学试验为主。室内岩土物理力学试验为主。二、详细勘察二、详细勘察 本阶段勘察是在已选定的洞址区进行。其勘察研究内容本阶段勘察是在已选定的洞址区进行。其勘察研究内容有：有： 查明地下洞

24、室沿线的工程地质条件。查明地下洞室沿线的工程地质条件。 查明地下洞室地区的水文地质条件，预测涌水及突水的查明地下洞室地区的水文地质条件，预测涌水及突水的可能性、位置及最大涌水量。可能性、位置及最大涌水量。 确定岩体物理力学参数，进行围岩分类，分析预测地下确定岩体物理力学参数，进行围岩分类，分析预测地下洞室围岩及进洞室围岩及进出口边坡的稳定性，提出处理建议。出口边坡的稳定性，提出处理建议。 对大跨度洞室，还应查明主要软弱结构面的分布和组合对大跨度洞室，还应查明主要软弱结构面的分布和组合关系，结合天然应力评价围岩稳定性，提出处理建议。关系，结合天然应力评价围岩稳定性，提出处理建议。 提出施工方案及

25、支护结构设计参数的建议。提出施工方案及支护结构设计参数的建议。三、施工勘察三、施工勘察 本阶段勘察主要根据导洞所揭露的地质情况，验证已有本阶段勘察主要根据导洞所揭露的地质情况，验证已有地质资料和围岩分类，对围岩稳定性和涌水情况进行预测预地质资料和围岩分类，对围岩稳定性和涌水情况进行预测预报。当发现与地质报告资料有重大不符时，应提出修改设计报。当发现与地质报告资料有重大不符时，应提出修改设计的建议。的建议。 本阶段的工作主要是编制导洞展示图，比例尺一般为本阶段的工作主要是编制导洞展示图，比例尺一般为1 1：50501 1：200200，同时进行涌水与围岩变形观测。必要时可进行，同时进行涌水与围岩变形观测。必要时可进行超前勘探，对不良地质条件进行超前预报。超前勘探常用地超前勘探，对不良地质条件进行超前预报。超前勘探常用地质雷达、水平钻孔及声波探测等手段，超前勘探预报深度一质雷达、水平钻孔及声波探测等手段，超前勘探预报深度一般为般为5-lOm5-lOm。