工程地质模块八课件.pptx

1、模块8工程地质问题分析010203建筑工程地基的稳定性问题边坡稳定性问题地下洞室围岩的稳定性问题PART ONEPART TWOPART THREE04路桥工程的地质问题PART FOUR目 录01建筑工程地基的稳定性问题房屋、道路和桥梁等地面建筑都建设在地表土层或岩层上，建筑的全部荷载都由它下面的土层或岩层来承担。直接承受上部建筑荷载作用的岩体或土体称为地基。地基的承载力、变形和稳定性直接影响着建筑的安全与正常使用，对地基的正确评价有助于上部结构的合理设计和施工。因此，为了保证建筑的安全和正常使用，地基必须满足承载力、变形和稳定性方面的要求。8.1建筑工程地基的稳定性问题地基问题分为土质地基

2、问题和岩质地基问题。土质地基在承受上部建筑荷载的过程中，一方面由于受力会产生变形，引起基础产生沉降；另一方面，当地基所承受的应力超过地基的容许承载力时，地基将发生强度破坏或失稳。一般认为岩质地基具有足够的强度，但是忽视岩石地基的某些不良地质条件也可导致工程事故的发生。8.1建筑工程地基的稳定性问题土质地基的稳定性包括土质地基强度和沉降变形两个方面。土质地基的强度通常以地基容许承载力表示，是指在保证地基不发生剪损破坏、沉降量不超过变形容许值的情况下，土质地基所能承受的上部荷载的能力。关于地基承载力确定的理论和方法可参考土力学书籍，在此不再赘述。8.1.1土质地基的稳定性问题沉降变形是指上部荷载超

3、过限度，将会引起土质地基过量的沉降变形，导致建筑物出现裂缝、倾斜或因土质地基剪损而发生滑动破坏，如图所示。因此，对于承受垂直荷载作用的地基，在半无限空间条件下，基础按地基容许承载能力设计，地基的稳定性可以得到保证，既可满足强度要求，又可满足变形要求。在垂直荷载的作用下，土质地基的稳定性实际上就是土质地基抵抗沉降变形和剪切滑移破坏性能的综合能力。8.1.1土质地基的稳定性问题(a)直线变形阶段（b）塑性变形(局部破坏)阶段（c）完全破坏阶段1.土质地基的沉降变形建筑的地基应满足以下三方面的要求：（1）建筑基础底面的压力（基底压力）不大于地基允许承载力。（2）地基的实际沉降变形值小于规定的允许变形

4、值。（3）在水平荷载下，建筑不产生滑动和倾倒。8.1.1土质地基的稳定性问题当地基土体的强度较高，或者建筑的荷载较小，只要满足了方面（1）的要求也就同时满足了方面（2）和（3）的要求。但当地基土体软弱或地层不均一，或者建筑荷载很大或其各部分荷载不均时，地基可能产生过大的沉降变形或不均匀变形，从而导致建筑下沉、开裂，甚至毁坏。地基在荷载作用下将产生附加压应力，使土粒向下移动，孔隙体积减小，土体压密缩小。若地基发生沉降变形，则建筑也会随之下沉，下沉过大或不均匀，都会妨碍建筑的正常使用，有可能发生不允许的倾斜、开裂或破坏。8.1.1土质地基的稳定性问题建筑的损坏情况，一方面取决于地基变形的大小和不同

5、地点变形的不均匀程度；另一方面与建筑本身的结构特征和使用要求有关。不同建筑要求的地基沉降变形量应限制在一定的范围内，因此确定出地基允许沉降变形值，即可保证建筑的正常使用和安全的最大沉降变形值。常见结构类型建筑的地基变形允许值如表8-1所示，续表见下页。8.1.1土质地基的稳定性问题8.1.1土质地基的稳定性问题一般水工建筑的允许沉降变形值，应视其类型、使用要求及规模等具体考虑。土工建筑（土坝、土堤）由于柔性大，一般均可在软土地基上修筑，但也应加以控制，否则也会因沉降差过大而使建筑各段产生裂缝，造成事故。根据长江流域软土地基上水闸施工的初步经验，最大沉降量可允许达到100150 mm，最大沉降差

6、允许达到3050 mm。刚性较大的一些水工建筑（混凝土坝）对地基的不均匀沉降非常敏感，不允许有较大的沉降差，一般要求地基应强度高、压缩性小；如果需要建筑在软基上，除应设计轻型结构外，还需采取相应的地基加固措施来控制沉降差。8.1.1土质地基的稳定性问题2.土质地基的滑移破坏疏松土层作为地基，特别是低水头重力坝或大闸的地基（软基），当其中局部剪应力超过土的抗剪强度时，便会引起土粒之间的相对错动，发生剪切位移或塑性变形。疏松土地基的滑移，最终将扩大成连续滑移面而产生滑动破坏，如图所示，如此，地基便因被完全破坏而失去稳定性，建筑也会因此而倒塌。因此，为保证建筑的安全和正常使用，不允许地基达到完全破坏

7、的滑移阶段。8.1.1土质地基的稳定性问题一般水工建筑的地基都承受水平和垂直荷载的作用，试验证明，这种情况下产生的滑移破坏有以下几种类型：（1）建筑直接沿着地基土的表面滑移，仅仅表面土层的强度被破坏，称为表层滑移，如图（a）所示。（2）建筑的一部分沿着地基表面滑移，而地基土深处某一滑动范围内发生强度破坏，并与建筑一起滑移，称为混合滑移，如图（b）所示。（3）建筑与地基接触面的滑移不明显，主要是建筑同地基一起在地基土深处某一滑动范围内产生强度破坏，发生滑移，称为深层滑移，如图（c）所示。8.1.1土质地基的稳定性问题承受垂直荷载的地基，在满足强度要求的同时也会满足变形要求，因而不需要进行稳定性验

8、算。但对于承受较大水平荷载的建筑，则必须对地基的稳定性进行分析，以保证地基与建筑的整体稳定与安全，分析主要包括土质地基表层抗滑移稳定性分析、土质地基深层抗滑移稳定性分析及土质地基混合滑移稳定性分析，具体内容参见相关的参考书籍，此处不再赘述。8.1.1土质地基的稳定性问题岩质地基与土质地基不同，比较坚硬。但就单个岩块来说，页岩、泥岩等软岩的变形模量小，在荷载作用下会产生较大的变形；而变形模量大的坚硬岩石，其强度一般较高，变形较小。8.1.2岩质地基的稳定性问题作为建筑地基的岩体，因构造运动和其他地质作用，会产生节理和断层等各种结构面，岩体中软弱结构面发育的数量、密度、延伸长度、性质、产状、空间的

9、组合关系、填充物性质、填充物厚度以及岩体的风化等在很大程度上都影响着岩体受力后的强度和变形。当岩体中的软弱夹层、软弱结构面、断裂破碎带较多时，岩体的强度会大大降低，这是对待岩质地基时需要特别注意的。在地下水发育的熔岩地区，对岩质地基内的洞穴、空洞问题也要引起足够的重视。8.1.2岩质地基的稳定性问题水工建筑中的重力坝地基（坝基）常有沉降和滑移问题，大坝的破坏有多种原因，但坝基强度低和抗滑移条件差对于大坝的破坏往往起到主导作用。筑坝拦蓄河水，抬高水位，库水便以巨大的水平推力作用于大坝，为维持大坝稳定，重力坝坝体必须具备足够的重量，使坝底与地基接触面产生足够大的摩擦力来平衡水平推力，使其不至于发生

10、滑动。8.1.2岩质地基的稳定性问题如果坝基的稳定性不能得到保证，往往会导致大坝破坏，甚至造成灾难性事故。例如，法国马尔帕塞薄拱坝修建在片麻岩上，左岸有绢云母页岩夹层，倾向下游，且裂隙发育，有的张开且被黏土充填，在1959年12月，由于连日暴雨，水位猛涨，绢云母页岩强度降低，坝基负荷骤增，致使大坝左端的岩体发生滑动，造成坝体崩溃，如图所示。8.1.2岩质地基的稳定性问题(a)平面图（b）剖面图1坝基内裂缝；2冲走的坝段；3失事前地面；4失事后地面1956年修建完成的我国安徽省梅山水库连拱坝的右岸肩座花岗岩岸坡存在有近于平行地表的陡倾角卸荷裂隙，同时有一组缓倾角构造裂隙，如图85所示。大坝修建运

11、营六年后，由于高压库水入渗，坝基砌体和拱垛产生位移与裂缝，库水沿裂隙涌出，对大坝的安全造成威胁，后经及时处理，大坝才得以稳定。8.1.2岩质地基的稳定性问题(a)左岸肩座剖面图（b）梅山水库连拱坝实景图1平行岸坡的卸载裂隙；2岸坡岩体滑动方向；3拱顶内侧裂缝02边坡稳定性问题边坡包括自然边坡和人工边坡。自然边坡是指在自然地质作用下形成的山体斜坡、河谷岸坡等；人工边坡是指由于人类活动所形成的斜坡，如基坑边坡、路堑边坡、路堤边坡、土石坝边坡等。边坡包括以下几个要素：（1）边坡本身。边坡本身是指地表的倾斜地段。（2）坡缘。坡缘是指坡地的上限，即地面与坡地上方地面的交线。（3）坡脚。坡脚是指坡地的下限

12、，即地面与坡地下方地面的交线。8.2边坡稳定性问题（4）坡麓。坡麓是指与坡脚毗邻的面。（6）边坡平距。边坡平距是指坡缘与坡脚之间的水平距离。（5）边坡高度。边坡高度是指坡缘与坡脚之间的垂直距离。（7）边坡坡度。边坡高度与平距之比称边坡坡度，通常表示成1m的形式。8.2边坡稳定性问题8.2边坡稳定性问题边坡变形一般是指坡体只产生局部的位移和破裂，或岩块只出现微小的角变位，没有显著的剪切位移和滚动，尚未引起边坡整体失稳。边坡破坏是指坡体以一定的速度产生整体滑动、转动或滚动。1.松弛张裂松弛张裂是指由于河谷深切等原因，边坡的侧向应力被削弱，导致坡体卸荷回弹并出现张裂隙的现象，如图所示。8.2.1边坡

13、变形破坏的类型卸荷张裂隙一般与原始谷坡坡面相平行或沿着已有的高角度构造节理或结构面发育。随着边坡侧向应力削弱的加强，松弛张裂带（也叫卸荷带）将向深部发展，多呈层状发育，张开度也越来越大。在松弛张裂带上还可能产生与坡面垂直或大角度相交的剪切裂隙。8.2.1边坡变形破坏的类型2.倾倒倾倒破坏一般发生在具有反倾边坡的结构，特别是与边坡坡面反倾的薄层塑性岩层（页岩、片岩等）或软硬相间的岩层中。倾倒破坏时，岩层以旋转为其主要的变形方式。由于挠曲型蠕动，岩层将向临空一侧发生弯曲，如图所示。8.2.1边坡变形破坏的类型若在软层中夹有砂岩等脆性岩石时还可能发生折裂、倒转，形成倾倒松动体，如图所示。8.2.1边

14、坡变形破坏的类型1倾倒型蠕动界面；2倾倒松动体8.2.1边坡变形破坏的类型3.蠕动边坡蠕动变形是指边坡岩土体在以自重应力为主的应力场的长期作用下，向临空方向产生缓慢而持续的变形。边坡蠕动可分为表层蠕动和深层蠕动两种基本类型。（1）表层蠕动。表层蠕动多发生在破碎的岩质边坡和疏松的土质边坡中，边坡浅部的岩土体在重力的长期作用下向临空面变形构成一个剪切变形带，其位移由坡面向坡体内部逐渐降低直至消失。（2）深层蠕动。由坚硬岩层组成的边坡，其底部存在软弱垫层或软弱结构面，软弱垫层发生塑性流动和蠕变或岩层沿着软弱结构面发生缓慢的蠕变滑移，都会导致上覆硬岩层出现张裂隙，甚至缓慢解体并下沉挤入软弱层，软弱岩层

15、则向临空侧挤出，出现不均匀沉陷现象，如图所示。除上述讲到的三种边坡变形破坏类型外，还有滑坡和崩塌，它们已在模块7中进行了详细的介绍，这里不再赘述。8.2.1边坡变形破坏的类型由于自然因素的变化，边坡始终处于发展变化中。坡稳定性评价的任务包括：评价预测边坡（与工程相关的天然斜坡或人工边坡）的稳定性和发展趋势；为边坡设计和整治提供设计依据。因此，应将边坡与周围工程环境结合起来，从发展变化的角度预测边坡稳定性的发展趋势，得到边坡稳定性的结论，从而制定出合理的边坡稳定防治措施。边坡稳定性评价的方法主要有地质分析法（又称历史成因分析法）、工程地质类比法、力学分析法。前两者属于定性分析法，后者属于定量分析

16、法。在实际应用中，这三种方法应相互验证、彼此补充、综合分析。8.2.2边坡稳定性评价1.地质分析法地质分析法主要是针对影响边坡稳定的各种因素进行综合分析研究，对边坡稳定性做出定性判断。这种方法不仅能判断边坡稳定的现状和预测未来发展变化的趋势，也能为工程地质类比法提供对比依据，并为力学分析法边界条件的确定和计算参数的选定提供依据。影响边坡稳定性的因素主要有下列几种：8.2.2边坡稳定性评价（1）地貌条件。边坡坡度越陡、坡高越高，边坡越不稳定，因此，深邃的峡谷、陡峭的岸坡易于发生变形破坏。另外，平面上呈凹形的边坡比呈凸形的边坡稳定性好。边坡周围有无冲沟深切、地形是否完整等也都直接影响着边坡的稳定性

17、。（2）岩石的性质。坚硬完整的岩石可以维持高陡的边坡，而软弱的黏土质岩石的稳定坡角则只有2030。沉积岩碎屑结构中的胶结物成分对边坡的稳定坡角也有影响。由块状结晶岩石组成的边坡稳定性较好，不易发生滑坡，变形破坏形式常以张裂、崩塌为主。（3）岩体的结构和构造。岩质边坡的稳定性虽然和岩石性质有关，但主要取决于结构面的类型、产状、性质、规律及其组合情况。结构面往往成为边坡稳定性的控制因素，如沉积岩、千枚岩及部分片岩的层理和片理对边坡的稳定性起着控制作用。整体或块状结构类型的边坡，其稳定性较好；层状结构的边坡，其稳定性主要取决于层面的产状；碎裂结构和散体结构的边坡稳定性差，易于产生圆弧式滑动。8.2.

18、2边坡稳定性评价层状结构边坡或被软弱结构面切割的边坡，其层面及其他软弱结构面的走向与坡面走向的夹角越大越稳定，两者倾向相反时对边坡稳定有利，两者倾向相同时有以下三种情况：当边坡角大于结构面倾角时，对边坡稳定不利。当边坡角小于结构面倾角时，边坡是稳定的。当边坡角等于结构面倾角时，边坡也是稳定的。8.2.2边坡稳定性评价（4）地质构造。在褶皱、断裂发育地区，岩层倾角较陡，节理、断层纵横交错，是产生崩塌、滑坡的主要原因。在新构造运动强烈上升区，由于侵蚀切割，往往会形成高山峡谷地形，在边坡岩体中普遍产生变形和破坏现象。8.2.2边坡稳定性评价（5）水的作用。一般崩塌和滑坡均发生在连续降雨之后，尤其是暴

19、雨，对触发边坡破坏是一个重要的诱因。水对边坡的作用可从水对岩土的软化与泥化作用、水的冲刷作用、静水压力效应与动水压力效应等几方面加以考虑。水对岩土的软化与泥化作用。边坡岩土体中的泥质或土质岩层在干燥时强度较高，但经水浸泡后，因含水量增大，使之软化、泥化、抗剪强度降低，从而引起边坡破坏。水的冲刷作用。地表流水逐渐向低洼沟槽中汇集，水量渐大，携带的泥沙石块也渐多，侵蚀能力加强，使沟槽向更深处下切，同时使沟槽不断变宽，这个过程称为冲刷作用。例如，黄土高原千沟万壑的地形就是水流的冲刷作用造成的。8.2.2边坡稳定性评价静水压力效应。由于雨水渗入、河水位上涨或水库蓄水等原因，地下水位抬高，使边坡内不透水

20、的软弱层受到静水压力的垂直作用，削弱了软弱面上滑体重量所产生的法向力，从而降低了其抗滑力，导致边坡失稳。岸坡崩塌也多发生在雨季，与张开裂隙充水并增大静水压力密切相关。水库运营期间，当水库水位骤降，而边坡岩土体的地下水位下降速度又滞后于水库水位时便会形成较大的静水压力，从而使库岸遭到破坏。8.2.2边坡稳定性评价动水压力效应。地下水由边坡岩土体中外泄，由于有一定的水力梯度，因此会形成动水压力，从而沿渗流方向增大坡体的下滑力，威胁边坡的稳定。此外，地下水的溶蚀和潜蚀作用会削弱岩土体的结构联系，降低其抗滑力，影响岸坡的稳定性。8.2.2边坡稳定性评价（6）地震。地震是造成边坡破坏的重要触发因素，许多

21、大型崩塌或滑坡的发生都与地震密切相关。地震引起岩体的震动等于使岩体承受一种附加的动荷载，在此荷载作用下，岩体的稳定性会下降，岩体沿软弱面的咬合作用减弱，抗剪强度降低或完全丧失结构强度（如砂基液化等）。地震造成的破坏程度与岩性、岩层的含水量、边坡坡面方位、层理及断裂的分布等有关。8.2.2边坡稳定性评价此外，风化作用使岩石破碎，人工开挖特别是破坏坡脚的开挖、矿山采空、人工爆破震动，在坡顶修建建筑物及堆放重物等因素，都可能引起边坡变形甚至破坏。8.2.2边坡稳定性评价2.工程地质类比法工程地质类比法是将所要研究的边坡与类似的已研究过的边坡进行对比，将已研究的经验应用到新的边坡工程中，对新边坡的稳定

22、性做出定性评价。这些经验包括边坡剖面形态、变形破坏形式及机理、防护与处理措施等。类比要遵循相似的原则，地质条件和形态完全不同的边坡不能类比。在边坡工程地质条件相似的情况下，稳定边坡可作为确定新边坡的稳定坡角的依据。8.2.2边坡稳定性评价3.力学分析法采用力学分析法评价边坡稳定性时，对自然条件都做了某些简化。但影响边坡稳定的因素十分复杂，与边坡稳定性有关的许多因素和计算参数（如节理间距和长度、岩土内摩擦角和凝聚力、地下水埋深等）都是随机变化的。在计算时，这些参数都是作为确定值来参与边坡稳定系数的计算的，不能反映边坡实际的稳定状态。因此，力学分析法应该与其他方法结合起来，综合评价边坡的稳定性。力

23、学分析法是根据不同的边界条件和变形破坏类型，并按边坡的岩土性质及地质结构假定为不同的力学介质，采用不同的计算和评价方法，如极限平衡理论法（包括瑞典法、毕肖普法、平面及折线滑动面计算法、岩坡滑动楔形体矢量解析法等）、赤平投影图解法、有限单元法等。这里仅介绍常用的静力极限平衡法。静力极限平衡法是将边坡稳定力学计算模型建立在静力平衡的基础上，按照不同的边界条件去考虑各种力的组合，计算滑动面上的下滑力和抗滑力，并求出抗滑稳定系数。8.2.2边坡稳定性评价8.2.2边坡稳定性评价从上述可知，单滑动面滑动体的稳定系数K与滑动面长度L及坡面倾角无关，而是随着滑动面c、值的增大而增大，随着滑动面倾角及滑动体厚

24、度h的增加而减小。8.2.2边坡稳定性评价03地下洞室围岩的稳定性问题1.地应力与应力的重分布地下洞室开挖前，岩体中每个质点在各种天然应力作用下处于相对平衡状态。通常情况下，自重应力和构造应力是地应力中最主要的部分。由于地下洞室的开挖破坏了岩土体中原有的应力状态（一次应力状态），造成应力重分布（二次重分布应力）。岩土体在自然状态下所具有的初始应力称为地应力或原岩应力，包括岩土体自重应力、地质构造应力、地温应力、地下水压力及结晶作用、变质作用、沉积作用、固结脱水作用等引起的应力。在应力重分布的过程中，有些部位产生了较大的附加应力，破坏了原有岩土体内部的自然平衡状态，导致岩土体产生变形、破坏等多种

25、工程地质问题。8.3.1围岩应力的重分布2.围岩与围岩压力围岩是指地下洞室开挖后发生应力重分布的洞周围的土体。洞室开挖后，为保证洞室的稳定需要经常进行支护和衬砌，洞室支护和衬砌结构上必然受到围岩变形和破坏的岩土体的压力，这种由于围岩的变形与破坏而作用于支护和衬砌上的压力，称为围岩压力。围岩压力按其形成方式主要有以下几种：8.3.1围岩应力的重分布（1）松动压力。松动压力也称“散体压力”，指由于围岩松动或坍塌的岩土体以重力形式作用在支护结构上的压力。（2）变形压力。变形压力是指支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力。围岩变形是时间的函数，变形压力与围岩变形和支护结构有关，所以变形压力是时间和支护结构

26、特征的函数。洞室开挖后，一定的支护结构应有一个合理的支护时间；若同一支护时间采用不同的支护结构，则变形压力也不同，一般支护结构柔性越好，变形压力就越小。8.3.1围岩应力的重分布（3）冲击压力。冲击压力也称“岩爆”，当建筑物埋深较大，或由于构造作用使初始应力很高，开挖后洞体应力超过了围岩的弹性界限时，这些能量突然释放所产生的巨大压力，称为冲击压力。（4）膨胀压力。某些岩土体由于遇水后体积膨胀而产生膨胀压力。膨胀压力的大小取决于岩土体的物理力学性质和地下水的活动特征。1.围岩应力引起的围岩变形与破坏类型在围岩应力的作用下，围岩变形与破坏的类型主要有以下几种：（1）张裂塌落。在厚层状或块体状围岩的

27、洞室拱顶部，当产生拉应力集中，其值超过围岩抗拉强度时，拱顶围岩将发生垂直张裂破坏。当有近于垂直的构造节理发育时，拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展，使被裂缝切割的岩体在自重的作用下变得不稳定。此外，当岩石在垂直方向的抗拉强度较低，或近于水平方向的软弱结构面发育时，往往也会造成拱顶塌落。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏傍河隧洞或越岭隧洞进出口段常因岩体侧向卸荷作用的影响，使得岩体内侧压力系数较小，加之这些地段节理通常发育，故拱顶经常发生严重的张裂塌落，有时甚至一直塌到地表。故在此类地区修建隧洞时，应尽量避开卸荷影响带。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（2）劈裂剥落。过大的切向压应力可使厚层状或块体

28、状围岩表面出现与洞室周边平行的破裂，如图所示。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板，这些薄板常沿壁面剥落，其破裂范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂岩板还可能被压弯、折断，并造成塌方。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（3）碎裂松动。碎裂松动是硬质岩因多组节理发育呈镶嵌碎裂状时的围岩变形、破坏的主要形式。洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，则这类围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动、松弛，并围绕洞体形成一个碎裂松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，当有地下水活动参与时，极易导致拱顶坍塌和边墙失稳。松动带的厚度会随时间的推移而逐渐增大。

29、因此，该类围岩开挖后应及时进行支护加固。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（4）弯折内鼓。在薄层脆性围岩中，当卸荷回弹或切向压应力超过薄层岩层的抗弯强度时，岩体变形、破坏将主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏。因此，当薄层状岩层与初始最大应力近于垂直时，洞室开挖后就会在回弹应力的作用下发生图8-12所示的弯曲、拉裂和折断，最终被挤入洞内坍倒。（图见下页）在卸荷回弹造成的破坏中，破坏主要发生在地应力较高的岩体内（如深埋洞室或水平应力高的洞室），并且总是在与岩体内初始最大应力垂直相交的洞壁上表现最强烈。当以垂直应力为主时，水平岩层在洞顶易产生弯折；当以水平应力为主时，竖直岩层在洞壁易产生弯折。8

30、.3.2地下洞室围岩的变形与破坏图8-12走向平行于洞轴的薄层状围岩的弯折内鼓破坏8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏(a)顶部弯折（b）侧墙弯折当洞室侧壁有平行断层通过时，将加强洞壁与断层之间薄层岩体内的应力集中，从而使洞室更易产生弯折内鼓，如图所示。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（5）岩爆。岩爆是深埋地下工程在施工过程中常见的动力破坏现象，当具有较高的脆性度和弹性的岩体中聚积的高弹性应变能大于岩石破坏所消耗的能量时，将破坏岩体结构的平衡，多余的能量会导致岩石爆裂，使岩石碎片从岩体中剥离、崩出。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏岩爆发生的地点多在新开挖的掌子面及距离掌子面13倍洞径的范围内

31、，个别的也有距新开挖工作面较远。岩爆时围岩破坏的规模，小者几厘米厚，大者可达数吨重。小者常呈中间厚、周边薄，以不规则的鱼鳞片状脱落，脱落面多与岩壁平行。岩爆围岩的破坏过程，一般新鲜坚硬的岩体先产生声响，并伴随片状剥落的裂隙出现，裂隙一旦贯通就会发生剥落或弹出，属于表部岩爆。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏由于爆破震动影响，造成开挖洞段应力重新分布，造成掌子面发生较大面积的岩爆，爆落出的小块鱼鳞片状碎屑甚至会堵塞整个巷道。岩爆往往造成开挖工作面的严重破坏、设备损坏和人员伤亡，已成为岩石地下工程和岩石力学领域的世界性难题。预防岩爆的方法有应力解除法、注水软化法和使用锚栓-钢丝网-混凝土支护。（6

32、）塑性挤出。洞室开挖后，当围岩应力超过软弱岩体的屈服强度时，软弱的塑性物质就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。若软、硬岩体相间，则软弱岩体的塑性挤出还将受到岩体产出条件和洞室开挖所在部位的控制。产生塑性挤出的围岩主要有固结程度较低的泥质粉砂岩、泥岩、页岩、泥灰岩等软弱岩体。此外，散体结构的围岩也存在塑性挤出的问题。通常，挤出变形的发展都有一个时间过程，一般要几周至几个月后才能达到稳定。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（7）膨胀内鼓。洞室开挖后，往往促使水分由围岩内部的高应力区向围岩表部的低应力区转移，常使某些含大量膨胀矿物、易于吸水膨胀的岩体发生强烈的膨胀内鼓变形，造成洞室设计

33、空间不足，围岩表部膨胀开裂，并进一步风化，甚至解体。除水分重分布外，这类岩体开挖后也会从空气中吸收水分而发生自身膨胀。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏遇水后易于膨胀的岩石主要有两类，一类是富含蒙脱石、伊利石的黏土岩类；另一类是富含硬石膏的地层。隧洞围岩中若含有遇水体积会增加2.9的岩石，就会给开挖造成困难。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏而有些富含蒙脱石的岩体，遇水后体积可增加1425。围岩遇水膨胀后，会产生很大的围岩压力，这将给隧洞的施工和运营带来很大的困难。与围岩塑性挤出相比，围岩吸水膨胀是一个更为缓慢的过程，往往需要相当长的时间才能达到稳定。2.地质构造控制的围岩变形与破坏受地质构造

34、控制而变形、破坏的围岩主要是脆性围岩。对于厚层状或块状结构的围岩，在地质构造控制下主要以沿结构面剪切滑移为主。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏在厚层状或块状结构的围岩中，当侧压力系数1时，洞室拱顶压应力的集中程度较高，此时拱顶若有斜向断裂面存在（见图），则在断裂面上将形成较大的剪应力分量，沿断裂面作用的剪应力往往会超过其抗剪强度，引起岩体沿断裂面发生剪切滑移。这种滑移还会产生次生拉应力（大体垂直于图中的虚线），从而使断裂面与虚线间的三角形岩体因滑移拉裂而坠落。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏当侧压力系数1时，洞室边墙上压应力的集中程度较高，此时若有陡倾角断裂在边墙发育，则常会造成断裂面上的

35、剪应力超过其抗剪强度，使围岩沿断裂面发生剪切滑移，造成边墙失稳。此外，对于厚层状或块状结构的软弱岩体，当围岩表部压应力集中时，有时也会沿两组密集共轭节理面发生剪切错动，造成拱顶坍塌或边墙失稳。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏3.松散围岩的变形与破坏松散围岩指具有散体结构的围岩，如断层破碎带、节理极发育岩体、风化破碎带、第四纪松散沉积等，其变形与破坏主要是在二次重分布应力和地下水作用下发生的，主要类型有重力坍塌和塑流涌出。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏（1）重力坍塌。在松散岩体中开挖洞室，因岩体的固结程度差或没有固结，并且大多数松散岩体的地下水含量较高，导致结构面强度低，故开挖后的岩块会在

36、重力的作用下自由坍落，形成较高的坍塌拱，有时甚至可以坍塌到地表。因此，施工时必须采用边开挖边支护的办法，完工后还应对衬砌背后与围岩之间的空洞或空隙进行灌浆加固。（2）塑流涌出。当开挖揭穿饱水的断层破碎带内的松散物质时，在压力下松散物质和水常形成泥浆碎屑流突然涌入洞中，有时甚至会堵塞坑道，给施工造成很大困难，对此应提前做好准备。8.3.2地下洞室围岩的变形与破坏影响地下洞室围岩稳定性的因素主要有自然因素和人为因素。自然因素包括岩性、岩体结构、地质构造、构造应力、地下水等，人为因素包括开挖方式、支护形式和时间等。这里只介绍自然因素对地下洞室围岩稳定性的影响。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素1

37、.岩性坚硬完整的岩石一般对围岩稳定性的影响较小，软弱岩石由于其强度低、抗水性差、受力容易变形和破坏，因而对围岩稳定性的影响较大。如果地下洞室的围岩为整体性良好、裂隙不发育的坚硬岩石（岩石本身的强度远高于结构面的强度），则围岩的性质对围岩稳定性的影响很小。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素如果地下洞室围岩的强度较低、裂隙发育、遇水软化，特别是具有较强的膨胀性，则二次重分布应力会使岩石产生较大的塑性变形，从而导致较大的破坏区域。同时，裂隙间的错动、滑移变形也将增大，给围岩的稳定性带来重大影响。2.岩体结构块状结构的岩体作为地下洞室的围岩，其稳定性主要受结构面的发育程度和分布特点的控制，这时的围

38、岩压力主要来自最不利的结构面组合，同时与结构面和临空面的切割关系密切。碎裂结构围岩的破坏常常是由于变形过大，导致块体间相互脱落，连续性被破坏而发生坍塌，或某些主要连通结构面切割而成的不稳定部分整体冒落，其稳定性最差。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素3.地质构造地质构造对于围岩的稳定性起着重要作用。当洞室通过软硬相间的层状围岩时（见图），易在接触面处变形或坍落。若洞室轴线与岩层走向近于垂直，可使工程通过软弱岩层的长度较短；若与岩层走向近于平行而不能完全布置在坚硬岩层里，断面又通过不同岩层，则应适当调整洞室轴线的高程或左右移动轴线的位置，使围岩有较好的稳定性。洞室应尽量设置在坚硬岩层中，或尽

39、量把坚硬岩层作为地下洞室的顶部。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素建在褶皱构造中的地下洞室（见图8-16、图8-17），当洞室通过背斜轴部时，顶部向两侧倾斜，由于岩层成拱的作用，利于顶部的稳定；当洞室通过向斜轴部时，两侧岩体倾向洞内时，岩层易向洞内滑移而产生偏压或滑落，并且洞顶存在张裂，不利于围岩的稳定。另外，向斜轴部容易存储聚集地下水，且多为承压水，这也进一步削弱了岩体的稳定性。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素图8-16地下洞室平行通过褶皱构造8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素图8-17地下洞室横穿褶皱时岩层压力的分布当地下洞室邻近或处在断层破碎带时，断层破碎带宽度越大，走向与

40、洞室轴线交角越小，则破碎带在洞内出露的越长，对围岩稳定性影响越大。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素4.构造应力一般在地质构造复杂的岩层中构造应力十分明显，尽量避开这些岩层对于地下洞室的稳定性非常重要。沿构造应力最大主应力方向延伸的地下洞室比沿垂直最大主应力方向延伸的地下洞室稳定；构造应力随地下洞室埋深的增加而增大，一般地下洞室埋深越大，稳定性越差。地下洞室的最大断面尺寸沿构造应力最大主应力方向延伸时较为稳定，这是由围岩应力的分布决定的。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素5.地下水地下水对地下洞室围岩稳定性的影响可分为静水压力、动水压力、溶解和软化作用等。当洞室处于含水层中或围岩透水性

41、较强时，这种影响更为明显。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素静水压力作用于衬砌上，增加了衬砌的荷载。在对衬砌的强度和厚度进行设计时，应充分考虑静水压力的影响。另外，静水压力可使结构面张开，减小滑动摩擦力，增加围岩坍塌和滑落的可能性。地下水的软化作用会使岩石强度降低，尤其对于软弱抗水性差的岩石更是如此。除坚硬抗水性好的岩石，对一般洞室围岩进行围岩等级评价时，遇到地下水的情况要比没有地下水的情况降低一级。动水压力既可使岩块沿着水流方向移动，又可冲刷和带走裂隙内的细小矿物颗粒，增加裂隙的张开度，加大围岩的破坏程度。地下水的溶解作用可使岩石中的矿物溶解于水中并被带走，岩块变得疏松，空隙变大，岩体强

42、度降低，甚至出现溶洞、地下暗河等不良地质现象，对洞室围岩的稳定性造成不利影响。8.3.3地下洞室围岩稳定性的影响因素不同结构类型的岩体变形和失稳机制不同，不同类型的地下洞室对稳定性的要求也不同，围岩稳定性分析和评价的方法也多种多样。1.围岩稳定分类法围岩稳定分类法是以大量的工程实践为基础，以稳定性观点对工程岩土体进行分类，并以分类指导稳定性评价。围岩稳定性的分类方法很多，大体可以分为岩体完整性分类、岩体结构分类和岩土体质量的综合分类。分类的具体内容可查看相关参考文献，这里不再赘述。8.3.4地下洞室围岩稳定性的分析方法2.工程地质类比法根据对大量实际资料的分析统计和总结，将不同围岩压力的经验数

43、值作为后建工程确定围岩压力的依据。工程地质类比法是常用的分析方法，其适用条件必须是被比较的两个地下工程具有相似的工程地质特征。8.3.4地下洞室围岩稳定性的分析方法3.围岩结构分析法围岩结构分析法是在围岩结构及其特征研究的基础上，考虑工程力的作用方式，采用图解法和数值计算分析法判定围岩的稳定性。8.3.4地下洞室围岩稳定性的分析方法（1）图解法。借助赤平极射投影法、实体比例投影法进行图解分析，初步判定围岩的稳定性。该方法属于定性或半定量分析，简单易行。8.3.4地下洞室围岩稳定性的分析方法（2）数值计算分析法。在深入研究围岩结构特征的基础上建立地质力学模型，通过有限单元法或边界单元法计算得出工

44、程围岩稳定性的定量指标，把计算求得的围岩应力和位移与围岩本身的强度和允许位移值进行比较来判断围岩的稳定性。5.模拟试验法在岩体结构和岩体力学性质研究的基础上，考虑外力作用的特点，通过物理模拟和数学模拟方法研究岩体变形、破坏的条件和过程，由此得出岩体稳定性的直观结果。4.数学力学计算分析法进行围岩稳定性分析时，经常采用复变函数进行围岩应力与变形的计算，得出围岩弹性解析解。利用该方法分析围岩的应力和变形，目前主要局限在深埋地下工程，对受地表边界和地面荷载影响的浅埋洞室分析在数学处理上仍存在很多困难。8.3.4地下洞室围岩稳定性的分析方法保障地下洞室围岩稳定性的途径主要有两种：一是保护地下洞室围岩原

45、有的强度和承载能力，主要通过合理安排施工、及时封闭围岩及施做支护衬砌实现；二是增强围岩的强度，使其稳定性有所提高，主要通过加固、支护围岩实现。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施1.合理开挖，减少围岩扰动围岩等级不同，应选择不同的开挖施工方案。多次开挖会多次扰动围岩，应尽可能一次全断面开挖。若地下洞室断面较大，一次开挖成型困难，可采用分部开挖逐步扩大断面的方法，但要根据围岩的特征采用不同的开挖顺序以保护围岩的稳定性。常用的分部开挖方法有台阶法、环形开挖预留核心土法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法、中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）、中洞法、侧洞法、柱洞法等，如图所示。（图中数字序号代表

46、开挖顺序）8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施(a)台阶法（b）环形开挖预留核心土法（c）单侧壁导坑法（d）双侧壁导坑法（e）中隔壁法(CD法)(f)交叉中隔壁法(CRD法)（g）中洞法(h)侧洞法(i)柱洞法2.预支护、预加固措施沙砾土、砂性土、黏性土或强风化基岩等不稳定地层在隧道开挖过程中的自稳时间较短，往往会引起较大的地面沉降，初期支护也往往因未来得及施做，或喷射混凝土还未获得足够强度时，拱墙的局部地层已经开始坍塌。为此需要采取地层预支护和预加固措施来提高地层的自稳能力，减小地表沉降。（1）小导管超前注浆。注浆小导管采用0.380.50的焊缝钢管制成，导管沿上半断面的周围轮廓线布置，间

47、距为0.20.3 m，仰角控制在1015，如图所示。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施注浆小导管用风钻打入，管头为2530的锥体，管长为35 m，其中，端头花管长 2.02.5 m，花管部分钻有0.60.10的孔眼，每排2个孔，交叉排列，间距为1020 cm。注浆材料可采用水泥浆或水泥水玻璃浆液，主要适用于渗透系数大于10-4cm/s的填土层、砂土层和夹砂的黏土层；注浆材料及配合比应根据地质条件和施工要求，通过现场试验确定。对于渗透系数大于10-5 cm/s的细砂层可采用化学浆液（聚氨酯类、丙烯酞胺类）。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施（2）管棚超前支护。当地下洞室通过自稳能力很差的

48、地层，或地表荷载过大，威胁施工安全，或临近有重要建筑物时，为防止由于地下洞室施工造成超量的不均匀下沉，往往采用管棚法。所谓管棚，就是把一系列直径为98250 mm的钢管沿洞室外轮廓线或部分外轮廓线，顺洞室轴线方向依次打入开挖面前方的地层内，以支撑来自外侧的围岩压力。管棚排列的形状有帽形、方形、一字形及拱形，具体应依据工程需要及断面形式确定。管棚设置的范围、间距和管径应根据工程地质和水文地质条件，以及地下洞室的埋置深度等因素确定。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施（3）开挖面深孔注浆。在含水砂层、软塑或流塑状黏土、淤泥质地层中，因注浆小导管的加固范围有限，掌子面地层不稳，故一般采用开挖面深孔

49、注浆。一次注浆的长度为1015 m，注浆孔的间距为0.51.0 m，注浆压力为0.72.0 MPa，如图所示。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施水泥浆的配合比及注浆压力通过现场试验确定，其工艺流程如图所示。注浆量应根据地层孔隙率，通过计算确定。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施3.开挖后的围岩加固与支护（1）支撑。支撑是临时性加固洞壁、保护围岩稳定性的简单易行的措施，按材料可分为木支撑、钢支撑和混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖洞室时，应考虑及时设置支撑，防止围岩早期松动。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施（2）锚喷支护。锚喷支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的统称，其特点是通过加固

50、地下洞室围岩，充分利用并提高围岩的自承载能力来达到维护地下洞室围岩稳定的目的。在支护原理上，锚喷支护能充分发挥围岩的自承载能力，从而使围岩压力降低，支护厚度减小。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施喷射混凝土支护。喷射混凝土的作用有以下三方面：及时封闭围岩暴露面，有效隔绝空气和水，防止围岩因潮解风化产生剥落和膨胀，避免裂隙中的充填料流失，防止围岩强度降低。8.3.5地下洞室围岩稳定性的保障措施高压高速喷射混凝土时，一部分混凝土浆液会渗入围岩张开的裂隙中，起到胶结加固作用，提高围岩的强度。含速凝剂的喷射混凝土可在几分钟内凝固，及时向围岩提供支护抗力（径向力），使围岩表层岩体由双向受力状态变为三