地下洞室工程问题Word文档下载推荐.docx

1、都建设在地下岩土体内，具有一定断面形状和尺寸，并有较大延伸长度。地下洞室的断面形状一般有曲线型、折线型和两者的组合型。地下洞室断面形状的选择，应考虑洞室的用途和服务年限、洞室的围岩性质、岩土体地应力的分布特征；洞室的支护或衬砌方式和材料等因素综合确定。一般地来讲，曲线型洞室（圆形、椭圆形和马蹄形等）的稳定性较好，对周围岩土体的稳定有利。折线型洞室（矩形、方形和梯形等）的断面利用率高、施工方便、开挖工艺简单。洞室的尺寸主要取决于洞室的用途，一般性隧道高（或宽）在3 m5 m，有些可达20 m以上，而地下厂房的断面则要大得多，一般高度可达60 m70 m，宽度在20 m35 m之间。洞室可分为过水

2、的和不过水的（如交通隧洞）两大类。前者又有无压与有压之分，后者均属无压的。有压洞室与无压洞室不同，内水压力作用到衬砌和周围岩体上，对其稳定性将增加新的影响。 洞室周围的岩土体通称围岩。狭义上，围岩常指洞室周围受到开挖影响，大体相当地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。由于初始地应力的存在，洞室开挖势必打破原来岩（土）体的自然平衡状态，引起洞室周围一定范围内的岩（土）体应力重新分布，有的围岩的强度能够适应变化后的应力状态，可不采取任何人力措施，便能保持洞室稳定；但有时因围岩强度低，或其中应力状态的变化大，以致围岩不能适应变化后的应使岩土体产生变形、位移，甚至破坏，若不加固或加固而未保证质

3、量，都会引起破坏事故，对施工、运营造成危害。工程中将洞室开挖后周围发生应力重新分布的岩（土）体称为围岩。因此，围岩的变形和稳定性是地下洞室能否在服务年限内正常使用的关键。地下洞室突出的工程地质问题是围岩稳定问题。尤其象地下飞机库、大跨度引水隧洞和水电站地下厂房等大型洞室的因岩稳定性，常常是工程地质研究的重点；矿山采空区常出现独特的工程地质现象。国内外建筑史上因洞室围岩失稳而造成的事故，为数不少。如澳大利亚悉尼输水压力隧洞，混凝土衬砌。使用期间在300 m长的地段上，发现洞内有压水大量渗入围岩而达地表。放空检修发现在100m的内水水头作用下，衬砌被破坏，洞顶围岩被掀起，出现裂缝，错开距离多达1.

4、02.0cm。对围岩压力估计过高，可能导致工程偏于危险，或对围岩强度估计不足，常使设计保守，提高工程造价，造成浪费。因此，对洞室位置的选择、对围岩特性的认识和对围岩压力与强度的评价都是地下洞室设计与施工的关键问题。7.2地下洞室位置的选择地下洞室位置的选择主要考虑进洞山体、洞口位置和洞轴线位置的选择。7.2.1 进洞山体的选择进洞山体的选择主要考虑山体的高度、山形的完整性、岩土体的坚硬与均匀性和地质结构构造特性等因素。山高以满足地下工程防护要求为原则。山过高时围岩岩压力大，过低则达不到防护要求。对一般洞室，山的相对高度以100300米为宜。 山形完整，山体未被冲沟、山洼等负地形切割破坏，无滑坡

5、、塌方等破坏地形。不宜选择有冲沟、山洼等负地形（一般反映该地段岩体软弱或破碎，并易于集水）。 岩土体的岩性要尽可能均一或相近，且比较坚硬完整。当为层状岩体时，要求岩性单一，无软弱夹层，成层和产状稳定，层厚为中至厚层；当为块状岩体时，要求无岩脉等侵入体、捕虏体，或者少而规模小；当为可溶性岩体时，要求岩溶不发育，无暗河和较大溶洞等。地质构造越简单越好。应尽量避开含水构造和断层、断层破碎带、断层密集带和不同方向的几组断裂交汇带，以及岩体受强烈构造挤压和风化破碎较深的地带。益选择优先节理不发育且间距大、组数少，未形成不稳定的组合结构的岩体。另外，要考虑场地的地下水和地震特性等因素，避开地下水丰富的或地

6、震基本烈度为九度以上的地区。7.2.2 洞口位置的选择洞口位置应该考虑山坡坡度、岩层倾角、洞口顶板的稳定性和水流影响等几方面因素。许多工程实践证明：往往因洞口位置的地形地貌条件不利，而导致迟迟不能清理出稳定的洞脸，而无法进洞的局面。山坡宜下陡上缓，无滑坡、崩塌等存在。山坡下部坡度最好大子60，一般不宜小于40。洞口处岩石应直接出露或坡积层较薄，岩石比较新鲜完整，尽量选在岩层倾向与坡向相反的山坡（反向坡），或岩层倾角小于20、或大于75的顺向坡。选择完整、厚度大的岩层作顶板。洞口位置的高度根据地形、地质和工艺要求而定，应利于洞内外交通和洞内排水，并应高于百年一遇的洪水位0.51.0 m以上。洞口

7、位置不应选在冲沟或溪流的源头、旁河山嘴和谷地口部等受水流冲蚀地段。在地貌上应避开滑坡、崩塌、冲沟、泥石流等不良自然地质现象，以及山麓堆积、坡积、崩积及洪积物等第四系松散沉积物。7.2.3 洞轴线位置的选择7.2.3.1 地形洞轴线位置选线时应注意利用地形、方便施工。在山区开凿隧洞一般只有进口和出口两个工作面，如洞线长则将延长工期，影响效益。为此在选线时，一般沿山体脊部并垂直地形等高线布置，当平行山坡时，不应距山坡太近，接近洞口一段仍应垂直山坡；更应充分利用沟谷地形，多开施工导洞，或分段开挖以增加工作面。洞室轴线穿越山脊，除进出口两头有工作面外，还可沿沟谷打水平施工导洞增加工作面；轴线穿越沟谷上

8、部，可利用竖并作施工导洞；穿越沟谷下部，隧洞出现明段，就可分段施工。 洞室轴线一般应尽量采取直线，避免或减少曲线和弯道。如采用曲线布置，一般洞线转弯角应大于60，曲率半径不宜小于5倍洞径。7.2.3.2 地层与岩性条件 地层与岩性条件的好坏直接影响洞室的稳定性。在洞线选择时，应分析沿线地层的分布和各种岩石的工程性质。对于坚硬岩石，如火成岩中的花岗岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩、灰岩、安山岩、玄武岩、流纹岩；变质岩中的片麻岩、石英岩、硅质大理岩等，这些岩石一般都是比较好的。但对某些软弱的火成岩及变质岩，如凝灰岩、片岩、千枚岩、泥质板岩等，洞室施工容易造成塌方、变形。沉积岩总的来说不如火成岩和变质岩，

9、但其中坚硬的石灰岩、胶结良好的砂岩、砾岩等，一般也是比较好的。值得注意的是软弱沉积岩，如泥质、炭质页岩，泥灰岩，粘土岩，斑脱岩，石膏，盐岩，煤层以及胶结不良的砂砾岩等，这些岩石强度低，易风化或膨胀变形，对洞室稳定性极为不利。应用掘进机施工，则可加快速度，提高功效。7.2.3.4 地质构造条件 隧洞选线最好的地质构造条件是出露面积较大的块状岩体，如深成火成岩的岩基或岩株；古老的基底片麻岩以及厚层沉积岩等。在这些岩体中亦应注意断裂带及风化带的发育程度。 在褶皱构造地区的洞室选线，应注意分析洞轴线与岩层产状的关系。根据施工经验，洞轴向与地质构造线交角应大于30，故洞轴线与岩层走向垂直优于与岩层走向平

10、行；而且倾角陡立最好，这是因为陡立而垂直于洞线的岩层，在隧洞开挖时可形成自然拱圈，对围岩稳定有利。如果不是陡立的而是倾斜的，则倾角越小越不好，因为这时拱圈所能承受的围岩压力已逐渐减小。此外，垂直洞轴线的倾斜岩层，当岩层倾斜面向着开挖面倾斜时，比岩层背向开挖面较好，因后一种情况容易形成洞顶楔形岩体塌方，造成事故。当隧洞垂直穿过招皱轴部时，不论是向斜或背斜，由于轴部受拉应力影响，岩石多破裂成梯形棱柱体，亦易造成洞顶坠石塌方。当地下水位高于隧洞高程时，向斜构造还易造成洞内涌水危害。如选择隧洞轴向平行于稻皱地层的走向时，则地质构造条件更差。对于那些复杂形态的褶皱，如倒转褶皱、平卧裙皱、倾伏裙皱等地区，

11、则应根据上述原则进行具体分析。一般这些地区反映过去地质构造运动比较强烈，岩体也相应比较破碎，故隧洞选线时应特别注意。 对于断裂构造来说，隧洞所遇断裂破碎带宽度愈大，其走向与洞轴交角愈小，在洞内出露面积也愈大，对围岩的稳定影响就愈大，特别是顺洞线走向的断层更应尽量避开。7.2.3.4 水文地质条件 隧洞施工中地下水涌水带来的危害，已屡见不鲜。因此，对隧洞沿线的水文地质条件进行预测性调查是十分重要的。要在上述地形地貌、地层岩性、地质构造的调查基础上，同时调查分析地下水的埋藏条件、类型及泉水出露情况。对易透水的岩层和构造，特别是喀斯特地区，应密切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

12、地下水涌水的可能性和涌水量。此外，还应注意地下水水质资料的分析，对pH7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。7.3 地下洞室围岩的变形与破坏7.3.1 洞室围岩的变形7.3.1.1 弹性与塑性变形导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。洞室开挖前，岩（土）体处于自然平衡状态，内部储存着大量的弹性能，洞室开挖后，这种自然平衡状态被打破，弹性能释放。 洞室开挖前，岩土体一般处于天然应力平衡状态，称一次应力状态或初始应力状态（包括自重应力和构造应力），是一个三向应力不等的空间应力场。由于影响天然应力的因素十分复杂，竖向应力与水平应力间的比例系数即使在同一地质环境里也有

13、较大变化。实测结果，有些地区铅直应力大于水平应力；有的则水平应力大于铅直应力；也有的两者相近，特别是在地壳的相当深处，天然应力比值系数接近于1。洞室开挖后，便破坏了这种天然应力的平衡状态。洞室周边围岩失去原有支撑，就要向洞室空间松胀，结果又改变了围岩的相对平衡关系，形成新的应力状态。作用于洞室围岩上的外荷，一般不是建筑物的重量，而是岩土体所具有的天然应力。这种由于洞室的开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改变的过程和现象，称为围岩应力重分布。它直接影响围岩的稳定性。洞室内若有高压水流作用，对围岩便产生一种附加应力。它叠加到开挖、衬砌后围岩中的应力上，也是影响围岩稳定性的

14、一种因素。重新分布的围岩应力在未达到或超过其强度以前，围岩以弹性变形为主。由于围岩应力重新分布，各点的应力状态发生变化，导致围岩产生新的弹性变形。这种弹性变形是不均匀的，从而导致洞室周边位移的不均匀性。一般认为，弹性变形速度快、量值小，是随着开挖过程几乎同时完成的。当应力超过围岩强度时，围岩出现塑性区域，甚至发生破坏，此时围岩变形将以塑性变形为主。塑性变形延续时间长、变形量大，是围岩变形的主要组成部分。7.3.1.2 结构面变形 如果围岩节理、裂隙十分明显或者围岩破坏严重时，节理、裂晾间的相互错位、滑动及裂隙张开或压缩变形将会占据主导地位，而岩块本身的变形成分退居次要地位。按照岩体结构力学的原

15、理，由于岩体中大小结构面的存在，围岩的变形都会或多或少地存在结构面的变形。7.3.1.3 围岩流变变形由于岩石的流变效应十分明显，围岩长期处于一种动态变化的高应力作用之中，流变也是围岩变形不可忽略的组成部分。 固体介质在长期静载荷作用下，应力、应变随时间延长而变化的性质，称为流变性。蠕变和松弛则是流变性的两种宏观表现。蠕变是在一定温度和应力作用下的固体介质随时间而产生的缓慢、连续的变形；松弛是在一定温度和变形条件下的固体介质随时间而产生缓慢、连续的应力减小。工程实践证明，岩石具有流变性，某些岩石或受高温高压的岩石，蠕变现象更是多见。岩体同样也会发生蠕变。花岗岩一类岩石在低温、低应力下，蠕变量微小，可忽略不计；而粘土岩、泥质页岩和具有充填粘土和泥化结构面的岩体，蠕变量通常很大，必须重视，以便对岩体变形