工程地质学第7章-不同工程类型常见工程地质问题课件.ppt

1、7 不同工程类型常见工程地质问题 内容提要内容提要7.1 工业工业与民用建筑工程地质与民用建筑工程地质问题问题7.2 地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.3 道路桥梁工程地质问题道路桥梁工程地质问题7.4 边坡工程地质问题边坡工程地质问题7.5 水利水电工程地质问题水利水电工程地质问题7.1.1 区域稳定性问题区域稳定性问题区域稳定性是指在内外动力地质作用下，工程建设区域现今地壳的相对稳定程度及其对工程建筑安全的影响程度。影响区域稳定性的主要因素是地震和新构造运动。区域稳定性是工业与民用建筑中必须首先注意的工程地质问题，在国家重大工程规划选址和前期建设时更应慎重考虑。评价区域稳定性，需

2、要在全面分析工程建设区地壳结构和地质灾害分布规律的基础上，结合内、外动力地质作用，岩土体介质条件，人类工程活动与地质环境相互作用关系等，综合评价工程建设区现今地壳的稳定程度与潜在危险。区域稳定性评价的主要对象是区域地质背景特征和重点地质灾害。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.1 区域稳定性问题区域稳定性问题区域稳定性是一个复杂的工程地质问题，近年来对于这一问题形成以下共识：（1）避开发震断裂（2）避开重大地质灾害（3）避开不利的场地条件7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基地基稳定性问题稳定性问题地基岩土体在建筑荷

3、载作用下会发生沉降变形、深层滑动等对工程建设安全造成威胁。地基稳定性则是对这一程度的评判，为保证建筑物的安全稳定、经济合理和正常使用，必须研究与评价地基稳定性，提出合理的地基承载力及变形量，使地基稳定性同时满足强度和变形两方面的要求。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题1.1.地基承载力地基承载力各类地基承受上部荷载的能力都有一定限度，如果超过这一限度，则可能因地基变形过大使建筑物开裂，或地基发生破坏而滑动。地基承载力是指地基同时满足变形和强度两个条件时，单位面积所能承受的最大荷载。地基强度是指地基在建筑物荷载作用下抵抗破坏的

4、能力。它一方面与岩性等地质条件有关，另一方面和上部荷载的类型有关。当建筑物荷载超过基础下持力层本身所能承受的能力时，地基土就要产生剪切滑动破坏。因此，在设计建筑物基础时，不仅要使地基土变形在允许范围内，而且要满足强度要求，即建筑物作用在地基上的荷载要小于地基所能承受的外荷载的最大能力。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题1.1.地基承载力地基承载力地基承载力有地基承载力特征值 fak、修正后的地基承载力特征值 fa 两种指标。地基承载力特征值是由荷载试验测定的地基土压力变形曲线线性变形段内规定的变形所对应的压力值，其最大值为比

5、例界限值修正后的地基承载力特征值是指经基础深度和宽度修正后，用于建筑物设计的承载力值。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题1.1.地基承载力地基承载力常用的地基承载力的确定方法有：（1）原位试验法原位试验法是一种通过现场直接试验确定承载力的方法，包括（静）载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验、旁压试验等，其中以载荷试验法为最可靠的基本的原位测试法。（2）理论公式法理论公式法是根据土的抗剪强度指标计算的理论公式确定承载力的方法。（3）规范表格法规范表格法是根据室内试验指标、现场测试指标或野外鉴别指标，通过查规范所列表格得到承载力

6、的方法。规范不同（包括不同部门、不同行业、不同地区的规范），其承载力不会完全相同，应用时需注意各自的使用条件。（4）当地经验法当地经验法是一种基于地区的使用经验，进行类比判断确定承载力的方法，它是一种宏观辅助方法。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题2.2.地基沉降地基沉降地基沉降是指地基土层在附加应力作用下压密而引起的地基表面下沉。由于建筑荷载差异和地基土各向异性等原因，地基沉降总是不均匀的，使得上部结构相应地产生额外的应力和变形。地基不均匀沉降超过了一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜甚至破坏。建筑地基在长期荷载作用下产生

7、的沉降，其最终沉降量可划分为初始沉降（瞬时沉降）、主固结沉降（固结沉降）及次固结沉降 个阶段。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题2.2.地基沉降地基沉降初始沉降是指外荷载加上的瞬间，饱和软土中孔隙水尚来不及排出时所发生的沉降，此时土体只发生形变而没有体变，一般情况下把这种变形称为剪切变形，按弹性变形计算。主固结沉降是指荷载作用在地基上后，随着时间的延续，外荷不变而地基土中的孔隙水不断排除过程中所发生的沉降，它起于荷载施加之时，止于荷载引起的孔隙水压力完全消散之后，是地基沉降的主要部分。次固结沉降是指土中孔隙水已经消散，有效应

8、力增长至基本不变后变形随时间缓慢增长所引起的沉降。这种变形既包括剪应变，又包括体积变化，并与孔隙水排出无关，而是取决于土骨架本身的蠕变性质。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题2.2.地基沉降地基沉降地基沉降的计算方法包括分层总和法、有限元法和规范法，计算时需要根据相关规范要求进行合理选择。地基计算的沉降量一般指最终沉降量，是地基在荷载作用下沉降完全稳定后的沉降量，要达到这一沉降量的时间取决于地基排水条件。对于砂土，施工结束后就可以完成；对于粘性土，少则几年，多则十几年、几十年乃至更长时间。在具体建筑物的地基沉降计算时，还需注

9、意土体的应力和变形的关系、土的压缩性指标的选定和精确度等问题。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题3.3.持力层选择持力层选择所选持力层首先要满足承载力和变形要求，并且下卧层也能满足要求。建筑物的用途、有无地下室、设备基础、地下设施等条件都会对基础持力层的选择产生影响。对不均匀沉降较敏感的建筑物，如层数不多而平面形状又较复杂的框架结构，应选择坚实、均匀的土层做持力层。对主楼和裙房层数相差较大的建筑物，应根据承载力的不同选择两个不同的持力层，以保证沉降的相互协调。对有上拔力或承受较大水平荷载的建筑结构，桩基应尽量深埋，选择的桩基

10、持力层要能满足抗拔要求。对动荷载作用的建筑物不能选择饱和疏松的砂土做持力层，以免发生砂土液化。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.2 地基稳定性问题地基稳定性问题3.3.持力层选择持力层选择选择持力层也应注意地下水的类型、埋藏条件和动态。如果选择地下水位以下的土层做持力层，则应考虑可能出现的施工与设计问题。例如，施工中的排水措施，出现涌土、流砂现象的可能性；地下水对基础材料的化学腐蚀作用等。对于地下水的升降问题尤其要注意，避免出现负摩阻力，降低桩基的承载能力。另外，要考虑场地所在区域的地震地质条件的影响。根据区域地质构造、历史地震情况等资料，判断地层断裂活动

11、的强烈程度，并对场地内的细砂、粉土等土层的稳定性进行评价。在此基础上，持力层的选择才更加合理，更加周全。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题深基坑是指开挖深度超过5m5m（含（含5m5m）或地下室三层以上（含三层），或深度虽未超过5m，但地质条件和周围环境及地下管线特别复杂的工程。随着城市化的不断发展，城市土地不断减少，土地的供需矛盾日益尖锐。客观上迫使城市建筑向高、深处伸展，使得地下空间利用逐渐成为21世纪城市建设的主体。无论高层建筑或其他地下工程，深基坑已在工程活动中占据了重要地位。在我国，尤其是沿海、沿江、沿湖一带的

12、经济较发达地区，像雨后春笋般不断出现的高层建筑普遍要求施工深基坑工程。基础牢固与否是关系建筑物安全稳定的首要问题，而基础施工大多从基坑开挖开始。基坑开挖过程中，常遇到基坑坑底卸荷回弹（或隆起）、坑底渗流、基坑流砂和坑壁过量位移或滑移倒塌等稳定性问题。为防止或抑制这些问题，使基坑开挖与基础施工顺利进行，需要采取相应的防护措施。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题1.1.基坑底卸荷基坑底卸荷回弹回弹基坑开挖是一种卸荷过程，开挖越深，初始应力状态的改变就越大。基坑开挖完成后，坑地面的变形量由两部分组成，一部分是由开挖后卸荷引起的

13、回弹量，另一部分是基坑周围土体在自重作用下使坑底土向上隆起。基坑挖土以后发生的回弹是一种弹性变形，是不可避免的；基坑隆起是在压力差作用下形成的塑性变形，是可以避免的。引起基坑隆起的因素有以下三个方面：卸荷产生的回弹变形；基坑底部土体吸水膨胀；挡墙根部产生塑流变形。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题1.1.基坑底卸荷基坑底卸荷回弹回弹基坑回弹（隆起）不仅限于基坑的自身范围，对邻近建筑物或设施均会产生影响。深基坑开挖时，应进行坑内外地面的变形监测，以便及时分析发展趋势，并采取适当的措施。控制基坑回弹或隆起的措施有降低地下水位

14、、冻结法，或在基坑开挖后立即浇筑相等重量的混凝土，使基坑的回弹量尽可能减小。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题2.2.基坑基坑底渗流问题底渗流问题在地下水位较高的地区开挖基坑时，坑内外通常存在着水头差，地下水将在坑内外水头差的作用下发生渗流。地下水的渗流引起坑内外的孔隙水压力和有效应力发生改变，不仅影响作用在围护结构上的水压力、土压力及侧压力的计算，还影响基坑周围地表沉降和坑底的回弹变形计算，甚至引起管涌和流砂。大量实践表明，渗流引发的基坑失事，已经成为深基坑开挖中最为常见的工程地质问题之一。因此，在基坑稳定和变形分析、

15、计算中必须高度重视地下水渗流作用。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题3.3.基坑流砂基坑流砂问题问题基坑挖土至地下水位以下，若土质为细砂土或粉砂土，当采用集水坑降低地下水位时，坑下的土有时会形成流动状态，随着地下水流入基坑，这种现象称为流砂。通常容易发生在细颗粒、颗粒均匀、松散、饱和的非黏性土层中。流砂的变形破坏形式是多种多样的，场地条件及地下水作用方式不同，会形成流砂、潜蚀、侧滑、流塌等多种形式。流砂是砂土在水压力变化条件下形成的。流砂形成需要同时具备个条件：一是地层为砂性土一是地层为砂性土；二是位于地下水位二是位于地

16、下水位以下以下，受水压作用受水压作用；三是破坏原地层的稳定或水压头发生三是破坏原地层的稳定或水压头发生（反复反复）变化变化。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题4.4.基坑基坑边坡失稳问题边坡失稳问题基坑失稳类型主要有边坡产生滑移、坡顶变形滑移、坡顶变形和倾覆倾覆 种形式。导致基坑边坡失稳的原因主要表现在以两个方面：（）地质条件造成基坑失稳的地质原因主要有：）地下水位过高，导致基坑边坡不稳；基坑边坡土质为砂性土，透水性强，基坑因地下水渗漏而出现软化，进而发生边坡滑动。）基坑土体承载能力不足，一旦开挖很容易因坡度过大而出现滑

17、坡问题。）在施工过程中，场地附近出现地震等地质变化，进而导致边坡失稳。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题4.4.基坑基坑边坡失稳问题边坡失稳问题（）工程设计众所周知，工程勘测设计是关乎工程施工质量及进度的重要环节之一，而因工程勘测设计失误造成的基坑边坡失稳现象也屡见不鲜。具体如下：）忽略现场实地勘察。现场实际勘察是工程勘测设计的必要环节，然而部分工作人员工作责任心不强，工作态度不认真，未到施工现场实际了解基坑地质情况及周围环境，进而致使设计的支护方案极不合理，存在边坡失稳风险。）数据参数不准确。开挖基坑时需要用到土层物理

18、参数，而实际情况中部分设计方案提供的数据参数极不准确，导致基坑开挖边线偏离实际观测点，增加基坑失稳风险。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.3 深基坑稳定性问题深基坑稳定性问题4.4.基坑基坑边坡失稳边坡失稳问题问题）排水方案不合理。排水工程是基坑施工主要内容，若设计人员或单位提供的排水方案不合理，就很容易导致施工出现地下水渗漏问题，引起边坡失稳。）计算方法错误。设计人员或者设计单位在设计挡土断面时，需要用到一系列计算方法。如果计算方法选择错误，那么其设计的挡土结构将不合理，进而影响边坡稳定性。）基坑整体安全性不足。设计基坑整体的稳定性、抗倾覆性较小，并且支

19、护方案的实际支护刚度、强度不足，因而很容易引起边坡失稳。）止水帷幕设计不合理导致施工过程中出现管涌、流沙等现象，进而引发边坡失稳。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.4建筑物建筑物配置问题配置问题大型的工业与民用建筑往往是由多种类型的建筑物构成的建筑群。由于建筑物的用途和工艺要求不同，它们的结构、规模和对地基的要求不一样，因此，对各种建筑物进行合理的配置，才能保证整个工程建筑物的安全稳定、经济合理和正常使用。在满足各建筑物对气候和工艺方面要求的条件下，工程地质条件是建筑物配置的主要决定因素，只有通过对场地工程地质条件的调查，才能为建筑物合理选择较优的持力层、

20、确定合适的基础类型，提出合理的基础砌置深度，为各类建筑物的配置提供可靠的依据。最后，按工程地质条件把建筑场地划分为若干个区，然后根据各建筑物的特点和要求以及各区建筑物的适宜性，在全场区进行建筑物的合理配置，完成整个建筑群的总体配置工作。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.5地下水地下水的腐蚀性的腐蚀性问题问题混凝土是工业与民用建筑常用的建筑材料，当混凝土基础埋置于地下水位以下时，地下水的腐蚀会造成混凝土强度降低进而影响建筑的使用安全；另一方面使用水泥管或钢管作为生活或工业用水的输排管道时，如果不做防护，也会因地下水腐蚀作用减少使用年限，因此在工程建设前期必须

21、考虑地下水对混凝土的腐蚀问题。事实上，大多地下水不具有腐蚀性，只有当地下水中某些化学成分含量过高时，才会对混凝土产生腐蚀作用。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.5地下水地下水的腐蚀性的腐蚀性问题问题混凝土结构的保护方法主要为提高抗蚀性和耐久性，一方面要遴选优质材料，确定适当配比，提高施工水平，以改善混凝土结构本身的密实性；另一方面，要将混凝土构筑物与周围腐蚀介质隔离开来，以保护混凝土不受其侵蚀。主要保护措施：）改善混凝土本身结构。针对环境选用水泥，如在酸性环境中选用耐酸水泥，在海水中选用耐硫酸盐水泥和普通硅酸盐水泥等）对混凝土进行表面改性。采用化学的、物理

22、的方法改变表面的化学成分或组织结构以提高混凝土性能，如集料表面改性、胶粉表面改性等。）表面涂覆。在混凝土表面涂覆一层耐寒、抗渗、无毒、持久的涂料，混凝土表面的新型防腐蚀涂料仍是当今建筑界的热点。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.6地基地基的施工条件的施工条件问题问题修建工业及民用建筑物基础时，一般都需要进行基坑开挖工作，尤其是高层建筑设置地下室时，基坑开挖的深度更大。坑基在开挖过程中，地基的施工条件不仅会影响施工期限和建筑物的造价，而且对基础类型的选择起着决定性作用。开挖基坑时，会遇到采取何种坡率才能使基坑边坡稳定，能否放坡，是否需要支护，若采取支护措施，

23、采用何种支护方式较为合理等问题；坑底以下有无承压水存在，是否会造成基坑底板隆起或被冲溃；若基坑开挖到地下水位以下时，会遇到基坑涌水，出现流砂、流土等现象 这时需要采取相应的防治措施，如人工降低地下水位与帷幕灌浆等。影响地基施工条件的主要因素有土体结构特征、土的种类及其特性、水文地质条件、基坑开挖深度、施工速度及坑边荷载情况。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.1.6地基地基的施工条件的施工条件问题问题随着经济发展的需求和工程技术的进步，我国超高层建筑建设项目越来越多，截至2015年底，我国排名世界前10 的超高层建筑就已达到6座。由于超高层建筑的工程特点，在施工

24、过程中受工程条件的制约也十分显著。如上海中心大厦的基坑为31.2m超深基坑，基坑总面积3.5万m2，地基土为冲洪积相软弱地层为主，地下水埋藏浅，在基坑边坡百米范围内有上海环球金融中心和金茂大厦2栋超高层建筑，这些施工条件都是十分不利的，因此，对施工工艺、工程安全及工程造价都提出了极大挑战。7.17.1工业与民用建筑工程地质问题工业与民用建筑工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题人工挖掘或天然存在于岩土体内，具有一定断面形状和尺寸，并有较大的延伸长度，可作为各种用途的构筑物统称为地下洞室，也称之为地下建筑或地下工程。按用途分：交通隧道、水工隧洞、矿山巷道、地下厂房和仓库

25、、地下铁道及地下军事工程等；按内壁是否有内水压力作用分：无压洞室、有压洞室；按断面形状分：圆形、椭圆形、拱形、城门洞形、矩形及梯形等类型（图7-1）；按洞室轴线与水平面关系分：水平洞室、竖井和倾斜洞室；按围岩介质类型分：土洞和岩洞两类；按有无人类工程活动分为：人工洞室与天然洞室。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-1常见洞室断面形态a-圆形；b-椭圆形；c-封闭拱形；d-抛物线拱形e-直墙拱形；f-矩形；g-梯形7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题 地下洞室的特点是全部埋藏在地下岩土体内，它的安全、经济和正常使用都与其所处的地质环境特征密切相关。地下洞室周

26、围的岩体简称围岩。狭义上的围岩是指洞室周围受到开挖影响、大体相当于地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩体。围岩的性质直接影响地下洞室的稳定性与安全。7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏洞室开挖后，如果没有及时设置支护结构，当围岩应力超过了围岩强度时，便会失稳破坏；即使设置了支护结构，但支护结构抵抗围岩压力和变形的能力不足，也会造成支护结构和围岩的破坏失稳。洞室围岩的破坏一般发生在洞室的顶板、两帮和底板。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏1.1.局部破坏局部破坏整体状结构及块状结构的岩体，虽然不发生大规模的失稳和破坏，但仍可能

27、会出现洞室周边围岩小块体的局部掉块。在地下洞室开挖过程中，施工导洞扩挖时预留的岩柱易产生劈裂破坏，也具有脆性破裂的特征。有时在整体及块状坚硬岩体中，由于结构面的存在，沿其端部延展易产生岩体开裂应变。在这种情况下，岩体的抗开裂强度可能比岩石的单轴抗压强度低一个数量级。因此，在有大量节理平行洞壁的岩体中，应注意避免在主体洞室开挖之前就对邻近的支导洞施作永久衬砌。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏2.2.块体滑动与冒落块体滑动与冒落块状、厚层状以及一些均质坚硬的层状岩体受软弱结构面的切割形成分离块体，在重力和围岩应力作用下，有可能向由于开挖

28、产生的临空面方向移动，而形成块体的滑动，有时还会产生块体的转动、倾倒等现象。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏2.2.块体滑动与冒落块体滑动与冒落 洞室开挖后，原岩应力的重分布在顶板可能产生不利于稳定的拉应力，顶板围岩会在自重及上覆岩层压力作用下发生竖直向下的变形。如果洞室跨度较大，或者顶板岩层软弱或被多组节理裂隙切割而破碎，围岩中原有节理裂隙就会扩展，在拉应力作用下产生新的破裂面，这些新生的节理裂隙也会不断扩展。顶板岩石中这些原有和新生的节理裂隙相互汇合交截，使顶板岩石更加破碎。这些岩石块体在重力作用下可能与围岩母体脱离，突然塌落而

29、发生冒顶。如果不是在松散土层、岩石破碎带中，顶板岩石冒落后可能形成塌落拱(图7-2a,b)。洞室发生冒顶破坏，与顶板围岩的结构面和风化程度等因素密切有关。如结构面发育强烈的所有坚硬岩石和砂质页岩、泥质砂岩、钙质页岩、钙质砂岩、云母片岩、千枚岩、板岩地段经常发生顶板塌落(图7-2c)。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-2围岩冒顶破坏7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏2.2.块体滑动与冒落块体滑动与冒落层状岩体的弯曲折断多发生在层状岩体中，尤其是在夹有软岩的互层状岩体中最为常见。然而在一些大型的地下工程中，受一组极

30、发育的结构面控制的似层状岩体，也可以产生类似的弯折破坏。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制。其破坏形式主要有：沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。不同产状围岩的变形破坏形式如图7-3所示。在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。当岩层较薄时，如不支撑，任其发展，则将逐层折断而塌落，最终形成如图7-3a所示的三角形塌落体。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.1围岩的变形与围岩的变形与破坏破坏2.2.块体滑动与冒落块体滑动与冒落 在倾斜层状围岩中，常表现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落，另一侧边墙岩块滑移等破坏形式

31、，形成不对称的塌落拱。这时将出现偏压现象(图7-3b)。在直立层状围岩中，当天然应力比值系数小于1/3时，洞顶由于受拉应力作用，使之发生沿层面纵向拉裂，在自重作用下岩柱易被拉断塌落。侧墙则因压力平行于层面，常发生纵向弯折内鼓，进而危及洞顶安全(图7-3c)。但当洞轴与岩层走向有一定交角时，围岩稳定性就会大大改善。经验表明，当这一交角大于20时，边墙不易失稳。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-3层状围岩变形破坏特征）水平层状岩体）倾斜层状岩体）直立层状岩体设计断面轮廓线破坏区崩塌滑动弯曲、张裂及折断7.2.2地下地下洞室

32、总体位置的洞室总体位置的选择选择在进行地下洞室总体位置选择时，首先要考虑区域稳定性，此项工作的进行主要是向有关部门收集当地的有关地震、区域地质构造历史及新构造运动等资料，进行综合地质分析和评价。对于区域性大断裂交会处、近期活动断层和现代构造运动较为强烈的地段，尤其要重视。一般认为具有下列条件是适合建洞的：地震基本烈度小于度，历史上地震烈度及震级不高，无毁灭性地震；区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂通过，附近没有发震构造；第四纪以来没有明显的构造活动。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置选定后，下一步就要选择建洞山体，一般认为理想的建洞

33、山体应具备以下条件：）在区域稳定性评价基础上，将洞室选择在安全可靠的地段。）建洞区构造简单，岩层厚且产状平缓，构造裂隙间距大、组数少，无影响整个山体稳定的断裂带。）岩体完整，层位稳定，且具有较厚的单一的坚硬或中等坚硬的地层，岩体结构强度不仅能抵抗静力荷载，还能抵抗冲击荷载。）地形完整，山体受地表水切割破坏少，没有滑坡、崩塌、泥石流等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育，山体在满足进洞生产面积的同时，又有50100m覆盖厚度的防护地层。）地下水影响小，水质满足建厂要求。）无有害气体及异常地热。）其他有关因素，如与运输、供给、动力源、水源等因素有关的地理位置等。上述条件实际上往往不能同时

34、满足，应根据具体情况综合考虑。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.3地下洞室洞口位置地下洞室洞口位置选择选择1.1.洞口的地形和地质条件洞口的地形和地质条件洞口要选择在松散、覆盖层薄，山体坡度较陡（大于30）的一面，且有完整岩层作顶板的地段。最好设置在岩层裸露的地段，以免切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌而暴露目标。洞口一般不宜设在悬崖绝壁之下，特别是在岩层破碎地带，容易发生山崩和土石塌方，堵塞洞口和交通要道。要避开冲沟或溪流源头，避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质作用发育或洪水淹没的地段。洞外还应有相应规模的弃渣场地。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质

35、问题7.2.3地下洞室洞口位置地下洞室洞口位置选择选择2.2.洞口底标高的洞口底标高的选择选择洞底的标高一般应高于谷底最高洪水位以上0.51.0m的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室；如若离谷底较近，易聚集毒气，各个洞口的高程不宜相差太大，要注意洞室内部工艺和施工时所要求的坡度，便于各洞口之间的道路联系。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.3地下洞室洞口位置地下洞室洞口位置选择选择3.3.洞口方向洞口方向洞口最好选在隐蔽且易于伪装地带，洞口位置应选在面对高山和沟谷不宽的山体的北坡背阴处。一般来说，山体北坡较陡，岩石风化程度较轻，岩

36、石较坚固。洞口设置分散，最好不要在同一方向上设置。如受到地形限制，一定要在同一方向上设立若干个洞口，则各个洞口之间要保持一定距离。特别要注意洞口不要面对常年主导风向，以免毒气侵入洞室。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.3地下洞室洞口位置地下洞室洞口位置选择选择4.4.洞门边坡的不良地质洞门边坡的不良地质作用作用洞门边坡的不良地质作用同一般自然山坡和人工边坡的问题。但在选择洞口时，必须将进出口地段的物理地质作用调查清楚。洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或易产生泥石流和雪崩的地区，以免给工程带来不必要的损失。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题

37、7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择1.1.布置洞室的岩性布置洞室的岩性要求要求洞室要求尽可能在地层岩性均一、层位稳定、整体性强、风化轻微、抗压与抗剪强度都较大的岩层中通过。一般来说，没有经受剧烈风化及构造影响的大多数岩层都适宜修建地下工程。岩浆岩和变质岩大部分属于坚硬岩石，如花岗岩、闪长岩、辉长岩、辉绿岩、安山岩、流纹岩、片麻岩、大理岩、石英岩等。在这些岩石组成的岩体内建洞，只要岩石未受风化，且较完整，一般的洞室（地面下不超过200300m，跨度不超过10m）是不成问题的。也就是说，在这些岩石组成的岩体内建洞，其围岩的稳定性取决于岩体的构造和风化程度等方面。在变质岩中有部分岩石

38、是属于软质的，如黏土质片岩、绿泥石片岩、千枚岩和泥质板岩等，在这些岩石组成的岩体内建洞，是没有保证的。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择2.2.地质构造地质构造与洞室轴线的关系与洞室轴线的关系（1）断裂构造洞室轴线要选择与区域构造线、岩层及主要节理走向垂直或大角度相交的方向。区域性断层破碎带及节理密集带往往不利于围岩稳定，应尽量避开，若不能避开，则应垂直其走向以最短距离通过或与构造线以4565的交角通过。在新构造运动活跃地区，应避免通过主断层或断层交叉处。同一岩性内的压性断层，往往上盘较破碎，应选择从其影响较轻的下盘通过。7.

39、27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择2.2.地质构造地质构造与洞室轴线的关系与洞室轴线的关系在断裂破碎带地区，洞室位置的布置应特别慎重。一般情况下应避免洞室轴线沿断层带的轴线布置，特别在较宽的破碎带地段，当破碎带中的泥砂及碎石等尚未胶结成岩时，绝对不允许建筑洞室工程，因为断层带的两侧岩层容易发生变位，导致洞室的毁坏；断层带中的岩石又多为破碎的岩块及泥土充填，且未被胶结成岩，最易崩落，同时也是地表水渗漏的良好通道，故对地下工程危害极大，如图7-4中的1号洞室。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴

40、线位置选择洞室轴线位置选择2.2.地质构造地质构造与洞室轴线的关系与洞室轴线的关系当洞室轴线与断层垂直时（图7-5中的2号洞室），虽然断裂破碎带在洞室内属于局部地段，但在断裂破碎带处岩层压力增加，有时还可能遇到高压的地下水，影响施工。若断层两侧为坚硬致密的岩层，容易发生相对移动。特别遇到有几组断裂纵横交错的地段，洞室轴线应尽量避开。因为这些地段除本身压力增高外，还应考虑压力沿洞室轴线及其他相应方向重新分布，这时由几组断裂切割形成的上大下小的楔形山体可能将其自重传给相邻的山体，而使这些部位的地层压力增加（图7-6）。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质

41、问题地下洞室工程地质问题图7-4 断层与隧道位置选择图7-5 洞室轴线与断层轴线7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-6 洞室被几组断裂切割7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择2.地质构造地质构造与洞室轴线的关系与洞室轴线的关系在新生断裂或地震区域的断裂，因还处于活动时期，断裂变位还在复杂的持续过程中，这此地段是不稳定的，不宜选作地下工程场地。若在这类地段修建地下工程，将会遇到巨大的岩层压力，且易发生岩体坍塌，压裂衬砌，造成结构物的破坏。总之，在断裂破碎带地区，洞室轴线与断裂破碎带轴线所成的交角大小，与洞室稳定及施工的难易程度关系很大。如洞室轴线与断裂带垂直或

42、接近垂直，则所需穿越的不稳定地段较短，仅是断裂带及其影响范围岩体的宽度；若断裂带与洞室轴线平行或交角甚小，则洞室不稳定地段增长，并将发生不对称的侧向岩层压力。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择2.地质构造地质构造与洞室轴线的关系与洞室轴线的关系（）褶曲构造当洞室轴线平行于岩层走向时，根据岩层产状要素和厚度不同有如下三种情况：）在水平岩层中（岩层倾角510），若岩层薄，彼此之间联结性差，又属于不同性质的岩层，在开挖洞室（特别是大跨度的洞室）时，常常发生塌顶，因为此时洞顶岩层的作用如同过梁，它很容易由于层间的拉应力达到抗拉强度而导

43、致破坏。如果水平岩层具有各个方向的裂隙，则常常造成洞室大面积的坍塌。因此，在选择洞室位置时，最好选在层间联结紧密、厚度大（即大于洞室高度两倍以上者）、不透水、裂隙不发育，又无断裂破碎带的水平岩体部位（图7-7）。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题）在倾斜岩层中，一般说来是不利的，因为此时岩层完全被洞室切割，若岩层间缺乏紧密联结，又有几组裂隙切割，则在洞室两侧边墙所受的侧压力不一致，容易造成洞室边墙的变形（图7-8）。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-7 水平岩层中的洞室1页岩2石灰岩3泥灰岩图7-8 倾斜岩层中的洞室1砾岩2页岩3石灰岩）在近似直立的岩

44、层中，出现与上述倾斜岩层类似的动力地质作用。在这种情况下，最好限制洞室开挖的长度，而应采取分段开挖。若整个洞室处在厚层、坚硬、致密、裂隙又不发育的完整岩体内，其岩层厚度大于洞室跨度一倍或更大时则例外。但一定要注意不能把洞室选在软硬岩层的分界线上（图7-9）。特别要注意不能将洞室置于直立岩层厚度与洞室跨度相等或小于跨度的地层内（图7-10）。因为地层岩性不一样，在地下水作用下更易促使洞顶岩层向下滑动，破坏洞室，并给施工造成困难。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-9 陡立岩层分界面处洞室1石灰岩2页岩图7-10 陡立岩层分

45、界面处洞室1石灰岩2页岩当洞室轴线与岩层走向垂直正交时，为较好的洞室布置方案。因为在这种情况下，当开挖导洞时，由于导洞顶部岩石应力再分布的结果，断面形成一抛物线形的自然拱，因而岩层开挖对岩体稳定性的削弱要小得多。其影响程度取决于岩层倾角大小和岩性的均一性。当岩层倾角较陡时，各岩层可不需依靠相互的联结而能完全稳定。因此，若岩性均一，结构致密，各岩层间联结紧密，节理裂隙不发育，在这些岩层中开挖地下工程最好（图7-11）。当岩层倾角较平缓时，洞室轴线与岩层倾斜的夹角较小，若岩性属于非均质的、垂直或斜交层面、节理裂隙又发育时，在洞顶就容易发生局部石块塌落现象，洞室顶部常出现阶梯形特征（图7-12）。7

46、.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-11 单斜（陡倾立）构造中的洞室图7-11 单斜（缓倾斜）构造中的洞室当洞室轴线与褶曲轴垂直时，背斜地层呈拱状，岩层被切割成上大下小的楔体，故洞室内塌落的危险较小（图7-13b）。向斜地层呈倒拱状，岩层被切割成上小下大的楔体，最易形成洞顶塌落，且常有大量的承压地下水。因此，应尽量避免横穿向斜褶曲隧道（图7-13c）。此外，岩层倾斜面向着开挖面倾斜（图7-13a）比岩层背向开挖面好（图7-13d）。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室

47、工程地质问题图7-13 隧洞垂直穿过褶皱地层走向）岩层开挖面倾斜）背斜轴部）向斜轴部）岩层背向开挖面倾斜当洞室轴线与褶曲轴线重合时，洞室置于背斜核部，从顶部压力来看，因为在背斜轴部岩层本身能形成自然拱圈，有利于围岩稳定，可以认为比通过向斜轴部优越；但另一方而，背斜轴部的岩层处于张力带，张裂隙发育，岩层破坏强烈，故在轴部设置洞室一般是不利的（图7-19中3号洞室）。要避免洞室轴线从冲沟、山洼等地表水和地下水汇集的地段通过。当洞室轴线沿向斜轴线开挖时（图7-14中1号洞室），由于向斜轴部岩体破碎，地下水富集，不利于围岩稳定，对工程的稳定性极为不利，洞室轴线应予避开。若必须在褶曲岩层地段修建地下工程

48、，可以将洞室轴线选在背斜或向斜的两翼（图7-14中2号洞室），此时，顶部及侧部均处于受剪切力状态，在发育剪切裂隙的同时，由于地下水的存在，将产生动水压力，因而倾斜岩层可能产生滑动而引起压力的局部加强。在结构设计时应该慎重分析，并采取加固措施。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题图7-14 褶曲与隧道位置选择7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择3.地应力方向地应力方向选择选择在高地应力地区，洞室轴线选择时不要垂直最大主应力，如果可能，最好平行于最大主应力，避免洞壁受最大主应力作用。地下洞室最忌应力差大，如果避开最大

49、主应力，就使洞室受的应力差小一些，对洞体稳定性有利，在高边墙大型地下洞室建筑中更应该注意这一点。另外，洞室长轴应与最大主应力方向平行，洞的截面形状，即洞的长轴与短轴之比应该与最大主应力与最小主应力匹配，这在地下工程设计中非常重要。当最大主应力不太大时，最好与之垂直，以改善周边应力状态。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择3.地应力方向地应力方向选择选择以前，很少接触过水平应力大于垂直应力的情况，长期以来把垂直应力看作是最大主应力，导致地下洞室设计上出现了许多不合理的情况。另外，在具体工程实际中，最大主应力和最小主应力的分布并不是

50、垂直或水平的，而是与水平面成一个角度，在这种情况下，就要在洞室结构设计上想办法。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.4地下地下洞室轴线位置选择洞室轴线位置选择4.水文地质条件水文地质条件选择选择应尽可能绕避松散饱水岩层、含高压水的断层破碎带及岩溶化岩石。在岩溶化岩石中通过时，应避免在地下水水平循环带布置洞室。7.27.2地下洞室工程地质问题地下洞室工程地质问题7.2.5地下地下洞室特殊工程地质问题洞室特殊工程地质问题1.涌水涌水当地下洞室施工穿越含水层时，不可避免地会使地下水涌进洞内，给施工带来困难。地下水也常是造成塌方和使围岩丧失稳定性的重要原因。地下水对不同围岩的影