1、.1第第8章章 地下洞室围岩稳定性地下洞室围岩稳定性 地下洞室（工程）地下洞室（工程）指在岩体或土层中指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。修建的通道和各种类型的地下建筑物。 以任何方式修建，最终使用于以任何方式修建，最终使用于地表以地表以下的条形建筑物下的条形建筑物，其，其内部空洞内部空洞净空断面净空断面在在2m2m2 2以上者均为以上者均为隧道隧道。 地下工程指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支。.2概述 .3概述 1.按用途分:交通运输：铁路、道路、地下铁道、水底隧道矿山：煤炭、有色金属等采矿、储存和生
2、产等用途的 地下矿井和巷道工程市政工程：地下人行道、地下商场、给排水设施、 天然气管道、电缆管道水利发电工程：地下发电厂房以及其他各种水工隧道等军工与人防工程：各种国防坑道，地下厂房和仓库、地下核试验场、防空洞、核废料的储存等.4 山岭隧道 城市隧道 水底隧道概述 2.按地层分(经过的地层)：岩石(软、硬)隧道土质隧道 3.按所处位置分:.5 圆形隧道 矩形隧道 马蹄形隧道 概述 4.按施工方法分:钻爆法隧道 明挖法隧道机械法隧道 沉埋法隧道 5.按断面形状分:.6 特大断面（100m2） 大断面（50100m2） 中等断面（1050m2） 小断面（310m2） 极小断面（3m2） 这是按国际
3、隧道协会(ITAInternational Tunnel Association)的定义数值划分的。概述 6.按开挖断面大小分: .7 公路：特长隧道L3000m 长隧道3000L1000m 中长隧道1000L500m 短隧道L500m概述 7.按隧道长度分(山岭隧道): 铁路：特长隧道L10000 m 长隧道10000L3000 m 中长隧道3000L500m 短隧道L 500m.8.9.10.11.12.13概述.14概述 .15概述 .16北京复兴门车站.17二滩电站的大坝：高240米.18二滩电站的引水隧道.19二滩电站的尾水隧道.20.21水工隧道水工隧道.22地下电缆隧洞地下电缆隧
4、洞.23 概述 .24隧洞开挖图隧洞开挖图.25地下式水电站洞室布置剖面示意图地下式水电站洞室布置剖面示意图.26鲁布革水电站隧道施工鲁布革水电站隧道施工.27二滩地下厂房平面布置及典型剖面图.28二滩地下厂房立体透视图.29有压及无压隧洞有压及无压隧洞.308.1 地下工程位置选择的工程地质评价地下工程位置选择的工程地质评价 地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要求外，需要考虑外，需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩性、区域稳定、山体稳定及地形、岩性、地质构造、地下水及地应力地质构造、地下水及地应力等因素的影响。等因素的影响。 关于关于区域稳定性及山体
5、的稳定区域稳定性及山体的稳定。一般要求，。一般要求，建洞建洞地区应是区域地质构造稳定，无区域性大断裂通过，地区应是区域地质构造稳定，无区域性大断裂通过，附近没有发震构造，地震基本烈度应小于附近没有发震构造，地震基本烈度应小于8度。度。理理想的建洞山体应具备以下条件：想的建洞山体应具备以下条件： 1)建洞区地质构造简单；建洞区地质构造简单； 2)岩体坚硬完整，岩层厚、节理组数少，间距大，岩体坚硬完整，岩层厚、节理组数少，间距大，无影响整个山体稳定的断裂带；无影响整个山体稳定的断裂带； 3)地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期地形完整，没有滑坡、塌方等早期埋藏和近期破坏的地形。无岩溶或岩溶很不
6、发育；破坏的地形。无岩溶或岩溶很不发育； 4)地下水影响小；地下水影响小； 5)无有害气体和异常地热。无有害气体和异常地热。.31水工隧洞选线的基本原则水工隧洞选线的基本原则 根据隧洞的用途，结合枢纽总布置，根据隧洞的用途，结合枢纽总布置，综合考虑综合考虑地形地质、水力学、沿线建筑物、地形地质、水力学、沿线建筑物、洞线长度、施工条件、运行条件、环境影洞线长度、施工条件、运行条件、环境影响等因素响等因素，从技术和经济两方面对可能方，从技术和经济两方面对可能方案进行比较选定。案进行比较选定。.32 选线应选线应首先首先满足水工隧洞的应用要求和枢满足水工隧洞的应用要求和枢纽总布置要求，纽总布置要求，
7、同时同时，尽可能避开对隧洞围岩，尽可能避开对隧洞围岩稳定不利的复杂的工程地质、水文地质条件的稳定不利的复杂的工程地质、水文地质条件的区段区段(如沿线深大沟谷发育、地质构造破坏强烈、如沿线深大沟谷发育、地质构造破坏强烈、地下水汇集、喀斯特洞穴发育等地下水汇集、喀斯特洞穴发育等)，避开将对环，避开将对环境带来严重恶化的区段，尽量选择较短的路线，境带来严重恶化的区段，尽量选择较短的路线，对长隧洞应考虑施工支洞成洞及进口条件。对长隧洞应考虑施工支洞成洞及进口条件。在在充分研究上述条件的基础上，充分研究上述条件的基础上，洞线宜选在沿线洞线宜选在沿线地形较完整、上覆岩体厚度较大、地质构造简地形较完整、上覆
8、岩体厚度较大、地质构造简单、岩石坚硬、岩体完整、喀斯特不发育、水单、岩石坚硬、岩体完整、喀斯特不发育、水文地质条件简单、施工方便的区段。文地质条件简单、施工方便的区段。 .33 8.1.1 地形条件地形条件 在地形上要求在地形上要求山体完整山体完整，洞室周围，洞室周围包括洞顶及傍山侧应有包括洞顶及傍山侧应有足够的山体厚度足够的山体厚度。 隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、崩塌等现象存在。无滑坡、崩塌等现象存在。洞口岩石应直洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以接出露或坡积层薄，岩层最好倾向山里以保证洞口坡的安全。在地形陡的高边坡开保证洞口坡的安全
9、。在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必挖洞口时，应不削坡或少削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保证要时可做人工洞口先行进洞，以保证边坡边坡的稳定性的稳定性。隧洞进出口不应选在排水困难隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及的低洼处，也不应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地段。谷口等易受水流冲刷的地段。.34 8.1.2 岩性条件岩性条件 岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如如坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，坚硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种断面形状的地下洞室能适应各种断面形状的地下洞室。而。而
10、软弱软弱岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水岩体如粘土岩类、破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易膨胀的岩体等，通常力学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳易软化、崩解及膨胀等，不利于围岩的稳定。定。 此外此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影响。一般重要影响。一般软硬互层或含软弱夹层的软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，岩体，稳定性差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定性愈差。单层厚度愈薄，稳定性愈差。均质厚层及均质厚层及块状岩体稳定性好。块状岩体稳定性好。 .35 8.1.3 地质构造条件地质构造条件.
11、36 1岩层产状的影响岩层产状的影响 (1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况，况，围岩的稳定性较好围岩的稳定性较好，特别是对边墙特别是对边墙稳定有利稳定有利。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞当岩层倾角较平缓且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部顶易发生局部岩块坍落现象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。常出现阶梯形超挖。.37单斜岩层中的地下洞室单斜岩层中的地下洞室.38 (2)洞室走向与岩层走向平行洞室走向与岩层走向平行 在水平岩层中布置洞室时，在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位应尽量使洞室位于均质厚层
12、的坚硬岩层中，于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置应避免将软弱岩层置于洞室顶部于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或坍塌。坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。 在倾斜岩层中，一般说来是不利的。在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身当洞身通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾逆倾向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。向一侧围岩
13、侧压力小，有利于稳定。因此，在倾因此，在倾斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。.39水平及倾斜岩层中的地下洞室水平及倾斜岩层中的地下洞室.40陡立岩层中的地下洞室陡立岩层中的地下洞室.412褶皱的影响褶皱的影响 褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别褶皱剧烈地区，一般断裂也很发育，特别是是褶皱核部岩层完整性最差褶皱核部岩层完整性最差。在背斜核部，岩在背斜核部，岩层呈上拱形，虽岩层破碎，然犹如石砌的拱形层呈上拱形，虽岩层破碎，然犹如石砌的拱形结构，能将上覆岩层的荷重传
14、递至两侧岩体中结构，能将上覆岩层的荷重传递至两侧岩体中去，所以有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发去，所以有利于洞顶的稳定。洞顶虽张裂隙发育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。育，然岩块呈上宽下窄形，不易掉块。向斜核向斜核部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上部岩层呈倒拱形，顶部被张裂隙切割的岩块上窄下宽易于坍落。窄下宽易于坍落。另外，向斜核部往往是承压另外，向斜核部往往是承压水储存的场所，地下洞室开挖时地下水会突然水储存的场所，地下洞室开挖时地下水会突然涌人洞室。涌人洞室。因此，在向斜核部不宜修建地下洞因此，在向斜核部不宜修建地下洞室。室。 因此，在布置地下洞室时，原则上应避开褶因此，在布置地下洞
15、室时，原则上应避开褶皱核部。皱核部。若必须在褶皱岩层地段修建地下工程，若必须在褶皱岩层地段修建地下工程，可以将洞室放在褶皱的两翼可以将洞室放在褶皱的两翼。.42地下洞室轴线与褶皱的关系地下洞室轴线与褶皱的关系.43 3断裂的影响断裂的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。极差。地下掘进如遇较大规模的断层，地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生塌方甚至冒顶几乎都要产生塌方甚至冒顶(洞顶大规模洞顶大规模突然坍塌破坏突然坍塌破坏)。一般情况下，应避免洞。一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直室轴线沿断层带布置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所需
16、穿越的不稳或近于垂直断裂带，则所需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方或大量定地段较短，但也可以产生塌方或大量地下水涌入。因此，地下水涌入。因此，在选址时应尽量避在选址时应尽量避开大断层。开大断层。.44断层对地下洞室选线的影响断层对地下洞室选线的影响.45 8.1.4 地下水地下水 在选址时最好选在地下水位以上的干在选址时最好选在地下水位以上的干燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层燥岩体内，地下水量不大、无高压含水层的岩体内。的岩体内。 .468.1.5 地应力地应力 地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初始应力状态初始应力状态。开挖后，由于洞室周围岩体
17、失。开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，去了原有的支撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围围岩将向洞内产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应一定范围内岩体的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称力状态。该应力称重分布应力、二次应力或围重分布应力、二次应力或围岩应力岩应力。 直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体与岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性等因素有关。特性等因素有关。 一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力一、开挖
18、后围岩保持弹性时的重分布应力.47圆形洞室围岩重分布应力计算简图圆形洞室围岩重分布应力计算简图.48洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式.49用弹性理论计算圆形洞室周边用弹性理论计算圆形洞室周边应力重分布应力重分布.50地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布地下洞室围岩应力（弹性、弹塑性）重分布.51各种断面形状的洞体应力状态比较.52 二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分 布应力布应力 洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周次应力与围岩强度之间的关系。如果洞周边应力小
19、于岩体的强度，围岩稳定。否则，边应力小于岩体的强度，围岩稳定。否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展，形成具有一定范围的发展，形成具有一定范围的应力松弛区应力松弛区，称为称为塑性松动圈塑性松动圈。在松动圈形成过程中，。在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，原来周边集中的高应力逐渐向深处转移，形成新的形成新的应力增高区应力增高区，该区岩体被挤压紧，该区岩体被挤压紧密，称为密，称为承载圈承载圈。此圈之外为。此圈之外为初始应力区初始应力区。.53洞室围岩应力重分布对比
20、图洞室围岩应力重分布对比图.54隧洞选线的实例隧洞选线的实例 鲁布革鲁布革水电站有压引水隧洞的选线。该电水电站有压引水隧洞的选线。该电站位于我国珠江水系上游黄泥河，装机容量站位于我国珠江水系上游黄泥河，装机容量60万万kW，已建成投产。引水隧洞长，已建成投产。引水隧洞长9387m，洞径，洞径8m，分布岩层为三叠系石灰岩、白云岩夹少量，分布岩层为三叠系石灰岩、白云岩夹少量泥质岩。泥质岩。在规划阶段曾比选了左、右岸布置方在规划阶段曾比选了左、右岸布置方案。案。鉴于右岸地形异常陡峻，沿线交通及施工鉴于右岸地形异常陡峻，沿线交通及施工布置难度很大，且隧洞末段将通过砂页岩软弱布置难度很大，且隧洞末段将通
21、过砂页岩软弱岩层；而左岸洞线地形较为开阔，便于施工布岩层；而左岸洞线地形较为开阔，便于施工布置，隧洞末端及地下厂房枢纽区白云岩、石灰置，隧洞末端及地下厂房枢纽区白云岩、石灰岩山体雄厚，岩性坚硬完整，同时洞线比右岸岩山体雄厚，岩性坚硬完整，同时洞线比右岸短短12km，因此选择了左岸引水方案因此选择了左岸引水方案。 .55 隧洞区地质条件较为复杂，分布有隧洞区地质条件较为复杂，分布有与河流近平行的与河流近平行的F201、F205、F113、F268等规模较大的断层；石灰岩、白云等规模较大的断层；石灰岩、白云岩喀斯特发育，地表喀斯特洼地直径可岩喀斯特发育，地表喀斯特洼地直径可达达100m以上，在地下
22、也发现了高达以上，在地下也发现了高达4050m的大溶洞；石灰岩、白云岩中夹有软的大溶洞；石灰岩、白云岩中夹有软弱的泥质岩层。弱的泥质岩层。 .56 针对上述不利的地质条件，左岸隧洞选线考虑针对上述不利的地质条件，左岸隧洞选线考虑了以下四条原则：了以下四条原则：第一第一，尽量避开大断层或以，尽量避开大断层或以较大的交角穿过断层破碎带较窄、胶结较好的较大的交角穿过断层破碎带较窄、胶结较好的地段；地段；第二，第二，避开喀斯特洞穴强烈发育地段，避开喀斯特洞穴强烈发育地段，而从喀斯特发育相对微弱的地段通过；而从喀斯特发育相对微弱的地段通过；第三，第三，隧洞尽量少穿软弱的泥质岩层；隧洞尽量少穿软弱的泥质岩
23、层；第四，第四，隧洞线隧洞线路较短。经过前期设计阶段的地质测绘，地质路较短。经过前期设计阶段的地质测绘，地质构造、喀斯特及水文地质专门调查，钻探以及构造、喀斯特及水文地质专门调查，钻探以及施工初期利用施工支洞导洞延伸勘探平洞等手施工初期利用施工支洞导洞延伸勘探平洞等手段，收集了大量实际资料，进行了深入研究分段，收集了大量实际资料，进行了深入研究分析，析，洞线在初设拟定的基础上遵照上述原则经洞线在初设拟定的基础上遵照上述原则经过两次调整后才最终选定。过两次调整后才最终选定。.57 开挖后引水隧洞地质条件良好，开挖后引水隧洞地质条件良好， I、类围岩类围岩占占91.5，类围岩占类围岩占5.5，、
24、V类围岩仅类围岩仅占占3；施工顺利，进展快，；施工顺利，进展快，1984年年11月开始月开始掘进，经两年施工全线贯通，平均月进尺掘进，经两年施工全线贯通，平均月进尺220m，最高月进尺达最高月进尺达3735m；665洞段采用了薄洞段采用了薄型型(厚厚40cm)素混凝土衬砌，素混凝土衬砌，335采用钢筋采用钢筋混凝土衬砌，投资比初设节省混凝土衬砌，投资比初设节省3250万元，比招万元，比招标设计节省标设计节省 600万元，表明引水隧洞的选线和万元，表明引水隧洞的选线和定线是成功的。定线是成功的。 .58 8.2 围岩变形破坏的特点围岩变形破坏的特点 由于岩体在强度和结构方面的差异，洞室由于岩体在
25、强度和结构方面的差异，洞室围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式围岩变形与破坏的形式多种多样，主要的形式有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、有脆性破裂、块体滑移、弯曲折断、松动解脱、塑性变形等。塑性变形等。 1坚硬完整岩体的脆性破裂坚硬完整岩体的脆性破裂 在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩在坚硬完整的岩体中开挖地下洞室，围岩一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常一般是稳定的。但是在高地应力地区，经常 产生岩爆现象。产生岩爆现象。岩爆岩爆是是储存有很大弹性应变能储存有很大弹性应变能的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的岩体，在开挖卸荷后，能量突然释放所形成的的，它与岩石性质、地应力
26、积聚水平及洞室断，它与岩石性质、地应力积聚水平及洞室断面形状等因素有关。面形状等因素有关。.59围岩失稳机制及破坏形式.60围岩变形破坏的常见形式.61 2块体滑移块体滑移 块体滑移是块状结构围岩常见的破块体滑移是块状结构围岩常见的破坏形式。这类破坏常以结构面交切组合坏形式。这类破坏常以结构面交切组合成不同形状的块体滑移、塌落等形式出成不同形状的块体滑移、塌落等形式出现。分离块体的稳定性取决于块体的形现。分离块体的稳定性取决于块体的形状有无临空条件、结构面的光滑程度及状有无临空条件、结构面的光滑程度及是否夹泥等。是否夹泥等。.62坚硬岩体中的块体滑移坚硬岩体中的块体滑移.63块状结构岩体的块体
27、滑移.64三类典型的分离体三类典型的分离体.65 3层状弯折和拱曲层状弯折和拱曲 岩层的弯曲折断岩层的弯曲折断，是层状围岩变形，是层状围岩变形失稳的主要形式。失稳的主要形式。 平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相平缓岩层，当岩层层次很薄或软硬相间时，顶板容易下沉弯曲折断间时，顶板容易下沉弯曲折断。 在倾斜层状围岩中，当层间结合不在倾斜层状围岩中，当层间结合不良时，良时，顺顺倾向一侧拱脚以上部分岩层易倾向一侧拱脚以上部分岩层易弯曲折断，弯曲折断，逆逆倾向一侧边墙或顶拱易滑倾向一侧边墙或顶拱易滑落掉块。落掉块。 在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向在陡倾或直立岩层中，因洞周的切向应力与边墙岩层近于平行，所
28、以边墙容应力与边墙岩层近于平行，所以边墙容易凸邦弯曲。易凸邦弯曲。.66层状结构围岩变形破坏特征层状结构围岩变形破坏特征.67 4碎裂岩体的松动解脱碎裂岩体的松动解脱 碎裂结构岩体在张力和振动力作用下碎裂结构岩体在张力和振动力作用下容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在容易松动、解脱，在洞顶则产生崩落，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。 5松软岩体松软岩体 一般强烈风化、强烈构造破碎或新近一般强烈风化、强烈构造破碎或新近堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水堆积的土体，在重力、围岩应力和地下水作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑作用下常产生冒落及塑性变形。常见的塑性
29、变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及性变形和破坏的形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。洞径收缩等。.68碎裂岩体松动解脱.69碎裂结构围岩塌方示意图碎裂结构围岩塌方示意图.70散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形散体结构岩体发生塑性挤出的几种情形.718.3 围岩分类围岩分类 8.3.1 工程岩体分级标准工程岩体分级标准(GB50218-94) 之方案之方案 第第6章章 已经介绍了我国已经介绍了我国“工程岩体分级标准工程岩体分级标准”中的岩体中的岩体基本质量基本质量BQ的确定方法，地下工程岩体的分级还应考的确定方法，地下工程岩体的分级还应考虑来自地下水、主要软弱结构面产状以及初始应力状虑来自地下水、
30、主要软弱结构面产状以及初始应力状态的影响，必须根据上述三个因素对基本岩体质量分态的影响，必须根据上述三个因素对基本岩体质量分级进行修正。其修正的级进行修正。其修正的BQ值按下式计算：值按下式计算： BQ= BQ-100（ K1 +K2 +K3） 式中式中 BQ岩体基本质量指标修正值；岩体基本质量指标修正值； BQ岩体基本质量指标；岩体基本质量指标； K1地下水影响修正系数；地下水影响修正系数； K2主要软弱结构面产状影响修正系数；主要软弱结构面产状影响修正系数； K3初始应力状态影响修正系数。初始应力状态影响修正系数。.728.3.2 地下工程岩体自稳能力.738.4 山山(围围)岩压力岩压力
31、 8.4.1 围岩压力的概念围岩压力的概念 围岩压力也称山岩压力围岩压力也称山岩压力，是指围岩的强是指围岩的强度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏度适应不了围岩应力而产生塑性变形或破坏时，作用在支护或衬砌上的力时，作用在支护或衬砌上的力。 确定山岩压力的大小在工程上具有重要的确定山岩压力的大小在工程上具有重要的意义。意义。如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，如果取值过大，则衬砌需要做得很厚，造成浪费。造成浪费。反之，取值太小，衬砌做得很薄，反之，取值太小，衬砌做得很薄，承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏承受不了实际的山岩压力，造成衬砌的破坏和围岩失稳。和围岩失稳。.74影响围岩压力的因素影
32、响围岩压力的因素 地质因素地质因素 1.1.岩体初始应力状态岩体初始应力状态 2.2.岩石力学性质岩石力学性质 3.3.岩体结构面岩体结构面 4.4.地下水等地下水等 工程因素工程因素 1.1.施工方法施工方法 2.2.支护设置时间支护设置时间 3.3.支护本身刚度支护本身刚度 4.4.隧道断面形状等隧道断面形状等.758.4.2 山岩压力的类型山岩压力的类型 根据山岩压力形成机理，可分为根据山岩压力形成机理，可分为变形山压、松变形山压、松动山压和冲击山压动山压和冲击山压几种类型。几种类型。 (1)变形山压变形山压是由于围岩的弹性恢复或塑性变是由于围岩的弹性恢复或塑性变形所产生的围岩压力。形所
33、产生的围岩压力。一般塑性变形主要有塑性挤一般塑性变形主要有塑性挤入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间入、膨胀内鼓及弯折内鼓等，变形山压具有随时间延长而增大的特点。延长而增大的特点。 (2)松动山压松动山压是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、是由于围岩拉裂塌落、块体滑移、碎裂松动等所引起的碎裂松动等所引起的。松动山压仅限于围岩产生松。松动山压仅限于围岩产生松动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬动脱落的局部范围内。它是以重力的形式作用在衬砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。砌上，其大小取决于脱落岩石的重量。 (3)冲击山压冲击山压是由于岩体中积聚的弹性应变能是由于岩体中积聚的弹性应变能突然
34、释放所引起的，具有突然释放所引起的，具有产生岩爆的条件时产生岩爆的条件时才能产才能产生冲击山压。生冲击山压。 .761.围岩压力的确定方法围岩压力的确定方法 直接量测法直接量测法 理论估算法理论估算法 统计法（经验法、工程类比法）统计法（经验法、工程类比法）.77 2松动山岩压力的确定方法松动山岩压力的确定方法 普氏压力拱理论。普氏压力拱理论。 M.M.普罗托季亚科诺夫根据对一些普罗托季亚科诺夫根据对一些矿山坑道的观察和松散介质的模型试验矿山坑道的观察和松散介质的模型试验于于1907年提出了平衡拱理论。普氏认为，年提出了平衡拱理论。普氏认为，由于断层、节理的切割，使洞室围岩成由于断层、节理的切
35、割，使洞室围岩成为类似松散介质的散粒体。由于洞室开为类似松散介质的散粒体。由于洞室开挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍挖应力重分布，使洞顶破碎岩体逐渐坍塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来塌，最后塌落成一个拱形才稳定下来。所以所以普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱普氏认为，洞顶的山岩压力就是拱形塌落体的重量形塌落体的重量。这个拱称为。这个拱称为塌落拱、塌落拱、平衡拱或压力拱。平衡拱或压力拱。.78自然拱.79用普氏平衡拱理论计算山岩压力用普氏平衡拱理论计算山岩压力.80围岩应力的现场量测围岩应力的现场量测 直接量测直接量测 间接量测间接量测.81.82.83.84.858.5 洞室围岩失稳的防治措施洞
36、室围岩失稳的防治措施.86隧道支护技术隧道支护技术 临时支护形式：临时支护形式： 1木支撑木支撑 2钢支撑钢支撑 3钢筋混凝土支撑钢筋混凝土支撑 4锚杆支撑及喷射混凝土支撑锚杆支撑及喷射混凝土支撑.87初期支护初期支护 锚喷支护锚喷支护 锚杆支护锚杆支护 喷射混凝土支护喷射混凝土支护 喷射混凝土锚杆联合支护喷射混凝土锚杆联合支护 喷射混凝土钢筋网联合支护喷射混凝土钢筋网联合支护 喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护 喷钢纤维混凝土与锚杆及钢筋网联合支护以喷钢纤维混凝土与锚杆及钢筋网联合支护以及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而成的及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而
37、成的联合支护等。联合支护等。 .88一、支护与衬砌一、支护与衬砌.89衬砌类型示意图衬砌类型示意图.90 二、喷锚支护二、喷锚支护 当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐当地下洞室开挖后，围岩总是逐渐地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开地向洞内变形。喷锚支护就是在洞室开挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝挖后，及时地向围岩表面喷一薄层混凝土土(一般厚度为一般厚度为520cm)，有时再增加一有时再增加一些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变些锚杆，从而部分地阻止围岩向洞内变形，以达到支护的目的。形，以达到支护的目的。 1.喷射混凝土喷射混凝土.91喷射混凝土的作用喷射混凝土的作用.92.93.94.95喷锚支护
38、与常规衬砌支护比较示意图喷锚支护与常规衬砌支护比较示意图.96楔缝式及楔头式锚杆楔缝式及楔头式锚杆.97胀壳式及砂浆粘结式预应力锚杆胀壳式及砂浆粘结式预应力锚杆.98 2.锚杆的作用锚杆的作用 锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、锚杆有楔缝式金属锚杆、钢丝绳砂浆锚杆、普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。普通砂浆金属锚杆、预应力锚杆及木锚杆等。目前在大中型工程中，常用的是目前在大中型工程中，常用的是楔缝式金属锚楔缝式金属锚杆和砂浆金属锚杆杆和砂浆金属锚杆两种。锚杆的作用可概括为两种。锚杆的作用可概括为下述三个方面。下述三个方面。 (1)悬吊作用悬吊作用。 (2)组合作用组合作用。对于层状岩
39、层，锚杆可以将数。对于层状岩层，锚杆可以将数层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组层薄的岩层组合联成整体，类似锚钉加固的组合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能合梁，提高了岩层整体的抗震、抗剪、抗弯能力。力。 (3)加固作用加固作用。 为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层为了防止锚杆之间岩块的坍落，可采用喷层和钢丝网来配合。和钢丝网来配合。.99支护时间与支护压力关系图支护时间与支护压力关系图.100喷射混凝土喷射混凝土 喷射混凝土是用喷射机把渗有速凝喷射混凝土是用喷射机把渗有速凝剂的粗细骨料混凝土以适当的压力，高剂的粗细骨料混凝土以适当的压力，高速喷射到隧道岩壁表面凝结而成的混凝速喷射
40、到隧道岩壁表面凝结而成的混凝土。土。 (一一) 喷射混凝土的特点喷射混凝土的特点 1.充填裂隙加固围岩充填裂隙加固围岩 2.封闭围岩壁面防止风化封闭围岩壁面防止风化 3.喷射混凝土与围岩组成共同承载体系喷射混凝土与围岩组成共同承载体系.101 (二二) 喷射混凝土的优缺点优点：喷射混凝土的优缺点优点： 1.柔性支护柔性支护 2.支护及时支护及时 3.不用模板、拱架不用模板、拱架 4.施工工艺简单施工工艺简单 缺点：缺点： 回弹量大、止水性弱。回弹量大、止水性弱。.102NoImage喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 机械手.103NoImage喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(
41、具具)设备设备 混凝土喷射三联机.1044 4、锚喷支护的特点、锚喷支护的特点.105 (四四) 喷射凝土的材料及其组成喷射凝土的材料及其组成 1.喷射混凝土的材料喷射混凝土的材料 (1)水泥。喷射混凝土水泥。喷射混凝土对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。采用采用425号以上的普通硅酸盐水泥。号以上的普通硅酸盐水泥。 (2)砂砂子子 (3)石子石子 (4)速凝剂。一般为水泥质量速凝剂。一般为水泥质量的的24（喷拱部时可用（喷拱部时可用34，喷边墙，喷边墙时可用时可用23）
42、。）。 水泥浆初凝应不大于水泥浆初凝应不大于5min，终凝应不大于，终凝应不大于10min。 .106 2.喷射混凝土配合比和水灰比喷射混凝土配合比和水灰比 质量比质量比水泥：中砂或中粗砂：石子，对于水泥：中砂或中粗砂：石子，对于隧道边墙采用隧道边墙采用1:(22.5):(22.5)；对于隧道拱；对于隧道拱部采用部采用1:2:(1.52.0)较为合适。较为合适。 水灰比水灰比一般为一般为0.40.5 (五五) 喷射混凝土的机械喷射混凝土的机械(具具)设备设备 混凝土喷射混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。拌车、混凝
43、土喷射三联机等。.107NoImage工字型钢拱架工字型钢拱架.108NoImage钢架钢架格栅网构钢架格栅网构钢架 特点：u 质量轻，制作容易，架设方便，省工省料； u 与喷射混凝土结合良好，能形成整体钢筋混凝土结构； u 易与锚杆、超前小导管形成整体。 钢架的纵向间距应根据所支护的围岩而定，一般为0.751.2m，两榀钢架之间设置直径为2022mm的纵向钢拉杆。 .109NoImage格栅网构钢架格栅网构钢架 .110新奥法的基本概念新奥法的基本概念 一、名称由来与产生的背景一、名称由来与产生的背景 1963年，由奥地利学者年，由奥地利学者 L.V.Rabcewiez教授命名为教授命名为“
44、新奥地利隧道施工法（新奥地利隧道施工法（New Astrian Tunnelling Method）”，简称，简称“新新奥法（奥法（NATM）”正式出台。正式出台。 产生背景：产生背景： 1.锚杆支护在锚杆支护在20世纪初出现。世纪初出现。 2.喷射混凝土机在喷射混凝土机在1940年代末研制成功。年代末研制成功。 3.岩石力学的理论发展为新奥法提供了科岩石力学的理论发展为新奥法提供了科学依据。学依据。 .111二、新奥法的基本概念二、新奥法的基本概念 新奥法新奥法:用薄层支护手段来保持围岩强度，用薄层支护手段来保持围岩强度，控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能控制围岩变形，以发挥围岩的自承载能力
45、，并通过施工监控量测来指导隧道工力，并通过施工监控量测来指导隧道工程的设计与施工。程的设计与施工。 新奥法的三大要素：控制爆破新奥法的三大要素：控制爆破 喷锚喷锚支护支护 监控量测监控量测 三项作业：开挖三项作业：开挖 初次支护初次支护 二次二次支护支护.112新奥法原理的要点新奥法原理的要点NoImageu 1. 承载体系：支护结构+围岩 u 2. 少扰动围岩 u 3. 既允许又限制围岩的变形 u 4. 复合式衬砌（初期支护和二次衬砌 ） u 5. 初期支护应尽量做成柔性的 u 6. 要尽可能使结构做得圆顺 u 7. 进行有效的监控量测 u 8. 通过“排堵措施”解决衬砌渗水 .113新奥法的施工技术 施工基本原则施工基本原则 “少扰动，早支护，勤量测，紧封闭少扰动，早支护，勤量测，紧封闭”谢谢观看！
