西北农林科技大学：《工程地质与水文地质》课程教学资源（授课教案，打印版）第八章 地下建筑的工程地质分析

第八章地下建筑的工程地质分析(3学时) 地下洞室是指建筑于地下岩土体中，具有一定断面形态的尺寸，并有较大 延伸长度的地下建筑，如地下机库、地下油库、防空洞、地下电站、引水隧洞、 交通隧道以及采矿区的地下巷道等。而洞室周围的岩体就简称为围岩。实际工作 中，一般认为其是受到开挖影响，大体相当于洞室宽度或平均直径3倍距离范 围内的岩土体。 地下洞室的围岩稳定性问题的产生实质是洞室开挖前后，围岩中的应力均衡 变化的结果。 一、洞室围岩应力变化 1.开挖前的应力均衡 假定围岩为连续，均质各向同性的岩体，其原始应力状态为： -6-=1 Ey 适用于围岩中任意一点 2.开挖后的应力分布 岩石强度大—可适应应力集中的变化，可保持稳定。 岩石强度低—应力变化相对较大，洞室失稳。 以图形洞室为例（右图），假定开挖前只存在压应力8，无拉、剪力，则极 坐标下 轴向（径向）应力 切向应力 a—洞室半径 围岩中某点的圆心距 0 —极角 洞室开挖后，当 r=a时，有

%-58 r>a时，显见r越大 也越大，8rmax-d 的0B装m6 →在r=a处6，-6a有最大值 所以，破坏总是先从洞壁开始 二、地下洞室围岩的变形、破坏形式 当洞式围岩难以承受应力变化所带来的影响时，就会发生变形与破坏，形式 主要有以下4种： 1.顶围悬垂坍落：常见于顶部围岩裂隙发有 或风化严重的水平岩层围岩中，坍落后，可自然形 成一个“坍落拱”（重力作用原因）。 2.侧围突出与滑塌：多发生于陡立层状岩体 中。这种岩层侧围滑塌后又会发生顶围坍落（天然 应力6引起)，但不会形成期落拱。 3.底围鼓胀与隆破：多见于塑性、弹塑性岩 体中或裂隙发有，有适当结构面的围岩中，或因洞 室埋深过大而引起。 4.围岩缩径与岩爆：前者指顶、侧、底三围 以相似速度向洞内变形，多见于弹塑性和塑性岩体 中，后者是脆性岩体中各别岩块在失去一侧围压阻 挡后，突然向洞室内弹出的现象（弹出岩块不可能 再塞回原位①岩块体积增大②原位变形)。 三、地下洞室围岩稳定性分析

1.地下洞室围岩稳定的影响因素 包括岩性条件、构造条件、岩体结构类型、地下水的影响及岩溶发育情况等。 (1)岩性条件 盐性弱的岩石起关键性作用，大部分岩浆岩、变质岩稳定性较好：沉积岩多 软弱：疏松土质夹层最危险 (2)地质构造条件（是最重要条件，决定洞室开挖原则） ①软硬互层时，洞室尽量布置于硬岩中，若硬岩厚度小，则应以硬岩为顶。 ②褶皱：洞室尽量沿背斜轴布置，向斜则布置于翼部（避开轴部构造挤压力） ③断层：尽量垂直于走向（快速通过，全部支护）。 若平行走向不可避免，则尽量顺下盘岩体掘进（原因同前） (3)岩体结构 ①方顶块分离体：水平向结构面越密集越易坍 ②尖顶块分体离：侧斜面倾角越小，密度越大越易坍 (4)地下水与岩溶一对施工、运行均有威胁，探明后应以规避为主。 (5)构造应力—洞室轴线应尽量与最大主应力方向一致。 2.洞室围岩压力计算一普氏平衡拱法 顶围坍落是洞室围岩失稳最常见的一类。顶围坍落后常形成一个自然的坍落 拱，在坍落拱上，围岩的应力达到平衡，破坏与变形也就中止了，若能人为设计 出该坍落拱，使围岩应力提前均衡，顶围坍落使不会再发生（针对水平岩层和松 散岩体)。 (1)方法前提：围岩为松散岩体，洞室侧壁未发生滑坍 (2)普氏平衡拱法 普罗托齐雅科诺夫方法 k=言+gp减=pp） 取平衡拱左半拱，该块岩体受力为： 铅直重力6：，右半拱水平推力T,拱角水平反力F,铅直反力V,依据静力 平衡条件，对拱角A点取力矩，则有 2T

当达到平衡时，必然有 F-T V=6:Xb 这是下为V产生的摩阻力，引入f一坚固系数替代岩体内摩擦系数(g®) 则可知 F=V·f=6:×6×fk 一般地，当F>T时，洪围即可达到稳定，但为保证安全，设计时常取F=2T, 即安全系数为2，时代入有 FIT=2=62bkIT 将此值代入h表达式有： m=8zb/2T=87b182bf=blf 即h=b/fk即是设计的拱高。 此拱高下，顶围即可保证一安全稳定性。 普氏还认为：平衡拱足呈抛物线形成的，由此洞顶围岩压力Q应为（面积× 容重)。 0哭 实验确定 *进行初步估算时，也可用地质分析法来确定顶围压力，公式为： —形态系数，尖顶分离体取2，方顶分离体取1 四、地下洞室围岩稳定的保障措施 1.稳定围岩区一全断面开挖，连续衬砌（尤其小尺寸洞） 2.不稳定围岩区一依据实际情况可选择。 (1)分部开挖（导洞开挖），分部砌衬，逐步扩大断面 侧导洞开挖先墙后拱全面开挖 (2)支撑：衬砌与锚杆加固，喷浆护壁 (3)固结灌浆：用于裂隙严重和稳定性极差的第四纪堆积型围岩