第六章_地下工程地质问题
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达到新平衡时的位移现象。
应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的
5~6倍范围内。
塑 性 圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因
挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁 的岩体中形成塑性松动圈。
河北科技大学
洞室开挖形成的三个应力区域 应力降低区
应力升高区 天然应力区
影响塑性圈范围的因素：
岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低， 支护的反力大小。
围岩质量分级：国际《工程岩体分级标准》（GB50218-94）
RQD J r N.Barton岩体分类： Q Jn Ja
铁路隧道围岩分级
Jw SRF
河北科技大学
6.5 围岩稳定性评价方法
影响地下洞室稳定性的因素： 土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、 洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。 岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、 洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。
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• 6.3.3 地温
洞室埋深处地温计算：
T＝T0 ( H h)G
地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。
0.05 o G C/m k 热传导系数
地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动， 地下水温度等。
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• 6.3.4 有害气体
——以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，
CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。
瓦斯浓度<5~6%，能在高温下燃烧 危害条件
瓦斯浓度为5~6%-14~16%，易爆炸，
特别是含量为8%时 瓦斯浓度为42~57%时，易使人窒息。
施工要求
瓦斯浓度>1%，不准装药放炮 瓦斯浓度>2%，工作人员撤离现场
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6.4 围岩工程分级及其应用
地应力变化规律
造成地下洞室突水的条件
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抛出的现象。
7. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超 过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤 出的现象。 8. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动 圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内 鼓出的现象。
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二、松散围岩变形和破坏的主要类型
1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩， 开挖后在重力作用下自由坍落。
分解类腐蚀
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2. 混凝土腐蚀严重程度 外观完整，有坚硬感 无 腐 蚀： 局部砂浆剥落 弱 腐 蚀：
局部骨料外露，内部坚硬 中等腐蚀：
表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状 强 腐 蚀： 3. 腐蚀易发生地区 R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
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• 地下洞室大量突水的条件：
洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时 洞室通过厚层的含水砂砾石层 遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时
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• 6.3.2 腐蚀
1. 腐蚀类型 芒硝型腐蚀 结晶类腐蚀 石膏型腐蚀 钙矾型腐蚀 酸型 腐蚀 碳酸型腐蚀 结晶分解复合类腐蚀
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二、结构面
岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗 拉强度。
主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。
原生结构面：岩石形成过程中产生的 构造结构面：地壳运动引起岩石变形破坏形成的破 裂面 次生结构面：地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀
按 成 因 分 为
等作用形成的不连续界面
河北科技大学
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6.2 洞室围岩变形及破坏的主要类型
围岩稳定性影响因素： 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征 结构面性状 含水状况 地应力状态 工程类型 工程尺寸 施工方法
地质因素
工程因素
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• 6.2.1 围岩应力的变化规律
卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状
态被破坏，岩体内各质点沿最短距离
上一章回顾
概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、
震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度 崩塌落石的影响因素 滑坡的形成条件和影响因素 泥石流形成的三个基本条件 岩溶的形成的四个基本条件 地震按成因分类
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第六章 地下工Baidu Nhomakorabea地质问题
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6.1 岩体及地应力的概念
沉积结构面：层理、层面、软弱夹层
原生结构面： 火成结构面：冷缩节理、侵入接触面
变质结构面：片理面
构造结构面： 构造节理、断层 次生结构面：风化节理、卸荷节理、爆破节理、
不整合接触面等
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三、结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。 影响因素：结构面组数、密度、产状、长度
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围岩工程分级法 连续介质力学计算法 理论计算法 极限平衡分析法 散体围岩温度计算法 不受结构面控制时
受结构面控制时
图解法
模型试验法
赤平极射投影 数值模型模拟法 物理模型试验法 光测弹性模型试验法 相似材料模型试验法 离心模型试验法
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本章小结
概念：岩体，结构面，结构体，地应力，围岩
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• 6.1.3 地应力的概念
地 应 力：地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所 具有的内应力，也称为初始应力或天然应力。
类
围
型：
主要：自重应力、构造应力 次要：地下水压力、低温应力、结晶应力等
岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。
二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力
受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应
力或围岩应力。
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• 地应力分布规律
（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力
（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力
（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力 （4）垂直应力 v 与水平应力 H 的关系：
v H H v v 1
在岩土工程，地应力有十分重要的意义。
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3. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩 石破裂，导至洞顶塌落的现象。 4. 劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行
洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。
5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯 折内鼓，甚至坍倒的现象。
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6. 岩
爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹 性应变能突然释放而发生的岩石弹射或
2. 塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松
散物质常形成碎屑流涌出。
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6.3 地下洞室特殊地质问题
• 6.3.1 突水突泥
——隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入 隧道的现象。 开 挖 洞 室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带， 蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。
已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。
• 6.1.1 岩体的概念
一、岩体
广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有
不连续性、非均质性和各向异性的特点。 工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。
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地基岩体 岩体按工程性质分为 边坡岩体 洞室岩体
岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造
岩体的工程性质影响因素：岩石，结构面的性质
围岩稳定性评价：根据不同的岩体结构、不同的受力性质，
简化成不同的力学模型，应用相应的分析 评价方法，研究围岩的变形破坏过程。
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• 几个概念
围岩压力：围岩作用在支护上的压力，是确定衬
砌设计荷载大小的依据。
松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，
以重力形式直接作用在支护上的压力。
变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成 的压力。 膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩 体积膨胀变形对支护形成的压力。
• 6.1.2 岩体结构的概念
岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。
岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。
• 岩体破坏情况
硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。 软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。
岩体变形的显著特点：各向异性。
E E
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洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。
2
r
a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
o
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• 6.2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型
一、岩质围岩变形和破坏的主要类型
1. 错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室
开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服 强度，围岩就会沿已有的多组节理发生 剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中 形成一个松动圈。 2. 剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度 而产生的沿结构面剪切滑移。
应力集中现象一般发生在洞室横剖面最大尺寸的
5~6倍范围内。
塑 性 圈：洞壁岩体向临空方向位移，在洞壁因
挤压形成切向应力集中，在靠近洞壁 的岩体中形成塑性松动圈。
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洞室开挖形成的三个应力区域 应力降低区
应力升高区 天然应力区
影响塑性圈范围的因素：
岩石强度、岩体结构类型、天然应力高低， 支护的反力大小。
围岩质量分级：国际《工程岩体分级标准》（GB50218-94）
RQD J r N.Barton岩体分类： Q Jn Ja
铁路隧道围岩分级
Jw SRF
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6.5 围岩稳定性评价方法
影响地下洞室稳定性的因素： 土体洞室：土层类型、固结程度、地下水状态、 洞室断面尺寸和形态、洞室埋深等。 岩体洞室：岩体质量、地下水状态、地应力状态、 洞室断面尺寸和性状、洞室埋深等。
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• 6.3.3 地温
洞室埋深处地温计算：
T＝T0 ( H h)G
地热梯度：深度每增加100m地温的增加值。
0.05 o G C/m k 热传导系数
地温的影响因素：深度，地质构造，火山活动， 地下水温度等。
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• 6.3.4 有害气体
——以甲烷为主的有害气体的总称（包括CH4，
CO2，CO，H2S，SO2，N2等），主要发生在含煤地层。
瓦斯浓度<5~6%，能在高温下燃烧 危害条件
瓦斯浓度为5~6%-14~16%，易爆炸，
特别是含量为8%时 瓦斯浓度为42~57%时，易使人窒息。
施工要求
瓦斯浓度>1%，不准装药放炮 瓦斯浓度>2%，工作人员撤离现场
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6.4 围岩工程分级及其应用
地应力变化规律
造成地下洞室突水的条件
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抛出的现象。
7. 塑性挤出：软弱岩体在洞室开挖后，当围岩应力超 过其屈服强度时，向洞内产生的塑性挤 出的现象。 8. 膨胀内鼓：在膨胀岩地区，洞室开挖后水分向松动 圈集中，导致岩石吸水膨胀，并向洞内 鼓出的现象。
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二、松散围岩变形和破坏的主要类型
1. 重力坍塌：固结程度差的散体结构围岩， 开挖后在重力作用下自由坍落。
分解类腐蚀
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2. 混凝土腐蚀严重程度 外观完整，有坚硬感 无 腐 蚀： 局部砂浆剥落 弱 腐 蚀：
局部骨料外露，内部坚硬 中等腐蚀：
表面膨胀隆起，局部呈豆腐渣状 强 腐 蚀： 3. 腐蚀易发生地区 R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层 泥炭、淤泥、沼泽等地 我国东南沿海有红树残体的冲积层 我国长江以南的酸性红土 含硫矿床的地下水层 冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层
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• 地下洞室大量突水的条件：
洞室通过溶洞发育的石灰岩地段，尤其是遇到暗河系统时 洞室通过厚层的含水砂砾石层 遇到富水的断层破碎带，且与地表水连通时
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• 6.3.2 腐蚀
1. 腐蚀类型 芒硝型腐蚀 结晶类腐蚀 石膏型腐蚀 钙矾型腐蚀 酸型 腐蚀 碳酸型腐蚀 结晶分解复合类腐蚀
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二、结构面
岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗 拉强度。
主要指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等。
原生结构面：岩石形成过程中产生的 构造结构面：地壳运动引起岩石变形破坏形成的破 裂面 次生结构面：地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀
按 成 因 分 为
等作用形成的不连续界面
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6.2 洞室围岩变形及破坏的主要类型
围岩稳定性影响因素： 岩石及岩体的物理力学性质 岩体结构特征 结构面性状 含水状况 地应力状态 工程类型 工程尺寸 施工方法
地质因素
工程因素
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• 6.2.1 围岩应力的变化规律
卸荷回弹：地下洞室开挖后，原有地应力平衡状
态被破坏，岩体内各质点沿最短距离
上一章回顾
概念：崩塌、落石、滑坡、泥石流、岩溶水、地震、
震源、震中、震中距、地震震级、地震烈度 崩塌落石的影响因素 滑坡的形成条件和影响因素 泥石流形成的三个基本条件 岩溶的形成的四个基本条件 地震按成因分类
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第六章 地下工Baidu Nhomakorabea地质问题
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6.1 岩体及地应力的概念
沉积结构面：层理、层面、软弱夹层
原生结构面： 火成结构面：冷缩节理、侵入接触面
变质结构面：片理面
构造结构面： 构造节理、断层 次生结构面：风化节理、卸荷节理、爆破节理、
不整合接触面等
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三、结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体。 影响因素：结构面组数、密度、产状、长度
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围岩工程分级法 连续介质力学计算法 理论计算法 极限平衡分析法 散体围岩温度计算法 不受结构面控制时
受结构面控制时
图解法
模型试验法
赤平极射投影 数值模型模拟法 物理模型试验法 光测弹性模型试验法 相似材料模型试验法 离心模型试验法
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本章小结
概念：岩体，结构面，结构体，地应力，围岩
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• 6.1.3 地应力的概念
地 应 力：地壳岩体处在未经人为扰动的天然状态下所 具有的内应力，也称为初始应力或天然应力。
类
围
型：
主要：自重应力、构造应力 次要：地下水压力、低温应力、结晶应力等
岩：工程开挖后，应力变化范围内的岩体。
二次应力：工程开挖后，使一定范围内岩体中的应力
受到扰动而重新分布。又叫二次重分布应
力或围岩应力。
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• 地应力分布规律
（1）地壳浅层：水平应力大于垂直应力
（2）地壳深层：水平应力约等于垂直应力
（3）水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力 （4）垂直应力 v 与水平应力 H 的关系：
v H H v v 1
在岩土工程，地应力有十分重要的意义。
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3. 张裂塌落：拱顶张应力超过岩石抗拉强度，引起岩 石破裂，导至洞顶塌落的现象。 4. 劈裂剥落：切向应力导至洞室周边岩石形成平行
洞壁的密集破裂，并产生剥落的现象。
5.弯折内鼓：径向应力挤压薄层围岩，使之向洞内弯 折内鼓，甚至坍倒的现象。
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6. 岩
爆：在高应力地区，洞室开挖后，围岩因弹 性应变能突然释放而发生的岩石弹射或
2. 塑流涌出：当开挖饱水断层破碎带时，松
散物质常形成碎屑流涌出。
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6.3 地下洞室特殊地质问题
• 6.3.1 突水突泥
——隧道开挖过程中，突然产生大量的水或泥涌入 隧道的现象。 开 挖 洞 室：遇相互贯通又富含水的节理、断层破碎带， 蓄水洞穴或地下暗河等，可能产生突水。
已开挖洞室：与地面有贯通裂缝，暴雨时可能产生突水。
• 6.1.1 岩体的概念
一、岩体
广义岩体：岩石块体自然组成的“岩石结构物”。具有
不连续性、非均质性和各向异性的特点。 工程岩体：与工程建筑物应力影响范围内的那部分岩体。
河北科技大学
地基岩体 岩体按工程性质分为 边坡岩体 洞室岩体
岩石的工程性质影响因素：矿物成分、结构和构造
岩体的工程性质影响因素：岩石，结构面的性质
围岩稳定性评价：根据不同的岩体结构、不同的受力性质，
简化成不同的力学模型，应用相应的分析 评价方法，研究围岩的变形破坏过程。
河北科技大学
• 几个概念
围岩压力：围岩作用在支护上的压力，是确定衬
砌设计荷载大小的依据。
松动压力：由于开挖造成围岩松动而可能塌落的岩体，
以重力形式直接作用在支护上的压力。
变形压力：围岩变形受到支护限制后，围岩对支护形成 的压力。 膨胀压力：围岩吸水后，岩体发生膨胀崩解而引起围岩 体积膨胀变形对支护形成的压力。
• 6.1.2 岩体结构的概念
岩体结构：岩体中结构面和结构体的组合关系。
岩体结构类型：岩体中结构面和结构体的组合形式。
• 岩体破坏情况
硬岩：脆性破坏，主要是沿结构面变形破坏。 软岩：塑性破坏，主要是整体强度不足而破坏。
岩体变形的显著特点：各向异性。
E E
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洞室围岩应力变化规律随洞室形状和侧压力系数变化。
2
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a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 8a
o
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• 6.2.2 洞室围岩变形和破坏的主要类型
一、岩质围岩变形和破坏的主要类型
1. 错动松弛：在多组结构面发育的硬岩岩体，当洞室
开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服 强度，围岩就会沿已有的多组节理发生 剪切错动而松动，在洞室周边的围岩中 形成一个松动圈。 2. 剪切滑移：指围岩当结构面上剪应力超过抗剪强度 而产生的沿结构面剪切滑移。