第7章 地下工程地质问题

§7.1
岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.2结构面
结构面是指岩体中的不连续界面，通常没有或 只有较低的抗拉强度。
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结构面是指岩体中的各种破裂面、夹层、充填 矿脉等，如岩层层面、层理、片理、软弱夹层、节 理、断层、不整合接触面等。 结构面按成因可分为原生结构面、构造结构面 以及次生结构面。
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§7.1
岩体及岩体结构
7.1.3地应力基本概念
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地应力也称天然应力、原岩应力、初始应力、一 次应力，是指存在于地壳岩体中的Baidu Nhomakorabea力。由于工程开 挖，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布， 这种应力则称为二次应力或扰动应力，在地下工程中 称围岩应力。
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地应力按作用方向可分为水平应力与垂直应力， 水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力。 依据埋深不同地应力的分布存在以下规律：地壳浅层 部位有水平应力大于垂直应力；地壳深层部位有水平 应力约等于垂直应力。
§7.2 地下洞室变形及破坏类型
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岩体通常情况下破坏类型可分为以下两种， 一是硬岩情况下，岩体破坏主要沿结构面剪切 破坏；二是软岩情况下，岩体破坏主要是整体 强度不足而破坏。
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在土木工程中，将地下洞室开挖后洞室周 围应力发生重分布范围内的岩体称为围岩。应 力发生重分布后的应力称为围岩应力或二次应 力。围岩应力引起的变形与破坏，主要指相对 较完整岩体在围岩应力为主作用下产生的变形 和破坏。
§7.1
岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.2结构面
1.原生结构面：指岩石形成过程中产生的结构面。又 可分为沉积结构面、火成结构面和变质结构面。
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2.构造结构面：指地壳运动引起岩石变形破坏形成的 破裂面。如构造节理、断层、破劈理等。
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3.次生结构面：指地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥 蚀等作用形成的不连续界面。如风化裂隙、卸荷裂 隙、爆破裂隙、泥化夹层、不整合接触面等。
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§7.1
岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.1岩体
岩石的工程性质主要取决于组成它的矿物成分、 结构和构造；而岩体的工程性质不仅取决于组成它 的岩石自身工程性质，更重要的是取决于其结构面 的性质。
图7.1 二滩电站右坝肩岩体结构示意图
a—软弱岩体；b—断层；c—节理网络
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§7.2 地下洞室变形及破坏类型
7.2.1围岩应力的变化规律
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地下洞室开挖使围岩内主应力产生强烈分异现象， 愈接近临空面，应力差值愈大，到洞室周边达最大值。 因此，在围岩范围内，洞室周边为最不利应力条件。 洞室开挖后，只要洞壁各点的应力值均未超过岩体强 度，则整个围岩是稳定的；相反，围岩则产生变形或 破坏。并且，任何围岩的变形或破坏必将首先从洞室 周边开始，然后沿半径方向向岩体内部发展。
因此，研究洞室周边应力，对评价围岩稳定性有 十分重要的意义。
§7.2 地下洞室变形及破坏类型
7.2.1围岩应力的变化规律
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洞室周边围岩应力的变化规律主要随洞室形状和 侧压力系数（N=σh/σv）而变化。
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纽约联邦储备银行的地下金库，地下5层深达海平面以下15米
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地下工业贮藏设施（油库）
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城市地下共同沟（东京）
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城市地下人防工程
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危险源地下工厂
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地铁车站（北京地铁1号线王府井站站厅层）
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地铁区间隧道
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山岭隧道
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岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.3结构体
岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体称 为结构体。受结构面组数、密度、产状、长度等影 响，结构体可以形成各种形状。 常见结构体有块状、柱状、板状、锥状、楔形 体、菱面体等。结构体形状、大小、产状和所处位 置不同，对工程稳定性影响差别很大。 当结构体形状、大小、产状都相同，在工程不 同位置处，其稳定性也不相同。
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地下工程是与地质条件关系密切的工程建 筑。地下工程位于地表下一定深度，修建在各 种不同地质条件的岩（土）体内，所遇到的工 程地质问题十分复杂。 从工程实践来看，地下工程的工程地质问 题是围绕着工程岩（土）体的稳定而出现的。 因此，研究地下工程围岩稳定性的主要影 响因素，如岩体的物理力学性质、结构状态及 结构面特征、地应力和含水情况等，预测可能 发生的地质灾害并采取相应防治措施，是地下 工程建设中非常重要的一个环节。
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岩体及岩体结构
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7.1.3地应力基本概念 洞室围岩的变形与破坏程度，一方面取决于地 下天然应力、重分布应力及附加应力；另一方面与 岩土体的结构及其工程地质性质密切相关。 地下洞室开挖后地下形成了自由空间，原来处 于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间松 胀变形；这种变形大小超过了围岩所能承受的能力， 便发生破坏，从母岩中分离、脱落，导致坍塌、滑 动、隆破和岩爆等。 岩土工程中，特别是地下工程建设中，地应力 有十分重要的意义。在高应力地区修筑的隧道及地 下洞室中，常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软弱岩 层中的流变现象，给工程施工带来危害。
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软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。
§7.1
岩体及岩体结构
7.1.2岩体结构基本概念
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岩体变形的另一个显著特点是各向异性。当结构 面发育时，受结构面控制的岩体各方向上的变形和强 度有较大区别。通常垂直结构面方向的变形大于平行 结构面方向的变形，垂直结构面方向的变形模量E⊥小 于平行结构面方向的变形模量E∥，垂直结构面方向的 抗压强度σ⊥大于平行结构面方向的抗压强度σ∥。 岩体按结构类型分类仅为第一级分类，在此基础 上还必须进一步研究不同结构类型岩体的变形和强度 特征，结合不同工程类型，对岩体质量进行定量化综 合评价和岩体工程分级（即围岩工程分级），才能在 设计与施工中较方便地应用。
§7.2 地下洞室变形及破坏类型
7.2.1围岩应力的变化规律
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地下洞室开挖后，破坏了岩体中原有的地应力平 衡状态，岩体内各质点在回弹应力作用下，力图沿最 短距离向消除了阻力的临空面方向移动，直到达到新 的平衡，这种位移现象称为卸荷回弹。
随着岩体质点的位移，岩体内一些方向上的质点 由原来的紧密状态逐渐松胀。另一些方向上的质点反 而挤压程度更大，岩体应力的大小和主应力方向也随 之发生变化。这种岩体应力变化，一般发生在地下洞 室横剖面最大尺寸的3~5倍范围内。在此范围外，岩 体依然处于原来的地应力状态。
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岩体及岩体结构
7.1.3地应力基本概念
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从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：
1.在浅部岩层，地应力垂直分量σv值接近于岩体自重 应力；大约3/4实测资料表明，水平分量σh大于垂直分 量σv。 2.在深部岩层，如1㎞以下，两者渐趋一致，甚至σV大 于σh。 3.水平分量σh有各向异性。中国华北地区实测结果表 明比值σhmin/σhmax=0.19～0.27的占17%，比值为 0.43～0.64的占60%，比值为0.66～0.78的约占20%。
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岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.2结构面
一般情况下，结构面在岩体中是力学强度相对 薄弱的部位。因此，岩体的力学性质及岩体的稳定 性，很大程度上取决于岩体中结构面的工程性质。 结构面工程性质的影响因素主要有结构面的类 型、组数、密度、产状、结构面粗糙度和结构面壁 强度、结构面长度、张开度、充填物性质及厚度、 含水情况等。
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随着我国经济的高速发展，有限的土地资源成为很 多地区发展的瓶颈。21世纪是地下工程开发利用的世 纪，为了能适应高速发展的经济，我们在平面发展空 间不足的情况下，优先想到了向空中与地下要空间， 尤其是地下空间的利用，具有很多优点与可操作性。 因此，地下工程将会是近几年的热点关注所在。 地下工程是与地质条件关系最为密切的工程建筑。 不同于地面工程，地下工程位于地表以下一定深度， 受周围岩土体的影响更为明显。因此这些岩土体的工 程地质特性对地下工程的影响更为直接。修建于各种 不同地质条件的岩土体内，所遭遇的工程地质问题比 较复杂。本章将对地下工程中常见地质问题进行讲解。
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岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合关
系，其组合形式称为岩体结构类型。不同结构类型 的岩体，其力学性质有明显差别。
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不同结构类型岩体的力学性质有明显差别。由 于不同岩体结构类型具有不同的工程地质及水文地 质特征，其岩体变形与破坏机制、应力传播规律、 地下水渗透性等都各不相同，导致其变形和强度也 各不相同。
§7.1
岩体及岩体结构
7.1.2岩体结构基本概念
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一般情况下，硬岩岩体主要为脆性破坏，软岩岩体主要 为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度远高于软岩岩体。
通常，在硬岩岩体中，结构面力学强度大大低于结构体 力学强度，因此，硬岩岩体的变性破坏首先是从沿结构面的 变形破坏，岩体工程性质主要取决于结构面的工程性质。在 软岩岩体中，因结构体力学强度较低，有时与结构面强度相 差无几，甚至低于结构面强度，因此，软岩岩体的工程性质 常常取决于结构体的工程性质。 综上所述，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，
7 地下工程地质问题
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7.1 岩体及岩体结构 7.2 地下洞室变形及破坏类型
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7.3 保证洞室围岩稳定的工程措施
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◎ 习题与思考题
§7.1
岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.1岩体
岩体的概念包含以下两个层次，一是从地质观 点出发的广义岩体，是指在地质历史时期由各种岩 石块体自然组合而成的“岩石结构物”，具有不连 续性、非均质性及各向异性等特点；
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在岩（土）体内，为各种目的经人工 形成的地下建筑物称为地下工程，其中经 人工开凿形成的地下空间称为地下洞室， 包括各种地下厂房、附建式地下结构及隧 道等。 随着科学技术的进步和建设事业的发 展，大型工业、企业以及市政设施的地下 工程系统日益增多，在水利水电、交通运 输、矿山开采、城市建设以及军事工程、 人防工程等方面出现了大量的、规模巨大 的地下工程。
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§7.1
岩体及岩体结构
7.1.3地应力基本概念
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从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：
4.最大主应力在平坦地区或深层，受构造方向控制， 而在山区则和地形有关，在浅层往往平行于山坡方向。
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5.由于多数岩体都经历过多次地质构造运动，且组成 岩石的各种矿物的物理力学性质也不相同，因而地应 力中的一部份以“封闭”或“冻结”状态存在于岩石 中。
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岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.3结构体
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图7.2 拱顶中心岩块A所处位置不同对地下洞室稳定性影响差异
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岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.3结构体
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图7.3 水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异
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岩体及岩体结构
7.1.2岩体结构基本概念
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二是从工程观点出发的工程岩体，是指与工程 建筑物有关的那一部分岩体，即地下洞室开挖后影 响范围内的岩体，该部分岩体在地下洞室开挖后发 生了应力重分布。
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岩体及岩体结构
7.1.1岩体基本概念
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7.1.1.1岩体
岩石是矿物的自然集合体，是相对完整的块体。 而岩体则是由这些相对完整的块体自然组合而成， 岩体中各个岩块被不连续界面所分割，这些不连续 界面被称为岩体的结构面，岩石块体被称为岩体的 结构体，结构面与结构体的组合成为岩体。 按工程性质不同，把岩体分为地基岩体、边坡 岩体和洞室岩体。本章主要介绍洞室岩体。
工程地质学
主编 张士彩
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7 地下工程地质问题
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内容提要
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本章主要内容包括岩体结构及地应力的基本概念、地下 洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制、保证洞室围岩稳定 的工程措施等。本章教学重点为地下洞室变形及破坏的类型， 教学难点为保证洞室围岩稳定的各种工程措施。
能力要求
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通过本章的学习，学生应达到如下能力： （1）掌握岩体及岩体结构的基本概念、地应力的基本概念。 （2）理解地下洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制。 （3）了解保证洞室围岩稳定的工程措施。 （4）能够达到灵活运用所学理论知识以解决工程中遇到的 实际问题的能力。