第10章地下洞室的勘察与评价

K0

1
岩石泊松比：0.2~0.3。
② 构造应力
构造应力：在各种地壳构造运动作用力的影响下, 地壳中所产生的应力 。 高应力引起岩爆、隧道偏压
围岩应力 1. 三种初始应力场
距地表较浅的岩体且 存在大量地表裂隙的 情况。
没有经历构造运动 作用的较深部岩体。
很深的岩体
2. 圆形洞室 围岩应力计算简图
Rc

22.82
ຫໍສະໝຸດ Baidu
I
0.75 s ( 50 )
RC与定性划分的岩石坚硬程度的对应关系 表3.4.2
Rc（MPa） ＞60 坚硬程度 坚硬岩
60～30 30～15 较坚硬岩 较软岩
15～5 软岩
＜5 极软岩
② 岩体完整程度的定量指标，应采用岩体完整性指 数 Kv ，Kv 应采用实测值。当无条件取得实测值时， 也可用岩体体积节理数 Jv ，按表3.4.3确定对应的 Kv 值。
层面
结构
1～2 ＞1.0 较完整
2～3 1.0～0.4
结合差
结合好或 结合一般
块状或厚层状结构 节理、裂隙、
层面
块状结构
2～3 较破碎
≥3
1.0～0.4 0.4～0.2
结合差
结合好 结合一般
裂隙块状或中厚层
节理、裂隙、状结构
层面、小断 层
镶嵌碎裂结构
中、薄层状结构
破 碎 ≥3
0.4～0.2 ≤0.2
松动解脱 碎裂结构岩体在泥质软弱结构面含量较少的情况
下有一定的承载压力的能力，但是在张力、单轴压力 及振动力作用下容易松动，解脱成为碎块散开或脱落。 工程中洞顶表现为崩塌，而在边墙则为碎块滑塌、坍 塌。
比如压碎岩带，如果挤压很紧，而且有的胶结良 好，无泥质物充填，施工起来很是顺利。
相反，如果节理裂隙间有较多泥质充填，裂隙张 开，岩石松动，则塌方的可能性就比较大，尤其是在 地下水及震动力作用下较易失稳。
较完整 较破碎 破碎
极破碎
3. 确定基本质量等级
岩体基本质量分级，应根据岩体基本质量的定性 特征和岩体基本质量指标（BQ）两者相结合，按表 4.1.1 确定。
岩体基本质量分级
表4.1.1
基本质 量级别
岩体基本质量的定性特征
Ⅰ 坚硬岩，岩体完整
Ⅱ
坚硬岩，岩体较完整； 较坚硬岩，岩体完整
岩体基本质 量指标(BQ)
手，难击碎；
硬 浸水后，大多无吸水反应
硬 质岩
岩
较 坚 硬 岩
锤击声较清脆，有轻微回 弹，稍震手，较难击碎； 浸水后，有轻微吸水反应
末风化～微风化的； 花岗岩、正长岩、闪长岩、辉绿岩、玄武岩 、安山岩、片麻岩、石英片岩、硅质板岩、 石英岩、硅质胶结的砾岩、石英砂岩、硅质 石灰岩等
1.弱风化的坚硬岩； 2.未风化～微风化的： 熔结凝灰岩、大理岩、板岩、白云岩、石灰 岩、钙质胶结的砂岩等
pi

c cot
[ccot

p0
(1

sin

)](
r0 R
)
N
1
卡柯公式（考虑岩石自重）
pa

c cot

c cot ( r0 ) N 1
R

r0
N
[1 ( r0 ) N 2 ] 2R
3. 地质分析法
p T (N tani c jl)
10.2 围岩的变形和破坏形式
初始应力 岩体中的初始应力状态是相当复杂的，要受到地
质构造、岩性、地形地貌等多种因素的影响。初始应 力可以划分为自重应力场和构造应力场。
① 自重应力
大量的实测地应力资料表明，对于未经受构造作 用，产状较为平缓的岩层，其应力状态十分接近于由 弹性理论所确定的应力状态。
z Z
x y K 0 Z
采用弹性力学中有孔板在周围外荷载作用下的公式
式中没有弹性模量和泊松比，包含 r0 。 r
洞室边界附近切向应力产生集中现象
3. 其他洞室
山岩压力
一般地，由于岩体隧洞内的变形作用于支护或 衬砌上的压力称为变形压力，岩体因破坏而松动作 用于支护或衬砌上的压力称为松动压力。
1. 压力拱理论
工程实践和模型试验的结果表明，洞顶坍落并 不是没有止境的，当坍落进行到一定程度后，由岩 块组成的上部围岩体可以处于新的平衡状态，称为 自然平衡拱（压力拱）。而实际地下洞室的施工并 不等待自然平衡拱形成后才浇筑衬砌，所以作用于 衬砌上的垂直山岩压力就可以认为是压力拱与衬砌 之间岩石的重量。压力拱的形状成为计算山岩压力 的关键。
结合差
结合一般 或结合差
各种类型 结构面
裂隙块状结构 碎裂结构
极破碎 无序
结合很差
散体状结构
注：平均间距指主要结构面（1～2组）间距的平均值。
名称 结合好 结合好
结合一般
结合差 结合很差
结构面结合程度的划分
表3.3.2
结构面特征
张开度小于1mm，无充填物；
张开度1～3mm，为硅质或铁质胶结； 张开度大于3mm，结构面粗糙，为硅质胶结
张开度1～3mm，为钙质或泥质胶结； 张开度大于3mm，结构面粗糙，为铁质或钙质胶结
张开度1～3mm，结构面平直，为泥质或泥质和钙质胶 结； 张开度大于3mm，多为泥质或岩屑充填
泥质充填或泥夹岩屑充填，充填物厚度大于起伏差
2. 定量指标及两者的对应关系
① 岩石坚硬程度的定量指标，应采用岩石单轴饱 和抗压强度 Rc ，Rc 应采用实用测值。当无条件取得 实测值时，也可采用实测的岩石点荷载强度指数 IS（50） 的算值，并按下式换算：
极 锤击声哑，无回弹，有较 软 深凹痕，手可捏碎； 岩 浸水后，可捏成团
1.全风化的各种岩石； 2.各种半成岩
名称 未风化 微风化 弱风化 强风化 全风化
岩石风化程度的划分
表3.2.2
风化特征
结构构造未变，岩质新鲜
结构构造、矿物色泽基本未变，部分裂隙面 有铁锰质渲染
结构构造部分破坏，矿物色泽较明显变化， 裂隙面出现风化矿物或存在风化夹层
岩土工程勘察岩体的破坏形式表
脆性破坏
整体状结构及块状结构岩体，在一般开挖条件下 表现稳定，仅产生局部掉块，但在高应力地区，洞周 应力集中可引起岩爆，属于脆性破坏，岩石成为碎片 射出可发出破裂响声。
块体运动
当块状或层状岩体受明显的少数软弱结构面切割， 形成块体或数量有限的块体时，这种块体和围岩的联 系很弱，在自重力和围岩应力的作用下有向临空面运 动的趋势，逐渐形成块体运动失稳方式：块体塌 落、滑动和转动、倾倒以及块体挤出等
《工程岩体分级标准》(GB50218-94)采用定性与定 量相结合的方法，分两步确定岩体级别，先确定岩体基 本质量，再结合具体工程特点确定岩体级别。
1. 定性分析 定性分析中岩体的基本质量指标由岩石坚硬程
度和岩体完整性两个因素来确定。
名称
定岩石性坚鉴硬定程度的定性划分
代表表性3.2岩.1石
坚 锤击声清脆，有回弹，震
全部极软岩及全部极破碎岩
≤250
岩体基本质量指标（BQ），应根据分级因素的 定量指标 Rc 的兆帕数值和 Kv，按下式计算：
BQ＝90＋3Rc＋250Kv
注：使用上式时，应遵守下列限制条件： ①当Rc＞90Kv＋30时，应以Rc＝90Kv＋30和Kv代入 计算BQ值。 ②当Kv＞0.04Rc＋0.4时，应以Kv＝0.04Rc＋0.4和Rc 代入计算BQ值。
4. 修正 当存在地下水、围岩处于高初始应力状态及岩体
稳定性受软弱结构面影响且由一组起控制作用时，岩 体基本质量指标按下式进行修正：
[BQ]＝BQ－100（K1＋K2＋K3） 式中 [BQ]-岩体基本质量指标修正值；
BQ-岩体基本质量指标； K1-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； K3-初始应力状态影响修正系数。 其中K1、K2、K3值，可分别按表D.0.1-1、D.0.1-2、 D.0.1－3确定。无表中所列表情况时，修正系数取零。 [BQ]出现负值时，应按特殊问题处理。
＞550
550～451
坚硬岩，岩体较破碎； Ⅲ 较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；
较软岩，岩体完整
450～351
坚硬岩，岩体破碎； 较坚硬岩，岩体较破碎～破碎； Ⅳ 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主， 岩体较完整～较破碎； 软岩，岩体完整～较完整
350～251
较软岩，岩体破碎； Ⅴ 软岩，岩体较破碎～破碎；
Jv与Kv对照表
表3.4.3
Jv（条／m3） ＜3 3～10
10～20 20～35 ＞35
Kv
＞0.75 0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
Kv与定性划分的岩体完整程度的对应关系 表3.4.4
Kv
＞0.75
完整程度 完整
0.75～0.55 0.55～0.35 0.35～0.15 ＜0.15
第10章 地下洞室的勘察与评价
10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力 10.2 围岩的变形和破坏形式 10.3 围岩分类 10.4 地下洞室稳定性评价 10.5 地下洞室位址和方向的选择 10.6 地下采空区 10.7 地下洞室的勘察要点
地下洞室：埋置于地下岩土体内的各种构筑物。 地下洞室的开挖引起的问题： 1应力状态的变化 会引起不同程度的变形甚至破坏。 2地下洞室围岩的变形对周围环境的影响。
地下水影响修正系数K1
K1 地下水出水状态
BQ ＞450
潮湿或点滴状出水
0
淋雨状或涌流状出水，水压 ≤0.1MPa或单位出水量≤10L／ 0.1
min·m
淋雨状或涌流状出水，水压＞ 0.1MPa或单位出水量＞10L／ 0.2
min·m
塑性变形和剪切破坏
松散结构岩体或碎裂结构岩体中含软弱结构面较 多的情况下，在开挖临空及围岩应力作用下产生塑性 变形及剪切破坏，往往表现为塌方、边墙挤入洞内、 底鼓以及洞体收缩等。
10.3 围岩分类
围岩分级
围岩分级的目的是： ①作为选择施工方法的依据； ②进行科学管理及正确评价经济效益； ③确定结构上的荷载(松散荷载)； ④给出衬砌结构的类型及其尺寸； ⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。
结构构造大部分破坏，矿物色泽明显变化， 长石、云母等多风化成次生矿物
结构构造全部破坏，矿物成分除石英外，大 部分风化成土状
岩体完整程度的定性划分
表3.3.1
名称 完整
结构面发育程度 主要结构面 组数 平均间距(m) 的结合程度
1～2 ＞1.0
结合好或 结合一般
主要结构面 类型
相应结构类型
节理、裂隙、整体状或巨厚层状
锦屏二级水电站超长引水隧洞
10.1 初始应力、围岩应力和山岩应力 初始应力：地下洞室施工前就已经存在于岩体中的应力。
围岩：应力重分布所波及的岩石。 围岩应力：围岩中重新分布后的地应力。 山岩压力：围岩作用于支护结构上的力。
初始应力是山岩压力的基础，是力的来源。围岩 应力既取决于初始应力，又取决于洞体的形态、规模 以及岩体的结构与特性。山岩压力来自围岩压力，但 围岩应力要转化为山岩压力，必须通过岩体结构失稳 的变形、破坏来实现。围岩应力与岩体特性的矛盾决 定了山岩压力的大小和特征。
较 锤击声不清脆，无回弹， 软 较易击碎； 岩 浸水后，指甲可刻出印痕
软 质 软 锤击声哑，无回弹，有凹 岩 痕，易击碎；
岩 浸水后，手可掰开
1.强风化的坚硬岩； 2.弱风化的较坚硬岩； 3.未风化～微风化的： 凝灰岩、千枚岩、砂质泥岩、泥灰岩、泥质 砂岩、粉砂岩、页岩等
1.强风化的坚硬岩； 2.弱风化～强风化的较坚硬岩； 3.弱风化的较软岩； 4.未风化的泥岩等
的山岩压力呈梯形分布
压力拱理论要求洞室上方的岩石能够形成自然 平衡拱，因此要求洞室上方有足够厚度且相当稳定 的岩体，对于洞室埋藏浅、围岩为粉砂或饱和软黏 土等情况不能应用压力拱理论。
2. 弹塑性理论 围岩内的弹塑性应力分布
洞室开挖后，随着塑性松动圈的扩展，对支护 产生的压力用下式计算：
芬那公式（未考虑岩石自重）
弯曲折断破坏
弯曲折断破坏是 层状，尤其是夹软弱 夹层的互层岩体所特 有的，但是在大型地 下工程中受一组很发 育的结构面所构成的 似层状岩体也可产生 类似的条块状的折断 和倒塌。
巷道
围岩是泥盆系石英砂岩及 板岩互层，开挖中拱脚以 上塌落，形成超挖，成为 平板顶。
洞顶的岩层受到力作用下沉弯曲，进而开裂、折 断，形成塌落体；侧墙可能发生弯曲倾倒破坏或弯曲 鼓出破坏。
通常采用普罗托奇耶可诺夫的压力拱理论，简 称为普氏压力拱理论。该理论将洞室周围的岩石看 作是没有黏聚力的散粒体，计算出洞室上方任何一 点的垂直压力为：
q (h y) b2 x 2
f k b2 f k
1o 砂土及松散材料 fK tg
岩石坚固性系数
2o 整体性岩石 f K Rc / 10 侧向山岩压力采用朗肯土压力公式计算，两侧