第六章 地下工程地质问题

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一. 突水突泥: 突水突泥是指隧道开挖过程中,突然产生大量的水或泥涌入隧 道的现象。地下洞室中,地下水影响可归纳为以下几个方面: 1.以静水压力的形式作用于同室衬砌。 2.使岩石和结构面软化,使其强度降低。 3.促使围岩中的软弱夹层泥化,减少层间阻力,造成岩体易于 滑动。 4.石膏、岩盐及某些以蒙脱石为主的粘土岩类,在地下水的作 用下将易发生剧烈的溶解或膨胀。随着膨胀的产生,将会出 现附加的山岩压力。 5.含水层由于大量地下水的流出,在动水压力作用下,将出现 流砂及渗透变形。 6.如地下水的化学成分中含有害化合物(硫酸、侵蚀性二氧化 碳、硫化氢、亚硫酸)时。对衬砌将产生侵蚀作用。 7.最为不利的影响是发生突然的大量突水突泥。这种突然突水 突泥常造成停工和人身伤亡事故。
第六章 地下工程地质问题
第一节
岩体、岩体结构及地应力的概念
一. 岩体及岩体结构的概念 然组成的“岩石结构物 ”。 广义岩体:岩石块体自 1. 岩体:
具有不连续性、 非均质性和各向异性的 特点。 物有关的那一部分岩体 。 工程岩体:与工程建筑 (应力影响范围内)
边坡岩体
Jn值 0.5~1 2 3 4
A 整体的,没有或很少有节理 B 1组节理 C 1~2组节理 D 2组节理
E 2~3组节理
F 3组节理 G 3~4组节理 H 4~5组节理,具大量的节理,岩石被多组切割成方块 J 压碎岩石,似土类岩石
6
9 12 15 20
3. 节 理 面 粗 糙 情 况 (a)节理面直接接触 壁接触 A 不连续的节理 (b)剪切时当剪切变形<10cm,岩
中等 不良 10~ 4 4~ 1
坏 1.0~ 0.1
极坏 0.1~ 0.01
特别坏 0.01~ 0.001
1.岩石质量指标
RQD
备注
A 坏的
B 不良 C 中等 D 良好 E 优良 2. 节 理 发 育 情 况
0~25
25~50 50~75 75~90 90~100
(1)当调查或量测的RQD≤10(包 括0)时,用以代入公式计算Q 值时,可采用标称值10 (2)RQD每级差用5,即100、95、 90已有足够精度
二次应力在围岩中形成的塑性圈
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
2. 直墙圆拱型洞室:
侧压力系数较低 H = v 侧压力系数较高
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
(二)围岩应力引起的变形和破坏类型
1. 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。 2. 劈裂剥落: 切向应力导至洞室 周边岩石形成平行
岩石坚硬程度分类 坚硬程度 饱和单轴抗压 强度 (MPa) 坚硬 岩 fr>60 较坚硬岩 60≥fr> 30 较软岩 30≥fr> 15 软岩 15≥fr >5 极软岩 fr <5
注:当岩体完整程度为极破碎时,可不进行坚硬程度分类
岩体完整性程度分类 完整程度 完整 较完整 0.75~ 0.55 较破碎 0.55~ 0.35 破碎 0.35~ 0.15 极破碎

<2.5
高岩爆活动,有很强的爆裂声
注:fr—岩石单轴抗压强度:σ1-地应力的最大主应力。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
6. 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。 7. 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。
第三节 地下洞室特殊地质问题
造成地下洞室大量突水的条件是:
①洞室通过溶洞发育的石灰岩地段,尤其是遇到蓄水洞穴或 地下暗河系统时,可能有大量的突水,其突水量可达几百至几千 吨/小时。 ②洞室通过厚层的含水砂砾石层,突水量可达几百吨/小时。
③遇到富水的断层破碎带,特别是它又与地表水连通时,也 会发生大量的突水,突水量一般也在几十至几百吨/小时。
洞室岩体
地基岩体
2. 结构面:岩体中的力学性质不连续界面。
按成因分为:
状节理 火成结构面:玄武岩柱 面、软弱夹层 沉积结构面:层理、层 原生结构面: 变质结构面:片理 、断层 构造结构面:构造节理 、卸荷裂隙、爆破裂隙 次生结构面:风化裂隙
3. 结构体:岩体中被结构面切割而成的岩石块体。
4. 岩体结构及类型 (1)岩体结构:岩体中结构面与结构体的组合关系 (2)岩体结构类型:岩体中结构面与结构体的组合形式 岩体结构分类(岩土工程勘察规范GB 50021—
2001):
整体结来自百度文库 块状结构 层状结构 碎裂状结构 散体状结构
整体块状结构岩体
整体块状结构岩体
整体块状结构岩体
硬岩石中 发生在高应力地区的坚 岩爆时,尚伴有声音 ,应力调整阶段、岩爆 阶段 岩爆过程分为启裂阶段 岩爆发生的临界深度为 200m
岩爆分级 Ⅰ
fr / i
>14.5


无岩爆发生、也无声发射现象


14.5~5.5 低岩爆活动,有轻微声发射现象
5.5~2.3 中等岩爆活动,有较强的爆裂声
1 %,不准装药放炮。 瓦斯浓度大于 施工要求: 2%,工作人员撤离现场 。 瓦斯浓度大于
常温、常压下各种易爆炸气体与空气合成的混合物的爆炸界限值
气体名称 甲烷(沼气) 氢气 乙烷 爆炸限度含量 5%~16% 4.1%~74% 3.2%~12.5% 气体名称 一氧化碳 乙烯 苯 爆炸限度含量 12.5%~74% 3% 1.1%~5.8%
第三节 地下洞室特殊地质问题
T=T0 ( H h)G (三)地温:
0.05 k
G=1℃/33m≈ ℃∕m (四)瓦斯:(以甲烷为主的有害气体的总称,主要发生 在含煤地层) 5-6%;能在高温下燃烧 瓦斯浓度小于 危害条件: 5 ~ 6%- 14 ~ 16%;易爆炸。 瓦斯浓度为 (特别是含量为 8%时) 瓦斯浓度为 42 ~ 57%时,易使人窒息。
垂直层状结构岩体
水平层状结构岩体
镶嵌状结构岩体
散体状结构岩体
5. 岩体破坏情况:
切破坏 硬岩:主要沿结构面剪 不足而破坏 软岩:主要是整体强度
硬岩岩体沿结构面的剪切破坏
① ② ③ ④
岩体变形的各向异性: 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//。
隧道变型破坏
二. 围岩构造控制的变形与破坏
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。
v
H
v
H
H
v
三. 松散围岩的变形与破坏:
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。
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。
第三节 地下洞室特殊地质问题
第三节 地下洞室特殊地质问题
2. 腐蚀严重程度:
无腐蚀 弱腐蚀 局部砂浆剥落 中等腐蚀 局部骨料外露 强腐蚀 局部呈豆腐碴状,深度 达20cm以上
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 残体的冲积层 我国东南沿海有红树林 土 我国长江以南的酸性红 含硫矿床的地下水层 场、堆煤场等地的地下 水层 冶炼厂、化工厂、废渣
式中:Q —— RQD —— Jn —— Jr —— Ja —— Jw —— SRF ——
岩体分类 岩石质量指标(%) 节理组数影响系数 节理面粗糙度系数 节理面蚀变系数 节理水影响系数 地应力影响系数
1. 岩体基本质量分级(GB50021-2001)
目前国内外岩土工程勘察规范中,普通采用岩体基
本质量分级。根据我国2002年颁布实行《岩土工程勘察
第四节 围岩的工程地质分类及其应用
一、围岩分级:
标《工程岩体分级标准 》(GB50021 -2001 ) 岩体基本质量分级:国 RQD J r J w N .Barton岩体分类:Q= J J n a SRF 铁路隧道围岩分级
垂直应力与水平应力对隧道的破坏
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
隧道掌子面
隧道掌子面开挖
隧道盾构施工
隧道衬砌施工
建好的地下厂房(二滩电站)
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
一. 围岩应力引起的变形与破坏 1. 围 岩:工程开挖后,应力变化范围内的岩体。 2. 二次应力:工程开挖后,岩体中一定范围内原始应力 发生变化,其改变后重新分布的应力叫二 次应力。又叫重分布应力或围岩应力。 (一) 围岩应力变化规律 1. 圆形洞室:
④洞室通过节理发育的背斜、向斜轴部,当其富水时。 从已有资料来看,造成突水的多是有丰富的地表水,沿着 溶洞、暗河或断层破碎带以及节理发育的背斜、向斜轴部等良好 通道进入地下洞室通过部位,形成局部富水区,当洞室开挖时便 突然产生大量突水。
第三节 地下洞室特殊地质问题
(二)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 此外:还有冰劈作用 一般酸型腐蚀 分解类腐蚀: 碳酸型腐蚀 结晶分解复合类腐蚀
JN:节理组数(直接量测) JR:节理面粗糙度系数(直接量测后查表) JA:节理面蚀变度系数(用回弹仪直接量测) JW:节理水影响系数(按含水情况查表) SRF:应力影响系数(按地应力分区查表)
岩体质量分类
岩体质量 Q
特别好 1000~ 400
极好 400~ 100
良好 100~ 40
好 40~ 10
完整性指数KV
>0.75
<0.15
注:岩体完整性系数KV为岩体压缩波波速与岩石压缩波波速之比的平方
岩体基本质量等级分类 完整程度 完整 坚硬程度 较完整 较破碎 破碎 极破碎
坚硬岩
较硬岩










较软岩
软岩










极软岩





RQD J r J w 2. N .Barton 岩体分类: Q= J J SRF n a RQD:岩体质量指标(钻探长度大于10CM的岩芯的百分比)
Jr值
4
B 粗糙或不规则的起伏节理
C 光,但是起伏的节理 D 光滑,但具起伏的节理 E 平坦且粗糙,或不规则节理 F 光而平直的节理 G 平直且光滑的节理 (c)剪切后,节理不再直接接触 H 节理面间充填有不能使节理面直接接触的连续粘土矿物带 J 节理面间充填有不能使节理面直接接触的砂、砾石或挤压 破碎带
在进行岩土工程勘察时,应鉴定岩石的地质名称和风化
规范》(GB50021-2001)3.2.1、 3.2.1和3.2.7条规定,
程度,并进行岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体基本
质量等级的划分。岩石坚硬程度、岩体完整程度和岩体
基本质量等级的划分应分别按照下列表6-4、6-5、6-6执
行。对地下洞室和边坡工程,尚应确定岩体的结构类型。
洞壁的密集破裂,
并产生剥落的现象。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
3. 碎裂松动:碎裂状岩体开挖后,岩块沿结构面滑移并 形
成松动圈的现象。 4. 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。
第二节 洞室围岩变形及破坏的基本类型
5. 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抛出的现象。 岩爆特点:
二. 地应力 1. 定义:指存在于地壳岩体中的原始应力。又叫天然应 力。
2. 类型:
主要:自重应力、构造 应力 次要:地温应力、地下 水压力、结晶应力等
3. 地应力分布规律:
( )地壳浅层:水平应力 大于垂直应力 1 ( 约等于垂直应力 2)地壳深层:水平应力 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 水平应力 H 的关系: v H , H v v 1
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