第七章 地下洞室围岩稳定性的工程地质分析

三、洞室轴线选择的工程地质条件
洞室轴线的选择主要是由地层岩性、 岩层产状、地质构造以及水文地质条件等 方面综合分析来考虑确定。
（一）地形条件 在地形上要求山体完整，洞室周围包括洞顶及 傍山侧应有足够的山体厚度。 隧洞进出口地段的边坡应下陡上缓，无滑坡、 崩塌等现象存在。 洞口岩石应直接出露或坡积层薄，岩层最好倾 向山里以保证洞口坡的安全。 在地形陡的高边坡开挖洞口时，应不削坡或少 削坡即进洞，必要时可做人工洞口先行进洞，以保 证边坡的稳定性。 隧洞进出口不应选在排水困难的低洼处，也不 应选在冲沟、傍河山嘴及谷口等易受水流冲刷的地 段。
微风化至强风化 钢支撑后仍产生塌方， 的辉绿岩，处于 将架立的钢支架全部 断层带内，风化 压垮，自洞顶至地表 节理甚发育，充 20m 岩层全部坍塌， 填粘土，水的活 塌方量达 1000 m 3 动剧烈
12
第一节 围岩应力的重分布
地下洞室开挖前，岩体内的应力状态称为初 始应力状态。 开挖后，由于洞室周围岩体失去了原有的支 撑，破坏了原来的受力平衡状态，围岩将向洞内 产生松胀位移，从而引起洞周围一定范围内岩体 的应力重新调整，形成新的应力状态。该应力称 重分布应力、二次应力或围岩应力。 直接影响围岩稳定的是二次应力状态，它与 岩体的初始应力状态、洞室断面形状及岩体特性 等因素有关。
0+703 — 0+716
硅质灰岩与玢岩 中，裂隙十分发 育，且有与洞线 近直交的 F 68 和 隧洞开挖至 F 67 时发生 F 67 两断层切割。 坍塌，并有水涌出，总 F 67 充填有玢岩 塌方量约 600 余方 风化物和亚粘土， F 68 夹有断层泥， 沿 F 67 地下水集 中渗流
破碎玢岩，裂隙 很发育，三组与 洞线近直交、平 行和斜交的陡倾 角裂隙，一组与 洞线近平行的缓 倾角裂隙，相互 切割
（二）岩性条件
岩性是影响围岩稳定的基本因素之一。如坚 硬完整的岩体，围岩一般是稳定的，能适应各种 断面形状的地下洞室。而软弱岩体如粘土岩类、 破碎及风化岩体，吸水易膨胀的岩体等，通常力 学强度低，遇水易软化、崩解及膨胀等，不利于 围岩的稳定。 此外,岩层的组合特征对围岩稳定也有重要影 响。一般软硬互层或含软弱夹层的岩体，稳定性 差。层状岩体的层次愈多，单层厚度愈薄，稳定 性愈差。均质厚层及块状岩体稳定性好。
充水夹泥断裂发 育，多组交切构 成不稳定体
塌方
1 0
福建某二级引 水隧洞的一段
北西向近直立的 大断层在洞内出 施工中不断发生塌方， 露，宽约 50 余 大者计四次，最终冒 m ，其中十余条 顶、 80m 岩层全部塌 岩脉穿插，节理 落，地表陷落 3 — 5m 发育，风化严重， 且地下水活动
11
模式口引水隧洞进 口段
洞 室 围 岩 应 力 重 分 布 对 比 图
第二节 地下工程位置选择的工程地质评价
地下建筑位置的选择，除取决于工程目的要 求外，需要考虑区域稳定、山体稳定及地形、岩 性、地质构造、地下水及地应力等因素的影响。
一般认为，具备下列条件是宜于建洞的： 1.基本地震烈度一般小于８度，历史上地震烈度及震 级不高，无毁灭性地震； 2.区域地质构造稳定，工程区无区域性断裂带通过， 附近没有发震构造； 3.第四纪以来没有明显的构造活动。 区域稳定性问题解决以后，即地下工程总体位置 选定后，进一步就要选择建洞山体，一般认为理想 的建洞山体具有以下条件：
水平及倾斜岩层中的地下洞室
陡立岩层中的地下洞室
（四）地下水
第七章 地下洞室围岩稳定性的 工程地质分析
概
述
地下洞室：指在地下或山体内部的各类建筑物。 如地下交通运输用的铁道和公路隧道、地下铁道等；
地下工业用房的地下工厂、电站和变电所及地下矿井巷 道、地下输水隧洞等；
地下储存库房用的地下车库、油库、水库和物资仓库等；
地下式水电站洞室布置剖面示意图
有压及无压隧洞
（1）洞室四周岩体的围岩压力的评价（即岩体本身对 衬砌支护的压力评价）； （2）岩体内地下水压力的评价（即地下水对衬砌支护 的压力）； （3）提出保护围岩稳定性和提高稳定性的加固措施； 围岩：地下洞室周围的围岩土体。 即洞室周围受到开挖影响，大体相当于地下洞室宽度 或平均直径3倍左右范围内的岩土体。 我国几处地下洞室围岩失稳或破坏的典型实例 见下表
1.在区域稳定性评价基础上，将 洞室选择在安全可靠的地段； 2.建洞区构造简单，岩层厚且产 状平缓，构造裂隙间距大、组数 少，无影响整个山体稳定的断裂 带；
3.岩体完整，成层稳定，且具有 较厚的单一的坚硬或中等坚硬的 地层，岩体结构强度不仅能抵抗 静力荷载，而且能抵抗冲击荷载； 地形完整，山体受地表水切割破 坏少，没有滑坡、塌方等早期埋 藏和近期破坏的地形。
页岩与玢岩交界带， 开挖过程中不断掉块，后 为断层接触，破碎 因遇到小窑洞暂时停工， 带宽约 20 余 m ， 由于未对已开挖段进行支 页岩风化破碎成粉 撑加固，导致大塌方 土状
8
进口段
靠近背斜轴部， 断裂发育，风化 破碎
多次发生顶拱坍塌，后 改明挖
9
甘 肃 某 工 程 导 流 隧 洞
0+095 — 0+110
一、开挖后围岩保持弹性时的重分布应力
v rz
圆形 洞室 围岩 重分 布应 力计 算简 图
h v
r0
x
h v
v rz
洞室周边围岩应力弹性重分布计算公式
2 4 2 1 λ 1 λ r 3 r 4 r 0 0 0 1 σ v 1 cos 2θ σ r σ v 2 4 2 2 2 r r r 2 4 r 3 r 1 λ 1 λ 0 0 1 2 σv 1 4 cos 2θ σ θ σ v 2 2 r r 4 2 3 r 2 r 1 λ 0 0 τ σ 1 sin2θ v rθ 4 2 2 r r 式中： σ r为径向应力；σ θ为切向应力；r0为隧洞半径；
r
r0 r0 2r0 3r0 4r0 5r0 6r0
各种 断面 形状 的洞 体应 力状 态比 较
二、开挖后围岩中出现塑性圈时的重分布应力 洞室开挖后围岩的稳定性，取决于二次应力与围 岩强度之间的关系。 如果洞周边应力小于岩体的强度，围岩稳定。 否则，周边岩石将产生破坏或较大的塑性变形。 围岩一旦松动，如不加支护，则会向深部发展， 形成具有一定范围的应力松弛区，称为塑性松动圈。 在松动圈形成过程中，原来周边集中的高应力逐 渐向深处转移，形成新的应力增高区，该区岩体被挤 压紧密，称为承载圈。此圈之外为初始应力区。
r为质点至洞轴线的距离 ； τ rθ为剪应力；极 角 反 时 针
用弹 性理 论计 算圆 形洞 室周 边应 力重 分布
2


1 r v 1 v 0
r
r2 0 r2 r2 0 r2
5
1+711 — 1+714
拆除木支撑后未及时衬 砌好而产生塌方
6
3+468 — 3+481
霏细岩，发育有两 条相距 4m 、倾向 木支撑拆除后扩大洞径， 相反的断层，组成 正值雨季，断层带涌水量 楔形体。断层充填 增大，物质软化产生塌方， 7 约 500 m 3 物为粘土及碎石， 并有滴水
7+154 — 7+157
（一）洞口的地形和地质条件 洞口宜设在山体坡度较大的一面（大于30°），岩层 完整，覆盖层较薄，最好设置在岩层裸露的地段，以 免切口刷坡时刷方太大，破坏原来的地形地貌。
（二）洞口底标高的选择 洞口底的标高一般应高于谷底最高洪水位以上0.5～ 1.0ｍ的位置（千年或百年一遇的洪水位），以免在山 洪暴发时，洪水泛滥倒灌流入地下洞室； （三）洞口边坡的物理地质现象 在选择洞口位置时，必须将进出口地段的物理地质现 象调查清楚。 洞口应尽量避开易产生崩塌、剥落和滑坡等地段，或 易产生泥石流和雪崩的地区。以免对工程造成不必要 的损失。
3
福 建 某 工 程 导 流 隧 洞
A+40 — A+160
洞顶为缓倾角（ 8 °— 20 °）夹泥 节理切割成薄板 状且与另一陡倾 角充水夹泥石英 脉破碎带交切， 组合成不稳定的 楔形体
施工开挖拱脚后，使两 侧岩体失去下部支撑。 前后塌方四次，总方量 达 400 — 500m 3
4
永 定 河 某 水 电 站 压 力 引 水 隧 洞
（三）地质构造条件 1．褶皱的影响
褶皱剧烈地区， 一般断裂也很发 育，特别是褶皱 核部岩层完整性 最差。
地下洞室轴线与褶皱的关系
2．断裂的影响 断层破碎带及断层交汇区，稳定性极差。 地下掘进如遇较大规模的断层，几乎都要产生 塌方甚至冒顶(洞顶大规模突然坍塌破坏)。 一般情况下，应避免洞室轴线沿断层带布 置。如洞室轴线垂直或近于垂直断裂带，则所 需穿越的不稳定地段较短，但也可以产生塌方 或大量地下水涌入。 因此，在选址时应尽量避开大断层。
一般来说，地下工程所要解决的主要工程地质问题有如 下方面： １．在选择地下建筑工程位置时，判定拟建工程的区域 稳定性和山体岩体的稳定性（包括洞口边坡稳定和洞身 岩体的稳定）。 ２．在已选定的工程位置上判定地下建筑工程所在岩体 的稳定性。这个阶段除进行一般的岩体稳定评价以外， 还要解决一些与土建设计有关的岩体稳定方面的问题， 这些问题有：
例 号
河 南 伊 河
每当开挖使软弱结构面 暴露时，洞顶软弱结构 面以下岩体立即坍落。 前后共发生过四次
1
某 水 库 泻 洪 隧 洞
0+405 — 0+415
一次放炮后岩体突然塌 落 20m ，坍落后顶拱又 处于稳定状态
2
0+370 — 0+380
该段处于断层破碎 带中，整个边墙为 红色断层泥与强烈 破碎的玄武岩组成， 采取特殊措施后保证了稳 并有地下水流出， 定 断层带的松散破碎 物质处于饱水状态， 高 10m 的边墙很难 保持稳定
4.岩溶很不发育，山体在满足进洞 生产面积的同时，具有较厚的洞 体顶板厚度作为防护地层； 地下水影响小，水质满足建厂要 求； 5.无有害气体及异常地热；
二、洞口选择的工程地质条件 洞口的工程地质条件，主要是考虑洞口处的地形及岩 性、洞口底的标高、洞口的方向等问题。 至于洞口数量和位置（平面位置和高程位置）的确定 必须根据工程的具体要求，结合所处山体的地形、工 程地质及水文地质条件等慎重考虑，因为出入口位置 的确定，一般来说，基本上就决定了地下洞室轴线位 置和洞室的平面形状。
断层对地下洞室选线的影响
3．岩层产状的影响
(1)洞室轴线与岩层走向垂直。这种情况， 围岩的稳定性较好，特别是对边墙稳定有利。 当岩层较陡时稳定性最好。当岩层倾角较平缓 且节理发育时，在洞顶易发生局部岩块坍落现 象，洞室顶部常出现阶梯形超挖。
Hale Waihona Puke Baidu
单斜岩层中的地下洞室
(2)洞室走向与岩层走向平行 在水平岩层中布置洞室时，应尽量使洞室位 于均质厚层的坚硬岩层中，应避免将软弱岩层置 于洞室顶部，因为软弱岩层易于造成顶板悬垂或 坍塌。软弱岩层位于洞室两侧或底部也不利，它 容易引起边墙或底板鼓胀变形或被挤出。 在倾斜岩层中，一般说来是不利的。当洞身 通过软硬相间或破碎的倾斜岩层时，顺倾向一侧 的围岩易于变形或滑动，造成很大的偏压，逆倾 向一侧围岩侧压力小，有利于稳定。因此，在倾 斜岩层中最好将洞室选在均一完整坚硬的岩石中。 此外，岩层的倾角对围岩的稳定性也有影响。
工程及桩号 0+170 — 0+180
塌方段的地质 特点 玄武岩中。洞顶 有缓倾的夹泥软 弱结构面，与其 他陡倾角的结构 面相互切割成楔 形体，且有水沿 结构面下滴 洞顶有一走向平 行洞轴、倾角 25 °的煌斑岩脉， 由洞顶左侧倾向 右侧，并于右拱 脚出露，为平行 洞身的陡立小断 层切割，构成平
塌方情况