洞室圍巖工程地質(zhì)問(wèn)題_工程地質(zhì)認(rèn)識(shí)與分

第二節(jié)　洞室圍巖工程地質(zhì)問(wèn)題

一、圍巖穩(wěn)定性影響因素

洞室修筑之前，首先要選擇適宜的工程位置或線路，這就要研究該地區(qū)的地質(zhì)情況，并分析圍巖穩(wěn)定因素。影響圍巖穩(wěn)定的因素有天然的，也有人為的。天然因素中經(jīng)常起控制作用的主要有巖石特性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水和巖溶作用。弄清這些主要因素，對(duì)圍巖穩(wěn)定性作出的分析才會(huì)比較客觀。

（一）地質(zhì)因素

1．地層巖性

堅(jiān)硬完整的巖石一般對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較小，而軟弱巖石則由于強(qiáng)度低，抗水性弱，受力后容易變形和破壞，對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響較大。

巖漿巖、變質(zhì)巖中大部分巖石均是堅(jiān)硬完整的，如新鮮未風(fēng)化的花崗巖、閃長(zhǎng)巖、玄武巖等，一般對(duì)于深度不超過(guò)500m、跨度不超過(guò)10m的洞室，這些巖石的強(qiáng)度能夠滿足圍巖穩(wěn)定的要求。但有些巖石是軟弱的，如黏土質(zhì)片巖、綠泥石片巖、千枚巖和泥質(zhì)板巖等，在這些巖石中開(kāi)挖洞室易坍塌。

沉積巖較復(fù)雜，其強(qiáng)度比巖漿巖和變質(zhì)巖要差。除膠結(jié)良好的砂巖、礫巖和石灰?guī)r、白云巖比較堅(jiān)硬外，大都比較軟弱，如泥質(zhì)砂巖、鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土巖、石膏、巖鹽、煤，還有膠結(jié)不良的砂巖、礫巖和部分凝灰?guī)r等。

疏松土層總的說(shuō)來(lái)強(qiáng)度低，易變形，若無(wú)特殊措施，在其中開(kāi)挖大跨度洞室是十分困難的。

2．地質(zhì)構(gòu)造

1）層狀巖體

隧道通過(guò)堅(jiān)硬和軟弱相間的層狀巖體時(shí)，易在接觸面處變形或坍落。洞室應(yīng)盡量設(shè)置在堅(jiān)硬巖層中，或盡量把堅(jiān)硬巖層作為頂板（圖10-3）。

圖10-3　層狀巖層中的隧道

2）褶曲構(gòu)造

褶皺的形式、疏密程度及其軸向與洞室軸線的交角不同，圍巖穩(wěn)定性是不同的，洞身橫穿褶皺軸比平行于褶皺有利；洞室沿背斜軸部通過(guò)，洞頂圍巖向兩側(cè)傾斜，由于拱的作用，有利于洞頂圍巖穩(wěn)定；而向斜則相反，兩側(cè)巖體傾向洞內(nèi)，并因洞頂存在張裂，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利，另外，向斜軸部易儲(chǔ)聚地下水，且多承壓，更削弱了巖體穩(wěn)定性；通過(guò)復(fù)雜形式褶皺，如平臥的、倒轉(zhuǎn)的，對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響各不同，應(yīng)作具體分析。

3）斷層構(gòu)造

洞室通過(guò)斷層，若斷層帶寬度愈大，走向與洞軸交角愈小，它在洞內(nèi)的出露距離便愈長(zhǎng)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響便愈大。斷層帶破碎物質(zhì)的碎塊性質(zhì)及其膠結(jié)情況也都影響圍巖穩(wěn)定性。在斷層帶還應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。

（1）斷層泥、未膠結(jié)的糜棱巖、片狀巖或揉皺帶，一般在構(gòu)造巖帶中起軟弱層的作用，要特別注意其分布特點(diǎn)和力學(xué)性質(zhì)。

（2）膠結(jié)的角礫巖和緊密的壓碎巖具有一定強(qiáng)度，穩(wěn)定性尚好；未膠結(jié)或疏散的壓碎巖，穩(wěn)定性很差。

（3）斷層帶中地下水的運(yùn)移方式和富集情況各異，也常是分析圍巖穩(wěn)定性的重要依據(jù)。

3．巖體結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)對(duì)圍巖破壞起著控制性的作用。

（1）塊狀結(jié)構(gòu)的巖體作為地下洞室的圍巖，其穩(wěn)定性主要受結(jié)構(gòu)面的發(fā)育和分布特點(diǎn)所控制。圍巖壓力主要來(lái)自最不利的結(jié)構(gòu)面組合，同時(shí)與結(jié)構(gòu)面和臨空面的切割關(guān)系有密切關(guān)系。

（2）層狀或塊狀巖體的圍巖破壞，常由幾組結(jié)構(gòu)面組合構(gòu)成一定幾何形態(tài)的結(jié)構(gòu)分離體，易出現(xiàn)圍巖分離體的坍落、滑塌，但僅在分離體的尺寸小于洞室尺寸的情況下圍巖才不穩(wěn)定。

（3）碎裂結(jié)構(gòu)圍巖的破壞往往是由于變形過(guò)大，導(dǎo)致塊體間相互脫落，連續(xù)性被破壞而發(fā)生坍塌，或某些主要連通結(jié)構(gòu)面切割而成的不穩(wěn)定部分整體冒落，其穩(wěn)定性最差。

4．地下水

當(dāng)洞室處于含水層中或圍巖透水性強(qiáng)時(shí)，地下水的影響更為明顯。靜水壓力作用于襯砌上，等于給襯砌增加了—定的荷載。因此，襯砌強(qiáng)度和厚度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮靜水壓力的影響。此外，靜水壓力使結(jié)構(gòu)面張開(kāi)，減小了滑動(dòng)摩擦力，從而增加了圍巖坍塌、滑落的可能性。動(dòng)水壓力的作用促使巖塊沿水流方向移動(dòng)，也沖刷和帶走裂隙內(nèi)的細(xì)小礦物顆粒，從而增加了裂隙的張開(kāi)程度，增加了圍巖的破壞程度。地下水對(duì)巖石的溶解作用和軟化作用，也降低了巖體的強(qiáng)度，影響圍巖的穩(wěn)定性。

對(duì)于有壓洞室，還應(yīng)考慮內(nèi)水壓力與外水壓力對(duì)其穩(wěn)定性的影響，地下水對(duì)洞室混凝土襯砌還有—定腐蝕性，也應(yīng)引起足夠的重視。

5．構(gòu)造應(yīng)力

構(gòu)造應(yīng)力隨地下洞室的埋深增加而增大，因此一般地下洞室埋藏越深，其穩(wěn)定性越差。一般地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的巖層中構(gòu)造應(yīng)力十分明顯，盡量避開(kāi)這些巖層，這對(duì)地下洞室的穩(wěn)定非常重要。構(gòu)造應(yīng)力具有明顯的方向性，沿構(gòu)造應(yīng)力最大主應(yīng)力方向延伸的地下洞室比垂直最大主應(yīng)力方向延伸的地下洞室穩(wěn)定；構(gòu)造應(yīng)力最大主壓應(yīng)力方向水平或近于水平并垂直洞室軸線的情況下，可使頂圍和底圍不出現(xiàn)拉應(yīng)力，所以它對(duì)頂圍、底圍的穩(wěn)定有利。

（二）工程因素

工程因素包括隧道的埋深、幾何形狀、跨度和長(zhǎng)度、施工方法、圍巖暴露時(shí)間及襯砌類(lèi)型等，這些因素影響圍巖應(yīng)力的大小和性質(zhì)。

二、圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是地下洞室?guī)r土工程研究的核心，一般采用定性評(píng)價(jià)與定量評(píng)價(jià)相結(jié)合的方法進(jìn)行。定性評(píng)價(jià)是根據(jù)工程設(shè)計(jì)要求對(duì)洞址區(qū)的工程地質(zhì)條件進(jìn)行綜合分析，并按一定的標(biāo)準(zhǔn)和原則對(duì)洞室圍巖進(jìn)行分類(lèi)和分段，找出可能產(chǎn)生失穩(wěn)的部位、破壞形式及其主要影響因素。定量評(píng)價(jià)是根據(jù)一定的判據(jù)對(duì)圍巖進(jìn)行穩(wěn)定性定量計(jì)算。目前工程上常用穩(wěn)定性系數(shù)來(lái)反映圍巖的穩(wěn)定性。所謂穩(wěn)定性系數(shù)是指圍巖強(qiáng)度與相應(yīng)的圍巖應(yīng)力之比，常用η表示。當(dāng)η＝1時(shí)，圍巖處于極限平衡狀態(tài)；當(dāng)η＞1時(shí)，圍巖穩(wěn)定；當(dāng)η＜1時(shí)，則圍巖不穩(wěn)定。

（一）定性評(píng)價(jià)

實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，一般地下洞室圍巖的失穩(wěn)與破壞通常發(fā)生在下列部位：破碎松散巖體或軟弱巖類(lèi)分布區(qū)，包括風(fēng)化和構(gòu)造破碎帶巖體分布區(qū)；力學(xué)強(qiáng)度低、遇水易軟化、膨脹崩解的黏土質(zhì)巖類(lèi)分布區(qū)；裂隙結(jié)構(gòu)巖體及半堅(jiān)硬層狀結(jié)構(gòu)巖體分布區(qū)；堅(jiān)硬塊狀及厚層狀巖體在多組軟弱結(jié)構(gòu)面切割并在洞壁上構(gòu)成不穩(wěn)定分離體的部位；洞室中應(yīng)力急劇集中的部位，如洞室間的巖柱和洞室形狀急劇變化的部位。以上這些部位通常是圍巖失穩(wěn)的部位，特別是在有地下水活動(dòng)的情況下，最容易形成大規(guī)模的塌方。因此，選擇地下洞室場(chǎng)址時(shí)，應(yīng)盡量避開(kāi)以上不穩(wěn)定部位或減少這類(lèi)不穩(wěn)定地段所占的比重。

對(duì)于一般地下洞室，圍巖穩(wěn)定的地質(zhì)標(biāo)志也是比較明確的，如新鮮完整的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬巖體，裂隙不發(fā)育、沒(méi)有或僅有少量地下水活動(dòng)的地區(qū)；新鮮的堅(jiān)硬巖體，裂隙雖較發(fā)育但均緊密閉合且連續(xù)性較差，不能構(gòu)成不穩(wěn)定分離體，且地下水活動(dòng)微弱或沒(méi)有的地區(qū)，這些地區(qū)的洞室圍巖通常是十分穩(wěn)定的。

地質(zhì)條件介于上述兩大類(lèi)之間者，是屬于穩(wěn)定性較好至較差的過(guò)渡類(lèi)型。

（二）定量評(píng)價(jià)

1．圍巖的整體穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于整體狀或塊狀巖體，可視為均質(zhì)的連續(xù)介質(zhì)，其圍巖穩(wěn)定性分析，除研究局部不穩(wěn)定影響外，應(yīng)著重于圍巖整體穩(wěn)定的力學(xué)計(jì)算。計(jì)算方法是根據(jù)圍巖中分布應(yīng)力的計(jì)算或?qū)崪y(cè)結(jié)果，求出圍巖中的最大拉應(yīng)力或壓應(yīng)力，將其與巖體的抗拉或抗壓強(qiáng)度比較，來(lái)評(píng)價(jià)圍巖的穩(wěn)定性。

2．圍巖的局部穩(wěn)定性計(jì)算

在裂隙巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的切割，在圍巖的某些部位形成不穩(wěn)定分離體。如圖10-4所示，若結(jié)構(gòu)面走向與洞室軸線平行，可取垂直于洞室軸線的剖面進(jìn)行研究。

（1）洞頂分離的穩(wěn)定性。如圖10-4所示，在洞頂由L ₁、L ₂兩組結(jié)構(gòu)面切割成三角分離體ABC。分離體的穩(wěn)定性系數(shù)η為：

式中：α、β——結(jié)構(gòu)面的傾角，°；

T _j1，T _j2——結(jié)構(gòu)面的抗拉強(qiáng)度，kPa；

L ₁、L ₂——結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度，m；

L ₃——分三角分離體寬度，m；

γ——巖體重度，k N／m³。

當(dāng)η≥2時(shí)分離體穩(wěn)定，反之不穩(wěn)定。

（2）側(cè)壁分離體的穩(wěn)定性。如圖10-4所示，側(cè)壁分離體在自重W₂的作用下沿L ₄滑動(dòng)，而后緣切割面L ₂的抗拉強(qiáng)度可忽略。這時(shí)分離體DFE的穩(wěn)定系數(shù)為：

圖10-4　洞頂洞壁分離體穩(wěn)定性分析

式中：c——結(jié)構(gòu)面L ₄的黏聚力，kPa；

φ——結(jié)構(gòu)面L ₄的內(nèi)摩擦角，°；

α——結(jié)構(gòu)面L ₄的傾角，°；

L ₄——結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)度，m。

三、圍巖的工程地質(zhì)分類(lèi)

圍巖分類(lèi)是地下建筑物圍巖穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。通過(guò)圍巖分類(lèi)可大致確定隧道開(kāi)挖的難易程度、采用的施工方法、支護(hù)類(lèi)型及設(shè)計(jì)所需參數(shù)。圍巖分類(lèi)應(yīng)采用多因素多指標(biāo)、定性和定量相結(jié)合的原則。國(guó)內(nèi)外沒(méi)有統(tǒng)一的分類(lèi)方法。一個(gè)好的分類(lèi)應(yīng)當(dāng)具備下述基本要求：類(lèi)別明確，特征突出，符合實(shí)際，簡(jiǎn)便易行，并且應(yīng)能經(jīng)得起工程實(shí)踐的檢驗(yàn)。下面以我國(guó)鐵路部門(mén)為例加以說(shuō)明。

目前，我國(guó)鐵路部門(mén)采用的鐵路隧道圍巖分類(lèi)是以圍巖結(jié)構(gòu)完整狀態(tài)及其穩(wěn)定性為基本因素，并考慮了圍巖的強(qiáng)度、風(fēng)化程度、圍巖組合特征及地下水作用等因素的分類(lèi)。具體劃分方法如下。

1．巖石等級(jí)劃分

首先依據(jù)巖石試件的抗壓極限強(qiáng)度Rb，將巖石分為硬質(zhì)巖和軟質(zhì)巖（表10-1）。

表10-1　巖石等級(jí)劃分

2．圍巖受地質(zhì)構(gòu)造的影響程度劃分

在巖石強(qiáng)度基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮褶皺及斷裂構(gòu)造對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響程度進(jìn)行劃分（表10-2）。

表10-2　圍巖受地質(zhì)構(gòu)造影響程度的等級(jí)劃分

3．圍巖節(jié)理裂隙程度劃分

按節(jié)理裂隙的組數(shù)、密度、長(zhǎng)度、張開(kāi)度及填充情況，對(duì)節(jié)理裂隙的發(fā)育情況分級(jí)，見(jiàn)表10-3。

表10-3　節(jié)理發(fā)育程度分級(jí)

4．層狀巖層的厚度劃分

層狀巖層按厚度劃分巨厚層、厚層、中厚層及薄層，見(jiàn)表10-4。

表10-4　層狀巖層的厚度劃分

5．地下水

地下水對(duì)坑道圍巖穩(wěn)定狀況的影響主要表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

（1）降低巖體強(qiáng)度，加速巖體風(fēng)化，增大坑道圍巖的壓力和變形。

（2）潤(rùn)濕、潛蝕、沖走軟弱結(jié)構(gòu)面中的充填物而使軟弱結(jié)構(gòu)面軟化、摩擦阻力減小，促使巖塊滑動(dòng)。

（3）在某些地質(zhì)條件下，如含鹽地層、黏土、石膏等，遇水后飽和膨脹而產(chǎn)生膨脹壓力。

（4）某些砂土層，由于孔隙水壓力的作用導(dǎo)致砂土液化而向坑道內(nèi)流動(dòng)等。

因此，在確定圍巖類(lèi)別時(shí)，必須根據(jù)地下水狀況（水量、水壓、流通條件等）及其對(duì)不同圍巖穩(wěn)定性的影響，采用降級(jí)的辦法加以處理。降級(jí)的原則如下。

（1）在Ⅵ類(lèi)圍巖或?qū)儆冖躅?lèi)的硬質(zhì)巖石中，地下水對(duì)其穩(wěn)定性影響不大，可不考慮降級(jí)。

（2）在Ⅳ類(lèi)或Ⅴ類(lèi)圍巖中的軟巖，若地下水影響巖體穩(wěn)定并產(chǎn)生局部坍塌或軟化結(jié)構(gòu)面時(shí)，可降低1級(jí)。

（3）在Ⅲ類(lèi)和Ⅱ類(lèi)圍巖中，地下水的影響較大，可降低1～2級(jí)。

（4）在I類(lèi)圍巖中，分類(lèi)表中已考慮了一般含水情況的影響，但對(duì)特殊含水地層，如處于飽和狀態(tài)或具有較大承壓水流時(shí)，需另作處理。

鐵路隧道圍巖分類(lèi)如表10-5所示。

表10-5　鐵路隧道圍巖分類(lèi)