洞室围岩工程地质问题

时间：2022-01-28 理论教育版权反馈

【摘要】：围岩压力主要来自最不利的结构面组合，同时与结构面和临空面的切割关系有密切关系。所谓稳定性系数是指围岩强度与相应的围岩应力之比，常用η表示。

洞室围岩工程地质问题_工程地质认识与分

第二节　洞室围岩工程地质问题

一、围岩稳定性影响因素

洞室修筑之前，首先要选择适宜的工程位置或线路，这就要研究该地区的地质情况，并分析围岩稳定因素。影响围岩稳定的因素有天然的，也有人为的。天然因素中经常起控制作用的主要有岩石特性、地质构造、地下水和岩溶作用。弄清这些主要因素，对围岩稳定性作出的分析才会比较客观。

（一）地质因素

1．地层岩性

坚硬完整的岩石一般对围岩稳定性影响较小，而软弱岩石则由于强度低，抗水性弱，受力后容易变形和破坏，对围岩稳定性影响较大。

岩浆岩、变质岩中大部分岩石均是坚硬完整的，如新鲜未风化的花岗岩、闪长岩、玄武岩等，一般对于深度不超过500m、跨度不超过10m的洞室，这些岩石的强度能够满足围岩稳定的要求。但有些岩石是软弱的，如黏土质片岩、绿泥石片岩、千枚岩和泥质板岩等，在这些岩石中开挖洞室易坍塌。

沉积岩较复杂，其强度比岩浆岩和变质岩要差。除胶结良好的砂岩、砾岩和石灰岩、白云岩比较坚硬外，大都比较软弱，如泥质砂岩、钙质页岩、黏土岩、石膏、岩盐、煤，还有胶结不良的砂岩、砾岩和部分凝灰岩等。

疏松土层总的说来强度低，易变形，若无特殊措施，在其中开挖大跨度洞室是十分困难的。

2．地质构造

1）层状岩体

隧道通过坚硬和软弱相间的层状岩体时，易在接触面处变形或坍落。洞室应尽量设置在坚硬岩层中，或尽量把坚硬岩层作为顶板（图10-3）。

图10-3　层状岩层中的隧道

2）褶曲构造

褶皱的形式、疏密程度及其轴向与洞室轴线的交角不同，围岩稳定性是不同的，洞身横穿褶皱轴比平行于褶皱有利；洞室沿背斜轴部通过，洞顶围岩向两侧倾斜，由于拱的作用，有利于洞顶围岩稳定；而向斜则相反，两侧岩体倾向洞内，并因洞顶存在张裂，对围岩稳定不利，另外，向斜轴部易储聚地下水，且多承压，更削弱了岩体稳定性；通过复杂形式褶皱，如平卧的、倒转的，对围岩稳定的影响各不同，应作具体分析。

3）断层构造

洞室通过断层，若断层带宽度愈大，走向与洞轴交角愈小，它在洞内的出露距离便愈长，对围岩稳定性的影响便愈大。断层带破碎物质的碎块性质及其胶结情况也都影响围岩稳定性。在断层带还应特别注意以下几点。

（1）断层泥、未胶结的糜棱岩、片状岩或揉皱带，一般在构造岩带中起软弱层的作用，要特别注意其分布特点和力学性质。

（2）胶结的角砾岩和紧密的压碎岩具有一定强度，稳定性尚好；未胶结或疏散的压碎岩，稳定性很差。

（3）断层带中地下水的运移方式和富集情况各异，也常是分析围岩稳定性的重要依据。

3．岩体结构

岩体结构对围岩破坏起着控制性的作用。

（1）块状结构的岩体作为地下洞室的围岩，其稳定性主要受结构面的发育和分布特点所控制。围岩压力主要来自最不利的结构面组合，同时与结构面和临空面的切割关系有密切关系。

（2）层状或块状岩体的围岩破坏，常由几组结构面组合构成一定几何形态的结构分离体，易出现围岩分离体的坍落、滑塌，但仅在分离体的尺寸小于洞室尺寸的情况下围岩才不稳定。

（3）碎裂结构围岩的破坏往往是由于变形过大，导致块体间相互脱落，连续性被破坏而发生坍塌，或某些主要连通结构面切割而成的不稳定部分整体冒落，其稳定性最差。

4．地下水

当洞室处于含水层中或围岩透水性强时，地下水的影响更为明显。静水压力作用于衬砌上，等于给衬砌增加了—定的荷载。因此，衬砌强度和厚度设计时，应充分考虑静水压力的影响。此外，静水压力使结构面张开，减小了滑动摩擦力，从而增加了围岩坍塌、滑落的可能性。动水压力的作用促使岩块沿水流方向移动，也冲刷和带走裂隙内的细小矿物颗粒，从而增加了裂隙的张开程度，增加了围岩的破坏程度。地下水对岩石的溶解作用和软化作用，也降低了岩体的强度，影响围岩的稳定性。

对于有压洞室，还应考虑内水压力与外水压力对其稳定性的影响，地下水对洞室混凝土衬砌还有—定腐蚀性，也应引起足够的重视。

5．构造应力

构造应力随地下洞室的埋深增加而增大，因此一般地下洞室埋藏越深，其稳定性越差。一般地质构造复杂的岩层中构造应力十分明显，尽量避开这些岩层，这对地下洞室的稳定非常重要。构造应力具有明显的方向性，沿构造应力最大主应力方向延伸的地下洞室比垂直最大主应力方向延伸的地下洞室稳定；构造应力最大主压应力方向水平或近于水平并垂直洞室轴线的情况下，可使顶围和底围不出现拉应力，所以它对顶围、底围的稳定有利。

（二）工程因素

工程因素包括隧道的埋深、几何形状、跨度和长度、施工方法、围岩暴露时间及衬砌类型等，这些因素影响围岩应力的大小和性质。

二、围岩稳定性评价方法

围岩稳定性评价是地下洞室岩土工程研究的核心，一般采用定性评价与定量评价相结合的方法进行。定性评价是根据工程设计要求对洞址区的工程地质条件进行综合分析，并按一定的标准和原则对洞室围岩进行分类和分段，找出可能产生失稳的部位、破坏形式及其主要影响因素。定量评价是根据一定的判据对围岩进行稳定性定量计算。目前工程上常用稳定性系数来反映围岩的稳定性。所谓稳定性系数是指围岩强度与相应的围岩应力之比，常用η表示。当η＝1时，围岩处于极限平衡状态；当η＞1时，围岩稳定；当η＜1时，则围岩不稳定。

（一）定性评价

实践经验表明，一般地下洞室围岩的失稳与破坏通常发生在下列部位：破碎松散岩体或软弱岩类分布区，包括风化和构造破碎带岩体分布区；力学强度低、遇水易软化、膨胀崩解的黏土质岩类分布区；裂隙结构岩体及半坚硬层状结构岩体分布区；坚硬块状及厚层状岩体在多组软弱结构面切割并在洞壁上构成不稳定分离体的部位；洞室中应力急剧集中的部位，如洞室间的岩柱和洞室形状急剧变化的部位。以上这些部位通常是围岩失稳的部位，特别是在有地下水活动的情况下，最容易形成大规模的塌方。因此，选择地下洞室场址时，应尽量避开以上不稳定部位或减少这类不稳定地段所占的比重。

对于一般地下洞室，围岩稳定的地质标志也是比较明确的，如新鲜完整的坚硬或半坚硬岩体，裂隙不发育、没有或仅有少量地下水活动的地区；新鲜的坚硬岩体，裂隙虽较发育但均紧密闭合且连续性较差，不能构成不稳定分离体，且地下水活动微弱或没有的地区，这些地区的洞室围岩通常是十分稳定的。

地质条件介于上述两大类之间者，是属于稳定性较好至较差的过渡类型。

（二）定量评价

1．围岩的整体稳定性计算

对于整体状或块状岩体，可视为均质的连续介质，其围岩稳定性分析，除研究局部不稳定影响外，应着重于围岩整体稳定的力学计算。计算方法是根据围岩中分布应力的计算或实测结果，求出围岩中的最大拉应力或压应力，将其与岩体的抗拉或抗压强度比较，来评价围岩的稳定性。

2．围岩的局部稳定性计算

在裂隙岩体中，由于结构面的切割，在围岩的某些部位形成不稳定分离体。如图10-4所示，若结构面走向与洞室轴线平行，可取垂直于洞室轴线的剖面进行研究。

（1）洞顶分离的稳定性。如图10-4所示，在洞顶由L ₁、L ₂两组结构面切割成三角分离体ABC。分离体的稳定性系数η为：

式中：α、β——结构面的倾角，°；

T _j1，T _j2——结构面的抗拉强度，kPa；

L ₁、L ₂——结构面的长度，m；

L ₃——分三角分离体宽度，m；

γ——岩体重度，k N／m³。

当η≥2时分离体稳定，反之不稳定。

（2）侧壁分离体的稳定性。如图10-4所示，侧壁分离体在自重W₂的作用下沿L ₄滑动，而后缘切割面L ₂的抗拉强度可忽略。这时分离体DFE的稳定系数为：

图10-4　洞顶洞壁分离体稳定性分析

式中：c——结构面L ₄的黏聚力，kPa；

φ——结构面L ₄的内摩擦角，°；

α——结构面L ₄的倾角，°；

L ₄——结构面的长度，m。

三、围岩的工程地质分类

围岩分类是地下建筑物围岩稳定性分析的基础。通过围岩分类可大致确定隧道开挖的难易程度、采用的施工方法、支护类型及设计所需参数。围岩分类应采用多因素多指标、定性和定量相结合的原则。国内外没有统一的分类方法。一个好的分类应当具备下述基本要求：类别明确，特征突出，符合实际，简便易行，并且应能经得起工程实践的检验。下面以我国铁路部门为例加以说明。

目前，我国铁路部门采用的铁路隧道围岩分类是以围岩结构完整状态及其稳定性为基本因素，并考虑了围岩的强度、风化程度、围岩组合特征及地下水作用等因素的分类。具体划分方法如下。

1．岩石等级划分

首先依据岩石试件的抗压极限强度Rb，将岩石分为硬质岩和软质岩（表10-1）。

表10-1　岩石等级划分