地下工程巖體的穩(wěn)定性分析

1、1地下工程巖體的穩(wěn)定性分析地下工程，系指在地面以下及山體內(nèi)部的各類建筑物。地下工程具有隔熱、恒溫、密閉、防震、隱蔽及不占地面土地面積等許多優(yōu)點。因此，在國民經(jīng)濟(jì)各個部門的工程建設(shè)中被廣泛采用。如城市及交通建設(shè)中的地下鐵道、地下倉庫、地下商場、鐵路隧道、公路隧道、過江隧道等，水電及礦山建設(shè)中的地下廠房、引水隧洞、地下水庫、地下礦井巷道等，以及軍工建設(shè)中的地下飛機(jī)場、地下試驗室(站)、地下掩蔽部及各類軍事設(shè)備器材倉庫等。顯然隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高

2、速發(fā)展及地下工程所具有的優(yōu)越性，地下工程的應(yīng)用將會越來越廣泛，規(guī)模也將越來越大。地下工程按成因分為人工洞室和天然洞室兩大類。人工洞室指由人工開挖支護(hù)形成的地下工程。天然洞室一般指由地質(zhì)作用形成的地下空間，如可溶巖的溶洞等。地下工程完全被周圍的巖土體介質(zhì)所包圍。因此，這些介質(zhì)的性質(zhì)直接影響著地下工程的穩(wěn)定與安全。地下工程巖體系指地下工程周圍的巖土介質(zhì)，以往也稱為地下洞室圍巖。其穩(wěn)定性的工程地質(zhì)研究是工程地質(zhì)研究的重要課題之一。主要包括地下

3、工程巖體穩(wěn)定性的影響因素分析，地下工程洞線及進(jìn)、出口邊坡位置的正確選擇地下工程巖體穩(wěn)定性的合理評價，對不穩(wěn)定地段的支護(hù)及施工方法的研究，施工過程中根據(jù)地質(zhì)情況預(yù)測各種可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題等。，一、洞室位置的選擇地下洞室按其用途分有壓洞室和無壓洞室，按工程巖體性質(zhì)分巖體洞室和土體洞室。(一)無壓的巖體洞室位置選擇無壓的巖體洞室位置選擇無壓的巖體洞室位置應(yīng)滿足以下條件：(1)洞址宜選在山體完整雄厚、地質(zhì)構(gòu)造簡單、地下水影響小、巖性均一的堅

4、硬巖層且?guī)r層厚度為厚層、中厚層的地段；要避開透水的寬大破碎帶、斷裂交匯帶、巖溶發(fā)育帶、強(qiáng)風(fēng)化帶及有害氣體和高地溫等地段。洞址選在穩(wěn)定性好的圍巖中，是保證地下工程施工安全和正常運(yùn)行的關(guān)鍵。(2)洞口要選擇在松散覆蓋層薄、坡度較陡的反向坡，且有完整厚層巖層作頂板的地段；要避開沖溝或溪流源頭，以及滑坡、崩塌、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)育或洪水可能淹沒的地段。洞外還應(yīng)該有相應(yīng)規(guī)模的棄渣場地。大量工程實踐表明，地下工程進(jìn)出口位置選擇十分重要，稍有不慎

5、，將造成無法進(jìn)洞或洞口巖體失穩(wěn)等不良后果。(3)洞軸線要選擇與區(qū)域構(gòu)造線、巖層及主要節(jié)理走向垂直或大角度相交的方向；要避免洞線從沖溝、山洼等地表水和地下水匯集的地段通過；在高地應(yīng)力地區(qū)，洞軸線宜與水平方向的最大主應(yīng)力平行。例如我國金川礦巷道布置時，該區(qū)最大水平主應(yīng)力方向為N35。E左右，‘mx＝20—30MPa，而位于地下400m深處的西風(fēng)井巷道走向為N30。W左右，與最大水平主應(yīng)力方向近正交。結(jié)果建成后，此巷道產(chǎn)生明顯變形和破壞，斷面

6、累計變形達(dá)200cm以上，斷面減小致使巷道不能正常使用。后來將500m深處的巷道改為與最大水平主應(yīng)力方向近平行(N23。E)，則巷道圍巖的穩(wěn)定性得到顯著改善，即使穿越松散結(jié)構(gòu)的斷層破碎帶，也末發(fā)生明顯的破壞。水工隧洞多為有壓隧洞，其工作條件比無壓隧洞更為復(fù)雜。在洞址選擇時，除考慮上述要求外，尚需對圍巖的彈性抗力、高壓隧洞圍巖的承載力、洞室上覆巖體及間壁巖體厚度等進(jìn)行專門研究，才能保證有壓隧洞在內(nèi)水壓力作用下的正常運(yùn)用。(二)土體洞室位置

7、的選擇土體洞室位置的選擇土體洞室，包括明挖回填洞和暗挖襯砌洞室，在工業(yè)與民用建筑及道路建設(shè)中應(yīng)用較普遍，其洞室位置選擇應(yīng)滿足：3洞室周邊應(yīng)力集中向松動國外的巖體內(nèi)部轉(zhuǎn)移，形成新的應(yīng)力升高區(qū)，稱為承載圈(團(tuán)6—18)。重分布應(yīng)力一般與初始應(yīng)力狀態(tài)及洞室斷面的形狀等有關(guān)。在靜水壓力狀態(tài)下的圓形洞室，開挖后應(yīng)力重分布的主要特征是徑向應(yīng)力(6r)向洞壁方向逐漸減小至洞壁處為0，切向應(yīng)力(66)在洞壁處增大為原本初始應(yīng)力的兩倍。重分布應(yīng)力的范圍一

8、般為洞室半徑r的5—6倍(圖6—19)。另外，地應(yīng)力因素的影響還表現(xiàn)在洞線選擇時一定要注意與最大水平主應(yīng)力方向平行。特別在高地應(yīng)力地區(qū)修建地下工程，一定要認(rèn)真研究地應(yīng)力的分布及對工程建筑的影響。如規(guī)劃中的南水北調(diào)西線引水隧洞等高地應(yīng)力區(qū)的地下工程建設(shè)中，地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定性的影響就成為一個重要的研究課題。，此外，影響地下工程巖土穩(wěn)定性還有地、地下工程的施工技術(shù)和施工方法等。地形上要求洞室區(qū)山體雄厚，地形完整，山體工程施工技術(shù)和施工方法是影

9、響巖體穩(wěn)定的一個重要方面。末受溝谷切割，沒有滑坡、崩塌等地質(zhì)現(xiàn)象破壞地形：大量工程實踐表明，地下良好的施工技術(shù)和科學(xué)的施工方法將有效地保護(hù)圍巖穩(wěn)定，不良的施工技術(shù)和不合理的施工方法將嚴(yán)重破壞巖體的穩(wěn)定性，降低巖體的基本質(zhì)量。因此，應(yīng)根據(jù)實際地質(zhì)條件，合理確定施工方案，盡量保護(hù)圍巖不被擾動。三、地下工程巖體穩(wěn)定分析方法三、地下工程巖體穩(wěn)定分析方法地下工程巖體穩(wěn)定分析評價，應(yīng)采用工程地質(zhì)分析與理論計算相結(jié)合的綜合評價方法。(一)工程地質(zhì)分析

10、法工程地質(zhì)分析法也稱為工程地質(zhì)類比法。主要在工程地質(zhì)勘察的基礎(chǔ)上，把擬建工程與工程地質(zhì)條件、工程特點及施工方法類似的已建工程相比較，對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價。為了便于對比，一般在大量實際資料的基礎(chǔ)上，對地下工程巖體進(jìn)行分級評價(參閱第五章巖體工程分級)。(二)力學(xué)計算方法力學(xué)計算方法是根據(jù)不同的巖體結(jié)構(gòu)、不同的力學(xué)屬性，簡化成不同的力學(xué)模型，應(yīng)用相應(yīng)的力學(xué)方法，研究圍巖的變形破壞過程，對圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行定量計算的評價方法。它可以彌補(bǔ)以往工程地質(zhì)