第十章地下建筑工程地質(zhì)勘察

1、,第二篇 各類建筑工程地質(zhì)勘察第十章 地下建筑工程地質(zhì)勘察,第一節(jié) 概述,地下建筑是指人工開挖或天然存在于巖土體中作為各種用途的構(gòu)筑物。 為各種目的修建在地層之內(nèi)的中空通道或中空洞室統(tǒng)稱為地下洞室，包括礦山坑道、鐵路隧道、水工隧洞、地下發(fā)電站廠房、地下鐵道及地下停車場(chǎng)、地下儲(chǔ)油庫(kù)、地下彈道導(dǎo)彈發(fā)射井以及地下飛機(jī)庫(kù)等。 雖然它們規(guī)模不等，但都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，就是都要在巖體內(nèi)開挖出具有一定橫斷面積和尺寸、并有較大廷

2、伸長(zhǎng)度的洞子。,第一節(jié) 概述,一 、地下洞室的分類 1. 按用途：礦山巷道（井）、交通隧道、水工隧道、地下廠房（倉(cāng)庫(kù)）、地下軍事工程 2. 按洞壁受壓情況：有壓洞室、無壓洞室 3. 按斷面形狀：圓形、矩形、城門洞形、橢圓形 4. 按與水平面關(guān)系：水平洞室、斜洞、垂直洞室（井） 5. 按介質(zhì)類型：巖石洞室、土洞 6. 按應(yīng)力情況：?jiǎn)问蕉词?、群?第一節(jié) 概述,二

3、、地下建筑的特點(diǎn) 1. 全部埋置于巖土體內(nèi)，其安全、經(jīng)濟(jì)和正常使用與其所處的地質(zhì)環(huán)境特征密切相關(guān)； 2. 由于開挖破壞了巖體的初始平衡條件引起巖體內(nèi)應(yīng)力的重新分布，圍巖常常會(huì)產(chǎn)生各種形式的變形和破壞； 3. 在某些地質(zhì)體中開挖洞室還會(huì)遇到突發(fā)性涌水、有害氣體和高地溫，使工程工期延長(zhǎng)，造價(jià)高。 因此在選擇地下建筑的位址時(shí)應(yīng)充分注意不良地質(zhì)因素的影響。,第一節(jié) 概述,三、地下建筑主要工

4、程地質(zhì)問題 1. 位址和方向選擇的工程地質(zhì)論證； 2. 圍巖壓力（圍壓）的工程地質(zhì)評(píng)價(jià)； 3. 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證； 4. 施工方法和施工條件的工程地質(zhì)論證。 這些問題都是分階段逐步解決的，先解決位址和方向的選擇問題，在解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工方法等問題。 地下建筑工程地質(zhì)勘察的任務(wù)就是為不同設(shè)計(jì)階段所要解決的主要問題提供必要的工程地質(zhì)依據(jù)。,第二節(jié) 地下建筑

5、圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),一、基本概念 巖體在地下建筑未開挖前一般處于應(yīng)力相對(duì)平衡狀態(tài)。由于地下建筑的開挖在巖體內(nèi)形成了自由表面，巖體中原有的應(yīng)力平衡條件受到了干擾、破壞而產(chǎn)生應(yīng)力重分布，在地下建筑周邊一定范圍內(nèi)（一般相當(dāng)于洞直徑的3倍左右）的巖體（即圍巖），則會(huì)因應(yīng)力的釋放而產(chǎn)生松弛并向開挖空間變形、位移以達(dá)到新的平衡。 圍巖壓力是指引起地下開挖空間周圍的巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是指圍巖

6、作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的力。圍巖壓力是作用于地下建筑支護(hù)結(jié)構(gòu)上的主要外力，其大小和性質(zhì)取決于巖體特性和地應(yīng)力狀態(tài)。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),地應(yīng)力（初始應(yīng)力）是指天然環(huán)境下地殼巖土體內(nèi)某一點(diǎn)所固有的應(yīng)力狀態(tài)，即未受人工開挖擾動(dòng)的應(yīng)力。 地應(yīng)力分為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)。 自重應(yīng)力是指由上覆巖體的自重所引起的應(yīng)力。 構(gòu)造應(yīng)力是指地層中由于過去地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的和現(xiàn)在正在活動(dòng)與變化的應(yīng)力。 若將地應(yīng)

7、力看作是一次應(yīng)力狀態(tài)，那么，圍巖壓力就是圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)?？梢?，分析圍巖的應(yīng)力重分布狀態(tài)，必須掌握兩個(gè)條件：一是巖體自身的力學(xué)性質(zhì)包括它的變形特性和強(qiáng)度特性；二是巖體的地應(yīng)力狀態(tài)。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),由大量的工程實(shí)踐中所觀察到的結(jié)果和應(yīng)用彈、塑性理論分析可知，圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)的主要特征可分為以下兩種： 1. 圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)呈彈性分布 巖體經(jīng)人工開挖之后，洞壁的部分應(yīng)力被釋放，洞室周圍的巖體進(jìn)

8、行應(yīng)力重新調(diào)整。由于巖體自身強(qiáng)度高或作用于巖體的地應(yīng)力比較低，使得洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)都在彈性應(yīng)力的范圍內(nèi)。因此，這樣的圍巖應(yīng)力重分布是彈性分布。從理論上說，這種類型的洞室可保持長(zhǎng)期的自我穩(wěn)定，可不必進(jìn)行支護(hù)。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),2. 圍巖的二次應(yīng)力狀態(tài)呈彈、塑性分布 由于作用在巖體的地應(yīng)力較大或巖體自身的強(qiáng)度比較低，洞室開挖后，洞周的部分巖體應(yīng)力超過了巖體的屈服應(yīng)力，使巖體進(jìn)入塑性狀態(tài)；隨著與洞壁的距離增大

9、，最小主應(yīng)力也將隨之增大，進(jìn)而提高了巖體的強(qiáng)度，并促使巖體的應(yīng)力轉(zhuǎn)為彈性狀態(tài)。 因此，這種彈、塑性應(yīng)力并存的狀態(tài)被稱為巖體二次應(yīng)力的彈、塑性分布。處在彈、塑性分布中的洞室，必須進(jìn)行支護(hù)，否則洞周的巖體將產(chǎn)生失穩(wěn)，影響洞室的正常使用。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),地應(yīng)力是產(chǎn)生圍巖壓力的基礎(chǔ)，是洞體應(yīng)力的來源。洞體應(yīng)力來源于地應(yīng)力，但又與洞體的形狀、規(guī)模和巖體的特性密切相關(guān)。圍壓壓力直接來源于洞體應(yīng)力，但洞體應(yīng)力要轉(zhuǎn)化為

10、圍巖壓力，必須通過圍壓內(nèi)巖體的變形、破壞來實(shí)現(xiàn)。只有在地下建筑開挖和運(yùn)營(yíng)的過程中，洞體應(yīng)力達(dá)到并超過了巖體強(qiáng)度，造成巖體變形乃至失穩(wěn)破壞，才會(huì)形成圍巖壓力。所以圍巖壓力實(shí)質(zhì)是地下建筑圍巖的變形、破壞造成的。 所以工程地質(zhì)勘察工作必須在查明工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上判明圍巖的穩(wěn)定程度，正確地確定圍巖壓力的大小，以保證據(jù)此設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)既經(jīng)濟(jì)又安全。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),地質(zhì)條件不同則圍巖壓力的性質(zhì)和大小不同，根據(jù)產(chǎn)生

11、的地質(zhì)條件不同，可將圍巖壓力劃分為六類（見下表）。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),二、各類圍巖壓力的工程地質(zhì)評(píng)價(jià) 1. 彈性圍壓—巖爆 在堅(jiān)硬完整巖體內(nèi)，地下建筑開挖后的洞體應(yīng)力如果在圍巖的彈性界限之內(nèi)，則僅在開挖后的短時(shí)期內(nèi)引起彈性變形，而不致產(chǎn)生圍巖壓力。但當(dāng)建筑物埋深較大，或由于構(gòu)造作用致使地應(yīng)力很高，開挖后的洞體應(yīng)力超過圍巖的彈性界限，彈性應(yīng)變能的突然釋放使圍巖產(chǎn)生急劇的破壞，發(fā)出清脆的響聲，破壞的巖

12、片或巖塊即向洞內(nèi)彈出，大型的還常伴有氣浪，這種現(xiàn)象就叫巖爆（沖擊地壓）。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),2. 松動(dòng)圍壓 由于開挖而松動(dòng)或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力稱為松動(dòng)圍壓。這是地下建筑中最常見的一種圍壓。目前主要有以下評(píng)價(jià)方法。 （1）平衡拱理論確定圍壓 M·M·普羅托季亞科諾夫認(rèn)為，被斷層、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面切割，使圍壓類似于松散介質(zhì)，由于開挖的擾動(dòng)，頂部出現(xiàn)拱

13、形分離體。拱形分離體以外的巖體仍保持平衡狀態(tài)，拱形分離體失穩(wěn)塌落后便形成一個(gè)塌落拱或稱自然平衡拱。這一理論對(duì)松散巖土比較適用。而對(duì)于巖體不適用，因?yàn)閹r體中有結(jié)構(gòu)面，巖體穩(wěn)定性主要取決于結(jié)構(gòu)面的組合關(guān)系和力學(xué)強(qiáng)度，而不僅決定于巖石本身的強(qiáng)度。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),（2）地質(zhì)分析法確定圍壓 地質(zhì)分析法的關(guān)鍵在于，首先用地質(zhì)分析方法判明巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育特征和組合關(guān)系，確定分離體的形狀類型和高度，然后分析抗滑

14、力和滑動(dòng)力之間的平衡關(guān)系，計(jì)算圍壓。 3. 塑性圍壓和膨脹圍壓 由于洞室開挖，洞室周邊巖體中有原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎驊?yīng)力狀態(tài)。如果有粘土巖、頁(yè)巖、千枚巖、凝灰?guī)r等塑性巖石存在，就會(huì)從洞室周邊向壓力減小的空間方向變形、擠出。如果以支撐或襯砌阻止其變形，則支襯就會(huì)承受壓力。變形就會(huì)延續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間，壓力隨變形增大而增大，這種圍壓稱為塑性圍壓。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),如果圍巖是粘土特別是超固

15、結(jié)粘土、硬石膏等組成的，就不單純是塑性變形，同時(shí)還伴有巖土體積的膨脹，這種塑性圍壓稱為膨脹圍壓。為了減小膨脹圍壓，常在圍巖與圬工外緣之間預(yù)留15cm的空間，讓其膨脹一段時(shí)間后再回填，此外還應(yīng)采取措施避免支襯底座因粘土吸水軟化而下降。 4. 流動(dòng)圍壓 洞室揭穿處于地下水位以下的飽水細(xì)砂、淤泥及斷層破碎帶時(shí)，由于開挖空間的形成，破壞了原始的按靜水壓力分布的應(yīng)力狀態(tài)，這些巖土就會(huì)和水一起流入洞室。如不采取措施

16、，則可將洞室全部填滿堵塞。若加支襯，則自洞頂至地表的全部巖土重量都可能壓在支襯上，這類圍壓稱為流動(dòng)圍壓。一般按靜水壓力的原則計(jì)算和評(píng)價(jià)其大小。,第二節(jié) 地下建筑圍巖壓力的主要地質(zhì)評(píng)價(jià),5. 偏壓 這是主要一種產(chǎn)生于淺埋隧道的特殊圍壓，分兩種情況： （1）傍山隧道 因隧道頂部松散堆積物沿底板傾斜面蠕動(dòng)或因滑坡二形成的圍壓皆為偏壓 。 （2）巖體沿軟弱夾層或充填有易滑物質(zhì)的裂隙乳化也

17、可對(duì)位于其下洞室造成偏壓。,第三節(jié) 無壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,一、常規(guī)支襯結(jié)構(gòu) 1. 支撐 一種加固圍巖的臨時(shí)性措施。在不太穩(wěn)定的巖體內(nèi)開挖地下建筑時(shí)，應(yīng)考慮及時(shí)設(shè)置支撐，以防止圍巖的早期松動(dòng)。 2. 襯砌 加固圍巖的永久性工程結(jié)構(gòu)。一般是用漿砌條石、混凝土、鋼筋混凝土砌筑的。在無壓隧道和洞室中，襯砌經(jīng)常承受來自圍巖的壓力，故其型式和厚度應(yīng)與圍壓相適應(yīng)。隨著圍壓的增大，洞

18、室將由不襯砌、半襯砌、全襯砌到帶仰拱的整體襯砌，邊墻也將由直墻式變?yōu)榍鷫κ?，厚度由薄變厚?第三節(jié) 無壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,二、噴錨支護(hù) 地下建筑在開挖后圍巖松動(dòng)的過程就是其穩(wěn)定性不斷降低的過程，也就是圍壓不斷增大的過程。所以要保護(hù)圍巖的穩(wěn)定性，就應(yīng)該在圍巖松動(dòng)的初期便采取措施制止其繼續(xù)發(fā)展。 傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)總是開挖后先作支撐，使開挖工作面推進(jìn)相當(dāng)遠(yuǎn)后，才能逐步拆除支撐進(jìn)行襯砌。支撐只能在

19、少數(shù)點(diǎn)上與圍巖接觸。襯砌與圍巖之間如不經(jīng)過回填灌漿也不是密接的。實(shí)際上就等于允許圍巖有較長(zhǎng)時(shí)間的松動(dòng)變形，結(jié)果襯砌只能被動(dòng)地承受圍壓松動(dòng)形成的極大圍壓，所以其厚度必須足夠大，開挖斷面也大大超過有效斷面，既拖延工期又增加工程造價(jià)。,第三節(jié) 無壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,噴錨支護(hù)在開挖斷面形成時(shí)，便可及時(shí)而迅速地支護(hù)，隨挖隨噴。根據(jù)需要在噴混凝土?xí)r還可配置鋼筋網(wǎng)或鋼拱架。這樣很快形成和圍巖緊密銜接的連續(xù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)還能將圍巖中

20、的空隙填實(shí)，使之同支護(hù)結(jié)構(gòu)一起構(gòu)成支承圍巖荷載的承載結(jié)構(gòu)，主動(dòng)地制止圍巖變形的發(fā)展，使圍巖能自承。 當(dāng)洞室斷面跨度加大到一定程度時(shí)，薄的噴混凝土層就不足以作為一種防護(hù)和加固圍巖的措施，而必須加設(shè)錨桿。斷面越大、巖體越軟弱，就越需要定型布置錨桿系統(tǒng)，甚至加鋼拱架或鋼筋網(wǎng)，以提供一個(gè)加固拱。錨桿和噴混凝土相結(jié)合就構(gòu)成了噴錨聯(lián)合支護(hù)。,第三節(jié) 無壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,噴錨支護(hù)最初是在奧地利發(fā)展起來的，所以又稱為新奧法

21、。是奧地利學(xué)者拉布西維茲教授于二十世紀(jì)50年代提出的。它是以既有隧道工程經(jīng)驗(yàn)和巖體理學(xué)等理論為基礎(chǔ)，將錨桿和噴射混凝土組合在一起作為主要支護(hù)手段的一種施工方法。 通過對(duì)圍巖變形的測(cè)量、監(jiān)控、采用錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放，盡量利用其自承能力的指導(dǎo)隧道設(shè)計(jì)和施工方法 目前新奧法幾乎稱為在軟弱破碎圍巖段修建隧道的一種基本方法，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益是明顯的。具有投資少、施工快、質(zhì)量可靠的優(yōu)點(diǎn)。,第三節(jié) 無壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)

22、設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,新奧法的基本要點(diǎn)可歸納如下： 1.巖體是隧道結(jié)構(gòu)體系中的主要承載單元，在施工中必須充分保護(hù)巖體，盡量減少對(duì)它的擾動(dòng)，避免過度破壞巖體的強(qiáng)度。 2.為了充分發(fā)揮巖體的承載能力，應(yīng)允許并控制巖體的變形。 3.為了改善支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，施工中應(yīng)盡快閉合，而成為封閉的筒形結(jié)構(gòu)。另外，隧道斷面形狀應(yīng)盡可能圓順，以避免拐角處的應(yīng)力集中。 4.通過施工中對(duì)圍巖和支護(hù)的動(dòng)態(tài)觀察、量測(cè)，合理安排施工程

23、序、進(jìn)行設(shè)計(jì)變更及日常的施工管理。 5.為了敷設(shè)防水層，或?yàn)榱顺惺苡捎阱^桿銹蝕，圍巖性質(zhì)惡化、流變、膨脹所引起的后續(xù)荷載，可采用復(fù)合式襯砌。 6.二次襯砌原則上是在圍巖和初期支護(hù)變形基本穩(wěn)定的條件下修筑的，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，因而提高了支護(hù)體系的安全度。 新奧法的基本要點(diǎn)是：少擾動(dòng)、早噴錨、勤量測(cè)、快封閉。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,有壓隧道的工作條件比無壓隧道復(fù)雜，經(jīng)常起作用的是

24、強(qiáng)大的內(nèi)水壓力，當(dāng)防空時(shí)又要承受外水壓力。 這首先就要求在內(nèi)水壓力作用下圍巖不致張裂或抬動(dòng)，而在設(shè)計(jì)襯砌時(shí)不僅要考慮圍巖的抗力能給襯砌提供多大的幫助，還要考慮當(dāng)隧道防空時(shí)襯砌也不會(huì)因外水壓力的作用而變形乃至破裂。 一、圍巖在內(nèi)水壓力作用下的穩(wěn)定性 1.按照彈性理論 根據(jù)厚壁圓筒的徑向應(yīng)力和切向應(yīng)力的拉梅公式計(jì)算，在3倍開挖洞徑以外由內(nèi)水壓力所產(chǎn)生的切向應(yīng)力很微小，可以忽略不計(jì)。因此，要求洞頂巖體的厚度不得

25、小于3倍洞徑。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,2.按照抗抬理論 假定洞頂寬度為B的上覆巖體不受附近巖體的約束，其自重（ )應(yīng)足以抵抗內(nèi)水壓力的上抬， 巖體厚度大于0.4倍水頭差。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,3.按照抗裂理論 要求圍巖在內(nèi)水壓力作用下不致產(chǎn)生拉裂。根據(jù)克西解答，當(dāng)圍巖的容重為2.5，側(cè)壓力系數(shù)為1時(shí)，則上覆巖體的厚度不得小于0.2倍內(nèi)水壓力水頭

26、。 如允許裂隙發(fā)生在自洞頂算起的1/3巖體厚度范圍以內(nèi)，則要求上覆巖體的厚度為,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,二、圍巖抗力與襯砌的穩(wěn)定性 1.圍巖抗力 有壓隧道由于常存在很高的內(nèi)水壓力，迫使襯砌向圍巖方向變形，圍壓被迫后退，將產(chǎn)生一個(gè)反力來阻止襯砌的變形。這種圍壓對(duì)襯砌的反力稱為圍壓抗力。 圍壓抗力愈大，愈有利于襯砌穩(wěn)定。圍巖抗力承擔(dān)了一部分內(nèi)水壓力，對(duì)襯砌起保護(hù)作用。 影響有

27、壓隧道圍巖整體穩(wěn)定性的因素：圍巖抗力、內(nèi)水壓力。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,2.圍巖抗力系數(shù)的確定 圍壓抗力系數(shù)：使隧道圍巖產(chǎn)生一個(gè)單位徑向變形所需要的內(nèi)水壓力。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,3.單位抗力系數(shù) 洞徑等于100cm時(shí)的巖石抗力系數(shù)。 巖石抗力系數(shù)是表征有壓隧道圍巖特性的基本指標(biāo)。其值愈大則圍巖替襯砌分擔(dān)內(nèi)水壓力的能力就愈大，襯砌就可以薄一些。,第四節(jié)

28、 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,三、外水壓力與襯砌的穩(wěn)定性 有壓隧道襯砌的穩(wěn)定性除決定于內(nèi)水壓力大小和圍巖變形特征外，在一定條件下還應(yīng)考慮外水壓力的作用。在某些情況下，如果對(duì)其確定不當(dāng)，對(duì)工程的經(jīng)濟(jì)和安全都有較大的影響。,第四節(jié) 有壓隧道及洞室支襯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程地質(zhì)論證,確定外水壓力的方法：在查明水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上測(cè)定與隧道有關(guān)的地下水位，計(jì)算出作用于襯砌上的最大水柱高度，然后根據(jù)地下水在運(yùn)動(dòng)過程中的水頭損失和作用

29、在襯砌上的最大水柱高度，然后根據(jù)地下水在運(yùn)動(dòng)過程中的水頭損失和作用在襯砌上的平均面積進(jìn)行折減。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,一、地下建筑施工方法的工程地質(zhì)論證 目前已有的掘進(jìn)方法有隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)法、傳統(tǒng)的坑道掘進(jìn)法和特殊掘進(jìn)法。 1.隧道掘進(jìn)機(jī)的適用條件 具有掘進(jìn)速度快，超挖小，圍巖松動(dòng)小，勞動(dòng)條件好，對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。但掘進(jìn)機(jī)目前僅能用于沒有塑性圍巖和涌水的中等堅(jiān)硬巖石。 2.各

30、種坑道掘進(jìn)法的適用條件 采用坑道掘進(jìn)法在巖體中掘進(jìn)一般需鑿巖、爆破、出渣，工序較多、進(jìn)度慢，且一般的爆破總是對(duì)圍巖有破壞，常規(guī)的襯砌又不能制止圍巖的早期變形。為此近年來多采用預(yù)拉爆破（又稱光面爆破）和噴錨支護(hù)。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,3.特殊施工方法 若圍壓穩(wěn)定性低則宜采用一些特殊施工方法，如凍結(jié)法、壓漿固結(jié)法和盾構(gòu)法等。 （1）壓漿固結(jié)法 當(dāng)掘進(jìn)即將進(jìn)入高水頭含水破碎帶或砂礫石層

31、時(shí)，可于掌子面按環(huán)形打超前鉆孔，并向孔內(nèi)壓漿（水泥漿、水玻璃或環(huán)氧樹脂等），使其掌子面前方形成一個(gè)堅(jiān)硬不透水的錐形巖體，然后在這個(gè)巖體中掘進(jìn)。當(dāng)隧道埋藏較淺或用隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)，在前方遇有松散含水層時(shí)，也可從地面打孔壓漿，使掘進(jìn)機(jī)即將通過的地段固結(jié)不透水。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,壓漿固結(jié)法是突破斷層破碎帶的重要施工方法。由于壓漿水被從圍壓四周排除，具有降低圍巖含水比和將隧道四周的水壓作用點(diǎn)壓向外側(cè)的兩用效果。,第五

32、節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,（2）凍結(jié)法 含水層凍結(jié)后就成為堅(jiān)固的不透水巖層，故也可采用凍結(jié)的方法使掘進(jìn)機(jī)能順利地通過流砂層和其他高水頭含水層。其方法：在掌子面上按環(huán)形布置多層鉆孔，插入冷卻管用冷凍機(jī)壓入冷凍液（液態(tài)NH3或CaCl2鹽水),使掌子面前方形成一錐形凍結(jié)體，然后在凍結(jié)巖體中掘進(jìn)。但隧道埋深較淺時(shí)，也可從地面鉆孔、插管、壓入冷凍液，在掌子面前方形成與洞軸向一致的凍結(jié)墻，然后掘進(jìn)。荷蘭阿姆斯特丹地下鐵道和

33、意大利圣露西壓隧道薩勒諾市段，都是采用這種方法施工的。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,（3）盾構(gòu)法：在一個(gè)前端帶刃腳的鋼制圓筒-盾構(gòu)保護(hù)之下施工。頭部可以安全地開挖地層，尾部可以裝配預(yù)制管片或砌塊，迅速地拼裝成隧道永久襯砌。 用盾構(gòu)法修建隧道開始于1818年，法國(guó)工程師布魯諾爾； 1825年在英國(guó)泰晤士河下首次用矩形盾構(gòu)建造隧道； 近代，日本盾構(gòu)法得到了迅速發(fā)展，用途越來越廣，并研制了大量新型盾構(gòu)

34、； 我國(guó)于1957年北京下水道工程中首次出現(xiàn)了2.6m小盾構(gòu)；上海市延安東路過江道路隧道使用11.0m直徑的大盾構(gòu)。 但盾構(gòu)比較笨重，造價(jià)高又局限于圓形斷面。僅在江河或城市下的松散地層中修建大型隧道時(shí)才用。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,二、地下建筑不良施工條件的工程地質(zhì)預(yù)報(bào) 1.涌水的預(yù)報(bào) 當(dāng)遇到富水的砂礫石層、斷層破碎帶，特別是充

35、水大溶洞時(shí)。就要警惕突發(fā)性涌水的襲擊。這種涌水的水量極大，來勢(shì)很猛，常伴有洞頂塌陷，砂石隨水涌入，往往造成淹沒和沖毀洞室，不僅嚴(yán)重影響施工的正常進(jìn)行，甚至還會(huì)造成人身事故；在遇水軟化的巖層中能使襯砌地基的承載力降低，大量涌水還會(huì)造成地表水源枯竭等。,第五節(jié) 地下建筑施工方法和施工條件的地質(zhì)論證,2.有害氣體突出的預(yù)報(bào) 在含有煤、石油、瀝青、硫化礦床、碳質(zhì)頁(yè)巖和碳酸鹽巖地層中掘進(jìn)時(shí)，要警惕甲烷、硫化氫、二氧化碳、一氧化碳以及乙烷、

36、氡等有害氣體的襲擊。 3.高地溫預(yù)報(bào) 對(duì)于埋深很大或位于地?zé)岙惓５貐^(qū)的地下建筑，在掘進(jìn)過程中要注意高地溫的影響。例如日本黑部川第三電站尾水隧洞，掘進(jìn)過程中遇到的地溫高達(dá)175℃，不僅不適于人在其中工作，而且還帶來了爆破安全、混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)，在濃霧狀態(tài)下作業(yè)安全等一系列問題。因此，查明和預(yù)報(bào)地?zé)岙惓^(qū)的特點(diǎn)和分布，以便預(yù)先采取防護(hù)措施。,第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,目前國(guó)內(nèi)外已提出的圍巖分類方案多達(dá)數(shù)十種，歸納起來

37、大致分為兩類： 一類是以某一種能反映圍巖強(qiáng)度和破碎狀態(tài)等綜合情況的定量指標(biāo)作為分類的依據(jù)； 另一類則是綜合考慮幾個(gè)方面的指標(biāo)作為分類的依據(jù)。 一、以單一指標(biāo)為依據(jù)的分類 1. 巖石質(zhì)量指標(biāo)：RQD，既反映了巖石的破碎情況，也在一定程度上反映了巖石的強(qiáng)度，是一個(gè)綜合性指標(biāo)。 2. 勞弗的自承時(shí)間分類：以圍巖在不加支護(hù)的情況下保持穩(wěn)定所延續(xù)的時(shí)間。該時(shí)間將隨不支護(hù)段的長(zhǎng)度和圍巖性質(zhì)不同二變化，也是一個(gè)

38、綜合性指標(biāo)。,第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,巖體基本質(zhì)量分級(jí),第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,二、綜合多個(gè)指標(biāo)為依據(jù)的分類 1. 公路隧道圍巖分類,第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,2. 水利水電圍巖工程地質(zhì)分類 分類應(yīng)以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀五項(xiàng)因素之和的總評(píng)分為基本判據(jù)，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比為判定根據(jù)，并符合下表的規(guī)定。,第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,3. 鐵路工

39、程地質(zhì)圍巖分類 鐵路隧道圍巖分類應(yīng)根據(jù)圍巖基本分級(jí)，受地下水、高地應(yīng)力及環(huán)境條件等影響的修正，綜合分析后確定。 《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)：根據(jù)巖塊的飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值R0劃分巖石的堅(jiān)硬程度。,第六節(jié) 地下建筑圍巖工程地質(zhì)分類,4. 巴頓的Q分類 巴頓等人提出的巖體質(zhì)量分類與6個(gè)地質(zhì)參數(shù)有關(guān)：,,第七節(jié) 地下建筑位址和方向選擇的工程地質(zhì)論證,1. 地形上 要求山體完整，洞涵周圍包

40、括洞頂山體側(cè)向應(yīng)有足夠的山體厚度，避免因地形條件不良造成的施工困難，同時(shí)也避免埋深過大造成的高地應(yīng)力，高地溫等影響。 2. 巖性條件 應(yīng)特別注意巖體強(qiáng)度的選擇，巖體強(qiáng)度主要受各種軟弱結(jié)構(gòu)面的控制，因此軟弱薄層狀圍壓最易產(chǎn)生變形破壞，應(yīng)盡量繞避。 巖性比較堅(jiān)硬，力學(xué)性能較好，風(fēng)化輕微，對(duì)圍巖有利。而巖體易于軟化、風(fēng)化和侵蝕的巖體不利于圍巖穩(wěn)定。,,第七節(jié) 地下建筑位址和方向選擇的工程地質(zhì)論證,3. 地質(zhì)構(gòu)造條件的選

41、擇 （1）較大的斷層破碎帶、裂隙密集帶等軟弱帶不利于圍巖穩(wěn)定，在施工中還可能遇到突發(fā)性涌水，應(yīng)盡量避開。若不能避開，應(yīng)以最短距離通過。 洞室的軸向與構(gòu)造的交角45～65°為宜，過小影響邊墻的穩(wěn)定性，且將很大范圍乃至整個(gè)洞室都遇到軟弱帶，可能導(dǎo)致嚴(yán)重的坍塌。交角過大影響穿過該段時(shí)掌子面的穩(wěn)定性。 對(duì)于隧道應(yīng)最可能地垂直主要軟弱帶穿過。,,第七節(jié) 地下建筑位址和方向選擇的工程地質(zhì)論證,（2）傾斜巖層：若平行

42、走向則易形成偏壓，且往往造成較大的超挖，應(yīng)盡可能地垂直走向布置 （3）背斜：雖然裂隙發(fā)育，但巖層本身形成自然拱，有利于圍巖穩(wěn)定。 （4）向斜：巖體破碎，地下水富集，不利于巖體穩(wěn)定，應(yīng)予避開。 （5）盡量避開活動(dòng)斷裂 4. 水文地質(zhì)條件選擇 從水文地質(zhì)條件選擇地下建筑的位址時(shí)，應(yīng)盡量避開松散飽水巖層、富水的斷層破碎帶及巖溶化碳酸鹽巖層。,第七節(jié) 地下建筑位址和方向選擇的工程地質(zhì)論證,5. 地應(yīng)力方向

43、的選擇 在一般情況下，洞室軸向應(yīng)與最大水平主應(yīng)力垂直，以改善洞室周邊的應(yīng)力狀態(tài)。但當(dāng)?shù)貞?yīng)力很大時(shí)，則洞室軸向最好與最大主應(yīng)力平行，以保證邊墻的穩(wěn)定。 6.其他條件選擇 對(duì)于傍山隧道和其它地下建筑進(jìn)出口位置的選擇，要注意研究斜坡巖體的穩(wěn)定性避免進(jìn)出口布置在有可能滑動(dòng)的巖體內(nèi)，而應(yīng)盡可能地將它們布置在新鮮、；裸露的堅(jiān)硬基巖中，在地形上還應(yīng)保證洪水期間地表溝谷水流不會(huì)倒灌進(jìn)洞，并有利于施工布置。 在選擇地下建筑

44、位置和方向的實(shí)際工作中，應(yīng)在全面、綜合研究各種地形地質(zhì)因素的基礎(chǔ)上，結(jié)合地下建筑不同部位的特點(diǎn)和要求進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而選擇較好的山體，洞口位置和洞軸線方向。,第八節(jié) 地下建筑工程地質(zhì)勘察要點(diǎn),A.本階段的勘察方法以工程地質(zhì)測(cè)繪為主，輔以必要的勘探、試驗(yàn)工作，查明建筑場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)條件，判明是否有不良地質(zhì)因素。測(cè)繪比例尺一般為1/5000～1/25000。 B.本階段勘探以物探為主，用以探測(cè)覆蓋層厚度、古河道、巖溶洞穴、斷層破碎帶

45、及地下水分布等。 C.鉆探孔距一般200～500m，一般布置在洞室進(jìn)出口、地形低洼處及存在工程地質(zhì)問題的地段。鉆孔深度一般應(yīng)鉆至設(shè)計(jì)洞底高程以下10～20m。在鉆進(jìn)過程中，應(yīng)收集水文地質(zhì)資料，并根據(jù)需要進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)和抽、壓水試驗(yàn)。試驗(yàn)以室內(nèi)巖土物理力學(xué)試驗(yàn)為主，必要是可進(jìn)行少量的原位巖體試驗(yàn)。,第八節(jié) 地下建筑工程地質(zhì)勘察要點(diǎn),2. 初步設(shè)計(jì)階段工程地質(zhì)勘察 （1）查明地下建筑沿線地區(qū)的工程地質(zhì)條件。在地形復(fù)雜地段

46、應(yīng)注意過夠地段、傍山淺埋地段和進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定條件；在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)，應(yīng)查明松散、軟弱、膨脹、易溶及巖溶化巖層的分布，一級(jí)巖體中各種結(jié)構(gòu)面的分布、性質(zhì)及其組合關(guān)系，并分析它們對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響； （2）查明地下建筑地段水文地質(zhì)條件，預(yù)測(cè)掘進(jìn)時(shí)的涌水及突水的可能性、位置及最大涌水量；在可溶巖分布區(qū)，還應(yīng)查明巖溶發(fā)育規(guī)律，主要洞穴的發(fā)育層位、規(guī)模、充填情況及富水性。,第八節(jié) 地下建筑工程地質(zhì)勘察要點(diǎn),（3）確定巖體的物理力學(xué)參數(shù)，

47、進(jìn)行圍巖分類，研究評(píng)價(jià)地下建筑圍巖及進(jìn)出口邊坡的穩(wěn)定性，并提出處理建議。 （4）對(duì)大跨度洞室，還應(yīng)查明主要軟弱結(jié)構(gòu)面的分布和組合關(guān)系，結(jié)合地應(yīng)力評(píng)價(jià)洞室圍巖的穩(wěn)定性，提出處理建議。 本階段，工程地質(zhì)測(cè)繪、勘探及試驗(yàn)等工作同時(shí)進(jìn)行。 A. 工程地質(zhì)測(cè)繪主要是補(bǔ)充校核可行性研究結(jié)構(gòu)選定洞室地段的工程地質(zhì)圖件，在進(jìn)出口、傍山淺埋地段、過溝地段等地質(zhì)條件復(fù)雜地段可進(jìn)行專門性工程地質(zhì)測(cè)繪，比例尺一般為1/1000～1/2

48、000。,第八節(jié) 地下建筑工程地質(zhì)勘察要點(diǎn),B. 鉆探孔距一般為100～300m，在水文地質(zhì)條件復(fù)雜地段，還應(yīng)布置適當(dāng)?shù)乃牡刭|(zhì)鉆孔，并進(jìn)行水文地質(zhì)觀測(cè)和抽、壓水試驗(yàn)?？犹街饕贾迷谶M(jìn)出口及過溝等地段，以查明這些地段的工程地質(zhì)條件。 C. 同時(shí)，結(jié)合鉆探和坑探，以圍巖分類為基礎(chǔ)，分組采取巖樣進(jìn)行室內(nèi)巖石物理力學(xué)試驗(yàn)及原位巖體力學(xué)試驗(yàn)，測(cè)定巖石和巖體的物理力學(xué)參數(shù)。 D. 若洞室埋深很大時(shí)，還需進(jìn)行地應(yīng)力及地溫測(cè)定等。,