7 地下工程地质问题本章要点：主要的地下工程地质问题的分析及保障地下洞室围岩稳定性的处理措施。

学习目标：1、知道围岩压力变形破坏的基本类型，围岩压力的表现形式。

2、知道地下洞室围岩稳定与哪些因素有关，主要的地下工程地质问题。

3、知道保障地下洞室围岩稳定性的处理方法。

在岩（土）体内，为各种目的经人工开凿形成的地下工程构筑物称为地下洞室。

研究地下洞室围岩稳定性的实质，是研究岩体在开凿洞室后，力学变化机理和岩体中应力分布状况。

一般情况下，在查明岩体结构特征和地应力条件的基础上，根据岩体的强度和变形特点就可以判别围岩的稳定性。

目前用于研究围岩稳定性的方法有：数学力学计算方法，围岩的变形和破坏机制分析方法，围岩地质结构分析和围岩稳定性分类方法，模拟试验方法等。

本章的主要内容有：以岩体结构及地应力理论为基础；系统的分析岩体变形与破坏机制和基本类型；介绍围岩的工程分类及其应用。

此外还要讨论围岩稳定性的评价方法，常见地下工程地质问题。

7.1地应力与洞室围岩的变形及破坏地应力也称天然应力、原岩应力、初始应力、一次应力，是指存在于地壳岩体中的应力。

由于工程开挖，使一定范围内岩体中的应力受到扰动而重新分布，则称为二次应力或扰动应力，在地下工程中称围岩应力。

地应力包括岩体自重应力、地质构造应力、地温应力、地下水压力以及结晶作用、变质作用、沉积作用、固结脱水作用等引起的应力。

洞室开挖后，地下形成了自由空间，原来处于挤压状态的围岩，由于解除束缚而向洞室空间松胀变形；这种变形大小超过了围岩所能承受的能力，便发生破坏，从母岩中分离、脱落，导致坍塌、滑动、隆破和岩爆等。

洞室围岩的变形与破坏程度，一方面取决于地下天然应力、重分布应力及附加应力；另一方面与岩土体的结构及其工程地质性质密切相关。

一、围岩的变形导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。

地下洞室开挖前，岩（土）体处于自然平衡状态，内部储蓄着大量的弹性能，地下洞室开挖后，这种自然平衡状态被打破，弹性能释放，一定范围内的围岩发生弹性恢复变形。

另一方面，由于围岩应力重新分布，各点的应力状态发生变化，导致围岩产生新的弹性变形。

这种弹性变形是不均匀的，从而导致地下洞室周边位移的不均匀性。

重新分布的围岩应力在未达到或超过其强度以前，围岩以弹性变形为主。

一般认为，弹性变形速度快、量值小，可瞬间完成，一般不易觉察。

当应力超过围岩强度时，围岩出现塑性区域，甚至发生破坏，此时围岩变形将以塑性变形为主。

塑性变形延续时间长、变形量大，发生压碎、拉裂或剪破，塑性变形是围岩变形的主要组成部分。

如果围岩裂隙十分明显或者围岩破坏严重时，节理、裂隙间的相互错位、滑动及裂隙张开或压缩变形将会占据主导地位，而岩块本身的变形成分退居次要地位，按照岩体结构力学的原理，由于岩体中大小结构面的存在，围岩的变形都会或多或少地存在结构面的变形。

此外，由于岩石的流变效应十分明显，围岩长期处于一种动态变化的高应力作用之中，流变也是围岩变形不可忽略的组成部分。

二、围岩的破坏（一）脆性破坏整体状结构及块状结构岩体，在一般工程地区开挖时是稳定的，有时产生局部掉块；但是在高地应力地区，由于洞室周边应力集中可引起岩爆，属脆性破裂。

在地下洞室开挖过程中，施工导洞扩挖时预留的岩柱，易产生劈裂破坏，也具有脆性破裂的特征。

（二）块体滑动与塌落块状、厚层状以及一些均质坚硬的层状结构岩体构成的围岩稳定性是高的。

当这类岩体受软弱结构面的切割形成分离块体时，在重力和围岩应力作用下，有可能向临空面方向移动，而形成块体的滑动与塌落。

在块状岩体中，由于破裂结构面的发育程度和组合方式不同，时分离体的形态各有差异，反应在块体的塌落规模和自行稳定的时间上也不一样。

因此，就可以根据洞室各个部位结构面的组合特征，去预报不稳定块体的形态与大小。

最为常见的是锯齿形，其次为人字及各种槽形。

（三）层状岩体的弯曲折断层状岩体的弯曲折断多发生在层状结构岩体中，尤其是在夹有软岩的互层状结构岩体中最为常见，然而在一些大型的地下工程中，受一组极发育的结构面控制的似层状结构岩体，也可以产生类似的弯曲破坏。

（四）碎裂岩体的松动解脱在水工隧洞施工中，较大规模的塌落和滑动多发生在由构造挤压破碎、节理密集以及岩脉穿插的破碎地段。

当岩体中泥质结构面数量较少时，围岩具有一定的承载能力，但是在张力和振动力作用下容易松动、解脱成为碎块散开或脱落。

一般在洞顶呈现崩塌，在边墙上则表现为滑塌或碎块的坍塌。

（五）塑性变形和膨胀有些具备松散结构的岩体，在重力、围岩应力和地下水的作用下产生塑性变形，并导致围岩的破坏。

常见的塑性变形和破坏形式有边墙挤入、底鼓及洞径收缩等。

膨胀是岩体体积随时间变化而增大的一种现象，通常是把由潜在膨胀性的岩石失水后引起的体积应变看作膨胀。

（六）松散围岩的变形与破坏松散围岩体是指强烈构造破碎、强烈风华岩体或新近堆积的松散土体。

这类围岩的力学属性表现为弹塑性、塑性或流变形，其破坏形式易拱形冒落为主。

当围岩结构均匀是，冒落拱的形状较为规则，但当围岩结构不均匀或松散岩体仅构成局部围岩时，则常表现为局部塌方、塑性挤入及滑动等变形破坏形式。

（七）特殊地质问题1、涌水当地下洞室穿越含水层时，不可避免的会是地下水涌进洞内，为施工带来困难。

（1）涌水条件：⎪⎩⎪⎨⎧产生涌水。

贯通裂缝，暴雨时可能已开挖洞室：与地面有生涌水。

或地下暗河等，可能产破碎带，蓄水洞穴又富含水的节理、断层开挖洞室：遇相互贯通（2 ）涌水预测方法：1）相似比拟法： ①由实测导坑涌水量推算：000Q S S F F Q ⋅⋅=②由于开挖地段涌水量推算：00Q L L Q ⋅= 2）水均衡法：T A F Q ⋅⋅⋅=α10003）地下水动力学法：①潜水含水层中的完整型隧道： R h H K B Q 22-⋅=②承压水含水层中的完整型隧道： R h M H M K B Q ])2([2--⋅=2、有害气体天然存在的有害气体能够充满岩石中的孔隙。

这种气体或许处于压力之下，并且曾有过受压气体突然进入地下井巷使岩石受爆炸力破坏的情况。

很多气体是危险的，例如甲烷，即沼气，可在上石炭统煤系中碰到。

如：瓦斯：（以甲烷为主的有害气体的总称，主要发生在含煤地层）⎪⎩⎪⎨⎧％时，易使人窒息。

瓦斯浓度为％时）量为；易爆炸。

（特别是含％－瓦斯浓度为％；能在高温下燃烧。

－瓦斯浓度小于危害条件：57~428%16~146~565⎩⎨⎧。

％，工作人员撤离现场瓦斯浓度大于％，不准装药放炮。

瓦斯浓度大于施工要求：213、地温地壳中温度有一定变化规律。

地表下一定深度处的地温、常年不变的称为常温带。

常温带以下，地温随深度增加，地热增温率为深度增加100m 时地温的增加值。

4、岩爆地下洞开挖过程中，围岩突然猛烈释放室在弹性变形能，造成岩石脆性破坏，或将大小不等的岩块弹射或掉落，并常拌有响声的现象叫做岩爆。

⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧m 200岩爆发生的临界深度为阶段，应力调整阶段、岩爆岩爆过程分为启裂阶段岩爆时，尚伴有声音硬岩石中发生在高应力地区的坚岩爆特点：5、腐蚀⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧结晶分解复合类腐蚀碳酸型腐蚀一般酸型腐蚀分解类腐蚀：此外：还有冰劈作用钙矾型腐蚀石膏型腐蚀芒硝型腐蚀结晶类腐蚀：、腐蚀类型： 1⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧→→→以上达局部呈豆腐碴状，深度强腐蚀局部骨料外露中等腐蚀局部砂浆剥落弱腐蚀无腐蚀、腐蚀严重程度：cm 202⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧水层场、堆煤场等地的地下冶炼厂、化工厂、废渣含硫矿床的地下水层土我国长江以南的酸性红残体的冲积层我国东南沿海有红树林泥炭、淤泥、沼泽等地灰岩等中的含膏地层红层及、、、腐蚀易发生地区：T J K R 37.2 围岩的工程地质分类及其应用分类科学也称为分类学，是研究分类理论的内涵，包括基础、原理、过程及规则，岩体分类的目的是为了系统的认识岩体的工程特性及其产生变形和破坏的一般规律，以便有效地利用和改造岩体，为工程设计和施工提供依据。

岩体的分类目的包括：1.确定影响岩体特征最重要的参数。

2.根据岩体的明显特征，将其相同的分成一组。

3.明确每一个岩体组的特征及其分类基础。

4.进行一个工程的岩体特征分析，并与其他工程对比分析。

5.取得为工程设计的定量资料和准则。

6.建立工程师与地质师之间的相互关系。

目前，国内外比较有系统的围岩分类至少有百十余种。

但是，其中堪称完善且能为众人所接受的分类是不多的。

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，简单易行，并且应能经的起工程实践的检验。

根据现有分类所采用的原则，大体上可归并成三个分类系统：1.按围岩的强度或岩体主要力学性质属性分类。

2.以围岩稳定性为基础的综合分类。

3.按岩体质量等级的分类。

7.3 围岩稳定性计算围岩稳定性计算是根据不同的岩体结构，不同的力学属性，简化成不同的力学模型，应用相应的力学方法，研究围岩的变形破坏过程，对围岩稳定性进行定量计算评价的方法，其重点是计算围岩压力。

围岩压力是指围岩作用在支护（衬砌）上的压力，是确定衬砌设计荷载大小的依据，围岩压力也称山岩压力或地压。

围岩有松动压力、变形压力、冲击压力和膨胀压力四种。

（1）松动压力由于开挖而引起围岩松动或坍塌的岩体以重力形式作用在支护结构上的压力称为松动压力，亦称散体压力。

松动压力是因为围岩个别岩石块体的滑动、松散围岩以及在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿软弱结构而发生剪切破坏等导致局部滑动引起的。

（2）变形压力开挖必然引起围岩变形，支护结构为抵抗围岩变形而承受的压力称为变形压力。

围岩变形是时间的函数，变形压力与围岩变形和支护结构有关．所以变形压力是时间和支护结构特性的函数。

围岩压力随时间的增加而减小，同一支护结构，一般随着支护时间的增加变形压力减小，但太长的支护时间会导致变形超过围岩极限变形而使围岩破坏，出现松动压力，从而作用到支护结构上的围岩压力又将增加．也使围岩性能变坏，因此隧道开挖后，一定的支护结构应有一个合理的支护时间。

同一支护时间采用不同的支护结构，变形压力也将不同，一般地说支护结构柔性越好则变形压力就越低。

（3）冲击压力在坚硬完整岩体中，地下建筑开挖后的洞体应力如果在围岩的弹性界限之内，则仅在开挖后的短时期内引起弹性变形，而不致产生围岩压力。

但当建筑物埋深较大，或由于构造作用使初始应力很高，开挖后洞体应力超过了围岩的弹性界限，这些能量突然释放所产生的巨大压力，称为冲击压力。

冲击压力发生时，伴随着巨响，岩石以镜片状或叶片状高速迸发而出，因此冲击压力也称岩爆。

（4）膨胀压力某些岩体由于遇水后体积发生膨胀，从而产生膨胀压力。

膨胀压力与变形压力的基本区别在于它是围岩吸水膨胀引起的，从现象上看与流变和压力相似。

膨胀压力的大小取决于岩体的物理力学性质和地下水的活动特征。