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1、1工程地质勘察第十讲 地下建筑物的工程地质勘察第十讲 地下建筑物的工程地质勘察勘察技术与工程工程地质方向勘察技术与工程工程地质方向10.1 概概述述人类采用工程手段在岩体或土体内开挖而成的具有人类采用工程手段在岩体或土体内开挖而成的具有 一定断面形状和延伸长度的各种地下空洞一定断面形状和延伸长度的各种地下空洞，统称为地下，统称为地下 建筑建筑(地下工程地下工程)。 1.地下建筑物分类地下建筑物分类 (1) 按使用目的或用途按使用目的或用途（2）按介质环境：地下建筑可分为土体地下建筑和岩石）按介质环境：地下建筑可分为土体地下建筑和岩石 地下建筑。地下建筑。 从结构设计角度出发，地层环境的不同对于
2、地下建筑从结构设计角度出发，地层环境的不同对于地下建筑 的结构选型、荷载确定以及结构设计计算方法有很大的结构选型、荷载确定以及结构设计计算方法有很大 影响影响。 （3） 按） 按埋深埋深:地下建筑可分为地下建筑可分为浅埋浅埋地下建筑和地下建筑和深埋深埋地下地下 建筑。建筑。作作用于用于这两这两类地下建筑类地下建筑上上的荷载不同，的荷载不同，施施工方工方 法法也也不一不一样样。浅埋浅埋地下建筑一地下建筑一般般采用采用明明挖法或挖法或盖盖挖法挖法 施施工，工，深埋深埋地下建筑一地下建筑一般般采用采用暗暗挖挖掘进施掘进施工。工。 （4）按内按内壁受水压力壁受水压力： 无压无压洞洞室室、有、有压压洞洞
3、室室2. 地下建筑的地下建筑的特点特点 全部埋置全部埋置在地下岩土体内，不在地下岩土体内，不占占用地面面用地面面积积，不，不干扰干扰 城市基础城市基础设设施施，隐蔽性好隐蔽性好不不受外界气候影响等特点受外界气候影响等特点,而而广广 泛应泛应用于用于国民经济国民经济建设和建设和国防国防工程建设工程建设之中之中。 但它但它的的安全安全、经济经济和和正常正常使用与使用与其所处其所处的地质环境的地质环境特特 征密切相关征密切相关，受受地质环境地质环境影响影响大。大。地质环境地质环境既是既是工程工程 建筑物的地建筑物的地基基，又是其所处又是其所处的环境。的环境。3. 地质体地质体中中开挖开挖破坏了破坏了
4、岩体的岩体的应力平衡应力平衡，引起应引起应 力力的的重重分分布布： （1） 围围岩的岩的变变形形破坏；破坏； （2）突突发发性涌水性涌水、突泥；突泥； （3）有）有害气害气体体PDF created with pdfFactory Pro trial version 24. 地下建筑工程地质勘察地下建筑工程地质勘察主要评价主要评价的的问题问题： (1)位址位址和方向选和方向选择择的工程地质的工程地质论证论证； (2)围围岩岩压力压力(简称简称围压围压)的工程地质的工程地质评价；评价； (3)支护支护结构设计的工程地质结构设计的工程地质论证论证； (4)施施工方法和工方法和施施工工条件条件的工程
5、地质的工程地质论证论证。地下建筑工程地质勘察的地下建筑工程地质勘察的任务任务 : 为不同设计为不同设计阶阶段段所要所要 解决解决的的主要问题主要问题提供必提供必要要的工程地质的工程地质依据依据。 地下建筑地下建筑位址位址的选的选择除根据择除根据国民经济国民经济的的需需要之外要之外，主主 要应要应考虑考虑在不同工程地质在不同工程地质条件条件下下修修建地下建筑建地下建筑时时其围压其围压 的大的大小小、支护支护结构的结构的复杂复杂程度和程度和施施工的工的难易难易程度程度等等.10.2 地下建筑围岩压力的工程地质评价(1)围围岩：岩：由由于开挖地下洞于开挖地下洞室室，周周围围的的初始初始应力应力发发生
6、生变变化化的岩体的岩体。10.2.1概述按按照森维南原理照森维南原理，由由开挖洞开挖洞室引起室引起的的应力应力状状态态的的重重大大 变变化局限化局限在洞在洞周周一定一定范范围之围之内。内。通通常常此范此范围等围等于地下洞于地下洞 室室横剖横剖面面中中最最大大尺寸尺寸的的35倍倍,习惯习惯上上将此范将此范围围内的岩内的岩 体体称称为为“围围岩岩”(2) 围围岩岩应力应力（二次二次应力应力）：开挖地下洞）：开挖地下洞室室时时发发生生 重重分分布布后后围围岩岩中中的的应力应力。 (3)围围岩岩压力压力： 地下建筑物的： 地下建筑物的围围岩在岩在重重分分布应力作布应力作 用下用下产生塑产生塑性变性变形
7、形破坏破坏而而作作用于用于支护支护结构结构上上的的压力压力。 (4)围围岩岩压力是作压力是作用于地下建筑用于地下建筑支护支护结构结构上上的的主要主要 外力外力，其性其性质和大质和大小取决小取决于地于地应力应力状状态态和岩体和岩体特性特性。(5) 围围岩岩压力压力与与围围岩岩应力应力区别区别： 地下建筑地下建筑围围岩岩应力应力包括包括开挖开挖前存前存在于岩体在于岩体中中的的天然天然的的应力应力，开，开 挖挖后后岩体的岩体的应力应力及及支护衬砌后支护衬砌后围围岩内的岩内的应力应力改善改善等等。地。地应力是应力是产产 生生围围岩岩压力压力的的基础基础，是是洞体洞体应力应力的的力力源源。洞体。洞体应力
8、应力来源来源于地于地应应 力力，但又但又与洞体的形状、与洞体的形状、规模规模和岩体的和岩体的特性密切相关特性密切相关。 围围岩岩压力压力直接来自直接来自洞体洞体应力应力，但但洞体洞体应力要应力要转化转化成成围围岩岩压力压力， 必须通过必须通过围围岩内岩体的岩内岩体的变变形、形、破坏破坏来实现来实现。只只有在地下建筑开挖有在地下建筑开挖 和和运营过运营过程程中中，洞体，洞体应力应力达到并达到并超超过过了了岩体的岩体的强强度，度，造造成岩体成岩体变变 形形乃至失稳乃至失稳破坏破坏，需需要要设设置置支护衬砌支护衬砌以以维维持持围围岩岩稳稳定，定，才会才会形成形成 围围岩岩压力压力。 围围岩岩压力是围
9、压力是围岩与岩与支护支护间间的的相相互互作作用用力力，它它与与围围岩岩应力应力不不是是同同 一一 个个概概念念，围围岩岩应力是应力是岩体岩体中中的内的内力力，而，而围围岩岩压力是压力是针针对对支护衬支护衬 砌来砌来说说的，的，是作是作用于用于支护衬砌支护衬砌上上的的外力外力。因因此此，如果如果围围岩岩足够坚足够坚 硬硬，完完全全能够承能够承受受住住围围岩岩应力应力的的作作用，用，就就不不需需要要设设置置支护衬砌支护衬砌， 也也就就不不存存在在围围岩岩压力问题压力问题。所所以以围围岩岩压力压力实实质质上是上是地下建筑地下建筑围围岩岩 的的变变形、形、破坏破坏造造成的。成的。9.2.1 围压围压类
10、型类型PDF created with pdfFactory Pro trial version 3A：根据产生的地质条件：B:据据围围岩岩压力压力的形成的形成机机理理，可，可划划分为形分为形变围变围岩岩压力压力、松动松动 围围岩岩压力压力及及冲击冲击围围岩岩压力压力三三种：种： （1）形）形变围变围岩岩压力是压力是由由于于围围岩岩塑塑性变性变形形如如塑塑性性挤入挤入、膨胀膨胀 内内鼓鼓、弯折弯折内内鼓鼓等等形成的，形成的，它它具有具有随随时时间增间增长的长的特点特点。产生产生 的的条件条件有：有：粘粘土质岩类，土质岩类，特特别别是是含蒙脱含蒙脱石石多多的岩石，的岩石，遇遇水水 易产生易产生膨
11、胀膨胀变变形形；围围岩岩应力应力超超过过岩体岩体屈服极屈服极限时限时，围围岩岩产产 生塑生塑性变性变形形；深埋深埋洞洞室室，由由于于围围岩岩受压力受压力过过大，大，易易引起引起塑塑 性性流动流动变变形的岩石。形的岩石。 （2）松动松动围围岩岩压力是压力是由由于于围围岩岩拉裂塌落拉裂塌落、块块体体滑移滑移及及重力重力 坍塌坍塌等破坏引起等破坏引起的。的。这是这是一种有一种有限范限范围围内内脱落脱落岩体的岩体的自自重施重施 加加在在支护衬砌支护衬砌上上的的压力压力，其其大大小取决小取决于于围围岩岩性性质、结构及地质、结构及地 下下水水活动活动和和支护时支护时间间等等因素因素。 （3）冲击冲击围围岩
12、岩压力是压力是由由于岩于岩爆爆形成的。形成的。它是它是弹脆弹脆性围性围岩岩过过 度度受力受力后后突突然然发发生生岩石岩石弹射弹射变变形形所引起所引起的的围围岩岩压力压力现现象象。冲冲 击击围围岩岩压力压力的大的大小小与与天然天然应力应力、围围岩的岩的力力学属学属性密切相关性密切相关， 并并受受到到洞洞室埋深室埋深，施施工方法及洞形工方法及洞形等等因素因素的的影响影响。硐硐 室室 围围 岩岩 破破 坏坏 类类 型型、 机机 理理 及及 措措 施施10.2.2各类各类围围岩岩压力压力的工程地质的工程地质评价评价1弹弹性围压性围压一岩一岩爆爆 在在坚硬完整坚硬完整岩体内，地下建筑开挖岩体内，地下建筑
13、开挖后后的洞体的洞体应力应力如如 果果在在围围岩的岩的弹弹性界性界限限之之内，内，则仅则仅在开挖在开挖后后的的短短时时期期内内引引 起起弹弹性变性变形，而不形，而不致致产生产生围围岩岩压力压力。但但当当建筑物建筑物埋深埋深较较 大，或大，或由由于构于构造造作作用用致致使使初始初始应力应力很很高高，开挖，开挖后后的洞体的洞体 应力应力超超过过了围了围岩的岩的弹弹性界性界限限，弹弹性应变性应变能能的的突突然然释放释放使使 围围岩岩产生产生急剧急剧的的破坏破坏，发出，发出清脆清脆的的响响声声，破坏破坏的岩的岩片片或或 岩岩块随即块随即向洞内向洞内弹弹出，大型出，大型者者还还常常伴伴有有气气浪浪，这这
14、种种现现象象 就就叫做叫做岩爆岩爆， 矿山矿山部部门门也也称称之之为为冲击冲击地地压压。PDF created with pdfFactory Pro trial version 42松动松动围围岩岩压力压力（1) 用用平衡平衡拱拱理论理论确定确定围围岩岩压力压力 MM.普罗托季亚科诺夫普罗托季亚科诺夫根据根据对一对一些矿山坑道些矿山坑道的的观观 测测和和松松散散介质介质模模型型试验得试验得出的，出的，故故称称为为普氏普氏理论理论。这这 一一理论理论认认为，为，被被断层、断层、节节理理裂裂隙隙等等错综错综复杂复杂的结构面的结构面 切切割割，使，使围围岩类岩类似似于于松松散散介质，介质，由由于开
15、挖的于开挖的扰扰动动，顶顶 部部出出现现拱拱形分形分离离体。体。拱拱形分形分离离体以体以外外的岩体的岩体仍保仍保持持平平 衡衡状状态态，拱拱形分形分离离体体失稳塌落失稳塌落后后便便形成一形成一个塌落个塌落拱拱或或 称自然称自然平衡平衡拱拱，所所以以普氏普氏理论理论又又称称为为平衡平衡拱拱理论理论（2)地质分地质分析析法法a: 柱柱形分形分离离体的体的围压围压计算计算 当当岩体的岩体的主要主要软弱软弱面为面为陡立陡立结构结构 面和面和缓倾缓倾结构面结构面时时即即可形成可形成这这种分种分离离体体 (图图106)。当当软弱软弱结构面结构面呈张呈张开状或开状或泥泥 化时化时其其抗剪抗剪强强度可度可忽略
16、忽略不计，不计，则则其围压其围压 即即为分为分离离体体自自身身的的重重量量。取取其其沿沿延伸方延伸方 向的向的单宽单宽围压围压为为Po，则则(10- 2)(10- 3)b: 尖尖角形分角形分离离体的体的围压围压计算计算 当当岩体内的岩体内的主要主要软弱软弱面为与洞面为与洞轴线近轴线近于于平平行行而而倾倾向向 相相反反或或倾倾角不同的角不同的软弱软弱结构面结构面时时，即即可形成可形成这这类分类分离离体。体。 若若分分离离体的体的尖尖角向下角向下则则是是稳稳定的，定的，反反之之则则是是不不稳稳定的。定的。 如如图图10一一7所所示示的分的分离离体，体，其其高高度为度为h，分，分离离体在洞体在洞顶顶的的 出出露宽露宽度与洞度与洞顶顶的的跨跨度度a相
