第7章-地下工程地质问题【精选】课件

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1、普通高等学校土木工程专业精编系列规划教材工程地质学主编 张士彩目录下页上页7 地下工程地质问题目录下页上页内容提要能力要求 本章主要内容包括岩体结构及地应力的基本概念、地下洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制、保证洞室围岩稳定的工程措施等。本章教学重点为地下洞室变形及破坏的类型，教学难点为保证洞室围岩稳定的各种工程措施。 通过本章的学习，学生应达到如下能力：（1）掌握岩体及岩体结构的基本概念、地应力的基本概念。（2）理解地下洞室变形及破坏的基本类型及破坏机制。（3）了解保证洞室围岩稳定的工程措施。（4）能够达到灵活运用所学理论知识以解决工程中遇到的实际问题的能力。目录下页上页 随着我国经济的高速

2、发展，有限的土地资源成为很多地区发展的瓶颈。21世纪是地下工程开发利用的世纪，为了能适应高速发展的经济，我们在平面发展空间不足的情况下，优先想到了向空中与地下要空间，尤其是地下空间的利用，具有很多优点与可操作性。因此，地下工程将会是近几年的热点关注所在。 地下工程是与地质条件关系最为密切的工程建筑。不同于地面工程，地下工程位于地表以下一定深度，受周围岩土体的影响更为明显。因此这些岩土体的工程地质特性对地下工程的影响更为直接。修建于各种不同地质条件的岩土体内，所遭遇的工程地质问题比较复杂。本章将对地下工程中常见地质问题进行讲解。目录下页上页 在岩（土）体内，为各种目的经人工形成的地下建筑物称为地

3、下工程地下工程，其中经人工开凿形成的地下空间称为地下洞室地下洞室，包括各种地下厂房、附建式地下结构及隧道等。 随着科学技术的进步和建设事业的发展，大型工业、企业以及市政设施的地下工程系统日益增多，在水利水电、交通运输、矿山开采、城市建设以及军事工程、人防工程等方面出现了大量的、规模巨大的地下工程。 目录下页上页纽约联邦储备银行的地下金库，地下纽约联邦储备银行的地下金库，地下纽约联邦储备银行的地下金库，地下纽约联邦储备银行的地下金库，地下5 5层深达海平面以下层深达海平面以下层深达海平面以下层深达海平面以下1515米米米米目录下页上页地下工业贮藏设施（油库）地下工业贮藏设施（油库）地下工业贮藏设

4、施（油库）地下工业贮藏设施（油库）目录下页上页城市地下共同沟（东京）城市地下共同沟（东京）城市地下共同沟（东京）城市地下共同沟（东京）目录下页上页城市地下人防工程城市地下人防工程城市地下人防工程城市地下人防工程目录下页上页危险源地下工厂危险源地下工厂危险源地下工厂危险源地下工厂 目录下页上页地铁车站（北京地铁地铁车站（北京地铁地铁车站（北京地铁地铁车站（北京地铁1 1号线王府井站站厅层）号线王府井站站厅层）号线王府井站站厅层）号线王府井站站厅层）目录下页上页地铁区间隧道地铁区间隧道地铁区间隧道地铁区间隧道目录下页上页山岭隧道山岭隧道山岭隧道山岭隧道目录下页上页 地下工程是与地质条件关系密切的工

5、程建筑。地下工程位于地表下一定深度，修建在各种不同地质条件的岩（土）体内，所遇到的工程地质问题十分复杂。 从工程实践来看，地下工程的工程地质问题是围绕着工程岩（土）体的稳定而出现的。 因此，研究地下工程围岩稳定性的主要影响因素，如岩体的物理力学性质、结构状态及结构面特征、地应力和含水情况等，预测可能发生的地质灾害并采取相应防治措施，是地下工程建设中非常重要的一个环节。7.1 岩体及岩体结构7.2 地下洞室变形及破坏类型7.3 保证洞室围岩稳定的工程措施 习题与思考题目录下页上页7 地下工程地质问题目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体 岩体

6、的概念包含以下两个层次，一是从地质观点出发的广义岩体广义岩体广义岩体广义岩体，是指在地质历史时期由各种岩石块体自然组合而成的“岩石结构物”，具有不连续性、非均质性及各向异性等特点； 二是从工程观点出发的工程岩体工程岩体工程岩体工程岩体，是指与工程建筑物有关的那一部分岩体，即地下洞室开挖后影响范围内的岩体，该部分岩体在地下洞室开挖后发生了应力重分布。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体 岩石是矿物的自然集合体，是相对完整的块体。而岩体则是由这些相对完整的块体自然组合而成，岩体中各个岩块被不连续界面所分割，这些不连续界面被称为岩体的结构面岩体

7、的结构面岩体的结构面岩体的结构面，岩石块体被称为岩体的岩体的岩体的岩体的结构体结构体结构体结构体，结构面与结构体的组合成为岩体岩体岩体岩体。 按工程性质不同，把岩体分为地基岩体、边坡岩体和洞室岩体。本章主要介绍洞室岩体。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.1岩体 岩石的工程性质主要取决于组成它的矿物成分、结构和构造；而岩体的工程性质不仅取决于组成它的岩石自身工程性质，更重要的是取决于其结构面的性质。图图图图7.1 7.1 二滩电站右坝肩岩体结构示意图二滩电站右坝肩岩体结构示意图二滩电站右坝肩岩体结构示意图二滩电站右坝肩岩体结构示意图aa软弱岩体

8、；软弱岩体；软弱岩体；软弱岩体；bb断层；断层；断层；断层；cc节理网络节理网络节理网络节理网络目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面 结构面是指岩体中的不连续界面，通常没有或只有较低的抗拉强度。 结构面是指岩体中的各种破裂面、夹层、充填矿脉等，如岩层层面、层理、片理、软弱夹层、节理、断层、不整合接触面等。 结构面按成因可分为原生结构面、构造结构面以及次生结构面。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面1.原生结构面：指岩石形成过程中产生的结构面。又可分为沉积结构面、火成结构面和变质结

9、构面。2.构造结构面：指地壳运动引起岩石变形破坏形成的破裂面。如构造节理、断层、破劈理等。3.次生结构面：指地表浅层因风化、卸荷、爆破、剥蚀等作用形成的不连续界面。如风化裂隙、卸荷裂隙、爆破裂隙、泥化夹层、不整合接触面等。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.2结构面 一般情况下，结构面在岩体中是力学强度相对薄弱的部位。因此，岩体的力学性质及岩体的稳定性，很大程度上取决于岩体中结构面的工程性质。 结构面工程性质的影响因素主要有结构面的类型、组数、密度、产状、结构面粗糙度和结构面壁强度、结构面长度、张开度、充填物性质及厚度、含水情况等。目录下页上页

10、7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体 岩体中被结构面切割而产生的单个岩石块体称为结构体结构体结构体结构体。受结构面组数、密度、产状、长度等影响，结构体可以形成各种形状。 常见结构体有块状、柱状、板状、锥状、楔形体、菱面体等。结构体形状、大小、产状和所处位置不同，对工程稳定性影响差别很大。 当结构体形状、大小、产状都相同，在工程不同位置处，其稳定性也不相同。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体图图图图7.2 7.2 拱顶中心岩块拱顶中心岩块拱顶中心岩块拱顶中心岩块A A所处位置不同对地下洞室稳

11、定性影响差异所处位置不同对地下洞室稳定性影响差异所处位置不同对地下洞室稳定性影响差异所处位置不同对地下洞室稳定性影响差异 目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.1岩体基本概念7.1.1.3结构体图图图图7.3 7.3 水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异水平板状岩块在拱顶和边墙部位的稳定性差异目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念 岩体结构岩体结构岩体结构岩体结构是指岩体中结构面与结构体的组合关系，其组合形式称为岩体结构类型。不同结构类型的岩体，其力

12、学性质有明显差别。 不同结构类型岩体的力学性质有明显差别。由于不同岩体结构类型具有不同的工程地质及水文地质特征，其岩体变形与破坏机制、应力传播规律、地下水渗透性等都各不相同，导致其变形和强度也各不相同。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念 一般情况下，硬岩岩体主要为脆性破坏，软岩岩体主要为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度远高于软岩岩体。 通常，在硬岩岩体中，结构面力学强度大大低于结构体力学强度，因此，硬岩岩体的变性破坏首先是从沿结构面的变形破坏，岩体工程性质主要取决于结构面的工程性质。在软岩岩体中，因结构体力学强度较低，有时与结构面强度相差无几，甚至低于结构

13、面强度，因此，软岩岩体的工程性质常常取决于结构体的工程性质。 综上所述，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，硬岩岩体工程性质取决于结构面工程性质，软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。软岩岩体工程性质取决于结构体工程性质。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.2岩体结构基本概念 岩体变形的另一个显著特点是各向异性。当结构面发育时，受结构面控制的岩体各方向上的变形和强度有较大区别。通常垂直结构面方向的变形大于平行结构面方向

14、的变形，垂直结构面方向的变形模量E小于平行结构面方向的变形模量E，垂直结构面方向的抗压强度大于平行结构面方向的抗压强度。 岩体按结构类型分类仅为第一级分类，在此基础上还必须进一步研究不同结构类型岩体的变形和强度特征，结合不同工程类型，对岩体质量进行定量化综合评价和岩体工程分级（即围岩工程分级），才能在设计与施工中较方便地应用。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念 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，这种应力则称为二次应力或扰动应力，在地下工程中称围岩应力。

15、 地应力按作用方向可分为水平应力与垂直应力，水平应力主要是构造应力，垂直应力主要是自重应力。依据埋深不同地应力的分布存在以下规律：地壳浅层部位有水平应力大于垂直应力；地壳深层部位有水平应力约等于垂直应力。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：1.在浅部岩层，地应力垂直分量v值接近于岩体自重应力；大约3/4实测资料表明，水平分量h大于垂直分量v。2.在深部岩层，如1以下，两者渐趋一致，甚至V大于h。3.水平分量h有各向异性。中国华北地区实测结果表明比值hmin/hmax=0.190.27的占17%，比值为0.4

16、30.64的占60%，比值为0.660.78的约占20%。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念从实测地应力资料分析，地应力的基本规律可归结为：4.最大主应力在平坦地区或深层，受构造方向控制，而在山区则和地形有关，在浅层往往平行于山坡方向。5.由于多数岩体都经历过多次地质构造运动，且组成岩石的各种矿物的物理力学性质也不相同，因而地应力中的一部份以“封闭”或“冻结”状态存在于岩石中。目录下页上页7.17.1岩体及岩体结构岩体及岩体结构7.1.3地应力基本概念 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

17、工程地质性质密切相关。 地下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。 岩土工程中，特别是地下工程建设中，地应力有十分重要的意义。在高应力地区修筑的隧道及地下洞室中，常遇到坚硬岩层中的岩爆现象和软弱岩层中的流变现象，给工程施工带来危害。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型 岩体通常情况下破坏类型可分为以下两种，一是硬岩情况下，岩体破坏主要沿结构面剪切破坏；二是软岩情况下，岩体破坏主要是整体强度不足而破坏。 在土木工程中，将地下洞室开挖后洞室

18、周围应力发生重分布范围内的岩体称为围岩围岩。应力发生重分布后的应力称为围岩应力或二次应力。围岩应力引起的变形与破坏，主要指相对较完整岩体在围岩应力为主作用下产生的变形和破坏。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律 地下洞室开挖后，破坏了岩体中原有的地应力平衡状态，岩体内各质点在回弹应力作用下，力图沿最短距离向消除了阻力的临空面方向移动，直到达到新的平衡，这种位移现象称为卸荷回弹卸荷回弹卸荷回弹卸荷回弹。 随着岩体质点的位移，岩体内一些方向上的质点由原来的紧密状态逐渐松胀。另一些方向上的质点反而挤压程度更大，岩体应力的大小和主应力方向也随之发生变化。这种岩体应

19、力变化，一般发生在地下洞室横剖面最大尺寸的35倍范围内。在此范围外，岩体依然处于原来的地应力状态。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律 地下洞室开挖使围岩内主应力产生强烈分异现象，愈接近临空面，应力差值愈大，到洞室周边达最大值。因此，在围岩范围内，洞室周边为最不利应力条件洞室周边为最不利应力条件洞室周边为最不利应力条件洞室周边为最不利应力条件。洞室开挖后，只要洞壁各点的应力值均未超过岩体强度，则整个围岩是稳定的；相反，围岩则产生变形或破坏。并且，任何围岩的变形或破坏必将首先从洞室周边开始，然后沿半径方向向岩体内部发展。 因此，研究洞室周边应力，对评价围岩稳

20、定性有十分重要的意义。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.1围岩应力的变化规律 洞室周边围岩应力的变化规律主要随洞室形状和侧压力系数（N=h/v）而变化。 以铁路直墙圆拱形隧道为例，当侧压力系数较低时，拉应力主要出现在拱顶和洞底，并且洞底的拉应力常大于拱顶的拉应力；压应力主要出现在拱脚和边墙中部，并且边墙中部压应力最大。随着侧压力系数增加，拱顶和洞底由拉应力转为压应力，拱顶压应力大于洞底压应力并逐步接近拱脚压应力；边墙中部压应力增加，并仍为最大压应力区。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.2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

21、（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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.2围岩的变形 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

22、或剪破，塑性变形是围岩变形的主要组成部分。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.2围岩的变形 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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.1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

23、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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.2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。因此可以根据洞室各个部

24、位结构面的组合特征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破坏。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.3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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.4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

25、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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.5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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.6松散围岩的变形与破坏 松散围岩体是指强烈构造破碎、

26、强烈风化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。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.7特殊地质问题（1）涌水。在富水的岩体中开挖洞室，开挖中当遇到相互贯通又富含水的裂隙、断层带、蓄水洞穴、地下暗河时，就会产生大量的地下水涌入洞室内；已开挖的洞室，如有与地面贯通的导水通道，当遇到暴雨、山洪等突发性水源时，也可造成地下洞室大量涌水。这样新开挖的洞室就成为排泄地下水的

27、新通道。若施工时排水不及时，积水严重时会影响工程作业，甚至可以淹没洞室，造成人员伤亡。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.7特殊地质问题（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；瓦斯，一种以甲烷为主的有害气体的总称，主要发生在含煤地层。地下工程施工时对瓦斯浓度有以下要求：当瓦斯浓度大于1%时，现场施工禁止装药放炮；当瓦斯浓度大于2%时，工作人员应撤离现场目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏

28、类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.7特殊地质问题（3）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。岩爆通常发生在高应力地区的坚硬岩石开挖过程中，故岩爆发生的临界深度为200m。目录下页上页7.27.2地下洞室变形及破坏类型7.2.3围岩的破坏7.2.3.7特殊地质问题（5）腐蚀。地下洞室围岩的腐蚀主要是指岩、土、水、大气中的化学成分和气温变化对洞室混凝

29、土的腐蚀。地下洞室的腐蚀性可对洞室衬砌造成严重破坏，从而影响洞室稳定性。我国易发生腐蚀的地区如东南沿海有红树林残体的冲积层，长江以南的酸性红土，含硫矿床的地下水层，泥炭、淤泥、沼泽等地，R、K、J红层及T灰岩等中的含膏地层，冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场等地的地下水层。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.1合理施工减少对围岩扰动 围岩稳定程度不同，应选择不同的施工方案。尽可能全断面开挖，多次开挖会损坏岩体。若地下洞室断面较大，一次开挖成型困难时，可采用分部开挖逐步扩大的施工方法，并根据围岩的特征，采用不同的开挖顺序以保护围岩的稳定性。 例如，当洞顶围岩不稳定而边墙围岩稳

30、定性较好时，应先在洞顶开挖导洞并立即做好支撑，当洞顶全部轮廓挖出做好永久性衬砌后再扩大下部断面。如整个洞室的围岩均不甚稳定时，则应先开挖侧墙导洞并做好衬砌后，再开挖上部断面。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固 支撑是临时性加固洞壁的措施，衬砌是永久性加固洞壁的措施。此外还有喷浆护壁、喷射混凝土、锚筋加固、锚喷加固等。7.3.2.1支撑 支撑按材料可分为木支撑、钢支撑和混凝土支撑等。在不太稳定的岩体中开挖时，应考虑及时设置支撑，以防止围岩早期松动。支撑是保护围岩稳定性的简易可行的办法。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支

31、撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.2衬砌 衬砌的作用与支撑相同，但经久耐用，使洞壁光坦。砖、石衬砌较便宜，钢筋混凝土、钢板衬砌的成本最高。衬砌一定要与洞壁紧密结合，填严塞实其间空隙才能起到良好效果。作拱顶的衬砌时，一般还要预留压浆孔。衬砌后，再回填灌浆，在渗水地段也可起防渗作用。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固 锚喷支护是喷射混凝土支护与锚杆支护的简称，其特点是通过加固地下洞室围岩，提高围岩的自承载能力来达到维护地下洞室稳定的目的。新奥地利隧道施工法是锚喷联合支护使用比较成熟的施工方法。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳

32、定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固 喷射混凝土、锚杆和现场监控量测被认为是新奥法的三大支柱，喷射混凝土是利用高压空气将掺有速凝剂的混凝土混合料通过混凝土喷射机与高压水混合喷射到岩面上迅速凝结而成的，锚喷支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网喷射混凝土等结构组合起来的支护形式，可以根据不同围岩的稳定状况，采用锚喷支护中的一种或几种结构的组合。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固 新奥法的具体作法是，随掌子面的掘进及时喷射一层混凝土，封闭围岩暴露面，形成初期柔性支护，随后按设计要求系统布置锚杆加固深部围岩。锚

33、杆、喷层和围岩共同组成承载环，支承围岩压力，形成了新奥法初期支护结构，通常把这部分支护结构称为“外拱”。 在施工过程中，通过监测了解外拱围岩的变形情况 ，待支护抗力与围岩压力相适应时进行外拱封底，使变形收敛，隧道围岩趋于稳定，随后进行二次衬砌复喷混凝土或现浇混凝土，习惯上把二次衬砌称为“内拱”，实际上，内拱通常为储备强度。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固 工程实践证明，锚喷支护较传统的现浇混凝土衬砌支护优越。由于锚喷结构能及时支护和有效地控制围岩的变形，防止岩块坠落和坍塌的产生，充分发挥围岩的自承能力，所以锚喷支护结构比模

34、注混凝土衬砌的受力更为合理。锚喷支护能大量节省混凝土、木材和劳动力，加快施工进度，工程造价可大幅度降低，并有利于施工机械化程度的改进和劳动条件的改善等。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固 锚喷支护是一种符合岩体加固原理的积极支护方法，加固体具有良好的物理力学性能。即它能及时地支护和加固围岩，与围岩密贴并封闭岩体的张性裂隙和节理，加固围岩结构面，有效地发挥和利用岩块间的镶嵌咬合和自锁作用，从而提高岩体自身的强度、自承能力和整体性。 由于锚喷支护结构柔性好，它能同围岩共同变形，构成一个共同工作的承载体系。在变形过程中，它能调整围

35、岩应力，抑制围岩变形的发展，避免岩体坍塌的产生，防止过大的松散压力出现。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固（1）喷层的力学作用 其一是防护加固围岩，提高围岩强度。地下洞室掘进后立即喷射混凝土可及时封闭围岩暴露面，由于喷层与岩壁密贴，故能有效地隔绝水和空气，防止围岩因潮解风化产生剥落和膨胀，避免裂隙中充填料流失，防止围岩强度降低。此外高压喷射混凝土时，可使一部分混凝土浆液渗入张开的裂隙或节理中，起到胶结和加固作用，提高了围岩的强度。 其二是改善围岩和支架的受力状态。含有速凝剂的混凝土喷射液，可在喷射后几分钟内凝固，及时向围岩提

36、供了支护抗力（径向力），使围岩表层岩体由未支护时的双向受力状态变为三向受力状态，提高了围岩强度。目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固（2）锚杆的力学作用悬吊作用：锚杆可将不稳定的岩层悬吊在坚固的岩层上，以阻止围岩移动或滑落。减跨作用：在地下洞室顶板岩层打入锚杆，相当于在地下洞室顶板上增加了新的支点，使地下洞室的跨度减小，从而使顶板岩石中的应力较小，起到了维护地下洞室的作用。组合作用：在层状岩层中打入锚杆，把若干薄岩层锚固在一起，类似于将叠置的板梁组成组合梁，从而提高了顶板岩层的自支承能力，起到维护地下洞室稳定的作用。目录下页上

37、页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固（2）锚杆的力学作用图图图图7.4 7.4 锚杆悬吊作用锚杆悬吊作用锚杆悬吊作用锚杆悬吊作用目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固（2）锚杆的力学作用图图图图7.5 7.5 锚杆减跨作用锚杆减跨作用锚杆减跨作用锚杆减跨作用目录下页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.3锚喷加固（2）锚杆的力学作用图图图图7.6 7.6 锚杆的组合梁作用锚杆的组合梁作用锚杆的组合梁作用锚杆的组合梁作用目录下

38、页上页7.37.3 保证洞室围岩稳定的工程措施7.3.2支撑、衬砌与锚喷加固7.3.2.4灌浆加固 在裂隙严重的岩体和极不稳定的第四纪堆积物中开挖地下洞室，常需要加固以增大围岩稳定性，降低其渗水性。最常用的加固方法就是水泥灌浆，其次有沥青灌浆、水玻璃灌浆等。通过这种办法，在围岩中大体形成圆柱形或球形的固结层，起到加固的目的。目录下页上页习题与思考题习题与思考题1.什么是结构面？结构面按成因可分为哪几种？2.什么是岩体结构？岩体结构类型有哪几种3.什么是地应力？从实测地应力资料分析，简述地应力的基本规律。4.地下洞室开挖后，围岩应力有怎样的变化规律？5.简述地下工程施工中经常遇到的特殊地质问题。6.保证洞室围岩稳定的工程措施常见的有哪些？