地下洞室圍巖穩(wěn)定性的工程地質(zhì)分析(編輯修改稿)
2025-02-14 17:53 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 作用下的坍塌 表 10— 6 圍巖的變形破壞形式及其圍巖巖性及結(jié)構(gòu)的關(guān)系 ? 脆姓圍巖的變形和破壞 ? 脆性圖巖包括各種塊體狀結(jié)構(gòu)或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的堅(jiān)硬或半堅(jiān)硬的脆性巖體。這類因巖的變形和破壞，主要是在回彈應(yīng)力和重分布的應(yīng)力作用下發(fā)生的，水分的重分布對(duì)其變形和破壞的影響較為微弱。這類圍巖變形破壞的形式和特點(diǎn)．除與由巖體初始應(yīng)力狀態(tài)及洞形所決定的圍巖的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)外，主要取決于圍巖結(jié)構(gòu)，一般有彎折內(nèi)鼓、張裂塌落、劈裂剝落、剪切滑移以及巖爆等不同類型 (見表 10一 6)，現(xiàn)分述如下。 ? 彎折內(nèi)鼓 ? 這類變形破壞是層狀、特別是薄層狀圍巖變形破壞的主要形式。從力學(xué)機(jī)制來(lái)看，它的產(chǎn)生可能有兩種情況：一是卸荷回彈的結(jié)果；二是應(yīng)力集中使洞壁處的切向壓應(yīng)力超過(guò)范層狀巖層的抗彎折強(qiáng)度所造成的。 ? 由 卸荷回彈所造成的變形破壞主要發(fā)生 在 初始應(yīng)力較高的巖體內(nèi) (或者洞室埋深較大，或者水平地應(yīng)力較高 )，而且總是在與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力垂直相交的洞壁上表現(xiàn)得最強(qiáng)烈．故當(dāng)薄層狀巖層與此洞壁平行或近于平行時(shí)，洞室開挖后．薄層狀圍巖就會(huì)在回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生回彈應(yīng)力的作用下發(fā)生如圖 Io一 16所示的彎曲、技裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍閣。 ? 例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號(hào)支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過(guò)程中，均發(fā)生過(guò)這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中，當(dāng)洞徑大于 6m的洞體平行或近于平行 (交角小于 20。 )陡傾的巖層走向時(shí)，在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞，而且一般部是在開挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號(hào)支洞，在樁號(hào)。十 135航段的施工過(guò)程中，隨著開挖的進(jìn)行，巖層的彎沂變形越來(lái)越嚴(yán)重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌風(fēng)幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞，在 ot 360— o十470m段的施工過(guò)程中。 ? 值得注意的是，在該區(qū)地表溢洪道的施工過(guò)程中，當(dāng)送洪道平行于陡顧的巖層走向時(shí)，新開挖出的邊披巖體經(jīng)常在 3— 5天之內(nèi)即發(fā)生強(qiáng)烈的傾倒破壞。由此可見，在該區(qū)所發(fā)生酌上述兩類變形破壞 (即地宏邊坡巖體的傾倒和地下隧洞洞壁的彎折內(nèi)鼓 )同是卸荷回彈與應(yīng)力釋放的結(jié)果。 ? 由壓應(yīng)力集中所造成的變形破壞主要發(fā)生在洞室周邊上有較大的壓應(yīng)力集中的部位，通常是洞室的角點(diǎn)或與巖體內(nèi)初始最大主應(yīng)力平行或近于平行的洞壁，故當(dāng)薄層狀巖體的層面與這類應(yīng)力高度集中部位平行或近于平行時(shí)，切向壓應(yīng)力往往超過(guò)薄層狀圍巖的抗彎折強(qiáng)度，從而使圍巖發(fā)生彎折內(nèi)鼓破壞。 ? 如圖 10一 16所示的彎曲、技裂和折斷，最終擠入洞內(nèi)而坍閣。例如白龍江碧口電站在導(dǎo)流洞一號(hào)支洞的下又洞、引水洞叉管段以及排沙洞等的施工過(guò)程中，均發(fā)生過(guò)這類變形破壞。這些水工隧洞部是修建在千枚巖層中，當(dāng)洞徑大于 6m的洞體平行或近于平行 (交角小于 20。 )陡傾的巖層走向時(shí)，在平行于層面的洞壁上經(jīng)常發(fā)生彎折內(nèi)鼓型破壞，而且一般部是在開挖后不久即迅速發(fā)生。例如右岸導(dǎo)流洞一號(hào)支洞，在樁號(hào) 0十 135航段的施工過(guò)程中，隨著開挖的進(jìn)行，巖層的彎沂變形越來(lái)越嚴(yán)重，一星期后已用錨桿加固了的變形巖體突然塌風(fēng)幾乎造成傷亡事故。又如排沙洞，在 0十 360— o十 470m段的施工過(guò)程中。洞體兩側(cè)壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓，開挖中曾用錨桿與工字鋼聯(lián)合封鎖支護(hù)，半月之后，變形巖體連錨桿與工字鋼突然坍落，方量達(dá) 500m3，不得不停工處理。 ? 一些局部構(gòu)造條件，有時(shí)也有利于這類變形破壞的產(chǎn)生。如圖 10— 17所示情況，平行于洞室測(cè)壁的斷層，使洞壁和斷層之間的薄層巖體內(nèi)的應(yīng)力集中有所增高，因此洞壁附近的切向應(yīng)力特高于正常情況下的平均值，而薄板的抗彎矩又比較低，往往造成彎折內(nèi)鼓破壞。 ? 從這類變形、破壞的發(fā)生機(jī)制和發(fā)育特點(diǎn)中可以看出，在現(xiàn)代地應(yīng)力或構(gòu)造剩余應(yīng)力較高的薄層狀巖層內(nèi)修建這類地下洞室，圍巖的穩(wěn)定性與洞室軸向相對(duì)于區(qū)域最大主應(yīng)力方位有密切關(guān)系。通常． 軸向垂直于最大主應(yīng)力方向的洞室，其穩(wěn)定性遠(yuǎn)低于平行于最大主應(yīng)力方向者 。 這是因?yàn)椋涸诙摧S垂直于水平最大主應(yīng)力的條件下，當(dāng)洞體平行或近于平行地通過(guò)陡傾巖層時(shí)強(qiáng)烈的卸荷回彈會(huì)使垂直于最大主應(yīng)力方向的洞壁發(fā)生嚴(yán)重的彎折內(nèi)鼓 ，而當(dāng)洞體通過(guò)平緩巖層時(shí)，高度的應(yīng)力集中又會(huì)使平行于最大主應(yīng)力的洞室頂?shù)装澹貏e是頂拱，因 彎折內(nèi)鼓 的發(fā)展而嚴(yán)重坍塌。 ? 張裂塌落 ? 張裂塌落通常發(fā)生于厚層狀或塊體狀巖體內(nèi)的洞室頂拱。當(dāng)那里產(chǎn)生拉應(yīng)力集中，且其值超過(guò)圍巖的抗拉強(qiáng)度時(shí)，頂拱圍巖就將發(fā)生張裂破壞，尤其是當(dāng)那里發(fā)育有近垂直的構(gòu)造裂隙時(shí)、即使產(chǎn)生的 拉應(yīng)力很小也可使巖體拉開產(chǎn)生垂直的張性裂縫 。 被垂直裂縫切割的巖體在自重作用下變得很不穩(wěn)定 ，特別是當(dāng)有近水平方向的軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育， 巖體在垂直方向的抗拉強(qiáng)度較低時(shí)，往往造成頂供的塌落 。但是在 N?0的情況下，頂拱坍塌引起的洞室寬高比的減小全使頂拱處的拉應(yīng)力集中也隨之而減小，甚至變?yōu)閴簯?yīng)力(如圖 10一 18)。當(dāng)項(xiàng)拱處的拉應(yīng)力減小至小于巖體的抗拉強(qiáng)度時(shí)．頂拱因巖韶趨于穩(wěn)定。 ? 劈裂剝落、剪切滑移及碎裂松動(dòng) ? 這兩種破壞形式都發(fā)生于壓應(yīng)力、特別是最大壓應(yīng)力集中的部位。 ? ? 過(guò)大的切向壓應(yīng)力使圍巖表部發(fā)生平行于洞室周邊的破裂。一些平行的破裂將圖巖切割成厚度由兒厘米到幾十厘米的薄板，它們往往沿壁面剝落 [如圖 l0一 19(b)]。破裂的范圍一般不超過(guò)洞室的半跨。當(dāng)切向壓應(yīng)力大于劈裂巖板的抗彎強(qiáng)度時(shí)，這些劈裂板還可能按壓彎、折斷并造成塌方，轉(zhuǎn)化為類似于彎折內(nèi)鼓類型的破壞。 劈裂剝落多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)， 視圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生于頂拱，也可發(fā)生于邊墻之上，前者造成頂供的片狀冒落，后者則造成通常所謂的片幫。 這種形式的破壞多發(fā)生于厚層狀或塊體狀結(jié)構(gòu)的巖體內(nèi)。隨圍巖應(yīng)力條件的不同，可發(fā)生在邊鵬上，也可發(fā)生于頂拱。 ? 在水平應(yīng)力大于垂直應(yīng)力的應(yīng)力場(chǎng)中 (N＞ 1)，這類破壞多發(fā)生在頂拱壓應(yīng)力集中程度較高，且有斜向斷裂發(fā)育的部位，圖 10一 20(a)就表示了這種情況。位于斷層帶內(nèi)的巖層單元體通常具有如圖 10一 20(b)所示的應(yīng)力狀態(tài)。由于切向應(yīng)力 σθ很大，而徑向應(yīng)力 σr 很小，故沿?cái)鄬用孀?
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