【正文】 第一節(jié) 巖體結(jié)構(gòu)分類與破壞特征 一、巖體的概念 巖體： 在地質(zhì)歷史過程中形成的，由各種巖石塊體組合而成的 “巖石結(jié)構(gòu)物 ”，具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性的特點(diǎn)。 二、巖體結(jié)構(gòu)的概念 巖體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)體和結(jié)構(gòu)面在巖體內(nèi)的排列 、組合形式。 2）層狀結(jié)構(gòu)巖體：軟硬巖層相間的互層形式，結(jié)構(gòu)面以層理面為主，有層間錯動及泥化軟弱夾層發(fā)育。 4）散體結(jié)構(gòu)巖體：節(jié)理、裂隙很發(fā)育，巖體十分破碎，可視為土體。 塊狀運(yùn)動（剪切滑移）： 厚層狀或塊狀結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)圍巖，當(dāng)有傾向洞內(nèi)的大型結(jié)構(gòu)面存在時，在結(jié)構(gòu)面控制下主要以沿結(jié)構(gòu)面向洞內(nèi)剪切滑移為主。 （ 2）劈裂剝落： 切向應(yīng)力導(dǎo)至洞室周邊巖石形成平行洞壁的密集破裂，并產(chǎn)生剝落的現(xiàn)象。 松動解脫（碎裂松動）： 在多組結(jié) 構(gòu)面發(fā)育的巖體中（碎裂結(jié)構(gòu)巖體），當(dāng)洞室開挖后，如果圍巖應(yīng)力超過圍巖的屈服強(qiáng)度，圍巖就會沿已有的多組節(jié)理發(fā)生剪切錯動而松弛，在洞室周邊的圍巖中形成一個松動圈。 （ 2）膨脹內(nèi)鼓： 在膨脹巖地區(qū)，洞室開挖后水分向松動圈集中，導(dǎo)致巖石吸水膨脹，并向洞內(nèi)鼓出的現(xiàn)象。 天然應(yīng)力或初始應(yīng)力（ virginalstress） 自重應(yīng)力（ gravitationalstress） 構(gòu)造應(yīng)力（ tectonicstress） 活動的（ activetectonicstress） 剩余的（ residualtectonicstress） 變異及殘余應(yīng)力（ alteredandresidualstress） 感生應(yīng)力 （ inducedstress） 二、巖體天然應(yīng)力場的類型 “靜水壓力式 ”分布的觀點(diǎn) 垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn) 水平應(yīng)力為主的觀點(diǎn) 上述為三種典型情況，大多數(shù)地區(qū)接近其中某一種，有些地區(qū)應(yīng)力狀態(tài)屬主應(yīng)力軸傾斜的過渡 類型。這就足以證明，構(gòu)造因素在地殼巖體的天然應(yīng)力狀態(tài)的形成中起著主導(dǎo)作用。 地下洞室開挖前，巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)稱為 初始應(yīng)力狀態(tài) 。該應(yīng)力稱 重分布應(yīng)力、二次應(yīng)力或圍巖應(yīng)力 。 7 第三節(jié) 地下工程圍巖分級 一、概述 圍巖分級的目的： 圍巖分級方法發(fā)展概況 二、影響圍巖穩(wěn)定性的主要因素 地質(zhì)因素： (1)巖體結(jié)構(gòu)特征 巖體的結(jié)構(gòu)特征可以簡單地用巖體的破碎程度或完整性來表示，在某種程度上它反映了巖體受地質(zhì)構(gòu)造作用的嚴(yán)重程度。 (2)結(jié)構(gòu)面性質(zhì)和空間的組合 在塊狀或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)的巖體中，控制巖體破壞的主要因素是軟弱結(jié)構(gòu)面的性質(zhì)及它們 在空間的組合狀態(tài)。 (3)巖石的力學(xué)性質(zhì) 在整體結(jié)構(gòu)的巖體中，控制圍巖穩(wěn)定性的主要因素是巖石的力學(xué)性質(zhì)，尤其是巖石的強(qiáng)度。 (4)圍巖的初始應(yīng)力場 圍巖的初始應(yīng)力場是地下工程圍巖變形、破壞的根本作用力，它直接影響圍巖的穩(wěn)定性。 三、分級 (類 )的因素指標(biāo)及其選擇 指標(biāo)是單一的，但反映的因素卻是綜合的。所謂巖石質(zhì)量指標(biāo)是指鉆8 探時巖芯復(fù)原率，或稱巖芯采取率。 (3)《水工隧洞設(shè)計規(guī)范 )(SL2792020)圍巖工程地質(zhì)分類和國標(biāo) 《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》 (GB5 0086－ 2020)所采用的 圍巖 /巖體強(qiáng)度應(yīng)力比 S， S 綜合考慮了巖石強(qiáng)度、巖體完整性和地應(yīng)力的因素。 二、破損階段設(shè)計法 考慮結(jié)構(gòu)材料破壞階段的工作狀態(tài)（圖 d）進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計計算的方法。 三、概率極限狀態(tài)設(shè)計法 以概率理論為基礎(chǔ)，以防止結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到某種功能要求的極限狀態(tài)作為依據(jù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法。 概率極限狀態(tài)設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)的最不利位置的荷載效應(yīng)不超過結(jié)構(gòu)抗力。 圍巖特征曲線：亦稱為圍巖的支護(hù)需求曲線。 利用圍巖與支護(hù)共同作用特性來選擇支護(hù)參數(shù)的方法叫作特征曲線法（又稱為收斂約束法）。 作好支護(hù)結(jié)構(gòu)工程類比設(shè)計的基礎(chǔ)是充分掌握和占有已往類似工程的資料和成功經(jīng)驗(yàn)，前提是正確地對地下工程圍巖進(jìn)行分級。 第二節(jié) 地下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)與內(nèi)力計算模型 一、 地下結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn) 主要特點(diǎn)：地下結(jié)構(gòu)的圍巖既是作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)上的荷載來源，又與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成承載體系。 （ 2）適用條件 主要適用于圍巖因過分變形而發(fā)生松弛和坍塌，支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān) 圍巖松動壓力 的情況。 （ 4）模型求解方法 結(jié)構(gòu)力學(xué)方法 ：力法 （矩陣力法）、位移法（矩陣位移法 ——一維桿系有限元法） 地層 —結(jié)構(gòu)模型 （ 1）特征 a）將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一體，作為共同承載的 結(jié)構(gòu)體系 ； b）圍巖是 直接的承載單元 ，支護(hù)結(jié)構(gòu)只是用來約束和限制圍巖的變形。它符合當(dāng)前的施工技術(shù)水平，采用快速和早強(qiáng)的支護(hù)技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動壓力的產(chǎn)生。 （ 4）模型求解方法 解析法、 數(shù)值法（主要為 FEM） 第三節(jié) 荷載結(jié)構(gòu)模型荷載的計算方法 一、荷載（作用）及其組合 二、圍巖壓力的確定 圍巖壓力的概念 ●圍巖壓力：是指引起地下開挖空間周圍巖體和支護(hù)變形或破壞的作用力。從狹義上來理解，圍巖壓力是指圍巖作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力。 ●圍巖壓力按作用力發(fā)生形態(tài)分為： ⑴ 松動壓力：是指由于開挖而松動或坍塌的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)的壓力。 ⑶ 膨脹壓力：是指由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力。 圍巖松動壓力的產(chǎn)生 開挖隧道所引起的圍巖松動和破壞的范圍有大有小，對于一般裂隙巖體中的深埋隧道，其波及范圍僅局限在隧道周圍一定深度，作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的圍巖松散壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其上覆巖層自重所造成的壓力，這可用圍巖的 “成拱作用 ”來解釋。習(xí)慣上稱這種隧道為深埋隧道，否則為淺埋隧道。 ⑶ 施工因素：如爆破所產(chǎn)生的震動，常常是引起塌方的重要原因之一，造成圍巖壓力過大，又如分部開挖多次擾動圍巖，也會引起圍巖失穩(wěn)，加大自然拱范圍。 當(dāng) B5m，取 i＝ ；當(dāng) B5m,取 i＝ 。 注：鐵路隧道跨度小于公路隧道 c） 《公路隧道設(shè)計規(guī)范》 規(guī)定： Ⅰ ~Ⅳ 級圍巖中的深埋隧道，圍巖壓力為主要形變壓力，其值按釋放荷載計算 ；釋放荷載由有限元數(shù)值計算得到； Ⅳ ~Ⅵ 級圍巖中深埋隧道的圍巖壓力視為松動荷載，其垂直、水平均布壓力計算方法同鐵路隧道規(guī)范。 f—巖石堅固性系數(shù)， 淺埋隧道圍巖壓力的確定 （ 1）深、淺埋隧道的判定原則（自《公路隧道設(shè)計規(guī)范》） 隧道埋深不同，確定圍巖壓力的計算方法不同，應(yīng)以隧道頂部覆蓋層能否形成 “自然拱 ”為原則。 hq—荷載等效高度，按下式計算： hq＝ q/γ， 其中： q—按深埋隧道計算的豎向均布壓力 kN／ m2； γ—圍巖容重（ kN／ m2）。 其側(cè)向壓力 e，按勻布考慮時，其值為： e=γ(H+1/2Hi)tg2(45–Φ/2) 式中 :e—側(cè)向勻布壓力； γ—圍巖容重，以 kN/m3計； H—隧道埋深，以 m 計； Hi—隧道高度，以 m 計； Φ—圍巖 計算摩擦角，可查規(guī)范。假定偏壓分布圖形與地面坡形一致（如圖），則作用于隧道拱頂?shù)拇怪眽毫?。一般分臨時支護(hù)與永久支護(hù)兩類。 襯砌技術(shù) 一般有現(xiàn)澆混凝土與預(yù)制混凝土兩類。一般包括風(fēng)水電的設(shè)計、安裝與供給；施工場地的規(guī)劃與布置；出渣運(yùn)輸計劃與設(shè)備配置等。 主要技術(shù)手段是： 量測監(jiān)控 ，發(fā)現(xiàn)異常及時采取加固措施 (輔助施工手段 )并更改施工方法。 主要手段：編制施工勞動組織設(shè)計、充分協(xié)調(diào)現(xiàn)場施工管理部門與監(jiān)理機(jī)構(gòu)的關(guān)系。 15 二 、蓋挖法 ? 含義 ：先用連續(xù)墻、鉆孔樁等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)和中間樁，然后施工鋼筋混凝土蓋板，在蓋板、圍護(hù)墻、中間樁的保護(hù)下進(jìn)行土方開挖與結(jié)構(gòu)施工。 ? 順做法：土方開挖全部結(jié)束后由下而上做結(jié)構(gòu)施工 三 、新奧法與鉆爆法 1. 新奧地利施工方法簡稱新奧法 (NewAustrianTunnelingMethod， NATM) ? 創(chuàng)立人：奧地利拉布謝維茨 ()等人 ? 設(shè)計依據(jù)： 巖承理論 (1950’s) ? 穩(wěn)定的圍巖自身具有承載自穩(wěn)能力； ? 不穩(wěn)定的圍巖喪失穩(wěn)定是一個時間過程； ? 若在期間提供必要的支承與限制，則圍巖仍可以重新回到穩(wěn)定狀態(tài)。 ? 技術(shù)要素：噴錨 (網(wǎng) )支護(hù)【柔性支護(hù)與永久襯砌構(gòu)成復(fù)合式襯砌】與監(jiān)控量測 ? 設(shè)計理論 —施工方法 —支承結(jié)構(gòu)狀態(tài)更符合實(shí)際情況。 ? 按最不利圍巖組合荷載設(shè)計臨時支護(hù)與永久襯砌不太符合實(shí)際工作狀態(tài)。 基于 NATM 理論，開挖中采用各種輔助施工措施加固圍巖。 五 、盾構(gòu)法 ? 裝備：盾構(gòu)機(jī)【主體為可移動的高強(qiáng)度鋼套殼 (盾殼 )】 16 ? 盾構(gòu)機(jī)是在軟土、軟巖和破碎含水地層中修建隧道的專用設(shè)備。 ? 盾構(gòu)機(jī)是根據(jù)隧道與地基情況量身設(shè)計、制造或改造的。 ? 適用對象：城市地鐵、水下隧道、水工隧道等。 ? 適用對象：水底隧道。 ? 常用斷面型式：圓形和矩形 八、頂管法 ? 施工方法 ：采用液壓油缸將預(yù)制管段頂入由切削刀盤或掘進(jìn)機(jī)形成的鉆孔中構(gòu)成襯砌的非開挖施工方法。 九、沉井法 第四節(jié) 基坑開挖與支護(hù)工程 一、概述 基坑工程根據(jù)其開挖和施工方法可分為 : 無支護(hù)開挖有支護(hù)開挖 有支護(hù)的基坑工程可進(jìn)一步分為 : 無支撐圍護(hù)有支撐圍護(hù) 二、基坑常見維護(hù)結(jié)構(gòu)型式 支護(hù)結(jié)構(gòu)主要由圍護(hù)墻和支撐體系 組成。 放坡開挖適用于地基土質(zhì)較好，開挖深度不深，以及施工現(xiàn)場有足夠放坡場所的工程。有時雖有足夠放坡的場所，但挖土及回填土方量大，考慮工期、工程費(fèi)用并不合理，也不宜采用放坡開挖。 懸臂式圍護(hù)結(jié)構(gòu)依靠足夠的入 土深度和結(jié)構(gòu)的抗彎能力來維持整體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)的安全懸臂式結(jié)構(gòu)對開挖深度很敏感，容易產(chǎn)生較大的變形，對相鄰建 (構(gòu) )筑物產(chǎn)生不良影響。 （ 1）灌注樁支護(hù) 開挖前在基坑周圍設(shè)置砼灌注樁，樁的排列有間隔式、雙排式和連續(xù)式，樁頂設(shè)置砼連系梁或錨樁、拉桿。 缺點(diǎn) ：止水性差。 （ 2）板樁支護(hù) 當(dāng)基坑較深、地下水位較高且未施工降水時，采用板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，既可擋土、防水，還可防止流砂的發(fā)生。 板式支護(hù)結(jié)構(gòu)由兩大系統(tǒng)組成：擋墻系統(tǒng)和支撐 (或拉錨 )系統(tǒng)。 （ 3）地下連續(xù)墻支護(hù) 先建造鋼筋砼地下連續(xù)墻，達(dá)到強(qiáng)度后在墻間用機(jī)械挖土。 水泥土重力式支護(hù)結(jié)構(gòu) 目前在工程中用得較多的水泥土重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)，常采用 深層攪拌法 形成，有時也采用 高壓噴射注漿法 形成。水泥土與其包圍的天然土形成 重力式擋墻支擋周圍土體，保持基坑邊坡穩(wěn)定。水泥土抗拉強(qiáng)度低，水泥土重力式圍護(hù)結(jié)構(gòu)適用于較淺的基坑工程，其變形也比較大。該方法適用于軟基處理，效果顯著，處理后可成樁、墻等。當(dāng)用于處理泥炭土或地下水具有侵蝕18 性時，應(yīng)通過試驗(yàn)確定其適用性。 SMW 工法是利用專門的多軸攪拌機(jī)就地鉆進(jìn)切削土體，同時在鉆頭端部將水泥漿液注入土體，經(jīng)充分?jǐn)嚢杌旌虾?，再?H 型鋼或其他型材插入攪拌樁體內(nèi)，形成地下連續(xù)墻體，利用該墻體直接作為擋土和止水結(jié)構(gòu)。 （ 3）粉噴樁支護(hù) 粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，也叫加固土樁；采用粉體狀固化劑來進(jìn)行軟基攪拌處理，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)地基的方法。 內(nèi)撐式支護(hù)結(jié)構(gòu) 內(nèi)撐式圍護(hù)結(jié)構(gòu) 由圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系和內(nèi)撐體系兩部分組成 。 內(nèi)撐常采用 鋼筋混凝土支撐 和 鋼 管 (或型鋼 )支撐 兩種。 （ 2）鋼管 (或型鋼 )支撐 內(nèi)撐式支護(hù)由支護(hù)樁或墻和內(nèi)支撐組成，適用于各種地基土層，缺點(diǎn)是內(nèi)支撐會占用一定的施工空間。 隨基坑深度不同，錨桿式也可分為單層錨桿、二層錨桿和多層錨桿。 錨桿式較適用于砂土地基，或粘土 地基；由于軟粘土地基不能提供錨桿較大的錨固力，所以很少使用。 （ 2）錨拉支護(hù) 錨拉支撐是一種淺基坑支護(hù)方式。 錨拉支撐適于開挖較大型、深度不大的或使用機(jī)械挖土，不能安設(shè)橫撐的基坑。也稱為噴錨網(wǎng)加固邊坡或噴錨網(wǎng)擋墻。這是建國以來建筑業(yè)最令人恐怖的倒樓事件。 該法多用于 第四紀(jì)軟弱地層 的地下工程，圍巖自承能力很差，為控制地表沉降，初期支護(hù)剛度要大、要及時。要做到這點(diǎn)，必須遵守十八字方針，初支必須從上向下施工，初支基本穩(wěn)定后才能做二襯，且必須從下到上施工。淺埋暗挖法與其他工法有很強(qiáng)的兼容性。 三、淺埋暗挖常用施工方法 全斷面法 (1)施工順序 主要工序 ：使用移動式鉆孔臺車，首先全斷面一次鉆孔，并進(jìn)行裝藥連線，然后將鉆孔臺車退后 50m以外的安全地點(diǎn)，再起爆，一次爆破成型，出碴后鉆孔臺車再推移到開挖面就位，開始下一個鉆爆作業(yè)循環(huán)，同時，施作初期支護(hù)，鋪防水隔離層（或不鋪），進(jìn)行二次模筑襯砌。 （ 2）適用范圍 全斷面法主要適用于 I~II 級圍巖，當(dāng)斷面在 50 ㎡ 以下，隧道又處于 IV 級圍巖地層時，為了減少對地層的擾動次數(shù)，在采取局部注漿等輔助施工措施加固地層 后，也可采用全斷面法施工，但在第四紀(jì)地層中采用此施工方法時，斷面一般均在 20 ㎡ 以下，且施工中仍須特別注意，山嶺隧道及小斷面城市地下電力、熱力、電信等管道工程施工多用此法。但由于開挖面較大，圍巖穩(wěn)定性降低，且每個循環(huán)工作量較大。 臺階法 臺階法施工就是將結(jié)構(gòu)斷面分成兩個或幾個部分，即分成上下兩個斷面或幾個工作面， 分步開挖，根據(jù)地層條件和機(jī)械配備情況，臺階法又可分為正臺階法、中隔墻臺階法等。 （ 1）正臺