工程地质课本习题解答（第7章） 中央电大工学院邵运达 第7章地下洞室工程问题 1、地下洞室断面有哪些类型？各有什么特点？ 答：地下洞室的断面形状一般有曲线型、折线型和两者的组合型。曲线型洞室（圆形、 椭圆形和马蹄形等)的稳定性较好，对周围岩土体的稳定有利。折线型洞室（矩形、方形和 梯形等)的断面利用率高、施工方便、开挖工艺简单。 2、选择地下洞室位置包括哪几个方面？各方面要考虑哪些地质条件的影响？ 答：地下洞室位置的选择主要考虑进洞山体、洞口位置和洞轴线位置的选择。 进洞山体的选择主要考虑山体的高度、山形的完整性、岩土体的坚硬与均匀性和地质结 构构造特性等因素。 洞口位置应该考虑山坡坡度、岩层倾角、洞口顶板的稳定性和水流影响等几方面因素。 洞轴线位置选线时应注意利用地形、方便施工。 3、洞室围岩的概念是什么？围岩产生变形和破坏的机理是什么？ 答：洞室周围的岩土体通称围岩。狭义上，围岩常指洞室周围受到开挖影响，大体相当 地下洞室宽度或平均直径3倍左右范围内的岩土体。 导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。洞室开挖前，岩（土）体处于自然平衡状态， 内部储存着大量的弹性能，洞室开挖后，这种自然平衡状态被打破，弹性能释放。 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有关。 洞室开挖后，围岩应力大小超过了岩土体强度时，便失稳破坏：有的突然而显著，有的 变形与破坏不易截然划分。洞室围岩的变形与破坏，二者是发展的连续过程。 4、地下围岩破坏的主要类型有哪些？各有什么特征？ 答：一般情况下，洞室围岩的变形与破坏，按其发生的部位，可概括地划分为顶围（板） 悬垂与塌顶、侧围（壁）突出与滑塌和底围（板）鼓胀与隆破。 (1)顶围悬垂与塌顶 洞室开挖时，顶壁围岩除瞬时完成的弹性变形外，还可由塑性变形及其他原因而继续变 形，使洞顶壁轮廓发生明显改变，但仍可保持其稳定状态。这大都在开挖初始阶段中出现， 而且在水平岩层中最典型。进一步发展，围岩中原有结构面或由重分布应力作用下新生的局
工程地质课本习题解答（第 7 章） 中央电大工学院 邵运达 第 7 章地下洞室工程问题 1、地下洞室断面有哪些类型？各有什么特点？ 答：地下洞室的断面形状一般有曲线型、折线型和两者的组合型。曲线型洞室（圆形、 椭圆形和马蹄形等）的稳定性较好，对周围岩土体的稳定有利。折线型洞室（矩形、方形和 梯形等）的断面利用率高、施工方便、开挖工艺简单。 2、选择地下洞室位置包括哪几个方面？各方面要考虑哪些地质条件的影响？ 答：地下洞室位置的选择主要考虑进洞山体、洞口位置和洞轴线位置的选择。 进洞山体的选择主要考虑山体的高度、山形的完整性、岩土体的坚硬与均匀性和地质结 构构造特性等因素。 洞口位置应该考虑山坡坡度、岩层倾角、洞口顶板的稳定性和水流影响等几方面因素。 洞轴线位置选线时应注意利用地形、方便施工。 3、洞室围岩的概念是什么？围岩产生变形和破坏的机理是什么？ 答：洞室周围的岩土体通称围岩。狭义上，围岩常指洞室周围受到开挖影响，大体相当 地下洞室宽度或平均直径 3 倍左右范围内的岩土体。 导致围岩变形的根本原因是地应力的存在。洞室开挖前，岩(土)体处于自然平衡状态， 内部储存着大量的弹性能，洞室开挖后，这种自然平衡状态被打破，弹性能释放。 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有关。 洞室开挖后，围岩应力大小超过了岩土体强度时，便失稳破坏；有的突然而显著，有的 变形与破坏不易截然划分。洞室围岩的变形与破坏，二者是发展的连续过程。 4、地下围岩破坏的主要类型有哪些？各有什么特征？ 答：一般情况下，洞室围岩的变形与破坏，按其发生的部位，可概括地划分为顶围(板) 悬垂与塌顶、侧围(壁)突出与滑塌和底围(板)鼓胀与隆破。 （1）顶围悬垂与塌顶 洞室开挖时，顶壁围岩除瞬时完成的弹性变形外，还可由塑性变形及其他原因而继续变 形，使洞顶壁轮廓发生明显改变，但仍可保持其稳定状态。这大都在开挖初始阶段中出现， 而且在水平岩层中最典型。进一步发展，围岩中原有结构面或由重分布应力作用下新生的局
部破裂面，会发展扩大。顶围原有的和新生的结构面相互汇合交截，便可能构成数量不一、 形状不同、大小不等的分离体。它在重力作用下与围岩母体脱离，突然塌落而终至形成塌落 拱。它与围岩的结构面和风化程度等因素密切有关，且在洞室的个别地段上最为典型。多数 塌落拱都大于洞室设计尺寸，有时还会发生严重的流砂和溜塌。 (2)侧围突出与滑塌 洞室开挖时，侧壁围岩继续变形使洞室轮廓会发生明显突出而不产生破坏，这在铅直层 状岩体中最为典型。进一步发展，由于侧围原有的和新生的结构面相互汇合、交截、切割， 构成一定大小、数量、形状的分离体。当有具备滑动条件的结构面，便向洞室滑塌。侧围滑 塌，改变了洞室的尺寸和顶围的稳定条件，在适当情况下又会影响到顶围，造成顶围塌落， 或扩大顶围塌落范围和规模。侧围发生滑动位移是滑塌破坏过程的开始，防止滑塌往往需要 规模巨大的加固措施。 (3)底围鼓胀与隆破 洞室开挖时，常见有底壁围岩向上鼓胀。它在塑性、弹塑性、裂隙发育、具有适当结构 面和开挖深度较大的围岩中，表现得最充分，最明显，但仍不失其完整性：但一般情况下， 这种现象极不明显，难以观察。洞室开挖后，底围总是或大或小，或隐或显地发生鼓胀现象。 进一步发展，在适当条件下，底围便可能被破坏，失去完整性，冲向洞室空间，甚至堵塞全 部洞室，形成隆破。 (4)围岩缩径及岩爆 1)围岩缩径 洞室开挖中或开挖以后，围岩变形可同时出现在顶围、侧围、底围之中：因所处地质条 件或施工措施不同，它可在某一或某些方向上表现得充分而明显。实践证明，在塑性土层或 弹塑性岩体之中，常可见到顶围、侧围、底围三者以相似的大小和速度，向洞室空间方面变 形，而不失其完整性；实际上，已很难区分它的变形与破坏的界限，但它可导致支撑和衬砌 的破坏。这便是在粘性土或粘土岩、泥灰岩、凝灰岩中常见的围岩缩径，又谓“全面鼓胀”。 2）岩爆 洞室开挖过程中，周壁岩石有时会骤然以爆炸形式，呈透镜体碎片或岩块突然弹出或抛 出，并发生类似射击的僻啪声响，这就是所谓“岩爆”。坚硬而无明显裂隙或者裂隙极稀微 而不联贯的弹脆性岩体，开挖洞室，围岩的变形大小极不明显，并在短促的时间内完成这种 变形：由于应力解除，其体积突然增加：而在洞室周壁上留下的凹痕或凹穴，体积突然缩小。 岩爆对地下工程常造成危害，可破坏支护，堵塞坑道，或造成重大伤亡事故
部破裂面，会发展扩大。顶围原有的和新生的结构面相互汇合交截，便可能构成数量不一、 形状不同、大小不等的分离体。它在重力作用下与围岩母体脱离，突然塌落而终至形成塌落 拱。它与围岩的结构面和风化程度等因素密切有关，且在洞室的个别地段上最为典型。多数 塌落拱都大于洞室设计尺寸，有时还会发生严重的流砂和溜塌。 （2）侧围突出与滑塌 洞室开挖时，侧壁围岩继续变形使洞室轮廓会发生明显突出而不产生破坏，这在铅直层 状岩体中最为典型。进一步发展，由于侧围原有的和新生的结构面相互汇合、交截、切割， 构成一定大小、数量、形状的分离体。当有具备滑动条件的结构面，便向洞室滑塌。侧围滑 塌，改变了洞室的尺寸和顶围的稳定条件，在适当情况下又会影响到顶围，造成顶围塌落， 或扩大顶围塌落范围和规模。侧围发生滑动位移是滑塌破坏过程的开始，防止滑塌往往需要 规模巨大的加固措施。 （3）底围鼓胀与隆破 洞室开挖时，常见有底壁围岩向上鼓胀。它在塑性、弹塑性、裂隙发育、具有适当结构 面和开挖深度较大的围岩中，表现得最充分，最明显，但仍不失其完整性；但一般情况下， 这种现象极不明显，难以观察。洞室开挖后，底围总是或大或小，或隐或显地发生鼓胀现象。 进一步发展，在适当条件下，底围便可能被破坏，失去完整性，冲向洞室空间，甚至堵塞全 部洞室，形成隆破。 （4）围岩缩径及岩爆 1) 围岩缩径 洞室开挖中或开挖以后，围岩变形可同时出现在顶围、侧围、底围之中；因所处地质条 件或施工措施不同，它可在某一或某些方向上表现得充分而明显。实践证明，在塑性土层或 弹塑性岩体之中，常可见到顶围、侧围、底围三者以相似的大小和速度，向洞室空间方面变 形，而不失其完整性；实际上，已很难区分它的变形与破坏的界限，但它可导致支撑和衬砌 的破坏。这便是在粘性土或粘土岩、泥灰岩、凝灰岩中常见的围岩缩径，又谓“全面鼓胀”。 2) 岩爆 洞室开挖过程中，周壁岩石有时会骤然以爆炸形式，呈透镜体碎片或岩块突然弹出或抛 出，并发生类似射击的僻啪声响，这就是所谓“岩爆”。坚硬而无明显裂隙或者裂隙极稀微 而不联贯的弹脆性岩体，开挖洞室，围岩的变形大小极不明显，并在短促的时间内完成这种 变形；由于应力解除，其体积突然增加；而在洞室周壁上留下的凹痕或凹穴，体积突然缩小。 岩爆对地下工程常造成危害，可破坏支护，堵塞坑道，或造成重大伤亡事故
5、地下洞室围岩的分类方法有几种？其要点是什么？ 答：地下洞室围岩的分类方法主要有：岩体质量指标(RMQ)分类法、岩石质量指标(RQD) 分类法、岩体地质力学分类、Baiton岩体分类四种。 (1)岩体质量指标(RMQ)分类法简称M法，这种方法目前虽不太成熟，但它在分类的原 则和依据上都很合理。 该分类法是在大量地质工作的基础上，分析影响岩体质量的各种因素，并通过各种勘测 试验手段，取得并综合这些因素的定量指标，提出岩体质量(RMQ)的概念。根据RMQ值大小， 可以衡量岩体质量的优劣。该法具有许多优点，易被接受，但由于试验及观测统计资料不充 分，有待完善。 (2)岩石质量指标(RQD)分类 美国伊利诺斯大学曾利用直径为5.4cm的钻孔岩样，来评定岩石的优劣。具体作法是以 钻孔获取的大于1Ocm的岩芯断块长度Lp与岩芯进尺总长度Lt之比，作为岩石质量指标RQD, 即 ROD = ×100% L (7-6) 根据RQD值，可将岩石质量划分为五类。目前该方法己积累了大量的经验，被较多的工 程单位采用。 (3)岩体地质力学分类 这种分类法的出发点是把岩体作为一种由多种多样结构面切割的多裂隙固体介质。岩体 内结构面的规模、性质及其组合关系在很大程度上决定了岩体力学作用过程，形成不同的力 学介质类型：岩体的工程特性在很大程度上受岩体结构所控制。根据岩体结构进行工程地质 分类是抓住了问题的本质的。因此这种分类法在国内外颇受到重视，我国有些单位的岩体工 程地质分类即把它作为基本依据。这种分类需进一步解决定量评价问题。 (4)Baiton岩体分类 挪威学者N.Baiton等早在1974年为隧道支护设计提出了有名的岩体工程分类。该分 类用岩石质量指标RQD,节理组数Jn,节理面粗糙度Jr,节理面蚀变程度Ja,裂隙水折减 系数Jw,地应力的影响SF等六个因素，以下述表达式来算出围岩岩体质量Q: e(00 (7-7)
5、地下洞室围岩的分类方法有几种？其要点是什么？ 答：地下洞室围岩的分类方法主要有：岩体质量指标(RMQ)分类法、岩石质量指标(RQD) 分类法、岩体地质力学分类、Baiton 岩体分类四种。 （1）岩体质量指标(RMQ)分类法简称 M 法，这种方法目前虽不太成熟，但它在分类的原 则和依据上都很合理。 该分类法是在大量地质工作的基础上，分析影响岩体质量的各种因素，并通过各种勘测 试验手段，取得并综合这些因素的定量指标，提出岩体质量(RMQ)的概念。根据 RMQ 值大小， 可以衡量岩体质量的优劣。该法具有许多优点，易被接受，但由于试验及观测统计资料不充 分，有待完善。 （2）岩石质量指标(RQD)分类 美国伊利诺斯大学曾利用直径为 5.4cm 的钻孔岩样，来评定岩石的优劣。具体作法是以 钻孔获取的大于10cm的岩芯断块长度Lp与岩芯进尺总长度Lt之比，作为岩石质量指标RQD， 即 （7-6） 根据 RQD 值，可将岩石质量划分为五类。目前该方法已积累了大量的经验，被较多的工 程单位采用。 （3）岩体地质力学分类 这种分类法的出发点是把岩体作为一种由多种多样结构面切割的多裂隙固体介质。岩体 内结构面的规模、性质及其组合关系在很大程度上决定了岩体力学作用过程，形成不同的力 学介质类型；岩体的工程特性在很大程度上受岩体结构所控制。根据岩体结构进行工程地质 分类是抓住了问题的本质的。因此这种分类法在国内外颇受到重视，我国有些单位的岩体工 程地质分类即把它作为基本依据。这种分类需进一步解决定量评价问题。 （4）Baiton 岩体分类 挪威学者 N. Baiton 等早在 1974 年为隧道支护设计提出了有名的岩体工程分类。该分 类用岩石质量指标 RQD，节理组数 Jn，节理面粗糙度 Jr，节理面蚀变程度 Ja，裂隙水折减 系数 Jw，地应力的影响 SRF 等六个因素，以下述表达式来算出围岩岩体质量 Q： (7-7)
只需分别确定以上六因素的具体数值，就可算出围岩的岩体质量指标Q。六因素数值的 确定均有表可查。Q值通常范围为0.01一1000，它相当于从非常糜棱化的岩体一直到完整坚 硬的岩体。Baiton根据Q值的大小，还给出了相应的施工方法和衬砌类型。 这种分类方法，考虑的地质因素较全面，同时从定性分析进入定量的评价，在岩体分类 上迈进了一大步，引起了各国工程单位和岩体力学及工程地质学家的普遍注意。它代表了一 种分类的方向。 6、什么是地下洞室围岩的应力重分布？计算围岩应力的弹性理论方法和普氏k方法的 基本假定有哪些？ 答：由于洞室的开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改 变的过程和现象，称为围岩应力重分布。 弹性理论方法的基本假定：（课本中没有详细介绍） 普氏k方法的基本假定：洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位 以上和两侧砂体，处于新的平衡状态而稳定。塌落边界轮廓呈拱形。若洞室侧围砂体沿斜面 滑动，洞顶仍塌落后呈拱形。若有支撑或衬砌，作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内 塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体维持自身平衡。 7、保护地下围岩稳定性的工程措施有哪些？ 答：保障围岩稳定性的途径有二：一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低：二是提 高岩体整体强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌方案，后者 主要是加固围岩。 8、新奥法和盾构法的特点是什么？它们各适用于什么岩土层？ 答：新奥法与常规的支衬方法相比，具有开挖断面小，节省支衬材料，岩体稳定性好， 施工速度快等优点：盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术，其优点是避开干扰，不影响 地面建筑和环境，可充分开发地下空间 新奥法既适合于坚硬岩石，也适合于软弱岩石，特别适合于破碎、变质、易变形的施工 困难段：盾构法主要用于第四系松软地层掘进成洞
只需分别确定以上六因素的具体数值，就可算出围岩的岩体质量指标 Q。六因素数值的 确定均有表可查。Q 值通常范围为 0.01—1000，它相当于从非常糜棱化的岩体一直到完整坚 硬的岩体。Baiton 根据 Q 值的大小，还给出了相应的施工方法和衬砌类型。 这种分类方法，考虑的地质因素较全面，同时从定性分析进入定量的评价，在岩体分类 上迈进了一大步，引起了各国工程单位和岩体力学及工程地质学家的普遍注意。它代表了一 种分类的方向。 6、什么是地下洞室围岩的应力重分布？计算围岩应力的弹性理论方法和普氏 fk 方法的 基本假定有哪些？ 答：由于洞室的开挖，围岩中应力、应变调整而引起原有天然应力大小、方向和性质改 变的过程和现象，称为围岩应力重分布。 弹性理论方法的基本假定：（课本中没有详细介绍） 普氏 fk 方法的基本假定：洞室开挖后围岩一部分砂体失去平衡而向下塌落，塌落部位 以上和两侧砂体，处于新的平衡状态而稳定。塌落边界轮廓呈拱形。若洞室侧围砂体沿斜面 滑动，洞顶仍塌落后呈拱形。若有支撑或衬砌，作用在支撑或衬砌上的压力，便是拱圈以内 塌落的砂体重量，而拱圈以外的砂体维持自身平衡。 7、保护地下围岩稳定性的工程措施有哪些？ 答：保障围岩稳定性的途径有二：一是保护围岩原有稳定性，使之不至于降低；二是提 高岩体整体强度，使其稳定性有所增高。前者主要是采用合理的施工和支护衬砌方案，后者 主要是加固围岩。 8、新奥法和盾构法的特点是什么？它们各适用于什么岩土层？ 答：新奥法与常规的支衬方法相比，具有开挖断面小，节省支衬材料，岩体稳定性好， 施工速度快等优点；盾构法是用特制机器开挖隧洞的施工技术，其优点是避开干扰，不影响 地面建筑和环境，可充分开发地下空间 新奥法既适合于坚硬岩石，也适合于软弱岩石，特别适合于破碎、变质、易变形的施工 困难段；盾构法主要用于第四系松软地层掘进成洞