EM111022901 岩石隧洞和竖井 14章Word文档格式.docx

1、2-3 设计方法和标准a. 考虑到地质材料的多样性和复杂性与对完建地下建筑物的多样需求，很难找到一种隧洞设计标准或规范是不足为怪的。在加上其复杂性的事实，岩石特性的许多方面都不易充分了解，稳定岩石的修建建筑物的设计都要求考虑与岩体的应变一致性。b. 本手册强调了根据地质资料预测地基特性的方法、可在多种情况下分析失事模式的定义和尽管地质材料有变化也会确保建筑物安全与经济的隧洞设计原则。2-4 设计协作a. 由于隧洞和竖井施工中的风险和不确定性，使地下建筑物的设计不能由一位或几位工程师来完成。设计必须是一个融入了多种学科知识的仔细慎密和深思熟虑的过程。极少数工程师充分了解设计、施工、运行和环境问题

2、，以及能单独做出重要决定的商务合同惯例。b. 工程地质学家规划并实施地质勘查，解读所有可能的资料以确定成洞条件并决定可能会影响隧洞施工的地质特性和异常情况。工程地质学家还将参与地基支护要求设计和评估、初期地基支护、处理异常条件的补救措施选择、衬砌类型选择及基本隧洞线路选择。地质学家可要求水文地质学家或其他专家协助。注：初期地基支护设计的细节通常由承包商来完成。c. 水利工程师必须确定隧洞定线和剖面、隧洞内压力及隧洞完工面（糙率）要求的标准，而且当综合考虑该标准或推荐另外的解决方案时，必须进行分析并提出意见。d. 结构工程师分析钢衬压力隧洞和压力管道并帮助分析钢筋混凝土衬砌。结构工程师还应协助隧

3、洞衬砌类型的初选，并参与初期地基支护构件，如钢支护，的选择和设计。e. 地质工程师参与地基支护要求、初期地基支护、处理异常条件的补救措施选择，衬砌类型选择和基本隧洞定线的设计和评估。f. 土建工程师处理诸如施工场地位置和布置、排水和垃圾处理、进场道路、施工便道及公用设施和其他装备的重新布置。g. 土建工程师或测量师编制基础规划图、选择适当的坐标系统并建立作为所有设计基础的几何框架以及施工用的基准点、标准和控制。h. 环境人员提供用于处理环境问题和准许要求的必要研究和文件编制。它们也可导致或形成公众参与意识。i. 必须有地下工程经验丰富的施工工程师参与对所需或预期的施工方法的咨询和核查以及对补救

4、措施的设计。他们还将参与合同文件的编制与所需的安全与质量控制计划。j. 所涉及的其它专业人员至少还应包括技术规范专家、费用估算师（通常为施工工程师），描图员/设计师/计算机辅助制图和设计操作员（CADD）以及编制合同文件商务部分的人员。2-5 设计与实施过程关于隧洞工程和设计，必须在所有设计阶段都考虑地质和地球工程学。下面是设计和实施的总体概念，详细情况将在本手册的以后章节讨论。a. 踏勘和工程概念在踏勘阶段的工程概念包括判定和定义一种需求或机遇，和形成一种能够满足这个需求或优于这种机遇的概念。对于大多数的美军陆军工程师团地下工程项目，其工程类别包括一种或几种目的的输水、发电、防洪、调水、灌溉

5、供水或其它目的。b. 可行性研究和概念开发（1）这一阶段的活动主要集中在经济问题上。经济可行性要求工程效益超过工程的造价和环境影响。设计概念必须开发到足以评估造价和设施影响的程度，而且如果存在的话必须找出一个“最佳点”。最佳点是一个不能超越的限制，如环境难题（侵害国家公园资源或危及物种，所需的村庄迁移等）或地质难题（穿越深大破碎岩石、地热水、有害或爆炸气体的隧洞等）。（2） 还分析另一种解决方案来确定障碍物、约束和影响，并决定更加可行的总体计划，包括初步的工程位置和几何布置、线路和等级以及进场部位。选择线路和等级时，应考虑下列几点： 必须分析另一种水力学概念，定义水面线以及所需的附属建筑物、调

6、压井、和采用气垫等。 诸如竖井加斜井和地表压力钢管加隧洞或竖井的可选方案。 可能会考虑交替的较长轴线的困难地质条件。 隧洞开挖危险，如地热水，地下有害气体等。 隧洞埋深的选择是以最大限度减少钢衬的需求并最大限度增加不需最终衬砌的岩石隧洞开挖为原则。 进场地点和施工区靠近现有的道路和那些环境条件可以接受的位置。 弃料场地位置。 进度计划要求隧洞从一个以上的平洞口掘进。 需要征用的私有财产数量。在城区，洞轴线最好设置在公共街道下面。如圣地亚哥的一条排水隧洞就计划设置在海洋下面，（实际上并非此时建造）距离海岸数百英尺，以避免在下面穿过大量的私人财产。 环境影响，如交通，噪音和灰尘及现有地下水影响。（

7、3）在可行性和早期规划阶段，工程测量必须确立地形和文化条件和制约，主要依照现有的成图和航片。如在第四章所讨论，还必须在一开始就考虑已有的地形资料来确定要作出可行性的靠得住决定手头的资料是否充分，或是否应收集进一步的辅助资料。（4）此阶段的工作应完善一个完整的实施计划，包括资料收集计划和进度安排、设计、许可、土地及通行权的获得和施工。通常还需要公众参与的策略。c. 施工前期规划与工程（1）在此阶段，隧洞线路和等级及所有附属建筑物的位置都应确定，而且还应获取最终设计和施工所需的绝大部分资料。（2）必须确定测量控制网和基准点，而且必须绘制详细的地形图。施工控制所需的测量可在最终设计时进行。在城区，绘

8、制地形图将包括包含现有公用设施及其它设施在内的所有受影响文化特性。必须对财产所有人进行调查。（3）本阶段还应完成地质现场成图、地球勘探和试验以及水文资料收集，并编制地质资料报告。环境与许可工作以及公众参与事宜继续贯穿该初步设计阶段。（4）初步设计还包括对施工方法和后勤工作的评估，与进度计划要求一致。还需要进行权衡研究以便确定不同设计方案的相对值 （如在水力运行中是否可接受更大粗糙的不衬砌隧洞？多个导洞所增加的费用是否比所节省的时间更值？） 。（5）施工前期规划和工程都以编制总体设计备忘录而达到顶点，常常伴随包含推荐设施各个方面在内的特性设计备忘录。d. 施工阶段：最终设计和合同文件编制（1）

9、合同图纸一般包含下列内容： 测量基准点和控制。 洞线、等级和几何体型。 现场：现有条件、现有设施、可利用工作区域、道路、弃渣场地、交通维护与控制和信号标示。 地质勘探资料。 原有建筑物保护。 冲刷与泥沙淤积控制，暴雨保护。 洞口和竖井布置。 所有地下空间、洞口和竖井的初期支护，通常随地基条件变化。 承包商设计的临时设施标准，如临时开挖支护。 施工顺序，如果有的话。 所需的二次衬砌（混凝土、钢筋混凝土、钢）。 附属建筑物及细节。 阴极保护。 仪器仪表和监测布置与细节。 场地恢复。（2） 构成一个完建工程部分或在完建工程中发挥某种功能的所有工程部件都必须完全由设计组团负责设计。对于那些在工程实施过

10、程中由承包商使用但不属于完建工程部分的构件，由承包商负责设计和提供。这些构件包括许多临时建筑物，如竖井井口，临时开挖挡土墙，完全用于临时目的而且不考虑帮助维持长期稳定的隧洞初期支护，临时通风设施和其它施工设备。当设计者认为工程的安全、质量和进度需要时，可规定该工程部分的最低要求和标准。例如，通常为临时挡土墙设计提供最小的土压力。（3） 本技术规范非常详细的规定了承包商的职责，承包商和政府间的合同关系以及承包商的支付条款。（4） 在标准的技术规范和以往工程中使用的技术规范仍然有用而且可用作核对表的同时，它们却不能替代特定工程技术规范的详细工艺要求。现代的合同签定惯例要求完全揭示地质和地勘资料，通

11、常以承包商可利用的资料报告形式提供。对于由其它部门实施的工程，通常还要编制地勘设计综合报告（GDSR）或地勘原始资料报告（GBR），并作为合同文件的组成部分。本报告提出了设计者对岩石条件及其影响的解读，并构成任何不同现场条件索赔的依据。这类报告的编制现阶段美国陆军工程师团没有实施，只有少数例外。e. 施工（1）由驻地工程师、检查员和辅助人员组成的施工管理队伍通常用于施工监督。该队伍授权管理确保工程按照合同文件实施并负责测算进度支付。工程现场安全是承包商的责任，但施工管理队伍必须确保编制并实施安全计划。（2）施工期间，设计者参与承包商提交资料的审核。在实施仪器仪表和监测项目时，设计者应负责解读监

12、测数据并根据监测资料提出行动意见。设计团队还应在工地服务。f. 试运行和运行（1） 在一项地下设施宣布完成前，可能需要进行诸如静水试验的某些试验。编制用于未来操作人员的运行维护手册和竣工图。（2） 永久监测设施可与运行设施统一使用。还可安装其它设施以验证设施的持续安全运行。永久监测设施的典型实例包括检验长期地下水影响的观察井或压力计。第三章 地质考虑事项3-1 总则a. 现场地质条件为任何地下建筑物提供了安装高程。岩石的力学性能描述了地质材料是如何在开挖导致的力的作用下变形和失败的。水文地质条件确定必须控制的水量和水压。一旦设计者确定了这些参数的评估和相关的不确定性，就可确定岩体性能，并可进行

13、地下建筑物的设计。b. 地质地层和结构构成了用于设计、施工目的的岩体探测和分类的框架。该地质框架再把岩体进一步分为不同特征的类别，描绘地质边界，并提供地质或水文风险线索。对于每一类岩石，完整岩石性能影响由应力诱发的行为模式、耐久性和开挖效果，同时受不连续性和风化极大影响的岩石性能也在施工期间和施工后影响孔口的稳定性。c. 本章描述了与地下洞室设计相关的地质参数。它讨论了完整岩石和岩体的地球技术性能、非扰动岩体内的原位应力、诸如岩体行为接缝和断层的风化和不连续影响、地下水和有害气体的出现。这些参数构成了预测地下建筑物性能的基础。3-2 完整岩石性能a. 岩石是一种其构成变化很大的天然材料。它们常

14、常是矿物微粒的集合，尽管只有少数岩石为无定型玻璃体，它们通常都是些矿物颗粒成分。矿物是些带有独特固定化学成分的无机物。在岩石中发现的最常见矿物质如表3-1所示。它们主要是硅酸盐。岩石的每一种矿物都拥有不同于其它呈现的矿物的物理、力学和化学性能。岩石矿物学一般都由显微镜薄片检查来确定。然而，莫氏硬度等级（表3-2）提供了一种有助于根据岩石硬度鉴定矿物并确定岩石特性的野外程序。表3-1 普通矿物矿物组化学成分硬度颜色其它特性长石钾（正长石）钠和钙（斜长石）三维空间的铝矽酸盐6白或灰，很少普通粉色相对容易风化石英硅，化学非常稳定7无色贝壳状的裂口粘土矿晶体尺寸太小低动力显微镜不能看见的铝矽酸盐2-3

15、通常白色，灰色，黑色可以片状出现，有一个粘滑状的特性云母片状结构的钾（白云母）或钾-镁-铁（黑云母），相对稳定的矿物。白云母是无色的黑云母是黑绿或褐黑沿接近平行位面易断，风化形成薄片绿泥石化学分析含水的铁镁铝矽酸盐2-2.5绿色软，易断和形成片状方解石化学组成碳酸钙3三价铁矿是红褐色，亚铁矿是灰绿铁矿石氧化物，赤铁矿，碳酸盐，黄铁矿5-7黑绿，褐到黑铁镁齐矿化学合成的钙纳，富铁镁的铝矽酸盐（角闪石，普通辉石，橄榄石）表3-2 测量矿物硬度的莫氏等级标准矿物硬度等级野外识别滑石1指甲铜币石膏2氟石4磷灰石5铁5.5玻璃正长石小刀钢锉黄玉8刚玉9金刚石10b. 矿物特性影响岩石工程性质，特别是当矿

16、物构成岩石的重要组成部分时。无水硅酸盐（长石、石英、角闪石、辉石、橄榄石）比其他大部分普通矿物都要硬强度都要高，而且能影响岩石强度、切割性及其变形的方式。像云母或方解石等大量的相对软弱矿物会由于风化作用导致迅速崩溃。带有明显劈理的矿物能引起岩石的各向异性。但由于单个矿物颗粒细小，因而每个颗粒通常几乎不会对岩石整体机械特性产生直接影响。尽管岩石的矿物学会影响岩石性质，通常需要对岩石样本进行力学试验来确定岩体的工程特性。c. 根据其成因，岩石可主要分成三类。 火成岩：火成岩由岩浆侵入地壳上部或喷出地表凝固而成。其成分取决于结晶的岩浆种类，其结构取决于岩浆冷却速度。慢速冷却形成较大的结晶状岩体（结晶

17、花岗岩），反之，快速冷却产生细小结晶状岩体（玄武岩、流纹岩）或玻璃质岩体（黑曜岩）。 沉积岩：沉积岩由经过搬运的岩石碎片胶结而成（砂岩、粉砂岩、泥岩）；由有机残骸像贝壳和死的植物堆积而成（石灰石、煤）；或经化学沉积而形成矿物（石盐、石膏、石灰石）。 变质岩：变质岩由地壳深处已存在的岩石经高温、高压作用变质而成（片麻岩、片岩、板岩、大理岩、石英岩）。变质岩的成分取决于原始矿物、温度及压力。其结构反映变形力。d. 在每种岩石中，根据矿物成分、颗粒尺寸和结构，分离分类体系已有所发展。作为工程目的，用作地质学研究的体系已相当详尽；为工程应用，简化后比较适宜。克莱顿、西蒙、马修斯（1982）提出了一个简

18、化体系，它为工程师工作提供了有用的框架，可以根据火成岩、沉积岩和变质岩的起因及颗粒尺寸进行分类。火成岩的分类方案列于表3-3，根据结晶尺寸确定，因为结晶尺寸依赖于冷却速度，所以可以确定岩石形成的原始模式；沉积岩的分类方案列于表3-4，根据沉积方式、岩石的化学成分和微粒尺寸而定；变质岩的分类方案列于表3-5，根据颗粒结构和矿物学而定。e. 致密岩石材料包含颗粒和充填空气和水的粒间孔隙。这些三要素的相对体积和重量决定多孔性、密度和饱和度。岩石的多孔性对岩石的渗透性和强度有重要影响。像颗粒化学成分和粘结度的其他因素，将影响其在暴露状态下易受风化或分解的程度，及其在开挖期间对开挖工具的磨损程度。例如，

19、当粘土岩类（页岩和泥岩）处于干湿循环周期状态时，将发生膨胀和分解。致密岩石的典型地质参数列于表3-6。f. 岩石的工程特性不仅取决于矿物形成的板块结构，而且取决于结构的不完整性，比如孔隙、裂缝、内含物、晶界和软弱颗粒。孔隙主要由连续的、不规则的、分离矿物颗粒的毛细管裂缝组成。在火成岩中，慢速冷却岩浆将形成相对的无孔岩石；反之，快速冷却（特别是有逸出气体）的岩浆将产生多孔岩石。在沉积岩中，多孔性主要取决于胶结材料的数量和粒子尺寸及包裹要素。岩石强度取决于板块强度和颗粒间的联结力。表3-3 火成岩颗粒尺寸酸媒介碱性超碱性颜色浅的岩石颜色浅/黑的岩石黑色岩石非常粗糙颗粒60mm岩石由大的、很好揭露的

20、石英结晶，长石云母和频繁出现的稀有矿物组成结晶花岗岩粗糙颗粒2mm至少50%的岩石足够粗糙，允许识别单个矿物粗颗粒、黑色（深绿到黑），粒状结构。包含橄榄石和斜辉石，没有长石橄榄岩浅颜色、等粒状结构（主要颗粒近似相等），丰富长石，含20%石英花岗岩中深颜色，或多或少的等粒结构，丰富长石和角闪石，含20%石英闪长岩黑色，常呈绿色，丰富的斜长岩（约60%）和斜辉石中有少量橄榄石，岩石致密辉长岩中等颗粒0.06mm至少50%的中等颗粒，借助手持透镜，可见结晶状，但难分辨单个矿物。灰绿色到黑色，碎裂，摸上去圆滑或像蜡。呈十字，纤维纹路 蛇纹岩和花岗岩相似，但晶粒通常更小微花岗岩和闪长岩相似，但晶粒通常更

21、小微闪长岩常呈绿色粒状结构，难分辨单个矿物，岩石致密 辉绿岩细颗粒至少50%的细颗粒，即使借助手持透镜，通常也看不见结晶状，这类岩石多孔浅颜色（浅黄褐、灰）带状 流纹岩浅颜色、较轻、多孔 浮岩中等黑（灰、紫、褐、绿），多呈斑状结构 安山岩新鲜岩石呈黑色，风化后变红或绿，多孔或杏仁状 玄武岩玻璃状玻璃状，很少或没有斑晶，黑色，玻璃光泽、贝壳状破裂黑曜岩 玻璃状，很少或没有斑晶，可能黑色、褐色或灰色，光泽暗淡或蜡质 松脂岩表3-4 沉积岩分组岩屑沉积层火成碎屑沉积化学或有机沉积层状块状组成和结构石英、岩石碎片、长石、其他矿物至少50%由碳酸盐组成（通常和弱酸反应）至少50%为细颗粒火山矿物，由有角

22、矿物或细颗粒火成岩碎片晶状碳酸盐沉积结构，不可辨认，构造是非碎屑沉积结构通常不可辨认粒径粗颗粒2mm较细颗粒结构中，有或多或少的圆颗粒 砾岩 较细颗粒结构中，有棱角和次棱角颗粒 角砾岩钙质碎屑岩岩石组成： 1细颗粒中有圆颗粒 集块岩 2细颗粒中有棱角颗粒 火山角砾岩岩石结晶状，有咸味，可用指甲划痕 岩盐岩石结晶状，可用指甲划痕。烧几分钟后，颗粒变成粉笔状物质 1. 主要是矿物和岩石碎片砂岩2.石英95%。颗粒间空隙可能是空的或有化学粘接材料充填石英砂岩3. 75%的石英和岩石碎片、超过25%长石（颗粒有角），颗粒间空隙可能是空的或有化学粘接材料充填 长石砂岩4. 75%的石英和岩石碎片、15%

23、的细岩屑矿物泥质砂岩钙质砂岩细颗粒结构中，主要有沙子粒径的棱角矿物和岩石碎片凝灰岩岩石结晶状，主要是碳酸钙（90%），与酸强烈反应石灰岩岩石结晶状，呈微黄色，和弱酸反应白云石灰岩岩石结晶状，无色到白色，经常淡兰色。比石膏硬，有三组直角劈理。硬石膏黑色或褐色，较轻（1.8-1.9）玻璃光泽、贝壳状破裂煤细颗粒0.002mm极细颗粒至少50%细颗粒，摸上去有点粗糙粉砂岩岩石均匀、细颗粒摸上去有点粗糙泥岩和泥岩相似，但和弱酸反应钙质泥岩至少50%的极细颗粒，摸上去光滑粘土岩极薄片、易分裂，细或极细颗粒页岩钙质粉砂岩粉笔钙质泥屑岩细颗粒结构中的淤泥粒碎片。取样后，结构和碎片经常不能分辨细粒凝灰岩极细粒

24、凝灰岩岩石结晶状，由碳酸镁组成（90%）。小块岩石浸入弱酸后，不会立即反应，但是，会在块体表面缓慢形成二氧化碳气泡。白云岩黑色或灰色，贝壳状破裂。用小刀不能划痕燧石与燧石有相似的外形和硬度，但或多或少有扁平破裂黑硅石表3-5 变质岩片状粗颗粒中等颗粒0.06mm岩石呈现片岩、片麻岩和小粒火成岩的复杂混合。节理不规则，野外容易发现混合岩含有丰富的石英和长石，由浅色石英和深色黑云母和角砾岩的交替组成。野外容易发现。片麻岩主要由大的平层结晶云母组成，显示清楚的平行或近似平行方位。节理发育片岩由中等到细颗粒组成，平的、棱柱的、或针状的，千枚岩极细颗粒组成，劈理容易变成薄片板岩无规则取向矿物颗粒组成（细

25、到粗颗粒）。火成侵入形成温度变质角页岩超过50%的方解石含量（和弱酸剧烈反应），浅色，粒状结构大理岩主要成分是白云石（白云石不会立即与弱酸反应）白云石大理岩中等颗粒，粒状结构，与区域变质有关。麻粒岩主要成分石英（95%），任意方位石英岩表3-6 特殊岩石类型不连续分类岩土类型不连续类型物理特性地球技术备注沉积岩火成岩变质岩适用于所有岩石层面裂隙板状劈理任意裂缝冷缝构造裂隙断层层状裂隙岩性边界平行于原始沉积面，形成裂缝，通常几乎水平。成岩过程中和分裂时，在泥岩中形成平行不连续由于加固过程中的收缩和小剪切，新的沉积岩中产生，不大，但重要在熔岩和岩床常见，六角形裂隙，与冷缝面垂直，通过横节理侵入在细颗粒坚硬岩石中，闭合、平行、持续完整平面的不连续由构造应力产生，通常成组发生，按照区域应力解释裂隙系统延续几毫米到数百公里，经常和剪切带有关。粗糙，较宽，平行地面，由于卸荷，张拉形成不同岩石类型的边界。按照地质历史，可以是任意角度、形状、复杂体平的，延续数十或数百米。岩性、强度、渗透性可以改变，通常紧闭，有大的凝聚力，由于风化和卸载，可能张开。对许多粘土的强度和渗透性有控制影响柱状、规则，容易处理，其他裂隙宽，方位变化致密时，粘聚力高，风化或卸载时，容易张开，不粗糙根据可能起源，分成剪或拉，拉裂隙通常比剪裂隙粗糙，裂隙消失可导致高强度低抗剪强度，和高地下水