隧道工程地质环境.docx

教学学时6学时 隧道工程地质环境 重点 1、隧道工程地质调查与勘探； 2、施工地质超前预报； 3、隧道围岩分级。 难点 隧道围岩分级。 解决办法通过看一些工程图片、图纸，使学生对隧道围岩分级有一些直观的认识。 隧道工程地质环境 一、隧道工程地质调查与勘探 1.工程地质调查测绘 隧道通过地段的地质调查测绘是隧道工程地质勘测的核心工作。 （1）铁路工程地质技术规范的总要求 1）查明隧道通过地段的地形、地貌、地层、岩性、地质构造。岩质隧道应着重查明岩层层理、片理、节理等软弱结构面的产状及组合形式，断层、褶皱的性质、产状、宽度及破碎程度；土质隧道应着重查明土的成因类型、结构、成分、密实程度、潮湿程度等。 2）查明隧道是否通过煤层、气田、膨胀性地层、采空区、有害矿体及富集放射性物质的地层等，并进行工程地质评价。 3）查明不良地质、特殊岩土对隧道通过的影响，评价隧道可能发生的地质灾害，特别是洞口对边仰坡的影响，提出工程措施意见。 4）对于深埋隧道，应预测隧道洞身地温情况。 5）深埋及构造应力集中地段，对坚硬、致密性脆岩层应预测岩爆的可能性，对软质岩层应预测围岩大变形的可能性。 6）对隧道浅埋段及洞口段应查明覆盖层厚度、岩土体的风化和破碎程度、含水情况，评价其对隧道洞身围岩及洞口边、仰坡稳定的影响。 7）对傍山隧道，外侧洞壁较薄时，应预测偏压危害。 8）应根据地质调绘、物探及验证性钻探、测试成果资料，综合分析岩性、构造、地下水状态、初始地应力状态等围岩地质条件，综合岩体完整性指数、岩体纵波速度等，分段确定隧道围岩分级。 9）接长明洞地段，应查明明洞基底的工程地质条件。 10）当设置有横洞、平行导坑、斜井、竖井等辅助坑道时，应查明其工程地质条件。 （2）地形地貌调查 主要是查明隧道通过地段的山体的自然情况，其中包括山坡的形态和坡度、河流两岸阶地对称情况、山体垭口和鞍部的分水岭的分布。分析上述自然情况与河流切割、地质构造、岩层分布的关系。 （3）地层、岩性调查 要查明隧道通过地段的地层时代、地层程序、地层岩性及岩性变化，查明地层接触关系。要特别注意查明岩层的顺序和厚度、岩性特征和物理力学性质以及岩石的风化程度。 （4）地质构造调查 地质构造与隧道围岩稳定性和施工地质灾害关系最密切，所以它是隧道工程地质勘测的核心工作。调查的重点是褶皱、断层、节理、侵入体或岩脉等。 褶皱调查的主要内容包括褶皱的基本类型、形态类型、两翼的地层时代和岩性、褶皱核部的位置、褶皱轴线走向、轴面产状等。 断层调查的主要内容包括断层的存在和证据，断层的位置和产状，断层的破碎带宽度和物质组成，断层的力学性质等。 节理调查的主要内容包括节理的组数和发育程度，主要节理的产状（特别是节理走向）和力学性质，风化裂隙的影响范围和深度等。 （5）水文地质调查 地下水增加了隧道施工的难度，隧道的开挖又常常引起地下水的流失，影响隧道所在地段的居民用水。地下水与地表水文地质有密切关系，所以隧道工程地质勘测要进行水文地质调查。水文地质调查的主要内容包括隧道通过地段的井、泉情况，分析水文地质条件，判断地下水的类型、水质、侵蚀性、补给来源等，预测洞身最大及正常分段涌水量，并取样作水质分析。在岩溶发育地区，应分析突水、突泥的危险，充分估计隧道施工诱发地面塌陷和地表水漏失等破坏环境条件的问题，并提出相应工程措施意见。 （6）滑坡、落石、岩堆、泥石流和岩溶地质调查 主要查明这些不良地质是否存在及其性质，存在的位置及其范围，不良地质的规模及其对隧道施工和隧道本身的影响。 （7）地温测定 地温对隧道施工，特别是对深埋隧道施工有很大影响。因为，在地壳恒温层（距地表1035m）以下，深度每增加100m，温度将增加3℃，当温度超过38℃时，在潮湿的隧道内施工将有很大困难，所以隧道工程地质勘测要进行地温测试，为施工单位提供地温资料。 2.勘探、测试工作要求 勘探测试工作是隧道工程地质勘测的重要内容，特别是对复杂地质、复杂地形条件下施工的长大、重点隧道更是如此（1）铁路工程地质技术规范对勘探测试工作总的要求 1）地质条件复杂的隧道宜采用综合勘探方法。地质条件复杂的深钻孔应综合利用。 2）钻孔位置的数量应视地质复杂程度而定。洞门覆土较厚时，应布置勘探孔；地质复杂，长度大于1000m的隧道，洞身应按不同地貌及地质单元布置勘探孔查明地质条件；主要的地质界线，重要的不良地质、特殊岩土地段，可能产生突泥危害地段等处应有钻孔控制；穿越城市和大江大河的隧道应按相关规定进行勘探或专题研究。洞身地段的钻孔位置宜布置在中线外810m；钻探完毕，应回填封孔。 3）钻探深度应达到路肩以下35m，遇溶洞、暗河及其他不良地质时，应适当加深至溶洞及暗河底以下5m。 4钻探中应作好水位观测和记录，探明含水层的位置和厚度，并取样作水质分析。水文地质条件复杂的隧道，应做水文地质试验，测定地下水的流向、流速及岩土的渗透性，计算涌水量，必要时作水文地质动态观测。 5）应取代表性岩土试样进行物理力学性质试验。 6）对有害矿体和气体，应取样作定性、定量分析。 （2）勘探的阶段及其工作要求 隧道工程地质勘测的勘探工作分为初测阶段和定测阶段。 1）初测要求 长隧道、特长隧道、多线（三线及三线以上）隧道、工程地质条件复杂而控制线路方案的隧道以及需作代表性设计的隧道，应编制隧道工程地质纵断面图，分段提供隧道围岩分级。当区域地质复杂、方案较多时，应编制隧道线路方案工程地质图或隧道地区地质构造图。勘探的数量及布置视隧道区域地质的复杂程度而定，宜沿洞身纵断面布置，以说明隧道的工程地质和水文地质情况以及围岩分级等。 水文地质、工程地质条件较复杂，长度超过2000m控制线路方案的越岭隧道，应充分利用卫片、航片判释，作大面积地质测绘。为查明隧道工程地质条件，确定线路方案，可根据需要，提前布置物探、钻探、测试工作。 2）定测要求 不论是一般隧道、长大隧道或者地质复杂隧道，均应进行单独的工程地质勘测工作，编制单独工点的图表资料。。 二、施工地质超前预报 1.地质超前预报的内容 地质超前预报的内容包括隧道所在地区地质分析与宏观地质预报、隧道洞身不良地质及灾害地质预报和重大施工地质灾害临警预报。 （1）地区地质分析与宏观地质预报 主要预报开挖面前方的围岩级别和稳定性，及时反馈、修改设计，调整支护类型；预报洞内涌水量大小和变化规律以及对环境地质与工程的影响。 （2）不良地质及灾害地质超前预报 主要预报开挖面前方岩性变化和不良地质体的范围、规模、性质，以及突水、突泥、坍塌、岩爆、有害气体等灾害地质的发生概率，提出施工预防措施；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎带物质状态、充水情况、稳定程度等，提出施工对策。 （3）重大施工地质灾害临警预报 针对开挖面前方有可能引发的大规模突水、突泥、坍塌、冒落、变形、瓦斯爆炸等重大地质灾害建立临警预报系统，主要预报隧道洞身所通过的深大富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、煤系地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。 2.地质超前预报的方法 隧道施工地质超前预报方法主要有传统地质分析法、超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法、物探法及特殊灾害地质所用的相关预测方法。施工地质超前预报是一项系统性工作，需纳入施工工序。 （1）地质分析法 地质调查与推断是隧道地质超前预报最基本的方法，可以随时进行，不干扰施工。其他预报方法的解释应用，都是在地质资料分析判断基础上进行的。通过收集和分析地质资料、地表详细调查、隧道内地质编录、素描、数码照相、超前钻孔、涌水量预测等方法，了解隧道所处地段的地质条件，通过对比、论证、推断，预报隧道施工前方的工程地质、水文地质情况。 通过对洞内开挖面涌水量动态变化的长期观测记录，掌握地下水初期涌水量、衰减涌水量和稳定涌水量的变化规律，综合分析地层、断层等构造以及基岩裂隙水的运动特点，查明地下水的补给、径流及排泄途径，预报未开挖段水文地质情况。对隧道开挖前涌水量的定量预测，往往与隧道开挖实际涌水量有一定的差距，应进行对比分析，总结经验，提高预报水平。 （2）超前平行导坑预报法 在隧道内或隧道附近开挖一平行的小断面导坑，对导坑出露的地质编录、素描、作图，综合分析其地层岩性、地质构造、水文地质情况，根据地质理论预测相应段隧道的工程地质和水文地质条件，以及可能发生地质灾害的位置、性质、规模，并提出防治措施意见。超前平行导坑法最为直观，精确度很高。通过直观的地质情况，施工单位可提前了解主隧道开挖断面的地质情况，以便采取相应的工程防护措施。其缺点是成本高，对施工影响大。在超前平行导坑中辅助以室内物理力学测试、现场点荷载测试、地应力测试、物探地震反射等方法，可以完善地质超前预报的内容。 （3）超前水平钻孔法 用钻探设备向开挖面前方钻探，直接揭示隧道开挖面前方几十米的地层岩性、岩体结构、地下水、岩溶洞穴充填物及其性质、岩体完整程度等资料，还可通过岩芯试验获得岩石强度等定量指标，适用于已经基本认定的主要不良地质区段。超前水平钻孔的方向控制和钻探工艺有一定的技术难度，对施工干扰大。 （4）物理探测法 物理探测法是利用物体物性差异进行地质判断的间接方法。采用物探技术进行超前地质预报的优点是快速，超前探测距离大，对施工干扰相对小，可以多种技术组合应用。物探方法的应用受环境及经验的影响，准确解释物探资料具有一定的技术难度。物探技术存在一定的局限性，在地质超前预报中应进一步结合地质理论，提高物探成果解译水平。 3.地质超前预报方法的应用原则 （1）地区地质分析与宏观地质预报采用传统的地质分析方法，辅以必要的物探技术等手段对隧道围岩的稳定性、水文地质情况进行宏观的地质预报。 （2）不良地质及灾害地质超前预报在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、施工工艺、工期等要求，以先进的物探技术为主要探测手段，并辅以必要的超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法，对开挖面前方不良地质体的情况及有可能产生的灾害地质进行预报，提出施工对策。 （3）重大施工地质灾害临警预报在传统地质分析方法的基础上，结合施工方法、施工工艺、工期等要求，以超前平行导坑预报法、超前水平钻孔法为主，综合利用各种有效的物探手段，对开挖面前方有可能诱发的重大的地质灾害建立临警预报系统，并评判其危害程度，提出施工预案对策。 三、隧道围岩分级 1.概 述 围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体（或土体），或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体（或土体）。 隧道是地下工程，其稳定程度与周围岩体的性态有密切的关系，所以要研究围岩的特征。隧道的围岩特征状态是千变万化的，如从松散的流沙到坚硬的花岗岩，从完整的岩体到极破碎的断裂构造带等，都会因在其中修建隧道而表现出不同的稳定性（所谓稳定性，即在隧道开挖后不加支护的情况下其自身的稳定程度，可分为充分稳定、基本稳定、暂时稳定、不稳定）。 根据长期的工程实践，人们认识到，各种围岩的物理性质之间存在着一定的内在联系和规律，因而可将稳定性相似的一些围岩划归为一级，并将全部围岩划分为若干级，这就是围岩分级。 围岩分级的目的是作为选择隧道施工方法的依据；进行科学管理及正确评价经济效益；确定结构荷载（松散荷载）；确定衬砌结构的类型及尺寸；制定劳动定额，材料消耗标准等。 2. 我国铁路隧道的围岩分级法 围岩分级的方法有很多种，它是在人们不断实践和对围岩的地质条件逐渐加深了解的基础上发展起来的。不同国家、不同行业根据各自的工程特点和目的提出了各自的围岩分级方法。 我国现行的铁路隧道设计规范（TB 100032005）中，明确规定了要采用以围岩稳定性为基础的分级法和按弹性波速度的分级法。 影响围岩稳定性的因素很多，除了工程地质条件，还有工程结构条件。该分级法主要考虑了围岩的结构特征和完整状态、岩石强度和地下水等工程地质条件中三方面的因素，把围岩分为6级，依其稳定性由好到差为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。 四、围岩压力及成拱作用 1．围岩压力 人们对围岩压力的认识，是从开挖洞穴后围岩的变形和坍塌的现象开始的。在隧道开挖、衬砌施工实践中，人们从支护结构的变形、开裂等现象进一步认识到围岩压力的存在。 围岩压力是指引起地下开挖空间周围的岩体和支护结构变形或破坏的作用力。它包括由地应力引起的围岩应力以及围岩变形受阻而作用在支护结构上的力。从狭义来理解，围岩压力是指围岩作用在支护结构上的压力。 2．围岩压力分类 围岩压力按作用力发生的形态，一般可分为如下四种类型； 1松动压力 由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力称为松动压力。松动压力按作用在支护上力的位置不同，分为竖向压力、侧向压力和底压力。松动压力常通过下列三种情况发生 1）在整体稳定的岩体中，可能出现个别松动掉块的岩石； 2）在松散软弱的岩体中，坑道顶部和两侧片帮冒落； 3）在节理发育的裂隙岩体中，围岩某些部位沿弱面发生剪切破坏或拉坏等局部塌落。 2形变压力 形变压力是由于围岩变形受到与之密贴的支护如锚喷支护等的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。所以形变压力除与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。 3膨胀压力 当岩体具有吸水膨胀崩解的特征时，由于围岩吸水而膨胀崩解所引起的压力称为膨胀压力。它与形变压力的基本区别在于它是由吸水膨胀引起的。 4冲击压力 冲击压力是在围岩中积累了大量的弹性变形能之后，由于隧道的开挖，围岩的约束被解除，能量突然释放所产生的压力。 由于冲击压力是岩体能量的积累与释放问题，所以它与弹性模量直接相关。弹性模量较大的岩体，在高地应力作用下，易于积累大量的弹性变形能，一旦遇到适宜条件，它就会突然猛烈地大量释放。 所有这些现象统称为围岩压力现象。为了阻止围岩的移动和崩落，以保证坑道具有设计的建筑界限和净空，就需要架设临时支撑或修筑永久性支护结构。这种衬砌结构承受的压力，即围岩压力。它是作用于隧道支撑或衬砌结构上的主要荷载之一。 2.坑道开挖前后围岩应力状态 （1）坑道开挖前围岩应力状态 图2-4-1 隧道开挖前任一处围岩受力状态 坑道开挖前，地层是处于相对静止的状态。因为地层中任何一处的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的挤压，保持着相对平衡，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力以及地下水活动等因素所决定的。 为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H上的一个单元体来作应力分析，如图2-4-1所示。该单元体受到三对大小相等、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。 （2）坑道开挖后围岩应力状态 坑道开挖之后，围岩原来保持的平衡状态受到破坏，由相对的静止状态变成显著的变动状态，于是围岩在应力和变形方面开始了一个新的变化运动，出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖的坑道空间变形，力图达到新的平衡。 图2-4-2 围岩成拱作用 从上述可知，坑道开挖以后，地层的一侧丧失了约束，平衡状态受到破坏，引起应力集中，围岩就可能向坑道内变形。变形的大小取决于应力变化的大小和围岩抵抗这些变形的能力。对于不同的岩质则有不同的情况。在坚硬且完整的围岩中，围岩体本身强度足以承受坑道周边应力，这时围岩是自承的，不需要支撑或衬砌提供外加平衡力。在松软或裂隙围岩中，由于围岩体破碎，再加以在开挖坑道时受到爆破震动，因而在坑道周边一定范围内的岩体遭到严重的分割与破坏。同时围岩体本身强度低，不足以抵抗围岩的周边应力，因此这一部分岩体在坑道开挖之后，开始是产生向内的变形运动，其后则出现松动或坍塌。松动或坍塌的那一部分岩体便对支护结构施加压力，此压力即围岩压力。 3.围岩的成拱作用 在工程实践中人们发现，当隧道在多裂隙围岩包括一般土层中埋置较深时，作用在支护结构上的围岩压力远远小于其上覆层自重所造成的压力。这是什么缘故呢这可以用围岩的“成拱作用”来作解释。当坑道开挖后，如果任意让其变形，松动和坍塌（图2-4-2中阴影部分为破坏范围，也称之为“坍落拱”），最后将会看到在坑道上方形成一个相对稳定的拱形洞穴，如图2-4-2所示，人们常称之为“天然拱”或“平衡拱”。它上方的一部分岩体承受着上覆地层的全部重力，如同一个承载环一样，并将荷载重力向两侧传递下去，这就是所谓围岩的成拱作用。 4.影响围岩压力的因素 影响围岩压力的因素很多，一类是工程地质因素，主要包括原始应力状态、岩石的力学性质、岩体的结构面等；另一类是工程结构因素，包括施工方法、支护设置时间、支护本身的刚度、坑道形状和尺寸、埋置深度等。其中起决定作用的是围岩的地质条件，它是内因，其对围岩压力的影响已在围岩分级中述及。 9