17第二章 隧道工程地质环境及围岩分级

第二章隧道工程地质环境及围岩分级第一节隧道工程地质调查与勘测一、工程地质调查测绘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、构造。（2）查明隧道是否通过煤层、膨胀性地层及有害矿体等。（3）查明不良地质、特殊地质对隧道通过的影响，特别是对洞口的位置及边坡、仰坡的影响，提出工程措施意见。（4）查明隧道附近井、泉的分布情况，并分析隧道地区的水文地质条件，判断地下水类型、水质及补给来源等内容。（5）对于深埋隧道，应做隧道地温升温预测。（6）综合分析岩性、构造、地下水等有关地质测绘、勘测、测试结果，分段确定隧道围岩级别。（7）在隧道洞口需要接长明洞的地段，应查明明洞基地的工程地质条件。（8）查明横洞、平行导坑、斜井、竖井等的工程地质条件。成昆铁路的“一线天”周围地形地貌2.地形地貌调查主要是查明隧道通过地段的山体自然情况。沙河梁隧道平面图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。4.地质构造调查调查的重点是褶皱、断层、节理、侵入体或岩脉等。5.水文地质调查隧道所在地段及其附近的井泉点分布、泉水类型及其与其他地质构造的关系，主要含水层隔水层的岩性分布，河流、小溪等的分布对地下水的影响；在岩溶发育区，还要调查岩溶漏斗，暗河的进口及其出口等。6.滑坡、落石、岩堆、泥石流和岩溶地质调查主要查明不良地质是否存在及其性质，存在的位置及其范围，以及其对隧道施工和隧道本身的影响。高阳寨隧洞口道发生岩崩滑坡西汉高速犄角岭隧道段山石滚落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，所以隧道工程地质勘测要进行低温测试，为施工单位提供低温资料。二、勘测、测试工作要求（一）铁路工程地质技术规范对勘探测试工作总的要求1.钻孔布置钻孔数量不宜小于2~3个；长度大于3000m的隧道，有条件时，每500~700m钻一孔，钻孔布置在隧道中线外6~8m处，必要时也可在中线上布孔。2.钻探深度钻探深度应达到路肩设计高程以下2~3m，遇到溶洞、暗河及其他不良地质时，应适当加深。3.钻探过程中遇到地下水，应做好水位记录和观测工作，探明含水层的位置和厚度，并取样做水质分析，判明对混凝土的侵蚀性。4.为了解隧道通过的岩、土的力学性质，应取代表样品进行试验。5.对有害矿体和气体，应取样做定性、定量分析。（二）勘探的阶段及其工作要求1.初测要求长隧道、特长隧道、多线隧道、工程地质条件复杂的隧道以及需做代表性设计的隧道，应编制隧道路线方案工程地质纵断面图，分段提供隧道围岩分级。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。2.定测要求不论是一般隧道、长大隧道或者地质复杂的隧道，均应进行单独的工程地质勘测工作，编制单独供点的图表资料。第二节施工地质超前预报一、地质超前预报的内容地质超前预报的内容包括：1.隧道所在地区的地质分析与宏观地质预报；主要是预报开挖面前方的围岩级别和稳定性；调整支护类型2.隧道洞身不良地质及灾害地质预报；主要是预报开挖面前方的岩性变化和不良地质体的情况（范围、规模、性质及突水、突泥、坍塌、岩爆等）3.重大施工地质灾害临警预报。建立前方可能引发的大规模突水、突泥坍塌等重大地质灾害临警预报系统二、地质超前预报方法（一）地质分析法（二）超前平行导坑预报法（三）超前水平钻孔法（四）物理探测法（五）特殊灾害地质的预测方法下一页（一）地质分析法地质调查与推断是隧道地质超前预报的最基本方法。对地质资料进行调查分析与推断，观察洞内涌水量的变化。特点：可随时进行，不干扰施工。返回（二）超前平行导坑预报法在隧道内或附近开挖一平行的小断面导坑，对地质情况进行记录分析，根据地质理论预测工程地质及水文条件，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。特点：预报精度高，但成本较高，影响施工。秦岭隧道的平行导坑（被封堵）返回（三）超前水平钻孔法用钻探设备向前方钻孔，获取地址资料。特点：钻孔有难度（方向、工艺），影响施工。返回（四）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。1.TGP12隧道地质预报系统2.TSP超前预报系统3.负视速度法4.水平声波反射法5.地质雷达法6.红外探水法特点：快速，超前探测距离大，对施工干扰相对小；但准确预测技术难度大，存在一定的局限性。返回（五）特殊灾害地质的预测方法特殊灾害地质的预报方法采用专门仪器进行。例如：通过煤系地层、储气构造用沼气、氧气两用报警仪器长期观测。返回三、地质超前预报方法的应用原则1.地区的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手段，并辅以必要的超前平行导坑预报法，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地质灾害建立临警预报系统，并判断其危害程度，提供施工预测方案对策。第三节岩体的基本施工性质隧道是在岩体中开挖的空洞，再加以一定的支护结构形成的。岩体的工程性质有以下几方面：一、岩体处于一定的天然应力作用之下二、岩体物理力学性质的不均匀性三、岩体是由结构面分割的多裂隙体四、岩体具有各向异性五、岩体具有可变性六、单向应力状态下岩石的变形特征七、三轴压缩下岩石的强度及变形特征八、裂隙岩体的强度性质下一页岩体中的结构面按成因类型可分为三类：（1）原生结构面；（2）构造结构面；（3）次生结构面。返回第四节围岩分级一、概述定义：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；或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体。围岩分级：围岩是十分复杂的，我们认为各种围岩的物理性质之间存在一定的内在联系和规律，依照这些联系和规律，可将围岩划分为若干级。围岩分级目的：（1）选择施工方法的依据；（2）科学管理及正确评价经济效益的依据；（3）确定结构上荷载；（4）给出衬砌结构的类型及尺寸；（5）制定劳动定额、材料消耗标准的基础。围岩分级方法应满足：（1）准确客观，有定量指标；（2）便于操作使用；（3）开挖地层前得到结论。二、围岩的分级方法围岩分级不同的国家、不同的行业有不同的分级方法，现行的许多围岩分级方法中，作为分级的基本要素大致有以下三大类：第Ⅰ类：与岩性有关的要素（硬岩、软岩、膨胀岩）；第Ⅱ类：与地质构造有关的要素（岩体完整性、结构状态）；第Ⅲ类：与地下水有关的要素。目前国内外常用的分级方法：（一）以岩石强度或岩石的物理性指标为代表的分级方法:1、以岩石强度为基础的分级方法如：我国早期把岩石分为：坚石、次坚石、松石、土4类，并设计出4种隧道衬砌结构类型。此认识不全面：陕北的老黄土2、以岩石的物性指标为基础的分级方法具有代表性的是f值分级法，或普氏分级法，把围岩分成10类，f=kfk为地质条件折减系数（二）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法1、泰沙基分级法提出时间较早，把围岩分9类。2、以岩体综合物性为指标的分级方法我国在修建大量铁路隧道基础上总结出来的“岩体综合分级法”。（三）与地质勘探手段相联系的分级方法1、按弹性波速度的分级方法1970年前后日本人提出的，把围岩分成7类。2、以岩石质量为指标的分级方法---RQD方法（四）组合多种因素的分级方法比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿等人提出的“岩体质量--Q”的分级方法。围岩的分级方法的发展趋势：（1）分级主要以岩体为对象；（2）分级宜与地质勘探手段有机联系起来；（3）分级要有明确的工程对象和工程目的；（4）分级宜逐渐定量化。三、我国铁路隧道围岩分级方法我国铁路隧道围岩分级方法以围岩稳定性为基础的分级方法。（一）围岩分级的基本因素1、岩石坚硬程度：划分为两大类即硬质岩和软质岩（考虑岩性、力学参数）；考虑单轴饱和极限抗压强度Rc，再分成5级岩石类别单轴饱和抗压强度Rc（MPa）代表性岩石硬质岩极硬岩60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等变质岩硬岩30~60软质岩较软岩15~30凝灰岩等喷出岩；砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、灰质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等沉积岩；云母片岩或千枚岩等变质岩软岩5~15极软岩5表2-4-1岩石坚硬程度划分2、岩体的完整程度完整程度结构面状态结构类型岩体完整性指数完整结构面1~2组，以构造型节理或层面为主，密闭性巨块状整体结构0.75较完整结构面2~3组，以构造型节理、层面为主，裂隙多成密闭型，部分为微张型，少有填充物块状结构0.55~0.75较破碎结构面一般为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造作用影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有填充物层状结构、块石碎石结构0.35~0.55破碎结构面大于3组，多以风化性裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有填充物碎石角砾状结构0.15~0.35极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥加岩屑填充，填充物厚度大散体状结构≤0.15表2-4-2岩体完整程度的划分（二）围岩基本分级及其修正1、基本分级：为6级级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅰ硬质岩（单轴饱和抗压机线强度Rc60MPa）：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩层为厚层，层间结合良好呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5Ⅱ硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩层呈巨块状或大块状结构暴露时间长，可能会出现局部小坍塌，侧壁稳定，层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落3.5~4.5表2-4-3铁路隧道围岩分级级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅲ硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层或薄层，层间结合差，多有分离现象；或为硬软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌结构拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍塌2.5~4.0较软岩（Rc=15~30MPa）：受地质构造影响较严重，节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结合一般呈大块状砌体结构级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅳ硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响很严重，节理发育；层状软弱面（或夹层）已基本被破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定1.5~3.0软质岩（Rc=15~30MPa）：受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌结构土体：1.具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土；2.黄土（Q1，Q2）；3.一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土，大块石土1和2呈大块状压密结构；3呈巨块状整体结构级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态Ⅴ岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩石（包括受构造影响严重的破碎带）呈角（砾）碎（石）状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，浅埋时易出现地表下沉（陷）或坍塌至地表1.0~2.0土体：一般第四系坚硬，硬塑的黏性土，稍密及以上、稍湿或