岩溶隧道课件

岩溶隧道施工技术主讲人：胡启军中铁二十三局集团第四工程有限公司2009.03报告大纲1岩溶的形态及其发育条件2隧道施工中遇到的岩溶问题3岩溶隧道施工地质预报技术4隧道施工中岩溶的处治技术5个人感想1.1基本概念1.2岩溶的形态1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.4中国岩溶的分布1.岩溶的形态及其发育条件岩溶(国际通用术语Karst，译名喀斯特)是在以碳酸盐类为主的可溶性岩石分布区，由于水特别是地下水，对岩石以溶蚀为主的作用所形成的诸现象的综合。可溶岩包括碳酸盐类岩石以及石膏、岩盐、芒硝等其他可溶性岩石。1.1基本概念过去一直用的溶解度大大高于来解释，即3COCa23)(HCOCa23223)(HCOCCOOHCaCOa有的研究者（中山，1969；Picknet，1978）认为，上述反应式与实际情况不符。其原因是从来未发现过分子，且与参加反应的比例也并非1：1。说明这一反应的复杂性。23)(HCOCa3COCa2CO1.1基本概念1.1基本概念1.2岩溶的形态1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.4中国岩溶的分布1.岩溶的形态及其发育条件由于溶蚀作用和由此引起的机械冲刷坍陷等作用共的的结果，在地表与地下形成的奇特地形形态有十几种1）溶沟和石芽2）溶蚀裂隙3）漏斗4）溶蚀洼地5）落水洞6）坡立谷7）峰林8）干谷9）溶洞10）暗河1.2岩溶的形态1.2岩溶的形态溶沟1.2岩溶的形态石芽1.2岩溶的形态漏斗1.2岩溶的形态溶蚀洼地1.2岩溶的形态落水洞1.2岩溶的形态坡立谷1.2岩溶的形态峰林1.2岩溶的形态江西仙境三清山雨雾中的张家界天子山广西英西峰林连绵20公里云南石林干谷1.2岩溶的形态溶洞1.2岩溶的形态暗河1.2岩溶的形态1.1基本概念1.2岩溶的形态1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.4中国岩溶的分布1.岩溶的形态及其发育条件1.3岩溶的发育条件及其影响因素岩溶的发育条件1)具有可溶性岩层；2)具有溶解能力（含）和足够流量的水3)地表水有下渗，地下水有流动的途径。三者缺一不可！！即岩溶的发育必须具备：1具有可溶性岩石2岩石是透水的3水必须具有侵蚀性4水在岩石中应处于不断的运动状态中1.3岩溶的发育条件及其影响因素1、气候的影响气候是岩溶发育的一个重要因素，它直接影响着参与岩溶作用的水的溶蚀能力，控制岩溶发育的类型、规模和速度。主要表现在气温、降雨量、降水性质、降水的季节分布及蒸发量的大小和变化。其中降水量和气温对岩溶发育影响最大。降水量和气温越高，越有利于溶蚀作用．岩溶也愈发育．1.3岩溶的发育条件及其影响因素2、地形地貌的影响1、分水岭地区：分水岭地区地下水由降水补给，并作为其它地区地下水的补给，因此，越靠近分水岭，岩溶作用就越弱。2、丘陵地区：地表水大部潜入地下，形成了无水干谷，谷底排列一系列的漏斗、落水洞，与暗河相连，岩溶作用较强；山顶也分布有溶洞、竖井等，但无岩溶水活动，因此岩溶作用基本趋于停止。3、河谷斜坡：为地表水及地下水向河谷汇集的途径，是径流最活跃及岩溶最发育的地带。1.3岩溶的发育条件及其影响因素3地质构造的影响1）岩层产状2）褶曲3）断层1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.3.3.1岩层产状的影响(1)缓倾岩层可溶岩位置非可溶岩（不透水）位置岩溶发育程度下上不发育上下可溶岩下部发育可溶岩与非可溶岩的接触面附近溶蚀作用强烈，常有一系列漏斗、落水洞及岩溶泉出露。(2)陡倾岩层1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.3.3.2褶曲的影响（1）核部（2）翼部背斜核部----张节理发育，雨水和地表水由此下渗并补给给其它地区，形成垂直岩溶地形；向斜核部-----是岩溶水汇聚区，岩溶水聚集后沿轴向流动排泄，形成水平岩溶地形。水循环强烈的流通部位，岩溶一般较发育。1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.3.3.3断层的影响（1）张性断裂带（正断层）（3）扭性断裂带（平移断层）破碎带宽度较小，但张开程度较大，结构松散，缺乏胶结，有利于地下水渗透溶蚀，是岩溶强烈发育地带。断裂面上压力较大，压碎岩、糜棱岩和断层泥多呈致密状态，胶结紧密，岩溶发育较差；但其上升盘影响规模大，牵引现象造成岩层剧烈上拱，产生大量张节理，有利于岩溶发育。岩溶发育情况介于前两者之间，岩溶作用的深度一般较大。（2）压性断裂带（逆断层）1.3岩溶的发育条件及其影响因素4地壳运动的影响1、岩溶的侵蚀基准面：岩溶水对可溶性岩石的溶蚀作用在深度上是有一个极限的，这个极限称为侵蚀基准面。岩溶侵蚀基准面→控制岩溶水排泄的相邻河谷低地表河流的高程→控制地表岩溶和浅层岩溶。岩溶溶蚀基准面→区域性可溶岩层的底板→岩溶可能的最大深度。2、地壳的升降控制侵蚀基准面的升降：(1)地壳上升→侵蚀基准面下降→岩溶以下蚀为主，形成垂直岩溶形态；(2)地壳稳定→侵蚀基准面稳定→地下水以水平运动为主，形成水平岩溶形态。3、若水平溶洞成层发育，每层溶洞的水平高程与当地河流降低高程相对应1.1基本概念1.2岩溶的形态1.3岩溶的发育条件及其影响因素1.4中国岩溶的分布1.岩溶的形态及其发育条件1.4中国岩溶分布我国碳酸盐岩分布广，面积约达130×104km2，主要集中于华南和西南．这两个地区分别发育了或保留着大面积的热带岩溶；其次是长江中下游的我国中部地区，岩溶化程度较弱：再次为华北地区，由于气候的影响，岩溶化程度远不及南方；青藏高原海拔4000米以上的残存古热带岩溶岩，已受寒凉作用的改造，为一特殊类型的岩溶。1.4中国岩溶分布报告大纲1岩溶的形态及其发育条件2隧道施工中遇到的岩溶问题3岩溶隧道施工地质预报技术4隧道施工中岩溶的处治技术5个人感想由于岩溶发育的控制因素错综复杂，发育的形态千姿百态，以及岩溶发育的不均衡性和不规则性，给岩溶隧道的设计施工带来一系列困难：富水高水压地段的隧道衬砌设计很难把握；施工阶段的突水、突泥也对施工安全和进度造成很大威胁特长隧道岩溶问题是国内外隧道施工中的重大难题。多年来，我国在铁路、公路、水工隧道施工中均遇到了岩溶突水、突泥、顶板溶洞充填物陷落冒顶、底板塌陷等问题。国外在欧洲阿尔卑斯山隧道及其它一些越岭隧道也发生过类似问题2.隧道施工中遇到的岩溶问题我国20世纪60一70年代，在西南修建的贵昆、成昆、襄渝铁路等均遇到大量岩溶问题。贵昆铁路梅花山隧道施工中遇到地下河及大型溶洞，最后只有在隧洞中修隔水墙，阻截暗河。襄渝铁路大巴山隧道在通过寒武统石龙洞灰岩含水层时，突然揭露一溶洞引起突泥、突水事故，最大涌水量为150000m3/d，中断施工3个月。京广铁路大瑶山隧道的岩溶突水形成泥石流，给营运造成长期的危害。京珠高速公路石门坳隧道右线在施工过程中，因对前方地质资料掌握不足，开挖遇到溶洞灾害，引发大涌水造成停工等一系列损失。近年来在西南修建的水工隧道、铁路隧道、公路隧道也都不同程度地遇到岩溶灾害，甚至造成重大事故，如广安一重庆高速公路华鉴山隧道施工中多处发生岩溶突水突泥，引起两条地下河的灌入。渝怀铁路圆梁山隧道发生特大岩溶涌水，对施工造成极大的影响2.隧道施工中遇到的岩溶问题我国20世纪60一70年代，在西南修建的贵昆、成昆、襄渝铁路等均遇到大量岩溶问题。贵昆铁路梅花山隧道施工中遇到地下河及大型溶洞，最后只有在隧洞中修隔水墙，阻截暗河。襄渝铁路大巴山隧道在通过寒武统石龙洞灰岩含水层时，突然揭露一溶洞引起突泥、突水事故，最大涌水量为150000m3/d，中断施工3个月。京广铁路大瑶山隧道的岩溶突水形成泥石流，给营运造成长期的危害。京珠高速公路石门坳隧道右线在施工过程中，因对前方地质资料掌握不足，开挖遇到溶洞灾害，引发大涌水造成停工等一系列损失。近年来在西南修建的水工隧道、铁路隧道、公路隧道也都不同程度地遇到岩溶灾害，甚至造成重大事故，如广安一重庆高速公路华鉴山隧道施工中多处发生岩溶突水突泥，引起两条地下河的灌入。渝怀铁路圆梁山隧道发生特大岩溶涌水，对施工造成极大的影响2.隧道施工中遇到的岩溶问题从上面分析可以看出，隧道施工岩溶问题主要可分为三大类第一类：隧道施工中的突水、突泥问题第二类：隧道施工中顶板溶洞充填物陷落冒顶第三类：隧道施工中底板塌陷2.隧道施工中遇到的岩溶问题报告大纲1岩溶的形态及其发育条件2隧道施工中遇到的岩溶问题3岩溶隧道施工地质预报技术4隧道施工中岩溶的处治技术5个人感想3.1岩溶隧道施工地质预报的原因3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.3工程实例3.4小结3.岩溶隧道施工地质预报技术3.1岩溶隧道施工地质预报的原因1、地质条件的不确定性与复杂性2、地质勘察现有的技术水平3、岩溶隧道危害性大3.1岩溶隧道施工地质预报的原因3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.3工程实例3.4小结3.岩溶隧道施工地质预报技术3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法2、地面(洞外)浅层地震法3、地面(洞外)电阻率法4、地面重力勘探5、遥感信息技术6、放射性测量(测氧知、Hg等）7、测井法8、综合方法3.2.2洞内掌子面岩溶探测方法1、长距离超前地质预报2、短距离超前地质预报3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法刘志刚、刘秀峰等将地面地质调查的工作方法分为地质测绘法、地面地质界面和地质体投射技术。其中前者采用的主要技术手段有穿越、追索和全面踏勘三种;后者主要是利用调查的结果运用投射公式进行计算，利用这种方法可进行如下工作。(l)弄清楚隧道线路经过地区可溶岩(灰岩、盐岩)，特别是强溶岩(纯灰岩、白云岩、盐岩)的地层层位、展布范围及所处的岩溶水动力分带。(2)查明隧道线路经过地区及其邻近地区，在可溶岩特别是强溶岩中分布规模较大断层的产状及其与地表隧道轴线的相互关系;特别注意那些两条或两条以上断层交汇的位置(它们是侵蚀性地下水的有利通道)。(3)查明可溶岩与非可溶岩接触界面的位置及其与地表隧道轴线的相互关系。(4)结合上述有利于岩溶发育的岩层层位和构造位置，在大小封闭的洼地内，寻找大型溶洞或暗河的入口。3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法1、地面地质调查法(5)根据断层产状或可溶岩与非可溶岩界面的产状，用地面地质界面法和投射公式，求得可能出现的大型溶洞、暗河与隧道的相互关系。(6)查明暗河入口和出口的位置及标高，并结合可能成为暗河通道的较大断层或较紧闭背斜褶皱核部的位置、产状，推断暗河的大致通道，确定能否与隧道相遇或与隧道的大概位置关系。(7)依据岩溶发育的分带性和隧道相对标高和季节变化，判断那些可能与隧道相遇溶洞、暗河的含水量;或推断那些不与隧道相遇的有水溶洞或暗河对隧道施工的影响程度。(8)搞清隧道所在位置所属的构造体系和地表具体的构造行迹。通过以上方法定性确定岩溶的空间分布，但此方法预报岩溶的精度远远满足不了隧道施工的具体要求，仅对具体预报的解释有指导意义。3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法2、地面(洞外)浅层地震法针对岩溶地区的地质条件，为了取得理想的野外资料提高预报精度，以下从野外数据采集、资料处理、野外实例分析岩溶的地震响应特征及方法特点。该方法是地面探测岩溶的常用方法。浅层地震探测岩溶及陷落柱通常采用反射波法。这方面的探测实例很多，但该方法受到测线布置、解译方法水平等的限制，且其探测精度受局部地质条件的影响与波速参数差异有关。在测点线布置不当、异常叠加、覆盖层较厚的情况下，易漏掉有用异常。依据溶洞的强反射特征，利用三维浅震探测岩溶效果将更好。3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法3、地面(洞外)电阻率法探测岩溶的常用电阻率方法包括:电测深法、高密度电阻率法、偶极法、充电电位法、自然电位法、激电中梯、地质雷达法、瞬变电磁法、CSAEM、高频大地电磁法(EH一4)氰法等3.2岩溶隧道施工地质预报的常用方法3.2.1地面(洞外)岩溶地质灾害探测方法4、地面重力勘探国外应用重力法探测岩溶始于