隧道工程地质构造

地质构造对隧道施工的影响内容提要：地质构造对隧道施工的影响节理裂隙发育情况对隧道施工的影响及量测方法地质素描方法钻孔柱状图的记录隧道地质展示图1地质构造及其对隧道施工的影响岩层产状岩层产状是指岩层在空间的位置，是用岩层层面的走向、倾向和倾角三个产状要素：走向（strike）；倾向(dip)；倾角（dipangle）。应力及可能的变形不同应力造成的变形、变位现象地质罗盘岩层产状要素走向：层面与任一假想水平面交线的延伸方向倾向：岩层面倾斜的方向倾角：层面与水平面所夹的最大锐角NESWNE50ºSE45ºSW230ºSE45º岩层产状要素的表示方法方位角表示方法:205∠27°象限角表示方法:N65°W/25°SW。N0E90W270S180北极南极NWNESWSE1.1水平构造岩层产状近于水平（5度）1.2单斜构造岩层层面与水平面有一定夹角1.3褶皱构造褶皱的概念:组成地壳的岩层受构造应力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，称之。两种基本形态：背斜与向斜。背斜和向斜在平面和剖面上的表现特征褶皱对隧道施工的影响按轴面产状划分：直立褶皱；倾斜褶皱；倒转褶皱；平卧褶皱。直立褶皱倾斜褶皱倒转褶皱平卧褶皱褶皱构造的工程评价褶皱地区地形起伏大，特别在褶皱强烈地区，岩层因受强烈破坏，裂隙发育，倾角大，在这种地区的斜坡或坡脚进行建筑时应注意斜坡岩层的稳定性。地层中一些具有特殊工程意义的岩层，如易泥化夹层、含水层、含盐层等随地层的褶皱而褶皱，因而它们的空间分布规律受褶皱形态的控制。显然，褶皱的研究对于如何避开上述不利岩层，选择合理的建筑场地来说是一项关键性的基础工作。褶皱构造的工程评价在褶皱的轴部地区，由于岩层遭受的构造变动较大，裂隙发育，如果地下建筑沿褶皱构造轴线开挖，可能造成大量的岩石崩落，尤其是在向斜轴部，由于裂隙间的岩块处于倒插状态，更容易出现这种情况。向斜构造有利于地下水的聚集，地下水往往较多，压力较高，如地下建筑沿向斜轴线开挖，还可能出现大量涌水的事故。因此，洞址不应选在褶皱(尤其是向斜)轴部地区，如果无法避开褶皱轴部，洞轴线应与褶皱轴线垂直或成大角度(不小于40的锐角)相交。褶皱构造的工程评价在洞轴线与褶皱轴线垂直或成大角度相交的情况下，洞体将穿越性质不同的岩层，软弱结构面处的岩体不稳定，衬砌比较困难；同时洞体还可能穿越含水层，出现涌水，对施工不利。因此，在褶皱地区洞室的选址和决定轴线时祁应注意这些不利条件。尽管褶皱形成较复杂的地质条件，但是这种地区基岩埋深较浅。另外，在褶皱地区，向斜构造常有丰富的地下水，可作为供水水源。1.4断裂构造岩体与岩层受力作用发生变形，当所受的力超过岩石本身的强度时，岩石的连续性和完整性遭到破坏，形成断裂构造。包括节理和断层。节理对隧道施工的影响剪节理：剪应力形成的两组X型共轭破裂面。特征是产状稳定，节理面平直、光滑、闭合、间距小，密集成带。张节理：岩层受拉应力产生的破裂面，通常呈锯齿状，产状不稳定，延伸不远，张开，常被岩脉、粘土等充填，发育稀疏，间距大。张节理剪节理（二）节理发育程度分级发育程度等级基本特征节理不发育节理1~2组，规则，为构造型，间距在1m以上，多为密闭节理，岩体切割成大块状节理较发育节理2~3组，呈X形，较规则，以构造型为主，多数间距大于0.4m，多为密闭节理，部分为微张节理，少有充填物。岩体切割呈大块状节理发育节理3组以上，不规则，呈X形或米字形，以构造型或风化型为主，多数间距小于0.4m,大部分为张开节理，部分有充填物。岩体切割成块石状节理很发育节理3组以上，杂乱，以风化和构造型为主，多数间距小于0.2m，以张开节理为主，有个别宽张节理，一般均有充填物。岩体切割成碎裂状节理的工程评价(1)节理破坏了岩体的整体性和连续性，它的发育情况直接影响岩体的结构特性。节别会降低地基的承载力和地下建筑围岩的稳定程度。节理发育，特别是当节理组比较多时，引起垮塌，影响施工，增加支护费用等。因此，选择洞址对应尽量避开节理发育。(2)岩石边坡的稳定程度主要取决于节理的性质和组合特征，很多山崩、滑坡等边坡破坏都和节理有关。(3)节理裂隙改变了岩石的渗透性能，水沿节理渗入，影响地下结构物的功能和稳定。(4)在挖方和采石时，节理可以提高工作效率，但在爆破时常因漏气而降低爆破效果。(5)非理发育的岩石中，可以找到地下水作为供水水源。断层的几何要素断层面与断层破碎带：产状表达方法，附近节理发育、常有充填。断层线：遵守“V”字形法则。断盘：上盘、下盘，上升盘、下降盘。断距断层概念：断层是岩石圈中顺破裂面发生明显位移的一种断裂构造。上盘下降下盘上升正断层：上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。其断层面倾角较陡，一般在45°以上。正断层是由于岩体受到张力及重力作用，使上盘沿断层面向下错动形成的；上盘上升下盘下降逆断层：上盘沿断层面相对上升，下盘相对下降的断层。逆断层一般是由于岩体受到水平方向强烈挤压力的作用，使上盘沿断层面向上错动而成。断层面从陡倾角至缓倾角都有。其中断层面倾角大于450的称为逆冲断层；介于250～450之间的称为逆掩断层；小于250的称为碾掩断层(又叫碾掩构造或推复构造)。逆掩断层和碾掩断层常是规模很大的区域性断层；水平错动平移（推）断层：由于岩体受水平剪切作用，使两盘沿断层面发生相对水平位移的断层。平移断层的倾角很大，断层面近于直立，断层线比较平直。叠冲(瓦)式逆掩断层由若干条产状基本一致的逆掩断层组成，各条断层的上盘依次向同一方向向上逆冲，平面上构成叠瓦式(状)。断层的野外识别地貌特征：当断层的断距较大时可能形成陡峭的断层崖；断层破碎带岩石破碎，易于侵蚀下切，可能形成沟谷或峡谷地形。山脊错断、错开，河谷跌水瀑布；河谷方向发生突然转折，串珠状泉水出露；华山断层崖河流改道泉呈线性分布断层的野外识别地层特征：如岩层发生重复或缺失、岩脉被错断、岩层沿走向突然发生中断或者不同性质的岩层突然接触等地层方面的特征，则进一步说明断层存在的可能性很大；断层的野外识别断层的伴生构造现象：断层的伴生构造是断层在发生、发展过程中遗留下来的形迹。常见的有岩层牵引弯曲、断层角砾、糜棱岩、断层泥和断层擦痕等；正断层逆断层平移断层断层的工程评价断层，尤其是活断层与工程建设关系密切，主要发现为以下几个方面：(1)断层是构造应力集中带，它使岩石裂隙增多，零乱破碎，岩体的整体性被破坏，其强度和承载力明显降低。(2)断层活动能直接破坏修建在它上面或附近的建筑物。例如：1976年我国唐山地震时发生的一条断层，其水平错距达3m，错开了道路、围墙、房屋等建筑物(3)断层附近是高地震烈度区。在新构造运动强烈地区，一些活断层还可能是发展断层，产生强烈地震。(4)新断层附近地表风化强烈，而且常成为地下水的通道。沿断层带边坡稳定性差，常发育山崩、滑坡、地陷等不良地质现象。二、节理裂隙发育情况对隧道施工的影响及量测方法国际岩石力学学会实验室和野外试验标准化委员会推荐了节理研究的内容，方位（orientation）间距（spacing）延续性（persistence）结构面的粗糙程度（roughness）结构面侧壁的抗压强度；张开度（aperture）被充填情况（fillingsituation）渗流（seepageflow）结构面组数（set）块体大小（size）二、岩体工程力学特征1基本知识2岩体结构类型3洞室围岩破坏类型1基本知识岩体(rockmass)：结构体（岩石rock）与结构面的组合。结构面：岩体中的一切不连续面。如断层、节理、层理、片理等。岩体结构：结构面和结构体的组合特征。地应力：是存在于地壳中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。二次应力：隧道开挖扰动后的应力。围岩：指的是隧道周围一定范围内，对洞身的稳定有影响的岩（土）体。岩体结构面原生结构面火成结构面：流纹面、原生节理、侵入体与围岩接触面；变质结构面：片理、板理；沉积结构面：层理、沉积间断、软弱夹层等构造结构面：节理、断层、层间错动面等。次生结构面：在风化作用、卸荷作用及地下水作用下形成的风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层等地应力、围岩2岩体结构类型岩体结构控制论工程实践表明，岩体的应力传播、变形破坏以及岩体力学介质属性无不受控于岩体结构。岩体结构对工程岩体控制作用主要表现在三方面：岩体的应力传播特征岩体的变形与破坏特征工程岩体的稳定性岩体变形机制受岩体结构控制岩体结构整体状结构碎裂状结构块状结构变形成分主要的岩块压缩变形结构面滑移变形结构体滑移及压缩变形次要的微结构面错动结构体及结构面压缩及结构体性状改变结构体压缩及形状改变侧胀系数小于0.5常大于0.5极微小变形系数结构体压缩及形状改变压密沿结构面滑移控制岩体变形的主要因素岩石、岩相特征及Ⅴ级结构面特征开裂的不连续的Ⅲ、Ⅳ级结构面贯通的Ⅰ、Ⅱ级结构面，主要为软弱结构面岩体的强度取决于结构面的强度和岩石的强度。岩体的抗剪强度包络线介于结构面强度包络线和岩石强度包络线之间。岩体的破坏机制也受控于岩体结构：结构控制有：岩体破坏难易程度、岩体破坏的规模、岩体破坏的过程及岩体破坏的主要方式等。岩体破坏机制受岩体结构控制整块体结构岩体块状结构岩体碎裂状结构岩体散体状结构岩体①张破裂②剪破坏结构体沿结构面滑动①结构体张破裂②结构体剪破裂③结构体流动变形④结构体沿结构面滑动⑤结构体转动⑥结构体组合体倾倒⑦结构体组合体溃屈①剪破坏②流动变形不同结构类型岩体的破坏方式3洞室围岩的变形破坏类型（1）岩体洞室的变形与破坏：脆性破裂、块体运动、弯曲折断、松动解脱、塑性变形（2）松散围岩的变形与破坏：重力坍塌、塑流涌出（3）任何类型的围岩的变形破坏都是逐渐发展的，其逐次变形破坏过程表现为侧向变形与垂向变形相互交替发生，相互影响。（4）在分析围岩变形破坏时，应抓住其变形的始发点和发生连锁反应的关键点，预测变形破坏逐次发展及迁移规律。（5）不同的岩体和地应力组合，有不同的变形破坏特点。张裂塌落劈裂剥落弯折内鼓鼓胀变形围岩岩性岩体结构变形破坏形式产生机制脆性围岩块体状结构及厚层状结构张裂塌落拉应力集中造成的张裂破坏劈裂剥落压应力集中造成的压致拉裂剪切滑移及剪切碎裂压应力集中造成的剪切碎裂及滑移拉裂岩爆压应力高度集中造成的突然而猛烈的脆性破坏中薄层状结构弯折内鼓卸荷回弹或压应力集中造成的弯曲拉裂碎裂结构碎裂松动压应力集中造成的剪切松动塑性围岩层状结构塑性挤出压应力集中作用下的塑性流动膨胀内鼓水分重分布造成的吸水膨胀散体结构塑性挤出压应力作用下的塑流塑流涌出松散饱水岩体的悬浮塑流重力坍塌重力作用下的坍塌总结：围岩的变形破坏形式及其与围岩岩性及结构的关系