《隧道工程》课件第2讲-隧道工程地质环境及围岩分级

•隧道工程地质调查与勘测•施工地质超前预报•岩体的基本工程性质•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第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、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)查明隧道明否通过煤层、膨胀性地层及有害气体等。(3)查明不良地质、特殊地质对隧道的影响，特别是对洞口位置及边、仰坡的影响，提出工程措施意见。(4)查明隧道附近井、泉分布情况，分析隧道地区的水文地质条件，判明地下水类型、水质及补给来源，预测地下水的侵蚀性和洞身分段涌水量。第二章隧道工程地质环境及围岩分级1、铁路工程地质技术规范的总要求(5)对于深埋隧道，应作隧道地温升温预测，考虑岩爆可能。(6)综合分析，确定隧道围岩分级。(7)对洞口需接长明洞地段，应查明明洞基底情况。(8)查明辅助坑道的工程地质条件。第二章隧道工程地质环境及围岩分级2、地形地貌调查查明山体形态和坡度、垭口及分水岭分布，以及其自然形态与地质构造、河流切割的关系。3、地层、岩性调查查明地层时代、岩性及变化，特别注意岩层顺序和厚度、岩性特征和物理力学性质以及岩石风化程度。4、地质构造调查是地质调查的核心，重点包括褶皱、断层、节理、侵入体或岩脉等。第二章隧道工程地质环境及围岩分级5、水文地质调查主要包括井泉分布、泉水类型、主要含水层和隔水层岩性及分布、河流及水库的分布，岩溶区岩溶漏斗、暗河位置。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性质、位置、范围，对隧道的危害程度。7、地温测定深埋隧道，深度每增加100m，温度增加3度，会对施工人员造成危害。第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、勘探、测试工作要求1、铁路工程地质技术规范对勘探测试工作的总要求(1)钻孔布置(2)钻探深度(3)遇地下水时，应探明含水层位置及厚度，并作相应分析。(4)室内及现场试验，掌握岩土体的物理力学性质。(5)对有害矿体和气体，进行定性、定量分析。第二章隧道工程地质环境及围岩分级2、勘探阶段及工作要求阶段分为初测阶段和定测阶段。(1)初测要求：工程地质纵断面图、分段围岩分级。(2)定测要求：单独工点的图表资料。第二节施工地质超前预报第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、地质超前预报的内容1.地区地质分析与宏观地质预报2.不良地质及灾害地质超前预报3.重大施工地质灾害临警预报第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、地质超前预报的方法1.地质分析法2.超前平行导坑预报法3.超前水平钻孔法4.物理探测法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(3)负视速度法第二章隧道工程地质环境及围岩分级(4)水平声波反射法(5)地质雷达法第二章隧道工程地质环境及围岩分级(6)红外探水法4.特殊灾害地质的预测方法三、地质超前预报方法的应用原则第三节岩体的基本工程性质第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、岩体处于一定的天然应力作用之下岩体在天然状态下所具有的内在应力，称之为岩体的初始应力，也有人叫它为地应力。岩体的初始应力，主要是由于岩体的自重和地质构造作用和地质地温作用引起的。第二章隧道工程地质环境及围岩分级假定岩体是均一连续介质1.重力应力场0xyyzxyyzyyxσxσzσyλ为侧压力系数1第二章隧道工程地质环境及围岩分级由于地质构造运动的作用，使得岩体内积存了一定的应力，称它为构造应力。2.构造应力场现场实测指出，岩体的构造应力往往与埋深密切相关，它随着深度的增加而增加。构造应力一般来讲，其水平应力大于垂直应力。构造应力一般采取现场应力量测的方法来得到。第二章隧道工程地质环境及围岩分级相同的天然岩体其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而有差异，呈现出岩体的不均匀性。二、岩体的物理力学性质的不均匀性第二章隧道工程地质环境及围岩分级所谓结构面是指岩体中具有一定方向、力学强度相对较低的地质界面(或带)。三、岩体是由结构面分割的多裂隙体(1)原生结构面：指岩体形成过程中形成的结构面和构造面。(2)构造结构面：岩体形成后，由于地壳构造运动在岩体中产生的各种断裂面。(3)次生结构面：指在外营力作用下产生的风化裂隙面及卸荷裂隙面等。第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性。四、岩体具有各向异性第二章隧道工程地质环境及围岩分级风化岩石按风化剧烈的程度分成若干级(或带)：风化极严重、风化严重、风化颇重、风化轻微和未经风化五级。风化系统分为全风化带、强风化带、半风化带、弱风化带和微风化带(新鲜)五带。五、岩体具有可变性用软化系数来表示岩石的软化性。干燥岩石抗压强度饱水岩石抗压强度软化系数＝一般规定软化系数小于0.75的岩石，叫软化岩石。第二章隧道工程地质环境及围岩分级六、单向应力状态下岩石的变形特征1.单轴压缩时应力－应变曲线εADCBσOOA段为裂隙压密阶段AB为直线段，表示线弹性的特征BC段为曲线段，表示弹塑性的特征CD为软化曲线段，表示岩石峰值后的特征第二章隧道工程地质环境及围岩分级2.弹性模量OB是曲线在原点O的切线，它的斜率表示初始切线模量；CD是A点的切线，它的斜率表示A点的切线模量Ee；割线OA的斜率表示割线模量或者平均割线模量Es。σσ1ε1ACBODε11sEddeEA点所对应的应力σ1等于抗压强度σc的一半。第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性可分为两种试验方式：主应力σ1σ2=σ3的情况，称为常规三轴试验或称为三轴试验；σ1σ2σ3的情况称为真三轴试验。岩石的三轴压缩强度，通常是轴压与围压按同一比例连续施加，当到达预定的围压值后，维持围压不变，轴向继续按同一比例加载至破坏。破坏时的岩石三轴压缩强度为：第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性用不同的σ3，可得到不同的σ1，而用多组σ1和σ3，则可绘制出莫尔圆和莫尔包络线。APm1m32式中，σ1、σ2、σ3为岩石三轴压缩强度；Pm为试件在围压σm作用下的极限轴向压力；A为试件初始横截面积。第二章隧道工程地质环境及围岩分级σ(MPa)τ(MPa)010050100200第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性804.99.819.639.278.458.5σ(MPa)2.45ε×10-3围压P(MPa)60402004080120160200240随着围压值的增高，峰值强度及其所对应的位移量均增大。残余强度及其所对应的位移量也提高，且使峰值强度后区曲线变得平缓。第二章隧道工程地质环境及围岩分级七、三轴压缩下岩石的强度及变形特性岩石在一定侧限压力下，呈现出后区下降曲线和残余强度，其破坏为脆性破坏。当超过某侧限压力时，岩石强度随变形增大而增大，呈现明显的塑性强化变形和塑性变形破坏。第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩石试件在高围压下表现出塑性(或延性)变形的原因是：①附加压力往往使应力状态发生改变；②在高围压下，使得早就存在的微裂隙密合；③在高围压下会改变发生在变形过程中的物理性质，而这些性质的改变，都是发生塑性变形的基础。第二章隧道工程地质环境及围岩分级八、裂隙岩体的强度性质试验研究结果表明，裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加明显减小，但当裂隙组数增加到一定程度之后，强度不再继续降低，而接近岩石的残余强度。第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体的强度：式中——岩石试件强度；ccsRR表裂隙组数对岩体强度影响的试验结果cR裂隙组数说明试验值1.00.720.470.310.140.16建议值0.90.70.50.300.15试件尺寸(cm)：15×15×30试件强度(MPa)：32.8~34.6结构面强度：c=0.11MPa；φ=38o——岩体构造削弱系数。第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩石的质量指标：以岩芯未破坏岩块(大于10cm)的总长与所取岩芯总长L的比值岩体状态η的建议值层厚大于1.0m，有1组裂隙，间距大于1.5m0.9层厚在0.5~1.0m之间，不超过2组裂隙，间距在1~1.5m之间0.7层厚在0.5~1.0m之间，不超过三四组裂隙，间距在0.5~1.0m之间0.5层厚小于0.5m，裂隙少于6组，间距小于0.5m0.3层厚小于0.3m，裂隙少于6组，间距小于0.3m0.1~0.2il%100LlRQDiRQDRRccs第二章隧道工程地质环境及围岩分级岩体完整性指数：现场测定的岩体弹性波速度v的平方与同种岩石试件弹性波速度v0的平方的比值。202vvKccvcsRRKR)/(202岩体抗压强度与弹性波速度之间的关系类别岩体弹性波速度υ（km/s）岩石弹性波速度υ0（km/s）完整性系数Kυ=υ2/υ02岩体强度（MPa）Rcs=KυRc含有裂隙的试件强度Rcs(试验值)（MPa）A1.4~2.35.140.06~0.178.1~21.810.0~30.0B3.0~3.65.380.29~0.3937.2~50.740.0~60.0C4.0~4.55.530.51~0.6566.0~83.870.0~90.0D4.8~5.25.610.73~0.8395.0~112.090.0~115.0第四节围岩分级第二章隧道工程地质环境及围岩分级一、概述围岩的概念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(这里所指的岩体是土体与岩体的总称)。在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的性态是不同的，可归纳为充分稳定、基本稳定、暂时稳定和不稳定四种。第二章隧道工程地质环境及围岩分级围岩分级的概念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，这就是围岩分级。目前，隧道围岩分级是设计、施工的基础（工程类比法就是建立在围岩分级的基础上的）。第二章隧道工程地质环境及围岩分级围岩分级的目的是：①作为选择施工方法的依据；②进行科学管理及正确评价经济效益；③确定结构上的荷载(松散荷载)；④给出衬砌结构的类型及其尺寸；⑤制定劳动定额、材料消耗标准的基础等等。第二章隧道工程地质环境及围岩分级比较理想的分级方法是：①准确客观，有定量指标，尽量减少因人而异的随机性；②便于操作使用，适于一般勘测单位所具备的技术装备水平；③最好在挖开地层前得到结论。第二章隧道工程地质环境及围岩分级人们对围岩的认识是不断深入的从国外的情况看：土石方工程分类法(开挖难易程度)岩石的坚固性来分类:如坚固性系数fRQD从围岩稳定性出发分类来代替多年沿用的坚固性为基础的分类第二章隧道工程地质环境及围岩分级从分级指标方面：大多数从定性描述经验判断定量描述以隧道围岩的稳定性为基础进行分级是隧道围岩分级的总趋势。另外的发展趋势：以岩体为对象、与地质勘探结合、与设计施工结合、定量化。第二章隧道工程地质环境及围岩分级二、影响围岩稳定性的主要因素(1)岩体结构特征岩体的结构特征可以简单地用岩体的破碎程度或完整性来表示，在某种程度上它反映了岩体受地质构造作用的严重程度。岩体的破碎程度或完整状态是指构成岩体的岩块大小及这些岩块的组合排列形态。1.地质因素第二章隧道工程地质环境及围岩分级(2)结构面性质和空间的组合在块状或层状结构的岩体中，控制岩体破坏的主要因素是软弱结构面的性质及它们在空间的组合状态。第二章隧道工程地质环境及围岩分级从下述的5个方面来研究结构面对地下工程围岩稳定性影响的大小：①结构面的成因及其发展史；②结构面的平整、光滑程度；③结构面的物质组成及其充填物质情况；④结构面的规模与方向性；⑤结构面的密度与组数。第二章隧道工程地质环境及围岩分级(3)岩石的力学性质在整体结构的岩体中，控制围岩稳定性的主要因素是岩石的