第二章隧道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•第二节：施工地质超前预报•第三节：岩体的基本工程性质•第四节：围岩分级•第一节：隧道工程地质调查与勘测一、隧道工程地质调查一）隧道工程调查的内容•自然地理概况•工程地质特征•水文地质特征•不良地质地段•地震基本烈度等级•气象资料•施工条件1、自然地理概况调查•主要通过收集资料的方式进行，相关资料有：地形资料（地形图）、地质资料（地质图和说明书）、工程资料（附近土建工程的地质水文资料）、气象资料（气象台站获得）、用地及环境资料（工程、施工用地，自然环境、文物古迹、保护区、居民环境等）、灾害资料（暴雨、台风、地震、滑坡）等。•2、地质调查•隧道作为一种地下结构，直接与周围的地层接触，所以其最大特点是自始至终与地质密不可分。地质调查可按以下阶段进行：•a．地形地质的初步调查•目的：•初步查明地形、地质条件对路线线形、隧道位置（洞口及长度）、引道、以及对施工道路、其它附属工程的影响。•方式：•由有经验的地质工程师以现场踏勘进行，主要查明崖锥、滑坡、崩塌、断层、破碎带、地下水以及其它地质特征，做好调查记录；最后提交调查报告书，并附上调查路线图、地质平面图和地质剖面图。•b、地质详查•项目：•岩性、地质构造、地下水及地表水、地下资源等。•主要方法：•挖探、简易钻探、钻探、地球物理勘探（物探）等•地质详查应提供的资料：概况、地形地质概况、岩石种类、调查中遗留的问题、地质平面图、地质断面图及纵断面图、选线、设计及施工时应注意的问题、围岩分类情况等。•3、环境调查•通过对施工场地、生态环境的调查，评价隧道修建和营运交通对周边环境的影响程度，提出必要的环境保护措施。•4、气象调查•气象调查一般有下列内容：降雨、降雪、气温地温、风向风速、雾、雪崩、洪水等。••5、围岩级别的确定判断围岩级别是决策隧道设计、施工中各种问题的基础。围岩级别的判定是按设计和施工两个阶段进行。施工阶段可根据已暴露的围岩条件判定围岩级别，是对设计阶段的预判断进行修正，是客观、可靠、可信的判断。•2、长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道的调查•长隧道、特长隧道和地质条件复杂的隧道，应进行大面积的区域性工程地质调查、测绘、并加强地质勘探核试验工作，查明区域地质构造及工程地质、水文地质条件；当地下水对隧道影响较大时，应进行地下水的动态勘测。•3、设计阶段地质调查•采用测绘、弹性波勘测、遥感、钻孔、试验坑道等方法进行。•4、施工阶段地质调查•核定地质构造、岩性、地下水等；•及时预测和解决施工中遇到的工程地质及水文地质问题；•为验证修改设计提供依据。•二、隧道位置勘测•1、隧道勘测的一般规定•1)制定勘测计划•勘测计划包括对既有资料的收集和调查、地质勘察、环境调查、施工条件调查、调查采取的方法等内容。•2)勘测资料应完备•隧道勘测工作一般包括搜集已有资料，地形、地质的调查测绘，工程地质及水文地质勘探及试验等工作。•2、勘测的两个阶段1）勘测的两个阶段•隧道工程的勘测设计一般分两阶段进行，即初测阶段和定测阶段。•对于长大隧道或地形、地质条件复杂的隧道，应采用两阶段勘测；对于地形及地质条件较简单的中、短隧道可以考虑采用一阶段勘测。••3、勘测阶段的工作内容•初测为初步设计提供资料，应完成的勘测工作有：隧道所在地区自然条件的调查、隧道工程对周围环境影响的调查、工程地质及水文地质的勘察、地形测量、导线测量等。•定测是根据有关单位批准的初步设计文件及审核意见，在初测基础上进一步核对、落实、深化相关勘测资料，对复杂地质问题给出可靠性结论，为施工图设计提供资料。•实际工作中，两者往往是互相穿插的，不必拘泥于阶段的划分，宜视工作的方便而定。•根据设计阶段的不同中，通常按收集已有文献资料，初步调查和详细调查的顺序进行。••4、、隧道工程测绘遵守的规定•按设计阶段要求搜集或测绘地形图，纵断面图、横断面图。•测绘资料的图纸内容需反映隧道所在地的工程地质及水文地质情况。•在隧道洞口和辅助坑道口的附近，按规定设置必要的平面控制点和水准点。•测绘资料符合规定的精度要求。•5、工程评价及处理措施•围岩自稳性•隧道涌水量、涌水压力、突然涌水等•岩土膨胀压力•滑坡、偏压•围岩状态和土压特性•高地应力区应力场•瓦斯、岩溶、及人为坑洞等•6、评价隧道工程对环境可能造成的影响。•第二节：施工地质超前预报（以课本为主）•一、地质预报概况•隧道地质超前预报就是预判掌子面后方，开挖方向内的围岩状况。•现今国内常用的方法有地质法，电磁波法，地震波法等。•地质法就是跟据总体的山体走向、地层结构预判隧道内前方围体状况，这对地质工程师有较高要求。且判断的结果不够精确。•★•电磁波法一般选用地质雷达，通过雷达波速变化判别前方围岩状况。地质雷达一般选用美国劳雷分司或瑞典马拉分司出产的地质雷达。用于超前预报一般天线的中心频率为100ZH，预报距离一般为掌子面后方35m左右。相对来说比较准确的，溶洞、断层、含水都可以准确判断出来，但前提是对测试文件有一定后处理经验。•地震波法常用瑞典的TSP、或国产的TGP。也是跟据波速变化来判断围岩状况。预报距离为掌子面后方150~200m，适用于深埋隧道。目前技术不是很成熟。••二、地质超前预报的内容•1、地区地质分析与宏观地质预报•预报开挖面前方围岩级别及稳定性、预报洞内用水量大小和变化规律及对环境、地质与工程的影响。•2、不良地质及灾害地质超前预报•预报前方围岩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、有害气体等灾害的发生概率；预报断层的位置、宽度、产状、性质、破碎等状态、冲水情况、稳定程度。•3、重大施工地质灾害临预警报•预报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；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、煤系底层等。••三、地质超前预报的方法•1、地质法分析法•2、超前平行导坑预报法•3、超前水平钻孔法•4、物理探测法•1)TGP02隧道地质预报系统，预报前方100-150m的岩性变化、断层、破碎带、岩溶、空洞等。••2)TSP超前预报系统简介•TSP(TunnelSeismicPredictin)是瑞士伯格测量技术公司于20世纪90年代初期开发研制的一套超前预报系统设备，该系统采用地震波反射原理，能长距离地预报隧道施工前方的地质变化，如断层破碎带和其它不良地质带，其准确预报范围为掌子面前方100～150m。现如今TSP超前地质探测系统在瑞士、德国、法国等发达国家的隧道施工中，已经得到了广泛的应用，尤其是在采用TMB施工时，利用TSP进行超前探测地质情况，更是在隧道施工过程中不可缺少的工序。••1996年，我国铁道部隧道工程局首次引进TSP202应用于深圳中东部供水水源隧道、梅坎铁路松南隧道、内昆线闸上隧道、朱嘎隧道等。近年来，TSP技术也越来越多得到中国的工程技术人员广泛认同，并成功地应用于秦岭铁路隧道、株六铁路复线、渝怀铁路部分隧道工程、青海公伯峡水电站导流洞、云南元墨高速公路及山西雁门关公路隧道等几十个工程中。在工程实践中也发挥了重要作用。•TSP探测技术产品经历了TSP202和TSP203两代产品，与第一代产品相比，TSP203在硬件设计和软件设计等方面都做了很大改进，其软件程序除了考虑了windows视窗的兼容性以外，还特别强调了软件的智能化和评估结果输出的灵活性，使探测工作更加灵活、便捷。3)负视速度法4）水平波发射法5）地质雷达法6）红外探水法四、超前地质预报方法的应用原则地区地质分析与宏观地质预报不良地质及灾害地质超前预报重大施工地质灾害临警预报•第三节岩体的基本工程性质•一、岩体的初始应力场•由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，称之为围岩的初始应力场。•不了解围岩的初始应力状态就无法对洞室开挖后的一系列力学过程和现象做出正确的评价。•1.围岩初始应力场的形成与围岩的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系，因此，根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类。•2.自重应力场：上覆岩体自重产生的应力场。•3.构造应力场：地壳各处发生的一切构造变形与破裂所形成的地应力。按形成时间又分为构造残余应力（如断层、褶曲等引起）和新构造应力（如地震引起）。•一）初始应力场的变化规律•1.自重应力场•σz=γ1H1+γ2H2+…+γnHn•=∑γiHI•i=1-n•式中•γi——第i层岩体的重度•Hi——第i层岩体的厚度•该点的水平应力σx,σy主要是由岩体的泊松效应引起的，按弹性理论应为•σx=σy•=μ\(1−μ)σz=λσz•式中•λ——侧压系数•μ——泊松比(泊松系数）•地表水平时的自重应力场图•大多数围岩的泊松比变化在0.15~0.35左右。因此，在自重应力中，水平应力通常是小于竖直应力的。•上述可得，岩体自重应力的场的变化规律为：•（1）地应力随深度线性增加；•（2）水平应力总是不大于垂直应力；•（3）大量的实测资料表明，地质构造形态改变了自重应力场的状态，这在实际工程中不容忽视。•（4）深度对初始应力状态有重大影响。在应力达到很大，而围岩本身强度有限时，各向受力的围岩将处于隐塑性状态。•2.构造应力场•属于非稳定应力场，据已发表的一些地应力测量资料表明：•（1）地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，这中残余应力将对地下工程产生重大影响•（2）构造应力场在不深的地方已普遍存在，最大构造应力的方向多近似水平，且水平应力普遍大于自重应力场中水平应力分量，甚至大于垂直分量。•二）影响初始应力场的因素•1.重力、地质构造、地形、岩体的物理力学性质以及地温等经常性的因素；•2.新构造运动、地下水活动、人类长期活动等暂时性的或局部性的因素。•二、岩体的基本工程性质•一）岩体•是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。•地下结构围岩（岩体+土体）的工程性质，一般包括3个方面：物理性质、水理性质和力学性质。其中力学性质对围岩的稳定性影响最大。•二）物理性质•1、岩体是由结构面分割的多裂隙体•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），按成因分为原生结构面，构造结构面和次生结构面；•2、岩体具有各向异性•岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体的强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异称为各向异性；•3、岩体具有可变性•较完整的岩体比较坚固，但受到地壳地质运动的影响，岩体必然会在地质作用下不断变化，对工程而言，在隧道的使用年限内风化作用和地下水作用引起岩体完整性、强度等性质的变化是研究重点。•三）水理性质•软化系数=•饱水岩石抗压强度\干燥岩石抗压强度•一般岩石的强度随着含水量增大的不同,其降低程度也不同，主要取决于岩石中的亲水矿物和易溶性的矿物的含量及裂隙发育情况。通常用软化系数来表示岩石的软化性。一般规定软化系数小于0.75的岩石称为软化岩石。四）力学性质1.单向应力状态下围岩的变形特征•由图，典型的岩体应力—应变曲线可以分解为4个阶段：•压密阶段（OA）；•弹性阶段（AB）；•塑性阶段（BC）；•破环和破裂阶段（CD）。•岩石、软弱结构面和岩体的应力—应变曲线•2.三轴压缩下岩石的强度及变形特性•天然岩体多处于三向受力状态。主应力σ1,σ2,σ3为岩石的三轴压缩强度，通过三轴压缩实验取不同的应力状态，可得到多个莫尔应力圆，根据其包络线确定岩石的内摩擦角φ和粘聚力c，应用于实际工程中。通常包络线为曲线，这表明c,φ值随破坏面上的σ值而变化。莫尔圆和莫尔包络线图•3.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而明显减小，但当裂隙组数增加到一定的程度之后，强度不再降低，而接近岩石的残余强度，见下表。•裂隙组数对岩体强度的影响试验结果•4、裂隙岩体的变形性质•裂隙岩体的变形性质与完整的岩体的变形性质不同。它比完整的岩体更容易变形，