隧道工程地質(zhì)構(gòu)造實(shí)用教案

1、1 1 地質(zhì)構(gòu)造及其對隧道地質(zhì)構(gòu)造及其對隧道(sudo)(sudo)施工的影響施工的影響巖層產(chǎn)狀巖層產(chǎn)狀 巖層產(chǎn)狀是指巖層在空間的位置，是用巖層層面的走向巖層產(chǎn)狀是指巖層在空間的位置，是用巖層層面的走向(zuxing)(zuxing)、傾向和傾、傾向和傾角三個(gè)產(chǎn)狀要素：角三個(gè)產(chǎn)狀要素：走向走向(zuxing)(zuxing)（strikestrike）；）；傾向傾向( dip)( dip)；傾角（傾角（dip angledip angle）。）。第1頁/共72頁第一頁，共72頁。第2頁/共72頁第二頁，共72頁。第3頁/共72頁第三頁，共72頁。第4頁/共72頁第四頁，共72頁。地質(zhì)(dzh)

2、羅盤第5頁/共72頁第五頁，共72頁。第6頁/共72頁第六頁，共72頁。第7頁/共72頁第七頁，共72頁。 巖層(yncng)產(chǎn)狀要素走向：層面與任一走向：層面與任一假想水平面交線的假想水平面交線的延伸延伸(ynshn)方方向向傾向：巖層面傾斜傾向：巖層面傾斜的方向的方向傾角：層面與水平傾角：層面與水平面所夾的最大銳角面所夾的最大銳角NESWNE50SE45SW230SE45第8頁/共72頁第八頁，共72頁。巖層產(chǎn)狀要素的表示巖層產(chǎn)狀要素的表示(biosh)方方法法 方位角表示方法(fngf): 20527象限角表示方法(fngf): N65W/25SW。 N 0E 90W 270S 180北

3、極南極NWNESW SE 第9頁/共72頁第九頁，共72頁。1.1 1.1 水平水平(shupng)(shupng)構(gòu)造構(gòu)造巖層(yncng)產(chǎn)狀近于水平（5度）第10頁/共72頁第十頁，共72頁。1.2 1.2 單斜構(gòu)造單斜構(gòu)造(guzo)(guzo)巖層(yncng)層面與水平面有一定夾角第11頁/共72頁第十一頁，共72頁。1.3 1.3 褶皺褶皺(zhzhu)(zhzhu)構(gòu)造構(gòu)造第12頁/共72頁第十二頁，共72頁。背斜和向斜在平面(pngmin)和剖面上的表現(xiàn)特征第13頁/共72頁第十三頁，共72頁。第14頁/共72頁第十四頁，共72頁。第15頁/共72頁第十五頁，共72頁。褶皺對

4、隧道褶皺對隧道(sudo)施工的影響施工的影響 按軸面產(chǎn)狀劃分：按軸面產(chǎn)狀劃分： 直立褶皺；直立褶皺；傾斜傾斜(qngxi)褶皺；褶皺；倒轉(zhuǎn)褶皺；倒轉(zhuǎn)褶皺；平臥褶皺。平臥褶皺。直立直立(zh l)褶皺褶皺傾斜褶皺傾斜褶皺倒轉(zhuǎn)褶皺倒轉(zhuǎn)褶皺平臥褶皺平臥褶皺第16頁/共72頁第十六頁，共72頁。第17頁/共72頁第十七頁，共72頁。褶皺構(gòu)造的工程(gngchng)評價(jià) 褶皺地區(qū)地形(dxng)起伏大，特別在褶皺強(qiáng)烈地區(qū)，巖層因受強(qiáng)烈破壞，裂隙發(fā)育，傾角大，在這種地區(qū)的斜坡或坡腳進(jìn)行建筑時(shí)應(yīng)注意斜坡巖層的穩(wěn)定性。 地層中一些具有特殊工程意義的巖層，如易泥化夾層、含水層、含鹽層等隨地層的褶皺而褶皺，因而

5、它們的空間分布規(guī)律受褶皺形態(tài)的控制。顯然，褶皺的研究對于如何避開上述不利巖層，選擇合理的建筑場地來說是一項(xiàng)關(guān)鍵性的基礎(chǔ)工作。第18頁/共72頁第十八頁，共72頁。褶皺(zhzhu)構(gòu)造的工程評價(jià) 在褶皺的軸部地區(qū)，由于巖層遭受的構(gòu)造變動(dòng)較大，裂隙發(fā)育，如果地下建筑沿褶皺構(gòu)造軸線開挖，可能造成大量的巖石崩落，尤其是在向斜(xin xi)軸部，由于裂隙間的巖塊處于倒插狀態(tài)，更容易出現(xiàn)這種情況。 向斜(xin xi)構(gòu)造有利于地下水的聚集，地下水往往較多，壓力較高，如地下建筑沿向斜(xin xi)軸線開挖，還可能出現(xiàn)大量涌水的事故。 因此，洞址不應(yīng)選在褶皺(尤其是向斜(xin xi)軸部地區(qū)，如果無

6、法避開褶皺軸部，洞軸線應(yīng)與褶皺軸線垂直或成大角度(不小于40的銳角)相交。第19頁/共72頁第十九頁，共72頁。褶皺(zhzhu)構(gòu)造的工程評價(jià) 在洞軸線與褶皺軸線垂直或成大角度相交的情況下，洞體將穿越性質(zhì)不同的巖層，軟弱結(jié)構(gòu)面處的巖體不穩(wěn)定，襯砌比較困難；同時(shí)洞體還可能穿越含水層，出現(xiàn)(chxin)涌水，對施工不利。因此，在褶皺地區(qū)洞室的選址和決定軸線時(shí)祁應(yīng)注意這些不利條件。 盡管褶皺形成較復(fù)雜的地質(zhì)條件，但是這種地區(qū)基巖埋深較淺。另外，在褶皺地區(qū)，向斜構(gòu)造常有豐富的地下水，可作為供水水源。 第20頁/共72頁第二十頁，共72頁。第21頁/共72頁第二十一頁，共72頁。1.4 1.4 斷裂斷

7、裂(dun li)(dun li)構(gòu)造構(gòu)造第22頁/共72頁第二十二頁，共72頁。節(jié)理對隧道施工的影響剪節(jié)理：剪應(yīng)力形成的兩組X型共軛破裂面。特征是產(chǎn)狀穩(wěn)定，節(jié)理面平直(pn zh)、光滑、閉合、間距小，密集成帶。張節(jié)理：巖層受拉應(yīng)力產(chǎn)生的破裂面，通常呈鋸齒狀，產(chǎn)狀不穩(wěn)定，延伸不遠(yuǎn)，張開，常被巖脈、粘土等充填，發(fā)育稀疏，間距大。第23頁/共72頁第二十三頁，共72頁。第24頁/共72頁第二十四頁，共72頁。張節(jié)理(jil)第25頁/共72頁第二十五頁，共72頁。剪節(jié)理(jil)第26頁/共72頁第二十六頁，共72頁。（二）節(jié)理(jil)發(fā)育程度分級第27頁/共72頁第二十七頁，共72頁。節(jié)理的

8、工程(gngchng)評價(jià) (1) 節(jié)理破壞了巖體的整體性和連續(xù)性，它的發(fā)育情況直接影響巖體的結(jié)構(gòu)特性。節(jié)別會(huì)降低地基的承載力和地下建筑圍巖的穩(wěn)定程度。節(jié)理發(fā)育，特別是當(dāng)節(jié)理組比較多時(shí)，引起垮塌，影響施工，增加支護(hù)費(fèi)用等。因此(ync)，選擇洞址對應(yīng)盡量避開節(jié)理發(fā)育。 (2)巖石邊坡的穩(wěn)定程度主要取決于節(jié)理的性質(zhì)和組合特征，很多山崩、滑坡等邊坡破壞都和節(jié)理有關(guān)。 (3)節(jié)理裂隙改變了巖石的滲透性能，水沿節(jié)理滲入，影響地下結(jié)構(gòu)物的功能和穩(wěn)定。 (4)在挖方和采石時(shí)，節(jié)理可以提高工作效率，但在爆破時(shí)常因漏氣而降低爆破效果。 (5)非理發(fā)育的巖石中，可以找到地下水作為供水水源。 第28頁/共72頁第

9、二十八頁，共72頁。斷層的幾何斷層的幾何(j h)要素要素 斷層面與斷層破碎帶：斷層面與斷層破碎帶：產(chǎn)狀表達(dá)方法，附近節(jié)產(chǎn)狀表達(dá)方法，附近節(jié)理發(fā)育、常有充填。理發(fā)育、常有充填。 斷層線：遵守?cái)鄬泳€：遵守(znshu)“V”(znshu)“V”字形字形法則。法則。 斷盤：上盤、下盤，上斷盤：上盤、下盤，上升盤、下降盤。升盤、下降盤。 斷距斷距第29頁/共72頁第二十九頁，共72頁。上盤下降上盤下降(xijing)下盤上升下盤上升(shngshng)正斷層：上盤沿?cái)鄬用嫦鄬ο陆?，下盤相對上升的斷層。其斷層面傾角較陡，一般在45以上。正斷層是由于巖體受到張力及重力(zhngl)作用，使上盤沿?cái)鄬用嫦?/p>

10、下錯(cuò)動(dòng)形成的； 第30頁/共72頁第三十頁，共72頁。上盤上升上盤上升(shngshng)下盤下降下盤下降(xijing)逆斷層：上盤沿?cái)鄬用嫦鄬ι仙?shngshng)，下盤相對下降的斷層。逆斷層一般是由于巖體受到水平方向強(qiáng)烈擠壓力的作用，使上盤沿?cái)鄬用嫦蛏襄e(cuò)動(dòng)而成。斷層面從陡傾角至緩傾角都有。其中斷層面傾角大于450的稱為逆沖斷層；介于250450之間的稱為逆掩斷層；小于250的稱為碾掩斷層(又叫碾掩構(gòu)造或推復(fù)構(gòu)造)。逆掩斷層和碾掩斷層常是規(guī)模很大的區(qū)域性斷層； 第31頁/共72頁第三十一頁，共72頁。水平水平(shupng)錯(cuò)動(dòng)錯(cuò)動(dòng)平移（推）斷層：由于(yuy)巖體受水平剪切作用，使兩盤

11、沿?cái)鄬用姘l(fā)生相對水平位移的斷層。平移斷層的傾角很大，斷層面近于直立，斷層線比較平直。第32頁/共72頁第三十二頁，共72頁。疊沖(瓦)式逆掩斷層 由若干條產(chǎn)狀基本一致的逆掩斷層組成(z chn)，各條斷層的上盤依次向同一方向向上逆沖，平面上構(gòu)成疊瓦式(狀)。第33頁/共72頁第三十三頁，共72頁。第34頁/共72頁第三十四頁，共72頁。斷層的野外(ywi)識(shí)別 地貌(dmo)特征：當(dāng)斷層的斷距較大時(shí)可能形成陡峭的斷層崖；斷層破碎帶巖石破碎，易于侵蝕下切，可能形成溝谷或峽谷地形。山脊錯(cuò)斷、錯(cuò)開，河谷跌水瀑布；河谷方向發(fā)生突然轉(zhuǎn)折，串珠狀泉水出露；華山(hu shn)斷層崖河流改道泉呈線性分布第3

12、5頁/共72頁第三十五頁，共72頁。斷層的野外(ywi)識(shí)別 地層特征：如巖層發(fā)生重復(fù)或缺失、巖脈被錯(cuò)斷、巖層沿走向突然(trn)發(fā)生中斷或者不同性質(zhì)的巖層突然(trn)接觸等地層方面的特征，則進(jìn)一步說明斷層存在的可能性很大； 第36頁/共72頁第三十六頁，共72頁。斷層的野外(ywi)識(shí)別 斷層的伴生構(gòu)造現(xiàn)象：斷層的伴生構(gòu)造是斷層在發(fā)生、發(fā)展過程中遺留下來的形跡。常見(chn jin)的有巖層牽引彎曲、斷層角礫、糜棱巖、斷層泥和斷層擦痕等； 第37頁/共72頁第三十七頁，共72頁。正斷層第38頁/共72頁第三十八頁，共72頁。逆斷層(duncng)第39頁/共72頁第三十九頁，共72頁。平移

13、(pn y)斷層第40頁/共72頁第四十頁，共72頁。斷層的工程(gngchng)評價(jià) 斷層，尤其是活斷層與工程建設(shè)關(guān)系密切，主要發(fā)現(xiàn)為以下幾個(gè)方面： (1)斷層是構(gòu)造應(yīng)力集中帶，它使巖石裂隙增多，零亂破碎，巖體的整體性被破壞，其強(qiáng)度和承載力明顯降低。 (2)斷層活動(dòng)能直接破壞修建在它上面或附近的建筑物。例如：1976年我國唐山地震時(shí)發(fā)生的一條斷層，其水平(shupng)錯(cuò)距達(dá)3m，錯(cuò)開了道路、圍墻、房屋等建筑物 (3)斷層附近是高地震烈度區(qū)。在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈地區(qū)，一些活斷層還可能是發(fā)展斷層，產(chǎn)生強(qiáng)烈地震。 (4)新斷層附近地表風(fēng)化強(qiáng)烈，而且常成為地下水的通道。沿?cái)鄬訋н吰路€(wěn)定性差，常發(fā)育山崩

14、、滑坡、地陷等不良地質(zhì)現(xiàn)象。第41頁/共72頁第四十一頁，共72頁。第42頁/共72頁第四十二頁，共72頁。二、節(jié)理裂隙發(fā)育情況對隧道施工的影響(yngxing)及量測方法 國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室和野外試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)推薦了節(jié)理研究的內(nèi)容，方位（orientation）間距（spacing）延續(xù)性（persistence）結(jié)構(gòu)(jigu)面的粗糙程度（roughness）結(jié)構(gòu)(jigu)面?zhèn)缺诘目箟簭?qiáng)度；張開度（aperture）被充填情況（filling situation）滲流（seepage flow）結(jié)構(gòu)(jigu)面組數(shù)（set）塊體大?。╯ize）第43頁/共72頁第四十三頁，共7

15、2頁。二、巖體工程力學(xué)特征(tzhng)1 基本知識(shí)2 巖體結(jié)構(gòu)類型3 洞室(dn sh)圍巖破壞類型第44頁/共72頁第四十四頁，共72頁。1基本知識(shí) 巖體(rock mass)：結(jié)構(gòu)體（巖石 rock）與結(jié)構(gòu)面的組合。 結(jié)構(gòu)面：巖體中的一切不連續(xù)面。如斷層、節(jié)理、層理、片理等。 巖體結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)面和結(jié)構(gòu)體的組合特征。 地應(yīng)力：是存在于地殼中的未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。 二次應(yīng)力：隧道開挖擾動(dòng)后的應(yīng)力。 圍巖：指的是隧道周圍一定范圍(fnwi)內(nèi)，對洞身的穩(wěn)定有影響的巖（土）體。 第45頁/共72頁第四十五頁，共72頁。巖體第46頁/共72頁第四十六頁，共7

16、2頁。結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)(jigu)(jigu)面面原生結(jié)構(gòu)面原生結(jié)構(gòu)面火成結(jié)構(gòu)面：流紋面、原生火成結(jié)構(gòu)面：流紋面、原生節(jié)理、侵入體與圍巖接觸節(jié)理、侵入體與圍巖接觸面；面；變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、板理；變質(zhì)結(jié)構(gòu)面：片理、板理；沉積沉積(chnj)結(jié)構(gòu)面：層理、結(jié)構(gòu)面：層理、沉積沉積(chnj)間斷、軟弱間斷、軟弱夾層等夾層等構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：構(gòu)造結(jié)構(gòu)面：節(jié)理、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)面等。節(jié)理、斷層、層間錯(cuò)動(dòng)面等。次生結(jié)構(gòu)面：次生結(jié)構(gòu)面：在風(fēng)化作用、卸荷作用及地在風(fēng)化作用、卸荷作用及地下水作用下形成的風(fēng)化裂下水作用下形成的風(fēng)化裂隙、破碎帶、卸荷裂隙、隙、破碎帶、卸荷裂隙、泥化夾層等泥化夾層等第47頁/共72頁第四十七頁，共7

17、2頁。第48頁/共72頁第四十八頁，共72頁。地應(yīng)力、圍巖(wi yn)第49頁/共72頁第四十九頁，共72頁。2 巖體結(jié)構(gòu)(jigu)類型第50頁/共72頁第五十頁，共72頁。第51頁/共72頁第五十一頁，共72頁。 工程實(shí)踐表明，巖體的應(yīng)力傳播(chunb)、變形破壞以及巖體力學(xué)介質(zhì)屬性無不受控于巖體結(jié)構(gòu)。巖體結(jié)構(gòu)對工程巖體控制作用主要表現(xiàn)在三方面：巖體的應(yīng)力傳播(chunb)特征巖體的變形與破壞特征工程巖體的穩(wěn)定性 第52頁/共72頁第五十二頁，共72頁。 巖體變形(bin xng)機(jī)制受巖體結(jié)構(gòu)控制第53頁/共72頁第五十三頁，共72頁。巖體的強(qiáng)度巖體的強(qiáng)度(qingd)(qingd)

18、取決于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度(qingd)(qingd)和巖石和巖石的強(qiáng)度的強(qiáng)度(qingd)(qingd)。巖體的抗剪強(qiáng)度巖體的抗剪強(qiáng)度(qingd)(qingd)包絡(luò)線介于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線介于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度(qingd)(qingd)包絡(luò)線和巖石強(qiáng)度包絡(luò)線和巖石強(qiáng)度(qingd)(qingd)包絡(luò)線之間。包絡(luò)線之間。第54頁/共72頁第五十四頁，共72頁。 巖體的破壞機(jī)制也受控于巖體結(jié)構(gòu)： 結(jié)構(gòu)控制有：巖體破壞難易程度、巖體破壞的規(guī)模、巖體破壞的過程(guchng)及巖體破壞的主要方式等。巖體破壞機(jī)制受巖體結(jié)構(gòu)(jigu)控制第55頁/共72頁第五十五頁，共72頁。不不同同結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(jigu)類類型型巖巖體體的的破破壞壞方方式式第56頁/共72頁第五十六頁，共72頁。3 洞室(dn sh)圍巖的變形破壞類型 （1）巖體洞室的變形與破壞：脆性破裂、塊體運(yùn)動(dòng)、彎曲折斷、松