《鐵路隧道施工與維護》課件-項目2 隧道工程地質環(huán)境

項目2隧道工程地質環(huán)境任務2.1隧道工程地質調查與勘測

任務2.2施工地質超前預報任務2.3掌握隧道圍巖分級任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用任務2.1隧道工程地質調查與勘測

工作任務：（1）對隧道通過地段的地質進行地質調查測繪工作；（2）對隧道工程地質進行勘測、測試工作。任務2.1隧道工程地質調查與勘測1.工程地質調查測繪隧道通過地段的地質調查測繪是隧道工程地質勘測的核心工作。（1）隧道工程地質調繪隧道工程地質調查測繪應包括的內容：①查明地層、巖性及地質構造特征，著重查清地質構造性質、類型、規(guī)模；斷層、節(jié)理、軟弱結構面特征及其與隧道的組合關系和圍巖的基本物理力學性質等；任務2.1隧道工程地質調查與勘測津秦鐵路葫蘆山隧道工程技術人員在現(xiàn)場進行地質測繪任務2.1隧道工程地質調查與勘測②查明地下水類型及地下水位、含水層的分布范圍及相應的滲透系數(shù)、水量、水壓、水溫和補給關系、水質及其對混凝土的侵蝕性，判斷工程有無異常涌水、突水；③查明影響隧道洞口安全或洞身穩(wěn)定的崩塌、錯落、巖堆、滑坡、巖溶、人為坑洞、泥石流、雪崩、冰川等不良地質現(xiàn)象和偏壓等不利地形條件，分析其類型和規(guī)模以及發(fā)生原因、發(fā)展趨勢，判明對隧道影響的程度；任務2.1隧道工程地質調查與勘測④查明含水砂層、風積沙、黃土、鹽巖、膨脹土、多年凍土、軟土、填土等特殊巖土，分析其成因、范圍及巖土力學特性及對隧道的影響程度；⑤查明有害氣體、礦體及具有放射性危害的地層，確定分布范圍、成分和含量；任務2.1隧道工程地質調查與勘測⑥查明地應力水平，重點查明高地應力引起的大變形、巖爆分布范圍及影響程度；⑦瀕臨水庫地區(qū)的隧道位于水庫常水位或規(guī)劃水位以下時，評價其與水庫的水力聯(lián)系；⑧地震動參數(shù)。任務2.1隧道工程地質調查與勘測（2）地形地貌調查主要是查明隧道通過地段的山體自然情況，其中包括山坡的形態(tài)和坡度、河流兩岸階地對稱情況、山體埡口和鞍部及分水嶺分布。（3）地層、巖性調查要查明隧道通過地段的地層時代、地層層序、地層巖性及巖性變化，查明地層接觸關系。（4）地質構造調查調查的重點是褶皺、斷層、節(jié)理、侵入體或巖脈等。任務2.1隧道工程地質調查與勘測（5）水文地質調查水文地質調查的主要內容包括：隧道通過地段的井、泉情況，分析水文地質條件，判斷地下水的類型、水質、侵蝕性、補給來源等，預測洞身最大及正常分段涌水量，并取樣作水質分析。（6）滑坡、落石、巖堆、泥石流和巖溶地質調查（7）地溫測定任務2.1隧道工程地質調查與勘測2.勘探、測試工作要求（1）勘探測試工作的總體要求①地質條件復雜的隧道宜采用綜合勘探方法。②鉆孔位置和數(shù)量應視地質條件復雜程度而定。③鉆探深度應達到路肩以下3—5m，遇溶洞、暗河及其他不良地質時，應適度加深至溶洞及暗河以下5m。任務2.1隧道工程地質調查與勘測④鉆探中應做好水文觀測和記錄，探明含水層的位置和厚度，并取樣作水質分析。⑤應取代表性巖石試樣進行物理力學性質試驗。⑥對有害礦體和氣體，應取樣作定性、定量分析。任務2.1隧道工程地質調查與勘測（2）勘測的階段及其工作要求隧道工程地質勘測的勘測工作分為初測階段和定測階段。①初測要求長隧道、特長隧道、多線隧道、工程地質條件復雜而控制線路方案的隧道以及需要作為代表性設計的隧道，應編制隧道工程地質縱斷面圖，分段提供隧道圍巖分級。當區(qū)域地質復雜、方案較多時，應編制隧道線路方案工程地質圖或隧道地區(qū)地質構造圖。任務2.1隧道工程地質調查與勘測②定測要求不論是一般隧道、長大隧道或地質復雜隧道，均應進行單獨的工程地質勘測工作，按設計階段要求搜集或測繪地形圖、縱斷面圖、橫斷面圖等。任務2.2施工地質超前預報工作任務：（1）對隧道所在地區(qū)進行地質分析與宏觀地質預報；（2）對隧道洞身不良地質及災害地質進行預報，對重大施工地質災害進行臨警預報。任務2.2施工地質超前預報1.地質超前預報的內容（1）地層巖性預測預報，特別是對軟弱夾層、破碎地層、煤層及特殊巖土的預測預報。（2）地質構造預測預報，特別是對斷層、節(jié)理密集帶、褶皺軸等影響巖體完整性的構造發(fā)育情況的預測預報。任務2.2施工地質超前預報（3）不良地質預測預報，特別是對巖溶、人為坑洞、瓦斯等發(fā)育情況的預測預報。（4）地下水預測預報，特別是對巖溶管道水及富水地層中、富水褶皺軸、富水地層中的裂隙水等發(fā)育情況進行預測預報。任務2.2施工地質超前預報2.地質超前預報的方法隧道施工地質超前預報方法主要有傳統(tǒng)地質調查法、超前平行導坑預報法、超前水平鉆孔法、物探法及特殊災害地質所用的相關預測方法。施工地質超前預報是一項系統(tǒng)性工作，需納入施工工序。任務2.2施工地質超前預報3.地質超前預報方法的應用原則（1）地區(qū)地質分析與宏觀地質預報：采用傳統(tǒng)的地質分析方法，輔以必要的物探技術等手段對隧道圍巖的穩(wěn)定性、水文地質情況進行宏觀的地質預報。任務2.2施工地質超前預報（2）不良地質及災害地質超前預報：在傳統(tǒng)地質分析方法的基礎上，結合施工方法、施工工藝、工期等要求，以先進的物探技術為主要探測手段，并輔以必要的超前平行導坑預報法、超前水平鉆孔法，對開挖面前方不良地質體的情況及有可能產生的災害地質進行預報，提出施工對策。任務2.2施工地質超前預報（3）重大施工地質災害臨警預報：在傳統(tǒng)地質分析方法的基礎上，結合施工方法、施工工藝、工期等要求，以超前平行導坑預報法、超前水平鉆孔法為主，綜合利用各種有效的物探手段，對開挖面前方有可能誘發(fā)的重大的地質災害建立臨警預報系統(tǒng)，并評判其危害程度，提出施工預案對策。任務2.3掌握隧道圍巖分級工作任務：（1）掌握圍巖分級方法，能夠對圍巖進行分級；任務2.3掌握隧道圍巖分級1.概述（1）圍巖：隧道周圍一定范圍內對洞身產生影響的的巖土體。隧道的圍巖是特征狀態(tài)千變萬化，有松散的流沙和和堅硬的花崗巖。任務2.3掌握隧道圍巖分級流沙、管涌現(xiàn)象任務2.3掌握隧道圍巖分級花崗巖任務2.3掌握隧道圍巖分級圍巖自穩(wěn)時間：是指圍巖在開挖暴露后，在未進行任何支護情況下，自行達到持續(xù)穩(wěn)定的時間。根據長期的工程實踐，人們認識到，各種圍巖的物理性質之間存在著一定的內在聯(lián)系和規(guī)律，因而根據巖體完整程度和巖石堅硬程度等重要指標，按坑道開挖后的圍巖穩(wěn)定性對圍巖進行等級劃分，這就是圍巖分級。

任務2.3掌握隧道圍巖分級（2）圍巖分級的目的：為隧道設計和施工提供依據。①可以據此選擇適當?shù)氖┕し椒ǎ虎诖_定支護結構上的荷載（松散荷載）；③確定襯砌結構的類型及其尺寸；任務2.3掌握隧道圍巖分級分析隧道圍巖變化情況任務2.3掌握隧道圍巖分級大路峁隧道施工現(xiàn)場任務2.3掌握隧道圍巖分級砂性土圍巖任務2.3掌握隧道圍巖分級洞口位置的土質圍巖任務2.3掌握隧道圍巖分級Ⅳ、Ⅴ級圍巖任務2.3掌握隧道圍巖分級2.我國鐵路隧道的圍巖分級法

不同國家、不同行業(yè)根據各自的工程特點和目的提出了各自的圍巖分級方法。在我國現(xiàn)行的《鐵路隧道設計規(guī)范》（TB10003—2016）中，明確規(guī)定了要采用以圍巖穩(wěn)定性為基礎的分級法和按彈性波速度的分級法。該分級法主要考慮了圍巖的結構特征和完整狀態(tài)、巖石強度和地下水、圍巖基本質量指標等因素，把圍巖分為6級，依其穩(wěn)定性由好到差為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。任務2.3掌握隧道圍巖分級（1）圍巖的結構特征和完整狀態(tài)圍巖體通常是被各種結構面切割成大小不等、形態(tài)各異、種類不同的巖石單元體（即結構體），圍巖結構特征是指結構面和結構體的特征。結構特征體現(xiàn)圍巖體的受力特征，完整狀態(tài)體現(xiàn)圍巖體在受各種地質作用力下所表現(xiàn)的形態(tài)。把圍巖的結構特征和完整狀態(tài)相結合就組成了評價圍巖穩(wěn)定性的最直接最重要的指標。

任務2.3掌握隧道圍巖分級它與地質構造變動的特征（分為輕微、較重、嚴重、很嚴重）、結構面的密集程度、節(jié)理（裂隙）發(fā)育程度（可分為不發(fā)育、較發(fā)育、發(fā)育、很發(fā)育）、風化程度（全風化、強風化、弱風化、微風化、）巖層厚度[分為厚層（大于0.5m）、中層（0.1～0.5m）和薄層（小于0.1m）]的關系如下：任務2.3掌握隧道圍巖分級Ⅵ

Ⅰ差圍巖的結構特征和完整狀態(tài)好大地質變動的劇烈程度、規(guī)模大小、次數(shù)少小大結構面的密集程度小大節(jié)理（裂隙）的發(fā)育程度小大風化程度小小巖層的厚度大表2.3.1巖體程度的劃分任務2.3掌握隧道圍巖分級（2）圍巖巖石強度

在結構特征和完整狀態(tài)相同的情況下，圍巖的穩(wěn)定性主要取決于圍巖巖石的強度。一般來說，無裂隙或少裂隙的圍巖具有整體結構，其強度可用巖石試件的抗壓強度或抗剪強度來表示，對于多裂隙的圍巖體，其強度可用工程類比法判斷。當風化作用使巖石的成分改變、降低強度時，應按風化后的強度確定巖石的級別。巖石堅硬程度的劃分表2.3.2任務2.3掌握隧道圍巖分級（3）地下水水是使隧道喪失穩(wěn)定的重要原因，地下水對圍巖穩(wěn)定性的影響有：

①地下水能軟化圍巖，降低圍巖體強度；

②地下水能軟化圍巖體中的結構面，降低圍巖體的的抗剪強度，使圍巖體容易滑動；

③地下水往往形成承壓水體，促使圍巖失去穩(wěn)定?？傊?，地下水對于圍巖的穩(wěn)定性是不利的。任務2.3掌握隧道圍巖分級當遇有地下水時，按下列原則調整圍巖的級別：①Ⅰ級及Ⅱ級的硬質巖石，可不考慮降級。②Ⅲ級圍巖或Ⅱ級的軟質巖石，應根據地下水的類型、水量大小和危害程度，調整圍巖級別。當?shù)叵滤绊憞鷰r穩(wěn)定，產生局部坍塌或軟化軟弱面時，可酌情降1級。任務2.3掌握隧道圍巖分級③Ⅳ級、Ⅴ級圍巖已成碎石狀松散結構，裂隙中有黏土充填物時，可根據地下水的類型、水量大小、滲流條件、動水和靜水壓力等情況，判斷對圍巖的危害程度，酌情降1－2級。④對于Ⅵ級圍巖，在分級時已經考慮了一般含水地質情況的影響，但在特殊含水地層（如處于飽水或具有較大的承壓水流時）還需另作處理。鐵路隧道圍巖分級表2.3.3任務2.3掌握隧道圍巖分級復習思考題：

1、隧道圍巖、圍巖自穩(wěn)時間的含義是什么？

2、我國鐵路隧道圍巖分級主要考慮了哪些因素？是如何分級的？任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用工作任務：（1）能夠對圍巖壓力進行分類；（2）能夠根據圍巖壓力的類型在施工中采取有利于圍巖穩(wěn)定的措施。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用1.圍巖壓力圍巖壓力的定義：引起地下開挖空間周圍的巖體和支護結構變形或破壞的作用力。狹義理解：圍巖壓力是指隧道開挖后，因圍巖變形或松弛等原因，作用于支護或襯砌結構上的壓力。

任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用2.圍巖壓力的分類按作用力發(fā)生的形態(tài)一般可分為：（1）松散壓力由于隧道開挖、支護的下沉以及襯砌背后的空隙等原因，使隧道上方的圍巖松動，以一定高度的圍巖重量作用于支護或襯砌結構上的壓力稱為松散壓力。松散壓力按作用在支護上力的位置不同分為：豎向壓力、側向壓力和底壓力。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用南京地鐵支撐任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用南京地鐵臨時支撐任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用（2）形變壓力形變壓力是由于隧道開挖后，圍巖周邊發(fā)生變形，作用于支護結構上的壓力。所以形變壓力除與圍巖應力狀態(tài)有關外，還與支護時間和支護剛度有關。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用五道嶺隧道內襯砌任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用（3）膨脹壓力當巖體具有吸水膨脹崩解的特征時，由于圍巖吸水而膨脹崩解所引起的壓力稱為膨脹壓力。它與形變壓力的基本區(qū)別在于它是由吸水膨脹引起的。（4）沖擊壓力（通常是由“巖爆”引起的）。沖擊壓力是在圍巖中積累了大量的彈性變形能之后，由于隧道的開挖，圍巖的約束被解除，能量突然釋放所產生的壓力。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用3.坑道開挖前后圍巖應力狀態(tài)（1）坑道開挖前圍巖應力狀態(tài)（初始應力狀態(tài)）坑道開挖前，地層是處于相對靜止的狀態(tài)。因為地層中任何一處的土石都受到上、下、左、右、前、后土石的擠壓，保持著相對的平衡，稱為原始應力狀態(tài)。它是由上覆地層自重、地殼運動的殘余應力以及地下水活動等因素所決定的。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用為了研究方便，僅考慮由上覆地層自重所形成的原始應力，并取深度H上的一個單元體來作應力分析，如圖2.4.1所示。該單元體受到三對大小相等、方向相反的壓力作用，因此該單元體處于力的平衡狀態(tài)和變形運動的相對靜止狀態(tài)。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用在上覆地層自重作用下，豎直壓力為：

式中：—地層的容重；

H—從地面到單元體所處的深度。由于單元體的側向變形受到周圍地形的限制，便產生了側向壓力，其中由上覆地層自重和地層的物理力學性質所決定：

式中：

—側壓力系數(shù)。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用根據巖體為半無限體，側向應變()為零的條件，并把地層看成各向同性的彈性體，可推導：式中：—泊松比，視地層性質不同值在0.14~0.5之間變化。任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用（2）坑道開挖后圍巖應力狀態(tài)（二次應力狀態(tài)）圍巖應力重分布：坑道開挖之后，由于其周邊巖體的卸荷作用破壞了原有的平衡狀態(tài)，使圍巖的應力狀態(tài)發(fā)生了變化，同時產生了位移，促使應力重新調整以達到新的平衡?？拥篱_挖前圍巖應力狀態(tài)坑道開挖后圍巖應力狀態(tài)任務2.4了解圍巖壓力及成拱作用4.圍巖的成拱作用在假定圍巖壓力與地層深度無關的前提下，認為開挖隧道后，隧道上方圍巖形成能維持巖土穩(wěn)定的自承拱，如圖2.4.2所示。人們常稱之為“天然拱”或“平衡拱”。它上方的一部分巖體承受著上覆地層的全部重力，如同一個承載環(huán)一樣，并將荷載重力向兩側傳遞下去，這就是所謂圍巖的成拱作