隧道工程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2『2.2▎施工地质超前预告『2.3▎岩体的根本工程性质隧道工程SUIDAOGONGCHENG『2.4▎围岩分级『2.1▎隧道工程地质调查与勘测『2.2▎施工地质超前预告施工地质超前预告:就是利用一定的技术和手段搜集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的地质实际和灾祸发生规律对这些资料进展分析、研讨，从而对施工掌子面前方岩体情况及成灾能够性做出预告。勘测设计阶段投入所限,勘察精度不够,导致设计与实践不符时有发生,由此呵斥的地质灾祸给隧道施工和运营带来极大的危害；勘测设计阶段的地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把握，不能够做出微观的把握；复杂长隧道的地量变化对施工方法及工期有决议性影响；施工地质超前预告的必要性『2.2▎施工地质超前预告作用〔施工开挖〕引起地质的变化只需在施工期才干显现出来；施工期需求对地质定量的评价而非定性；积累阅历提高隧道施工地质超前预告准确率和程度及建立隧道工程完好地质资料的需求。实例：日本东海道干线旧丹拿隧道〔长7.84km〕1981年开工后曾遇到高压涌突水，致使该隧道建立工期达16年之久；日本的万之濑川引水隧道〔8.2km〕，在施工中出现严重涌突水，致使5次改动施工方案，延误工期近2年；而国内的一些煤矿瓦斯爆炸、隧道塌方事故也多见报道，例如宜万铁路的马鹿箐隧道、野三关隧道岩溶突水事故等。『2.2▎施工地质超前预告断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；脆弱夹层〔含煤层〕的位置、规模及其性质；岩溶发育位置、规模及其性质；不同岩类间接触界面位置；采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；工程地质灾祸能够发生的位置和规模；隧道围岩级别变化及其分界位置；不同风化程度的分界位置；不良地质体〔带〕的成灾能够性；隧道涌水位置、水压及水量；隧道围岩级别变化及其分布。

施工地质超前预告的内容『2.2▎施工地质超前预告地质超前预告的方法目前国内外超前地质预告手段分为：常规地质法、超前导坑预告法、超前钻探预告法、物探方法四种。常规地质法：包括地质素描法、地层分界限及构造线地下和地表相关性分析法、地质作图法、数码成像、技术位移向量分析法等。最根本方法。主要根据掌子面地质条件，如岩体构造面产状及其发育情况、岩体破碎程度、岩石的蜕变程度等的变化趋势，结合地表地质调查结果，预告隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏方式等。它是其它隧道施工期地质超前预告方法的根底。『2.2▎施工地质超前预告超前导坑预告法：包括平行导坑法、正洞导坑法。利用已有隧道地质资料进展与已有隧道平行的施工隧道的地质预告，根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况推测隧道将遇到怎样的地质情况那么是隧道施工期地质预告的一种重要方法，特别是当两平行隧道间距较小时预告效果更佳。超前钻探预告法：包括深孔程度钻探、5～8m加深炮孔探测及孔内摄影。超前程度钻孔法是最直接的方法。经过钻孔钻进速度测试和钻孔岩芯的察看及相关实验获取掌子面前方岩石〔体〕的强度目的、可钻性目的、地层岩性资料、岩体完好程度目的及地下水情况等直接资料。国内主要在水工隧道〔洞〕工程中，国外已较为普遍。不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。『2.2▎施工地质超前预告『2.2▎施工地质超前预告超前程度钻探场景『2.2▎施工地质超前预告物探方法：包括地震波反射法、声波反射法、地质雷达、红外探测、跨孔CT、高分辨率电法、声监测法、电测法、核磁共震法、陆地声纳法、TRT真地震反射成像技术、程度声波剖面法(HSP)、TST超前预告技术、地震负视速度法、TGP12超前预告技术等。TSP超前地质预告技术预告原理：TSP(TunnelSeismicPrediction)超前预告系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预告隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况。该法属多波多分量探测技术，可以检测出掌子面前方岩性的变化，如不规那么体、不延续面、断层和破碎带等。『2.2▎施工地质超前预告数据采集时经过依次激发隧洞一边侧墙等间隔炮孔，产生以波方式向周围方向的能量传送，从掌子面前方任一波阻抗差别界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接纳，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin软件处置可得P波和S波波场分布规律，最终显示掌子面前方与隧道轴线相交的反射同相轴及其地质解译的二维或三维成果图。由相应密度值，可算出预告区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。解译技术很关键！『2.2▎施工地质超前预告初次引进的TSP202预告设备TSP203+超前地质预告仪操作资料处置(dispose)『2.2▎施工地质超前预告TGP12隧道地质预告系统TGP12〔SWS〕仪器和处置系统是TSP系统的一种，由中铁西南院研制，比较TSP202/203，TGP12在以下方面作出了改良：1)处置系统中文界面，操作方便，程序的对比功能设置有利于分析对比；2)处置系统有自动、手动处置两种方式，顺应研讨复杂隧道地质条件的需求；3)仪器的三分量接纳器在孔中采用黄油耦合，简单速度快，既经济、又少影响隧道施工的时间。突出特点是加强高分辨才干。『2.2▎施工地质超前预告国产TGP隧道地质超前预告系统『2.2▎施工地质超前预告程度声波反射法它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预告方法。其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，经过探测反射信号(接纳频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解任务面前方的岩体特征。震源和检波器的布置除分开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录明晰、信噪比高、反射波同相轴明显。『2.2▎施工地质超前预告地质雷达法地质雷达属于电磁波物探技术。电磁波经过天线向地下发射，遇到不同阻抗介面时，将产生反射波和透射波。接纳机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接纳的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的方式显示出来，供解译人员分析。地质雷达被以为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预告间隔短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、含水带和破碎带的探测预告。『2.2▎施工地质超前预告技术人员隧道内进展地质雷达探测美国GSSI公司产的SIR—20型地质雷达『2.2▎施工地质超前预告红外探水法地下水活动引起岩土红外辐射强度变化，探测掌子面或洞壁周围这种变化，推测能否有水。对围岩岩体能否含水有效，但不能确定含水量大小。地域地质分析与宏观地质超前预告。不良地质及灾祸地质超前预告。艰苦施工地质灾祸临警预告。地质超前预告方法的运用原那么『2.3▎岩体的根本工程性质岩体〔rockmass〕:岩体是指在地质历史过程中构成的，由岩石单元体〔或称岩块〕和构造面网络组成的，具有一定的构造并赋存于一定的天然应力形状和地下水等地质环境中的与工程活动有关的地质体。岩体的范围：取决于工程的外形、位置、工程类型、工程规模等。岩体与岩石的区别：岩石和岩体过去统称岩石。岩体是地壳的一部分，有构造体及构造面组成，即由各种岩石块体组合而成的岩石构造物。岩石指天然的石料，其性质取决于矿物成分、构造和构造。岩石可以看成是均质、各向同性的资料。岩体的初始应力场(地应力)：岩体在天然形状下具有的内在应力。岩体处于一定天然应力作用下初始应力的来源：自重应力构造应力堆积作用固结作用脱水作用结晶作用温度应力地震力水压力蜕变作用引起的应力最主要岩体处于一定天然应力作用下目前对岩体中初始应力的大小、分布规律等特征的研讨还很不够。深化研讨岩体天然应力势在必行。各处岩体中初始应力大小、分布及变化情况有很大差别。岩体中初始应力形状与地下工程的受力形状及稳定性有亲密关系。岩体处于一定天然应力作用下根据国内外的实测资料分析、总结发现，初始应力随深度增大而增大。〔最大测深已超越3000m，大部分测点在1000m之内。我国测点最深的500多米，普通在200m深度以内〕σv=0.027H〔MPa〕〔地下几十m至2700m左右的范围内，垂直应力大体上等于按岩石平均容重为2.7g/㎝3计算。〕未经过剧烈构造运动，岩层产状比较平缓时：σv=γH构造运动剧烈、岩层产状复杂的地域：多数情况为σv＞γH初始应力的普通特征程度应力多为压应力，拉应力甚少。σH与σv的关系：①H＜500m：σH＞σv。②H＞1000m：σH＝σv。程度应力有剧烈的方向性。初始应力的普通特征自重应力引起的侧限程度应力构造应力的程度分量迭加成程度应力重力应力场：岩体由于自重构成的应力场。它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。岩体处于一定天然应力作用下σv＝HσH＝μ/〔1-μ〕·Hλ=μ/〔1-μ〕为侧压力系数构造应力目前还只能经过现场实测数值进展分析。较复杂，对岩体稳定影响较大。最大主应力方向为垂直于构造线方向；程度分量普通大于垂直分量。构造应力普通为压应力。程度应力具有明显的各向异性,且具有很强的方向性。构造应力场：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。岩体物理力学性质的不均匀性一样的天然岩体，其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而差别，显现出岩体的不均匀性。〔1〕构造面构造面是指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性以及一定厚度的各种地质界面。如断层、节理、层理及不整合面等。构造面的成因类型原生构造面堆积构造面：层面、层理、堆积延续和脆弱夹层火成构造面：原生节理、流纹面、与围岩接触面蜕变构造面：片麻理、片理及板理构造构造面：劈理、节理、断层面、层间错动面等破裂构造面；断层破碎带、层间错动带等构造脆弱带。次生构造面：风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹层泥等构造面更为常用第四节围岩分级根据坑道开挖实际，坑道开挖后的稳定性可分为以下几类：1)充分稳定的坑道在长时间内有足够的自稳才干，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。2)根本稳定的坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生部分掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的。3)暂时稳定的大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌景象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定形状。4)不稳定的(一)以岩石强度或岩石的物性目的为代表的分级方法在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.JipoctonbnMonos)教授提出的“岩石巩固系数〞分级法(或称“〞值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在我国的隧道工程中得到了广泛的运用。我国工程部门在将分级法运用到隧道工程的设计、施工时，已留意到必需思索岩体的地质构造、风化程度、地下水情况等多种要素的影响，而将由单一岩石强度决议的值适当降低，即：式中值是由岩石强度决议的，是思索地质条件的折减系数，普通情况下，＜1.0。二、围岩的分级方法(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法60年代，我国在积累大量铁路隧道建筑阅历的根底上，提出了以岩体综合物性目的为根底的“岩体综合分级法〞，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)〞所采用。该分级法将隧道围岩分为6级。这类方法的优点是正确地思索了地质构造特征、风化情况、地下水情况等多种要素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早思索了埋深对围岩级别的影响。其缺陷是分类目的还缺乏定量描画，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才干确定。三、与地质勘探手段相联络的分级方法围岩弹性波速度是判别岩性、岩体构造的综合目的，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体构造的破碎程度。因此，在弹性波速度根底上，综合思索与隧道开挖及土压有关的要素(岩性、风化程度、破碎形状、含水及涌水形状等)，将围岩分为7级。我国1986年施行的“铁路隧道设计规范〞中将弹性波(纵波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表4-4)。围岩类别ⅥⅤⅣⅢⅡⅠ弹性波速(km/s)＞4.53.5～4.52.5～4.01.5～3.01.0～2.01.0＜饱和土＜1.5表4-4弹性波(纵波)速度分级(四)以多种要素进展组合的分级方法这种分级法以为，评价一种岩体的好坏，既要思索地质构造、岩性、岩石强度，还要思索施工要素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需求建立在多种要素的分析根底之上。在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量—Q〞分级法。Q与六个阐明岩体质量的地质参数有关，表达如下：根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表4-5。岩体质量特别好极好良好好中等不良坏极坏特别坏Q400～1000100～40040～10010～404～101～40.1～10.01～0.10.001～0.01表4-5岩体质量评价(五)以工程对象为代表的分级法这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委公布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库建筑地下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，运用方便，对指点施工很起作用。三、我国现行铁路隧道围岩分级方法我国现行的<铁路隧道设计规范>明确规定，目前铁路隧道围岩分级采用以围岩稳定性为根底的分级方法。㈠围岩分级的根本要素及围岩根本分级1、围岩分级的根本要素围岩根本分级应由岩石巩固程度和岩体完好程度两个根本要素确定。岩石巩固程度和岩体完好程度应采用定性划分和定量目的两种方法确定。岩石类别单轴饱和抗压极限强度(MPa)代表性岩石硬质岩极硬岩＞60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；硅岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等堆积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩、片岩等蜕变岩硬岩30～60软质岩较软岩15～30凝灰岩等喷出岩；砂砾岩、泥质砂岩、泥质页岩、炭质页岩、泥灰岩、泥岩、煤等堆积岩；云母片石或千枚岩等蜕变岩软岩5～15极软岩＜5岩石巩固程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩等5类〔表2-4-1〕表2-4-1岩石巩固程度的划分岩体完好程度划分为完好、较完好、较破碎、破碎和极破碎等5类(表2-4-2)。完好程度结构面特征构造类型岩体完好性指数完整构造面1～2组，以构外型节理或层面为主，密闭型巨块状整体构造＞0.75较完好构造面2～3组，以构外型节理、层面为主，裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状构造0.75≥＞0.55较破碎构造面普通为3组，以节理及风化裂隙为主，在断层附近受构造影响较大，裂隙以微张型和张开型为主，多有充填物层状构造、块石碎石构造0.55≥＞0.35破碎构造面大于3组，多以风化型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙以张开型为主，多有充填物碎石角砾状构造0.35≥＞0.15极破碎构造面杂乱无序，在断层附近受断层作用影响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大散体状构造≤0.15表2-4-22、围岩根本分级围岩级别岩体特征土体特征围岩弹性纵波速度(km/s)Ⅰ极硬岩，岩体完好-＞4.5Ⅱ极硬岩，岩体较完好；硬岩，岩体完好-3.5～4.5Ⅲ极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完好；较软岩，岩体完好-2.5～4.0Ⅳ极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完好或较破碎；软岩，岩体完好或较完好具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，普通钙质、铁质胶结的碎(卵)石土、大块石土，黄土(Q1、Q2)1.5～3.0Ⅴ软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩(包括受构造影响严重的破碎带)普通第四系巩固、硬塑粘性土，稍密及以上、稍湿、潮湿的碎(卵)石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土(Q3、Q4)1.0～2.0Ⅵ受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等＜1.0(饱和形状的土＜1.5)根据岩石巩固程度和岩体完好程度将围岩分为6级(见下表)。㈡围岩分级的影响要素及分级的修正1、地下水在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围岩中，遇水后那么适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：①围岩的岩性及构造面的形状；②地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润情况和危害程度而定。本围岩分级中关于地下水影响的修正参照表2-4-4和表2-4-5。级别形状渗水量[L/(min·10m)]Ⅰ枯燥或潮湿＜10Ⅱ偶有渗水10～25Ⅲ经常渗水25～125表2-4-4地下水形状的分级围岩级别地下水形状级别ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ-ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ-ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ-表2-4-5地下水影响的修正2、初始应力场围岩的初始应力形状对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中思索了初始应力形状的影响，将初始应力场采取修正系数的方法，对围岩级别予以降级(表2-4-6和表2-4-7)。初始地应力形状主要现象评价基准()极高应力硬质岩：开挖过程中时有岩迸发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂痕多，成洞性差＜4软质岩：岩心常有饼化景象，开挖过程中洞壁岩体有剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，继续时间长，不易成洞高应力硬质岩：开挖过程中能够出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块景象，新生裂痕较多，成洞性较差4～7软质岩：岩心时有饼化景象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，继续时间长，成洞性差围岩级别初始地应力形状ⅠⅡⅢⅣⅤ极高应力ⅠⅡⅢ或ⅣⅤⅥ高应力ⅠⅡⅢⅣ或ⅤⅥ表2-4-6初始地应力形状评价表2-4-7初始地应力影响的修正两点阐明：设计阶段：采用修正后的围岩分级。施工阶段：根据实践情况，进一步断定围岩分级，根据依然是：岩石巩固程度围岩完好形状地下水初始地应力〔二〕公路隧道围岩分级〔1〕初步分级～相当于铁路的根本分级根据：围岩主要定性特征，该特征由两个根本要素组成：岩石巩固程度Rc〔岩石单轴饱和抗压强度〕岩体完好性Kv〔岩体完好性系数〕BQ=90+3Rc+250Kv当Rc>90Kv+30时：以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；当Kv>0.04Rc+0.4时：以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。围岩根本质量目的：当无Rc值时，可采用点荷载强度来换算：点荷载强度目的实验是布鲁克和弗兰克林1972年发明的，是一种最简单的岩石强度实验。点荷载强度实验的设备比较简单，小型点荷载实验安装由一个手动液压泵、一个液压干斤顶和一对圆锥形加压头组成。小型点荷载实验安装是便携式的，可带到现场实验，这是点荷载实验可以广泛采用的重要缘由。大型点荷载实验安装的原理和小型点荷载实验安装的原理是一样的，只是能提供更大的压力，适宜于大尺寸的试件。点荷载实验的另一个重要优点是对试件的要求不严厉，不需求像做抗压强度实验那样精心预备试件，最好的试件就是直径为25~100mm的岩芯，没有岩芯时，不规那么岩块也可以。点荷载强度目的：ISRM〔国际岩石力学学会〕将直径为50mm的圆柱体试件径向加裁点荷载实验的强度目的值IS(50)确定为规范实验值，其他尺寸试件的实验结果需据进展修正。岩石单轴饱和抗压强度：〔2〕详细分级～相当于铁路的修正分级修正BQ值：当有以下3方面影响时，应予修正：

[BQ]=BQ–100〔K1+K2+K3〕K1——地下水影响修正系数；K2——主要脆弱构造面产状影响修正系数；K3——初始应力形状影响修正系数。地下水影响修正系数K11.00.7~0.90.4~0.60.2淋雨状或涌流状出水，水压>0.1MPa或单位出水量>10L/(min•m)0.7~0.90.4~0.60.2~0.30.1淋雨状或涌流状出水，水压<0.1MPa或单位出水量<10L/(min•m)0.4~0.60.2~0.30.10潮湿或点滴状出水≤250350~251450~351>450BQ地下水出水形状K1地下水影响的修正K2脆弱构造面产状影响的修正脆弱构造面是力学强度明显低于围岩，普通充填有一定厚度脆弱物质的构造面。如泥化、软化、破碎薄夹层等。由于构造面产状不同，与洞轴线的组合关系不同，对隧道工程围岩稳定的影响程度亦不一样。0.2~0.40~0.20.4~0.6K2其它组合构造面走向与洞轴线夹角>60°，构造面倾角>75°构造面走向与洞轴线夹角<30°，构造面倾角30°~75°构造面产状及其与洞轴线的组合关系主要脆弱构造面产状影响修正系数K2成层岩体、层面性状较大，为陡倾角，且走向与洞轴线夹角很大时：对岩体稳定性影响较小；容易发生沿层面的过大变形，甚