隧道工程地质.pptx

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1、一、工程地质概论 1、地质学与工程地质学 地质学是一门研究地球的科学，工程地质学是地质学的重要分支学科，是把地质学原理应用于工程实际的一门学问。减灾、防灾是工程地质学的主要任务。第1页/共100页一、工程地质概论2、工程地质条件与工程地质问题 人类的工程活动都是在一定的地质环境中进行的，人类的工程地质活动与地质环境两者之间有密切的关系，并且是相互影响，相互制约的。工程活动的地质环境，亦称为工程地质条件，一般认为它应包括：土和岩石的工程性质、地质构造、地形地貌、水文地质、地质作用、自然地质现象和天然建筑材料等。第2页/共100页二、地壳与岩石 地壳是地球的表层，是地质学、工程地质学的主要研究对象

2、。地壳和地球内部的化学元素，绝大多数是以化合物的形态存在，称为矿物。由一种或多种矿物以一定的规律组成的自然集合体，称为岩石。岩石是各种地质作用的产物，是构成地壳的物质基础。第3页/共100页二、地壳与岩石1、地质作用及岩石分类1.1 地质作用 由自然动力引起的地球的物质组成、内部结构和地表形态发生变化的自然作用，统称为地质作用。地质作用按其动力能的来源和发生作用的部位不同，可以分为内力地质作用和外力地质作用。第4页/共100页1.1 地质作用（1）内力地质作用 内力地质作用是由地球转动能、重力能和放射性元素蜕变的热能等所引起的地质作用，主要包括地壳运动、岩浆作用、变质作用和地震等。第5页/共1

3、00页（1）内力地质作用.地壳运动 由地球自转速度的改变等原因，使得组成地壳的物质不断运动，并改变它的相对位置和内部构造，称为地壳运动。按地壳运动的方向，可分为升降运动和水平运动。地壳运动引起海陆变迁，产生各种地质构造，因此，地壳运动又称为构造运动。第6页/共100页（1）内力地质作用.岩浆作用 岩浆是地球深处高温、高压的粘稠硅酸盐熔融体。在地壳运动的影响下，由于外部压力的变化，岩浆向压力减小的方向移动，上升到地壳上部或喷出地表冷却凝固成为岩石，这个过程称为岩浆作用。由岩浆作用形成的岩石，叫岩浆岩。第7页/共100页（1）内力地质作用.变质作用 由于地壳运动、岩浆作用等，既有岩石受到高温、高压

4、及化学成分加入的影响，发生一系列变化，形成新的岩石，这一过程称变质作用，由变质作用形成的岩石叫变质岩。地震 地震是地壳快速振动的现象，是地壳运动的一种强烈表现。第8页/共100页（2）外力地质作用.风化作用 常温常压下，在温度变化、气体、水和生物等因素影响下，地壳表层的岩石在原地发生破碎、分解的物理和化学变化过程，叫风化作用。风蚀作用风蚀作用根根劈劈作作用用第9页/共100页（2）外力地质作用.剥蚀作用 将风化产物从岩石上剥离下来，同时也对未风化的岩石进行破坏，这种作用称为剥蚀作用。剥蚀作用可分为风的吹蚀作用、流水的侵蚀作用、地下水的潜蚀作用、冰川的刨蚀作用、海及湖水的冲蚀作用。河流的下蚀作用

5、河流的下蚀作用第10页/共100页（2）外力地质作用.搬运作用 风化、剥蚀产物在外力作用下离开母岩区，经过长距离搬运，到达沉积区的过程，叫搬运作用。.沉积作用 被搬运的物质，经过一定距离后，由于搬运介质的动能减弱、搬运介质的物理化学条件发生变化，或在生物的作用下，被搬运的物质从搬运介质中分离出来，形成沉积物的过程，叫沉积作用。第11页/共100页（2）外力地质作用.成岩作用使松散沉积物转变为沉积岩的过程，称为成岩作用。由沉积、成岩作用形成的岩石称为沉积岩。第12页/共100页2 岩石分类 根据岩石的成因，自然界的岩石可分为三大类：岩浆岩、变质岩及沉积岩。2.1 岩浆岩 岩浆作用形成的岩石，叫岩

6、浆岩，岩浆岩又称火成岩。第13页/共100页2.1 岩浆岩2.1.1 岩浆岩的产出形态 岩浆岩作用分为喷出作用、侵入作用，分别形成喷出岩、侵入岩（深成岩和浅成岩）。喷出岩形态有熔岩被、熔岩原、熔岩流；侵入岩形态有岩基、岩株，岩床、岩盆、岩墙、岩脉第14页/共100页2.1岩浆岩2.1.2 岩浆岩的矿物成分浅色矿物：石英、正长石、斜长石、白云母等；暗色矿物：橄榄石、辉石、角闪石、黑云母。2.1.3 岩浆岩的分类及代表性岩石岩浆岩根据产状可分为侵入岩（浅成岩、深成岩）、喷出岩；根据化学成分（酸性氧化物SiO2含量）可分为酸性岩、中性岩、基性岩、超基性岩。第15页/共100页2.1岩浆岩岩浆岩代表性

7、岩石喷出岩喷出岩酸性岩酸性岩中性岩中性岩基性岩基性岩超基性岩超基性岩流纹岩流纹岩粗面岩粗面岩安山岩安山岩玄武岩玄武岩少见少见浅成岩浅成岩花岗斑岩花岗斑岩正长斑岩正长斑岩闪长玢岩闪长玢岩辉绿岩辉绿岩少见少见深成岩深成岩花岗岩花岗岩正长岩正长岩闪长岩闪长岩辉长岩辉长岩橄榄岩橄榄岩辉岩辉岩主要矿物成主要矿物成分分(10%以上以上)石英石英正长石正长石斜长石斜长石正长石正长石角闪石角闪石斜长石斜长石辉石辉石斜长石斜长石橄榄石橄榄石辉石辉石第16页/共100页2.1岩浆岩花岗岩，常肉红色、灰白色花岗岩，常肉红色、灰白色闪长岩，灰或灰绿色闪长岩，灰或灰绿色第17页/共100页2.1岩浆岩 正长岩，肉红色或

8、灰白色正长岩，肉红色或灰白色 灰长岩，灰至灰黑色灰长岩，灰至灰黑色第18页/共100页2.1岩浆岩 流纹岩，灰色、灰红色、肉红色流纹岩，灰色、灰红色、肉红色 安山岩，深灰、浅玫瑰、褐色等安山岩，深灰、浅玫瑰、褐色等第19页/共100页2.1岩浆岩玄武岩，黑、灰黑、黑绿、灰绿色等、灰黑、黑绿、灰绿色等橄榄岩，暗绿、灰黑色第20页/共100页2.1岩浆岩2.1.4岩浆岩的工程特性 绝大多数岩浆岩是由结晶矿物所组成，由于组成它的各种矿物化学成分和物理性质较为稳定，它们之间的联结是牢固的，因此岩浆岩通常具有较高的力学强度，可作为各种建筑物良好的地基及天然建筑石料。但各类岩石的工程性质差异很大，如深成岩

9、具晶粒粗大、均匀，孔隙率小、裂隙较不发育，岩块大、整体稳定性好的特点。但这类岩石往往具抗风化能力较差，特别是含铁镁质较多的基性岩，则更易风化破碎。浅成岩中细晶质和隐晶质结构的岩石透水性小、抗风化性能力较强，但斑状结构岩石的透水性和力学强度变化较大。第21页/共100页2.1岩浆岩花岗岩特性：硬度大、裂隙较不发育、整体性好；抗风化能力弱，风化不均匀，具球状风化特点；全、强风化花岗岩透水性好，具有类似于砾砂土的特性，隧道处于地下水位以下时，涌水量大，土体稳定性差。第22页/共100页2.1岩浆岩花岗岩的球状风化第23页/共100页2.1岩浆岩脉岩：脉岩类是一种浅成侵入岩，因其呈岩脉、岩墙产出并常具

10、有特殊的矿物成分和结构因而将它们单独归为一类。脉岩具有岩体小，呈带状、脉状产出的特点。脉岩的产出不规则，出露无规律，具有不规则穿插于其他岩浆岩体的特点。脉岩同其他岩浆岩一样具有力学强度高、易风化特点，但脉岩一般节理裂隙发育、破碎、完整性差；脉岩出露部位往往也是易出水部位。第24页/共100页2.2 沉积岩 沉积岩是母岩（岩浆岩、变质岩和早已形成的沉积岩）在常温、常压条件下，由风化作用、生物作用和某些火山作用产生的物质经搬运、沉积和成岩等一系列地质作用形成的，在地球表面分布面积占75%，大洋底部几乎全部为沉积岩或沉积物所覆盖。第25页/共100页2.2 沉积岩2.2.1沉积岩的物质组成 沉积岩的

11、主要物质成分为颗粒和胶结物。颗粒包括各种不同形状及大小的岩屑、粘土矿物、化学沉积矿物；胶结物是把松散沉积物颗粒联结起来的物质，常见的成分有钙质、硅质、铁质以及泥质等。胶结物对沉积岩的颜色、坚硬程度有很大影响。第26页/共100页2.2 沉积岩2.2.2 沉积岩的产状 沉积岩具有层理构造，在地表呈层状广泛分布，岩体中常含化石，这是沉积岩区别于其它类型岩石的重要标志之一。（1）水平岩层和倾斜岩层 沉积岩的原始状态近于水平，由于地壳运动的影响，改变了原始状态，部分岩层形成了倾斜岩层，我们习惯上把倾角小于5的岩层称为水平岩层；把倾斜岩层中向一个方向倾斜，倾角又近于相等称为单斜岩层。第27页/共100页

12、2.2 沉积岩水平岩层 倾斜岩层第28页/共100页2.2 沉积岩（2）岩层产状岩层产状是指岩层在地壳中的空间方位和产出状态。倾斜岩层的产状是用岩层的走向(AB)、倾向(OD/)和倾角()三个要素来表示的。第29页/共100页2.2 沉积岩（3）岩层产状的测定及表示方法 岩层产状的测定 岩层产状用地质罗盘仪测定。岩层产状的表示方法在地质图上，岩层的产状常用符号“30”表示。在文字记录中，岩层的产状有两种表示方法：方位角表示法，用倾向和方位角表示，如13030；象限角表示法，用走向、倾向和倾角表示，如N40E/30SE。第30页/共100页2.2 沉积岩223、沉积岩分类沉积岩分为碎屑岩类、粘土

13、岩类、化学岩类三大类：碎屑岩类：砾状结构：砾岩、角砾岩 砂状结构：粗砂岩、中砂岩、细砂岩 粉砂状结构：粉砂岩 粘土岩类：泥岩（无层理）页岩（层理）化学岩类：碳酸盐岩等第31页/共100页2.2 沉积岩224、常见的沉积岩（1）.碎屑岩类 火山碎屑岩：火山集块岩、火山角砾 岩、凝灰岩。沉积碎屑岩：砾岩、砂岩、粉砂岩。（2）.粘土岩类：页岩、泥岩。（3）.化学及生物化学岩类：石灰岩、白云 岩、硅质岩。第32页/共100页2.2 沉积岩225 沉积岩的工程特性（1）碎屑岩的工程地质特性 碎屑岩的工程性质一般较好，力学强度也比较高。不同的碎屑岩因碎屑成分、粒度及胶结物不同工程性质也存在很大差异。如石英

14、质砂岩比长石质的砂岩好，泥质砂岩最差；硅质胶结、铁质胶结的比钙质胶结的好，泥质胶结的差。第33页/共100页2.2沉积岩（2）粘土岩的工程特性 泥岩和页岩的性质相近，抗压强度和抗剪强度低，均属软岩。受力后变形量大，浸水后易软化和泥化。若含岩石中蒙脱石成分，则具有较大的膨胀性。这两种岩石对建筑物地基和建筑场地边坡的以及隧道围岩稳定的都极为不利，隧道开挖后应及时进行支护。但此类岩石透水性小，可作为隔水层和防渗层，隧道施工涌水量很小。第34页/共100页2.2 沉积岩(3)化学及生物化学岩 硅质成分化学岩的强度较高，但性脆易裂，整体性差。碳酸盐类岩石如石灰岩、白云岩等强度中等，但具不同程度的可溶性，

15、特别是灰岩，一般发育岩溶。石膏、岩盐等化学岩，往往以夹层或透镜体存在于其他沉积岩中，分布较少。此类岩石质软，浸水易溶解，常常导致地基、边坡、围岩的失稳。第35页/共100页2.2 沉积岩2.2.6 岩溶（1）岩溶的形成机理 岩溶是可溶岩中的碳酸钙与水及侵蚀性二氧化碳作用，形成溶于水的碳酸氢钙：CaCO4+H2O+CO2Ca(HCO4)2，形成溶孔、溶隙、溶洞，碳酸氢钙随水流经过长距离搬运后，发生分解作用，碳酸氢钙分解成碳酸钙、水与二氧化碳，分解出的碳酸钙沉淀形成钟乳石等，Ca(HCO4)2CaCO4+H2O+CO2。第36页/共100页2.2 沉积岩岩溶形成必须具备四个条件：岩石可溶、岩石具透

16、水性、水具有溶蚀性、流动性。岩溶的发育必须有可溶性岩石的存在，如碳酸盐类岩石中的灰岩、白云岩和泥灰岩；硫酸岩类岩石中的石膏和硬石膏；卤素岩中的岩盐等；岩石必须具有透水性：一般在断层破碎带、裂隙密集带和褶皱轴部附近，因为岩石裂隙发育且连通性好，有利于地下水的运动，岩溶往往比较发育；另外，在地表附近，由于风化裂隙增多，所以岩溶一般比深部发育。第37页/共100页2.2 沉积岩水的溶蚀性：水对碳酸盐类岩石的溶解能力，主要取决于水中侵蚀性CO2的含量。水中侵蚀性CO2的含量越多，水的溶蚀能力也越强。水的流动性：水的流动性反映了水在可溶岩层中的循环交替程度。只有水循环交替条件好，水的流动速度快，才能将溶

17、解物质带走，同时又促使含有大量CO2的水，源源不断地得到补充，则岩溶发育速度就快反之，岩溶发育就慢，甚至处于停滞状态。第38页/共100页2.2 沉积岩（2）影响岩溶发育的因素（或岩溶发育的基本规律）第39页/共100页2.2 沉积岩第40页/共100页2.2 沉积岩岩溶形态石芽石林第41页/共100页2.2 沉积岩溶洞暗河出口第42页/共100页2.3 变质岩 变质岩是地壳内部原有岩石（岩浆岩、沉积岩和变质岩），由于受到高温、高压以及化学成分加入的影响，发生剧烈变化后而形成的新岩石。变质岩不仅具有自身独特的性质，还常保留着原来岩石的某些特点。第43页/共100页2.3 变质岩2.3.1 变质

18、岩的分类变质岩按成因分为区域变质岩、接触变质岩和动力变质岩。区域变质岩指在大范围内，由于温度、压力和化学活动性流体等因素的综合作用下而产生的变质岩，如板岩、片岩、千枚岩、片麻岩等；第44页/共100页2.3 变质岩局部性的、发生在侵入岩体与围岩的接触带上的变质作用形成的岩石称为接触变质岩，如大理岩、石英岩。第45页/共100页2.3 变质岩岩石受地壳构造错动产生的定向压力（动压力）的作用而产生破碎、变形、重结晶的变质作用，该变质作用形成的岩石为动力变质岩，如断层角砾岩、糜棱岩。第46页/共100页2.3 变质岩2.3.2 变质岩的构造变质岩的构造：指组成岩石中的各种矿物在空间分布和排列的方式。

19、可为分定向构造和无定向构造两大类。定向构造：岩石中的长条状、片状（或板状）矿物平行某一平面或某一方向排列，这种构造面对岩石的物理力学性质起控制作用，具有这种构造的岩石，不同方向上的物理力学性质差异很大。第47页/共100页2.3 变质岩定向排列构造包括板状构造、片麻状构造、片状构造、千枚状构造。板状构造：岩石可沿一定方向开裂成为平整的板状体，如板岩；第48页/共100页2.3 变质岩片麻状构造：深色矿物和浅色矿物相间平行排列成条带状，如片麻岩；片状构造：矿物呈片状或柱状且平行排列，如片岩；第49页/共100页2.3 变质岩千枚状：比较碎破的薄片状，有丝绢光泽，如千枚岩 第50页/共100页2.

20、3 变质岩2.3.3 常见变质岩及工程性质特征 变质岩的工程性质与原岩密切相关，往往与原岩的性质相似或相近。一般情况下，由于原岩矿物成分在高温高压下重结晶的结果，岩石的力学强度较变质前相对增高。如板岩是由页岩变质而成，其力学强度比页岩要增强很多。但是，如果在变质过程中形成某些变质矿物，如滑石、绿泥石、绢云母等，则其力学强度(特别是抗剪强度)会相对降低，抗风化能力变差，如片岩、千枚岩等，富含滑石、绿泥石、绢云母等矿物，岩石力学强度较低。动力变质作用形成的变质岩，包括碎裂岩、断层角砾岩、糜棱岩等，力学强度和抗水性均甚差。第51页/共100页2.3 变质岩 石英岩、大理岩、板岩、片麻岩，岩石硬度大，

21、力学强度高，工程性质好，其中大理岩（石灰岩变质而成）微溶于水，有时见溶蚀现象；片麻岩易风化；绿泥石片岩、云母片岩、千枚岩等，质地软，工程性质差，易沿片理面滑动；构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩是断层等构造作用形成的动力变质岩，一般极度破碎，工程性质极差。第52页/共100页三、地质构造地质构造包括褶曲、断裂、节理1、褶曲及褶曲要素褶曲是层状岩石受力后所产生的弯曲变形现象。岩层向上弯曲，地层中间老，两边新为背斜；岩层向下弯曲，地层中间新，两边老为向斜。第53页/共100页1、褶皱第54页/共100页1、褶皱褶曲要素核部：褶曲中心部位的岩层。翼部：褶曲两侧部位的岩层。轴面：通过核部，大致平分两 翼的假想

22、平面。轴线：轴面与水平面的交线。枢纽：轴面与岩层面的交线。（最大弯曲点的连线）。轴面轴线翼翼翼翼核枢纽第55页/共100页1、褶皱褶曲分类：按轴面的产状分类：平卧褶皱、倒转褶皱、斜歪褶皱和直立褶皱第56页/共100页1、褶皱褶皱的工程性质 褶皱在形成的过程中，因地层受到强烈的拉伸和挤压，岩体一般较破碎；背斜顶部常发育一组张裂隙，利于地下水下渗，向斜核部的碗状构造利于地下水储存，因而褶皱部位地下水一般较发育；褶皱的形成往往伴生有断层；灰岩地区，褶皱核部岩溶往往也较发育。总之，褶皱的工程地质条件与水文地质条件都较差。另外岩层褶皱时，由于层间滑动（如同一本书挤压弯曲时，页与页间产生相对滑动），在上下

23、层转折端部位容易形成空隙，常为矿质填充提供条件，因而褶皱也是重要的储油、储气构造。第57页/共100页2 断裂构造 构成地壳的岩体受构造应力作用发生变形，当变形达到一定程度后，岩体的连续性和完整性遭到破坏，产生各种大小不一的断裂，称为断裂构造，包括节理和断层。第58页/共100页2 断裂构造2.1、节理节理（裂隙），是岩体受力断裂后两侧岩块没有明显位移的小型断裂构造。节理和岩层产状一样，用走向、倾向、倾角三要素来表示。（1）节理的分类根据节理的成因，可分为原生节理、构造节理和次生节理。原生节理：是指岩石在形成过程中所形成的节理，如沉积岩在沉积和成岩过程中形成的层理面、软弱夹层、沉积间断面和不整

24、合面等；岩浆岩中岩浆岩体与围岩的接触面、各期岩浆岩之间的接触面和原生冷凝节理等；变质岩中的片理面和片麻理面等。构造节理：是岩石受构造应力作用产生的节理，包括张节理与剪节理，张节理一般开口大，对岩体稳定性影响大，但发育稀疏；剪节理闭合，一般发育较密。次生节理：由于岩体受卸荷、风化、地下水等次生作用而产生的裂隙。次生节理分布无规律，破坏岩体的完整，使岩体多成碎块。第59页/共100页2.1、节理第60页/共100页2.1、节理节理对工程的影响岩体中的裂隙，除了使岩体的开挖较容易外，对岩体的强度和稳定性有不利的影响，特别是多种裂隙的不利组合，对隧道围岩的稳定性影响最大。第61页/共100页2.2、断

25、裂断裂是岩体破裂后，两侧岩块产生显著位移的断裂构造。断层的规模从几厘米到数千公里，对工程岩体的稳定有显著的影响。（1）断层要素：断层盘（上、下盘）、断层面、断层线1.下盘 2.上盘 3.断层面第62页/共100页2.2、断裂（2）断层的分类按断层两盘相对运动方向分类：正断层、逆断层、平移断层第63页/共100页2.2、断裂（3）断层的产状及表述 同岩层、节理表述一样，用断层面的产状表示断层。正断层正断层 逆断层逆断层第64页/共100页2.2、断裂（4）断裂的工程地质性质 由于断裂构造的存在，破坏了岩体的完整性，加速了风化作用、地下水的活动及岩溶的发育，表现为：降低了断层影响带岩体的强度和稳定

26、性；断层带往往发育断层泥、糜棱岩等软弱岩体，且大多富水，隧道通过碎破碎带时易产生塌方、突泥、涌水；灰岩地区，断层破碎带附近岩溶一般发育；活动性断裂在新的地壳运动影响下，可能发生新的位移，造成隧道支护结构（上下盘间）的错位破坏。第65页/共100页隧道围岩分级第66页/共100页一、概 述 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)。修建隧道所遇到的地质条件是千变万化的，从松散的流砂到坚硬的岩石，从完整的岩体到极破碎的断裂构造等，在不同的岩体中开挖隧道后岩体所表现出的形态是不同的。由于隧道工程所处的地质环境

27、十分复杂，人们对它的认识还远不够完善，所以至今隧道工程的设计和施工仍多采用经验类比法，经验类比法的基础是围岩分类。第67页/共100页二、铁路隧道围岩分级方法 国内围岩分级方法有多种，但分级的原则基本相同，铁路隧道的围岩分级方法如下：分级因素及其确定方法围岩分级因素：由岩石坚硬程度与岩体完整程度两个因素确定。分级因素确定方法：岩石坚硬程度与岩体完整程度采用定性划分与定量指标两种方法确定。第68页/共100页岩石坚硬程度的划分岩石类别岩石类别饱和单轴抗压强度饱和单轴抗压强度Rc(MPa)代表性岩石代表性岩石硬质硬质岩岩极硬岩极硬岩60花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆花岗岩、闪长岩、玄武岩等岩浆岩；岩

28、；硅质岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、硅质岩、钙质胶结的砾岩及砂岩、石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻石灰岩、白云岩等沉积岩；片麻岩、石英岩、大理岩、板岩等变岩、石英岩、大理岩、板岩等变质岩质岩硬岩硬岩3060软质软质岩岩较软岩较软岩1530泥岩、页岩、煤、石膏等沉积岩；泥岩、页岩、煤、石膏等沉积岩；千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩千枚岩、绿泥石片岩、云母片岩等变质岩等变质岩软岩软岩515极软岩极软岩5第69页/共100页岩体完整程度的划分完整程度完整程度结结 构构 面面 特特 征征结构类型结构类型岩体完整性指数（岩体完整性指数（Kv）完整完整结构面结构面12组组,以构造型节理或层面为主以构造型节理或层面为主

29、,密密闭型闭型巨块状整体结构巨块状整体结构Kv0.75较完整较完整结构面结构面23组组,以构造型节理、层面为主以构造型节理、层面为主,裂裂隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物隙多呈密闭型，部分为微张型，少有充填物块状结构块状结构0.75Kv0.55较破碎较破碎结构面一般为结构面一般为3组组,以节理及风化裂隙为主，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，多有充填物和张开型为主，多有充填物层状结构层状结构,块石、块石、碎石状结构碎石状结构0.55Kv0.35破碎破碎结构面大于结构面大于3组组,多以风化型裂隙为主，在断多以风化

30、型裂隙为主，在断层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开层附近受构造作用影响大，裂隙宽度以张开型为主，多有充填物型为主，多有充填物碎石角砾状结构碎石角砾状结构0.35Kv0.15极破碎极破碎结构面杂乱无序，在断层附近受断层作用影结构面杂乱无序，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，响大，宽张裂隙全为泥质或泥夹岩屑充填，充填物厚度大充填物厚度大散体状结构散体状结构Kv0.15第70页/共100页1、隧道围岩基本分级 级级别别岩体特征岩体特征土体特征土体特征围岩弹性纵围岩弹性纵波速度波速度Vp（km/s）极硬岩，岩体完整；极硬岩，岩体完整；4.5 极硬岩，岩体较完整；极硬岩，岩

31、体较完整；硬岩，岩体完整硬岩，岩体完整3.54.5 极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；完整；较软岩，岩体完整较软岩，岩体完整2.54.0极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较破碎或破碎；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，岩体较完整较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整具压密或成岩作用的粘性土、具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结碎（卵）石土、大铁质胶结碎（卵）石土、大块石土，黄土（块石土

32、，黄土（Q1、Q2）1.53.0软岩，岩体破碎至极破碎；软岩，岩体破碎至极破碎；极软岩及极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）极软岩及极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）一般坚硬、硬塑粘性土，潮一般坚硬、硬塑粘性土，潮湿的碎石土、粉土及黄土湿的碎石土、粉土及黄土（Q3、Q4）1.02.0受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带层带软塑状粘性土、饱和的粉土、软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土砂类土10第71页/共100页2 隧道围岩分级的修正（1）地下水的影响修正 地下水状态分级级别级别状态状态渗水量渗水量L/（min10m）干燥或湿润干燥

33、或湿润10偶有渗水偶有渗水1025经常渗水经常渗水25125第72页/共100页2 隧道围岩分级的修正地下水影响围岩级别修正：干燥或湿润：不考虑地下水对围岩级别的影响；偶有渗水：、级 围岩不考虑影响，、级围岩分别降一级；经常渗水：级围岩分别降一级。第73页/共100页2 隧道围岩分级的修正（2）地应力影响修正初始地应力状态评估初始地应力状态评估初始地应初始地应力状态力状态主要现象主要现象评估基准评估基准（Rc/max）极高应力极高应力1.硬质岩：开挖过程中有岩爆发生，有岩块弹出，硬质岩：开挖过程中有岩爆发生，有岩块弹出，洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞性差。洞壁岩体发生剥离，新生裂缝多，成洞

34、性差。42、软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁、软质岩：岩芯常有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体发生剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，岩体发生剥离，位移极为显著，甚至发生大位移，持续时间长，不易成洞。持续时间长，不易成洞。高应力高应力1.硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有硬质岩：开挖过程中可能出现岩爆，洞壁岩体有剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差。剥离和掉块现象，新生裂缝较多，成洞性较差。472、软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁、软质岩：岩芯时有饼化现象，开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间长，成洞性差。岩体位移显著，持续时间长，成洞性差。第74页/共100页2 隧道

35、围岩分级的修正地应力影响围岩级别修正 极高应力：、级围岩分别降一级；高应力：、级围岩分别降一级；第75页/共100页3、实际工程中铁路隧道围岩分级的特点围岩分级虽然分为，但实际划分时、级均少见，级一般轻易不会给出，级只有遇到软土及松散饱和砂土时才给，多在地铁中遇到；除受构造影响较大外，硬岩多为、级，软岩多为级；破碎带、褶皱核部多为级；全风化岩层及普通土多为级；地铁工程的围岩分级比较客观，铁路一般偏保守；分级受个人的经验等人为因素影响较大。第76页/共100页 隧道施工超前地质预报第77页/共100页一、隧道施工超前地质预报的方法隧道施工超前地质预报方法包括地质分析法、物探法、超前地质钻探法、超

36、前导坑法等，其中地质分析法是地质预报的基础，物探法、钻探法、超前导坑法等是利用物探、钻探或超前导坑的手段获取地质信息，再经过地质分析解译后进行地质预报。第78页/共100页1、地质分析法 地质分析法是利用常规地质理论和地质作图法，根据隧道已有勘察资料、地表补充地质调查资料、洞内开挖揭示地质资料等，通过地层层序对比、地层分界线及构造线地下和地表相关性分析、断层要素与隧道几何参数的相关性分析等，推测开挖工作面前方可能揭示的地质情况，如地层岩性，地质构造、不良地质类型、规模等。第79页/共100页1、地质分析法（1）地质理论知识：地层岩石：岩浆岩力学强度高，工程条件好，但存在易风化的问题，特别是花岗

37、岩的球状风化问题；岩浆岩中岩脉问题；部分岩体可能存在放射性的问题。沉积岩中灰岩的岩溶问题；泥、页岩等软岩的变形问题（部分存在膨胀性问题）；含煤地层的煤层、瓦斯问题。变质岩中片岩、千枚岩等片理岩层沿片理方向的稳定性问题；特殊土中，软土的沉降量大、承载力低问题；湿陷性黄土的湿陷性问题；盐渍土的溶陷性、盐胀性和腐蚀性问题；冻土的冻融问题；膨胀土的膨胀性问题；饱和粉土、砂土的地震液化问题等。第80页/共100页1、地质分析法地质构造：褶皱、断层带岩体破碎；向斜核部富水，正断层较逆断层富水；褶皱、断层发育部位岩溶往往较发育；不同岩性接触带，如岩浆岩与沉积岩接触带，岩体一般破碎、富水；缓倾或水平岩层的拱部

38、稳定问题；隧道与倾斜岩层小角度相交引起的顺层偏压导致的边墙不稳问题；第81页/共100页1、地质分析法地质规律：岩溶发育规律：质纯层厚的灰岩岩溶发育；可溶岩与非可溶岩接触带岩溶发育；褶皱核部、断层破碎带附近岩溶发育；倾角较陡的可溶岩地段，沿层面岩溶发育；地面塌陷、地表水消失的地下相应地段，岩溶发育。第82页/共100页1、地质分析法大型溶洞水体或暗河出现时的前兆：岩体裂隙、溶隙间出现较多的铁染锈或粘土；岩层明显湿化、软化，或出现淋水现象；小溶洞出现的频率增加且多有水流、河沙或水流痕迹；钻孔中的涌水量剧增，且夹有泥沙或小砾石；有哗哗的流水声；钻孔中有凉风冒出。第83页/共100页1、地质分析法断

39、层破碎带出现时的前兆：岩体节理组数急剧增加；岩层产状变化大，出现揉皱等；岩石强度明显降低；压碎岩、碎裂岩、断层角砾岩等的出现；泥岩、页岩等明显湿化、软化，或出现淋水和其他涌突水现象。第84页/共100页1、地质分析法人为坑洞积水出现时的前兆：岩层明显湿化、软化，或出现淋水现象；岩层裂隙有涌水现象；开挖工作面空气变冷或发生雾气；有嘶嘶的水声；临近煤层老窑积水的前兆是岩层中出现暗红色水锈或渗水中挂红。第85页/共100页1、地质分析法大规模塌方的前兆：拱顶岩石开裂，裂缝旁有岩粉喷出或洞内无故尘土飞扬；支撑拱架变形或发生声响；拱顶岩石掉快或裂缝逐渐扩大；干燥围岩突然涌水等。第86页/共100页1、地

40、质分析法煤与瓦斯突出的前兆：开挖工作面岩层发生鼓裂；瓦斯含量突然增大或忽高忽低；工作面有移动感；工作面发出瓦斯强涌出的嘶嘶声，同时带有粉尘；工作面附近，时常听到沉雷声或闷雷声。第87页/共100页1、地质分析法（2）地质作图 通过地表或超前导洞揭露的地层层面、岩性接触面、构造面等结构面的产状（走向、倾向、倾角），通过作图法，推测其在地下、正洞出露的位置。第88页/共100页2、物探法物探法包括弹性波法、电磁波法、电法、红外探测法等，弹性波法包括TSP、TST、TRT、HSP等，其中目前应用比较广、大家公认效果比较好的有TSP法（弹性波法）与地质雷达法（电磁波法）。第89页/共100页2、物探法

41、2.1、TSP法（1）原理TSP超前预报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报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，如不连续面、断层和破碎带等。TSP TSP 原理图地层或断层入射波前反射波前震源检波器检波器隧道第90页/共100页2、物探法（2）数据采集数据采集时在隧道一侧边墙等间距钻24个炮孔，而在两侧壁钻取2个检波器孔，把检波器置入套管中。依次激发各炮，从掌子面前方任一波阻抗差异界面反射的信号及直达波信号将被2个三分量检波器接收。第91页/共100页2、物探法（3）数据分析 采集到得数据利用TSPwin软件处理可

42、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，可算出预报区内岩体物理力学参数。实践表明该法有效预报距离100200m。第92页/共100页2、物探法（4）、优缺点 优点：探测距离长，可达100200m；施工干扰小，一般仅需2个小时；探测精度高：对规则的不连续面，如软硬岩分界面、断层面等探测准 确。缺点：对岩溶等不规则体探测效果差；第93页/共100页2、物探法2.2、地质雷达法（1）原理 利用高频电磁波以宽频带短脉冲的形式，由掌子面（或在钻孔内）通过发射天线向前（四周）发射，当遇到异常地质体或介质分界面时发生反射并返回，被接

43、收天线接收，并由主机记录下来，形成雷达剖面图。第94页/共100页2、物探法（2）数据分析由于电磁波在介质中传播时，其路径、电磁波场强度以及波形将随所通过介质的电磁特性及其几何形态而发生变化。因此，根据接收到的电磁波特征，即波的旅行时间、幅度、频率和波形等，通过雷达图像的处理和分析，可确定掌子面前方界面或目标体的空间位置或结构特征。第95页/共100页2、物探法（3）优缺点 优点：与其他探测方法相比较，雷达法对岩溶、空洞等反应灵敏，探测精度高。缺点：采用掌子面探测时，因掌子面凹凸不平等因素影响探测效果；探测距离短，一般在1015m，频繁的探测对施工干扰大；第96页/共100页3、超前钻探法超前

44、钻探法包括超前地质钻探法与加深炮孔法，其中超前钻探地质法分为取芯钻与冲击钻。取芯钻比较直观，通过岩芯鉴定即可判断前方的地质条件；冲击钻与加深炮孔需要根据钻进过程中钻进情况的变化分析推断前方的地质条件，如钻速及其变化、冲洗液的颜色及流量变化、岩粉、钻杆震动、冲击器响声、卡钻跳钻等情况、钻杆震动等情况。取芯钻具有直观、准确的优点，但也有速度慢、费用高的缺点；冲击钻、加深炮孔具有速度快、效率高、费用低的优点，但直观性要差一些。取芯钻与冲击钻两者应根据实际需要选用，互为补充。第97页/共100页4、做好地质预报的几点建议正确认识地质预报与施工进度、投资的关系；正确认识地质预报的作用；严格按照地质预报技术要求进行预报辅助工作施工；充分发挥加深炮孔作用高度重视岩溶隧道的地质预报第98页/共100页 谢谢大家！第99页/共100页感谢您的观看！第100页/共100页