隧道工程地質環境

隧道工程地質調查與勘測圍巖的工程性質超前地質預報主要內容

隧道與地面結構的不同點隧道工程地質調查的內容超前地質預報的方法學習重點地面結構體系一般都是由結構和地基所組成，地基在結構底部起約束作用，除了自重外，荷載都是來自外部。地下結構是由周邊圍巖和支護結構兩者組成共同并相互作用的結構體系，即地下結構＝支護結構＋周邊圍巖；地下結構所承受的荷載又主要來自結構體系的本身—地層，故稱為地層壓力或圍巖壓力。在地下結構體系中，地層既是承載結構的根本組成局部，又是造成荷載的主要來源，這種合二為一的作用機理與地面結構是完全不同的。

概述地層被挖成隧道后的穩定程度稱為隧道圍巖的穩定性，這是一個反映地質環境的綜合指標。所以說，研究隧道工程地質環境問題，歸根到底就是研究隧道圍巖的穩定性問題，它包括隧道圍巖破壞或穩定的規律、影響圍巖穩定的主要因素、標志圍巖穩定性的指標和判斷準那么、分析圍巖穩定性的方法以及為維護圍巖穩定而必須采取的工程措施(如施工程序和方法、支護結構的類型、數量和架設時間等)。

隧道工程地質調查與勘測隧道勘測的根本內容1.隧道工程調查調查隧道穿越地段的地質、地貌、環境生態等自然條件，它們與隧道工程有著密切的關系；2.隧道線路確定通過多種方案的比選，確定隧道的平面、縱斷面線形；3.隧道洞口位置選擇自然地理概況調查

1.地形資料

地形圖

1/50000～1/25000主要用于線路規劃

1/5000～1/1000主要用于隧道方案的比選重要的長大隧道也可以考慮采用航空照片或衛星照片

2.地質資料

地質圖和說明書。1/200000～1/50000比例尺的地質圖

長大隧道還應參考航空照片以及遙感資料

隧道工程地質調查與勘測

隧道工程地質調查與勘測自然地理概況調查

3.工程資料

以往的施工記錄和工程報告總結

4.氣象資料

氣溫、氣壓、降水、水溫、地溫等

從氣象臺站和各種資料期刊、匯編、年鑒等處獲得

隧道工程地質調查與勘測自然地理概況調查

5.用地及環境資料

用地：工程用地和施工用地

調查既有建筑：居民住宅、通訊設施、

排水設施、交通設施等

環境資料：自然環境，文物古跡、

自然保護區、居民環境等，

6.災害資料

隧道所在地區歷史上的暴雨、臺風、地震、滑坡等發生的規模、頻度地質調查

1.調查內容

(1)工程地質特征(2)水文地質特征(3)不良地質和特殊地質現象(4)地震烈度(5)有害氣體和放射性物質

隧道工程地質調查與勘測

隧道工程地質調查與勘測地質調查

4.地下水調查

地下水對隧道施工與運營都會產生較大的影響和危害

5.應提供的資料

(1)概述

(2)地形地質說明

(3)設計及施工時應注意的問題及對進一步調查的建議

(4)相關圖紙

隧道工程地質調查與勘測地質調查6.應交付的相關圖紙⑴線路地形圖(比例1/2000～1/5000)；

⑵洞口附近地形圖(比例1/500)，沿線路中線每側各

100米的范圍進行；

⑶地質平面圖；

⑷地質縱斷面圖(比例1/500～1/2000)；

⑸洞口附近地質縱斷面圖(比例1/200)以及洞口附近地

質橫斷面圖假設干。

隧道工程地質調查與勘測環境調查

1.自然環境調查

動、植物的生態狀況：種類、密度、分布、季節性變化

地表水、地下水狀況

2.地物調查

土地利用狀況：用途、面積范圍等文物古跡、風景區等已有構建物：通訊設施、民房、地下管網等3.生活環境調查

廢氣、噪聲、振動、地面下沉等，對居住環境、自然資源和已有地物的影響

隧道工程地質調查與勘測氣象調查

◆降雨:年、月平均、日最大、小時最大降雨量

◆降雪:最大降雪日、最大積雪量、積雪期、

最大日降雪量、雪密度、雪溫

◆氣溫、地溫：年平均氣溫、絕對最高最低氣溫、日溫差；

凍結期、凍結深度、多年凍土深度、水溫

◆風向、風速：頻率分布(年間、月間、日間)

◆霧：發生日數(頻度、滯留時間及其能見度)

◆洪水：洪水量、水位、時期

隧道工程地質調查與勘測

圍巖的工程性質隧道圍巖是指地殼中受隧道開挖影響的那一局部巖體，或是指對隧道穩定性有影響的那一局部巖體。這局部巖體在隧道開挖和支護過程中，將產生應力重新分布，其性質也有所變化。一、巖體的變形特性1、壓密階段(OA)

2、彈性階段(AB)

3、塑性階段(BC)

4、破裂和破壞階段(CD)

圍巖的工程性質

圍巖的工程性質二、循環荷載作用下巖體的變形特性對于彈性材料，其加載和卸載曲線相同。巖體屬于非線性材料，如果卸載點超過了其屈服點，那么卸載曲線和加載曲線不重合，形成塑性回滯環。如果經過屢次反復加載與卸載，且每次施加的最大荷載與第一次加載的最大荷載一樣，那么每次加載、卸載曲線都各自形成一個塑性回滯環，如以下圖。

圍巖的工程性質三、巖體的強度巖體的強度要比巖石的強度低得多，并具有明顯的各向異性。一般情況下，巖體的抗壓強度只有巖石抗壓強度的70～80％，結構面發育的巖體，僅有5～10％。和抗壓強度一樣，巖體的抗剪強度主要也是取決于巖體內結構面的性態，包括巖體的力學性質、充填狀況、產狀、分布和規模等；同時還受剪切破壞方式所制約。

四、巖體的構造—力學特性巖體是由下述幾局部構成的：a)不同尺寸和類型的巖塊；b)結構面；c)巖塊間的充填物。

圍巖的工程性質從巖體構造—力學特性上看，大體上可分為無裂隙巖體和裂隙巖體兩大類。地下工程在多數情況下是修筑在裂隙巖體中的。裂隙巖體的地質構造特征是結構面的存在。巖石只是巖體構成的一局部，它的性質不能代表巖體的物性，這一點是必須明確的。由上述條件決定的巖體構造－力學特性是它的非連續性、非均質性、各向異性和突變性。

圍巖的工程性質五、巖體的破壞準那么理論和試驗研究都說明，多數巖石在初始應力狀態下處于彈性階段，而在開挖成洞后，洞室周圍巖體將產生松弛或進入塑性狀態。

圍巖的工程性質彈塑性模型的根本概念是認為巖石在屈服極限之前，只有可恢復的彈性變形，到達屈服極限以后，變形由可恢復的彈性變形和不可恢復的永久變形(塑性變形)兩局部組成，彈性變形按彈性理論計算，塑性變形按塑性理論計算。材料隨著外力的增加由彈性狀態過渡到塑性狀態。當應力的數值等于屈服極限時，材料屈服，開始產生塑性變形，而就是單向應力狀態下的屈服條件，也稱作“塑性條件〞，它是判斷是否到達塑性狀態的準那么。目前，在實際設計中，采用最多的是摩爾—庫侖破壞準那么。

圍巖的工程性質六、巖體的流變特性流變包括兩方面：一種是指作用的應力不變，而應變隨時間增長，即所謂蠕變；另一種那么是作用的應變不變，而應力隨時間而衰減，即所謂松弛。七、巖體結構分類及其破壞特征工程地質學中把巖體劃分為四大種結構類型：

Ⅰ.整體結構、塊狀結構

Ⅱ.層狀結構、板狀結構

Ⅲ.碎裂結構、鑲嵌結構、層狀碎裂結構

Ⅳ.散體結構

圍巖的工程性質超前地質預報:是地質勘察工作在施工階段的延續，是在復雜地質情況工程平安事故多發條件下，為滿足施工平安的需要而新興的一門學科，是工程地質學的一局部，是覆蓋物理探測、地質、鉆探、試驗等專業的一個綜合學科。

超前地質預報

超前地質預報1、超前地質預報的產生與開展在復雜地區修建長大隧道，由于地質條件的復雜性，經常遇到一些突發地質災害，而目前國內外地質勘察的精度都滿足不了施工過程中對不良地質情況的準確預見，造成了許多重大地質災難。甚至成為制約地下工程建設工期及能否平安使用的關鍵。實例：日本東海道干線舊丹拿隧道〔長7.84km〕1981年開工后曾遇到高壓涌突水，致使該隧道建設工期達16年之久；日本的萬之瀨川引水隧道〔8.2km〕，在施工中出現嚴重涌突水，致使5次改變施工方案，延誤工期近2年；而國內的一些煤礦瓦斯爆炸、隧道塌方事故也多見報道，例如宜萬鐵路的馬鹿箐隧道、野三關隧道巖溶突水事故等。

超前地質預報2、超前地質預報工作的重要作用復雜地區修建長大隧道，由于不良地質發育的不確定性，在施工中進行超前地質預測預報工作，既是保證施工平安的需要，也是保證工期、節約工程造價的需要?！?〕作為一項平安施工措施，可以降低地質災害發生的機率，確保隧道施工平安。由于進行預報，可進一步查清因前期地質勘察工作的局限而難以探查的、隱伏的重大地質問題，能夠提前了解開挖面前方圍巖的地質情況，并在施工中有針對性地采取預防措施，因此，能夠有效地控制突泥、涌水、涌砂、坍方等地質災害的發生，從而防止或減少由此造成人員及設備的損傷等。

超前地質預報

超前地質預報3、超前地質預報的具體方法及認識

超前地質預報

超前地質預報

超前地質預報數據采集時通過依次激發隧洞一邊側墻等間隔炮孔，產生以波形式向周圍方向的能量傳遞，從掌子面前方任一波阻抗差異界面反射的信號及直達波信號將被2個三分量檢波器接收，該過程所需時間約1小時。然后利用TSPwin軟件處理可得P波和S波波場分布規律，最終顯示掌子面前方與隧道軸線相交的反射同相軸及其地質解譯的二維或三維成果圖。由相應密度值，可算出預報區內巖體物理力學參數，進而可劃分該區圍巖工程類別。

超前地質預報TSP超前探測原理地層或斷層入射波前反射波前震源檢波器檢波器隧道優缺點分析〔1〕適用范圍廣，適用于極軟巖至極硬巖的任何地質情況?！?〕預報距離長，能預報掌子面前方100～350m范圍內的地質狀況，圍巖越硬越完整預報長度就越大?！?〕對隧道施工干擾小，它可在隧道施工間隙進行，即使專門安排此項工作，也不過40分鐘左右?！?〕提交資料及時，在現場采集數據的第二天即可提交正式成果報告。它設計了一套專用處理軟件，將復雜多解的波形分析轉換為直觀的單一解的波形能量分析圖。將隧道頂部和底部的波形能量分析圖分析確定之后，就可得出斷層破碎帶、軟弱夾層或其它不良地質體相對于隧道的空間位置，計算機就會自動繪出彈性波速度有差異的地質界面相對于隧道軸線的地質平面圖和縱斷面圖。優缺點分析〔5〕預報準確性，其預報地質體距離掌子面的位置是根據24個爆破孔與接收器之間的彈性波速度的平均值和地質體反射波到達接收器的時間來確定的，由于彈性波速度的差異而導致地質體預報位置與實際情況有所差異。〔6〕預報精度高，它所能反映出的地質體的寬度是根據采樣間隔和巖體彈性波速度來確定的，如采樣間隔取80μs，彈性波速度為5000m/s，那么能預報出的地質體的寬度為0.4m。〔7〕預報斷層、弱硬巖接觸面等面狀結構反射信號較為明顯，而預報溶洞等點狀地質體那么不盡如人意，因其計算軟件針對面狀異常體設計，對點狀異常體〔如小溶洞等〕反響不明顯。2負視速度法鐵一院從上世紀90年代初就開始了進行專門的研究工作，并稱為“負視速度法〞。他的工作原理與TSP預報系統是完全一樣的，差的是商業化和一些巧妙的設計和強大計算功能的軟件。它是將地震勘探中VSP法應用于近水平的隧洞中，也是利用地震反射波特征來預報隧洞開挖面附近圍巖的地質情況。在側壁的一定范圍內布置激震點進行激發，其振動信號在隧洞圍巖內傳播，當巖層波阻抗發生變化時，地震波信號將局部返回。

超前地質預報

反射界面與測線直立正交時，所接收的反射波與直達波在記錄圖像呈負視速度，其延長線與直達波延長線的交點即為反射界面的位置，縱、橫波共同分析還可了解反射界面兩側巖性及軟硬程度的變化。該法具有明顯的方向特征，可有效區分掌子面前方反射信號與周圍干擾信息，提高了識別物性界面的精確度，能對其進行較為準確的定位，預報距離可達100ｍ以上。3.國產TGP12〔SWS〕儀器和處理系統TGP12〔SWS〕儀器和處理系統是TSP系統的一種，比較TSP202/203，TGP12在以下方面作出了改進：1)處理系統中文界面，操作方便，程序的比照功能設置有利于分析比照；2)處理系統有自動、手動處理兩種方式，適應研究復雜隧道地質條件的需要；3)儀器的三分量接收器在孔中采用黃油耦合，簡單速度快，既經濟、又少影響隧道施工的時間。

超前地質預報4、地質雷達作為TSP超前地質預報的補充，對TSP預報的異常點，比方確定異常體的規模、性質、危害性有困難時采用地質雷達作為補充手段。根據?鐵路工程不良地質勘察規程?〔TB10027-2001〕與設計要求，灰巖地段鋪軌前應用物探方法探明隧底隱伏巖溶洞穴，主要采用地質雷達。地質雷達采用的是時間域脈沖雷達，將寬頻帶的脈沖發射到地下介質中，通過接收反射信號到達探測地下目標的目的，雷達系統向被探測物發射電磁脈沖，電磁脈沖穿過介質外表，碰到目標物或不同介質之間的界面而被反射回來，根據電磁波的雙程走時的長短差異，確定探測目標的形態及屬性，結合工程地質理論分析到達對埋藏目標〔地質體〕的探測與判斷。

超前地質預報

雷達探測原理示意圖影響雷達探測因素采用探地雷達在隧道內開展工作，要比地面雷達探測難度大得多，不僅現場工作環境差，而且探測的對象是隧道的頂部、邊墻、隧底及掌子面。探測工作又往往是在施工過程中，相互影響干擾的情況是難免，所以需要雙方相互理解和密切配合。在隧道內進行雷達探測，主要受以下幾方面的干擾和影響：〔1〕高壓風管、通風管、水管、供電線、運輸線〔軌道和運行或停滯的電瓶車〕即三管兩線。〔2〕初期支護和二次襯砌中的鋼筋網、錨桿、小導管、鋼拱架，及現場機具等金屬物?！?〕虛渣、堆積物和爆破松動圈及各種不均勻體。〔4〕巖層含水和隧道內流水。上述干擾和影響必然會給數據采集和資料處理解釋工作帶來極大的難度。

地質預報方案選擇的影響因素地質預測預報堅持隧道洞內探測與洞外地質勘探相結合、地質方法與物探方法相結合、多種物探方法相結合、地球物理方法與超前水平鉆探相結合，輔助導坑與主洞探測相結合，開展多層次、多手段的綜合超前地質預報，并貫穿于施工全過程。地質預測預報工作的方法、手段和內容應根據勘測設計預測的地質災害分級確定。根據地質災害對隧道施工平安的危害程度，分為以下四級，詳細影響因素見下表。施工地質分級ABCD嚴重較嚴重一般輕微地質復雜程度(含物探異常)巖溶發育程度極強，厚層塊狀灰巖，大型溶洞、暗河，巖溶密度每平方公里＞15個，最大泉流量＞50L/s，鉆孔巖溶率＞10%。強烈，中厚層灰巖夾白云巖，地表溶洞落水洞密集、地下以管道水為主，巖溶密度每平方公里5~15個，最大泉流量10~50L/s，鉆孔巖溶率5~10%。中等，中薄層灰巖，地表出現溶洞，巖溶密度每平方公里1~5個，最大泉流量5~10L/s，鉆孔巖溶率2~5%。微弱，不純灰巖與碎屑巖互層，地表地下以溶隙為主，最大泉流量＜5L/s，鉆孔巖溶率＜2%。。涌水涌泥程度特大（日出水10萬t以上）、大型突水（日出水1~10萬t）、突泥，高水壓。中小型突水（日出水1000~1萬t）、突泥。小型涌水（日出水100~1000t）、涌泥。日出水小于100t涌突水可能性極小。斷層穩定程度大型斷層破碎帶、自穩能力差、富水，可能引起大型失穩坍塌。中型斷層帶，軟弱，中~弱富水，可能引起中型坍塌。中小型斷層，弱富水，可能引起小型坍塌。中小型斷層，無水，掉塊。施工地質分級ABCD嚴重較嚴重一般輕微地應力影響程度高應力，嚴重巖爆（拉森斯判據＜0.083，即巖石點荷載強度與圍巖最大切向應力的比值），大變形。高應力，中等巖爆（拉森斯判據0.083~0.15），中~弱變形。弱巖爆（拉森斯判據0.15~0.20），輕微變形。無巖爆（拉森斯判據＞0.20），無變形。瓦斯影響程度瓦斯突出：煤的破壞類型為Ⅲ（強烈破壞煤）、Ⅳ（粉碎煤）、Ⅴ（全粉煤）類，瓦斯放散初速度≥10，