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1、隧道工程地质环境,主讲人 冯冀蒙 博士,隧道工程地质调查与勘测围岩的工程性质超前地质预报,主要内容,隧道与地面结构的不同点隧道工程地质调查的内容超前地质预报的方法,学习重点,地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部。地下结构是由周边围岩和支护结构两者组成共同并相互作用的结构体系，即地下结构支护结构周边围岩；地下结构所承受的荷载又主要来自结构体系的本身地层，故称为地层压力或围岩压力。在地下结构体系中，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源，这种合二为一的作用机理与地面结构是完全不同的。,概述,地层被挖成隧道后的稳定程度称为隧道
2、围岩的稳定性，这是一个反映地质环境的综合指标。所以说，研究隧道工程地质环境问题，归根到底就是研究隧道围岩的稳定性问题，它包括隧道围岩破坏或稳定的规律、影响围岩稳定的主要因素、标志围岩稳定性的指标和判断准则、分析围岩稳定性的方法以及为维护围岩稳定而必须采取的工程措施(如施工程序和方法、支护结构的类型、数量和架设时间等)。,隧道工程地质调查与勘测,隧道勘测的基本内容 1.隧道工程调查 调查隧道穿越地段的地质、地貌、环境生态等自然条件，它们与隧道工程有着密切的关系； 2.隧道线路确定 通过多种方案的比选，确定隧道的平面、纵断面线形； 3.隧道洞口位置选择,自然地理概况调查 1.地形资料 地形图 1/
3、500001/25000 主要用于线路规划 1/50001/1000 主要用于隧道方案的比选重要的长大隧道也可以考虑采用航空照片或卫星照片2.地质资料 地质图和说明书。1/2000001/50000比例尺的地质图 长大隧道还应参考航空照片以及遥感资料,隧道工程地质调查与勘测,隧道工程地质调查与勘测,自然地理概况调查3.工程资料 以往的施工记录和工程报告总结 4.气象资料 气温、气压、降水、水温、地温等 从气象台站和各种资料期刊、汇编、年鉴等处获得,隧道工程地质调查与勘测,自然地理概况调查 5.用地及环境资料 用地：工程用地和施工用地 调查既有建筑：居民住宅、通讯设施、 排水设施、交通设施等 环
4、境资料：自然环境，文物古迹、 自然保护区、居民环境等， 6.灾害资料 隧道所在地区历史上的暴雨、台风、地震、滑坡等发生的规模、频度,地质调查1. 调查内容 (1)工程地质特征(2)水文地质特征(3)不良地质和特殊地质现象(4)地震烈度(5)有害气体和放射性物质,隧道工程地质调查与勘测,地质调查2. 调查步骤 (1) 地形地质的初步调查 (2) 地质详查3. 调查手段 (1) 传统手段：钻探法 (2) 物探：电阻与弹性波法 (3) 其他技术：遥感,隧道工程地质调查与勘测,地质调查4. 地下水调查 地下水对隧道施工与运营都会产生较大的影响和危害 5. 应提供的资料 (1) 概述 (2) 地形地质说
5、明 (3) 设计及施工时应注意的问题及对进一步调查的建议 (4) 相关图纸,隧道工程地质调查与勘测,地质调查6. 应交付的相关图纸 线路地形图 (比例1/20001/5000)； 洞口附近地形图(比例1/500)，沿线路中线每侧各 100米的范围进行； 地质平面图； 地质纵断面图(比例1/5001/2000)； 洞口附近地质纵断面图(比例1/200)以及洞口附近地 质横断面图若干。,隧道工程地质调查与勘测,环境调查 1. 自然环境调查 动、植物的生态状况：种类、密度、分布、季节性变化 地表水、地下水状况 2. 地物调查 土地利用状况：用途、面积范围等 文物古迹、风景区等 已有构建物：通讯设施、
6、民房、地下管网等3. 生活环境调查 废气、噪声、振动、地面下沉等，对居住环境、自然资源和已有地物的影响,隧道工程地质调查与勘测,气象调查 降雨: 年、月平均、日最大、小时最大降雨量 降雪: 最大降雪日、最大积雪量、积雪期、 最大日降雪量、雪密度、雪温 气温、地温：年平均气温、绝对最高最低气温、日温差； 冻结期、冻结深度、多年冻土深度、水温 风向、风速：频率分布(年间、月间、日间) 雾：发生日数(频度、滞留时间及其能见度) 洪水：洪水量、水位、时期,隧道工程地质调查与勘测,围岩的工程性质,隧道围岩是指地壳中受隧道开挖影响的那一部分岩体，或是指对隧道稳定性有影响的那一部分岩体。这部分岩体在隧道开挖
7、和支护过程中，将产生应力重新分布，其性质也有所变化。,一、岩体的变形特性 1、压密阶段(OA) 2、弹性阶段(AB) 3、塑性阶段(BC) 4、破裂和破坏阶段(CD),围岩的工程性质,围岩的工程性质,二、循环荷载作用下岩体的变形特性,对于弹性材料，其加载和卸载曲线相同。 岩体属于非线性材料，如果卸载点超过了其屈服点，则卸载曲线和加载曲线不重合，形成塑性回滞环。如果经过多次反复加载与卸载，且每次施加的最大荷载与第一次加载的最大荷载一样，则每次加载、卸载曲线都各自形成一个塑性回滞环，如图所示。,围岩的工程性质,三、岩体的强度岩体的强度要比岩石的强度低得多，并具有明显的各向异性。一般情况下，岩体的抗
8、压强度只有岩石抗压强度的7080，结构面发育的岩体，仅有510。和抗压强度一样，岩体的抗剪强度主要也是取决于岩体内结构面的性态，包括岩体的力学性质、充填状况、产状、分布和规模等；同时还受剪切破坏方式所制约。,四、岩体的构造力学特性 岩体是由下述几部分构成的：a) 不同尺寸和类型的岩块；b) 结构面；c) 岩块间的充填物。,围岩的工程性质,从岩体构造力学特性上看，大体上可分为无裂隙岩体和裂隙岩体两大类。地下工程在多数情况下是修筑在裂隙岩体中的。裂隙岩体的地质构造特征是结构面的存在。岩石只是岩体构成的一部分，它的性质不能代表岩体的物性，这一点是必须明确的。由上述条件决定的岩体构造力学特性是它的非连
9、续性、非均质性、各向异性和突变性。,围岩的工程性质,五、岩体的破坏准则理论和试验研究都表明，多数岩石在初始应力状态下处于弹性阶段，而在开挖成洞后，洞室周围岩体将产生松弛或进入塑性状态。,围岩的工程性质,弹塑性模型的基本概念是认为岩石在屈服极限之前，只有可恢复的弹性变形，达到屈服极限以后，变形由可恢复的弹性变形和不可恢复的永久变形(塑性变形)两部分组成，弹性变形按弹性理论计算，塑性变形按塑性理论计算。材料随着外力的增加由弹性状态过渡到塑性状态。当应力的数值等于屈服极限 时，材料屈服，开始产生塑性变形，而 就是单向应力状态下的屈服条件，也称作“塑性条件”，它是判断是否达到塑性状态的准则。目前，在实
10、际设计中，采用最多的是摩尔库仑破坏准则。,围岩的工程性质,六、岩体的流变特性,流变包括两方面：一种是指作用的应力不变，而应变随时间增长，即所谓蠕变；另一种则是作用的应变不变，而应力随时间而衰减，即所谓松弛。,七、岩体结构分类及其破坏特征 工程地质学中把岩体划分为四大种结构类型：.整体结构、块状结构.层状结构、板状结构.碎裂结构、镶嵌结构、层状碎裂结构.散体结构,围岩的工程性质,超前地质预报:是地质勘察工作在施工阶段的延续，是在复杂地质情况工程安全事故多发条件下，为满足施工安全的需要而新兴的一门学科，是工程地质学的一部分，是覆盖物理探测、地质、钻探、试验等专业的一个综合学科。,超前地质预报,超前
11、地质预报,施工地质超前预报:就是利用一定的技术和手段收集隧道所在岩体的有关资料，并运用相应的地质理论和灾害发生规律对这些资料进行分析、研究，从而对施工掌子面前方岩体情况及成灾可能性做出预报。超前地质预报是隧道信息化的重要组成部分，施工阶段应将超前地质预测、预报纳入正常的施工工序中，根据工程地质、水文地质变化及时调整施工方法和采取相应的技术措施,1、超前地质预报的产生与发展在复杂地区修建长大隧道，由于地质条件的复杂性，经常遇到一些突发地质灾害，而目前国内外地质勘察的精度都满足不了施工过程中对不良地质情况的准确预见，造成了许多重大地质灾难。甚至成为制约地下工程建设工期及能否安全使用的关键。实例：日
12、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，致使该隧道建设工期达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次改变施工方案，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。,超前地质预报,2、超前地质预报工作的重要作用 复杂地区修建长大隧道，由于不良地质发育的不确定性，在施工中进行超前地质预测预报工作，既是保证施工安全的需要，也是保证工期、节约工程造价的需要。 （1）作为一项安全施工措施，可以降低地质灾害发生的机率，确保隧道施工安全。由于进行预报，可进一步查清
13、因前期地质勘察工作的局限而难以探查的、隐伏的重大地质问题，能够提前了解开挖面前方围岩的地质情况，并在施工中有针对性地采取预防措施，因此，能够有效地控制突泥、涌水、涌砂、坍方等地质灾害的发生，从而避免或减少由此造成人员及设备的损伤等。,超前地质预报,（2）进行超前地质预报能够作为动态设计基础资料的获取手段，保证设计的质量。通过地质预报，可以获得开挖面前方存在的特殊地质现象，以及岩层的物性和力学参数，为设计支护参数的合理变更提供必要的依据。（3）确保质量，控制投资。有了地质预报，能够及时了解隧道围岩存在的地质情况，提前对软弱岩层进行预加固，合理变更施工参数，确保隧道连续挖进，赢得施工时间。（4）为
14、编制竣工文件提供地质依据。虽然引入超前地质预报系统对保证隧道的施工安全起了一定的作用，但对不良地质体的确切位置的定位与确定不良地质发育的立体空间等方面还有一定的不足，这些还需要工程技术人员做进一步的努力。,超前地质预报,目前国内外超前地质预报手段分为：常规地质法、超前导坑预报法、超前钻探预报法、物探方法四种。1）常规地质法：包括地质素描法、地层分界线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；2）超前导坑预报法：包括平行导坑法、正洞导坑法；,3、超前地质预报的具体方法及认识,超前地质预报,3）超前钻探预报法：包括深孔水平钻探、58m加深炮孔探测及孔内摄影；4）物
15、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、水平声波剖面法(HSP)、 TST超前预报技术、地震负视速度法、 TGP12超前预报技术等。,超前地质预报,1、TSP超前地质预报技术TSP超前地质预报系统是专门为隧道与地下工程超前地质预报研制开发的设备，它为方便快捷地预报掌子面前方100350m范围内的地质情况提供了一种强有力的方法和工具。预报原理：TSP(Tunnel Seismic Prediction)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，如不规则体、不连续面、断层和破碎带等。,超前地质预报,数据采集时通过依次激发隧洞一边侧墙等间隔炮孔，产生以波形式向周围方向的能量传递，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，该过程所需时间约1小时。然后利用TSPwin软件处理可得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，可算出预报区内岩体物理力学参数，进而可划分该区围岩工程类别。,
