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1、隧道地质及施工地质,中铁西南科学研究院有限公司 何发亮 教授级高工、硕导 王石春 顾问 、研究员,隧道地质,1. 概述 隧道是修建于岩土体中的地下工程。隧道工程的设计和施工必须以工程岩体（围岩）的工程地质、水文地质条件为主要依据。合理、科学的设计和施工方案应该与工程场区的岩土体地质条件相匹配，对场区的地质条件的认识是否清楚和掌握，是隧道工程建设成败的关键之一。 2. 岩类 2.1 沉积岩 沉积岩是母岩（沉积岩、火成岩和变质岩）风化作用、生物作用、剥蚀作用（破岩作用）和某种火山作用产物经风、水的搬运（搬运作用）后由于搬运营力的减弱在一定环境条件下经过沉积、固结成岩作用形成的岩石。 一般来说，未经
2、构造变动的沉积岩岩层基本为水平岩层或倾角较缓，层理构造是沉积岩的基本构造特征，主要为水平层理、沙纹状理面、交错层理面结构，波痕、干裂、缝合线、叠层和鲕状构造，主要结构面为层面。,沉积岩有碎屑岩（砂岩、泥（页）岩、砾岩等）和碳酸盐岩（灰岩、白云岩等）是分布较广的两类沉积岩 2.2 火成岩 火成岩分侵入岩和喷出岩（火山岩）。前者是地球深部高温高压岩浆或熔岩流沿地壳内薄弱地带、构造通道等向地壳深、浅部侵入形成，多呈岩脉、岩墙、岩床、岩盖(岩盘)、岩盆、岩脊、岩基状，由于侵入岩是高温高压岩浆冷凝而成，因此未经构造变动的侵入岩往往具有原生冷凝收缩节理(横节理、纵节理和水平节理)，主要原生节理走向往往平行
3、岩体的长轴方向，此外在侵入岩边界外存在一定范围的原岩变质，变质程度自边界往外由强变弱。侵入岩按性质可分酸性、中性、基性和超基性等侵入岩。喷出岩是由地球深部高温高压岩浆或熔岩流沿火山口通道喷溢出地面冷凝形成，多呈岩被、岩锥、火山口和火山通到。流动构造和原生节理是火成岩特有的构造特征。,2.3 变质岩 母岩在特定地质和物理化学条件下经过转变再造作用(变质作用)形成的具有新的矿物组合和结构构造的岩石。在变质岩中，绢云母、绿泥石、蛇纹石和滑石等变质矿物是变质岩矿物成分的基本特征，变余、变晶、交代和碎裂结构是变质岩特有的结构，变质岩构造主要以变余构造和变成构造为主。变质岩中包括浅变质岩，如千枚岩、板岩、
4、变质砂岩等；深变质岩，如片岩混合岩、混合片麻岩。 3. 地层和地质构造 3.1 地层 地层的划分，根据其生成时间（年代）从老到新，划分为太古界、元古界、古生界（寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、二叠纪）、中生界（三叠纪、侏罗纪、白垩纪）和新生界（第三纪、第四纪）。 一般来说，除特殊岩类地层外，年代越老的地层岩石成岩程度越高，密度越大；年代越新的地层岩石，成岩程度越低，密度越小，第三、四系地层中的岩石，多呈半成岩状态或松散状态。,3.2 地质构造 地质构造是由各种内、外动力地质作用导致的岩石变形的产物，具体表现为岩石的褶皱、断裂、劈理、节理以及其它的面状、线状构造等。 构造运动是地球内部应
5、力集中释放的过程，地震、地壳表面的隆起(造山运动)、板块的漂移碰撞等无一例外都是构造运动的型式。 构造运动和外营力作用(地表岩石的风化、剥蚀等)的结果，即我们今天所看到的地球表面和地质构造。 与隧道超前地质预报相关的地质构造主要包括： （1）水平岩层：岩层的层面基本上是一个水平面，即岩层的同一层面基本处于同一海拔高度。水平岩层主要分布在受地壳运动影响较轻微的地区。其特征是上新下老、地层界线与地形等高线平行或重合、岩层厚度即岩层顶底面高程差、露头宽度与地面坡度成反比。 （2）倾斜岩层：由于受地壳运动或岩浆活动影响，原来的水平岩层产状发生变化，形成在一定地区内具有大致相同的倾向、倾角的一系列岩层，
6、即倾斜岩层。,（3）褶皱：岩层受力作用发生弯曲即褶皱。岩层向上弯曲，核心部位岩层老，两侧岩层较新，称为背斜；反之，岩层向下弯曲，核心部位岩层新，两侧岩层较老，称为向斜。背斜和向斜是褶皱的两种基本形态类型。由系列向斜和背斜组成的背斜称为复式背斜，由系列向斜和背斜组成的向斜称为复式向斜。 （4）断层及节理：岩层受力作用发生断裂变形，断裂变形阶段产生的构造统称断裂构造。 一般地说，沿断裂两侧岩层未发生明显位移或位移极小的断裂称为节理；沿断裂两侧岩层发生明显位移的断裂称为断层。 根据节理与所在岩层产状要素的关系可分为走向节理、倾向节理、斜向节理，根据节理与区域褶皱枢纽方向、主要断层走向及其他线状构造延
7、伸方向的关系可分为纵节理、横节理、斜节理，按节理的力学成因可分为剪节理、张节理、扭节理。,断层按断盘的移动可分为正断层、逆断层和平移断层，按断层的走向与区域构造线（如褶皱轴向）的关系可分为纵断层、横断层和斜断层，按断层与地层产状的关系可分为走向断层、倾向断层、斜向断层和顺层断层，按断层产生的力学性质可分为压性断层（层间断层）、张性断层和扭性断层。 3.3 其它构造：如穹窿构造、火长岩原生构造（侵入岩的破裂构造、锥状岩席及环状岩墙，火山岩的破裂构造及火山构造等）. 3.4 构造特别是节理、断层作用的最终结果是使岩体破碎甚至泥化、糜棱岩化，造成破碎岩体的强透水性和泥化、糜棱岩化岩体的隔水特性。工程
8、地质工作者，应着重研究断层，节理的上述作用对工程岩体强度、完整状态、岩体质量及稳定性的影响。,4. 地下水 在隧道工程施工中，地下水的作用非常活跃：本身可造成隧道涌水；可软化泥化岩石，增大围岩的变形；降低结构面的内聚力，造成不利组合岩块的塌落甚至引起大的坍方；加剧构造岩、风化岩、破碎岩、粘土砂及泥夹块石类岩溶充填物活动性，引发隧道洞内坍方、泥石流、岩溶涌突泥灾害； 隧道工程遇到的地下水类型主要有：第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水、岩溶地下水、破碎岩富水带等。第四系松散岩类孔隙水主要引起第四系松散岩类的变形坍塌；基岩裂隙水软化泥化岩石增大围岩的变形，降低结构面的内聚力造成不利组合岩块的塌落甚至引
9、起大的坍方；破碎岩富水带多造成涌水和构造岩、风化岩、破碎岩的失稳坍方、泥石流；岩溶地下水则造成隧道岩溶涌水、涌突泥等灾害。,5. 特殊岩类及其工程地质特性 5.1 构造岩 主要是指由于密集节理切割造成破碎岩体、断层错动形成的断层破碎岩、断层糜棱岩和断层泥等。密集节理切割和张性断层错动形成的破碎岩体，由于破碎块体间空隙大，破碎岩体带往往是地下水良好的富集、运移通道，同时由于破碎块体间结合力低或无结合力，极易形成坍方；而压性断层挤压错动形成的主干断层带断层泥和糜棱岩带，则具有隔水的特点，主干断层带两侧破碎岩体，尽管破碎块体间存在少量的细粒充填物，但仍具有密集节理切割和张性断层错动形成的破碎岩体所具
10、有的工程地质和水文地质特性。 5.2 软岩 按工程岩体分级国家标准，岩石单轴抗压（干）30Mpa的岩石统称为软质岩。隧道在软岩中施工的主要工程地质问题是围岩的变形。 5.3 膨胀岩土 膨胀岩是指矿物成分中含有强亲水矿物(蒙脱石、伊利石等)，遇水具涨缩性能的岩石。主要为粘土类岩石，此类岩石通常具性脆、色浅和贝壳状断口等特点。隧道施工遇此类岩土，围岩多出现大的变形问题。,5.4 盐溶角砾岩 主要指石膏、碳酸盐岩、芒硝等岩石地层在构造运动过程中由于自身性脆或地层挤压错动造成破碎而后重新胶结、半胶结或未胶结形成的角砾岩，未胶结角砾岩中多充填粘土。半胶结和未胶结角砾岩中的隧道施工，往往易出现围岩的变形坍
11、塌。 5.5 煤系地层（煤层） 煤系地层本身除了因节理裂隙发育造成围岩体岩质较软，易风化破碎易出现围岩的变形坍塌外，主要工程地质问题是煤层中所含瓦斯的富集溢出、燃烧、爆炸及煤层采掘废弃矿巷雍水的突出和回填及坍塌体的坍塌对隧道施工带来的危害。 5.6 含盐层 石膏、岩盐等易溶解，具强腐蚀性及膨胀性 上述特殊岩类，由于工程地质特殊性是隧道地质勘查调查的重点，查明其性状外，必须专门对某些特殊岩类、对其稳定性和对隧道设计和施工的影响作出评价。,6. 不同结构类型岩体变形破坏特征及主要工程地质问题 6.1 水平岩层中的隧道工程 水平岩层中的隧道工程施工，主要有厚层或巨厚层水平岩层、厚层夹薄（软）层水平岩
12、层、薄层水平岩层中的隧道工程施工。不考虑岩石中节理的影响，水平岩层中的隧道施工的主要工程地质问题是薄层状水平岩层（包括软夹层）隧道起拱线以上部分的坍方和拱顶板状坍方、厚层夹薄层中的薄层位于隧道顶部时的小板状坍方 6.2 倾斜岩层中的隧道工程地质问题 倾斜岩层特别是陡倾岩层，岩层走向与隧道轴线间交角越大，越有利于隧道的施工开挖。不考虑岩石中节理的影响，倾斜岩层中隧道工程可能施工遇到的主要工程地质问题是顺层错动破碎带围岩的稳定性、软岩的变形和失稳破坏问题和脆性岩层在边墙和拱部的张拗折坍落问题,6.3 断层中的隧道工程地质问题 压性和压扭性断层主干断层带中部多有断层泥或断层糜棱岩且具隔水特性，上盘富
13、水；张性断层主干断层带则由张裂角砾岩组成，具有良好的导水特性。 断层（断裂）及其破碎带是隧道工程施工中遇到的最常见的也是最为复杂的不良地质体之一，在断层（断裂）及其破碎带中发生的隧道洞内工程地质问有主干断层带上盘侧过饱水断层泥及破碎岩夹粘土坍塌涌泥和构造岩（动力变质岩，包括构造角砾岩、碎裂岩、糜棱岩及片理化岩）的失稳坍方和变形问题，严重地威胁隧道的施工和隧道施工人员的人身安全。 一般来说，压性和压扭性断层主干断层带中部多有断层泥或断层糜棱岩且具隔水特性，上盘富水。其主要工程地质问题是破碎围岩的变形、失稳坍方、揭穿主干断层带断层泥或断层糜棱岩进入上盘破碎带的涌水、由于过饱水致使靠上盘侧断层泥或断
14、层糜棱岩及破碎围岩稳定性极差造成的坍塌和涌泥 。,对于张性断层而言，断层（断裂）破碎岩体中很少含粘土质物质，导水性良好，隧道施工揭穿张性断层（断裂）破碎带极易发生坍方和涌水。 火成岩地区的断层（断裂）及其破碎带，往往带有构造变质现象，在断层（断裂）及其破碎带的两侧，岩体多发生蚀变；在断层（断裂）及其破碎带内，破碎岩体的蚀变则更加重了岩体的破碎，严重的如花岗岩地层中断层（断裂）及其破碎带内岩体手抓即成一把砂子，富水坍塌严重者甚至形成泥砂石流，隧道围岩无稳定性可言；蚀变的辉绿岩脉则遇水变软。早期断裂形成的碎裂岩和糜棱岩的变质和混合岩化作用的结果，则形成变质和混合岩化的碎裂岩和糜棱岩，围岩或稳定性差
15、，或变形大。,6.4 节理裂隙等结构面的不利组合及节理密集带的工程地质问题 岩层层面、节理面、断层面、岩性分界面等不连续结构面在岩体中的分布组合，有时与隧道周边一道构成对隧道围岩稳定不利的组合体。当隧道施工通过时，这些结构面的不利组合体或自动坍落，或在水及施工扰动作用诱发下坍落；有时这种结构面的不利组合体的坍落往往带来较大规模的隧道围岩坍方。 任何节理都是在一定条件下岩体受力作用产生的。受剪应力作用产生的剪节理产状稳定、节理面平直光滑、延伸较长、发育较密，易形成节理密集带。在节理密集带内，岩体一般较破碎至破碎，隧道施工穿越节理密集带时，极易发生围岩的失稳坍方。此外，强烈剪性节理密集带中的破碎岩
16、体中由于受压力作用往往含粘土等物质，不利地下水的运移，隧道施工穿越强烈剪性节理密集带中的破碎岩体一般仅见渗水而无大的涌水。受拉应力作用产生的张性节理产状不稳定、节理面粗糙不平、延伸短，积少形成节理密集带，但形成节理密集带时，极易发生隧道围岩的失稳坍方，且由于张性节理密集带破碎岩体导水性良好易发生隧道施工时的涌水。,6.5 向斜构造中的隧道工程地质问题 褶皱是岩层受力作用弯曲的产物。岩层在受力弯曲的过程中，形成向、背斜构造内部小构造，在坚硬脆性岩层中易形成纵张节理和纵（走向）断裂，在软硬相间岩层中则易形成硬岩层中的纵张节理、软岩层中的错动挤压，在向斜的核部甚至存在岩层间的滑脱现象。 向斜构造盆地往往为储水构造，其内部纵张节理和纵（走向）断裂往往具有良好的导水特性，利于大气降雨、表水和地下水向深部运移，隧道施工揭穿纵张节理密集发育带和纵（走向）断裂破碎带往往发生严重的隧道涌水灾害和围岩的变形失稳破坏。在岩溶地区，沿纵张节理和纵（走向）断裂破碎带及向斜的核部存在的岩层间的滑脱带往往是深部岩溶的强发育带；当地层中存在相对隔水层时，隧道施工揭穿纵张节理和纵（走向）断
