隧道工程地质课件

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1、隧道工程地质,地质基础知识 隧道围岩分级 隧道施工超前地质预报,地质基础知识,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。,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。,二、地壳与岩石

2、,地壳是地球的表层，是地质学、工程地质学的主要研究对象。 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。,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。,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

3、浆作用、变质作用和地震等。,（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。,（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。,（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。,（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,根劈作用,（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,（2）外力地质作用,.搬运作用

5、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。,（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。,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，叫岩浆岩，岩浆岩又称火成岩。,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

6、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,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。,2.1岩浆岩,岩浆岩代表性岩石,2.1岩浆岩,花岗岩，常肉红色、灰白色,闪长岩，灰或灰绿色,2.1岩浆岩,正长岩，肉红色或灰白色,灰长岩，灰至灰黑色,2.1

7、岩浆岩,流纹岩，灰色、灰红色、肉红色,安山岩，深灰、浅玫瑰、褐色等,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,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

8、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。,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。,2.1岩浆岩,花岗岩的球状风化,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

9、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。,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。,2.2 沉积岩,2.2.1沉积岩的物质组成 沉积岩的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。,2.2 沉积岩,2.2.2

10、 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。,2.2 沉积岩,水平岩层 倾斜岩层,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。,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

11、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。,2.2 沉积岩,223、沉积岩分类 沉积岩分为碎屑岩类、粘土岩类、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,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、

12、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。,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。,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

13、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。,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，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。,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

14、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。,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。,

15、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。,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）,2.2 沉积岩,2.2 沉积岩,岩溶形态,石芽,石林,2.2 沉积岩,溶洞,暗河出口,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

16、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。,2.3 变质岩,2.3.1 变质岩的分类 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；,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。,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。,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。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