环境管理_隧道地质环境围岩类别分级与不良地质现象概述

隧道地质环境围岩类别分级与不良地质现象 中交路桥科技有限公司 隧道工程的地质环境 围岩类别与不良地质现象 1隧道工程地质环境的相关概念 2隧道围岩的工程性质 4隧道围岩类别分级 3围岩的稳定性 内容 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 1主要相关概念 地下结构 支护结构 周边围岩 地层 围岩稳定性 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 地上结构 地下结构 地下结构与地上结构的对比 约束 约束 位于岩土体以上 位于岩土体以内 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 地下结构与地上结构的对比 隧道是一种结构体系 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 隧道是一种地下结构体系 隧道是地下工程的一种主要形式 地下结构 地层是地下结构承载的主体 用于约束地层 限制变形和坍塌 地层是地下结构荷载的主要来源 地层起主导作用 地质勘探 地形线路勘测 地质预报 施工 重要理念 围岩对支护结构有嵌固作用 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 是地层的一部分 是隧道开挖后对其稳定性产生影响那部分岩 土 体 或隧道开挖影响的那部分岩体 在隧道开挖和支护过程中 围岩将产生应力重分布 其性质也发生变化 围岩的边界 开挖引起的应力变化可以忽略不计的地方 围岩 围岩是直接影响隧道稳定性的因素 围岩的好坏直接影响隧道的设计施工及造价 约为6 10倍隧道直径 说明 围岩既指岩体也指土体 围岩相关内容 地层 围岩与隧道的关系 地层 隧道 围岩 6 10 D 隧道工程的地质环境 1地质环境相关概念 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 2隧道围岩的工程性质 围岩的工程性质 岩体的变形特性 岩体的强度 岩体结构分类 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 围岩的工程性质 断层面 层理面 节理面 裂隙面等 岩体概念 被结构面切割的块体 由结构面和结构体组成的具有结构特征的地质体 岩体力学性质取决于岩体结构特征和结构面特性 地下水对岩体力学性质影响很大 岩体性质 容重 节理产状等 溶水性 透水性和持水性等 抗拉 抗压 抗剪强度等 对围岩稳定性影响最大的是力学性质 围岩抵抗变形和破坏的性质 了解岩体的工程性质 有助于理解隧道围岩稳定性 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 层理面 断层面 节理面 断层带中软弱夹层 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 自然界中的岩体 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 自然界中的岩体 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 岩体与岩石 围岩的工程性质 岩体力学性质获取 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 岩体的变形特性 1 岩体的变形特性 2 受压变形 问题 岩体能受拉吗 受拉 受压 剪切 流变 岩石 线性 弹性 岩体 弹塑性体 四个阶段 软弱结构面 非线性 塑性 岩体既不是简单的弹性体 也不是纯粹的塑性体 完整性好 接近弹性体 而是复杂的弹塑性体 破裂和松散 接近塑性体 有限 一般不考虑 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 典型岩体全应力应变曲线 岩体 压密阶段 OA 弹性阶段 AB 塑性阶段 BC 破裂和破坏阶段 CD 峰值强度高 软弱结构面 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 3 剪切变形 岩体的变形特性 沿结构面滑动 结构面起主导作用 沿岩石断裂 岩石起主导作用 在结构面的影响下沿岩石剪断 介于上述二者之间 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 4 流变特性 流变 岩体的变形或应力随时间而变化 时间效应 岩体的变形特性 蠕变 指应力不变 而应变随时间增长 松弛 应变不变 而应力随时间而衰减 问题 围岩流变特性对隧道的影响 应变 应力 t t 0 0 应变 常数 应力 常数 蠕变曲线 松弛曲线 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 岩体的强度 1 岩石强度 通过试件获得 2 岩体强度 低于岩石强度 约为岩石强度的70 80 抗剪强度 受结构面的制约 结构面发育的岩体 只有抗压的5 10 抗压强度 岩石 受微裂隙制约 强度大 岩体 受结构面制约 强度小 具有各向异性 岩体结构分类 岩体的结构 不同块度 形状 产状的结构体构成不同类型 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 隧道工程的地质环境 2围岩的工程性质 岩石试验 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 研究围岩稳定性的意义 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 围岩失稳破坏性态 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 答 研究围岩的稳定性 如何促使围岩稳定 研究围岩稳定性的意义 围岩的稳定性 隧道开挖后 在不支护条件下围岩的稳定程度 问题 什么是隧道工程的头等大事 围岩级别的工程应用 判断围岩稳定性判断施工难易程度 投资依据结构分析计算的依据 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 两大类 地质因素 客观因素 人为因素 主观因素 工程因素 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 破碎程度 裂隙率 裂隙间距 裂隙是广义的 包括层理 节理 断裂及夹层等结构面 完整状态 整块状 大块状等 岩体结构特征 指岩体的破碎程度或完整状态 按这2个指标 1 地质因素 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 岩体的破碎程度或完整状态 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 性质1 结构面的成因 2 结构面的光滑程度 3 结构面的物质组成 4 结构面的规模 5 结构面的密集度 空间组合指结构面的相互位置状态 结构面性质和空间组合 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 充分认识岩体的复杂性及危害性 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 节理较发育 张家界图 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 主要指岩石的单轴饱和极限抗压强度Rb 岩石强度越高 隧道越稳定 岩石的力学性质 初始应力是隧道围岩变形 破坏的根本作用力 已初步将初始应力考虑进围岩分级之中 在高的初始应力场条件下 围岩级别应适当降低 4 围岩的初应力状态 软化围岩 减少层间摩阻力促使岩块滑动 具膨胀性的围岩 遇水后产生膨胀等 地下水的影响 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 影响围岩稳定性的因素 2 人为因素 1 坑道尺寸和形状尺寸 跨度越大 围岩稳定性越差形状 圆形或椭圆形围岩以压应力为主 利于围岩稳定性矩形或梯形 顶板处的围岩出现拉应力 不利于围岩稳定性 2 支护结构类型强支护 在软弱 松散围岩条件下利于围岩稳定性 在膨胀性 挤压性 围岩条件下支护受力较大 弱支护 在软弱 松散围岩条件下不利于围岩稳定性 在膨胀性 挤压性 围岩条件下利于释放变形 减轻支护受力 3 开挖方法普通爆破法 控制爆破法 盾构及掘进机法 全断面一次开挖 小断面分部开挖等对围岩稳定性有不同的影响 隧道形状和尺寸 支护结构类型 施工方法 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 隧道围岩失稳破坏形态 1 脆性断裂整体状 块状岩体 岩性坚硬 局部掉块 岩爆 2 块状运动块状或层状岩体 块体向临空面运动 趋势 3 弯曲折断破坏洞顶层状岩体 下沉弯曲 断裂 变墙侧向鼓出弯曲变形 折断 4 松动解脱碎裂结构岩体 在各种作用下松动 溃散 脱落 5 塑性变形和剪切破坏碎裂岩体 在较多软弱结构面下 产生塑性变形和剪切破坏表现 塌方 边墙挤入 底鼓 洞径缩小等 膨胀性围岩表现 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 隧道围岩失稳破坏形态 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 隧道围岩失稳破坏形态 隧道工程的地质环境 3围岩的稳定性 岩体的结构性导致的破坏 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 概述 4隧道围岩分级 隧道围岩分级方法 我国现行的隧道围岩分级 隧道围岩分级概述 1 概念 围岩分级 根据岩体的若干指标 一个或几个 按照稳定性将围岩 无限岩体 分成不同的级别 有限 将稳定性相似的围岩划分为一级 2 工程目的 1 结构设计依据 2 施工方法依据 3 工程造价依据 3 发展过程 早期 仅岩石强度 现在 综合多种因素 如岩体构造 岩石强度 RQD指标等 开挖后稳定程度 充分稳定基本稳定暂时稳定不稳定 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 4 围岩分级考虑的因素 隧道围岩分级方法 3个基本因素 岩性 抗压强度 弹性模量 弹性波速等 地质构造 岩体完整性或结构状态 地下水 地下水发育时 围岩级别应降低 1个附加因素 初始地应力 适当考虑 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 一 以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 隧道围岩分级方法 1 以岩石强度为基础的分级法代表 土石分类法 坚石 次坚石 松石 土2 以岩石物性指标为基础的分级法代表 岩石坚固性系数 f值 分级法 普氏法f值 一个综合的物性指标值 如岩石的抗钻性 抗爆性 强度等但核心还是岩石强度 代表 泰沙基法 考虑围岩的完整状态和岩性 共9级 我国交通隧道围岩分级法 借鉴泰沙基法 考虑岩体综合物性 共6级 二 以岩体构造 岩性特征为代表的分级方法 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 弹性波速分级法 波速是反映岩性与岩体结构的一项综合指标 波速越高 围岩越好 三 与地质勘探手段相联系的分级方法 隧道围岩分级方法 岩石质量指标 RQD指标也是反映岩性与岩体结构的一项综合指标 RQD指标的具体含义为岩芯复原率 代表 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 隧道围岩分级方法 岩芯 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 组合了6个参数 岩石质量指标RQD节理组数目Jh节理粗糙度Jr 四 组合多种因素的分级方法 隧道围岩分级方法 岩体质量分级法 巴顿等人提出的 岩体质量 Q 分级法 表达如下 代表 节理蚀变值Ja节理含水折减系数Jw应力折减系数SRF 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 1 历史沿革 岩体综合分类 60年代 成昆线 五类 隧道围岩分类 74年版 首部铁路隧道规范 六类 隧道围岩分类 86年版 加入围岩弹性波速指标 隧道围岩分级 99年版 采用国标分级排序 改称 围岩分级 六级 隧道围岩分级 2001年版 不变 隧道围岩分级 2005年版 不变 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 岩石坚硬程度 围岩完整状态 2 分级的理论基础 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 以围岩的稳定性判断为基础 属于 以岩体构造和岩性特征为代表 的分级方法 主要考虑4种因素 地下水 围岩初始地应力 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 3 基本分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 依据 围岩主要工程地质条件 由两条组成 岩石坚硬程度软硬岩分界指标 抗压强度 30MPaRb 30硬岩5 Rb 30软岩Rb 5极软岩 围岩完整程度指标1 结构面发育程度指标2 地质构造影响程度由此两指标 将岩体完整程度分为5个级别见下表 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 岩体完整程度的划分 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 围岩结构面发育程度划分 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 围岩受地质构造影响程度等级划分 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 6 修正分级 地下水修正地下水的3种处理方法 分级时按无水考虑 而是根据地下水的状态 适当降低围岩等级 1 2级 分级时按有水考虑 当确认围岩无水则提高围岩等级 直接将地下水状况 水质 水量 流通条件 静水压力等 作为一个分级指标 4 铁路隧道围岩分级表基本分级 围岩弹性纵波速 铁路隧道围岩分级表 给出了单线隧道围岩开挖后的稳定状态 尚未考虑地下水和地应力 5 特点 地下水修正地应力修正 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 地下水状态的分级表 铁路隧道分级按第1种方法处理 地下水影响的修正 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 初始地应力 6 修正分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 初始地应力影响的修正 6 修正分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 一 铁路隧道围岩分级 6 修正分级 两点说明 设计阶段 采用修正后的围岩分级 施工阶段 根据实际情况 进一步判定围岩分级 依据仍然是 岩石坚硬程度围岩完整状态地下水初始地应力 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩分级 铁路隧道围岩基本分级 铁路隧道设计规范 我国现行的隧道围岩分级 二 公路隧道围岩分级 初步分级 相当于铁路的基本分级 推出围岩基本质量指标BQ 90 3Rc 250Kv 依据 围岩主要定性特征该特征由两个基本因素组成 岩石坚硬程度Rc 即强度 岩体完整性Kv 即弹性波速 详细分级 相当于铁路的修正分级 修正BQ值 当有以下3方面影响时 应予修正 地下水K1 软弱结构面 比铁路多此条 K2 高初始地应力K3 BQ 修正BQ值 BQ 100 K1 K2 K3 K1 K3各值可查公路隧道规范附录A 0 2 1 A 0 2 3 公路围岩分级表 指标 围岩主要定性特征 BQ值 或 BQ 值 当需要修正时 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 二 公路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 公路隧道围岩分级 公路隧道设计规范 我国现行的隧道围岩分级 二 公路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 二 公路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 我国现行的隧道围岩分级 二 公路隧道围岩分级 隧道工程的地质环境 4隧道围岩类别分级 不良地质中隧道检测的一般原则 充分利用各种手段和方法 尽可能准确掌握不良地质的情况 根据掌握的不良地质情况 制定相应的检测方案和处理措施 随着施工揭露地质 并根据施工安全性和支护措施的效果 及时修正检测方案 保证检测工作安全和隧道质量 隧道工程不良地质现象 一般原则 在隧道工程中 往往会遇到断层破碎带 富水软岩及大量涌水地段 这些地段往往不是单独出现 不少情况是同时存在的 因此三者之间既有联系 又各有特点 其也是既有共性 又各有侧重 隧道工程不良地质现象 1富水断层破碎围岩 断层破碎带是常见的不良地质段 断层带内岩体破碎 呈块石 破碎或角砾状 甚至呈断层泥 岩体强度低 围岩自稳能力差 施工困难 其施工难度取决于断层的性质 断层破碎带的宽度 填充物 含水性和断层本身的活动性以及隧道轴线和断层构造线方向的组合关系等因素 一 断层破碎带 隧道工程不良地质现象 1富水断层破碎围岩 富水断层破碎围岩概况 一 断层破碎带 隧道中线与断层带的位置 富水断层破碎围岩概况 富水软岩是指各类土质 软岩 极严重的风化的各种岩层 极软弱破碎的断层带以及堆积 坡积层 在富含地下水的情况下 岩体强度很低 自稳能力极差的围岩 施工难度极大 俗称 烂洞子 二 富水软岩 隧道工程不良地质现象 1富水断层破碎围岩 大量涌水也是常见的不良地质现象 在雨量充沛和地下水丰富的地区 隧道穿过断层破碎带 裂隙密集带 不同岩层接触带或岩溶发育地段时 施工中往往会发生地下水和承压水大量涌出的现象 三 大量涌水 隧道工程不良地质现象 1富水断层破碎围岩 三 大量涌水 乌鞘岭隧道7号斜井洞内涌水 隧道工程不良地质现象 1富水断层破碎围岩 概念 膨胀岩是指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成 同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土 决定膨胀性的亲水矿物质主要是蒙脱石粘土矿物 一 膨胀岩概念 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 膨胀岩判别标准 一是间接反应岩石膨胀指标 二是定量反应岩石膨胀力学指标 一 膨胀岩概念 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 膨胀岩分级 按膨胀性的大小进行分级 一 膨胀岩概念 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 由于膨胀性岩层所具有的特征 在隧道开挖后不久即产生膨胀性压力 往往发生如下一些现象 风化迅速 挖出的土石块很快酥散 坑道顶部及两侧常被挤压 底部隆起 随着时间的增长 支撑 衬砌往往发生严重的变形或破坏 二 膨胀岩对隧道的危害 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 围岩普遍开裂洞室下沉围岩膨胀突出和坍塌隧道底部隆起衬砌变形和破坏 二 膨胀岩对隧道施工的危害 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 隧道工程不良地质现象 2膨胀岩 挤压性围岩是高地应力作用下的软岩 挤压性软弱围岩在高地应力作用下发生挤压大变形及破坏的特征不仅受围岩本身力学性质的影响 还与初始应力场状况及工程因素有关 一 概念 隧道工程不良地质现象 3挤压性围岩 变形量大变形速率快变形持续时间长 二 挤压性围岩隧道变形特征 隧道工程不良地质现象 3挤压性围岩 隧道工程不良地质现象 3挤压性围岩 1 黄土及其分类 概念 概念 在干燥气候条件下形成的一种具有褐黄 灰黄或黄褐等颜色并具有针状大孔 垂直节理发育的特殊性土 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 1 黄土及其分类 分类 黄土按形成年代分 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 黄土按其物理性质分 1 黄土及其分类 分类 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 2 黄土地层对隧道施工的影响 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 2 黄土地层对隧道施工的影响 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 黄土坍塌 隧道工程不良地质现象 4黄土隧道 我国是碳酸盐分布极广泛的国家 覆盖及出露的碳酸盐总面积约占我国领土面积的1 5 在岩溶地质地区形成的各种溶蚀形式中 对隧道工程影响严重的主要是溶洞和暗河 本次主要介绍岩溶地质最常见的溶蚀形式和对隧道工程影响最严重的溶洞问题 隧道工程不良地质现象 5岩溶地质 溶洞 karstcave 是以岩溶水的溶蚀作用为主 间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本沿水平方向延伸的通道 溶洞一般有死 活 干 湿 大 小几种 死 干 小的溶洞比较容易处理 而活 湿 大的溶洞处理方法则较为复杂 一 溶洞的类型 隧道工程不良地质现象 5岩溶地质 当隧道穿过可溶性岩层时 有的溶洞岩质破碎 容易发生坍塌