1、第二章 隧道工程地质环境及围岩分级,2, 2.2 施工地质超前预报, 2.3 岩体的基本工程性质,隧 道 工 程 SUI DAO GONG CHENG, 2.4 围岩分级, 2.1 隧道工程地质调查与勘测, 2.2 施工地质超前预报,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。,勘测设计阶段投入所限,勘察精度不够, 导致设计与实际不符时有发生,由此造成的地质灾害给隧道施工和运营带来极大的危害；勘测设计阶段的地质预估预评价是对隧道所处地质背景的宏观把握，不可能做
2、出微观的把握；复杂长隧道的地质变化对施工方法及工期有决定性影响；,施工地质超前预报的必要性, 2.2 施工地质超前预报,作用（施工开挖）引起地质的变化只有在施工期才能显现出来；施工期需要对地质定量的评价而非定性；积累经验提高隧道施工地质超前预报准确率和水平及建立隧道工程完整地质资料的需要。,实例：日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
3、事故等。, 2.2 施工地质超前预报,断层及其影响带和节理密集带的位置、规模及其性质；软弱夹层（含煤层）的位置、规模及其性质；岩溶发育位置、规模及其性质；不同岩类间接触界面位置；采、废弃矿巷分布及其与隧道的关系；工程地质灾害可能发生的位置和规模；隧道围岩级别变化及其分界位置；不同风化程度的分界位置；不良地质体（带）的成灾可能性；隧道涌水位置、水压及水量；隧道围岩级别变化及其分布。,施工地质超前预报的内容, 2.2 施工地质超前预报,地质超前预报的方法,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。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
4、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。 最基本方法。主要根据掌子面地质条件，如岩体结构面产状及其发育状况、岩体破碎程度、岩石的变质程度等的变化趋势，结合地表地质调查结果，预报隧道掌子面前方存在的断层、不同岩类间的接触界面、隧道前方围岩的稳定性及失稳破坏形式等。它是其它隧道施工期地质超前预报方法的基础。, 2.2 施工地质超前预报,超前导坑预报法：包括平行导坑法、正洞导坑法。 利用已有隧道地质资料进行与已有隧道平行的施工隧道的地质预报，根据超前施工的平行隧道或导坑所遇地质情况推测隧道将遇到怎样的地质情况则是隧道施工期地质预报的一种重要方法，特别是当两平行隧道间距较小时预报效
5、果更佳。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。超前水平钻孔法是最直接的方法。通过钻孔钻进速度测试和钻孔岩芯的观察及相关试验获取掌子面前方岩石（体）的强度指标、可钻性指标、地层岩性资料、岩体完整程度指标及地下水状况等直接资料 。国内主要在水工隧道（洞）工程中，国外已较为普遍。不仅可以确定隧道掌子面前方地质情况，而且可以起到探水的作用。, 2.2 施工地质超前预报, 2.2 施工地质超前预报,超前水平钻探场景, 2.2 施工地质超前预报,物探方法：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
6、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。,TSP超前地质预报技术 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。, 2.2 施工地质超前预报,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
7、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。解译技术很关键！, 2.2 施工地质超前预报,首次引进的TSP202预报设备,TSP203+超前地质预报仪操作,资料处理(dispose), 2.2 施工地质超前预报,TGP12隧道地质预报系统 TGP12（SWS）仪器和处理系统是TSP系统的一种，由中铁西南院研制，比较TSP202/203， TGP12在以下方面作出了改进： 1)处理系统中文界面，操作方便，程序的对比功能设置
8、有利于分析对比； 2)处理系统有自动、手动处理两种方式，适应研究复杂隧道地质条件的需要； 3)仪器的三分量接收器在孔中采用黄油耦合，简单速度快，既经济、又少影响隧道施工的时间。 突出特点是增强高分辨能力。, 2.2 施工地质超前预报,国产TGP隧道地质超前预报系统, 2.2 施工地质超前预报,水平声波反射法 它利用孔间地震剖面法(ABSP)的原理及相应软件开发的一种超前预报方法。 其原理是向岩体中辐射一定频率的高频地震波，当地震波遇到波阻抗分界面时，将发生折射、反射，频谱特征也将发生变化，通过探测反射信号(接收频率为声波频段的地震波)，求得其传播特征后，便可了解工作面前方的岩体特征。 震源和检
9、波器的布置除离开开挖面对施工干扰较小外，还因反射波位于直达波、面波延续相位之外而不受干扰，因此记录清晰、信噪比高、反射波同相轴明显。, 2.2 施工地质超前预报,地质雷达法 地质雷达属于电磁波物探技术。电磁波通过天线向地下发射，遇到不同阻抗介面时，将产生反射波和透射波。接收机利用分时采样原理和数据组合方式，把天线接收的信号转化为数字信号，主机系统再将数字信号转化为模拟信号或彩色线迹信号，并以时间剖面的形式显示出来，供解译人员分析。 地质雷达被认为是目前分辨率最高的地球物理方法，但由于预报距离短，易受隧道洞内机器、管线的干扰，目前多用于岩溶洞穴、含水带和破碎带的探测预报。, 2.2 施工地质超前
10、预报,技术人员隧道内进行地质雷达探测,美国GSSI公司产的SIR20型地质雷达, 2.2 施工地质超前预报,红外探水法地下水活动引起岩土红外辐射强度变化，探测掌子面或洞壁四周这种变化，推测是否有水。对围岩岩体是否含水有效，但不能确定含水量大小。,地区地质分析与宏观地质超前预报。不良地质及灾害地质超前预报。重大施工地质灾害临警预报。,地质超前预报方法的应用原则, 2.3 岩体的基本工程性质,岩体（rockmass）:岩体是指在地质历史过程中形成的，由岩石单元体（或称岩块）和结构面网络组成的，具有一定的结构并赋存于一定的天然应力状态和地下水等地质环境中的与工程活动有关的地质体。岩体的范围：取决于工
11、程的形状、位置、工程类型、工程规模等。岩体与岩石的区别：岩石和岩体过去统称岩石。岩体是地壳的一部分，有结构体及结构面组成，即由各种岩石块体组合而成的岩石结构物。岩石指天然的石料，其性质取决于矿物成分、结构和构造。岩石可以看成是均质、各向同性的材料。,岩体的初始应力场(地应力)：岩体在天然状态下具有的内在应力。,岩体处于一定天然应力作用下,初始应力的来源：,自重应力,构造应力,沉积作用,固结作用,脱水作用,结晶作用,温度应力,地 震 力,水 压 力,变质作用,引起的应力,最主要,岩体处于一定天然应力作用下,目前对岩体中初始应力的大小、分布规律等特征的研究还很不够。深入研究岩体天然应力势在必行。,
12、各处岩体中初始应力大小、分布及变化情况有很大差别。,岩体中初始应力状态与地下工程的受力状态及稳定性有密切关系。,岩体处于一定天然应力作用下,根据国内外的实测资料分析、总结发现，初始应力随深度增大而增大。（最大测深已超过3000 m ，大部分测点在1000m之内。我国测点最深的500多米，一般在200 m 深度以内）v = 0.027H（MPa）（地下几十m至2700m左右的范围内，垂直应力大体上等于按岩石平均容重为2.7g/3计算。 ）未经过强烈构造运动，岩层产状比较平缓时：v=H构造运动强烈、岩层产状复杂的地区：多数情况为vH,初始应力的一般特征,水平应力多为压应力，拉应力甚少。H与v的关系
13、： H500 m：Hv 。 H1000m：Hv 。水平应力有强烈的方向性。,初始应力的一般特征,自重应力引起的侧限水平应力,构造应力的水平分量,迭加成水平应力,重力应力场：岩体由于自重形成的应力场。它是地心引力和离心惯性力共同作用的结果。,岩体处于一定天然应力作用下,v HH/（1-） H, = /（1-）为侧压力系数,构造应力目前还只能通过现场实测数值进行分析。,较复杂，对岩体稳定影响较大。最大主应力方向为垂直于构造线方向；水平分量一般大于垂直分量。构造应力一般为压应力。水平应力具有明显的各向异性,且具有很强的方向性。,构造应力场：地壳各处发生的一切构造变形与破裂都是地应力作用的结果。,岩体
14、物理力学性质的不均匀性,相同的天然岩体，其物理力学性质随在岩体中所测点的空间位置不同而差异，显现出岩体的不均匀性。,（1）结构面 结构面是指发育于岩体中，具有一定方向和延伸性以及一定厚度的各种地质界面。如断层、节理、层理及不整合面等。,结构面的成因类型,原生结构面,沉积结构面：层面、层理、沉积间断和软弱夹层,火成结构面：原生节理、流纹面、与围岩接触面,变质结构面：片麻理、片理及板理,构造结构面：劈理、节理、断层面、层间错动面等破裂结构面；断层破碎带、层间错动带等构造软弱带。,次生结构面：风化裂隙、破碎带、卸荷裂隙、泥化夹层、夹层泥等,结构面,更为常用,第四节 围岩分级,根据坑道开挖实践，坑道开
15、挖后的稳定性可分为以下几类： 1)充分稳定的 坑道在长时间内有足够的自稳能力，无需任何人为支护而能维持稳定，无坍塌、偶尔有掉块。 2)基本稳定的 坑道会因爆破、岩块结合松弛等而产生局部掉块，但不会引起坑道的坍塌，坑道是稳定的。 3)暂时稳定的 大多数坑道是属于这个类型的。坑道开挖后呈现出不同程度的坍塌现象，坍塌后的坑道呈拱形而处于暂时稳定状态。 4)不稳定的,(一)以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 在这种分级方法中，具有代表性的是前苏联普落托奇雅柯诺夫(M.Jipoctonbn Monos)教授提出的“岩石坚固系数”分级法(或称“ ”值分级法，或普氏分级法)。这种分级方法在我国的隧道
16、工程中得到了广泛的应用。 我国工程部门在将分级法应用到隧道工程的设计、施工时，已注意到必须考虑岩体的地质构造、风化程度、地下水状况等多种因素的影响，而将由单一岩石强度决定的值适当降低，即：式中 值是由岩石强度决定的， 是考虑地质条件的折减系数，一般情况下， 1.0。,二、围岩的分级方法,(二)以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 60年代，我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出了以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”，并于1975年经修正后被我国“铁路工程技术规范(隧道)”所采用。该分级法将隧道围岩分为6级 。 这类方法的优点是正确地考虑了地质构造特征、风化状况、地下水情况等多种因
17、素对隧道围岩稳定性的影响，并建议了各类围岩应采用的支护类型和施工方法。此外，这种分级法最早考虑了埋深对围岩级别的影响。其缺点是分类指标还缺乏定量描述，没有提供可靠的预测隧道围岩级别的方法，在一定程度上要等到隧道开挖后才能确定。,三、与地质勘探手段相联系的分级方法,围岩弹性波速度是判断岩性、岩体结构的综合指标，它既可以反映岩石软硬，又可以表达岩体结构的破碎程度。因此，在弹性波速度基础上，综合考虑与隧道开挖及土压有关的因素(岩性、风化程度、破碎状态、含水及涌水状态等)，将围岩分为7级。 我国1986年施行的“铁路隧道设计规范”中将弹性波(纵波)速度引入隧道围岩分级中，将围岩分为6级(表4-4)。,
18、表4-4 弹性波(纵波)速度分级,(四)以多种因素进行组合的分级方法 这种分级法认为，评价一种岩体的好坏，既要考虑地质构造、岩性、岩石强度，还要考虑施工因素，如掘进方向与岩层之间的关系、开挖断面的大小等，因此就需要建立在多种因素的分析基础之上。 在这类分级法中，比较完善的是1974年挪威地质学家巴顿(N.Barton)等人所提出的“岩体质量Q”分级法。Q与六个表明岩体质量的地质参数有关，表达如下：,根据不同的Q值，将岩体质量评为九等，详见表4-5。,表4-5 岩体质量评估,(五)以工程对象为代表的分级法 这类分级法如专门适用于喷锚支护的原国家建委颁布的围岩分级法(1979年)、苏联在巴库修建地
19、下铁道时所采用的围岩分级法(1966年)等，优点是目的明确，而且和支护尺寸直接挂钩，因此，使用方便，对指导施工很起作用。,三、我国现行铁路隧道围岩分级方法我国现行的铁路隧道设计规范明确规定，目前铁路隧道围岩分级采用以围岩稳定性为基础的分级方法。, 围岩分级的基本因素及围岩基本分级1、围岩分级的基本因素 围岩基本分级应由岩石坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素确定。岩石坚硬程度和岩体完整程度应采用定性划分和定量指标两种方法确定。,岩石坚硬程度划分为极硬岩、硬岩、较软岩、软岩和极软岩等5类（表2-4-1）,表2-4-1 岩石坚硬程度的划分,岩体完整程度划分为完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等5类(
20、表2-4-2)。,表2-4-2,2、围岩基本分级,根据岩石坚硬程度和岩体完整程度将围岩分为6级(见下表)。, 围岩分级的影响因素及分级的修正1、地下水 在隧道围岩分级中水的影响是不容忽视的，在同级围岩中，遇水后则适当降低围岩级别。降低的幅度主要视：围岩的岩性及结构面的状态；地下水的性质、大小、流通条件及对围岩浸润状况和危害程度而定。本围岩分级中关于地下水影响的修正参照表2-4-4和表2-4-5。,表2-4-4 地下水状态的分级,表2-4-5 地下水影响的修正,2、初始应力场 围岩的初始应力状态对岩体的构造一力学特征是有一定影响的。因此，围岩分级中考虑了初始应力状态的影响，将初始应力场采取修正系
21、数的方法，对围岩级别予以降级(表2-4-6和表2-4-7)。,表2-4-6 初始地应力状态评估,表2-4-7 初始地应力影响的修正,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,（二）公路隧道围岩分级,（1）初步分级相当于铁路的基本分级依据：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（岩石单轴饱和抗压强度） 岩体完整性Kv（岩体完整性系数）,BQ=90+3Rc+250Kv,当Rc90Kv+30时：以Rc=90Kv+30和Kv代入计算BQ值；当Kv0.04Rc+0.4时：
22、以Kv=0.04Rc+0.4和Rc代入计算BQ值。,围岩基本质量指标：,当无Rc值时，可采用点荷载强度来换算：,点荷载强度指标试验是布鲁克和弗兰克林1972年发明的，是一种最简单的岩石强度试验。点荷载强度试验的设备比较简单，小型点荷载试验装置由一个手动液压泵、一个液压干斤顶和一对圆锥形加压头组成。,小型点荷载试验装置是便携式的，可带到现场试验，这是点荷载试验能够广泛采用的重要原因。大型点荷载试验装置的原理和小型点荷载试验装置的原理是相同的，只是能提供更大的压力，适合于大尺寸的试件。点荷载试验的另一个重要优点是对试件的要求不严格，不需要像做抗压强度试验那样精心准备试件，最好的试件就是直径为251
23、00 mm的岩芯，没有岩芯时，不规则岩块也可以。,点荷载强度指标：,ISRM（国际岩石力学学会）将直径为50 mm的圆柱体试件径向加裁点荷载试验的强度指标值IS(50)确定为标准试验值，其他尺寸试件的试验结果需据进行修正。,岩石单轴饱和抗压强度：,（2）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：,BQ=BQ 100（K1+K2+K3）,K1地下水影响修正系数；K2主要软弱结构面产状影响修正系数； K3初始应力状态影响修正系数。,地下水影响修正系数K1,K1地下水影响的修正,K2软弱结构面产状影响的修正,软弱结构面是力学强度明显低于围岩，一般充填有一定厚度软弱物质
24、的结构面。如泥化、软化、破碎薄夹层等。由于结构面产状不同，与洞轴线的组合关系不同，对隧道工程围岩稳定的影响程度亦不相同。,主要软弱结构面产状影响修正系数K2,成层岩体、层面性状较大，为陡倾角，且走向与洞轴线夹角很大时：,对岩体稳定性影响较小；,容易发生沿层面的过大变形，甚至发生拱顶倒塌或侧壁滑移。,倾角较缓，且走向与洞轴线夹角较小时：,K3初始应力状态影响的修正,岩体初始应力对地下工程岩体稳定性的影响很大。根据岩石强度与初始应力之比来判定：岩石强度与初始应力之比大于一定值时，可以认为对洞室岩体稳定不起控制作用；当这个比值小于一定值时，再加上洞室周边应力集中的结果，对岩体稳定性或变形破坏的影响就
25、表现得显著；,初始应力状态影响修正系数K3,BQ=BQ 100（K1+K2+K3）,公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规范将隧道围岩分成六级，分别是、，数字越小的围岩性质越好。,（3）围岩分级,我国铁路隧道围岩分级方法的不足之处,分级档数偏少整体上还处于半定量的阶段 勘探地质阶段准确度很难做到100%，很多地质的认定工作是在施工阶段，在施工阶段对地质的定级的具体法人定量时就存在争议，各个的出发点不一样，有一些希望它偏高，一些希望它偏低，造成这样的争议性的是因为它还存在着过多的定性的，根据认为因素就会进的。没有考虑围岩的地质结构特征等因素 构造特征跟隧道断面的相互关系，同样是沉断岩层，
26、水平、倾斜、竖直的结果是不一样的，这一块没有细化对于土质围岩没有明确的方法体系 特殊地质和不良地质，挤压变形的问题，可能是四级也可能是五级，由于应力强度比比较低，同样是五级围岩，在施工的时候需要强大的支护、更特殊的方法，在施工的时候产生更大的变形，施工的时候带来的问题、施工的时候需要的投入更大，这样的问题作为一种特殊的情况并没有区别开来，另外还有一些湿陷性黄土、膨胀岩等等。修正方法存在问题,改进方案：将岩体结构类型纳入分级标准中，并增加部分亚级。分级原则：（1）在隧道围岩分级中考虑围岩地质类型和变形破坏机理。（2）结合工程实际，可将 级围岩各分出23个亚级。（3）增加土质围岩的分级。针对一些不良地质和特殊地质编制对应的围岩分级规范。（4）围岩基本分级指标体系的确定，应适当考虑设计阶段和施工阶段获取基础地质资料的难易程度，但要保证两阶段分级指标体系的一致性与继承性。,思考题何为围岩，围岩分级的意义？围岩分级的指标有哪些，如何选择?,
