隧道工程第二章隧道工程地质环境及围岩分级

✓ 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；
『 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
『 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 。
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。
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。
σv＝ H σH＝μ/（1-μ）· H
λ = μ/（1-μ）为侧压力系数
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。
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。
岩体的范围：取决于工程的形状、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
1)处理系统中文界面，操作方便，程序的对比功能设置 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
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 水事故等。
➢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。
『 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。
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)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 。
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
二、围岩的分级方法 (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 国的隧道工程中得到了广泛的应用。
未经过强烈构造运动，岩层产状比较平缓时：σv=γH 构造运动强烈、岩层产状复杂的地区：多数情况为σv ＞γH
初始应力的一般特征
水平应力多为压应力，拉应力甚少。 σH与σv的关系： ① H＜500 m：σH＞σv 。 ② H＞ 1000m：σH＝σv 。 水平应力有强烈的方向性。
自重应力引起的侧限水平应力 构造应力的水平分量
『 2.2 ▎施工地质超前预报
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。
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。
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。
隧道工程第二章隧道工程地 质环境及围岩分级
『 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；
『 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果更佳。
超前钻探预报法：包括深孔水平钻探、5～8m加深炮孔探测 及孔内摄影。
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。
初始应力的一般特征
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） σv = 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。 ）
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。解译技术很关键！
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
震源和检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。
『 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ห้องสมุดไป่ตู้地质超前预报
根据坑道开挖实践，坑道开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
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 ▎施工地质超前预报
美国GSSI公司产的SIR—20型地质雷达