工程地质在隧道工程中的应用

工程地质在隧道工程中的应用学号：班级：期末论文____________________________________________________________前言工程地质是隧道工程的基础。在隧道勘测设计中,通过各种手段,查明隧道工程地质情况,选出合理的洞位及洞口,乃是多快好省地修建隧道的重要前提。隧道工程就地质而言,可分为一般地质及特殊地质。前者对隧道工程影响较小,后者对隧道工程影响很大。所以,隧道地质工作的重点,应着重于特殊地质。一、河岸阶地在河流中,由于地层隆起,致使河流侵蚀,下切力增大,从而形成了新的峡谷。旧河床高出新河床,旧河床面被碎石或砂砾层所堆积,呈平坦状,称之阶地(图1)。阶地地层松散易坍,当隧道穿过该层时,易引起坍塌或地面沉陷。因此,在洞位选择中,应尽量绕避,当平面移动确有困难时,在立面上,尽量把洞位置于阶地下面的基岩上(图2)。切忌洞位放在堆积层与基岩接触面处。如国外田泽隧道,隧道位置正选在阶地上,开挖后,曾引起数次大坍方,死伤十余人。又如八个口隧道,洞位置于阶地与基岩接触面处,施工时引起连续坍塌,压坏了导坑,给施工带来了困难,被迫把线路改至花岗岩内通过。再如大平隧道,洞位设在接触面处(图3)。由于隧道两端线路控制,只好按原定位置施工。开工后,地面开裂,地表下沉, 支撑被压弯。当时采取了环框支撑加固导坑和步步为营的施工方法,才免遭事故。我国包兰线,兰银段xx隧道,洞身穿过阶地下面的花岗岩,洞口在卵石及砂粘土的阶地地层中通过,施工中,遭到了坍方,延长了工期,增大了衬砌厚度。二、风化层地表或地表附近的岩层,受日晒、冻结等影响,使地层遭到急剧的温度变化,造成了矿物膨胀率不同,削弱了粒子间的粘着性而造成颗粒间的分离,这就是物理的分离作用。另外,分离停止后,岩石中的空隙充填着空气中的氧和二氧化碳,雨水侵入空隙后,氧化、盐酸化和氢氧化等作用使岩石分解,这就是化学分解作用。一般地说两者是伴随着进行的。由于物理的分离和化学的分解作用,使岩体原来的完整性遭到破坏,失去其原来的性质,这就是风化作用的结果。不论是物理作用还是化学作用的风化过程都遵循如下方式进行,即:基岩,岩块今砾石、砂、粘土。有的完成全过程,有的完成部分过程。在风化层中修建隧道,常常招致衬砌变形或开裂,重者可使隧道破坏。因此在洞位选择中首先要弄清风化层范围、深度及可能对工程带来的危害,严重风化地层应予绕避。国外关门隧道风化层深竟达45米,施工后被迫加强了衬砌。胁川隧道,是花岗岩地层,表层是已经风化了的表土。开工后,由于地层松弛而引起滑坡,结果,靠近口30米左右,洞身坍塌,地表下沉,已完衬砌,外侧开裂,最后改用偏压断面加强(图4)。内加卷隧道,地表是页岩风化层,施工中坍方,活埋了15人,幸被抢救而脱险(图5)。我国吉舒线xx隧道,全长283.15米。隧道恰好位于分水岭,地层为伟晶花岗岩,风化颇重,风化层厚度约50米,尤其地 表5米卜风化更甚。衬砌拱圈及边墙上的裂缝比比皆是,改建后加强了衬砌。图（4）上—平面下—断面图（5）上—平面下—断面三、断层断层就构造来看属于二次构造。地层由于构造作用,破坏了地层的连续性,沿裂面产生显著的相对位移,叫做断层。断层就其历史而言,曾经活动过的叫做活断层,对此,必须避开。对一般断层,也应尽量绕避,如避开确有困难,应使线路中线与断层走向直交或近于直交,以减少对隧道的影响范围。切忌线路中线与断层走向平行或近于平行。断层的出现,常常伴随着地下水涌出,对隧道威胁极大。由此而引起的坍方、坑道变形、衬砌开裂、支撑压坏折断的例子,不胜枚举。如国外的清水隧道上合口,恰好放在断层上,施工中大量地下水涌出,被迫停工,后来开挖了引水导坑,将水引离,断层干涸后才复工继续开挖。又如向山隧道,洞位基本平行于断层走向,招致衬砌到处变形,交付运营后,虽经十余次的加固,均未制止变形的发展,终于被迫改线(图6)。又如谷田隧道,地质为蛇蚊岩。洞位基本平行于断层走向。不少的小断层横穿线路。施工中,连续出现坍方事故。因坍方而死亡的多达13人。坍空高度为6.06米。就地貌来看,属于发达的断层谷(图7)。图（6）图（7） 上—平面下—断面上—平面下—断面我国的西北地区略鱼线xx隧道,洞位选在断层上,引起施工坍方及衬砌开裂。西南川黔线火x隧道北口一段线路平行于断层走向,施工中招致较大的山体压力,导坑支撑被压坏,衬砌裂缝多处,给施工带来了极大的困难(图8)。西北区镜铁山支线x号洞铁端洞口线路中线与断层走向成30。夹角,断层上盘为石炭纪的页岩,下盘为古生代的石英质绿泥片岩,断层泥呈煤炭层,被石英岩脉贯穿,断层带内有岩浆岩的侵入体。施工中因停工待料而坍方。长达21米的衬砌被砸坏。处理坍方竟达10万元之多,延长工期达半年之久。西北宝天线xx火隧道约20米长线路平行断层走向,因过大的山体压力,引起导坑支撑折断,衬砌开裂,其中20米吏为严重,拱圈发生严重变形,裂缝宽达5厘米裂通全拱,为施工带来了极大的困难。西南2102线北段欠x隧道,除进口一段在石灰岩中外,其余洞身全部位于断层带中,开工后,发现地层异常复杂,施工极为困难,被迫报废J一30余米隧道,避开了断层带。图（8）川黔线某隧道四、褶曲地层岩层受构造形响,产生水平变形,呈弯曲状。但其连续性未遭到破坏,谓之褶曲。褶曲是褶皱构造的基水单元。由于构造力的影响,地层比较破碎松软,巨节理发达。特别是向斜层,最易引起崩坍。在选线中对于向斜层及千枚岩以及粘板岩等地层的褶曲层, 应予避开。因为千枚岩及粘板岩地层石墨化后形成滑面,易引起滑坍。例如跨越瑞士及意大利两个国家的辛普伦隧道,位于千枚岩的褶曲层,隧道恰好穿越向斜层,施E中招致较大的山体压力,引起了洞内坍方,导坑变形图（9）。又如日本的坊子隧道,隧道选在千枚岩向斜褶曲地层,施工中山体压力很大,曾多次发生坍方及导坑变形。西南地区2102线火只刘遂道,全部位于砂页岩互层中,地下水发育。出口端位于褶曲地层中。岩层破碎,节理发育。洞身穿过向斜一3一层及背斜层,施工中支撑断裂,导坑变形,衬砌开裂与下沉,报废了40米隧道,增大了投资,延长了工期,是2102线北段有名的复杂工程之一。图（9）辛普伦隧道五、岩堆悬崖及陡坡上部,由于物理风化作用或结合力减弱而崩坍,岩块滚落下来,堆积在坡脚,呈圆锥状,叫做岩堆。岩堆是不间断地缓慢移动而成的,一般细粒度的少,而粗粒度的多,在河谷比较常见。对于这样的地貌,当隧道通过时,极易引起崩坍、偏压及衬砌开裂。洞位选择时,切忌图101的位置,放在图101的位置比较理想。形成岩堆的地貌,一般为32。左右,上陡下缓,根据阿尔卑斯山脉的调查结果(表1)可以证明这一点。岩堆引起隧道崩坍的例子也是不少的,如日本太宗郎四号隧道,就是在岩堆中。导坑开挖后,发生连续的大坍塌,坍体堵塞了坑道,后来只好将线路改在靠山侧通过。日本树川隧道在选线中,为避开雪崩忽略了岩堆,洞位正好放在岩堆中,给施工带来了极大困难。我国西北703线xx段的某隧道,原洞位放在岩堆中,经现场调查落实确认后而改线绕避。 图（10）六、滑坡坡面上的岩体或土层,由于岩性、构造、水文、人工开挖等因素,使坡面地层失去平衡,滑而上的岩(土)层脱离了母岩,沿滑面而下徐徐移动,这种现象叫做滑坡。上述造成滑坡的原因中,最主要的因素是水文条件,由于水的作用,在松软面上形成了光滑面,促使岩(土)体下滑。滑坡就地貌来看,如图n所示,滑体上部,因下滑沉陷而形成滑坡崖,滑体下部受压而隆起,因此造成等高线不规则的疏密度。由于滑体下滑,使上部受拉,中部受剪,下部受压。滑坡一般多出现在河谷两岸。对隧道威胁极大,在选择洞位时应予绕避,否则应将洞位置于滑坡体下部通过,以策安全。滑坡体易引起洞内坍方,使导坑及衬砌承受较大的山体压力,常常造成导坑支撑变形及衬砌开裂的病害。如龟之獭隧道,穿过滑坡体,引起衬砌开裂和地面下沉。我国宝成线xxx隧道,勘测中只钻了两个孔,未测到滑坡,施工后,地层顺粘土薄层滑动,堵塞了洞口,托梁被推断,造成施工中的困难并带来了衬砌开裂的病害。又如张家川专用线x丫隧道长约470米,进口洞顶是一滑坡体,滑体距洞顶只有4~5米,洞身位于风化破碎的花岗岩及片麻岩地层中,其上部为中等密实的碎石土壤,再上为黄土质砂粘土,见图12。图（11）滑坡图（12）七、崩坍山体的表层,部分岩体,由于暴雨、地震、地表水、冻结等因素,使部分地层失去平衡,突然,顺坡面向下倾斜、崩落、翻滚、弹跳等, 堆积于坡脚,叫做崩坍。一般大规模崩坍称之为山崩,小范围的掉块叫做剥落或坠石。崩坍一般出现在峡谷陡坡地段上。我国西北、西南地区经常出现崩坍现象。崩坍的原因详表2所示。日本幌加内隧道口附近,地层为蛇纹岩,施工中多次崩坍,致使施工无法进行,后改线通过。大极子隧道口是一崩坍体,地质为软凝灰质砂岩,含有地下水,开挖后数次崩坍。土赞线北线猫坊附近是一缓斜坡的崩坍体,通过试钻及地貌调查,确认该段为绿泥片岩,因断层的影响,全部变为岩粉而崩坍,坍体堆积于坡脚,后来改线从对岸通过(图13)。土赞线南线在穴内及日蒲个一带,地质为绿泥片岩及云母片岩风化层。由于风化而引起崩坍。前者改线,从对岸通过(图14)。后者延长隧道而避开(图15)。我国1101线x火隧道穿越崩坍体,施工后引起崩坍,造成拱圈挤裂。天兰线丫二公里隧道,因崩坍将20米明洞砸坏。图（13）图（14）图（15）隧道九、软岩地层就岩性讲,岩体可分为硬岩及软岩。软岩承载力小于2.0~3.0公斤/厘米2的,多属岩、凝灰岩及古老的软质片岩。这类地层除承载力低之外,遇水易膨胀。施工中除对地层予以加固外,还要采取相应的结构措施,以保证施工及运营的安全。英国最西部的沃克司隧道,由于地层中粘土的膨胀,在施工中衬砌与地层间空隙约15厘米全部被地层膨胀所充填,英国的费里清尔隧道是泥灰质粘土层,施工后由于接触大气膨胀而剥落, 土压极大,将坑道中35一40厘米的支撑料压断。膨胀力的大小,随洞位的不同部位而异,一般在洞口附近,拱顶压力比较大,隧道中间埋藏较深的,边墙压力比较大。德国的米尔史布哥隧道全长1158米,地质为石灰岩、红砂岩及杂色砂岩,并伴随着玄武岩脉侵入体。在施工中,一般地层压力都很小,但在红砂岩中,因含水,开挖暴露后风化分解,同时膨胀,地压很大,仅在几小时之内,支撑连续不断地折断,被迫在红砂岩地层内,全部增设了仰拱。与此相反在杂色砂岩内,儿乎感觉不到地压。又如德国的浩区司吹式隧道,地质为含水坊姆,全长523米是最恶劣的膨胀性地层,一般的施工方法无法进行,后改为盾构法施工。我国梅七线xx隧道,地质为砂页岩互层,遇水膨胀,使衬砌开裂。兰青线xx隧道,地质为炭质页岩遇水膨胀,压坏了衬砌而坍方。日本折渡隧道,地质为油母页岩,施工中地层膨胀,招致导坑及扩大的变形,后改用盾构法。十、流砂地层中含有厚度不等的砂层,砂层的孔隙充满地下水.水压作用使水和砂一齐涌出,叫做流砂。流砂地层,施工极为困难。因此选线时应尽量避开,否则应加固地层或采取特殊的施工方法,才能进行施工。如日本丹那隧道,地层含有砂层,流砂范围有24米长,伴随流砂涌出的水量达300米“/小时,无法作业,后改变了施工方法,采用压缩空气,封闭了流砂,同时开挖引水坑道。我国丰沙线xX隧道及xx隧道就是流砂层,施工屡遭坍方,采用了导坑插板法封闭流砂,才勉强进行作业。天兰线:火号隧道,地层为砂卵石,非常疏松,开挖时流砂、流石,造成洞内坍方。十一、溶洞 溶洞就是地层中,水对可溶性岩石的溶蚀作用所生成的空洞。我国西南地区,云贵高原,石灰岩分布较广,对施工威胁较大。如西南黔贵线xx隧道溶洞到处可见,施工后突然灾难性的大涌水,涌水量高达180训屯/小时,后改用泄水洞排水,才突破难关。川黔线x欠x隧道,其中石灰一宕地层长约1.5公里,施工中在下导坑遇到大溶洞,深8.0米,沿线路方向长约40米,溶洞顶板距路基面只有几米,溶洞宽7、15米与线路成45”斜交,后改用拱涵跨过。十二、地下水不论是什么样的地层,都程度不同地含有地下水。由于地层的生成或构造等原因,在地层中必然形成大小不同、数量不等的裂隙及冷理。所以,在空隙中必然含有地下水,只是水量不同而已。涌水量的大小与地形(山体的大小及洞顶覆盖厚度)、地貌(洞顶地表、地表补给来源)、地质(地层裂隙、地层裂隙充填物的粘着强度)及气象条件等有关。涌水与地形的关系,详图17。隧道开挖后,地下水位徐徐下降,从洞口向洞内掌子面有逐渐抬高的趋势。涌水量(Q)与h成比例,而h又与H成比例,所以,当山体大,覆盖层厚时,则涌水量就随之增加。H一藻盖层厚度;人一隧道开挖前地下水位距洞顶高度,hl一隧道开挖后地!;水位距洞顶高度;Q一涌水量;k一地层粽合系数(也叫渗透系数)十三、结语隧道工程的实践, 说明工程地质对隧道的影响极大。由此而引起的病害例子举不胜举,应引以为鉴。所以,在隧道设计中首先要搞清隧道地质,特别是特殊地质。情况明,措施有利,效果才会好。在设计中应在特殊地质上狠下工夫,有时由于条件所限,一时尚难弄清的,设计时应按不利情况考虑或作为未定的问题,在派人参加施工中予以验证后及时作出改善设计。对施工来讲,导坑开挖过程中,是验证设计的最好的地质情况坑道。防止按图施工,出现问题后措手不及,甚至威胁施工安全及进度。对于运营单位,应加强对病害隧道的观察与记载,为施工、设计·提供具有说服力的证据,了卑使设计和施工的技术水平不断得到提高。