隧道工程 第2章 勘测设计ppt课件.ppt

『第二章▎隧道工程地质勘察『2.1▎工程勘察阶段划分『2.2▎工程勘察的方法和手段『2.3▎工程地质条件分析与评价隧道工程SUIDAOGONGCHENG 2.1工程勘察阶段划分建设工程项目设计一般分为可行性研究、初步设计和施工图设计三个阶段。勘察工作也相应的划分为选址勘察、初步勘察和详细勘察三个阶段。对于工程地质条件复杂或者有特殊施工要求的重要建筑物地基，尚应进行预可行性及施工勘察；对于简单地质条件，可以适当简化勘察阶段。各阶段的任务和工作内容简述如下： 选址勘察阶段（1）搜集区域地质、地形地貌、地震、矿产和附近地区的工程地质资料及当地建筑经验；（2）在收集和分析已有资料的基础上，通过踏勘，了解场地的地层、构造、岩石和土的性质、不良地主现象及地下水等工程地质条件；（3）对于工程地质条件复杂，已有资料不能符合要求，但其他方面条件较好且倾向于选取的场地，应根据具体情况进行工程地质测绘及必要的勘探工作。 不良地质地段：（1）不良地质现象发育，对场地稳定性有直接或潜在威胁的地段；（2）地基土性质严重不良的地段；（3）对建筑抗震不利的地段。如设计地震烈度为8度或9度且邻近发震断裂带的场区；（4）洪水或地下水对建筑场地有威胁或有严重不良影响的地段；（5）地下有未开采的有价值矿藏或不稳定的地下采空区上的地段 2.初步勘察阶段初步勘察阶段是在选定的建设场址上进行的。根据工程地质条件，优选路线方案，在路线基本走向范围内，对可能作为地下工程的区间进行初勘，重点勘察不良地质地段，已明确地下工程能否通过或如何通过，为初步设计提供所需全部工程地质资料。初步勘察工作步骤可按收集资料、工程地质选定地下工程的线位、勘探和测试、资料整理等顺序进行。 （1）收集资料：可行性研究报告，取得地下工程所在位置的初步总平面地形图及有关工程性质、规模的文件；（2）工程地质选定地下工程线位：初步查明地层、构造、岩石和土的性质；地下水埋藏条件、冻结深度、不良地质现场的成因和分布范围及其对场地稳定性的影响程度和发展趋势。（3）勘探和测试：（4）资料整理： 地铁隧道工程中的初步勘察应提交以下资料：1.隧道工程地质说明书，对地质工作做简要说明，并作出评价；2.提出对隧道初步设计的建议及以后详测应进行的工作；3.隧道工程地质平面图，图上应填绘物探、钻探等平面布置及探点位置；4.隧道工程地质纵断面图，标明勘探点，震探时标明弹性纵波波速；5.洞口、洞身工程地质横断面图，提供钻孔地质柱状剖面图和试验资料6.航拍地质解释资料及工程地质照片、野外素面图；7.严重影响隧道方案的特殊地质、不良地质地区、应编制专项资料 3.详细勘察阶段在初步设计完成之后，应进行详细勘察，为施工图设计提供资料。此时已基本查明场地的工程地质条件。所以详细勘察的目的是提出设计所需的工程地质条件的各项技术参数，对建筑地基作出岩土工程评价，为基础设计、地基处理和加固、不良地质现象的防治工程等具体方案作出论证和结论。 详细勘察阶段主要有以下工作要求。(1)取得附有坐标及地形的建筑物总平面布置图，地下建筑物的性质、规模、尺寸和预计埋置的深度等及其他特殊要求。(2)查明不良地质现象的成因、类型、分布范围、发展趋势及危害程度，提出评价与整治所需的岩土技术参数和整治方案建议。 (3)查明建筑物范围各层岩土的类别、结构、厚度、坡度、工程特性和稳定性等。(4)对抗震设防烈度大于或等于6度的场地，应划分场地土类型和场地类别。对抗震设防烈度大于或等于7度的场地，尚应分析预测地震效应。 (5)查明地下水的埋藏条件，判定地下水对建筑材料的腐蚀性。当有降水设计时，尚应查明水位变化幅度与规律，提供地层的渗透性系数。(6)提供为深基坑开挖的边坡稳定计算和支护设计所需的岩土技术参数，论证和评价基坑开挖、降水等对邻近工程和环境的影响。 详细勘察的主要手段以勘探、原位测试和室内土工试验为主，必要时可以补充一些地球物理勘探、工程地质测绘和调查工作。详细勘察的勘探工作量，应按场地类别、建筑物特点及建筑物的安全等级和重要性来确定。对于复杂场地，必要时可选择具有代表性的地段布置适量的探井。 详勘完成后，应提交下列资料:①详勘说明书，根据详勘提出对设计及施工方案的建议;②地质详勘成果书，包括地质平面图及剖面图，重大地质问题的评价;③钻探、试验资料整编等。 2.1工程勘察的方法和手段地下工程勘察的方法，土要有资料收集、调查与测绘、工程地质勘探、原位测试和实验室试验、现场检测与监测等。随着科学技术的进步，越来越多的新技术在隧道勘察工作中得到发展和应用。 2.2.1资料收集地下工程工程地质勘察各阶段的准备工作，是根据勘测任务的要求，配备必要的专业人员，收集及研究有关资料，了解现场情况，做好勘察仪器等的准备。其中，收集和研究地下工程所处地区的既有的有关资料，不仅是外业工作之前准备工作的重要内容，也是地下工程勘察的一个主要方法。 收集的资料一般应包括以下几方面内容:(1)地域地质资料，如地层、地质构造、岩性、土质等。(2)地形、地貌资料，如区域地貌类型及主要特征、不同地貌单元与不同地貌部位的工程地质评价等。(3)区域水文地质资料，如地下水的类型、分带及分布情况、埋藏深度、变化规律等。 收集的资料一般应包括以下几方面内容:(4)各种特殊地质地段及不良地质现象的分布情况、发育程度与活动特点等。(5)地震资料，如沿线及其附近地区的历史地质情况，地震烈度、地震破坏情况及其与地貌、岩性、地质构造的关系等。 收集的资料一般应包括以下几方面内容:(6)气象资料，如气温、降水、蒸发、温度、积雪、冻积深度及风速、风向等。(7)其他有关资料，如气候、水文、植被、土壤等。(8)工程经验、区内已有公路、铁路等其他土建工程的工程地质问题及其防治措施等。 地形地貌资料地质资料工程资料气象资料用地及环境资料灾害资料文献资料收集指地形图、航空照片和遥感与遥测资料。地质图、说明书。邻近隧道及其他土建工程所记录的工程地质水文地质资料。气温、气压、风速、风向、降水、……等。工程、施工及临时用地。自然环境文物古迹、自然保护区、居民环境等。暴雨雪、台风、地震、滑坡等发生的规模、频度。 降雨降雪气温、地温风向、风速雾雪崩、风吹雪洪水年降雨量、月平均降雨量、日最大降雨量、小时最大降雨量。最大降雪日、最大积雪量、积雪期、最大日降雪量、雪密度、雪温。年平均气温、绝对最高最低气温、日温差；冻结期、冻结深度、多年冻土深度，水温。频率分布(年间、月间、日间)。降雾天数和程度（能见度)。场所、规模、频度、时期、种类。洪水量、水位、时期。气象调查内容 A.0.14河南省1抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g：　　第一组：新乡（4个市辖区），新乡县，安阳（4个市辖区），安阳县，鹤壁（3个市辖区），原阳，延津，汤阴，淇县，卫辉，获嘉，范县，辉县2抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g：　　第一组：郑州（6个市辖区），濮阳，濮阳县，长桓，封丘，修武，武陟，内黄，浚县，滑县，台前，南乐，清丰，灵宝，三门峡，陕县，林州*3抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g：　　第一组：洛阳（6个市辖区），焦作（4个市辖区），开封（5个市辖区），南阳（2个市辖区），开封县，许昌县，沁阳，博爱，孟州，孟津，巩义，偃师，济源，新密，新郑，民权，兰考，长葛，温县，荥阳，中牟，杞县*，许昌*4抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g：　　第一组：商丘（2个市辖区），信阳（2个市辖区），漯河，平顶山（4个市辖区），登封，义马，虞城，夏邑，通许，尉氏，宁陵，柘城，新安，宜阳，嵩县，汝阳，伊川，禹州，郏县，宝丰，襄城，郾城，鄢陵，扶沟，太康，鹿邑，郸城，沈丘，项城，淮阳，周口，商水，上蔡，临颍，西华，西平，栾川，内乡，镇平，唐河，邓州，新野，社旗，平舆，新县，驻马店，泌阳，汝南，桐柏，淮滨，息县，正阳，遂平，光山，罗山，潢川，商城，固始，南召，舞阳*　　第二组：汝州，睢县，永城　　第三组：卢氏，洛宁，渑池 2.2.2调查与测绘调查与测绘是工程地质勘察的主要方法。通过观察和访问，对地下工程通过地区的工程地质条件进行综合性的全面研究，将查明的地质现象和获得的资料填绘于有关的图表与记录本中，这种工作统称为调查测绘(调绘)。 1.工程地质调查与测绘地下工程工程地质测绘，一般可在沿线两侧带状范围内进行，通常采用沿线调查的方法。对不良地质地段及地质条件复杂的路段，应扩大调绘范围，以提出完整可靠的地质资料。 1)工程地质调查工程地质调查分为直接观察和访问群众两种方式。(1)直接观察是工程地质调查最重要最基本的方法，主要利用自然迹象和露头，进行由此及彼、由表及里的观察分析工作，以达到认识隧道通过地带工程地质条件的目的。在工程地质调查中，常采用地貌学和地植物学的方法观察分析有关自然现象。前者根据地貌的形态特征推断其形成原因和条件，并评价其工程地质条件;后者根据植物群落的种属、分布及其生态特征，推断当地的气候、土质及水文地质等条件。 (2)访问当地群众是工程地质调查常用的方法。为使调查访问获得较好的结果，一般应选择合适的对象，通常应对年老者且对所调查的问题有切身经历的人进行仔细询问，认真听取各处意见，并对所提供的情况进行核对、分析和判断。 2)工程地质测绘工程地质测绘是在一定范围内调查、研究与工程建设活动有关的各种工程地质条件，测制成一定比例尺的工程地质图，分析可能产生的工程地质作用及其对设计建筑物的影响，为勘探、试验、观测等工作的布置提供依据。测绘范围和比例尺的选择，既取决于建筑区地质条件的复杂程度和已有研究程度，也取决于建筑物的类型、规模和设计阶段。 工程地质测绘通常是以一定比例尺的地形图为底图，以仪器测量方法来测制。采用卫星相片、航空相片和陆地摄影相片，室内判读调绘成草图，到现场有目的地复查，与进一步的照片判读反复验证，可以测制出更精确的工程地质图;并可提高测绘的精度和效率，减少地面调查的工作量。测绘的比例尺可在以下范围内选用:选址阶段，1:50000~1:5000;初勘阶段，1:10000~1:2000;详勘阶段，1:2000~1:200。 工程地质测绘包括以下基本方法。(1)路线法:沿着一些选择的路线穿越测绘场地，并把观测路线和沿线查明的地质现象、地质界线填绘在地形图上。路线形式有直线形与S线形等。采用路线法测绘的两个关键环节是观测路线的布置和观测点的选择。观测路线的布置除应沿地下工程中线进行调查测绘外，尚应在路线及两侧布置观测路线，以求在需要测绘的范围内获得足够的资料绘制工程地质图，可用于各比例尺测绘。 (2)布点法:根据地质条件复杂程度和不同的比例尺，预先在地形图上布置一定数量的观测点及观测路线，适用于大、中比例尺测绘。(3)追索法:沿地层、构造和其他地质单元界线布点追索，以便查明某些局部的复杂构造，多用于中、小比例尺测绘。 2.水文调查地铁隧道受地下水的影响后主要出现两种现象:一是地下水涌水，这将恶化围岩稳定状态，导致施工困难，增大工程造价;二是地表枯水，造成工业用水及饮水困难。因此，必须进行调查预测。 1)地下水涌水调查(1)调查内容:地下水的类型及其与地表水的相互补给关系，地下水的动态变化规律，地下水的流量、流向及水质等。(2)要预测地下水的涌水量，应收集已建工程的涌水资料、单位流域的枯水量和比流量等资料。 (3)所有的水文地质勘察都可以利用钻探的成果。在钻探过程中，如果发现有含水层时，应特别注意其水位(有两个以上含水层存在时要分层考虑)、涌水量、钻进中的漏水情况、钻孔壁坍塌情况等。可以利用钻孔进行抽水试验及各种探测，也可以利用岩芯做渗透试验等。所有试验成果都可用于分析地层的渗透性及坍塌性的有用资料。利用钻孔还可以测量含水层的静水位及压力水位。 2)枯水调查地下水枯水调查，主要是调查地下水的利用状况(使用时间、水量等)、地下水季节性变化以及雨后变化等内容。调查的目的是要明确由于修建地下工程而使地下水及供水受到的影响，是否造成工业用水及饮水困难，应调查清楚施工前的状况。枯水问题有时会对社会产生巨大的影响，所以调查也要考虑到将来的水利规划远景。 涌水，将恶化隧道围岩稳定状态，导致施工困难，增大工程造价；枯水，造成隧道周边工业、农业和饮水困难。 2.2.3工程地质勘探工程地质勘察方法包括工程地球物理勘探钻探和坑(槽)探工程等。1.工程地球物理勘探工程地球物理勘探简称工程物探，其目的是利用专门仪器测定各类岩、土体或地质体的密度、导电性、弹性、磁性、放射性等物理性质的差别，通过分析解释、判断地面下的工程地质条件。 它是在测绘工作的基础上探测地下工程地质条件的一种间接勘探方法。工程物探按工作条件分为地面物探和井下物探(测井)；按被探测的物理性质可分为电法勘探、电磁法勘探、地震勘探、声波探测、重力勘探、磁力勘探与放射性勘探等方法。工程地质勘察中最常用的地面物探为电法中的视电阻率法、地震勘探中的浅层折射法及声波勘探等。 行走在戈壁深处的物探人 电法勘探是通过仪器测定岩、土导电性的差异来判断地下地质情况。当地层间具有一定的导电性差异，所测地层具有一定的长度、宽度和厚度，相对的埋藏深度不太大；地形较平坦，游散电流与工业交流电等干扰因素不大时，电法勘探能取得较好的效果。 地震勘探是根据岩、土弹性性质的差异，通过人工激发的弹性波的传播来探测地下地质情况的一种物探方法。利用地下介质弹性和密度的差异，通过观测和分析大地对人工激发地震波的响应，推断地下岩层的性质和形态的地球物理勘探方法叫做地震勘探。 地震勘探：精细表层调查 地震勘探是钻探前勘测石油与天然气资源的重要手段，在煤田和工程地质勘查、区域地质研究和地壳研究等方面得到广泛应用。地震勘探直接利用岩石的固有性质(密度与弹性)，较其他物探方法准确，且能探测很大深度，在工程地质勘探中主要用于探测覆盖层的厚度、岩层的埋藏深度及厚度、断层破碎带的位置及产状等，究岩石的弹性，测定岩石的弹性系数等。 地震勘探的原理是在地表以人工方法激发地震波，在向地下传播时，遇有介质性质不同的岩层分界面，地震勘探地震波将发生反射与折射，在地表或井中用检波器接收这种地震波。收到的地震波信号与震源特性、检波点的位置、地震波经过的地下岩层的性质和结构有关。通过对地震波记录进行处理和解释，可以推断地下岩层的性质和形态。地震勘探在地层的详细程度和勘查的精度上都优于其他地球物理勘探方法。 物探的优点在于能经济而迅速地探测较大范围，且通过不同方向的多个剖面获得的资料是三维的。以这些资料为基础，在控制点和异常点上布置勘探、试验工作，既可减少盲目性，又可提高精度。测井则可增补钻探工作所得资料，并提高其质量。物探适用于地质体之间的物理状态(如破碎程度、含水率、喀斯特化程度)或某种物理性质有显著差异的地质状况。 2.坑(槽)探坑探是用机械或人力垂直向下掘进的土坑或探井以查明地质状况的方法。坑探断面根据开口形状可分为圆形、椭圆形、方形、长方形等。它的选用应根据土层性质、用途及深度而定。探坑深一般为2~3m。 槽探是指挖掘成狭长的沟槽来查明地质状况的方法，其宽度一般为0.6~1.0m，长度视需要而定，深度通常小于2m。槽探适用于基岩覆盖层不厚的地方，常用来追索构造线，查明坡积层、残积层的厚度和性质，揭露地层层序等。槽探一般应垂直于岩层走向或构造线布置。 3.钻探钻探是采用钻探机械钻进，直接揭露建筑物布置范围和影响深度内的工程地质条件，为工程设计提供准确的工程地质剖面的勘察方法。其任务是:查明建筑物影响范围内的地质构造，了解岩层的完整性或破坏情况，为建筑物探寻良好的持力层和查明对建筑物稳定性有不利影响的岩体结构或结构面;揭露地下水并观测其动态;为现场测试或长期观测提供钻孔。 大庆油田勘探作业现场 勘探点布设 1)简易钻探简易钻探是工程地质勘探中经常采用的方法。其优点是工具轻、体积小、操作方便，进尺较快，劳动强度较小。缺点是不能采取原状土样或不能取样，不易钻进密实或坚硬的地层内。常用的简易钻探工具有小螺纹钻、钎探、洛阳铲等。 螺纹钻钎探洛阳铲 2)深孔钻探在工程地质勘察工作中，深孔钻探是广泛采用的一种最重要的勘探手段，它可以获得深部地层的可靠地质资料。一般是在坑探、简易钻探不能达到目的时采用。 钻探比坑探工效高，受地面水、地下水及探测深度的影响较小，故应用较广。但不易取得软弱夹层岩芯和河床卵砾石层样品，钻孔也不能用来进行大型现场试验。因此，有时需采用大孔径钻探技术，或在钻孔中运用钻孔摄影，孔内电视或采用综合物探测井以弥补其不足。但在关键部位，还需采用便于直接观察和测试目的层的平洞、斜井、竖井等坑探工程。 2.2.4原位测试和实验室试验测试和试验是获得工程地质设计和施工参数，定量评价工程地质条件和工程地质问题的直接手段，是工程地质勘察的组成部分。室内试验包括岩、土体样品的物理性质、水理性质和力学性质参数的测定。现场原位测试包括触探试验、承压板荷载试验、原位直剪试验以及地应力测量等。 静力触探 平板载荷试验 对于地铁隧道这种大型建筑物的设计阶段，且易于取得岩、土体试样的情况下，往往采用实验室试验。但室内试验试样小，缺乏代表性，且难以保持天然结构。所以，为重要建筑物的初步设计至施工图设计提供上述各种参数，必须在现场对有代表性的天然结构的大型试样或含水层进行测试。对液态软黏土、疏松含水细砂、强裂隙化岩体或不能得到原状结构试样的岩土体，必须进行现场原位测试，获取有关物理力学参数。 2.2.5现场检测与监测现场检测与监测是用专门的观测仪器对建筑区工程地质条件各要素，或对工程建筑活动有重要影响的自然(物理)地质作用，以及某些重要的工程地质作用随时间的发展变化，进行长时期的重复测量的工作。 观测的主要内容有岩(土)体位移范围、速度、方向;岩(土)体内地下水位变化;岩体内破坏面上的压力;爆破引起的质点速度;峰值质点加速度;人工加固系统的荷载变化等。对工程地质作用的观测则往往在施工和建筑物使用期间进行。长期观测取得的资料经整理分析后，可直接用于工程地质评价，检验工程地质预测的准确性，对不良地质作用及时采取防治措施，确保工程安全。 2.3工程地质条件分析与评价地铁和隧道工程地质条件分析评价应对一切可能影响工程安全的地回质问题进行分类研究，除对隧址区已有的工程地质问题认真分析评价外，还应研究环境工程地质问题与地下工程之间的相互关系，给出建设可能诱发的环境及环境工程地质问题。 对于山岭隧道而言，主要的工程地质问题包括滑坡、膨胀岩、断裂构造及断层破碎带、高初始应力、偏压问题、高地温、岩溶、放射性、有毒有害气体等。当隧道通过存在上述某种或几种工程地质问题并存的地段时，就必须对其进行分析研究评价，主要包括以下内容。 (1)重点查明滑坡滑动面位置、产状，为设计确定隧道位置提供依据。(2)膨胀岩多见于黏土、页岩、泥质砂岩，应重点研究膨胀性岩的分布产状、膨胀潜势，分析评价其对隧道工程安全和稳定性的影响。 (3)重点研究大型断裂构造是否为活动断裂，对于隧道，还应尽量避开断层破碎带，特别是穿越含水丰富的破碎带时，隧道应与之垂直或大角度斜交通过。(4)高初始应力会导致隧道洞壁岩体在开挖过程中时有岩爆等不良现象的发生，造成隧道成洞性差。 (5)地温高低与埋深有关，随埋深增大而递增，高地温对地下工程有重要影响。(6)应重点查明洞身不同地段的岩溶发育程度和分布规律、岩溶洞穴的形态规模、含水特性、岩溶水富水程度、补给排泄条件。 (7)对于花岗岩等岩浆岩类地层，或存在放射性物质地区的隧道，应加强勘察和监测，分析其发生岩爆的可能性或放射性程度，保证施工安全。(8)应查明有毒有害气体的含量、压力、性质，并判断其对隧道施工、运营的影响。