第二章 山岭隧道的 地质调查与勘测

1. 第二章 山岭隧道的地质调查与勘测 主讲人 许炜萍 讲师

2. 隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，也是一种“结构体系”。但在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，如人群、列车、水压力等。而隧道结构位于地层之中，结构体系则是由地层和支护结构所组成，因此隧道结构所呈现的特点和地层的地质性状密切相关，称之为隧道工程地质环境。隧道和地面结构物如房屋、桥梁、水坝等一样，也是一种“结构体系”。但在赋存环境、力学作用机理等方面都存在着明显的差异。地面结构体系一般都是由结构和地基所组成，地基在结构底部起约束作用，除了自重外，荷载都是来自外部，如人群、列车、水压力等。而隧道结构位于地层之中，结构体系则是由地层和支护结构所组成，因此隧道结构所呈现的特点和地层的地质性状密切相关，称之为隧道工程地质环境。

3. 地质环境对隧道结构的重大影响表现在许多方面，最为显著的是地层在开挖过程中的稳定性。在地层稳固时，可以不设支护结构，隧道结构所承受的荷载，主要来自结构体系自身以及与地层之间的相互作用，地层既是承载结构的基本组成部分，又是造成荷载的主要来源。 地面结构 地下结构

4. 主要内容 隧道工程所赋存地质环境的内涵很广： • 工程地质 • 隧道横断面、水文地质 • 区域地质构造 • 地层岩性 山岭隧道工程地质调查与勘测的主要内容

5. 第一部分 隧道工程地质调查与勘测

6. 一、隧道工程地质调查测绘的总体要求 1、查明隧道通过地段地形、地貌、地层、岩性、地质构造。 2、查明洞身是否通过煤层、气田、膨胀性地层、采空区、有害矿体及富集放射性物质的地层等。 3、查明不良地质、特殊岩土对隧道的影响。 4、对于深埋隧道，应预测隧道洞身地温情况。 5、深埋及构造应力集中地段，对坚硬、致密、性脆岩层应预测岩爆的可能性，对软质岩层应预测围岩大变形的可能性。

7. 一、隧道工程地质调查测绘的总体要求 6、对隧道浅埋段及洞口段应查明覆盖层厚度、岩土体的风化和破碎程度、含水情况。 7、对傍山隧道，外侧洞壁较薄时，应预测偏压危害。 8、应根据地质调绘、物探及验证性钻探、测试成果资料，综合分析岩性、构造、地下水状态、初始地应力状态等围岩地质条件，结合岩体完整性指数、岩体纵波速度等，分段确定隧道围岩分级。 9、接长明洞地段，应查明明洞基底的工程地质条件。 10、当设置有横洞、平行导坑、斜井、竖井等辅助坑道时，应查明其工程地质条件。

8. 二、隧道工程地质调查与勘测的内容 1、地形地貌 高原、山地、平原、丘陵、裂谷系、盆地 2、地层岩性 3、水文地质 4、区域地质构造 5、不良地质 软粘土、杂填土、冲填土、膨胀土、红粘土、泥炭质土、岩溶、湿陷性黄土等

9. 三、长大、复杂隧道的地质调查 在勘察设计阶段，对特长隧道、长隧道或地质条件复杂的隧道应通过调查及勘探，做好地质条件的宏观控制，重点划分隧道通过地段的岩带、断层带和富水带。

10. 三、长大、复杂隧道的地质调查 岩带应根据岩性、岩质软硬、层厚、产状、节理发育程度、裂隙充填情况、软弱结构面的发育情况等进行划分；断层带应根据断层带的宽度、组成物质、松散情况及含水程度等进行划分；富水带应根据各类地层的含水情况、分别提出各段的最大涌水量（突然涌水量）和正常涌水量。

11. 三、长大、复杂隧道的地质调查 据此确定隧道各段的围岩分级，并提出施工中应重点进行监测或超前地质预报的手段，明确预报方法、手段及主要设备，预报的主要内容等。配合施工阶段应积极采用新技术、新设备、新方法开展超前地质预报工作，洞内地质编录与洞外地质调查相结合的方法等。经综合分析、研究，及时做好预报突发性地质灾害，调整围岩级别的划分段落，及时变更设计等配合施工工作。

12. 四、全断面掘进机施工条件下隧道的地质调查 勘探和测试工作除应按常规施工方法（钻爆法）进行以外，还应结合全断面岩石掘进机所需的地质参数进行勘探和测试工作，根据《铁路隧道全断面岩石掘进机法技术指南》的规定，地质参数的测试项目包括： 岩石强度；岩石硬度； 围岩完整性，等等。

13. 四、全断面掘进机施工条件下隧道的地质调查 岩石强度——岩石的抗压强度、抗拉强度、弹性模量； 岩石硬度——岩石的耐磨性或可钻性指标、岩石的组构及石英含量； 围岩完整性——岩体结构面的发育程度，优势结构面对隧道稳定性和掘进机掘进的影响程度； 其他地质参数——隧道围岩的地应力状态，围岩地下水水质及涌水量等。

14. 五、勘探、测试工作要求 1、总体要求 （1）地质条件复杂的隧道宜采用综合勘探方法；深钻孔应综合利用。 （2）钻孔位置和数量应视地质复杂程度而定。洞门；长度大于1000m，洞身应按不同地貌及地质单元布置勘探孔查明地质条件；主要的地质界线，重要的不良地质地段，应有钻孔控制；洞身地段的钻孔位置宜布置在中线外侧8~10m；钻探完毕，应回填封孔。

15. 五、勘探、测试工作要求 1、总体要求 （3）钻探深度应至路肩以下3~5m；遇溶洞、暗河等，应适当加深至溶洞及暗河底以下5m。 （4）钻探中应作好水位观测和记录，并取样作水质分析。水文地质条件复杂的隧道，应做水文地质试验，测定地下水的流向、流速及岩土的渗透性，计算涌水量，必要时应进行地下水动态观测。 （5）取代表性岩土试样进行物理力学性质试验。 （6）有害矿体和气体，取样作定性、定量分析。

16. 五、勘探、测试工作要求 2、探测的阶段及其工作要求 勘探工作分为初测阶段和定测阶段。 （1）初测要求 ① 特长隧道、控制线路方案的长隧道、多线隧道应按工点搜集工程地质资料。 ② 一般隧道可作代表性勘探、测试工作，并简要叙述隧道工程地质条件和围岩分级。 （2）定测要求 不论是一般隧道、长大隧道或者地质复杂隧道，均应进行单独的工程地质勘测工作，编制单独工点的图表资料。

17. 六、隧道工程地质资料编制包括的内容 必须的： 1、工程地质勘查报告或说明； 2、隧道工程地质纵断面图，比例为横1:500~1:5000，竖1:200~1:5000，横竖比例尺宜一致； 3、隧道洞口工程地质图，比例为1:500； 4、隧道洞口工程地质纵断面图，比例为1:200； 5、隧道洞口工程地质横断面图，比例为1:200；

18. 六、隧道工程地质资料编制包括的内容 必要的： 1、隧道线路方案工程地质图； 2、隧道地区地质构造图（隧道长度大于3000m且地质构造复杂时绘制； 3、隧道地区水文地质图（水文地质条件复杂时绘制）； 4、明洞边墙墙趾工程地质纵断面图，比例为横1:200~1:2000，竖1:100~1:500； 5、隧道辅助坑道（横洞、平行导坑、斜井、竖井等）地质图件及说明；

19. 七、工程实例 1、工程概况 乌鞘岭隧道地处兰州至武威间，是兰（州）武（威）Ⅱ线的控制工程，设计为两座单线隧道，左、右线隧道长均为20050m，两隧间距为40m。右线轨面设计高程2663.36m；出口位于古浪县龙沟乡的砂沟台，地形较狭窄，施工场地和地形条件较差，隧道洞身最大埋深1100m左右。隧道穿越区域为青藏高原东北路缘构造区、地质褶皱构造和断裂构造发育组成的宽大“挤压构造带”。

20. 七、工程实例 1、工程概况

21. 七、工程实例 2、隧道地质勘察技术 （1）采用遥感技术进行大面积地质调绘

22. 七、工程实例 2、隧道地质勘察技术 （2）采用以可控源音频大地电磁测深（V5）为主的综合物探技术 （3）采用一孔多用和多参数综合测井技术 （4）采用数种方法预测隧道涌水量

23. 七、工程实例 3、地形地貌 本区属祁连山东北部中高山地，地貌总体受构造控制，在新构造作用影响下，经长期水流侵蚀、切割，形成了较为复杂的地貌环境。主要分属庄浪河河谷区（Ⅰ）、 乌鞘岭中高山区（Ⅱ）、古浪河河谷区（Ⅲ）和武威山前冲洪积平原（Ⅳ）四个大的地貌单元。

24. 七、工程实例 4、地层岩性 乌鞘岭隧道地层岩性复杂，隧道通过地段沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有分布，且以软硬交互的沉积岩、变质岩为主，共通过第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩，志留系负变质岩及奥陶系六套地层，而地层分布主要受区域断裂构造控制。

25. 七、工程实例 5、地质构造 隧道区位于青藏高原东北边缘的地貌阶梯带附近，地处我国西部不同大地构造单元的结合地带。所经地区北接中朝准地台，南临褶皱系，在大地构造单元上，属于中国北部大陆及陆缘构造区祁连褶皱系。历经多次改造运动，褶皱及断裂构造发育，区域地质条件复杂。

26. 七、工程实例 5、地质构造 其中4条区域性大断裂(F4~F7)，走向近东西，压性－压扭性，具有切割深、延伸长、规模大的特点，断层带宽度合计1587m，断带物质主要为碎裂岩、断层泥砾；尤其是F7断层，破碎带出露宽度达800~1200m，为活动性断层，前期为逆断层，后期有左旋逆走滑之势。此外，在隧道洞身，特别是岭脊志留系地层中，还发育有很多次级断层。

27. 七、工程实例 5、地质构造 除断层构造之外，隧道洞身还存在大量的节理和节理密集带，尤其岭脊F4~F7断层之间，节理、裂隙极其发育。长大节理和节理密集带总计有150条，影响带宽度大980m。

28. 七、工程实例 6、水文地质 结合地表沟水测流和深孔钻探抽水试验结果，将隧道围岩的富水性划分为三个区域：中等富水区（Ⅰ）2630m/2段，占隧道长度的13.1%；弱富水区（Ⅱ）7965m/4段，占隧道长度的39.7%；贫水区（Ⅲ）9455m/7段，占隧道长度的47.2%。设计预测隧道总涌水量约为12000m3/d。

29. 七、工程实例 7、气象和地震 乌鞘岭隧道位于中温带干旱气候区，海拔高29003600m，气候垂直分带性明显，日温差大，阴雨风雪冰雹多，天气多变；春季多风，少雨干旱；夏无酷热，降水增多；秋季凉爽，降温较快；冬季寒冷，干旱少雪，冰冻时间长。越乌鞘岭地段地震动峰值加速度为0.3g，地震动反应谱特征周期为0.30s，相当于地震基本烈度8度。

30. 第二部分 围岩的基本工程性质 与围岩分级

31. 一、初始应力场 （一）概 念 由于岩体的自重和地质构造作用，在开挖隧道前岩体中就已存在的地应力场，称之为围岩的初始应力场。围岩初始应力场的形成与围岩的结构、性质、埋藏条件以及地质构造运动的历史等有密切关系，根据地应力场的成因将其分为自重应力场和构造应力场两大类。

32. 一、初始应力场 （二）初始应力场的变化规律 1 自重应力场 自重应力场是上覆岩体自重产生的应力场。

33. 一、初始应力场 （二）初始应力场的变化规律 大多数围岩的泊松比变化在0.15~0.35左右。因此，在自重应力中，水平应力通常是小于竖直应力的。 1 自重应力场 该点的水平应力主要是由岩体的泊松效应引起的，按弹性理论应为

34. 一、初始应力场 （二）初始应力场的变化规律 1 自重应力场 • 岩体自重应力场的变化规律为： • 地应力随深度线性增加； • 水平应力总是小于于垂直应力； • 地质构造形态改变了自重应力场的状态，这在实际工程中不容忽视； • 深度对初始应力状态有重大影响。

35. 一、初始应力场 （二）初始应力场的变化规律 2 构造应力场 • 构造应力场的变化规律为： • 地质构造形态的变化不仅改变了自重应力场，除了以各种构造形态获得释放外，还以各种形式积蓄在岩体内，其中残余应力将对地下工程产生重大影响；

36. 一、初始应力场 （二）初始应力场的变化规律 2 构造应力场 • 构造应力场的变化规律为： • 构造应力场在不深的地方已普遍存在，最大构造应力的方向多近似水平，且水平应力普遍大于自重应力场中水平应力分量，甚至大于垂直分量。

37. 二、岩体的基本工程性质 岩体是在漫长的地质历史中，经过岩石建造、构造形变和次生蜕变而形成的地质体。 地下结构围岩（岩体+土体）的工程性质，一般包括三个方面：物理性质、水理性质和力学性质。其中力学性质对围岩的稳定性影响最大。

38. 二、岩体的基本工程性质 （一）物理性质 • 岩体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有差异，呈现出岩体的不均匀性。 • 岩体是由结构面分割的多裂隙体；结构面的存在，决定着岩体的完整程度，关系着岩体的力学介质属性，即控制着岩体的强度、变形和破坏特征。

39. 二、岩体的基本工程性质 （一）物理性质 • 岩体具有各项异性；岩体中由于岩石的结构、构造具有方向性，使岩体强度、变形，甚至渗透等性质在不同方向上显示出差异，称为岩体的各向异性；主要是由于沉积岩中的层理、变质岩中的片理，以及定向的节理裂隙、劈理、断裂和夹层等存在引起的。

40. 二、岩体的基本工程性质 （二）水理性质 一般岩石的强度随着含水量增大的不同其降低程度也不同，主要取决于岩石中的亲水矿物和易溶性的矿物的含量及裂隙发育情况。通常用软化系数来表示岩石的软化性。一般规定软化系数小于0.75的岩石称为软化岩石。

41. 二、岩体的基本工程性质 （三）力学性质 1 单向应力状态下围岩的变形特征 典型的岩体应力—应变曲线分解为4个阶段：压密阶段（OA）；弹性阶段（AB）；塑性阶段（BC）；破坏和破裂阶段（CD）。

42. 二、岩体的基本工程性质 （三）力学性质 2 三轴压缩下岩石的强度及变形特性

43. 二、岩体的基本工程性质 （三）力学性质 3 裂隙岩体的强度性质 试验研究结果表明，裂隙岩体的强度随着裂隙组数的增加而明显减小，但当裂隙组数增加到一定的程度之后，强度不再降低，而接近岩石的残余强度。具体见下表。

44. 二、岩体的基本工程性质 试件尺寸(cm):15×15×30 试件强度(MPa):32.8~34.6 结构面强度：c=0.11MPa;φ=38 （三）力学性质 3 裂隙岩体的强度性质 表中数值为试件的强度与岩石试件强度的比值

45. 三、围岩分级概述 围岩是指隧道开挖后其周围产生应力重分布范围内的岩体，或指隧道开挖后对其稳定性产生影响的那部分岩体（这里所指的岩体是土体与岩体的总称）。 依据各种围岩的物理性质之间存在的内在联系和规律，可将围岩划分为若干级，这就是围岩分级。

46. 三、围岩分级概述 围岩分级的目的： 作为选择施工方法的依据； 进行科学管理及正确评价经济效益； 确定结构上的松散荷载； 给出衬砌结构的类型及尺寸； 制定劳动定额、材料消耗标准的基础。

47. 四、围岩的分级方法 （一）围岩分级的基本要素 大致分四类： 第Ⅰ类：与岩性有关的要素，例如分为硬岩、软岩、膨胀性岩类等； 第Ⅱ类：与地质构造有关的要素，如软弱结构面的分布与形态、风化程度等； 第Ⅲ类：与地下水有关的要素。 第Ⅳ类：与隧道跨度和施工方法有关的要素

48. 四、围岩的分级方法 （二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 代表性方法：俄罗斯普洛托奇雅柯诺夫提出的“岩石坚固性系数”分级法（“f”值分级法）。 “f”值是一个综合的物性指标值，表示岩石在采矿中各个方面的相对坚固性。

49. 四、围岩的分级方法 （二）以岩石强度或岩石的物性指标为代表的分级方法 我国把“f”值应用到隧道工程的设计、施工时，考虑了地质条件的影响，即考虑了围岩的节理、裂隙、风化等条件，实质上是把由强度决定的“f”值适当降低，即

50. 四、围岩的分级方法 （三）以岩体构造、岩性特征为代表的分级方法 20世纪60年代我国在积累大量铁路隧道修建经验的基础上，提出的以岩体综合物性指标为基础的“岩体综合分级法”。经多次修订现列入我国现行的《铁路隧道设计规范》。