结合厦门海底隧道的地质超前预报区段, 掌子面素描结果简述如下: (1)NKl2+371~347(24 m)。全强风化且局部有水的黑云母花岗岩围岩(W4) 区段,围岩总体松散,粉状,局部多水,稳定性差,易塌方,总体为V级围岩。 见2个有水带:0367~363。带宽4米,松散,呈粉状,367拱顶出现围岩小型 滑塌和掉块。②358~352.5。多水,粉状,357拱顶中部出现水夹砂,形成小型 空洞。 .26. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 (2)NKl2+347~332(15 m)。全强风化黑云母花岗岩围岩(W4),一般多水区段, 上部围岩总体松散,稳定性差,易塌方,下部较坚硬,总体为V级围岩。可见2 个多水多泥带、1个较坚硬的“孤石”带和1个泥化带:①345~341。局部多水, 上台阶围岩松散,粉状,343上下台阶与边墙交接处出现股状流水。②“孤石” 自350的仰拱底部开始隆起,至341高度在全断面的一半左右。③340~338的 上部为全强风化花岗岩,松散,粉状,局部多水,下部为产状向拱底倾斜的孤 石。④336~333。上下台阶交接处出现股状流水,上部围岩松散,稳定性差, 下部围岩有一定自稳能力。 (3)NKl2+332~325(7 m)。强~弱风化黑云母花岗岩围岩(W3~2)区段,下台 阶围岩稍完整,稍坚硬,上台阶为全风化花岗岩,总体为一般有水带,稳定性 较差,易坍塌,为Ⅳ级围岩。 (4)NKl2+325~298(27 m)。上台阶为全强风化黑云母花岗岩围岩(w4)区段, 围岩总体松散,粉状,局部多水,稳定性差,易塌方,下台阶为强~弱风化花 岗岩,较坚硬,总体为V级围岩。见2个有水带:①32l~315。带宽6米,一 般有水带,开挖后两侧拱腰出现线状流水,上台阶围岩松散,易掉块及塌方, 下台阶围岩为强~弱风化花岗岩,较坚硬。@310~300。一般多水带,全断面 滴、渗、流的情况均有,上台阶围岩松散,粉状,稳定性差,下台阶围岩较坚 硬,为强~弱风化花岗岩。 (5)NKl2+298~284(14 m)。弱风化花岗岩,一般有水带,其中294~284掌 子面左下角和298~288拱顶部位为全~强风化花岗岩,围岩总体稍完整,较坚 硬,总体为Ⅳ级围岩。 (6)NKl2+284~272(12 m)。全~强风化花岗岩,一般有水带。围岩总体较松 散,稳定性差,易塌方,总体为V级围岩。 (7)NKl2+272~266(6 m)。下台阶以弱~强风化花岗岩为主,上台阶以全~ 强风化花岗岩为主,一般有水带,拱顶及侧壁易掉块~塌方,总体为V级围岩。 3.5.2信息反馈 汇总长期素描的结果,可作为对超前地质预报进行跟踪对比和信息反馈的 依据。厦门海底隧道采用综合超前预报技术,既科学又经济地进行了地质超前 预报工作,从预报效果来看,准确度比较高,但由于隧道是一个线状的隐蔽工 程,其特有的条件要求探测技术能在狭小检测场地条件下进行大距离、高精度、 一27— 第三章厦门海底隧道超前地质预报 快速准确的超前探测。结合地质预报的施工过程和预报成果,客观的说地质超 。 前预报技术仍存在一些问题,优点与缺点并存。 (1)TSP预报方法。解决了超前预报的诸多难题,从而代表了隧道施工超前 预报的最先进技术。它有以下优点:①适用范围广,适用于软岩至硬岩的任何 地质情况。②预报距离长,理论上能预报掌子面前方500 m,考虑地震波干扰等 因素能准确预报掌子面前方100 m左右。③对隧道施工干扰小,只要求在接收 信号时为减少噪音干扰作短暂停工。④探测时间短,一次完整的探铡仅仅需要 45 rain,加上探测前的准备工作和探测以后系统清除所用的时间也不过2 h,另 外探测前的准备工作可以在施工的同时执行。⑤提交资料及时,在现场采集数 据的第二天即可提交正式成果报告。 , TSP预报方法虽然有诸多优点,但由于地下工程的特殊性和物探技术的局限 性,不可避免的存在一些缺点:①在探测复杂地质构造的几何结构图像时,还 存在多解性、多假象的问题,其可靠性和分辨率还有待进一步提高,但对于专 业的具有丰富地质知识的预报人员,此问题能够圆满解决,所以地质知识需进 一步提高。②探测时由于无法准确获取隧道掌子面前方岩石的真实波速,在解 释时只能事先假定一个平均波速,但这种假定的平均波速不能代表各岩性结构 段的真实波速,所以当预测距离较远时,其平均效应增大,探测精度降低。③ 对于地质结构比较简单、断层构造较大及反射界面波阻抗明显的隧道进行超前 预报,一般都能取得预期效果。但在地质结构比较复杂、波阻抗差异不大的隧 道中进行超前预报时,由于散射波、衍射波、多次波、绕射波、回转波等的相 互干涉叠加,使原始记录变得极其复杂,这时一般很难得到理想的预报效果。 (2)地质雷达预报方法。地质雷达分辨率较高、无损伤、探测和数据处理速 度快、机动灵活、操作方便,可对隧道一定范围内进行全方位探测。 地质雷达法虽然具有快速、无损的特点,但探测距离短,且影响地质雷达 探测结果的因数也很多,如天线的布置方向、介质物理性质的不均匀性、电磁 波的散射和衍射、多次波及杂波、能量发散等因素均在不同程度上制约着探测 结果的好坏,同时由于在隧道开挖过程中,掌子面往往严重参差不齐且存在多 种现场干扰,这对探测结果影响也很大,有时可能使图象失真,这为解释工作 增加了很大困难,往往使结果带有很大的误差和假象。 由以上分析可知,TSP和地质雷达代表了当前先进的地质超前预报技术,但 是仍不能达到人们所希望的精度。实际旋工中,应将两者结合起来,在隧道全 .28. 第三章厦门海底隧道超前地质预报 长采用TSP进行长期预报,在探测的不良地质区段辅以地质雷达探测,增加探 测的精度,同时结合地面地质调查进行地质推理,使各种预报能够相互验证, 相互补充。 .29. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 第四章隧道地质灾害的形成及防治 地质灾害坊治是一项复杂的工程。首先,作者认为地质灾害防治不是一般 的土木工程,而是一项与土木工程有关的地质工程。它的基础是地质,首先是 认识地质体,然后是改造地质体,达到安全、经济的目的。灾害防治的主要依 据是地质实际,根据对地质体的认识进行设计、施工。否则,设计和施工与地 质脱节,就会造成地质灾害。 其次,应该了解地质工程的含义,地质工程是以地质体做建筑材料,以地 质体做工程结构,以地质环境做建筑环境的一种特殊工程。其基本理论:(1)地 质控制论。包括地质构造控制论、岩体结构控制论、土体结构控制论及环境因 素控制论;(2)地质超前预报。地质勘察是地质超前预报的组成部分。相应于工 程进展的不同阶段,勘察有不同的内容和不同的精度要求,勘察和超前预报必 须有一定理论依据进行分析判断。地质预报理论;地质体是有规律和特征标志 的,根据地质结构特征标志的变化,预报成灾可能性和防治方案;(3)地质体改 造。过去有一个基本观点:即将地质体看作是工程建设的麻烦,是工程的作用 力。现在看来并非如此,地质体存在有承担自身稳定的能力,可以发挥这种能 力,对其薄弱环节迸行改造,使之满足地质体自身稳定的要求,保证地质体不 产生破坏。因此进行地质灾害防治时不仅仅要采取支护,这不是最好的方案。 如治理富水地带的塌方,不能仅考虑支挡,而很重要的一个内容是治水,排除 地表水,疏干地下水。 总体来说,地质灾害防治就是一种大地改造工程阎。 在隧道工程中,地质灾害的形成是有多种原因的,其中自然作用即地质作 用所引起的灾害占主体。其次,人类活动特别是工程活动也可以诱发地质灾害, 这主要与不正确施工或制定不合理的施工方案有关。本章主要针对因为地质作 用引起的地质灾害进行论述和探讨。 断层及断层控水作用形成的多水富水带是隧道开挖期间引起灾害发生的最 主要因素。众所周知,断层是地壳中广泛出现的一种构造形迹,其规模可大可 小,差别极大。由于断层的存在破坏了岩体的均一性,使其稳定性受到很大影 响,隧道工程也不例外。断层无论其规模如何,都是由两个基本部分组成:一 .30. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 个是断层面,也可以是一个相当宽的断层破碎带,规模较大的断层往往有破裂 的、压碎的和研磨极细的各种破碎岩石存在,而成为具有一定宽度的破碎带; 另一个是断层的两盘,即断层面所分开的两个岩块。断层的力学性质由其位移 方向,就是通过断层面或断层破碎带本身的形态、组成及其相互关系,以及两 盘的位移踪迹来加以判断的。 为了研究断层对隧道开挖的影响,可把断层按其力学性质分为张性断层、 压性断层、扭性断层等;按其两盘相对运动的方向又可以分为:正断层、逆断 层、平移断层等三种类型田J。 4。1 张性断层区域隧道开挖地质灾害 4.I.{张性断层区域的应力状态及其地质特征 地壳岩体断层构造的形成无 不与地壳的构造运动有关,对于 不同类型的断层,其区域岩体的 原岩应力状态具有各自的特性。 假设地壳中应力状态为:一个主 应力是铅直的(S),另外两个主 应力是水平的(S。为最大水平主 应力,最为最小水平主应力)。当 断层性质为张性正断层时,则 图4-I 墨 张性断层区域岩体应力状态示意图 S>品>瓯,如图4.1所示,由此可知,张性断层区域岩体的应力状态是以自 重应力为其主要特征的。 根据张性断层的形成过程、应力状态特征并总结大量的地质资料,可知张 性断层区域的地质特征主要表现在: (1)断层上盘近垂直下滑,不包括地表看上去是张性断层,在地下深处由于 断层倾向改变而成为逆断层的断层。 (2)倾角一般较陡,在平缓岩层中多大于60。{规模很小的张性断层面具有 犬牙交错、参差不齐的锯齿状形态,断层面绕砾而过断层面上几乎不见擦痕, 封闭极差,甚至出现裂隙;具有一定规模的张性断层面常呈不规则的弯曲状态, -31. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 断层面较光滑,也常见发育的近于垂直断层面走向的下滑擦痕。 (3)断层面两侧岩石或岩层常保存完整,断层破碎带很窄。标准张性断层的 构造岩是成分复杂、棱角尖锐、杂乱无章、大小悬殊和胶结疏松的两侧岩石角 砾的堆积物。 (4)断层面两侧的较大矿物斑晶常被拉开,呈参差不齐状。很少见矿物相变, 也很难见到应力矿物。 (5)断层内充填岩脉时,脉体在平面上走向多变,反复曲折,延伸短,常见 追踪现象和尾巴,在剖面上宽窄多变,脉壁凹凸不平,罕见擦痕。 (6)多条断层可成带分布,但较分散,在平面上常延伸较短且断续出现,在 剖面上经常组成地堑、地垒构造。 4.1.2张性断层的控水作用 张性断层的构造岩多呈棱角状、次棱角状,混杂无序,胶结松散或未胶结, 结构疏松,空隙大且空隙率高,透水性好;断层两盘受影响较小,旁侧分支空 隙不发育,透水性不良,含水性弱或构成相对隔水边界。因此,张性断层不论 发生于含水脆性岩层中还是发育于不含水或弱含水的韧性岩层中,其含水性、 透水性都优越于两盘。如张性断层发生于厚层含水脆性岩层中,有补给源,它 含水丰富,透水性强,在没有后期充填胶结情况下,不仅具有储水空间,构成 断层富水带,而且还具有集水廊道的功能。如张性断层发生于韧性厚层不透水 或透水性很弱的相对隔水岩层中,尽管具有一定储水空间,形成带状储水构造, 成为富水带,但由于地下水处于封闭状态,与附近没有或很少有水力联系,缺 乏补给源,钻孔或坑道揭露这类断层时,初期涌水量及水压可能较大,随之即 衰减,以致干涸p】。 4.1.3张性断层区域隧道地质灾害类型 张性断层区域的地质特征与工程地质区域的应力状态,决定了隧道开挖过 程中的灾害类型。张性断层区域地应力以自重应力为主,岩体多被节理裂隙结 构面分割,隧道围岩即为工程的结构体,围岩稳定性受结构面所控制。因此, 隧道开挖穿越张性断层时发生的灾害类型,其主要表现形式为塌方。根据塌方 的机制与规模不同,分为以下三种类型嘲: .32. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 (1)局部掉块。 就严格意义而言,局部掉块可不列 入塌方范畴,因为局部掉块并未引起隧 道围岩失稳。然而考虑掉块规模可以从 几方到几十方,有时也称之为坍方,见 图4-2所示。 (2)整体坍塌。 由局部掉块而诱发整体坍塌, 而引起整个隧洞的塌方(见图4-3)。 图4-2局部掉块示意图 关键块体的塌落 (3)顺层滑移。 当层间含有泥层并胶结强度较差,且与层面相 交的节理较为发育,岩体呈相对破碎时(见图4.4a); 当两条裂隙相交或有滑面时,隧道围岩向临空面发 生顺层滑移(见图4-4b)。坍塌往往是从局部掉块开 围4-3整体坍塌示意图 始,进而引起连锁反应,形成大范围坍塌。顺层滑动的坍塌一般是不对称的。 (a) Rq 4-4顺层滑移示意图 (b) 张性断层的控水作用决定隧道开挖时地质灾害的另一主要表现形式是突 水,突水是隧道施工仅次于塌方的最常见的地质灾害之一,特别在降雨量较大 地区更为常见。由于断层的控水作用,形成地下水的富集区或富集带,以及由 于地质作用形成的断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水涌水通道,施工时 -33. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 掌子面围岩的开挖,打破原有的地应力平衡,掌子面区域形成低应力区,在水 压力的作用下,地下水涌向洞内,形成突水。一般情况下,可以根据涌水量划 分突水级别: (1)涌水量小于100 m3/h,属于小、中、大股涌水; (2)涌水量为100~300 n13/h,属于小型突水; (3)涌水量为300~400 m3/h,属于中型突水; (4)涌水量大于400 m3/h,属于大型突水。 4.2压性断层区域隧道开挖地质灾害 4.2.1 压性断层区域的应力状态及其地质特征 压性断层是地壳岩体在地壳运动过程中,在区域动力作用下发生断裂而使 上下盘沿断层面走向滑动形成的,其中上盘上移,下盘下移,断层面与水平面 有一定夹角。压性断层与张性断层产生的动因不同,故而断层面的应力状态不 同,其构造应力常常很大,多称高地应力。 根据压性断层形成的地质力学机制, 其形态及应力状态如图4-5所示,其中 品>瓯>￥。最大主应力%为沿水平轴 X方向作用,中间主应力S沿水平轴】,方 向作用,最小主应力S沿铅直轴Z方向作 用。 根据压性断层的形成过程、应力状态 特征并总结大量的地质资料,可知压性断 层区域的地质特征主要表现在: (1)上盘近垂直上冲的各类断层。 围4-5压性断层区域应力状态示意图 (2)断层面的倾角变化范围较大;断层面呈明显舒缓波状弯曲状态,尤其在 走向上表现显著,这是由于压性断层也常是追踪平面和剖面上两组剪节理而发 展的缘故,随着应力的持续作用和岩石的塑性形变,共轭剪节理的方位逐渐偏 转,原来对应主压应力的锐角变成钝角,当在应力集中地带,节理被连贯成一 条断层面时,伴随挤压、位移引起的研磨作用和塑性形变最终形成舒缓波状的 .34. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 断层面;断层面较光滑,具有发育的近于垂直断层面走向的垂直上冲擦痕。 (3)断层附近的岩石或岩层常呈强烈挤压状态,断层破碎带宽;带内岩石强 烈破碎或出现揉皱、构造岩,甚至出现层理消失现象。 (4)断层面附近的矿物常被压扇并平行断层面排列;常见矿物相变,如长石 变成绿泥石;更常见大量新生的应力矿物平行断层面分布,如石墨、云母、绿 泥石、滑石、叶腊石等。压性断层,特别是规模较大的压性断层的断层面附近 矿物还有一个突出特征,即在断层面附近的裂隙中常见不规则的石英或方解石 团块或脉体,这是些无根的“冷脉”,分布凌乱,它们的形成,是在长期高压条 件下,石英、方解石、钠长石等矿物熔点降低而发生重熔,使硅质和钙质向断 层面旁侧压强相对较低的裂隙中迁移、集中,并再次沉淀或结晶后形成的。 (5)断层内充填岩脉时,脉体在平面上常呈明显波状延伸,具有膨缩相间, 尖灭再现特征;在剖面上一条脉体也呈不明显的波状侵位、膨缩相问,多条脉 体则具有尖灭侧现特点。脉壁呈舒缓波状,常见发育的垂直上冲擦痕,围岩与 脉体之间有时可见长轴上下的构造透镜体。脉内有时可见透镜装围岩俘虏体。 (6)多条压性断层常成带分布且较密集,在平面上延伸较长,常具有分支再 合,尖灭再现特征,在剖面上常出现叠瓦式断层和对冲断层,且常与走向一致 的线状褶皱平行伴生。 4.2.2压性断层的控水作用 压性断层一般呈现极为致密状态,含水性很弱或根本不含水,透水性很差, 成为阻水构造。若压性断层发生于厚层软弱岩层中,不仅构造岩结构致密,而 且其旁侧断层影响带也极不发育,整个断层将不富水;若压性断层发生于脆性 或可溶性岩层中,由于断层阻水作用和断层两盘影响带发育,可使其两盘地下 水富集起来,尤其是上盘既是运动的主动盘又是围压较小的一盘,影响带更为 发育,使其含水性、透水性增强,成为压性断层的富水带。 4.2.3压性断层区域隧道地质灾害类型 塌方和突水类同4.2.3张性断层区域隧道地质灾害类型,在此不再赘述。 以压性断层为主要构造形迹的区域构造应力场中,构造应力常常很大。在 秦岭隧道某断层区,应力升高区的最大水平主应力仃=86.16MPa,如此大的构造 一35. 第四章隧道地质灾害的形成及防治 应力使硬岩隧道失稳以岩爆为其特征。陈宗基1251教授对岩爆进行的工程实录中 显示:大的岩爆多发生在压性断层区域,我国的龙凤矿发生的50起煤爆中,有 72%是在断层的前区,14%是在断层之中,10%是在断层的后区。大量的工程与 研究资料都显示了岩爆在压性断层区域多有发生【玲”l。岩爆也是影响隧道施工 的一种地质灾害,它本质上是岩体中积累的高弹性应变能,因地下工程的开挖, 破坏了原有的地应力平衡,并在隧道两壁或拱顶某些部位产生局部应力集中, 当其超过了岩石的抗剪强度时,高弹应变能突然释放,岩体急剧破坏的一种施 工地质现象。 4.2.4岩爆地质灾害的防治 在岩爆多发地段预测的基础上,岩爆防治从施工到支护加固处理措施的双 重防治对策,以避免和减少隧道岩爆的发生。 (1)施工阶段的对策 一 ①分步开挖。分步开挖使围岩中释放弹性能的区域相应减小,有利于抑制 岩爆和降低其程度。也可以掘进时采用光面爆破,使开挖面尽可能圆顺一些, 避免局部应力集中。 , ②超前应力解除。由于隧道在高地应力开挖后易产生超高应力集中,为有 效降低应力集中现象,可采取超前应力解除法,如预切槽法和超前钻孔应力解 除法。 ’ ③减少岩体暴露时间和面积。在施工过程中短迸尺,多循环作业,及时支 护,以尽量减少岩体暴露时间和面积,可防止或减少岩爆发生。 (2)围岩支护加固措施 对已开挖的隧道的周边或掌子面前方的围岩进行加固,可改善掌子面本身 及洞室周边的应力状况,同时可防止岩石弹射和塌落。主要的支护措旌有: ①喷射混凝土或钢纤维喷射混凝上加固; ②钢筋网喷混凝土加固; ⑧周边锚杆加固,可应付突然发生的岩爆,锚杆数量视岩爆级别而定; ④格栅钢架加固; ⑤必要对实施超前加固。 4.3扭性断层区域隧道开挖地质灾害 一36— 第四章隧道地质灾害的形成及防治 4.3.1 扭性断层区域的应力状态及其地质特征 虽然扭性断层与张性断层和压性断层都是由于地壳的构造运动而形成的构 造形迹,但由于形成的力学机制不同,扭性断层区域有着与张性断层和压性断 层区域不同的应力状态。当地下一定深度的各向同性的地质体于一定的应力场 中,并且两个水平主应力一个增加,一个减少,即附加的水平应力一个是压性 的,一个是张性的。此时最大主应力正和最小主应力吼都是水平的,中间主应 力%是围压应力。此时剪切破坏将在应力差最大的吼和玛所在的平面发生,亦 即在水平面上发生,扭性断层由此而产生。 同样假设S为地壳应力状态中的一个铅 直主应力,品为最大水平主应力,瓯为最小 水平主应力。对扭性断层而言,品>S>最, 如图4.6所示。