工程地质在隧道与地下工程的关系

工程地质和隧道与地下工程的关系

工程地质学：工程地质学是一门介于地质学和土木工程学之间的应用地质学科，它是运用地质学的原理、方法，结合数理力学及土木工程学知识，分析、解决与人类工程和生活活动有关的地质问题。

也就是说，工程地质学这门学科，它的基础是地质学，我们首先应该学习的东西就是各种地形地貌、岩石产状、地质形态、构造运动等等一系列地质知识，当然这些不是单纯为了学习了解地质，而是为我们接下来所需做基础铺垫。我们隧道与地下工程专业，从大学科分类属于建筑类。所谓根深蒂固，也就是说一棵大树它要稳稳的屹立不倒必须有深厚的根基。而建筑工程，它的根基便是深深贴近着大地，只有将这根基做好做牢我们的建筑使用也才会有保障。这就是告诉我们，首先我们在做建筑工程之前，必须选一个适宜的地质环境，然而事实证明我们做工程过程中不可能不或多或少遇上一些不适宜在之上做建筑的地质，这就要求我们，必须用一种方法乃至要考虑数种方法来解决这些地质问题多带来的工程不便甚至危害。工程地质学，在一方面教授我们地质学常识，另一方面与工程相结合，运用地质学的原理、方法，结合数理力学及土木工程学知识，分析、解决与人类工程和生活活动有关的地质问题。公路工程是线型的建筑物，隧道是其中的关节部分，穿越不同的地质、地貌单元要求我们必须对地质环境有很深的探索和理解，使得工程建设减少地质制约，同时也不破坏环境。

隧道及地下工程是从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支。隧道及地下工程也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物，包括交通运输方面的铁路、道路、运河隧道，以及地下铁道和水底隧道等；工业和民用方面的市政、防空、采矿、储存和生产等用途的地下工程；军用方面的各种国防坑道；水利发电工程方面的地下发电厂房以及其他各种水工隧洞等。一切工程与大地接触，地质问题直接的影响我们工程的施行，在不同的地质条件下，选用不同的施工技术，或者说因地制宜，都学要我们对地质知识深入了解，对地质勘测深一步应用。例如，中国在云、贵、川及闽、浙一带可以有选择地利用天然溶洞；在西北黄土高原可利用喷锚支护和加强通风照明来修建窑洞民居。当然，在一些特殊地质，或者说不利地质，我们也必须使用恰当的施工方式是工程达到最优，例如，在软土地层中，采用适合地层条件的盾构、顶管、沉管和连续墙施工方案；在硬岩中采用新型掘进机或高效水钻台车，以及光面爆破和预裂爆破等先进技术。在一些长隧道中采用水平钻井已取得成功。以喷锚支护为基础的新奥法施工，可大力推广。

隧道与地下工程施工一般分为两大步：勘测设计和施工。勘测设计：隧道位置的选择一般应服从路线走向。由于隧道工程数量、造价、工期控制等因素，隧道位置在选线方案中是经济技术比较的重要组成部分。对不良地质地段的隧道，特别是长大复杂隧道线及全线或局部线路方案的成立与否，必须精心勘测设计。通过对隧道位置所处的地形、地质、水文等要素的测绘、勘测、测试及综合评定，设计正洞和明洞的长度和结构，决定施工方法，设计辅助坑道、排水系统和附属工程。可以知道这个过程实际上就是，其一是人文需要，也就是我们的需求建设需要；其二则是工程施工需要，找到合适地质环境施工减少造价和施工困难，这主要依靠我们工程地质的知识。第二个过程，施工过程，更是直接在地里面作业，很多应急情况都学要我们技术人员运用各方面只是解决问题，其中工程地质起到了重要作用。由此看来，整个隧道和地下工程的施工，不论是前期准备还是中期施工乃至后期完善都需要用工程地质知识，

贯通其中使得工程取得最优效果。由此可见，在隧道施工的过程里，隧道施工地质工作内容包括：超前地质预报；施工围岩分级及稳定性评价；灾害评估及防治工程措施建议；竣工图及报告等4项内容。超前地质预报是隧道施工地质工作最主要的工作内容：资料收集、地质素描、洞内外水文调查、监测测试、超前地质预测、综合超前预报和成灾警报等六项任务。下面我们从一个隧道施工设计实例中看看其中涉及的众多地质知识。

高边坡改隧道设计中的地质问题及处理建议

赣粤高速公路泰赣段C4标段高边坡位于遂川县巾石乡境内，杨公山隧道的南洞口附近，路线桩号：K203+557~K203+779.原设计为5级高边坡，一、二级坡高各为10米，设计坡率为1：0.25，不设防；第三、四级坡高各20米，设计坡率1：0.5，预应力锚索锚固支护，第五级坡高26米，设计坡率1：0.75，设计支护为锚喷。目前第四、五级边坡开挖、防护均已到位，第三级开挖、防护已部分到位，第一、二级边坡部分开挖。开挖过程中，发现山体地质情况比较复杂，边坡较陡，存在安全隐患，从安全角度考虑，组织对该高边坡的稳定性进行重新分析论证，确定采用单幅隧道方案通过。

1、工程地质条件及评价

1.1 地形地貌

建设场地位于杨公山隧道南洞口附近，与杨公山隧道相隔一条山涧，山体天然植被发育，山势陡峻，山顶标高达430米，山麓标高为250米，山体自然边坡是西南侧陡，西北侧缓，与岩层倾向一致，顺向坡缓，反向坡陡，最陡达59°。路线自山体的西侧山腰近山麓处左深切山体。边坡侧山体平均自然边坡坡度为33°，最陡为45°，最缓为25°。

1.2 地层岩性

建设场地地处巾石至新村花岗岩岩体的东北缘，系属巾石至碧洲复式向斜的南段西北翼。区内地层为寒武系上统水石群变质岩系（ε3）和第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）。寒武系地层为一套区域浅变质岩系，地层总体产状为55°∠22°，地层受多期地质构造运动的作用及岩浆侵入影响，地层在区域变质的同时，受岩浆的烘烤交代接触变质作用，区域地层处于混合岩化带，主要表现为局部出现少量团块状、透镜状及不规则状伟晶质和细晶质脉体，开挖后出现的“孤石状”岩体，可能是混合岩化成因，隧道区内该套地层根据岩性组合可分为二大层。⑴板岩层：以黄绿色斑点板岩、粉砂质斑点板岩为主，夹厚层状灰黑色变余长石石英砂岩，风化强烈，岩体呈碎裂结构，夹交代石英质脉体，呈“孤石”状。⑵变质砂岩层：青灰色～灰黑色，厚～巨厚层状变余长石石英砂岩，变余凝灰质砂岩为主，夹厚—中厚层状粉砂质斑点状板岩、变余砂岩。受多期构造运动的影响，岩石节理裂隙发育，自下而上，岩体呈层状块体结构变为层状碎裂结构。

1.3 地质构造

区内受东西向华夏和北东向新华夏系构造的影响，构造较发育，热液活动也十分频繁。区内构造以断裂构造为主，褶曲不明显，具体见构造体系及各构造体系所表现的应力方向。主要

地质构造形迹有：⑴巾石——碧洲倒转向斜构造，⑵新村——弹前花岗岩侵入体，（3）禾沅——万安大断裂。区内在加里东构造运动时期，以南北向的水平挤压为主，逐渐形成南北方向的华夏系构造。随着时间的推移和南北向扭动作用的加强，燕山晚期区域主应力方向也由北西——南东向逐渐转为北西西——南东东向，因而形成了现在的北北东向新华夏系构造。由于早期构造地应力在断层形成过程中被释放，根据杨公山隧道施工观察，本隧道的设计和施工无需考虑构造地应力的影响。对设计施工有影响的主要是由重力作用产生的地应力，特别是偏压作用。通过地质断面调查及钻取岩芯分析，勘察区的岩体最少发育两期节理裂隙，裂面有高倾角、压性闭合或微张开等特点。早期节理裂隙一般被石英脉充填，呈胶结状，有较高的抗剪强度；后期裂隙多呈“X”节理，由于其多向切割，岩体多半比较破碎。通过节理统计及“节理裂隙玫瑰图”分析，得出主要发育的几组优势节理面为：a、走向北85°西，倾向北，倾角45°～65°，与路线近垂交；b、走向北8２°东，倾向北，倾角45°～65°，与路线近垂交；c、走向北5°～24°西，倾向西，倾角65°～85°，与路线近平行，对隧道围岩稳定性影响较大。隧道围岩中的节理裂隙是影响其稳定的主要因素，岩层面只对右侧洞壁有影响。节理裂隙又以平行洞轴线的、后期的节理裂隙面影响最大，K203+590～K203+670段隧道右侧洞顶附近发育1.5米左右厚的构造破碎带，对隧道拱顶稳定不利。由于隧道所处的位置，地形起伏大，岩体风化分界线起伏也大，节理裂隙一般洞顶比洞底发育，洞右侧比左侧发育，同一掌子面出现岩体完整性差异，所以，设计和施工应引起重视，采取针对性工程处置措施。

2、围岩分类与支护分析

2.1 围岩参数的确定

⑴岩体声波速度根据P-S测井获取纵波、横波；

⑵岩土完整性系数：I=Vp2 / Up２其中：Vp为岩体纵波波速，Up为岩石纵波波速；

⑶泊松比根据波速计算确定：μd=Vp2－2Vs2/［2（Vp2－Vs2）］；

⑷动弹性模量根据下式计算确定：Ed=ρVp2（1+μd）（1－2μd）/［g（1－μd）］或Ed=ρVs2（3Vp2－4Vs2）/（Vp2－Vs2）其中：ρ为密度ｇ为重力加速度；

⑸静弹模量：Es=0.1Ed1.43 ；

⑹饱和抗压强度采用最小平均值确定。

2.2 隧道围岩分段划分及建议支护

2.2.1 K203+557～K203+610（北洞口及洞身）

围岩岩性为变余砂岩夹板岩，风化强烈，节理裂隙很发育，可见4组以上节理裂隙，多呈“X”型，岩体较破碎。拱部无支护时可产生坍塌，侧壁有时失去稳定，围岩类别综合定为Ⅱ类。建议：采用导坑法或台阶法施工并及时采取超前支护措施，洞口段适当接部分明洞。

2.2.2 K203+610～K203+680（洞身）

围岩岩性为弱～微风化变余砂岩，局部发育构造破碎带。围岩总体较完整稳定，局部呈碎裂结构，由于隧道浅埋偏压，左侧岩体坚硬完整，右上部洞室围岩范围内，岩体比较破碎。拱部无支护可能产生坍塌，侧壁基本稳定，围岩类别综合定为Ⅳ类。建议：施工采用先拱后墙法施工，对于施工中可能发现的局部破碎带、断层软弱破碎带，应局部特殊处理。

2.2.3 K203+680～K203+750（洞身及南洞口）

围岩岩性为以全、强风化千枚状粉砂质板岩为主夹变余砂岩及石英脉体，风化强烈，岩体软硬不均，总体较软，地下水较丰富。围岩横、纵向变化均比较大。右侧洞壁较薄甚至裸露，岩体风化呈土夹石状，左侧洞壁稍好。围岩易坍塌变形，处理不当会产生大坍塌，右上角地表可能出现塌陷。右壁处理不当易出现大坍塌，围岩类别综合定为Ⅱ类。建议：采用单壁导坑法或正台阶法施工或暗洞明做，开挖前必须进行超前支护处理，洞口和洞顶应采用

长导管超前支护，洞壁采用深孔注浆阻水和抗偏压，确定开挖期间洞室的稳定，开挖后喷锚支护并衬砌。对于洞壁较薄段应考虑接明洞通过。

2.2.4 K203+750～K203+779（左侧高边坡）

本段上部20米左右千枚状粉砂质板岩夹变余砂岩全强风化层及其残坡积土，岩体风化呈粉土状，且处于地下水出露带，地下水比较丰富，土体抗冲刷能力差。局部下部切入强、弱风化变余砂岩，呈碎裂结构，边坡岩体总体偏软且破碎。建议：边坡不陡于1：1，部分锚杆强支护，注意坡体及地表排水设置。考虑到进口段坡体稳定性差，建议接长明洞处理，确保运营安全。

在这个材料中，我们可以先从其中找出此次地质的相关问题包括了：地形地貌、地层岩性、地质构造、围岩分类与支护分析。这些材料为此次高边坡改隧道设计中起到了至关作用，其一分析了它的地质条件，发现山体地质情况比较复杂，边坡较陡，存在安全隐患，从安全角度考虑，组织对该高边坡的稳定性进行分析论证，确定采用单幅隧道方案通过。并且分析了每一段的岩石产状，确定了两洞口、洞身及左侧高边坡的处理方法，为此次隧道的设计以及施工做了很好的准备。总的来说，隧道处于山体斜坡处，地质构造相对复杂，洞身左侧埋深在22左右，右侧最大埋深在13米左右，隧道属于浅埋偏压型短隧道，设计和施工中应充分考虑这方面因素。隧道开挖爆应采用控制爆破（光面爆破或预裂爆破），尽量使围岩少受损伤，以免爆破过大，产生过量费方，影响施工进度，同时影响上部现有边坡的稳定。隧道围岩分类，是综合钻探、物探及地质调绘等成果确定，在隧道开挖过程中，若发现围岩类别划分不准确时应根据施工实际情况进行及时的调整。作为“新奥法”的重要组成部分，隧道施工必须进行施工监测。

从这此施工设计中，我们不难发现，隧道与地下工程施工过程中，地质对于施工设计和施工过程影响非常之大，解决复杂地质问题，选择适当方法，应用科学手段，才能达到工程最优效果。工程地质，从地质学入手，分析各种地质问题对于工程影响以及重大地质灾害，让我们对于工程施工有了最基本的知识保障！