工程地质与水文地质

工程地质与水文地质

工程地质学是研究与工程建设有关的地质问题的科学，是为工程建设服务的，属地质学的一个分支学科。世界上任何建(构)筑物，如房屋、厂房、铁路、公路、桥梁、隧道、机场、港口、管道及水利水电工程，都是修建在地壳表层(地表或地表下定深度的地方) 的地质环境之中，工程建筑与地质环境之间存在着相互制约、相互作用的关系。方面表现为地质环境以一定的作用影响工程建筑的安全稳定、经济合理性和能否正常使用:另方面，建筑物的兴建又会以各种方式反馈作用于地质环境，使自然地质条件发生变化，最终又影响到建筑物本身的安全、稳定和正常使用。工程地质学的研究对象就是工程建筑与地质环境之间的相互制约和相互作用，研究的目的是促使两者之间矛盾的转化和解决。工程地质学为工程建设服务是通过工程地质勘察来实现的。通过勘察和分析研究，阑明建筑地区的工程地质条件，指出并评价存在的问题，为建筑物的设计、施工和使用提供所需的地质资料。工程地质学的基本任务可概括为三方面:一是区域稳定性研究与评价，二是地基稳定性研究与评价，三是环境影响评价。

工程地质问题分析就是分析工程建筑与工程地质条件之间相互制约、相互作用的机制与过程、影响因素、边界条件，作出定性评价，并在此基础上进一步利用各种参数和计算公式进行计算，作出定量评价，明确作用的强度或工程地质问题的严重程度，发生发展的进程，预测出施工过程中和建成以后这种作用会产生的影响，作出评价和结论，提供设计和施工参考，共同制定防治措施方案，以便保证建筑物的安全与消除对周围环境的危害。

工程地质的内涵。首先从字面拆分，为工程和地质。工程就是工程建设，土木工程诸如此类的人类行为，地质就是地球的性质特征等一系列的属性。工程地质就是研究与工程建设有关的地质问题。水文地质的内涵。水文地质的重点在于水文，它是研究地下水的。它主要是研究地下水的分布和形成规律，地下水的物理性质和化学成分，地下水资源及其合理利用，地下水对工程建设和矿山开采的不利影响及其防治等。合在一起就是通过专业知识综合考虑地质和水文的因素来分析对于工程建设的有利影响和不利影响。

工程地质在士木工程中的作用

一方面，地基的岩土组成、厚度、性质(物理及力学性质)、承载能力、产状、分布、均匀程度等情况是保证地基稳定性的基本条件。另一方面，组成地基的岩土体存在于一定的地质环境之中，建筑场地的地形、地质条件及地下水、物理地质作用等往往会影响地基承载力和地基稳定性。

基础和地基共同保证建筑物的坚固、耐久和安全，而地基在其中往往起着主导作用。牢固稳定的地基是建筑物安全与正常运行的保证。地基可分为以下两类: 在进行工程建设时，无论是总体布局阶段，还是个体建筑物设计、施工阶段，都应进行相应的岩十工程勒察工作。总体规划布局阶段应进行区域性工程地质条件和地质环境的评价;场地选择阶段应进行不同建筑场地工程地质条件的对比，选择最佳的工程地质条件场址方案;在选定场地进行个体工程设计和施工阶段，应进行工程地质条件的定量分析和评价，从而提出适合地质条件和环境协调的建筑物类型、结构和施工方法等方面的建议，拟定改善和防治不良地质作用和环境保护的工程措施等。

地下洞室的特点是全部埋藏在地下岩土体内，它的安全、经济和正常使用都与其所处的地质环境特征密切相关。地下洞室周围的岩体简称围岩。狭义上的围

岩是指洞室周围受到开挖影响、大体相当于地下洞室宽度或平均直径三倍左右范围内的岩体。围岩的性质直接影响地下洞室的稳定性与安全。

7.3.2围岩的变形与破坏

洞室开挖后，如果没有及时设置支护结构，当围岩应力超过了围岩强度时，便会失稳破坏;即使设置了支护结构，但支护结构抵抗围岩压力和变形的能力不足，也会造成支护结构和围岩的破坏失稳。般洞室围岩的破坏可发生在洞室的顶板、两帮和底板。

1.局部破坏

整体状结构及块状结构的岩体，虽然不发生大规模的失稳和破坏，但仍可能会出现洞室周边围岩小块体的局部掉块。在地下洞室开挖过程中，施工导洞扩挖时预留的岩柱，易产生劈裂破坏，也具有脆性破裂的特征。有时在整体及块状坚硬岩体中，由于结构面的存在，沿其端部延展易于产生岩体开裂应变。在这种情况下，岩体的抗开裂强度可能比岩石的单轴抗压强度低一个数量级。因此，在有大量节理平行洞壁的岩体中，应注意避免在主体洞室开挖之前就对邻近的支导洞做永久衬砌。

2.块体滑动与冒落

块状、厚层状以及此均质坚硬的是状岩体受软弱结构面的切割形成分离块体，在重力和围岩应力作用下，有可能向由于开挖产生的临空面方向移动，而形成块体的滑动，有时还会产生块体的转动、倾倒等现象。(洞室开挖后，原岩应力的重分布在顶板可能产生不利于稳定的拉应力，顶板围岩会在自重及上覆岩层压力作用下发生竖直向下的变形2如果洞室跨度较大，或者顶板岩层软弱或被多组节理裂隙切割而破碎，围岩中原有节理裂隙就会扩展，在拉应力作用下产生新的破裂面，这些新生的节理裂隙也会不断扩展。顶板岩石中这些原有和新生的节理裂原相互汇合交截，使顶板岩石更加破碎。这些岩石块体在重力作用下可能与围岩母体脱离，突然塌落而发生冒顶。

3.3.层状岩体的弯曲折断

层状岩体的夸曲折断多发生在层状岩体中，尤其是在夹有软岩的互层状岩体中最为常见。然而在一些大型的地下工程中，受一组极发育的结构面控制的似层状岩体，也可以产生类似的弯折破坏。层状岩体围岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素控制。其破坏形式主要有:沿层面张裂、折断塌落、弯曲内鼓等。在水平层状围岩中，洞顶岩层可视为两端固定的板梁，在顶板压力下，将产生下沉弯曲、开裂。当岩层较薄时，如

不支撑，任其发展，则将逐层折断而塌落，最终三角形塌落体。在倾斜层状围岩中，常表现为沿倾斜方向一侧岩层弯曲塌落，另一侧边墙岩块滑移等破坏形式，形成不对称的塌落拱。这时将出现偏压现象。

4.4.其他因素对润室稳定性的影响

(1)通水当地下洞室施工穿越含水层时，不可避免地会使地下水涌进洞内，给施工带来困难。地下水也常是造成塌方和使围岩丧失稳定的重要原因。地下水对不同围岩的影响程度是不尽相同的。其主要表现可归纳为如下几个方面:①以静水压力的形式作用于制室衬面:②使岩质软化，并使其强度降低:③促使围岩中的软弱夹层泥化，减少层间阻力，易于造成岩体滑动:④含水层由于大量地下水的流出，在动水压力作用下，将出现流砂及渗透变形:⑤如地下水的化学成分中含有害化合物(硫酸、二氧化碳、硫化氧、亚硫酸)时，对衬砌将产生侵蚀作用:⑥最为不利的影响是发生突然的大量涌水，这种突然涌水常造成停工和人身伤亡事

故，工程上常称其为“灾难性涌水”。造成地下洞室突然大量酒水的条件是:①洞室穿过溶洞发育的石灰岩地区，尤其是遇到地下暗河系统时，可能有大量的突然涌水，其涌水量可达每小时数百至几千立方米:②洞室通过厚层的含水砂砾石层，其酒水量可达每小时几立方米:③遇到断层破碎带，特别是它又与地表水连通时，也会发生大量的涌水，涌水量般也在每小时几十至几百立方米。

(2) 有害气体天然存在的气体能够充满岩石中的孔腺和空陈。很多气体是危险的，如甲烷(CH)，即沼气，可在上石炭统煤系中碰到。甲烷比空气轻，并易于从它原来的地点逸出。它不仅有毒而且易燃，并且与空气混合时剧烈爆炸。

(3)岩爆在坚硬而无明显裂隙的完整岩体中开挖洞室，若地应力比较高或洞室埋深较大，洞体围岩存储着大量的弹性应变能，应变能的突然释放，产生一种冲击地压，使围岩产生急剧的脆性破坏，随即向洞外弹出或抛出大小不等的岩片或岩块，有时伴有气浪和巨响，这就是岩爆。大型岩爆常伴有强烈的振动，对地下开挖和地下采掘事业造成很大的危害。岩爆的产生需要具备两方面的条件:高储能体的存在，且其应力接近于岩体强度是岩爆产生的内因:附加荷载的触发则是其产生的外因。就内因来看，具有储能能力的高强度、块体状或厚层状的脆性岩体，就是围岩内的高储能体，岩爆往往也就发生在这些部位。从岩爆产生的外因方面看主要有两个方面:一是机械开挖、爆破以及围岩局部破裂所造成的弹性振

荡;二是开挖的迅速推进或累进性破坏所引起的应力突然向某些部位的集中。