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影响隧道开挖稳定性的地质条件分析
来源:郜强 何陈 张海龙       时间:2015-05-27       人气:3203

【摘  要】  本文对影响隧道开挖稳定的岩石地层、第四系地层和各种地质构造的力学特性作了分析,并分别对铁路、公路隧道围岩分级和判断作了介绍。

关键词  开挖稳定性;岩石地层;第四系地层;抗压强度;埋深;地下水;围岩分级

 

开挖稳定性是指隧道开挖后自稳时间的长短,松弛区的大小和对支护压力的大小。不同的地质条件是影响开挖稳定性重要因素之一,是选择开挖方法的主要依据。

1  岩石地层

地球上岩石按其形成的原因分为三大类:岩浆岩、沉积岩和变层岩

1.1岩浆岩

    在地层的深处是高温、流动的岩浆、由于地壳的运动、压力、温度的变化破坏了原来的平恒,而从地下地壳薄弱处向上运动,喷到地面由火山形成的火山岩,如流纹岩、安山岩、玄武岩;没有喷到地面而凝固的叫侵入岩,在浅处凝固的叫浅成岩,如花岗斑岩、正长斑岩、闪长玢岩。在深处凝固的叫深成岩,如花岗岩、正长岩、闪长岩、辉长岩。其特点是:

(一)强度和岩石成分有关

这类岩石的特性是:石英成岩石骨架时,其含量高则强度高;长石与云母的含量高时强度小;冷却速度越快其结晶大,强度也相对的低,而且也易风化。

(二)火山的多次喷发

在岩浆岩地段,由于火山的多次喷发,后喷出的岩浆岩往往掩盖原来的地层构造,因此无法用地面的地质构造用作图法预报掌子面前方的地质条件。

(三)收缩裂纹

由于岩浆岩在形成时内外凝固的快慢而产生的温差,在冷凝过程中内外的冷凝收缩不同而在外层产生裂纹、裂隙并逐渐深入内部,而将岩体分裂成不同形状、不同宽度的节理,破坏了岩体的整体性而影响围岩的开挖稳定性。

(四)放射性

在岩浆岩中往往存在一定的放射性,根据国标,部标及法律规定,当其超标时应采取特殊的施工措施。

1.2沉积岩

早期生成的岩石经风化、破碎、搬运、沉积,最后经压固、胶结重结晶等作用而固化成岩。

岩石风化的产物不同,成岩性形成产物也不同。

碎屑物质常见的成岩有:砾岩、凝灰岩、砂岩。

不溶物质常见的成岩有:泥岩、页岩;溶解物质常见的成岩有:铁矿、石灰岩、白云岩、石膏。

沉积岩有以下特点:

1)层理

在沉积过程中形成的层理,由于沿层理面的强度低,在爆破时岩体往往顺层理面脱落,一方面造成超挖,一方面由于成型不好,影响开挖稳定性。

2)开裂

  粘土质的沉积岩,由于以后的收缩形成裂缝和其它物质的充填,破坏了围岩的整体性,也影响开挖的稳定性。

  3)膨胀岩

  由于粘土类的沉积岩中还有高龄土,蒙脱石,伊利石和石膏等物质,当含量超限,开挖后遇水发生膨胀,如施工措施不力,往往造成初期支护的破坏或侵入二次衬砌断面。

  4)煤系地层

  由于沉积岩中的煤系地层开挖后渗出的瓦斯(主要成分CH4H2SCO)。当空气中含量在5%-6%以上时,在高温下产生燃烧;5%-6%时遇火有爆炸,其中8-9%最容易爆炸;大于14%-16%时遇火燃烧,过高时会引起窒息死亡。规程规定,凡隧道开挖时有瓦斯渗出时均应按瓦斯每分钟渗出量采取施工措施。

  5)岩溶

可溶性岩石有石灰岩、白云岩、石膏、岩盐。其中以岩盐最易溶解,石膏次之。石灰岩、白云岩虽然不易溶解,但分布最广最常见,在适当的条件下,岩体的裂隙因含有二氧化碳流动的地下水,而溶解,加上时间的日积月累,因此形成大小形状不一的溶洞。由于溶洞壁岩体的脱落,其它沉积物和地下水的充填,因此在溶洞的充填中有的有堆积物,有的有泥浆,有的和高压水连通,如不提前预报,提前采取措施施工,对隧道施工将会带来极大的危害。

  6)粘土质沉积

这类沉积岩强度低,易碎、易裂、易风化,遇水工程性质更差。地层中常见砂、页岩互层,由于硬软不同,风化速度不同,隧道开挖后在其交界处常易发生坍塌。

  7)含石膏、盐的沉积岩

在沉积岩中有的含有石膏、岩盐和芒硝等成分的夹层,遇水溶解后会使岩石强度降低,同时,其岩溶水对砼有侵蚀性。

1.3变质岩

  早期生成的岩石在地层的深处经高温、高压或上升的岩浆影响,经过重结晶,改变了原来岩石的矿物成分、部分结构、构造,而形成新的岩石。

其主要的工程地质特点是:

  (一)压碎结构

部分变质岩在压力变化的过程中产生裂缝,部分糜稜化,容易风化,并在裂缝中有充填物,影响围岩开挖后的稳定性。

  (二)接触破碎带

  原岩在和岩浆接触的变质过程中对原岩发生了不同的变化和破坏,其影响带称接触破碎带。

由于岩浆岩形成时的高温,高压和冷却后的减压和收缩,使原有的岩层发生变质和变形,在接触处往往形成一定宽度的破碎带。当岩浆岩的高温能将原有的岩石熔化时形成溶合接触;如不能溶合时形成破碎接触,破碎接触容易发生塌方差。

岩脉实际上也是小的岩浆岩,侵入周围岩层时形成小的接触带破碎带。岩脉的横断面较小,由于地下水和风化的作用,有时岩脉的破碎程度超过了接触破碎带。例如在北京地区常见的煌斑岩脉,由于出现的无规律和岩脉本身已经破碎成松散状态,最易发生塌方,往往对地下工程带来很大的危害。

2  第四系地层

第四系地层是岩石在内外应力相互作用下发生风化,剥蚀而破坏,经搬运而未成岩的堆积物。由于其结构的松散和受堆积物的性质不同和受地下水的影响大,因此除有共同的特点外,同时也形成不同的工程地质特点。

(一)工程力学性质差

  由于是堆积物,因此是存在一定的孔隙和松散结构,抗压强度低,大多渗透系数大,含水量大的强度更受影响,开挖稳定性差。尤其是含水量高的,软型、流型状的粘性土,如淤泥、饱和粘土,由于承载能力低,抗剪强度低,会给隧道开挖带来极大的困难。

  (二)湿陷性黄土

  黄土是由粘土组成的特殊土,但并不是所有黄土都具有湿陷性。而是其中含有如caco3中的可溶盐和有CO2的地下水,由于破坏了原来结构而形成大孔隙和垂直裂隙,形成了地下水更容易流通的通道,最后发展成陷穴。在施工时不仅要防止地下原来陷穴对施工的影响。而且要防止施工对陷穴的形成。否则会对施工和运营安全带来极大的危害。

  (三)粉细砂

有一定含水量而且密实的粉细砂是具有一定开挖稳定性的,但干燥的粉细砂和含水量大,在开挖后则可能从开挖面流出而使结构失控。

3  抗压强度和埋深

按弹性理纹分析,隧道开挖后压力状态由三向压力状态转化为二向压力状态。最大切向应力发生在开挖面的周边,在开挖的径向应力为0,压力的大小和断面形式有关。在相同的切向应力作用下,抗压强度高的地层开挖后的自稳能力比强度低的高。

随着埋深的增加切向应力也随之增加,强度高的岩层由于侧压系数小,则可能因为拱顶产生拉应力,由于岩石的抗拉强度仅为抗压强度的1/8—1/12,则可能因拉应力超限而发生局部掉块。根据有关资料,岩石裂纹少、脆性、强度高的硬岩,当单轴抗压强度大于150mpa,弹性波数大于6000m/s,初始压力大于0.15—0.2σc时(σc为岩石的单轴抗压强度),开挖后可能发生岩爆。

强度低的岩层由于侧压系数大,在拱顶一般不容易出现拉应力,常因切向压应力超过允许值,塑性变形区扩大而发生塌方。当埋深增加到一定程度,如仍采用常规的初期支护,常因塑性区扩大而产生大的塑性变形。

可以用围岩岩体的单轴抗压强度和初期压力的比值来表示RmH的关系,S=γH/Rm

S————围压比

H————埋深

γ————岩体单位容重

Rm————岩体单轴抗压强度

前苏联顿巴斯矿区在大量实地量测的基础上得出以下关系

S0.3时,岩体稳定,周边位移小于5080mm

S=0.30.45时,岩体局部不稳定,位移150200mm

S0.45时,岩体不稳定,位移>200mm

4  地质构造

由于地球的地热和自转,地壳在过去和现在都在运动,有的运动很迅速、剧烈,如我们能察觉到的火山喷发和地震,但从整体上来看是局限性的。缓慢的地壳运动也同样长期存在,并且不易被人们察觉,如地球板块间的移动;喜马拉雅山现在仍以每年2.3mm速度在上升。

由于地壳的运动形成了地质上的不同构造,也形成了现在地球的地貌---海洋、陆地、高山、平原。

4.1单斜构造

岩层经地质构造运动后向一个方向倾斜形成单斜构造。如层间有软弱结构面和被结构面切割,当隧道开挖后容易产生顺层塌方。

4.2褶曲构造

   褶曲是地层的褶皱,是在水平挤压力,力偶或挤压加力偶的受力情况下,地层发生的波浪形变形。在变形过程中,在向斜轴部(凹形向上部分)上部收到挤压,下部发生张拉;背斜轴部(凸形向上部分)受力情况和向斜相反。在发生褶皱变形时,地层将发生不同程度的挤压和层间错动变形(常伴有断层发生)。在褶曲构造内节理发育,并常伴有地下水,因此在隧道施工围岩开挖后容易发生塌方。

  由于褶曲构造各部分的受力情况不同,其稳定性状态也不同,隧道开挖穿过受拉区的张性节理区时稳定性差,可能发生塌方;由于向斜构造有聚水作用,其受拉区塌方的可能性大;褶曲构造的翼部与单斜构造,其稳定状态和前述的单斜构造相同。

4.3断裂构造

  断裂是地层上下岩盘发生相互错动是的地质构造。根据《军都山隧道快速施工超前地质预报指南》(以下简称指南)一书断裂标准,裂隙宽度在10-500mm称小断层;大于500mm的称断层,大的断层宽度在数十米以上,隧道施工中的塌方大部分是在断层带发生的。

(一)断层的标志

中科院地质研究所孙广忠教授《岩体力学基础》一书指出“断层有两个特点,即断层上下两盘岩层被错开和断层面内填充有一定厚度的断层破碎带”

1)断层特征

  在断层两盘错动面上,因摩擦被碾平、磨光,常具有铁锰氧化物薄膜,形成光滑如镜的平面;

  2)存在断层破碎段

  两盘错动时,紧靠断层两侧的岩石被错断、磨碎形成的条形破碎带,其主要成分为:

断层泥:呈细粒粘土,并嵌入具有棱角的小颗粒。

糜稜层:呈颗粒状物质,原岩结构、构造已全部破坏,并新产生动力变质矿物,如绿泥石、绢云母、叶腊石及再结晶的石英等,表面有裂纹及应力痕迹。凡具有上述特征的构造岩,不论是否胶结均称糜稜岩。

  断层角砾岩:原岩构造已破坏,颗粒一般2-6mm,其间充填岩屑和粉末,但矿物成分和结构还可以辨认。

  压碎岩:原岩破碎成5-15cm的岩状,其间充填小颗粒、岩屑和粉末,但不胶结成岩。

3)存在断层影响

  断层带附近的原岩,在岩盘错动时因挤压也造成一定程度的破坏,虽然没有断层破碎带内形成的断层泥等成分,但节理发育,并有可能形成次生的小断层。         

(二)影响在断层带开挖稳定性的因素

影响断层带开挖稳定性的因素除和结构面的层状和地下水的活动有关外,还和以下因素有关。

1)断层内构造岩的性质

在断层内构造岩的性质和原来岩石强度,断层性质(压性、张性、扭性、压扭、张扭)、构造力的大小等因素有关。构造岩形状有的成松散状;有的挤压紧密;有的已胶结成岩。根据其破碎情况,一般有断层泥、糜稜岩、断层角砾、压碎状、块碎状。构造呈松散状和断层泥、糜稜岩多的最容易塌方。

2)断层的宽度和位置

断层的宽度大,塌方的可能性和长度也大。宽度小的断层在下述条件最容易塌方:断层在开挖掌子面出现的面积占掌子面的1/3以上,出现在拱部的断层,两条以上小断层互相平行或交叉切割。

3)上下盘的情况

在岩层发生错动时,断层的上下盘的岩体由于构造力的影响而发生破坏的范围称断层影响带。断层影响带的宽度一般从数米到数百米不等。

  断层影响带的出现是掌子面地质素描预报断层的依据,有些断层的影响带并不明显,可能发生漏报,在好的地层中断层突然出现往往发生塌方。

  当断层面的走向和隧道轴线防线交角大,倾斜方向和隧道的开挖方向相同,倾角小时,下盘的塌方可能造成断层的塌方。

  上盘的稳定性差时,宽度不大的断层也可以发展为大的塌方。

5  地下水

隧道施工的塌方多和地下水的活动有关,对稳定的主要影响是:

(一)降低围岩强度

  地下水对岩石、结构面和结构面充填物有溶解、泥化、软化、润滑和带出微小颗粒等作用,降低了岩体的力学性质指标,降低了围岩强度。

  (二)水压作用

  围岩在水压作用下增加了围岩压力而降低了围岩的稳定性;松散、松软的散体结构在承压水作用下大量流出或喷出,使在围岩内形成局部空洞而失稳。

  (三)膨胀作用

  当岩石中含有的蒙脱石、无水石膏、多水高苓土等超过一定限度时,遇水明显膨胀而产生膨胀压力,增加了围岩的压力。

6  风化

  风化作用是大气应力、水和生物对于岩石的化学和物理作用,引起岩石化学成分的改变和破碎的一种现象,使易风化的岩石形成一定深度、一定范围的风化破碎带。

  风化作用使易风化岩体的强度降低,节理发育,甚至完全破碎成松散体。不易风化的岩石由于构造裂隙的存在,增大了岩体的裂隙宽度和风化深度,使结构面产生水锈和软弱物质充填。因此风化作用降低了围岩的整体强度。

  有的岩体在特定的物质条件下,局部的风化深度比附近的风化深度深很多,即所谓的囊状风化。风化囊中的岩体节理发育,甚至风化成松散状,囊外的岩风化轻微或者风化不明显,有鲜明的界限,花岗岩中的风化囊深度可达数十米。在石灰岩中的溶洞实际上也是囊状风化的另一种形式,不同之处是囊中充填物多为其他物质,囊状风化的出现没有一定的规律,采用一般的手段进行预报也困难,突然的出现往往造成塌方。

7  岩体结构

  岩体是指在天然埋藏条件下,由岩块组成的,通常包含有一种以上结构面的地质体。由于地质构造作用和风化,地质体被各种结构面切割成不同的块体。“岩体内开裂的和易开裂的地质界面抽象地称为机构面”。结构面包括:岩体在形成过程中产生的结构面和构造面;由地质构造形成的断层面、错动面、节理面、劈理面;在外应力作用下产生的风化裂隙面和卸荷裂隙面。

  被各种结构面切割的岩石体称为结构体。

  岩体结构是结构面和结构体的组合。

7.1岩体结构面

结构面对开挖稳定性的影响因素:

(一)结构面产状

  结构面倾角大于25°可能发生顺层滑塌,大于70°时可能性更大;结构面的走向和隧道轴线方向的夹角越小,对稳定性的影响越大,影响的范围也越大。主结构面贯通性的大节理产状对开挖稳定性的影响如表1所示。

1   主结构面对开挖稳定性的影响

(二)结构面的切割

  岩体受两组以上结构面切割可能造成失稳;切割的组数多、切割的块体小稳定性也差;结构面连续长度比短的稳定性差。

  (三)结构面的结合

  开裂的结构面稳定性比闭合结构面差。断层、层间错动、节理面等属开裂结构面,对结构稳定性的影响取决于结构面的充填情况;层理、劈理、片理等属闭合节理面,其稳定性取决于结构面的胶结和压合情况。

  (四)结构面的充填(部分摘录自孙广忠《岩体结构力学》一书)

  无充填结构面的比有充填结构面的稳定性好

  无充填结构面的稳定性取决于上、下盘岩性,结构面的粗糙度和起伏度。节理、劈理多属无充填结构面,一般稳定性较好。

  有充填结构面的稳定性取决于节理面的宽度和充填物的性质。

  薄的充填物的厚度一般小于10cm,根据对稳定性的影响又可分为:

  1)薄膜一般厚度小于2mm,多为粘土质充填物或次生的蚀变矿物。薄膜使结构面的强度大大降低。

  2)夹泥的厚度多小于结构面的起伏差,对结构面的强度有显著减弱的作用。其削弱程度还受上、下盘岩石成分和结构面形态的影响。

  3)薄层夹泥的厚度大于结构面的起伏差,结构面的强度主要受填充物的强度控制。岩体破坏的主要方式为岩块沿结构面滑移。

  厚的充填物厚度由10cm至数十米,充填物以断层泥、糜稜岩、断层角砾、压碎岩、碎块岩及片状岩组成。岩体的破坏方式不仅沿结构面滑移,而且以塑性流动的方式挤出。

7.2岩体结构体

  根据主要结构面的组数和间距将岩体切割而成的大小和形状,从整体结构、块状结构、层状结构、镶嵌结构、碎块结构、土石结构。开挖稳定性也随主结构面的组数、间距增加而降低。

7.3岩体结构

  岩体结构是地层的基本特性,是判断地层完整性的指标;是影响开挖稳定性的重要因素之一,是围岩分级的重要标准。

  中国科学院地质研究所谷德振教授等研究人员经过对岩体结构的大量研究工作,提出创造性的成果——岩体结构类型及其力学特征,如表2所示

2  岩体结构类型及其力学特征表

8  围岩类别

  围岩类别是根据岩石强度,岩体结构(节理切割组数、间距、充填、结构体形状等),土体状态和地下水等综合因素确定,是设计参数和施工方法选择的依据。由于各有关行业的施工对象,设计特点和施工方法的不同,因此各有关行业有不同的划分标准。兹以和施工有密切关系的铁路和公路隧道为例。

8.1铁路隧道

  铁路隧道的围岩分级如表。岩石坚硬度划分见表,岩体完整程度的划分见表,地下水状态的分级和地下水影响的修正见表3

3  铁路隧道围岩分级




 

8.2公路隧道

公路隧道围岩分级见表10。表中岩石坚硬程度划分见表1112,完整程度划分见表13

BQ[BQ]的计算方法:

        BQ=90×3Rc+250Kv

式中BQ—围岩基本质量指标

[BQ]—修正的围岩基本质量指标

Rc—单轴饱和抗压强度

Kv—岩石完整系数,用Jv(每m岩石节理数)确定

10  公路隧道围岩分级





[BQ]计算,K1K2K3可以查表关键在RcKv如何计算。单轴抗压强度Rc的试件大多数无法取得。用弹性波数测定来求Kv现场没有条件;用单位体积的节理条数Jv用表13来求Kv,作起来也很难,不同的地方和不同的人可能得出不同的结果。因此,用[BQ]来判别围岩级别工地很少见使用,主要还是使用围岩、土体的定性特征。

8.3围岩级别的经验判断

目前,铁路、公路隧道围岩级别划分标准在使用上的确还存在一些问题,例如:

(一)岩石强度的确定

试验抗压强度的试件尺寸是多少,在同一断面上的岩石什么地方有代表性,实际情况是大多数情况的岩石都无法加工出标准的试件,其他的和聚力C、变形模量E、泊松比u更无法测了。

(二)开挖后的稳定状态

开挖后的稳定状态是和开挖断面为大小,施工方法有关。“拱部无支护时可能产生小坍塌”,就是在Ⅲ、Ⅳ级围岩也应该及时喷混,绝不会为了判定围岩类别看不支护是否会产生塌方。

“Ⅴ级围岩易坍塌”,如果有超前支护、设计参数合理,施工方法得当就不易坍塌,如果没有超前支护,挖的台阶过高,则放炮后就可能发生坍塌。

(三)岩体完整程度系数Kv

Kv测定方法之一是按每平方米岩体的节理数Jv来确定,但很少见用这方法。

(四)围岩质量指标修正值[BQ]如何计算

在工地鉴定围岩级别时也没有见人去量、去数,实际上在工地还没一套又简单易行又科学鉴定围岩级别的仪器和方法。在很多情况还是凭经验判断,例如:

(一)判断岩石强度和岩体破碎情况;

(二)钻孔时开挖面是否有松动脱落、是否卡钻、成孔是否好;

(三)看爆破每立方米岩石的炸药消耗量;

(四)看爆破后炮孔的炮根长短和留在爆破面上炮孔残留率;

(五)看爆破后浮石的多少;

(六)看爆破后成型和炮孔外的超挖;

(七)看爆破后碴的形状;

(八)看量测结果。












 

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