隧道施工地质

• 一般地说，沿断裂两侧岩层未发生明显位移或位移极小的断裂称 • 根据节理与所在岩层产状要素的关系可分为走向节理、倾向节理、
斜向节理，根据节理与区域褶皱枢纽方向、主要断层走向及其他 线状构造延伸方向的关系可分为纵节理、横节理、斜节理，按节 理的力学成因可分为剪节理、张节理、扭节理。
• 断层按断盘的移动可分为正断层、逆断层和平移断层，按断层的
水；可软化泥化岩石，增大围岩的变形；降低结构面的内聚力， 造成不利组合岩块的塌落甚至引起大的坍方；加剧构造岩、风化 岩、破碎岩、粘土砂及泥夹块石类岩溶充填物活动性，引发隧道 洞内坍方、泥石流、岩溶涌突泥灾害；
• 隧道工程遇到的地下水类型主要有：第四系松散岩类孔隙水、基
岩裂隙水、岩溶地下水、破碎岩富水带等。第四系松散岩类孔隙 水主要引起第四系松散岩类的变形坍塌；基岩裂隙水软化泥化岩 石增大围岩的变形，降低结构面的内聚力造成不利组合岩块的塌 落甚至引起大的坍方；破碎岩富水带多造成涌水和构造岩、风化 岩、破碎岩的失稳坍方、泥石流；岩溶地下水则造成隧道岩溶涌 水、涌突泥等灾害。
• 6.2 倾斜岩层中的隧道工程地质问题 • 倾斜岩层特别是陡倾岩层，岩层走向与隧道轴线间交角越大，越
有利于隧道的施工开挖。不考虑岩石中节理的影响，倾斜岩层中 隧道工程可能施工遇到的主要工程地质问题是顺层错动破碎带围 岩的稳定性、软岩的变形和失稳破坏问题和脆性岩层在边墙和拱 部的张拗折坍落问题
• 6.3 断层中的隧道工程地质问题 • 压性和压扭性断层主干断层带中部多有断层泥或断层糜棱岩且具
• 6. 不同结构类型岩体变形破坏特征及主
要工程地质问题
• 6.1 水平岩层中的隧道工程 • 水平岩层中的隧道工程施工，主要有厚层或巨厚层水平岩层、厚
层夹薄（软）层水平岩层、薄层水平岩层中的隧道工程施工。不 考虑岩石中节理的影响，水平岩层中的隧道施工的主要工程地质 问题是薄层状水平岩层（包括软夹层）隧道起拱线以上部分的坍 方和拱顶板状坍方、厚层夹薄层中的薄层位于隧道顶部时的小板 状坍方
• 沉积岩有碎屑岩（砂岩、泥（页）岩、砾岩等）和碳酸盐岩（灰
岩、白云岩等）是分布较广的两类沉积岩
• 2.2 火成岩 • 火成岩分侵入岩和喷出岩（火山岩）。前者是地球深部高温高压
岩浆或熔岩流沿地壳内薄弱地带、构造通道等向地壳深、浅部侵 入形成，多呈岩脉、岩墙、岩床、岩盖(岩盘)、岩盆、岩脊、岩 基状，由于侵入岩是高温高压岩浆冷凝而成，因此未经构造变动 的侵入岩往往具有原生冷凝收缩节理(横节理、纵节理和水平节 理)，主要原生节理走向往往平行岩体的长轴方向，此外在侵入 岩边界外存在一定范围的原岩变质，变质程度自边界往外由强变 弱。侵入岩按性质可分酸性、中性、基性和超基性等侵入岩。喷 出岩是由地球深部高温高压岩浆或熔岩流沿火山口通道喷溢出地 面冷凝形成，多呈岩被、岩锥、火山口和火山通到。流动构造和 原生节理是火成岩特有的构造特征。
导水性良好，隧道施工揭穿张性断层（断裂）破碎带极易发生坍 方和涌水。
• 火成岩地区的断层（断裂）及其破碎带，往往带有构造变质现象，
在断层（断裂）及其破碎带的两侧，岩体多发生蚀变；在断层 （断裂）及其破碎带内，破碎岩体的蚀变则更加重了岩体的破碎， 严重的如花岗岩地层中断层（断裂）及其破碎带内岩体手抓即成 一把砂子，富水坍塌严重者甚至形成泥砂石流，隧道围岩无稳定 性可言；蚀变的辉绿岩脉则遇水变软。早期断裂形成的碎裂岩和 糜棱岩的变质和混合岩化作用的结果，则形成变质和混合岩化的
• 3.4 构造特别是节理、断层作用的最终结果是使岩体破碎甚至泥
化、糜棱岩化，造成破碎岩体的强透水性和泥化、糜棱岩化岩体 的隔水特性。工程地质工作者，应着重研究断层，节理的上述作 用对工程岩体强度、完整状态、岩体质量及稳定性的影响。
• 4. 地下水
• 在隧道工程施工中，地下水的作用非常活跃：本身可造成隧道涌
碎裂岩和糜棱岩，围岩或稳定性差，或变形大。
•
6.4 节理裂隙等结构面的不利组合及节理密集带的工程地质问题 岩层层面、节理面、断层面、岩性分界面等不连续结构面在岩体中的分 布组合，有时与隧道周边一道构成对隧道围岩稳定不利的组合体。当隧 道施工通过时，这些结构面的不利组合体或自动坍落，或在水及施工扰 动作用诱发下坍落；有时这种结构面的不利组合体的坍落往往带来较大 规模的隧道围岩坍方。
• 5. 特殊岩类及其工程地质特性
• 5.1 构造岩 • 主要是指由于密集节理切割造成破碎岩体、断层错动形成的断层
破碎岩、断层糜棱岩和断层泥等。密集节理切割和张性断层错动 形成的破碎岩体，由于破碎块体间空隙大，破碎岩体带往往是地 下水良好的富集、运移通道，同时由于破碎块体间结合力低或无 结合力，极易形成坍方；而压性断层挤压错动形成的主干断层带 断层泥和糜棱岩带，则具有隔水的特点，主干断层带两侧破碎岩 体，尽管破碎块体间存在少量的细粒充填物，但仍具有密集节理 切割和张性断层错动形成的破碎岩体所具有的工程地质和水文地 质特性。
•
（3）褶皱：岩层受力作用发生弯曲即褶皱。岩层向上弯曲，核心 部位岩层老，两侧岩层较新，称为背斜；反之，岩层向下弯曲， 核心部位岩层新，两侧岩层较老，称为向斜。背斜和向斜是褶皱 的两种基本形态类型。由系列向斜和背斜组成的背斜称为复式背 斜，由系列向斜和背斜组成的向斜称为复式向斜。
•
（4）断层及节理：岩层受力作用发生断裂变形，断裂变形阶段 产生的构造统称断裂构造。 为节理；沿断裂两侧岩层发生明显位移的断裂称为断层。
• 3.2 地质构造 • 地质构造是由各种内、外动力地质作用导致的岩石变形的产物， • • • •
具体表现为岩石的褶皱、断裂、劈理、节理以及其它的面状、线 状构造等。 构造运动是地球内部应力集中—释放的过程，地震、地壳表面的 隆起(造山运动)、板块的漂移碰撞等无一例外都是构造运动的型 式。 构造运动和外营力作用(地表岩石的风化、剥蚀等)的结果，即我 们今天所看到的地球表面和地质构造。 与隧道超前地质预报相关的地质构造主要包括： （1）水平岩层：岩层的层面基本上是一个水平面，即岩层的 同一层面基本处于同一海拔高度。水平岩层主要分布在受地壳运 动影响较轻微的地区。其特征是上新下老、地层界线与地形等高 线平行或重合、岩层厚度即岩层顶底面高程差、露头宽度与地面 坡度成反比。 （2）倾斜岩层：由于受地壳运动或岩浆活动影响，原来的水 平岩层产状发生变化，形成在一定地区内具有大致相同的倾向、 倾角的一系列岩层，即倾斜岩层。
• 3. 地层和地质构造
• 3.1 地层 • 地层的划分，根据其生成时间（年代）从老到新，划分为太古界、
元古界、古生界（寒武纪、奥陶纪、志留纪、泥盆纪、石炭纪、 二叠纪）、中生界（三叠纪、侏罗纪、白垩纪）和新生界（第三 纪、第四纪）。 • 一般来说，除特殊岩类地层外，年代越老的地层岩石成岩程度越 高，密度越大；年代越新的地层岩石，成岩程度越低，密度越小， 第三、四系地层中的岩石，多呈半成岩状态或松散状态。
• 一般来说，压性和压扭性断层主干断层带中部多有断层泥或断层
糜棱岩且具隔水特性，上盘富水。其主要工程地质问题是破碎围 岩的变形、失稳坍方、揭穿主干断层带断层泥或断层糜棱岩进入 上盘破碎带的涌水、由于过饱水致使靠上盘侧断层泥或断层糜棱 岩及破碎围岩稳定性极差造成的坍塌和涌泥 。
• 对于张性断层而言，断层（断裂）破碎岩体中很少含粘土质物质，
破碎易出现围岩的变形坍塌外，主要工程地质问题是煤层中所含 瓦斯的富集溢出、燃烧、爆炸及煤层采掘废弃矿巷雍水的突出和 回填及坍塌体的坍塌对隧道施工带来的危害。
• 5.6 含盐层 • 石膏、岩盐等易溶解，具强腐蚀性及膨胀性
• 上述特殊岩类，由于工程地质特殊性是隧道地质勘查调查的重点，
查明其性状外，必须专门对某些特殊岩类、对其稳定性和对隧道 设计和施工的影响作出评价。
• 6.5 向斜构造中的隧道工程地质问题 • 褶皱是岩层受力作用弯曲的产物。岩层在受力弯曲的过程中，形
成向、背斜构造内部小构造，在坚硬脆性岩层中易形成纵张节理 和纵（走向）断裂，在软硬相间岩层中则易形成硬岩层中的纵张 节理、软岩层中的错动挤压，在向斜的核部甚至存在岩层间的滑 脱现象。 • 向斜构造盆地往往为储水构造，其内部纵张节理和纵（走向）断 裂往往具有良好的导水特性，利于大气降雨、表水和地下水向深 部运移，隧道施工揭穿纵张节理密集发育带和纵（走向）断裂破 碎带往往发生严重的隧道涌水灾害和围岩的变形失稳破坏。在岩 溶地区，沿纵张节理和纵（走向）断裂破碎带及向斜的核部存在 的岩层间的滑脱带往往是深部岩溶的强发育带；当地层中存在相 对隔水层时，隧道施工揭穿纵张节理和纵（走向）断裂破碎带或 沿纵张节理、纵（走向）断裂破碎带及向斜的核部存在的岩层间 的滑脱带发育的深部岩溶造成的隧道涌水往往具有承压特点；深 部岩溶泥石充填物的涌出则更造成隧道洞内泥石流和突泥灾害。 武广铁路大瑶山隧道中段、渝怀铁路园梁山隧道中段都穿过向斜 储水构造，施工中发生了突水灾害。
• 任何节理都是在一定条件下岩体受力作用产生的。受剪应力作用
产生的剪节理产状稳定、节理面平直光滑、延伸较长、发育较密， 易形成节理密集带。在节理密集带内，岩体一般较破碎至破碎， 隧道施工穿越节理密集带时，极易发生围岩的失稳坍方。此外， 强烈剪性节理密集带中的破碎岩体中由于受压力作用往往含粘土 等物质，不利地下水的运移，隧道施工穿越强烈剪性节理密集带 中的破碎岩体一般仅见渗水而无大的涌水。受拉应力作用产生的 张性节理产状不稳定、节理面粗糙不平、延伸短，积少形成节理 密集带，但形成节理密集带时，极易发生隧道围岩的失稳坍方， 且由于张性节理密集带破碎岩体导水性良好易发生隧道施工时的 涌水。
隧道地质及施工地质
中铁西南科学研究院有限公司
何发亮 王石春
教授级高工、硕导
顾问 、研究员
隧道地质
• 1. 概述
• 隧道是修建于岩土体中的地下工程。隧道工程的设计和施工必须
以工程岩体（围岩）的工程地质、水文地质条件为主要依据。合 理、科学的设计和施工方案应该与工程场区的岩土体地质条件相 匹配，对场区的地质条件的认识是否清楚和掌握，是隧道工程建 设成败的关键之一。
• 2. 岩类
• 2.1 沉积岩 • 沉积岩是母岩（沉积岩、火成岩和变质岩）风化作用、生物作用、
剥蚀作用（破岩作用）和某种火山作用产物经风、水的搬运（搬 运作用）后由于搬运营力的减弱在一定环境条件下经过沉积、固 结成岩作用形成的岩石。 • 一般来说，未经构造变动的沉积岩岩层基本为水平岩层或倾角较 缓，层理构造是沉积岩的基本构造特征，主要为水平层理、沙纹 状理面、交错层理面结构，波痕、干裂、缝合线、叠层和鲕状构 造，主要结构面为层面。
走向与区域构造线（如褶皱轴向）的关系可分为纵断层、横断层 和斜断层，按断层与地层产状的关系可分为走向断层、倾向断层、 斜向断层和顺层断层，按断层产生的力学性质可分为压性断层 （层间断层）、张性断层和扭性断层。
• 3.3 其它构造：如穹窿构造、火长岩原生构造（侵入岩的破裂构
造、锥状岩席及环状岩墙，火山岩的破裂构造及火山构造等）.
隔水特性，上盘富水；张性断层主干断层带则由张裂角砾岩组成， 具有良好的导水特性。
• 断层（断裂）及其破碎带是隧道工程施工中遇到的最常见的也是
最为复杂的不良地质体之一，在断层（断裂）及其破碎带中发生 的隧道洞内工程地质问有主干断层带上盘侧过饱水断层泥及破碎 岩夹粘土坍塌涌泥和构造岩（动力变质岩，包括构造角砾岩、碎 裂岩、糜棱岩及片理化岩）的失稳坍方和变形问题，严重地威胁 隧道的施工和隧道施工人员的人身安全。
• 5.2 软岩 • 按工程岩体分级国家标准，岩石单轴抗压（干）≤30Mpa的岩石
统称为软质岩。隧道在软岩中施工的主要工程地质问题是围岩的 变形。
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• 5.3 膨胀岩土 • 膨胀岩是指矿物成分中含有强亲水矿物(蒙脱石、伊利石等)，遇
水具涨缩性能的岩石。主要为粘土类岩石，此类岩石通常具性脆、 色浅和贝壳状断口等特点。隧道施工遇此类岩土，围岩多出现大 的变形问题。
• 2.3 变质岩 • 母岩在特定地质和物理化学条件下经过转变再造作用(变质作用)
形成的具有新的矿物组合和结构构造的岩石。在变质岩中，绢云 母、绿泥石、蛇纹石和滑石等变质矿物是变质岩矿物成分的基本 特征，变余、变晶、交代和碎裂结构是变质岩特有的结构，变质 岩构造主要以变余构造和变成构造为主。变质岩中包括浅变质岩， 如千枚岩、板岩、变质砂岩等；深变质岩，如片岩混合岩、混合 片麻岩。
• 5.4 盐溶角砾岩 • 主要指石膏、碳酸盐岩、芒硝等岩石地层在构造运动过程中由于
自身性脆或地层挤压错动造成破碎而后重新胶结、半胶结或未胶 结形成的角砾岩，未胶结角砾岩中多充填粘土。半胶结和未胶结 角砾岩中的隧道施工，往往易出现围岩的变形坍塌。
• 5.5 煤系地层（煤层） • 煤系地层本身除了因节理裂隙发育造成围岩体岩质较软，易风化