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道路与桥隧工程中的主要工程地质问题

时间:2022-01-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:1)山岭区山岭区工程地质问题重点讨论沿河线与越岭线。关于隧道的工程地质问题,将在隧道部分详细讨论,这里着重讨论路堑方案的一些工程地质问题。垭口是越岭线的控制点,在符合路线基本走向的前提下,垭口的选择要全面考虑垭口的标高、地形地质条件和展线条件。
道路与桥隧工程中的主要工程地质问题_土木工程地质

9.2 道路与桥隧工程中的主要工程地质问题

9.2.1 道路勘察中的主要工程地质问题

路线选择是由多种因素决定的,地质条件是一个重要的因素,有时则是控制性因素。

路线方案有大方案与小方案之分,大方案是指影响全局的路线方案,就是选择路线基本走向的问题,如越甲岭还是越乙岭,沿A河还是沿B河。小方案是指局部性的路线方案,如走垭口左边还是右边,沿河右岸还是左岸,一般属于线位方案。工程地质因素不仅影响小方案的选择,有时也影响大方案的选择。下面分平原区与山岭区两种情况进行研究。

1)山岭区

山岭区工程地质问题重点讨论沿河线与越岭线。

(1)沿河线

由于沿河路线的纵坡受限制不大,便于为居民点服务,有丰富的筑路材料和水源可供施工,养护使用,在路线标准、使用质量、工程造价等方面往往优于其他线型,因此它是山区选线首先考虑的方案。但在深切的峡谷区,如两岸张裂隙发育,高陡的山坡处于极限平衡状态时,采用沿河线则应慎重考虑。

沿河线路布局的主要问题:①路线选择走河流的哪一岸;②路线放在什么高度;③在什么地点跨河。第③个问题将在桥渡部分详细讨论,这里的讨论只涉及①、②两个问题。

①河岸选择。

路线选择走河流的哪一岸,应结合河谷的地貌、地质条件进行分析比较。为了避让不利地形和不良地质地段,还可考虑跨河换岸。

为求工程节省、施工方便与路基稳定,路线宜选择在有山麓缓坡、较低阶地可利用的一岸,尽可能避让大段的悬崖峭壁。在积雪和严寒地区,阴坡和阳坡的差异很大,路线宜尽可能选择在阳坡一岸,以减少积雪、翻浆、涎流冰等病害。

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图9-1 在单斜谷中

1—有利情况;2—不利情况

在顺向谷中,路线应注意选择在基岩山坡较稳定、不良地质现象较少的一带。在单斜谷中,如为软弱岩层或有软弱夹层时,一般应选择在岩层倾向背向山坡的一岸,如图9-1所示;如为坚硬岩层时,则应结合地貌考虑,选择较为有利的一岸。

在断裂谷中,两岸山坡岩层破碎、裂隙发育,对路基稳定很不利。如不能避免沿断裂谷布线时,应仔细比较两岸出露岩层的岩性、产状和裂隙情况,选择相对有利的一岸。

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图9-2 在山地河谷中

在山地河谷中,常常会遇到崩塌、滑坡、泥石流、雪崩等不良地质现象。如两岸皆有这种地质现象,应通过详细调查分析,选择比较有利的一岸;如规模大、危害重,且不易防治时,则应考虑避让。跨河到对岸避让时,还应考虑上述不良地质现象可能冲击对岸的范围,如图9-2所示。

在强震区的沿河线,更应注意避让悬崖峭壁及大型不良地质地段,避免沿断裂破碎带布线并努力争取地质地貌条件对抗震有利的河岸。

②路线高度。

沿河线的线位高低,应根据河岸的地质地貌条件及河流的水流情况来考虑。

沿河线按其高出设计洪水位的多少,有高线、低线之分。高线一般位于山坡上,基本不受洪水威胁,但路线较曲折,回旋余地小;低线路基一侧临水,边坡常受洪水威胁,但路线标准较高,回旋余地大。

在有河流阶地可利用时,通常认为利用一级阶地定线是最适当的,因为这种阶地可保证路线高出洪水位,同时由于阶地本身受切割破坏较轻,故工程较省。在无河流阶地可利用时,为保证沿河低线高出洪水位以上,免遭水淹,勘测时应仔细调查沿线洪水位,作为控制设计的依据。同时应采取切实有效的防护措施,以确保路基的稳定和安全。

在强震区,当河流有可能为崩塌、滑坡、泥石流等暂时阻塞时,还应估计到这种阻塞所造成的淹没及溃决时的影响范围,合理确定线位和标高。

(2)越岭线

横越山岭的路线通常是最困难的,一上一下需要克服很大的高差,常有较多的展线。

越岭线布局的主要问题:一是垭口选择;二是过岭标高选择;三是展线山坡选择。三者相互联系、相互影响,不能孤立考虑,而应当综合考虑。

越岭方案可分路堑与隧道两种。选择哪种方案过岭,应结合山岭的地形、地质和气候条件考虑。下列情况可以考虑隧道方案:①采用较短隧道可以大大缩短路线长度、改善路线标准时;②在高寒山区采用隧道可以避免或大大减轻冰、雪病害时。

不同的越岭方案,有不同的考虑。对于路堑过岭方案,选择标高最低的垭口和适宜展线的山坡是非常重要的;对于隧道过岭方案,选择标高最低的垭口是没有重要意义的,而应选择可以用较低标高和较短隧道通过的垭口。对于隧道方案特别有利的是又瘦又薄的垭口。

关于隧道的工程地质问题,将在隧道部分详细讨论,这里着重讨论路堑方案的一些工程地质问题。

①垭口选择。

垭口是越岭线的控制点,在符合路线基本走向的前提下,垭口的选择要全面考虑垭口的标高、地形地质条件和展线条件。通常应选择标高较低的垭口,特别是在积雪、结冰地区,更应选择低垭口,以减少冰、雪病害。

对宽而肥的垭口,只宜采用浅挖低填方案,过岭标高基本上就是垭口标高;对薄而瘦的垭口,常常采用深挖方式,以降低过岭标高,缩短展线长度,这时就要特别注意垭口的地质条件。

在第4章中已经论述过山岭垭口的地质条件。断层破碎带型垭口,对深挖特别不利。由单斜岩层构成的垭口,如为页岩、砂页岩互层、片岩、千枚岩等易风化、易滑的岩层组成时,这些对深挖也常常是很不利的。

②展线山坡。

山坡线是越岭线的主要组成部分,选择垭口的同时,必须注意两侧山坡展线条件的好坏。评价山坡的展线条件,主要看山坡的坡度、断面形式和地质构造,山坡的切割情况,及有无不良地质现象等。

坡度平缓而又少切割的山坡有利于展线。陡峻的山坡、被深沟峡谷切割的山坡,对展线是不利的。

山坡岩层的岩性和地质构造对于路基稳定有极大影响。如为倾斜岩层(倾角>10°),且路线方向与岩层走向大致平行时,则应注意岩层倾向与边坡的关系,如图9-3所示。图中分别用1和2表示对路基稳定的有利情况和不利情况。实际工作中尚应结合岩层的岩性、裂隙、倾角和层间的结合情况来综合考虑。如虽为倾斜岩层,但路线方向与岩层走向的交角>40°时,也属于有利情况。接近水平的岩层,如由软硬相间的岩层组成,受风化的差异作用,可形成阶梯形状山坡,此种山坡是否稳定主要看坚硬岩层的厚薄及裂隙情况,如图9-4所示,图中分别用1和2代表坚硬岩层与软弱岩层。

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图9-3 山坡岩层地质构造的影响

(a)向斜山;(b)背斜山;(c)单斜山

1—有利情况;2—不利情况

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图9-4 水平岩层形成的阶梯状山坡的稳定性

(a)不稳定;(b)较稳定

1—坚硬岩层;2—软弱岩层

山坡上最常见不良地质现象是滑坡、崩塌,调查时应予以特别注意。北方及高寒山区还要考虑积雪、涎流冰等问题,这就要注意研究坡向和风向、泉水和地下水。在某些高山地区还可能有雪崩。在有雪崩的山坡上,一般应避免在同一坡上布设多条路线。

2)平原区

平原区路线所遇到的主要工程地质问题,按一般地区与强震地区两种情况来讨论。

(1)一般地区

一般地区地面水的情况是首先应该考虑的。为避免水淹、水浸,应尽可能选择地势较高处布线,并注意保证必要的路基高度。

在排水不畅的众河汇集的平原区、大河河口地区,尤应特别注意。

地下水的情况也是应该认真考虑的。在凹陷平原、沿海平原、河网湖区等地区,地势低平,地下水位高,为保证路基稳定,应尽可能选择地势较高、地下水位较深处布线。应该注意地下水变化的幅度和规律。不同地区,可能有不同的变化规律。如灌区主要受灌溉水的影响,水位变化频繁,升降幅度大;而多雨的平原区,主要受降水的影响,大量的降水不仅使地下水位升高,而且会形成广泛的上层滞水。

在北方冰冻地区,为防治冻胀与翻浆,更应注意选择地面水排除条件较好、地下水位较深、土质条件较好的地带通过,并保证规范规定的路基最小高度。

在有风沙流、风吹雪的地区,要注意路线走向与风向的关系,确定适宜的路基高度,选择适宜的路基横断面,以避免或减轻公路的沙埋、雪阻病害。

在南方,河网湖区、沿海平原、凹陷平原及大河河口等地区,常常会遇到淤泥、泥炭等软弱地基的问题,勘察时尤应注意。

在广阔的大平原内,砂、石等筑路材料往往很缺乏,应借助地形图、地质图认真寻找。

(2)强震地区

1976年河北唐山地区地震说明,建设场地的土质、地下水、地形地貌、地质构造对平原区的震害轻重有很大影响。根据邢合、海城、唐山地震的经验,对于烈度≥7度的地区,下列几点具有普遍的指导意义。

①路线应尽量避开地势低洼、地基软弱的地带,选择地势较高、排水较好、地下水位较深、地基内无软弱层(饱和粉细砂和软黏土)的地带通过,同时注意路基排水、路基压实等工作,以避免严重的喷水冒砂、震陷,并减轻路基开裂、下沉等震害。

②不应沿河岸、水渠布线,不得已时,应远离河岸、水渠以防强震时河岸滑移危害路基,并避免严重的喷水冒砂。

③对于重要公路,应尽量避免沿发震断层两侧危险地带布线。

9.2.2 桥渡勘察中的主要工程地质问题

大、中桥桥位通常是布设路线的控制点,桥位变动会使一定范围内的路线也随之变动。影响桥位选择的因素有路线方向、水文条件与地质条件。地质条件是评价桥位好坏的重要指标之一。

桥渡工程勘察的任务,主要包括以下几个方面。

①为选择桥位提供地质依据,包括调查河谷构造,有无断层,基岩性质、产状及埋深,河床是否稳定,谷坡、岸坡有无不良地质现象等。

②为墩台基础设计提供地质资料。查明河床地层结构,有无冲刷可能及冲刷影响深度,地基承载力、渗透性及水的腐蚀性,如有基岩应查明其埋深及岩性、产状和风化情况。

③为引道设计提供地质资料。引道是桥梁与路线的连接部分,多半是高填、深挖或浸水路堤。对于高填引道,应查明其地基条件,注意避让牛轭湖、老河道等软弱地基地段;对于浸水路堤,还应注意水位变化及波浪对边坡稳定性的影响;对于深挖,应查明边坡稳定条件。

④为调治构造物设计提供地质资料,主要是查明地基条件。

⑤调查建桥所需的当地天然材料,包括桥梁主体、桥头引道及调治构造物所需的砂、石、土等。

这里重点讨论桥位与桥基勘察中应注意的主要问题。

1)桥位勘察中的主要工程地质问题

如上所述,桥位工程勘察的任务是为桥位选择提供地质依据。采用的方法是调查与测绘,必要时可辅以少量的勘探工作。对于大桥应提出桥位工程地质说明书,在复杂情况下还应有桥位工程地质图与粗略的桥位中线处的河床地质断面图。

①桥位应尽可能选在河道顺直、水流集中、河床稳定的地段,以保证桥梁在使用期间不受河流强烈冲刷的破坏或由于河流改道而失去作用。应尽量避开有沙洲、急弯及主支流汇合的地段,选择河漫滩较窄,没有河汊的地段。为使桥梁轴线与河谷及河床垂直,应选择河谷与河床方向一致的河段,否则洪水时水流与桥梁轴线斜交,将会增加对墩台的冲刷。桥位还应远离上游的水坝、水闸。

②桥位应选择在岸坡稳定、地基条件良好、无严重不良地质现象的地段,以保证桥梁和引道的稳定并降低工程造价。通常桥位应选择在冲积层较薄、河底基岩坚硬完整的地段。在有碳酸盐石膏等可溶性岩层分布的地区,应特别注意避让岩溶发育的地段。桥头工程(引桥或引道)应尽可能避开牛轭湖、老河道等有厚层松软土层的地段。在山区要特别注意两岸有无滑坡、崩塌等不良地质现象,如果有,应仔细查明其规模、性质、稳定程度,详细分析其对桥梁有无危害及危害程度。

③桥位应尽可能避开顺河方向及平行桥梁轴线方向的大断裂带,尤其不可在未胶结的断裂破碎带和具有活动可能的断裂带上建桥。沿河断层,在河谷地貌上多有表现,如河谷比较顺直,两岸谷坡岩层不同、坡度不同、崩塌、碎落等不良地质现象比较发育等。平行桥梁轴线的断层可通过对两岸断层的研究,加以追索和推断。

2)桥基勘察中的主要工程地质问题

桥基工程勘察的任务是为桥梁墩台设计提供地质资料。方法是在调查与测绘的基础上进行勘探工作。对于大、中桥,目前均采用以钻探为主,辅以物探等方法。这种综合的勘探方法,能够互相补充,可收到事半功倍的效果。勘察的结果应提出桥位处的河床地质断面图,钻孔柱状图与勘探测试记录,水、土的化验与试验资料。

桥基工程勘察应注意的主要问题有以下几点。

(1)钻孔布设

钻孔布设应在桥位工程地质调查与测绘的基础上进行,以避免盲目性。

钻孔数量取决于①设计阶段;②桥位地质条件;③拟采用的基础类型。在初步勘察阶段,一般布设3~5个钻孔;在详细勘察阶段,一般钻孔数应不少于墩台数。如采用沉井基础,或基础设在倾斜、锯齿状的基岩面上时,应增加补助钻孔,复杂时每一墩台需要4~5个钻孔。

钻孔一般布设在桥梁中心线上。为了避免钻穿具有承压水的岩层而引起基础施工困难,也可布设在墩台以外。为了解沿河床方向基岩面的倾斜情况,在桥梁的上下游可加设补助钻孔。

(2)钻孔深度

钻孔深度取决于河床地质条件、基础类型与深度。钻孔的大概深度可参考表9-1。

表9-1 钻孔的大概深度

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河床地质条件包括:河床地层结构、基岩埋深、地基承载力、可能的冲刷深度等。基础类型要区分明挖、沉井与桩基等。如遇基岩,要求钻入基岩风化层1~3m。这一点在山区有蚀余堆积的河流上,尤应注意,以免把孤石错定为基岩。

(3)操作要求

为保证钻探工作的质量,钻进过程中要认真对待取试样、鉴别、记录等环节。每钻探1m深要取试样,每次变层也要取试样。为使试样尽可能保持原来状态,应注意选择符合技术要求的取土器和钻进方法。记录要仔细,对所有使用的钻具、进尺、取试样及钻进中的感觉等均详细记录。在鉴别试样时,应与调查测绘结果对照,避免发生重大错误。

大、中桥桥位钻探多系水上作业,安全问题甚为重要。如发生安全事故,不仅工作受到严重影响,甚至会造成人身事故或使钻探设备受到损失。下列情况应特别注意安全:位于水深流急的大河上;位于水库下游受放水影响时;位于河口受潮汐影响水位变化很大时。

(4)地质断面图

①钻孔柱状图。

钻孔柱状图(见图9-5)是根据每个钻孔的记录编制的,按钻孔中地层出现的顺序,由上向下分层编制。图上应注明不同地层的名称、厚度、特征及地下水出现的深度等。

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图9-5 钻孔柱状图

②桥位地质断面图。

如图9-6所示,在河床断面图上先绘制钻孔柱状图,将各钻孔的相同地层连结起来。即构成桥位地质断面图。在绘制桥位地质断面图时,应特别注意地层的尖灭现象和透镜体,还应特别注意不同地层的标高和路线设计高的相互联系。

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图9-6 桥位地质断面图

9.2.3 隧道勘察中的主要工程地质问题

公路隧道有山岭隧道与河底隧道之分,本节只研究山岭隧道。山岭隧道分越岭隧道与山坡隧道两种,这里重点讨论越岭隧道。越岭隧道是穿越分水岭或山岭垭口的隧道,这种隧道可能有较大的深度和长度;山坡隧道是为了避让山坡的悬崖绝壁以及雪崩、山崩、滑坡等不良地质现象而修建的隧道,这种隧道长短不一。

山岭隧道是修建在天然地层中的建筑物,它从位置选择到具体设计,直到施工,均与地质条件有密切关系。地质条件包括岩层性质、地质构造、岩层产状、裂隙发育程度及风化程度,隧道所处深度及其与地形起伏的关系,地层含水程度、地温及有害气体情况,有无不良地质现象及其影响等。

基于以上原因,在隧道的勘察设计中,应十分注意工程地质工作。对重点隧道或工程地质和水文地质条件复杂的隧道,应进行区域性的工程地质调查、测绘,并加强勘探和试验工作。当地下水对隧道影响较大时,应进行地下水动态观测,并计算隧道涌水量。

隧道工程地质勘探通常采用以钻探为主,辅以物探的方法。钻孔位置一般在隧道中线两侧8~10m。钻孔深度一般应达路线标高以下2~3m。

隧道勘察的主要问题是:隧道位置与洞口位置的选择;地下水、地温及有害气体;隧道围岩的稳定性。

1)隧道位置与洞口位置的选择

(1)隧道位置选择

①隧道位置选择的一般原则。

隧道应尽量避免接近大断层或断层破碎带,如必须穿越时,应尽量垂直其走向或以较大角度斜交;在新构造运动活跃地区,应避免通过主断层或断层交叉处;在倾斜岩层中,隧道应尽量垂直岩层走向通过;在褶曲岩层中,隧道位置应选在褶曲翼部;隧道应尽量避开含水地层、有害气体地层、含盐地层与岩溶发育地段。

隧道一般不应在冲沟、山洼等负地形地段通过,因冲沟、山洼等存在,反映岩体较软弱或破碎,并易于集水。

②岩层产状与隧道位置选择。

a.水平岩层:在缓倾或水平岩层中,垂直压力大,对洞顶不利,而侧压力小,则对洞壁有利。若岩层薄,层间联结差,洞顶常发生坍塌掉块。因此隧道位置应选择在岩石坚固,层厚较大、层间胶结好,裂隙不发育的岩层内。

b.倾斜岩层:当隧道轴线与岩层走向平行时,若隧道围岩层厚较薄,较破碎,层间联结差,则隧道两侧边墙所受侧压力不均一,易导致边墙变形破坏。因此隧道位置应选在岩石坚固、层厚大,层间联结好的同一岩层内。

当隧道轴线与岩层走向垂直时,岩层在洞内形成自然拱,稳定性好,是隧道布置的最优方式。若岩层倾角小而裂隙又发育时,则在洞顶被开挖面切割而成的楔形岩块易发生坍落。

③地质构造与隧道位置选择。

a.褶皱构造:当隧道轴线与褶皱轴平行时,沿背斜轴或向斜轴设置隧道都是不利的,因为褶皱地层在轴部受到强烈的拉伸和挤压,岩层破碎,常形成洞顶坍落,而在向斜褶皱内且常有大量地下水,危害隧道。为此,隧道应选择在褶皱两翼的中部,如图9-7所示。

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图9-7 褶曲构造与隧道位置选择

1、3—不利;2—较好

当隧道轴线与褶皱轴垂直时,背斜地层呈拱状,岩层被切割成上大下小的楔体,隧道内坍落的危险较小。向斜地层呈倒拱状,岩层被切割成上小下大的楔体,最易形成洞顶坍落,且常有大量的承压地下水。因此,应尽量避免横穿向斜褶皱打隧道。

b.断层:当隧道通过断层时(见图9-8),由于岩层破碎,地层压力大,对稳定极为不利,而且由于断层常常是地下水的通道,对隧道的危害极大,故此,应当尽量避免。图9-8中的方案2,无疑要比方案1优越。

当隧道通过几组断层时(见图9-9),除存在上述问题外,还应考虑围岩压力沿隧道轴线可能重新分布,断层形成上大下小的楔体,可能将其自重传给相邻岩体,使它们的地层压力增加。

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图9-8 断层与隧道位置选择

1—最差;2—较好

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图9-9 断层所引起的围岩压力变化

1—减小;2、3—增加

(2)洞口位置选择

洞口位置选择应保证隧道安全施工和正常运营,根据地形、地质条件,着重考虑边坡及仰坡的稳定,并结合洞外工程及施工难易情况,分析确定。一般情况宜早进洞晚出洞。

在稳定的陡峻山坡地段,一般不宜破坏原有坡面,可贴坡脚进洞。如遇自然陡崖,应避免洞口仰坡或路堑边坡与陡崖连成单一高坡,注意在坡顶保持适当宽度的台阶,在有落石时,则应延长洞口,预留落石的距离。

隧道洞口应尽量避开褶曲轴部受挤压破碎严重,为构造裂隙切割严重的地带,以及较大的断层破碎带,因为这些地段容易造成崩塌、落石与滑坡等不良地质现象。

隧道洞口应尽量选择岩石直接露出或坡积层较薄,岩体完整、强度较高的地段。如岩层软弱或破碎,则以不刷坡或少刷坡为宜,必要时可先接建明洞再进洞。为避免山洪危害,洞口一般不易设在沟谷中心。洞口如有沟谷横过,洞底应高出最高洪水位。

2)地下水、地温及有害气体

(1)地下水

地下水对隧道的影响主要是隧道涌水和浸水。

①隧道涌水。

隧道穿过含水层时,地下水涌进隧道,将会大大增加排水、掘进和衬砌工作的困难。在隧道穿过储水构造、充水洞穴、断层破碎带时,会遇到突发性的大量涌水,危害最大。在土及未胶结的断裂破碎带中,涌水的水压力和冲刷作用,可能导致隧道围岩失去稳定性。

隧道涌水量取决于含水层的厚度、透水性、富水性、补给来源,以及隧道的长度和断面大小。当预计地下水对隧道的影响较大时,应通过勘探、试验,查明上述水文地质要素,并计算隧道涌水量,作为排水设计的依据。

②隧道浸水。

地下水的活动会改变岩石的物理力学性质,降低岩体强度,并能加速岩石风化破坏。地下水在软弱结构面中活动,可起软化、润滑作用,常常造成岩块坍塌。某些地层,如黏土、无水石膏等,在水的作用下,体积膨胀,地层压力大大增加。

(2)地温

在开挖深埋山岭隧道时,地温是一个重要问题。人一般只在40℃以下才能正常工作,而在潮湿的坑道中,当温度达到40℃时就不能正常工作,必须采取降温措施,因此对深埋隧道内的温度应进行预测。

我们知道,常温层的温度大致与当地多年平均气温相当,在常温层以下,地温则随深度增加而增加。地温增加1℃所需下降深度(以米计)称为地温梯度。地温梯度受地形起伏、岩层导热率和含水量、地下水温度及火山活动等因素的影响,各地不完全相同。

根据地温梯度,利用下式可近似计算隧道内的温度

t=t0+(H-h)/T

式中 t——隧道内温度,℃;

   t0——常温层的温度,℃;

   H——隧道埋深,m;

   h——常温层深度,由观测取得,m;

   T——地温梯度,平均为33m,山岭地区为40~50m,准确数值可以钻孔测温资料取得。

(3)有害气体

在开挖隧道时,常会遇到各种对人体有害、易燃、易爆的气体。在工程地质勘探时应注意查明隧道所通过的地层中含有的各种有害气体,并提出相应的防护措施。

常见的有害气体:①易燃、易爆炸的气体,如甲烷(CH4);②无毒的窒息性气体,如二氧化碳(CO2)、氮(N2);③易燃的有毒气体,如硫化氢(H2S)。易燃的有毒气体溶于水生成淡硫酸液,对隧道衬砌的石灰浆、混凝土及金属有腐蚀作用。

当隧道通过煤系、含油、碳和沥青地层时,常有碳氢化合物的气体溢出,特别是甲烷。在含碳地层中开挖隧道时,常会遇到二氧化碳气体。在硫化矿床或其他含硫地层中,会遇到硫化氢气体。

3)隧道围岩的稳定性及围岩分级

隧道围岩是指隧道周围一定范围内,对隧道稳定性能产生影响的岩体。隧道穿越山岭时,破坏了原有的应力平衡,在隧道围岩中产生新的应力和变形,这种应力及松动岩层作用在衬砌上的压力称为山体压力。山体压力是评定隧道围岩稳定性的主要内容,也是隧道衬砌设计的主要依据。

隧道围岩稳定性评价,通常采用工程地质分析和力学计算相结合的方法。这里只讲工程地质分析法。

(1)影响隧道围岩稳定性的主要因素

①地质因素。

地质因素包括岩层产状、地质构造、地下水、地应力(在构造作用强烈且覆盖层很厚的山体中打洞,可能有较大的残余构造应力,对洞体的稳定性不利),以及地震烈度。地震烈度高时,可使地层断裂、滑动,造成隧道损坏。一般情况是:软弱岩层较坚硬岩层影响大,破碎岩层较完整岩层影响大,非均质岩层较均质岩层影响大,含水岩层较不含水岩层影响大,表层岩层较深层岩层影响大,洞口部位较洞体部位影响大。

②工程因素。

工程因素包括隧道的埋深、几何形状、跨度和长度,施工方法、围岩暴露时间及衬砌类型等,这些因素影响围岩应力的大小和性质。

(2)隧道围岩分级

我国2001年修订的《铁路隧道设计规范》中,明确规定了铁路隧道围岩分类所采用的两种方法,即以围岩稳定性为基础的分类方法和按弹性波(纵波)速度的分类方法。在交通部1990年制定的《公路隧道设计规范》中,围岩分类采用了与铁路隧道完全相同的分类方法。为使交通部门的围岩分类方法与国内其他行业的趋于一致,铁道部和交通部分别于1999年和2004年将围岩类别更改为围岩级别。分级方法采用国家标准《工程岩体分级标准》(GB50218—1994)规定的方法、级别和顺序,即岩石隧道围岩稳定性等级由好至坏分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级,并把土体围岩定为Ⅵ级。目前执行的确定隧道围岩分级的规范分别是《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)和《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005),分别见表9-2和表9-3。

表9-2 公路隧道围岩分级

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表9-3 铁路隧道围岩分级

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续表

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续表

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新规范围岩级别与原规范的围岩类别对应关系可按表9-4大致确定。应用中可能会存在一定问题,特别是对于Ⅲ~Ⅴ级(即Ⅳ~Ⅱ类)划分并不完全对应。应用时对Ⅲ级以下(含部分Ⅲ级)的岩体,应慎重确定级别,以确保工程安全。

表9-4 隧道围岩级别与围岩类别的关系

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