地质构造认识----(准备知识)课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,地质构造认识,(准备知识）,一、地质作用的概念和分类,概念：,把在地质历史的发展过程中，由于自然动力所引起的地壳组成物质、构造和地表形态不断变化的作用，称为地质作用。,分类,（一）内力地质作用,：,地球的旋转能、重力能和地球内部的热能、结晶能和化学能等引起整个地壳物质成分、地壳内部构造、地表发生变化的地质作用叫内力地质作用。,（ 1. 地壳运动 2.地震作用 3. 岩浆作用 4. 变质作用 ）,（二）外力地质作用：,作用在地壳表层、主要由地球以外的能太阳辐射能、日月引力能所引起的地质作用，称为外动力地质作用。能使地表形态发生变化和地壳化学元素的迁移、分布和富集。,（1.风化作用2. 剥蚀作用 3. 搬运作用 4.沉积作用 5. 负荷地质作用 6.硬结成岩作用）,地质构造认识 (准备知识） 一、地质作用的概,1,（三）内力地质作用、外力地质作用的相互关系,1.地壳上升与剥蚀作用,2.地壳下降与沉积作用,3.地壳长期稳定与准平原的形成,（三）内力地质作用、外力地质作用的相互关系1.地壳上升与剥蚀,2,二、相对地质年代的确定方法,二、相对地质年代的确定方法,3,（一）确定地质年代的方法,1,.绝对年代,：放射性元素衰变测得的年代为绝对地质年代,2 .相对地质年代,：地质时代系统最初就是根据各种岩层的相对新老关系，形成的先后顺序建立起来的。这样的时代系统称为相对地质年代，它只表示前后顺序，不包含各个时代延续的长短。,工程地质工作中主要运用相对年代。,（一）确定地质年代的方法1.绝对年代：放射性元素衰变测得的年,4,.,岩层相对地质年代确定方法,(1)地层层序律,地史学把某一地质时代所形成的岩层称为该时代的地层。沉积岩原始沉积时总是一层一层沉积的，,它们的,正常层序,是先沉积的,老地层在下,，后沉积的,新地层在上。,倒转地层,如何判断？,.岩层相对地质年代确定方法 (1)地层层序律 地史学把某,5,岩层相对地质年代确定方法,(2)生物演化律 ：,生物演化遵循由简单到复杂、由低级到高级的不可逆转的规律。也就是就说，老地层中保存有简单、低级的化石，新地层中含有复杂而高级的化石，根据地层中化石的种属，可以确定地层生成层序。,岩层相对地质年代确定方法(2)生物演化律 ：,6,岩层相对地质年代确定方法,（3）岩层间相互关系,（a)整合接触,表现为：连续沉积，没有间断，上下岩性和生物演化呈递变关系，上下岩层产状基本一致。,(b)不整合接触,:如果在沉积过程中受构造运动影响，该地区地壳上升，遭受风化剥蚀致使沉积中断一段时期，以后地壳再下降，接受沉积，于是在上、下两套地层之间缺失一部分地层，这种沉积不连续的两套地层之间的接触关系为不整合接触 .,平行不整合,：产状相同、年代不连续,角度不整合,：产状不同、年代不连续,岩层相对地质年代确定方法（3）岩层间相互关系,7,岩层相对地质年代确定方法,、岩性对比法,： 岩性对比法是以,岩石的组成、结构构造,等岩石性质方面的特点为对比基础。认为在一定区域内的同一时期的岩层，其岩性特点基本上是一致的或者是近似的。此法具有一定的局限性，故只能适用于某一特定的,地区,。,岩层相对地质年代确定方法、岩性对比法 ： 岩性对比法是以岩,8,岩层相对地质年代确定方法,岩浆岩之间相互穿插关系，也可以确定岩浆岩的相对年代 。,沉积岩与岩浆岩之间新老关系：,岩层相对地质年代确定方法岩浆岩之间相互穿插关系，也可以确定岩,9,（二）地质年代表,时代单位 地层单位,宙宇,代界,纪系,世统,期阶,（二）地质年代表时代单位 地层单位,10,地质年代表,地质年代表,11,第二部分 常见的地质构造,第二部分 常见的地质构造,12,一、岩层与岩层产状,地质构造：,由于地壳运动在岩层和岩体中遗留下来的各种构造形迹叫地质构造。,因此地壳运动又叫构造运动。,分类：,地质构造有四种类型：水平岩层、倾斜岩层、褶皱和断裂。,一、岩层与岩层产状 地质构造：由于地壳运动在岩层和岩体中遗留,13,（一）岩层,1.水平构造：,原始沉积物，特别是海洋中的沉积物多是水平或接近水平的层状沉积物，按沉积顺序先沉积的在下面，后沉积的覆盖在上面，这些一层层迭置起来的沉积物，经过固结成岩作用形成坚硬的层状岩石，称为岩层。原始岩层一般是水平的。,（一）岩层 1.水平构造：,14,2.倾斜岩层,当地壳运动不仅使岩层形成时的位置发生变化，而且改变岩层的水平状态，使岩层层面和水平面间具有一定的夹角时称为倾斜构造，如图5-2。,2.倾斜岩层 当地壳运动不仅使岩层形成时的位置发,15,正常产状 ：,倒转产状 ：,3、直立岩层,正常产状 ：,16,（二）岩层产状,1.产状要素,岩层在空间分布状态的要素称岩层产状要素。一般用岩层面的水平延伸方向、倾斜方向和倾斜程度进行描述。分别用岩层的走向、倾向和倾角来表示，称为产状要素 ，如图,（二）岩层产状1.产状要素,17,产状三要素,（1）走向：,（2）倾向：,（3）倾角 ：,产状三要素,18,2.产状要素的测量、记录和表示方法,（1）产状要素的测量：罗盘仪使用,（2）产状要素记录：象限角法,方位角法, N45E30SE, 13530,2.产状要素的测量、记录和表示方法（1）产状要素的测,19,（3）产状要素的图示,在地质图上， （a)产状要素用符号表示，例如 长线表示走向线，短线表示倾向线，短线旁的数字表示倾角。(b)当岩层倒转时，应划倒转岩层的产状，例如 岩层产状符号应把走向线与倾向线交点画在测点位置。,（3）产状要素的图示,20,二、褶皱构造,（一）褶曲的概念,地壳运动不仅使岩层升降和倾斜，而且还可以使岩层,被挤成各式各样的弯曲,。岩层被挤压形成的一个弯曲叫褶曲。,自然界中孤立存在的单个弯曲很少见，大多是一系列波状的而且保持岩层连续性和完整性的弯曲，这一系列的波状弯曲叫褶曲构造（褶皱）。,基本形态:,背斜和向斜,，下图,。,二、褶皱构造 （一）褶曲的概念基本形态:,21,二、褶皱构造,（二）褶曲要素,1核部。,褶曲中心部分的岩层。,2翼。,指褶曲核部两侧对称出露的地层。,3轴面。,通过核部大致平分褶曲两翼的一个假想的面。,4轴线(轴),。轴面与水平面的交线。,5枢纽。,指褶曲岩层的层面与轴面的交线。,6脊线和槽线。,背斜弯曲的最高点叫顶，在同一层面上顶的联线叫脊线；向斜弯曲的最低点叫槽，同一层面上槽的联线为槽线。,二、褶皱构造（二）褶曲要素 6脊线和槽线。背斜弯曲的最高,22,二、褶皱构造,岩层受挤压变形，形态往往十分复杂。在沉积岩地区褶皱形态尤为多样，往往不是一个简单的背斜或向斜，而是一系列的背斜或向斜，这一系列的背斜或向斜称为,褶皱构造,。,在这一系列的背斜和向斜中存在着次一级的背斜和向斜，甚至更次一级的背斜和向斜，形成一系列的复杂的褶皱。它们的规模一般都比较大，分布有一定的区域性，陆地上的大山脉都是这样，这些地区在地质历史上都曾经是长时期接受沉积的地区，后来又经历了强烈的地壳运动，岩层受到强烈挤压，形成所谓的,褶皱带,。,二、褶皱构造 岩层受挤压变形，形态往往十分复杂。在沉积,23,二、褶皱构造,（,三） 褶曲构造的野外识别,1、,首先是选择垂直岩层走向的观测路线,，,如各地质年代的岩系呈有规律的对称重复出现，则必存在有向斜或背斜褶曲构造。,2、确定岩层的新老关系：,如果老岩层在中间，两侧为新岩层且对称分布，为,背斜,；如果中间为新岩层，两翼为老岩层且对称重复出现，,为向斜。,3、如果岩层由中间向外倾斜,（或向内倾斜），倾角大体相等时，为,直立背斜（或向斜），,倾角不等者，则为倾斜背斜（或向斜）；若岩层倾向同一侧，一翼岩层层位倒置，为,倒转背斜（或向斜,）。,枢纽水平的褶曲，岩层界线沿褶曲轴平行分布，且和枢纽平行。若褶曲的枢纽为,倾伏,的，则两翼岩层走向不平行，必然在某一方向由一翼产状渐变另一翼产状，背斜在倾伏端而向斜在仰起端产状发生渐变，因而岩层界线呈“之”字形弯曲。见图5-29.,二、褶皱构造（三） 褶曲构造的野外识别,24,地质构造认识-(准备知识)课件,25,三、 断裂构造,断裂构造,：,当岩体受到的构造应力超过它的强度时，岩体的完整性和连续性遭到破坏，产生断裂变形。,根据岩体断裂后两侧岩块相对位移的情况，分为,裂隙和断层,两类。,（一）裂隙,裂隙也称为节理，是存在于岩体中的,裂缝,。是岩体受力断裂后断裂面两侧岩块沿着断裂面,没有或没有发生明显位移,的断裂。,它切割岩体，破坏岩体的完整性和连续性，是影响工程建筑物稳定的重要因素。,三、 断裂构造断裂构造：当岩体受到的构造应力超过它的强度时，,26,三、 断裂构造,例如,新滩坝隧道通过紫红色砂岩、页岩夹灰岩的水平岩层，岩体中发育两组平行与隧道轴向的节理，延伸远，贯通性好，将拱顶水平岩层切割成倒楔形，引起岩块坍落高达6米多，如图5-15。,岩块及易沿裂隙面发生滑动、坍落，引起建筑物失稳，因此在工程中要注意裂隙的影响。,图5-15 ，裂隙引起塌方,三、 断裂构造 例如新滩坝隧道通过紫红色砂岩、页岩夹灰,27,三、 断裂构造,根据裂隙的,成因,，把裂隙分为,构造裂隙,和,非构造裂隙,两类。,（1）,构造裂隙,是由地壳构造运动造成的。其特征是分布广泛，延伸较长较深，可切穿不同的岩层，往往成组出现。,张性裂隙（张节理）,岩层承受的拉应力超过岩石的抗拉强度所形成的。裂隙面垂直拉应力方向。其特点是：裂隙面多张开，延伸不深不远，裂隙面粗糙不平，表面无擦痕，分布不均匀，常被,后期岩脉充填。如发生在砾岩中常绕过砾石裂开，如图5-16。褶曲轴部和倾伏端等拉应力集中处张性裂隙密集。,三、 断裂构造 根据裂隙的成因，把裂隙分为构造裂隙和非,28,三、 断裂构造,剪（扭）性裂隙：,剪应力超过了岩石的强度所形成的。一般产生在与作用力大体成45方向上，形成两组近似互相垂直的节理面，这种节理面在野外常同时出现， 交叉成“”型，将岩体切割成菱形块体如图5-17。,三、 断裂构造 剪（扭）性裂隙：,29,三、 断裂构造,劈理,指那些形态细微，分布密集相互平行 排列的构 图5-16 砾岩中的张节理和剪节理造裂隙，其间距一般几毫米至几厘米，可将岩石切割成薄板状或薄片状多数劈理面与岩层层面不一致，很容易和岩层中的片理面和层理面相混淆。劈理面常出现在褶曲的两翼或大断层的两侧处，在塑性岩层中较突出。,（2）非构造裂隙,指岩石在形成过程中产生的,原生裂隙，,后期的,风化裂隙,，以及沿沟壁岸坡形成的,卸荷裂隙等。,具有普遍意义的是风化裂隙。风化裂隙主要发育在岩体靠近地面的部分可达地面下10米到15米左右的深度。这种裂隙的特点是分布零乱、没有规律性，岩石多成碎块，沿裂隙面岩石的结构矿物成分均有明显变化。,三、 断裂构造劈理 指那些形态细微，分布密集相互平行 排列,30,三、 断裂构造,2. 裂隙调查研究的内容,(1)测量裂隙的产状。,(2)观察裂隙面张开程度和充填情况。,(3)描述裂隙面粗糙程度,(4)观察裂隙充水情况。,(5)根据裂隙发育特征，确定其成因。,(6)统计裂隙的密度、间距、数量、确定裂隙的发育程度和主导方向。,裂隙密度,一般用裂隙率表示。裂隙率是野外调查时对某具体观测点，作裂隙面积与岩石总面积的百分比分析，可用下式表示：,裂隙率= 100% （5-2）,式中 L,i,为每一条裂隙的长度（m）；,b,i,为每一裂隙的宽度（m）；,A观测点的岩石总面积(m2)。,裂隙率表示岩石中裂隙的发育程度，即裂隙率越大，说明岩石中裂隙越发育。反之，则表明裂隙不发育。,三、 断裂构造2. 裂隙调查研究的内容,31,三、 断裂构造,3.裂隙发育程度分级,三、 断裂构造3.裂隙发育程度分级,32,三、 断裂构造,(二) 断层,岩体受力断裂后，两侧岩块沿断裂面发生了,显著的相对位移,的构造形态，称为,断层,。,断层往往由裂隙进一步发展而成。岩层中断层很常见，规模大小不一，小的几米，大的上千公里，相对位移由几厘米到几十公里不等。,对工程的影响程度也不同，一些仍在活动的所谓活断层常与地震有关。,三、 断裂构造 (二) 断层,33,1.断层要素,为了阐明断层的空间位置和断层面两侧岩块的相对运动关系，给与断层各部分以各种名称，称为,断层要素,。,(1)断层面,岩层断裂并发生明显相对位移的断裂面，称为断层面。,（,）断层线,断层面与地面的交线称为断层线，就是断层面在地面的出露界线。,（）断盘,断层面两侧相对位移的岩块称为断盘。,三、 断裂构造,1.断层要素 （）断层线 断层面与地面的交线称为,34,(4) 断距,断层两盘沿断层面相对位移的距离，如图5-18、5-19所示.,2.断层的基本类型,断层分类方法很多，常见的是根据断层两盘,相对位移,的情况，分为正断层、逆断层和平移断层三种，如图5-20。,三、 断裂构造,(4) 断距 断层两盘沿断层面相对位移的距离，如图5-18,35,(1) 正断层,断层上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断层。正断层主要是受到地壳水平拉张应力及重力作用所形成。,根据连续正断层的,组合方式,不同，可形成,阶梯状断层、地堑、地垒,等三个类型，如图5-21。,三、 断裂构造,(1) 正断层 断层上盘沿断层面相对下降，下盘相对上升的断,36,(2)逆断层,断层,上盘沿断层面相对上升而下盘相对下降的断层,，逆断层一般是岩层受地壳水平应力的挤压作用形成的，断层的两盘多呈闭和状态，故断层的性质属于压性的。根据断层面的倾角的大小逆断层又可以分为,冲断层、逆掩断层、辗压断层,等，如图5-22。,（3）平移断层,两盘只作水平方向相对移动的断层。这种断层主要是水平剪切作用造成的，断层面倾角很大，常近似于直立，断层面上常有近水平方向的擦痕。,三、 断裂构造,(2)逆断层 断层上盘沿断层面相对上升而下盘相对下降的断层,37,3,.断层的野外识别,（1）构造不连续,断层将岩层界线、褶曲轴线或先期形成的断层切断、错开，使地质界线或构造线出现不连续、突然中断和错开的现象,如图5-23。,（2）岩层重复或缺失,岩层中产生断层后，常使岩层发生重复或缺失现象。断层与岩层两者产状不同，显示的标志也不同，如图5-24。,三、 断裂构造,3.断层的野外识别（1）构造不连续 断层将岩层界线、褶曲轴,38,（3）与断层伴生的构造现象,擦痕,擦痕是断层两侧岩块错动时磨擦造成的痕迹.,擦痕的方向指出了断层两盘相对滑动的方向。,有时，断层面上有与擦痕垂直的小“陡坎”，称为,阶步.,构造岩,断层形成时，两盘岩块相互挤压、错动，使断层面附近的岩层破碎，常形成一个与断层面方向一致的破碎带。,牵引现象,是断层附近常见的一种构造现象,。,三、 断裂构造,（3）与断层伴生的构造现象 有时，断层面上有与擦痕垂直,39,（4）断层的其它标志,断层往往在地形、地貌上有明显的表现，若断层面的倾角较陡，断层面两侧的岩层软硬不一，则较软一侧的岩盘已被剥蚀，常在地形上形成陡崖， 称,断层崖,，如图(a),若断层面与河流方向接近垂直时，则河流途径断层崖则形成,跌水或瀑布,，如(b）所示。断层崖被流水侵蚀后，常常沿断层走向造成许多呈线状排列的三角面，称断层三角面，或由于断层带较宽，岩石破碎、松散，经风化侵蚀后成为,河谷、垭口等低洼地形,，图（c）。洼地进水成湖泊。有时地下水沿断层带出,露成泉,，这些泉大致沿断层走向成线状排列。,判断一个地区有没有断层时，主要应根据构造不连续、岩层的重复或缺失这两个标志，孤立地、片面地强调某一个间接标志，会得出错误的结论。,三、 断裂构造,（4）断层的其它标志三、 断裂构造,40,第三部分,地质构造对,地下洞室,的稳定性影响分析,第三部分,41,一、不同地质构造中,隧道,位置的选择,(一)单斜构造,单斜构造常见的工程地质问题总是为：,不均匀的地层压力或编压，或者有产生顺层滑动等现象,。,特别是岩层倾角较大，层间结合差，伴随以节理裂隙等有害的切割时，施工中容易产生,塌方和顺层滑动,。尤须予以足够的重视。,一、不同地质构造中隧道位置的选择(一)单斜构造,42,一、不同地质构造中,隧道,位置的选择,隧道岩层倾角大小不同，,稳定性是有差异的,。根据倾角大小，把岩层分为三类，其稳定性见表5-2。,表5-2 单斜构造按稳定性岩层倾角分类,类别,岩层倾角（）,隧道施工中稳定性特征,缓倾的,拱部掉块,陡倾的,滑动、偏压、不均匀压力,直立的,稳定性较好,一、不同地质构造中隧道位置的选择 隧道岩层倾角大小不,43,一、不同地质构造中,隧道,位置的选择,（一）单斜构造：,在单斜构造中选择隧道位置时，还应注意,避开含水层,。因为含水层易出现大量涌水、塌方、挤出等病害。所以应尽可能将隧道设在不含水层内。,一、不同地质构造中隧道位置的选择 （一）单斜构造：在单,44,（二）,褶曲构造,中,隧道,位置的选择,褶曲构造,两翼,的隧道工程地质条件与单斜构造相同。因此，在这里讨论通过背斜或向斜轴部的隧道工程地质问题。,从图5-34和图 5-35可见，背斜的裂隙特征是上部受拉，下部受压。而向斜则恰恰相反，从坑道围岩的稳定性看，背斜是优于向斜的。向斜轴部纵横张裂隙发育，所切的锥形体又是尖端向上的。开挖时容易塌方、掉块。而且地下水汇集。因此，,有可能时，应让隧道在背斜中通过,。此时也应避免隧道与背斜轴平行，而用较大角度,（宜大于30度）相交。以尽量减少其不利影响。,（二）褶曲构造中隧道位置的选择 褶曲构造两翼的,45,褶皱构造,中,隧道,位置的选择,隧道通过褶皱地带由于岩层挤压破碎、裂隙较多、开挖中常伴随,地下水涌出。易坍塌，围岩压力也较大。施工比较困难，故宜避开。,隧道要避开多组裂隙密集带，这在勘测时预测往往是有困难的。应,尽可能使隧道轴线方向与两组主要裂隙呈,45斜交而不能与之平行。,褶皱构造中隧道位置的选择 隧道通过褶皱地带由,46,断裂构造,中,隧道,位置的选择,由于,断层,是岩层在构造变动下发生的断裂，因而在断裂面处有较大的剪应力和残余应力。在区域性大断裂中常伴有继承性的新构造运动及强烈地震活动，从而,围岩压力较大,。,此外，由于岩层发生断裂，断裂处岩体被挤压破碎。多呈块石、碎石、角砾及断层泥。易坍塌，地下水发育且往往伴有突然涌水。在选择隧道位置时应极为慎重，,一般皆应避让之,。,如,不能避让,必须详细调查断裂的几何要素（断裂面、走向、倾向、倾角、断距等）；断裂的延伸规模、宽度、影响范围；断裂带的特征等 。,断裂构造中隧道位置的选择 由于断层是岩层在构造,47,断裂构造,中,隧道,位置的选择,隧道位置应避免平行构造线,，避免在断裂带中通过，右图。,当不易避开时，宜横穿或采用较大的角度穿过断裂带，最好交角不小于30，当隧道在断层旁，平行断层通过时，应避开断层破碎带一定距离，并考虑断层性质及倾角的影响。,断裂构造中隧道位置的选择 隧道位置应避免平行构造线，,48,断裂构造,中,隧道,位置的选择,当,隧道须从断层附近通过,时，则应于受断层影响较轻微的一盘通过，例如压性断层一般下盘较上盘受到的影响轻微，岩层较完整。,在岩浆岩与沉积岩或变质岩的接触带,由于岩浆岩的高温高压作用，在岩浆岩与周围岩体接触处，产生变质和错动，岩体裂隙发育、破碎、地下水易于聚集流通，故隧道开挖时易产生塌方、偏压、涌水等不良地质问题，,所以在这一带的隧道位置选择应与在断层破碎带同样看待。,断裂构造中隧道位置的选择 当隧道须从断层附近通过,49,二、地下工程地质问题,地下工程的工程地质问题,实际上就是考虑工程岩体的稳定性。,地下工程:,位于地表下一定深度，修建在各种不同地质条件的岩土体内，所遇到的工程地质问题比较复杂.,二、地下工程地质问题 地下工程的工程地质问题实际上就是,50,对于地下工程围岩稳定性的影响，常见的由如下,因素,：,1)岩体的结构状态和类型;,2)岩体的物理力学性质;,3)地应力和岩体含水状态。,我们从上面的这些影响因素着手，给大家介绍引起的一系列的工程地质问题。,对于地下工程围岩稳定性的影响，常见的由如下因素：,51,（一）岩体及岩体结构类型基本概念,详细内容请参考前面内容。大家一起回忆学过的知识。,岩体应力-应变曲线分为四种形态：,硬岩岩体的变形破坏首先是沿结构面的变形,破坏，其工程性质主要取决于结构面的工程性质；,在软岩岩体中，因结构体力学强度较低，其工程,性质主要取决于结构体的工程性质。,硬岩岩体主要为脆性破坏，软岩岩体主,要为塑性破坏，硬岩岩体破坏强度高于软岩岩体。并且，在硬岩岩体中，结构面力学强度通常大大低于结构体力学强度。,可以得知,曲线的形态受外部荷载和岩体自身各向异性的原因影响。,（一）岩体及岩体结构类型基本概念 硬岩岩体主要,52,（二）地应力,地应力也称天然应力或初始应力。是指早期存在于地壳岩体中的应力。,地应力包括：,岩体自重应力、地质构造应力,、地温应力、地下水压力以及结晶作用、变质作用、沉积作用、固结脱水作用等引起的应力。,构造应力和自重应力是地应力中最主要的成分和经常起作用的因素。,（二）地应力,53,地应力分布基本规律：,（,1）在浅部岩层，地应力垂直分量值接近于岩体自重应力；,大约34实测资料表明，水平分量 大于垂直分量；,（2）在深部岩层，如1km以下，两者渐趋一致，垂直分量甚至,大于水平分量 ；,（3）水平分量有各向异性。中国华北地区实测结果表明比,值=0.190.27的占17，比值为0.430.64的占60，,比值为0.660.78的约占20；,(4)最大主应力在平坦地区或深层受构造方向控制，而在山区则,和地形有关，在浅层往往平行于山坡方向；,（5）由于多数岩体都经历过多次地质构造运动，组成岩石的各,种矿物的物理力学性质也不相同，因而地应力中的一部分以封,闭”或“冻结”状态存在于岩石中。,地应力分布基本规律：,54,（三）地下洞室变形及破坏的基本类型,1、,围岩应力引起的变形与破坏,主要指围岩岩体在围岩应力为主作用下产生的变形与破坏。,（1）围岩应力的变化规律,洞室周边围岩应力的变化规律主要随洞室形状和侧压力系数而变化。以铁路直墙圆拱型隧道为例，当侧压力系数较低时，拉应力主要出现在拱顶和洞底，并且洞底的拉应力常大于拱顶的拉应力；压应力主要出现在拱脚和边墙中部，并且边墙中部压应力最大。,（三）地下洞室变形及破坏的基本类型,55,（2）围岩应力引起的变形和破坏类型,张裂塌落,劈裂剥落,碎裂松动,弯折内鼓,岩 爆,塑性挤出,膨胀内鼓,（2）围岩应力引起的变形和破坏类型,56,张裂塌落,在厚层状或块体状围岩的洞室拱顶部，当产生拉应力集中，其值超过围岩抗拉强度时， 拱顶围岩将发生垂直张裂破坏。,当有近于垂直的构造节理发育时，拱顶张拉裂缝易沿垂直节理发展，使被裂缝切割的岩体在自重作用下变得不稳定。此外，当岩石在垂直方向抗拉强度较低，或近于水平方向的软弱结构面发育，往往也造成拱顶塌落。,傍河隧洞或越岭隧洞进出口段，常因岩体侧向卸荷影响，岩体内侧压力系数较低，加之这些地段节理通常发育，所以，拱顶经常发生严重张裂塌落，有时甚至一直塌到地表。故这类地区，隧洞应尽量避开卸荷影响带。,张裂塌落,57,劈裂剥落,过大的切向压应力可使厚层或块体状围岩表部发生平行洞室周边的破裂。一些平行破裂将围岩切割成几厘米到几十厘米厚的薄板，这些薄板常沿壁面剥落，其破裂范围一般不超过洞室的半径。当切向压应力大于劈裂岩板的抗弯强度时，这些劈裂板还可能被压弯、折断，造成坍方。,图4-2 矿坑围岩的劈裂剥落,劈裂剥落图4-2 矿坑围岩的劈裂剥落,58,碎裂松动,碎裂松动是,硬质岩,因,多组节理发育,呈镶嵌碎裂状时的围岩变形、破坏的主要形式。,洞室开挖后，如果围岩应力超过围岩的屈服强度，这类围岩就会沿已有的多组节理发生剪切错动而松弛，并围绕洞体形成一个碎裂松动带或松动圈。这类松动带本身是不稳定的，当有地下水活动参与时，极易导致拱顶坍塌和边墙失稳。,松动带的厚度会随时间的推移而逐步增大。因此，该类围岩开挖后应及时支护加固。,碎裂松动,59,弯折内鼓,在薄层脆性围岩中，岩体变形、破坏主要表现为层状岩层以弯折内鼓的方式破坏。破坏成因有两种，一是卸荷回弹，二是切向压应力超过薄层岩层的抗弯强度所造成的。,垂直应力为主时，水平岩层在洞顶易产生弯折(图4-3a)。水平应力为主时，竖直岩层在洞壁易产生弯折(图4-3b)。 当洞室侧壁有平行断层通过时(图4-4)，将加强洞壁与断层之间薄层岩体内的应力集中，从而更易产生弯折内鼓。,图4-3 走向平行与洞轴的薄层状围岩的弯折内鼓破坏,图4-4 有利于产生弯折内鼓破坏的局部构造条件,弯折内鼓图4-3 走向平行与洞轴的薄层状围岩的弯折内鼓破,60,岩 爆,岩爆是高地应力区修建于脆性岩中的隧道及其他地下工程中常见的一种地质灾害。在高地应力区地下洞室开挖中，围岩在局部集中应力作用下，当应力超过岩体强度时，发生突然的脆性破坏，并导致应变能突然释放造成的岩石的弹射或抛出现象，称为岩爆。弹射或抛出岩体小者数立方厘米，大者可达10m,3,以上，岩爆发生时，常伴有入耳可闻的爆裂声。,岩 爆,61,塑性挤出,洞室开挖后，当围岩应力超过软弱岩体的屈服强度时，,软弱的塑性物质,就会沿最大应力梯度方向向消除了阻力的自由空间挤出。在软、硬岩体相间时，软弱岩体的塑性挤出还受岩体产出条件和洞室开挖所在部位控制。,塑性挤出,62,膨胀内鼓,洞室开挖后，往往促使水分由围岩内部高应力区向围岩表部低应力区转移，常使某些含大量,膨胀矿物,、易于吸水膨胀的岩体发生强烈的膨胀内鼓变形。,膨胀内鼓,63,2.围岩构造控制的变形与破坏,受构造控制而变形、破坏的围岩，主要是脆性围岩。对于厚层状或块状结构的围岩，在构造控制下主要以沿结构面剪切滑移为主。,图4-5 滑移拉裂引起的拱顶冒落,2.围岩构造控制的变形与破坏图4-5 滑移拉裂引起的拱顶冒落,64,3.松散围岩的变形与破坏,松散围岩指具有散体结构的围岩，如断层破碎带、风化破碎带、节理极发育岩体、第四纪松散沉积等。其变形与破坏主要是在二次应力和地下水作用下发生。主要类型有 :,（1）重力坍塌,在松散岩体中开挖洞室，因岩体固结程度差或没有固结，并且大多数松散岩体地下水含量较高，导致结构面强度低，开挖后岩块在重力作用下自由坍落，形成较高的坍塌拱，有时甚至可以坍通到地表。,3.松散围岩的变形与破坏,65,（2）塑流涌出,当开挖揭穿饱水的断层破碎带内的松散物质时，在压力下松散物质和水常形成泥浆碎屑流突然涌入洞中，有时甚至可以堵塞坑道，给施工造成很大困难，应提前作好应变准备。,（2）塑流涌出,66,（四）地下洞室特殊地质问题,除围岩变形、破坏等地质问题外，洞室开挖中还经常遇到,涌水、腐蚀、地温、瓦斯、岩爆,等特殊地质问题。其中岩爆虽然属围岩地质问题，但习惯上仍列入特殊地质问题中。,1.洞室涌水,在富水的岩体中开挖洞室，开挖中当遇到相互贯通又富含水的裂隙、断层带、蓄水洞穴、 地下暗河时，就会产生大量的地下水涌入洞室内；已开挖的洞室，如有与地面贯通的导水通 道，当遇暴雨、山洪等突发性水源时，也可造成地下洞室大量涌水,。,（四）地下洞室特殊地质问题,67,常见的隧道涌水量预测方法有:,（1）相似比拟法,相似比拟法是通过开挖导坑时的实测涌水量，推算隧道涌水量，或用隧道已开挖地段涌 水量来推算未开挖地段涌水量。相似比拟法适用于岩层裂隙比较均匀，比拟地段的水文地质条件相似，涌水量与坑道体积成正比的条件。,由实测导坑涌水量推算,根据开挖导坑时的实测涌水量推算隧道涌水量，其计算公式为,由已开挖地段涌水量推算,根据隧道已开挖地段涌水量推算未开挖地段涌水量，其计算公式为,常见的隧道涌水量预测方法有: 由实测导坑涌水量推算由已,68,（2）水均衡法,水均衡法是计算某一地区或一个地下水流域，在某一时期内水的流入量与流出量之间的数量关系方法。选择进行均衡计算的地区，成为均衡区，进行均衡计算的时间成为均衡期。用均衡法计算隧道涌水量，主要考虑大气降水量、隧道吸引范围的集水面积、大气降雨渗入系数以及大气降雨渗入地下后到达涌水处所需的渗流时间等四个因素。根据均衡原理，其关系式如下：,（2）水均衡法,69,（3）地下水动力学,地下水动力学法计算隧道涌水量的公式，都是由地下水运动基本微分方程导出的。,一般按,含水层在水平方向上的分布和补给条件,，把隧道含水层分为,无限补给和有限补给,两种情况。然后考虑,隧道位置与含水层隔水底板间的相互关系,，又分,完整型隧道和非完整型隧道,两种形式进行计算。,下面以含水层为无限补给时的完整型隧道涌水量的计算为例进行说明。,当隧道通过的隔水层底板为水平的潜水含水层时，由一侧流入隧道的涌水量为,当隧道通过承压含水层时(见图4-7)，由一侧流入隧道的涌水量为,（3）地下水动力学当隧道通过的隔水层底板为水平的潜水含水层,70,2.腐 蚀,地下洞室围岩的腐蚀主要指岩、土、水、大气中的化学成分和气温变化对洞室混凝土的腐蚀。,（1）腐蚀类型,岩、土、水中混凝土的化学腐蚀类型，主要有结晶类腐蚀、分解类腐蚀和结晶分解复合类腐蚀。,（2）腐蚀标准,建筑场地根据气候区、岩土层透水性、干湿交替情况分为三类环境，同一浓度的盐类在不同的环境中对混凝土的腐蚀强度是不同的。,（3）腐蚀严重程度,混凝土被腐蚀后的严重程度可分为四级：,无腐蚀,弱腐蚀,中等腐蚀,强腐蚀,（4）腐蚀易发生地区,2.腐 蚀,71,（4）腐蚀易发生地区,腐蚀多发地区主要在下列地质环境中：,第三纪、侏罗纪、白垩纪等红层中含有芒硝、石膏、岩盐的含盐红层，三叠纪的海相含膏地层，以及此类岩层地下水浸染的土层，其结晶类腐蚀严重；,泥炭土、淤泥土、沼泽土、有机质及其他地下水中含盐较多的游离碳酸、硫化物和亚铁，对混凝土有分解类腐蚀；,我国广东、广西、福建、海南、台湾诸省、区沿海，有红树林残体的冲积层及其地下水，具有强腥味，对混凝土有腐蚀；,我国长江以南高温多雨的湿热地区，酸性红土、砖红土，以及各地潮湿森林酸性土， pH值一般在46之间，对混凝土有一般酸性腐蚀；,硫化矿及含硫煤矿床地下水及其浸染的土层，对混凝土有强酸性腐蚀；,采矿废石场、尾矿场、冶炼厂、化工厂、废渣场、堆煤场、杂填土、垃圾掩埋场，及其地下水浸染的土层，对混凝土有腐蚀。,长期保持干燥状态的地质环境，土中虽然含盐，但无吸湿及潮解现象时，对混凝土一般 无腐蚀性。,（4）腐蚀易发生地区,72,3.地 温,对于深埋洞室，地下温度是一个重要问题，铁路规范规定隧道内温度不应超过25摄氏度，超过这个界线就应采取降温措施。隧道温度超过32摄氏度时，施工作业困难，劳动效率大大降 低。欧洲辛普伦隧道施工时，遇到高达56摄氏度的高温，严重影响了施工速度。所以深埋洞室 必须考虑地温影响。,地壳中温度有一定变化规律。地表下一定深度处的地温常年不变，称为常温带。常温带以下，地温随深度增加，地热增温率G约为l33m。可由下式估算洞室埋深处的地温。,3.地 温,73,4.瓦 斯,地下洞室穿过含煤地层时，可能遇到瓦斯。瓦斯能使人窒息致死，甚至可以引起爆炸， 造成严重事故。,瓦斯一般主要指甲烷或甲烷与少量有还害气体的混合体。当瓦斯在空气中浓度小于5%6%，能在高温下燃烧；当瓦斯在空气中浓度由5%6%到14%15%，容易爆炸；特别是含量为8%时最易爆炸。当浓度过高，达到4257时，使空气中含氧员降到912，足以使人窒息。,4.瓦 斯,74,5.岩 爆,地下洞室在开挖过程中，围岩突然猛烈释放弹性变形能，造成岩石脆性破坏，或将大小不等的岩块弹射或掉落，并常伴有响声的现象叫做岩爆。轻微的岩爆仅使岩片剥落，无弹射现象，无伤亡危险。严重的岩爆可将几吨重的岩块弹射到几十米以外，释放的能量可相当于200多吨TNT炸药。岩爆可造成地下工程严重破坏和人员伤亡。严重的岩爆像小地震一样，可在100多公里外测到，现测到的最大震级为里氏4.6级。,5.岩 爆,75,（五）围岩分级及其应用,洞室围岩稳定性分级，就是把稳定性相近的围岩划归同一级，根据围岩稳定类别确定洞室施工方法、支护类型、衬砌形式和厚度。所以，洞室围岩分级，是正确进行洞室设计、施工的基础。,1.围岩分级,下面主要介绍两种常见的围岩分级方法。,（五）围岩分级及其应用 洞室围岩稳定性分,76,(1)围岩质量分级,表4-3 岩体基本质量分级,基本质量级别,岩体基本质量的定性特征,岩体基本质量指标BQ,坚硬岩，岩体完整；,550,坚硬岩，岩体较完整,较坚硬岩，岩体完整,550451,坚硬岩，岩体较破碎；,较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；,较软岩，岩体完整,450351,坚硬岩，岩体破碎；,较坚硬岩，岩体较破碎至破碎；,较软岩软硬岩互层，且以软岩为主；,岩体较完整至较破碎；,软岩，岩体完整至较完整,350251,较软岩，岩体破碎；,软岩，岩体较破碎至破碎；,全部极软岩及全部极破碎岩,250,注：岩石坚硬程度可按表2-11划分；岩体完整程度定量指标应采用实测的岩体完整性系数,其值按表2-13划分；当无条,件取得实测值时，也可用岩体体积节理数,，按照表2-14确定,值。,(1)围岩质量分级表4-3 岩体基本质量分级岩体基本质量的,77,(2) 隧道围岩分级,隧道洞身埋藏较浅，应根据围岩受地表影响情况进行分级修正。当围岩为风化层时应按风化层的围岩基本分级考虑；仅洞身埋藏较浅、围岩受地表影响，应较相应围岩降低级。,表 4-4 铁路隧道围岩的基本划分,(2) 隧道围岩分级 隧道洞身埋藏较浅，应,78,2.围岩稳定性分析方法,根据地下洞室所在岩体的性质，又可将地下洞室分为土体洞室和岩体洞室两大类。土体和岩体的工程性质差别较大，两类洞室的变形破坏形式、影响因素以及稳定性评价方法等，均有所不同。,岩体洞室围岩稳定性评价常采用以下四种方法。,（1）围岩分级评价法,（2）解析法：,连续介质力学分析方法,极限平衡分析方法,图解分析法,模型、模拟试验法,2.围岩稳定性分析方法 根据地下洞室所在岩体的性质,79,作业：,1、断层在野外的识别方法,2、常见的洞室地质问题,3、不同的地质构造对隧道位置选择有什么影响？,作业：1、断层在野外的识别方法,80,