在公路工程中,有时用隧道工程可能会更有利。隧道(tunnel)常用的有越岭隧道和山坡隧道,前者是穿越分水岭或山岭垭口。一般较长较深,后者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设,其长短不一,以下主要研究越岭隧道。
一些规模较大的长隧道,常是稳定线路和影响工程的控制性工程。它深埋于地下,故遇到的工程地质问题很多,最主要的有:①隧道围岩的稳定性;②隧道涌水、地温及有害气体;③隧道进出口的稳定问题。
(1)隧道围岩的稳定性
隧道围岩(adjoining rock)系指隧道周围一定范围内,对隧道稳定性能产生影响的岩体。
隧道穿山越岭时,破坏了原有的应力平衡,而在隧道围岩中产生新的应力和变形,这种应力以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。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,这里只介绍工程地质分析法,关于力学计算可参阅有关专著。
影响隧道围岩稳定性的主要地质因素:
①围岩的完整性:如围岩地质构造复杂,地质构造变动大和受强烈风化时,围岩完整性差,稳定性一般不好;
②围岩的软硬程度及厚度:硬者、厚者强度大稳定性就好;
③地下水: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,产生动水压力和冲刷现象;使黏土体积膨胀,地层压力增大,这些会降低围岩的稳定性。
关于隧道围岩的稳定性可参看《公路工程地质勘察规范》附录G,根据围岩主要工程地质特征(岩石等级、地质构造影响程度、节理和裂隙发育程度、岩层厚度、风化程度及地下水情况等)、围岩的结构特征和完整状态进行分类评定。
(2)隧道涌水、地温及有害气体
1)涌水
隧道如穿过含水层时,隧道会产生涌水,增大施工困难。当隧道穿过储水构造、充水洞穴、断层破碎带时,特别是受承压水作用时,会遇到突发性的大量涌水,应有所预防。
2)地温
在开挖深埋山岭隧道时,地温是一个重要问题。一般人在潮湿的坑道中,当温度达到40℃时,就不能正常工作,必须采取降温措施。
3)有害气体(www.daowen.com)
在开挖隧道时,常会遇到各种易燃、易爆、对人体有害的气体。常见的有:
①甲烷(CH4) 为易燃、易爆的气体,在煤系、含油、含碳和沥青地层中常有甲烷等碳氢化合物。
②二氧化碳(CO2) 为无毒的窒息性气体,在含碳地层常会遇到。
③氮(N) 为无毒的窒息性气体。
④硫化氢(H2S) 为易燃的有毒气体,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,在硫化矿床或其他含硫地层中会遇到。
(3)隧道进出口的稳定
硐口地段的稳定与否,一则影响隧道掘进的安全和速度;二则影响着隧道的正常运营。通常硐口多采取深堑形式。硐口的主要工程地质问题是边坡、仰坡的变形问题。因为边、仰坡的变形常引起硐门开裂、下沉、外仰或坍毁等病害,给硐身的施工及以后的运营都会造成威胁。
硐口仰坡与一般边坡不同,由于仰坡基座中间受横向掏空,故上部岩体所处的应力环境甚为复杂。在一般边坡易发生变形的地段,仰坡亦多发生变形,特别是第四纪松散堆积物较厚的地区,硐口仰坡更易发生变形。因此,宜以“早进硐晚出硐”“避免深堑”的原则来防治进出口的稳定问题。应尽可能选在新鲜基岩出露处或风化层较薄的部位,易于汇水的凹地、冲沟之沟口亦不宜选作硐口。硐口一定要高于多年最大洪水位之上。
(4)隧道工程地质勘察要点
隧道工程地质勘察要点包括:
①查清地形;
②查清地质构造;
③测试岩(土)的性质及其物理、力学性质指标;
④查清水文地质情况及涌水量;
⑤确定围岩的稳定性、地温及有无有害气体,必要时还应提出施工方式的弃渣的处理建议,不能因施工而影响隧道的稳定性。
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