地下工程中的特殊地质问题

一、工作任务

通过地下工程中特殊地质问题知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）掌握围岩质量分级、铁路隧道围岩分级类别及岩土体特征。

（2）掌握地下洞室特殊地质问题类型、特征及防治措施。

二、相关配套知识

（一）围岩分级及其应用

在不同性质的岩体中开挖洞室，岩体表现出不同的稳定性。在坚硬岩石的整体块状结构的岩体中，岩体完整性好，强度高，洞室围岩稳定，可不用支护；在碎裂状和散体状岩体中，洞室围岩极易坍方，需要及时支护才能保持稳定。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.围岩质量分级

目前国内外岩土工程规范中普遍采用围岩质量分级。根据我国国标《工程岩体分级标准》（GB/T 50218—2014），围岩质量分级应根据岩体基本的定性特征和岩体基本质量指标BQ，两者综合按表4-2～表4-6来确定。

表4-2 岩体基本质量分级

注：① 岩石坚硬程度可按表4-3划分；
② 岩体完整程度定量指标应采用实测的岩体完整性系数Kv，其值按表 4-4 划分；当无条件取得实测值时，也可用岩体体积节理数Jv按表4-5确定Kv。

表4-3 岩石坚硬程度与饱和单轴抗压强度的关系

注：fr为岩石饱和单轴抗压强度。

表4-4 岩体完整性程度

注：岩体完整性系数Kv系指岩体声波纵速与岩石波纵波速度之比的平方。

表4-5 Jv与Kv对照

注：岩体体积节理数Jv系单位岩体体积内的节理（综合面）数目。

表4-2中，岩体基本质量指标BQ由下式确定：

其中，当 fr ＞ 90 Kv + 30时，按 fr=90 Kv + 30计算；(www.xing528.com)

当 Kv ＞ 0.04 fr + 0.4时，按 Kv=0.04 fr + 0.4计算。

当洞室围岩中有软弱结构面、地下水或处于高地应力区时，岩体的基本质量指标应进行修正。

2.铁路隧道围岩分级

铁路隧道围岩分级见表4-6。

表4-6 铁路隧道围岩的基本分级

注：表中岩石坚硬程度的划分参见表4-3，岩体完整性程度的划分参见表4-4。

隧道围岩受地下水、高应力影响时，需进行分级修正；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。

（二）地下洞室特殊地质问题

除前述围岩变形、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、岩爆等特殊问题。

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、断裂带、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。这样，新开挖的洞室就成了排泄地下水的新通道。若施工时排水不及时，积水严重时会影响工程作业，甚至可以淹没洞室，造成人员伤亡。因此，在勘察设计阶段，正确预测洞室涌水量是十分重要的问题。常见的隧道涌水量预测方法有相似比拟法、水均衡法、地下水动力学法等。

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。地下洞室的腐蚀性可对洞室衬砌造成严重破坏，从而影响洞室稳定性。例如成昆铁路百家岭隧道，由三叠系石灰岩、白云岩组成的围岩中含硬石膏层（CaSO4），开挖后，水渗入围岩使石膏层水化，膨胀力使原整体道床全部风化开裂，地下水中的高达1 000 mg/L，致使混凝土腐蚀得像豆腐渣一样。

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℃，超过这个界限就应采取降温措施。

地壳中温度有一定变化规律。常温带以下，地温随深度增加，地热增温率约为1 °C/33 m。除了深度以外，地温还与地质构造、火山活动、地下水温度等有关。岩层层状构造方向导热性好。所以，陡倾斜地层中洞室温度低于水平地层中洞室温度；在近代岩浆活动频繁地区，受岩浆热源影响，地温较高；在地下热水、温泉出露地区，地温也较高。

4.瓦 斯

地下洞室穿过含煤地层时，可能遇到瓦斯。瓦斯是地下洞室有害气体的总称，其中以甲烷为主，还有二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫和氨气等。瓦斯能使人窒息致死，甚至可以引起爆炸，造成严重事故。

地下洞室一般不宜修建在含瓦斯的地层中，如必须穿越含瓦斯的煤系地层，则应尽可能与煤层走向垂直，并呈直线通过。洞口位置和洞室纵坡要利于通风、排水。施工时应加强通风，严禁火种，并及时进行瓦斯检测，开挖时工作面上的瓦斯含量超过1%时，就不准装药放炮，超过2% 时工作人员应撤出，进行处理。

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，或有大小不等的岩块弹射或掉落，并常伴有响声的现象叫作岩爆。严重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 多千米外测到，现测到岩爆的最大的震级为里氏4.6级。

施工过程中主要采用超前钻孔、超前支撑及紧跟衬砌、喷雾洒水等方法防治岩爆，新奥法施工也可收到较好效果。