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普通高等教育地质工程类教材 地质工程学原理 孙广忠 孙 毅 编著 内 容 提 要 本书 扼要地 介绍 了地质 工程 学基础 理论 地 质控制 论的 基本内 容,较详 细 地论 述 了地 质 工程 基 本理 论 地质 构造控 制论 、岩体 结构 控制论 、土 体结构 控制论 、地 质环境 因素 控制论 ,并扼 要地论 述 了地 质 工程 应 用基 础和 应用技 术理 论,这 是地 质工程 学的地 质基 础。书 中还 举例阐 述了 各 类地 质 工程 勘 察、 设计 和 施工 技 术原 理和 方法问 题。 本书 可供从 事地 质工程 勘察 、设计 和施工 工程 师再教 育的 教材和 参考 书,亦 可作 为 高等 院 校地 质 工程 专 业高 年级 学生、 研究 生学位 课的 教材和 主要参 考书 。 图书在版编目 CIP数据 地质工程学原理 /孙广忠,孙毅编著.北京 地质 出版社, 2004. 11 普通高等教育地质工程类教材 ISBN 7-116-04249-0 Ⅰ. 地 . . . Ⅱ. ①孙 . . . ②孙 . . . Ⅲ. 工程地质高等 教育教材 Ⅳ. P642 中国版本图书馆 CIP 数据核字 2004第 112061 号 责任 编辑 黎青 宁 陈 磊 责任 校对 田建 茹 出版 发行 地质 出版 社 社址 邮编 北京 海淀 区学院 路 31 号,100083 电 话 010 82324508 邮购 部 ; 01082324565 编 辑部 网 址 http / / www. gph. com. cn 电子 邮箱 zbs gph. com. cn 传 真 010 82310759 印 刷 北京 市朝 阳区小 红门 印刷厂 开 本 787 mm 1092mm1/16 印 张 13. 5 字 数 330 千 字 印 数 1 2000 册 版 次 2004 年 11 月北 京第 一版 第一 次印刷 定 价 20. 00 元 ISBN 7-116-04249-0 /P2524 凡购买地质出版社的图书, 如有缺页、倒页、脱页者, 本社出版处负责调换 前 言 著者在多年从事工程地质科研和生产工作中,逐渐觉察到在工程中有一种 被忽视的特殊工程,这就是地质工程。土木工程师把它视为与土木工程一样的 土木工程; 工程地质工程师认为这类工程的设计和施工是土木工程师的事,结 果使这类工程建筑中事故层出不穷。其原因就在于没有认识到这是一种特殊工 程 地质工程。地质工程的研究对象是以地质体作为建筑材料、工程结构和 建筑环境的一种特殊构筑物。广义的来说,是一种大地改造工程。它既不是一 般的建筑工程,也不是一般的土木工程,很有必要专门地把它提出来,引起有 关方面重视。所以在 1984 年 3 月,于成都召开的全国第二届工程地质大会上, 孙广忠以“工程地质岩体力学地质工程”为题明确地提出了“地质工程” 观点,至今已经 20 年了,它已经逐渐地被人们接受。许多人以事实论述“地质 工程”这个命题,以地质工程观点作指导开展工程地质工作,参与和承担地质 工程设计、施工工作。引人注目的是“长江三峡链子崖和黄腊石地质灾害防治” 工作就是在这一观点指导下进行的。近年来已经出现了“地质工程公司” 、 “地 质工程勘察院” 、 “地质工程勘察设计院”这类企业实体。这表明,这一观点已 经被社会所接受。1997 年 6 月国务院学位委员会和国家教育委员会在联合颁布 的“授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录”里正式提出了地质 工程学。地质工程学不仅是在程序上已经提出来了,而且作为学科形成的条件 已经具备了。它的研究对象明确,基础理论已经形成,还有独特的技术手段。 现在地质工程已经不仅是一个行业,而且已经成为一个正式学科了。 目前在地质工程实践中由于缺乏明确的和正确理论指导,致使在工程实践 中不是保守就是冒险,可以说保守和冒险并存,而且常常是保守大于冒险。原 因就在于正确的地质工程理论还没有普及,工程师们在进行地质工程设计和施 工中主要还是应用土木工程学的理论和经验办事。为了工程安全可靠,经常采 取比较高的安全系数保证工程的安全。著者估计目前在地质工程建设中由于缺 乏正确的理论指导,在工程实践中采取保守措施造成的潜在经济损失可能高达 地质工程投资的 20 ～30,这个数值十分令人吃惊,但是,这个数值是看不 见的,往往不被人们重视。这表明加速普及地质工程理论已是当前急迫的要求。 地质工程已经经过了几十年的实践,提高着人们的认识,逐渐认识到地 质工程建筑的规律,概括上升为地质工程建筑理论。理论的作用可以指导人 们思考、分析问题。没有理论指导的行动是盲目的行动,盲目的行动是要失 败的。没有理论指导的知识领域构不成学科;没有理论支持的行为构不成行 Ⅰ 业。每一个人的思想活动都是在一定的理论指导下进行的,不是在正确理论 指导下进行,就是在错误理论指导下进行,这就是理论的重要性。特别是经 过近十余年的实践,地质工程已经形成了它的基础理论。1984 年著者提出了 “岩体结构控制论”是岩体力学的基础理论,实际上它也是用于指导岩体地质 工程实践的基础理论。著者在组织煤与瓦斯突出综合治理研究时,又提出了 “地质构造控制论”的观点,发展了“岩体结构控制论” 。经过多年的地质工 程实践,著者深深体会到,控制地质工程稳定性的因素,除岩体结构、土体结 构和地质构造外,还应强调地质体赋存环境条件,即地应力、地下水、地温和 活动断层等,这是一个综合体系。显然,地质工程学理论不是简单的一个两个 定理构成的,而是一个理论体系。它是由岩体结构控制论、土体结构控制论、 地质构造控制论、地质体赋存环境因素控制论综合构成,它们构成地质工程学 基本原理、应用基础及应用技术理论,概括起来可以称为“地质控制论” 。 1958 年著者参加了“引洮上山工程地质综合研究” ,第一次大规模地开展 了黄土地质工程课题研究。1976 年著者又开始了大规模的岩体地质工程课题 研究,如 劈岭工程稳定性研究,二滩电站岩体力学研究、小浪底电站地 下洞室群稳定性研究等。20 世纪 70 年代末到 80 年代初著者结合承担的课题 任务在实验室组织了一系列工程地质力学模型实验,获得了大量的建立地质 工程理论的启示。1983 年开始又组织了一系列大型地质工程课题研究,如 “大同煤矿坚硬顶板有控压裂放顶理论和技术研究” 、 “军都山隧道快速施工地 质超前预报” 、 “南桐煤矿煤与瓦斯突出综合治理” 、 “长江三峡链子崖和黄腊 石地质灾害治理”等。在这些地质工程项目实践中积累了经验,增长了见识, 思想认识产生了一个接着一个的飞跃,1985 ～1995 年这十年间是著者对地质 工程认识升华的时期, 1995 ～ 1996 年终于形成了“地质控制论”的理论体系, 为地质工程形成为一门学科奠定了基础,出版了地质工程理论与实践和 孙广忠地质工程文选 。以上便是地质工程学原理 产生的背景。这是一 个艰巨的历程,也是一个愉快的历程。 在上述思想指导下形成了本书的框架。本书共由 4 部分组成 第一部分第 一章绪论,阐述了地质工程学形成和发展;第二部分共由 5 章组成,简述了地 质工程学基本原理; 第三部分共由 4 章组成,论述了地质工程学应用基础和应 用技术理论;第四部分为专门地质工程问题,简述了岩体地质工程、土体地 质工程、矿山地质工程及地质灾害防治地质工程工作观点和方法,为应用地 质工程基础理论进行了展示。由于著者知识量和本书篇幅有限,只能提纲挈 领地论述,可能挂一漏万,敬请读者批评指正、赐教。 孙广忠 孙 毅 2004 年 4 月于北京 Ⅱ 目 录 前 言 第一章 绪论 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、地质工程学是工程地质学和土木工程学交叉的一个新生长点 1⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、工程地质学的发展及地质工程学的形成 2⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、工程建设实践中的地质工程 4⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、地质工程问题解决的途径 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、地质工程学基础理论 5⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 六、21 世纪地质工程学发展的瞻望 9⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一部分 地质工程学基本原理 第二章 地质构造控制论 12⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 地质构造 12⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 地质构造控制作用和地质构造控制论 13⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 地质结构 14⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 地质环境 15⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、现代地壳运动及地壳稳定性 15⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、地壳活动性表生现象及地质灾害 16⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、地质体赋存环境条件研究 16⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、地质构造控制论的实例 防御长江洪水泛滥的地质基础 17⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三章 岩体结构控制论与岩体结构力学原理 21⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 岩体结构 22⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 岩体结构控制论 22⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 岩体结构力学原理 25⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、岩体变形基本规律 25⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、岩体破坏机制及破坏判据 32⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、岩体力学性质分析原理 33⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、岩体力学性质结构效应 33⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、岩体赋存环境因素的力学效应 35⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 岩体结构力学分析原理 36⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、连续介质岩体力学分析原理 36⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、碎裂介质岩体结构力学分析原理 37⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、块裂介质岩体结构力学分析原理 38⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅲ 四、板裂介质岩体结构力学分析原理 39⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四章 土体结构控制论与土体力学原理 40⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 土体基本特征 40⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、土体成分 土、水和空气 41⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、土体结构 42⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、土体赋存环境 43⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 土体结构控制论 45⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 土体力学基本规律 47⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、土体变形规律 47⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、土体破坏判据 48⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 土体力学分析理论 50⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五章 地应力 57⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 地应力分布规律 57⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 高地应力地区与低地应力地区的地质标志 64⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 卸荷带及实例 十三陵抽水蓄能电站蟒山卸荷带及其对地质工程 的影响 66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、十三陵抽水蓄能电站蟒山卸荷带的基本特征 66⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、地质工程问题 67⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 地应力资料在地质工程中的应用 69⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六章 地下水 75⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 地下水及有关的概念 75⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、吸附水的物理力学意义 75⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、自由水的物理力学意义 76⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、土体中地下水运动规律 77⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、岩体中地下水运动规律 77⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、地下水赋存条件 78⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 地下水与地质工程 80⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、地下水压力 80⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、渗透稳定性 潜蚀 81⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、流沙 82⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、管涌 83⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 五、基坑突水 84⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 六、降低地下水位和疏干理论与技术 84⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 七、帷幕灌浆问题 86⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 八、地下水与滑坡 86⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 九、隧道涌水与突水 87⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十、黄土湿陷与黄土喀斯特 87⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十一、浸水软化在施工中的应用 88⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 十二、地下水勘察问题 88⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅳ 第二部分 地质工程应用基础和应用技术理论 第七章 地质环境质量评价理论与方法 90⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 地质环境与工程建设 91⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 地壳稳定性评价原理和方法 93⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 表生作用地质环境质量综合评价原理和方法 95⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第八章 岩体质量评价理论与方法 97⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 中华人民共和国工程岩体分级标准 98⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 对工程岩体分级标准的评论 106⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第九章 隧道施工地质超前预报原理和方法 110⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 军都山隧道施工地质超前预报实例 110⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 隧道施工地质超前预报工作内容 114⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 资料搜集方法 114⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 掌子面前方地质条件预报 116⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第五节 突水预报理论 118⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第六节 成灾预报方法 120⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第七节 超前防护措施 122⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第十章 地质体改造原理、技术和方法 124⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 地质体改造原理 126⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 岩体改造方法和技术 127⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、岩体材料改造 128⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、岩体结构改造 128⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、地质体赋存环境条件改造 130⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 有控水力压裂放顶理论和技术及其在煤矿坚硬顶板管理中的应用 133⋯⋯ 第三部分 专门地质工程问题 第十一章 岩体地质工程问题 139⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 岩体地质工程建筑原理 139⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、岩体地质工程设计问题 139⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、岩体地质工程施工问题 141⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 高边墙地下洞室洞壁围岩板裂化问题 144⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、板裂化力学模型 145⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、板裂化地下洞室围岩力学作用分析 146⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、高边墙地下洞室洞壁围岩板裂化实例 鲁布革电站地下厂房 148⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、防止边墙失稳和围岩板裂化技术 151⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第十二章 土体地质工程问题 152⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 土体地质工程建筑原理 152⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、土体地质工程特点 152⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、土体地质工程设计问题 152⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅴ 三、土体地质工程施工问题 153⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、土体改造实例 总参二部宿舍楼防护工程设计 154⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 黄土中修筑渠道的地质工程问题 155⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、黄土渠道边坡稳定性问题 158⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、黄土渠道湿陷变形预测原理及黄土渠道湿陷变形预测 164⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、黄土渠道塌陷预测问题 168⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 四、傍山及填方渠道决口问题 173⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第十三章 矿山地质工程原理 175⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、矿山地质工程问题及工程地质条件 175⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、矿体及围岩的工程地质条件 176⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 露天开采地质工程问题 178⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、控制露天矿边坡稳定性的地质因素 179⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、露天矿边坡稳定性分析方法 181⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、露天矿边坡变形监测 185⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 井工开采地质工程问题 186⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、井巷围岩破坏机制 187⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、冲击地压预报及防治 187⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 三、采场顶板管理 189⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第十四章 地质灾害防治地质工程问题 191⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第一节 我国地质灾害灾情分析 191⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第二节 地质灾害防治原则 193⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 一、地质灾害防治工程中的基本理论和几个主要技术 194⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 二、关于地质灾害防治阶段问题 194⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第三节 地质灾害勘察 195⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 第四节 地质灾害防治设计中的几个问题 199⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 参考文献 207⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 后记 208⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ⅵ 第 一 章 绪 论 地质工程 Geoengineering是以地质体做建筑材料、以地质体做工程结 构或以地 质体赋存环境做建筑环境建筑起来的一种特殊工程,如地基、边坡、地下工程、钻井、 地质灾害防治、地质环境整治等统称为地质工程。我国著名的都江堰引水工程就是一 项典型的地质工程,它引岷江水入成都平原,灌溉成都平原耕地,大大改变 了成都平 原环境面貌,这是一项造福人民的环境整治工程。故广义地说,地质工程又 可称为大 地改造工程。 地质工程的工作领域极为广泛,从工作内容来说,有认识世界、改造及保护世界两个 部分。工程地质工作属于认识世界; 地质工程设计和施工、地质体改造属于改造及保护世 界。这两方面工作的综合才是地质工程工作的全部。从工程类型来分 有土木建筑行业中 的地基、边坡、隧道、地下洞室、建筑基坑工程; 国防工程中的各类掩体工程; 地质资源 勘察工作中的钻探工程、山地工程; 地质资源开发中地面开采的露天矿坑工程、地下开采 的井巷工程; 石油开采中的油井工程; 地下水采取中的水井工程; 天然气开采中的采气井 工程; 地质灾害防治工程、地质环境治理工程等。 地质工程建筑设计和施工的基本方法是地质监控施工法,它是用地质工程理论指导进行 的。地质工程理论和方法的共同基础是地质,地质工作是地质工程研究的最基本工作。这些 基础理论中最重要的是工程地质预测预报和地质体改造两项。因为今天社会的经济实力雄厚 了, 技术手段强大了, 对不良的地质条件可以进行改造,达到工程建筑的需要,人们可以根 据自己的意愿选择工程布置位置。一般来说,今天的建筑场地和线路位置选择,可以根据规 划所选定的经济效益最优方案来确定。这就要求工程地质工作者在工程位置选定后,查清建 筑场地的工程地质条件,为地质工程设计、施工和地质改造及保护提供科学依据。 一、地质工程学是工程地质学和土木工程学交叉的一个新生长点 当前,重大工程建筑中出现的灾害性事故与地质有关的比例越来越大。出现这一情况 的原因有两个 一方面是与工程地质勘察工作深度不够和质量不高有关; 另一方面是与设 计、施工对工程地质勘察资料认识不足和设计方案、施工措施对地质条件针对性不强有 关。这些问题是怎么造成的呢 我们认为是地质勘察与设计、施工相互脱节造成的。这里 强调的是相互脱节,不是单方面造成的。一方面,地质勘察工作不够深入,对一些不良的 地质条件没有查清或由于对所从事的工作性质认识不深,对所需要的地质资料的要求深度 认识不够,以至地质勘察取得的有用资料不够齐全,从而使设计上不好用造成的; 另一方 面,在设计上对所从事的工程性质认识不清和对所从事的这类工程对地质条件的依赖性不 认识,而对地质的重要性认识不足或对地质勘察资料消化不够造成的。这个问题怎么解决 呢 我们认为应该把“地质工程”这个命题提出来,从两个方面来解决,一方面工程地 质工作者应该尽量提高对地质工程认识水平,拓宽工程地质工作领域,既要努力做好地质 1 勘察工作,又要开展地质工程设计和施工工作,使所取得的工程地质工作结果能够满足地 质工程建筑的需求; 另一方面设计和施工要提高地质工程建筑对地质的依赖性的认识,这 就要求既应认识地质体是工程结构的一部分或全部,地质材料就是地质工程建筑材料,地 质环境就是地质工程的建筑环境,又要紧密地与工程地质部门合作,尽量防止设计、施工 与地质脱节。因此,在进行地质工程设计、施工时,要充分考虑并利用地质体作建筑结 构、建筑材料、地质环境是建筑环境等实际情况,充分利用地质体自稳能力进行地质工程 建筑。在地质体自稳能力不足时,要想办法对地质体改造加固或对其赋存环境条件进行改 造,使之满足地质工程建筑的需要。这样就提出另一个重要课题,即地质体改造问题。据 此,我们认为设计和施工需要转变一下观念,即从土木工程观念转到地质工程上来,要认 识地质控制作用,建立用地质监控施工法指导施工的观念。此外,地质工作者也要认识到 地质勘察和地质试验都是为地质工程建筑服务的,要积极参与地质工程设计和施工工作, 积极开展地质工程工作,运用自己取得的地质勘察、试验结果进行地质工程设计和施工。 这样,地质、设计、施工就会逐渐地走到一起来了。将来的发展方向是工程地质工作者要将 地质工程勘察、设计、施工三部分工作作为一体承担起来, 这是工程地质科学的一个新的发 展方向,也是工程地质与土木工程相互交叉、相互渗透的一个重要生长点 地质工程。 从工程地质学科发展来说, 地质工程学是工程地质学的新的生长点,是工程地质学的新 发展; 从工程实践来说,工程地质工作是认识世界,地质工程工作是在认识世界基础上改造 及保护世界。从这层意义上来说,工程地质工作是地质工程工作的一个重要组成部分。地质 工程工作必须在查清建筑区工程地质条件基础上进行设计和施工, 才能确保地质工程建筑的 成功,这是工程地质和地质工程工作的辩证关系, 不论工程地质工作者或地质工程工作者都 必须清楚认识和牢记这一点,应该把工程地质工作是认识世界,地质工程工作是在认识世界 基础上改造及保护世界这句话作为座右铭。从历史发展来说,地质工程是工程地质学和土木 工程学相互交叉的新的生长点; 从学科构成来说, 地质工程学则包含了工程地质学,即地质 工程学为一级学科,工程地质为地质工程学下面的二级学科,这是新的发展。 二、工程地质学的发展及地质工程学的形成 地质工程学是工程地质学发展形成的新的分支学科,实际上是工程地质学和土木工程 学的边缘杂交学科。因此在研究地质工程学之前,有必要回顾一下工程地质学的发展。 工程地质学研究已经经历了三个阶段 第一阶段 20 世纪 60 年代以前,以工程地质条件研究和质量评价为主要工作。一方 面是对作为工程建筑载体、工程建筑材料、工程建筑结构的地质体质量评价; 另一个方面 是对作为工程建筑环境的地质环境质量评价,这阶段的评价主要是定性的。在 20 世纪 60 年代末,世界各国大体同时都开始了工程建筑中能否出现地质灾害,或者说能否出现工程 地质灾害的成灾条件研究,开始了成灾预报研究工作。 第二阶段 开始于 20 世纪 60 年代末,以开展地质体稳定性分析为特征的工程地质 灾害预测预报研究阶段。如谷德振教授在 20 世纪 60 年代末开始提出地基稳定性、边坡 稳定性、地下洞室稳定性评价研究课题; 20 世纪 70 年代他进一步提出地基稳定性、边 坡稳定性、地下洞室稳定性、山体稳定性、地壳稳定性评价研究五大课题,开始了工 程地质研究的第二阶段。当时研究内容主要是稳定性评价。实际上开始了工程地质预 2 报研究工作。 第三阶段 20 世纪 80 年代以来出现了许多新技术 实际上 60、70 年代也零星地在 做 , “中国岩土锚固工程协会” 和中国岩石力学与工程学会下成立了“ 岩石注浆与锚 固工程分会” ,大力开展不良地质条件改造。工程地质发展第三阶段是以工程地质灾害 预测预报及地质灾害防治、施工地质超前预报和地质体改造等主要课题为特征的地质 工程研究阶段,明确地提出了地质监控施工法。地质监控施工法的核心就是超前地质 预报和超前地质体改造,而超前地质预报和超前地质体改造正是工程地质工作进入第 三阶段的重要标志。这样,今天的工程地质工作已经不仅仅作工程地质条件 评价、各 类地质工程稳定性评价或工程地质预报,而且还应该研究不良地质条件的改造及地质 工程施工问题。今天已经有一些办法能够对不良的地质体进行改造,使之适应工程建筑 的要求。过去解决地质体不稳定的办法主要是支护,不让它失稳,这种做法现在看来是不 够的。今天可以进行地质体改造,使之满足工程建筑要求。地质体赋存环境也可以改造,改 造后的地质体照样可以建筑工程,这样工程地质就发展到以工程地质超前预报和地质体改造 为核心的地质工程阶段。 事物的发展总是经过渐变到突变。人类的认识也是经过渐变到突变产生飞跃。人们对 地质工程的认识也是经历了这样一个过程。在工程地质学发展的第二阶段,工程地质工作 者和岩土力学工作者在认识上已经孕育着地质工程的意识,提出地基稳定性、边坡稳定 性和地下洞室稳定性课题就意味着孕育着地质工程的意识。具有工程地质和岩土力学 双学科知识的工作者是这个认识的先觉者。有文字记载的则有 1974 年 Hock E. 和 Bray J. W. 发表了 ROCK SLOPE ENGINEERING 专 著,明确 地提出 了“ 岩石 边坡 工程” 概念。首次把岩体边坡作为工程来研究,他的主要工作也是在地质基础上对边坡进行 岩体力学研究。Hock E. 的岩体边坡工程概念对工程地质学的发展和地质工程的形成具 有很大的推动作用。1976 年 R. E. Goodman,发表了 OF GEOLOGICAL ENGI- NEERING IN DISCONTINUOUS ROCK 专著,首先使用了“地质工程 Geological Engi- neering ” 术语,他提的地质工程方法实际上是岩体力学与工程地质相结合进行工程地 质工作的方法。1983 年著 者在主持 “大 同煤矿坚 硬顶板 有控压 裂放 顶理论 和技 术研 究” 课题中首次提出了岩体结构改造概念。1984 年在第二届全国工程地质大会上提出 了岩体改造原理,同时提出了“ 工程地质、岩体力学和地质工程三位一体” 开展工作 的学术思想,在中国率先提出了“地质工程” 命题。1986 ～ 1989 年主持了“大秦线军 都山隧道快速施工地质超前预报” 课题,并在这项工作中提出了以地质为基础开展地 质预报,其中包括超前预防,实际 上深化 了地 质体改 造理论,深化 了地质 工程 概念, 明确地提出了地质工程定义是“ 以地质体为工程结构,以地质体为建筑材料,以地质 环境为建筑环境建筑起来的一种特殊工程” 。1990 年 10 月著者应葛洲坝水电工程学院 的邀请,在宜昌开办了“工程地质与地质工程” 讲座,对著者关于地质工程的认识进 行了系统的总结,1993 年出版了工程地质与地质工程 专著,这本书是著者对地质 工程认识的一次升华,该书对地质工程定义、地质工程特性、工作内容、工 作方法进 行了系统的论述。1996 年出版了地质工程理论与实践 一书,系统地论述了地质工 程概念、定义、理论和方法,明确地提出了地质工程的基本原理是“地质控制论” ,阐 述了地质工程理论体系。 3 从 20 世纪 90 年代初开始,中国出现了地质工程公司,地质工程勘察设计院等机构, 实际上已经出现了地质工程行业。1997 年 6 月国务院学位委员会和国家教育委员会在联 合颁布的“授予博士、硕士学位和培养研究生的学科、专业目录” 里正式提出了地质工 程学,现在地质工程已经不仅是一个行业,而且已经形成为一个学科了。一个学科的形成 必须具备三个条件,这就是有特定的研究对象,有独特的理论,有专门的技术手段。对地 质工程学来说,这三者已经具备了。地质工程的研究对象是以地质体为工程结构,以地质 体做建筑材料,以地质环境作为建筑环境的特殊工程建筑; 地质工程的基本原理是地质控 制论; 地质工程建筑的专门技术 地质超前预报技术和地质体改造技术已经形成了。今天 来说,地质工程学已经形成为一门独立学科是客观存在的。 三、工程建设实践中的地质工程 过去工程地质工作主要是研究工程地质条件的质量定性评价,也就是说评价建筑地区 地质条件好坏。在地质工程建设早期的时候,工程规模比较小,对工程地质条件要求不 高,作一般的定性评价就够了。现在的地质工程建筑规模比以前大得多了,比如说边坡工 程,目前建成的矿山边坡已经高达 300 ～ 500m,而正在酝酿开挖 700m 的高边坡,在工程 建筑中遇到的自然边坡已达千米以上。工程建筑地基要求是与建筑物高度有关。坝基承受 力的大小与坝高有关,目前修建的大坝高度已经高达 300m。这么高的大坝坐落在地质体 上,对坝基要求就不一般了。工业与民用建筑物的规模也在发展,对地基承载力要求也 在不断提高,如国内已有在土层上建筑 88 层高层建筑物,高达 420. 5m;国际上已有在 岩层上建筑 120 层高层建筑物。在地下工程方面,目前地下工程中双轨隧道 的跨度是 11m,洞高约 10m。水利 水 电工 程 中地 下 厂 房 跨度 达 20 ～30m,边 墙 高 度 达到 50 ～ 60m,我国已经建成的二滩电站地下厂房尺寸为 280. 29m 55. 5m 65. 38m 长 宽 高 。正在计划建筑的地下工程的边墙高度达到 70m,埋深是 500 ～ 600m;现在已经建 成的秦岭隧道最大埋深是 1500m。在矿山的矿井设计方面问题就更严重,矿山的一些地 下采场跨度常达 80 ～ 140m,一个使用综合采煤机的采场跨度是 120 ～ 160m,赵各庄煤 矿采深已经超过 1200m。 表 11 工程实践中的地质工程类型简表 工程 实践地质 工程 类型 水利 、水电 工程高 坝坝 基、各 类人 工及自 然边 坡、隧 道工程 、地 下厂房 及防 渗工程 等 铁路 、交通 及航 运工程自 然及 人工边 坡、 桥基、 隧道 工程、 码头及 船闸 等 煤炭 工业工 程露 天矿 边坡、 通风 及提升 竖井 、地下 采场及 巷道 等 冶金 工业工 程露 天矿 边坡、 竖井 、地下 采场 及巷道 岩体工 程等 工业 与民用 建筑 工程高 层建 筑地基 、山 城边坡 及地 下空间 开发等 石油 工业工 程深 钻工 程及采 油过 程中油 井工 程等 地下 水开发 工程水 井工 程、引 水管 道及泵 房站 等 采气 工程采 气井 工程、 天然 气输送 管道 工程 核电 工业工 程电 厂地 基、引 水及 排水隧 道及 核废料 处理工 程等 国防 工程各 类掩 体工程 等 地质 灾害防 治工 程崩 塌、 滑坡及 泥石 流防治 工程 等 4 上述这些工程实例说明,当前的地质工程规模大、条件复杂,要使地质工程建筑安 全、可靠,必须提高对地质体的认识水平,关键在于要掌握住地质环境、工程地质条件及 工程地质力学条件。目前,地质工程类型非常繁多,详见表 11。 今天摆在我们面前的地质工程类型多、规模大、条件复杂,地质工程中出现的问题 80 ～ 90 是设计、施工与地质脱节以及地质工作成果不符合地质工程建筑要求造成的。 客观地说,地质工作是一项探索性工作,完全搞清楚不是一件容易的事。地质环境、地质 条件和工程地质力学性质在施工前不可能一次彻底搞清楚,但需搞清楚主要问题,这样我 们就可以做到心中有数,再加上设计与地质紧密地相结合,按地质工程要求办事,在施工 过程中加强地质超前预报,工作中把握就大一些。因此,必须把地质工程提出来。此外, 国际上愈来愈多的人也认识到这个问题,由于地质工程类型多,规模大,遇到的地质条件 愈来愈复杂,必须进行专门地研究,才能提高地质工程建筑水平。 四、地质工程问题解决的途径 我们经过实践研究概括提出,地质工程工作有如下三大支柱①构造地质与地质结 构; ②工程地质力学; ③地质技术。 第一个支柱是构造地质和地质结构。对地质工程来说,构造地质学知识最为重要。它 是解决地质工程问题的基础。 第二个支柱是工程地质力学,它是以地质力学分析为基础,开展岩体力学和土体力 学,特别是岩体结构力学研究。因