隧道工程中的若干地质经典问题

1、隧道工程中的若干地质经典问题,隧道的基本工程地质问题 围岩类型与围岩质量 围岩应力场与围岩压力 围岩的变形破坏模式 隧道围岩支护,一、隧道的基本工程地质问题,2007年：隧道2555.5km / 4673座。 2030年：8.5万km “7918网”，隧道大量增加。,2012年：通车隧道总数10000座， 总长度突破10000km。,我国铁路公路网络高速发展，中西部交通隧道建设总量迅速增加。,GPS大地形变速率图 中国地震局,强烈形变与高度地壳应力集中,我国大于70%地区属于沉积岩变质岩区域，交通线路大部分穿越层片状围岩。,高地应力下软弱围岩变形成为我国中西部交通隧道建设突出的工程难题。,收敛变形达1000mm,新兰铁路乌鞘岭隧道,乌鞘岭隧道全长20k，最大埋深1100，两座单线隧道，线间距40。 F7断层带，活动性断裂，宽785m，千枚岩。,胡麻岭隧道进口段，湿陷性黄土渗水崩解、液化，开挖400m，塌方40次,兰渝铁路古迹坪隧道，新第三系砾岩，弱胶结，渗水、扰动崩解,弱胶结及水敏介质围岩变形与失稳现象,新寨隧道，千枚岩，不对称变形，锚索加固,木寨岭隧道，炭质板岩，水平收敛1.3m，拱

2、顶下沉0.3m。,层片状围岩变形与失稳现象,同寨隧道,初期支护普遍破坏,初支二衬破坏,围岩级别与支护措施出现大量变更。,隧道的基本工程地质问题,围岩变形,变形控制,隧道工程地质研究的基本方法,围岩地质特性：岩性、结构、水文地质、 围岩质量 围岩应力场：埋深、构造背景、应力量值、 围岩压力与分布 围岩变形破坏：特征与分布、力学原因 变形破坏控制：支护形式、支护时机,二、围岩结构类型与岩体质量,围岩的地质结构类型 围岩质量分级体系与规范方法 特殊围岩 围岩分级的统计岩体力学方法,3.1 围岩的地质结构类型,基于层状围岩变形机理细化层状岩体结构分类,3.2 围岩质量分级体系与规范方法 坚硬程度+完整性,现有岩体分级方法：,国标：,RMR方法：,Q方法：,经验参数换算：,RMR法和国标法岩体力学经验参数比较（国标法未修正）,3.3 特殊围岩,胡麻岭隧道进口段黄土,黄土浸水变为流塑状 IVV级变VI级,黄土类水敏性围岩,弱胶结与水敏介质围岩变形机制,古迹坪隧道进口段半成岩砂岩,半成岩砂岩浸水成为流塑状 IV级变VVI级,新近沉积弱胶结岩类,兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系含水未成岩砂

3、岩，自稳能力差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状，原定为IIIIV级围岩。平均每个工作面月进度不足15m，设置5座斜井，严重影响兰州铁路枢纽的运输过渡，投资也大大增加。大部分变更为级围岩。,兰新线金瑶岭隧道D石英砂岩（III变V级）,三都隧道进口寒武系白云岩（III级变IVV级）,黑山隧道混合岩 II、III级变为IV、V级,构造破碎弱胶结岩类,新寨隧道，千枚岩，不对称变形，锚索加固,木寨岭隧道，炭质板岩，水平收敛1.3m，拱顶下沉0.3m。,层片状围岩变形与失稳现象,关于围岩分类与分级方法相互脱离的问题,围岩分类侧重反映结构类型及其力学效应 质量分级侧重力学性质的各向同性弱化，并与工程设计相对应 质量分级直接用于工程，不能客观反映岩体结构的效应，例如层状介质特性,3.4 围岩分级的统计岩体力学方法,现有思路：围岩分级（力学参数）标准支护设计 围岩坚硬程度+完整性+应力与地下水修正 粗略，各项同性参数弱化，对称设计 更好思路：力学参数（围岩分级）计算支护设计 立足实际，计算可靠性增强，措施针对性增强,围岩分级的统计岩体力学方法,基本思路：岩石力学参数+岩体结构+地下水+地应力

4、 岩体工程参数（岩体质量分级）支护设计,三、围岩应力场与围岩压力,围岩弹性应力场及其影响因素 围岩压力与高地应力软岩的增强效应,2.1 围岩弹性应力场及其影响因素,一般特征：洞壁应力与径向应力分布,R0,6R0,3R0,r,r,0,0,20,影响因素分析： 远场应力状态影响：埋深与构造应力,埋深100m,埋深1000m,地应力量值的平移换算,1地实测水平应力值，扣除自重侧压力：,2地：自重应力估值，水平应力平移叠加,远场应力状态的现场判断,岩体变形参数：泊松比，各向异性,泊松比,模量,最大主应力 最小主应力,最大主应力 最小主应力,介质各向异性,隧道断面形状：圆、椭圆、曲率变化,群洞效应： 叠加效应 与距离,新城子隧道,2.3 围岩压力与高地应力软岩的增强效应,围岩压力的理论分布鲁宾涅特公式,围岩压力的规范计算方法松动压力,围岩的自稳潜力,新奥法： 隧道围岩具有一定的自稳能力； 施加预应力或承接变形应力以维持围岩强度； 柔性支护以容许围岩自组织调整； 适时支护以保证安全前提下的投资效益,岩体自稳潜力的概念 岩体在天然状态下保持自身稳定性的潜在能力。决定于岩体的地质结构、应力场的共同作用

5、。,岩体应力场对自稳潜力的贡献 按照莫尔库伦准则：岩体中任一点的抗压强度 与其侧向应力 呈正比,即 增加对边坡该点的自稳能力作出贡献。,高地应力下软岩的围岩压力增强效应,围岩压力实测值突破常规量值:,围岩变形破坏的常见模式 硬脆性围岩变形破坏模式 软弱围岩的变形破坏模式 TBM掘进速率与围岩变形的竞争问题,四、围岩的变形破坏模式,4.1 围岩变形破坏的常见模式,缩径 片帮与岩爆 块体滑动与冒落,刀片状剥离,刀口状破裂,挤压诱导拱裂折断,刀片状剥离,4.2 硬脆性围岩变形破坏模式,环状破裂,岩爆的张剪性成因-格里菲斯模型； 随着应力圆左移，破裂角减小。当纯张破裂时为0。,破裂角, = 4t (t + ),2,2,张剪破裂:,压剪破裂:,纯张破裂:,破裂角解释与岩爆成因,释放能量:,释放动能:,张性破裂:,张剪破裂:,压剪破裂:,释放能量排序:,压剪 张剪 纯张,不同破裂方式释放应变能密度排序:,4.3 软弱围岩的变形破坏模式,软岩大变形,胡麻岭隧道进口段黄土,黄土浸水变为流塑状 IVV级变VI级,古迹坪隧道进口段半成岩砂岩,半成岩砂岩浸水成为流塑状 IV级变VVI级,黄土类水敏性围岩,新

6、近沉积弱胶结岩类,弱胶结与水敏介质围岩变形,兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系弱成岩砂岩，自稳能力差，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状。设置5座斜井，但每个工作面月进度不足15m，严重影响施工进度，投资也大大增加。原定为IIIIV级围岩，大部分变更为级围岩。,兰新线金瑶岭隧道D石英砂岩（III变V级）,三都隧道进口寒武系白云岩（III级变IVV级）,黑山隧道混合岩 II、III级变为IV、V级,构造破碎弱胶结岩类,水敏型软岩：遇水软化或解体的岩类 黄土、粘土类岩，泥钙质胶结岩，片岩类岩,弱胶结介质的遇水酥化与碎裂介质的结构崩溃,connection failed between sheets,deformation,water,graphite, sericite schistose minerals,hard sheet,层状介质的非对称变形,结构性软岩的强度弱化,层片状围岩与洞轴线不同组合下变形机理分析,水平层状围岩失稳现象的离散元模拟,水平互层状围岩失稳现象的离散元模拟,水平层状： 顶部弯折下沉 底鼓,隧道围岩拱顶下沉为主，各部位位移量随着泥岩夹层厚度的增大而增大,水

7、平互层状,厚度变化拱顶下沉量比较,厚度变化底鼓位移比较,厚度变化左侧壁位移比较,厚度变化右侧壁位移比较,水平互层状围岩失稳现象的离散元模拟,拱脚部位发生弯折和滑移变形，变形主要受较软的泥岩夹层控制，各部位位移量随着泥岩夹层厚度的增大而增大。,倾斜互层状,厚度变化拱顶下沉量比较,厚度变化底鼓位移比较,厚度变化左侧壁位移比较,厚度变化右侧壁位移比较,倾斜互层状围岩失稳现象的离散元模拟,拱顶部位顺层滑移、掉块 侧壁弯折、内挤 软硬互层状围岩沿软弱夹层滑移和挤出,直立层状围岩变形现象,直立互层状围岩变形现象,直立层状围岩,不同倾向的直立层状围岩的失稳部位,直立层状（洞轴向与岩层走向斜交）,倾向090度（或180270度）,倾向90180度（或270360度）,一侧壁应力产生弯折、内挤变形，失稳部位随岩层倾向变化。 拱顶、拱部位滑移、掉块,倾斜层状（洞轴向与岩层走向平行）,倾斜互层状围岩变形现象,倾斜层状围岩变形现象,一侧拱肩弯折、下沉变形 两侧壁沿结构面的顺层剪切滑移变形 软硬互层状围岩拱脚挤出变形,倾斜层状（洞轴向与岩层走向垂直）,不同倾向的倾斜层状围岩的失稳部位,倾向0度或360度,倾向1

8、80度,倾向为0度时，拱顶弯折、下沉变形 倾向为180度时，底部弯折、鼓起变形,岩层倾向为0度时：拱顶弯折下沉、左右两拱肩的剪切滑移变形 岩层倾向为090度时：右侧拱肩部位的弯折与滑移 岩层倾向为90度时：右侧拱肩和左侧拱脚部位的弯折与滑移变形、左侧拱肩和右侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。 岩层倾向为90180度时：左侧拱脚部位的弯折与滑移 岩层倾向为180度时：底鼓变形 岩层倾向为180270度时：右侧拱脚部位的弯折与滑移 岩层倾向为270度时：左侧拱肩和右侧拱脚部位的弯折与滑移变形、右侧拱肩和左侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。 岩层倾向为270360度时：变形主要集中在左侧拱肩部位的弯折与滑移,倾斜层状围岩掌子面各部位变形特征,倾向0（360）度,倾向090度,倾向90度,倾向90180度,倾向180度,倾向180270度,倾向270度,倾向270360度,倾斜层状（洞轴向与岩层走向斜交）,几类特殊围岩及其变形破坏机理,4.4 TBM掘进速率与围岩变形的竞争问题,引洮工程9#引水隧洞位于中国甘肃省定西市内官营镇，隧洞全长18km。由于隧洞在掘进过程中发生TBM卡机事故，致使施工工期整体后延数月。,围岩收敛变形曲线,围岩压力过程曲线,竞争问题：TBM必须在围岩收敛变形卡机拐点前通过,五、隧道围岩支护,现有规范的缺陷 岩爆的防护 特殊围岩支护方法的有效性问题 围岩的非对称支护问题,岩体质 量分级,修正 分级,强度 +结构,标准化 设计,各向同性围岩分级 按初始状态分级 简单的标准设计：初支抵抗全部应力，控制变形；二衬作为安全储备。,地应力,地下水,前述问题折射出现有规范的缺陷,5.1 高地应力下围岩的脆性破坏岩爆的防护 控制张剪性破坏 初支二衬能满足,岩爆锚固力设计上下限,5.2 特殊围岩支护方法的有效性问题,碳质板岩的注浆增强技术,超前小导管注浆起不到粘结层片理、提升岩体完整性的作用。,顺层锚杆不起作用,5.3 围岩的非对称支护问题,层状介质引起的非对称变形 偏压引起的非对称变形 标准支护的铅直对称的局限性,对称面,受力不对称,变形不对称,非对称支护设计概念,谢 谢！,

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