（岩土工程专业论文）滑坡地段隧道施工变形及工程措施研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼曼鼍_ m m _ ：m m l l i i ：i i i m=mn,llll z 摘要 论文以“隆叙地方铁路纳溪至叙永段”大秧田隧道工程为研究背景，采用资料调 研、理论分析、f l a c 数值模拟计算相结合的方法，对滑坡地段隧道旖工过程中的变形 以及控制变形的工程措施进行分析。 通过对大秧田古滑坡的地质情况进行分析，并采用瑞典条分法和数值计算方法计 算滑坡稳定安全系数，得出隧道开挖前滑坡整体处于稳定状态，隧道开挖不会引起古 滑坡滑动。 通过对隧道第一次塌方时的施工状态的数值模拟得出：隧道开挖后国岩处于极其 不利的受力状态，地表发生了明显位移，沉降呈现出以拱项为中心的中间大两头小的 “漏斗”分布形式，与实际情况相符。 通过对隧道第二次塌方时的施工状态的数值模拟得出：对拱部围岩管棚加固后开 挖，围岩仍处于较不利的受力状态，地表仍发生了明显位移，呈现出以拱顶为中心的 中间大两头小的“漏斗 分布形式，与实际情况相符。 通过对避免隧道塌方的施工方法进行数值模拟得出：采取增设管棚后紧跟二次衬 砌的方法对隧道进行处理后，隧道受力状态得到极大改善，地表位移非常小，未发生 塌陷，隧道处于安全稳定状态。说明管棚加固后二衬紧跟的工程措施是合理有效的。 根据数值计算结果提出了一套解决大秧田隧道施工变形的工程措施。论文的研究 对今后相关类似工程的建设具有一定的指导意义。 关键词：滑坡；隧道变形；数值计算；工程措施 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t c o m b i n a t i o nw i t hd a y a n g t i a l lt u n n e lp r o j e c tw h i c hl i e si nl a n d s l i d eo nt h en a x it ox u y o n gr a i l w a y , t u r m e lc o n s t r u c t i o nd e f o r m a t i o na tl a n d s l i d es i t ea n de n g i n e e r i n gm e a s u r e sa r e d i s c u s s e db ys e v e r a lm e t h o d ss u c ha si n v e s t i g a t i o na n dr e s e a r c ho fd a t a , t h e o r ya n a l y s i sa n d f l a cn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d b a s e do nt h eg e o l o g yo fd a y a n g t i a ns l i d e ，s w e d e nm e t h o do fs l i c e sa n dn u m e r i c a l a n a l y s i sm e t h o da r eu s e dt oc a l c u l a t es l i d es a f e t yf a c t o r t h e r ei sac o n c l u s i o n ：t h es l i d ei s s t a b l ei nt h ef r o n to ft u n n e le x c a v a t i o n ，t u n n e le x c a v a t i o nw o n ti n d u c es l i d e t h ef i r s tc o l l a p s eo ft u n n e la r ea n a l y z e db yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ：a d jo i n i n gr o c k f o r c es t a t ei sv e r yu n f a v o r a b l e ；s u r f a c es e t t l e m e n ti so b v i o u st h a tt a k e so nt h ef o r mo ff u n n e l i ti sa c c o r dw i t ht h ef a c t t h es e c o n dc o l l a p s eo ft u n n e la r ea n a l y z e db yn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d ：a f t e rt h ep i p e r o o fr e i n f o r c e m e n t ，a d j o i n i n gr o c kf o r c es t a t ei ss t i l lv e r yu n f a v o r a b l e ；s u r f a c es e t t l e m e n ti s s t i l lo b v i o u st h a tt a k e so n 也ef o r mo ff u n n e l i ti sa c c o r dw i t ht h ef a c t t h em e a s u r e st oc o n t r o lt h ec o l l a p s eo ft u n n e la r ea n a l y z e db yn u m e r i c a la n a l y s i s m e t h o d ：a f t e ra d o p t i n gt h ep i p er o o fr e i n f o r c e m e n ta n df a b r i c a t i o no fs e c o n d a r yl i n i n go nt h e t u n n e l ，a d j o i n i n gr o c kf o r c es t a t ei si m p r o v e dg r e a t l y ；s u r f a c ed i s p l a c e m e n ti sv e r ys m a l l t h et u n n e ld i d n ，to c c u r sc o l l a p s ea n dt u n n e li ss t a b i l i t y t h e r ei sac o n c l u s i o n ：i ti se f f e c t i v e t o a d o p tp i p er o o fr e i n f o r c e m e n ta n df a b r i c a t i o no fs e c o n d a r yl i n i n go nt h et u n n e la t l a n d s l i d es i t e b a s e do nt h e s es t u d i e s ，t h em e a s u r e st oc o n t r o ld a y a n g t i a nt u n n e lc o n s t r u c t i o n d e f o r m a t i o na r ep u tf o r w a r d t h e s er e s u l t sa r eh e l p f u lt ot h er e s e m b l et u n n e le n g i n e e r i n gi n f u t u r e k e yw o r d s ：l a n d s l i d e ；r u n n e ld e f o r m a t i o n ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；e n g i n e e r i n gm e a s u r e s 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：丘岛主；窨 日期：矽局，乒 指导老师签名： 日期：弦乃多髟 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 总结了大秧田隧道与滑坡相互作用机理，并提出了一套控制滑坡地段隧道施工变 形的工程措施。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：删 日期：沙厶6 够 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 本文研究背景和意义 第1 章绪论 我国幅员辽阔，地质条件复杂，地质灾害分布广泛，种类众多，滑坡是人类工程 活动中常遇到的地质灾害问题。我国滑坡主要分布于西南、西北和华东地区，但在特 定的地质条件下，华北和东北某些地区滑坡也很发育，并且北方滑坡常具有独特的地 质背景和成因特征，西南地区更是滑坡频发地区，每年雨季都有若干滑坡灾害发生。 滑坡灾害常导致交通中断，影响铁路的正常运营，严重的甚至会危急人民生命安全， 对国民经济和人民财产造成巨大损失，给各项建设事业带来极大的影响，因此引起了 人们普遍的重视。工程建设对山体平衡条件的改变，常是造成古滑坡复活或产生新生 滑坡的主要原因。随着国民经济及各项建设事业的大力发展，我国的滑坡事故日益增 多h 。 在山区修建铁路或公路时，往往会不可避免的通过滑坡地带。为避免修建深路堑 时大范围的开挖对坡体产生一定扰动，线路通常以隧道形式通过滑坡。对于相当数量 建于滑坡中的隧道来说，施工中通常都不可避免的受到滑坡体的影响，如果对其处置 不当，将会产生严重的后果，并为运营后的隧道留下各种大大小小的病害，同时也留 下了各种安全隐患，如隧道整体移动、衬砌严重变形、开裂、剥落、掉块乃至隧道发 生坍塌，以至可能中断线路的正常运行。有关建于滑坡中的隧道的破坏情况有以下工 程实例： 1 西( 昌) 一攀( 枝花) 高速公路山神庙l 号隧道进口在施工过程中由于连续降雨突发 滑坡灾害，滑坡掩埋了左洞口及下方道路，并对右洞造成危害。该滑坡是由于隧道仰坡 开挖，同时连续降雨，土体含水量大，所在工程临空垮塌逐级发展，形成牵引滑动，规 模不断发展而造成。 2 成昆线东荣河1 。隧道在1 9 9 1 年7 月发生严重变形，拱项开裂、拱脚错位，隧道 出现整体位移，通过地质勘探和深部位移监测，表明隧道所在斜坡内存在浅、中、深 三层滑面，该隧道变形是较典型的由滑坡蠕动变形引起。 3 南昆线相田2 4 隧道，长度只有1 9 0m ，在洞口路堑开挖时，山坡发生滑坡，造成 隧道拱墙开裂，撑口梁被多次折断，明洞挤跨。因遇到隧道变形、坍塌和山体病害的 问题，修建时间却花了近四年多时间。 4 贵昆线小冲隧道，自1 9 6 7 年建成通车后一直状况良好，1 9 9 1 年雨季隧道衬砌出 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 曼曼皇曼曼曼鼍璺鼍曼曼皇曼皇曼曼! 曼曼皇曼皇! 曼曼曼皇曼曼! 曼! 鼍皇皇m m l mn lm nunm mm _ 曼鼍曼曼皇! 曼曼曼曼曼曼! 曼蔓 现开裂变形，边墙折断、下沉，变形部位由边墙逐步发展至拱顶，通过现场调查和数 值模拟分析，确定斜坡下方煤系地层开挖诱发斜坡失稳是导致隧道变形的内在原因”刊。 通过以上工程实例，我们可以看出，建于滑坡中的隧道在施工过程中因各种原因 造成滑坡变形而诱发的隧道病害是非常普遍且十分严重的，并会在运营后产生各种安 全隐患。因此，对滑坡地段隧道与滑坡之间相关问题开展深入研究，是一项十分必要 而且又紧迫的工作。 本论文以四川省泸州市新建纳叙铁路大秧田隧道为研究背景。该隧道是为绕避大 秧田滑坡而设置的浅埋隧道，原设计隧道在古滑坡体后缘通过，但实际施工中却发现 隧道部分地段要从滑坡体中通过。大秧田滑坡规模较大，滑体宽1 2 0 2 8 0 m ，滑坡立轴 长约4 0 0 m ，滑体厚4 - - 一2 0 5 m ，滑体组成物质为第四系( q 。扪”0 | ) 崩坡积粉质黏土夹块石 或块石土组成。该滑坡在雨季洪水期仍有蠕滑迹象，属崩堆积土层沿基岩层面牵引式 吉滑坡。大秧田隧道从进口和出口方向同时开挖，施工到d k l 2 4 + 9 6 0 处时，地表对应 里程处发生坍塌沉陷，坍塌物进入洞内将洞内堵塞，开挖无法继续进行，拱顶有渗水 裂缝现象，专家提议应立即采用管棚支护后再开挖，随后二次衬砌紧跟，并将地表的 水田改为早地。进口方向不宣再掘进开挖，由出口方向全面完成剩余工作量，但施工 中采用管棚支护后没有进行二次衬砌，再加上2 0 0 8 年5 月1 2 日汶川8 级地震的余震 及暴雨灾害天气，该隧道在挖通后地表对应洞内里程d k l 2 4 + 9 6 0 及d k l 2 5 + 0 0 0 处又发 生坍塌，下沉2 6 5 m ，洞内d k l 2 4 + 9 6 0 d k l 2 5 + 0 0 0 段已被坍塌物完全堵塞，多处裂 缝，多处渗水。 如果能对滑坡与隧道结构的相互关系和作用机理进行深入研究，提前对滑坡和隧 道结构变化趋势进行分析，及时制定出有针对性的工程措施，一方面可以有效地避免 由此带来的重大损失，另一方面也有助于提高我们在理论上对此问题的认识。因此对 滑坡地段隧道结构与滑坡的相互关系进行专门研究，既具有重要的工程价值又具有重 要的理论意义。 1 2 国内外研究现状 在隧道变形问题的研究方面，目前大量的研究主要是针对隧道开挖过程中围岩的 稳定性问题。如结合隧道施工进行围岩收敛变形量测开展的位移反分析和围岩失稳 倾测研究口2 _ 引；对地下开挖工程引起的坍塌、冒顶、底鼓、岩爆等开展的围岩结构 及其力学特性方面的研究 6 7 9 1 ；隧道开挖引起的围岩松弛圈范围及新型支护结构的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 研究汹一等等。 对完建以后的隧道变形问题，日本学者吉川惠也等曾对日本国营铁路沿线的隧道 病害进行过调查，在其研究报告隧道变形趋势中指出：“日本铁路隧道有不少是5 0 一- 1 0 0 年前修建的，也有很多隧道的地质条件不好，有4 0 的隧道产生过变形。造成变形 的原因很多，大部分是由于多种原因综合作用的结果，主要原因有：塑性压力、围岩松 动、偏压、滑坡、地震、围岩冻结、水压、列车振动、邻近施工、地基下沉和衬砌材 料劣化等”。 日本学者山田刚二等在滑坡和斜坡崩坍及其防治一书中，对因隧道开挖引起 斜坡滑动的所谓“隧道滑坡”进行了分析，初步总结了该类病害产生的地质条件及影 响因素： ( 1 ) 横穿滑坡( 隧道轴线与滑动方向垂直或大角度相交) 开挖隧道易于产生滑坡；平 行或小角度相交于滑动方向开挖隧道时则多见于洞门仰坡产生浅层滑动，深层滑动少 见，且隧道一旦形成，可作为排除地下水工程，有利于滑坡稳定。 ( 2 ) 当隧道设置于滑带附近时易于产生滑坡；隧道设置于靠近山脊比远离山脊产生 滑坡的概率低。 ( 3 ) 对于浅埋偏压隧道，由于开挖时围岩塌方，有时可能透顶，形成相当于路堑的 临空面，易于产生山侧岩土体滑动。 ( 4 ) 位于滑带以下一定范围内的隧道，开挖使洞顶土体呈楔形沉降，导致滑带倾角 增大，岩土体松动，而牵引后方坡体蠕动。 此外，山田刚二还详细介绍了著名的高场山隧道滑坡和切山隧道滑坡位移与隧道 变形规律和变形破坏的时间效应，以及隧道收敛破坏特征等“。 国内谭玉兰、高波曾对2 0 0 多座铁路运营隧道进行了病害调查，发现隧道变形开 裂是隧道第一大病害，占总数的4 1 佰1 ，可见隧道变形问题的严重性。 西南交通大学周德培等n 叫互2 0 3 对运营隧道衬砌开裂病害进行了理论方面的研究，他 们根据岩体流变理论研究围岩压力的时间效应，分析了作用在隧道衬砌上的压力随时 间的变化规律和压力对衬砌作用方式的变化，并采用模型试验进行了验证。但这方面 的研究存在的不足之处是：到目前为止，该方面研究大多只是针对变形隧道的个案研 究，分析变形原因，提出相应的整治措施等。 国内周德培、张鲁新3 等对坡体病害地段隧道变形问题进行了研究。在隧道变形 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 机理研究方面，通过现场勘测、滑坡监测及室内试验，分析了蠕动型滑坡的成因以及 酿成隧道变形开裂的机理，对蠕动滑坡体中隧道病害的防治提供了依据。 国内马惠民等通过对2 0 世纪8 0 年代以来中国山区铁路干线许多隧道变形实例的 调查分析，通过对坡体病害地段隧道变形开裂资料的归纳分析，采用现场测试、室内 大型模型试验以及数值模拟方法，对坡体病害和隧道变形相互作用的机理及其防治技 术进行了较为详细和系统的研究。系统论述了坡体病害( 错落、滑坡等) 地段隧道变形 类型。在文中，作者研究了滑坡病害地段隧道变形特征，阐述了隧道位于滑体、滑带 附近以及滑床以下三种情况下其具有的不同变形特征9 1 3 3 ： ( 1 ) 当隧道位于滑体中，随着滑坡整体位移发展，隧道主要表现为整体外移，纵向 弯曲，边墙相互错动，抬升，多横裂；鲜见纵裂，线路外移，抬升或沉降等。 ( 2 ) 隧道位于滑带附近，主要表现以隧道衬砌破损开裂为主，整体位移为次，可分 为作用于边墙，拱部两种情况。 ( 3 ) 当隧道位于滑坡中后部，隧道变形开裂变形剧烈，往往形成突发性压溃破坏。 国内李文军 3 等通过隧道变形与滑坡变形的几种典型实例，针对工程实例贵昆线二 梯岩隧道、阳安线新渔坝隧道、宝天线k 1 0 5 。隧道、堡子梁隧道等，研究了由于隧道开 挖引起古滑坡或古错落蠕动乃至复活的典型实例。初步总结了这种滑坡病害的产生与 隧道开挖的相互关系，以及隧道开挖后滑坡内应力调整与病害大规模复活三者之间的 关系。 西南交通大学毛坚强n 采用将滑动面作为接触面，应用接触问题的有限元算法对 滑坡一隧道间的相互作用机理及受力变形规律开展了研究。 国内学者陶志平2 2 等对滑坡地段隧道变形机理开展了模型试验研究方面。通过室 内地质力学模型试验，研究了滑坡地段坡体变形与隧道的相互作用机理、围岩和衬砌 压力的变化规律以及滑坡和隧道的变形特征，着重研究了滑带土浸水软化及发生蠕动 时坡体变形与隧道的相互作用，为该类工程病害的预测预报和有效整治提供了科学依 据。 通过以上国内外对隧道变形的研究，隧道在施工中以及运营后产生的病害多是隧 道变形，衬砌开裂等，造成其发生的原因有多种，主要有：处于滑坡病害地段中的隧 道由于滑坡变形，隧道开挖引起围岩松动，地震等，分析研究方法通常采用现场测试、 室内大型模型试验以及数值模拟方法。国内外对滑坡或隧道的研究成果很多，然而把 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 两者结合起来分析研究的却较少，在这方面进行研究的国内学者有周德培、张鲁新、 陶志平、马惠民等，提出了隧道与滑坡的相互位置关系及相应的变形特征，并归纳出 滑坡地段隧道变形的地质模型，提出了相应的防治措施，对以后类似工程提供了理论 依据。 1 3 本文研究主要内容 建于滑坡地段的隧道，由滑坡诱发隧道变形破坏的现象十分普遍，而且容易产生 严重后果。 本文以四川省泸州市新建纳叙铁路大秧田隧道为研究背景，采用资料调研、理论 分析、数值模拟计算相结合的方法，对穿越滑坡体的隧道施工过程中的变形机理及控 制施工变形的工程措施进行了分析。主要如下： 1 通过数值计算对古滑坡的稳定性，隧道施工中出现的两次塌方以及避免塌方的 施工方法进行分析： ( 1 ) 大秧田滑坡稳定性分析：对隧道开挖前的大秧田滑坡建模，计算分析滑坡塑性 区分布、应力、位移规律，以及滑坡体的安全系数，由此得出滑坡体的稳定性。 ( 2 ) 第一次塌方分析：对隧道采用二台阶法开挖，先开挖上导坑并一次衬砌，通过 对应力、塑性区分布、位移分析总结出应力、位移规律，得出结论。 ( 3 ) 第二次塌方分析：在一次衬砌基础上增设管棚加固围岩，计算分析此状态下隧 道围岩的应力、塑性区分布、位移规律，由此得出隧道坍塌情况，是否安全。 ( 4 ) 避免塌方的施工方法分析：增设管棚后紧跟二次衬砌，计算分析此状态下隧道 围岩的应力、塑性区分布、位移规律，隧道是否发生坍塌，是否稳定，最终得出结论。 2 采用瑞典条分法计算滑坡体稳定安全系数，并与软件计算结果进行比较。 3 滑坡地段隧道施工变形工程措施 通过对大量类似工程实例的分析研究，对大秧田隧道施工坍塌提出一套合理的工 程措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 皇曼曼蔓曼曼曼曼! 皇! 曼! 曼曼曼曼! ! 曼曼曼! ! ! ! ! ! ! ! 曼曼皇曼曼曼皇皇! 皂曼皇曼鼍寰皇皇曼曼曼皇曼曼鼍i 量曼曼曼! 寰曼皇蔓皇曼! 曼曼曼蔓曼曼! 曼! 皇苎寰 第2 章大秧田隧道工程 隆黄铁路是列入国家中长期铁路网规划和四川中长期铁路网规划的资源 开发线，北起四川隆昌县境内的成渝铁路隆昌站，向南依次经四川泸州市泸县、龙马 潭区、江阳区、纳溪区、叙永县、古蔺县，进入贵州省，与贵昆铁路黄桶站交汇，全 线贯穿国家1 3 个大型煤炭基地之一的云贵基地，是四川连接贵州的又一通道。隆叙地 方铁路纳溪至叙永段铁路建设项目，是国家铁路规划四j i l 隆昌至贵州黄桶铁路的第三 段，是继四川隆( 昌) 泸( 州) 、泸( 州) 纳( 溪) 铁路通车后向南延伸的重要资源通 道，全长7 7 5 9 9 k m ，纵贯矿产资源富集的乌蒙山区，建成后将与隆纳段贯通运营，通 过这条铁路，古叙煤田和贵州习水、毕节地区储量丰富的煤炭资源可源源不断运往各 地，缓解川渝地区能源供应紧张状况，成为古叙煤田开发的运输大动脉，为泸州乃至 四川的发展注入活力。大秧田隧道即位于纳叙铁路段，是纳叙铁路全线贯通的重要环 节。 2 1 大秧田滑坡概况 大秧田滑坡位于纳叙( 纳溪至叙永) 铁路段。滑坡规模较大，据勘探资料显示滑体宽 1 2 0 一- - 2 8 0 m ，滑坡立轴长约4 0 0 m ，滑坡前缘伸至永宁河，平面形态呈“撮箕形”，主轴 呈n 5 5 e 走向，滑体厚4 , - - - 2 0 5 m ，大秧田隧道与滑坡平面示意图见图2 - 1 。滑坡体组成 物质为第四系( q 。引”0 1 ) 巅坡积粉质黏土夹块石或块石土组成，该处地貌属低山山前堆 积地貌，地势开阔，自然横坡一般1 5 2 0 。，坡面多辟为水田或旱地，植被不发育， 有一条乡村便道。该滑坡在雨季洪水期仍有蠕滑迹象，属崩堆积土层沿基岩层面牵引 式古滑坡。经过地质专业人员现场调查踏勘，大秧田古滑坡目前无滑动迹象，采取有 力工程措施开展施工不会引起古滑坡复活。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 蔓曼曼曼皇! 曼! 曼曼皇曼,i !_ _ _ - - ii , i ii i i i ii im -,eel me e 图2 1 大秧田隧道与滑坡平面示意图 2 2 大秧田隧道工程概况 2 2 1 地质情况 大秧田隧道( d k l 2 4 + 5 6 5 d k l 2 5 + 17 3 m ) 位于纳叙( 纳溪至叙永) 铁路段，全长6 0 8 m ， 原设计是为绕避大秧田滑体而设置的浅埋隧道，原设计隧道在古滑坡体后缘下部通过， 但实际施工中却发现隧道部分地段要从滑坡体中通过，隧道d k l 2 4 + 9 4 7 d k l 2 5 + 0 1 7 段 隧洞拱顶进入滑带，其立面图见图2 - 2 。隧道洞身位于泥岩夹砂岩地层中，在通过滑坡 体一段，洞身拱顶以上基岩厚度仅4 8 m ，工程地质条件较差，其余地段大于1 0 m ，地 质条件较好。大秧田隧道d k l 2 4 9 4 7 一- - + 9 6 3 滑面在拱顶以下，其中里程d k l 2 4 + 9 6 3 的 滑面在标高2 9 5 8 9 5 m ，擦痕明显，标高2 9 5 8 9 5 m 一- - 2 9 5 1 4 5 m 为q 3 粉质黏土夹砾石； d k l 2 5 + 9 5 8 右侧1 - 8 m 挖坑至标高2 9 4 4 5 m 见强风化基岩，滑坡产状n 5 。w i o 。2 0 。w 。 d k l 2 4 + 9 6 0 ，d k l 2 4 + 9 6 3 地质断面及隧道与滑面相对位置关系图见图2 - 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 图2 - 2 大秧田隧道下穿滑坡立面图 a ) d k l 2 4 + 9 6 0 上部 一衬 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 b ) d k l 2 4 + 9 6 3 上部 一乍、 图2 3 滑坡段地质断面及隧道与滑面相对位置关系图 大秧田隧道工程地质概况如下所述： 该段地貌属低山山前堆积地貌，地势开阔，自然横坡一般1 5 - - 2 0 。，坡面多辟为 水田或旱地，植被不发育，有一条乡村便道，交通方便。 1 地层岩性及地质构造 隧道范围出露侏罗系中统蓬莱镇组( 3 3 p ) 泥岩为主夹砂岩地层，泥质结构，中厚 层状，质剥落的特点，上覆第四系q 3 、q 4 覆土。进出口坡面基岩裸露，均为泥岩地层， 风化剥落严重，呈碎屑状剥落( 见图2 - 4 ) 。其土石特征简述如下： ( 1 ) 粉质黏土( q 。引州) ：灰褐色、棕红色，硬塑可塑，夹少许角砾，厚o - - 一2 m ， 分布在隧道进出口平缓坡。施工工程分级为n 级。 ( 2 ) 粉质黏土( q 。扪”1 ) ：灰褐色、棕红色，硬塑软塑，夹2 0 - - 3 0 的块石、孤石， 块径2 0 - - 8 0 c m ，孤石1 3 i l 】，石质成分为砂岩，厚2 8 m ，分布在山前台地。施工工程 分级为i i 级。 ( 3 ) 块石土( q 。们”1 ) ：灰紫色、砖红色，潮湿，夹5 0 6 0 的块石，块径2 0 - - 一8 0 c m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 图2 - 4 大秧田隧谨出口坡面地屡图 石质成分为砂岩，厚2 8 m ，分布在基岩顶部。施工工程分级为级。 ( 4 ) 粉质黏土( q ? “) ：紫褐色，软塑，夹少量碎石，厚2 m 左右，分布在滑床与 基岩项面。施工工程分级为i i 级。 ( 5 ) 卵石土( o ，“1 ) ：灰褐色，夹6 0 7 0 的卵石，粒径2 6 c m ，石质成分为石英 砂岩、火成岩，磨圆度较好，中密，饱和，厚4 1 2 0 c m ，呈透镜状分布在滑床与基岩 顶面。施工工程分级为级。 ( 6 ) 泥岩夹砂岩( j 。p ) ：暗紫红色，中厚层状，泥质结构，易风化，呈碎屑状 剥落，质软。属i v 级软石。 2 地质构造 隧道范围构造简单，无断裂褶皱，为单斜构造，层理清晰，岩层产状进口端 n 6 8 6w 1 7 。n e ，出口端n 5 0 。w 2 2 。n e ；岩层节理裂隙较发育，砂岩地层发育三组节 理n t o 。e 4 9 。s e 、n 5 0 。w 5 7 。s w 、s - n 7 0 。w ，泥岩地层网状风化节理发育。 3 水文地质条件 本段坡面大多为冬水田，常年积水，在距线路左侧约2 0 0 m 外，高山陡崖坡脚一带t 有散状基岩裂隙水渗出，形成堰塘；土层中主要为孔隙水，含水较丰富主要由大气 降水补给，欢为基岩裂隙水据钻孔简易提水试验结果计算，渗透系数k 值为 00 1 8 5 m d ，洞身涌水量为1 1 b m 3 h 。经取地下水水样化验，其水质类型属h c o ”s 0 。：q a 型水。按t b l 0 2 1 0 - 2 0 0 1 标准判定：该地下水对混凝土无馒蚀性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 曼曼曼鼍! 曼! 曼曼鼍曼曼寰! 曼! 曼曼- - - - = i m m ：曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼鼍曼曼曼皇曼鼍曼皇曼曼鼍鼍鼍皇曼皇! 曼曼曼 2 2 2 隧道结构与施工方法 大秧田隧道断面结构形式见图2 - 5 ，衬砌断面图见图2 - 6 ，图中尺寸均以厘米计。 衬砌及支护使用的材料见表2 - 1 。隧道建筑限界采用( ( g b l 4 6 2 - 8 3 ) 之“隧限一2 a ”，内 轨顶面至道床底面的高度为6 6 c m 。隧道进口设明洞门，出口设台阶式洞门。大秧田隧 道采用二台阶施工法从进口和出口方向同时开挖，先开挖上部导坑1 并施作初期支护 i i ，接着开挖下部导坑3 并施作初期支护，施工流程见图2 - 7 ，台阶法示意图见图 2 - 8 。全隧道拱墙设格栅钢架，其示意图见图2 - 9 ，拱部采用小导管超前支护( 采用巾 4 2 小导管径向注浆，仰角为2 5 。 - 3 5 。，导管长3 5 m ，每2 1 1 】一环) ，锚喷支护( 锚杆 长度为3 5 m ，间距为0 8 m 0 8 r n ，c 2 0 喷射微纤维砼，厚度为3 0 c m ) ，全断面铺设防 水板( 厚度不小于1 5 m m ) ，先墙后拱复合衬砌。 ，一。、 菸 、 。 步 l 廷 同彳 u 二i 以匿黼 、h k j 图2 - 5 断面结构形式图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 _ 雩 厶石入八 窖 人媳 一蚰一一八 品 ， 尹 脚一、雩 簧 7 4i犯 确、一i 搴 z 倍精 ， t 枷一1 l j 等 科瑚1 口撇 7 l盛氆、饪、霉 量 l 面7 f1 佰一1 启 搿埔 循赫柚6 一 鸭 昂 。一 宕 墨7臻髂 一霄鲁雏i啦霄 昌 一 8 盘蜘，吼叠 簧 i似期j 露 盈 7 。 宕 l小 一 班f曹 、 。悯铺l，l 也 8 1 1 名jk 瓮1 印r _ l、墨篮，l 奎：蚺 上 j久 ： 瘩 伐，i 8 图2 - 6 衬砌断面图 表2 - i 衬砌及支护材料使用表 砼c 2 0 钢筋砼c 2 5 衬砌钢筋1 2 0 i n s i 钢筋2q 2 3 5 沟身钢筋 2 0 i n s i 喷砼c 2 0 微纤维砼 钢簸网q 2 3 5 系统支护 锚杆 拱部：巾2 5 中空 边墙：巾2 2 砂浆 小导管 由4 2 支护注浆水泥3 2 5 加强支护 钢架 2 0 m n s i q 2 3 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 开挖上部导坑，并施作初期支护，超前支护 开挖下部导坑，并施作初期支护 施作仰拱初期支护及时闭合成环支护 施作仰拱混凝土、防水层、灌注混凝土衬砌 v 图2 7 施工流程图 图2 8 台阶法示意图 图2 9 钢架布置示意图 头采用焊接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 曼曼! 曼! ! ! 皇! 皇曼曼曼蔓! 曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼! 鼍曼曼曼曼! 曼曼曼苎曼寰- - - -= i i l l 2 3 小结 本章介绍了论文研究背景大秧田隧道所在纳叙( 纳溪至叙永) 铁路的工程概况，然 后详细阐述了大秧田滑坡的地质地貌，并对大秧田隧道的地层岩性、地质构造、水文 地质条件以及隧道与滑坡间的位置关系、隧道的结构以及施工方法做了详述。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 3 1 概述 第3 章滑坡与隧道施工变形特征 众所周知，自然地质条件的复杂性和变化多样性，决定了坡体变形破坏的性质以 及其发生发展的千变万化。加之隧道位置、开挖施工方法不同，更进一步造成了隧道 变形的多变性。通过大量的调研资料及实例研究，本章从引起隧道变形的几种原因出 发，分析引起隧道变形的滑坡成因，进而分析滑坡引起的隧道变形特征以及滑坡地段 隧道变形的地质模型，最后以本文具体工程大秧田隧道为例进行分析研究。 3 。2 引起隧道变形的原因及其变形特征 2 0 世纪8 0 年代以来，我国山区铁路隧道变形现象日趋严重，隧道变形的种类和变 形原因各不相同。马惠民，陶志平等人在这方面做了详细调查研究，其中尤以膨胀性 围岩、腐蚀性地下水和松散堆积层隧道变形最为常见，这些隧道变形一般都能得到有 效的治理，另外傍山偏压和滑坡也是造成隧道变形的主要因素。下面将一一阐述。 1 膨胀性围岩引起的隧道变形 在膨胀性围岩区，围岩遇水膨胀，由此产生的膨胀压力直接作用在隧道衬砌上， 围岩压力大大增加。膨胀性围岩隧道，其围岩动态和土压作用显示出特异的状况，即 隧道开挖后，可以看到周围的围岩与洞壁一起慢慢地向洞内挤入的现象，开挖断面会 显著缩小，对施工产生巨大影响。当围岩压力超过衬砌的承载能力，隧道衬砌即出现 变形开裂。其位移不仅在拱顶、侧壁，在底部和掌子面也会发生。隧道无整体倾伏、 外移。 2 腐蚀性地下水引起的隧道变形 腐蚀性地下水对衬砌混凝土的作用主要表现为：混凝土表面出现起毛、酥松、蜂 窝麻面、起鼓剥落，常有白色沉淀物，混凝土内呈多孔状，出现孔洞露石、骨料分离 等，导致衬砌强度降低，衬砌变薄，漏水严重。一般很少出现剪性、张性及挤压性裂 缝，而且裂缝延伸性差。 3 松散堆积层引起的隧道变形 位于松散堆积层中的隧道，由于围岩破碎、整体性差，松动圈较大，导致隧道拱 部长期受松散体压力影响。在这种情况下，隧道变形特征主要为：边墙下沉并沿沉降 缝错开，拱项压裂呈龟裂状，一般多横裂，少纵裂且延伸性差。边墙鲜见纵裂及错台。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 有时拱脚错动内移。隧道无整体外移和纵向弯曲变形。 4 傍山偏压引起的隧道变形 位于河侧山体过薄的隧道，长期受偏压作用，当偏压过大时，常导致隧道衬砌开 裂。其变形特征主要有：拱项下沉、挤疏掉块，山侧破损程度大于河侧，拱部及边墙 均有纵裂，且有错台，山侧边墙倾伏，隧道净空收敛变小，隧道整体向河侧倾斜等。 隧道无整体外移和纵向弯曲变形。 5 滑坡引起的隧道变形 如绪论所述，由滑坡引起的隧道变形是十分常见且危害巨大的。由于选线和勘探 中未认识到线路通过地段古老的滑坡体，或开挖隧道导致滑坡体向隧道发展，许多隧 道仍然设置在滑坡体内或位于滑坡体的可能发展范围内n ”。由此引起的隧道变形形式也 是多种多样的，下面将做具体分析。 3 3 滑坡引起的隧道变形特征分析 3 3 1 引起隧道变形的滑坡成因分析 首先，有必要阐述一下滑坡的成因机理。滑坡是斜坡岩土体在重力和水，以及其 他外营力的作用下，沿某一结构弱面产生剪切破坏的一种不良地质现象。显然，斜坡 的稳定性取决于岩土( 尤其是软弱结构面) 的抗剪强度。岩土依附于某倾向临空面的结 构面上，当结构面上所受的剪应力大于结构面的抗剪强度时，斜坡即可能产生滑动变 形。已有软弱结构面的存在，是多数滑坡产生的主要原因，这些软弱结构面包括坡洪 积物的下伏基岩面、不同成因、不同成分和不同结构的堆积面、岩层中的软弱夹层和 断层带等。 上节讲到许多隧道因为诸多原因不可避免的要设置于滑坡体内或滑坡体可能发展 范围内，那么造成滑坡形成的因素有哪些呢? 为了进一步阐明滑坡地段隧道变形机理， 通过前人的大量地质调查，在对斜坡的岩性组合、地质构造、地形地貌、水文地质条 件以及隧道开挖的部位等进行全面的了解和分析基础上，归纳出以下三类： 1 软弱岩体长期流变引起的滑坡 形成此类滑坡与该地区的工程地质和水文条件有关。斜坡为古滑坡体，岩体软弱 破碎，一般多为变质岩。滑坡体厚度大并存在软弱夹层，节理、裂隙发育。坡体内开 挖隧道，进一步造成围岩松动，往往在隧道开挖时即发生变形开裂甚至坍塌冒顶。特 别是在雨季中，雨水极易沿节理裂隙下渗到坡体内，在雨水浸入软化作用下，岩体强 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 度进一步下降并形成周期性变化，随着岩体中节理、裂隙面的逐步扩展、贯通，加上 坡体材料的蠕变性，最终形成蠕动性滑坡。滑坡的蠕动挤压，导致隧道围岩压力增大， 隧道衬砌发生变形开裂。由于岩体的流变过程是比较缓慢的，因此滑坡的形成也是一 个渐进的过程，有的隧道往往在运营几十年后才发生大的变形开裂。这一类滑坡导致 的隧道变形的典型的实例有：赣龙铁路古田隧道、成昆线毛头马隧道、东荣河隧道、 宝天线k 1 0 5 隧道、贵昆线二梯岩隧道等等。 2 自然环境改变造成的滑坡 斜坡为古滑坡体，已处于稳定状态，同时隧道设计时考虑到了古滑坡的影响，将 隧道设置于古滑坡后缘以外的稳定体中。然而由于斜坡体河侧未作河岸防护工程，在 河流长期冲刷、淘蚀作用下形成塌岸，导致斜坡体下方失去支撑，古滑坡复活并进一 步向后方发展，形成牵引式滑坡。 3 人类工程活动诱发的滑坡 一是由于新建工程造成的加载和改变地表水和地下水条件加剧了斜坡的局部失 稳，产生一些新的滑坡，如美姑县城南滑坡。二是采矿引起采空区上方岩体蠕动松弛， 随着采矿向深部和两侧扩展，临空面进一步加大、加深，上方斜坡的平衡逐渐被打破， 岩体内形成塑性破坏区并向上发展诱发牵引式滑坡，如贵昆线小冲1 4 隧道。三是隧道 穿越病害体或古滑坡体时，隧道开挖导致坡体内应力场和位移场发生调整，造成古滑 坡复活。 3 3 2 滑坡与隧道变形的地质力学模型 根据马惠民，周德培，陶志平等人的研究资料，由滑坡引起的隧道变形的特征主 要表现在2 个方面，一是隧道本身在滑坡体蠕动挤压作用下出现的变形开裂，二是隧 道随滑坡体滑动和滑坡推力作用出现整体位移、倾伏和纵向弯曲变形等。而隧道具体 的变形形态主要与隧道在滑坡体中的位置有关，并在上述两大特征间有所侧重，表现 出不同的变形特征。 具体来讲，隧道与滑坡的相互位置关系可以归纳为4 神情形。当滑坡体内只有一 层滑面时，隧道与滑坡的相互位置关系有三种情形： ( 1 ) 隧道在滑面上方，即在滑体内： ( 2 ) 隧道和滑面相交； ( 3 ) 隧道在滑面下方； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 当滑坡体内存在多重滑面时，根据隧道与滑面的关系及各滑体的滑移情况，除可 归入上述单滑面的3 种情形外，还有一种情况需单独列出：隧道与其中一滑面( 非底层 滑面) 相交，且该滑面上下滑体滑移速度不同。 图3 - 1 单滑面时隧道与滑面的相互位置关系 图3 - 1 是单滑面三种情形的示意图。隧道与滑面的相互位置不同，隧道的受力与 变形特征也有差异。 ( 1 ) 当隧道位于滑体内，随着滑坡整体位移发展，隧道主要表现为整体外移，纵向 弯曲，边墙相互错动，抬升，多横裂而鲜见纵裂，线路外移、抬升或沉降等。 ( 2 ) 隧道和滑面相交，主要表现以隧道衬砌破损开裂为主，整体位移为次，可分为 作用于边墙、拱部、底部3 种情况。当滑带作用于边墙时，拱顶压裂掉块，山侧边 墙倾斜，侵入限界，拱部及边墙纵裂延伸长，且多见错台，拱脚错位，山侧变形较河 侧严重：隧道宏观以整体倾伏为主。当滑带作用于拱部，主要以拱部变形为主，山 侧较河侧变形严重，以压碎、掉块为特征。当滑带位于隧道底部时，则出现底鼓现 象。 ( 3 ) 隧道在滑面下方，隧道变形开裂变形剧烈，往往形成突发性压溃破坏。 根据上述4 种典型的隧道与滑坡相互位置关系和调研资料，可总结出4 类滑坡与 隧道变形相互关系的地质力学模型。 第一种模型名称为坐船推移型，其简图如图3 - 2 ( a ) 所示。该类型隧道位于滑坡体 内，作用于隧道上的力有滑坡未形成时的地压p 和滑坡形成后的滑坡推力f 。典型实例 有成昆线林场隧道、襄渝线狗磨湾隧道。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 9 页 a ) 坐船推移型b ) 抗滑剪切型 c ) 扰动挤压型d ) 坐船抗滑复合型 图3 - 2 滑坡地段隧道变形的地质力学模型简图 第二种模型名称为抗滑剪切型，其简图如图3 - 2 ( b ) 所示。该类型隧道与滑面相交， 隧道就会像抗滑桩一样承受滑坡推力f 和土体抗力q ，图3 - 3 ( b ) 所示。当这两种力与 地压( 图3 - 3 ( a ) 所示) 叠加后，隧道的受力状态将发生改变，如图3 3 ( c ) 所示。典型实 例有襄渝线柴家坡隧道、成昆线毛头马1 4 隧道、贵昆线小冲隧道。 j ( 8 ) ( b ) ( c ) 面 图3 - 3 隧道与滑面相交时的受力简图 第三种类型为扰动挤压型的隧道，其简图如图3 - 2 ( c ) 所示。该类型隧道位于滑面 下方，上方滑体滑动将对隧道产生附加的扰动挤压力，如图3 - 4 所示。扰动挤压力的 大小与滑面距拱项的距离h 和拱顶上部岩体的强度、完整性密切相关。随着距离h 的 增加，滑坡对隧道的扰动作用减弱。典型实例有宝中线堡子梁隧道、宝成线新明月峡 隧道。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 曼i 一一 i i i i i i ii 一i i 一i _ 一一i i 曼曼皇! 皇! 曼曼曼! 曼! 曼寰 精坡帮动方向 图3 - 4 隧道位于滑面下方时的受力简图 第四种类型为坐船抗滑复合型隧道，其简图如图3 - 2 ( d ) 所示。该类型隧道一方面 与上层滑坡的滑面相交，另一方面又位于下层滑坡的滑体内，因此其受力状态是比较 复杂的。由于上下层滑坡的滑移速度不同，隧道总体上处于受剪状态。典型实例有东 荣河1 4 隧道老隧道他“1 1 - 1 4 0 3 3 3 大秧田滑坡分析 ( 1 ) 地层岩性及地质构造：由2 2 1 大秧田滑坡概况，该滑坡滑体组成物质为第四 系( q 。扪”1 ) 崩坡积粉质黏土夹块石或块石土组成，其土石特征为：粉质黏土( q ；引”1 ) ： 灰褐色、棕红色，硬塑软塑，夹2 0 - - 3 0 的块石、孤石，块径2 0 一- - 8 0 c m ，孤石l 3 m ， 石质成分为砂岩，厚2 一- 8 m ；块石土( q 。引”1 ) ：灰紫色、砖红色，潮湿，夹5 0 - - 一6 0 的 块石，块径2 0 - - 一8 0 c m ，石质成分为砂岩，厚2 8 m ；泥岩夹砂岩( j 。p ) ：暗紫红色，中 厚层状，泥质结构，易风化，呈碎屑状剥落，质软。由此可见地层存在软弱夹层，节 理、裂隙发育。 ( 2 ) 地下水：滑坡区地表为水田，常年积水，在距线路左侧约2 0 0 m 外，高山陡崖 坡脚一带，有散状基岩裂隙水渗出，形成堰塘；土层中主要为孔隙水，含水较丰富， 主要由大气降水补给，次为基岩裂隙水，水沿松散层下渗至基岩裂隙带，地下水的运 移，侵蚀，