（地质工程专业论文）西岭雪山隧道受力变形监测及安全性评价.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 西岭雪山隧道区位于四川省大邑县内，是成都市辖的一座隧道。该隧道 自开始建设，直至建成运营过程中，曾发生过多次变形破坏，引起隧道局部 塌方或是不同程度的病害。 前期工作包括：查明西岭雪山隧道变形地区的工程特性，工程地质情况、 水文地质情况；根据现场观测试验结果分析隧道变形原因和膨胀性围岩的作 用机理；为隧道的病害整治措施提出建议和依据。 本文在此基础上做了更为详细的研究：首先做了一系列室内试验得出西 岭雪山隧道围岩的膨胀力；建立有限元模型，将试验得出的岩石膨胀力转化 为温度应力，为隧道受力变形的有限元计算提供基础；同时在隧道整治过程 中和完成后一年期间，从衬砌压力、钢拱架应力、锚杆应力、孔隙水压力、 隧道收敛多个方面，对隧道的变形和受力进行全方位监测，为隧道的稳定性 分析提供了依据；然后以隧道所在区域的地质情况、隧道整治的工况条件、 围岩的膨胀特性，建立有限元模型，计算隧道的变形和受力。最后综合隧道 监测数据和有限元计算结果，评价隧道的安全性。 本文结合隧道地质条件和隧道工况条件，采用试验，监测，计算等多种 手段来评价隧道的安全性，为膨胀性围岩隧道的病害整治提供依据，同时也 为膨胀性围岩隧道的设计施工提供了依据。 关键词：膨胀性围岩；有限元；隧道变形；隧道监测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s tr a c t x i l i n gx u e s h a nt u n n e ll i ei nd a y ic o u n t r yi ns i c h u a np r o v i n c e i ti st h eo n l y t u n n e li nc h e n g d ut o w n t h i st u n n e lh a sh a p p e n e dm a n yd i s t o r t i o n sf r o mb e g i n c o n s t r u c t ，a n di tc o n t i n u a n c e du s ei nt h et u n n e lm a n a g e t h i sa r o s ep a r tc o l l a p s e o ft u n n e lo rd i s e a s ei nd i f f e rd e g r e e t h e e a r l yw o r ki n c l u d e ：f i n d o u tt h ec h a r a c t e r i s t i co f e n g i n e e r i n g ， g e o l o g i c a li n s t a n c e ，h y d r o l o g i c a lg e o l o g i c a li n s t a n c eo fx i l i n gx u e s h a nt u n n e l ； a n a l y z et h ec a u s eo ft h et u n n e ld e f o r m a t i o na n dm e c h a n i s mo f t h et h ew a l lr o c k b yt h el o c a l et e s t i tp r o v i d ep r o p o s a lt or e p a i rt h et u n n e l i tm a k e sm o r ed e t a i l e dr e s e a r c hi nt h eb a s eo ft h ee a r l yw o r ki nt h ea r i t i c l e f i r s td oas e r i e so fe x a m i n a t i o n st of i n do u tt h ef o r c eo fe x p a n s i o n ，f o u n dt h e f i n i t yu n i t sm o d e lt oc o n v e r tt h es w e l l i n g f o r c eo fr o c kt ot h et e m p e r a t u r es t r e s s i nt h ep e r i o da n da f t e ro n ey e a ro ft h er e p a i r a t i o no ft h et u n n e l ，m o n i t o r et h e t u n n e lb yt h ep r e s s u r eo ft u n n e ll i n i n g ，t h es t r e s so fs t e e lf r a m es t r u c t u r e ，t h e s t r e s so fr o c k b o l t ，t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h et u n n e lc o n v e r g e n c e t h e n f o u n dt h ef i n i t yu n i t sm o d e lt oc a l c u l a t ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so ft h et u n n e li n t h eb a s eo fg e o l o g i c a li n s t a n c e ，c h a r a c t e r i s t i co fe n g i n e e r i n g ，c h a r a c t e r i s t i co ft h e s w e l l i n gw a l lr o c k i te s t i m a t et h es t a b i l i t yo ft h et u n n e lb ye x a m i n a t i o n ，m o n i t o r i n ga n d c a l c u l a t i o no ft h et h ef i n i t yu n i t si nt h ea r i t i c l ei nw h i c hp r o v i d ep r o p o s a lt ot h e m e a s u r e i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c to ft h es w i l l i n gw a l lr o c kt u n n e l k e yw o r d ：s w e l l i n g w a l lr o c k ；t h e f i n i t yu n i t s ；d e f o r m a t i o n o ft u n n e l ； m o n i t o r i n go ft h et u n n e l 西南交通大学学位论文创新性声明 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， 均己在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 建立有限元模型模拟膨胀力试验， 温度应力；采用现场监测和数值模拟， 全做出评价。 详细内容可见第5 章和第6 章。 将围岩遇水膨胀产生的膨胀力转化为 对西岭雪山隧道围岩和结构稳定和安 1 参巧 泵9髓泪 名研 签 _ 利晚_ _ 钙 坩 文z 论 扎 僦 期 学 日 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 不保密函，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：i ) 章，享 i ， 日期：加p ? 年f 少月“日 指导老师签名： 澳& 脚 日期噼醐? 7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 前言 第1 章绪论 膨胀岩是指与水发生发生物理化学反应，引起岩石含水量随时间而增高 且体积发生膨胀的岩石，属于易风化和软化的软弱岩石。膨胀岩具有较显著 的的膨胀性能，当湿度条件或应力状态发生变化时，膨胀岩的形状常发生巨 大变化，产生体积膨胀，对其中的构造物产生巨大的膨胀压力，严重影响工 程的稳定性，是进行各类工程建设经常遇到且又难于支护的处理的一种特殊 岩石。 膨胀岩在世界范围内分布广泛，迄今为止己发现存在膨胀岩的国家和地 区达4 0 多个，遍及五大洲【l 】。我国也是膨胀岩土分布广，面积大的国家之一， 先后有2 0 多个省区发现有膨胀岩。我国的南昆铁路沿线【2 j 【4 】、万家寨引黄 工程南干线【5 卜【7 1 、凤凰山铜矿【8 】【引、云台山隧道 1 0 】【1 1 1 等均遇到膨胀岩问题。 由于膨胀岩的显著的的胀缩特性，处在这些地区的各类工程建设经常遭到破 坏。g r o b 1 2 】报道了瑞士的一些公路隧道因为膨胀引起的底鼓破坏情况，最大 底鼓量在几个月里达到了9 0 c m 。在美国，每年因膨胀岩土对房屋、建筑、公 路、管道的破坏所造成的经济损失高达2 3 亿美元【2 1 】【2 2 1 ，是台风、洪水、地 震灾害所造成的经济损失总和的2 倍多【l3 】【1 引。在苏丹，存在潜在膨胀岩土的 地区占整个国土面积的1 3 多，位于这些地区的水利灌溉系统、下水管、建 筑物、道路以及其他结构物经常遭受到严重的破坏、估计每年经济损失已经 超过了6 0 0 万美元【1 熨。类似这种现象在挪威、德国、瑞典、英国也常有发生 【1 6 1 【1 7 】 o 在我国的矿山、铁路和水利工程等部门的工程项目也常有这类灾害发生 【1 9 】【2 0 1 ，甚至导致了某些工程的下马。据初步估计，我国每年因膨胀岩土造成 的各类工程建筑物破坏的损失大约在数亿元以上。 综上所述，膨胀岩问题是工程中经常遇到的极其复杂的难题之一，而我 国工程建设事业的发展正越来越多的向着膨胀岩地区进行，必将会遇到更多 的膨胀软岩问题，因此开展膨胀岩课题的研究无论在理论或实际两方面都是 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 具有重大意义的。 1 2 研究现状 1 2 1 膨胀岩研究现状 1 ：2 1 1 膨胀岩的试验研究 自5 0 年代起，日美等国就对膨胀岩的工程地质灾害进行了研究，我国自 7 0 年代末起，对这方面进行了系统的研究。经过各国学者几十年来的研究和 探索，对膨胀岩的膨胀变形试验方法、膨胀变形数值分析以及性状改良等方 面取得了一定的成果，并在膨胀岩地质问题的处理方法上积累了一些经验。 l 、宏观角度的膨胀参数试验 1 9 5 4 年，h o l t z 和g i b b s f 2 4 】首先研究了膨胀粘土的工程性质，他们做了一 系列膨胀岩试验研究【2 3 1 ，如自由膨胀试验和有侧向约束条件下的膨胀试验； 1 9 7 0 年，h u d e r - a m b e r g 就泥岩采用常规固结仪进行了单轴应变膨胀试验， 得到了轴向膨胀应变与轴向膨胀压力的对数呈线性关系。 h u d e r - a m b e r g 的这一试验得到了世界范围的公认。近2 0 年来，人们一 直沿用这一试验方法和结果。针对研究影响膨胀特性的参数有所不同，包括 初始含水量、孔隙率、干密度、胶结情况【2 2 】 2 3 】等，相关的试验主要可归为以 下三类： ( 1 ) 膨胀压力试验：目的在于测量试件浸入水中时，侧向约束条件下，保 持试件高度不变的最大轴向压力； ( 2 ) 膨胀应变试验：测量岩石试件浸入水中时的非约束最大自由轴向膨胀 应变； ( 3 ) 膨胀应力与轴向应变的关系【2 4 】【2 5 1 。 1 9 8 4 年，f r a n k l i n 将膨胀仪的刚性环刀改为柔性环刀，在环刀外侧粘贴电 阻应变片，测量径向膨胀应变和应力；与此同时，我国学者孙钧、李成江【2 7 】【2 8 】 也做了类似试验，环刀厚度为0 1 2 7 5 c m ，可视为均匀薄壁圆环，取得了较好 的试验结果。 国际岩石力学学会膨胀岩专业委员会1 9 8 9 年公布了“泥质膨胀岩试验的 建议方法【2 9 】 ，对测量最大轴向膨胀应力、轴向和径向自由膨胀应变，以及 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 测量轴向膨胀应力和轴向膨胀应变关系的试验方法作了阐述，力图使之规范 化，并提出应该继续开展试验室试验研究，特别是三维试验研究的观点。1 9 9 0 年，d a v i s o n 3 0 】在常规膨胀仪试验的基础上，发展了连续荷载膨胀试验方法， 使所测得的膨胀和固结参数更为准确，l o t3 1 】描述了单向和双向等压条件下， 同时测量三个正交方向上应变的新方法，得出在一主方向上施加压力，不仅 限制该方向的膨胀，而且也限制了垂直该方向上膨胀应变的结论。 1 9 9 3 年，杨庆、吴顺川 3 2 1 3 3 j 等在改装的土三轴剪切仪上进行了三轴膨 胀试验研究，综合考虑了吸水量及应力对膨胀的影响，测定了膨胀岩膨胀应 变与三轴应力、吸水量等之间的关系。此后，焦建奎【3 4 】针对常规h u d e r a m b e r g 试验不能量测膨胀过程中吸水量和径向膨胀压力，对固结仪进行改造，增加 吸水和侧压测量装置，研制开发一种基于吸水过程的侧向受限膨胀试验。他 得出在侧向受限状态下，由侧向膨胀受到限制会产生很大的侧向膨胀应力， 使得侧向应力不符合金尼克条件，而是远高于轴向应力，并在整个过程中保 持这种状态。 2 、微观结构试验 膨胀岩的微观结构试验目的是测定岩石矿物成分和物理化学性质。测定 岩石矿物成分的试验主要有x 射线衍射、电子显微镜扫描、差热分析以及晶 粒及组织的显微分析等几种；测定岩石物理化学性质的试验包括测定离子交 换量，测定比表面积等。 1 2 2 膨胀本构模型 材料的本构关系，可认为是应力应变关系，它反映了物质的一种本性。 吸水膨胀变形是膨胀岩土最显著的工程地质特性，也是引起工程危害最常见 的根源。膨胀岩的膨胀本构关系是指膨胀岩在一定的应力和吸水条件下，产 生膨胀应变的规律。 1 9 7 0 年，h u d e r 和a m b e r g l 3 5 h 3 7 1 利用常规固结仪对一种膨胀性泥灰岩进 行了加压膨胀后再卸载膨胀的应力路径的膨胀试验，得出轴向膨胀应变与轴 向压力的对数呈线性关系的结论。1 9 7 2 年，g r o b 又定量地表示了这一膨胀 本构关系。 目前，h u d e r - - a m b e r g 试验结果和g r o b 给出的膨胀本构关系得到了世 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 界范围内的公认。该项试验已成为隧道工程领域中测定岩石膨胀和反拱设计 的基本试验。 1 2 3 隧道变形研究现状 对隧道围岩变形的研究主要是对变形的定性的研究和定量的计算以及对 变形的预测，而计算主要有解析的和数值的方法。关于这些方法的现状如下： ( 1 ) 统计理论 洞室开挖后，围岩的应力状态将发生变化，即产生应力重分布【3 8 】【39 1 ，这 是一个非常复杂的物理力学过程，要可靠地解决围岩稳定和控制围岩的变形 问题，需要研究的不明确因素较多，其中一个难题是如何评估和处理岩体的 流变性对围岩内力和变形的影响。由于自然界岩石材料的地域性、多相性和 不均性【4 0 】【4 l 】，故较难寻找一个统一的本构关系来模拟强度和变形全过程。在 洞室开挖施工监测中，我们可以量测到反映综合效应作用的围岩变形量的最 大值及其速率，但围岩变形( 称为效应量) 和各种影响因素( 称为原因量) 之间不 可能用单一模式来描述，即它们之间的关系是不确定的，找不到它们之间的 一个确定的数学函数表达式，所以效应量和原因量之间是一种非确定的依赖 关系即统计关系【4 2 1 。利用数理统计中的非线性模型，找出具有这种相关关系 的变量之间的数学表达式，并讨论表达式在多大程度上反映这些变量之间的 相关关系。利用这些数学表达式以及表达式的精度估计，可以作未知量的预 报或控制变量的变化。 ( 2 ) 解析方法 利用力学理论解析的方法能够得到问题的精确解答，但是由于岩土本构 关系的不明确性，对于一些问题难于建立显式的关系式，所以解析法只适用 于一些本构关系简单的研究对象。 ( 3 ) 灰色理论 利用灰色模型预测岩石的变形是一种行之有效的方法。由于它所需小量 的实测数据，故可节省大量的物力和财力。在采用灰色模型预测时，若实测 数据是非等时的，可采用某些插值理论形成等时的时间序列，然后采用等时 的g m 模型进行预测，可以大大地提高预测精度。用灰色模型预测时，对时 序数据的数量要求并不严格，并非数据越多越好。但尽量使所采用的数据没 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 有较大的波动，如遇波动较大的数据可舍去，这样才能保证预测的精度。所 需的数据多少合适，还有待于进一步研究。利用灰色模型预测巷道围岩的压 力或变形，将对巷道的维修和支护起到积极的作用。 ( 4 ) 神经网络 人工神经网络用于地表变形预测，效果优于其它方法，它有以下一些优 点：它不需要建立反映系统物理规律的数学模型：它比其它方法更能容 忍噪声；神经网络具有极强的非线性映射能力，尤其是可以模仿人脑的智能 化处理，对大量非结构性、非精确性规律具有自适应功能，具有信息记忆、 自主学习、知识推理和优化计算的特点，其自学习和自适应功能是常规算法 所不具备的。因此，预测被当作人工神经网络( 简称人a n n ) 最有潜力的应川 领域之一。 ( 5 ) 有限元法 有限元法应用于地下工程，由于能较好地模拟开挖工况，能考虑复杂的 边界条件及不同介质，能同时计算围岩的变形与应力，而成为分析地下工程 问题的灵活、实用和有效的手段。但是其计算精度和可靠性受岩体的物理力 学参数控制。长期以来，由于计算手段的限制，只能处理一些简单的各向异 性问题，但是已经能够充分说明各向异性对岩体工程的围岩强度和变形的巨 大影响。六十年代末期，有限单元分析法中引进了节理单元，对于规则的层 状或节理岩体采用了正交各向异性或横向各向同性的假设，成功地解决了一 大批实际工程问题。现在的有限元软件已经可以模拟粘弹塑性等各种变形形 态，并且可以模拟隧道施工过程中的变形；还可以模拟隧道围岩与衬砌的相 互作用【4 3 】【4 4 1 ，然而，在处理庞大的岩土工程问题时，有限单元法也有诸多不 足；如全域离散，数据准备工作量较大；繁多的单元节点，增大总刚矩阵， 需要大储量计算机，而且计算机时也较长；对某些问题，不能精确处理，计算 精度的可靠性不能令人满意。在有限单元计算过程中，计算参数的选择对计 算结果有很大的影响，所以需要有正确合理的参数获得方法。 ( 6 ) 其它( 边界元、离散元、无限元) 有限单元法对全域离散，数据准备工作量较大，繁多的单元节点，增大 总刚矩阵，需要人储量计算机，而且计算机时也较长，对某些问题，不能精 确处理，计算精度的可靠性不能令人满意。边界单元法的发展，弥补了有限 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 元在这方面的不足，只需对边界进行离散，特别适用于地下洞室这样的无限 域中问题的求解f 4 5 】【4 6 1 。随着边界元法在求解各向同性线弹性问题的成功应 用，引起了人们对边界单元法解决各向异性问题的注意。r i z z 和s h i p p y 推 导了求解各向异性板中应力的边界积分公式，b r e b b i a 和c r o u c h l 详细地介绍 了用边界元法求解平面应变情况下各向异性体的方法。但这些都局限于正交 各向异性和横观各向同性的平面应变情况，即洞轴线必须与对称轴重合 m 驯【4 引。无限元主要可以更精确的反映边界条件。 1 3 论文研究目标、研究内容、拟解决的关键问题 l - 3 1 主要研究内容 本论文的研究内容如下： 通过一系列室内试验得出西岭雪山膨胀岩的膨胀力大小，通过西岭雪山 隧道的整治过程期间和整治后一年的监测得出隧道的变形和受力数据，在区 域地质条件和隧道结构的基础上，通过建立有限元模型，计算隧道的受力变 形。 通过监测结果和计算结果的相互对比，从而评价西岭雪山隧道的是否安 全。 通过有限元计算分析，和隧道的监测结果，研究了膨胀岩隧道结构的受 力变形特点和变形趋势，提出类似的地质条件地区隧道的设计、施工、整治 等分析方法，从而为膨胀岩地区的隧道设计、施工及病害整治工作提供理论 依据。 研究内容可分为以下四个步骤： ( 1 ) 收集整理相关的地质勘探、水文地质资料、试验资料，综合分析隧道 发生病害的成因； ( 2 ) 通过室内试验，确定隧道围岩的膨胀性和膨胀力大小，并建立有限元 模型模拟试验过程，将围岩膨胀力转化为温度应力监测，研究隧道的受力和 变形特征； ( 4 ) 在相应的地质条件和工况下，结合围岩膨胀力大小，建立隧道的有限 元模型，模拟隧道的变形和受力趋势。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 本文要解决的关键问题 通过长期的监测，得出隧道结构在整治后的受力和变形情况。 通过有限元计算分析，揭示隧道围岩以及隧道结构本身每个节点处的弹、 塑性应力及位移，为隧道的稳定性提出评价。 1 4 论文研究方法、技术路线、试验方案及其可行性研究 1 4 1 本文采取的研究方法 本文在隧道地区的地质、水文、现场试验的分析基础上，采用隧道监测 的方式和有限元分析软件a n s y s 对隧道受力变形进行分析研究。从而评价隧 道的稳定性。 1 4 2 本文采取的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章西岭雪山隧道病害和地质背景 2 1 西岭雪山隧道工程简介 西岭雪山隧道区位于大邑县太平、拙江镇境内，属成都西岭雪山国家森 林公园和花水湾温泉旅游循环干线公路的东北线，是通往花水岭、西岭雪山 旅游胜地的主要交通干道，也是成都市辖的唯一一座隧道。距大邑县城2 5 公里，成都7 5 公里。隧道区相对高差约1 8 0 m ，隧道最大埋深1 5 4 m 。 图2 - 1 西岭雪山隧道断面图 该隧道按单洞双向交通设计，隧道净宽9 m ，净高5 m ，隧道原设计长度 长1 0 2 0 米，后因地质情况增设明洞，竣工长度1 1 4 5 米，其中明洞为1 5 3 米， 暗洞9 9 2 米。隧道内空断面为心圆曲线型式，半径分别为：r ，= 4 7 5 m 、 r ，= 8 2 m 、r 3 = 1 1 0 0 9 m 。隧道宽度：行车道2 x 3 7 5 m ，路缘带2 x 0 2 5 m ，检 修道2 x 0 7 5 m ，拱项高度6 8 5 m 。隧道进口( 半边街) 端处于圆曲线半径为1 0 0 0 m 的缓和曲线上，进口里程桩号为k 2 2 + 8 3 0 ；出口( 花水湾) 端位于直线上，里 程桩号位k 2 3 + 9 7 5 ，该隧道轴线曲线长度为6 5 8 5 8 m ，占隧道全长的5 7 5 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 圆曲线设2 的超高，进口k 2 2 + 8 3 0 路面中桩设计高8 6 5 0 2 2 ，竣工标高 8 6 5 0 2 7 ，出口k 2 3 + 9 7 5 路面中桩设计标高8 7 4 5 3 ，竣工标高8 7 4 5 3 6 ，k 2 2 + 9 6 0 处和k 2 3 + 6 2 0 处各设一竖缓和曲线，前一竖曲线r = 6 0 0 0 m 、t = 4 4 4 6 m 、e = 0 1 6 5 m 。后一竖曲线r = 1 0 0 0 m 、t = 7 9 m 、e = 0 3 1 2 m ，k 2 2 + 8 3 0 - - - k 2 2 + 9 6 0 为2 5 6 2 上坡；k 2 2 + 9 6 0 - - k 2 3 + 6 2 0 为1 0 8 上坡，k 2 3 + 6 2 0 k 2 3 + 9 7 5 为 0 5 下坡。 该隧道根据地形和地质条件，兼顾旅游公路的特点，隧道进出洞门型式 皆为混凝土柱式洞门。 2 2 西岭雪山隧道病害发展过程 ( 1 ) 隧道施工时，2 0 0 0 年5 月7 日曾在k 2 3 + 2 8 2 - - - 3 1 5 6 段拱项发生过塌方， 塌方最大高度约1 5 m ，该塌方段除按设计支护外，另用护拱格栅刚架、护拱 顶回填背材及锁脚锚杆加固处理，底部用仰拱格栅刚架加固。( 引自西岭雪山 隧道竣工图) ( 2 ) 隧道通车后，2 0 0 1 年5 月中旬发现k 2 3 + 3 1 5 6 - - - 3 1 8 6 段拱项有裂缝， 裂缝长约2 m ，裂缝宽约1 m m ；2 0 0 1 年1 0 月2 3 日发现k 2 3 + 3 1 5 6 - 3 1 8 6 段 有表皮剥落情况发生，剥落形状为纵向不规则状，长约1 5 m ，最宽处约3 0 c m ， 最深处为5 c m ，原设计用三榀钢拱架加固处理。( 引自关于孙家坡隧道 k 2 3 + 3 1 5 6 一i q 3 + 3 1 8 6 处二衬拱顶裂缝的情况报告) ( 3 ) 隧道竣工交验后，于2 0 0 2 年下半年发现侧沟壁多处沿隧道轴向开裂， 道面混凝土轴向及斜向开裂严重，拱项及拱腰多处开始渗水。 ( 4 ) 2 0 0 3 年1 2 月2 4 日，k 2 3 + 4 5 5 - 4 6 5 段拱顶偏右侧长约1 0 m 的二衬混 凝土塌落，塌落处最大宽度约1 2 1 5 m ，裂缝沿隧道轴向向两侧延伸，总 长度约3 5 m 。 2 3 初期病害隧道变形、开裂、渗水等调查结果 隧道变形、开裂、渗水等调查结果见表2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 表2 1 隧道变形破坏情况一览表 里程破坏( 表现) 现象 怼2 + 9 0 5 - 9 2 5轴线导水管环氧树脂水泥封口潮湿，有少量白色粉末结晶体 k 2 2 + 9 38 9 6 2 轴线导水管环氧树脂水泥封口潮湿，有少量白色粉末结晶体， k 2 2 + 9 6 2 9 7 0 左侧侧沟壁沿隧道轴线有开裂现象 i q 2 + 9 7 0 左拱腰有渗漏现象，渗漏点高度约3 m 怼2 + 9 7 4 9 9 0 轴线导水管环氧树脂水泥封口潮湿，有少量白色粉末结晶体 怼2 + 9 7 5 右侧道面横向裂缝一条，裂缝贯穿右侧沟壁 怼2 + 9 9 0 右侧道面横向裂缝一条，裂缝贯穿右侧沟壁 k 2 2 + 9 9 5 - 0 0 0道路左侧沟壁沿轴线水平开裂 k 2 3 + 0 0 0 道面左侧有一横向裂纹，接近沟壁处有渗水 k 2 3 + 0 0 6 0 3 8 轴线导水管封口湿润，渗水明显，白色结品体较多 k 2 3 + 0 1 0 0 19 左侧沟壁有轴向开裂现象 k 2 3 + 0 3 0 拱部明显渗水 k 2 3 + 0 6 8 左侧道面有一横向裂纹，至沟壁 k 2 3 + 0 8 0 - - 4 7 9 0 左侧沟壁有轴向开裂现象 k 2 3 + 1 6 6 道面左侧有一横向裂纹，侧沟壁乖盲贯穿 l q 3 + 2 0 0 2 3 0 右侧沟沟壁有轴向开裂现象 x 2 3 + 2 0 6 道面左侧有一横向裂纹 k 2 3 + 2 l o右侧沟沟壁有垂直断裂现象 怼3 + 2 6 5 右侧沟壁轴向开裂明显，有水平错动，约2 c m l q 3 + 2 7 4 右侧沟壁轴向开裂明显 k 2 3 + 2 8 2 - 2 8 9道面右侧有一4 5 0 裂纹 k 2 3 + 2 8 6 2 8 9道面左侧离轴线l m 处开始有一4 5 。裂纹，平行于右侧裂纹 k 2 3 + 3 0 2 拱顶处有渗水( 最近开始) k 2 3 + 3 0 8 全断面均有渗水( 施工时就开始) k 2 3 + 3 1 0 3 1 6道面左侧有一与轴线成3 0 0 裂纹 怼3 + 3 1 2拱顶内衬堵漏剂层有塌落，约0 2 m 2 k 2 3 + 3 1 2 - 3 1 7 道面右侧有一与轴线成4 5 。裂纹 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 k 2 3 + 3 1 6 - 3 4 6道面右侧有一近似平行于轴线的裂纹，局部有横向小裂纹 l q 3 + 3 21 - 3 2 5道面左侧有一与轴线成4 5 0 裂纹 道面左侧有一平行于轴线的裂纹( 距轴线约3 m ) ，在k 2 3 + 3 4 5 处 i q 3 + 3 3 7 3 5 0 与轴线左侧发育的另一裂纹成人字形相交，其周围发育多条小裂 纹 k 2 3 + 3 4 5 3 5 0道面左侧发育多条裂纹 怼3 + 3 5 0 3 6 6左侧沟有明显变形 k 2 3 + 4 4 1 道面右侧有一约6 0 。裂纹，贯穿右侧沟壁 k 2 3 + 4 4 5 4 7 7 拱顶有裂纹，由此处开始，轴线右侧0 1 5 m ，有水渗漏 k 2 3 + 4 5 1 拱顶轴线右侧o 8 m 处有水渗漏 k 2 3 + 4 55 4 6 5 轴线右侧1 m 处，拱顶坍塌，宽约1 5 m 怼3 + 4 7 0轴线左侧约o 5 m 处拱顶有渗漏 l q 3 + 4 7 8左侧拱腰线状的水 k 2 3 + 4 8 9 5 0 2 轴线导水管封头有浸湿现象，表面有白色结晶体析出 k 2 3 + 4 9 3 左侧拱腰有渗水现象 k 2 3 + 5 1 1 左侧拱腰有渗水现象 怼3 + 5 1 3 5 1 7 右侧道面有一平行于轴线的裂纹( 较小) ，距轴线约3 m 怼3 + 5 2 2 左侧拱腰有渗漏现象 i q 3 + 5 3 3 左侧拱腰有轻微渗漏现象 k 2 3 + 6 0 5拱顶渗漏 l q 3 + 6 7 0 6 9 4拱顶有7 处渗漏现象 k 2 3 + 7 5 7 7 6 3 轴线导水管封头处有白色结晶体 k 2 3 + 8 2 2 全断面渗水 k 2 3 + 8 6 0 8 71 轴线导水管封头干燥，无浸水现象 融3 + 8 8 7 - 9 0 0 轴线导水管封头干燥，无浸水现象 i q 3 + 9 0 7拱腰渗水，成流股状 k 2 3 + 9 2 8拱腰渗水，呈线状 k 2 3 + 9 3 4 5 9 4 8轴线导水管封头干燥，无浸水现象 l ( 2 3 + 9 3 5拱腰渗水，呈线状 k 2 3 + 9 5 1道面右侧横向开裂，并有白色结晶体 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 调查中发现隧道进口右侧沟、k 2 2 + 9 7 0 处、隧道出口右侧沟出现大量白 色结晶沉淀物，拱腰渗水点也有同样现象发生，据施工单位反映，隧道装修 时多处隧道边墙排水盲管被此类白色结晶物质堵塞，使排水盲管失去排水功 能。 调查中发现，道面轴线导水管封头多段渗水，渗水处同时有白色结晶物 析出。 根据化学分析，右侧沟及拱腰渗水点的白色结晶沉淀物为碳酸钙，道面 轴线导水管封头渗水处白色结晶物质为温度下降后，芒硝溶解度下降形成的 结晶物并伴有碳酸钙。( 分析结果详见表2 2 ) 表2 2 大双公路西岭雪山隧道结晶物质分析结果 分析结 果( ) 分析编号 送样编号主要物质 p h c a o m g on a 2 0k 2 0 s 0 4 2 c 0 2 k 2 3 + 4 9 0 2 0 0 3 0 6 l8 7 01 8 82 6 20 2 93 4 72 2 6 2碳酸钙芒硝 5 1 0 l ( 2 3 + 4 9 0 2 0 0 3 0 6 25 6 31 9 42 4 0o 1 86 3 97 6 7芒硝碳酸钙 5 1 0 2 0 0 3 0 6 3i q 3 + 9 5 05 7 56 2 04 9 7o 5 61 3 1 2朱测芒硝 进口右侧水 2 0 0 3 0 7 93 1 9 7 3 5 2 o 2 0 o 0 1 20 0 6 93 9 1 0 碳酸钙 沟内 进口右侧白 * 2 0 0 3 0 7 9o 0 1 30 0 50 0 0 60 0 0 20 0 6 5| 色沉淀物 注：为水提取液测定结果，其余为酸提取液测定结果，3 0 6 3 # 样品量太少，故未测c 0 2 ， s o 。2 测定结果仅供参考。 2 4 隧道内测量结果 隧道内沿道面轴线施测高程变化及十个横断面高程变化，测量结果见表 2 3 。表2 3 中数据反映出隧道道面隆起变形在部分区段较为显著，尤其是 k 2 3 + 3 2 0 - - - 3 7 0 段更为突出，并且右侧隆起大大高于道面中轴线及左侧边缘， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 致使右侧沟盖板严重倾斜，而且该段道面开裂最为严重。 表2 3 西岭雪山隧道内路面高程变化值 路面左边缘高路面中线高程路面右边缘高 断面里程程变化值变化值 程变化值 ( m m )( m m )( m m ) k 2 3 + 0 1 02 5 48 3 41 9 4 k 2 3 + 2 1 4 33 9 44 5 44 2 4 k 2 3 + 2 7 4 04 01 0 65 3 6 k 2 3 + 3 0 69 o2 6 o3 6 0 k 2 3 + 3 1 8 15 51 1 52 4 4 k 2 3 + 3 5 0 02 1 8 8 1 81 2 8 8 怼3 + 3 6 0 63 0 81 0 8 81 7 7 8 k 2 3 + 4 4 2 03 2 25 8 47 2 8 l q 3 + 4 7 1 2 73 8 05 0 o8 0 1 k 2 3 + 5 1 6 8 84 8 86 5 84 6 8 2 5 地面调查结果 西岭雪山隧道位于雾中山背斜南东翼，隧道所穿越山梁为一宽阔的脊状 山岭，标高1 0 0 0 - - 1 0 3 7 m 。地貌形态受构造与岩性控制，山体走向与构造线 方向一致，呈波状起伏的单面山。山岭两侧为冲沟切割，标高一般为8 7 0 , - 8 4 0 m 。山脊部分多为坡残积层。由山脊向两侧地势渐低，隧道进口方向为顺 层坡，坡度为5 。 - - - 3 2 。，上部地形坡度较陡，下部坡面较缓。隧道出口方 向为反向坡，坡度5 。 - - 2 2 。，遍坡坡残积层为粘砂土及块碎石土，透水性 较好。 隧道通过区地表有五处小型滑坡，五处滑坡均为表层坡残积物质滑坡， 滑坡厚度5 - - - 8 m ，除号滑坡对隧道出口洞门范围有一定影响外，其余滑坡 由于规模小、滑动面浅，对隧道不会造成影响。 隧道通过区左侧有两条较大冲沟( 阳山沟，石峡子沟) 常年流水，两侧斜 坡上冲沟发育，间距一般3 0 - - - 5 0 m 左右。隧道上部地面发育有三条横向支冲 沟，里程约k 2 2 + 9 3 0 、k 2 3 + 1 0 0 、k 2 3 + 6 1 5 。原拟通风钻孔处( k 2 3 + 6 0 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 公路塌落边坡常年渗水且有积水。 2 62 0 0 6 年2 月隧道病害综述 2 6 1 拱部衬砌砼开裂 该隧道于2 0 0 5 年5 月底第一期病害整治完成开通以来，经过运营情况 调查判断，原整治方案是可行的，并取得了良好的效果。但是从2 0 0 6 年2 月，隧道未整治段又发现衬砌开裂，路面隆起破损，水沟上台和检修道内侧 纵向开裂等新的病害，并随时间有所发展。经调查拱部衬砌和路面开裂情况 及段落详见下表。从表中不难看出隧道未整治段都存在衬砌砼和路面开裂。 原整治段也存在少数段落有纵向裂纹，检修道内侧也发现纵向裂纹，这是由 于仰拱部位未进行嵌轨处理，致使拱脚部位有变形发生。 2 6 2 隧道衬砌和洞内路面开裂情况调查表 表2 4 西岭雪山隧道裂纹调查表 里程位置方向延伸长度备注 k 2 2 + 8 3 0路面纵向裂纹1 4 m拱部已整治段 k 2 2 + 8 8 0路面纵向裂纹2 0 m拱部已整治段 l q 2 + 9 1 6 拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰 拱部已整治段 k 2 2 + 9 1 9 5 路面纵向裂纹 5 m 拱部已整治段 k 2 2 + 9 2 5 拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 k 2 2 + 9 5 0 右拱腰横向裂纹 3 m 拱部已整治段 k 2 2 + 9 6 0拱顶纵向裂纹拱部已整治段 融2 + 9 7 0拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 i q 2 + 9 7 7 4路面纵向裂纹 4 m 拱部已整治段 k 2 2 + 9 8 1拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 k 2 2 + 9 9 0拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 k 2 3 + 0 0 2拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰未整治段 k 2 3 + 0 6 6路面纵向裂纹4 m未整治段 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 k 2 3 + 0 6 8路面左侧斜向裂纹 4 m未整治段 k 2 3 + 0 7 5拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱项拱腰未整治段 k 2 3 + 2 0 5 路面左侧 斜向裂纹 4 m 未整治段 k 2 3 + 2 2 0路面纵向裂纹 4 m 未整治段 k 2 3 + 2 3 0路面斜向裂纹4 m未整治段 纵向8 m 贯穿拱 k 2 3 + 2 4 2 2 5 0拱顶拱腰纵向横向裂纹拱部已整治段 顶拱腰 k 2 3 + 2 5 4路面交错裂纹 4 m 拱部已整治段 k 2 3 + 2 6 5路面交错裂纹2 5 m拱部已整治段 k 2 3 + 2 6 8拱项拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 k 2 3 + 2 9 0路面开裂下沉3 0 m拱部己整治段 k 2 3 + 3 2 5 拱顶纵向裂纹 拱部已整治段 i q 3 + 3 6 0 4 0 2路面纵向裂纹 4 2 m 未整治段 怼3 + 3 6 0路面开裂下沉 8 0 m 未整治段 i q 3 + 3 9 4 4 1 0拱顶纵向裂纹 1 6 m 未整治段 k 2 3 + 4 2 6路面纵向裂纹 7 m 未整治段 怼3 + 5 0 8 拱顶拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰 未整治段 i q 3 + 5 8 5 拱顶拱腰 横向裂纹 贯穿拱顶拱腰 未整治段 l q 3 + 6 7 4 拱顶拱腰 横向裂纹贯穿拱顶拱腰未整治段 k 2 3 + 8 2 5 拱项拱腰横向裂纹贯穿拱顶拱腰拱部已整治段 k 2 3 + 8 9 6 9 0 2 边墙左侧纵向裂纹 6 m 拱部已整治段 2 7 地质背景 2 7 1 地层岩性 隧道区分布侏罗系蓬莱镇组、遂宁组、沙溪庙组地层及第四系坡残积松 散堆积物。 隧道通过区分布遂宁组和蓬莱镇组地层。 第四系( q 4 。1 删) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 覆盖隧道区总面积的4 0 - 5 0 ( 实际为8 0 - - 9 0 ) ，为松散堆积物，按其 成因可分为残积、坡积、崩积碎石土，人工填土及少量洪积漂( 卵) 土。 人工填土( q 4 m 1 ) ：厚o - 3 m ，分布于公路两侧，为修公路时剥土堆积而成， 由粉质粘土、沙性土及少量块石组成。 残积、坡崩积层( q 4 e l + d l + c 0 1 ) o 1 5 m ，分布于隧道进、出口，由紫红色、 褐灰色亚粘土、块石土、碎石土组成。亚粘土一般厚o - - 3 m ，覆于基岩及块 石土之上，块石土厚度0 1 5 m ，尤以进口附近厚度最大，块石、碎石含量 7 0 - 8 0 ，成分以砾岩、砂岩为主，少量泥岩，粒径一般2 0 c m 以上，孔隙 中充填粘土、亚粘土及角砾。 侏罗系： 蓬莱镇组( j 3 p ) ：厚度大于1 3 3 4 2 m ，为一套滨湖相的碎屑岩，分布于隧 道东侧，不进入洞身。岩性为棕红色、黄灰色中厚层状含钙细中粒岩屑 长石石英砂岩与紫红色块状泥岩、砂质泥岩呈不等厚互层，底部为黄灰色中 厚层状含钙中粒岩屑长石石英砂岩，隧址区内，该组地层可划分为三个岩性 段。 第三段( j 3 p 3 ) ：厚度大于l o m ，为紫灰色厚巨厚层状中粒岩屑长石石 英砂岩，含砾石。 第二段( j 3 p 2 ) ：厚度7 6 5 3 m ，以紫红色块状泥岩、砂质泥岩为主，夹2 3 层厚为3 6 0 5 3 0 m 的黄灰色中厚层状细粒砂岩。 第一段( j 3 p 1 ) ：厚度5 6 8 9 m ，上部为黄灰色中厚层状含钙中粒岩屑长 石石英砂岩夹紫红色块状泥岩，具平行层理；中部为紫红色块状泥岩与黄灰 色、紫红色中厚层状细粒砂岩呈不等厚互层；下部为黄灰色中厚层状含钙 中粒岩屑长石石英砂岩，含较多的砾石，砾石一般大小为1 2 锄，呈次圆状， 成分以灰岩为主，次为砂岩。 整合接触 遂宁组：厚1 8 2 4 5 m ，为一套滨湖相的碎屑岩，岩性以灰绿色、紫红色 泥岩、粉砂质泥岩为主，夹黄灰色中厚层状粉砂岩及细中粒岩屑长石石 英砂岩，底部为黄灰色、紫灰色厚巨厚层状细中粒含砾岩屑长石石英砂 岩。该组按岩性可划分为四个岩性段。 第四段( j 2 s n 4 ) ： 8 0 5 2 m ，为紫红色块状泥岩、砂质泥岩夹粉砂岩、细砂 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 岩，裂隙发育，泥岩中含绿灰色团块。 第三段( j 2 s n 3 ) ：厚1 7 8 7 m ，以黄灰色中厚层状细粒砂岩为主，夹紫红色 泥岩，硕部1 2 m 为粉砂岩，裂隙发育。 第二段( j 2 s n 2 ) ：厚4 8 8 0 m ，以紫红色块状泥岩为主，夹数层厚0 5 0 m 的 黄灰色中厚层状细粒砂岩。 第一段( j 2 蚰1 ) ：厚3 5 2 6 m ，以紫灰色厚巨厚层状细中粒岩屑长石石 英砂岩为主，夹紫红色泥岩，含少量砾石，砾石一般大小3 x5 衄，成分为灰 岩及砂岩。 整合 沙溪庙组( j 2 s ) ：厚2 2 8 7 1 8 m ，上部为砂泥岩夹泥岩、砂质泥岩：下部 为黄绿色、棕红色厚层状砾岩夹砂岩、砂质泥岩，砾石成分