（地质工程专业论文）铜（陵）黄（山）高速公路富溪隧道围岩分类及稳定性研究.pdf

铜( 陵) 黄( 山) 高速公路富溪隧道围岩分类及稳定性研究 摘要 本文首先介绍了隧道围岩稳定性分类的国内外研究动态和最新发展，从分析 影响隧道围岩稳定性的各种因素出发，对富溪隧道围岩的变形破坏机制进行了分 析和探讨，运用有限元法计算分析了不同几何形状的隧道断面的最大变形位置； 分析了各种围岩稳定性分析方法的特点，提出运用围岩分类方法进行围岩稳定性 分析的优点；利用b p 神经网络处理围岩稳定性影响因素非线性能力强的特点， 对富溪隧道围岩进行分类的基础上，并就该隧道进行稳定性分析，结果证明b p 神经网络方法用于围岩稳定性分类结果是可靠的；运用f l a c 。工程软件对隧道进 口浅埋偏压段的三导洞法的旅工顺序进行模拟，得到塑性区在两种施工情况下的 发展状况；对隧道出口段滑坡形成的原因进行分析，并在此基础上提出治理方案。 关键词；连拱隧道围岩稳定性人工神经网络新奥法三导洞法 c l a s s i f ya n ds t u d yo ns t a b i l i t yo ff u - x it u n n e lw a l lr o c k s o ft o n g l i n g - h u a n g s h a ns p e e dw a y a n a l y s i sa n dc o n t r o lo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k ，w h i c hi st h e k e yp r o b l e mi nt u n n e le n g i n e e r i n g ，h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d 弧e v a r i o u se l e m e n t st h a ta f f e c tt h es t a b i l i t yo ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k s a r ed i s c u s s e d ，a n dt h es u r r o u n d i n gr o c k s d e f o r m a t i o n d e s t r u c t i o n p r i n c i p l ei sa n a l y z e d t h em a x d e f o r m a t i o nl o c a t i o no nd i f f e r e n t s h a p et u n n e lc r o s ss e c t i o n sa r ec a l c u l a t e dw i t ht h ef i n i t ee l e m e n t m e t h o d ad i s c u s s i o ni sm a d eo nt h ea d v a n t a g eo fu s h a gs u r r o u n d i n g r o c k sc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，a n di tc a nb ec o n c l u d e dt h eb a c k p r o p a g a t i o n ( b p ) n e u r a ln e t w o r km e t h o di su s e dt oe v a l u a t ef u 。x i t u n n e l t h ec o n s t r u c t i o ns e q u e n c eo ft h e t h r e e p i l o td r i f tm e t h o da t t h ee n t r a n c eo ft h et u n n e li ss i m u l a t e db ym e a n so ff l a c 3 d t h e d e v e l o p m e n to ft h ep l a s t i cz o n ei sd e s c r i b e du n d e rt w os o r t so f c o n s t r u c t i o ns e q u e n c e s t h et r e a t m e n tm e a s u r e si sa l s o p r e s e n t e d b a s e do na n a l y s i so fl a n d s l i d e sc a u s e sa tt h ee x i to ft h et u n n e l k e yw o r d s ：t w i n - t u n n e l ； s t a b i l i t yo ft u n n e lw a l lr o c k ； a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ；n e w a u s t r i a nt u n n e l i n gm e t h o d ； t h r e e p i l o td r i f tm e t h o d 插图清单 铜黄高速公路位置图1 0 黄山市地理位置图1 1 安徽省南部地貌形态略图1 2 研究区地质简图1 3 富溪隧道地质断面图1 4 大谷运组下段交错层砂岩1 5 大谷运组上段泥砾砂岩反正递变层理1 8 大谷运组上段砂袋构造1 8 应力状态与围岩强度包络线关系图2 0 岩石强度尺寸效应示意图2 1 孔隙水压力只与塑性区半径，的关系曲线图2 5 应力圆a 左移成a 图2 6 时间因素对围岩强度的影响瞌线2 7 b p 网络结构图2 9 b p 网络神经元模型图2 9 作用函数3 0 b p 学习算法框图3 2 各种围岩类别所占比例饼图3 7 圆形洞室围岩应力4 0 f # 断层影响隧道里程平面展开图4 3 中导洞一正洞台阶开挖法4 4 中导洞一双侧壁三导洞法4 4 计算模型及网格划分4 5 隧道开挖顺序图4 6 不同施工顺序时的围岩塑性区4 7 富溪隧道出口仰坡综合治理方案图4 9 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 l 2 3 4 5 6 7 8 扣扣扣厶弘弘弘弘弘“孓弘弘孓孓孓孓孓 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格清单 公路隧道围岩分类6 公路隧道围岩分类7 岩石坚硬程度表7 岩体完整系数指标7 岩体完整系数指标8 工程岩体分级标准8 岩石质量指标9 隧址区地层沉积序1 7 不同岩石物理力学参数表2 1 一些不同结构面的抗剪强度参数变化范围2 2 围岩受地质构造影响程度等级划分2 3 不同断面形状下围岩应力表2 5 围岩稳定性分类标准3 3 经归一化处理后的围岩稳定性分类标准3 3 网络输出值代表的围岩级别3 3 围岩分类神经网络学习样本3 4 构造的学习样本3 5 神经网络检验结果3 5 富溪隧道围岩分类结果3 6 分类结果对比表3 7 各种围岩类别所占比例表3 7 地层、初期支护的物理力学性能指标4 5 研究区各类砂岩工程地质性质表4 8 1 2 3 4 5 6 7 1 1 2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 2 - - - - _ - - - 一 - _ _ _ - 一 - p ，i i卜卜卜卜卜卜卜厶n弘弘“扯“扯扯扯扯扯舡孓孓 表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表表 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金起王些盘堂 或其他教育机构的学位或证书丽使用过的材 料- 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：j ! l 寸v 乜胁 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆些左堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：芦爵删砂 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址 导师魏莎阅嘞 签字日期： 年月日 电话； 邮编： 致谢 本文是在导师王国强教授的悉心指导下完成的。王老师的敬业精神、 渊博的知识、严谨的治学态度以及丰富的工程实践经验，都使我受益匪浅。 同时，也要感谢王老师三年来对于我的成长所倾注的关怀与帮助。值此论 文完成之际，谨向老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在前期现场原位试和验资料收集过程中，铜( 陵) 黄( 山) 高速公路 屯汤段现场指挥邹总给予了大力支持与帮助，论文具体写作过程中还得到 了班风其和吴潇同学的诚心帮助，在此致以深深的谢意。 我要把最诚挚的谢意献给我的爱人和父母，正是他们一直在精神和生 活上给予我最大、最无私的关心和支持，才使我能顺利完成此稿。 最后向所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 作者：周盛全 2 0 0 6 年4 月 第一章绪论 1 1 前言： 人类修筑隧道的历史十分悠久，而开凿大型的铁路隧道还只是1 9 世纪末 的事情。为提高道路等级，缓解城市交通问题，欧美、日等发达国家在上世纪 中修建了大量的隧道和城市地铁、海底隧道。现在隧道工程在矿山、铁路、公 路及水利工程建设中应用十分广泛。解放后，我国东南地区的鹰厦铁路、西南、 西北地区铁路以及水利工程建设中修建了大量的隧道工程。“十五”期间是我国 加快城市化进程和高速公路的快速发展时期，公路隧道和城市地铁建设得到了 空前的发展。随着社会的进步和经济的快速发展，在“十一五”期间，我国将 加大对交通建设的投入，隧道工程必然在社会经济建设中占有重要的比重，同 时我国是一个多山的国家，山地和丘陵几乎占国土面积的三分之二，必然要修 建大量隧道，包括许多长、大隧道、深埋长隧道，如渤海湾、琼州湾、台湾海 峡跨海隧道等，南水北调建设项目西线一期工程9 3 5 的都是隧道。 公路连拱隧道是随着公路建设的迅速发展而出现的新型大跨度隧道形式， 其线形流畅，占地面积少，空间利用率高，不仅避免了洞口路基或大桥分幅，与洞 外线路连接方便：同时在适应地形条件、环境保护以及工程数量上都具有优越 性。但连拱隧道又兼有埋深较浅、地质条件一般比较差等缺点，一般在浅埋的中 短距离隧道设计中被较多地采用。在连拱隧道的开挖过程中，洞室围岩发生卸荷 回弹和应力重分布，若围岩应力变化大或者岩体强度低，以致不足以适应这种应 力重分布，洞室围岩就会丧失其稳定性，如果不及时加固或加固质量不好，都会 引起隧道围岩的变形破坏，对隧道的施工和运营造成危害，连拱隧道更因地质条 件一般较差而存在着洞室围岩失稳变形破坏的隐患。因此，对围岩稳定性进行评 价，尤其对连拱隧道进彳亍围岩稳定性评价是高速公路隧道设计，是施工和运营 过程中必须面临和考虑的重要课题，加强这一方面研究意义重大。 隧道工程施工的基本特点是“地质条件复杂多变，涉及的影响因素众多， 施工难度大”。特别是在软弱破碎的岩体中开挖隧道，其施工难度更大，而且塌 顶和塌方事故发生较多，造成支护困难，造价高，工期长。在膨胀性岩体施工 过程中发生的挤压性变形，给施工及支护带来很大的困难。随着铁路、公路、 水电建设的不断发展，隧道已经向长大、深埋方向发展，近年来，长隧道工程 不断涌现。隧道设计、施工过程中的核心问题就是对围岩或支护的稳定性进行 分析，即地层在开挖隧道并加以支护过程中的稳定程度，这是一个反映隧道的 地质环境、支护结构与施工方法的综合指标，涉及到了技术、经济、时间的多 种因素。 对隧道围岩稳定性进行分析评价的前提是首先要通过各种手段确定围岩的 稳定性类别。围岩分类是应用工程类比方法进行围岩评价，为工程的设计和旌 工提供依据的基础，具有重要的实用价值。围岩分类，以及在此基础上对各类 围岩的成洞条件、开挖、支护要求做出评价，并作为设计和施工的依据，是国 外在二十世纪四十年代就很通用的方法。但是，随着人类对岩体力学特性认识 的深入，隧道工程经验的积累和隧道工程施工技术的发展，围岩分类的原则和 分类系统也在不断的改进和完善。特别是近年来随着计算技术与人工智能的飞 速发展，使得岩体分类这一传统分析方法向自动化、智能化方向发展。 t 2 围岩稳定性分析方法研究现状 1 2 1 力学分析方法 从1 9 世纪人类对松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论进行研 究开始到现在，围岩压力理论主要经历了古典压力理论、散体压力理论及现在广 泛应用的弹性力学理论、塑性力学理论。实际工程中，隧道开挖后由于卸荷作用 使围岩应力进行重分布，并出现应力集中。如果围岩应力处处小于岩体弹性极限 强度，这时围岩处于弹性状态。反之，围岩将部分进入塑性状态，但局部区域进入 塑性状态并不意味着围岩将发生塌落或失稳。因而研究围岩稳定就不能不考虑 塑性问题，芬纳( f e n n e r ) 一塔罗勃( t a l o b r ej ) 和卡斯特奈( k a s t e rh ) 给出了围 岩的弹塑性应力图形。随着半解析元法以有限厚条法的形式提出，林银飞、郑颖 人。1 将有限厚条法和弹塑性分析结合在一起，提出了弹塑性有限厚条法，采用大 单元内划分小网格的方法判断塑性区范围，在弹性区及塑性区内采用统一的解 析函数级数，以修正常刚度增量法为迭代方法，推导出了塑性系数矩阵及塑性刚 度矩阵。并将其应用于地下工程三维弹塑性围岩稳定性分析中。 对于深埋隧道，因其埋深大，围岩大都表现出强烈的流变特性，而软弱围岩， 其本身就具有明显的流变特性因此，流变理论逐渐被引用到围岩稳定性分析的 研究中。朱素平等。1 提出了以对数函数描述岩石蠕变的粘弹性模型进行围岩稳 定性的力学分析。日本学者西原在岩石流变试验资料的基础上，建立了能反映岩 石弹一粘弹一粘塑性特性的西原模型在此基础上，同济大学孙钧“1 通过对围岩一支 护系统受力机理的充分阐述，得出了西原模型在隧道围岩一支护系统中的有限元 解。并对层状节理围岩、含软弱断层、破碎带的围岩分别提出了两个b i n g h a m 串联模型和四元件的粘弹塑性模型。1 9 5 8 年前苏联学者k a c h a n o v 在研究蠕变 断裂时首先提出了损伤的概念，后经法国学者l e m a i t r e 与c h a b o c h e ( 1 9 7 7 ) 、美 国学者k r a j c i n o v a ( 1 9 8 1 ) 等人利用连续介质力学方法，根据不可逆热力学原理 建立了“损伤力学”这一学科后，国内外许多学者将其应用于节理岩体的力学分 析中，如日本学者k a w a m o t o 及国内学者孙钧、李术才等。学者李术才采用损伤 力学方法得到的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩 体的稳定性和变形行为u 1 。 长期以来，岩土工程界一般采用二维平面应变问题来模拟隧道的开挖效应。 但实际上，隧道在掘进面之后距其大约2 3 倍洞径或洞跨的范围内，围岩体变形 的发展和应力重分布都将受到掘进面本身的制约。因此，工程师们越来越注重掘 进面附近范围内隧道三维空间效应( 包括掘进面推进时效) 的研究。同济大学孙 钧及朱合华等对此作了大量的数值模拟和现场实测研究工作，认为隧道掘进面 的空间几何效应在洞轴纵断面方向上表现为“半圆穹”约束，在洞室横断面方向 上则表现为“环形”约束。用“位移释放系数”来反映掘进面对围岩的空间约 束程度，他提出了广义虚拟支撑力法，并成功地将其应用于隧道围岩稳定性分析 中“r8 ，9 1 。 1 2 2 数值计算方法 近年来，随着计算机技术的迅猛发展，各种数值计算方法越来越多地被应用 到围岩稳定性的分析中，比如有限差分法、有限元法、边界元法、离散元法等 有限元法是一种较早、较成熟的岩体数值分析方法，其有限元模型一般有弹性、 弹塑性、粘弹性、粘塑性、粘弹塑性等。为了克服有限元法在无限域问题应用 中的限制，b e t t e s s 于1 9 7 7 年提出无限单元这一单元形式后，印度的p k u m a r “” 结合无限单元与有限单元，运用有限元计算程序，对围岩稳定性问题进行了一系 列的计算分析。边界元法是继有眼差分法、有限元法之后发展起来的又一数值 计算方法，与有限元法相比，它具有降维的特性以及占计算机内存小、计算时间 省等优点。特别是由于边界元法本身适用于无限域和半无限域的特点而在岩土 工程中得到特有的青睐。边界元法分为直接边界元和间接边界元，间接边界元法 是依据求解对象的微分控制方程的基本解与假想的虚拟量在边界上的分布密度 的乘积建立基本积分方程的方法。同济大学的朱合华等对边界元法在隧道等岩 土工程中的应用进行了大量研究。台湾的k j s h o u “2 3 采用模拟地下洞室的虚拟 力法和求解不连续面问题的位移不连续法两者相结合的混合模型，提出了三维 混合边界元法。 除有限元法和边界元法外，离散元法是用来计算具有不连续变形性质的节 理岩层的一种新的数值计算方法，它不受节理岩体相对微小位移的限制，即使是 不稳定的围岩，变形可以计算到围岩坍落c h a r l e sf a i r h u r s t “”等对运用离散 元法和有限元法分析节理岩层中洞室围岩稳定性进行了比较。 1 2 3 人工智能方法 隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机理在主、客观两方面相当程 度上都是随机、模糊的，也就是不确定的；且由于获取信息与数据方面酌限制和 不完全、不充分，它又是不确知的。因此，尽管力学仍然是求解工程问题必要和 不可或缺的手段，但它已不是唯一的手段。神经网络、遗传算法等人工智能学科 的兴起，为我们解决这类不确定和不确知的工程问题提供了强有力的理论基础 3 和应用工具“。国内外不少学者正是利用这一理论基础，提出了围岩稳定性分 析的新方法。如北方交通大学的y y a n g 和q z h a n g 利用b p 神经网络找出了影 响围岩稳定性的关键因素，建立了一种等级分析方法胡建华等利用改进的m b p 神经网络进行围岩稳定性的识别，建立了围岩稳定性的神经网络识别模型。安红 刚、冯夏庭将遗传进化算法与有限元相结合，对大型洞室围岩稳定性进行最优建 模和获得全局最优解冯夏庭、马平波运用知识发现技术中的数据挖掘环节，对 大量的工程实例数据进行知识发现，找出蕴含于工程实例数据中的内在关系，进 而利用这些关系可对类似条件下的围岩稳定性作出合理的判断“”1 。 1 2 4 反分析法 自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自承能力为基本原理，以锚 喷支护及复合柔性衬砌为主要特征的新奥法施工以来，改变了过去设计与施工 的一些传统思路。它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导施工和设计。因 此，以现场监控信息为依据，通过反演计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳 定性的反演分析方法日趋完善。印度的b s i n g h 等认为由于隧洞围岩裂隙传播受 到周围岩体约束及初始地应力对岩体的预应力作用，其强度将会有显著的提高， 并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量。李世辉提出了典型类比分析 法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序( b m p 9 0 ) 。针对用隧道位移量测结 果进行反分析中存在的结果可靠度与精度问题，日本的谷河正也等提出用三维 反分析及双重反分析来提高结果的可靠度与精度”3 。 1 2 5 围岩分类法 在实际工程的计算与设计中，因围岩分类法简单、明了而被广泛使用。围岩 稳定性分类方法主要有s t i n i 法、f r a n k l i n 法、b i e n i a w s k i 的b m r 法和b a r t o n 等 人的q 法，以及a r i l d p a l m s t r o m 于1 9 9 5 年提出的r m i ( r o c km a s si n d e x ) 法。但 此分类方法中包含参数较多，而有些参数难以准确测定，加之岩体工程力学行为 及其变形、破坏机理的不确定性和不确知性。对此情况，不少学者采用模糊数学 的方法加以处理。日本的铃木昌次等提出了采用模糊回归分析进行岩体分类的 方法，对花岗岩、板岩及片岩地层中隧道围岩分类基准式进行了推导。中国地质 大学的于震平等以渗水结果、r o d 值及r c 0 为评定因子，且在假定其评定因子的 隶属函数为正态函数的基础上，对围岩的类别进行了模糊综合评判。铁二院莫君 政等对、v 类围岩的既有1 1 7 座隧道洞口的围岩分类、洞身的埋置深度及施工 安全程度等情况进行统计，得出不同洞身埋置深度对于围岩稳定性的隶属函数， 从而推导出围岩稳定性的隶属函数。同济大学黄宏伟等采用模糊数学及层次分 析法，分析了围岩稳定性分类中的不确定因素，提出了工程类比模糊经验法。武 汉科技大学的雷学文等运用人工神经网络理论，建立了围岩稳定性分类的人工 神经网络识别模型。针对围岩受动压后结构的演化，田敬学等提出了围岩稳定性 动态工程分类法”。 4 1 3 围岩稳定性分类法研究现状 我国围岩分类大致经历了三个阶段。5 0 年代中期以前，把围岩分为坚石、 次坚石、松石及土质四类。5 0 年代中期到7 0 年代初，围岩主要采用按围岩坚 固性进行分类。用以表征分类指标的岩石坚固性系数，即所谓的f 值，基本上 是岩石抗压强度的反映。运用最广的有普氏分类法，和将岩石分为坚硬岩石( r c 8 0 m p a ) 、中等坚硬岩石( r c = 3 0 8 0m p a ) 及软弱岩石( r c 3 0 m p a ) ， 受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱 围岩稳定、无坍塌，可能产 里巨块状整体结构 面或夹层，层状岩层为厚层，层面结合完好 生岩爆 硬质岩石( r c 3 0 i 妒a ) ，受地质构造影响较 严重，节理较发育，有少量软弱面或夹层 和贯通微张节理，但其产状及组合关系不致 呈大块砌体结构暴露时间长时可能出现 于产生滑动，层状岩层为中层或厚层，层问 局部小坍塌；侧壁稳定；层 v结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石 问结合差的平缓岩层顶板 偶夹软质岩石 易塌落 软质岩石( r c - 一3 0 m p a ) ，受地质构造影响 轻微，节理不发育；层状岩层为厚层，层间 呈巨块状整体结构 结构晓好 硬质岩石( r c 3 0 m p a ) ，受地质构造影响严重， 节理发育，有层状软弱面或夹层，但其产状 及组合关系尚不致产生滑动，层状岩层为薄 呈块石、碎石状镶嵌结 层或中层，屡问结合差，多有分离现象，或 构 拱部无支护时，产生中、 为硬、软质岩石互层 小坍塌，侧壁基本稳定，爆 破振动过大易塌 软质岩石( r c = 5 3 0 m p a ) ，受地质构造影响 很严重，节理较发育，层状岩层为薄层、中呈大块状砌体结构 层或厚屡，层问结合一般 硬质岩石( r c 3 0 m p a ) ，受地质构造影响很严 重，节理很发育，层状软弱面或夹层已基本呈碎石状压碎结构 破坏 软质岩石( r c = 5 3 0 m p a ) 受地质构造影响呈块石、碎石状镶嵌结拱部无支护时，可产生较大 i i i 严重，节理发育构的坍塌，侧壁有时失去稳定 略具压密或成岩作用的黏性土及砂性土； 呈大块状压密结构 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块呈巨块状整体结构 石土黄土呈巨块状整体结构 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂呈角砾、碎石状松散状结 乱，呈石夹土或土夹石状构 围岩易坍塌变形，处理不当 一般第四系的半千硬硬塑的黏性土及稍湿 会出现大坍塌，侧壁经常小 i i 至潮湿的一般碎、卵石土，圆砾，角砾土及 非粘性土呈松散结构，粘坍塌，浅埋时易出现地表下 黄土( q ，、q ) 性土及黄土里松软结构沉( 陷) 或坍塌至地表 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内，里角 砾、砂、泥松软体 呈松软结构 围岩极易坍塌变形，有水时 i软塑状粘性土极潮湿的粉细砂等 粘性土呈蠕动松软及结 土砂常与水一齐涌出，浅埋 构，砂性土呈潮湿松散结 时易塌至地表 构 6 表卜2公路隧道围岩分类( 据公路隧道设计规范( j t gd 7 0 - 2 0 0 4 ) 围岩 围岩或土体主要定性特征 围岩基本质量指标b q 或 类别 修正的围岩基本质量指标 i 坚硬岩，岩体完整，巨整体块或巨厚层状结构； 5 5 0 坚硬岩，岩体较完整，块状或巨层状结构； i i5 5 0 4 5 1 较坚硬岩，岩体完整，块状整体结构 坚硬岩，整体较破碎，巨块( 石) 碎( 石) 镶嵌结构； i i i 较坚硬岩或较软硬岩层，岩体较完整，块状体或中厚 4 5 0 3 5 l 层结构 坚硬岩。岩体破碎，碎裂结构； 较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂结构； 较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整3 5 0 2 5 l 较破碎，中薄层状结构 i v 土体：l 压密或成岩状的粘性土及砂性土； 2 黄土( q t 、如) 3 一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大 块石土 较软岩，岩体破碎： 软岩，岩体较破碎破碎；2 5 0 极破碎各类岩体，碎裂状松散结构 v 一般第四纪的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的 碎石土、卵石土、圆砾、角砾土及黄土( q 。、q ) ；非 粘性土呈松散结构，粘性土及黄土呈松软结构 v i 软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂层、软土等 表l 一3 岩石坚硬程度 r c m p a 6 06 0 3 0 3 0 1 51 5 5 o 。7 5 0 7 5 0 。4 6 o 4 6 若缺乏进行波速测试的条件时，可以在现场测试岩体的体积节理数j ，即 在岩体有代表性的露头或开挖壁面选取大于2 5 m 2 的面积，统计每组节理每米 长度内的节理条数s ；以及每立方米非成组节理数s ，则： 7 j v 2 芝s + s j - i 根据测得的j ，值，按表卜5 求得与之对应的岩体完整性系数k v 。 表l 一5岩体完整系数指标 j ，( 条m 3 ) 3 5 h 0 7 50 7 5 0 。5 50 。5 5 o 3 5 o 3 5 o 。1 5( 0 。1 5 根据r 。和j ，两个指标，岩体基本质量指标b q 可计算如下： b q = 9 0 + 3 r 。+ 2 5 0 k 。 由于b q 与r 。和j ，是线性关系，未考虑到r 。与j 。的关联作用，因此，在实际应 用时，当r c 9 0 k ，+ 3 0 时，式中取r c = 9 0 k ，+ 3 0 ；当k ， 0 0 4 r 。+ 0 4 时，取k v = 0 0 4 r c + 0 4 。 我国工程岩体分级标准按岩体基本质量指标b q 值将岩体分为五级，如表 1 - 6 所示： 表i - 6 工程岩体分级标准 基本质量级别 岩体基本质量级别的确定岩体基本质量指标( b q ) i坚硬岩，岩体完整 5 5 0 坚硬岩，岩体较完摧 i i5 5 0 4 5 1 较坚硬岩体，岩体完整 坚硬岩，岩体较破碎 i较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整4 5 0 3 5 1 较软岩，岩体完整 坚硬岩，岩体破碎 较坚硬岩，岩体较破碎破碎 较软岩或软硬岩互层，且以软岩岩体较完整较破 3 5 0 2 5 1 碎 软岩，岩体完整较完整 较软岩，岩体破碎 v软岩，岩体较破碎破碎 5 1 0 层理、大型交错层理、透镜状层理。双向砂纹交潮道 错层理、波状层理。 镇 深灰、青灰色薄层板岩、粉砂质板岩夹浅灰、黄 中上潮 头 中部 3 8 0 褐色薄层透镜状细砂岩。脉状层理、砂纹交错层 坪 组 理、再作用面、韵律层理。 深灰、青灰色中厚层长石岩屑砂岩、灰黑色薄层 粉砂质板岩、泥质板岩，局部为中厚层细砂岩，下潮坪 下部4 3 0 含滑褶岩片、碎块的细砾岩。具平行层理、脉状 潮道 层理、砂纹交错层理、波状层理 深灰、青灰色中厚层长石岩屑砂岩夹灰黑色薄层 近滨 大 上段 1 0 5 0 板岩、透镜状灰岩、泥砾岩。薄互层层理、滑塌 过渡带 谷构造、砂袋构造。 运 灰黑色板岩、粉砂质板岩夹深灰色中厚层长石岩 滨外 组 中段 1 6 6 0屑砂岩、泥岩砾岩。薄互层层理、韵律层、砂纹 陆棚 交错层理。 大 灰绿、灰紫色厚层一巨厚层中粗粒凝灰质长石岩 谷屑砂岩、凝灰质细砾岩、中薄层凝灰岩夹粉砂质河口 下段8 8 0 运 板岩、硅质岩、硅泥质岩平行层理、水平层理、三角洲 组 交错层理。 深灰、灰黑色中薄层粉砂岩、粉砂质板岩、板岩 上部7 7 0 夹中厚层长石岩屑砂岩。中薄层粉砂岩、细砂岩， 中、外 上段陆棚 具递变层理。小型滑塌构造，槽模构造 下部5 紫红色泥( 板) 岩。水平层理、硬底构造。深海盆地 灰绿色薄一厚层长石岩屑砂岩、粉砂岩、粉砂质 上部1 3 6 0 板岩。递变层理、交错层理、平行层理，定向槽斜坡扇 模，滑塌构造。 下段 灰绿色中薄层细砂粉砂岩、粉砂岩、中厚层细粒 长石岩屑砂岩。普遍具递变层理。中厚层砂岩中 下部 1 8 6 0 海底扇 常见泥岩碎块和板状透镜状。砂岩底板具毫米级 冲刷构造。 1 7 图2 7 大谷运组上段泥砾砂岩反正递变层理图2 - 8 大谷运组上段砂袋构造 上段与中段均为暗色岩系，相对中段而言，上段一是砂岩增多，二是岩石 堆积型式为进积型。此外，滑塌构造比较发育。在砂岩底部见有向北倾斜的砂 袋构造，同生泥砾砂岩也非常普遍。泥砾多“漂浮”在砂层的中上部为特征， 解释为具有湍流性质的碎屑流形成的沉积物。纵观全貌，该段具有近滨过渡带 的沉积特点。根据地层的堆叠型式，结合上、下层位的沉积相分析，可推定为 高水位体系域的早期沉积。 2 5 隧址区地质构造特征 2 5 1 褶皱 隧址区大地构造属于扬子地台之下的扬子台坳和江南台隆，次级构造为 黄山褶皱束，隧道地段地质构造为一单斜构造。 2 5 2 断层 隧址区发育有三条区域性断层，即f 5 正断层，f 6 断层和f # 断层。 f 5 断层在线路测设里程k 2 0 5 + 6 8 0 k 2 0 6 + 7 2 0 段，该断层于隧道相交，断 层产状为：3 1 0 。么5 9 。，出露长度大于3 0 0 0 m ，破碎带宽度为2 0 5 0 m ，且为 正断层，该断层对隧道进口段围岩稳定性影响较大。 f 6 断层在线路测设里程k 2 0 6 + 0 3 0 k 2 0 6 + 0 5 8 段，该断层于隧道相交，断 层产状为：2 7 。z 8 6 。，破碎带宽度为2 0 3 0 m ，且为正平移断层，力学性质 以剪切为主，断层破碎带物质以相互平行的一系列密集剪节理为特征，且节理 面上有应力矿物出现。该断层影响的宽度约4 0 m 。 在隧道进口右侧为一冲沟，冲沟原为当地居民的取水点，当隧道进口掘进 时冲沟内的泉水干涸，经野外地质调查发现，该冲沟实际上是在一个小断层的 基础上发育而成的，断层产状由于地表风化剥蚀而辨别不清，但冲沟走向为 1 2 0 。，与f 6 断层的走向一致。 f * 断层位于隧道出口里程k 2 0 6 + 2 6 0 位置，断层产状为2 8 0 。么8 0 。，断 层真厚度为0 5 m ，断层破碎带内的物质为风化的糜棱岩，呈松散状态，无粘聚 力，用手可轻易挖下，破碎带厚度均匀，断面上有擦痕，影响带为与主断面相 互平行的剪切节理，影响带宽2m ，断层的力学性质为剪切平移断层。 1 8 2 5 3 构造节理 隧道进口段主要发育有两组节理，分别是：第一组节理产状为： 2 7 5 2 9 5 。l 8 5 9 5 。，节理间距为4 0 c m ；另一组节理产状：2 0 。么8 6 。，节 理间距为3 0 a m ，且贯通性良好，节理面光滑平直，大部分密闭，无充填或有少 量的应力矿物出现，局部夹石英脉。在野外地质调查和隧道施工过程中还发现 有产状为2 1 0 。么7 5 。，1 0 0 。么7 0 。，7 0 。z 6 0 。等节理裂隙，但规律性不明 显。 隧道出口段的节理主要产状为：1 0 1 5 。8 0 8 5 。，节理间距为4 0 c m ， 且都为贯通性大节理，节理面光滑平直，但个别规模较大的节理夹有0 3 c m 的 泥质物，同时其旁侧分布有平行的密集小节理，有滴水现象m 1 。 第三章影响隧道围岩稳定性的因素分析 隧道在开挖过程中，经常会出现围岩破坏或变形过大的失稳现象，如有裂 缝生成、岩块掉落、顶板塌落、底板隆起、两帮挤裂或突发岩爆等。理论研究 和工程实践证明，影响隧道围岩稳定性的主要因素主要是包含岩体物理力学 性质、场地的地层结构、结构构造、风化程度和地下水等工程地质条件因素； 工程结构特点等因素。以下各节将讨论影响隧道围岩稳定性的各种因素。 3 1围岩的岩体力学性质对围岩稳定性的影响 工程岩体的稳定性由组成岩体的岩石及结构面的稳定性决定，主要与岩体 的强度及变形特征与开挖后围岩应力重分布二者相互作用的结果相关。若岩体 强度及变形特性强于开挖后重分布的围岩应力，则岩体稳定，反之则围岩失稳。 图3 1 表示了应力状态与围岩强度包络线之间的关系。三条强度包络线由高到低 分别表示高强度岩石、低强度岩石、及软弱结构面的包络线。当岩体的节理裂 隙较发育时，这些软弱结构面的强度及变形性对围岩稳定性就起到决定性的作 用，否则，岩石本身的物理力学性质就起主导作用。 t 硬岩强度 a 稳定 7 一 b 不稳定 ，一一7 软岩强度 ，一7 7 结构面强度 彩氧丢、 o 图3 - 1 应力状态与围岩强度包络线关系图( 据文献 1 ) 隧道开挖能使围岩的性状发生很大变化，如果围岩体承受不了回弹应力或 应力重分布作用，围岩将发生变形或破坏。工程岩体的破坏主要有拉伸破坏和 剪切破坏两种基本类型。但在实际工程中对围岩的抗拉强度值很难测量，而围 岩的抗剪强度也要在现场进行大型试验才能获取。由于尺度效应的存在，大多 数情况下室内岩样试验的数据无法应用于现场的岩体。大量试验表明，试件的 尺寸越大，强度越低，其强度与试件尺寸的关系曲线如图3 - 2 所示“。这是因 为试件尺寸较大则包含裂隙和破损的几率就大，而强度的降低正是和这些破损 的数量成正比的。此外，取的小岩样往往只采集到岩体中的坚硬部分，所以室 内试验的结果总是偏高的。 2 0 | | l 誉b 2t j l 。，j j - - - - o 0 5 t 0l5 2 02 53 0 试件边长，m 图3 - 2 岩石强度尺寸效应示意图 岩体还有许多特定的力学性质，如各向异性、脆性扩容性，对于软岩还有 软弱性、膨胀性、崩解性、流变性及易扰动性等对围岩稳定有重要影响。许多 层状岩体中的各向异性，使围岩的变形及失稳状态有很强的非对称性；岩石很 脆时，易于发生岩爆或拨皮开裂；扩容性及塑性明显时会使洞周形成松散破碎 区或挤压变形区；岩体有膨胀性时会产生破坏支护或形成底鼓现象；对有明显 时间效应的粘土质岩石或岩盐则有可能产生粘弹性一塑性或粘塑性的形变压力。 3 2 地层岩性、地质结构对围岩稳定性的影响 岩体是自然历史的产物，是自然界经历漫长地质年代而形成的产物，不同 成因，不同岩性，不同结构的岩体，其稳定性各不相同。由于岩体结构面的存 在，结构面的性质对围岩稳定性有着显著影响。 3 2 1 岩石岩性的影响 决定围岩强度的强度和变形特征的主要因素之一是岩石的岩性。如新鲜 的火成岩大多强度较高，变形小，而沉积岩则因其层厚及胶结物的不同，其物 理力学性质就大不相同，如表3 1 所示。如厚层砂质灰岩强度高，薄层泥质灰岩强 表3 1不同岩石物理力学参数袭( 据岩石力学参数手册) 岩石 性状 容重 抗压强度( m p a )弹性抗剪强度 工程 模量c 名称 ( g c m 3 )干湿t g 中 名称 ( c , p a ) ( k p a ) 新鲜 2 6 11 1 2 58 53 9 31 1 22 2 3 0 0 花岗岩轻蚀变 2 5 34 1 41 8 92 1 9o 8 01 4 5 0 0 广蓄电站 中蚀变 2 4 42 3 31 07 60 6 65 2 0 0 新鲜、厚层 2 7 01 5 0 21 2 3 80 8 81 9 恒山水库 灰岩 泥质2 5 36 52 7 80 7 51 5 龙门 微风化 2 6 89 85 3 5 4 11 3 81 4 3 0 千枚岩江口 强风化 2 2 574 粘土岩砂质 2 5 74 22 7 9 狮子滩 芒w，魁蕊日耩翟苷 度就低；不同的岩性其各向异的程度也各不相同，变质岩由于变质作用，在物 理力学性质上往往表现出各向异性的性质；不同岩性的岩石还会产生一些与某 些自然特征或工程活动相关的不稳定因素，比如灰岩或岩盐中可能有溶洞问题 或成为地下水的通道，引起隧道地下水涌水或突水，某些薄层沉积岩和变质岩 会产生围岩剧烈变形问题，岩盐和沉积岩有蠕变问题，一些含粘土矿物的泥质 岩类及石膏产生遇水膨胀等问题。 3 2 2 岩体结构及裂隙分布的影响 岩体的强度主要由结构面所决定，岩体是一种地质介质，在它的形成过程 中以及在以后的亿万年时间中，大都经历过许多次强烈程度不同的构造活动。 这些地质构造运动在地层中形成了一系列的构造痕迹，大型的如断层、褶曲等， 小型的如构造性节理、小型断裂、裂隙等。岩体中还有在成岩或变质过程中形 成的各种结构面。结构面是指岩体中各种不同成因和不同特性的地质界面，它 包括物质的分界面和不连续面，如层面、片理、断层、节理等。结构面是岩体 在地质发展的历史过程中形成的具有不同方向、不同规模、不同特性的面、缝、 层和带状的地质界面；所谓面是两侧岩块呈刚性接触干净无充填物的层理、劈 理、节理；缝是由各种软弱物质所充填的不同成因的节理、裂隙；层是原生的 有一定延续范围的软弱夹层；带是包括各种成因与规模不同的破碎带。后三者 常称为软弱结构面。结构面长度从几米到几十米以上，宽度从几米以上到闭合 的和隐蔽的。不同成因和不同规模的结构面，具有不同的物理力学性质，在岩 体变形过程中所起的作用不同。表3 2 列出了一些不同结构面的抗剪强度参数变 化范围。这些各种类型的结构面正是岩体中的薄弱部分，它们的力学强度， 如粘聚力、摩擦系数往往只有岩石母岩体材料的几分之一、几十分之一甚至几 百分之一。其变形阻力或刚度也往往比岩石要小几个数量级。 表3 - 2 一些不同结构面的抗剪强度参数变化范围( 引自文献 1 ) 结构面类型内摩檫角( o )内摩檫系数粘结系数m p a 泥化石l o 一2 00 1 8 - 0 3 60 - 0 4 9 粘土岩、泥灰岩、页岩层面2 0 3 00 ，3 6 - 0 5 80 0 4 9 - 0 0 9 8 砂岩、砾岩、石灰岩层面、 3 0 - 4 00 5 8 - 0 8 4 滑石片岩、云母片岩片理面 1 0 - 2 00 1 8 - 0 3 60 一o 0 4 9 一般片理面 2 0 3 0 0 3 6 0 5 8 0 0 4 9 - 0 0 9 8 光滑片理面3 0 - 4 00 5 8 0 8 4 粗破片理面 4 0 - 4 80 8 1 1 1 10 0 8 5 0 2 9 4 3 2 3 特殊地质条件的影响“” 褶曲和断层破坏了岩层的完整性，降低了岩体的力学强度，一般来说，岩 体经受的构造变动的次数愈多、愈强烈，岩层的节理裂隙就愈发育，岩体的稳 定性也就愈差。例如围岩岩石强度不等的坚硬和软弱岩层相间的岩体在构造变 动中，坚硬和软弱岩层常会在接触处发生触动，形成厚度不等的层间破碎带， 极大地破坏了岩体的完整性。由于隧道通过坚硬和软弱相间层状岩体时，易在 接触面处发生变形或塌落，因此，隧道应尽可能避免设在坚硬和软弱岩层之间 的岩层破碎带、褶皱或断层带，在无法避免的情况下，隧道应尽量设在坚硬岩 层中，或尽量把坚硬岩层作为顶层围岩。褶皱的形式、疏密程度、轴向与隧道 轴线的交角不同，围岩的稳定性不同，这是由于褶皱的核部岩层受到强烈的张 力和压力的作用，故核部的岩层就比冀部的岩层破碎得多，因此，隧道横穿褶 皱翼部比横穿核部有利。在断层附近，因地层的相对位移会使破碎带的宽度很 大，若岩层发生倒转，不仅节理裂隙十分发育，而且往往会出现大的逆断层。 如果隧道通过断层，断层宽度愈大，走向与隧道轴向交角愈小，在隧道内出露 的愈长，对围岩稳定性影响愈大。破碎带组成物质如为坚硬岩块并且挤压紧密 或已胶结，比软弱的或末胶结的压碎岩要稳定些。因此可以把构造强烈的程度 作为衡量围岩稳定性状况的一个基本因索，这种影响程度如表3 - 3 所示。 表3 - 3 围岩受地质构造影响程度等级划分 等级地质构造作的作用 围岩地质构造变动很小，无断裂岩层，层状岩一般是单斜构造，节理裂隙微 轻微 弱或不发育。 围岩地质钩造变动大，位于断裂岩层或褶曲轴的邻近段，在断裂岩层附近可 一般 能有小断层发育