（地质工程专业论文）大双公路西岭雪山隧道变形原因及整治措施研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究意义 近年来，随着国家缀济建设於迅猛发展，矿产资源开发、水力能源开发、 水利工程兴建以及公路铁路交通等工程建设越来越多地遇到膨胀岩，由膨胀 岩 l 起的工程地质溺题醚薤严踅，箕复杂的工程魏质性质已受到国内外工穰 地质界的关注。 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霞家和地 区达4 0 多个，遍及五大洲【2 1 。西班牙m a t o r e l l c a s t e l l b i s b a l 铁路于线第二条 线路中一条8 5 0 m 长的隧恫所经过中新世泥灰岩普遍存在膨胀现象 3 】。阿尔 及到妲b o u r o u 耐水利工程所经t e l l i e n n o s 山脉赢部地区的隧洞中也发现存 在具有膨胀性的中新世泥灰岩【3 l 。日本的颈城隧道、惠那山隧道、中山隧道、 意大幂l 至受建利阿尔卑斯山脉铁貉隧道均发现存在膨胀性软震疆岩 4 】。我围 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【5 卜( 1 羽、万家寨葶| 黄工程南干线【1 1 】【1 5 】、风凰山铜矿 【1 7 】、云台山隧道【l8 等均遇到膨胀岩问题。由于膨胀岩的显著胀缩性，这些地 区的各类工程建设经常遭到麻颓。g r o b 【1 9 1 报导了瑞士的些公路隧邋因膨胀 而引起的底鼓破坏情况，最大底鼓量在几月内达9 0 c m 。在美国，每年因膨胀 岩土对房屋、建筑、公路和管道的破坏所造成的经济损失高达2 3 亿美元，楚 台风、洪水、地震灾害所造成经济损失总和的2 倍多1 2 0 1 1 2 1 1 。在苏丹，存在漤 在膨胀岩士的地医占整个国土面积的三分之一多，位于这些地区的水利灌溉 系统、下水管，建筑物、道路以及其它建筑物经常遭受严重静破坏，每年经 济损失超过6 0 0 万美元 2 2 】。在挪威，隧道投入运营后额外加固费用7 5 与膨 胀表士有关【2 3 j 。类似这样的现象在德国、瑞典、英国等匿家也时有发生【2 4 l 【2 7 。我国的矿山、铁路和水利工程等部门的工程建设也常有这类灾害发生【2 8 卜 【3 “，严重的甚至导致某些工程无法进行，造成了重大的经济损失。如南昆铁 路林逢镇膨胀岩试验段，路堑边坡护坡方案三次更改设计，抗涝桩被推斜， 侧沟被挤成一条缝，路线下翘上拱，刚完工的工程雨季过，就出现病害。 这秘反复设计和施工造成的损失不仅是财力和人力上的，对南昆铁路的安全 及时通车以及运营后的维护也有极大的影响。再如沈北矿区主要巷道位于膨 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 胀性软弱围岩中，建矿初期采用直墙半圆或圆弧混凝碹，砌筑三个月后几乎 全部破坏，6 0 年代拐，由l 京煤炭科学院等7 家纂位进行了大量豹巷遂支护 试验，先后采用了1 0 多种支护形式，最终得到了以料石圆碹、短段掘砌为主 豹支护方案，楞步满足了安全与生产的要求。近年来，由于采动豹影响，使 料石圆碹仍大量破坏，不得不再次进行支护的研究工作，影响了生产的正常 进行1 32 1 。在湖北、安徽、广西的膨胀岩缝区，工业、民用建筑也由予膨胀表 土的灾害而造成经济损失。初步统计，我国每年因膨胀岩土造成的各类建筑 物破坏的损失达数亿元人民币。 综上掰述，膨胀岩问题是工程串经常遇到的极其复杂的难遂之一，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 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，对这方殛进行了系统的研究。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 面取得了一定的成栗，井在膨胀岩地质翊题豹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 卿】首先研究了膨胀糖土酶工程性质，他们做了一 系列膨胀岩试验研究，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 卜a m b e 璀就泥岩采用常规固结仪进行了单轴应变膨胀试验，得到了 辘露膨胀疲变与鞠疑膨胀压力的怼数呈线瞧关系。 h u d e 卜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 直沿霈这试验方法和结果。针对研究影响膨涨特性的参数裔所不阏，包掭 初始含水量、孔隙率、干密度、胶结情况 = 1 5 】等，相关的试验主要可归为 以下三类： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 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。 1 9 8 4 年，f r a n k l i n 【4 l 】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 江也做了类似试验，环刀厚度为o 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 4 3 】”，对测量最大轴向膨胀应力、轴向和径向自由膨胀应变，以及 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 4 4 】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 4 5 】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 4 6 】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 4 7 针对常规h u d e r _ a m b e 疆 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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 9 8 9 年，长江科学院王幼麟【4 8 l 提出岩石的膨胀、软化和崩解往往是物理 化学因素和力学因素综合的结果，对于微观而言，首要的任务是弄清楚岩石 与水之间物理化学作用的机理及其主要的影响因素，为了解决这一问题，需 要进行物质成分、结构特征、物理化学性后以及膨胀机理的研穷。 1 9 9 5 年，中国矿业大学茅献彪、缪协兴等 4 9 】针对膨胀性岩复杂的物理力 学特性，采用x 射线衍射、扫描电镜等方法，较为全面地分析了膨胀岩的矿 物成分和组织结构特征以及在间接拉伸、单轴压缩、三轴压缩、长期流变试 验过程中的损伤破坏规律，分析了膨胀岩遇水作用前后微结构变化情况。通 过一系列细观力学试验研究，得出膨胀岩的主要矿物成分是蒙脱石、伊利石、 高岭石和伊蒙混合层，并且存在大量的微裂隙，这些微裂隙的存在为水渗入 岩体提供了通道。他还得出了膨胀岩的破坏特征：在单轴试验和拉伸试验中 出现典型的脆性损伤破坏特性，具体表现为绕颗粒弱结合边界面的滑移和拉 伸断裂；在三轴和长期流变损伤破坏中则出现部分韧性破坏的特征，发生颗 粒细化的现象。 1 9 9 7 年，北京科技大学朱建民等 5 0 对小官庄铁矿软岩进行了研究，全面 分析了软岩微观特性，得出小官庄铁矿主要存在两大类软岩：一类是富含蒙 脱石为特征的具有中强膨胀的软岩，以蚀变闪长玢岩为代表；另一类是富含 绿泥石或不含粘土矿物的节理化软岩，不存在膨胀性，以闪长玢岩和绿泥化 矽卡岩为代表。从软岩的微结构分析可知，软岩的结构按疏松或定向排列方 式排列，所以软岩的性质极不稳定，易受外界影响而发生变化，宏观上表现 为低强度、内聚力小、低模量、高泊松比，压缩、剪切或遇水膨胀其结构发 生变化，从而引起软岩工程性能的改变。 前人关于膨胀岩研究的试验己做了很多，除了以上所述宏观角度的膨胀 参数试验，微观角度的微观结构试验之外，还有现场进行的原岩现场抗压、 剪切试验以及模拟工程实物破坏的模型试验等等，这里不再详述。 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 西南交通火学硕士研究生学位论文第5 页 生膨胀应变的规律。 1 9 7 0 年，珏u 莲e r 和a 奄毽e r g 3 4 】剥羯常规固结仪对一秘膨胀性泥灰岩进行 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 匿力的对数里线性关系的结论。1 9 7 2 年，g r o b 又定量魏表示了这一膨胀本 构关系。 目前，h u d e r a 瑚【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1 缝 界范溷内的公认。该顼试验已成为隧道工程领域中测定岩石膨胀和反搽设计 的基本试验。 然而，h u d e r a m b e r g 膨胀本构存在两个较明显的缺陷：一是它没有考 虑侧限压力，表示的是一维关系，而不是三维关系；二是它只反映了膨胀稳 定时的应变与荷载的关系，而事实上应变怒随吸水量和时间而增长的。针对 以上缺陷，有些学者分别对其作了改进。 上世纪7 0 年代，e i n s t e i n 和w i n k e 在h u d e r a m b e r g 试验结果的基础上， 提出了三维膨胀本构关系。假定侧向疵力符合金德克条j 牛，e i n s t e 诬和w i l t k e 认为，膨胀应变是一种体积应变，是由于_ | ! 燕力第不变慧的改变引起的。在 h u d e r a n l b e r g 试验中，如果固结仪上的环刀采用薄壁环刀，环刀外贴应变 片就可测出径囊膨胀应变和应力。 些学者从有效应力的观点出发，把不饱和泥岩中产生的间歇空气压力 和闻歇水器力，以及蔽水彩胀匿力憨括起米霞膨敝压力表示，并把膨胀压力 看作为内部应力，如果将岩石视为备向同性的均质体，则关于土结构的有效 应力理论对这类岩石也认为是适用的。以此建立膨胀本构关系。 1 。2 。3 膨胀位移预测及鸯限元分析 将试验总结如来的膨胀数学模黧藕合烈有限元程序中分柝膨胀卷工程的 稳定性、计算膨胀岩地基的变形等跫膨胀岩课题研究的主要任务。 据k o v a r i 掇导，g r o b 于1 9 7 2 年首次提出了一秘颥溺洞室围岩强向澎胀 底鼓的近似计算方法，认为底鼓围岩内任一点产生的径向膨胀应变与洞室开 挖引起的卸载符合h u d e r - a m b e r g 试验规律，对由径向应力的变化引起的膨 胀应变进行积分，其毽即为底扳的最大底鼓量，这是一葶孛非常近似的计算方 法，没有考虑与膨胀发展方向相垂赢的切向应力的影响，并假设巷道围岩处 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 于饱水状态。 k o v e r i 假设巷道底鼓仅发生在距巷道底板一倍巷道跨度的范围内，即在 距巷道底板为一倍跨度处膨胀应变为零，并假设这一范围的膨胀应交规律符 合h u d e r - a m b e r g 试验规律，认为巷道底板的底鼓量与跨度和膨胀应变的形 状系数成正比，与支护反力的对数成反比。 e i n s t e i n 等人认为膨胀是应力第一不变量的变化所致，因为弹性阶段，应 力第一不变量和体积应变成正比。w i t t k e 根据这一假设，并引入了第二条假 设，以便将体积膨胀应变分离到所选择的三个主方向上，编制了有限单元法 计算程序。首先经弹性计算求得围岩应力分布，据此进行附加膨胀变形的迭 代计算，w i t t k e 并将该法用于分析西德的s t u g a t t 地铁环形隧道。k o v a r i 采用 了相同的概念，编制了有限元程序r h e o s t a u b ，该程序可耦合考虑流变效应。 r j c h a r d s 曾将荷载一变形特性和水流过程相耦合，用初应力法编制了膨胀粘 土体积变化的有限元程序，计算过程中未考虑时间因素的影响。j u s t o 采用参 数法进行有限元分析，所采用参数是根据加荷作用下浸水曲线获得，他认为 其他传统方法低估了底鼓量。该方法只考虑垂直荷载，认为膨胀只在垂直方 向发生，这与实际情况是有一定出入的。 孙钧和李成江提出了一种从流变学角度出发，进行膨胀性围岩计算的有 限元分析方法，并考虑了应力场和渗流场的相互影响，该方法根据改进 h u d e r - a m b e r 窖膨胀试验量测手段所得的试验结果，建立了多维应力状态下膨 胀与流变相祸合的力学模型。 1 ，2 4 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 ) 有限元 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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，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。 ( 2 ) 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 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。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 c 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。无限元主 要可以更精确的反映边界条件。 f 3 ) 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。 ( 4 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章大双公路西岭雪山隧道工程背景 21 西岭雪山隧道基本情况 2 i ；1 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、砸 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 - t 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，后园地质情况增设明洞，竣工长度i i 4 5 米，其中明洞为l5 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：胄，= 47 5 m 、 r ，= 82 m 、胃，= i io a a m 。隧道宽度：行车道2 37 5 m ，路缘带2 x 0 2 5 m ，检 修道2 0 ，7 5 m ，拱顶高度6 i 1 5 m 。隧道进口( 半边街) 端处于圆曲线半径为 修道2 0 ，7 5 m ，拱顶高度6 i 1 5 m 。隧道进口( 半边街) 端处于圆曲线半径为 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 ( 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( 见图2 2 、图2 3 ) ，塌淇处最大宽度约l 。2 1 5 m ，裂缝浍隧道 轴向向两侧延伸，总长度约3 5 m 。 2 3 隧道变形、开裂、渗水等调查结果 隧道变形、开裂、渗水等调查结采觅表2 一l 表2 1 隧道变骺破坏情况一览表 里程破坏( 表现) 现象 硷2 + 9 0 5 9 2 5轴线导水管环氧树膳水泥封口潮瀑，有少量白色粉末结晶体 k 2 2 十9 3 8 9 6 2轴线导水管环氧树脂水泥封口潮湿，有少爨白色粉束结晶体， k 2 2 + 9 6 2 9 7 0 左侧侧沟壁沿隧道袖线有开裂现象 k 2 2 + 9 7 0 左拱腰有渗漏现象，渗漏点高度约3 m 砭2 2 + 9 7 4 9 9 0 轴线寻水管环氧树脂永混封日潮湿，有多曩白色粉末结晶体 k 2 2 + 9 7 5 右侧道掰横向裂缝一条，裂缝贯穿右侧沟蹙 k 2 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，接近沟壁处有洛水 k 2 3 十o e 6 0 3 8轴线导永管封口湿满，渗水髓显，囊龟结晶体较多 k 2 3 + o l o 叭9左侧沟壁有轴向开裂现象 x 2 3 + 0 3 0携部瞬显渗水 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 0 9 0 左侧沟蹙有轴向开裂现象 k 2 3 + 1 6 6 道恧左侧有一横向裂纹，侧沟壁垂直贯穿 k 2 3 + 2 0 0 2 3 0 右侧沟淘壁有轴向开裂现象 k 2 3 + 2 0 6 遒面左侧有一横辩裂纹 k 2 3 + 2 l o 右侧沟沟壁有垂直断裂现象 k 2 3 + 2 6 5 右侧沟壁轴向开裂明显，有水平错动，约2 c m k 2 3 + 2 7 4 表侧沟壁轴向开裂明曼 k 2 3 + 2 8 2 2 8 9 道面右侧有一4 5 。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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 k 2 3 + 3 0 2 拱顶处有渗水( 最近开始) k 2 3 十3 0 8 全断面均有渗承( 施= i = 时就齐始) k 2 3 + 3 l o 3 1 6 道瑚左侧有与轴线成3 0 。裂纹 k 2 3 + 3 1 2 拱项内衬堵漏荆层有塌落，约o 2 砰 k 2 3 十3 1 2 3 1 7道甄右侧有一与轴线成4 5 。裂纹 k 2 3 + 3 1 6 3 4 6 道面右侧有一近似平行予轴线的裂纹，局部有横向小裂纹 k 2 3 3 2 l 3 2 5递鹾左罄j 舂与轴线成4 p 袈纹 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 处与轴线左 k 2 3 + 3 3 7 3 5 0 侧发育熬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 k 2 3 + 3 5 0 3 6 6左倒沟有明显变形 k 2 3 + 4 4 l 道面右侧有一约6 0 。裂纹，贯穿右侧沟壁 x 2 3 + 4 4 5 4 7 7 拱顶存裂纹，由此娃开始，轴线右侧o l5 m 肖水渗漏 k 2 3 + 4 5 1拱顶轴线右侧08 m 处有水渗漏 k 2 3 + 4 5 5 4 6 5 轴线右侧l m 处。拱项坍塌，宽约1 5 m k 2 3 + 4 7 0 轴线左侧约o 5 m 处拱顶有渗漏 k 2 3 + 4 7 8 左侧拱腰线状的水 x 2 3 + 4 3 9 5 0 2 轴线嚣水管封头有浸淀现象，表蕾肯囱色结晶体折出 k 2 3 + 4 9 3 左侧拱腰有渗水现象 k 2 3 + 5 l l 左侧拱腰寿渗水现象 k 2 3 + 5 1 3 5 1 7 右侧遒面有一平行于轴线的裂纹( 较小) ，距轴线约3 m k 2 3 + 5 2 2 左侧擞簇有渗漏现象 k 2 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 k 2 3 + 6 7 0 6 9 4 挟颈有7 齄渗漏现象 k 2 3 + 7 5 7 7 6 3 轴线导水赞封头处有白色结晶体 k 2 3 + 8 2 2 全断面渗水 i 3 + 8 6 0 8 7 l 轴线导水管封头干操，无浸水现象 k 2 3 + 8 8 7 9 0 0 轴线导水管封头干燥，无浸水现象 k 2 3 + 9 0 7 撰麟渗水，成流股状 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 k 2 3 + 9 2 8拱腰渗水，呈线状 k 2 3 + 9 3 45 9 4 8轴线导水管封头干燥，无浸水现象 k 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 2 2 西岭雪山隧道区域内地质概况 2 2 1 自然地理 区内地形西北高、东南低，山体走向与构造线方向一致，呈n 3 0 。5 0 0 e 。 最高点( 红林山) 海拔标高2 2 8 1 m ，地形低洼处( 新场一带) 海拔标高5 5 0 m ， 相对高差1 8 3 1 m ，属中低山地貌。 隧址区为青藏高原东部边缘与成都平原过渡地带，气候温和湿润，降雨 充沛，无霜期长，冬无严寒，夏无酷署。年平均气温1 5 0 c 1 6 8 。c ，极端最 高气温3 7 7 0 c ，极端最低气温4 8 0 c ：多年平均降水量9 2 5 5 1 8 0 5 4 衄，全 年降水不平衡，多集中在7 9 月份，连续无降雨最长3 9 d ；多年平均日照 9 6 7 9 1 2 5 3 3 h ；平均风速1 2 1 9 州s ：相对湿度7 9 8 4 。 隧址区北西向及北东向溪沟发育，雨时排泄地表坡流，平水期主要由地 表浅部风化裂隙水补给，流量不大，枯季多数冲沟断流。隧道进、出口石峡 子沟、阳山沟勘察期间实测流量分别为4 2 m ，d 和2 5 m ，d 。纵观全区，区内东 北侧地表水汇入斜江，西南侧地表水汇入西河，两河于新津流入南河，在双 江镇注入岷江，属岷江水系。 2 2 2 区域地层 隧道区位于四川省大邑县境内，据区域地层表四川分册，地层属龙 门山区。分布泥盆系白垩系地层( 石炭系缺失) 。受构造控制，各地层大多 呈北东向，带状展布，其地层时代、层序、岩性及厚度详见表2 2 。 表2 2 地层时代、层序、岩性及厚度分布 系组代号厚度岩性特征 白灌口组k 2 9 4 2 3 1 0 4 0 紫红色、灰绿以砂质泥岩夹角砾岩、粉砂岩。 垩夹关组 k j 1 8 7 8 7 2 棕红色厚块状岩悄硝砂岩夹少许泥页岩。 系 天马山组k t t 2 4 0 9 6 6 棕红色泥岩夹砂岩与砾岩。 侏 蓬莱镇组j a p 5 2 13 0 棕红色泥岩与岩悄石及英砂岩互层。 罗隧宁组 j 2 s n 2 4 5 3 1 0 棕红色泥岩为主夹粉砂岩及岩屑石英砂岩。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 l 系沙溪庙j 2 s 2 2 8 7 5 3 棕红色厚状、块状砾岩为主，夹泥岩。 自流井 j l 2 2 1 1 2 5 6 0 0 获色岩屑石英砂岩、砾岩为生，夹泥岩 k 须家溺组 t 3 x j l 镐2 2 0 2 6 获色岩羼醪誉、岩羼长匿磊英骖岩泥、页岩及煤层。 小塘子组 t 3 x 8 3 25 1 2 7 3细粒石英砂岩与深灰色泥岩互层，禽煤。 跨口坡组b k 4 5 4 深灰色砂质泥页岩、粉砂岩及角砾岩。 系 雷日皱组 t 2 k 3 6 0 3 7 3 白云岩、泥质自云意、泥获岩及角舔岩。 嘉陵江组 t l j 4 0 2 7 1 5 细粉砂砂岩、泥岩夹白云岩、泥敷岩。 飞仙荧组 t 1 f 2 1 6 2 9 2 细粉砂岩与砂质泥岩互夹灰岩。 一 长兴组 p 2 c 7 3 8 2 黄褐色砂、页质页岩；下部 铝铁搿、粘土者。 龙潭组 p 2 1 4 4 7 7 上部：灰岩、炭质页岩；下部：铝铁岩、粘土岩。 叠峨属出玄武岩 p 2 o 1 4 0灰绿色玄武岩。 系 茅日组 p m2 7 2 3 7 8 获色灰岩、生物碎屑灰岩。 栖霞组 p l q 4 2 9 3 友色生物碎屑灰岩、灰岩、含燧石。 2 2 3 区域地质构造 据l ：2 0 万区域地质调查报告( 邛崃幅) 。隧蛙区位于龙门山北东向 构造带与新华夏系第三沉降带( 四川盆地) 接合部之天台山扛艨行褶断 带的雾中山背斜南东翼，高家场复式背斜北西翼，主要构造形迹是褶皱及断 裂。 2 2 3 1 褶曲 雾中山背斜：衮邻搿家场背斜，斜刭于唐王坝向斜衮侧，辘向北东4 0 。 5 0 。，核部宽阔，出露须家河组成地层，两翼狭窄，由侏罗系地层组成，两翼 不对称，j t 嚣翼缓，倾角4 0 0 左右；南东翼陡，倾角5 5 0 8 5 0 ，局部直立倒 转。 高家场复式背斜：南起天台山，北至拙江镇，总长3 6 公受，横向南窄北 宽为2 8 k m 。由水口场背斜、河柏林向斜、马桥背斜、江向斜及桂花坪背 斜组成。南段轴向北东3 0 。5 0 0 ，北段轴向北东2 5 0 ，慝微向南东凸的弧形。 其寇东懊斜列崇姑出囱袋，嚣部雅列南宝山囱斜、北端赛王八岗冲断层与雾 中山背斜相邻。 南宝由寓斜：辘向i b 东4 5 0 ，斜歹习予雾中山背斜之南，向斜核帮宽漏平 缓，两翼狭窄，由夹关组、蓬莱镇组组成，倾角北陡南缓，分别为3 5 0 7 5 0 及2 0 0 4 护，属不对称向斜。 2 2 3 2 断裂 王八岗冲断层：位于雾中由背斜南末翼，走向北东4 0 。5 0 0 ，倾向北谣， 倾角6 0 0 6 5 0 ，切割蓬莱镇组、隧宁组地层。 李坪断层：位于高家场斜北西端，走向北东2 5 。，倾向南东，倾角约 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 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 层愿3 。6 0 5 3 0 m 浆黄获色厚层炊细毅砂岩。 每一段( 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 石石英砂岩来传紫红色块状泥岩，葵平行层理；中部为紫红色块状混岩与黄 灰色、紫红色中厚层状细粒砂岩呈不等厚鬣层；下部为黄灰色中厚层状含 钙中粒岩屑长石石英砂者，含较多的砾石，砾石般大小为l 2 c m ，呈次露 状，成分以灰岩为主，次为砂岩。 整含接触 隧宁组：厚1 8 2 4 5 m ，为一套滨湖相的碎羼装，岩性以灰绿色、紫红色 泥岩、粉砂质泥辫为主，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、紫灰绝浮臣厚屡状缨中粒含砥岩屑长石石英砂 岩。该组按岩性w 划分为四个岩性段。 第四段( ，3 s 珏4 ) ： 8 0 5 2 m ，为紫红色块妖泥岩、砂质泥岩夹粉砂岩、缓 砂岩，裂隙发育，泥岩中含绿灰色嘲块。 第三段( b s n 3 ) ：厚1 7 8 7 m ，以黄灰镪中厚层状细粒砂岩为主，夹紫红 色泥岩，顶部l 2 m 为粉砂岩，裂隙发育。 第二段( j 3 s n 2 ) ：厚4 8 - 8 0 m ，以紫红色块状泥岩为主，夹数层厚o 5 0 m 的黄灰色中厚层状缨粒砂层。 第一段( l s n l ) ：厚3 5 2 6 m ，以紫灰色厚巨厚层状细中粒岩屑长石 石英移岩为主，夹紫红色泥岩，含少量砾夏，砾石一般大小3 5 m m ，成为灰 岩及砂岩。 整合 沙溪庙组( j 2 s ) ：厚2 2 8 7 1 8 m ，上部为紫红色砂岩夹泥岩、砂质泥崧； 下部为黄绿色、棕红色厚层状砾岩夹砂岩、砂质混岩，砾石成分以灰岩、砂 岩为主，砾径大小不等，一般5 8 c m ，磨园度中等，砂泥质、灰质胶结。 2 4 西岭雪山隧道地质构造 西岭鬻山隧道位于雾中山背斜南东翼，为一单斜构造，地层倒转，走向 北东3 妒5 0 。，侯焦4 2 0 7 7 。，蜀帮缝段整立。区内构造特镊双曝裂及节理 裂隙为主，现分别叙述如下： 西南交道大学硕士研究生学位论文第2 1 页 碎带约1 m ，为构造角砾岩、泥质胶结，强度较一般泥岩稍强。上下两盘均 为紫红色泥岩，羧距不详。见图2 8 3 3 1 7 甑菰图( b 丑割嚣) 。 t - 礤- - 越一翻譬_ i 啪 图2 7k 2 2 + 9 4 0 断面图( a a 、削面) * 醛封p * 口# * 匿强# 女# 蝴黼 露2 8 笠3 + 3 1 7 断露图( b - b 剖面) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 2 页 2 4 2 节理 隧道区岩体受王八岗、李坪断层的影响，节理发育具有分带性，大致可 分为i 、i i 、i 个带状单元，现分述如下： 第1 带：位于李坪断层上盘。据九个节理观测点统计，共发育4 组节理， 见图2 9 。其发育方向分别为n o 1 0 0 e 、n 3 0 8 0 。e 、n 1 0 3 0 。w 、n 5 0 8 0 。w ，各测点上分别发育2 3 组，呈“x ”或“米”字型分布，各组发育程度相 当。见图2 9 己7 0 图2 9 第1 带节理走向玫瑰花图 第1 i 带：位于王八岗断层和李坪断层之间。经6 个节理观测点统计，共 发育四组节理，其发育方向分别为n 1 0 2 0 。e 、n 3 0 7 0 。e 、n 3 0 5 0 。w 、 n 7 0 9 0 。w ，各测点上一般发育3 组，尤以n n e 、n w 向的两组更为发育。 见图2 1 0 己7 0 n 己 条 图2 1 0 第1 i 带节理走向玫瑰花图 9 0 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 第1 带：位于王八岗断层上盘，为隧道穿越区。通过1 4 个节理观测点统 计，主要发育3 组节理，其发育方向分别为n 4 0 6 0 0 e 、n 1 0 2 0 0 w 、n 5 0 6 0 0 w ，此外尚发育一组n 1 0 3 0 0 e 方向的节理，以n e 、n w 两组极为发育， n n e 、n n w 两组稍次，各观测点上一般发育2 3 。见图2 1 1 2 7 0 n 9 0 图2 1 l 第带节理走向玫瑰花图 分析对比上述三带节理发育特征，由于所处构造部位不同，各带主要节 理发育议程一定差异。从整体上看，隧址区节理可归纳为4 组。a 组：走向 n 3 0 8 0 。延伸长度大于2 m ，节理面波状起伏，较光滑，开度o 5 2 m m ， 无充填方解石脉，间距o 5 2 o m 。b 组：走向n 3 0 8 0 ”w ，倾向n e 或s w ， 倾角3 0 6 0 0 ，间距o 1 0 o 7 0 m ，延伸长度o 2 0 1 5 0 m ，节理面平直光滑， 紧闭或微张，一般无充填，少量充填方解石脉，c 组：走向n o 3 0 ”e ，倾向 w 或e ，倾角4 0 8 0 0 ，延伸长度o 1 0 2 0 m ，开度0 5 2 m m ，无充填或充 填泥质、节理面平直、较粗糙，间距小于o 4 0 m 。d 组：走向n 1 0 3 0 ”w ， 倾向e 或w ，倾角4 0 5 0 0 ，延伸长度一般0 5 0 1 0 m ，个别大于3 m ，开 度小于2 m ，一般无充填，节理间距小于0 4 m 。 以上四组节理中，a 、b 两组在各带均存在，为主要的构造共轭“x ”节理， 与区内主要构造线斜交。c 、d 两组在i 、i i 带内同时存在，在i i 带仅c 组 存在，其中c 组与区内主要构造线方向一致。在i i 带内，还发育大量劈理， 其发育方向同构造线一致( n n e 向) 。区内各类岩体中，除上述构造节理外， 风化带内尚发育大量风化裂隙，呈网状零乱分布。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 2 5 水文地质条件 2 ，5 1 地下水类型与基本特征 西岭雪山隧道系穿越呈北北东向延伸的脊关单斜山越岭隧道。隧道穿越 地层为侏罗系中统隧宁组泥岩、砂岩蔑层，砂岩裂隙较发育，含裂隙永，为 含水层；泥岩结构致密，透水性微弱，为隔水层。含水层与隔水层相间分布， 彼此间很少有水力联系。 根据地下水在岩层中的赋存条件及水力特征，可分为碎属岩类裂隙水和 松散堆积层孔隙水二种类型。 l 、碎藕岩类裂敬水：这类地下水圭要赋存予呈“x ”赳、“张”字受分布豹 砂岩裂隙及砂泥岩层间裂隙中，这些裂隙为地下水的补给和运移提供了条件。 既类堍下水是隧遂区主簧的地下水类型。 2 、松散堆积层孔隙潜水：主要埋藏在隧道轴线表层的第四系崩、坡积堆 积层中，在冲沟边缘或较低处前缘出露里泉或呈散状浸水，流澄小于o 1 u s 此类地下水埋藏较浅，迳流短，与降水关系甚为密切，季节变化大，时有时 无，对隧道充水影响甚微。 2 。5 2 地层富水性 西岭雪山隧道仅揭穿了侏罗系中统隧宁组第四段，其岩性为泥岩、粉砂 岩及缀砂岩。通过前麓地勃资料显示，塞水牲叙述熟下： 泥岩、砂质泥岩层脬o 6 7 1 1 6 9 m ，占揭露地层厚度的7 0 ，钻孔进入 混岩段磊，其霞次水使、游耗量均未发生睽显交纯，富水性极弱，霹视为隔 水层。 砂岩、粉砂岩层厚o 3 9 9 3 0 m ，呈窄条带状展布在山脊及反向坡上，地 表出露泉水3 个，流量分别为o 2 4 l s 、o 0 5 7 8 l s 、o 0 3 4 7 l s ；经钻孔揭露， 岩芯裂隙发育，开度l 3 m m ，大多数被泥质或方解石全充填，仅有一个号 孔井深2 2 m 处发现瞬间漏水，表明裂隙延 串不远，馈水空间不发育，富水性 极弱。通钻孔的压水试验资料获得的砂岩、粉砂岩渗透系数极微，见衷2 3 。 袭2 3 压水试验戒果一览袭览表 厂? z r 一孙一3 z r 一孙一4z r 一孙一5 第一段第二段 井深( m ) 3 77 6 4 9 4 0 6 06 6 7 0 1 65 73 6 6 9 5 09 36 3 1 0 5 ，3 0 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 第3 章西岭雪山隧道围岩膨胀性分析 为了深入分析岩石性质及其对西岭雪山隧道变形的影响，本文的研究在 西岭雪山隧道试验范围内，通过物探、钻探等方法对隧道区围岩采样，进行 了自由膨胀率试验、差热分析、x 射线衍射分析工作。同时对膨胀性围岩的 相关膨胀机理进行了分析。 3 1 现场调查及实验 3 1 1 现场调查 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。见图3 一l 、3 2 、3 3 。 图3 1 渗水、白色结晶物( 道面中线)图3 2 白色碳酸钙结晶( 隧道进口右侧沟) 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 表3 4 x _ 一射线衍射、热分析物质成分分析汇总表 试验泥岩样及取样位置 x 一衍射分析结果 热分析结果 f s z 一5 2 暗紫红色泥岩 蒙脱石伊利石石英蒙脱石1 5 5 5 z 一5 ( 5 5 m ) 灰绿色泥岩 绿泥石伊利石蒙脱石石英伊利石蒙脱石 6 0 z 一6 2 紫红色泥岩 蒙脱石伊利石石英 蒙脱石伊利石6 15 绿泥石伊利石 z 一7 1 灰黄色泥岩 蒙脱石绿泥石伊利石石英 6 l _ 5 蒙脱石 z 一9 3 紫红色泥岩 绿泥石伊利石石英绿泥石伊利石 4 8 z 1 1 1 鲜紫红色泥岩蒙脱石伊利石石英伊利石蒙脱石 5 7 出口弃渣紫红色泥岩1绿泥石伊利石 2 0 老公路垭口紫红色泥岩绿泥石伊利石 1 9 隧顶垭口坡面灰绿色泥岩 伊利石绿泥石 z 一5 ( 55 m ) 紫红色泥岩 伊利石蒙脱石 7 0 世 蛙脚糕燃爱 k 蜊 蹈晕 譬 q 矗 萋l g 譬 n 宝 z 6 叶 昌 v 志 碟 = + 螬 u s z o 求 “， o 呐 u o u o u 皇 篓g 卜_ 二。、 一 卜 吨 8 鼍是 西 西 瞄 壮巾 阿爨 蓦蔷篷蓑蔼虽羹 口窭 醉m 懈心霹崔 删骠 封霜丑嚣 口誉鼎*司摧 n n i 封悼震 丑旺簧 蜒印 器 电舔 暑 高 嚓器踩 仪袋堪扑州状匿书蹬扑k暇似怄晦 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 9 页 水分子失去的自由能力减小，排列也将不那么整齐，此即为胶体中的弱结合 水；再远一些，静电g l 力几乎没有佟露，本分予叁丧活动的能力和嚣亲差不多， 成为自由液态水。完全失去自由活动能力的水分子是胶体中的弱吸附层中的 弱结合水。这两部分结合水共翔缝成水亿簇，使糕粒鲍体积膨强。冀结合水 力学性质既不同于液体，也不同于固体，而是介于两者之间的过渡类型。由 于粘粒极小，表面积很大，因此，这种吸附作用极其明显。这时的卡占粒将形 成胶体，粘粒表丽形成很厚的水化媵吸附层，使得粘土猩宏观上产生膨胀。 这种膨胀机制并非高岭石独有，蒙脱石、伊利石等其他矿物，只要粒径 o 0 0 2 m m ，均能形成胶体，其有上述膨胀枧制。 结合水膜厚度与颗粒表面负电荷相对于介质溶液的电位羞密切相关，电 位差越大，水貘厚度氇越大。研究迁姨，蒙脱石与天然水的电位差大予裹岭 石，而伊利石居中。因此也解释了蒙脱石为主的膨胀岩土的膨胀性要大于伊 利石和高岭石。 除了上面两种理论之外，还有一种微结构理论，认为膨胀岩产生胀缩变 形，不仅取决于组成岩的物质成份，而鼹与岩_ 体膨胀所需要的空问条件 ( 即岩土体的微观结构特征) 密切相关。岩的微观结构特征是指结构单元体 ( 单粒和集聚体) 的大小形状、表面特征、空间排列状况、联结特征及孔隙特 征等。膨胀岩的结构联结弱，具鸯明显的定向性，发育有定向性较妊的贯通 微孔隙及裂隙，为水分迁移提供良好的通道，则具有较强的膨胀性；反之， 结构联结强，排列定向毂差，毅水通遂氇不发育，吸表露集聚体沿备向扩展 受阻，则膨胀性较低。 3 2 1 2 影懿膨胀岩搿胀的因素 1 、初始物理状态对膨胀的影响 大量实践表明，膨胀岩土的初始状态( 含水量和干密度) 不同，产生的膨 胀程度是完全不同的。这种初始状态主要是指岩体的湿度和密实程度，通常 分别用含水量和干密度来表征。许多研究表明，膨胀岩土的膨胀量和膨胀力 随着初始含水量的减小和初始于密度的增大两增大。这比较容易理解，如果 含水量越大，就越接近胀限含水量，则膨胀的余地就越小；岩石的膨胀应变 与褶始含水量近 娃呈线性关系，初始含承量越小，英膨胀应变量就越大。 h u a n g 通过侧向约束试验，得出了最大膨胀压力与相对湿度r h 和湿度活性 指数i r h 豹关系模型，并绘铡了一系期湿度和膨胀篮力豹关系基线。用以预 测最大的膨胀压力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 3 2 3 膨胀软岩的本构方程 h u d e r - a m b c 唱在室验室内用常规固结仪对膨胀性泥灰岩的膨胀性态进 行了研究，得出如下的经验公式： 铲k 【卜普 d ll o g 盯。 式中s ，轴向膨胀应变； 盯。最大膨胀应力： 盯轴向应力： k 盯：= o 1 m p a 时轴向膨胀应变。 在此基础上，e i n s t e i n ( 1 9 7 2 ) 和w i t 廿( e ( 1 9 7 6 ) 提出了三维膨胀本构关系。 假定侧向应力为：吒可，= 击盯；( 3 - 2 ) 则膨胀应变第一不变量和应力第一不变量的关系为：铲足卜描( 33)盯，一最大体积膨胀应力；“泊松比。 有的学者从效应力观点出发来建立膨胀机理的数学模型，例如将不饱和 岩中产生的孔隙空气压力和孔隙水压力，以及吸水膨胀压力总括起来用膨胀 压力来表示，并把膨胀压力看作为内部应力，如果将岩石视为各向同性的匀 质体，则关于土结构的有效应力理论对这类岩石也认为是适用的。有效应力 仃可以用全应力盯和膨胀压力p 的差来表示，即 盯：= 盯，一p ，盯；= 盯y p ，盯：= 仃：一p 从而可以建立以下