（岩土工程专业论文）黄土公路隧道地质灾害预防技术研究.pdf

摘要 黄土是主要分布在西部地区的第四系堆积的陆相沉积物，随着西部地区高等级公路 的发展，穿越黄土地区的公路隧道将越来越多，而出现的各类工程问题也屡见不鲜，因 此研究黄土公路隧道地质灾害预防及防治技术很有必要 本文在调研己建黄土公路隧道施工地质灾害的基础上，依托在建实体工程宝天 高速公路甘泉黄土隧道。结合隧址区的地质勘察资料、设计、施工等因素，从黄土隧道 的工程特征出发，探析了黄土公路隧道地质灾害致灾机理，提出了黄土隧道地质灾害预 报及防治技术。系统分析了甘泉黄土隧道灾害发生的原因，对处治方案进行了优化，通 过有限元技术对优化处治方案进行模拟分析，对灾害处治效果进行评价。 关键词：公路隧道施工灾害预防技术灾害处治效果评价 a b s t r a c t l o e s si st e r r e s t r i a la c c u m u l a t i o nf r o mt h ef o n hp e r i o do fe a r t h v v i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h eh i g h w a y si nw e s t e r na r e a t h e r ew i l lb em o r ea n dm o r eh i g h w a yt u n n e l sb e i n g c o n s t r u c t e di nt h el o e s sa r e a , m e a n w h i l e ，t h ep r o b l e ma l s ow i l lb ef r e q u e n t ，s oi t i sv e r y n e c e s s a r yt os t u d yt h e l o e s st u n n e lg e o l o g i c a ld i s a s t e rp r e v e n t i o na n dt h ec o n t r o l l i n g m e a 吼l r e s t h ep a p e r , c o n s u l t e do nt h e b a s i so fg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nc o n s t r u c t e dt u n n e l si nl o e s s ， r e l yo nt h ep r o j e c to fg a n q u a nl o e s st u n n e li nb a o t i a nh i g h w a y w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h e g e o l o g i c a ls u r v e yd a t a , d e s i g n , c o n s t r u c t i o na n do t h e rf a c t o r s i nt h et u n n e la r e a , t h ep a p e r , s t a r t i n g f r o mt h e e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so f l o e s st u n n e l ，g i v eas u m m a r yo ft h e d i s a s t e r - c a u s i n gt h e o r yo fg e o l o g i c a l d i s a s t e r sl o e s st u n n e la n dp r o p o s e das y s t e mf o r p r e d i c t i n ga n dp r e v e n t i n gt h eg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nl o e s st u n n e l t h ep a p e rt o t a l l ya n a l y z e t h er e a s o n st h a tw h yt h et u n n e ld i s a s t e rh a p p e n e di ng a n q u a nt u n n e l ，a n do p t i m i z e dt h e t r e a t m e n tp r o g r a m ，a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e rs i m u l a t e dp r o g r a mt h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n t s o f t w a r ea n de v a l u a t e dt h ee f f e c to ft h et r e a t m e n tf o rt h ed i s a s t e r s k e yw o r d s ：h i g h w a yt u n n e l i nt h el o e s s ；c o n s t r u c t e dd i s a s t e r ；p r e v e n t i o nt e c h n o l o g i e s ； d i s a s t e rt r e a t m e n t ；e v a l u a t i o n l l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：芗茂虫吐 叫年月；日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 弘立吐 ， 7 a , o p 年s 具j e t 唧年占月夕日 长安大学硕士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 我国是一个多山的国家，7 5 左右的国土是山地和重丘，在公路建设中，过去的普 遍做法是盘山绕行或切坡深挖。建国后3 0 年所修建的公路隧道等级均较低，线形指标 要求不高。2 0 世纪5 0 年代，我国仅有公路隧道3 0 多座，总长约2 5 0 0 米，且单洞长度 都较短。2 0 世纪6 0 年代，我国干线公路上曾修建了一些百米以上的隧道，但标准也很 低。进入2 0 世纪8 0 年代，公路隧道的发展逐渐加快，具有代表性的工程有深圳梧桐山 隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山隧道和马尾隧道，甘肃七道梁隧道等。到1 9 9 0 年底， 我国建成的千米以上隧道已有十余座。“八五”至“九五”期间是我国公路隧道建设迅 速发展的时期。“九五”期间新建隧道5 0 4 座，2 7 8 万延米。据不完全资料统计，到2 0 0 2 年底，我国已建成公路隧道2 0 0 0 余座，总里程7 0 4 千米。“十五 期间，随着高速公路 向西部延伸，有总长1 5 5 千米的公路隧道相继建成投入运营，其中西安至安康高速公路 上穿越秦岭山脉的秦岭终南山特长公路隧道，全长1 8 0 2 k m ，属世界规模第一、长度 第二的山岭公路隧道。“多、长、大、深，即：数量多、长度大、大断面、大埋深将是 2 1 世纪我国隧道工程发展的总趋势1 2 3 j 。 世界许多国家，如美国的中西部、俄罗斯的南部和澳大利亚等国都有黄土分布，全 世界各洲黄土和黄土状土分布的总面积约1 3 0 0 万k m 2 ，占陆地面积的9 3 。我国的黄 土和黄土状土的分布面积约6 4 万k m 2 ，是国土面积的6 3 。在黄河中游地区，西起贺 兰山，东到太行山，北起长城，南到秦岭几乎全部被黄土覆盖，面积约2 7 万k m 2 。随 着西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，黄土公路隧道的建 设也将越来越多。从上述情况来看，黄土公路隧道的建设任务是繁重的，但展现在我们 面前的问题也很多。 西部大开发战略决策的实施，促进了西部地区高等级公路的发展，穿越黄土地区的 公路隧道将越来越多。黄土是第四系堆积的陆相沉积物，其特点是具有大孔隙、有垂直 节理和管状孔道，天然含水量时强度较高，能维持很高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩 解，表现为较强的湿陷性。由于黄土分布的广泛性和典型的工程特性，历来受到工程界 和学术界的重视。黄土公路隧道的修建起步较晚，基本借鉴了铁路隧道在此方面已有的 科研成果。这些建设经验的总结，基本体现了我国对黄土隧道的认识水平。公路隧道由 第一章绪论 于大跨径、大断面和扁坦状以及防水等级较高，加之黄土强度较低，开挖扰动后变形大 以及黄土的水敏感性等特点以及由此引起的施工地质灾害的特殊性。已建和目前在建的 黄土公路隧道都发生了不同程度的施工地质灾害，而研究公路隧道施工灾害预防将在公 路隧道建设工程经济及安全生产方面产生极大效益。因此，很有必要研究黄土公路隧道 施工地质灾害致灾机理，针对黄土隧道的工程特征，研究其灾害预防技术，从而有效地 指导黄土公路隧道的设计和施工，提高黄土地区公路隧道修筑水平、降低公路建设成本 具有十分重要的意义。 1 2 国内外对隧道的研究方法 1 2 1 理论研究 隧道设计计算理论的发展大概可分为三个阶段： 2 0 世纪2 0 年代以前，主要是古典的压力理论阶段。这类理论认为，作用在支护结 构上的压力是其上覆岩层的重量( y 是岩层容重；日是埋深) 。可以作为代表的有海 姆、朗肯和金尼克理论。其不同之处在于，他们对地层水平压力的侧压系数有不同理解。 海姆认为侧压系数为1 ，朗肯根据松散体理论认为是留2 ( 4 5 。一罢) ，而金尼克根据弹性理 z 论认为是l ( p 为岩体的泊松比；9 为岩体的内摩擦角) 。由于当时隧道埋藏深度不 l 一 大，因而曾一度认为这些理论是正确的。 随着开挖深度的增加，人们越来越多地发现，古典压力理论不符合实际情况，于是 又出现了散体压力理论。这类理论认为，当隧道埋藏深度较大时，作用在支护结构上的 压力，不是上覆岩层的重量，而只是围岩坍落拱内的松动岩体重量。可以作为代表的有 太沙基和普氏理论。他们的共同观点认为坍落拱的高度与隧道和围岩性质有关。不同之 处是，前者认为坍落拱是矩形，后者认为是抛物线形。普氏理论把复杂的岩体之间的联 系用一个似摩檫系数描写，显然过于粗糙，在工程实践中常常出现失败的情况，但由于 这个方法比较简单，直到现在普氏理论仍在应用着。 2 0 世纪5 0 年代以来，岩石力学开始成为- 1 7 独立的学科，围岩弹性、弹塑性及粘 弹性解答逐渐出现。如史密德和温德耳斯按连续介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解； 徐干成、郑颖人等人利用弹性力学获得了在非均压地层压力作用下围岩与支护共同作用 的线弹性解；塔罗勃和卡斯特奈得出了圆形隧道的弹塑性解：塞拉塔、柯蒂斯和樱井春 长安大学硕士学位论文 辅采用岩土介质的各种流变模型获得了圆形隧道的粘弹性解。这样终于形成了以岩石力 学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的计算理论。这种理论认为( 1 ) 围岩具有 自承能力，围岩作用于支护上的压力不是松散压力，而是阻止围岩变形的形变压力。( 2 ) 围岩和支护作为一个统一体二者组成“围岩一支护 体系共同参与工作。 1 2 2 模型试验研究 模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法。它的理论基础是相似理 论。模型试验具有直观、全面的优点，并且能够满足用其他方法不能满足的条件的优点。 建立在相似理论基础上的模型试验，也可作为结构计算的辅助工具，更重要的是它可作 为独立的工具。模型试验分析对工程研究人员将作为一种不可缺少的工具，它将和计算 机一样为人们乐意使用。国内外利用模型试验进行结构研究的事例很多。如列宁格勒铁 道学院曾对单跨双层的地铁车站进行结构模型试验。西南交通大学开展了许多室内大比 例尺模型试验，如北京地铁西单车站的模型试验研究、南京地铁三山街车站的模型试验 研究、重庆高等级公路大断面低扁平率长隧道修建技术研究、深圳地铁重叠隧道模型试 验研究等。可以说，利用模型试验的方法对隧道及地下工程的研究，国内外已经取得了 不少的成绩。其理论和方法已日臻完善。 1 2 3 数值分析方法研究 通常，隧道结构计算需考虑地层和支护结构的共同作用，而且，计算还与开挖方法、 支护过程有关。对于这类复杂问题，只有在特殊情况下才可能得到解析解答。近3 0 多 年来，计算机技术的迅速发展和普遍使用使数值计算方法有了很大发展，较好地解决了 隧道计算中数学和力学处理上的困难。各种数值计算方法有有限差分法( f d m ) 、有限 元法( f e m ) 、边界元法( b e m ) 、离散元法( d e m ) 、流形元法( m e m ) 以及无单元 法( e f m ) 等。其中有限元法是一种发展最快的数值方法。己成为分析隧道围岩稳定和 支护结构强度计算的有力工具。国内外利用数值仿真方法研究地下工程的事例也很多。 s f r e y e s 和d e e r e ( 1 9 6 6 ) 应用德鲁克普拉格准则进行了圆形隧道的弹塑性分析。 z i e n k i e w i c z ( 1 9 6 8 ) 按无拉应力分析了隧道的应力和变形，提出了可按初始应力释放法 模拟隧道开挖的概念，这模拟方法已被广大的研究人员认可和采用。k u i h a w y ( 1 9 7 5 ) 用有限元法探讨了几种因素对地下洞室受力变形的影响和开挖面附近隧道围岩的三维 应力状态，开始将力学分析引入非连续岩体和施工过程的计算。辛克维兹在1 9 7 5 年还 研究过圆形隧道受力变形的粘塑性状态。进入8 0 年代以来，数值计算技术有更快的发 第一章绪论 展，p a n e t 和g u e n o t ( 1 9 8 2 ) 用二维平面应变模型，通过对隧道周边初始应力的成比例 卸荷来模拟施工开挖期间土体应力的释放，表明由于初始应力的释放，被扰动的土体在 达到新的平衡状态之前将发生位移，一旦有不稳定的情况发生，都会急剧地改变隧道周 围的应力状态。1 9 9 7 年在德国汉堡召开的第四届国际土力学与基础工程会议上，也介绍 了一些用有限元方法对软土隧道的计算分析工作。上世纪8 0 年代以来，我国学者在地 下洞室及隧道结构的数值仿真方面开展了大量的工作，并不逊于国际水平，孙钧等人进 行了深层隧道围岩的粘弹塑性分析和大断面地下结构的粘塑性分析。沈珠江用剑桥模型 分析了上海地铁隧道的土体位移。 1 2 4 现场量测试验研究 鉴于隧道的受力特点及其复杂性，自5 0 年代以来国际上就开始通过对隧道的现场 量测来监视围岩和支护的稳定性，并逐步应用现场量测结果来校正和修改设计。近年来， 现场量测与力学计算紧密结合，已形成了一整套的原理和方法，这种方法因其适应隧道 的特点，能结合现场量测技术、计算机技术以及岩土力学理论，在隧道工程领域得到了 广泛应用。在这方面长安大学的赵占厂博士立足于黄土公路隧道结构受力特性，首次开 展了大规模、系统全面的现场测试。 1 2 5 综合研究 在地下工程和隧道的科学研究中，单纯的运用一种方法是很难得出完整的结论的， 如果分析不当很可能得出错误的结论。如果综合运用以上方法，就能避免分析中的不足 和错误。综合运用以上方法，可以将结果相互印证，得出完整正确的结论。 1 3 隧道工程发展面临的问题 制约隧道工程发展的主要问题包括开挖方法、合理支护措施、通风技术、防排水技 术及施工前的地质超前预报技术，其中由于不良地质条件、设计不合理以及施工方法不 当造成的地质灾害问题及由此引发的遗留病害是隧道工程发展面临的最大障碍。隧道工 程是一项隐蔽工程，前方的地质情况不明，经常会因遇到断层、破碎带、暗河、高地应 力等不良地质体而导致塌方、涌水和突水、岩溶塌陷、洞体缩径、山体变形和泥屑流、 岩爆及大变形等地质灾害发生。这些灾害的发生导致施工进度缓慢，并且造成设备和人 员伤亡，甚至导致整个工程的失败，造成严重的经济损失。 施工地质灾害的超前预报及其控制技术研究也已取得许多重要成就，尤其是在隧道 4 长安大学硕士学位论文 工程技术发达的瑞士、意大利及日本等西方国家。由于全球构造格局及地质背景的差异， 我国隧道工程建设及灾害防治还不能照搬国外的经验。自从上世纪8 0 年代修建大瑶山、 秦岭、家竹箐、华蓥山及太平驿等不同用途、不同断面的深埋长大隧道以来，我国在施 工地质灾害，尤其是在岩爆、软岩大变形及大涌水的控制领域已积累了许多成功经验。 需要指出的是，由于问题本身的高度复杂性，从世界范围内看，复杂地质条件下隧 道施工地质灾害各灾种的超前预报，尤其是勘测设计阶段的超前预报，精度总体依然不 高，一些著名工程甚至出现相当大的偏差。j i i 藏线二郎山隧道在勘测设计阶段预测可能 发生软岩大变形，施工期间不但没有发生大变形，反而发生了较严重的岩爆灾害。襄渝 线大巴山隧道预测涌水量4 1 4 1 0 4m 3 d ，施工时最大涌水量达到2 0 5 5x1 0 4i l l 3 d ；川 黔线娄山关隧道预计涌水量6 0 0 1 0 4m 3 d ，施工最大涌水量为3 2 0 x1 0 4m 3 d ；贵昆线 岩脚寨隧道预计涌水量0 6 6 1 0 4m 3 d ，施工最大涌水量达1 0 0 8 1 0 4m 3 d ；广渝高速 公路华蓥山隧道的预测与实际涌水量也相差数倍。天宝高速甘泉隧道预测没有地下水， 结果出现了比较大的涌突水，导致多次出现塌方，地表塌陷、初期支护多段变形过大侵 限，施工举步维艰。灾害预测偏差无论是何种性质的，都将影响施工组织，并制约施工 进度、造成巨大经济损失，有时还会伴生严重的环境问题。 造成复杂地质条件下隧道施工地质灾害超前预报精度偏低的原因是多方面的。总结 起来有以下几个方面： 第一，由于长大隧道往往伴随大埋深，加上勘测费用投入较少，一般无法通过加大 常规勘探力度来获取足够的预测信息，施工地质灾害超前预报的难度很大。 第二，用于相关灾害预测的理论及指标体系还比较单一，不能( 较) 贴切地刻画单 一或复合成灾介质的力学及流体力学行为。隧道施工地质灾害的孕育及发生是十分复杂 的地质过程，有其自身的发生、发展规律，而用于灾害预测的各个“学科则是人为划 分的，这样，从某一特定学科去研究问题所得出的结论也就难免片面。隧道施工地质灾 害研究需要不同学科的大跨度交叉支撑，同时需要理论及技术上的创新。如，对于异常 水力梯度下围岩的水压致裂、结构面潜蚀、隧道开挖引起的卸荷及应力扰动对围岩渗透 性的影响等与深埋隧道涌水密切相关的问题，仅靠传统水文地质学理论是难于解决的， 它不仅需要水文地质、工程地质理论，还需要弹性力学、材料力学及隧道工程等基础及 工程学科的共同参纠4 1 。 第三，隧道施工地质灾害不是纯粹的地质问题，它的孕育、激发及灾害程度与开 挖方式、开挖顺序及开挖进度等密切相关，是因人为扰动才产生的灾害，是比较典型的 第一章绪论 “工程”地质现象。以往相关研究一般都较少考虑施工细节，主要视点都被集中在地质 环境上，而对工程活动可能对环境产生的扰动的方式及程度等则较少考虑。这样，对于 环境对人工扰动的相应( 灾害) 评价的可靠度也就难于达到较高水平。 第四，信息化施工水平还低，多数隧道工程不具备条件原位测试岩体力学参数， 并以此作为输入数据进行岩石力学数值分析。对于采用信息化动态施工的工程也大多采 用常规确定性概率统计的方法处理，对大量信息资料的分析成果只能对短期预测，这种 时间尺度难以达到预测应用的需求尺度【5 】 第五，既有工程施工监测资料的整理、归纳、分析还很欠缺，导致工程类比的经 验法不能得到有效应用，尚未建立正确的围岩分类体系。现行围岩分类带有很大的认为 因素，以定性分类为主，没有完备的地下工程数据库，工程类比只局限于各个单位根据 局部有限的经验进行类比。 1 4 研究背景 随着我国交通运输、水利水电等事业的不断发展，各种用途的隧道工程建设日趋 增多。由于隧道工程在克服高山峡谷等地形障碍、缩短空间距离及改善陆路交通工程 运行质量等方面具有不可替代的作用，因此可以预见，伴随着我国西部大开发进程的 加快，在地形、地貌及地质背景复杂、水能及矿产资源丰富、陆路交通网密度远低于 全国平均水平的西部地区，在铁路、公路、水电、跨流域调水及矿产资源等领域将会 修建更多的长大隧道工程。 “九五期间，甘肃省黄土地区公路建设完成了车道岭隧道、祁家大山隧道等黄土 地区公路隧道建设；“十五”期间，黄土地区公路逐渐加快建设速度，完成了王铺梁隧 道、贾家岔隧道、坡j h j i i 隧道等黄土公路隧道的建设，并进入高速公路建设起步期，如 谗柳高速公路、白兰高速公路、兰海高速公路等，在黄土山区高速公路中，大跨度黄土 公路隧道经常出现，如谗柳高速公路就遇到4 处上下行共8 个大跨度黄土公路隧道。随 着西部公路建设的进一步深入，大跨度黄土公路隧道将会大量出现，且随着隧道的增长， 不可避免地需要在隧道内设置紧急行车带，隧道最大开挖宽度将达到1 5 m 以上。根据已 建和在建黄土地区公路隧道施工中存在的问题与不足及今后黄土隧道建设形势，对黄土 地区隧道施工技术进行研究显得尤为迫切与重要。 目前在建的连霍国道主干线( g z 4 5 ) 宝( 鸡) 天( 水) 高速公路是国家西部大开 发的十大重点工程之一，也是交通部十二个典型示范工程之一，本项目的建成将打通连 6 长安大学硕士学位论文 霍国道主干线在宝鸡至天水之间的“瓶颈”，打通甘肃省通往东南部经济发达地区东出 口的道路，宝天高速的建设对促进西部地区经济建设具有十分重要的意义。本文以“天 宝特长高速公路隧道修筑及管理技术 研究课题为依托，针对甘泉黄土隧道在施工过程 中产生的地质灾害，通过对灾害产生的原因及处置过程的分析，旨在更好的促进在黄土 地区修建隧道工程理论的完善，为安全、高效施工提供理论依据。 1 5 本文的研究内容 根据黄土公路隧道施工亟待解决的重要问题，本文进行了以下研究。 1 5 1 黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 通过对已建工程的调查以及目前在建黄土公路隧道施工地质灾害的分析，通过理论 研究，总结了黄土公路隧道典型施工地质灾害类型，分析了黄土公路隧道施工地质灾害 致灾机理。 1 5 2 黄土公路隧道地质灾害预测及防治技术研究 针对以往黄土公路隧道地质灾害、探索了适用于黄土公路隧道施工地质灾害预防及 防治技术，通过超前地质预报信息，弥补地质勘测信息的不足，并为超前支护措施选择 提供依据；通过监控量测数据分析结果修正超前支护及初期支护设计。三者形成一个相 互关联、不断优化的系统。 1 5 3 甘泉黄土公路隧道塌陷灾害处治及效果评价 对甘泉隧道特大涌水突泥地质灾害发生的原因，灾害处治方案，通过数值计算和监 控量测数据进行分析，对灾害治理的效果进行评价。 7 第二章黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 第二章黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊的大陆松散沉积物，黄土隧 道具有明显的黄土工程特性。颗粒组成、含水量、微观结构、孔隙比( 率) 、粘粒含量、 人工活动等是决定黄土基本工程地质特征的基本因素。水胶联合是黄土颗粒之间的主要 联结形式，在干燥时赋予黄土相当高的强度，但遇水后联结强度降低，使得黄土具有湿 陷性等特殊工程地质特性；物理地质作用、地震作用、水作用、区域地质作用和施工效 应产生黄土隧道主要工程地质灾割6 1 。 黄土隧道工程地质灾害的两个基本类型是自然营力导致的灾害和人为作用导致的 灾害。自然致灾主要是黄土的工程特性和地质环境引起；人为致灾主要是不合理的施工 方法导致的。每一种隧道地质灾害都有其内在的原因和外在的诱因，本章节主要讨论黄 土隧道工程地质灾害致灾机理。 2 1 物理地质作用效应及其产生的灾害 物理地质作用是指塑造地壳面貌的自然地质作用，包括内力与外力地质作用。黄土 区物理地质作用主要有：构造运动，剥蚀，搬运，沉积作用等。在黄土地区修建公路隧 道，或多或少会受到物理地质作用并产生一定的工程地质灾害，概括起来主要有： 2 1 1 塌方、冒顶 洞顶掉块、塌方及冒项病害规模一般较大，且具突发性。主要发生在隧道进出口洞 段或围岩条件( 地层岩性或水文地质条件) 发生突变的地段( 土石交界面、泥岩夹心或地 下水富集地段) 。典型隧道包括：七楞山隧道( 地质条件特点为饱水围岩差) 、燕家岭隧道 ( 土石交界面) 、翅膀沟隧道、羊马河隧道、土家湾隧道、甘泉隧道。隧道塌方特征见表 2 1 。 塌方是隧道围岩的自承能力不足的结果，因此，对于黄土隧道，塌方主要由黄土的 类型及其物理力学性质、结构、构造以及渗流场状态决定。 黄土垂直节理发育，彼此在水平方向的连接力较弱。干燥时，黄土的强度较高，衬 砌受力较小，遇水后颗粒联结力削弱，黄土强度随之降低，此时极易引起衬砌受力不均 匀，并且由于隧道表层黄土厚度分布多不均匀，从而在黄土梁筛区隧道易形成偏心压力， 成为偏压隧道，造成塌方等地质灾害。开挖后黄土隧道在应力重分布过程中必然产生拱 顶沉降和拱脚收敛，当沉降过大，收敛不同时就发生掉块、塌方、坍洞、冒顶等灾害。 8 长安大学硕士学位论文 表2 1 隧道塌方特征 隧道名称位置特征 第一个冲沟附近，地质条件变差，围岩含水量逐渐增大， 七楞山隧道洞口1 0 0 米饱水地段 近乎饱和，呈泥塑状，开挖时掉块严重。 右线( r k 7 8 + 5 7 5 因山体变化突然发生坍塌。塌方段长度2 0m ，位于隧 燕家岭隧道r k 7 8 + 5 5 5 ) 土石交界面附 道右侧，右半拱顶距开挖工作面( r k 7 8 + 4 3 8 ) 11 7 m 在清运 塌方渣的施工过程中，山体再次发生塌方，塌方面从拱项 近 以上高度扩大为9 m ，宽度3 一- , 6 m 不等，右侧初期支护开裂。 当上半断面开挖至d k 4 4 6 + 3 3 7 ，下断面开挖至 d k 4 4 6 + 3 4 2 4 及d k 4 4 6 + 4 6 5 ，d k 4 4 6 + 3 5 3 6 全断面衬砌，下 导坑d k 4 4 6 + 3 5 0 处护拱有掉块现象，后右边墙松动，随后 翅膀沟隧道 d k 4 4 6 + 3 5 0 右边墙发生坍塌。次日塌至山顶。洞内塌方段长度约 1 3 8 m ，塌方段施工支护( 每米榀i1 6 钢架及锚喷支护) 全 部被压坏。 发现支护底部出现裂缝，该段右侧边墙部位长约4 0 m d k 4 3 8 + 3 5 4 至d k 4 3 8 + 3 5 9 的初期支护平行推移整体滑出。之后，该段边墙及拱部不 羊马河隧道断坍塌掉块，发生大规模的塌方，塌方长度约为3 0 m ，塌 段 方高度不详( 此处覆盖层厚约为9 0 m ) ，经过7 d 后，土块才 将拱顶塌口封死，初期支护全部被压坏。 下行线进行k 2 9 + 1 9 9 8 段开挖时，土体含水量增大( 饱和黄土层含水量高达 土家湾隧道拱部洞身( 泥岩夹心、饱3 2 5 - - - 3 3 7 ) ，洞顶突然出现塌方，黄土泥流涌入隧道， 水)使开挖掌子面后退近l o m 。 上行线进口s k 9 1 + 1 2 2 5 掌子面掘进至s k 9 1 + 1 5 8 时，洞内出现突水涌泥( 长度达 甘泉隧道 s k 9 1 + 1 5 8 段2 2 2 5m ) ，塌方段长度3 6m 围岩变形受地质因素、工程环境因素、黄土物理力学参数、工程结构因素、施工等 诸因素影响。这些因素对围岩稳定性的影响，综合反映在围岩变形量测数据之中。其中， 工程结构因素( 如洞室跨度、高度、几何形状，锚喷支护类型和参数以及在断面中的布 置，材料的力学性能等) 在数值分析中是比较确定的因素，其它因素大都难以分项精确 测定，在数值分析中是难以确定的模糊因素。围岩变形量测数据，综合反映了隧道的工 程地质因素、岩体力学参数、工程结构因素以及施工因素等的影响，是一种模糊的信息。 但是，正是这种不甚精确的模糊信息，成为反映围岩稳定性的最全面、最可信的一种指 标。通过围岩变形量测资料，反映多种未知因素对围岩稳定性的综合影响。现行的规范 中，围岩稳定性是以极限净空相对位移值或允许收敛速率的形式给出的，当实测的位移 9 第二章黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 值超出此值时即视为不稳定。这些作为判定标准的“极限位移是在“新奥法”施工中 监控量测的实践基础上经分析得出的经验值，工况条件的差异、量测误差等必然使其带 有显著的定性使用的特点，在实际使用中有悖上述标准的现象也时常出现：有的软弱围 岩当变形值超出规范允许值数倍仍未发生失稳，( 尤其是) 在浅埋隧道中，有的变形尚未 达到允许值却发生了坍塌。此外，由于统计分析的原因，用于稳定性分析的有效量测数 据滞后，使不稳定地层的稳定性分析难以真正服务于实施量测的工程。查阅国内外有关 围岩稳定性判据的规范，大多数标准均是以定性的方式给出的，部分定量指标通常根据 经验和统计资料得出。这一状况表明，在实际应用中，设定标准管理基准值时难以用数 值方式表示。因此，有的工程虽然进行了变形量测，还是发生了失控与坍塌事故。 2 1 2 滑坡、滑塌 隧道洞口及隧道表层斜坡地段均可能产生滑坡、滑塌。表层斜坡地段具有黄土边坡 特征，同时又是受人为改变较大的自然边坡，坡体内应力大小和方向均发生了变化，经 过反复干湿膨胀收缩，发生裂隙，在雨水的催化作用下容易产生滑坡、滑塌等工程地质 灾害。 鼠洞、根孔等空洞，不断扩大造成坍塌，或入洞浸泡洞壁造成崩塌、滑塌。羊马河 隧道进口端d k + 7 5 0 和d k 4 3 8 + 1 6 0 段分别穿过两个浅埋地段，其洞身覆盖层仅0 8 - 1 3 o m ， 特别是d k 3 4 8 + 1 6 0 段( 大关里沟过沟段) 浅埋地段长达8 0 m ( d k 4 3 8 + 1 2 0 - - + 2 0 0 ) ，洞身与 大关里沟斜交，斜交角度为2 0 。3 0 ，洞身覆盖层厚度仅为0 8 - 3 o m ，且左右两侧均为 滑坡体，地质情况极为恶劣：隧道洞身的右侧在大关里沟斜井施工时发现山体有偏压滑 移现象，大关里沟斜井洞身严重开裂。 黄土底部风化基岩层，相对隔水，若基岩面倾向坡外，则黄土边坡易沿基岩面滑动， 轻则加剧隧道偏压，严重时导致整个隧道冒顶。 王来贵、黄润秋【7 】认为边坡变形系统，无论是顺层变形几何非线性还是连续变形物 理非线性，其稳定性都受到系统几何因素和物理力学因素的影响，本质上都是系统的广 义刚度系数为控制变量。黄土垂直节理将黄土切割呈“顺层黄土条”，据边坡变形系统 理论，调整顺层边坡大变形失稳的措施，主要是调整系统的柔度，在层厚、黄土性质一 定的条件下，调整黄土层端部的约束和有效高度，提高可能产生破裂面处的强度和刚度， 防止水的渗入，提高黄土的强度和刚度。由此可见黄土隧道穿越斜坡地段，在浅埋段和 洞口段以及大高差段产生滑坡的可能性更大。滑坡有时造成隧洞偏压，有时直接威胁隧 洞安全。盘石岔隧道洞口段马兰黄土山体自然坡度较陡，处于或接近临界平衡状态：隧 1 0 长安大学硕士学位论文 道开挖改变了山体内部应力状态，形成滑动面，造成山体表面溜坍，滑动面斜穿隧道； 隧道上半部位于溜坍体内，造成塌方。 2 2 地震作用效应及其产生的灾害 我国是世界地震较多的国家之一。这是因为我国东部有环太平洋地震带的西太平洋 地震带通过，西部和西南部边界则是地中海一喜马拉雅山地震带所经过的地方，从地震 的活动强度来看，我国西部地震活动较东部为强。西部地震主要沿强烈隆起的青藏高原 四周、横断山脉、天山南北麓、祁连山一带。东部地震则主要发生在强凹陷下沉的平原 或断陷盆地、以及近期活动的大断裂带附近，如汾渭地堑、河北平原、蹈城一庐江大断 裂带等【8 9 1 。我国黄土地区大多受到地震作用的影响，属于中、高构造应力场。地震作 用引起黄土层剧烈运动使得结构更加松散，稳定性降低。黄土区地震波卓越周期一般为 0 1 0 3 0 s ，地震波传播速度为1 5 0 5 0 0 m s 。地震在黄土地区分布极不均匀，近山一带 活动性较强，如靠近六盘山的宁夏海原1 9 2 0 年发生8 5 级级大地震，地震基本烈度跨 越v i i x 度区，地震有一定的活动性。故而地震对黄土隧道有一定破坏性，应引起重 视。黄土隧道虽然一般修筑在老黄土( 离石黄土) 中，地震对隧道本身的影响一般不大( 只 有震级较大时才对隧道本身安全构成威胁) ，黄土隧道抗震一般按5 * - 8 。设防。但是黄土 是易发生地震滑坡灾害的土体，地震诱发的滑坡是黄土地区最主要的地震地质灾害，在 黄土地区造成了十分严重的生命和财产损失，因此黄土隧道所在的黄土高地( 表层黄土) 受地震影响明显，产生大量崩塌、滑坡等，改变隧道上覆土层厚度，加剧隧道偏压；隧 道局部产生损坏。 2 2 1 崩塌、倾覆、跨塌 黄土具有良好的天然直立性，甘肃会宁一个粮仓窑洞，最大跨度9 4 m ( 相当于铁路 双线隧道跨度) ，没有加固，修建上百年还可安全使用。但地震作用破坏黄土的天然直 立性，使得原本可以自立的黄土陡坡在地震波冲击下摇晃松动、坍塌倾倒，地震波引起 水平冲击作用，增大隧道的侧压力，破坏洞壁的稳定性，甚至影响隧道拱的受力，造成 塌项塌洞。 地震力作用在每个土颗粒上，由于土颗粒的质量不同，各处土粒的排列状况不同， 或者各点使用的起始应力和传递到的动荷强度不同，就会使各个土粒上的作用力在大 小、方向和所产生的实际影响上都存在明显的差异，从而在土粒的接触点引起新的应力。 这种应力超过一定的数值时，就会破坏土颗粒之间原来的联结强度与结构状态，使它们 第二章黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 彼此之间成为独立的散体。原土体结构解体，总体积增大，即动力加速度过大时，土会 发生松胀现象。王家鼎【8 】等人的研究表明：解体黄土的孔隙比是原黄土孔隙比的1 2 1 3 倍，土体积产生了显著的膨胀。黄土体在地震力作用下被抛起的过程中，土颗粒块 体相互碰撞，使土体积不断增大，孔隙中又被空气迅速充填。土体在重力作用下要向下 移动，而空气阻力又阻碍土颗粒的下落。由于黄土颗粒很小，重量很轻，在空气阻碍下 悬浮，形成黄土尘埃，即粉尘化效应。黄土的粒状架空接触结构，土体以点接触的形式 连接，当土体受不大的外荷载作用时颗粒接触点处应力易于集中而导致移动和整个架空 结构的破坏，显示崩溃性，地震作用下崩溃性更强。统计结果表明，黄土的孔隙比越大 及干重度越小，它的震陷性越高，反之越小。黄土的孔隙比直接反映结构性特征，控制 着残余变形的大小。当孔隙l l 4 , 于0 8 5 时，黄土不发生震陷；当孔隙比大于0 9 时， 黄土在动应力作用下会产生不同大小的震陷量。对同一场地而言，一般是孔隙比越大震 陷性越高。但不同地区的黄土差异较大，地震破坏黄土的天然直立性，实质是一种张裂 行为和剪切行为的综合效应【l o l 。 2 2 2 高边坡滑塌 地震使隧道坡体最大主应力和剪应力明显增大，应力集中带的范围扩大，坡体塑性 区迅速扩大，黄土自身的粘聚力明显不足以抵抗，产生大面积的高边坡滑塌。另一方面 黄土体在斜抛、下落的过程中，由于其厚度较大，整个土体压缩了很大一部分气体，这 部分气体不能及时排出，便在滑体与滑床之间形成一封闭的气垫层，使摩擦力骤减。滑 体在地震结束时获得一定的初速度，并浮在此气垫层上运移，从而便形成高速远程的黄 土瀑布或黄土流，也即高速黄土滑坡【l 。 在我国黄土高原上，地震诱发的高速黄土滑坡分布广、强度大、损失惨重。如1 7 1 8 年甘肃通渭地震( m 。= 7 5 ) 产生了大于5 0 0 m 的大滑坡5 9 处【1 2 】；1 9 2 0 年海原大地震( m 。= 8 5 ) 时，形成的黄土滑坡严重而密集的区域达4 0 0 0 k m 2 以上【1 3 1 ，1 9 9 5 年甘肃永登5 8 级地震 也诱发了1 5 0 余处黄土滑坡【1 4 】。这些灾害给人民生命财产造成巨大的损失。从实际考察 和文献中发现，这类滑坡有以下特点：1 ) 规模大、滑速高和滑距远，滑体呈波浪状分布， 并形成堰塞湖【1 5 j 。2 ) 滑坡面倾角低缓、不光滑、含水量很低。如海原地震时，西吉回回 川滑坡面平均倾角7 5 。，不光滑，含水量1 5 。地震力往往分为水平向和垂直向，地震 过程中，地面的宏观抛掷现象颇多。宏观抛掷现象说明地震的垂直力不容忽视。水平地 震力与垂直地震力的叠加，形成一种复杂的运动轨迹，这种地震力往往使地面或建( 构) 筑物作水平、垂直运动，有时还有扭转。张振中【l6 】对西吉回回川地震作用下黄土斜坡稳 1 2 长安大学硕士学位论文 定性采用拟静力法进行计算，其中的c ，伞值是由随机地震荷载的动力学实验获得的。计 算结果表明：当地震系数为0 3 ( 8 0 强) 时，斜坡的稳定性系数等于1 ，即开始失稳。而1 9 2 0 年海原地震时回回川的地震烈度为1 0 度，地震系数约为0 8 。这说明，如此强烈的地震 完全可以使黄土斜坡失稳、解体、脱离母体。许增会【1 7 2 2 1 等人模拟分析了隧道围岩在地 震作用下的响应，认为受无限域围岩约束作用，地震引起的水平方向的位移很小，同时 由于隧道围岩中原有的压应力，常见的8 度烈度地震作用在隧道围岩中引起的拉应力一 般不超过岩石的抗拉强度，所以不致引起完整围岩失稳，但是在岩性差，断面大的情况 下，地震会引起较大位移。 2 2 3 液化与震陷 傍山隧道，土质为低液限粉土、粉质土、砂质黄土时，在地震力作用下，实际水压 力急剧上升，土颗粒间的有效应力降低，当实际水压力与总压力相等时，土颗粒处于悬 浮状态，黄土承载力急剧减小，在地表反映为喷砂冒水，地面沉陷。 黄土震陷是指在地震作用下黄土结构产生崩溃性破坏，而形成地面或建筑物的附加 下沉，震陷性黄土最重要的特征是架空孔隙结构，这是产生震陷的基本内因。黄土的架 空结构状态及中孔隙含量大于5 0 是导致黄土震陷产生的条件，它与土的残余变形密切 相关。黄土的震陷有两个含义：一是土体在荷载作用下附加沉降；二是由于土体有较高 的含水量或浸水后土体本身有湿陷性，在动荷载作用下产生震动湿陷。黄土震陷是一种 残余变形特性，它与显微结构、震陷的临界动应力、孔隙比、含水量有着密切的关系， 动变形也是反映黄土震陷的主要动力学参数。黄土是否产生震陷与其显微结构状态有直 接的关系，晚更新世马兰黄土和全新世黄土状土是具有大孔隙结构弱粘性黄土，在地震 作用下孔隙结构崩溃性破坏，必然会产生急剧的残余变化一震陷。石玉成等的试验结果 表明，凡是震陷性强的黄土都具有明显的架空孔隙结构，反之，凡是架空孔隙不明显的 凝块镶嵌胶结结构的黄土，不具备震陷性。实验结果表明，震陷系数随黄土的密度增大 而减小，随孔隙比的增大而增大，随架空孔隙的发育而增大，随胶结物的增大而减小； 随着振次的增加震陷系数速率加快，粒状架空孑l 隙是黄土具有特殊动力性质的控制因素 瞄】 0 2 3 水作用效应及其产生的灾害 黄土区北方沙粒含量稍高，有时夹有沙层。土楞山隧道进口段口d k 4 2 7 + 8 3 3 隧洞拱 脚下为第三纪红粘土，上部为3 m 后砂层，无胶结，砂层侵入拱顶4 0 c m ，下部为三叠系 第二章黄土公路隧道地质灾害致灾机理分析 砂层、页岩互层，在下台阶开挖爆炸振动效应影响下，敏感的砂层松弛造成塌方。黄土 区降水量较小，年降水量一般为2 0 5 - 8 6 0 m m ，由北向南总体呈现逐步增大，降水主要集 中在7 、8 、9 三个月，约占全年的6 0 以上，故而夏季雨水多、易成灾，而且干燥黄土 的强度在水的作用下大大损失，从而造成灾害或留下隐患。水文地质条件不复杂，但较 特殊。地下水分为上层滞水，潜水和承压水。黄土中微孔隙导水性极差，一般不参与水 的运动，孔隙、微裂隙是黄土地下水的主要赋存空间，但水运动较慢，空洞和裂隙连通 性好，是地下水运动的主要通道，但数量有限。 2 3 1 地表冲刷、水土流失 多年气象资料表明，黄土区雨水集中在7 ，8 ，9 三个月且分布极不均匀。集中降雨冲 击、松动并携带走大量表层黄土向低处流动，改变了隧道覆盖层的厚度、地形地貌，造 成隧道受力变化甚至引起偏压。地表冲刷、流失水土还可能携带砂土掩挡隧道洞口或在 隧洞内堆积成灾。水流还可冲裂黄土护坡，引起开裂、剥落。黄土高原陕、甘、宁、晋、 豫、蒙是我国水土流失最严重的地区。长期的水流切割黄土块，改变黄土地貌，有时形 成新的黄土流冲出洞口，甚至使洞口段排水沟、截水沟被泥沙淤填。隧道在第四系新黄 土及老黄土段施工，挖方弃土也同样会造成水土流失，淹没农田，堵塞河道等灾害。 2 3 2 隧道湿水、渗漏 黄土具有特殊的性质，颗粒吸水性较差，渗透性较好。雨水除大量随地表迅速流走 外，一部分以潜水形式入渗到黄土层中，下渗到隧道内表面，造成隧道潮湿、甚至积水， 坡角潮湿易风化剥落进而悬空坍塌。当隧道洞体穿越沟谷下部或冲沟、陷穴、裂缝下部 时可能发生渗漏水现象，一旦发生渗漏水情况，围岩强度将大幅度降低，围岩体松驰加 快，严重时，失去自稳能力，进而发生塌方，因此，隧道地表应提前做好排水系统，并 回填处理冲沟、陷穴、裂缝，隧道内设渗沟、引水管等排水设施，将地下水引入洞内施 工排水沟中，洞内施工排水沟与开挖等作业同步进行。 由于不同黄土隧道的水文地质条件迥异，导致不同隧道中渗水漏水病害的严重程度 差别较大，主要表现形式以洞身渗水、淌水为主。有些隧道则表现为局部地段沿基岩裂 隙发生渗水、滴水。典型隧道包括：祁家大山隧道、土家湾隧道、楼子沟隧道、甘泉隧 道。隧道渗水和漏水在施工期间和运营过程中均可能发生。黄土隧道渗水漏水特征见表 2 2 。 1 4 长安大学硕士学位论文 表2 2 黄土隧道渗水漏水特征 隧道阶位 特征 名称段置 祁家 ，j 廷洞对洞身两侧墙脚基底、路面基底钻孔探查：发现洞身墙脚与路面基底一下3 0 大山营 口 5 0c l l 厚原岩含水量为1 5 6 0 ，部分泥化呈高塑状态。普通饱和度在8 5 9 9 隧道 由 ，抗压强度较设计值衰减3 0 5 0 ，探察孔终孔时普遍渗积水，个别富含 水孔眼，水深2 3 米 土家施 洞 隧道口沟壑纵横，陷穴较多，水系发达。地下水位高，局部地点有泉水出露， 湾隧 工身土层含水量为2 5 1 0 - 2 7 5 0 ，局部达2 9 饱和度达到o 9 0 以上，由于该 道 段