（地质工程专业论文）青藏铁路关角隧道工程地质条件研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国国民经济的高速发展，山区道路建设大量增加，在工程建设过 程中不可避免遇到各种复杂不良地质条件，尤其是在埋深较大或断裂构造、 岩溶发育的地区兴建长大隧道时，常面临高地应力、岩爆、活动断裂、软岩 大变形、突水突泥、高地温、有害气体、放射性，高瓦斯等工程病害。 论文以西宁至格尔木改建铁路中关角隧道工程的地质条件为研究对象， 在对现场调绘、原位测试等综合勘察资料进行详细分析的基础上，结合室内 的岩石力学实验成果对关角隧道的工程地质条件进行详细系统的分析，论文 的主要内容如下： ( 1 ) 根据岩石的物理力学性质，并结合实测的地应力结果和隧道区工程 地质、水文地质特征，利用切向应力准则对隧道施工中是否发生岩爆进行了 分析。 ( 2 ) 根据隧道区域的活动断裂情况分析了强震对隧道的影响。 ( 3 ) 在隧道围岩分级的基础上，评价了隧道围岩的稳定性，提出了相应 的支护与施工建议，对三叠系及二叠系灰岩中的岩溶情况进行分析，提出了 施工中要加强超前地质预报的建议。 ( 4 ) 根据关角隧道地质条件的复杂性，建议优先选用钻爆法施工，若采 用t b m 法施工，也宜采用钻爆法与t b m 法相结合的施工方法。 ( 5 ) 通过对隧道区水文地质、工程地质条件的综合分析得出隧道施工中 的主要地质问题是高地应力、突涌水和围岩失稳，提出了设计应采取的措施 及施工注意事项。 本文研究力求对关角隧道的工程地质问题进行全面分析，为关角隧道的 设计和施工提供科学依据。 关键词】关角隧道；工程地质条件；围岩分类；t b m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 _ l _ l i i _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ i l _ l _ l _ _ _ l i l - l _ - _ _ _ _ - _ l l l _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - i _ _ _ _ - a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m y r a p i dd e v e l o p m e n ti nc h i n a , l o t so fm o u n t a i n o u sr o a d sw i l l b ei n c r e a s e dg r e a t l y w h i l et h et u n n e lb ec o n s t r u c t i n g ，i t i si n e v i t a b l et h a tt h e c o m p l e xa n du n f a v o r a b l eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sw i l lb ef a c e d ，e s p e c i a l l y , w h e nt h e l o n gt u n n e l si sc o n s t r u c t e di nt h ea r e ao ff a u l ts t r u c t u r ea n dk a r s to ri t sb u r i e dd e p t h i sl a r g e ，t h ee n g i n e e r i n gd i s e a s e sa r ef a c e ds u c ha st h er o c ko u t b u r s t ，a c t i v ef a u l t ， l a g ed e f o r m a t i o no fs o f tr o c k ，w a t e ri n r u c ha n db u r s tm u d 、h i g hg r o u n dt e m p r a t u r e 、 h a r m f u lg a s 、r a d i o a c t i v i t ya n dh i g hg a s i nt h i sp a p e r , t h ed e t a i l e da n a l y s i sf o rt h ee n g i n e e r i n gg e l o g o i c a lc o n d i t i o n so f g u a n j i a ot u n n e li nt h er a i l w a yx i n i n gt og ee r m ui sm a d ec o m b i n e dw i t hr o c k m e c h a n i c sl a b o r a t o r yo nt h eb a s i so fg e o l o g i c a lm a p p i n ga n di n s i t u t e s t i n g t h e m a i nc o n c l u s i o n si n c l u d et h a t ： ( 1 ) a n a l y s et h ep r o b a b i l i t yo fr o c kb u r s t i nt u n n e lc o n s t r u c t i o nb a s e do n p h y s i c o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ka n dc o m b i n e dw i t hg r o u n ds t r e s sa c t u a l m e a s u r e d ，t h ef e a t u r eo fe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n dh y a r o g e o l o g y , b yt a n g e n t i a ls t r e s s c r i t e r i o n ( 2 ) a n a l y s et h ee f f e c t so fe a r t h q u a k ea c c o r d i n gt ot h ec o n d i t i o n so fa c t i v ef a u l ti n t h i sa r e a ( 3 ) e v a l u a t et h es t a b i l i t yo f w a l lr o c kb a s e do nt h ec l a s s i f i c a t i o no fw a l lr o c k a n d t h ec o r r e s p o n d i n gs u p p o r t i n ga n de x c a v a t i o ns u g g e s t sa r ep r e s e n t e d a n a l y s ek a r s t c o n d i t i o n si nt r i a s s i ca n dp e r m i a nl i m e s t o n e a n dt h e s u g g e s t so fa d v a n c e d g e o l o g i c a lp r e d i c t i o na r ep r e s e n t e di nt h ec o n s t r u c t i o n ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h ec o m p l e x i t ye n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n si ng u a n j i a o t u n n e l ，d r i l l i n g - b l a s t i n gm e t h o di sp r e f e r e n t i a l l ya d o p t e d i ft h et b mi st ob eu s e d ， i ts h o u db ec o m b i n e dw i t hd r i l l i n g b l a s t i n gm e t h o da n dt b m ( 5 ) a c c o r d i n gt o t h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s a b o u tt h e h y d r o g e o l o g y 、 e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rt h i n k st h a tt h em a i ng e o l o g i c a l p r o b l e m sa l eh i g hs t r e s s ，w a t e ro u t b u r s t ，w a l ir o c ki n s t a b i l i t y , a n dp r e s e n t st h e c o n s t r u c t i o ns u g g e s t s c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa b o u tt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so fg u a nj i a ot u n n e li s m a d ei nt h i sp a p e r , a n dp r o v i d ee v i d e n c ef o rd e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fg u a nj i a o t u n n e l k e y w o r d s ：g u a n j i a ot u n n e l ；e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s ；c l a s s i f i c a t i o no f w a l lr o c k ；t b m 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学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 2 不保密西使用本授权书。 学位论文作者签名：三钐彳二 日期：2 。卅年j 。月f 。日 指剥币躲毖乞 日期：c 7 2 棚扩年，工月，日 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，均已在 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。 学位论文作者签名：三缘仁 日期：p 谚年i 月。日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 前言 改建铁路西宁至格尔木铁路在关角修建长3 2 6 4 5 k m 的双洞双线隧道，该隧 道是国内目前已开工建设的最长铁路隧道。工程位于新构造活动强烈的青藏高 原东北缘，测区属祁连山系中段南缘支脉青海南山，呈n 一s e 向横亘于中部， 总体地势是中部高北东和南西低，区内峰峦叠嶂，沟壑纵横，地貌复杂多样。 地貌成因类型众多，有冰缘地貌、流水地貌、冰川地貌和风成地貌等。测区北 东为青海湖盆地，西为祁连山脉，南与茶卡盆地相邻，北部与大通山相望，构 成了盆地与山地相间的地貌轮廓。测区一般海拔3 5 0 0 - - 4 5 0 0 m ，最高峰为图区 南东的折托尕者岗，海拔4 7 0 8 m ；最低点为图区南西的伊和查汗诺尔湖，海拔 3 2 8 9 m ，最大起伏高度1 4 0 0 m 左右。地质条件极其复杂，但区域地质研究程度 很低，资料匮乏。 1 2 研究意义 随着我国国民经济的高速发展，山区道路建设大量增加，并且由于道路施 工的技术进步，公路和铁路选线以长大隧道方式通过越岭地段越来越多，如已 建成的秦岭终南山铁路、公路特长隧道( 1 8 4 k m ) 、大瑶山铁路隧道( 1 4 3 k m ) ， 乌鞘岭铁路隧道( 2 0 k i n ) 和在建的关角铁路隧道( 3 2 k m ) 等。铁路以长大隧道 的方式通过越岭地段，不但极大地提高了线路等级，同时也显著改善了铁路建 成后的运营环境，其优势是显而易见的。然而，隧道工程的建设，又不可避免 地要同复杂不良地质作斗争，尤其是在断裂构造和岩溶发育的地区兴建长大隧 道时，常面临高地应力岩爆、活动断裂、软岩大变形、突水突泥、高地温、有 害气体、放射性，高瓦斯等工程病害。而且在国内常用的长隧短打技术，设置 众多辅助坑道，随着铁路隧道的大涌水，会使地表范围内的井泉干枯，地表出 现塌陷，同时也会造成地表水的大量流失或枯竭，给工程所在地人们的生产和 生活带来极大困难，而且会对青藏高原脆弱的生态造成不可恢复的极大影响。 针对上述情况，如何准确研究工程区的工程地质、水文地质条件，在此基础上 合理论证和选用最优的施工方案，避免盲目施工产生的不良影响，就成为隧道 修建成功亟待解决的重大问题，研究意义重大。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 国内外研究现状 目前在高海拔地区修建长大隧道的先例不是很多，在目前的勘察设计技术 水平和施工装备的前提下，工程地质条件已不再是影响隧道选址的唯一先决条 件。举世瞩目的青藏铁路格尔木至拉萨段于2 0 0 6 年通车运营，取得的成就震惊 世界，青藏在穿越昆仑山和烽火山时，采用隧道工程，均取得了成功，为高海 拔地区修建隧道工程提供了宝贵经验和资料。 从水文的研究角度，关角隧道是目前为止拟建的最长的铁路隧道，隧道地 处青藏高原北缘，海拔高，气候寒冷，根据对既有严寒区隧道调查，较低的气 温将会引起隧道进、出口冻害，并导致隧道两端排水沟排水不畅通，引起基床 病害。 2 0 世纪5 0 年代末日本等发达国家开始进行隧道涌水的研究，为隧道涌水问 题的确立阶段，以后进入隧道涌水量确定方法的研究阶段，并取得长足的进步。如 日本的高桥彦治、伊腾洋、佐藤邦明、大岛洋志等学者研究并确立涌水量预测 的方法和公式。其它国家学者还对裂隙水进行研究，提出不少裂隙水渗流理论 模型，如“双重介质模型”、“独立裂隙一块体介质模型”等最具代表性和影响理 论。 我国对隧道涌水的研究起步较晚，预测涌水量的精度也不很高，但近十几 年来发展很快，并研究出非确定性统计模型、确定性数学模型和随机数学模 型三大类多种预测涌水量的方法。如渗透张量、数值法、渗流场与应力场耦合 环境下涌水量预测方法等也进入研究阶段。但遗憾的是目前在高寒缺氧、干旱、 半干旱地区隧道地下水的研究上基本上还是处于起步，这对于现在正在进行的 大规模的西部开发是很不利的。 1 4 课题来源及研究技术路线 关角隧道的地质条件极为复杂，地质勘察始终贯彻了既重视对特长隧道越 岭地段全方位工程地质和水文地质条件的研究，又重视两端引线段控制线路方 案选择的主要工程地质问题的影响，全面进行综合地质勘察。经历了加深地质 一初测一定测一补充定测几个阶段，地质工作范围上从大到小，精度上由粗到 细，认识上由表及里几个阶段的工作。 为适应关角这样海拔高、埋深大、气候恶劣、地质资料贫乏、工作范围广、 探索性强和地质问题多的特点，提高地质选线水平，在整个勘测过程中，在近 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 6 0 0 k m z 的范围内，进行了大面积地质工作，对大的区域性断裂构造及地质问题 进行调查和调绘，获取第一手地质资料。在此基础上，有针对性进行遥感图像 解译、综合物探、构造应力分析计算、多参数水文地质测试和计算、深孔钻探 测井以及综合试验相结合的综合勘察方法，提高了长大隧道的地质勘察效率和 技术水平，取得了很好的效果。 1 、由于遥感图像具有视域广阔、信息丰富、并可进行各种增强处理、各片 种各有优势的特点，研究选用了不同层次、片种的遥感图像，进行解释和信息 提取。在同一地区，多单位联合采用多层次、多片种、结合地面大规模调查进 行遥感解释和图像的计算机增强处理技术，对地面调查中大的构造断裂、异常 地貌水文地质分区带进行核查核对，既查漏补缺，又互相验证，由面到点，层 层深入的研究模式。 2 、物探技术伴随长大隧道的发展而发展，继秦岭隧道后，关角隧道采用以 新设备、新方法为主，其他几种常规手段为辅的原则方法，开展了“点、线、面 结合，深浅结合，多层次、多参数”的立体化综合勘探。解决了关角山区要求勘 探深度大、地形条件极差的情况下，实现长大隧道物性纵断面立体化、全方位 贯通，避免了主要断裂带、富水带和岩性接触带，由于钻探缺口而造成施工中“摸 着石头过河”的局面。 3 、区域构造应力场和测区地应力分析相结合，对深埋长隧道而言，地应力 强度和方向是选择隧道方案和轴向必不可少的重要参数。 4 、研究和进行了关角地区多参数的水文地质测试和计算，摸清隧道地区地 下水的运移规律，预测其集中涌水地段及其最大涌水量和稳定涌水量，预测地 表水地下水的水力联系及其对地质环境的影响。在关角这样的基岩网状、脉状 裂隙水分布地区，研究采用了钻孔测试及同位素氚法、地下水氡含量测试等新 技术，并运用地下径流模数、地下水动力学、水文学法和比流量法等多种计算 方法。较为准确地查明了区域地下水分布和富水程度的相对比较、富水带的划 分，为分析测区水文地质条件提供了依据。获取了地下水埋深、水量、水质、 可能涌水段落及涌水量等数据，为计算隧道涌水量提供了一定的定量概念，所 提出的富水性分区段落、涌水段的位置均得到了施工的充分验证。 5 、在过去传统的地质勘探中，钻探一直是最为直观的勘测手段，近年来深 孔钻探技术和综合测井技术也在不断发展和进步。关角隧道由于勘测周期和勘 测成本的限制，只有在大面积地质调绘和综合物探成果的基础上，在岭脊有选 择地布置控制性验证钻孔，并进行全波列波速综合测井、地应力测试及钻孔超声 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 成像，贯彻一孔多用最大限度地发挥了每个钻孔的作用。关角隧道共完成深孔 钻探测试1 6 孔，除进行水文地质测试( 抽水、压水、双流仪测井) 和孔内地应 力测试外，还坚持了七种参数：自然补井温、自然电位、电阻率、井径、弹性 波速( 包括声波、地震波) 和水文测井的综合测井，建立了不进行综合测井、 深孔钻探任务不算完成的制度，最大限度地发挥了每个钻孔的作用。 6 、长大隧道的设计和施工越来越需要模拟自然岩体应力状况下准确的物理 力学试验参数及其性能，关角隧道地区的岩石是一套经历了多期沉积、变质作 用、岩浆活动、混合岩化作用的复杂岩石组合过程。在地质勘察的各个阶段和 施工阶段有针对性采取了大量的试验研究工作，成为了特长隧道岩石力学综合 试验的大百科全书。主要采取室内及现场试验相结合，其中常规试验，包括物 理性质试验、力学性质试验、水理性质试验、弹性变形性试验、完整性试验等， 其它有岩石薄片鉴定与定名，膨胀性试验，岩石全过程高刚性动三轴试验，针 对t b m 掘进机施工岩石耐磨性试验，岩石点荷载试验，矿物分析，水压致裂地 应力测试，放射性及有害气体测试等试验。通过大量试验研究表明岩石赋存于 一定的地质环境中，除受控于环境的地质因素与地应力作用之外，岩体自身结 构的各向异性、不连续性、非均质性的存在，使其物理力学性质均有明显差别。 在地质勘察的各个阶段和施工阶段将有针对性选取不同地层岩性、位置、深度 不同赋存环境下的试样进行现场和室内试验研究工作。研究流程图见图1 1 。 1 5 主要工作及时间安排 关角隧道的地质勘察分初测前加深地质工作、初测、定测和补充定测四阶 段完成。 2 0 0 4 年9 月开展初测前加深地质工作，对越岭区及岭北引线段进行大面积 的工程地质、水文地质调绘，确定了初测方案选择的范围；在初测地质工作中， 通过大量的地质调绘和少量物探，对不同限坡、不同长度的越岭隧道方案进行 了大量方案分析与比较： 2 0 0 5 年4 月- - 2 0 0 5 年7 月在加深地质工作基础上进行全面初测地质工作， 对越岭3 2 k m 、2 1 k m 方案进行论证； 2 0 0 6 年4 月_ 0 0 8 年4 月在论证选定的3 2 k m 方案基础上，对越岭隧道进 行详细的工程地质、水文地质勘察，对隧道区的地质条件进行了分析与评价， 为越岭隧道初步设计及施工图设计提供了翔实的地质资料。 论文的撰写时间安排为 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 1 ) 国内外研究现状及资料收集( 2 0 0 5 年4 月- 2 0 0 7 年1 0 月) ( 2 ) 论文的撰写( 2 0 0 7 年1 0 月- 2 0 0 8 年1 0 月) 完成论文的初稿，并进行修改。 图1 - 1 关角隧道工程地质条件研究流程图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章关角隧道工程概况 2 1 工程概况 青藏铁路西宁至格尔木段是青藏铁路一期工程，线路全长8 0 0 多公里，修 建于二十世纪七十年代，由于受当时技术经济条件的限制，既有铁路曲线半径 小、坡度大、展线长，已不能适应快速发展的国民经济和铁路跨越式发展的需 要。 关角隧道位于既有铁路天竣至察汗诺段，高程3 4 0 0 - - - 4 5 0 0 m ，地形、地质 条件复杂，工程艰巨，为全线的主要控制工程。隧道全长3 2 6 0 5 k m ，设计为两 座单线隧道，线间距4 0 m 。 2 2 区域自然地理特征 2 2 1 地形地貌 测区属祁连山系中段南缘支脉青海南山，青海南山呈n w 二s e 向横亘于测 区中部，总体地势是中部高北东和南西低，隧道通过区属青海南山高山区的关 角日吉山，隧道进口位于布哈河冲积平原后缘，隧道进口以北为宽阔、平坦的 布哈河冲积平原；出口位于肯德隆沟沟谷中，根据山体的相对高差，又进一步 划分为关角日吉山北坡低高山区、关角日吉山中高山区、关角日吉山南坡低高 山区三个次级地貌单元。 ( 1 ) 关角日吉山北坡低高山区( 隧道进口d k 2 8 5 + 5 0 0 ) 海拔高程3 5 0 0 - - - 4 0 0 0 m ，相对高差2 0 0 - - - 4 0 0m ，山坡自然坡度2 5 0 - - 3 5 0 。表层 多为土层覆盖，植被发育，沟谷发育，沟谷中大多常年流水，水量随季节变化而 变化。 ( 2 ) 关角日吉山中高山区( d k 2 8 5 + 5 0 0 - - d k 3 0 3 + o o o ) 海拔高程4 0 0 0 - - - 4 5 0 0 m ，相对高差大于5 0 0 m ，山坡自然坡度2 5 0 - 4 5 0 ，地势陡 峻，局部近于直立。地表大多基岩裸露，局部植被发育，沟谷发育，沟谷大多 常年流水。 ( 3 ) 关角日吉山南坡低高山区( d k 3 0 3 + 0 0 0 - 隧道出口) 。 海拔高程3 4 0 0 - - 4 0 0 0 m ，相对高差2 0 0 - 4 0 0m ，山坡自然坡度2 5 0 4 5 0 ，地势 陡峻。地表大多基岩裸露，局部植被发育，横向沟谷发育，仅在雨季有少量流 水，肯德隆沟是南坡规模较大的沟谷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 2 2 2 气象 隧道通过区属青藏高原亚寒带半干旱气候区，根据天竣县气象站( 地理坐标： n 3 7 0 1 8 e 9 9 0 0 2 ，海拔高程：3 4 1 7 1 m ) 资料，年平均气温0 5 ，极端最高气温 2 8 0 ，极端最低气温3 5 8 ，最大月平均日温差2 4 7 ，年平均降水量 3 4 1 6 m m ，年最大降水量4 5 3 2 m m ，年平均蒸发量1 7 9 1 4 m m ，最大积雪厚度 2 1 c m ，最大冻结深度2 9 9 c m 。其余详见表2 1 。 表2 1 关角隧道气象资料汇总表 站台名称及建站时间天峻气象站1 9 5 8 年 地理位置及海拔高程 n 3 7 018 o o ”e 9 9 0 0 2 0 0 ”高程3 4 1 7 1 m 代表里程及地点关角隧道 数值及统计年限数值统计年限出现时间 平均气压( m b ) 6 7 2 6 719 5 8 - - - 2 0 0 4 年平均 一o 。5 0l9 5 8 2 0 0 4 极端 最高2 8 o1 9 5 8 - - 2 0 0 41 9 6 6 气温( 。c ) 最低3 5 81 9 5 8 - - 2 0 0 41 9 6 4 最热月平均 1 0 819 5 8 - - 2 0 0 47 月 最冷月平均 1 3 41 9 5 8 - - 2 0 0 41 月 最大月平均日较差 2 4 71 9 5 8 1 9 8 91 、2 月 平均 3 9 319 5 8 - - - 2 0 0 4 绝对( m b ) 最大 1 4 819 5 8 - - - 2 0 0 41 9 9 9 8 1 5 湿度最小 ol9 5 8 2 0 0 42 7 天8 个月1 4 年 平均 5 - 31 9 5 8 1 9 8 9 相对( ) 最小 o1 9 5 8 1 9 8 92 8 天8 个月1 3 年 年平均 3 4 1 619 5 8 - - 2 0 0 4 年最大 4 5 3 21 9 5 8 - - 2 0 0 41 9 9 9 降水量年最小 2 1 1 61 9 5 8 2 0 0 42 0 0 0 ( m m )日最大 6 0 91 9 5 8 2 0 0 419 9 6 0 8 2 3 一次最大及延续时间 4 2 0l5 天1 9 5 8 1 9 8 91 9 6 7 7 3 0 8 1 3 年平均降水日数8 1 天1 9 5 8 1 9 8 9 蒸发量年平均 1 7 9 1 4l9 5 8 - - 2 0 0 4 ( m m )年最大2 0 1 2 41 9 5 8 - - 2 0 0 41 9 7 9 平均风速及主导风向 3 2 w 19 5 8 - - 2 0 0 4 年平均大风日数( = 8 级)5 7 天 l9 5 8 - - 2 0 0 4 风( m s ) 最大风速及其定时 2 4 ow19 5 8 2 0 0 41 9 7 3 0 5 1 6 主导风向瞬时3 1 o n w19 5 8 - - 2 0 0 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 降雪初冬期 6 91 0 7 19 5 8 2 0 0 4 最大积雪厚度 2 119 5 8 - - 一2 0 0 41 9 7 7 1 1 0 5 雪冻( e r a ) 最大季节冻土深度及初 2 9 91 9 5 8 2 0 0 41 9 9 2 4 1 9 冬期 平均雾天日数 7 6 51 9 5 8 2 0 0 4 其它 平均雷天日数 4 0 9 l9 5 8 2 0 0 4 2 2 3 地震动参数区划 根据国家质量技术监督局颁布的1 4 0 0 万中国地震动参数区划图 g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，隧道区地震动峰值加速度为0 1 0 9 ，反应谱特征周期为o 1 0 s 。 根据甘肃省地震局兰州地震工程研究院对隧道所做的地震安全性评价结果，并 考虑到本区的地震地质特征以及历史地震影响烈度分析结果，关角隧道工程场 址的地震基本烈度( 5 0 年超越概率1 0 ) 均复核评定为七度区。隧道工程场址 地震危险性分析结果见表2 2 。 表2 2 关角隧道工程场址地震危险性分析结果 5 0 年超越基岩峰值 位置里程烈度( 度) 概率加速度( g ) d k 2 8 0 + 5 7 06 3 5 5 2 1 0 。0 2 7 隧道进口段 1 0 6 8 40 0 8 5 d k 2 8 7 + 5 7 02 7 7 2o 1 5 0 d k 2 8 7 + 5 7 06 3 5 5 4 20 。0 3 2 中间区段 ，、一 1 0 6 8 80 0 9 4 d k 2 9 4 + 7 7 02 7 7 40 1 6 8 d k 2 9 4 + 5 7 06 3 。5 5 7 40 0 4 0 中间区段 v 1 0 7 18 o 1 0 8 d k 3 0 0 + 7 7 02 7 9 2o 1 9 7 d k 3 0 0 + 7 7 06 3 5 5 7 8 o 0 4 3 中间区段 ，v l o 7 2 1o 1 1 4 d k 3 0 7 + 0 0 02 8 0 1o 2 1 1 d k 3 0 7 + 0 0 06 3 5 5 8 30 0 4 6 隧道出口段 ，、， 1o 7 2 5 o 1 2 0 d k 31 3 + 1 7 52 8 0 6 0 2 2 3 根据隧道洞口段场地地震测试与分析结果以及土层结构特征，采用等效波动 理论和二维动态有限元分析模型相结合的方法，对隧道进、出口段场址进行场 地地震反应分析数值模拟计算，并进行规准化，隧道洞口段5 0 年超越概率 6 3 5 、1 0 、2 三个风险水平下的设计地震动参数见表2 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 3 关角隧道工程场址设计地震动参数 风险水平( 5 0特征j圊期 p g a 位置与里程年超越概率) 口。 风眦( g ) 率) t i ( g ) ( g ) 隧道进口 6 3 5 0 1 00 4 50 0 4 20 0 9 82 3 3 0 0 4 2 d k 2 8 0 + 5 7 0 l o o 1 00 4 5o 1 3 80 3 2 72 3 70 。1 3 8 一d k 2 8 1 + 1 1 4 2 o 1 00 4 5 0 2 3 6 0 5 7 82 4 5 0 2 3 6 6 3 5 o 1 00 4 00 0 5 20 1 2 0 2 3 0 0 0 5 2 隧道出口 l o o 1 00 4 0o 1 5 60 3 6 52 3 40 1 5 6 d 1 0 1 3 + 1 7 5 2 0 1 00 4 00 2 9 50 6 9 32 3 50 2 9 5 6 3 5 0 1 00 4 00 0 4 8o 1 0 92 2 80 0 4 8 d 飚1 2 + 5 7 5 1 0 o 1 00 4 00 1 4 00 3 2 22 3 0o 1 4 0 d k 312 + 7 9 5 2 0 1 00 4 00 2 7 0o 6 5 l2 4 l0 2 7 0 备注：。广地震影响系数最大值( g ) ；p g a 一地面地震动峰值加速度 ( 曲； d m 。广动力放大系数最大值衰减指数刀= o 9 ( 入口隧道中部设计地震动参数直接采用地震危险性分析结果) 2 2 4 区域地质特征 ( 一) 地层岩性 本区地层岩性复杂，沉积岩、岩浆岩、变质岩三大岩类均有出露，出露的 地层主要有第四系、三叠系、二叠系、石炭系、志留系、下元古界，并伴有华 力西期侵入岩，地层岩性特征分述如下： l 、第四系全新统( q 4 ) 主要为现代河床冲积、洪积层和坡积层，由砂质黄土、粉质粘土、细砂、 圆砾土、卵石土及碎石土组成，其地层岩性特征如下： ( 1 ) 砂质黄土：厚3 - - - 3 0 m ，硬塑一坚硬，具i i 级自重湿陷性，湿陷土层 厚3 - - 6 m ，内摩擦角：2 0 5 0 2 1 1 0 ，粘聚力：2 0 5 - 2 1 1 k p a ，压缩系数：0 4 5 , - 一 0 4 8 m p a - 1 ，压缩模量：3 9 5 - - 3 9 9 m p a ，a o = 1 2 0 k p a ，i i 级普通土，v 级围岩。 主要分布于隧道进口段。 ( 2 ) 粉质粘土：厚o 2 1 0m ，土质不均匀，局部可见少量碎石，硬塑一 坚硬，o o = 1 2 0 k p a ，i i 普通土，v 级围岩。主要分布于隧道进口、洞身沟谷及缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 坡表层。 ( 3 ) 细砂：厚8 1 5 m ，成分以石英、长石为主，稍湿一潮湿，稍密一中 密，i 级松土，0 0 = 2 0 0 k p a ，v 级围岩，主要分布于隧道进、出口段。 ( 4 ) 圆砾土：以粗圆砾土为主，厚5 1 5 m ，成分以砂岩、灰岩及花岗岩 等为主，稍湿一潮湿，中密，o o = 6 0 0 k p a ，i i 级普通土，v 级围岩，主要分布于 隧道洞身及两侧冲沟和缓坡地带。 ( 5 ) 细角砾土：厚2 - - 2 0 m 不等， 稍湿期湿，稍密一中密，o o = 3 0 0 k p a ， 道出口及洞身浅埋段。 ( 6 ) 粗角砾土：厚8 - - - 2 5 m 不等， 稍湿一潮湿，稍密一中密，o o = 5 0 0 k p a ， 出口及洞身浅埋段。 成分以花岗岩、闪长岩及混合岩为主， i i 级普通土，v 级围岩，主要分布于隧 成分以花岗岩、闪长岩及混合岩为主， 级硬土，v 级围岩，主要分布于隧道 ( 7 ) 卵石土、碎石土：厚2 - - 2 0 m 不等，成分以砂岩、灰岩及花岗岩等为 主，稍湿一潮湿，中密，o o = 8 0 0 k p a ，i i i 级硬土，v 级围岩，主要分布于隧道洞 身及两侧冲沟和缓坡地带。 2 、三叠系( t ) 本区三叠系有两个截然不同的沉积类型，以关角日吉山一带出露的石炭系 为界分为南北两带，北带为三叠系中统及中下统，是浅海相陆台盖层碳酸盐、碎 屑岩沉积，和下伏二叠系地层呈平行不整合接触，岩性主要以灰岩、砂岩为主： 南带为三叠系下统，属于南祁连褶皱带冒地槽型沉积的范围，呈规模不大的地 质体零星分布，以砾岩、砂岩，呈角度不整合盖在石炭系地层之上。 灰岩：灰白色为主，以结晶灰岩为主，局部为砾状灰岩，结晶粒状结构， 局部为碎屑结构，中厚层状构造，岩体较完整，局部为巨厚状构造，岩体完整， 质坚性脆，岩体受构造影响较严重，节理、裂隙较发育，根据深孔钻探，岩体 微裂隙较发育，v 级次坚石一级坚石，m 级一级围岩为主，0 0 = 8 0 0 1 0 0 0 k p a 。 砂岩：浅灰色，以细砂岩为主，局部为粉砂岩并夹有少量砂质板岩，成分 以石英、长石为主，细粒结构，中一薄层状构造，岩体受构造影响较严重，节 理、裂隙发育，岩体较破碎，级软石一v 级次坚石，级围岩为主，局部为 v 级围岩，a o = 6 0 0 , - - - 8 0 0 k p a 。 砾岩：砾石成分以花岗岩、混合岩、片麻岩、闪长岩为主，磨圆度较差， 以圆棱状为主，分选性差，粒径相差悬殊，砾径一般约8 0 - 2 5 0 m m ，最大粒径 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 约1 0 0 0 m m ，最小粒径约2 0 m m ，钙质、硅质胶结，级软石一v 级次坚石， 级围岩，a o = 8 0 0 k p a ，隧道仅局部地段通过该地层。 3 、二叠系( p ) 以碳酸盐为主的陆台型浅海相沉积，岩性以灰岩为主，局部夹少量砂岩， 和下伏石炭系地层呈角度不整合接触，接触带附近，岩体破碎。 灰岩：浅灰色，结晶粒状结构，中厚层状构造，局部为巨厚层状构造，构 成大喇嘛滩向斜的南翼，岩体较完整，v 级次坚石一级坚石，级一级围 岩为主，局部为i i 级围岩，0 0 = 8 0 0 1 1 - 1 0 0 0 k p a 。 砂岩：浅灰色，以细砂岩为主，局部为粉砂岩，成分以石英、长石为主， 粉细粒结构，中一薄层状构造，岩体受构造影响较严重，节理、裂隙发育，岩 体较破碎，级软石一v 级次坚石，级围岩为主，局部为v 级围岩，0 0 = 6 0 0 , - - - 8 0 0 k p a 。 4 、石炭系( c ) 由变质、变形强烈的岩性组成，呈北西向带状展布于测区中部。这是一套 变质的浅海相碎屑岩建造，以变质砂岩、片岩为主，夹少量大理岩、板岩，和 下元古界地层呈断层接触。 变质砂岩：深灰色，变余砂状结构，中一厚层状构造，局部为薄层状，成 分以石英、长石为主，变质砂岩普遍经受了绿片岩相韧性剪切变质变形作用的 改造，原生沉积结构受到了不同程度改造，且变质、变形程度在空间上变化极 不均匀，局部夹少量片岩。砂岩多强烈片理化，具片状构造、微细粒鳞片粒状 变晶结构，局部具糜棱岩化特征，具平行定向构造及条带状构造，糜棱结构， 镜下显示矿物均遭受了强烈的破坏，局部夹少量石英片岩，岩体受构造影响严 重，节理、裂隙发育，地表物理风化作用强烈，岩体较破碎一较完整，v 级次 坚石一级坚石，级、级围岩为主，局部受构造影响严重，岩体破碎，v 级围岩，o o = 6 0 0 人, 8 0 0 k p a 。 片岩：浅灰色，片状构造，细粒状鳞片变晶结构，局部可见变余砂状结构， 片理发育，成分以石英、长右、黑云母为主，含少量石榴石，局部夹少量变质 砂岩，岩体受构造影响严重，岩体较破碎一较完整，级软石一v 级次坚石， 级围岩为主，局部受构造影响严重，岩体破碎，v 级围岩，0 0 = 4 0 0 - - 6 0 0 k p a 。 板岩：灰色，以泥质板岩为主，局部夹中薄层状砂岩，泥质结构，板理发 育，级软石一v 级次坚石，级围岩为主，局部受构造影响严重，岩体破碎， v 级围岩，a o = 4 0 0 6 0 0 k p a 。零星分布于塔日那一带，在塔日那北侧沟谷北部 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 可见灰白色含砾钙质板岩。 大理岩：灰白色，粒状变晶结构，层状构造，成分主要以方解石为主，局 部含少量石英，岩体受构造影响严重，节理、裂隙发育，局部已片理化，可见 明显的镜面、擦痕，岩体较破碎，局部岩体破碎，呈碎块状，v 级次坚石， 级围岩为主，局部岩体破碎，v 级围岩，o o = 6 0 0 一8 0 0 k p a 。 5 、志留系( s ) 为变质的海相类复理碎屑沉积，以变质砂岩为主，局部夹板岩、片岩和少 量干枚岩。大部岩石中均或多或少含有一些凝灰质成份，岩体受构造影响严重， 受强烈的韧性变形和动态重结晶作用，原岩结构遭到破坏，因而具有糜棱结构 和流动构造，主要分布于隧道迸口段。 变质砂岩：灰色，层状构造，中细粒砂状结构，局部为粉砂状结构，中薄 层状构造为主，成分为石英、长石、岩屑及少量的电气石、锆石等，岩屑主要 为酸性火山岩和少量变质岩；钙质及少量泥质、凝灰质胶结；砂岩中片理间隔 性发育，沿片理面有少量新生绢云母、绿泥石等，级软石一v 级次坚石，岩 体较破碎，级围岩为主，局部受构造影响影响严重，岩体破碎，v 级围岩， o o = 6 0 0 8 0 0 k p a 。 板岩：灰色，粉砂质、泥质结构，板状构造，板理极发育，岩石主要由石 英、长石及粘土矿物组成，沿板理面有绢云母、绿泥石等鳞片状新生矿物彼此 以长轴方向定向排列，级软石一v 级次坚石；岩体受构造影响严重，节理、 裂隙发育，岩体破碎，级围岩为主，局部为v 级围岩，0 0 = 4 0 0 - - 一6 0 0 k p a 。 6 、下元古界( p t ) 由混合岩化作用形成的混合岩，主要为混合片麻岩、眼球状混合岩组成， 局部为少量角闪岩和大理岩，主要分布于隧道出口段。 混合片麻岩：灰白色，中粗粒鳞片粒状变晶结构，片麻状构造，成分主要 为石英、长石、云母、角闪石等，另有少量铁铝榴石、矽线石、堇青石等特征 变质矿物，岩体受构造影响较严重，节理、裂隙较发育，岩体较完整，块状为 主，岩质坚硬，v 级次坚石一级坚石，i i i 级一级围岩，o o = 8 0 0 1 0 0 0 k p a 。 广泛分布于二郎洞断裂( f 3 ) 南部地区，构成柴达木陆块结晶基底的主体 混合岩：粗粒鳞片粒状变晶结构，条纹条带状构造、眼球状构造，成分主 要为石英、长石、云母等，岩体受构造影响较严重，节理、裂隙较发育，岩体 较完整，块状为主，岩质坚硬，v 级次坚石一级坚石，i 级一级围岩， 0 0 = 8 0 0 - - 10 0 0 k p a 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 7 、华力西期闪长岩( 6 4 ) 根据其岩性特征，分为华力西早期片状闪长岩和华力西晚期闪长岩两种。 华力西早期片状闪长岩( 6 4 1 ) ：呈北北西向长条带状展布于- - n 洞巴彦哈 尔一带，围岩均为石炭系片岩，与围岩多数为构造面理平行接触，局部可见侵 入接触关系。该岩体为变质侵入体，韧性变形较强烈，岩体变形不均匀，在数 米范围内岩性可由块状闪长岩一弱片状闪长石一强片状闪长岩反复交替变化。 灰白色，成分以石英、长石、黑云石、角闪石为主，鳞片粒状变晶结构、半自 形柱粒状结构，块状构造、片( 麻) 状构造，经历了变形、重结晶和次生蚀变 的改造，具岩浆结构和变晶结构的双重特征，岩体节理、裂隙较发育，岩体相 对较破碎，块状为主，岩质坚硬，v 级次坚石，级围岩为主，局部为v 级围 岩，6 0 = 1 0 0 0 k p a 。 华力西晚期闪长岩( 6 4 2 ) ：分布于测区南部，呈不同规模的岩株状产出，分 布于石炭系、下元古界地层之中，三叠系下统角度不整合其上，侵入体多呈不 规则椭圆状，长轴方向以北西向为主。深灰色，中细粒半自形柱粒状结构，块 状构造，成分以石英、长石、黑云石、角闪石为主，此外有少量磷灰石等副矿 物，岩体节理、裂隙较发育，岩体较破碎一较完整，块状为主，岩质坚硬，v 级次坚石一级坚石，i i i 级围岩为主，局部为i i 级、级围岩，o o = 1 0 0 0 k p a 。 8 、华力西期花岗岩( 相) 灰白色，成分以石英、长石、黑云石为主，似斑状结构，块状构造，岩体 节理、裂隙较发育，岩体较完整，块状为主，岩质坚硬，v 级次坚石一级坚 石，i 级围岩为主，局部为i i 级、级围岩，6 0 = 1 0 0 0 k p a 。 9 、构造岩类 分布于隧道各断层破碎带，主要由碎裂岩、断层角砾组成，局部夹少量断