（道路与铁道工程专业论文）长大隧道施工地质灾害及其控制技术.pdf

昆明理工大学硕士研究生学位论文 摘要 摘要 随着我国基础设施建设步伐的加快，为了改善公路线形标准，实现交通运输 高速化、重载化，需要修建大量长大隧道。但长大隧道经过地区往往地质条件复 杂、施工地质灾害频发，其严重影响了长大隧道建设。因此，地质灾害的超前预 测、预报与治理就成为了长大隧道勘测及施工所面临的最大课题。 本文结合云南省已建成长度最长、地质条件较为复杂、施工难度较大的元江 至墨江高速公路控制性工程大风垭口隧道的勘测、漫计、施工及其所遇到的 各种地质灾害，通过对超前地质预报、预测，控制爆破掘进技术，信息化动态施 工三方面的分析和研究，探索了复杂地质条件下长大隧道施工地质灾害的控制机 理和方法，取得了如下几方面的成果： ( 1 ) 总结了现有对各种常见地质灾害发生的机理和条件研究成果，提出地 质灾害的发生不但与地层岩性、岩体结构、她质构造有关，施工的扰动导致的围 岩动态力学响应也是其发生的重要因素；( 2 ) 以t s p 为代表的超前地质预报技 术应用于隧道工程中，其精度高、提交信息及时、预报距离长、对施工干扰较小， 可有效控制和避免地质灾害的发生；( 3 ) 通过大风垭口隧道光面爆破的实例，提 出了一套控制爆破参量选择的方法，并证明了有效的控制爆破掘进不但能加快施 工速度，减少超欠挖量，同时可以有效保护围岩结构，减小地质灾害发生的几率； ( 4 ) 施工中的监控量测、适时的信息收集处理，及时反馈围岩一支护复合体力 学动态变化情况，能充分发挥了围岩的自承作用，又为二次支护提供合理的时机a 本文对长大隧道施工地质灾害及其控制机理进行了一定深度的研究，对今后 的此方向的研究及隧道的设计、施工具有一定的参考价值。 关键词：长大隧道地质灾害 发生机理控制技术 昆明理t 大学硕l 研究生学位论文摘要 a b s t r a c t w i t i lt h ef o u n d a t i o n a lf a c i l i t i e sc o n s t r u c t i o n d e v e l o p m e n t i nc h i n a ，f o r i m p r o v i n gt h eh i g h w a ya l i g m e n ts t a n d a r d ，r e a l i z i n gt h et r a n s p o r t a t i o nh i g h - s p e e d ， h e a v y c a r r y , n e e dt ob u i l d i n gal a r g en u m b e ro fl o n ga n dl a r g et u n n e l b u tt h e s e t u n n e lu s u a l l yt h r o u g hr e g i o nw i t hc o m p l i c a t e dg e o l o g yt e r m ，c o n s t r u c t i o ng e o l o g y h a z a r d su s u a l l yt a k ep l a c e i ts e r i o u si n f l u e n c et h eb u i l d i n go ft u n n e l t h e r e f o r e ， a d v a n c eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o na n de s t i m a t e ，g e o l o g yh a z a r d sm a n a g e m e n tb e c a m et h e m o s ti m p o r t a n tl e s s o ni nt h et u n n e ls u r v e y sa n dc o n s t r u c t i o nt os e t t l e t h i sp a p e rb a s eo nt h es u r v e y ，d e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n dk i n d so fg e o l o g y h a z a r d si nd a f e n g y a k o ut u n n e l ，t h el o n g e s tt u n n e li ny u a n a np r o v i n c e ，t h eg e o l o g y t e r mo ft h ez o n ei t t h r o u g hi s m o r ec o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o n w i t ha n a l y z ea n d i n t r o d u c ea d v a n c eg e o l o g i c a lp r e d i c t i o na n de s t i m a t e ，t h et e c h n o l o g yo fc o n t r o l b l a s t i n ga n di n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n ，p u tf o r w a r dt h ec o n t r o lm e c h a n i s m sa n d m e t h o d sf o rt h eg e o l o g yh a z a r d so ft h el o n ga n dl a r g et u n n e lu n d e rt h ec o m p l i c a t e d g e o l o g yt e r m ，o b t a i n i n gt h er e s u l ti ns e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) s u m m a r i z i n gt h ec u r r e n ti n v e s t i g a t i v er e s u l to ft h em e c h a n i s m sa n dt e r m sf o r n o r m a lg e o l o g i e sh a z a r d s ，p u tf o r w a r dt h eg e o l o g yh a z a r d so c c u r r e n c ei sn o to n l yh a s s o m e t h i n gt od ow i t ht o p o g r a p h ya n dp h y s i o g n o m y , s t r a t i g r a p h i cr o c kc h a r a c t e r , g e o l o g ys t r u c t u r e ，b u ta l s ot h ed y n a m i cr e s p o n dc a u s eb yt h ei n t e r f e r e n c eo ft h e c o n s t r u c t i o ni st h ei m p o r t a n tf a c t o rf o ri t so c c u r r e n c e ；( 2 ) t h et e c h n i q u eo fa d v a n c e g e o l o g i c a lp r e d i c t i o n ，a s t s pt o r e p r e s e n t ，i sa p p l i e d i nt u n n e le n g i n e e r i n g ，i t s a c c u r a c yi sh i g h ，h a n do v e rt h ei n f o r m a t i o no nt i m e ，t h ef o r e c a s td i s t a n c ei sl o n ga n d i n t e r f e r e n c ec o n s t r u c t i o ni ss os m a l l ，a n de f f e c t i v e l yc o n t r o lw i t ht h eg e o l o g yh a z a r d s o c c u r r e n c e ；( 3 ) b a s eo nt h es m o o t hs u r f a c eb l a s t i n gi nd a f e n g y a k o ut u n n e l ，p u t t i n g f o r w a r das e to fm e t h o df o rc h o o s i n gt h ep a r a m e t e ro fs m o o t hs u r f a c eb l a s t i n g t h e n a r g u ee f f e c t i v e l yt h a tt h ec o n t r o lb l a s t i n gn o to n l yc a ns h o r t e nc o n s t r u c t i o np e r i o d ， r e d u c et h es u p e ro w i n gd i gt h ed e a l ，b u ta l s oa b l et op r o t e c ts u r r o u n d i n gr o c ka tt h e s a m et i m e ，d e c r e a c i n gt h er a t eg e o l o g yd i s a s t e rt a k ep l a c e ；( 4 ) t h es u p e r v i s e m e n ta n d t h em e a s u r e m e n t c o l l e c t i o n sa n dh a n d l e si n f o r m a t i o nc o n t i n u a l l y ，f e e d b a c k 昆明理t 大学硕士研究生学位论文 摘要 i n f o r m a t i o na b o u tt h em e c h a n i c sd y n a m i cc h a n g e so nt h er e u n i t ec o n s t r u c t i o nt h a t i n c l u d e st h es u r r o u n d i n gt h er o c ka n ds u p p o r t ，s od e v e l o pt h es u r r o u n d i n gt h er o c k l o a d i n ga b i l i t ya n dp r o v i d e st h e r e a s o n a b l eo p p o r t u n em o m e n tf o rt h es e c o n dl i n i n g t h i sp a p e rr e s e a r c h e dg e o l o g yh a z a r d sa n dc o n t r o lm e c h a n i s m si nl o n ga n dl a r g e t u n n e l ，w h i c hp r o v i d e ss o m er e f e r e n c ev a l u e sf o rd e s i g nc o n s t r u c t i o na n df u r t h e r r e s e a r c hi nt h i sr e a l m k e y w o r d s ：l o n ga n dl a r g et u n n e l ，g e o l o g yh a z a r d s ，o c c u r r e n c em e c h a n i s m ， c o n t r o lt e c h n i q u e i i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或我 个人) 进行研究工作所取得的成果：除文中已经注明引用的内容外， 本论文不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 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：矿参奔 日 期：) 斛q - 月i f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：雄论文作者签名：立兰盔_ 日 盘堑生毕月型旦 昆明理工丈学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着我国能源、交通等事业的不断发展，各种隧道工程日益增多。隧道 的建成可以改善路线的线形，克服地形或高程障碍，提高车速，缩短里程， 节约燃料和大量的基础建设资金，减少对植被的破坏，保护生态环境，克服 落石、塌方、雪崩等灾害的危害。 据我国最早有文字记载的地下人工建筑物出现在东周初期( 约公元前7 0 0 年) 。我国是世界上采矿业发展最早的国家，公元前1 2 7 1 1 3 6 8 年就有深达 数百米的盐井。第一条铁路隧道出现在台湾，是一条由基隆到台南的长度位 2 1 6r n 的窄轨隧道；大陆第一条铁路隧道是詹天佑于1 9 0 7 年在京包线上修建 的八达岭隧道。到2 0 0 0 我国已有公路隧道1 6 4 8 座，总长达6 2 8k m 。 隧道按用途分为：公路隧道、铁路隧道、水工隧道、市政隧道等；按照 长度分为：特长隧道( 1 0k m 以上) ，长隧道( 3 1 0k m ) ，中短隧道( 小于3 k m ) 。我国的公路隧道设计规范考虑到既有公路隧道的实际长度，确定的公路 隧道长度分类方法为：特长隧道( 3k m 以上) ，长隧道( 1 3k m ) ，中短隧 道( 小于1k m ) ；隧道按开挖断面大小分为：特大断面隧道( 1 0 0m 2 以上) 、 大断面隧道( 5 0 1 0 0i l l ) 、中等断面隧道( 1 0 5 0i n ) 、小断面隧道( 3 1 0 胛) 和极小断面隧道( 3m ，以下) 。现行的铁路隧道设计规范和公路隧道设计 规范在计算围岩压力时，把隧道埋深划分为深埋隧道和浅埋隧道。深埋隧道 和浅埋隧道的临界深度是以隧道顶部盖层能否形成压力拱( 自然拱) 为原则 确定的。不同类别的分界深度是不一样的。一般采用平均高度3 8 1 ( 表1 - 1 ) 的2 2 5 倍。 表1 - 1 各类围岩塌方高度平均值i ” l 围岩类别 vi l ii ii k ( m ) 0 61 2 2 34 7l o 0l9 o “多、长、大、深”，即数量多、断面大、埋深大，将是2 l 世纪隧道工程 发展的趋势。 1 1 长大隧道工程发展现状 从2 0 世纪8 0 年代实施可持续发展战略以来，长大隧道像雨后春笋一样 迅速发展起来，世界各国已经建成大量的水工、公路、铁路长大隧道( 部分 长度大于1 3k m 的公路、特长隧道见表1 - 2 所列) 。 袁1 - 2 各国修建的部分特长隧道i “ 盈大埋断面 使用长度 隧道名称所在国家深度面积施工方法竣工年代 类别( k m ) ( i t i )( m ) s c i k a n 日本5 3 91 9 8 8 ( 青函) c h a n e li i 英国一法国 5 0 5 1 9 9 4 c b a n e l i 英国一法国 5 0 519 9 4 d s h i i m i z u 日本2 2 ，21 9 8 2 ( 大清水) s i m p t o ni i 意大利一瑞士 1 9 8t t 2 14 01 9 2 2 s i m p t o ni意大利一瑞士 1 9 8 2 13 61 9 0 6 v c r e i n a 瑞士 1 9 1l2 0 0t b m2 0 0 0 铁 s h j nk 8 a m a n 日本 1 8 71 9 7 5 路 意大利 1 8 52 0 0 01 9 3 4 a p p e n i n e 隧 l84l6 0 0 钻爆、t m b秦岭隧道中国 道 l9 7 2r o k k o | i 奉 1 6 3 f u r k o 瑞l ： l5 4 l9 8 2 h f i r u n a同本l54 1 9 8 2 n o r t nm t l y a 俄罗斯 i5 3 1 9 8 6 s a n t o m c r c o意犬利 l501 9 7 0 s to o t h or d瑞士 l7 0 61 8 8 2 n a k a v a m af | 奉 l4 81 9 8 2 c u 8 i a i l c秘鲁 1 471 9 7 5 昆明理工大学硕士研究生学位论文 l o e t c h b e r g 瑞l ：1 4 6 9l6 4 019 1 3 m a c a d o n a l d加拿大1 4 61 9 8 9 大瑶山中国 1 4 38 0 01 9 8 8 h o k u r i k u日本 13919 6 2 m t c c n s意大利一法国 1371 6 1 0 h e x南非13 5 l9 8 7 s h n 日本 l3 5l7 0 01 9 6 7 s h i m i z u k a m i s a k a日本1 3 3 1 9 7 6 p o n t c 意大利 13 2 1 9 8 5 g a r d e n a a k i同本 l3 0 1 9 7 5 m t 、b l a n c e法国一意大利 i l6 2 4 6 0 雁板 曰本9 66 费儿艾那瑞士 1 9 ot b m 钻爆 1 9 9 7 阿尔贝格 奥地利 1 4 0 公f r e i u s意丈利 1 4 0 路坪林 中国台湾 1 2 9 隧勃朗峰意大利 1 1 6 1 9 6 5 道关越日本 l i 1 g r a n s 8 s $ o意大利 l0 2 世界土木工程界传言：十九世纪是长大桥梁发展的时代，二十世纪是高 层建筑发展的时代，二十一世纪将是长大隧道工程发展、大力开发利用地下 空间的时代。 二十世纪九十年代，在欧洲以及全世界，隧道工程建设均处于兴旺发展 阶段。本世纪最宏伟的隧道工程一一英法海峡隧道，从英国东海岸的多佛尔 到法国西部的加来，总长约5 0k m ，其中海底部分3 7 5k m 。列车从隧道的一 端到另一端需运行约3 0 分钟，由此从巴黎到伦敦的旅程时问约为3h ，这与 航空旅程所需的时问已有了强大的竞争力。 第一章绪论 在日本已建成4 0 0 0 多座铁路隧道，总延长达2 1 0 0k m 。伴随着新干线的 修建，涌现出了众多长大铁路隧道，全世界己建成的1 0k m 以上的铁路隧道 有4 3 座，同本就占了2 0 座。 在过去的十年中，挪威隧道土程以每年1 0 0 2 0 0k m 的速度递增。目前 有3 0 多座隧道f 在规划研究之中，其中大多数是公路隧道以及石油或煤气管 路隧道。另外挪威正在其西南部的斯塔万格( s t a n v g e r ) 附近的洪斯峡湾 ( h o n g s f j o r d ) 规划世界上第一座悬浮隧道，该隧道旦建成。旅客将可从原来 轮渡交通的困境中解脱出来。类似的工程座落在横断意大利本土和西西晕岛 的墨西拿海峡中，建议采用的悬浮隧道方案也在规划之中。 近年来成功修建的瑞士弗卡( f u r k a ) 单线铁路隧道长15 4k m ，德国的兰镕 吕肯( l s n d r m c k e n ) i i y , 线铁路隧道长l o 7 4 7k m ，意大利的蓬泰加尔代纳( p o n t e g a r d e n a ) ；双线铁路隧道长1 3 2k m ，俄罗斯北穆单线铁路隧道长1 5 3k m ，加 拿大麦克唐纳( m a cd o n a l d ) 单线铁路隧道长1 4 6k m 。随着各国经济实力的不 断增长，科学技术的发展，尤其是开发和利用地下空间技术的发展，预示着 世界范围内长大隧道工程修建浪潮的到来。 到2 0 0 0 我国已有公路隧道1 6 4 8 座，总长达6 2 8k m 。其中有半横向通风 自动化程度最高的深圳梧桐山隧道、板樟山隧道等一批城市公路隧道；有广 州白云山双向六车道、大跨度、扁平率为0 6 左右的隧道；有福州四连拱象山 隧道( 宽3 5 41 1 1 ，高8 9i t i ) ；有近距离四连拱宽4 5 6r n 的科苑立交隧道；有应 用最多、大跨( 3 2 - - 3 5i t i ) 双连拱，具有代表性的京珠高速公路五龙岭隧道； 有首次采用竖井和纵向射流运营通风技术的中梁山隧道：有逆光照明不在洞 口设光过渡段的猫狸岭隧道；有处于3 8 0 0 i t i 高海拔、高寒( 最冷月平均气温 在7 c ，最低达3 5 。c ) 地区的青海大板山隧道；有处于高地应力区的川藏公 路二郎山隧道：有穿越高浓度瓦斯、高压力煤层的华茔山隧道( 长4 7 0 5i t ) 以及双向分离式四车道、国内最长( 18 4k m ) 的终南山隧道。总之，我国隧 道的发展正朝着“深、长、宽、群的方向发展，设计、施工的技术水平也 越来越高【2 3 l 。 1 2 长大隧道发展所面临的问题 制约隧道工程发展的主要问题包括开挖技术、通风技术、防排水技术、 施工中的不良地质灾害问题等，其中施一i ：中出于不良地质条件、设计不合理 4 昆叫理工大学硕j ：研究生学位论文 和施工方法造成的地质灾害问题，如坍塌、涌水、涌砂、岩爆等现象，是隧 道勘测和施工中的最大障碍。为了保证隧道的施工质量和安全，需要就隧道 施工地质灾害进行追踪研究，研究它们发生的机理。 地质超前预报和地质灾害治理是隧道勘测及施工中面临的最大障碍。现 在我国隧道工程发展所面临的问题总结起来有如下几个方面： ( 1 ) 施工过程的超前地质预报技术不完善，预报缺乏准确性，还不能有 效指导施工； ( 2 ) 隧道的开挖、衬砌支护过程中对围岩的保护不够，不能有效地控制 对遗留围岩的损伤和松弛，过分依赖以支护的承压作用，而忽略了围岩的自 承作用。 ( 3 ) 信息化旋工水平还很低，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1 2 4 】： ( 4 )应对复杂地质条件的措施不多，不能及时有效对施工过程中遇到 的地质灾害进行治理。对于变化复杂的地质条件以及岩层交相混合、产状多 变、地质构造作用等客观地质因素在设计和施工中往往准备不足； ( 5 ) 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。 l 。3 隧道施工技术发展方向 国内外隧道施工的经验总结说明以新奥法( n e w a u s t r i a t u n n e lm e t h o d ，简 称n a t m ) 理论为基础的隧道设计、施工是安全、经济的，是应对复杂地质条 件下隧道施工的最有效的方法。 新奥法是奥地利学者l v r a b c e w i c z 教授1 9 4 8 年提出的，它的要点是： ( 1 ) 围岩体和支护视作统一的承载结构体系，岩体是主要的承载单元； ( 2 ) 允许围岩局部应力松弛，也允许作为承载环的支护结构有限制的变 形： ( 3 ) 通过实验、量测决定围岩和支护结构的承载一变形一时间特性； e 第一章绪论 ( 4 ) 按“预计的”的围岩局部应力松弛选择丌挖方法和支护结构； ( 5 ) 在施工中，通过对支护的量测、监视，修改设计，决定支护措施或 二次衬砌。 与新奥法理论相对应的是复合衬砌施工法。复合式衬砌是指外层用锚喷 作为初期支护，内层用模筑混凝土作二次衬砌的永久结构，两层间可根据需 要设置防水层。复合式衬砌可用于各中围岩，主要用于类及以下软弱围岩， 其经济效益显著；在浅埋或土砂、流变和膨胀性围岩中，当采取地层加固等 辅助措施时，也可以采用复合式衬砌。 复合式衬砌强调了围岩的主要承载体是岩体本身，在支护衬砌中又注重 柔性支护和刚性支护结合，允许围岩局部应力松弛和支护结构有限制的变形， 充分发挥了围岩的自承作用，同时也充分发挥了各种支护结构物的承载能力。 我们常把喷射混凝土、锚杆支护和现场量测称为新奥法的三大支柱。现代隧 道工程的发展也将围绕以上三方面进行。总结为以下几个方面： ( 1 )加强隧道施工的地质勘测，做好地质超前预报技术的开发，完善 和发展多种勘探手段，在施工前掌握围岩的各种性状和隧道的环境条件：通 过大量工程资料收集整理，采用工程类比、数值模拟、灰色理论、神经元网 - 络分析等方法对地质条件进行定性及定量的超前预报： ( 2 ) 加强先进施工技术的研究。加强t b m 和盾构机的引进和应用、大 力发展精度高的控制爆破技术，提高凿岩掘进能力； ( 3 ) 建立正确的围岩分类体系，以及既有工程资料的积累和整理。应用 典型工程类比法有效指导隧道施工、设计： ( 4 ) 进一步强化施工过程中的监控量测，即要加强量测数据的量取及处 理，又重视掌握量测值与施工状况的关系分析。明确量测目的、全面掌握新 的量测技术可靠性、量测值对工程各阶段的作用、工程施工特点与环境特点。 1 4 本文的主要工作 本文结合云南已建成长度最长、地质条件较为复杂、施工难度较大的大 风垭口隧道的施工情况，研究复杂地质条件下隧道动念旋工的关键技术问题。 第二章介绍了常见的隧道施工地质灾害及其发生的机理；第三章介绍了隧道 超前地质预报预测技术，并以大风垭1 3 隧道为例分析了超前地质预报在施工 6 昆j j j 理工大学碗士研究生学位论文 地质超前预报、隧道围岩涌水量预报和隧道围岩稳定位移与突发失稳时间预 报三方面工作机理：第四章分析研究了开挖爆破的破岩机理及现代地下工程 控制爆破技术的应用；第五章研究了动态信息化隧道施工中的关键技术。 昆明理工大学硕士学位论文 第二章长大公路隧道常见地质灾害 随着我国经济建设的不断发展，地下工程应用领域越来越广，其规模也 越来越大。在水利水电、