（地质工程专业论文）青松水电站引水隧洞围岩分级及稳定性评价.pdf

摘要 随着我国基础工程建设的大力发展，t b m ( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 隧道掘进 机，越来越多地用于隧洞的开挖，人们对隧洞围岩的岩体质量及稳定性的认识日趋深入， 实践表明由于隧洞修建于地表一定深度的岩土体中，所遇岩土体的工程地质、水文地质 条件复杂多变，就目前的工程地质勘察方法和技术水平，要对岩体的质量和稳定状态做 出准确的预测是相当困难的。本文根据已获得的有限资料，结合工程实践的经验对四川 青松水电站引水隧洞的岩体分级和围岩稳定性进行研究。在如下取得了探索性成果。 首先，本文在阐明引水隧洞区域地质环境及工程地质条件的基础上，通过分析t b m 施工的特点，得出t b m 施工围岩质量的划分，主要根据地质因素与t b m 工作效率的关系 来确定，具体分析了t b m 施工围岩的影响因素，提出了合理的岩体质量定量分级方法， 利用该方法结合现场地质勘察资料，和岩石力学实验成果，对青松水电站引水隧洞的岩 体进行了质量分级。 其次，利用有限元软件m s c m a r c 对引水隧洞进行自重应力场的模拟，得出引水隧 洞自重应力大致成层分布，并随地形起伏变化，由于隧洞埋深大，存在高地应力场。 最后，将围岩的破坏影响因素划分为人为因素和地质因素，分析了围岩的变形与破 坏方式，根据典型断面进行有限元模拟，并对洞室的稳定性进行分析，从隧洞部分地段 开挖后的模拟分析，得到隧洞典型地段在开挖后的位移和应力变化，分析其原因及变化 趋势，为隧洞的合理设计和施工提供重要的理论依据。 本论文是根据青松水电站引水隧洞实际勘察和测试资料完成的，所得分析和评价结 果对该水利工程施工和地质灾害治理有重要意义。 关键词：青松水电站引水隧洞围岩分级稳定性数值模拟 a b s t r a c t w i t ht h es t r o n gf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o np r o j e c t s ，t b m ( t u n n e lb o r i n g m a c h i n e ) i n c r e a s i n g l yu s e di nt u n n e le x c a v a t i o n ，t h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h er o c km a s sq u a l i t ya n ds t a b i l i t y o ft h eg r o w i n gd e p t ho fu n d e r s t a n d i n g ，p r a c t i c es h o w st h a tt h et u n n e lw a sb u i l ti nt h es u r f a c ea sar e s u l to f ac e r t a i nd e p t hi nt h er o c ka n ds o i l ，r o c ka n ds o i le n c o u n t e r e di nt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g y , h y d r o g e o l o g i c a l c o n d i t i o n so ft h ec o m p l e xa n dc h a n g e a b l e ，t h ec u r r e n tm e t h o do fe n g i n e e r i n gg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o na n d t e c h n i c a ll e v e l ，t ot h eq u a l i t ya n ds t a b i l i t yo fr o c ks t a t et om a k ea c c u r a t ep r e d i c t i o n si sv e r yd i f f i c u l t t h i s a r t i c l eh a sb e e nb a s e do nl i m i t e di n f o r m a t i o n , c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i e n c eo fe n g i n e e r i n gp r a c t i c e q i n g s i n gh y d r o p o w e rd i v e r s i o nm n n e lo ft h er o c km a s sc l a s s i f i c a t i o na n ds t u d yt h es t a b i l i t yo f s u r r o u n d i n gr o c k m a d ei nt h ef o l l o w i n gt h er e s u l t so fe x p l o r a t o r y f i r s to fa l l ，t h ed i v e r s i o nt u n n e li nt h i sp a p e rt oc l a r i f yt h er e g i o n a lg e o l o g i c a la n de n g i n e e r i n g g e o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h ee n v i r o n m e n to nt h eb a s i so ft h ec o n s t r u c t i o nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h e c h a r a c t e r i s t i c so ft b m ，t b md r a w ni n t ot h eq u a l i t yo fc o n s t r u c t i o nr o c k ，p r i m a r i l yo nt h eb a s i so f g e o l o g i c a lf a c t o r sa n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ee f f i c i e n c yo ft b mt od e t e r m i n et h es p e c i f i ca n a l y s i s c o n s t r u c t i o no ft h et b ms u r r o u n d i n gt h ei m p a c to ff a c t o r s ，m a d ear e a s o n a b l ec l a s s i f i c a t i o no ft h er o c k m a s sq u a l i t yo f t h eq u a n t i t a t i v em e t h o d ，u s i n gt h em e t h o d so fg e o l o g i c a li n v e s t i g a t i o na tt h es c e n ed a t a ，a n d e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fr o c km e c h a n i c s ，c h i n gc h u n gs t a t i o no nt h ed i v e r s i o nt u n n e lf o rt h er o c kn l a s s q u a l i t yc l a s s i f i c a t i o n s e c o n d l y , t h eu s eo ff i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s c m a r cd i v e r s i o nt u n n e lt oc a r r yo u ts e l f - w e i g h t s t r e s sf i e l do fs i m u l a t i o n ，t od r a ww a t e ri n t ot h et u n n e lm o r eo rl e s ss e l f - w e i g h ts t r e s sd i s t r i b u t i o na n d c h a n g e sw i t ht h et o p o g r a p h y , a st h e t u n n e ld e p t h ，a n dt h ee x i s t e n c eo f h i g hg r o u i l ds t r e s sf i e l d f i n a l l y , t h ed a m a g i n ge 位c t so ft h ef a c t o r ss u r r o u l l d i n gr o c ki s d i v i d e di n t oh u m a nf a c t o r sa n d g e o l o g i c a lf a c t o r s ，a na n a l y s i so fr o c k d e f o r m a t i o na n df a i l u r eo ft h ew a y , a c c o r d i n gt oat y p i c a l c r o s s - s e c t i o nf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ，a n da n a l y s i so ft h es t a b i l i t yc h a m b e r s ，p a r to ft h el o tf i o mt h e t u n n e lo p e n i n ga f t e rd i g g i n gt h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h et y p i c a ll o ti nt h ee x c a v a t i o no ft h et u n n e la f t e rt h e c h a n g e si nd i s p l a c e m e n ta n ds t r e s sa n a l y s i so fi t sc a u s e sa n dt r e n d sf o rt h et u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o fr e a s o n a b l yp r o v i d ea ni m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ea c t u a lc h e o n g s o n gh y d r o p o w e rd i v e r s i o nt u n n e lc o m p l e t e ds u r v e ya n dt e s t d a t a ，a n da n a l y s i sa n de v a l u a t i o no fr e s u l t sf r o mt h ew a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c tc o n s t r u c t i o na n dg e o l o g i c a l d i s a s t e r sa r ei m p o r t a n t k e y w o r d s ：q i n g s o n gs t a t i o n ，d i v e r s i o nt u n n e l ，r o c kc l a s s i f i c a t i o n ，s t a b i l i t y , n u m e r i c a 论吏班纠住声明 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，均已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：年月日 论吏知识声仅仅属声日月 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： 年月日 年月日 长安大学硕士学位论文 o 1 问题的提出 o 前言 t b m ( t u n e lb o r i n gm a c h i n e ) 为岩石隧道掘进机的简称，是利用回转刀具开挖， 同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。现已 广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程中。在实际应用中引发一些 问题也值得去探究，如目前国内外尚未有一个公认的t b m 施工条件下的隧道围岩分级方 法。当今流行的隧道围岩分级( 或称分类) 方法，大多数乃是针对隧道围岩稳定性等级的 划分而提出的，难以满足t b m 施工条件下的隧道施工需要。t b m 施工条件下的隧道围岩 分级主要针对工程岩体的可掘进性，即根据围岩的主要地质因素与t b m 工作效率的关系 来划分。因此，纯粹套用以评估围岩稳定性为主的隧道围岩分级方法来进行t b m 施工条 件下的隧道围岩等级划分显然是不恰当的。还有围岩的稳定性等一系列潜在的问题对隧 洞施工安全、洞室稳定、工期等都密切相关。对这些问题的解决是隧洞开挖的关键所在， 对隧洞的工程地质评价显得尤为重要! 因此，本论文选择四川青松水电站工程引水隧洞 开展这一问题进行研究。 o 2 研究现状及存在的问题 0 2 1 国内外研究现状 工程岩体分级是在大量岩石工程实践的基础上逐步形成和发展的。一百多年来，国 内外提出的工程岩体分级方法泛百种之多。国外对工程岩体分级的研究开展较早，1 8 世纪，俄国人就提出了将岩石分为坚石、次坚石、软石、破碎岩石和松散岩石等的五级 岩石分级法；1 8 6 1 年欧洲人霍夫曼提出了按开采工具将岩石划分为六级的方法。这两个 早期分级，主要是为施工服务的。 2 0 世纪初，陆续出现了为支护设计和确定地压力服务的分级方法，如著名的普罗 托吉亚柯诺夫的分级( 普氏分级) ( 1 9 2 6 年) 、太沙基的分级( 1 9 4 6 年) 。2 0 世纪5 0 年代以 来，出现了以评价工程岩体( 围岩) 稳定和相应支护形式为目的分级，主要有劳弗尔根据 毛洞稳定时间为指标的分级，迪尔( 1 9 6 9 年) 按岩石质量指标r q d 值为指标的分级，巴顿 ( 1 9 7 4 年，挪威) 岩石质量系数q 分级，宾尼威斯基( 1 9 7 3 年，南非) 的节理化岩体的地 质力学分级，以及日本国铁的按弹性波速度的分级，等等。 0 前言 国外有代表性的分级简介： ( 1 ) r q d 分级法 r q d 分级法是由美国伊利诺斯大学的迪尔于1 9 6 4 年提出的，依据岩体质量指标 ( r q d ) 将岩体分为5 级。r q d 定义为岩芯中长度等于或大于l o c m 的岩芯累计长度与钻孔 进尺总长度之比。即 r q d = ( 1 0 c m 以上长度岩芯累计长度钻孔长度) 1 0 0 表0 1 是迪尔所建议的分级标准。 表0 1 迪尔所建议的分级标准表 r q d 岩体质量描述 0 2 5 非常不好 2 5 5 0不好 5 0 7 5较好 7 5 9 0 好 9 0 - - , 1 0 0 非常好 关于岩芯采取率、岩芯平均长度、最大长度等受岩体裂隙发育程度、硬度、均质性 质强烈影响，因此r q d 指标反映了岩体被各种结构面切割的程度。由于指标意义明确， 可在钻探过程中附带得到，又属于定量指标，因而在国外的分级中被广为采用。但目前 多数r q d 值受钻孔机具、工艺水平等影响很大，同一岩体得出的r q d 指标有时差异很大。 ( 2 ) 南非地质力学分级法 地质力学分级法由南非宾尼威斯基博士于1 9 7 3 1 9 7 5 年间提出，该法分3 步进行。 第一步确定各分级判据的分值，把分值累计起来可得岩体的总分值，按总分值评价岩体 属于哪一级别，例如很好、好等。数值越大，表示岩体的质量越好。第二步是按裂隙产 状对不同工程的影响修正岩体的总分值，根据裂隙对不同工程的影响程度，扣除不同的 分值，这是因为裂隙对各类工程的作用不是等同的。例如节理走向在隧道中的作用不如 在边坡工程中重要，则扣除的分值也少。第三步可根据作者建议的岩体工程围岩分类表 ( 表0 - 2 ) 来预测围岩的自支承时间、岩体的抗剪强度性质以及可挖性等，以此作为设计 与施工的参考依据。 长安大学硕士学位论文 表o _ 2南非地质力学分级表 完整岩体的单轴 2 0 01 0 0 2 0 05 0 1 0 02 5 5 02 5 抗压强度m p a 1 分配点数 1 51 274 2 r q d 9 0 1 0 07 5 9 05 0 7 52 5 5 0 31 - - - 3o 3 10 0 5 t o 3 9 5 0 长 主要分布在尖项寨子一带。 城 系 灾黑色、灰绿色板状石英绢云母千枚岩、夹少量变质 黄草岭下段 z c h l 百英粉砂岩。主要分布在金尖项寨子一带觉梯背斜剁 9 3 0 部。 1 2 3 引水隧洞区水文地质特征 隧洞沿线地下水主要有基岩裂隙水、岩溶裂隙水和第四系孔隙水。 在几个深切沟谷中分布有第四系孔隙水，受降水补给，赋存于砂砾石层中，由于过 沟地段上覆基岩较薄，裂隙发育，第四系孔隙水补给岩溶裂隙水或基岩裂隙潜水。因此， 1 0 长安大学硕士学位论文 隧洞通过这几个深切沟谷时，可能有地下水存在。根据钻孔资料，过沟段地下水埋深 5 8 6 7 m 。 基岩裂隙水的补给以大气降水渗入补给为主。由于碎屑岩以砂岩夹泥质粉砂岩或砂 页岩相间产出，含水岩组与隔水岩组相间分布，使地下水在空间分布上具有多层含水、 成层性、顺层运动和无统一地下水水位的特点，决定了基岩裂隙水以层间裂隙潜水为主 外，尚存在有层间裂隙承压水和上层滞水。在没有断层贯通的条件下各含水层相对独立， 与相邻含水层水力联系微弱。根据钻孔资料，岩体透水性随深度逐渐减弱，岩性、构造 对岩体透水性的强弱起着控制作用，随深度的增加，裂隙多闭合，因此一般浅部比深部 富水性好，形成网状、脉状和裂隙状含水结构，而深部水量随裂隙发育程度的减弱而有 减少的趋势，甚至为无水状态。初步预计在没有断层的影响下，一般埋深的隧洞地下水 的危害较大，而对埋深大的隧洞段，随隧洞埋深增大，危害性将逐渐减弱。由于断层破 碎带及其影响带具有良好的储水和导水性能，因此可形成不同形式的富水带，隧洞在通 过断层破碎带及影响带时可能发生涌水，根据西溪河已施工的隧洞调查，其水量随时间 的推移，逐步减小。 岩溶裂隙水的运动主要受控于地质构造和岩溶发育程度，由于工程区碳酸盐岩白云 石含量较高，本身可溶性较弱，再加上受碎屑岩围限，地形陡峻，补给条件不利，径流 强，岩溶发育程度弱，因此岩溶水不丰富，且随隧洞埋深的增加，裂隙和岩溶的发育程 度降低，在没有断层通过的地段，岩溶水主要运动于构造裂隙和溶蚀裂隙中，造成洞室 内滴水和线状水，局部以小规模管流的形式运动。在断层发育洞段和浅埋洞段，由于岩 体破碎，裂隙和岩溶相对发育，岩溶裂隙水相对丰富，可能发生涌水。 1 3 地应力 中国地质科学院地质力学研究所对已完成的钻孔进行了地应力测量，试验成果如 下： 在z k i 孔6 8 ，- - - 3 1 5 m 深度内，进行了1 0 段确定主应力大小和3 段主应力方向的试验。 结果详见表i - 2 。表中给出了岩石密度为2 6 5 9 c m 3 估算的垂直应力值( ov ) 。图卜2 是主应力值随孔深分布图。 1 青松水电站引水隧洞工程地质条件 表1 - 2z k i 孔水压致裂地应力测量结果表 序 试段中间 压裂参数( m p a )应力值( m p a ) 0h 方向 深度 ( o ) 号p bp rp sp hp ot oh0h0v ( m ) 16 7 1 31 0 4 87 0 14 6 70 6 7o 6 03 4 74 6 76 4 01 7 8 29 5 7 08 4 47 0 64 8 1 o 9 6o 8 91 3 84 8 16 4 72 5 4 31 2 4 0 01 1 4 09 o o5 7 81 2 41 1 72 4 05 7 8 7 1 73 2 9 41 6 2 4 08 7 86 4 54 5 61 5 2l - 4 62 3 34 5 65 7 84 0 4 51 7 8 5 01 0 5 99 8 96 8 4 l - 7 91 7 20 7 06 8 48 9 04 7 3n 4 6 o w 62 1 6 7 61 6 5 71 1 5 77 6 02 1 72 1 05 o o7 6 09 1 25 7 4n 5 5 。w 7 2 5 7 2 9 1 1 4 89 2 87 3 12 5 72 5 12 2 07 3 11 0 1 56 8 2 82 7 7 8 01 1 1 29 2 07 2 8 2 7 82 7 11 9 27 2 89 9 37 3 6 92 9 0 1 01 1 3 11 0 5 77 4 72 9 02 8 3 o 7 47 4 79 0 l7 6 9 1 03 1 4 3 71 3 2 41 0 8 67 8 93 1 43 0 82 3 87 8 99 7 38 3 3 n s o 。w 注：p b 一岩石原地破裂压力；p r 破裂面重张压力：p s 一破裂面瞬时闭合压力：p h 一静水柱压 力；p o 一孔隙压力：嘴石抗拉强度；0h - 水平最小主应力；0i 卜水平最大主应力；ov 一估算 的垂直应力数值。 试验段深度系指从孔口到试验段中点的深度。 由表卜2 和图i - 2 可见，在z k l 孔测量深度域内，最小水平主应力( oh ) 值一般 为7 m p a 左右，最大水平主应力( 0h ) 值一般为i o m p a 左右。岩石密度取2 6 5 9 c m 3 ， 计算的垂直应力( ov ) 为6 4 0 9 7 3 m p a 。水平主应力值随地层深度增加而增大。 3 段印模确定的最大水平主应力方向分别为n 4 6 。w ，n 5 5 。w 和n 5 0 。w 。其优势方 向为n 5 0 。w 左右。 在z k 3 孔7 0 1 8 0 m 深度内，进行了7 段确定主应力大小和3 段主应力方向的试验， 结果详见表i - 3 。表中给出了岩石密度为2 6 5 9 c m 3 估算的垂直应力值( ov ) 。图卜3 是主应力值随孔深分布图。 1 2 长安大学硕士学位论文 5 0 7 0 1 1 0 1 3 0 i 1 5 0 1 70 e1 9 0 蓑2 l 0 0 0 2 3 0 2 5 0 2 7o 2 9 0 3 l0 3 3 0 3 5 0 应力( h p a ) 0123456789i ol l1 21 3 水平最小主应力；- 一水平最大主应力；0 垂直应力数值。 图1 - 2 1 1 0 1 1 5 1 2 0 1 2 5 l 加 1 3 5 1 4 0 l l 艏 1 7 0 1 7 5 1 8 0 1 8 5 l o z k l 主应力值随孔深的分布图 应力( m p a ) 23456 水平最小主应力；水平最大主应力：0 垂直应力数值。 图1 - 3z k 3 孔主应力值随孔深的分布图 由表i - 3 和图1 - 3 可见，在z k 3 孔测量深度域内，最小水平主应力( 0h ) 值一般 为3 m p a 左右，最大水平主应力( 0h ) 值一般为4 - - 5 m p a 。岩石密度取2 6 5 9 c m 3 ，计算 的垂直应力( 0v ) 为3 2 4 - - 4 7 7 m p a 。水平主应力值随地层深度增加变化不大。 1 3 拈卯：； 5 瞄聒 1 青松水电站引水隧洞工程地质条件 在孔深1 6 6 - - 1 8 0 m 进行的印模结果表明，最大水平主应力方向分别为n 5 4 。w ， n 6 2 。w 和近e w 。受地形地貌和节理裂隙发育影响，测量的主应力方向较为离散，其优 势方向为n w w 。 表1 - 3z k 3 孔水压致裂地应力测量结果表 序 试段中 压裂参数( n i p a ) 应力值( m p a ) 间深度小方向( o ： 号p bp rp sp hp 0ta ho ho v ( m ) 11 2 2 3 57 7 34 8 23 3 21 2 21 1 62 9 l3 3 23 9 8 3 2 4 21 2 5 7 9 5 9 13 6 62 8 01 2 61 2 02 2 52 8 03 5 43 3 3 31 4 6 0 06 0 34 4 63 0 61 4 61 4 0 1 5 73 0 6 3 3 2 3 8 7 41 5 0 3 46 5 14 3 53 3 01 5 01 4 4 2 1 63 3 04 1 13 9 8 5 1 6 6 o o 8 5 24 5 63 5 l1 6 61 6 03 9 63 5 14 3 74 4 0e w 61 7 0 6 29 4 55 0 13 8 91 7 l 1 6 54 4 43 8 95 0 14 5 2n 5 4 0 w 71 8 0 o o9 1 55 6 04 2 01 8 01 7 4 3 5 5 4 2 05 2 6 4 7 7n 6 2 0 w 注：p b 岩石原地破裂压力；p r 一破裂面重张压力；p s 破裂面瞬时闭合压力：p h 一静水柱压 力；p 0 一孔隙压力；t 岩石抗拉强度：oh 水平最小主应力； oh 水平最大主应力；ov 一估算 的垂直应力数值。试验段深度系指从孔口到试验段中点的深度。 初步分析判断，引水隧洞通过地区最大水平主应力方位为n 4 6 。w n 6 2 。w ，与隧洞 轴