（道路与铁道工程专业论文）岩体透水性与隧道涌水量计算研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 隧道是交通线上重要的组成部分。隧道涌水量是评价隧道充水条件复杂 程度的主要标志，是制定隧道疏干排水设计的主要依据。做好隧道涌水量的 预测工作，对隧道正确设计十分重要。常用计算隧道涌水量的方法，一般说 来有理论公式法、数值计算法和经验公式法三大类。随着国民经济的飞速发 展，海底隧道的建设也越来越多，隧道修建及运营过程中涌水地质灾害已成 为勘测设计阶段需重点考虑的问题之一。而隧道可能涌水区段及涌水量大小 的预测计算为这一问题关键之所在。同时这一问题也是国内外学者、专家长 期致力的一项重大研究课题。 隧道涌水严重影响着围岩的稳定，威胁隧道安全。因此，防患于未然， 在隧道施工前必须掌握和了解隧道沿线地段的地下水分布、水位、水量、补 给、排泄等情况，对特殊地质地段的地下涌水作好预测，并作好技术处理应 对措施。隧道涌水预测计算要贯穿于从勘测设计到施工这一整个过程，在施 工阶段对设计阶段的计算成果，不断地进行反演修正，以完善隧道涌水预测 的准确率，提高掌子面施工前方的涌水预报效果，更好的服务于施工。 拟建厦门东通道海底隧道工程位于厦门岛东北端的湖里区五通村与对 岸同安区西滨村之间，方向北东n e 5 0 。，隧道全长约5 9 k m ，其中海域段长 约4 2 k m 。东通道工程是厦门市公路骨干网规划中的重要组成部分，它的建 成对厦门市经济发展、尤其是厦门市东部地区的经济发展将起到重要作用。 同时，厦门东通道海底隧道工程是我国计划建设的第一条海底隧道。由于工 程建设位于海底，透水岩体的补给水源为无限量，因此，查明隧道工程区的 水文地质条件并研究隧道开挖涌水量是该工程建设中必须解决的重大工程 地质问题。 根据现有水文地质资料和现场试验成果，进行裂隙介质岩体渗透系数等 效化研究，查明工程岩体、裂隙( 结构面) 、深厚风化( 槽) 带的渗透性， 利用公式法和数值法计算隧道开挖涌水量，作出隧道渗透破坏评价，为隧道 施工提供理论依据。 关键词：隧道围岩岩体透水性涌水量 武汉理工大学硕士学位论文 a bs t r a c t t u n n e li sa n i m p o r t a n tp a r to f c o m m u n i c a t i o nl i n e s s u r g ew a t e ra m o u n to f t u n n e li st h em a i nm a r ko f e v a l u a t i n gt h ec o m p l e xd e g r e eo f t u n n e lw a t e rf i l l i n g c o n d i t i o n ，a n dt h em a j o rb a s i so fd r a i n a g ed e s i g n p r e e s t i m a t i n gt u n n e ls u r g e w a t e ra m o u n ti sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec o r r e c td e s i g no ft u n n e l u s u a lm e t h o d so f c o m p u t i n g t u n n e l s u r g e w a t e ra m o u n ti n c l u d e ：t h e o r e t i c a lf o r m u l am e t h o d ， n u m e r i c a lm e t h o da n de m p i r i c a le q u a t i o nm e t h o d ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m ya n dm a s s i v ec o n s t r u c t i o no fs u b m a r i n et u n n e l ，t h eg e o l o g y d i s a s t e ro f s u r g ew a t e rd u r i n gc o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no f t u n n e lh a sb e c o m e a ni m p o r t a n tp r o b l e mc o n s i d e r e dd u r i n gt h er e c o n n a i s s a n c ed e s i g np h a s e ，a n d t h ep r e e s t i m a t i n go f s u r g ew a t e r z o n ea n d s u r g ew a t e ra m o u n t i st h ek e yt ot h i s p r o b l e m a tt h es a m et i m e ，t h i sp r o b l e mi s ag r a v er e s e a r c ht o p i co fd o m e s t i c a n d f o r e i g ns c h o l a r a n de x p e r t t h es u r g ew a t e rs e r i o u s l ya f f e c t st h e s t a b i l i t y o fa d j a c e n tr o c ka n dt h e s a f e t yo f t u n n e l s ow em u s tg r a s pa n du n d e r s t a n dt h et u n n e ll i n ec o n d i t i o no f g r o u n d w a t e rd i s t r i b u t i o n ，w a t e rh e i g h t ，w a t e ra m o u n t ，s u p p l ya n dd r a i n a g e ，a n d p r e e s t i m a t et h eu n d e r g r o u n ds u r g ew a t e ro fp a r t i c u l a rg e o l o g yz o n e ，a n dm a k e t e c h n i c a lm e a s u r e s t h ep r e e s t i m a t i o no f s u r g ew a t e rm u s tp e n e t r a t et h ew h o l e p r o c e s sf r o mr e c o n n a i s s a n c ed e s i g n t o c o n s t r u c t i o n d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n p h a s e ，c o n t i n u o u s l yi n v e r s ec o r r e c tt h ec o m p u t a t i o nr e s u l to fd e s i g np h a s e ，t o p e r f e c t t h e a c c u r a c y r a t eo ft u n n e l p r e e s t i m a t i o n i n c r e a s et h e s u r g e w a t e r p r e d i c t i o ne f f e c to f f r o n tp a l mp l a n e ，a n ds e r v et h ec o n s t r u c t i o n q u a s i c o n s t r u c t e d x i a m e ne a s tp a s s a g es u b m a r i n et u n n e lc o n s t r u c t i o n ， n e 5 0 0 i nd i r e c t i o na n da b o u t5 9k i l o m e t e r si nt h ew h o l el e n g t hw i t ha b o u t4 2 k i l o m e t e r s s e aa r e ai n c l u d e ，l o c a t e sb e t w e e nt h ew u t o n gv i l l a g ei nh u l ir e g i o n o fn o r t h e a s te n do fx i a m e ni s l a n da n dx i b i nv i l l a g ei nt o n g a nr e g i o n e a s t p a s s a g ec o n s t r u c t i o n i st h ei m p o r t a n te l e m e n to fx i a m e nh i g h w a yd i a p h y s i s n e t w o r k s p l a n n i n g ，i t s b u i l tw i l l p l a y a n i m p o r t a n t r o l ei nt h ee c o n o m i c d e v e l o p m e n to fx i a m e n ，e s p e c i a l l yt h ee a s tp a r to fx i a m e n m e a n w h i l e ，x i a m e n x i a m e ne a s tp a s s a g es u b m a r i n et u n n e li st h ef i r s ts u b m a r i n et u n n e lo fc h i n a l t 武汉理工大学硕士学位论文 p l a n n e dt oc o n s t r u c t f o rt h i sc o n s t r u c t i o ni si nt h es e a b e d ，t h es u p p l yw a t e ro f p e r v i o u sr o c ki si n f i n i t e ：s ot oc h e c ko u tt h eh y d r o g e o l o g i cc o n d i t i o no ft u n n e l e n g i n e e r i n ga r e aa n d t or e s e a r c ht h ee x c a v a t i o ns u r g ew a t e ra m o u n t ，i st h eg r a v e e n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o b l e m t ob es o l v e dd u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n a c c o r d i n g t ot h ee x i s t i n gh y d r o g e o l o g i cd a t aa n df i e l dt e s tr e s u l t ， s t u d yt h ee q u i v a l e n c eo fp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n to f f r a c t u r ed i e l e c t r i cr o c k ，t h e n c h e c ko u tt h ep e r m e a b i l i t yo fe n g i n e e r i n gr o c k ，f r a c t u r e ( s t r u c t u r a l p l a n e ) ，a n d d e e p a n dt h i c k w e a t h e r i n g ( g r o o v e ) b e l t ，c o m p u t e rt h ee x c a v a t i o ns u r g ew a t e r a m o u n tb yf o r m u l am e t h o da n dn u m e r i c a lm e t h o d ，a n dt h e ne v a l u a t et h es e e p a g e d a m a g e ，t op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt u n n e lc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：t u n n e la d j a c e n tr o c kp e r m e a b i l i t yo f w a t e r s u r g e w a t e ra m o u n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 ，1 隧道涌水量计算方法的回顾 1 1 1 隧道涌水量计算方法 隧道是交通线上重要的组成部分。所谓隧道，是指一种修建在地层中的 地下工程建筑物。它被广泛地应用于公路、铁路、矿山、水利、市政和国防 等方面。 自日本青函隧道和英法海底隧道相继正式动工以来，海底隧道逐渐引起 世界隧道工程界的瞩目。凿穿海底修隧道，将海洋隔开的陆地连结起来，这 并不需要特别丰富的想象力，但要实施，其困难程度却是难以想象的。即使 像日本、英法这样发达的资本主义国家，在长达数十年甚至一个多世纪的海 底隧道勘察建设史中，也历经艰难曲折”“。 由于每年自然灾害给人类生命财产带来了巨大损失，近一二十年来，世 界各国在工程建设上逐渐注意挑选具有抗御自然灾害能力的工程结构。为了 求得持久稳定的跨越江河、海湾、海峡通道，又能保证巨型船舶航行，国外 有优先考虑采用水下隧道作为越江、越湖、越海方式的趋势。我国也正在对 琼州海峡、渤海海峡和台湾海峡的海底隧道进行研究。 国内外对隧道水文地质条件的研究历来较重视。般情况下，隧道水文 地质研究首先应查明隧道所在水文地质单元内地下水补给、径流、排泄规律， 确定隧道水文地质类型和主要充水来源、充水途径，进而计算隧道涌水量， 为隧道施工过程中疏干排水方案设计提供科学依据。其中，隧道涌水量计算 及预测是隧道水文地质研究的重要内容。 隧道涌水量是评价隧道充水条件复杂程度的主要标志，是制定隧道疏干 排水设计的主要依据。做好隧道涌水量的预测工作，对隧道正确设计十分重 要。 常用计算隧道涌水量的方法，一般说来有理论公式法、数值计算法和经 验公式法三大类。 理论公式往往由水文、水力学原理经严密的数学推导得出，然而其适用 武汉理工大学硕士学位论文 条件苛刻，实际工程中很难完全符合这些条件，以至经由此法得到的结果与 实际相差甚远，缺乏实际应用价值。 数值法是随着计算机的出现而迅速发展起来的一种近似计算方法。数值 法包括有限单元法、有限差分法、边界单元法和离散单元法等，其中以有限 单元法应用得最为广泛。有限元法的数学基础，是能量守恒原理和分割近似 原理。有限单元数值计算方法是利用剖分插值把区域连续求解的初、边值条 件混合的微分方程离散成求解线性代数方程组，以近似解代替精确解。该方 法适合于不规则边界及承压与无压含水层共存，且不受含水层是否均质、初 始水头是否水平等条件的限制，在地下水渗流计算方面具有较大的优越性， 其中以变分有限单元法最为常用。变分有限单元法又称瑞里一里兹 ( r a y l e i g h r i t z ) 法，是从变分原理出发，把微分方程的求解等价于求某个 函数的极小值问题，再用剖分插值把求泛函数的极小值问题划成求解线性代 数方程组，进而得到微分方程的近似解。数值计算法正得到越来越广泛的应 用，其适用性强，只要地质模型正确就能取得较满意的结果。但是，数值法 计算工作量巨大，必须借助计算机进行，对勘探试验的要求很高，因而计算 成本也高，失之于经济实用。它对工程的要求较高，仅用于工程控制程度较 高的复杂隧道。数值法是研究各种隧道涌水问题行之有效的方法，它在处理 复杂非均质、复杂边界条件方面弥补了解析法的不足，用三维数值法预测计 算隧道掌子面前方的涌水量，这样才能更好地预测网状裂隙水的隧道涌水， 更好的为施工服务“。 用经验公式进行计算，尤其是基于地下水动力学理论并结合实际工程总 结而得出的方法和公式，在其适用范围内，既简便好用又能达到一定的预测 精度，可满足隧道工程勘测、初步设计和施工的要求。 1 2 计算隧道涌水量的作用和意义 随着国民经济的飞速发展，大量海底隧道的建设，隧道修建及运营过程 中涌水地质灾害已成为勘测设计阶段需重点考虑的问题之一。而隧道可能涌 水区段及涌水量大小的预测计算为这一问题关键之所在。同时这一问题也是 国内外学者、专家长期致力的一项重大研究课题。 隧道涌水灾害是铁路、公路等交通基础设施建设中严重的地质灾害之 一。它不仅影响隧道建设的正常施工，而且还会波及到隧道建成后的安全运 营，有时甚至会导致行车中断。造成巨大的经济损失。鉴于隧道地下水问题 2 武汉理工大学硕士学位论文 的重要性，历来在隧道工程的修建中，国内外学者及工程技术人员都非常重 视隧道涌水的预测问题，对此进行了大量勘探、试验和分析研究工作。 隧道施工时发生的涌水不仅对作业环境有影响，也会使掌子面不稳定， 使喷混凝土和锚杆的施工不良，特别是在有多量、高压涌水的情况下，常常 是造成重大事故的原因。隧道开挖中的涌水造成的影响主要包括：海底隧道 预计到的突水可能引发灾难性后果，掌子面围岩崩塌、流失、坑道埋没，在 施工中常常要改变施工方法、增加辅助工法，使工期拖后、工程费增加等等。 青函隧道在海下施工的过程中，发生过4 次涉及严重漏水事故“。 由于隧道通过的地段地质条件复杂，揭露的水文地质单元多，水源补给 量充足，所以其涌水具有两个重要特点：一是涌水量大，二是水头压力高。 如日本的旧丹那隧道1 9 1 8 年开工后曾6 次遇到大突水，最大的一次断层突 水达3 3t i l 3 s ，水头压力高达1 4 4 2 m p a ，贯通时总涌水量达1 6 8 m 3 s ， 致使该隧道历时1 6 年建成。我国的京广复线大瑶山隧道通过f 9 断层时，曾 遇到o 5 i i l 3 s 的突水，射程达8 - - l o m 。岩溶洞穴对隧道工程的稳定造成潜在 威胁，坑道排水又可能引起洞穴上覆土层的塌陷灾害，常可能导致建筑物突 发性破坏及地表水枯竭等一系列的环境问题。京广线大瑶山隧道因涌水突沙 引发地面塌陷1 0 0 余处及井水枯竭等严重环境问题，损失严重。 目前我国铁路隧道近5 5 0 0 座，约4 0 的隧道存在着程度不等的涌水或 渗漏水，影响铁路正常运营。特别是在旌工掘进期间，有时还遇到特大涌水 或突然涌水，不仅延误工期，人员也有伤亡。 同时，海底隧道地下水的侵蚀性同样不容忽视。由于侵蚀性地下水含有 能够与混凝土中的部分物质发生化学反应生成可溶性盐或膨胀性盐。在高渗 透性作用下，可溶性盐发生迁徙，膨胀性盐使混凝土疏松，从而导致结构功 能丧失。地下水侵蚀的类型主要有以下几种。 硫化物型：围岩中存在硫化物及其组合，与溶解于地下水中的氧气作用， 产生腐蚀性地下水。作用机理：硫化物+ 氧气+ 水一金属氧化物+ 硫酸。其中 硫酸具有腐蚀性，与混凝土中水泥水化物反应，生成膨胀性盐类。 硫酸盐型：围岩中存在硫酸盐及其组合与地下水作用，当溶解度较大时， 与混凝土中水泥水化物反应，生成膨胀性盐类，或石膏盐类遇水体积膨胀。 氯化物型：围岩中存在氯化物及其组合，氯化物中的镁离子与水泥水化 产物c a ( o h ) 。反应，生成m g ( o h ) 。，从而降低了混凝土的碱度：同时氯离子加 速了钢筋的锈蚀。 碳酸型：围岩中c o ：溶于地下水，生成碳酸，与已经发生碳化的混凝土 武汉理工大学硕士学位论文 发生反应，生成碳酸氢钙，从而降低了混凝土的碱度，加速了混凝土的其他 侵蚀。 组合型：围岩中存在的集中矿物质及其组合。 一般情况下，隧道涌水易发生在具有渗透性强、水量丰富、岩体破碎的 地层岩体中。在特殊地质地段，褶皱和断层发育，对地下水渗透通道的大小 和连通性都产生显著的影响。隧道丌挖后，破坏了相对隔水层，且由于围岩 应力重分布，在部分洞侧、洞顶出现切向拉应力，从而使岩体出现裂缝或使 原有细微裂缝增宽增大。在应力集中区，应力过大，因而岩体破碎。这些都 为围岩中地下水的排泄提供了通道，并且水力梯度增大，对断层破碎带、强 烈风化带或大裂隙中充填物形成潜蚀，将小颡粒带走。在地下水流量及水力 增大时就会出现管涌、塌方，造成施工困难，并对隧道本身的安全性造成破 坏。 隧道涌水严重影响着围岩的稳定，威胁隧道安全。因此，防患于未然， 在隧道施工前必须掌握和了解隧道沿线地段的地下水分布、水位、水量、补 给、排泄等情况，对特殊地质地段的地下涌水作好预测，并作好技术处理应 对措施。 对于不同的隧道，要根据其水文地质特征，建立正确的水文地质模型并 选用多种方法进行综合预测计算、相互验证，并对取得的结果结合研究区水 文地质条件进行综合评判。 隧道涌水预测计算要贯穿于从勘测设计到施工这一整个过程，在施工阶 段对设计阶段的计算成果，不断地进行反演修正，以完善隧道涌水预测的准 确率，提高掌子面施工前方的涌水预报效果，更好的服务于施工。 1 3 国内外研究现状及存在的问题 隧道地下水涌水的预测是从定性分析开始的。最早的预测只是通过查明 隧道含水围岩中地下水的分布及赋存规律，分析隧道开挖区的水文地质及工 程地质条件，依据钻探、物探、水化学及同位素分析、水温测定等手段，确 定地下水的富集带或富集区，以及断裂构造带、裂隙密集带等可能的地下水 涌水通道，并且用均衡法估计隧道涌水量的大小。随着技术水平和施工要求 的提高。基于定性分析的隧道涌水预测研究发展成为隧道涌水的定量评价和 计算。主要体现在隧道涌水位置的确定和涌水量预测这两个方面。 在隧道涌水位置的确定方面，人们通过对隧道围岩水文地质及工程地质 4 武汉理工大学硕士学位论文 条件的定性分析，发展了随机数学方法和模糊数学方法。在涌水量预测问题 上，人们根据隧道环境地下水所处地质体的不同性质、水文地质条件的不同 复杂程度、施工的不同方式及生产的不同要求等因素，提出了隧道涌水量预 测计算的确定性数学模型和随机性数学模型两大类方法。其中确定性数学模 型方法是利用水力学、地下水动力学等方面的理论，通过数学演绎，推导出 隧道涌水量与环境地下水位、围岩渗透性、地下水补给范围、补给时间等因 素的定量关系，得出一系列理论或经验解析公式，以预测计算隧道的涌水量， 这类方法包括水文地质类比法( 比拟法、径流模数法) 、水均衡法、解析法和 数值模拟法等。而随机性数学模型方法则是基于对与隧道涌水相关的水文地 质及工程地质条件不甚了解的前提下，把隧道藐工中产生的各种与涌水有关 的信息作为输入因子，把涌水造成的灾害或涌水量作为输出响应，利用随机 理论建立输入信息与输出响应之间的随机关系、进而预测预报隧道的涌水问 题。这类方法主要包括“黑箱( b 1 a c kb o x ) ”理论法、灰色系统理论法、时 间序列分析法和频谱分析法。 隧道涌水量计算方法比较多，主要有数理统计方法、系统均衡法、解析 法和数值法。数理统计法主要为水文地质比拟法，系统均衡法主要为水均衡 法，解析法主要运用地下水动力学中裘布依公式为基础的稳定流理论和以泰 斯公式为代表的非稳定流公式，数值法主要有迦辽金有限元法和里兹有限元 法。 在二十世纪六十年代中期以前，前三者比较常用。在此之后，由于解析 法等难以描述非均质含水层中和复杂条件下的地下水运动规终，并且随着快 速大容量电子计算机的出现和广泛使用，数值计算法( 主要有有限差分法和 有限单元法) 在地下水计算中得到推广，解决了非稳定流解析法计算中难以 解决的复杂条件下的水文地质计算问题。 二十世纪8 0 年代初，我国出版了几本有关地下水流动问题数值方法的 专著，它们对推广数值方法在水文地质中的应用起到了积极的作用，在应用 中发展很快，但是主要采用一维或二维流( 平面流) 地下水运动原理。 到了9 0 年代初期，在国内出现地下水三维流原理和模型的报道，一些 水文地质学界专家和学者对此作了一些初步的研究和探索，如长春科技大学 宿青山教授在大庆市和哈尔滨市小范围内应用地下水三维模拟和优化管理 模型，并取得了良好的成效。目前国内许多高校和科研单位，广泛开展了地 下水三维流理论和应用的研究。 在国外，地下水流三维模拟和优化管理模型理论和三维有限差数值求解 武汉理工大学硕士学位论文 方法发展迅速，在实际应用方面，也开发研制出功能强大的相应专业系统软 件，如r e m a x 管理系统软件。地下水管理软件( r e m a x ) 包括：地下水三维模 拟软件( m o d f l o w ) 、模拟模块( s i m u l a t i o n ) 、预优化模块 ( p r e o p t i m i z a t i o i l ) 、优化模块( o p t i m i z a t i o n ) 、分析模块( a n a l y s i s ) 五部 分，可以根据研究区具体的水文地质特征，确定模型区范围和剖分计算单元， 选择利用m o d f l o w 软件系统中的软件包，按照固定格式和要求输入数据文 件。首先利用m o d f l o w 软件来进行模型识别和验证，直到模型拟合较好后， 再根据具体的管理方案来确定管理目标和约束条件，输入相应的控制文件和 参数，逐步运行r e m a x 软件四大模块，就会得到满意的结果“。 1 4 课题来源 拟建厦门东通道海底隧道工程位于厦门岛东北端的湖里区五通村与对 岸同安区西滨村之间，方向北东n e 5 0 。，隧道全长约5 9 k m ，其中海域段长 约4 2 k m ( 见图卜1 ) 。东通道工程是厦门市公路骨干网规划中的重要组成部 分，它的建成对厦门市经济发展、尤其是厦门市东部地区的经济发展将起到 重要作用。同时，厦门东通道海底隧道工程是我国计划建设的第一条海底隧 道。1 9 9 8 年以来，厦门市路桥建设投资总公司组织完成了工程预可行性研 究、工程可行性研究和初步设计阶段的工程地质勘察工作，初步查明了推荐 和比选隧道轴线工程区的地层岩性、地质构造、水文地质、不良工程地质现 象( 全、强风化深槽等) 等问题，为隧道及两岸引线的初步设计提供了地质 资料。 根据已有的勘察成果并结合拟定的工程布置方案，厦门东通道海底隧道 工程涌水来源有：风化岩体透水；裂隙( 结构面) 透水；加深风化槽带 ( 本研究亦称断层破碎带，f 1 、f 2 和f 3 ) 透水。由于工程建设位于海底， 透水岩体的补给水源为无限量，因此，查明隧道工程区的水文地质条件并研 究隧道开挖涌水量是该工程建设中必须解决的重大工程地质问题。 工程岩体存在不同的水文地质单元，其水文地质参数( 如渗透系数等) 有必要进行进一步的分区和研究；对岩体渗流起控制作用的裂隙( 结构面) 分布特征、渗透性、主渗方向需进一步研究；槽状加深风化带岩体的渗透性 尚不清楚；隧道开挖涌水量计算边界有待修正和完善，从工程安全的角度出 发，有必要采用多种计算方法，相互对比验证。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图卜1厦门东通道海底隧道工程位置 由于工程的重要性和工程区地质环境的复杂性，对隧道开挖涌水量需要 进行专门的研究。 1 5 本论文的研究目标和主要研究内容 1 5 1 本论文的研究目标 根据现有水文地质资料和现场试验成果，进行裂隙介质岩体渗透系数等 效化研究，查明工程岩体、裂隙( 结构面) 、深厚风化( 槽) 带的渗透性， 利用公式法和数值法计算隧道开挖涌水量，作出隧道渗透破坏评价，为隧道 施工提供理论依据。 1 5 2 本论文的主要研究内容 结合厦门东通道海底隧道工程，研究以下主要内容： 1 工程区全、强、弱、微风化岩体的透水性研究，包括渗透系数等。 武汉理工大学硕士学位论文 2 岩体裂隙( 结构面) 透水性研究，内容包括：渗透系数：裂隙( 结构 面) 渗透系数张量【k 】= ( 裂隙优势方位，裂隙宽度) 表达式。 3 深厚风化( 槽) 带岩体渗透性与渗透破坏研究。 4 隧道开挖涌水量计算，包括：公式法计算涌水量；数值法计算涌水量； 不同方法得到的隧道涌水量结果的评价。 1 6 本论文的研究方法、技术路线 本论文的研究方法主要是： 1 现场工程地质勘察，了解工程区的工程地质条件等： 2 现场抽水试验、现场压水试验和室内渗透系数试验，评价工程区岩 体的透水性； 3 建立涌水量计算模型，进行隧道涌水量的计算评价。 本论文的技术路线如下： 1 通过岩体透水性、裂隙透水性和深厚风化槽透水性的研究，综合分析 该隧道工程区的岩体透水性； 2 采用涌水量计算概化地质模型和涌水量计算模型，分别利用公式法和 数值法计算涌水量，将两种方法的结果相互对比验证，进行隧道渗透破坏评 价。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章区域地质条件 2 1 区域地层岩性 工程区位于厦门岛东北侧，地貌单元属闽东南沿海低山丘陵一滨海平原 区。厦门地区出露的基岩地层主要有： 上三叠系文宾山组( t 。，) ：为灰( 灰黄) 色石英细砂岩、粉砂岩、中细 粒石英砂岩、长石石英砂岩、灰黑色泥岩及含砂泥岩，为海陆交互沉积，厚 度大于1 0 0 米，见于嵩屿、东渡、火烧屿及大任屿等地。 上侏罗系南园组( j 。n ) ：主要为浅酸性火山碎屑熔岩，最大厚度约2 7 0 0 米，出露于海沧、大帽山、文圃山、东渡、嵩屿等地。 上第三系佛县群上段( n + t6 ) ：为玄武岩夹砂砾岩，厚度大于1 0 0 米， 见于小金门岛。 侵入岩：侵入岩体时代均为燕山期，岩石类型以花岗岩为主。其次为二 长花岗岩及花岗闪长岩等；脉岩有石英岩脉、细晶岩脉、伟晶岩脉、石英斑 岩岩脉、石英正长斑岩岩脉、正长斑岩岩脉、细粒花岗岩脉、闪长岩岩脉、 闪长玢岩岩脉与辉绿岩脉。 2 2 区域地质构造 据中国地震局地球物理研究所、福建地震地质工程勘察院厦门市东通 道工程场地地震安全性评价报告，厦门地区所处大地构造单元为闽东中生 代火山断拗带( 二级构造单元) 之闽东南沿海变质带( 三级构造单元) 。在 此构造单元内，对工程区具有控制意义的断裂构造为长乐一诏安断裂带和九 龙江断裂带。 长乐一诏安断裂带：位于东南沿海丘陵地带，呈n e 向平行海岸线展布， 北起闽江口，经长乐、惠安、泉州、厦门、诏安，向南延伸至广东南澳、惠 来入海，长约4 5 0 k m 。该断裂带由一系列近于平行、长短不一的同向断层组 成，带宽3 8 5 8 k m 。 九龙江断裂带：分布于厦门、漳州和南靖等地，走向北西至东西，由二 9 武汉理工大学硕士学位论文 到三条次级断裂组合而成，长1 2 0 k m 以上。 除此以外，工程区还发育有一系列n e 向和n w 向断裂，它们构成了工程 区的基本构造骨架，见图2 一l 。 团，回z 匝蛩匿蛩囡s 压圣暖l ，团e 团。团m 团t 团t 。囫，团园t s 圈一s 囫，囤e 圃，固z 。团。t 母z 团拍囤私心田s 1 第四纪堆积物；2 上第三系佛县群基性火山岩建造；3 上侏罗统中酸性火山岩建造； 4 下侏罗统碎屑岩夹火山岩建造：5 燕山晚期中酸性、酸性侵入岩；6 燕山早期中酸性、 酸性侵入岩；7 晚侏罗世火山岩；8 推测复式向斜；9 推测复式背斜；1 0 正断层；1 1 逆断层；1 2 平推断层；1 3 性质不明型断层；“、1 5 、1 6 侏罗纪、自垩纪、新生代断 层；1 7 韧性断层；1 8 、1 9 、2 0 6 侏罗纪、白垩纪、新生代断层、第四纪区域构造应力 场方向；2 1 、2 2 、2 3 侏罗纪、白垩纪一老第三系、老第三系一新第三系压应力轴方向； 2 4 温泉：2 5 钻进断层破碎带的钻孔；2 6 断层编号 图2 一l工程区地质构造简图 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 研究成果表明，厦门地区自中生代以来的构造应力场可分为三期： 第一期构造应力场出现于三叠纪一侏罗纪，以走向n w 3 0 8 。一s e l 2 8 。及 近水平的最大主压应力轴为特征。区域上形成一系列走向n e 或n n e 的逆断 层、逆掩断层或左行压扭性断层，同时还伴生一些走向n w 的张性张扭性 断层。 第二期构造应力场出现于白垩纪一第三纪，以走向n e 3 0 4 0 。至 s w 2 1 0 2 2 0 。及近水平的主压应力轴为特征。在此构造应力场作 用下，使原有的n n e 向断层由压扭性转为张扭性，还出现一系列走向n n e 的 单向断陷盆地：原n w 向断层由张扭性转化为压扭性。 第三期构造应力场主要发生于第四纪，并延续至今。多数研究者确认， 厦门地区近代区域构造应力主轴方向为n w w 2 8 5 。s e e l 0 5 。 五通岸c z k 3 b 孔深度2 5 4 1 米段地应力测试结果( 见表2 1 ) 显示， 工程区最大水平主应力量值为1 4 7 3 2 4 m p a ，方向为n w 3 3 0 。n w 3 4 5 。， 即n w 向。 表2 1区域构造应力场测试成果 最大测 测段最大水平最小水平自重应力侧压系数 水平段 深度主应力主应力 序 h ( m ) o1 i ( m p a ) o ( m p a )( m p a )( 0h o ：) 主应力 号方位角 l2 6 9 41 4 71 0 70 7 l2 0 6 22 8 4 61 4 81 0 8o 7 51 9 7 32 9 4 61 8 91 4 90 7 82 4 3 43 1 9 22 9 22 7 2o 8 53 4 53 1 5 。 53 4 4 33 2 43 0 40 9 13 5 6 63 7 0 23 0 72 0 70 9 83 1 33 3 0 。 73 9 5 93 2 02 o o1 0 53 0 5 84 0 8 93 2 l2 8 11 0 82 9 6 工程区周围半径1 5 0 k m 范围区域内，历史上共记录到3 5 次m s 4 7 级 地震，其中最大的地震为泉州海外1 6 0 4 年7 5 级地震，距场址约8 3 k m ，影 响烈度达度强。距工程区最近的强震是1 1 8 5 年厦门海外6 5 级地震，距 工程区约3 4 k m ，影响烈度也是度左右。近场区2 5 k m 范围内未记录到3 级 武汉理工大学硕士学位论文 以上地震。根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，工程区地震动峰 值加速度0 1 5 9 ，反应谱特征周期0 4 0 s ，相当于地震基本烈度度。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章工程区工程地质与水文地质条件 3 1 地形地貌 工程区位于厦门岛东北侧，地貌单元属闽东南沿海低山丘陵一滨海平原 区。工程区陆域为风化剥蚀型微丘地貌，海岸带为海蚀海岸及堆积海滩地貌； 两岸地势开阔平坦，岸滩带向海域倾斜，坡度平缓，坡度2 。左右，高程2 0 3 5 m 。海平面平均高程一0 3 2 m ( 黄海高程) ，海域内水深0 2 9 m 。 3 2 气象与水文 3 2 1 气象 厦门海域为正规半日潮，历年来最高潮位4 5 3 m ，最低潮位- 3 3 0 m ，平 均高潮位2 3 9 m ，平均低潮位一1 5 3 m ，平均潮差3 9 2 m ，最大潮差6 9 2 m ( 黄 海高程) 。潮流形式属往复型，流向1 3 7 。 厦门地区属亚热带海洋性气候，年平均气温2 0 8 ，极端最高气温3 8 4 ，极端最低气温2 o 。每年2 8 月为雨季，年均降雨量1 1 4 3 5 m m 。每 年7 9 月为台风季节，风力可达7 1 0 级，最大风速可达6 0 m s 。 3 2 2 水文 ( 1 ) 陆域 陆域无河流发育，多为短小溪沟，地表分布较多池塘，大气降雨直接排 泄入海。 ( 2 ) 海域 海域水文条件较复杂，根据厦门东通道工程桥址水文、泥砂调查及专 题计算报告及厦门东通道桥位水域泥砂运动及海床冲淤特性研究报告， 厦门海洋站多年平均海平面0 3 l m ( 黄海高程) ，多年平均潮差4 o l m 。历史 最高潮位4 5 3 m ( 1 9 3 3 年1 0 月2 0 日) 、最大潮差6 9 2 m ( 1 9 3 3 年1 0 月2 0 武汉理工大学硕士学位论文 日) ：历史最低潮位一3 3 3 m ( 1 9 2 1 年2 月2 4 目) 。厦门潮汐属正规半目潮 潮令约3 天，属大潮差水域。 3 3 地层岩性 工程区上部地层为第四系冲坡积、残积、海积覆盖层；下伏基岩地层为 燕山期侵入岩类花岗闪长岩、花岗岩及喜山期岩脉。 3 3 1 第四系地层 ( 1 ) 第四系全新统海积层( q 。) 成分较复杂，主要由淤泥质亚粘土，淤泥质中细砂、粗砂、砾砂夹薄层 粘性土组成，不均匀分布于海底及岸滩地带，钻孔揭露厚度达十几米，如 c z k l l 孔q 。“厚度1 7 4 5 米。 ( 2 ) 第四系早更新统冲坡积层( q a “1 ) 主要由灰白色亚粘土组成，软硬塑状，零星分布于陆域的沟谷地带， 厚度o 5 m 。 ( 3 ) 第四系残积层( q 。- ) 表部均为棕红色，往下过渡为棕红杂黄色、灰白色花斑状，以砂质粘土、 亚粘土居多，硬塑状，广泛分布于五通岸海陆连接带的残丘台地，厚度多为 5 1 0 米。 3 3 2 侵入岩 ( 1 ) 花岗闲长岩( y ss “”6 ) 呈灰白、浅灰、肉红色，成分主要为石英、斜长石、钾长石、黑云母等。 粗粒结构，块状构造，以岩株的形式侵入，为工程区主要地层。 ( 2 ) 花岗岩( y 。“”。) 呈灰白、浅灰、肉红色，成分主要为石英、长石、黑云母等。粗粒结构， 块状构造，以岩基的形式侵入，结构面控制，广泛分布于工程区内。 ( 3 ) 辉绿岩( b 。) 沿裂隙侵入，与围岩紧密接触，宽度变化较大，由数毫米至数米。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 岩体风化 根据岩体不同风化程度，将工程区基岩划分为全、强、弱、微四个风化 带。各风化带特征见表3 一l 。 根据初步设计阶段与本专题研究阶段钻孔的揭露情况，工程区全风化岩 体分布厚度4 0 5 3 0 5 5 m ，最大厚度为3 0 5 5 m ，下线高程一3 8 4 4 m ，分布于 c z k l 5 处；强风化岩体分布厚度1 3 0 5 6 6 5 m ，最大厚度为5 6 6 5 m ，下线 高程一1 0 0 3 9 m ，分布于z t k 7 处；全+ 强风化岩体最大厚度为7 1 6 0 m ，分布 于z t k 7 处。工程区钻孔揭露的弱风化岩体最大厚度为3 5 m 。根据表3 一l ，全、 强风化岩体由于组织结构已被破坏，呈土状或砂状，因此在工程应用上，可 视为具有孔隙介质性质的连续地质体；弱、微风化岩体，由于组织结构清晰， 呈块状，在工程应用上可视为具有裂隙介质性质的非连续地质体。工程区钻 孔揭露的岩体风化特征见表3 2 。 武汉理t 大学硕士学位论文 表3 - 1风化岩体主要地质特征一览表 纵波速度( m s ) 风化带主要地质特征 范围平均值 全部变色，为灰白色杂棕红色； 岩石的组织结构完全破坏，呈土状或砂状： 1 3 3 0 全风化 除石英颗粒外，其余矿物大部分风化蚀变为次生 1 7 2 2 矿物：1 8 4 6 锤击有松软感，出现凹坑，岩心用手可捏碎。 大部分变色，为棕红色杂灰白色；只有局部岩块 保持原色； 岩石的组织结构大部分己破坏；沿裂隙面含次生 1 9 1 8 强风化 1 9 9 7 夹泥； 2 1 7 l 除石英外，长石，云母和铁镁矿物已风化蚀变： 锤击哑声，岩石变酥，易碎，用镐撬可以挖动。 岩石表面或裂隙面犬部分变色，但断口仍保持新 鲜岩石色泽； 岩石原始组织结构清晰完整，呈块状，裂隙面风 3 9 3 8 弱风化 4 l o o 化剧烈； 4 4 5 3 岩石矿物清晰； 锤击声脆，开挖需用爆破。 岩石表面或裂隙面有轻微褪色： 岩石组织结构无变化，保持原始完整结构，呈块 5 0 0 0 微风化状； 5 1 8 0 岩石矿物清晰； 5 7 5 8 锤击发音清晚，开挖需用爆破。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 2岩体风化特征一览表 钻孔 钻孔全风化岩体强风化岩体全+ 强风化备注 深度 厚度下限高程厚度下限高程 岩体厚度 q 地层厚度孔口高程 编号 ( m ) ( m )( m )( m )( m ) ( m ) ( i n )( r i l ) z t k l4 3 9 04 7 59 7 0- 9 7 04 7 54 9 5 z t i ( 26 3 0 02 4 0 02 78 47 4 53 5 2 93 1 4 538 4 z t k 37 7 5 02 17 0- 3 0 4 54 2 6 07 3 0 56 4 3 04 1 046 5 z t k 47 3 4 02 1 1 0一2 9 5 82 3 5 05 30 84 4 6 03 9 04 5 8 z t k 56 2 0 51 7 4 02 6 7 63 3 0 05 9 7 65 0 4 042 051 6 z t k 65 5 5 51 0 0 0- 3 0 4 41 3 ，4 04 3 8 42 3 4 03 5 0一1 6 9 4 z t k 77 5 5 51 4 9 54 37