（地质工程专业论文）基于tbm施工的关角隧道岩石耐磨性研究.pdf

西南交通大学硕士学位论文第1 页 摘要 t b m 施工体现了当今世界隧道施工的先进水平和装备的现代化。刀具是 t b m 隧道掘进最为重要的磨损件，刀具磨损程度直接关系到t b m 应用的掘进 效率和经济效益。岩石的耐磨性是影响刀具磨损程度的关键因素之一，岩石耐 磨性与岩石的物理力学指标以及岩石自身性质有着密切的联系。 本文通过试验和数理统计方法，对岩石耐磨性与岩石物理力学性质指标的 相关性进行研究在隧道现场采集了1 1 个品种岩石样品，分别进行了岩石耐磨 试验、岩石物理力学性质试验和岩石薄片鉴定试验并获得了相关试验数据。在 对岩石耐磨性与各项试验指标之间进行了系统的相关性分析研究后，得出了一 些重要结论。 本文认为岩石耐磨性与多个物理力学性质指标有相关性。在硬岩条件下岩 石单轴抗压强度完全可以作为力学指标的总代表为 i b m 施工提供技术参数。这 将简化硬岩的试验项目。论文发现岩石颗粒的大小与形状( 或岩石面粗糙度) 是影响岩石耐磨性的重要因素之，它与岩石耐磨性密切相关这二者可归结 为影响岩石耐磨性的一级相关指标。 研究表明，岩石石英含量与岩石耐磨性之间不具有相关性。为了定量研究 岩石耐磨性与硬度之间的关系，论文建立了岩石加权摩氏硬度的模型及其公式。 加权摩氏硬度值与岩石耐磨性、岩石单轴抗压强度均有较好的相关性，可为岩 石耐磨性提供技术参数供t b m 施工用。 关键词：岩石耐磨性；相关性：岩石试验；数理统计； i b m 西南交通大学硕士学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h et b mc o n s t r u c t i o nh a sm a n i f e s t e dt h ea d v a n c e dc o n s t r u c t i o nl e v e l a n dt h em o d e r n i z a t i o no fe q u i p m e n t si nt h em o d e r nt i m e s t h ec u t t e ri s t h em o s ti m p o r t a n tw o r np a r t sd u r i n gt h et b mt u n n e l i n go p e r a t i o n t h d d e g r e eo ft h ec u t t e ra t t r i t i o ni sd i r e c t l yr e l a t e st ot h eb u r r o w i n g e f f i c i e n c yo ft b ma p p l i c a t i o na n dt h ee c o n o m i cb e n e f i to ft b m t h er o c k r e s i s t a n c et oa b r a s i o ni so n eo ft h ek e ye l e m e n t sw h i c hi n f l u e n c et h e d e g r e eo ft h ec u t t e ra t t r i t i o na n di th a sc l o s er e l a t i o n s h i pw i t ht h e r o c kp h y s i c a lm e c h a n i c si n d e x e sa sw e l la st h en a t u r eo ft h er o c k t h i sa r t i c l eh a sd o n er e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o c k r e s i s t a n c et oa b r a s i o na n dt h ep h y s i c a lm e c h a n i c sg u i d el i n eb a s e do n t h ee x p e r i m e n t a t i o na n dm a t h e m a t i c a ls t a t i s t i cm e t h o d ，a f t e rh a v i n g g a t h e r e d1 1v a r i e t i e so fr o c ks a m p l e si nt h et u n n e ls c e n e ，a n dc a r r i e d o nt h er o c ka b r a s i o nt e s t ，p h y s i c sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e se x p e r i m e n ta n d t h i ns l i c ea u t h e n t i c a t i o nt e s ts e p a r a t e l ya n do b t a i n e dc o r r e l a t ed a t a i v eg o ts o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa f t e rh a v i n gh a das y s t e m a t i cp e r t i n e n t a n a l y s i sb e t w e e nt h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o na n de a c he x p e r i m e n t a l i n d e x t h i sa r t i c l ec o n s i d e r st h a tt h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o ni s r e l a t e dt om a n yp h y s i c sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si n d e x e s t h er o c ku n i a x i a l c o m p r e s s i v es t r e n g t hp r o v i d e st h et e c h n i c a lp a r a m e t e rf o rt h et b m c o n s t r u c t i o na st h er e p r e s e n t a t i v eo fm e c h a n i c si n d e x e su n d e rt h eh a r d r o c kc o n d i t i o n t h i sw i l ls i m p l i f yt h eh a r dr o c ke x p e r i m e n t a lp r o j e c t t h ea r t i c l ed i s c o v e r e dt h a tt h es i z ea n ds h a p eo fr o c kg r a i n s ( o rt h e r o u g h n e s sd e g r e eo ft h er o c ks u r f a c e ) i so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r s 西南交通大学硕士学位论文第f | l 页 w h i c ha f f e c tt h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o n ，i ti sc l o s ec o r r e l a t i o n t ot h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o n t h et w of a c t o r sc a nb ec o n s i d e r e d a st h ef i r s tc o r r e l a t i o ni n d e x e sw h i c ha f f e c t st h el e v e lo fr o c k r e s i s t a n c et oa b r a s i o n t h er e s e a r c hi n d i c a t e dt h a t ，t h e r ei sn op e r t i n e n c eb e t w e e nt h er o c k q u a r t zc o n t e n ta n dt h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o n i no r d e rt os t u d y t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o na n dt h ed e g r e e o fh a r d n e s si nf i x e dq u a n t i t y ，t h ea r t i c l ee s t a b l i s h e dt h er o c kw e i g h t i n g t om o bh a r d n e s sm o d e la n df o r m u l a t h ew e i g h t i n gt om o hh a r d n e s sa n dt h e r o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o n ，t h er o c ku n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t hh a s b e t t e rr e l a t i o n s h i pt h e yc o u l dp r o v i d et h er o c kr e s i s t a n c et oa b r a s i o n w i t ht e c h n i c a lp a r a m e t e rf o rt h ed e m a n d so ft b mc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：t h e r o c kr e s i s t a n c et o e x p e r i m e n t ，m a t h e m a t i c a l a b r a s i o n ，r e l a t i o n s h i p ， r o c k s t a t i s t i c ，t b m 西南交通大学硕士学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 前言 岩石耐磨性作为表征岩石物料性态的基本指标之一，在目前国内外学术界 展开的研究还不多，随着岩石学科科研工作的不断进展，人们生产实践的需要， 尤其是集掘进、排渣装运、衬砌施工等工序于一体的大型隧道施工设备隧 道掘进机( t b m ) 在隧道工程中的发明使用，使得人们重新认识到了岩石耐磨 性研究开展的必要性和重要性。 t b m 施工是高度自动化、机械化的“工厂化”的隧道施工方式。 i b m 施 工体现了当今世界隧道施工的先进水平和装备的现代化。世界第一台隧道掘进 机问世已经有1 8 0 年的历史了。t b m 施工以其快速、经济、安全、优质等特点。 目前较为普遍地用于中长隧道工程的施工。与传统的钻爆法相比，t b m 法施工 优点很多，如掘进速度快、机械化程度高、施工组织简化及实现了多种工序的 联合作业，使施工组织工作大为简化，其一般速率为常规钻爆法的3 1 0 倍。 用t b m 掘进机平均日进尺2 0 5 0 m ，最高可达6 0 7 0 m ，月平均进尺可达6 0 0 m ； 而钻爆法日进尺只有2 5 m 。此外，采用t b m 施工还有对围岩扰动小，洞室围 岩稳定性好：施工环境大为改善，工人劳动条件好；施工安全和节省劳动力等 优点。从经济角度看，虽然t b m 一次性投资大，要求施工人员技术水平和管理 水平高，对短隧道不能发挥优越性，但在地质情况复杂的深长隧道，用t b m 法 施工具有极大优势。根据国外实践证明，当隧道长度与直径之比大于6 0 0 时， 采用t b m 进行隧道施工是经济的【l 】 由于t b m 的施工实现了施工工效、经济效益与社会效益的多重优化。在修 建长大隧道工程时，国际上将优先选用 i b m 作为达到隧道快速开挖的首选1 2 j ， 从2 0 世纪5 0 年代以来采用t b m 掘进技术建成的世界大型隧道有英吉利海峡隧 道( 长5 1 3 k m ，直径8 8 m 、5 8 m ) 、南非莱索托隧道( 长3 0 5 k m ，直径5 m ) 、 东京湾海底隧道( 长2 0 k m ，直径1 4 1 4 m ) 、丹麦大海峡隧道( 长1 4 8 k m ，直径 7 7 m ) 、荷兰的西斯凯尔特河隧道( 长1 3 2 k m ，直径1 3 2 m ) 、荷兰生态绿心隧 西南交通大学硕士学位论文第2 页 道( 长7 2 k m ，直径1 4 8 7 m ) 、德国海瑞克双管隧道( 长2 1 2 k m ，直径1 1 6 8 m ) 等。 据统计，采用t b m 施工的隧道约占目前世界上隧道总数的3 0 。随着t b m 设计改进和机具性能的提升，人们对隧道地质环境的认识水平的提高，以及对 复杂岩土体的利用、改造技术的发展，t b m 技术在国内外隧道及其它地下工程 的施工必然将得到越来越广泛的采用【3 l 。 我国目前也在大力引进和联合生产t b m 机械设备，并已经在国内数个隧道 如秦岭隧道( 长3 6 9 k m ，直径8 8 m ) 、万家寨引黄隧道( 长1 2 4 5 2 k m ，直径4 8 6 1 2 m ) 、上海地铁1 # 线隧道( 长1 7 4 k m ，直径6 3 4 m ) 、云南掌鸠河引水工程 上公山隧道( 长1 3 8 l ( 1 n ，直径3 6 7 m ) 、桃花铺1 # 隧道( 长7 2 k m ，直径8 8 m ) 、 磨沟岭隧道( 长6 1 l k m ，直径8 8 m ) 等进行了t b m 施工，均取得了良好的社 会效益和经济效益。 但是，从目前的t b m 施工生产实践来看，由于受施工范围内复杂多变的地 质体的影响，t b m 在施工中出现的问题也很多，如存在掘进速度低、耗刀率高、 机械部件磨耗率大、掘进经济成本巨大等，这些问题均不利于t b m 的使用和发 展t b m 效率能否充分发挥，很大程度上决定于t b m 掘进对象围岩的工 程地质条件的好坏。探讨t b m 施工与地质因素的关系，是近期地质工程、隧道 工程专业领域中较为关注的并着力研究解决的问题，在这方面已有一批数量的 试验研究和工程实践，并取得了一定的成果。根据对我国秦岭隧道研究认为1 4 】， t b mi 作条件的好坏主要与以下地质因素有关：一是岩石的单轴抗压强度，对 于硬岩隧道来说，岩石抗压强度越高，掘进越困难，反之越容易。二是岩石结 构面的发育程度，一般情况下，节理较发育和发育，t b m 掘进效率高，而节理 不发育，岩体完整，t b m 破岩困难：节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，t b m 效率也不高。三是岩石的坚硬程度和耐磨性，这是影响t b m 效率的重要因素之 一，它们对刀具的磨损起着决定作用。岩石坚硬程度和耐磨性越高，刀具和刀 盘的磨损就越大，t b m 换刀量和换刀时间增多，t b m 应用的经济效益和掘进 效率就降低。 刀具是t b m 隧道掘进最为重要的磨损作。刀具损耗是评价t b m 工作性能 西南交通大学硕士学位论文第3 页 的一个重要参数，同时它也是 i b m 施工经济分析的一个重要因素。据国外有关 资料统计，刀具消耗占t b m 运行成本的1 4 左右，占 i b m 运行成本中材料费 用的1 8 左右。近年来的工程实践证明，当前影响t b m 在我国使用效率的主 要制约因素之一就是t b m 在硬岩中掘进速度慢，刀具磨损损耗多用。 在t b m 钻进过程中，钻进刀具的刀片在纵向推力和刀盘转动下的切向力这 两向荷载下沿着被破碎岩石的表面移动，发生摩擦和磨损的过程。伴随这种过 程，岩石被破碎，刀具被磨损，这种客观结果已经在人类的生产实践过程中被 认知到但这种摩擦和磨损的机理是非常复杂的，它受许多因素的影响：如摩 擦过程，磨损性质，刀具和岩石的材质，相互运动的参数等等。由于目前 i b m 施工破岩的刀具是高强度、高硬度的耐磨性材料，所以其中起主要作用的是岩 石的耐磨性及影响岩石耐磨性的有关因素。 尽管岩石的耐磨性明显地影响了t b m 掘进速度的增加和 i b m 刀具材料的 大幅度消耗，但在这方面的研究还很少，至今在国际国内还未建立起统一的、 规范的岩石耐磨性指标和岩石耐磨性分级标准。也缺乏较通用的测定岩石耐磨 性的试验装置。从目前来看采用的试验仪器多数是与金属磨损测定装置相联系 的。 本论文试验就是采用自行研制的岩石耐磨试验仪器进行岩石耐磨性指标的 测定的。论文的着眼点是通过岩石耐磨性试验、岩石的各种物理力学性质试验 以及岩石的薄片分析等，探索分析出与岩石耐磨密切相关的因素，从而可以为 t b m 施工的优化提供有利的建议和方法。 1 2 国内外研究现状 对于物质耐磨性的研究在机械、金属材料领域开展较久，研究成果也非常 丰富。相比之下，在岩石、土木与工程领域对耐磨性的研究还不多。 研究岩石耐磨性的工作起步较晚，它是和采矿工程中岩石可钻性( 可钻性 表示岩石钻进的难易程度) 的研究同时起步的。1 9 3 0 年，前苏联科学家a 苏 哈诺夫首先提出在研究岩石可钻性分级时，必须注意切削具的耐磨性问题。 1 9 5 0 年，前苏联学者史力涅尔及1 9 6 9 年美国学者c g 怀特等人，用不 同的方法制定了岩石耐磨性的分类表【6 j 。 西南交通大学硕士学位论文第4 页 前苏联学者m m 赫鲁晓夫川做了很多的金属和矿物耐磨方面的试验，他的 试验结果表明，对于纯金属和退火状态的钢，其相对耐磨性和微痕硬度之间有 很好的比例关系；对于矿物，其耐磨性和微痕硬度成正比m 罗文斯基发现金 属耐磨性和晶格的刚性系数k ( 晶体点阵间单位位移所需的力) 的平方成直线正 比。这些基本规律认为在测定岩石耐磨性时，可以采用金属或矿物作为标志物， 即用标志物的磨蚀量来表征岩石的耐磨性的。 库兹涅佐夫认为磨蚀作用就是机械能转化为表面能、增加自由表面的过程； 当两种物体相互摩擦时，被磨蚀的体积反比例于物体的表面能。他通过对立方 晶系碱金属盐类做试验研究，得到式l 一1 ，证实了这个规律。 坐旦丝丛( 1 - 1 ) k口2 d 2 托y 1 式中4 矿磨蚀的体积； ，表面能； 卜磨屑粒度； 盯摩擦功被吸取而转变为表面能的系数，下标1 ，2 表示两个不 同物体。 德国k t h u r 0 1 8 】等人通过微型钻头钻进岩石试验对岩石耐磨性分别进行定 性研究和定量研究，证实钻头在工作状态下承受冲击应力和磨蚀作用下的剪切 应力与凿岩过程中岩石破碎机理是一致的；通过对不同类别岩石的钻孔试验得 出钻头的磨损与石英含量之间关系是不同的，钻头的定性与定量磨损和岩体的 微观结构和胶结质量有关；在热液蚀变岩石和砂岩中，钻头的磨损与岩石孔隙 率有关。 我国在1 9 6 5 年，地质部勘探技术研究所对岩石耐磨性开始进行了一些研究； 1 9 7 9 年，东北大学建立凿碎法对岩石可钻性分级工作中，也研究了岩石耐磨性 对钎头磨损的影响。 在二十世纪九十年代我国铁路部f l a i l 入了t b m 施工技术后，对隧道工程岩 石的耐磨性研究有了新的进展。1 9 9 7 年王磊【9 】在岩石力学试验和岩石耐磨性试 验的基础上建立了岩石耐磨性与岩石单轴抗压强度、岩石回弹值的数学关系模 西南交通大学硕士学位论文第5 页 矾一i w 一万2 ws i n 白 ( 1 - 2 ) 日。：；。1i：i=_ii：-：ljjji：!ii一2 ( 1 3 ) 西南交通大学硕士学位论文第6 页 箩= 1 3 0 ) ( 3 ) 布氏硬度公式【1 0 l ： 即鄄焉l o p 司 4 ) 式中尸一压力，为定值； 加钥球直径； 班钥球压过后，残留在材料表面的凹痕直径。 “) 洛氏硬度公式 日r c 一一h ( 1 5 ) 式中疗一压陷器压入位置的压入深度之差( 咖) ； n = o 0 0 2 哪( 常数) ； 护一常数：用钢球压陷器时，6 = - - 1 3 0 ；用金刚钴压陷器时，c = 1 0 0 。 2 、动力或回弹试验 动力或回弹试验是用一个活动的砧杆去撞击被试验的试件，由撞击而产生 的物料的任何一种塑性或屈服行为，都将使冲头弹回的弹性能量减少，把回弹 的高度作为物料硬度的量度。国际常用肖氏( s h o r e ) 硬度计和施米特( s c h m i d t ) 冲击锤来测定动力硬度。1 9 7 8 年，国际岩石力学协会推荐用c - - 2 型肖氏硬度计 和l 型施米特冲击锤为测定岩石硬度的标准方法。 c 一2 型肖氏硬度计是一种实验室的试验装置。它利用直径5 9 m m 、长 2 0 7 2 1 3 m m 、重2 3 9 的钢杆，其下端嵌有球形金刚石，使钢杆在玻璃管中自 2 5 1mm 高处自由下落，碰到岩石试样表面又回弹，回弹高度划分为1 4 0 格。 施米特( s c h m i d t ) 冲击锤原本是为测定混凝土的抗压强度而发展起来的，现 在己用于确定岩石的硬度。这种装置能在现场和实验室两用，它由一个用弹簧 加载的活塞构成，活塞射向正顶在岩石表面上的金属砧杆，以活塞回弹的高度 作为硬度的量度值。按冲击功划分为型，0 7 3 6 j ：型，2 2 0 7 j 。 我国勘探技术研究所在1 9 5 8 年创造了摆球硬度仪。它采用滚珠轴承的钢球 西南交通大学硕士学位论文第7 页 ( 直径i i 。i m m ，重5 7 9 ) ，系在长2 3 5 c m 的摆线上，周期地冲击固定地磨光岩 石面。钢球经过多次冲击岩石表面而耗尽全部能量时，记录下的弹跳次数即为 摆球硬度。 3 、划痕试验 划痕试验现在广泛地用于确定岩石和矿物的硬度。1 8 2 2 年摩斯( m o h s ) 提出 一个由划痕试验得到的矿物硬度表【l l l ，这是文献资料记载的最早期的测定矿物 硬度的一种划痕试验方法，迄今仍广泛使用。矿物硬度表由1 0 种矿物组成，按 顺序，前一个矿物被后一个矿物在表面上划痕，硬度依次增高，见表卜1 ： 表l 一1 摩氏硬度计 为了得到一个更加定量的硬度量度，现在已经发展到利用一个尖锐的金刚 石尖来刻划试件的划痕硬度计。陶麦基和比尔姆( t h et a l 衄g e 和b i e r b a l l ) 装 置是较好的划痕硬度计之一。发展至今，这种方法已用于测定岩石硬度指标。 据a t l a sc o p c 0 公司所提出的t b m 施工的地质参数测定方法中的岩石耐磨性指 标测试技术，就是岩石硬度划痕试验方法。 由于用金刚石尖的成本较高，现在做划痕试验、测量划痕硬度，在国外一 般采用一个具有一定钢度和硬度钢针，在其垂直方向上施加一定荷载去刻划岩 石表面，然后在显微镜下观测测量钢针的磨损程度，并用钢针的直径磨损值作 为岩石硬度( 耐磨性) 指标。现在根据我们自行设计制造岩石耐磨试验仪，通过试 验的手段对岩石耐磨性进行测定，并通过对试验数据的分析计算建立岩石各物 理力学指标与耐磨性之间的数学关系模型。为隧道工程的t b m 施工提供岩石耐 磨性指标参数。 1 。3 本文研究的思路、主要内容及技术路线 岩石耐磨性研究是近期逐渐发展起来的一个研究新领域，还没有一套成熟 的研究方法，而且又基于复杂的t b m 破岩机理与刀具的磨损分析，给研究本身 增加了很多的影响因素。为了更好的找寻其中较为稳定的、明显的规律性东西， 西南交通大学硕士学位论文第8 页 本文采用以下的研究方法与步骤： 1 、理论分析 在学习掌握摩擦与磨损基本理论后，对t b m 破岩机理、岩石与刀具的摩擦 磨损机理进行分析，据此提出岩石耐磨仪设计一般原则并设计制造自用的岩石 耐磨仪 2 、基本性质试验 根据要研究的内容，开展大量的岩石各类性质指标的综合试验，包括岩石 耐磨性试验、岩石基本物理性质试验、基本力学性质试验、刚性三轴力学强度 试验以及岩石的薄片分析等等，整理得出大量的各类试验数据， 3 、统计相关分析 将岩石耐磨指标与各类试验结果进行数理分析，归纳出其中暗含的物理规 律，找出并分析与岩石耐磨密切相关的因素。 本论文岩石耐磨性研究主要内容是应用数值方法对关角隧道岩石耐磨值指 标和岩石单轴抗压强度、抗拉强度、峰值抗压强度、泊松比、弹性模量、声波、 干密度、纵波波速和石英含量等数据指标之间进行相关性分析工作。 研究工作技术路线流程，见图1 1 1 4 主要工作及时问安排 1 、国内外研究现状及资料收集( 2 0 0 6 年l 2 月) 包括国内外关于岩石耐磨研究和相近领域以及t b m 施工技术资料与文件 的阅读和摘录工作。先后共阅读国内外岩石耐磨科技论文近5 0 篇及其它岩石 力学理论文章，对隧道工程地质条件和 i b m 刀具与岩石耐磨作用机理进行研 究。 2 、岩样采集与试验工作( 2 0 0 6 年3 8 月) 对关角隧道采集来的岩样进行编号，分别开展岩石的耐磨试验、岩石薄片 鉴定和物理力学性质试验。 3 、试验资料整理( 2 0 0 6 年9 1 0 月) 对大量的岩石各类试验资料进行统计整理，形成试验报告。 4 、岩石耐磨与各试验指标相关性分析( 2 0 0 6 年1 1 1 2 月) 西南交通大学硕士学位论文第9 页 运用数值方法，对岩石耐磨值和岩石的物理、力学、矿物含量等各指标进 行数学相关性分析，找出与岩石耐磨密切相关的因素，为t b m 施工提供技术参 数。 5 、论文的撰写( 2 0 0 7 年1 3 月) 完成论文初稿，并进行修改。 圈1 1 研究流科嘲 西南交通大学硕士学位论文第1 0 页 第2 章关角隧道工程地质条件 2 1 关角隧道工程简介 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，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。 关角隧道属于青藏铁路二期工程，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 5 0 5 1 a n ，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 区域属祁连山系中段南缘支脉青海南山，青海南山呈n w q 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、关角日吉由中高山区、关角日吉山南坡低高山 区三个次级地貌单元，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。 l 、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 0 m ，山坡自然坡度2 5 。3 5 。 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 + 0 0 0 ) 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 。4 5 。， 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 、关角同吉山南坡低高山区( 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 59 4 5 。， 西南交通大学硕士学位论文第1 1 页 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。 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 。1 8 e 9 9 。0 27 ，海拔高程：3 4 1 7 i m ) 资料，年平均气温一0 5 c ，极 端最高气温2 8 0 ，极端最低气温- 3 5 8 c ，最大月平均曰温差2 4 7 ，年平 均降水量3 4 1 6 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 。 2 2 3 地震动参数区划 根据国家质量技术监督局颁布的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0 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 9 6 ) 均复核评定为七度区。 2 3 区域地质特征 2 3 1 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： 1 、第四系全新统( q 。) 主要为现代河床冲积、洪积层和山坡坡积层，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，具级自重湿陷性，湿陷土层厚 3 6 m ，内摩擦角：2 0 5 。2 1 1 。，粘聚力：2 0 5 2 1 i k p a ，压缩系数：0 4 5 0 4 8 m p a ，压缩模量：3 9 5 3 9 9 1 d 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0 2 1 0m ，土质不均匀，局部可见少量碎石，硬塑一坚 硬，普通土，v 级围岩。主要分布于隧道进口、洞身沟谷及缓坡表层。 西南交通大学硕士学位论文第1 2 页 ( 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，主要分布于隧道进、出口段。 ( 4 ) 圆砾士：以租圜砾为主，厚5 1 5 m ，成分以砂岩、灰岩及花岗岩等 为主，稍湿潮湿，中密。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，成分以花岗岩、闪长岩及混合岩为主， 稍湿一潮湿，稍密一中密，i i 级普通土，v 级围岩，主要分布于隧道出口及洞 身浅埋段。 ( 6 ) 租角砾土：厚8 2 5 m 不等 稍湿一潮湿，稍密一中密，级硬士， 浅埋段。 成分以花岗岩、闪长岩及混合岩为主， v 级围岩，主要分布于隧道出口及洞身 ( 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，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，岩质坚硬， 岩体完整，v 级次坚石一级坚石，级一级围岩为主，局部为i i 级围岩。 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， 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。 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 ，最大粒径约 西南交通大学硕士学位论文第1 3 页 1 0 0 0 m m ，最小粒径约2 0 m ，钙质、硅质胶结，级软石一v 级次坚石，级围 岩，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 级次坚石级坚石，级一级围 岩为主，局部为级围岩。 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。 4 、石炭系( c ) 由变质、变形强烈的岩性组成，里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，局部为薄层坟，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。 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、长石、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。 西南交通大学硕士学位论文第1 4 页 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 级围岩零星分布于塔日那一带，在塔日那北侧沟谷北部可见灰白色含砾钙 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。 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， 主要分布于隧道进口段。 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。 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。 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霓，节理、裂隙较发育，岩体较完整，块状为 西南交通大学硕士学位论文第1 5 页 主，岩质坚硬，v 级次坚石一级坚石，级一级围岩。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 级次坚石级坚石，级一级围岩。 7 、华力西期闪长岩( 6 ) 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( 8t 1 ) ：呈北北西向长条带状展布于二郎洞巴彦 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。该岩体为交质侵入体，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，具岩浆结构和交晶结构的双重特征，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。 华力西晚期闪长岩( 6 ，) ：分布于测区南部，里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，岩体较较破碎一较完整，块状为主，岩质坚硬， v 级次坚石级坚石，级围岩为主，局部为i i 级、级围岩。 8 、华力西期花岗岩( 丫) 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，级围岩为主，局部为h 级、级围岩。 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 西南交通大学硕士学位论文第1 6 页 层泥砾，岩体破碎，岩质软弱，局部含地下水，m 级硬土一级软石，v 级 级围岩。 2 3 2 地质构造 关角越岭隧道区在大地构造上位于新构造活动强烈的青藏高原东北缘，属 于祁连加里东褶皱系南祁连褶皱带。在新构造分区上，属于青藏断块北部宗务 隆山一祁连山强烈隆起区。跨越了柴达木陆块北缘、宗务隆山裂陷槽、南祁连 陆块三个大地构造单元，不同构造单元在建造组成、构造变形及地质演化方面 各具特点，其中宗务隆山裂陷槽是晚古生代连接南祁连陆块与柴达木陆块的纽 带，具有陆块结合带的特点，是一个沉积建造、岩浆活动、火山活动强烈的地 区，致使区内褶皱、断裂发育。该区以断裂和断块活动为基本特征，其主要活 动特征表现为构造活动的继承性和新生性，在时间上具有阶段性，空间上具有 差异性。 南祁连陆块位于测区北部，南部边界具有不确定性，区域上通常以青海南 山深断裂带为界将南祁连陆块与宗务隆山裂陷槽分开，但本区二叠系普遍角度 不整合于南部槽型石炭系之上，因此其边界断裂可能隐伏于二叠系地层之下， 所以大体以此角度不整合面为界将南祁连陆块与宗务隆山裂陷槽分开。根据对 测区实际调查并结合区域资料，该陆块具有三个构造层，最底部为下元古界结 晶基底，中部为志留纪构造层，上部为二叠纪一三叠纪构造层。测区未出露底 部元古界构造层。 宗务隆山裂陷槽南部以二郎洞断裂( f 3 ) 为界与柴达木陆块相接，测区宗 务隆山裂陷槽主要由石炭系组成，区域上该带尚存在大量的中基性火山岩，局 部具洋壳特征，反映该裂陷槽在石炭纪时有较大的裂陷幅度，具有陆间小洋盆 的特点，因此该裂陷槽也具有陆块碰撞造山带的一些特征。 柴达木陆块主要由下元古界结晶基底岩系组成，为一套原岩为泥砂质碎屑 岩一碳酸盐岩一中基性火山岩、普遍经受了角闪岩相变质、顺层固态流变变形 改造的中深变质岩系。上部被三叠系下统角度不整合。测区柴达木陆块岩浆活 动较强烈，主要有华力期的闪长岩、花岗岩等。 l 、褶皱构造 西南交通大学硕士学位论文第1 7 页 区内褶皱发育，总体上呈北北西向展布，主要发育华力西期和印支期褶皱 带褶皱构造在区内主要表现为三种类型，一种以下古生界、石炭系中的褶皱 为代表，以近于线状的紧密褶皱为主，属基底褶皱性质；一种以二叠、三叠系 中的褶皱为代表，以开阔的正常褶皱为主，属盖层褶皱性质；第三种是上第三 系中的褶皱，以波状起伏的缓倾斜正常褶曲为主，是新构造运动造成的。 2 、断裂构造 区内断裂构造极为发育，根据断层规模及其构造意义可以分为两级，一级 为区域性深大断裂( f ) ，二级为区域断裂或次级断裂( f ) ( 详见附图1 ) 。根据 断层走向大体上可以分为三组，北西向断裂组，北东向断裂组、北北西向断裂 组，其中以北西向断裂最为发育，它们一般规模较大，同时也构成了测区的主 构造线。从各断裂之间的交切关系确定不同方囱之间断裂生成序次是：北西向 断裂最早，并具有多期活动的特点，次为北北西、北东向断裂。各期断裂相互 交切、分枝现象多见，使区内断裂系统显得十分杂乱。空间上断裂构造发育不 均匀，以二郎洞巴彦哈尔一带最发育，构成一密集发育的断裂带，各断层的 地质特征分述