（安全技术及工程专业论文）基于灰色理论的隧道围岩稳定性预测分析.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so ft h eh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n , t h es t a b i l i t ya n dt h er e l i a b i l i t y o f t u n n e lr o c ki sa ni m p o r t a n tg u a r a n t e et h a ti se l t s u r es a f ec o n s t r u c t i o n i nt h ep r o c e s s o f t u n n e le x c a v a t i o n , 妣s sr e d i s t r i b u t i o no f r o c kw i l lo c c u r w h e nt h er e d i s t r i b u t i o n o fs n e s si sb e y o n dt h ei n t e n s i t yl i m i to fr o c k , t h er o c kw i l lc a u s ei n s t a b i l i t ya n d d e s t r u c t i o n t h e r e f o r e ，t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya n a l y s i so f r o c ki sav e r yi m p o r t a n t s t u d yi nc o n s t r u c t i o no f h i g h w a y t u n n e l b a s e d0 1 1t h ep r a c t i c eo fb a i - m at u n n e le n g i n e e r i n go i ly u - x i a n gh i g h w a yw i mi t s d i s p l a c e m e n ta n dv a r i a t i o no f t u r m e lr o c k , t h ep a p e rs t u d i e st h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o f t h et u n n e lr o c k f i r s t , t h ep a p e ra n a l y z e sa n dd i s c u s s e sr o c kd e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m s f r o mt h ea s p e c to f t u n n e le n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lf a c t o r s t h ep a p e rs t u d i e st h ed a m a g e t y p e sa n df a c t o r so f i n s t a b i l i t ya n df o r e c a s t sd a m a g e d a r e a so f d i f f e r e n td e s t r u c t i o n s e c o n d l y , i ts t u d i e st h ee x i s t i n gi n f o r m a t i o nn a t mc o n s t r u c t i o nm o n i t o r i n g , m o n i t o r i n gp u r p o s e sa n dm o n i t o r i n gf r e q u e n c y b a s e d0 1 1t h em e a s u r e m e n td a t a a n a l y s i s , m a nc a nu n d e r s t a n dr o c ks t a b i l i t yo ft h es u p p o r t i n gs l r a c l u r er e l i a b i l i t yi n o r d e rt of o r e s e ea c c i d e n t sa n dd a n g e r o b $ s i t u a t i o n s f i l l a i l y ，b a s e d0 1 1t h eb a i - m ar o c kt u n n e ld i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n ta n dg r a y m o d e l so f t h eg m ( 1 ，1 ) t h em o d e ld g m ( 2 ，1 ) a n dv e r h u l s t , w ee s t a b l i s ht h et u n n e l g r a yf o r e 虻a s t i n gm o d e lo f t h er o c kt u n n e ld i s p l a c e m e n t c o m p a r a t i v er e s u l t ss h o wt h a t ： t h r e em o d e l sf o rt u n n e ld i s p l a c e m e n tg e n e r a l l yp r e d i c t a b l er e s u l t s g m ( 1 ，1 ) a n d d g m ( 2 ，1 1m o d e la r cs i m i l a rt ot h et u n n e ld i s p l a c e m e n to ft h ed e v e l o p m e n tm o d e l a p p l i c a t i o ne x a m p l e sd e m o n s t r a t e ，i th a se x t r a o r d i n a r ya d a p t a b i l i t yt ot h et u n n e l d i s p l a c e m e n tf o r e c a s t k e y w o r d s ：h i g h w a yt u n n e l , r o c kd i s p l a c e m e n l i n s t a n tm o n i t o r i n gs u r r o u n d i n g , g r e y - m o d e l ，d i s p l a e e m e n tp r e d i c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：爿销铸 签字日期： 妒7 年f 月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：刹施铸 导师签名： 签字日期：秽七7 年石月歹日 签字日期：办叩年6 月r 日 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 问题的提出 随着西部大开发战略的实施，我国迎来了大规模的能源开发和基础设施建设。 其中以南水北调、西电东送、青藏铁路、西气东输以及西部交通基础设施建设等 为代表的一系列重大工程中不可避免地涉及到深埋长大隧道和大型地下工程的建 设【l - 2 1 。 我国是一个多山国家，山地和丘陵约占国土面积的三分之二。在我国由于经 济相对落后，隧道修筑起步较晚，隧道修筑技术及单洞长度与发达国家相比，还 有一定的差距。到目前为止，世界各国已经在交通运输、水利水电及城市排污等 领域建成近2 0 0 条长度接近或超过1 0 k i n 的长大隧道，如日本s e i k a n 隧道和英一 法海底隧道的通车长度己分别达到5 3 9 k m 和5 0 5 k m 。受到这些成就的鼓舞，一些 更加庞大的特长隧道计划已经开始论证，部分己经开始施工，如日本福冈一韩国 釜山之间的日韩海底隧道( 2 0 0 k i n ) ，瑞士o o t t h a r d 铁路隧道( 5 7 k i n ) ，奥地利一意大 利之间的b a s i sb r e n n e r 铁路隧道( 5 5 ，0 k m ) t 3 。 随着我国经济的快速增长，我国隧道的修筑规模及数量有了较大的发展，如 国内最长的陕西秦岭终南山公路隧道( 长约1 8 4 k i n ) 、长达7 k i n 的湖南雪峰山隧道 和西安汉中高速公路上穿越秦岭的3 座特长隧道群总长3 4 公里。同时国家大量投 资修建铁路和高等级公路，特别是随着铁路建设重点西移、公路建设中大力发展 高等级公路以及完善中西部公路网，云、贵、川、渝、藏等地道路修建中规划了 大量的长、大铁路和公路隧道，如已建成的华蓥山隧道( 4 7 k m ) 、- - n 山隧道( 4 2 k i n ) 、 大溪岭隧道( 4 1 k m ) 、尖山子隧道( 4 0 k i n ) 、中梁山隧道( 3 1 k m ) 、鹧鸪山隧道( 4 4 k i n ) 和通渝隧道( 4 3 k i n ) 等，以及正在修建的羊角隧道( 6 7 k m ) 和中兴隧道( 6 2 k i n ) 等。据不完全统计，我国己建成公路隧道1 7 0 0 余座，这些隧道对促进我国经济的 发展、改善交通运输环境起着重要的作用【4 l 。 随着这些“长、大、深”隧道修建，深部地下空间开挖稳定性评估和可靠性研 究成为当前亟待解决的重大课题。 随着岩体力学、地下工程、结构工程等多学科的快速发展，国内外学者在卸 荷岩体力学、工程岩体破坏机制、深埋岩体热一力一水的相互作用、非线性科学 及其它软科学理论方面虽然已取得了很大的成绩，然而随着隧道和地下工程的埋 深增加、跨度和长度增大，地应力、温度和地下水渗透压将进一步增加，岩爆风 险将进一步加大、岩体变形的时问效应将进一步显现，另外，还可能出现塌方、 岩溶塌陷、有害气体及瓦斯突出、断层等地质灾害。这些问题是当前国际岩石力 重庆大学硕士学位论文1 绪论 学研究的难点和热点，这些带根本性的问题并未得到很好的解决。况且，深埋隧 道围岩破坏是一个复杂的非平衡、非线性的演化过程，由于岩石材料的非均匀性， 理论上很难对其构成特征作准确的描述，目前更多的工作停留在应力状态和破坏 判据的研究上，对深埋隧道围岩破坏过程的理论研究工作并不多见，国内外虽然 通过大量岩石( 体) 破裂的相关实验对其进行了一定程度的研究，但对深埋隧道 围岩破坏的相关机理仍然缺乏深入的认识，许多问题需要进一步深入研究。由此 可见，对深部地下空间稳定性和可靠性进行研究是非常必要的。 1 2 国内外现状及评述 1 2 1 隧道围岩稳定性分析的方法 围岩稳定性指隧道施工过程中，在无支护条件下隧道洞室围岩的自稳能力 由于高速公路隧道对围岩有着极为严格的要求，因此对高速公路隧道围岩稳定性 作出正确合理的评价，对隧道设计、施工和安全运营有着极为重要的指导意义。 对围岩稳定和围岩压力理论的提出和深入研究，至今已有百余年历史。由于 近年来岩石力学、量测技术、数值计算方法、系统论、人工智能和非线性科学等 理论与技术的迅速发展，使得隧道围岩稳定性分析方法有了巨大的发展。目前， 隧道围岩稳定性的分析方法多种多样，概括起来可归纳为以下几类： 现行高速公路隧道围岩稳定性评价，一般分为定性评价和定量评价。定性评 价是种粗略的围岩稳定性评价方法，主要用于中小规模的浅埋隧道，常与定量评 价方法结合使用，工程实践中最常用方法是工程地质判别法。定量评价是在岩体 物理力学性质指标的基础上，采用解析分析法、图解分析法和数值模拟法来评价 围岩稳定性的具体程度，是工程实践中准确评价围岩稳定性的极为常用的方法【5 - 7 1 工程地质判别法主要用于小规模浅埋隧道，这类隧道围岩应力较低且影响范 围较小，变形破坏总是发生在围岩强度显著降低的部位，不稳定的地质标志较为 明显，通过一定的地质工作便能够对围岩稳定性加以研究和评价。在进行隧道围 岩稳定性评价时，运用工程地质理论阐述隧道围岩的变形破坏机制和影响围岩稳 定性的地质因素，按照高速公路隧道围岩分类标准对隧道围岩进行分段和分类， 给出相应各段各类围岩的稳定性级别，供隧道设计和施工使用。 近年来，各国都在借助各类地下工程实践经验编制高速公路隧道围岩分类方 案以使公路隧道设计和围岩分类标准化，针对不同的围岩类别，直接定量地给出 山岩压力和支护衬砌的形式和厚度。国外著名的围岩分类方案有：普氏固结系数 法( 前苏联) 、d e e r 的r q d 分类法、奥地利的m a t m 分类法、b a r t o n 的q 系统法 等以及国际岩石力学协会的基本地质描述法我国科技工作者在国外岩石分类的 基础上，编制了各行业专门的地下工程围岩分类方案。例如岩体构造类型分类法， 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 围岩稳定性动态分级，坑道工程围岩分类，大型地下洞室围岩分类，铁路隧道岩 体分级建议方案，b q 分级法( g b 5 0 2 1 8 - 9 4 ) 等。 随着高速公路隧道建设规模的扩大，在诸如秦岭i i i 号等高应力区或深埋大规 模的高速公路隧道，由于围岩应力显著增强，不稳定的地质标志难以掌握，因此， 隧道围岩稳定性除工程地质评价外，还必须进行岩体力学方面的计算和研究，以 便对深埋大断面的高速公路隧道围岩稳定性作出合乎实际的定量评价i s j 。 目前，工程实践中通常采用的隧道围岩定量评价方法有解析分析法、图解分 析法和数值模拟法。 解析分析法是通过对地质原型的高度抽象获得简单的计算模型，借助数学力 学工具计算围岩中的应力分布状态，从而进行隧道围岩稳定性评价。其中张悼元 教授、王士天教授等( 1 9 9 4 ) 介绍了均质围岩稳定性，含单一软弱结构面稳定以及顶 拱围岩中简单块体稳定性分析的解析计算方法。自1 9 8 5 年美籍华人石根华博士的 关键块体理论出版问世后，我国学者迅速将此理论和相关分析方法应用到隧 道围岩局部块体的稳定性分析中。此外，加拿大t o r o n t o 大学的e h o e k 等人依据 石根华博士的块体理论研制出l l n w e d g e 分析计算软件，应用于坚硬岩体中开挖所 形成的块体稳定性分析，我国的许强博士也开发出类似功能的s a s w 软件。 图解分析法是通过作图来分析各结构面之间、结构面和开挖临空面之间的空 间组合关系，确定出在不同工程部位可能形成块体的边界，进而分析其稳定性， 常用的有赤平极射投影法、实体比例投影法、地质几何法( 关键块体法) 等。在应用 赤平极射投影法和实体比例投影法进行地下工程围岩稳定性分析方面，中科院地 质所的王思敬院：1 ：( 1 9 7 6 ) 、孙玉科教授( 1 9 7 6 ) 、刘竹华教授( 1 9 8 0 ) 等进行了系统地、 开拓性地研究。北京8 9 0 0 3 部队的刑念信教授运用地质几何法从更为简单，直观 和易懂的角度对有限软弱面切割成的不稳定块体进行了稳定性分析。 数值模拟法是通过对地质原型的抽象并借助有限元分析方法计算不同工况荷 载下岩体的应力状态和围岩稳定性问题。2 0 世纪7 0 年代以来，随着数学，力学和 计算机的发展，数值模拟在岩土工程领域得到越来越广泛的应用。数值模拟作为 解决复杂介质、复杂边界条件下各类工程问题的重要工具而加以推广，目前岩土 工程中应用最广的是有限元法，尤其适用于连续体的小变形分析，现在市面上流 行的主要大型工程有限元计算软件有a n s y s 、n a s t r a n 掣9 】。 1 2 2 隧道监控量测技术 在隧道施工过程中，对隧道围岩、支护衬砌结构所处的力场及其稳定状态进 行监控量测，被认为是保障施工安全、优化隧道设计、指导施工的主要方法，在 隧道施工中具有十分重要的作用，是新奥法施工的重要内容之一。 量测数据处理和应用是发挥隧道监控量测作用的关键一步，也是技术含量较 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 高的一步。不进行数据处理或者不具备数据处理、利用能力，是当前隧道施工量 测存在的主要问题，这也是打消承包商进行施工监控量测的积极性的主要原因。 由于隧道结构计算分析的复杂性，对隧道应力、压力量测数据的分析大部分都停 留在感性、经验的层面上，只有在少数科研项目、重点工程中才深入开展量测数 据分析，其分析结果的合理性也有待于在实践中检验。位移量测数据是利用率较 高的量测项目，目前，在一般隧道施工中，位移量测数据的应用有： 通过经验的、感性的认识，判断隧道围岩和支护结构的稳定性、经济性。 经验是人类的宝贵财富，对于隧道工程而言尤其如此。由于深入进行隧道结构分 析十分困难，经验法和工程类比法成为隧道设计施工的主要方法。在施工过程中， 技术人员将位移量测数据绘制成位移一时间曲线，或者单纯根据位移值的大小， 比照以往的工程经验，判断围岩支护结构是否安全、经济。这种方法需要丰富的 工程经验，没有牢固的理论依据，可靠度不高。 通过回归分析、函数拟合的方法获得位移发展曲线，从而判断位移发展的 趋势。这种方法操作起来也比较简单，但是使用这种方法的前提是获取大量的量 测数据，数据越多，拟合精度越高，同时计算量越大。大量的量测数据只有到了 位移发展的中后期才能获得，这使得数据分析、处理错过了指导施工的最佳时机， 从而变得毫无意义。另外，函数形式的选择也对分析结果有很大影响，只有正确 的函数才能得出正确的结果，而要寻求真正符合隧道围岩位移发展规律、形式简 单的函数十分困难，复杂函数又将带来计算上的困难。 1 2 3 灰色理论在隧道围岩位移分析的应用 灰色系统理论是邓聚龙教授于1 9 s 2 年创立的一门新兴的学科，它以“部分信 息已知，部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定系统为研究对象，主要通过 对“部分”己知信息的生成、开发去了解、认识现实世界，实现对系统运行行为和演 化规律的正确把握和描述。贫信息不确定性系统的普遍存在，决定了该理论具有 十分广阔的应用和发展前景。目前，灰色系统理论不仅在理论上发展迅速，日臻 完善，而且在社会科学、自然科学的许多领域中的应用取得了许多成果。 灰色系统理论预测模型最早应用于农业和经济领域，被应用到工程测量数据 预测的历史并不长。在灰色系统理论提出初期，河南农业大学和华中理工大学多 次应用灰色系统理论进行粮食产量、经济增长、煤炭产量等的预测，取得了显著 的效果，为指导工农业生产作出了重大贡献。 随着灰色理论应用技术研究的进步，灰色系统理论逐步被应用到土木工程当 中，并取得了比较理想效果。灰色理论在建筑物沉降预测、边坡长期变形预测、 混凝土长期强度预测等方面都有一些比较成功的范例。在这些工程应用中，一般 都采用g m ( i ，1 ) 模型进行数据分析和预测，如刘晓陆应用g m ( 1 ，1 ) 模型进行了高 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 强混凝土长期强度的预测，少数采用v v r h u l s t 模型，如吴国平等应用v e r h u l s t 信息 模型进行过地下工程开挖位移的灰色理论预测研究。隧道围岩一支护系统是一个 复杂的开发巨系统，其内在的交形破坏机理还很不明确，力学行为十分复杂，整 个系统的受力状态和围岩的力学性态还不清楚，但是隧道的几何形状、尺寸又是 已知的，而且可以通过监测获得围岩的位移信息，所以可以将隧道围岩支护系 统看作灰色系统。由于位移监测信息只是围岩变形过程中的部分信息，因此应用 灰色理论可以解决隧道围岩位移的预测问题。 1 3 本文的主要研究内容 本文以重庆至长沙高速公路白马隧道为主要研究对象，对深埋隧道围岩失稳 及交形破坏机理进行初步研究，分析了隧道围岩稳定性受地质构造、地应力、岩 体力学性质、工程因素、地下水及时间条件等的影响机理，同时概括了六种破坏 类型，分析了初期支护后隧道围岩的变形特性和洞室开挖后的应力状态分布，研 究了不同破坏类型条件下破坏区的分布状况。 本文研究了现行新奥法信息施工相关内容，通过量测数据来判别围岩是否达 到稳定状态，同时对量测数据进行回归分析。同时引用灰色理论g m ( 1 ，1 ) 、 d g m ( 2 ，1 ) 、v e r h u l s t 模型对量测位移信息建立了预测分析模型。通过对灰色系 统模型对比分析，建立了比较适合隧道位移预测的灰色模型。 本文研究揭示了深埋隧道围岩破坏的机理，同时运用围岩量测结果来修改设 计、指导旎工；同时为深埋长隧、大跨度地下空间的建设提供理论依据和科学指 导，该研究具有重要的学术价值和实用意义。 重庆大学硕士学位论文 2 白马隧道地持特征及工程特征 2 白马隧道地质特征及工程概况 2 1 交通位置和工程概况 白马隧道位于重庆武隆县白马镇一心村和刘丰村二社之间，隧道进口位于一 心村，距白马镇约1 5 k m ，隧道出口位于刘丰村二社，距白马镇中心约为2 k m 。 进口有原老3 1 9 国道公路从场区的北侧通过，至郭溪沟电站的支公路与之相连。 出口西侧有武隆至南川省道公路穿过，并有简易公路直达隧道口，交通条件十分 便利。 白马隧道进洞口段为一自然斜坡，下缓上陡，地形坡度大，地形坡角约为 4 5 0 8 3 。左右，地面高程约为3 0 2 , - - 6 3 5m 。相对高差为3 9 3m ，倾向近正东方向。 进洞口前缘下部为郭溪沟，沟内地形相对平缓。 隧道出洞口段为一斜坡，地形较缓，地面坡角约l o o 3 2 0 ，地面高程约为 2 6 0 9 屯8 9 0i n ，相对高差为2 8 1 0m ，倾向近正西方向。 隧道通过段最高点在郭溪沟黄岩一带，高程约为9 2 3 6 0m ，最低点在桂龙溪 一带，高程约为2 0 7 7 1m ，相对高差7 1 5 8 9m ，地形起伏大。 白马隧道上下行分离设置，分离式路基设计线间距3 0 - 4 0n l ，隧道轴线间距 4 0 5 - 5 2 5 m ，左线隧道长3 0 9 9 3 8m ( z k 2 7 + 8 0 0 0 0 - - z k 3 0 + 8 9 9 3 8 ) ，右线隧道长 3 0 5 0m ( k 2 7 + 8 4 5 - k 3 0 + 8 9 5 ) ，属特长隧道，如表2 1 和表2 2 。 表2 1 隧道平面设计一览表 t a b l e2 1t u n n e lg r a p h i cd c s i g nl i s t 隧 道 隧道长度进口段( 长沙端)出口段( 重庆端) 名 起讫桩号洞身平面线形 称 c m ) 平面线形平面线形 白 位于r - 4 0 0 0 的圆 马 隧 2 x 2 7 + s o o z曲线上 道 3 0 9 9 3 8 直线直线 左 k 3 0 + 8 9 9 3 8( 乃q 9 + 2 2 8 9 4 5 一 线 z l ( 2 9 + 7 5 6 。1 7 2 ) 白 位于r - 4 0 0 0 的圆 马 隧 k 2 7 + 8 4 5 一 o 曲线上 道 3 0 5 0 直线直线 右 o + 8 9 5 ( k 2 1 2 5 1 9 乒j k 线 2 争嗡5 8 4 1 4 ) 6 重庆大学硕士学位论文 2 白马隧道地持特征及工程特征 表2 2 隧道纵断面设计一览表 隧 道 设计标高出口 设计标高纵坡 名 进口桩号 竖曲线( m ) 称( m ) 桩号 ( m )( ) 白 马 隧 z k 3 0 + 8 r - 5 0 0 0 0 ( z k 2 7 + 8 0 0 z k 道 z l ( 2 7 + 8 0 03 3 2 9 92 7 3 2 4- 1 9 5 左 9 9 3 82 8 + 0 6 3 6 5 4 1 线 白 马 隧 k 3 0 + 8 9 r - 5 0 0 0 0 0 ：匕7 + 8 4 5 一k 2 8 + 道 k 2 7 + 8 4 53 3 2 2 32 7 3 3 51 9 5 右 5 0 8 7 5 6 3 ) 线 隧道衬砌内轮廓按建筑限界宽1 0 5m ，高5 0m 拟定为一圆心曲墙半圆拱， 拱部半径r l - 5 5m ，边墙半径r 2 = 8 5m ，隧道净宽l o 7 9m ，净高7 0 0m ，内净 空面积“2 5m 2 ，内净空与建筑限界之间的净空满足拱顶悬挂s d s 1 1 2 k - - 4 p 2 2 型射流风机，并预留了内装饰层净空，同时还考虑了照明、消防、交通工程等营 运管理设施所需空间。 2 2 地形地貌 工程区地处羊角背斜西翼，属于森林保护区，植被发育，森林茂密，典型构 造的高山地形地貌区。 白马隧道位于一斜坡，地形较缓，进出口端前2 0m 为一陡崖，隧道的平均埋 深为7 0 1 1 3 。 2 3 地质构造 隧道区地质构造位处新华夏系第三沉降带之川东褶带东缘之羊角背斜西翼， 其西邻北东南西向构造体系之白马向斜，东邻冷水垭甘田湾向斜。 白马隧道位处羊角背斜西翼，隧道穿越地层为单斜岩层，岩层产状 2 7 0 2 9 8 。l 2 0 - - 2 6 。区内构造较简单，未发现断层，隧道轴线与岩层走向呈8 5 9 0 0 角度相交。 羊角背斜由四方山、斑竹湾一带进入测区，在碑垭口被老场断层顺扭错断， 7 重庆大学硕士学位论文2 白马隧道地持特征及工程特征 向北穿过乌江，最后倾伏于马颈予附近，与大耳山背斜呈斜鞍相接。南段轴向为 近南北向：中段轴向为北1 5 , - - 2 5 。西；北段又转向为近南北向。整个轴线呈“s ”形。 轴部最老地层寒武系上统及类陶系出露于乌江两岸，其余部分均由志留纪地层组 成轴部。两翼地层分别为二叠系和三叠系下统。背斜轴部平缓。北段两翼不对称， 西翼陡，倾角4 0 0 - 8 0 0 ，东翼缓，倾角2 0 0 5 5 0 ；南段两翼近对称，倾角1 3 , - - 3 5 0 。 隧道区裂隙较发育，岩体中构造节理裂隙较发育，隧道进口主要发育有3 组： l 组裂隙，其产状为3 1 9 3 2 9 0 2 7 6 - - 7 9 0 。微张，无充填物，延伸大于5 0 0m ，间 距为0 3 0 - - 0 5 0m ；2 组裂隙，产状为1 4 1 1 4 5 。5 6 - - 7 0 。，微张，无充填物，延伸 2 0 0 - - 5 0 0m ，间距为0 2 6 - - 0 5 0m ；3 组裂隙，产状为2 2 4 - - - 2 3 0 0 2 7 6 - - 8 7 0 ，微张， 无充填物，延伸5 0 0 , - - 1 0 0 0m ，间距为1 5 2 5 0m 。 隧道出口主要有2 组： 1 组裂隙，其产状为1 0 5 0 2 6 6 0 ，微张，内充填粘性土，延伸大于1 0 0 0m ， 间距为0 8 1 。5 0m ； 2 组裂隙，产状为2 0 3 0 么7 2 。，微张，无充填物，延伸3 0 0 , - - 8 0 0m 。 2 4 地层岩性 经地表工程地质测绘及钻探结果表明：拟建隧道依次穿越过三叠系下统飞仙 关组第二四段( t l f h ) 、嘉陵江组第一四段( t t i ) 的灰岩、三叠系中统雷口 坡组第一段( t 2 1 1 ) 的灰岩、泥灰岩、页岩。隧址区地表被第四系崩坡积块石土 ( q 4 州) 、第四系残坡积碎石土( q 4 d + 棚) 覆盖，现将各岩土层工程地质基本特征 由上至下( 从新到老) 分述如下： 2 4 1 第四系( q ) 第四系全新统崩坡积层( q 4 州1 ) 块石土：灰黄色，主要由灰岩块碎石及粘土组成。地表分布块径较大的块石， 块石直径2 0 0 - , , 5 0 0 0n l _ r n ，土石比约7 ：3 ，均匀性差，松散稍密，局部具架空现象， 稍湿。主要分布于隧道的进出口地段。 第四系全新统残坡积层( q 4 州) 粘土：灰黄、黄色，可塑状，其干强度中等，韧性中等。含泥灰岩、页岩角 砾，随深度的增加其含量有所增加。碎石直径2 0 - - - 1 0 0r a m , 厚o “6 0m 。主要分布 于隧道洞身段地形较为低洼地段。 2 4 2 三叠系下统飞仙关组( t 1 f w ) 第二岩性段( t l f z ) 灰岩：灰、浅灰色，微晶结构，中厚层状构造，局部夹浅紫灰色薄层状泥质 灰岩。该层厚1 2 6 - - 2 1 5m ；钻孔揭露最大铅直厚度3 3 0m - l o 4 0m 。分布于隧道 3 重庆大学硕士学位论文2 白马隧道地持特征及工程特征 进口段。 泥灰岩；灰、紫灰色，泥晶结构，薄、中厚层状构造，局部夹页岩薄层，与 灰岩呈不等厚互层。分布于隧道进口段。 第三岩性段( t l ，) 灰岩：灰、浅灰色，隐晶显晶质结构，厚层状构造，顶部为假鲕状灰岩， 中部夹泥质灰岩及鲕状灰岩薄层。其厚度较大，厚度变化较小，该层厚1 5 7 m - 2 0 9 m o 第四岩性段( t l f 4 ) 页岩：紫红色，粉砂泥质结构，块状构造，钙质含量较高，页理发育，夹灰 黄色水云母页岩薄层，该层厚2 1 m - 2 8m ，分布于隧道的洞身段。 泥灰岩：灰、浅紫灰色，泥晶结构，薄、中厚层状构造，与紫红色页岩里不 等厚互层，该层厚度较小，分布于隧道洞身段。 2 4 3 三叠系下统嘉陵江组( t d i - 4 ) 第一岩性段 t d l ) 灰岩：灰、浅灰色，微晶结构，薄、中厚层状构造，局部夹白云质灰岩、鲕 状灰岩。该层厚1 4 5 , , - 2 3 7m ，主要分布于隧道洞身段。 第二岩性段( t d 2 ) 白云岩、白云质灰岩：灰、浅灰色，微晶结构，中厚层状构造，局部夹食盐 假晶白云质，该层厚8 2 1 0 91 1 3 。钻孔揭露最大铅直厚度1 6 8 5m 。主要分布于隧 道洞身段。 第三岩性段 t l i 3 ) 灰岩：灰色，微晶结构，中、厚层状构造，夹白云质灰岩及泥灰岩薄层，该 层厚1 0 7 - 1 3 3 m ，钻孔揭露最大垂直厚度1 1 3 4 5 m ，分布于隧道洞身段。 第四岩性段( t t j 4 ) 白云岩：浅灰、浅肉红色，微晶结构，中、厚层状构造，主要以碳酸盐矿物 构成，该层厚9 1m - 1 1 2m ，钻孔揭露最大垂直厚度2 5 1 0m 。分布于隧道洞身段。 盐溶角砾岩：灰、灰白色，角砾状构造，母岩为灰岩、白云质灰岩，钙质胶 结，其胶结密实度不均一，局部浅红色为铁质胶结。该层厚9 0 - 1 1 2 m ，钻孔揭露 最大垂直厚度5 6 8 4 m 。分布于隧道洞身段。 2 4 4 三叠系中统雷口坡组( t 2 d 页岩：黄灰、深灰色，粉砂泥质结构，块状构造，主要由粘土矿物组成，局 部砂质含量较高，页理较发育，该层厚1 1 5 1 8 6m ，钻孔揭露最大垂直厚度 8 9 l l o 9 0m 。分布于隧道出口段。 泥灰岩：黄灰色，泥晶结构，薄、中厚层状构造，与页岩呈不等厚互层状产 9 重庆大学硕士学位论文 2 白马隧道地持特征及工程特征 出，钻孔揭露晟大铅直厚度0 2 之4 0 m ，分布于隧道道洞身及出口段。 隧道区内所分布的三叠系下统飞仙关组( t l f ) 、三叠系下统嘉陵江组( t l j ) 、 三叠系中统雷口坡组( t 2 1 ) 灰岩、泥灰岩、页岩。地层为一套炎热气候条件下形 成的深海相沉积建造，其岩性岩相变化较小，无因相变而形成的透镜体。 2 4 5 不良地质现象 隧道进口顶部为灰岩形成的陡崖，崖高5 6 0m ，崖顶标高为+ 9 3 0m ，整个陡 崖分为两个台阶，从上至下第一台阶高约2 0 0m ，地面标高7 3 0 , - - 9 3 0m ，地形坡 角约7 0 。以o o ；第二个台阶高约3 6 0m ，地面标高3 7 0 - - - 7 3 0i n ，地面坡角约7 7 0 8 4 0 ， 局部呈坡角为9 0 。的直立状悬崖：整个陡岩呈陡缓相间的台阶状，陡崖底部无凹 形岩腔，陡崖岩体在自然风化营力及岩体重力作用下，岩体发生变形及断裂，顺 陡崖岩体的边缘形成卸荷裂隙，随着裂隙的加深加宽，在构造裂隙的共同作用下 岩体最终被切割脱离母岩，成独立的块体，形成危岩。进口陡岩顶部形成的危岩 分布带约为3 4 0m x l 0m ( 长宽) ；其形成的危岩体体积约为5 0 0 - q 0 0 0 m 3 。该危 岩体形近3 0 年未发生过崩塌现象，但从郭溪沟中的崩塌体块石分析，每次崩塌的 最大块体约5 - 1 0 m 3 左右，由于崖体地形较陡，坡角较大，坡项至坡底的距离小， 崩塌块体将以错落的形式破坏，翻滚向山下运动，其破坏性巨大。形成陡崖的岩 体为单斜岩层，岩层产状为2 9 8 0 么2 4 0 ；主要由三叠系下统飞仙关组、嘉陵江组 的灰岩、泥质灰岩等组成，无软弱夹层存在，陡岩坡向向东，倾角7 7 。，为反各 坡，岩体中主要发育两组构造裂隙，其产状为1 3 2 6 0 么2 4 。、2 1 4 5 0 l 6 7 0 ；一组卸 荷裂隙，产状为8 6 0 么8 l 。：陡岩岩体受卸荷裂隙及构造裂隙的切割，存在被割裂 的块体。自然斜坡为反向坡，岩层产状与斜坡坡向近于正交。岩体在构造裂隙及 卸荷裂隙的切割下，存在被割裂的独立块体，且倾角较陡，其稳定性差，在进行 洞口施工放炮的影响下，有产生局部块体崩塌的可能。 2 5 气象、水文地质条件 2 5 1 气象条件 隧址区属亚热带湿润季风气候区，以多雨、多雾、寒冷为特点，雨量充沛， 四季分明。据武隆气象局资料，1 9 9 3 2 0 0 2 年历年日最大降雨量1 3 8 5 蛐 ( 1 9 9 8 7 2 1 ) ，降雨量集中在5 , 0 月，年平均降雨量9 8 6 8 2r a i n ，最大年降雨量 1 4 1 7 2 衄( 1 9 9 8 ) 。历年主导风向为e ，1 0 年平均气温1 7 5 ，日最高气温4 0 7 ( 1 9 9 7 8 3 1 ) ，日最低气温1 8 ( 1 9 9 3 1 2 4 ) ，月平均最低气温6 0 ，月平均 最高气温2 9 2 。历年平均雾日数为4 4 天，年平均无霜期为3 1 0 天。 隧址区内地表水系主要由近南北流向流经隧道进口前缘的郭溪沟和近南北流 向流经隧道出口前缘的桂龙溪及隧址区中部的两条溪沟组成，郭溪沟南西侧的陡 1 0 重庆大学硕士学位论文2 白马隧道地持特征及工程特征 崖顶部的呈近南北走向位于黄岩一带的山脊，形成隧道区的地表分水岭；地表水 流分别沿该分水岭向郭溪沟、桂龙溪中进行排泄。 郭溪沟宽约为1 5 0 0m ，常年洪水位为3 0 6 0m 左右，最高洪水位为3 0 8 0 0l e t ， 桂龙溪宽约为7 0 0m ，常年洪水位为1 9 4 0 0m ，最高洪水位为1 9 5 5m ，地表水 水位高程及流量明显受降雨量的控制和影响，主要由溪沟两侧坡面地表水及地下 水汇集补给。 隧址区第四系松散层厚度较小，其孔隙水不发育，下覆地层为三叠系下统飞 仙关组( t 1 f ) 、嘉陵江组( t 0 ) 和雷口坡组( t 2 1 ) 的灰岩、泥质灰岩、页岩。场 区内的碳酸盐岩类地下水类型主要为岩溶裂隙水、岩溶管道水。主要赋存于岩溶 裂隙和溶蚀孔洞中，且受岩体中岩溶分布均匀程度控制；飞仙关组第四段( t l f 4 ) 页岩的透水性弱，为相对隔水层；雷口坡组第一段( t 2 1 1 ) ，主要为泥灰岩、页岩 互层，隔水性较好，地下水埋深最深为9 8 0 0m ，高程为3 2 1 6 3n l 。 2 5 2 地下水类型及富水性 根据地下水的赋存条件，隧道区内地下水可分为松散岩类上层滞水、基岩裂 隙水和碳酸盐岩类溶裂隙水。其中，第四系全新统崩坡积层( q 4 咖1 ) 、残坡积层 ( q 4 e h m ) 碎石土中所含松散岩类上层浠水分布零星，多在雨季存在，迳流短，排 泄快，是影响表层覆盖土层稳定的主要因素，水量变化大，较贫乏。区内地下水 主要为三叠系中、下统各组碳酸盐类岩石中的岩溶裂隙水，其分布及富水特征是： 碳酸盐岩类：隧道左右线进、出洞及洞身段在该岩层中穿越，受其岩性和 岩溶及构造裂隙发育情况控制，其富水性、均匀性差，岩体中岩溶较发育，地表 岩溶分布均匀性差，渗透系数0 , 0 5 0 - - , 0 0 8 9 m 3 d ，为弱透水，碳酸盐类为隧道区主 要的含水层。 泥灰岩：主要分布于隧道出口及靠水江侧的部分洞身段。由于泥灰岩的单 层厚度小，且与页岩呈互层状，其含水性受裂隙切层穿越深度的影响大渗透系 数0 0 8 3 8 - - o 0 9 0m 3 d ，为透水层。 页岩、耪砂质页岩：主要分布于隧道出口段，渗透系数0 0 8 3 8m 3 d ，透水 性较弱。 2 5 3 地下水补给、径流、排泄特征 郭溪沟、石粱河构成隧道区的最低侵蚀基准面，也成为区内的主要迳流排泄 通道。白马隧道山体斜坡上部无常年性地表水体，地下水主要接受大气降水的补 给，补给方式主要是沿岩体中岩溶裂隙、漏水、落水洞向地下渗透。 区内地下水因受岩性、构造及地形条件的控制，各含水层自成补给、迳流、 排泄系统，相互间水力联系弱，无统一的地下水位面，富水性主要受节理裂隙及 碳酸盐岩类的岩溶发育程度的控制，岩溶发育的不均匀性导致地下水的富集与分 重庆大学硕士学位论文2 白马隧道地持特征及工程特征 布不均匀，当含水层通过地表露头从外部获得补给后，便沿岩体裂隙及岩溶管道 系统下渗运移，短途运移后，就于沟谷或地势低洼外分散排泄。区内列深井、地 下开掘等人工排泄途径。 2 5 4 地下水的动态变化 由于区内地下水接受补给的来源单一，主要为大气降水，故地下水的动态变 化同大气降水密切相关，一般随着降雨量的变化而变化，受大气降水控制显著。 总之，地下水流量动态变化较大。 2 5 5 地下水水质类型及其腐蚀性 水质分析结果表明：区内地表水p h = 7 6 4 7 8 4 ，s 0 4 2 含量2 1 1 3 1 2 3 0 0 m g l ， h c 0 3 含量1 6 1 0 8 , - - 3 0 6 3 1 m g l ，m 9 2 + 含量4 3 8 4 5 2 l m g ：l ，水化学类型为 h c 0 3 - c a 2 + 型水。根据公路工程地质勘察规范j t j 0 6 4 9 8 附录d 判定，区内 地下水对砼无结晶类、分解类、结晶分解复合类腐蚀。 2 6 地震条件 根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 - 2 0 0 1 ) 之图a l 和图b l ，场地抗 震设防烈度6 度，隧址区地震动峰值加速度o 0 5g 。按建筑抗震设计规范 ( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) ，声地土为坚硬土，建筑场地类别为v 级，为建筑抗震一般场 地，设计特征周期0 3 5s 。 2 7 白马隧道主要工程地质问题评价 2 7 1 区域稳定性评价 根据区域地质资料、初勘工程地质测绘、本次勘察工程地质测绘及钻探资料 综合分析：隧址区场地范围内及附近周边地区地层连续稳定，未见有断层通过； 未见存在构造破碎带和软弱夹层等不良地质作用场地区域稳定。隧道穿越地段岩 层稳定，适宜隧道建设。 2 7 。2 岩溶工程地质评价 隧道轴线附近地表未见大的溶洞，仅见为数不多的落水洞，主要发育地层为 三叠系嘉陵江组第四段的灰岩、白云岩中，隧址区无断层通过，地表岩体中构造 裂隙较发育，其影响深度较浅，岩体中层问裂隙较发育，对于地表水的切层补给 地下水不利，亦不利于地下岩溶的发展。因此洞身范围岩溶多以小溶隙、溶孔、 落水洞的形式为主，沿隧道轴线两侧无规模较大的溶洞、溶发育，隧道建设影响 较小。 灰岩段地下水以顺层发育的岩溶管道流为主，富水性极不均匀。地下岩溶水 主要接受大气降水的补给，沿落水洞等切层向地下岩溶管道集中，顺岩层走向发 重庆大学硕士学位论文2 白马隧道地持特征及工程特征 育的岩溶管道迳流排泄。岩溶水的动态变化受降阿量的控制，但因迳流形式及规 模不同其动态变化亦不相同。 2 7 3 进口( 长沙端) 洞口工程地质问题评价 隧道进口位于坡度角约2 0 0 4 0 0 的自然斜坡上，上部陡崖地形坡角约7 4 。 9 0 0 。 洞前斜坡底部为郭溪沟，左右线进口处为一崩塌堆积体。洞口顶部地形陡峭，基 岩裸露，由于受卸荷裂隙的影响，偶有小规模的崩塌，掉块等不良地质现象发生。 进洞口段地表为第四系全新统崩坡积堆积层，厚度较大，均匀性差，稍密。 下覆基岩为三叠系下统飞仙关组二段( t l 龟) 灰岩，灰岩无明显的强弱风化界面， 呈渐变性，抗风化能力强。层理较发育，岩体较完整。岩层呈单斜状产出，岩层 产状2 9 6 。么2 3 。，岩体中发育3 组构造裂隙。 2 7 4 洞口稳定性评价 隧道进口段位于一崩塌堆积体中，地面坡角约2 5 。 4 0 。，上部为灰岩形成的 陡崖，地形坡角约7 4 。0 0 0 ，分为三级台阶，每级台阶为斜坡。崩塌堆积体主要 由灰岩块、碎石及粘土组成，均匀性差，稍密中密，厚6 7 0 - 1 8 3 0m ，最厚可达 5 0m ，基岩顶面坡角2 5 q 0 。，最大达5 0 0 。隧道进口区修建发电站水渠时，局部 发生滑塌，将已完成好的部分水渠拉断，使之水渠上移3 4m 左右；崩塌堆积体 其现状基本稳定。隧道进口开挖，使洞口斜坡土体前缘产生临空面，使原有的稳 定平衡到破坏，崩坡让斜坡土体将产生失稳滑塌现象。白马隧道右线进口设置抗 滑桩以保证洞后土体稳定性。 2 7 5 出口( 重庆端) 洞口工程地质问题评价 隧道出洞口段为一自然