（地质工程专业论文）软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文结合龙池公路隧道的施工实例，采用现场施：亡技术对策探讨、围岩 测试分析、数值模拟分析、灰色理论优化决策和监控量测等研究方法，对软 弱围岩公路隧道开挖支护情况进行了施工过程的研究。主要的研究工作与特 色为： ( 1 ) 首先明确了软岩的定义及分类，分析了软岩的地质特征和工程特性， 对影响软弱围岩隧道稳定因素，作了较为全面的分析。 ( 2 ) 根据软弱围岩公路隧道的特点，系统总结了软弱围岩公路隧道开挖 支护施工机理和施工方法。对目前软弱围岩公路隧道常用的丌挖方法运用灰 色理论优化决策法作了比较，认为短台阶分步平行法具有较大的优点，能成 功地解决软岩、断层、流泥涌水等难题，并能确保工程质量和工期。对软弱 围岩隧道的支护，开挖后可采用由锚杆、喷混凝土和钢支撑组成柔性支护予 以控制。对于某些需要特殊处理的地段，在施工过程中可采用在隧道底部及 时加设临时仰拱、管棚注浆及加设锁脚锚杆等方法以达到控制隧道变形的目 的。 ( 3 ) 对施工过程典型开挖步骤的变化情况进行了数值模拟，研究了塑性 区变化情况、初期支护的内力、洞周围变形及开挖进尺和拱顶下沉关系。从 数值分析的结果看，隧道施工选用的开挖支护方式是合理的。 ( 4 ) 本文对隧道拱顶下沉、隧道周边位移收敛和锚杆拉拔力试验进行了 监控量测，以此来反馈隧道开挖和支护旋工过程是否合理，同时也验证了数 值模拟的可靠性。 本文以实际工程为研究对象，并将研究成果运用到工程实践中，产生了 较为显著的经济效益和社会效益，对类似工程具有一定的参考价值。 关键词软弱围岩隧道开挖与支护数值模拟 施工过程研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t b a s e do nt h en u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o da n dt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ，a sw e l ia sm o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t ，t h ed e c i s i o no fg r a y o p t i m a lt h e o r ya n dt h em o n i t o r i n gt h e o r y ，w i t ha ne x a m p l eo ft u n n e l p r o j e c t ，t h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gd u r i n gt u n n e l c o n s t r u c t i o no f s o f tr o c kh i g h w a yt u n n e la r es t u d i e d t h es t u d yw o r ka n di t sf e a t u r e m a yb es u m n a r i z e da s f o l l o w s ： 1 ) t h e s i sf i r s t l yg i v e sc l e a rd e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fs o f t r o c k ，i tg i v e sa n a l y s i so ng e o l o g i ca n de n g i n e e r i n gc h a r a c t e r so fs o f t r o c k ，a n dt h ef a i l u r ec a u s e so fs o f tr o c kt u n n e li sd e e p l ys y s t e m i c a n dw h o l ed is c u s s e d 2 ) a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r so fs o f tr o c kt u n n e l ，t h ec o u n t e r m e a s u r e a n dm e c h a n i s mo fe x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gi sd e e p l ys y s t e m i ca n dw h 0 1 e d i s c u s s e d t h e h e a d i n g a n db e n c hm e t h o di sc o n s i d e r e dh a sm o r e s t r o n g p o i n tb ya n a l y z i n ge x c a v a t i o nm e t h o d sw i t ht h ed e c i s i o no fg r a y o p t i m a lt h e o r yd u r i n gs o f tr o c kh i g h w a yt u n n e lc o n s t r u c t i o n ，a n d it c a ns o l v es o m ec o n s t r u c t i o np r o b l e m so ns o f tr o c ka sf a u l t ，s o i lf l o w ， g u s h i n gw a t e re t c ，a l s oq u a l i t ya n dt i m el i m i tf o rap r o j e c tc a nb e i n s u r e d i tc a nb ec o n t r o l l e df o rs u p p o r t i n gb yt h ef l e x i b l es u p p o r t c r a s s s e c t i o no ft h ec o m b i n a t i o n a ls e l e c t i o nw i t hs p r a y e dc o n c r e t ea n d g r i ds t e e ls u p p o r ta f t e re x c a v a t i o n t h e s i sa l s ob r i n g sp e r t i n e n c e m e a s u r e sa sb u i l t - u pt e m p o r a r yi n v e r t e da r c hi nb o t t o ms e c t i o na n dp i p e r o o fp r o t e c t i o n o na n dl o c k i n gr o c kb o l t se t co nt u n n e lu n f a v o r a b l e g e o l o g yi no r d e rt oo b t a i nt h ea i mo fc o n t r o l l i n gd e f o r m a t i o nd u r i n g t u n n e lc o n s t r u c t i o n 3 ) a c c o r d i n gt ot h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc h a r a c t e r so fr e p r e s s e n t a t i v ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n g ，t h er e l a t i o na m o n gt h ev a r i e t yo f p l a s t i cr a n g e ，i n t e r n a lf o r c eo fp r e l i m i n a r ys u p p o r t ，d e f o r m a t i o no f c a v e r n ，p r o g r e s s i n go fe x c a v a t i n gs e t t l e m e n to fa r c hc r o w ni ss t u d i e d t h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gp l a ni sr e a s o n a b l ef r o mt h er e s u l to f t h ed a t ap r o c e s s i n g 4 ) t h ee x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n gp l a nisw h e t h e rr e a s o n a b l eo rn o t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 i sf e e d b a e k e db ys e t t l e m e n to fa r c hc r o w na n dc o n v e r g e n c em e a s u r ea n d p u l l t e s to fr o c kb o l t s a tt h es a m et i m e ，t h er e l i a b i l i t yo f n u m e r i c a l s i m u a t i o n isv a l i d a t e d t h i st h e s i si sb a s e d0 1p r a c t i c a l b e a na p p ll e dt oe n g i n e e r i n gp r a c t i c e a n ds o c i a le f f e c t s i ta l s op r o v i d e s e x p e r i e n c e k e yw o r d s ：s o f tr o c kt u n n e l n u m e r i c a ls i m u l a t i o n p r o j e c ta n di t sa c h i e v e m e n th a s r e s u l t i n gr e m a r k a b l ee c o n o m i c s i m i l a rp r o j e c t sw i t hv a l u a b l e e x c a v a t i n ga n ds u p p o r t i n g s t u d yo fc o n s t r u c t i o np r o c e s s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 国际岩石力学学会建议把强度低、风化、破碎的岩层统称为软弱围岩， 在这一类岩层中开挖的隧道，我们称为软弱围岩隧道m 。随着隧道工程建设规 模不断扩大，在城乡建设、水电、交通、矿山、港口以及国防军事等领域都 涉及软弱围岩问题，而国家西部大丌发的战略实施，大量的交通、能源与水 利工程在西部的兴建，使软弱围岩隧道开挖支护施工过程成为地下工程中迫 切需要解决的问题。 1 1 软弱围岩公路隧道施工现状和发展方向 1 1 1 软弱围岩公路隧道施工现状 隧道是处于复杂地质条件下的建筑工程，它受天然形成的地质状态( 如地 应力、地质物理参数、地下水、地质断层等因素) 和人工开挖操作( 如开挖方 式、支护方式、支护时间等因素) 影响很大。由于隧道所处的地质环境不同， 其围岩稳定特性也不同，因此应采用的支护方式和开挖方式也就不一样。 目前软弱围岩隧道开挖方式主要有台阶法、台阶分部开挖法、导坑法、 单侧壁导坑法、双侧壁导坑法等。台阶法适用于i i 类围岩，上下台阶之 间的距离，能满足机具正常作业，并减少翻渣工作量；台阶分部开挖法适用 于i i l l i 类围岩，一般环形开挖进尺以0 5 1 5 m 为宜；导坑法适用于n i h 类围岩，各工序安排紧凑，能保证施工安全；单( 双) 侧壁导坑法适用于 围岩较差、沉降需要控制的隧道。而支护方式通常采用锚喷、锚网喷、锚喷 网架、锚喷网架注浆、钢架支护、钢筋混凝土支护、注浆加固和预应力锚索 支护等，实际应用中常常采用多次支护、联合支护等形式“。；。 2 0 世纪6 0 年代提出了新奥法施工方法，目前已成为地下工程的主要施工 方法之一。从2 0 世纪6 0 年代初期开始，在实验室模型试验和现场施工经验 的基础上建立的光面爆破技术，在砂岩、石灰岩、白云岩、片岩、页岩、泥 岩等地质条件下，修建地下军事掩蔽部、公路铁路隧道、水工隧洞、矿山巷 道等。2 0 世纪9 0 年代，软弱围岩隧道施工采用计算机分析和工程作用规律相 结合的综合分析。2 0 世纪末叶基本停滞不前“，但是在这个时期若干可便于 工程推广的专用计算机程序软件得以成熟和发展。信息化设计使经验方法科 学化，使力学计算具有实际背景，这种以旖工监测、理论分析、经验判断相 结合，地质调查、设计、施工相交叉的方法是非常符合隧道工程特点的，为 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 隧道施工开辟了条正确的途径。 1 1 2 软弱围岩隧道施工发展方向 根据暴露出来的围岩状态采取对策，是隧道施工的基本原则。因此必须 要爱护围岩和坚持动态施工。爱护围岩是因为围岩是隧道的主要承载单元， 所以要在施工中充分保护和爱护围岩，避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度， 使暴露的围岩尽量保留既有的质量。动态旅工是指各种施工方法都要适应不 断变化的地质条件和力学状态。在软弱围岩隧道支护方面，由过去的单一支 护形式逐步发展为各种多次支护、联合支护形式，并形成了各种系列支护技 术，如锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注系列技术、钢架支护系列技术、 钢筋混凝土支护系列技术、注浆加固系列技术和预应力锚索支护系列技术。 特别是近年来发展起来的预应力锚索技术已成为软弱围岩隧道支护的重要技 术，其独特优点是能把深部围岩强度调动起来，和浅部支护岩体共同作用， 控制隧道稳定性，这将是2 l 世纪我国软弱围岩隧道支护的主流方向。 总之，软弱围岩隧道施工发展方向就是必须不断地提高隧道旄工的工厂 化技术和施工管理水平。 1 2 目前主要研究方法 对于这一方面的研究，归纳起来，主要有以下几种： ( 1 ) 工程类比方法 工程类比的依据是系统的可靠的基础资料，主要包括围岩的地质、水文、 工程地质资料，岩石的物理、化学、力学性质以及工程环境资料，类似地质 条件相邻隧道的开挖支护方案及围岩变形的有关资料。在对这些资料、工程 条件分析的基础上进行类比方案设计。 ( 2 ) 理论验算进行参数校核 理论验算是通过应用计算机程序软件来校核类比法所选取的开挖支护类 型和参数是否符合隧道围岩变化规律。 ( 3 ) 施工监测与反馈 根据软弱围岩隧道现场监测的数据进行有关工程参数的反馈和修正。 1 3 论文选题的意义 ( 1 ) 工程地质意义 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 软弱围岩隧道的施工过程受多个因素控制，在不同的地质和工程条件下， 各因素所起的作用主次不同。分析软弱围岩隧道的施工过程，判断在隧道施 工过程中哪些因素是影响围岩的稳定主要因素，有针对性选择隧道开挖、支 护方式，更好的保证隧道的稳定，防止盲目的进行隧道施工，造成重大经济 损失和安全事故。 ( 2 ) 力学意义 从软弱围岩隧道的力学角度分析，影响软弱围岩隧道稳定的地应力主要 为松动压力、形变压力、膨胀压力。软弱围岩隧道因其围岩的强度较低，抗 扰动能力较弱，在隧道掘进过程中，为了保证隧道安全和围岩的稳定，都必 须进行支护，在新奥法的理论基础上，我们知道在隧道围岩内应尽量避免出 现松动压力，防止隧道开挖后的围岩由塑性体转变为破坏的松动体或进入塑 性阶段，而造成隧道支护难度增大；在隧道塑性体未破坏前，尽量释放围岩 二次应力的变形能，同时改造围岩自身承载力，减少作用在支护上的变形压 力，是减少隧道施工成本的有效方法。 ( 3 ) 工程意义 研究结果可以供以后类似工程地质条件的施工借鉴，从而达到合理选择 软弱围岩隧道的开挖支护施工方法，减少围岩失稳的目的。 1 4 论文研究的主要内容 本文以龙池隧道开挖支护为主要工程研究背景，把软弱岩体作为研究对 象，利用数值模拟解决隧道开挖支护旌工过程中的一系列问题。研究主要内 容有： ( 1 ) 系统论述软岩的地质特征和工程特性，软岩的定义及分类，软弱围 岩隧道失稳原因。 ( 2 ) 研究的软弱围岩隧道开挖支护方法及其作用机理，根据软弱围岩隧 道变形破坏力学机制确定确定开挖支护对策。 ( 3 ) 对软岩条件下公路隧道开挖支护旅工过程进行数值模拟，来验证开 挖支护方式的合理性。 ( 4 ) 通过监控量测对隧道拱顶下沉、隧道周边收敛和锚杆拉拔力试验进 行分析，以此反馈隧道开挖支护方案和数值模拟的可靠性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章龙池隧道围岩类别 要研究软弱围岩公路隧道开挖支护施工过程，首先必须了解软岩的一些 特性，在此基础上，才能正确认识软弱围岩隧道的开挖支护旌工特点。 2 1 龙池隧道地质环境条件 ( 一) 龙池隧道地质环境条件 龙池隧道是四川岷江紫坪铺水利枢纽工程紫坪铺库区淹没段改建工程， 进口里程为k 0 + 4 5 3 ，出口里程为k 1 + 6 2 0 ，全长1 1 6 7 米，为双向二车道直线 隧道，设计时速3 0 k m h ，预留4 0 k m h ，隧道路面为水泥混凝土刚性路面，隧 道设计纵坡为o 5 。龙池隧道位于飞来峰山脊之下，通过第四系堆积层，区 域性断层的影响带和以碳质、泥质页岩为主的软弱、性状不良的岩土体，并 有断层和发育在碳质页岩中的层间错动带，工程地质条件复杂。 ( 1 ) 气象水文条件 隧道场地属于四川盆地亚热带季风气候区，根据都江堰气象站的资料， 本区多年平均降雨量为1 1 0 5 3 1 2 3 1 7 m m ，多年平均降雨日1 8 3 2 0 2 天，多 年一只最大降雨量2 2 5 r n n ，日降雨量5 0 m m 的暴雨平均每年出现1 2 次，只 降雨量1 0 0 r a m 的大暴雨5 年出现2 次，日降雨量1 5 0 r a m 的大暴雨5 1 0 年 出现1 次，月降雨量2 0 0 m m 的特大暴雨1 0 年以上可能出现1 次；多年平均 气温1 3 5 c 1 5 2 c ，最冷为1 月，最低气温一5 。c ，最热为7 月，最高温度 3 4 ，气温随海拔的升高而降低。 ( 2 ) 区域地质条件 隧址区位于北东向龙门构造带的中南段，前山断裂和中央主断裂之间， 涉及的区域构造有砂金坝向斜，r 、r 断裂共同形成的推覆体( 飞来峰) 条 形灰岩带和r 断裂，它们形迹特征如下： 砂金坝向斜( x 1 ) ：总体走向n 4 0 5 0 0 e ，全长约3 0 k m ，发育于三叠系 须家河组( t 。”3 ) 地层中，两翼基本对称，地层倾角4 5 6 5 0 。 f 4 、f s 断裂：由条形灰岩的推覆运动和重力构造的复合作用造成的， 成分复杂性状不定，破碎物的颗粒大小混杂； f 6 断裂：逆断层，走向n 4 0 5 0 0 e ，倾向n w ，倾角5 0 7 0 0 ，破碎带宽度 3 5 皿，延伸长度约2 5 k m ，属中、晚更新世活动断裂。隧址位于f 。断裂的上 盘，隧道进口地段t 。3 岩体的破碎和碳质页岩内层间错动破碎带的发育，受 到它的影响有关。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 3 ) 地形地貌 龙池隧道布置在纸厂沟与小桃沟之间的山体内，沿洞线高差悬殊很大， 山顶高程1 1 2 0 m ，高出纸厂沟2 8 0 m ，高出小桃沟2 0 5 m ，纸厂沟与小桃沟均为 岷江一级支流，u 型宽谷。隧道进口( 纸厂沟左岸) 1 0 1 0 m 高程以上为基岩陡 坡，地形坡度大于z 4 5 0 ，以下则为缓坡，均为第四系崩坡积( q 。“) 块碎石 土覆盖，地形坡度1 0 2 0 0 ；小桃沟9 7 5 m 高程以上谷坡为基岩陡坡，地形坡 度3 5 4 5 0 ，以下则为缓坡，被第四系崩坡积( q 。”“) 块碎石土覆盖，地形 坡度5 i o o 。 ( 4 ) 地层岩性 隧址区出露地层主要为三叠系须家河组上段( t 3 x j 3 ) 砂页岩及第四系崩坡 积( q 。“1 ) 块碎石土层，现叙述如下： 三叠系须家河组上段( t 。3 ) 砂页岩地层：由中细粒砂岩、砂质页岩、泥 质页岩、碳质页岩加煤线组成，出露厚度大于1 5 0 m 。砂岩，灰深灰色，中 厚层状，中细粒结构，主要分布在隧道进口一带；碳质页岩和泥质页岩岩性 软弱，集中分布在隧道进口及洞身地段，出露厚度大于2 0 0 m 。 第四系崩坡积( q 。9 “) 块碎石土层：浅黄、灰黄色。块碎石成分以砂岩为 主，土为粉质粘土，褐黄色，可塑状；颗粒级配：) 2 0 0 m m 占6 4 2 9 ，) 2 0 m m 占8 2 0 7 ，) 2 m m 占8 5 4 6 ，砂粒和粘粒占1 4 5 4 。隧道出口一带层厚0 o 1 2 8 4 m ，隧道进口地带厚度大，一般层厚3 0 0 5 5 o m 。 ( 5 ) 地质构造 隧址区位于f z 断裂和纸厂沟断层f 。所围限的断块岩体上，受断层和岩性 影响，岩体较破碎，隧洞围岩结构一般以破裂结构或镶嵌结构为主。 ( 1 ) 纸厂沟断层f 。：逆断层，走向n 4 0 5 0 0 e ，倾向n w ，走向6 0 7 3 0 ，破 碎带宽度0 5 2 o m ，延伸长度约8 k m ，从隧道进口一带过。 ( 2 ) f 2 断层：平移断层，走向n 3 5 4 0 0 e ，倾向s w ，走向5 5 6 0 0 ，破碎带 宽度0 2 0 5 m ，延伸长度约l k m ，由糜棱岩、碎块岩组成。在里程k 1 + 6 0 9 8 处与路线斜交。 ( 3 ) 区内岩层产状：纸厂沟断层f 。上盘n 5 8 0 w n e 么6 2 0 ，纸厂沟断层f 下盘n 5 8 0 e s e z 6 0 0 。岩体中主要发育三组构造裂隙，产状分别为n 4 0 5 0 0 e n w 或s e 么7 5 8 5 0 ，n 4 0 6 0 0 i v z 6 5 7 5 0 ，n 7 5 8 0 。w s w 或n e z 5 0 7 0 “，其中第组最发育，张开0 3 2 c m ，延伸长度3 5 ，间距0 5 i 5 m ： 第组多闭合，延伸长度2 4 m ，间距0 5 1 o m ；第组一般短小闭合。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 ( 6 ) 水文地质条件 隧址区内地下水类型主要为基岩裂隙水。赋存于t 。，3 砂岩风化、卸荷裂 隙中，受地形、岩性限制，含水不均，受大气降水补给，向纸厂沟和小桃沟 排泄，观测泉为下降泉，流量一般q = o 0 1 o 0 2 l s 。水质分析试验结果表明： 区域地表水、地下水化学类型均为重碳酸钙型水，按硬度分类属软水，按矿 化度分类属淡水，按p h 值分类属弱碱性水。 ( 7 ) 特殊地质 岩石风化卸荷 据勘探成果资料表明，岩石强风化带厚度一般5 8 m ，岩石中等风化带厚 度一般8 1 2 m ，由于岩性和所处部位不同，风化差异较大，隧道进口段较深。 出口基岩陡坡砂岩中，顺坡向的卸荷裂隙较发育，卸荷带水平宽度5 l o m ， 可见切割深度3 5 m ，卸荷裂隙裂面粗糙，张开宽度一般1 3 c m ，最大8c m ， 大多呈上宽下窄，少数下宽上窄。边坡岩体局部有松弛岩块。 瓦斯问题 三叠系须家河组上段( t a x j a ) 砂页岩地层有煤层广泛分布，含产煤地层， 煤层单层厚度一般为3 0 8 0 c m ，顺层分布于砂、页岩之间。同时产生瓦斯等 有害气体。据测定，3 0 分钟内的绝对瓦斯涌出量最大为0 8 5 7 m a m i n ，属于低 瓦斯区。 ( 8 ) 地震动参数 根据g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 国家地震参数区划图，场地地震动峰值加速度为 0 1 9 a l ，地震动反应谱特征周期为0 4 s ，地震基本烈度为。 ( 二) 工程地质平面图和纵剖面圈 有关隧道部位的工程地质平面图和纵剖匠图见图见图2 1 和图2 2 。 图2 - 1 工程地质平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 图2 - 2 工程地质纵剖面图 粜 坐 圈圃 ll 圉圆 圜哪园 田圆 萋誊 田皿 薷薯 国圈 女 园国 覃匝 n 匝 匝怛磊暴峰簧醛h测型要裎 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 2 软岩的定义和特性 2 2 1 软岩的定义 由于研究者的不同目的，给软岩赋予了不同的意义和标准。根据工程 岩体分级标准( g b 5 0 2 1 8 9 4 ) 有关规定，按岩石的坚固性分类，把强度即单 轴极限抗压强度大于3 0m p a 的新鲜岩石划分为硬质岩石；小于3 0m p a 的划 分为软质岩石，其中小于5m p a 的划归为极软岩石m 。 2 2 2 软岩的特性 ( 一) 软岩的物质成分 软岩的外观结构较细，硬度较低，刚好可以用刮刀划伤，伤痕连续性较 好。旋以刮刀端中等大小的力，可将软岩敲成1 3n l l n 的小块，对于极软岩 则可以用手使劲捏碎。软岩的密度较小，不连续结构面普遍发育，遇水出现 明显的软化和定的膨胀性。 软岩的主要矿物成分是粘土矿物，其次是石英、长石、云母等碎屑矿物， 还有一些钙、铁质胶结构或游离氧化物。这就是说软岩主要是由粘土矿物组 成的岩类。粘土矿物是软岩中小于0 0 0 5 m m 的颗粒的主体，是一种含水的硅 酸盐或铝硅酸盐矿物，具有硬度小、比重不大的特点，是软岩中活性最大、 力学性质灵敏的矿物，尤其是与水的反应最为灵敏，是一种多敏性矿物。因 此随着软岩中粘土矿物含量的增加，长期强度和蠕变强度的差值、软化性、 膨胀性变得更明显，其变形随时间而增长，即流变效应明显。这就是人们常 把粘土岩和含粘土质成分较高的岩石称为软岩的原因之一，也是导致泥质缅 砂岩一泥质粉砂岩一泥岩强度递减，各种泥化岩石和泥化软弱带强度低的重 要原因之一。 ( 二) 软岩的结构构造 软岩主要是泥质结构、粉砂泥质结构、砂泥质结构和残余结构。具有一 定的成岩结构强度。主要的粘土矿物一般来说比粘土中那些同样的粘土矿物 的晶形要好，即晶片更为规则，内部构造中的缺陷较少，多呈塑性单元体平 行同相紧密接触，表现出较强的结构连接力，有的软岩在经过变质作用后， 增大了强度和提高了水稳性。由于主要物质成分和地学环境形成的结构特征， 软岩的构造多发育结构面构造或不连续面如层理、扳理、千枚理、片理、微 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 细节理及多孔洞构造。 ( 三) 软岩工程特性 软岩除了易受风化作用影响外，有以下四种工程特性： ( 1 ) 孔隙率大 软岩在风化的过程中，受到所谓的滤洗作用，使得材料间胶结物被淋洗 流失，进而形成软岩中的孔隙。当孔隙越大越多，则软岩的单轴抗压强度越 低。另一原因为软岩自身组成矿物，因抗风化作用弱，使得材料间产生新裂 缝而使软岩孔隙率增加。 ( 2 ) 胶结性差 就地质年代而言，软弱岩石除成岩时间较短，成岩过程中其胶结物强度 不足，也是形成胶结不良的原因。因此会使得软岩因风化作用造成强度降低、 变形加大及遇水弱化的现象。 ( 3 ) 变形性大 当应力状态变化( 隧道开挖或含水量增加) 时，软岩产生的变形量较一般 岩石大。另外，软岩也容易因含有较多粘性矿物成分，在经自然干湿循环作 用后产生消散现象，其特性为压缩性大、遇水强度降低。因开挖应力释放， 回弹也会增大。 ( 4 ) 蠕变现象 软弱岩石在较低应力下，会有相当明显的蠕变现象。软岩的蠕变试验表 明，当所旌加的载荷小于某一载荷水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲 线趋于某一变形值，随时间延伸不再变化；当施加的载荷大于某一载荷水平 时，岩石出现明显的塑性变形加强现象，即产生不稳定变形，这一载荷，称 为软岩的软化l 临界载荷，亦即能使岩石产生明显变形的最小载荷。 ( 四) 软岩的力学性质和水理性质 ( 1 ) 软岩力学性质 软岩的力学性质受物质组成、结构构造和形成时的地质年龄( 代) 的影响。 一般均表现为低弹性高塑性，即力学强度低。软岩在工程力的作用下，往往 产生不可逆变形，这种性质，称为可塑性。在地表或近地表的单向受压情况 下，较年轻的( 一般以中生代为界) 软岩一般表现为塑弹性体性质，应力应变 曲线表现上凹曲线型，而膨胀性较强的软岩，应力应变曲线为上凹型和下凹 型的组合，属塑弹塑性体，在破坏前多表现为应变硬化( s t r a i n h a r d e n i n g ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 一应变软化( s t r a i n s o f t e n i n g ) ，较古老的软岩则往往显示出弹塑性性质和 更大的力学强度“1 。 ( 2 ) 软岩的水理性质 由于软岩中主要物质成分的亲水性和不连续面、孔隙的导水性和容水的 能力及扩大水和岩体的接触面的作用，使软岩具有特殊的水理性质。 物质成分中粘土矿物晶格的吸水能力和土中多相界面的离子水化膜的形 成趋势，使软岩出现遇水软化，显示出一定的可塑性、膨胀性等水理性质。 但由于粘土矿物组成软岩结构的基本单元体之间的空隙，由于成岩作用变得 更为细小和密集( 即原生空隙的开启性微弱) ，极大地限制甚至阻止了自由水 的进出，从而制约了粘土矿物晶层间距中的亲水性的发挥，而离子水化膜却 被较长期地滞留在软岩中，离子水化膜在软岩内部不连续面附近的加厚和渗 透、扩容，使软岩遇水软化、泥化。膨胀现象局限在软岩的多相界面附近， 在长期压力作用下滞留的离子水化膜的缓缓挤出和长程连结的滑移、单元体 和单元体内部的定向转移产生明显的流变效应的双重特征。 在软岩中自由水多存于岩石内部开口空隙中，岩水相互作用不同于土水 相互作用。如果明显施压于饱水岩体，岩石结构、空隙变形，将产生空隙水 压力；如果空隙连通，将形成沿水力梯度的流动。因此，当地下水通过不连 续面发育的软岩体时，对其中有效应力的分布、有效应力值的大小会产生影 响，要求在工程施工中既要考虑由于水流引起的应力和变形对安全系数的影 响，又要考虑相伴的热扩散的影响“1 。 2 3 龙池隧道围岩类别 我国大量地下工程建筑的实践表明，隧道的破坏及围岩压力的大小，并 非仅仅取决于岩体的强度，而主要是取决于反映围岩稳定性的围岩结构特征。 因此，近年来人们在逐渐废弃了单纯以围岩强度为基础的围岩分类法，向综 合考虑隧道围岩地质条件特征及以隧道围岩稳定性为基础的围岩分类法。 同时，绝大多数隧道的设计与施工实践遇到的地质情况不符，实际围岩 情况与预设计出入比较大。在公路隧道施工过程中，当实际围岩类别小于预 设计围岩类别，则有可能出现险情。反之，当实际围岩类别大于预设计围岩 类别，则浪费了国家投资。所以无论是为保证工程的顺利进行，还是为节约 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 工程投资，都有必要在施工阶段进行围岩分类。 因此本文介绍了公路隧道设计规范围岩分类法，并在此基础上选取 重要并比较容易获取的指标，结合龙池隧道的具体工程地质情况，建立了具 有针对性的施工阶段围岩分类方案，便于指导实践。 2 。3 1 公路隧道设计规范围岩分类法 我国现行的围岩分类方法，是以隧道围岩稳定性为基础进行分类的。隧 道围岩的稳定性系指：隧道开挖后围岩自身在不支护条件下的稳定程度。影 响隧道围岩稳定性的原因很多，有水文地质和工程地质方面的；还有结构形 状、尺寸和支护结构方面的，也还有施工方面的因素等。因此，企图在一种 围岩分类法中全面反映所有影响因素是困难的，也是不切合实际的，只能抓 住主要的基本因素作为围岩分类的依据。我国现行公路、铁路隧道的围岩分 类法，主要是以控制围岩稳定性的围岩结构特征和完整性作为分类的基本依 据，并适当考虑围岩岩石的强度等因素。围岩结构特征和完整状态，是指围 岩被各种结构面( 如节理、层理面、片理面、错动面等1 切割成单元结构体的特 征。这是评价围岩稳定程度最重要的标志。 围岩结构特征和完整状态，主要取决于地质构造运动的次数和强弱。一 般地质构造运动的次数越多、越强烈，则岩体的节理裂隙就愈发育，围岩就 越破碎，其稳定性就越差。而地质构造的强弱一般反映在地层岩体中各种裂 隙的间距、裂开程度、充填状况以及被切割的块体大小、组合形状、岩石力 学指标等。因此，可根据围岩受到地质构造影响的程度和围岩节理发育的程 序等对岩体进行分类。 现行的公路隧道设计规范把隧道围岩依其稳定性分为六类。分类方 法详见表2 1 和表2 - 2 。 隧道围岩定量分类表2 - 1 意淡 vii 钡m 趱瑚指床 r o d ( ) 9 5 8 5 9 57 5 8 55 0 - - , 7 52 5 - - 5 0 4 5 3 5 4 52 5 - - - 4 01 5 弓d1 0 、2 - o 6 0 m p a ；受地质构造 围岩稳定，无坍塌， 影响轻微，节理不发育，无软弱面( 或夹层) ；层状呈巨块状整体结构 可能产生岩爆。 岩层为厚层，层问结合良好 硬质岩石r b 3 0 牺a ：受地质构造影响较重，节理较 发育，有少量软弱面( 或夹层) 和贯通微张节理，但暴露时问长，可能 其产状及其组合关系不致产生滑动，层状岩层为中呈大块状砌体结构会出现局部小坍 v 层或厚层，层问结台一般很少有分离现象，或为塌，侧壁稳定，层 硬质岩石偶夹软质岩石间结合差的平缓岩 软质岩石r b 3 0 m p a ；受地质构造影响轻微，节埋不 里巨块状整体结构 层顶板易塌落。 发育，层状岩层为厚层，层问结合电好 硬质岩石r b 3 0 m p a ；受地质构造影响严重，节理发 育，有层状软弱面( 或块层) ，但其产状及组合关系呈块( 石) 碎( 石) 状 尚不致产生滑动；层状岩层为薄层、中层，层间结镶嵌结构 拱部无支护时可产 i v 合差，多有分离现象：或为硬、软质岩石互层 生小坍塌，侧壁基 软质岩石r b = 5 3 0 m p a ；受地质构造影响较重，节 奉稳定，爆破震动 理较发育：层状岩杠为薄层、中层或厚层，层问结合呈大块砌体结构 过大易坍塌 一致 硬质岩石r b 3 0 m p a ；受地质构造影响很严重，节理 呈碎石状压碎结构 很发育；层状软弱面( 或兴层) 己摹本被破坏 软质岩石r b - 5 3 0 m p a ；受地质构造影响严重，节呈块( 石) 碎( 石) 状拱部无支护时可产 i i i 理发育镶嵌结构生较大的坍塌，侧 1 略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土l 、2 呈大块状压密 壁有时失去稳定。 2 ，黄十( q ，0 z )结构；3 呈巨块状 3 一般钙质、铁质胶结的碎、卵石土、大块石土整体结构 石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱呈呈角( 砾) 碎( 石) 状围岩易坍塌，处理 石夹士或土夹石状松散结构不当会出现大坍 u 非粘性土呈松散结 塌，侧壁经常小坍 一般为半干硬一硬型的猫性土及稍湿至潮湿的一般 构、粘性土及黄土 塌，浅埋时易出现 碎、卵石土，圆砾角砾土及黄土( q ，、o )地表下沉( 陷) 或坍 呈松软结构 至地表。 石质围岩位于挤压极强烈的断裂带内呈角砾、砂、 呈松软结构围岩极易坍塌变 泥松软体 形，有水时土砂常 i 粘性土呈易蠕动的 与水一齐涌出，浅 软塑状粘性土及潮湿的粉细砂等橙软结构，砂性土 埋时易坍至地表。 呈潮湿松散结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 2 龙池隧道岩体物理力学性质 ( 1 ) 龙池隧址区围岩覆盖层为崩坡积堆积层( q 。“1 ) 和三叠系上统须家 河组上段( t 。3 ) 的砂岩及砂质页岩、泥质页岩、碳质页岩组成。隧道岩土体 物理力学性质结果见表2 3 ，表2 4 。 隧道区岩石室内试验成果表表2 - 3 干密度比重普通碾水率饱和畈水率 单轴极限抗压强度软化系 试验组别 千湿 数 岩石名称 与别值p gn o_ sr cr g i ( r g c i 3 | 徽中等风化 试验组数555 55 砂岩 平均值 20 22 1 l08 6l4 08 1 1蚰3o 6 0 中等风化 试验组数555 55 砂岩 平均值 2 珀2 7 ll 蛆l8 94 9l2 85o 5 8 中等风化 试验组数44 44444 砂质页岩 平均值 2 5 82 6 81 5 l1 9 52 8 91 56o5 4 中等风化 试验组数44444 44 泥质页岩 平均值2 6 1 2 7 01 j 22 0 92 1 2l l20 5 3 中等风化 试验组数5555555 碳质页岩 平均值 26 22 7 31 5 421 88 54 4o 5 2 隧道进出口边坡块碎石试验成果表表2 - 4 谢 砖埝燃 各妊柚酚强黜柚瑚 6 ) 妯阑蜮 檀赦 懒 鞲弘肌po 晒5 中c 蹦：蚰抛 田q 嘶0 饬0 喵皿舶2f )胁 田8 m2 曙盛皿n g9 诅8 尚l 伍l 劬0 雨盛蛆观啦码墨望2 0 融i 嚣2 1 1组哲8 啦l 田q 4 啦q 姐5 田国哲勋国融啦翟筒5 9 i n6 hl 暂伍劬取3 蜀q q6 蛎8 曰5 啦伍砸再百田盟刃z 8 ，触z b 2 呖6 i 国b m4 伍3 国4 田6 孵3 田嚏固咀甜压啦五岳5 丑 ( 2 ) 隧道围岩物理力学指标建议值 通过现场原位测试和室内试验，龙池隧道围岩物理性质指标建议值如表 2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 隧道围岩物理力学指标表2 - 5 泊抗剪断强度岩靴岩石 丽变形 松 摩擦内聚弹蝴坚固 甜段岩地质岩体模量 比系数 力 j 激撤 桩号类岩陛结陶 bu f c kf l ( 别 中 ，m唰， 微啼酣煳襁 l o - - -n7 q 8 脚啊7 0 蝴 q 1 0 锄4 、5 土灾崔额岩糊 1 2n 91 0 胁哂口吨1 砌啊弹唧岩# 镢揪 1 n q 卜n 4 - - l nq3 5l o 1 53 - 4 m 爱酽哪嘞自坻碱茹岩缃 1 1 5 n 6n 6 m 卅出叫毋唧蜘融懒黼n 2 q 3 q 0 5 1 iq 4 0巧 2 i ( 1 巧q m 固d碎期讳职| f 七拓黝n 4n 4n 1 2 3 3 龙池隧道施工阶段围岩分类法 龙池隧道预设计阶段依据公路隧道设计规范进行围岩分类a 然而规 范中的围岩分类方案是一种具有普遍性的方案，对龙池隧道工程的适用性不 强。因此，针对龙池隧道的具体工程地质条件，以公路隧道设计规范中 的围岩分类方案为基础，制定了一套专用于龙池隧道的围岩分类方案a 分类原则：以公路隧道设计规范为基础，重点把握岩性和岩体结构 两个因素作为分类的主要指标，并结合己开挖段出现的主要问题和隧道工程 中常见的一些围岩类别影响因素作为修正，借鉴水电工程的岩体分类思路”“， 建立一套多种因素相互补充、定性判断和定量计算相互结合、多种分类方法 相互校正，适用于龙池隧道的围岩分类体系。分类因素为： ( 1 ) 岩性 岩性间接反映了岩石强度。直接从岩性的角度出发，提出分类方案，更 符合工作人员现场围岩分类的过程。现场调研也表明，岩性实际上已成为控 制龙池隧道围岩类别和围岩稳定性的重要因素。一般情况下，砂岩岩层较坚 硬，一般属于i 、类围岩；泥质页岩、碳质页岩较软弱，一般属于i i 、i i i 类围岩。 ( 2 ) 岩体结构 岩体结构反映了岩体的完整性。尽管岩体稳定是一个极为复杂的问题， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 但岩体变形破坏的机制、方式和规模都受岩体结构控制的。因此，分类方案中 将岩体结构也作为重要因素。反映岩体结构的因素有：岩层厚度；节理 情况：嵌合程度；岩体结构类型；r q d 定量指标；v p 定量指标。 ( 3 ) 修正因素 主要考虑地下水特征；岩层产状与掘进方向的关系，分别考虑岩层 走向、倾向和倾角与隧道掘进方向的关系。 重点从岩性和岩体结构两个方面把握围岩类别是能够比较客观反映围岩 基本稳定状况的，关键的问题是，如何认识地下水、结构面等因素对围岩类 别的影响。在龙池隧道区，这些因素对围岩稳定性究竟会产生怎样的影响， 研究如下： 地下水特征 地下水是造成碳质页岩和泥质页岩变形的重要因素。碳质页岩和泥质页 岩在干燥状况下一般都嵌合紧密，稳定性较好，而一旦遇水后都会发生不同 程度的软化如果地下水丰富，碳质页岩和泥质页岩岩体结构将变得极其松 散，强度非常软弱。 龙池隧道地下水往往有滞后出现的特点，刚开挖时水量不大，隔一段时 间后才开始大量渗水流水。因此，在以碳质页岩或泥质页岩为主的里程段， 如果地下水呈滴水流水状，应引起格外重视，围岩以弱i i 类处理为宜；如 果碳质页岩或泥质页岩呈干燥或湿润状态，围岩以i i 类处理为宜。在以砂岩 为主的岩层中，由于岩体强度高，地下水对围岩稳定性的影响不大。因此， 对以砂岩为主的里程段进行围岩类别判别时，不必过多考虑地下水的影响。 结构面 现场观察和调研表明，结构面( 包括层面、裂隙、断层) 产状与掘进方向 的关系对围岩稳定性也有着重要作用。二者之间的关系如表2 - 6 所示。 结构面与拥进方向关系表表2 - 6 结随荀茸掣鞘唰坊向晰大角娥4 5 。)结掀向吲丽越方向0 同 倾角 顺嘲奶掘鞋逆坝撇辛眭线) d 萌据髓茫托秽) 旷叼妒 f 麴倾喃黼傍喃倾角黼 无论佧缴 世薅拥护媾屿e舭5 04 5 0 - - 时磷舔 非# 洧利有利般才涮非# 钎；倒不利年利 层面：龙池隧道岩性以砂岩、碳质页岩和泥质页岩为主，层面对围岩稳定 性起主要控制作用。隧道区岩层多为n w 向，倾n e ，倾角一般为陡倾。洞轴线 方向为n 5 8 0w ，出口反倾向掘进，对施工不利。尤其是当层面具有碳质页岩 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 或泥质页岩时，中薄层状页岩易沿层面滑出，造成不同程度的塌方或产生滑 移型大变形。当泥质页岩呈镶嵌结构、嵌合紧密、地下水不丰富、层面走向 与洞轴线大角度相交时，围岩能够保持较好的稳定性，可按i i i 类围岩施工。 对中薄层状砂岩、碳质页岩或泥质页岩互层的围岩，若岩体呈镶嵌结构、嵌 合紧