（地质工程专业论文）水平岩层地区隧道围岩稳定性研究——以新窑沟隧道为例.pdf

摘要 本文以新窑沟隧道工程为研究实例，在收集和分析前人资料及研究成果的基 础上，对水平岩层地区隧道围岩的破坏类型及破坏机制进行了研究。应用模糊综 合评价的方法建立了水平岩层地区围岩分类体系，对新窑沟隧道围岩进行了分 类。并用a n s y s 通用有限元计算软件对层状岩体中隧道开挖的力学行为进行了 数值模拟。 文中首先分析了水平岩层地区隧道围岩的破坏类型及破坏机制，归纳出水平 岩层隧道围岩变形破坏特征、围岩稳定性的主要影响因素。并对水平岩层地区隧 道围岩的结构类型按完整结构、块裂结构、碎裂结构、层状结构、散体结构五大 基本类型进行论述，提出层状结构为水平岩层地区的主要结构。 其次，本文借助模糊数学理论和方法，针对围岩分类中存在的围岩类别和判 定指标问的不确定性关系，建立了水平岩层隧道囤岩模糊信息分类方法。并用此 方法对实例新窑沟隧道进行了围岩分类的评判。通过隧道围岩开挖后的围岩类别 对比验证，证明本方法在用于水平岩层地区的围岩分类评判是可行的。 最后，作者应用a n s y s 通用有限元计算软件对层状岩体中隧道开挖的力学 行为进行了数值模拟，通过对其施工过程进行平面弹塑性有限元模拟分析，讨论 了隧道施工过程中的围岩应力分布状况。为隧道进行合理的初期支护设计和施工 提供了参考，施工过程中可能出现的隧道地质灾害提前消除了隐患，做到防患于 未然，对隧道的设计和施工有着指导意义。 关键词：水平岩层围岩稳定性分析围岩模糊分类数值模拟 新窑沟隧道 a b s t r a c t b a s e do na n a l y z i n ga n dc o l l e c t i n gp r e d e c e s s o r s m a t e r i a l s ，x i n y a o g a ot u n n e l w a sc h o s e na sa ne x a m p l e ，d e s t r u c t i o nt y p ea n dm e c h a n i s mo ft h et u n n e la d j a c e n t f o r m a t i o ni n h o r i z o n t a l l y s t r a t u ma r e aw a ss t u d i e di nt h ep a p e r t h ea d j a c e n t f o r m a t i o nw a sc l a s s i f i e db yt h ec l a s s i f i c a t i o n s y s t e mo fa d j a c e n t f o r m a t i o ni n h o r i z o n t a l l y s t r a t u ma r e aw h i c hw a se s t a b l i s h e dt h r o i l g ht h em e t h o do ff u z z y c o m p r e h e n s i v ea s s e s s m e n t t h et u n n e le x c a v a t i o nm e c h a n i c sb e h a v i o ro f t h eb a n d i n g r o c k sw a ss i m u l a t e db yt h ea n s y s g e n e r a lf i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o ns o f t w a r e f i r s t l y , t h ed e s t r u c t i o nt y p ea n dm e c h a n i s mo ft u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o ni n h o r i z o n t a l l ys t r a t u ma r e aw e r ea n a l y z e d i nt h ep a p e lt h em a i ne f f e c tf a c t o r so f s t a b i l i t ya n dd i s t o r t e dd e s t r u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o nw e r e a l s os u m m a r i z e d a c c o r d i n gt ot h ef i v eb a s i cc l a s s i f i c a t i o ns t a n d a r ds u c ha sc o m p l e t e s t r u c t u r e ，t h eb l o c kc r a c ks t r u c t u r e ，t h ef r a g m e n t a t i o ns t r u c t u r e ，t h eb a n d i n gs t r u c t u r e a n dt h es c a t t e r i n gs t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r et y p ei nh o r i z o n t a l l ys t r a t u ma r e aw a s i l l u s t r a t e da n dt h ec o n c l u s i o nt h a tb a n d i n gs t r u c t u r ew a st h em a i ns t r u c t u r ew a sa l s o b r o u g h tf o r t h s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n g t h ei n d e f i n i t er e l a t i o no ft h ea d j a c e n tf o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o na n de v a l u a t i o nf a c t o r st h ef u z z ym e s s a g ec l a s s i f i c a t i o nm e t h o do f t u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o nw a se s t a b l i s h e dw i t hf u z z ym a t h e m a t i c st h e o r ya n dm e t h o d t h e s t a b i l i t y o fx i n y a o g a ot u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o nw a se v a l u a t e db yt h e c l a s s i f i c a t i o nm e t h o d i tt u r n e do u tt h a tt h em e t h o dw a sf e a s i b l ei ne v a l u a t i n gt h et y p e o ft h ea d j a c e n tf o r m a t i o no ft h eh o r i z o n t a l l ys t r a t u ma r e at h r o u g ht h es t a b i l i t y c o n f i r m a t i o no ft u n n e la d j a c e n tf o r m a t i o n f i n a l l y , t h et u n n e le x c a v a t i o nm e c h a n i c sb e h a v i o ro ft h eb a n d i n gr o c kb o d yw a s s i m u l a t e db yu s i n gt h ea n s y s o nt h eb a s i so fs i m u l a t i o nw i t ht h ep l a n ep l a s t i c f i n i t ee l e m e n t ，t h ea d j a c e n tf o r m a t i o ns t r e s sd i s t r i b u t e di nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s w a sd i s c u s s e dw h i c hp r o v i d e dw i t hr e f e r e n c et oi n i t i a ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ， d i s p e l l e dt h ed a n g e ri nc o n s t r u c t i o np r o c e s si no r d e rt op r e v e n tb e f o r et h e yo c c u la n d h a ss i g n i f i c a n c ei ng u i d i n gt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no ft u n n e l k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls t r a t u m f u z z yc l a s s i f i c a t i o no fr o c km a s s x i n y a o g o nt u n n e l s t a b i l i t ya n a l y s i so ft u n n e ls u r r o u n d i n gr o c k n u m e r i c a lm o d e l i n g 论文独创性声明 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：张s 肆油萨占月曰 论文知识产权权属声明 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：张再、i 牛， 弧行朔硇日 导师签名：步不孑文州年厂月刃日 n 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义嘲 “1 9 世纪是桥梁的世纪，2 0 世纪是高层建筑的世纪，2 1 世纪则是人类开发 和利用地下空间的世纪”。随着工程技术的不断发展，地下工程的规模也越来越 大。岩体是一种经历了地质构造运动的变形与破坏，包含各种结构面的复杂地质 体。在隧道施工过程中，由于岩体的天然应力平衡状态遭到破坏，引起隧道周围 岩体的卸荷回弹和应力重分布，当这种回弹应力和重分布应力超过围岩强度所能 承受的范围时，将造成工程岩体的失稳破坏，给隧道施工和运营带来危害。 在隧道设计和建设的各个阶段，正确及时地对隧道围岩岩体质量和稳定性作 出准确地评价，是经济合理地进行围岩支护加固设计、快速安全施工以及隧道安 全运营必不可少的条件。 自然界中具有层状构造的沉积岩占陆地面积的三分之二( 我国占7 7 ) ，许 多变质岩也具有层状构造特征。所以在人类工程活动中将遇到大量的层状岩体稳 定问题。水平岩层围岩的问题相对简单，但是人们在水平岩层隧道方面的深入研 究却不是很多，所以有必要对此问题进行研究。这一课题的研究成果对水平岩层 地区隧道的稳定机理与加固技术有很好的理论意义与应用价值。 针对隧道岩体工程的特点，根据工程实践和岩石力学试验研究将隧道围岩分 成稳定程度不同的若干级别，利用模糊信息分析模型和有限元数值模拟对隧道围 岩的整体稳定性进行分析评价，以达到综合全面地评价隧道围岩稳定性，为隧道 的顺利施工和围岩支护提供参考依据。 符合实际的隧道围岩稳定性评价，是确定隧道设计和施工方案的重要依据， 更是准确进行隧道施工地质超前预报的指南，对确保隧道的顺利施工和安全运营 有着重大的现实意义和理论意义。 为了全面了解和掌握隧道的施工特点，采用数值分析方法动态模拟施工全过 程中围岩和支护结构的应力变化规律，并结合现场监控量测从理论高度解释和认 识隧道的变形规律和工程特点，具有非常重要的作用。数值分析方法不仅可以解 释、分析现场观测到的复杂现象，弥补现场监测测点布置及观测内容有限等方面 的不足，而且还可以模拟实际工程中的不良工况，对于揭示隧道内在力学机理， 丰富和完善其设计施工理论起到积极作用。 1 1 2 国内外研究现状及存在问题 1 2 1 国内外研究现状嘲伽 人类的生产、生活均与地下工程密切相关，地下工程建设随着社会的发展而 不断发展。地层在开挖隧道并加以支护的过程中的稳定程度，称隧道围岩稳定性， 这是一个反映隧道地质坏境、支护结构与施工方法的综合性指标。国内外学者自 1 9 世纪开始对隧道围岩稳定进行了大量的理论与试验研究。在2 0 世纪初，人们 对地下洞室的稳定性认识还停留在经典压力理论上，认为作用在地下洞室支护结 构上的压力就是洞室上覆盖的重量。随后出现了太沙基和普氏的松散理论，该理 论认为作用在支护结构上的压力不是上覆岩层的重量，而只是塌落松动圈范围内 的围岩重量，塌落高度与地下工程跨度和围岩性质有关，但该理论没有能科学地 确定塌落拱的高度和其形成过程。后来，一些学者开始应用弹塑性理沦和相关学 科的理论知识去研究围岩稳定性问题。经过多年的不断发展，地下洞室围岩稳定 性研究取得了很大的进步，出现了不同的探索途径和各具特色的研究方法，在探 讨问题的深度和广度方面不断有新的突破。围岩稳定性分析方法主要有： 1 、块体理论支持的分析方法：主要用于裂隙岩体的稳定性分析。围岩岩体 除极完整和极破碎外，一般情况下将被结构面自身及工程开挖面共同切割成随机 分布的个别块体和群体。块体理论认为，在开挖面上揭露的块体可分为不稳定的 危险块体和稳定块体，另外，在这些块体中，存在影响围岩稳定的“关键块体”。 块体理论就是针对个性各异岩体中具有切割体( 结构面) 这一共性，根据集合论拓 朴学原理，运用矢量分析和全空间赤平投影图形方法，构造出可能有的一切块体 类型，进而将这些块体和开挖面的关系分为稳定块体、潜在关键块体、关键块体 和不可移动块体，确定了关键块体后就可进行稳定性分析和支护设科。以石根华、 g o o d m a n ( 1 9 8 5 ) 提出的d d a 法( 块体系统不连续变形分析) 和任青文提出的块 体单元法为代表。 2 、模型试验方法：多用于重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。 3 、反分析法：针对围岩岩体工程力学行为以及它的变形和破坏机理的不确 定性，许多专家开始探讨非确定性反分析技术。新奥法的产生，改变了过去设计 与施工的一些传统思路，依据现场监控量测，通过反演计算围岩物理力学参数来 评价隧道围岩稳定性的反演分析方法日趋成熟，如李世辉提出了典型类比分析法 隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序b m p 9 0 。如重庆交通科研设计院的蒋 树屏将最优控制理论的卡尔曼滤波器( k a l m a n f i l t e r ) 用来进行隧道围岩稳定性 的反分析，首次提出了卡尔曼非确定性反分析法。 4 、围岩分类法：在实际工程的计算与设计中，因该法简单、明了而被广泛 使用。各国都在借助各类地下工程实践经验编制隧道围岩分类方案以使隧道设计 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。比尼奥斯基( 1 9 7 9 ) 最早提出了按照岩石质量评分对岩体进行工 程分类的方案( r m r 法) ，这就是所谓利用岩石的“综合特征值”对其进行质量 等级划分，长期以来倍受各国岩土工程界的普遍重视。国外著名的围岩分类方案 还有：普氏固结系数法( 前苏联) 、d e e r ( 1 9 6 4 ) 提出的r o 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，围岩稳定性动态分级，坑道工程围岩分类， 大型地下硐室围岩分类，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。) 但因参数过多且难以确定，常采用模糊数学的方法加以处理，例如铃木昌 次提出了采用模糊回归分析进行岩体分类的方法，黄宏伟提出的工程类比模糊经 验法。 5 、人工智能方法：隧道围岩岩体工程力学行为及其变形和破坏机制在主、 客观两方面相当程度上都是随机的、模糊的。基于此，神经网络、遗传算法、数 据挖掘等人工智能学科的兴起，为我们解决这类不确定的工程问题提供了很好的 理论基础，如胡建华等利用改进的m b p 神经网络进行围岩稳定性识别，安红刚将 遗传进化算法与有限元相结合，对洞室围岩稳定性进行最优建模和获得全局最优 解，冯夏庭基于数据挖掘的地下洞室围岩稳定性判别。 6 、数值分析法：基于某种力学模型和分析理论对围岩进行稳定性分析的方 法，是目前应用较广泛的一种分析方法，它根据力学模型和分析思想的不同又分 为有限元分析、边界元分析、离散元分析等。数值模拟法是通过对地质原型的抽 象并借助数值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，已成为解决复杂岩土力学问题的有力工具。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。有限元法能比较容易地处理各种复杂的几何形状和各种类 型的边界条件，解决难以用解析法求解的力学问题。现在市面上流行着大量实用 的有限元软件，其中既有大型通用软件包，如a b a q u s ，a n s y s ，a d i n a ，m a r c 等， 又有适用于岩土问题的专业软件( 如f l a gg e o s l o p e ，p l a x i s 等) 。有限元法已 成为解决实际工程问题的一种有效方法。 1 2 2 国内外隧道围岩稳定性研究的新趋势“啪m 1 1 围岩稳定性研究虽已取得重大进步，但针对围岩岩体本构关系的非线性，性 状的非连续、非均质性，边界条件的不确定性以及应力条件在空间、时间上的多 变性等特性，国内外学者不断地探索了各种不同的研究方法与手段，以更准确与 真实地反映围岩的稳定性。 1 ) 数值分析方法的藕合应用 鉴于围岩岩体的非连续性和多变性，单纯应用一种数值分析方法有时不能完 全满足计算要求。为了尽量表现岩体的工程特性和分析结果的准确性，许多学者 在研究围岩稳定性的过程中，越来越来多地应用各种数值计算方法的藕合进行分 析。如有限元与边界元的藕合，离散元与边界元的藕合以及有限元、边界元及离 散元三者的藕合。通过藕合，充分发挥不同数值分析方法的优点和克服各自的缺 点，以提高计算速度和精度。 2 ) 基于新奥法的隧道动态设计施工技术 在进行设计时，尽管进行了地质勘探，但是由于隧道工程围岩状况的复杂多 变以及理论上的不完善，对于围岩性质事先难以准确掌握。在隧道开挖过程中暴 露出的围岩才是真实的围岩，原设计往往不尽合理。当今，随着科技进步，地质 探测设备不断推陈出新，探测技术不断发展，为隧道实施地质超前预报提供了物 质和技术基础。因此，在施工过程中，通过监控量测、工程地质跟踪，对围岩稳 定性做出判断，并及时调整设计，己越来越多地被隧道工程界采用。其创造性的 贡献点主要是“施工监测”和“信息反馈”。 1 2 3 存在问题1 0 儿1 1 2 3 1 1 4 1 n 铂 1 、隧道工程采用初步设计和旋工设计的两阶段设计。然而，从实践来看， 按这一要求提出的施工图，多数不能完全按图施工，从而造成工程投资概算、预 4 算均有较大的突破，甚至延误了工期。其根本原因是设计图提出的围岩类别与实 际情况往往有较大的差别。这种情况一方面是由于地质情况本来就很复杂，而人 们的认识水平和勘察手段的限制，对地下地质情况难以准确把握；另一方面，设 计阶段地质工作的精度，难以达到施工阶段地质工作所能要求达到的精度。未形 成有效的、实用的、系统性的隧道围岩稳定性评价，隧道围岩稳定性评价的研究 显得薄弱。围岩稳定性、施工地质超前预报和施工支护设计这三方面的研究没能 很好的结合。 2 、国内隧道设计规范中对围岩的分类对于地下水未做定量规定。由于地下 水的存在直接影响围岩的力学性能，又是隧道病害的主要原因之一，因此，对于 地下水不做定量规定，且很少考虑隧道开挖对围岩性能的影响，势必引起引起围 岩分类的不准确，从而影响隧道的质量。 3 、在国内相关研究中，关于水平岩层地区隧道软弱围岩变形破坏机理研究 较为薄弱。根据岩体结构力学观点，岩体变形机理、破坏机理和力学性质主要受 岩体结构的控制。施加锚杆支护的目的是控制岩体不发生过大的变形和破坏，提 高岩体的稳定性，因此无论是研究锚杆支护围岩的稳定性和锚杆支护机理，还是 应用这些理论选择合理的支护形式和支护参数都必须对围岩结构首先有一个正 确认识。目前，多数理论对洞室拱顶岩体结构的控制作用重视不够，在应用这些 理论选择支护形式和参数时，往往对围岩结构调查和研究不够深入，选择的支护 形式和参数不合理，这是导致拱部失稳破坏、支护失败的主要原因之一。 4 、岩体的本构关系问题。工程岩体的本构关系既不是岩块的本构关系，也 不是岩体结构面的本构关系，而是结构面和岩块在空间呈一定的组合状态，同时 在地下水等复杂因素下的应力应变关系。这样的本构关系很难确定。 5 、岩体结构的不唯一性。岩体力学理论认为岩体结构分为：整体结构、块 状结构、层状结构、碎裂结构和散体结构。在实际工程应用中，由于工程体尺寸 的大小不同，岩体的结构也应是相对的，就应以工程尺寸作为划分岩体结构类型 的参考系，只有当工程尺寸一定时，岩体的结构刁是确定的。但实际工作中不是 这样。 6 、对于隧道开挖与支护工程进行数值模拟是一个非常复杂的问题，目前的 计算结果与工程实测结果还有一定的差距。提高隧道工程数值分析的可靠性，除 与岩体的本构关系难以确定外，还与计算模型的选取以及假定与实际情况的差别 大小有关，建立更能反映实际情况的数值模型，考虑更能反应实际的因素，这些 问题都有待于进一步解决。 1 3 研究内容及思路 ( 1 ) 通过对水平岩层地区隧道围岩的变形破坏机制和水平岩层地区隧道围 岩稳定性影响因素分析，总结水平岩层地区隧道围岩的破坏形式，建立水平岩层 地区隧道围岩稳定性的工程地质评价模式，对隧道围岩稳定性进行工程地质评 价，指导隧道的设计和施工。 ( 2 ) 在充分研究前人和现行对隧道围岩分类方案的基础上，应用模糊信息 综合评判法，对隧道围岩进行分类，从而可以初步确定隧道施工过程中不同类别 围岩的支护方案。 ( 3 ) 运用有限元工程计算软件a n s y s 对隧道的施工过程进行动态数值模拟， 通过对计算结果的分析指出施工过程中隧道围岩中的应力集中的分布区以及衬 砌结构的弯矩图和轴力图，提供围岩支护参数和监控量测的重点。 本文以水平岩层地区隧道围岩稳定性评价为主线，以保护围岩的自稳和指导 施工为目的，从围岩的工程地质因素入手，通过对施工过程中围岩的变形破坏机 制分析和围岩稳定性的影响因素分析，确立了水平岩层地区隧道围岩稳定性定性 评价的工程地质评价模式，对隧道围岩进行定量分类评价。此外，应用a n s y s 有 限元计算软件对隧道围岩建立计算模型进行隧道施工过程动态数值模拟，分析施 工过程中围岩应力、应变的分布和变化规律，为隧道施工的顺利进行提供警示信 息和直接指导的方案。其研究思路和技术路线如图1 0 1 。 工程地质背景 l l 地形l 地质 地质ll 岩土l 水文地l新构造运l l 地貌f 构造构造ll 性质l 质特征j动及地震j l 隧道围岩稳定性影响的因素分析 l l i 围岩变形破坏类型围岩变形破坏机制il 围岩稳定性影响因素l i j 隧道围岩类型模糊综合评判 l 原评评 理 评评 价价 及 价价 指指 数 因模 标标 学 的的 模 素型 确权 型定重 l 隧道围岩类型的确定 j 施工过程数值模拟 i ， 、 有限本构加载 元模模型荷载 型的的选的处 建立取理 i 计算结果分析 j 确定合适的施工方案 图1 o l 本文研究思路和技术路线 第二章新窑沟隧道工程地质条件 西部大通道包( 头) 北( 海) 线陕西境内黄陵至延安高速公路新窑沟隧道位 于延安市境内。是一座由上行、下行两条分离式的曲线长隧道组成，上、下行线 隧道间距5 0 m 左右。上行线长2 0 5 8 m ，起止里程桩号为：k 3 0 2 + 3 3 2 k 3 0 4 + 3 9 0 ， 进出口底板高程依次为1 0 5 3 8 0 m 、1 0 5 0 8 6 m 。下行线长1 9 5 6 m ，起止里程桩号为： k 3 0 2 + 4 6 0 k 3 0 4 + 4 1 6 ，进出口底板高程依次为1 0 5 2 0 2 m 、1 0 6 0 3 9 m 。 2 1 地质地貌条件町h 们 2 1 1 地形地貌 隧道位于陕北黄土梁峁区，黄土披覆在起伏不平的基岩顶面之上，并承袭了 下伏基岩的古地形。在稳定抬升的新构造运动影响下，黄土经流水长期侵蚀，形 成现今梁峁起伏、河谷深切的地貌形态。总的地形是南部、西部相对较高，北部、 东部相对较低。隧道地段最高点海拔1 2 6 9 9 5 2 m ，最低点海拔9 6 1 4 m 。梁峁上天 然植被很少，出梁峁至沟底的各种流水浸蚀活跃，谷坡的崩塌、滑溜作用也很普 遍，水土流失十分严重。新窑沟隧道穿过一座近于南北向延伸的黄土梁峁，峁顶 呈浑圆状，坡度5 1 0 。，峁坡受沟头侵蚀作用，呈凹形，梁峁下部坡度增至1 5 4 0 。峁与峁相连则构成长条状的黄土残梁。梁峁顶部海拔高度在1 1 0 0 1 2 6 9 m 之间。梁峁间坡度较陡，冲沟十分发育，切割深度数十至百余米，大多数切至基 岩。冲沟两岸斜坡上段由更新统黄土组成，中段夹新第三系红土，下段为侏罗系 下统泥岩及泥岩、砂岩互层组成，斜坡稳定性很差。 2 1 2 地层和岩性 新窑沟隧道经过地带属内陆河湖相沉积，所穿越的地层大致分为以下四个层 段： 1 、侏罗系下统延安组枣园段( j 。y ，) 据地面观察及钻孔揭露，岩性主要是泥岩和砂岩，并以泥岩为主。局部地段 夹粉砂岩、细砂岩透镜体。层面上常有沥青质斑点。部分钻孔中可见较厚的炭质 页岩及煤线，质地极软，且遇水易崩解。稍显胀缩性。据岩心分析，强风化带多 在岩石表面5 8 m ，弱风化带在强风化带下l o 2 0 m 之间，其中粉、细砂岩完整 性较好，抗风化能力相对较强。强风化带呈碎石状，弱风化及微风化带则呈块状。 8 而泥岩和页岩的完整性较差，抗风化能力相对较低，强风化后多呈碎片状，极其 破碎。炭质页岩则强度更低，遇水后多软化，其强度骤减，是隧道工程的不利因 素。该地层与上覆地层呈不整合接触。 2 、新第三系上新统三趾马红土层( ) 该层覆盖在枣园段顶部。钻孔揭露为棕红色粘土，夹钙质结核及砂砾石。结 构致密，呈硬塑状，属低液限粉质粘土。在梁峁区均有分布，厚度变化较大，多 在l l o m 间波动。垂直节理发育，其底部见薄层砂砾岩，呈半胶结状，该层粘 粒含量多，持水性强，分布在更新统黄土之下，侏罗系强风化泥岩之上，高悬于 斜坡中段，是本区黄土滑坡带土的主要组成物质。 3 、中更新统离石黄土( q 2 舯1 ) 该层覆盖在三趾马红土之上，为浅黄色、褐黄色粉土、粉质粘土，夹有5 1 0 层古土壤，含钙质结核，属硬塑状，结构较致密。垂直节理发育。钻孔揭露 厚度变化较大，通常在黄土梁峁边缘处为十余米，向梁峁中心地带逐渐增厚，最 厚可达1 2 9 9 0 m 。 4 、上更新统马兰黄土( q 。“) 披覆在黄土梁峁顶部第一层古土壤之上，其下为离石黄土。为浅黄色粉土， 具大孔隙，颗粒疏松。可塑至硬塑，具有轻微中等非自重湿陷性，天然含水量 很低，堆积厚度多小于l o m 。 2 1 3 地质构造 1 、构造断裂 隧道地段均为单斜岩层，倾向n w ，倾角1 3 。区域资料反映，区内无大 的构造断裂，仅局部地段可见小的鼻状构造或小穹隆构造。人工浅震资料对隧道 表2 0 1 新窑沟隧道人工浅震各测线解译断裂要素表 桩号断层编号性质倾向倾角落差( m )切割层位 可靠性 k 3 0 0 + 4 5 0 f 1 证n7 2 2 o 1 9 2 5 t 3 t 4 较可靠 k 3 0 1 + 4 3 0f 2正n7 4 3 o 2 0 3 5t 2 t 4可靠 解译了2 条中小型断裂( 见表2 0 1 ) ，推测中小断裂附近节理裂隙发育，风化程 度相对增高，岩石强度相对降低。 2 、节理裂隙 9 枣园段地层中主要发育两组节理，一组近南北向，一组近东西向。节理密度 直节理尤其发育，危及边坡稳定。隧道地层 图2 o l 隧道地层裂隙走向玫瑰花图 裂隙走向玫瑰图如图2 0 1 所示。 2 2 隧道岩土体工程地质特征口叩h 们 根据隧道中导洞施工期地质编录，新窑沟隧道岩体分为三类，即砂岩、泥岩 和页岩。其主要工程地质性质和物理力学特征如下： 1 、砂岩：灰、灰绿色，中细粒结构，中部薄层构造，下部厚层构造，层理 发育。主要矿物成分为石英、长石及少量云母，泥质及钙质胶结，上部含铁质结 核及同生球体，下部砂岩含沥青斑点及黑膜，块状，风化后呈暗淡的灰黄色，常 夹一些泥质条带或微细薄片状泥岩。分布于梁峁区n ：红土之下，斜坡的下部，沟 谷两岸皆有露头，它和泥岩共同构成新窑沟隧道围岩的主体。单层厚度2 5 m ； 强风化带厚度5 8 m ，最厚2 5 m 。洞身多位于弱风化带中。主要物理力学指标为： 饱和吸水率：强、弱、微风化分别为4 2 、9 0 、5 0 1 ；饱和单轴抗压强 度：弱风化为2 2 7 m p a ，微风化4 5 1 m p a ，相对应的软化系数为o 4 5 和0 5 5 ； 抗剪断强度：强风化c = 3 4 5 m p a ，弱风化c = 2 2 m p a ，微风化c = 3 2 5 m p a ，强风 化m = 4 0 9 。，弱风化中= 4 0 5 。，微风化中= 3 9 5 。反映出随着风化强度的加 重，岩石孑l 隙逐渐增大，力学强度逐渐降低的规律。波速资料显示强风化 v p = 2 3 0 0 2 6 0 0 m s ，弱风化v p = 2 4 0 0 2 8 0 0 m s ，微风化v p = 2 5 0 0 3 6 0 0 m s ；岩 体完整系数随着风化程度的变化，大致也有以下规律，强风化i = o 4 6 ，弱风化 i = o 6 5 ，微风化i = o 7 0 ；r q d 也大致沿以下数量级在变化，强风化1 7 ，弱风化 6 0 ，微风化8 0 。 2 、泥岩：灰绿色，青灰色、浅兰灰色，不明显的层理构造，泥质结构，节 理发育，易风化成碎块，在地表则常呈馒头状，受水浸泡易崩解。常夹砂岩薄层。 由于抗风能力的差异，在斜坡或陡壁上，砂岩往往凸出来，形成凸凹不平的立面。 1 0 它的分布与砂岩相同，构成了新窑沟隧道围岩的主体，单层厚度3 8 m 。据测试 饱和吸水率，强风化5 1 7 ，弱风化3 8 ，微风化4 4 ，饱和单轴抗压强度为： 强风化2 3 m p a ，微风化1 8 5 m p a ；相对应的软化系数为0 0 3 和0 2 7 。抗剪强度， 强风化c = o 6 9 m p a ，巾= 4 1 2 。，弱风化c = 1 3 2 m p a ，中= 4 1 8 。，微风化c = i 2 7 m p a ， 中= 3 9 3 0 。从而可以看出：风化越重，强度越低。波速测试资料显示，强风化 v p = 1 8 0 0 2 1 0 0 m s ，弱风化v p = 1 9 0 0 2 5 0 0 m s ，微风化v p = 2 2 0 0 3 0 0 0 m s 。岩 体完整系数和r q d 也有与砂岩大致相同的幅度由强风化、弱风化、微风化 i = o 4 6 o 6 5 o 7 0 ：r q d = 1 7 6 0 8 0 逐渐增长的趋势。 3 、页岩：灰、灰黄、灰黑色。和泥岩的区别就在于页岩的层理更加发育。 从力学性质角度去看，就是页岩比泥岩又多了一些破裂结构面，力学的各向异性 差别更大。极易风化，尤其是炭质页岩风化速度更快。由于其主要成分是粘土矿 物，所以受水影响显著，在水中强度很低，一旦离水很快风化。野外观察，刚取 出的岩芯成长柱状，如果在自然条件下放置一至两天，岩心就会崩解爆裂，等终 孑l 后，页岩岩心就成一堆碎片。这种性质，对工程来说是极为不利的。在统计分 析波速测试、r q d 时发现：微风化的泥岩或页岩，v p 、r q d 值与微风化砂岩差别 不大，但是饱和单轴抗压强度，前者较后者却小了许多。如s z k 7 勘探孔微风化 炭质页岩v p = 3 5 3 5 3 6 1 3 m s ，r q d - - 9 0 ，r b = 5 4 m p a ，同样是s z k 7 勘探孔，微 风化砂岩v p = 3 5 4 3 3 6 3 4 m s ，r o d = 9 0 ，r b = 2 5 6 m p a 。这说明水下炭质页岩，是 密实的，所以v p 较大，易于钻进，r q d 才会是9 0 ，一旦离水，在无侧限环境中， 测得的饱和单轴抗压r 。只有5 4 m p a ，仅相当于砂岩的五分之一。这种结果是由 炭质页岩本身的特点造成的。炭质页岩层厚2 5 m ，呈夹层出现在泥岩或砂岩中。 隧道南段分布在1 0 5 3 1 0 5 8 m 高程上，北段分布在1 0 5 6 1 0 5 7 及1 0 5 81 0 6 6 m 高程上，恰在隧道边墙或洞顶位置，直接影响着洞室的稳定性。但是如前分析， 页岩在地下受侧限约束的环境下，波速值、r q d 值并不算太低。 2 3 水文地质特征 隧道地处陕北黄土梁峁区，属大陆半干旱气候，多年平均降水量为5 6 1 1 m ， 且5 5 集中在7 、8 、9 三个月以暴雨形式降落，这种降雨形式不利于地下水的补 给。两侧冲沟切割很深，特定的地形地貌条件决定了地下水的补给只能是降水垂 直渗漏补给。地下水储存在黄土梁峁较高地段，并以地下径流形式向两侧沟谷排 泄。 新窑沟隧道通过地段，有如下水文地质特征： 1 、地下水位均埋藏在基岩强风化带上或基岩与上覆三趾马红土接触处，地 下水储存在下伏砂岩全风化或强风化带的孑l 隙裂隙中，地下水不具承压性质，为 孔隙裂隙潜水。 2 、地下水只能接受降水补给。 3 、进出口处沟谷中地下水位均低于洞底设计高程，但一进入隧道开挖段水 位急剧上升，推测整个隧道内地下水位均在洞底设计高程以上l o 4 0 m ，大多数 地段高于洞底设计高程2 5 3 0 m 。地下水是由隧道中心向两侧洞口方向排泄。 4 、已有资料表明隧道内地下水量较小，但隧道开挖时仍会对工程施工带来 危害。据调绘资料分析，隧道设计洞底以上含水层厚度越大，洞内涌水量则大， 反之则小。 2 4 新构造运动及地震 新构造运动是地球演化中最新的构造运动，在现代地形的形成中起着重要作 用，由奥布鲁切夫于1 9 4 8 年首先提出。新构造运动影响了沉积、地层、岩相的 特征和组合，控制了夷平面、阶地、海岸线等地貌形态的变形和发展以及地震、 火山的活动和分布。因此，研究和正确评价新构造运动，对解决一系列与人类活 动有关问题，如大坝、核电站等重大工程的稳定性，地震、火山等灾害事件的预 报及其防御性减灾具有重要的意义。 新窑沟地区构造上位于稳定的陕北台凹，陕北台凹是鄂尔多斯地台的一部 分。鄂尔多斯地台自古生代以来，一直是十分稳定的地台，虽然也曾有过地壳升 降的历史，但也只是瓮地的中心有所偏移，而衙地的整体结构并未遭到严重破坏， 盒地中心显示出地层较为水平的格局。所以新构造运动对新窑沟隧道的影响不 大。 我国绝大多数的地震是由新构造断裂引起的。地震本身是一种新构造运动 的表现。新窑沟隧道所处地区断裂不发育，地震活动的频度、强度低。依据中 国地震烈度区划图( 1 9 9 0 ) 及陕西省分县地震烈度分区划分，该区位于地震烈度 度区。 第三章水平岩层地区影响隧道围岩稳定性因素分析 围岩稳定性是指隧道开挖后在无支护条件下围岩的自稳能力，主要体现在围 岩的变形和破坏两个方面。大量工程实践表明：隧道围岩稳定性不仅与岩石的性 质、岩体结构、地质构造、地下水等地质因素有关，而且还与隧道的开挖方案以 及支护的时间和形式有关，其中起主要作用的还是岩石的性质、岩体结构等地质 因素。 围岩稳定性对隧道的顺利施工和安全运营起着至关重要的作用，因此分析和 研究围岩变形破坏机制和围岩稳定性的影响因素，通过消除、削弱和改变使围岩 稳定性降低的各类不利因素，采取提高围岩稳定性的有效措施，对于隧道的建设 和运营有重大指导意义。 3 1 隧道围岩结构体系及其特性 隧道是处在各种地质环境中的地下结构物，其所处的环境条件与地面工程有 所不同，它必将受到周围地质环境的强烈影响。正确认识地质环境对隧道等地下 结构体系的影响，是进行结构设计和施工的前提。这个结构体系是由周围地质体 和各种支护结构构成，即： 隧道结构体系= 周围地质体+ 支护结构“” 它的形成则是通过一定的施工过程或者说是一定的力学过程来实现的。这个 过程大体上可作如下表达： 与之相适应地力学过程如下所示 可以看到，隧道结构的形成是一个力学特性不断改变的动态过程。这个过程 就应该成为设计和施工的主要内容。 围岩既是承载结构的一个重要组成部分，也是构成承载结构的基本建筑材 料，它既是承受一定荷载的结构体，又是造成荷载的主要来源，这种荷载、材料、 承载单元三位一体的特征与地面工程是不同的。从这一结构特征出发，研究隧道 的稳定性就必须从研究围岩入手。围岩是主要的承载单元，在设计中就必须充分 发挥围岩承载作用，即最大限度地利用周边围岩支护功能。 3 2 水平岩层地区隧道围岩结构类型及破坏特征 3 2 1 水平岩层围岩结构类型口儿“1 在矿山压力理论中将岩体结构划分为完整结构、块裂结构、碎裂结构、层状 结构、散体结构五大类，这也是水平岩层地区隧道围岩结构的基本类型。 1 、完整结构一般是未受或仅受轻微构造变动的厚沉积岩，岩层多呈水平或 缓倾斜状，节理裂隙发育少，不贯通，很少有断层，主要结构面是层面，且层面 间距大。岩体的拉压强度较高，抗变形能力大，岩体的整体强度与岩石强度接近， 隧道稳定性好，一般不用支护或局部简单支护。 2 、块裂结构岩层一般为遭受中等构造变动的厚层、中厚层沉积岩，岩层多 为水平或倾斜状。该类结构隧道围岩的节理或小断层发育，它们与层面共同切割 隧道围岩成块体。这类围岩的变形与破坏受结构面控制。隧道围岩的稳定性取决 于节理面或小断层与临空面的组合关系，在构成不利组合时，洞顶稳定性差且极 易冒落，隧道围岩的支护难度大。这种结构岩体出现于断层发育、构造复杂地区。 3 、碎裂结构的围岩内除层面发育外，还发育有多结构面，结构面之间贯通 性好，将岩体切割得相当破碎。此类围岩整体强度低，开挖后围岩自稳能力差， 易出现冒顶破坏。该类围岩多出现于受强烈构造运动并产生严重变形或破裂的岩 体中，隧道沿大落差断层布置时常出现此类围岩。 4 、散体结构岩层一般经受十分剧烈的构造运动后由断层泥、岩粉、压碎的 岩石碎屑、碎块等组成，它往往出现在大断层交汇处，形成破碎带，沿走向和沿 倾斜的厚度变化极不规则。这类围岩强度极低，几乎没有自稳能力，自稳时间短， 有时来不及支护，需要超前支护。洞体顶板极易出现冒顶破坏，冒落高度大。 5 、层状结构岩体包括薄层沉积岩和沉积变质岩等。层状结构受两组结构面 切割而形成，但由于岩体中层面和片理面比较发育与连续性较好，层理面是主要 控制结构面，节理面发育较少，不是主要结构面。这类岩体的力学特征接近于横 1 4 观同性介质。 水平层状结构岩体是构造较为简单的沉积岩，它可以由单一岩性组成，也可 由不同岩性互层或夹层组合而成。层面常有层间错动，层面连接力较弱。层状结 隧道围岩稳定性较好，自稳时间也较长。其破坏多为顶部弯曲下沉和产生离层， 当下沉量较大时，分层出现折断破坏。在成层性好且软弱夹层发育、产状平缓的 层状岩体中开挖大跨度地下洞室，洞顶围岩稳定问题比较突出。当遇有断层且其 走向与洞轴线夹角较小时，洞顶最易发生塌方。可以认为，产状平缓的层状岩体 在洞顶形成类似组合梁结构，它一经断层切断，则形成悬臂式组合梁结构，其安 全度就大为降低。 以层面为结构面的层状岩体的强度主要受岩块强度、结构面强度、岩层面与 最大主平面夹角及产生的破坏控制。下面列出了层状岩体结构分类及稳定性以及 特性。见表3 o l 、3 0 2 。 表3 0 1层状岩体结构分类及稳定性表 地质类型结构面结构体 破坏机制 互软硬相间的互层岩 节理、软弱夹层层块体、层体 顺层滑动，岩层弯 层体 曲 间 硬层间夹软层节理、软弱夹层 层块体、层体顺层滑动，塌落 层 薄 薄层及片状层体如 层理、片理、软弱夹层 层体、板体、页 顺层滑动，岩层弯 层 片岩片体 曲，剥落 软 均一软弱沉积岩体 层理、节理 板体、页体、碎塑性变形及剪切 层 如页岩块体 破坏 表3 0 2 层状岩体特性表 基本特性强度特性 时间效应动力破坏 互强各向异取决于层面及软层，切层强度高，顺层剪切流变显动力破裂及滑动 层性层体脆性破裂控制著 间各异性层取决于夹层抗剪强度，切层强度夹层剪切流变为 动力破裂及拉开 层体及夹层高，并受脆性破裂控制。 主和滑动 体 薄横向各向取决于层面及节理强度，以及脆多层滑动流变为动力破裂和拉开 层 同性体性破裂及多层滑动为主 软横向各向取决于岩层强度，层