（矿业工程专业论文）黔桂铁路岩溶地区隧道施工技术研究.pdf

中南人学硕= ：学位论文摘要 摘要 岩溶现象在我国西南、中南地区分布比较普遍，在上述地区修建 隧道，岩溶地质灾害是主要的地质问题。由于岩溶分布较隐蔽，不仅 要对施工中遇到的岩溶进行处理，而且对隐伏岩溶也要进行处理，施 工机理与技术成为了当前岩溶地区隧道施工所面临的重要问题和难 题。本文运用地质超前预报技术、衬砌结构受力计算、结构模型理论 计算、施工过程模拟，根椐岩溶发育程度和岩溶形态的空间分布规律， 提出不同类型岩溶的整治方法。论文的主要研究成果如下： ( 1 ) 分析了岩溶发育的基本条件和影响岩溶发育的基本因素，以及 地质构造对岩溶发育的影响，提出了岩溶发育的基本规律，为在不同 岩溶地质条件下，分析岩溶存在形态提供了依椐。 ( 2 ) 根椐受力结构计算、受力结构模型计算、施工过程的模拟，并 对岩溶地区地基稳定性的评价，按照结构受力原理，对结构物构造受 力检算，提出了不同岩溶类型的处理技术，优化了处理方案，降低了 选择处理方案的盲目性。 ( 3 ) 根椐优化方案，在传统技术的基础上，将支顶、跨越、帷幕注 浆技术、抗水压衬砌技术、高压旋喷桩加固软基技术、隐伏岩溶处理 技术运用于隧道施中，降低了处理工期和施工成本。 ( 4 ) 运用超前地质预报技术，对岩溶地质进行了科学的物探，预防 了地质灾害的发生，为处理不同岩溶类型的地质灾害的提供了科学的 依椐，减少了施工的盲目性，保证隧道施工安全。大量不同的工程实 例也证明了地质预报技术是隧道、地下工程施工中必不可少的重要工 序。 关键词：黔桂铁路；岩溶地质；帷幕注浆；超前地质预报 中南大学硕二l 二学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t w h e nc o n s t r u c t i n gt u n n e s ，k a r s tg e o l o g i c a lh a z a r d sa r e p r i m a r y g e o l o g i c a lp r o b l e m si ns o u t h w e s t e r na n dc e n t r a ls o u t h e r nc h i n aw h e r e k a r s tr e g i o ng e n e r a l l ye x i s t i tw a si m p o r t a n ti s s u ea n d p r o b l e mt or e s o l v e t u n n e lc o n s t r u c t i o nm e c h a n i s m a n dt e c h n o l o g yc o n f r o n t e di nk a r s t r e g i o n ， f o rk a r s t ，n o t o n l ye n c o u n t e r e db u tc o n c e a l e d ，s h o u l db ec o n d u c t e d s u i t a b l y a c c o r d i n ga sk a r s td e v e l o p i n gg r a d ea n ds p e c i a ld i s t r i b u t i o n p r i n c i p l e ，c o u n t e r m e a s u r e st od e a l w i t hd i f f e r e n tk i n d so fk a r s tw e r e b r o u g h t f o r w a r d b ya d o p t i n gg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g y , c a l c u l a t i n gl i n i n gs t r u c t u r el o a da n dt h e o r e t i cs t r u c t u r em o d e l ，s i m u l a t i n g c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，e t c t h i sr e s e a r c ha c h i e v e ds o m ef r u i t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gb a s i cf a c t o r sa n dp o s t u l a t e so fk a r s td e v e l o p i n g ，a n d e f f e c te r e c t e d b yg e o l o g i cc o n s t r u c t i n g ，w e a c h i e v e ds o m eb a s i c p r i n c i p l e sw h i c hp r o v i d e d r e f e r e n c e sf o ra n a l y z i n gk a r s te x i s tf o r m s u n d e rd i f f e r e n tk a r s tg e o l o g i c a lc o n d i t i o n ( 2 ) b ya d o p t i n gg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g i e s ，c a l c u l a t i n gl i n i n g s t r u c t u r el o a da n dt h e o r e t i cs t r u c t u r em o d e l ，a n ds i m u l a t i n gc o n s t r u c t i o n p r o c e s s ，w e a s s e s s e d g r o u n ds t a b i l i t y i nk a r s t r e g i o na n dc h e c k e d e r e c t i n gb e a r i n gc a p a c i t yo fc o n s t r u c tb yf o r c ep r i n c i p l e ，a n dt h e n f a t h e r i n gt e c h n o l o g i e s w e r ea l s o b r o u g h tf o r w a r d ，w h c ho p t i m i z e d c o u n t e r m e a s u r ep l a n sa n dl o w e r e dt h eb l i n d n e s so ns e l e c t i n gp l a n s ( 3 ) d e p e n d i n go no p t i m i z i n gp l a n sa n dt r a d i t i o nt e c h n o l o g y , i ti so f b e n e f i tt o l o w e r i n gt i m e l i m i tf o rap r o je c ta n dc o s t b ya d o p t i n g c o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g i e s ，s u c ha sr o o f - p r o p p i n g ，g r o u t i n gc u r t a i n ， l i n i n ga g a i n s tw a t e rp r e s s u r e ，e t c ( 4 ) a d o p t i n gg e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g i e sa n dg e o p h y s i c a l l y p r o s p e c t i n gi nk a r s tr e g i o n ，g e o l o g i c a lh a z a r d sw o u l db ep r e v e n t e dv e r y w e l l ，a n di tp r o v i d e ds c i e n t i f i cr e f e r e n c e sf o rc o n d u c t i n gd i f f e r e n tk i n d s o fk a r s t ，l o w e r e db l i n d n e s so nc o n s t r u c t i o na n de n s u r e dp r o j e c ts a f e t y g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g yw a sp r o v e di m p o r t a n ta n dn e c e s s a r y p r o c e s sf o rt u n n e la n dg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi nm a n yp r o j e c t s k e yw o r d s ： g u i z h o u g u a n g x ir a i l w a y , k a r s tg e o l o g y , g r o u t i n g c u r t a i n ，g e o l o g i c a lp r e d i c t i o nt e c h n o l o g y 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：日期：2 2 年垃月苴日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 e tg q ：他巫年4 月丝日 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 课题的来源 第1 章绪论 随着我国铁路建设的飞速发展，隧道数量越来越多，隧道总延长在铁路线路 总长中所占比例越来越大。我国是碳酸盐岩分布极为广泛的国家，覆盖、掩埋及 出露的碳酸盐岩总面积约占我国领土面积的三分之一。在岩溶地区修建大量长大 铁路隧道也就无法避免。因此，岩溶地区隧道施工中的主要地质灾害、隧道的施 工机理与技术就成为了目前岩溶地区隧道施工所面临的重要问题和难题【i , 2 1 。 本文主要针对黔桂铁路岩溶地区隧道施工技术进行研究，分析了岩溶发育程 度和岩溶形态的空间分布规律，提出不同类型岩溶的整治方法，在传统技术的基 础上，将支顶、跨越、帷幕注浆技术、抗水压衬砌技术、高压旋喷桩加固软基技 术、隐伏岩溶处理技术运用于岩溶隧道施工中。 本课题研究内容是主要针对黔桂铁路岩溶地区隧道施工技术进行了系统的 研究。 1 2 研究的目的和意义 黔桂铁路铁路位于广西壮族自治区西北部和贵州东南部，南起起柳州，由北 经宜州、河池、南丹、由麻尾进入贵州省，到达贵阳市，沿线山峦起伏，地质复 杂，区内碳酸盐岩地层广布，全线可溶岩段长2 9 8 k m ，约占线路总长的6 6 ，岩 溶及岩溶水十分发育。因此岩溶危害是该线需要解决的主要不良地质问题。本文 主要针对黔桂铁路岩溶地区隧道施工技术进行了系统的研究【3 , 4 , 5 】。 1 3 国内外研究现状 溶洞是可溶性岩石经过含炭酸的地下水不断侵蚀而产生的沟槽、裂隙和空 洞，以及空洞的顶部塌陷使地表产生的陷穴、洼地等现象和作用。在我国西南、 中南地区岩溶现象分布比较普遍，其中桂黔滇川东鄂西湘西粤北边连成一片，面 积总达5 6 万平方公里。 在这些地区修建隧道，常遇到溶洞或暗河。溶洞一般有不发育溶洞( 已发育 成型，不再发展) 、继续发育溶洞、干( 无水) 、湿( 有水) 、大、小及有无充填 物等几种。不发育溶洞、干、小溶洞比较容易处理。而湿、活、大的溶洞，处理 方法比较复杂。 岩溶隧道施工中对溶洞的分步、大小、特征的认识和掌握程度是确保快速、 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 安全修建的决定因素之一。尽管施工前进行了大量的地质勘察工作，但由于当前 勘察技术手段和方法技术受到限制，加上地质体的复杂多变，在施工前准确查明 施工中可能发生的地质灾害的位置、性质、规模是十分困难的，因此，世界各国 在隧道施工中都十分重视超前预报工作。 尽管隧道施工超前预报已引起国内外隧道工程界( 包括地下工程) 的重视， 也做了许多工作，但目前还没有一套系统的普遍适用方法，国内外隧道工程的重 大地质灾害时常发生。因此，准确预报开挖前方法的地质条件是隧道建设者的迫 切要求，二十世纪八十年代以来，世界各国都把该类问题列入重点研究课题。但 是隧道施工超前预报又是一项复杂而艰难的任务，还应在工程实践中不断创新、 优化、总结、完善和提高【6 s l 。 目前，国内隧道地质灾害超前预报技术主要是以预报不良地质结构为主要目 标的测量方法，将物探和地层描述等多种方法所获得的结果进行综合预报。但是， 从测量原理上看，地震反射波和电磁波对不良地质结构中地下水的测量准确性并 不高，而对断层破碎带的( 地层结构变化带) 较为敏感，测量准确性较高，但对 含水不良地质结构常出现漏报现象。另外，一旦通过地质探测手段预测到地质灾 害，如何采取有效的施工对策仍然是需要深入研究的问题。 当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位 于隧道底部，充填物松软且深，使隧基难于处理。有的遇到填满含水充填物有溶 槽，当隧道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至使地表 开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水涌入隧 道。有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。故在 设计时要通过钻探、超前地质探测等摸清地质情况，尽量使隧道避开溶洞。如确 实无法回避，在施工中采取可靠措施，保证施工安全和施工进度。 目前，处理隧道穿越过岩溶区的通常办法是“避、引、堵、穿、绕、跨”。 “避 是指设计中对那些穿越困难，工程量过大的溶洞区，应当避开，不能避开 时，应以尽量大的角度穿越，“引 是指引流溶洞水，地下水给施工造成困难， 溶洞水大量涌入坑道，会给施工带来危害，引离溶洞水，要注意岩溶地区生活、 生产用水不受影响；“堵 是指对于停止发育、无水溶洞，根椐其位置及填充情 况，用浆砌片石、干砌片石等堵塞封闭，必要时需压浆或用混凝土填实；“越 是指对于不宜作堵塞处理的大溶洞，或者因溶洞充填松软，不宜在充填物上作道 路路基，或线路穿越溶洞中暗河时，则需要修建桥梁工程跨越；“绕 是指处理 难度极大，用迂回导坑绕过溶洞，可使处理溶洞工程与前方隧道工程平行作业， 不致延误工期。 2 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 1 4 论文主要研究的目的、内容和方法 1 4 1 研究的目的 黔桂铁路铁路位于广西壮族自治区西北部和贵州东南部，南起起柳州，到达 贵阳市，沿线山峦起伏，地质复杂，区内碳酸盐岩地层广布，全线可溶岩段长2 9 8 k m ，约占线路总长的6 6 ，岩溶及岩溶水十分发育。因此岩溶危害是该线需要解 决的主要不良地质问题。本文主要针对黔桂铁路岩溶地区隧道施工技术进行了系 统的研烈州3 1 。 1 4 2 研究的方法 本文分析了岩溶发育程度和岩溶形态的空间分布规律，提出不同类型岩溶的 整治方法，在传统理论基础上，将支顶、跨越、帷幕注浆技术、抗水压衬砌技术、 高压旋喷桩加固软基技术、隐伏岩溶处理技术运用于岩溶隧道施工中。为了科学 施工，避免在施工中出现的涌水、涌泥等特别地质灾害，为预防和消除隧道施工 中突发安全事故，减少因突发安全事故造成的损失，对岩溶隧道采用地质遥感、 物探、超前探孔等措施加强地质预报，预防和消除不良地质段内岩溶、暗河、断 层、突发涌水、涌泥等安全隐患。 1 4 3 研究的内容 本文研究的思路是：从不同的岩溶形态出发，以施工中遇到的不同的岩溶类型 为研究对象，系统的研究了不同岩溶的处理方法。 第1 章绪论。阐述课题来源，研究目的和意义，国内外研究现状，论文所依 椐的基本理论，论文的研究内容和方法。 第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术。介绍了岩溶的形态与发 育，岩溶地区修建隧道稳定性结构计算及研究、一般岩溶处理的施工技术，隐伏 岩溶处理技术，为后序各章岩溶地区隧道施工、岩溶整治提供了理论依椐和基础。 第3 章地质超前预报及地质物探对岩溶地质分析的应用与研究。地质超前预 报是科学的预测前方地质条件，避免不良地质带来的危害，保证隧道施工安全， 根椐不同实例，阐述了地质超前预报在不良地质条件下隧道施工的重要性 第4 章黔桂线北崖隧道穿越特大溶洞施工技术研究。隧道在开挖过程中共 揭示五处大型溶洞，且多处溶洞具有关联性，溶洞影响隧道长度达3 4 8 m ，占全 隧总长的4 0 。本章根椐不同岩溶的特征，提出了不同的处理方法，施工中与传 统理论技术相结合，将支顶、加固、加强衬砌受力结构、高压旋喷桩加固软基技 术、隐伏岩溶处理技术、防排水运用于岩溶隧道施工中。 第5 章拉之洞特大涌泥施工技术及研究。隧道在岩溶地区施工时，发生特 大涌泥，瞬时填塞坑道4 0 余米，涌泥量约为3 5 0 0 m 3 ，本节根椐隧道的地质条件， 分析了发生涌泥的原因，提出了处理突发涌泥的的技术措施，在施工中采用了帷 3 中南大学硕士学位论文第1 章绪论 幕注浆、整体衬砌、隧底隐伏岩溶处理等技术，成功处理了拉之洞隧道涌泥。 第6 章六甲隧道岩溶谷槽段施工技术。六甲隧道全长4 5 3 4 米，其中有4 6 5 米穿越浅埋槽谷段，本节对工程地质条件及危害性进行了评价，利用地质超前预 报手段，根椐衬砌结构理论计算，在施工中采取帷幕注浆技术，衬砌结构抗水压 技术、隐伏岩溶处理技术，成功处理了六甲隧道穿越浅埋岩溶谷槽段施工，首次 将黔桂线隧道结构抗水压力提高到1 2 0 米。 第7 章总结论文的主要研究成果和需要进一步研究的内容。 1 5 本章小结 岩溶地区隧道施工，岩溶地质是一个复杂的工程地质问题，主要地质灾害、 隧道的施工机理与技术就也是当前岩溶地区隧道施工所面临的重点和难点。如何 安全、合理的处理岩溶地区隧道施工技术，一直是工程界的研究的问题，本文阐 述了课题的由来，研究的目的和意义，及对国内外研究现状的基础上，提出了本 文研究所依椐的基本理论，主要研究内容和方法。 4 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 2 1 岩溶的形态与发育 2 1 1 岩溶的形态 岩溶的形态类型很多，比较典型的有石芽、石林、漏斗、溶蚀洼地、坡立谷、 溶蚀平原、溶蚀残丘、孤林、槽谷、落水洞、溶洞、暗河、天生桥、岩溶湖、岩 溶泉及土洞等，与本工程密切的有以下几种： 表2 - 1 岩溶形态类型表 形成部位岩溶形态 地表 地下 溶沟、石芽、石林、漏斗、溶蚀洼地、 坡立谷、孤林、槽谷、峰林、峰丛 溶蚀漏斗、落水洞及竖井、溶洞、暗河、 地下湖、溶隙、溶孔、石柱、石钟乳 2 1 1 1 漏斗 由地表水的溶蚀和侵蚀作用并伴随塌陷作用而在地表形成的漏斗形态，直径 和深度一般由数米至数十米，( 本线六甲隧道最深达8 0 多米) ，是最常见的地表 岩溶形态之一。 2 1 1 2 溶蚀洼地 由许多相邻的漏斗不断扩大汇合面成，平面是呈圆形或椭圆形，直径由数百 米至一二千米。溶蚀洼地周围常有溶蚀残丘、峰林，底部常有漏斗和落水洞( 本 文介绍的的六甲隧道溶蚀洼地长度6 0 0 米，宽度达4 0 0 多米) 2 1 1 3 落水洞和竖井 落水洞和竖井都是地表通向地下深处的通道，下部与溶洞或暗河连通，是岩 层裂隙受流水溶蚀扩大或坍塌而成，常出现在漏斗、槽谷、溶铡洼地和坡立谷的 底部，呈串珠状分步。 2 1 1 4 溶洞 是一种近水平方向发育的岩溶形态，多由地下水对岩层的长期溶蚀和塌陷作 用而形成，是早期岩溶水活动的通道。溶洞规模、形态变化很大，除少数部分 洞身比较顺直、断面比较规则外，多数高低、宽窄不一，很曲折，且多支洞。在 溶洞内普遍分步有钟乳石、石笋、石柱等岩溶形态 2 1 1 5 暗河 暗河是地下岩溶水汇集、排泄的主要通道，在岩溶发育地区，地下大部分都 有暗河存在。其中部分暗河常与地面的槽谷伴随存在，通过槽谷底部的一系列漏 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 斗、落水洞使两者互相连通。 2 1 2 溶发育的基本条件及影响因素 岩溶发育必须具备以下4 个条件：可溶岩层的存在，可溶岩必须是透水的， 具有侵蚀能力且流动的水。 2 1 2 1 岩溶发育的基本条件 可溶性岩层是发生溶蚀作用的必要条件，必须有一定的透水性，才能使水进 入岩层内部进行溶蚀。纯水对钙、镁碳酸盐的溶解能力很弱，当含有二氧化碳及 其它酸类时，侵蚀能力才能显著提高，具有侵蚀性水在碳酸盐中停滞而不交替， 很快达到饱和溶液而丧失其侵蚀性，因此水的流动是保持溶蚀作用持续进行的必 要条件。化学方程式如下： c a c 0 3 + h 2 0 + c 0 2 一c 一十+ 2h c o ； 2 1 2 2 影响岩溶发育的因素 影响岩溶发育的因素很多，除上述基本条件外，地质因素还有地层( 包括地 层的组合、厚度) 、构造( 包括地层产状、大地构造、地质构造等) 地理因素有 气候、覆盖层、植被和地形等。 ( 1 ) 气候影响 气候是影响岩溶发育的一个重要因素，我国气候温热的南方地区，岩溶远较 干燥的北方发育。如，广西中部可溶盐的年溶蚀量为o 1 2 o 3 m m ，而河北西北 部仅为0 0 2 , 0 0 3 r a m ，两者相差6 l o 倍，温热气候下植被发育，土层生物化学 作用强烈，水中富含碳酸及有机酸，又有充沛的降水量，大量富有侵蚀性的水， 提供了强大的溶蚀能力。 ( 2 ) 地层的组合、厚度及产状的影响 根椐地层组合特征，碳酸盐地层可粗略的分为：由比较单一的各类碳酸盐层 组成的的均匀地层：由碳酸盐层和非碳酸层相间组成的互层状地层，以非碳酸盐 为主，间夹有碳酸盐类岩层的间层分步格局。不同的组合特征构成了不同的水 文地质断面，同时也控制了岩层的空间分步格局。在均匀状地层分步区，且发育 良好，如广西的阳新统，在互层状地层分步区，岩溶成带状分步，如贵州北部。 而层间状地层分步区，岩溶只零星分步，如广西北部。当可溶盐下伏空隙的非可 溶岩时，由于非可溶岩的隔水作用，水在可溶岩内集中，所以岩溶发育强烈。 在巨层和厚层碳酸盐类岩层中。一般含不溶物较少，结晶粒粗大，因此溶解 难度较大，加之张开的节理裂隙发育，岩溶化程度较剧烈。而薄层盐类地层则相 反。 6 中南太学硕十学位论立 第2 奄岩精地恒修建醒道稳定性* 算胜艟t 技术 图2 - 2 黔桂线岩溶地区m 抹远詈围 岩层产状由于控制地下水的的的流岳，而对岩溶的发育程度及方向有影响， 朝l 水平岩层岩溶多水平发育；直立地层仄岩溶发育很深：倾斜地层叶 ，由于水运 动扩展嘶大，最有利于溶的发育。 ( 3 ) 构造的影响 岩溶发育与地质构造关系密切，很多典型岩溶【j 均受构造体系于卒制。断层及 褶皱构造均有利于岩溶发育，尤其是断裂构造发_ 疗的地区，沿断裂破碎带岩溶发 育较为强烈。断层的捌模、性质、走向、断裂带的破碎及填实状态，都和岩溶发 育密切相关，例如正断层带，断层的裂隙宽大，破碎带内多断层角砾岩，透水性 强，有利于岩溶发育。压性断层的破碎带常形成大量碎裂带、糜棱岩，胶结好， 也隙率低，呈致密状态，其构造面常起隔水作用。但在断层两端，裂隙发育，常 形成富水地段，因此岩溶发育。根椐现场揭露表明，不论正断层主是逆断层，一 般其上盘的岩溶发育程度常较下盘显著。 ( 4 ) 水文与地形条件的影响 水文刚的切割程度，决定着地下水的排泄条件。水文网切割强烈，地下水排 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 泄畅通，岩溶就发育。因此，在岩溶发育地区有深切峡谷或侵蚀沟谷时，河流经 常成为岩溶水的的排泄基准面，基准面以下的岩溶发育程度较小。新构造运动的 性质和强度，对水文网的的切割程度和侵蚀基准面的升降有明显的作用，因此也 影响岩溶的发育。上升运动使侵蚀基准面相对下降，会引起地下水的垂直循环的 加强，岩溶就强烈发育，下降运动则使它减弱，直至停止发展。 2 1 3 岩溶发育与分步的规律 影响岩岩发育分步的规律主要表现在水平方向和垂直方向两个方面。 2 1 3 1 水平方向上 岩溶的发育强度取决于地下水的交替强度。在同一地区，哪里的地下水交替 强度大，哪里的岩溶就发育。由于地下水交替强度是从河谷向分水岭核部逐渐减 弱，因此，岩溶发育程度也由河谷向分水岭核部逐渐减弱。 2 1 3 2 垂直方向上 由于岩层裂隙随着深度增加而逐渐减少，地下水运动也就相应减弱，因此， 岩溶的发育一般是随深度增加而减弱0 4 , 15 】。 2 2 岩溶地区修建隧道稳定性计算及研究 在岩溶地区修建隧道，隧道稳定性主要是受两个方面影响，一是内在因素， 包括岩溶工程的地质条件、洞穴形式、岩层产状、填充物的性质、节理裂隙水的 发育状况，以及岩石的物理力学指标等，外在因素，包括隧道的施工方法、结构 支护，岩溶地区的隧道稳定性决定于其施工方法和结构支护形式。 2 2 1 隧道开挖方法的研究 根椐对近五年铁路隧道的施工方法的调研，随着支护支护技术的大力发展， 已从传统的矿山法发展为新奥法施工，并不断发展，目前单线隧道采用的开挖方 式为：i i i i 级围岩采用全断面法，i i l v 级围岩采用台阶法( 包括微台阶法以及 在v 级围时，先进行超前小导管注浆后的短台阶或长台阶) 开挖，仅在级围岩 时，采用环形开挖预核心土的方法进行开挖。 在破碎、浅埋、软弱等地质条件下，双线隧道采用双侧壁导坑法，在连拱的 的情况下，采用中洞法，在特大断面时，采用c d 法或c r d 法，其中双双侧壁 导坑法从矿山法中保留下来的，但其本质特征已完全不属于矿山法中的侧壁导坑 法，中洞法是根椐开挖的外观特征而得名，c d 法和c r d 法是从外国引进的。 ( 1 ) 隧道穿越岩溶的开挖方法研究 为了保证围岩开挖后临时稳定，对整体性较好，但局部存在空洞或者局部溶 蚀较严重的i i h 级围岩可采用全断面法，局部加强支护，全断面风化严重、溶 蚀较严重围岩，采用台阶法或环形开挖预核心土的方法进行开挖；整体性较破碎、 8 中南大学硕士学位论文 第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 存在溶洞或者充填溶洞，均按台阶法( 包括微台阶法以及在v 级围时，先进行超 前小导管注浆后的短台阶或长台阶) 开挖，如果出现突泥、涌水等地质灾害，则 采用大管棚注浆和帷暮注浆后再开挖。双线隧道在岩溶段均采用双侧壁导坑法， 在连拱的的情况下，采用中洞法，在特大断面时，采用c d 法或c r d 法，并采 取相应的地层加固措施。当隧道只有一侧溶洞时，先开挖该侧，待支护完成后再 开挖另一侧。 隧道结构的的作用应根椐不同的极限状态和设计状况进行的组合。一般情况 可按作用力的基本组合进行设计，基本组合可表达为：结构自重+ 围岩压力或土 压力。 在计算单线隧道受力，其稳定性可按下列公式，其垂直及水平压力的作用标 准值可按下列规定计算： 垂直匀布压力： = y h(2qy h 2 。1 ) = l 。， h = 0 4 1x 1 7 矿 g 一围岩垂直匀布压力( k p a ) ； ，一围岩重度( k n m 3 ) ； 厅一围岩压力计算高度( m ) ； s 一围岩级别。 表2 - 2 围岩水平匀布压力 围岩级别 i i i i i iv 查兰望垒匡垄旦1 5 q ：! ! ! 旦! 竺：! ! 二q ：! 塑! 旦：! 二q ：! 塑! 旦：! 二! 塑 注：上式适用于1 不产生偏压力及膨胀力的一般围岩 2 采用钻爆法的隧道。 ( 2 ) 隧道穿越洞穴顶板上方开挖方法的研究 当隧道穿越洞穴顶板上方时，开挖方法按照上述方法以外，必须考虑岩溶顶 板的稳定性： a 当溶洞顶板和支座岩层比较完整，层理比较厚，强度较高，洞跨度较大， 弯矩是主要控制条件时，按梁板受力情况计算。 设溶洞宽度为，溶洞项板受总荷载为g ，梁板宽度为b ，根椐抗弯验算： 等跏】 ( 2 - 2 ) 得： 9 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 日= 品 ( 2 - 3 ) 式中：【盯】岩体的允许抗弯强度( 石灰岩一般为其允许抗压强度的1 1 8 ) ； 肘。弯矩。 当顶板跨中有裂缝，两端支座处岩石完整，按悬臂梁梁计算：m = i 1g 尸 当顶板一支座处有裂缝，而顶板其它地方完整，按悬臂梁梁计算：m = 去g 尸 当顶板完整，按两端固定梁计算：m = i 1g 尸 。 所得h 再加上适当的安全系数( 一般取1 5 ) ，便为顶板的厚度。 对于顶板严重风化，裂隙发育，可能坍塌的溶洞，按洞顶板岩层破碎，顶板 坍塌后为松散体，体积增大，当坍落一定高度时，洞体自体填满，使坍塌高度不 再发展。塌落高度加上荷载作用所需的顶板厚度。塌落高度按下式计算【1 ，3 】： 设溶洞体积为v o ，发生的坍塌的体积为v ，岩石的胀余系数( 膨胀系数) 为k ( 一般石灰岩k = i 2 ) 。按上述假定可得： 矿k=vo+v(2-4) 肛旦( 2 5 ) k l 如溶洞断面接近矩形，则得塌落高度为 胙旦( 2 6 ) k 一1 日为塌落高度，凰为洞体高度。 按上二种方式，当岩溶顶板压力达不到荷载压力时，应采取基底加固处理， 处理措施在本节隐伏岩溶中重点论述。 2 2 2 隧道初级支护参数及辅助措施计算方法 隧道初级支护包括锚喷支护、围岩较差地段，采用钢拱架加强支护，各级围 岩支参数表： 表2 - 3 初级支护参数 围岩级别支护参数 喷射混凝土5 c m 1 喷射混凝土1 0 c m ；2 锚杆2 2 ( 中空2 5 ) ，长2 5 m ；3 锚杆间距1 2 x1 2 m 1 喷射混凝土1 5 c m ；2 锚杆矽2 2 ( 中空痧2 5 ) ，长3 0 m ；3 锚杆间距1 0 x1 0 m 4 钢筋网矽6 ，2 5 c m x2 5 c m 1 喷射混凝土2 0 c m ；2 锚杆2 2 ( 中空矽2 5 ) ，长3 0 m ；3 锚杆间距1 0 x1 0 m 4 钢筋网矽8 ，2 5 c m x 2 5 c m ；5 2 2 钢筋格栅，间距1 0 1 5 m ； 6 超前痧4 2 注浆导管，间距0 2 o 4m ，长度3 5 5 0m 。 1 喷射混凝土2 5 c m ；2 锚杆2 2 ( 空矽2 5 ) ，长4 0 m ；3 锚杆间距o 8 x 0 8 m 4 钢筋网矽8 ，2 5 e m x 2 5 c m ；5 型钢钢架，间距0 伽8 m ； 6 超前4 2 一矽8 9 注浆管棚，间距0 2 0 4m 。 1 0 m v 中南大学硕士学位论文 第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 2 2 2 1 喷砼厚度计算方法 喷射混凝土是利用泵或高压风作动力，将混凝土混合料通过喷射机及喷头喷 射到隧道围岩壁上的支护方法。喷射混凝土是在隧道开挖后立即施工，以覆盖围 壁面，维护隧道围岩稳定的结构物，可以起到封闭岩面，防止风化松动，填充坑 凹及裂隙、维护和提高围岩的整体性、帮助围岩发挥自身的结构作用、调整围岩 应力分布、防止应力集中、控制围岩变形、防止掉块、防止坍塌的作用，在软弱 围岩和岩溶区尤其重要，由于影响喷射混凝土的因素较多，计算方法也不统一， 在根椐工程类比确定各围岩的支护厚度，可按表2 3 选用【1 9 1 。 2 2 2 2 锚杆参数计算方法 系统锚杆长度和间距离应根椐围岩的破碎程度、隧道宽度、采用工程类比确 定： 锚杆长度 三= 三肛 形 或者爿 锚杆间距p = o 5 l n7 1 , ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 式中：l 锚杆长度( m ) ； 职隧道开挖宽度( m ) ； p 锚杆的设置间距( m ) ； 厶开挖面与已支护区间的距离( m ) 。 对于局部锚杆，则按锚固力r w - f 当单根锚杆锚固力t t 时， 刀施7( 2 9 ) 式中：卜锚固力( k n ) ； 形一滑动岩体重力( 1 ( n ) ： 产滑动岩体与稳定岩层的摩擦力( k n ) ； 刀一锚杆根数： ，一单根锚杆锚固力( 1 ( n ) 。 2 2 2 3 钢架支护参数选取方法 钢架支护主要加强锚杆支护中喷层的刚度和强度，以支撑浅埋段、偏压段、 以上围岩、岩溶区充填物开挖后的早期荷载，控制围岩变形与松驰采取的措施， 钢拱架包括格栅钢架、工字钢拱架、u 形钢钢架等，按围岩受力情况选择不同拱 架，具体计算式为可按表2 3 选取。 2 2 2 4 辅助支护措施 隧道辅助支护措施地层稳定措施( 管棚支护、超前钻孔注浆措施、地表加固 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 措施) 、涌水处理措施( 注浆止水、超前钻孔排水、超前排水措施、井点降低水位) 等。 2 2 3 衬砌结构受力计算的研究 根椐支护参数，隧道衬砌分别混凝土和钢筋混凝土，按破损阶段法和容许应 力法计算其受力，安全系数应不小于表2 _ 4 规定数值： 袁2 - 4 混凝土( 钢筋混凝土) 结构的安全系数 1 2 2 2 3 1 混凝土抗压强度计算方法 混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度按下式计算 k n f o a r b h ( 2 - 1 0 ) 尺口- 混凝土抗压极限强度( m p a ) ； 忌安全系数，按表2 4 取值； - 轴向力( m n ) ： 截面的宽度( m ) ； 够构件的纵向弯曲系数，一般取1 o ； 口轴力向偏心影响系数，一般取值0 8 6 0 9 5 ； 从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压的抗拉强度按下公式计算： k n ( 2 3 3 ) = ( 【d 卜【4 】) 胁 = 如) 式中：p 】， 岛】，【卜。分别为材料的弹性矩阵、塑性矩阵和弹塑性矩阵； 彳一与材料硬化有关的参数，理想弹塑性情况下，a = 0 ； 产屈服面函数； g 一塑性势面函数，采用关联流动法则时，g 币 弹塑性分析的计算过程 增量时步加荷过程中，部分岩土体进入塑性状态后，由材料屈服引起的过量 塑性应变以初应变的形式被转移，并由整个体系中的所有单元共同负担。每一时 步中，各单元与过量塑性应变相应的初应变均以等效结点力的形式起作用，并处 理为再次计算时的结点附加荷载，据以进行迭代运算，直至时步最终计算时间， 并满足给定的精度要求f 2 0 2 1 1 。 翌仃+ 仃：! 卫s + 盟占 ( 2 3 4 ) 巨+ 最巨+ 易局+ 岛 衬砌施作后的蠕变方程为 占c ，= 击+ 击( - 一p 一鲁r ) ( 7 0 = c r o j ( ， c 2 - 3 5 ) 式中：j ( t ) 一蠕变柔量； c r o 一常量应力。 2 、梁单元 设梁单元在局部坐标系下的结构点位移为 万 = 虿，而，巧，虿 7 ，则有对应结 点力为 7 - 【z ，瓦巧，巧，弓巧】r ，则有 7 1。同(2-36) 3 、杆单元 设杆单元在局部坐标系中的结点位移为 否 = 可，瓦巧，丐 7 ，对应的结点力 1 7 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 为 - ) = 瓦z ，瓦可 r ，则有 扩 = 降 ( 2 3 7 ) 其中【】为杆在局部坐标系下的单元刚度矩阵，并有 - = 丝0 一一e a 0 l| 0ooo 一丝。丝o ll 00o0 ( 2 - 3 8 ) 式中：，一杆长； 彳一杆的载面面积； e 一杆的弹性模量。 4 、接触面单元 接触面采用无厚度节理单元模拟，不考虑法向和切向的耦合作用时，有增量 表达式 ( 会) = k 。 j l a 以u 1 j = k 。 盒乏) c 2 - 3 9 ， 式中： k 。一接触面的切向刚度。 k 。一接触面的法向刚度。 接触面材料的应力应变关系一般为非线性关系，并常处于塑性受力状态。 当屈服条件采用莫尔库伦屈服条件，并假定理材料为理想弹塑性材料及采用关 联流动法则，对平面应变问题，可导出接触面单元剪切滑移的塑性矩阵为2 2 ，2 3 l ： 0 0 2 kk s s i s k s s ； l ( 2 4 0 ) 式中：s o 2 k + 疋协2 缈 s = kt 锄伊 伊一接触面的内摩擦角。 对处于非线性状态的接触面单元，应力与相对位移间的关系式为 t = k 甜， 吒2 k 盘( 龇 ( 2 - 4 1 ) 式中：一接触面单元的法向最大允许嵌入量。 2 , 2 4 3 单元模式 1 8 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 l 、一维单元 对两结点一维线性单元， 的位移为 = f 设结点位移为 万 - - u , ，v f ，叶，_ 时，单元上任意点 - = 孚1 鸩= 学j ( 2 - 4 2 ) ( 2 4 3 ) 2 、三角形单兀 对三结点三角形单元，设结点坐标为 x i , y ，乃，靠， ，结点位移 j = ，v i , u j , o ，材。， ，对应的结点力 f = 五，影，一，以，匕) ，则当取线性 位移模式，单元内任意点的位移为 阱【) ( 2 - 4 4 ) 式中：【n 】一形函数矩阵，即 【】= l z z 瑚 协4 5 ， 其中：f2 五1 ( q + 6 x + q y ) ； n i = x i y m x m y 矗 b i = y i y 0 c i 2 x m x i 血一单元面积。 3 、四边形单元 采用四结点等参单元，并设结点位移为 艿 = 铂，h ，u ：，v 2 ，甜，1 , 3 ，u 4 ，屹) 7 时，位 移模式可由双线性插值函数给出，形式为 “= s l u l4 - 2 。2 + 3 ”3 4 ”4 ( 2 - 4 6 ) u 2 m + 2 v 2 + 3 v 3 4 v 4j 式中n 为插信函数。即 ( 2 4 7 ) 1 9 哆 7 刁 印 一 一 一 一 l 1 l 1 ，l、，、，i，-、j、-、，、-、 孝 f 孝 一 一 一 一 ，i ，i 1 l ，i ，l，l，l，l 一4一4一4一4 = l i = i i i 2 3 4 m m m m 中南大学硕士学位论文 第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 2 2 4 4 施工过程的模拟 l 、一般表达式 开挖过程的模拟一般通过在开挖边界上施加释放荷载实现，将一个相对完整 施工阶段称为施工步，并设每个施工步包含若干增量步，则与该施工步相应的开 挖过程释放荷载可在所包含的增量步中逐步释放，以便较真实的模拟施工过程， 具体计算中，每个增量步的荷载释放量可由释放系数控制。对各施工阶段的状态， 有限元分析的表达式为： 眦沁 ，= 嵋 ，+ 峨 。+ 缉 ，( i = i ，) ( 2 - 4 8 ) f 【矾= 【k 】0 + 【战】 ( f 1 ) ( 2 4 9 ) 式中：工施工步总数； f k 卜一第f 施工步岩土体和结构的总刚度矩阵； 【k 】。一岩土体结构( 施工前存在) 的初始总刚度矩陈； 【必l 一施工过程中，第入步的岩土体和结构刚度的增量或减量； 越l ；一第i 施工步开挖边界上的释放荷载的等效结点力； 峨 ，一第f 施工步新增自重等效结点力； 峨 ，一第f 施工步增自重等效结点力； 万1 一第f 施工步日结点位移增量。 2 、开挖工序的模拟 开挖效应可通过在开挖边界上设置释放荷载，并将其转化为等效结点力模 拟。表达式为： 【k 一从】 6 = p ) ( 2 - 5 0 ) 式中： k 1 一开挖前系统的刚度矩阵； f a k l 一开挖工序中挖除部分的刚度； f 尸j 一为开挖释放的等效结点力。 3 、填筑工序的模拟： 填效部分包含两个部分，即整体刚度的改变和新增单元自重荷载的增加，其 表达式为 【k + 赵】 艿) = 幔 ( 2 - 5 1 ) 式中： k 一填筑前系统的刚度矩阵； a k 一开挖工序中挖除部分的刚度； 峨 一新增实体单元自重的等效结点力。 4 、结构的施作与拆除 中南大学硕士学位论文第2 章岩溶地区修建隧道稳定性计算及施工技术 结构的施作与拆除体现为整体刚度的增加及新增结构的自重对系统的影响， 其计算公式： 【k + 必i a 8 = 嵋 ( 2 - 5 2 ) 式中： k 一结构施作前系统的刚度矩阵； a k 一新增结构的刚度； 一新增结构自重的等效结点力。 结构拆除的效应包含整体刚度的减小和支撑内力的释放的影响，其支撑内力 的释放可通过施加一反向力实现，其计算式表达为 【k - a k i a 8 = 一 心) ( 2 5 3 ) 式中： k 一结构施作前系统的刚度矩阵； a k 一拆除结构的刚度； 灯 一拆除结构自重的等效结点力。 5 、增量荷载的增加 在施工过程中施加的外荷载，可在相应的增量步中用施加增量荷载表示，其 计算式为 【k a 8 ) = 从 ( 2 - 5 4 ) k 一增量荷载施加前系统的刚度矩阵： 竹l 一施加前增量荷载的等效结点力。 2 3 一般岩溶施工技术及研究 岩溶对隧道工程的影响主要是：空穴、地下水、洞穴充填物及坍塌、洞顶地 表塌陷四个方面，一般情况下可按岩溶对隧道的影响情况及施工