软岩隧道快速掘进中变形预测及支护方案优化的研究.pdf

武汉理工大学 硕士学位论文 软岩隧道快速掘进中变形预测及支护方案优化的研究 姓名 吴建兵 申请学位级别 硕士 专业 岩土工程 指导教师 朱瑞赓 2003 4 1 摘要 本文以四川冶勒水电站防渗墙廊道掘进作为工程实例和研究背景 首 先明确了软岩的定义及分类 对影响软岩隧道稳定因素 软岩隧道失稳的 力学机理和变形力学机制作了较为全面的研究 再结合现场实测资料对地 下洞室围岩的稳定状态进行判别 利用围岩变形曲线建立灰色预测模型 采用该模型对围岩位移的后期变形进行预测 对软岩隧道的支护对策 支 护作用机理进行了较深入的分析研究 并利用层次分析法选择最优的支护 方案 本文的主要研究内容和特色如下 1 系统地论述了软岩的定义及分类 分析了软岩的地质特征和工程 特性 对软岩隧道失稳原因进行深入的探讨 论述软岩隧道变形失稳的力 学机制 2 采用现场监测技术对软岩隧道支护后的围岩变形进行监测 根据 隧道围岩的变形监测数据 评价软岩隧道围岩的稳定状态 用数理统计的 方法及灰色预测模型对围岩的后期变形进行预测 3 研究现行的软岩隧道支护方法及其作用机理 根据所研究围岩的 变形力学机制和工程实际情况 研究软岩隧道的支护方案和对策 并利用 层次分析法确定最优支护方案 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 同时对类似工程提供了具有参考价值 的支护方案和安全支护的研究方法 关键词 软岩隧道变形灰色预测 层次分析法支护 a b s t r a c t t h e s i si sb a s e do nd i a p h r a g mg a l l e r yd r i v i n gp r o j e c to f s i c h u a ny e l e h y d r o e l e c t r i cs t a t i o n i tg i v e s c 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 f s o f tr o c k a n d a c o m p r e h e n s i v es t u d y h a sb e e nm a d eo nt h em e c h a n i s mo fs o f tr o c kf a i l u r e i t m a k e sd e c i s i o no ns t a b i l i t ys t a t eo fc o u n t r y r o c ka c c o r d i n gt oi n s i t us u r v e y i n g d a t u m a n dg r e yp r e d i c t i o nm o d e l i sf o r m e d u s i n g t h ed e f o r m a t i o nc u r v eo f c o u n t r y r o c k t h i sm o d e lc a np r e d i c tl a t t e rd i s p l a c e m e n to fc o u n t r yr o c k d e e p e r a n a l y s i si sa l s ob e e n c o u n d u c t e do nc o u n t e r m e a s u r ea n dm e c h a n i s mo fs o f t r o c k t u n n e l a n dg r a d a t i o na n a l y s i sm e t h o di sa p p l i e d t os e l e c tt h eo p t i m u m b r a c i n g p l a n m a i nc o n t e n t sa n d c h a r a c t e r so ft h ep a p e ra r ea sf o l l o w s 1 i ts y s t e m l ye x p l a i n sd e f i n i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no f s o f t r o c k i tg i v e s a 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 g c h a r a c t e r so fs o f tr o c k a n dd e e p e r d i s s c u s s i o no nf a i l u r ec a u s e so fs o f tr o c kt u n n e l i ta l s os h o w st h em e c h a n i s mo f d e f o n n a t i o na n df a i l u r e 2 i ta p p l i e si n s i t um o n i t o r i n gt e c h n i q u e t oa c c e s sd e f o r m a t i o no f b r a c e d c o u n t r yr o c ka n de v a l u a t i o no fi t ss t a b i l i t y m a t h e m a t i e a ls t a t i s t i c sa n dg r e y p r e d i c t i o nm o d e l a r ea p p l i e dt ot h el a t t e rd e f o r m a t i o n p r e d i c t i o n 3 i ts t u d i e st h eb r a c i n gm e t h o da n di t sm e c h a n i s m o f p r e s e n ts o f tr o c k t u n n e lp r o j e c t t h eb r a c i n gp l a na n dc o u n t e r m e a s u r ea r ed e r i v e df r o m d e f o r m a t i o nm e c h e n i s ma n d e n g i n e e r i n gp r a c t i c e g r a d a t i o na n a l y s i sm e t h o di s u s e dt od e c i d et h eo p t i m u m b r a c i n gp l a n t h i sp a p e ri sb a s e do n p r a c t i c a lp r o j e c ta n d i t sa c h i e v e m e n th a sb e e n a p p l i e d t oe n g i n e e r i n g p r a c t i c e r e s u l t i n gr e m a r k a b l ee c n o m i ca n ds o c i a l e f f e c t s i ta l s op r o v i d e ss i m i l a r p r o j e c t sw i t hv a l u a b l ee x p e r i e n c ea b o u tb r a c i n g p l a n a n dr e s e a r c hm e t h o do fs a f eb r a c i n g k e y w o r d s s o f tr o c kt u n n e l d e f o r m a t i o n g r e yp r e d i c t i o n g r a d a t i o n a n a l y s i sm e t h o db r a c i n g 墓堡堡王奎堂堡主堂堡堡苎一一 第一章引言 软岩研究现状及发展方向 1 1 1 软岩的研究现状 随着地下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岩问题 而国家西部大开发的战略实施 大 量的交通 能源与水利工程在西部的兴建 地下工程软弱围岩的稳定性和支 护方法更已成为地下工程中迫切需要解决的问题 如天生桥 二滩 小浪底 乌江构皮滩 冶勒 瀑布沟等大型水电工程中 均存在软弱岩体的流变性及 固岩的稳定性问题 1 1 因此 软岩的试验研究与工程应用正处在不断地进展 中 软岩工程技术的研究属于岩石力学的范畴 岩石力学自2 0 世纪5 0 年代 丌始到6 0 年代逐渐发展为一门具有独立体系的学科 岩石力学发展过程中 各年代具有明显的研究重点 6 0 年代重点研究完整的岩块 7 0 年代研究重点 为岩体和不连续面 8 0 年代 计算机数值分析蔚然成风 9 0 年代 十分强调 综合分析研究即将岩石材料性质的确定 大尺寸原位测试 计算机分析和工 程作用规律相结合 2 0 世纪末叶则由于岩石力学参数难以测准 限制了计算 技术在该领域的发展 1 软岩在试验研究方面 研究了软岩物质成分及微观结构 包括软岩生成 条件 粒度成分 矿物组成 化学成分 颗粒组构及分形结构模型 水岩作 用规律 包括膨胀性 崩解性 冲蚀效应 长期渗压水作用的演变趋势和稳定 性 流变性 包括蠕变速度的强度效应 因此 软岩工程的研究对象是多相 各向异性的裂隙岩士介质体 这就决定了它是由多学科相互交叉 渗透 依 赖和补充的学科 这些特点决定着软岩工程必须采用多种方法 多种技术来 进行综合性研究 软岩在理论研究方面 科学的发展将促使工程技术与智能科学相交叉结 合 进而从根本上改变单纯依靠硬科学来解决工程实际问题的现状 这方面 的前景是喜人的 近年来 对岩石力学非线形反演的随机理论与方法的研究 武汉理工大学硕士学位论文 也取得了 定的进展 主要表现在 其一 在岩石力学与工程中对各类逆问 题的系统建模原理和方法 包括处理观测工作中诸多不确定性因索需用的最 优目标函数 以及对模型的不确定性与最佳信息准则目标函数拟定等方面的 问题有了较为系统的研究成果 其二 在岩体变形随机预报理论及其工程应 用方面 着重讨论了对地下工程周边岩土介质变形作随机预报的原理和方法t 包括岩土体稳定的可靠性评价以及循环更新监测技术的采用 其三 采用扩 张卡尔曼滤波器 k a l m a nf i l t e r 有限元法反分析地下工程岩土体介质非确 定性动态响应问题 开拓了采用扩张卡尔曼滤波器有限元法的基本原理和方 法实施 及其在岩土介质变形时间历程和最终塑性区大小部位与范围的估计 等方面的工程应用 以上三方面的工作还包括 针对水电 矿山地下工程和 公路隧道等方面的工程许多处进行了实例分析 此外 并已研制了若干可便 于工程推广的专用计算机程序软件1 8 1 对于岩石力学问题的反演分析 诸如参数估计 位移反分析 现己被广 泛应用于地震 结构 振动等复杂工程系统中 用来确定对认识系统和作进 一步 f 演分析都至关重要 同济大学杨林德建立的反分析边界方法及粘弹性 问题反分析 用最小二乘法建立目标函数 通过全局最优化 可同时辩识仞 始地应力三个分量及变形与强度四个参数 从实践上得出了非线形逆问题的 唯一解 并将该方法应用于天生桥一级电站右岸试验洞 反演计算结果与实 测吻合 1 9 9 0 年 孙钧等又提出了岩石反演的概率方法及其工程应用1 3 1 软岩体及其围岩的稳定性问题已成为岩石力学近年来主要研究的课题之 一 1 9 9 5 年中国岩石力学与工程学会成立了软岩工程专业委员会 是我国软 岩工程技术研究繁荣的标志 国家重点工程的软弱岩体地下工程的迫切需 要向地下工程研究工作者提出了一系列的重要研究课题 如地下工程在开挖 期和运行期的围岩稳定性 岩体变形力学机制 围岩稳定性评价 位移监测 预报 合理化支护等问题 如何运用岩体力学中理论与方法解决软岩中上述 问题 以便合理的分析和采取正确的施工方法和治理方案 是当前岩石力学 工作者面临的重要任务 紧密配合规模巨大 介质复杂的软岩地下工程开展 力学研究工作 对于推动岩石力学工程的应用 加强学科的工程实用性 具 有重大的经济和现实意义 1 1 2 软岩的研究发展方向 软岩以其大变形 大地压 难支护的特征引起岩石力学工作中的关注 在地应力较小的地区 结构疏松 强度较低的岩石表现为软岩的变形力学特 性 结构致密 强度较高的岩石则表现为硬岩的变形力学特性 但在高地应 力地区 一些较硬的岩石也表现为软岩的变形力学特性 如三峡工程永久船 闸高边坡的花岗岩体 4 1 同一岩石在不同条件下的变形力学性质的改变给软 岩定义带来了一定的难度 国际岩石力学学会前任主席j o h n a h u d s o n 讲过 岩石力学是研究在工程扰动力作用下岩石介质响应规律的一门学科 p 1 根据岩石介质在工程力作用下的变形 破坏等力学响应特点 可以将岩石介 质划分两类 即在达到破坏状态之前发生显著大变形的延性材料和不产生显 著变形的脆性材料 显然 软岩力学研究工程扰动力作用下具有显著塑性变 形的岩石介质的力学响应规律的一门学科 由于软岩的大变形 易膨胀 流变性等特点 以及软岩构成的复杂性 在软岩流变学的研究方面尚不充分 而软岩的大变形研究刚刚起步 软岩的 支护理论还需做大量的工作等 13 8 1 当前软岩的主要发展方向 其主要内容 可归纳如下 1 分叉与突变理论在岩体稳定理论中的应用 软岩稳定性研究是一个 复杂而又重大的课题 研究的总体目标是 系统的稳定性评价 稳定性的发 展趋势及失稳预测 在某些岩体工程中 不管是人工的还是天然的 其变形 是动态的 系统内部的力学参数也是动态变化的 因而可将软岩系统视为一 个非线形动力系统 系统的宏观稳定与不稳定的行为是系统的平衡外的稳定 问题 系统的失稳就是系统中的某些关节点发生质变的机理 它既可以获得 系统丧失稳定时的临界参数 还可以对系统分叉以后的特性进行追踪估计 突变理论主要是研究非线形系统如何从连续渐变状态走向系统行为的突变 突变理论和分叉理论是密切相关的 它们的共同理论基础是奇异性理论 分 叉和突变理论已在岩石力学中广泛应用 如岩体失稳 滑坡 剪切带等 2 浑沌 理论及应用 浑沌 的基本特性是 系统的行为具有随机 性 轨道永不重复 系统的行为对初始条件的敏感依赖性 分维性是系统的 运动轨道在相空间中一分形吸引子 以及标准度性 分形法和流形法是处理 浑沌的有力工具 岩体系统中存在大量的非稳定数据和离散的非均匀数据 如位移 声发射 地震的时序记录数据等 这些均有可能用浑沌模型予以描 述 并能揭示出更深刻的岩体力学机制与规律 浑沌理论中的流形计算方法 已开始用于有限元的网格分析 3 岩体断裂 损伤的细观非线形力学应用 岩体的损伤 破坏是一类 非平衡 非线形的动态演化过程 其破坏结果对初始损伤及结构分布有敏感 茎望望三丕兰堡主堂垡笙茎 一 依赖性 从细观上讲 岩石的损伤 演化至破坏这个过程应建立相应的非线 形动力学演化模型来加以描述 才能反映这种过程的本质特性 因此 把岩 石的破坏与远离平衡条件下的非线形动力学系统理论联系起来 可能成为岩 石破坏理论的突破口i i 4 基于环境工程的非线形理论的岩石力学计算方法 包含两方面的内 容 第一 数值计算方法的研究 包括系统力学行为及其转化的分叉点的跟 踪计算 尤其是在分叉点附近系统出现奇变的计算方法 以及非线形动力学 系统的反分析方法等 第二 仿真计算 在计算机上模拟岩体的非线形发展 过程或行为机制 以目前工程上需解决的问题来看 软岩研究的重点是 扩容膨胀效应问 题 流变和粘性时效问题 非线形理论的数值分析 软弱层的结构数学模型 总之 为适应现代化建设规模越来越大 要求越来越高的软岩工程设计施工 上的迫切需要 软岩的研究方法不仅要求多种方法的综合应用 而且从根本 的思维方式上要摈弃过去单一的 f 向思维 进而要走全方位的系统思维 这 可能是解决问题的正确抉择 1 2 软岩的研究方法 岩石力学本身是 f 3 实践性很强的学科 对于岩石力学的研究脱离不了 工程实践 岩石力学的一切设想 假定和理论 都必须到实践中去检验 岩 石力学必须紧密结合工程实际 解决工程出现的问题 岩石力学才能发展 软岩的研究也必须以工程实践为基础 解决工程实际问题 才能更好 更快 的发展 软岩的研究方法有试验方法 理论分析方法 模型方法 反分析方 法等 1 2 1 试验方法 试验方法是最基本的研究方法 也是最常用的方法 是岩石力学发展的 基础 也是对岩石材料性能认识的手段 它包括室内岩石力学参数的测定 现场岩体原位试验及监测技术和施工技术 地应力的测定和岩体构造的测定 等 岩土工程问题的广泛性使得科学试验涉及的范围越来越广 手段也越来 越先进 新的试验技术已不断应用到岩土工程领域 1 2 2 理论分析方法 理论分析方法具体来说就是简化结构模型的解析求解和复杂结构的数值 分析 基于计算机技术而发展的计算力学 如有限元 边界元 离散元块体 力学和反演分析等多种方法已应用与岩土研究工作 在经典弹性和塑性的理 论基础上 流变力学 粘弹塑性理论 断裂力学和损伤力学等也在岩土工程 中得到应用和发展 1 2 3 模型方法及监测技术 分析与解决岩土工程中问题 首先必须对的岩土工程中的主体对象岩土 的性质要有充分的认识 通过力学模型试验等手段来建立物理模型并进一步 确定岩土的本构关系 然后利用本构关系模型及已有的理论知识与技术手段 建立岩土的结构模型 并用解析或数值方法求解对应的初值和边值问题 再 分析结果指导工程设计与施工 由于岩体是一复杂体 具有很多不确定因素 因此 在施工过程中要进行动态位移及应力监测 通过反馈信息结合反分析 技术 对岩体结构进行再认识 及时调整原设计参数与施工方案 指导工程 顺利进行 1 2 4 反分析方法 反分析方法是实践与理论结合的产物 该方法是根据地下工程围岩的位 移来反算岩体初始应力场及力学参数的方法称之为位移反分析方法 k a v a n a g h 等 利用有限元法根据位移测值计算了岩体力学参数 樱井春辅用 解析法根据围岩蠕变位移计算岩体初始应力和粘弹性参数 我国学者在位移 反分析的理论及方法等方面也作出了不少贡献 具有代表性的有 杨志法 杨德林 冯紫良 朱维申 郑颖人 等 1 3 本文研究的主要内容 本文以四川冶勒水电站防渗墙廊道掘进为主要工程研究背景 把软弱岩 体作为研究对象 四川冶勒水电站是四川省南桠河流域梯级开发中的龙头工 程 大坝高1 2 5 5 米 坝型为沥青混凝土心墙堆石坝 建立在深厚覆盖层上 其防渗系统是工程的成败关键 大坝防渗墙深度达到1 4 0 米 因国内目前技 术条件无法进行此深度防渗墙施工 故将防渗墙分为上下两部分 在中间部 位设置一条隧道连接上下防渗墙 并作为下部防渗墙施工的作业空间 本文以这条隧道作为研究重点 研究其围岩的变形破坏力学机制和软岩 隧道的支护对策 选择最优的支护方案 本文主要研究工作如下 武汉理工大学硕士学位论文 f 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 2 对软岩隧道失稳原因进行深入分析 较全面的论述了软岩隧道失稳因 素 变形破坏的力学机制 3 对软岩隧道进行临时支护后的围岩变形监测 利用现场实测资料对软 岩隧道围岩及支护的稳定状态进行识别 根据围岩的变形监测数据 利用围 岩变形曲线建立灰色预测模型 用数理统计的方法及灰色预测模型对围岩的 后期变形进行预测 4 研究现行的软岩隧道支护方法及其作用机理 根据软岩隧道变形破坏 力学机制确定支护对策 5 研究软岩隧道的支护方案 利用层次分析法确定最优支护方案 隧道的失稳直接导致工程工期拖延 影响隧道的安全施工 导致工程成 本的增加 如何在工程实践中避免隧道的失稳 以最低的支护成本来达到安 全支护的目的是本文研究的意义和目的所在 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 同时对类似工程提供了具有普遍性的支护方案和安全支护的研究方法 6 篓堡堡三奎堂堡主堂垡笙壅一 第二章软岩的地质特征及工程特性 2 1 软岩的定义 全世界已知的和付诸使用的岩体分类约有1 0 0 多种 但总的可分为两种 基本类型 一是关于应用方面的分类 一是关于岩体内在特性的分类 软岩 软 体现了岩体内在特性 即岩石的硬度欠缺 弱 体现了软岩在应用方 面的能力 即对于承受外载荷 它的承载能力和抗变形能力都较差 因此 我们可将软岩分为地质软岩和工程软岩 2 1 1 地质软岩 按地质学的岩性划分 地质软岩是指单轴抗压强度小于2 5 m p a 的松散 破碎 软弱及风化膨胀性一类岩体的总称 该类岩石多为泥岩 页岩 粉砂 岩和泥质粘土岩等强度较低的岩石 是天然形成的复杂的地质介质 国际岩 石力学协会将软岩定义为单轴抗压强度 0 在0 5 2 5 m p a 之间的一类岩 石 其分类依据基本上是按强度指标 l 3 1 按强度指标来定义软岩 往往在工程实践中会出现矛盾 例如地下隧洞所 处深度足够的小 地应力水平足够的低 尽管岩石强度小于2 5 m p a 但岩石 不会产生软岩的特性 如粘土岩 s 2 h 室内剪切流变试验时 只有剪切应力 达到一定值之后才出现软岩变形的特征 相反 大于2 5 m p a 的岩石 在较大 荷载的条件下也会出现流变性 例如三峡工程船闸高边坡的花岗岩体 4j 等 2 1 2 工程软岩 工程软岩是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体 如果说 目前流行的软岩定义强调了软岩的软 弱 松 散等低强度的特点 而工程 软岩是不仅重视软岩的强度特性 而且强调软岩所承受的工程力荷载的大小 工程力是指作用在工程岩体上力的总和 它可以是重力 构造地应力 水的 作用力 工程扰动力以及岩体膨胀应力等 显著塑性变形是包含显著的弹塑 性变形 粘弹塑性变形 连续性变形和非连续性变形等 工程软岩的变形特 性的实质是相对性的 其变形性质取决于工程力于岩体强度的相互关系 当 工程力一定时 不同岩体 强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特 性 强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性 而对同种岩石 在较低工程力的作用下 则表现为硬岩的变形特性 在较高工程力的作用下 武汉理工大学硕士学位论文 则可能表现为软岩的变形特性 综上所述 我们可将软岩定义叙述如下 软岩是一种特殊的岩类 从岩 石固有的特性来说 它具有软的形态 而从工程应用的观点来看 它又是 弱 的 它具有较低的承载能力和较大的变形性 在工程力的作用下 具有明显 的塑性变形或粘塑性变形特征 在工程实践中 我们着重研究是工程意义上 的软岩 2 1 3 工程软岩的类型 按照软岩变形的机理 软岩可分为四大类 低强度软岩 膨胀性软岩 高应力软岩 节理化软岩和复合型软岩 膨胀性软岩系指含有粘土膨胀性矿物在较低应力水平条件下即发生显著 变形的低强度工程岩体 例如软弱 松散的岩体 膨胀 流变 强风化的岩 体以及指标化定义中所述的抗压强度小于2 5 m p a 的岩体 均属低应力软岩的 范畴 产生塑性变形的机理是片架状粘土矿物发生滑移和膨胀 在实际工程 中 一般的地质特点是泥质岩为主体的低强度的工程岩体 低应力软岩的显 著特征是含有大量粘土矿物而具有膨胀性 高应力软岩是指在较高应力水平条件下发生显著变形的中高强度的工程 岩体 这种岩体的强度一般大于2 5 m p a 其地质特征是泥质成分较少 但有 一定含量 砂质成分较多 如泥质粉砂岩 泥质砂岩等 它们的工程特点是 在工程力不大时 表现为硬岩的变形特征 当工程力达到一定量后 表现为 软岩的变形特性了 其变形机理是 处于高应力水平时 岩石骨架中的基质 粘土矿物 发生滑移和扩容 此后接着发生裂纹的滑移和扩容塑性变形 高应力软岩在自重应力作用下与方向无关 而在构造应力作用下与方向有关 如葛洲坝水电站基坑开挖时产生的显著变形与构造应力的作用有明显的关系 4 8 1 节理化软岩是指岩块的强度较高 岩块成硬岩力学特性 但由于岩体发 育了多组裂隙 整个工程岩体在工程力的作用下则发生了显著变形 呈现软 岩的特性 其变形机理是结构面发生滑移和扩容变形 复合型软岩是指上述三种软岩类型的两种的组合软岩类型 2 2 软岩的分类 2 2 1 软岩工程分类 武汉理工大学硕士学位论文 进入软岩状态的地下隧道 其软岩的种类是不同的 其强度特性 泥质 含量 结构面特点及其塑性变形力学特点差异很大 根据这些特性的差异 将软岩分为四类 4 8 如表2 2 1 所示 表2 2 1 软岩分类 软岩名称塑性变形特点 膨胀性软岩泥质含量大干2 5 0 2 5 m p a 遇水发生少许膨胀 在高应力状态 下 沿片架状粘 矿物发生滑移 i节理化软岩沿节理等结构面产生滑移 扩容等塑性变形 f复合型软岩具有上述组合的复合型机理 1 膨胀性软岩的分类 膨胀性软岩可根据矿物组合特性和饱和吸水率两个指标细分为三级 见 表2 2 2 表2 2 2 膨胀性软岩分级 膨胀性软岩蒙脱石含嫱 干燥饱和吸水率 自由嘭胀变形鼙 弱膨胀性软岩 1 0 15 l 中膨胀性软岩1 0 3 02 0 5 01 0 1 5 i 强膨胀性软岩 3 0 5 0 7 5 高应力的界限值是能使o 2 5 m p a 的岩石进入塑性状态的应力水平称 高应力水平 3 节理化软岩的分级 节理化软岩可根据结构面组数和结构面间距两个指标将其细分为三级 即较破碎软岩 破碎软岩和极破碎软岩 见表2 2 4 亟堡望三盔堂堡主堂丝堡苎 节理化软岩 节理组数单位面积节理数 条 m 2 完整系数 k i较社理化软岩 1 3 8 1 505 5 4 2 3 5 l节理化软岩 3 1 5 3 0 0 3 5 0 1 5 f极肖理化软岩 无序 3 0 0 1 5 表中 k 丁w p m 2 2 1 v 广一节理岩体弹性波纵波速度 k l y l s v r 完整岩块弹性波纵波速度 k m s 4 软岩工程分类及分级 综上所述 软岩的工程分类和分级见表2 3 5 表2 2 5 软岩工程分类与分级总表 软岩分类指标 软岩分级分缓指标 分类 or m p a 泥质含量结构面 蒙脱石含量干燥饱和吸水自由膨胀变彤量 膨胀性 率 软岩 2 5 少弱膨胀软岩 1 0 l5 中膨胀软岩 1 0 3 01 0 5 01 0 l5 强膨胀软岩 3 0 5 0 7 5 节理数 条 m 2 1 节理问距 完整指数t k 节理化较破碎软岩0 i5j02 0 405 5 o3 5 软岩 低 中等少禽多灿 破碎软岩 1 5 3 010 l o2o3 5 o l5 极破碎软岩 3 0 i 01 01 5 复合型软岩低 禽含少一多组根据具体条件进行分类和分级 2 2 2 软岩软化程度分类 衡量软岩软化程度是判别支护难易程度的关键 软化指数的概念可以合 理地进行软岩软化程度的分类 1 软化指数 软化指数 f s 定义为软岩的软化临界荷载0 与工程岩体中的最大应力 o 的比值 即 c 二坠 2 2 g 啪x 武汉理工大学硕士学位论文 式中 f s 一软化系数 o i 一软化临界荷载 m p m o 一工程岩体中最大应力 m p a 2 软岩的软化程度分类 表2 2 6 软岩的软化程度分类 软岩类型 f 5 o o 工程力学状态巷道支护建议 谁软岩 1弹性 顶帮局部锚喷 准软岩1 o 8局部塑性顶帮两角锚喷 一般软岩0 8 0 5全断面塑性全断面锚喷 软 超软岩o5 o 3扩容 膨胀为主的塑性全断面锚喷 关键点锚索 岩 扩容 膨胀和高应力挤 极软岩 o 3 全断面锚喷 关键点加强锚索 出为主的塑性 2 3 软岩的工程特性及力学属性 2 3 1 软岩的软化路径 岩石在工程力的作用下进入软岩状态的途径 从理论上可分为四种类型 即初始软化型 强度软化型 应力增长型 强度降低与应力增加复合型 1 仞始软化型 在工程开挖之初 t o 岩石软化l 临界荷载 o 小于围岩应力 o 洞室围岩持续变形不止 表明岩石即进入软岩状态 该种类型为初始软化型 其状态方程为 式中 一c 旦6 t 置曼 m a x 弓 刈 u u c ud u q u 总变形 m m p 弹性变形 m m7 u 与时间无关的塑性变形 m m l l 武汉理工大学硕士学位论文 p 与时间有关的流变变形 m m 2 强度软化型 在工程开挖一段时间以后 t c 围岩应力为常量 围岩的软化临界 荷载由于风化 裂隙化等影响不断降低 使得 1 巷道围岩持续变形 这 种类型为强度降低型 其软化状态方程为 o c s 吐m r s 导 t o l 一 u 旦巡 o 3 应力增长型 随着工程开挖的不断进行 t t 围岩的最大应力值不断增加 o f 3 t 8 o 围岩的软化临界载荷保持不变 c 在某一时 刻 围岩开始进入软岩状态 f s 1 巷道围岩持续变形不止 n f 1 t i 哆氍 o 表明围岩进入了软化状态 该种类型称为应力增长型 其状 杰方程为 4 c r s 一旦 t m a x 1 产刈 堕垃 o 随着工程开挖的不断进行 t t 围岩最大应力值不断增加 o 6 t 多氍 围岩的软化载荷不断降低 s f i t a f z q 坛 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 在某一时刻 围岩开始进入软岩状态 f s i 巷道围岩持续变形 该种称 应力增长和强度降低复合型 其状态方程为 a f 3 t 攀 一 遂鬟 掣汕一器 j 掣咒 丝盥 o 2 3 2 软岩的临界载荷 软岩的蠕变试验表明 当所施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 称为软岩的软化临界载荷 亦即能使岩石产生明显变形 的最小载荷 岩石软化临界载荷是客观存在的 软化临界载荷是判定是否为 软岩的准则 当岩石所受载荷水平低于软化临界载荷时 则该岩石属于硬岩 范畴 而只有当载荷水平高于软化临界载荷时 该岩石表现出了软岩的大变 形特性 此时该岩石称之为软岩 2 3 3 软化临界荷载的确定方法 1 蠕变实验法 通过岩石蠕变力学试验测定出岩石的长期强度 此值大致相当于软化临 界荷载 2 经验公式法 2 用下式计算 oc s k r c 式中r c 岩石单轴抗压强度 m p a k 经验系数 膨胀性软岩k 0 3 0 5 节理化软岩k 0 4 0 8 13 2 3 高应力软岩k 0 5 0 7 武汉理工大学硕士学位论文 j 一一一 2 3 4 软岩的力学属性 软岩中泥质矿物成分和结构面决定了软岩的力学特性 显示出可塑性 膨胀性 崩解性 流变性和易扰动性的特点 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 膨胀性软岩的可塑性是由于软岩受力后片架状结构的泥质矿物发生滑移或泥 质矿物亲水性引起的 节理化软岩是由于结构面滑动和扩容引起的 高应力 软岩大多是上述两种原因共同引起的 软岩的膨胀性质是在物理 化学 力学等因素的作用下 产生体积变化 的现象 其膨胀机理有 内部膨胀 外部膨胀和应力扩容膨胀三种 工程中 的软岩膨胀为复合膨胀形式 软岩的崩解性是指软岩在物理 化学 力学等因素作用下 产生片状解 体 膨胀性软岩崩解主要是粘土矿物集合体在水作用下 膨胀应力不均匀造 成的崩裂 节理化软岩的崩解则是在工程力的作用下 由于裂隙发育不均匀 造成局部张力引起的崩裂 高应力软岩则有可能多种崩解机制同时存在 软岩的流变性是指软岩受力变形过程中与时间有关 包括塑性流动 粘 性流动 结构面闭合和滑移变形 膨胀性软岩主要是泥质矿物发生粘性流动 在工程力作用下 达到一定极限后 开始塑性变形 节理化软岩流变性主要 指结构面的扩容和滑移 高应力软岩流变性多为诸形式的不同组合 岩石变 形在应力状态不变的情况下不断增长 处于蠕变状态 若在约束变形条件下 应力随时间延长而降低 则处于松弛状态 软岩的强度随时间变化而降低 软岩的易扰动性指由于软岩软弱 裂隙发育 吸水膨胀等特性 导致软 岩抗外部环境扰动的能力极差 对卸荷松动 施工震动等极为敏感 而且具 有吸湿膨胀软化 暴露风化的特点 2 4 冶勒水电站防渗墙廊道围岩地质条件 2 4 1 冶勒水电站工程地质概况 冶勒水电站位于四川省凉山州冕宁县和雅安地区石棉县境内的南桠河 上 为南桠河梯级开发的龙头水库工程 大坝高1 2 5 5 米 长4 l l 米 坝顶 宽1 4 米 底宽8 0 0 米 坝型为沥青混凝土心墙堆石坝 坝体防渗系统采用沥 青混凝土心墙 混凝土防渗墙和帷幕灌浆相结合方式 坝址位于川滇南北构造带北段 为安宁河断裂带和小金河断裂带所切割 的冶勒断块上 冶勒断块呈南北向条块状展布 东西宽1 l 2 0 k m 在早更新 亟堡望三奎堂堡主堂垡笙苎一 世 晚更新世受到安宁河断裂带影响 其东盘相对抬升 西盘局部断陷形成冶 勒单侧盆地 堆积了一套巨厚的冰水 河湖相沉积层 坝体即位于其上 坝址 区左岸山形陡峭 山体雄厚 右岸则呈现出深切峡谷 山形较单薄 冶勒水电站坝址地处冶勒单侧盆地北东侧边缘的由第四纪中 上更新统 弱胶结卵砾石层 粉质壤土层 块碎石夹硬质土等五大岩组构成的峡谷中 覆盖层最大厚度超过4 2 0 米 该套地层属冰水一河湖相沉积层 具有不同程 度的泥钙质胶结和超固结压密特征 力学强度和变形指标较高 且岩性 岩 相及厚度变化较大 地质条件及其复杂 地层总体走向n 6 5 0 8 0 0 w 倾向s w 倾角5 0 1 2 0 由衙地边缘向中心缓倾斜 根据沉积环境 岩性组合及工程特 征自下而上 由老至新 分成五大岩组 第一岩组 q 2 i 为弱胶结卵砾石层 第二岩组 q 3 l i 为褐黄 灰绿色块碎状碎石土夹硬质粘性土层 第三岩组 q 3 为弱胶结卵石与粉质壤土互层 第四岩组 q 3 1 v 为弱胶结卵砾石层 第 五岩组 q 3 v 为粉质壤土 粉质砂壤土夹炭化植物碎屑层 其中 第一 三 四岩组之弱胶结卵砾石层为中等透水层 第二岩组块碎石土和第三 五岩组 之粉质壤土为相对隔水层 并以第二岩组为界 形成两大含水系统 即由下 部第一岩组透水卵砾石层构成的深层承压含水层 上部由第三岩组透水卵砾 石层和粉质壤土层分别组成浅层承压含水层与相对隔水层 大坝建在第二 三 四岩组上 且以下伏隔水性能较好的第二岩组作为防渗依托 地基防渗 采用防渗墙与帷幕灌浆联合防渗处理 其中防渗墙深度为1 4 0 米 厚1 o 1 2 米 国内尚无先例 国际也是少有的 工程区地处中国南北地震带中南段 由强震活动向弱震活动的过渡地区 工程场地地震基本烈度为v i i i 级 大坝设计防震烈度为i x 级 坝址范围内 未发现大的断裂构造切割 无明显的新构造活动迹象 地下水受周边地下水 和地表迳流补给 地下水丰富 主要以承压水分布 地下水对洞室围岩稳定 具有较大影响 隧洞开挖需注意防排水工作 l5 1 2 4 2 防渗墙廊道围岩地质条件 防渗墙廊道位于坝址右岸的上更新统第三岩组 q 3 属弱胶结卵石与 粉质壤土互层 总厚4 6 1 4 0 米不等 地层为坝基的主要持力层 同时也为坝 基下部防渗处理的主要层位 地层具有 软岩 极软岩 特征 对隧道成洞稳 定影响较大 其中弱胶结卵砾石成分复杂 主要由大理岩 玄武岩 闪长岩 花岗岩等组成 粒径以2 6 c m 居多 圆 次圆状 砂角砾充填 泥钙质孔隙 式弱胶结为主 存在溶蚀小孑l 洞现象 弱胶结卵砾石层具有一定含水 透水 武汉理工大学硕士学位论文 性 并构成坝基浅层承压含水层 具有层次多 埋藏浅 水头低等特点 粉 质壤土呈青灰 浅灰色薄层状 其间夹数层炭化植物碎屑层或粉质砂壤土 含砾粉质壤土透镜体 在空间分布上由盆地边缘向中心具有厚度增大 层次 增多的趋势 该层厚0 2 4 米 粉质壤土呈超固结微胶结状态 透水性弱 具 有相对隔水性能 是坝基浅层承压水之相对隔水层 但粉质壤土遇水 扰动 易软化 泥化 力学强度急剧降低 地下水属浅层承压水 补给位置较高 流量稳定 隧道开挖后 地下水 活动会带给隧道围岩稳定极不利的影响i l 防渗墙廊道地质剖面见图2 4 1 所示 一 防j 参墙廓递 一 二 二暑 j j 二一 旦 一 二一j 图例 一 一一一一一一 匿ee巨 口 堆 t9qm 橱t 0 iv gr 9 i tq l l t 表 皂m 抽q 月 砂月i j i e j 图2 4 1防渗墙廊道地质剖面图 2 5 冶勒水电站防渗墙廊道围岩物理力学性质 2 5 1 防渗墙廊道围岩物理性质 第三岩组颗粒组成可分为粗 细粒土两大类 粗粒土以卵 碎 砾石为 主 其含量平均占6 4 0 o 7 5 千密度平均为2 1 l 2 3 2 9 e r a 3 孔隙比0 2 1 0 2 6 属宽级配密实的卵 碎 石混合土类 细粒土以粉质壤土为主 其在长期地 质历史时期里受到较大的先期固结压力 达到了较高的固结程度 颗粒组成 以粉粒为主 含量占5 0 6 3 干密度1 7 8 2 0 8 9 e r a 3 孔隙比0 8 4 0 5 4 土质均匀 空隙小 结构紧密 通过现场原位测试和室内试验 防渗墙廊道围岩物理性质指标建议值如 表2 5 1 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 表2 5 1 围岩物理往质指标建议表 天然状态镌理性搓标 含水量干密度比重孔隙比 岩性密度 p u p d o s e g e m g 趣m 3 弱胶结卵砾石层 9 9 42 4 22 2 02 7 7 o 2 6 粉质壤土层 1 4 8 62 0 51 7 8 2 7 50 5 4 2 5 2 防渗墙廊道隧道围岩力学特性 在勘察设计阶段 设计单位在现场进行了部分力学试验 对弱胶结卵砾 石艨作垂煮向和水平向荷载试验 当水平向荷载试验比例界限荷载 p 2 1 m p a 褶对沉降量s 3 o g m m 变形模藿e 1 3 3 5 8 m p a 当垂直向荷载 试验毙铡界限蘅载p 2 5 m p a 相对流降量s 4 0 1 m m 变形模燮 e 1 4 0 3 6 m p a 对弱黢缕露虿屡作天然会表攫状态下的困绪铗夔试验 得出 c 0 3 5 m p a 书 4 1 9 8 对粉质壤土鼷 乍囊壹囱魏水平肉萄载试验 当水 平向荷裁试验比例界限待载p i 4 m p a 相对沉降量s 3 6 8 m m 变形模量 e 2 1 1 3 0 8 m p a 当垂直向荷载试验比例界限荷载p 2 6 m p a 相对沉降量 s 6 0 6 r a m 变形模量e 1 3 0 1 3 m p a 对粉质壤土层作天然含水量状念下的固 结侠剪试验 得出c o 1 2 m p a 币 3 5 1 8 通j 蕊现场琢经铡试和室内试验 我们得国防渗墙癣道萄者力学成栗指称 建议毽懿表2 5 2 2 5 3 2 6 防渗墙癣道围岩类剐确定 冶勒电站防渗墙廊邋围岩由弱胶结砂卵砾石层葶n 粉质壤土层鳃成 其单 轴抗压强度 小于5 m p a 较低 属低强度软岩 且粉质壤土层遇水软化 泥化 力学强度急居0 降低 弱胶结砂卵石层在隧洞掘进后无支护情况下 在 二次应力作髑下釜片层袄冒落 说明其抗工程力能力较弱 隧洞开挖后必须 及时进行支护 这些都说臻的本隧道蠢者符会软岩的特征 我们根据水利水 瞧她下工程图老她质分类标准 将冀霉卷定为v 类 属 较岩 极软岩 范 畴 根据设计资誊斗 防渗墙廊道开挖额蕊为城f 1 形 叛甏尺寸为8 a m 8 9 m 宽 商 本隧洞施工属于冶勒电站重点工程 是影晌大坝臃渗系统能否成 功实施的关键a 在此软弱围岩条件下掘进较大跨度的隧洞 霈重点考虑其洞 室围岩的稳定问题 根据以往工程经验 本隧道开挖后 必须进行加强支护 武汉理工大学硕士学位论文 因围岩的自稳时间极短 必要时还需进行超前支护以防止围岩失稳 掘进前 须进行超前勘探 进行地质预报工作 了解引起隧道围岩不稳定的因素 为 此 我们必须了解围岩变形破坏原因和规律 才能制定相应的支护措施 岩体力学参数建议值 参考指标 围岩 岩体声波变形模量 岩体抗剪断 泊桑比单位弹性抗坚固系 纵波速度 e o u 力系数 数 类别 蟾巾 c m 7 s 1 0 p am p am p 副c m iv 类 2 0 0 0 o 3 5 5 1 o 表2 6 2 围岩抗剪强度试验成果表 现场原位试验室内试验 大剪直剪 天然含水量状态饱和状态 岩性饱和固结快剪饱和快剪 不同结快剪固结快剪固结快剪 c由c中c巾c中c巾 m p a 度 m p a 度 m p a 度 m p a 度 m p a 度 弱胶结 o 3 54 1 9 8 卵石层 粉质 o 1 33 46o 1 23 5 1 8o 1 2 53 3 2 70 0 4 73 9 1 4o 0 6 93 4 8 3 壤土 说明 本表中数值为算术平均值 防渗墙廊道施工中应注意的主要问题有 1 围岩地下水活动强烈 均为水头较高 流量稳定 补给丰富的承压 水 且受地表水的供给 隧洞开挖后 常有较大涌水量 引起隧洞塌方 施 工时应特别注意雨季掘进施工 做好防排水工作 防止地下水突涌造成隧道 塌方事故 2 粉质壤土遇水软化 泥化强度急剧降低 围岩极易变形垮塌 施工 时应注意粉质壤土层的排水工作 3 粉质壤土和砂卵砾石互层围岩 因两种岩层强度不一 存在明显的 层状结构效应 施工中应注意采用适当支护措施 消除结构效应 4 弱胶结砂卵砾石层自稳时间极短 应做好超前支护 注浆等 工作 5 围岩自稳时间短 变形强烈 支护应采取承载力较强的支护结构 第三章软岩隧道失稳原因及变形破坏的力学机制 3 1 影响软岩隧道的稳定因素 软岩隧道的稳定依生产领域及使用要求的不同 可能有完全不同的概念 如永久性公路 铁路隧道 厂房等要求隧道围岩只允许产生微小的位移 否 则就影响隧道的使用功能 而矿山等临时性隧道则只需满足运行期间的安全 即可 一般来讲可将软岩隧道的稳定定义为 不产生围岩破坏或过大变形而 妨碍隧道生产使用和安全 隧道即为稳定 软岩隧道的稳定性主要视岩体的 强度及变形特征与开挖后重新分布的围岩应力这二者互相作用的结果而定 前者强于后者则稳定 否则 围岩失稳 一般情况下 软岩隧道的稳定受地质及地质结构 地应力 岩体力学性 质 工程因素 地下水及时间条件等的约束 1 6 2 1 j 3 1 1 地质及地质结构对软岩隧道稳定的影响 1 岩性 研究地下工程时 首先应知道围岩类型及岩性分布状况 岩性的认识可 定性的判断将面临的什么类型的岩石力学问题 岩性的种类认识可知岩石的 力学性质和各向异性程度 甚至可判断出会产生一些与自然特征相关的不稳 定因素 如强度较高硬岩 新鲜火成岩 厚层沉积岩等 一般变形较小 地 层压力较小 而强度较低软岩 薄层沉积岩和部分变质岩 其变形量较大 地层压力较小 灰岩或盐岩可能有岩溶或地下水突涌问题 2 岩体结构及裂隙分布 在地质构造运动中形成的结构面 一般情况下 其强度远低与母岩 岩 体的强度往往受结构面强度控制 裂