隧道埋深划分.pdf

第1 1卷第4期 2 0 0 0年1 2月 中国地质灾害与防治学报 T h eC h i n e s eJ o u r n a l o f G e o l o g i c a l Ha z a r da n dC o n t r o l Vo l 1 1 No 4 D e c 2 0 0 0 收稿日期 1 9 9 9 1 0 2 0 修回日期 2 0 0 0 0 3 1 5 作者简介 徐则民 1 9 6 4 男 博士后 桥梁与隧道工程 专业 研究方向为铁路地质灾害 文章编号 1 0 0 3 8 0 3 5 2 0 0 0 0 4 0 0 0 5 0 6 隧道的埋深划分 徐则民 黄润秋 王士天 成都理工学院工程地质研究所 四川 成都6 1 0 0 5 9 摘要 随着大埋深特长山岭隧道的日益增多 过去关于隧道埋深的划分显得过于粗糙 有必要进行更详细的分类 隧 道按埋深分类应考虑的主要因素之一是围岩的变形破坏方式 而后者与围岩的初始应力状态密切相关 大多数山脉 的初始地应力架构基本类似 即 Hma x Hmi n分别与山脉走向垂直和平行 v Hmi n随标高的变化而变化 鉴于大多 数长隧道都与山脉走向垂直 根据 v Hmi n 围岩变形方式 变形破坏位置及围岩自承能力等 将隧道划分为浅埋隧 道 深埋隧道和超深隧道三大类 它们的临界深度分别为 2 2 5 hq和5 0 0m 关键词 隧道分类 初始应力状态 浅埋隧道 深埋隧道 超深隧道 中图分类号 U4 5 1 2 文献标识码 A 1 引言 我国经典的隧道工程著作 1 4 根据埋深将隧道 划分为深埋隧道和浅埋隧道两大类 现行的铁路隧道 设计规范 5 和公路隧道设计规范在计算围岩压力时 也都采用该划分方案 深埋隧道和浅埋隧道的临界深 度 h q 以隧道顶部盖层能否形成压力拱 自然拱 为 原则确定的 因此 不同类别围岩的分界深度是不一 样的 一般采用塌方平均高度 3 h q 表1 的2 2 5 倍 表1各类围岩塌方高度平均值 T a b l e1 A v e r a g ec o l l a p s eh e i g h t o fd i f f e r e n t w a l l r o c k 围岩类别 临界深度h q m 0 61 22 34 71 0 01 9 1 5 根据上述方案 对于山岭隧道 埋深超过5 0m 保守的估计是1 0 0m 的隧道基本上都可以划分为 深埋隧道 我 国 在 1 9 8 0年 以 前 就 已 经 建 成 最 大 埋 深 达 1 6 5 0m的成昆线关村坝隧道 1 9 8 0年以后 修建的 隧道越来越多 长度也越来越大 山岭隧道长度的增 大 必然引起埋深增大 埋深数1 0 0m的隧道已经司 空见惯 最大埋深超过1 0 0 0m的隧道越来越多 目 前世界上隧道的最大埋深已经接近3 0 0 0m 如锦屏 电站引水隧道最大埋深2 5 0 0m 西康线秦岭隧道最 大埋深1 6 0 0m 隧道埋深增大同时 也出现了与此有 关的岩爆 软岩大变形 高地温 高压涌水等与隧道 论证 设计及施工等密切相关的问题 尽管这些问题 如岩爆 在埋深数1 0m的隧道中也有发生 但主要 还是出现在埋深大于数1 0 0m的洞段 而且具有埋 深越大 发生几率越高的趋势 将埋深数1 0m和数 1 0 0m甚至上1 0 0 0m的隧道同归于深埋隧道 显然 是不合适的 近年来 深埋隧道 一词被广泛采 用 6 8 而且似乎已经被赋予了新的含义 但并未明 确其临界深度 文献 9 指出 隧道埋深大于5 0 0m 可称为深埋隧道 但这与现行划分方案相冲突 因此 从某种意义上来说 以往的深 浅埋隧道划 分方案线条过粗 对隧道 特别是长大隧道的设计 施 工缺乏更明确的指导意义 有必要考虑新的划分方案 2 山体初始地应力状态及隧道轴线方 向选择 隧道埋深划分要考虑的最主要因素之一是围岩 稳定性 1 2 1 4 1 5 而岩体初始应力状态是与其密切相 关的重要问题之一 尽管关于地壳深部应力状态的研 究已经有很长的历史 也积累了比较多的资料 但是 真正能为山岭隧道设计所利用的并不多 第一 这些 研究主要是为地震 地热 采矿 石油及水电工程等 目的而进行的 从海拔来说 一般都是以标高不大的 河谷 沉积盆地 古老结晶岩地质等部位为零点向深 部进行的 图1 很少是在高山上进行的 第二 对 于长隧道和特长山岭隧道 从隧底到山顶的垂直高度 埋深 一般都在数1 0 0m至1 0 0 0m以上 G o t t h a r d 隧道已经达到2 5 0 0m 隧道设计所要了解的是从山 顶到隧道轴线下方一定范围内的初始应力分布 图 1 因此 一般不能用传统的地应力资料来推断高耸 山体内地应力初始状态的垂向变化 图1传统地应力研究的深度范围 F i g 1 D e p t hr a n g eo fg e o s t r e s sf o rt r a d i t i o n a l r e s e a r c h e s 从总体上来说 延长较远的线状山脉一般都是大 地构造学所称的挤压褶皱带 它们形成的真三轴应力 状态一般为 1 2 3 其中最大主压应力垂直于山 脉走向 中间主应力与山脉走向一致 最小主应力为 铅直方向 如秦岭山脉近东西向延伸 现今测得的最 大主应力方向为N1 0 W 拟建的渝怀线将要穿越的 圆梁山山脉总体走向为N2 0 3 0 E 现今测得的最 大主应力方向为N5 2 6 1 W 地应力场是构造应力场与自重应力场叠加的产 物 而山脉又是地壳上应力集中最为强烈的区域之 一 因此 山岭隧道围岩的初始地应力分析应该综合 考虑构造应力场和自重应力场 山脉在褶皱隆起以 后 经历的最大变化就是侧向卸荷和风化剥蚀作用 这种作用一般是从表面向山体内部缓慢进行的 进行 的程度与山体的隆升高度和山体的宽度有关 高耸的 单薄分水岭进行得快 而宽厚山体则进行得慢 上述 过程的结果是使岩体内积蓄的构造应力得以释放 山 体表面一定范围内的应力场由以构造为主转化为以 自重应力为主 在以自重应力场为主的部分 最大水平主应力 Hma x 最 小水平主应力 Hmi n 和 垂 直 主 应 力 v 三个应力分量一般具有 Hma x v Hmi n或 v Hma x Hmi n的关系 在山体内部 特别是局部侵蚀基 准面附近及其以下仍以构造应力为主 为 Hma x Hmi n v 山岭隧道 特别是长 特长隧道的轴线基本上都 是与山体走向垂直或近于垂直的 如西康线秦岭隧道 及拟建的渝怀线圆梁山隧道等 本文对隧道埋深的划 分即以隧道轴线 大致 垂直山脉走向为前提进行的 尽管有些学者提出隧道轴线应与最大主应力方向有 一定夹角 但总体上看 尽量使之与山脉走向垂直是 合理的 第一 可以使隧道长度达到最小 第二 有利于 围岩稳定 一般说来 作用于隧道洞壁上的切向应力 往往达到数1 0至1 0 0余个MP a 越小 越有利于围 岩稳定 隧道轴线垂直山体走向 图2 也就相当于 与 Hma x平行或小角度相交 这将会避免 Hma x分解为 切向应力或降低它对切向应力的贡献 川藏线二郎山 隧道较为强烈的边墙岩爆及片帮可能就与隧道轴线 与 Hma x交角较大 2 3 4 6 1 3 有关 第三 可以简 化计算 图2隧道轴线与最大水平主应力方向的关系 F g i 2 R e l a t i o nb e t w e e nt u n n e l d i r e c t i o na n d d i r e c t i o no fma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s 图3南昆线家竹箐隧道略图 F i g 3 S k e t c hf o rJ i a z h u q i n gt u n n e l i nN a n k u nR a i l w a y 6 中国地质灾害与防治学报 Z HONG G UOD I Z HI Z AI HAI YU F ANG Z HI X UE B AO2 0 0 0年 当受到地形 线路总体展布及山体经历构造运动 的复杂性的影响 而无法保证隧道轴线与 Hma x平行 而且交角较大时 图2 必须对由于 Hma x分解出的 垂直隧道轴线方向的分力可能引起的围岩稳定性问 题给予高度重视 南昆线家竹箐隧道位于盘县向斜南 段的东翼 向斜轴总体为北东向 但在隧道附近转为 北西向 隧道恰好位于向斜轴转向部位的局部应力场 内 Hma x应与隧道轴线近于正交 这对于隧道围岩稳 定性来说是很不利的 图3 隧道开挖后 从I D K5 7 9 1 7 0到I D K5 7 9 5 6 0 长达3 9 0m的煤系地层洞段 发生了罕见的软岩大变形 拱顶 边墙和隧底同时收 敛 拱顶一般下沉6 0 8 0c m 最大为1 6 0c m 隧底 隆起一般为8 0c m 最大达到1 0 0c m 边墙一般侧鼓 1 0 0c m 最大达到2 4 0c m 这种边墙收敛幅度明显大 于拱顶和隧底的变形现象应该是隧道横断面上经受 不均匀挤压的结果 在平导内测定的隧道附近围岩的 初始应力状态见表2 该结果和前述的构造格局分析 及隧道变形情况是吻合的 表2家竹箐隧道地应力状态 据王科 1 9 8 8 T a b l e2 G e o s t r e s ss t a t eo fw a l l r o c ko fJ i a z h u q i n gt u n n e l Af t e rWa n gKe 1 9 9 8 主应力 MP a 方位 倾角 应力分量 MP a 1 9 6 2N7 5 8 E2 6 7 x 8 3 4 7 8 8S 5 1 E1 7 6 y 1 6 0 9 5 4 8S 6 6 4 E 5 7 6 z 8 5 7 该大变形的整治不仅给隧道施工造成了严重损 失 而且影响了工期 如果设计论证阶段能够对隧道 轴线与 Hma x的关系及软岩大变形本身有比较充分的 认识 将隧道略向北东方向平移一定距离 至少可以 在一定程度上 缓解变形程度 降低损失 金川镍矿二矿区1 2 5 0m水平巷道轴线方向与 最 大主应力方向夹角接近6 0 最大主应力为3 0 MP a 隧道在经过片麻岩和石墨绿泥片岩地段时 片 帮冒顶频繁 顶部塌方高度达到7 8m 施工极为困 难 基于上述情况 在修建1 2 0 0m水平巷道时 在 片麻岩和石墨绿泥片岩地段 将巷道方向调整到接近 最大主应力方向 施工比较顺利地通过了该段 4 3 划分方案 本文在尊重既有划分方案的基础上 从岩体初始地 应力特征 围岩压力及围岩稳定性的角度将硬岩隧道划 分为浅埋隧道 深埋隧道和超深隧道三大类 表3 表3硬岩隧道埋深划分方案 T a b l e3 C l a s s i f i c a t i o ns c h e mef o rt u n n e l si nh a r dr o c k ma s sf r o m t h ev i e wp o i n t o fd e p t h 浅埋隧道深埋隧道超深隧道 深度范围 m 2 3 hq 2 3 hq 5 0 0m 5 0 0m 3 1 浅埋隧道 围岩为地表以下一定深度范围内由原岩风化形 成的坡积层或强风化壳 主要是 类围岩和部分 裂隙发育 结构面风化强烈的节理化岩体构成的 类 围岩 初始地应力场为典型的自重应力场 v Hma x及 Hmi n具有如下关系 v Hma x Hmi n 围岩对开挖过 程的反应方式是坍塌 冒顶 地表出现线状塌陷 围 岩压力计算与结构设计可以采用应力传递原则或太 沙基理论 结论主要承受上覆围岩自重 围岩自承能 力差或无自承能力 浅埋隧道与深埋隧道的临界深度仍然采用既有 方 案 即 2 2 5 hq 这主要是基于两点考虑 1 长期以来 我国的教材 规范一直采用该方案 而且涉及围岩压力计算 衬砌结构及施工方案设计等 众多问题 不宜进行大的改动 2 埋深几1 0m的 浅埋隧道和能够形成自然拱的深埋隧道之间 在围岩 破坏形式 支护方式等方面的确有很大不同 如有些 埋深5 0 1 0 0m的隧道 洞段 不仅围岩能够自承 而且岩爆强烈 将其划分为浅埋隧道是不合适的 尽管浅埋隧道与深埋隧道的临界深度是随围岩 类别的变化而变化 但是它们的区别是明显的 3 2 深埋隧道 3 2 1 围岩基本上属于山体卸荷范围内的弱风化岩 体或新鲜岩体 初始应力场由自重应力场和构造应力 场叠加而成 3 2 2 Hma x与隧道轴线基本平行或小角度相交 v Hmi n与隧道轴线垂直 三者一般具有下关系 Hma x v Hmi n 图4 5 6 7 8 3 2 3 随着埋深增大 v Hmi n减小 并趋于1 3 2 4 围岩对开挖卸荷过程的反应 硬岩主要表现 为岩爆和片帮 软岩则表现为塑性收敛 如果支护不 及时或支护不合理 可能会由于围岩的渐进屈服和多 序次屈服 引起所谓的 软岩大变形 当开挖断面 比较大 节理比较发育时 可能存在较大岩块的塌落 这里主要讨论岩爆 7 第4期徐则民等 隧道的埋深划分 图4深埋隧道周围的非均布初始应力场 F i g 4 T h eh e t e r o g e n o u sd i s t r i b u t e dp r i ma r ys t r e s s f i e l da r o u n dd e e p l y i n gt u n n e l 图5秦岭隧道秦钻5孔地应力 深度曲线 原始数据引自文献 1 2 F i g 5 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eQ i n z u a n5 i nQ i n l i n gt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 7 岩爆一般可以描述为 开挖引起隧道周围一定范 围内的应力重分布 当洞壁及其附近形成的切向应力 超过岩体强度时 岩体发生屈服时的一种正常现象 其具体表现形式主要是岩块 片 的爆裂弹射和抛掷 从力学性质上看 岩爆是在 1 2 3 且 2 3 4 的真三轴条件下 岩体发生拉破坏或拉剪破坏的产 物 深埋隧道岩爆发生部位与隧道埋深和 v Hmi n大 小有关 当隧道绝对埋深较小 特别是埋深小于2 0 0 m v Hmi n较大时 岩爆几乎全部发生在拱顶或拱肩 随着埋深增大和 v Hmi n的减小 边墙开始出现岩爆 并逐渐波及到边墙底部 个别情况下 隧底也会出现 岩爆 西康铁路秦岭特长隧道 线平导进口端和天生 图6二郎山隧道C Z K2孔地应力 深度曲线 原始数据引自文献 1 3 F i g 6 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eC Z K2i n E r l a n g s h a nt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 9 图6二郎山隧道C Z K3孔地应力 深度曲线 原始数据引自文献 1 3 F i g 7 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eC Z K3i n E r l a n g s h a nt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 9 桥二级水电站 号引水隧道的岩爆发育情况 9 1 1 证 实了上述推论 3 2 5 围岩压力计算 对于大多数新鲜围岩 应该 采 用 基 于 弹 塑 性 理 论 的 F e n n e r公 式 或C a q u o t Ke r i s e l公式 但当 v Hmi n v v Hmi n 1或 Hmi n v 1 图6 7 8 3 3 3 随着埋深增大 Hmi n v增大 3 3 4 围岩对开挖卸荷过程的主要反应仍然是岩 爆 岩爆在隧道横断面上的发生部位随深度增加 一 般应具有以下变化规律 边墙岩爆 拱顶岩爆 环向岩爆 边墙岩爆 拱顶岩爆 隧底岩爆 边墙岩爆为主 拱顶岩爆为辅 埋深大于5 0 0m时 边墙岩爆与拱顶岩爆同时 发生的例子除了秦岭隧道和天生桥电站引水隧道外 还有川藏公路二郎山隧道 该隧道斜穿由志留系 泥 盆系砂岩 泥岩及白云岩等构成的一个单斜山 隧道 长4 1 6 1k m 最大埋深7 6 0m 施工期间在山体中部 近2k m的路段发生了以松脱剥离为主的岩爆 个别 部位有岩块弹射现象 主要岩爆地段埋深5 0 0 7 6 0 m 岩爆在两侧边墙及拱顶出现的几率基本相同 1 3 甚至边墙岩爆要比拱顶岩爆还普遍些 二郎山隧道边 墙普遍发生岩爆 除与 Hmi n量级较高外 还与隧道轴 线与 Hma x交角过大有一定关系 环向岩爆的典型例子是天生桥引水隧道 需要指 出的是 对于松弛 脱落而非弹射型的岩爆 相对于 边墙和拱顶 隧底即使发生也不易于被发现 特别是 岩块较小时 因此 环向 隧底 岩爆的实际发生情 况应该比文献报道的要多些 3 3 5 围岩压力计算应该采用基于围岩弹塑性变形 的塑性松动圈理论 4 结语 随着特长山岭隧道的日益增多 隧道的绝对埋深 越来越大 与隧道大埋深有关的问题也越来越多 因 此 完善既有的粗线条隧道埋深划分方案是必要的 大 型山脉初始应力状态的架构基本类似 即 Hma x Hmi n分别与山脉走向垂直和平行 山脉由于隆 起卸荷等自然过程 其地应力状态在垂直方向具有一 定的变化 对隧道的影响最大的应该是 v与 Hmi n的 比值 根据围岩初始应力状态 围岩变形破坏方式 山 岭隧道可以划分为浅埋隧道 深埋隧道和超深隧道三 大类 它们的分解深度分别为 2 2 5 h q和5 0 0m 应该说 隧道的埋深划分是一个与设计 施工密 切相关的复杂问题 本文仅仅是提出了对这一问题的 一些初步设想 在分类中是否应该更详尽地考虑岩石 类型 结构面影响 地温等 还有待于进一步探讨 希望引起大家的共鸣 不足之处 不吝赐教 参考文献 1 钟桂彤 铁路隧道 M 北京 中国铁道出版社 1 9 9 6 2 陈豪雄 隧道工程 M 北京 中国铁道出版社 1 9 9 5 3 铁道部第二勘测设计院 铁路隧道设计规范 T B T3 9 6 S 北京 中国铁道出版社 1 9 9 8 4 铁道部第二勘测设计院 铁路工程设计技术手册 隧 道 S 北京 中国铁道出版社 1 9 9 5 5 铁道部第二勘测设计院 铁路隧道设计规范 T B T3 9 6 S 北京 中国铁道出版社 1 9 9 8 6 吴江敏 等 深埋高地应力地区隧道支护衬砌结构形 式及受力特点的研究 A 铁路工程建设科技动态报 告文集 铁路隧道及地下工程 C 成都 西南交 通大学出版社 1 9 9 5 1 8 9 7 陈荷友 毛宾 深埋高温的秦岭隧道中掘进机刀具工 作特性的研究 A 铁路工程建设科技动态报告文集 铁路隧道及地下工程 C 成都 西南交通大学 出版社 1 9 9 5 8 1 8 阳友奎 深埋硬岩隧道的岩石力学问题及其设计对策 A 铁路工程建设科技动态报告文集 铁路隧道及 地下工程 C 成都 西南交通大学出版社 1 9 9 5 1 7 8 9 第4期徐则民等 隧道的埋深划分 9 王贤能 深埋隧道工程水 热 力作用的基本原理及其 灾害地质效应研究 D 成都理工学院博士论文 1 9 9 8 1 0 刘正雄 等 对秦岭隧道进口端 线平导岩爆现象浅 析 A 铁路工程建设科技动态报告文集 铁路隧 道及地下工程 C 成都 西南交通大学出版社 1 9 9 5 1 6 6 1 1 司军平 等 对秦岭 线平导进口端岩爆的几点认识 J 世界隧道 1 9 9 8 2 5 7 6 0 1 2 黄涛 渗流场与应力场耦合环境下裂隙围岩型隧道涌 水量预测的研究 D 西南交通大学博士学位论文 1 9 9 7 1 3 徐林生 川藏公