褶皱地区隧道选址选线问题的

褶皱地区隧道选址选线问题的研究xxx（34）土木工程与力学2008级地质工程1班【摘要】随着国民经济的的高速发展，我国兴建了一批靠水平、高质量的大型基础工程，为国民的事业的发展及民众生产和生活带来了极大方便。其中隧道就是道路工程中的重要一部分，而隧道选址的研究就有很重要的意义。下面就具体讨论一下褶皱地区隧道的选址问题，隧道的建设需要良好的工程地质条件，但是褶皱地区的不同部位有不同的工程地质特性，如在向斜、背斜、两翼地区的选址，它们受岩性、地应力、水文地质条件等的影响而选取比较良好的褶曲部位进行开挖，因此这些也就成为隧道线路选择的重要因素。下面对此进行具体的阐述。【关键词】褶皱；应力；地下水；选址一：引言修建地下工程，开发利用地下空间被认为是人类解决其生存发展空间的重大问题之一。现代社会随着人口的增长、技术的革新及经济的发展，使得地下工程的建设成为可能，并且越来越迫切修建大型且高水平的地下工程。然而随着人类改造自然的能力在不断增强，国内外均有人认为隧道工程的建设将是21世纪的重要工作之一。我国是一个多山的国家，2/3的国土由不同类型的山脉、高原组成，而西部地区更是山峦叠嶂，尤其是青藏高原及周边的大部分地区。因此，大量的深埋长大隧道是上述基础设施建设所必需的，甚至成为主要的控制性工程。青藏高原的强烈隆升，使得我国西部地区工程地质环境非常复杂和特殊，工程地质条件差，地质灾害频发。对于该地区的高速公路、铁路隧道而言，必将穿越不同时代的地层、不同的地形地貌单元以及各种规模和性质的断层破碎带及其复杂的褶曲构造带，遇到众多的不良地质体，处于不同的地应力场、渗流场和温度场环境，而且地下地质环境因素具有较大的不可预知性和复杂多变特征，因此隧道修建过程中会遇到各种各样的复杂难题，所以研究隧道工程在褶曲构造地质条件下的选线问题具有重大意义和作用。1.1褶曲构造地区选址问题的研究意义褶皱构造是组成地壳的岩层受构造力的强烈作用，使岩层形成一系列波状弯曲而未丧失其连续性的构造，它是岩层产生的塑性变形，其形状如图1—1。绝大多数褶皱是在水平挤压力作用下形成的，但也有少数是在垂直力或力偶作用下形成的。褶皱在层状岩层中最明显，在块状岩体中则很难见到。在构造较为活跃的地区由于内动力地质作用而形成严重的破碎，亦或形成弯曲较大的褶皱。因此根据不同的岩性、构造、地区等进行区分研究会有不同的结果及发现。图1—1褶曲构造地下工程、隧道的开发和使用有几千年的历史，但是有极大的局限性。然而随着技术的革新和生产的发展，近些年来隧道和地下工程的建设、勘察设计和研究有了十足的发展。并且形成了许多理论和经验，为以后的工程建设、发展奠定良好的基础。但是由于对地质条件的认识及地质条件的复杂性和多变性，人们对它的研究还很有限，对其认识还很模糊，很多认识都停留在以经验为主的水平上，对人力物力的消耗都较大，对新技术不能及时利用。对此问题的研究可以为隧道的勘察及设计提供一些参考资料并积累实践经验。此外，由于隧道建设地质条件的复杂性和不可预见性，其建筑风险比地面工程大，使得地质勘测对隧道选线极为重要，还与资源预算有极大的关系。所以，对此问题的研究可以减少成本、降低风险、保证质量，确保工程的安全性和工程的顺利进行。总之，对褶曲构造地区选址问题的研究有极其重要科研价值和工程价值。1.2褶曲构造地区隧道选址问题研究现状然而，褶曲构造地区隧道选址问题的研究现在还存在很大的争议，很多著名专家及学者经过对以往经验及前辈结论的总结及研究，而得到不同甚至是相反的结论。如：=1\*GB3①贺少辉.地下工程[M].北京清华大学出版社.北京交通大学出版这本教材上的结论是背斜最好，翼部次之，向斜最差，这一结论得到许多人的赞同。=2\*GB3②蒋爵光.西南交通大学.隧道工程地质[M].中国铁道出版社.1991一书中作者认为隧道通过褶曲构造时通过背斜要比通过向斜好，这一观点和贺少辉所提出的观点相同，也是目前国内研究这一问题的最高成就，得到了大多数人的赞同。除此之外，也有部分被学者认为隧道通过褶曲构造的两翼最好，背斜次之，向斜最差。总之，到目前为止这一问题的研究还没有达成共识，有一定的研究价值和科研价值，因此给我们留下了很大的研究空间，只要我们利用前人的经验，不断地实践研究总结就一定会得到一个科学而又客观的使人信服结论。二：褶曲构造地区隧道线路选择由于我国多山及高原，地形复杂，人口众多，幅员辽阔，公路及铁路大多都要通过山区，正确的选择隧道线路可以使线路牌平缓顺直，病害少，维修简单，缩短线路，节省运输时间，并且还能最大限度地减少道路建设对自然环境的破坏和建设资金。道路隧道应该设计为永久性的构筑物，这样隧道选线就非常重要，尤其在隧道经过褶曲构造带、断裂带、岩性软弱带时一定要做到安全、经济。以下内容主要对褶曲构造进行论述。隧道通过褶曲构造时有两种情况，一为隧道轴线与褶皱轴线垂直，二为隧道轴线与褶皱轴线平行。在工程建设中，对于不同的地质情况及建设水平和投入的资金，有不同的选线方案。因此，选择最佳的搭配方案，使之适应各种情况。2.1隧道轴线横穿向斜、两翼或背斜地层碧当隧道横柴穿褶皱地流层时（即袖隧道轴线房与褶皱轴礼线垂直时盗），褶皱雅是由向斜额和背斜组桂成的。当诚隧道轴线穗与褶曲轴懒线平行时笔，由于褶阁曲轴部地狱层受到构阿造应力拉抹伸与挤压耻，岩层破慈碎，常形平成洞顶坍消落。=1\*GB3爷①齐隧道轴线搂横穿向斜歇地层时，轨在向斜褶第皱的轴部桑，岩层下只部受拉，四上部受压像，常形成很向下张开拿的扇形裂抱隙，岩层竿被破坏形占成上小下穷大的楔形竭体。如果剧隧道轴线穷与向斜正亡交时，拱特顶易于产血生岩块塌肆落。向斜半构造常是更地下水富堤集处，开滨挖至裂隙故发育的岩谢层时，开炭挖后不仅仙有地下水宗渗漏问题档，也易于李产生岩层仔面塌落现凑象，造成嘱事故。向虎斜的岩层敬向下弯曲历，地下水黑容易在此莫部位集聚梁，且这种岔方向的岩仪层容易发扮生倒塌，贪受力集中陕于中心，熟且同一平吃面上各点喘受力不均调匀。底部纽岩性坚硬涌，不易侵舅蚀，易接你受沉积。撇因此，向减斜岩层地芽质年代较遭老，相对淘于其它部骂位岩层岩请性相应好湾。=2\*GB3伍②致隧道位置谦选择在两蛇翼地层中裳穿越，如仍果中间有城软质岩层章或软弱构画造面贼时恳,贷妹则在顺倾绵向一侧的渡洞壁出现威明显的压控扁现烘象端,胆押甚至会导吵致支撑破丸坏姑,翠门发生局部揉坍塌。翼放部岩层由禾于强烈的刑扭曲，而桨破碎严重星。工程在占褶曲的翼争部遇到的互基本上是箩单斜构造理，一般没可有特殊不龙良的影响溪，但对于流以下两种扣情况，则榨需要根据拉具体情况叫进行分析羡：饮（掠1西）对于深青路堑和高牛边坡来说所，当路线踏垂直岩层粗走向或路久线与岩层安走向平行阀但岩层倾差向与边坡落倾向相反瓣时，对路凳基边坡的印稳定性是勤有利的。兵不利的情馒况是路线屠走向与岩幸层的走向常平行，边挪坡与岩层颜的倾向一散致，尤其盒是边坡的历倾角大于腾岩层的倾困角最为不苦利。持（染2橡）对于隧衔道工程来亿说，在褶悠曲构造的复轴部，岩趟层倾向发的生显着变班化，应力材作用最集炊中，容易蛾遇咽到痰]枯：程地质量问题。例兰如，由于敞岩层破碎慎而产生的茧岩体稳定国问题和向蓄斜轴部地午下水的问除题。一般灿选线从褶炎曲的翼部途通过是比低较有利的怪。=3\*GB3趣③宇一般说来当背斜褶皱躲受拉，岩恳体较松散房，容易塌辩方，当然逝在有些资外料里分析章岩石受拉蠢以后应该纳形秩成悲V掌字型的楔蜂型体，其穗实不尽然摸，因为背烈斜的形成毛不是完全轨按照理论蹄模式发展甲演化的，狗受力方向孝并不是均永一平行的飘，背斜一敲般轴向方译向是多向让的，这样药会使得轴科部的破碎秃情况很复臂杂，背斜明顶部受张支力作用，冶岩性脆弱碑，易被侵茄蚀，在外钟力作用下重形成谷。辣背斜岩层业向上拱起愚，这种拱补形结构有谊利于支撑牵；北斜岩等层向上拱潮起，地下骗水沿岩层狗排走，不墓利于地下吉水集聚，度有利于保浅持遂道的阿干燥走，降祸且因其拱大形结构，塞受力均匀映，隧道、勉铁路等对争地质要求氧较高的工启程多选址辨背斜。其目隧道选址罢位置有如绵下猜3径种，如圈图梨1架—冠2况；灯图惹1颈—郊2戏撇隧道选址踢位置旅累薪泰辫1倚—乎背斜店；滴2踩—颤翼部陵；取3鸣—胳向斜屯2.2糕毁褶皱地区皮选址与岩待性、岩石削、偏压的亭联系摄不同的岩么性有不同速的性质，渐坚硬的岩悄层由于强臭烈的扭曲藏而使岩层杰容易破碎康。软弱岩客层则塑性酸较大，岩依层不易破瞧碎。因此幼，在不同淋的部位对捐隧道的选阁址要因不礼同的岩性相而定。聪对于岩石驼来说，岩线石的力学悟性质一般女是不抗拉唐的，也就少是说岩石立抗拉强度蔑一般是小脚于抗压强鹊度的，所井以在选择斜巷道位置饿时通常不普愿选在受指拉区，褶票曲构造中第向斜部位泊主要为受御压区而背扯斜部位主建要为受拉屿区，中间抖区域位于滩两者之间紧，既有拉纤应力又有腥压应力，拳为防止巷痰道受拉应猛选择偏于变下方的设驴置，应当妇指出的是舰，在选择代巷道位置桑时还要考遗虑岩石的义抗剪强度卧问题。唤所谓偏压饼隧道，就宪是指由于烈种种原因据引起围岩幕压力呈明搬显的不均塌匀性，从盯而使支护严结构受偏睬压荷载的加隧道。根糟据引起偏划压来源的适不同，可岛将偏压隧教道分为：姓地形引起报的偏压、纠地质构造子引起的偏朽压、施工梦原因引起置的偏压，阅其中地形冒偏压隧道锁最为常见起。地形偏螺压和地质贤构造偏压仓的复合作凉用是引起引地表岩体蚀开裂和支扑护结构压踪溃破坏的旨主要原因阴。在隧道勇地形和地停质构造偏跃压已经确土定的情况际下，尽可情能采用合西理的施工录方法和施改工顺序，板可以在一侮定程度上藏减小地形误和地质构弱造偏压对可结构和岩筋体应力和尸变形的影剥响。国内盼对偏压隧笼道的研究悲主要局限园于地形偏荷压隧道。统而对于地塘质构造引冠起的偏压衡，亦开始大引起国内染外学者的宏高度重视趴。但对于翼隧道同时作存在地形材偏压和地主质构造偏诉压的情况豪研究较少屯。由于隧跌道存在明全显的地形较偏压，同帮时受山体偶顺倾单斜胀构造偏压而的影响，谣从而导致煤该段隧道五支护结构瓶压溃破坏逐及山体出链现纵向裂窃缝。籍2.3寻徐褶皱地区艰选址与地随应力的联信系丸褶皱形成缸后撤,吴褶皱核部申的最大水僵平应力比女翼部眉大夹,除翼部的最弦大水平应肤力比背斜榆处览大叫,鲁褶皱构造扒区具有初闸始地应力么场分布的棕非均匀性嘱。岩体内曲应力集中敲程度更彻高箱,废褶皱区具盯有开采后拜局部地应撕力场变化刺的方向性万。纵续褶皱向斜说部分是水窗平应力集奥中归区态,馆采掘时冲沿击危险性储较古高级,版而翼部、巧背斜处的桌冲击危险毯性次之，括褶皱区工叠作面最有乐利的推进到方向应是轻自向斜起笔往背斜方勇向推进。哪一般情况搏下，在褶纯曲的各个厅部位，出逗现的危险等性是不同供的，在褶滋曲向斜部倦分，垂直卖为压力，舞水平为拉矩力，最容懒易出现冒陵顶；褶曲摔翼部分的警应力，垂弊直和水平宜均为压力碰，最易出颂现冲击地卖压；褶曲挺背斜，其露应力状态坚为垂直拉牢力，水平费压力，这抚部分也是秩最大压力幸区域。隧蚕道施工应掀尽可能避馒开最大应喂力区，以淹避免应力坑过于集中谜而产生的等地质灾害霸如岩爆等维。而两翼晒部位则受见到偏压力份的作用。贸褶皱不同纤部位的初秩始地应力昂分布是有吃差异的，丰褶皱这种尺应力场初杨始状态的容变化必将少对巷道开废挖或工作房面开采引迟起的应力悬场变化产缺生影响。考在水平应支力分布肯上泼,泡最大水平籍应力中在存两侧坚硬祝岩层恼中登,臣中间较软营岩层应力燕相对较低芬。中间软桐层背斜和巷向斜部位近都是压应介力旅,吸且向斜核铅部应力比岩翼部拔大溜,射翼部比背天斜处大。垃向斜部分雪是水平应杆力集中竖区烟,盟易积聚大慕量弹性脚能什,档因此在此找部位进行概采掘活动电容，易诱链发岩体内宵弹性能释等放而发生镜冲能击勿,旁而翼部、目背斜的冲绑击危险性帜次之。最佛大水平应碌力是压应扑力多,候主要集中柜在褶皱向华斜、背斜缺内弧的波耕谷和波峰言部位。从怎褶皱向斜赔外弧往背最斜方向咐看将,美最大水平次应力值逐松渐减匀小逼,撑即褶皱核笨部的最大百水平应力辽比翼部储大堤,缩翼部的最养大水平应僚力比背斜耍处大。单漠层褶皱形急成中最大朴水平应力段随水平应唇变的变霜化名,火褶皱构造别区具有初葬始地应力就场分布的烂非均匀性魄。衬2.4回千褶皱地区威选址与地阻下水、渗喷流场的联歉系丘地下水、赚渗流场的魔作用是很咬复杂的，蔑主要表现令在以下几赚个方面：撒（弹1铸）地下水乞、渗流场衫会使岩石询软化或溶别蚀，导致离上覆岩体逮塌陷，进械而发生崩德塌或滑坡惭。顽（戴2城）地下水目、渗流场民产生静水徒压力或动惧水压力，茧促使岩体谷下滑或崩课倒。陪（孔3滴）地下水距、渗流场糠增加了岩夫体重量，而可使下滑挡力增大。拢（偶4抹）在寒冷况地区，渗盼入裂隙中饲的水结冰买，产生膨荡胀压力，毁促使岩体货破坏倾倒授。侍（痒5针）地下水床产生浮托苹力，使岩庙体有效重瓦量减轻，尼稳定性下丑降。地下挠水也往往蜓给工程建浆设带来一泼定的困难羽和危害。袖工程实际乔中，岩体晴它不是个叉塑料，向洲斜也不是黄个发“渔聚水昌盆蜂”赛，相反，虎处于背斜乔轴部的上奴方有条件毕受剥蚀，渴裂隙发育畅严重，特厕别在灰岩假地区，它榜很容易渗告水，如果鲜背斜轴部怀上方有溶载洞是很容喜易蓄水的秋，对工程接影响很强躬烈。相反谎在向斜轴匪部这种情崖况倒偏好钢一些，岩醋体比较完巩整，裂隙枣水发育并住不如背斜般强烈。两村翼是一个汇输水通道巧，比较稳莲流，对涌均水量的预饰测方面比职较有帮助仅。蜻顺层流动魔的地下水尤在向斜轴曾部汇集，座在背斜轴尝部则远离亿轴部疏散农，故背斜筹轴部有利冬。隧道从吊向斜轴部返通过，隧滚道中间受服力大，两检端洞门附址近受力小揭，背斜正残好相反。别一般来讲贱，隧道洞貌门是隧道帝最薄弱的饺环节，故惭向斜有利贤。背斜轴缠部节理由蓝下向上成装扇形分布鸟，岩层被搁节理及层钱理切割成产上大下小递的楔形块认体，岩块严下落困难抹，背斜对虎施工有利旦。向斜构蚕造盆地和时单斜构造姐适宜形成窝承压水，母风化裂隙介水分布在胸风化裂隙目中，相互屋连通，若狗上覆透水阶性很差的彻岩层，也救可能形成盏一定的承哄压性，主青要受大气些降水的补刚给，有明责显季节性金循环交替撇，常以泉红水的形式梨排泄于河毒流中。成少岩裂隙水才是具有成当岩裂隙的散岩层出露欧地表时所茶赋存的成辜岩裂隙潜廉水，多呈虽层状，在鸦一定范围少内相互连悉通。构造喝裂隙水，这在比较密陶集均匀且粪相互连通再的张开性身构造裂隙奴中，多为捉层状构造皂裂隙水，百层状构造欺裂隙水可惕以是潜水踩，也可以耀是承压水胞。在不连个续、不连坛通的张开焰性构造裂误隙中，则晃为脉状构糊造裂隙水严。脉状构托造裂隙水辈各有自己照独立的系颈统、补给厕源及排泄容条件。岩艘溶水赋存研和运移于盲可熔岩的显溶隙溶洞拣（洞穴、线管道、暗纹河）中，蓬地下水对伤建设工程迷可能造成找很大的影查响，必须黑予以重视掩。锹2.5黎穷褶皱地区读选址与温补度的联系种高低温是亭山区埋深夹长大隧道阔必然存在露的问题。庸其影响可群包括以下惧三方面：爹一是制约党隧道施工演，包括影塔响施工进属度、恶化廉施工环境戴、威胁施识工安全、付降低器械砍寿命；二较是施工器牙械及材料扣的选取，库如炸药的壤耐高温性之、支护材延料的耐久约性等；三秆是高温条虫件下，岩姥体的性状何发生改变见，同时温荡度引起附何加应力场这与地应力毕场的叠加号作用加剧质围岩应力腾重力分布帝过程中的洲应力集中骂，从而影扒响隧道稳应定性。高沉海拔地区栽，除深埋希长大隧道恼的高温问伯题外，低摇气温也是抱隧道建设月必须注意屡的问题。须气温的较墨大幅度变循化，对洞饿口及浅埋眠洞段围岩将的力学性您质的影响音势必影响免围岩的长胀期稳定性堡。冬嫌季傻0胆摄氏度以止下的气温贪及对隧道舌围岩的影寒响范围，倍是洞口段死的衬砌保纳暖和隧道饥防排水措燥施的重要谱依据。但誓是，对于毙同一隧道剃，温度对罩于向斜、脚两翼和背凉斜的影响洞较小，故佳不做讨论后。盛三：结束觉语筛综上所论绣，隧道应期尽量选在机背斜中，秀而避开向览斜和褶曲毅的两翼。休背斜中，季由于地层津向下弯曲形而可能于汉地层上部邮开裂、裂话成上大下心小的岩块支，开挖时谱，背斜岩晴层上的岩药体受拉而黑碎裂，岩航石能够抗妖拉，故下贫面岩块受害压，不易狮破碎，岩才块易于保卵持稳定；叛两翼的岩即块受偏压浪，岩块扭穿曲而破碎