邵怀高速公路雪峰山隧道岩爆与大变形预测研究
|
摘要
邵怀高速公路雪峰山隧道是目前我国拟建埋深最大和最长的公路隧道之一，地质条件较为复杂，岩爆问题和大变形问题是该隧道的主要工程地质问题。本文紧密结合雪峰山隧道的工程实践，以岩爆问题和大变形问题的研究为主线，对这一世界性的地下工程难题做了较为全面的实例研究。本文的研究内容及获得的结论主要包括以下几个方面：
(1)全面论述了研究区的工程地质环境条件。
(2)通过现场和室内测试，查明了工程区岩体的空间应力状态，获得了整个隧道工程岩体内地应力的空间发育分布规律的系统认识。研究表明，本区最大主应力α_1的(水平投影)方向为N50°—86°W，与水平面的夹角总体上介于25-45°之间。
(3)采用二维有限元数值模拟的方法，研究了研究区山体成坡的地质历史演化过程，获得了隧道通过部位岩体地应力场的发育分布规律：①在坡面附近，最大主应力α_1，的方向与坡面近于平行，而在远离坡面的山体内部，α_1，的方向总体上为水平方向。②岩体最人主应力的分布大致可分为应力平稳带和浅表生改造影响带。③在应力平稳带内断层带附近，存在应力分异现象；而在浅表生改造影响带内，尤其是地形有明显变化处，存在应力局部增高带。
(4)通过岩爆岩石力学试验研究，结合川藏公路二郎山隧道的研究成果，对岩爆形成的力学机制作了有益的探讨，初步建立了岩爆形成力学机制模式。
(5)在以上研究和三维有限元数值模拟的基础上，主要采用“地质综合分析预测”、“αθ／Rb判据预测”两种较为适用、有效的方法，对隧道的岩爆问题作了预测。预测结果表明，雪峰山隧道不会出现高烈度的岩爆，但某些地段可以出现Ⅰ级或Ⅱ级的岩爆。
(6)运用“地质综合分析预测”、“切应变预测”两种方法对雪峰山隧道的大变形问题进行了预测，预测结果表明，雪峰山隧道不会出现大变形问题。
The Xuefeng mountain highway tunnel, which is to be constructed, is the most deep-lying and longest tunnel in our country. Its geological conditions are more complex, the problems of rockburst and large deformation maybe its main problems of engineering geology. In this paper, the problems are elaborated in detail through this typical deep-lying highway tunnel research. The contents are discussed and main conclusions have been attained as follows:
(1) The environmental conditions of engineering geology are discussed in detail.
(2) Making use of some measure methods of field and indoor, the geostress status in the engineering rockmass has been ascertained and the systematic recognition of the geostress field in the area has been attained: The direction of a l in the area is N50?~86?W, and the included angle between the direction of o , and the horizontal surface is 25-45?on the whole.
(3)Through the research of two-dimensional FEM for numerical analysis, the spread law of the geostress in the tunnel has been attained: 〢bout the surface of the mountainside, the direction of o , is parallel with the surface, but in the mountain the direction of o , is horizontal mainly. ㏕he spread of geostrss can be divided into two
bands-------the equable geostress band and the effected band of epigentic-sueface
reformation. 〢round fracture in the equable geostress band, there are geostress varied phenomena; there are local high geostress bands in the effected band , especially at the position of apparent landform chance .
(4)Through rock mechanics experiment and the study fruit of Er Lang mountain highway tunnel, the mechanism research of rockburst is also discussed in detail, and the mechanism model of rockburst in established elementarily.
(5)On base of the forgoing study and the research of tree-dimensional FEM for analysis, the predicting of rockburst in the tunnel has been given by using of two effective measures of forecasting-geological and complex forecast method and o 9 /Rb juding method. The result is that the probability of high tensity rockburst in the tunnel is non-existent and the probability of lowgrade and moderate tensity rockburst in the tunnel is existent.
(6)The predicting of large deformation in the tunnel has been given by using of two effective measures of forecasting-geological and complex forecast method and tangential strain predicting method. The result is that the probability of large deformation in this tunnel is non-existent.
(1)全面论述了研究区的工程地质环境条件。
(2)通过现场和室内测试，查明了工程区岩体的空间应力状态，获得了整个隧道工程岩体内地应力的空间发育分布规律的系统认识。研究表明，本区最大主应力α_1的(水平投影)方向为N50°—86°W，与水平面的夹角总体上介于25-45°之间。
(3)采用二维有限元数值模拟的方法，研究了研究区山体成坡的地质历史演化过程，获得了隧道通过部位岩体地应力场的发育分布规律：①在坡面附近，最大主应力α_1，的方向与坡面近于平行，而在远离坡面的山体内部，α_1，的方向总体上为水平方向。②岩体最人主应力的分布大致可分为应力平稳带和浅表生改造影响带。③在应力平稳带内断层带附近，存在应力分异现象；而在浅表生改造影响带内，尤其是地形有明显变化处，存在应力局部增高带。
(4)通过岩爆岩石力学试验研究，结合川藏公路二郎山隧道的研究成果，对岩爆形成的力学机制作了有益的探讨，初步建立了岩爆形成力学机制模式。
(5)在以上研究和三维有限元数值模拟的基础上，主要采用“地质综合分析预测”、“αθ／Rb判据预测”两种较为适用、有效的方法，对隧道的岩爆问题作了预测。预测结果表明，雪峰山隧道不会出现高烈度的岩爆，但某些地段可以出现Ⅰ级或Ⅱ级的岩爆。
(6)运用“地质综合分析预测”、“切应变预测”两种方法对雪峰山隧道的大变形问题进行了预测，预测结果表明，雪峰山隧道不会出现大变形问题。
The Xuefeng mountain highway tunnel, which is to be constructed, is the most deep-lying and longest tunnel in our country. Its geological conditions are more complex, the problems of rockburst and large deformation maybe its main problems of engineering geology. In this paper, the problems are elaborated in detail through this typical deep-lying highway tunnel research. The contents are discussed and main conclusions have been attained as follows:
(1) The environmental conditions of engineering geology are discussed in detail.
(2) Making use of some measure methods of field and indoor, the geostress status in the engineering rockmass has been ascertained and the systematic recognition of the geostress field in the area has been attained: The direction of a l in the area is N50?~86?W, and the included angle between the direction of o , and the horizontal surface is 25-45?on the whole.
(3)Through the research of two-dimensional FEM for numerical analysis, the spread law of the geostress in the tunnel has been attained: 〢bout the surface of the mountainside, the direction of o , is parallel with the surface, but in the mountain the direction of o , is horizontal mainly. ㏕he spread of geostrss can be divided into two
bands-------the equable geostress band and the effected band of epigentic-sueface
reformation. 〢round fracture in the equable geostress band, there are geostress varied phenomena; there are local high geostress bands in the effected band , especially at the position of apparent landform chance .
(4)Through rock mechanics experiment and the study fruit of Er Lang mountain highway tunnel, the mechanism research of rockburst is also discussed in detail, and the mechanism model of rockburst in established elementarily.
(5)On base of the forgoing study and the research of tree-dimensional FEM for analysis, the predicting of rockburst in the tunnel has been given by using of two effective measures of forecasting-geological and complex forecast method and o 9 /Rb juding method. The result is that the probability of high tensity rockburst in the tunnel is non-existent and the probability of lowgrade and moderate tensity rockburst in the tunnel is existent.
(6)The predicting of large deformation in the tunnel has been given by using of two effective measures of forecasting-geological and complex forecast method and tangential strain predicting method. The result is that the probability of large deformation in this tunnel is non-existent.
引文
[1] 徐林生．川藏公路二郎山隧道高地应力与岩爆问题研究．成都理工学院博士论文，1999
[2] 孙钧．对开展高地应力区岩体特征及隧道围岩稳定研究的认识．岩石力学与工程学报，1988，17 (2)
[3] 谭以安．岩爆类型及防治．现代地质，1991，5 (4)
[4] 王兰生，李天斌，徐进等．川藏公路二郎山隧道围岩变形破裂的调研与监测．见：四川省公路学会隧道专委会1998年学术论文集
[5] 汪泽斌．岩爆实例、岩爆术语及分类的建议．工程地质，1988，(3)
[6] 武警水电指挥部．天生桥水电站引水隧洞岩爆研究(科研报告)．1991
[7] 郭志．实用岩体力学．北京：地震出版社，1996
[8] 左文智，张齐桂等．地应力与地质灾害关系探讨．见：第五届全国工程地质大会文集．北京：地质出版社，1996
[9] 谭以安．岩爆烈度分级问题．地质论评，1992，38 (5)
[10] 交通部第一公路勘测设计院．川藏公路二郎山隧道两阶段施工图设计报告，1996
[11] E. Hoek, E. T. Brown. 岩石地下工程(译)．北京：冶金工业出版社，1986
[12] 杨淑情．隧洞岩爆机制物理模型试验研究．武汉水利电力大学学报，1993，26 (2)
[13] 谭以安．岩爆形成机制研究．水文地质与工程地质，1989，(1)
[14] 张津生，陆家佑，贾愚如．天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究．水力发电，1991，(3)
[15] 李荣强．高地应力条件下的岩体力学特性研究．成都地质学院博士论文，1990
[16] 贾愚如，范正绮．水工洞室中岩爆机制与判据．见：岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，1989
[17] E. Broch, S. Sorheim. Experiences from planning、Construction and Supporting of a road tunnel subjected to heavy rockbursting. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1987, 17(1)
[18] 邹成杰．地下工程中岩爆灾害发生规律与岩爆预测问题的研究．中国地质灾害与防治学报，1992，3 (4)
[19] 侯发亮等．圆形隧道中岩爆的判据及防治措施．见：岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，1989
[20] 谭以安．模糊数学综合评判在地下洞室岩爆预测中的应用．见：第二次全国岩石力学与工程学术会议论文集．北京：知识出版社，1989
[21] 王元汉，李卧东，李启光等．岩爆预测的模糊数学综合评判方法．岩石力学与工程学报，1998，17 (5)
[22] 徐则民，黄润秋．深埋特长隧道及其施工地质灾害．成都：西南交通大学出版社，2000
[23] Aydan O., Akagi T.& Kawamoto T. The Squeezing Potential of Rocks Around Tunnels; Theory and Prediction. Rock Mechanics and Rock Engineering 26, 1993, 26(4):137～163
[24] Anagnostou G. A Model for Swelling Rock in Tunneling. Rock Mech. Rock Engng. 1993, 26(4):307～331
[25] 铁道部第二工程局主编．中华人民共和国行业标准—铁路隧道施工规范．北京：中国铁道出版社，1998
[26] Muirwood, A. M. Tunnels for roads and motorways. Quarterly Journal of Engineering Geology, 1972, 5:119～120
[27] 张广祥，张志强．地下工程设计与施工中的岩石力学问题。铁道工程学报，1998，增刊：326～330
[28] 喻渝．挤压性围岩支护大变形的机制及判别方法．世界隧道，1999，(1)：46～51
[29] 蔡美峰，乔兰，李华斌．地应力测量原理和技术．北京：科学技术出版社，1995
[30] 王兰生，李天斌，赵其华．浅生时效构造与人类工程。北京：地质出版社，1994
[31] 王兰生，李天斌，徐进等．二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级．公路，1999，(2)
[32] 陶振宇．若干电站地下工程建设中的岩爆问题．水力发电，1988，(7)
[33] 王兰生，李天斌，徐进等．高地应力区公路隧道施工围岩稳定性预测预报系统．四川公路，1999，(1)
[34] 关宝树．隧道力学概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[35] 张津生，陆家佑，贾愚如．天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究．中国地质灾害与防治学报，1992，(3)
[36] 秦四清，李造鼎，张倬元等．岩石声发射技术概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[37] 尹国铭．穿越坚硬围岩隧道的施工技术及对策．铁道工程建设科技动态报告文集——铁路隧道及地下工程．成都：西南交通大学出版社，1995
[38] 张祉道，白继承．家竹箐隧道高瓦斯、大变形、大涌水的整治与对策．世界隧道，1998，(1)
[39] 刘艳青．隧道施工控制岩爆研究．铁道工程学报(增刊)，1998
[40] 尚岳全，黄润秋．工程地质研究中的数值分析方法．成都：成都科技大学出版社，1991
[41] 靳晓光．山区公路建设中的岩土工程监测与信息化控制．成都理工学院博士学位论文，2000
[42] 张玉祥，包四根．复杂地质体中地下硐室的施工优化与稳定性评价．岩石力学与工程学报，2000，19 (6)
[43] 邵国建，王东升．岩体初始地应力场对地下硐室围岩变形及应力的影响．河海大学学报，1999，27 (6)
[44] 陈宗基．我国在复杂岩层中的巷道掘进．岩石力学与工程学报，1988，7 (1)
[45] 安其美，郭启良．地下硐室围岩应力测量研究．岩土力学，1996，17 (1)
[46] 乔兰，蔡美峰．应力解除法在某金矿地应力测量中的新进展，岩石力学与工程学报，1995，14 (1)
[47] 王思敬，杨智发等．地下工程岩体稳定性分析．北京：科学出版社，1984
[48] 张斌．二滩地下厂房系统围岩稳定性分析．水电站设计，1998，14 (3)
[49] 成都理工大学，四川省交通厅，深埋长隧道高地应力与围岩稳定问题——“川藏公路二郎山隧道高地应力测试、监测及围岩稳定性与工程措施”专题科研报告，2001
[50] 周重民．地下硐室围岩分类的地质研究及其应用．甘肃水利水电技术，1994 (1)
[51] 朱焕春，陶振宇．不同岩石中的地应力分布．地震学报，1994 (1)
[52] Yian Tan, Guangzhong Sun. Rockbursting characteristics and structural of rock mass. DG Price. Proceedings, 6th International Congress, international Association of Engineering Geology. Amesterdam Netherlands, 1992
[2] 孙钧．对开展高地应力区岩体特征及隧道围岩稳定研究的认识．岩石力学与工程学报，1988，17 (2)
[3] 谭以安．岩爆类型及防治．现代地质，1991，5 (4)
[4] 王兰生，李天斌，徐进等．川藏公路二郎山隧道围岩变形破裂的调研与监测．见：四川省公路学会隧道专委会1998年学术论文集
[5] 汪泽斌．岩爆实例、岩爆术语及分类的建议．工程地质，1988，(3)
[6] 武警水电指挥部．天生桥水电站引水隧洞岩爆研究(科研报告)．1991
[7] 郭志．实用岩体力学．北京：地震出版社，1996
[8] 左文智，张齐桂等．地应力与地质灾害关系探讨．见：第五届全国工程地质大会文集．北京：地质出版社，1996
[9] 谭以安．岩爆烈度分级问题．地质论评，1992，38 (5)
[10] 交通部第一公路勘测设计院．川藏公路二郎山隧道两阶段施工图设计报告，1996
[11] E. Hoek, E. T. Brown. 岩石地下工程(译)．北京：冶金工业出版社，1986
[12] 杨淑情．隧洞岩爆机制物理模型试验研究．武汉水利电力大学学报，1993，26 (2)
[13] 谭以安．岩爆形成机制研究．水文地质与工程地质，1989，(1)
[14] 张津生，陆家佑，贾愚如．天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究．水力发电，1991，(3)
[15] 李荣强．高地应力条件下的岩体力学特性研究．成都地质学院博士论文，1990
[16] 贾愚如，范正绮．水工洞室中岩爆机制与判据．见：岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，1989
[17] E. Broch, S. Sorheim. Experiences from planning、Construction and Supporting of a road tunnel subjected to heavy rockbursting. Rock Mechanics and Rock Engineering, 1987, 17(1)
[18] 邹成杰．地下工程中岩爆灾害发生规律与岩爆预测问题的研究．中国地质灾害与防治学报，1992，3 (4)
[19] 侯发亮等．圆形隧道中岩爆的判据及防治措施．见：岩石力学在工程中的应用．北京：知识出版社，1989
[20] 谭以安．模糊数学综合评判在地下洞室岩爆预测中的应用．见：第二次全国岩石力学与工程学术会议论文集．北京：知识出版社，1989
[21] 王元汉，李卧东，李启光等．岩爆预测的模糊数学综合评判方法．岩石力学与工程学报，1998，17 (5)
[22] 徐则民，黄润秋．深埋特长隧道及其施工地质灾害．成都：西南交通大学出版社，2000
[23] Aydan O., Akagi T.& Kawamoto T. The Squeezing Potential of Rocks Around Tunnels; Theory and Prediction. Rock Mechanics and Rock Engineering 26, 1993, 26(4):137～163
[24] Anagnostou G. A Model for Swelling Rock in Tunneling. Rock Mech. Rock Engng. 1993, 26(4):307～331
[25] 铁道部第二工程局主编．中华人民共和国行业标准—铁路隧道施工规范．北京：中国铁道出版社，1998
[26] Muirwood, A. M. Tunnels for roads and motorways. Quarterly Journal of Engineering Geology, 1972, 5:119～120
[27] 张广祥，张志强．地下工程设计与施工中的岩石力学问题。铁道工程学报，1998，增刊：326～330
[28] 喻渝．挤压性围岩支护大变形的机制及判别方法．世界隧道，1999，(1)：46～51
[29] 蔡美峰，乔兰，李华斌．地应力测量原理和技术．北京：科学技术出版社，1995
[30] 王兰生，李天斌，赵其华．浅生时效构造与人类工程。北京：地质出版社，1994
[31] 王兰生，李天斌，徐进等．二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级．公路，1999，(2)
[32] 陶振宇．若干电站地下工程建设中的岩爆问题．水力发电，1988，(7)
[33] 王兰生，李天斌，徐进等．高地应力区公路隧道施工围岩稳定性预测预报系统．四川公路，1999，(1)
[34] 关宝树．隧道力学概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[35] 张津生，陆家佑，贾愚如．天生桥二级水电站引水隧洞岩爆研究．中国地质灾害与防治学报，1992，(3)
[36] 秦四清，李造鼎，张倬元等．岩石声发射技术概论．成都：西南交通大学出版社，1993
[37] 尹国铭．穿越坚硬围岩隧道的施工技术及对策．铁道工程建设科技动态报告文集——铁路隧道及地下工程．成都：西南交通大学出版社，1995
[38] 张祉道，白继承．家竹箐隧道高瓦斯、大变形、大涌水的整治与对策．世界隧道，1998，(1)
[39] 刘艳青．隧道施工控制岩爆研究．铁道工程学报(增刊)，1998
[40] 尚岳全，黄润秋．工程地质研究中的数值分析方法．成都：成都科技大学出版社，1991
[41] 靳晓光．山区公路建设中的岩土工程监测与信息化控制．成都理工学院博士学位论文，2000
[42] 张玉祥，包四根．复杂地质体中地下硐室的施工优化与稳定性评价．岩石力学与工程学报，2000，19 (6)
[43] 邵国建，王东升．岩体初始地应力场对地下硐室围岩变形及应力的影响．河海大学学报，1999，27 (6)
[44] 陈宗基．我国在复杂岩层中的巷道掘进．岩石力学与工程学报，1988，7 (1)
[45] 安其美，郭启良．地下硐室围岩应力测量研究．岩土力学，1996，17 (1)
[46] 乔兰，蔡美峰．应力解除法在某金矿地应力测量中的新进展，岩石力学与工程学报，1995，14 (1)
[47] 王思敬，杨智发等．地下工程岩体稳定性分析．北京：科学出版社，1984
[48] 张斌．二滩地下厂房系统围岩稳定性分析．水电站设计，1998，14 (3)
[49] 成都理工大学，四川省交通厅，深埋长隧道高地应力与围岩稳定问题——“川藏公路二郎山隧道高地应力测试、监测及围岩稳定性与工程措施”专题科研报告，2001
[50] 周重民．地下硐室围岩分类的地质研究及其应用．甘肃水利水电技术，1994 (1)
[51] 朱焕春，陶振宇．不同岩石中的地应力分布．地震学报，1994 (1)
[52] Yian Tan, Guangzhong Sun. Rockbursting characteristics and structural of rock mass. DG Price. Proceedings, 6th International Congress, international Association of Engineering Geology. Amesterdam Netherlands, 1992