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隧道工程围岩大变形类型与机制研究

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下载次数:4446上传日期:2013年04月13日

资料作者:ys31001中 路 币:0

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资料介绍
隧道工程围岩大变形类型与机制研究
来源:中国公路学会 作者:四川省交通厅

摘 要: 该文通过对国内外隧道工程在施工和运营中以及正在施工的公路隧道遇到的围岩大变形问题的分析,对围岩大变形进行了定义,对围岩大变形的类型、机制进行了划分,这一理论与和工程实践研究新的认识对今后我国长大深埋公路隧道工程建设具有重要的意义。

关键词: 隧道围岩 大变形类型 大变形机制

1 引言
交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地应力区以及遇到软弱围岩体,常导致软岩大变形等相关地质灾害。根据大量文献检索结果显示,隧道工程围岩大变形已困扰地下工程界的一个重大问题。19世纪中叶,铁路隧道底鼓、仰拱破坏就已经出现并引起人们的关注(Pressel和Kauffmann,1860),但首例严重的交通隧道软弱围岩大变形应该是1906年竣工的长19.8km的辛普伦Ⅰ线隧道[1]。此后,国外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奥地利的陶恩(Tauern)隧道、阿尔贝格(Arlberg)隧道等都是典型的隧道围岩大变形灾害工程事例。我国国内如青藏线4.0km长的关角隧道、宝中线3.136km长的大寨岭隧道及1.904km长的堡子梁隧道、南昆线上的穿越煤系地层的家竹箐铁路隧道、在建的国道317线鹧鸪山公路隧道(4.442km),以及铁山隧道(2.099km)等工程均出现了不同形式和程度的围岩大变形情况,给工程建设造成极大的困难[2]。
随着我国公路隧道工程以及地下工程的迅猛发展,其长大、深埋的特点日趋明显,而在一定的围岩地质和环境地质条件下等则往往易于发生围岩大变形等地质灾害[3]。围岩大变形是一类危害程度大、整治费用高的地质灾害。如南昆线上家竹箐铁路隧道390m长的大变形洞段,大变形延误工期达四个半月之久,据计算,整治消耗自进式锚杆10万余米,其费用就已接近正常情况下的成洞造价,如果将所有整治费用加在一起,损失可能就更惊人了[4]。目前正在施工的国道317线鹧鸪山公路隧道也因围岩大变形不得不加强初期支护,增加工程的投入。
2 围岩大变形研究现状
地下工程围岩大变形作为一种严重的地质灾害,对隧道工程建设产生严重的影响,国内外学者已经做过不少的探索工作,但由于大变形理论的研究不尽成熟,加之现场地质岩体状况复杂性,目前的研究工作主要表现在以下方面。
(1)大变形的定义
关于围岩大变形,目前还没有形成一致的和明确的定义。有的学者[4]提出根据围岩变形是否超出初期支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道施工时,如果初期支护发生了大于25cm(单线隧道)和50cm(双线隧道)的位移,则认为发生了大变形。然而也有的学者[5]认为,不能从变形量的绝对值大小来定义大变形问题,具有显著的变形值是大变形问题的外在表现,其本质是由剪应力产生的岩体的剪切变形发生错动、断裂分离破坏,岩体将向地下空洞方向产生压挤推变形来定义大变形。
(2)关于软岩
至今岩石工程学界仍未就软岩的概念达成共识,软岩的定义有十几种之多。有的指岩石,如ISRM(国际岩石力学学会1990 ,1993)定义的软岩是指单轴抗压强度为0.5-25Mpa的一类岩石,如泥岩、砂页岩及泥灰岩和变质岩类的片岩、板岩、千枚岩、蛇纹岩、页岩、煤系地层等类岩石称之为软岩;有的指岩体,如1984年煤矿矿压名词讨论会(昆明)将软岩定义为“强度低、空隙大、胶结程度差、受结构面切割及风化影响或含有大量易膨胀粘土矿物的松、散、软、弱岩层(体)”。有的学者定义的软岩概念除了强度低的岩体外还包括了高度碎裂化岩体,如断层破碎带岩体等;还有的学者将软岩划分为地质软岩和工程软岩。
(3)大变形机制
Terzaghi于1946年首次提出了挤出性岩石和膨胀性岩石的概念,即挤出性岩石是指侵入隧道(开挖轮廓面)后没有明显体积变化的岩石;膨胀性岩石则是指,主要由于膨胀作用而侵入隧道(开挖轮廓面)的岩石。人们一般按形成机制将围岩大变形分为两类[1]:一是,开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性化。如果介质变形缓慢,就属于挤出(如果变形是立刻发生的,就是岩爆);二是,岩石中的某些矿物和水反应而发生膨胀。水及某些(膨胀性)矿物的存在,对于膨胀变形是必须的。Anagnostou(1993)认为,可以发生膨胀变形的围岩在开挖时都具有较高的强度,变形主要发生于隧道运营若干年以后,变形一般表现为底鼓,而拱顶和边墙一般保持完好状态。
陈宗基教授认为围岩收敛变形机理应包括塑性楔体、流动变形、围岩膨胀、扩容、挠曲五个方面。
何满朝教授根据围岩变形破坏特征、特征性矿物、力学作用和特点,将软岩变形破坏机制分为与深部软岩本身分子结构的化学性质有关,与力源有关,与洞室结构与岩体结构面的组合特性有关的三个方面[7],将深部软岩(深度大于500m)按变形力学机制归为3类:即物化膨胀类(I)、应力扩容型类(II)和结构变形类(III),13个亚类。
3 隧道工程围岩大变形实例
自20世纪初首例严重的交通隧道软弱围岩大变形发生以来,国内外隧道及地下工程已发生的多起围岩大变形灾害,表3-1收集、列举了国内外隧道及地下巷道围岩大变形实例中的十四座隧道及地下巷道大变形的基本情况。国外有名的围岩大变形隧道,如陶恩隧道、阿尔贝格隧道和惠那山隧道等5座隧道;国内比较知名的隧道是南昆铁路的家竹箐隧道和台湾的木栅公路隧道,金川矿地下巷道以及铁山隧道等9座隧道及地下工程大变形。
4 隧道围岩大变形的类型与机制
4.1 围岩大变形的定义
目前,关于围岩大变形的定义,有的研究者注重或侧重于其中某一类型的大变形研究,系统研究很少。在工程实践中,围岩大变形至今亦未列入设计规范,并给施工处理造成了较大难度。


隧道及地下工程围岩的变形破坏主要有岩爆、坍塌和大变形[6]。岩爆是一种硬岩在高地应力下的脆性破坏;坍塌和掉块是围岩受一定结构控制下的局部变形破坏现象;而围岩大变形可以界定为除了岩爆运动脆性破坏和围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏以外的围岩变形破坏,其特点是具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏。
相关资料 [隧道,围岩,变形,研究]
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