引漢濟渭秦嶺隧洞深埋圍巖穩(wěn)定性分析及巖爆預測研究.pdf

1、引漢濟渭秦嶺隧洞長81.7km，最大埋深近2000m，屬于大埋深超長隧洞。由于秦嶺造山帶復雜的運動歷史，區(qū)域內(nèi)存在著較高的水平構造應力，對隧洞的穩(wěn)定性有不利的影響，理論研究和經(jīng)驗分析認為隧洞開挖會遇到圍巖穩(wěn)定性問題和嚴重的巖爆問題。本文選取嶺脊花崗巖與閃長巖硬巖段作為研究對象，對其穩(wěn)定性與巖爆進行分析研究，對秦嶺隧洞的設計和施工具有重要意義。論文的主要成果如下：
　　(1)秦嶺引水隧洞嶺脊地段圍巖以花崗巖和閃長巖為主，圍巖類別以Ⅰ

2、、Ⅱ類為主，斷層影響帶為Ⅲ、Ⅳ類圍巖，圍巖整體質(zhì)量較好。主要斷層走向垂直于隧洞走向，節(jié)理不發(fā)育，屬于貧水區(qū)，具有較高的水平構造應力，最大水平主應力的優(yōu)勢作用方向為北西向，與隧洞走向平均夾角約在41°-48°之間，夾角比較大，對隧洞穩(wěn)定有不利的影響。
　　(2)針對嶺脊段深埋硬質(zhì)圍巖的特性，對硬巖隧洞的穩(wěn)定性影響因素、破壞模式與機理進行了分析研究，將隧洞穩(wěn)定影響因素分為地質(zhì)因素與工程因素。深埋硬巖隧洞的破壞模式分為三大類：巖爆、靜態(tài)

3、脆性破壞、塌方。通過對已開挖斷面的圍巖破壞模式分析，認為嶺脊花崗巖和閃長巖地段，圍巖質(zhì)量較好，在圍巖類別為Ⅰ、Ⅱ地段，巖性較好，巖體成整體塊狀，預測其破壞模式主要為巖爆和靜態(tài)脆性破壞為主，靜態(tài)脆性破壞中以片幫剝落和潰屈破壞形式為主。在斷層破碎帶，巖體破碎在地下水和自重應力作用下極有可能發(fā)生塌方破壞。
　　(3)采用二維有限元數(shù)值模擬方法，結(jié)合秦嶺隧洞埋深大、貧地下水、水平構造應力較高、圍巖相對完整的特點，對不同埋深情況下隧洞圍巖的

4、應力場和塑性區(qū)破壞特征進行了分析。模擬了500、1000、1500、1600、1800、2000m埋深情況，分別考慮自重應力作用下和自重應力與構造應力共同作用下的12種工況。數(shù)值模擬結(jié)果表明：在自重應力作用下隧洞開挖后，隧洞洞項出現(xiàn)了不同程度的拉應力，隧洞頂部出現(xiàn)脆性拉剪破壞，在拱頂產(chǎn)生巖片剝落掉塊。在構造應力的共同作用下，隧洞拱頂部位的破壞由受拉破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變，拱肩處和隧洞邊墻下部處剪切應力增大，變化比較大。隨著埋深的加大，隧洞邊

5、墻附近切向應力值增幅較大，在隧洞的邊墻附近容易產(chǎn)生脆性劈裂，造成圍巖的片幫剝落和潰屈破壞。如果其沒有直接剝落，在隧洞洞周切向應力作用下，聚集更多的應變能。如果應變能在瞬間釋放則會導致巖爆的發(fā)生。建議在隧洞開挖后及時采取錨噴支護，改善圍巖的應力狀態(tài)，防止破壞向圍巖深部擴展。
　?。?）通過對秦嶺隧洞巖爆發(fā)生條件的分析，嶺脊段圍巖主要為花崗巖與閃長巖，巖石堅硬完整，區(qū)段屬于貧水區(qū)，圍巖類別主要為Ⅰ、Ⅱ類圍巖，具有發(fā)生巖爆的條件。采用水

6、利水電地質(zhì)勘察規(guī)范的圍巖巖爆判別準則和隧洞最大切應力(σθ)兩種巖爆判斷標準，根據(jù)前述的數(shù)值模擬結(jié)果，對隧洞區(qū)不同埋深下巖爆發(fā)生的等級進行了劃分。秦嶺隧洞在花崗巖和閃長巖地段在埋深500m以上發(fā)生巖爆的可能性較小。由于區(qū)域內(nèi)存在較高的構造應力，在構造應力作用下，隧洞有發(fā)生輕微巖爆的可能。在500～1000m，隧洞巖爆以輕微巖爆為主，在1000～1200m，隧洞巖爆以中等巖爆為主，預計在1200m以后，以強烈?guī)r爆為主。建議根據(jù)具體地質(zhì)條件