引汉济渭秦岭隧洞深埋围岩稳定性分析及岩爆预测研究

摘要

引汉济渭秦岭隧洞长81.7km，最大埋深近2000m，属于大埋深超长隧洞。由于秦岭造山带复杂的运动历史，区域内存在着较高的水平构造应力，对隧洞的稳定性有不利的影响，理论研究和经验分析认为隧洞开挖会遇到围岩稳定性问题和严重的岩爆问题。本文选取岭脊花岗岩与闪长岩硬岩段作为研究对象，对其稳定性与岩爆进行分析研究，对秦岭隧洞的设计和施工具有重要意义。论文的主要成果如下：
　　(1)秦岭引水隧洞岭脊地段围岩以花岗岩和闪长岩为主，围岩类别以Ⅰ、Ⅱ类为主，断层影响带为Ⅲ、Ⅳ类围岩，围岩整体质量较好。主要断层走向垂直于隧洞走向，节理不发育，属于贫水区，具有较高的水平构造应力，最大水平主应力的优势作用方向为北西向，与隧洞走向平均夹角约在41°-48°之间，夹角比较大，对隧洞稳定有不利的影响。
　　(2)针对岭脊段深埋硬质围岩的特性，对硬岩隧洞的稳定性影响因素、破坏模式与机理进行了分析研究，将隧洞稳定影响因素分为地质因素与工程因素。深埋硬岩隧洞的破坏模式分为三大类：岩爆、静态脆性破坏、塌方。通过对已开挖断面的围岩破坏模式分析，认为岭脊花岗岩和闪长岩地段，围岩质量较好，在围岩类别为Ⅰ、Ⅱ地段，岩性较好，岩体成整体块状，预测其破坏模式主要为岩爆和静态脆性破坏为主，静态脆性破坏中以片帮剥落和溃屈破坏形式为主。在断层破碎带，岩体破碎在地下水和自重应力作用下极有可能发生塌方破坏。
　　(3)采用二维有限元数值模拟方法，结合秦岭隧洞埋深大、贫地下水、水平构造应力较高、围岩相对完整的特点，对不同埋深情况下隧洞围岩的应力场和塑性区破坏特征进行了分析。模拟了500、1000、1500、1600、1800、2000m埋深情况，分别考虑自重应力作用下和自重应力与构造应力共同作用下的12种工况。数值模拟结果表明：在自重应力作用下隧洞开挖后，隧洞洞项出现了不同程度的拉应力，隧洞顶部出现脆性拉剪破坏，在拱顶产生岩片剥落掉块。在构造应力的共同作用下，隧洞拱顶部位的破坏由受拉破坏向剪切破坏转变，拱肩处和隧洞边墙下部处剪切应力增大，变化比较大。随着埋深的加大，隧洞边墙附近切向应力值增幅较大，在隧洞的边墙附近容易产生脆性劈裂，造成围岩的片帮剥落和溃屈破坏。如果其没有直接剥落，在隧洞洞周切向应力作用下，聚集更多的应变能。如果应变能在瞬间释放则会导致岩爆的发生。建议在隧洞开挖后及时采取锚喷支护，改善围岩的应力状态，防止破坏向围岩深部扩展。
　　（4）通过对秦岭隧洞岩爆发生条件的分析，岭脊段围岩主要为花岗岩与闪长岩，岩石坚硬完整，区段属于贫水区，围岩类别主要为Ⅰ、Ⅱ类围岩，具有发生岩爆的条件。采用水利水电地质勘察规范的围岩岩爆判别准则和隧洞最大切应力(σθ)两种岩爆判断标准，根据前述的数值模拟结果，对隧洞区不同埋深下岩爆发生的等级进行了划分。秦岭隧洞在花岗岩和闪长岩地段在埋深500m以上发生岩爆的可能性较小。由于区域内存在较高的构造应力，在构造应力作用下，隧洞有发生轻微岩爆的可能。在500～1000m，隧洞岩爆以轻微岩爆为主，在1000～1200m，隧洞岩爆以中等岩爆为主，预计在1200m以后，以强烈岩爆为主。建议根据具体地质条件采用洒水或注水、及时锚喷或中空预应力注浆锚杆等作为基本的防治措施。
　　本文首次提供了引汉济渭秦岭隧洞施工阶段围岩稳定性和岩爆分析的系列资料。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 研究现状

1.3 研究内容及技术路线

2 秦岭隧洞工程地质条件研究

2.1 工程简介

2.2 地形地貌特征

2.3 地层岩性特征

2.4 地质构造特征

2.5 构造形态及新构造运动特征

2.6 水文地质条件特征

2.7 岩体力学特征

2.8 隧洞区各钻孔地应力测试分析

2.9 本章小结

3 秦岭隧洞围岩质量分类评价

3.1 秦岭隧洞围岩质量分类

3.2 秦岭隧洞研究段围岩质量分类

3.3 本章小结

4 秦岭隧洞深埋硬质围岩破坏模式研究

4.1 隧洞开挖卸载岩体力学研究

4.2深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类及机制

4.3施工段隧洞围岩破坏模式分析

4.4 本章小结

5 秦岭隧洞围岩稳定性数值模拟分析研究

5.1 数值计算模型建立

5.2 数值模拟计算参数选取

5.3计算工况确定

5.4 数值模拟计算结果分析

5.6 数值模拟结果综合分析

5.7 本章小结

6 隧洞围岩岩爆预测及防治措施研究

6.1 围岩岩爆发生机理和条件

6.2 秦岭隧洞岩爆预测

6.3 隧洞岩爆防治措施

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献