泥巴山深埋特长公路隧道重大岩体工程问题研究

摘要

本论文结合交通部西部交通建设科技项目“大相岭泥巴山深埋特长隧道关键技术研究”。采用现场测绘、室内外试验、理论分析与数值模拟等方法，对四川雅安～泸沽高速公路的控制性工程——大相岭泥巴山深埋特长隧道的重大岩体工程问题进行了深入研究，主要的研究内容及在导师和课题组的提示和启发下获得的成果如下：
　　 (1)通过收集分析泥巴山地区现有基础地质资料、勘探测试资料和现场详细调绘，弄清了隧址区的工程地质环境，结果表明：隧道所穿过的大相岭背斜并非为倒转的背斜，而是一似“箱”形构造模式；隧址区地质环境条件极为复杂，岩性种类多，空间分布多变，现代构造应力量值较大，不同规模与期次的褶皱构造和断裂构造发育并叠加改造。因构造影响，岩体破碎及结构复杂。
　　 (2)利用单轴压缩试验、单轴拉伸试验、常规三轴压缩试验以及卸围压试验对隧址区主要岩石进行了岩石力学试验，结果表明：完整岩石强度较高，单轴抗压强度最高达250MPa，岩石强度明显受微裂隙影响，微裂隙发育的岩石单轴抗压强度最低为20MPa左右，一般在70～100MPa；岩石单轴抗压强度有随埋深而增加的趋势；岩石三轴压缩变形及强度受加载路径的明显影响。
　　 (3)采用现场钻孔水压致裂测试法、室内Kaiser效应测试法和震源机制解对泥巴山隧址区初始地应力进行了测试及分析，结果表明：地应力值随深度呈近似线性增加，隧道高程附近最大主应力量值40～45MPa;整体趋势为埋深约0～300m段垂直向地应力小于两个水平向地应力，约300～850m段垂直地应力介于两个水平向主应力之间，大于850m时，垂直应力大于两个水平向主应力，其中最大水平主应力总体方向为N55°W,与隧道轴线整体方向N47°E近垂直。
　　 (4)根据现场测试结果，采用数值模拟反演分析得到：隧址区地应力场受地形的明显影响，隧道进、出口应力较小，埋深较大的中段地应力水平较高，其中最大主应力多为30MPa～45MPa，中间主应力多为20MPa～30MPa，最小主应力为10～20MPa，断层带对局部地应力场大小及方向有显著影响。
　　 (5)以现场实测地应力及室内岩石试验为基础，根据传统能量理论及提出的岩爆潜指数法、改进的强度理论观点，采用理论方法及数值模拟方法，对隧道围岩岩爆危险性进行了定性及定量的预测分析。结果表明，泥巴山隧道围岩存在岩爆危险的洞段长度约占整个洞长的29％，其中弱岩爆危险洞段长度约占20％，中等程度岩爆危险的洞段长度约占7％，强烈岩爆危险的洞段长度约占2％，因岩性分布及岩体结构的差异性，产生岩爆洞段不连续，沿隧道呈带状分布。
　　 (6)将交通隧道大变形界定为隧道变形非脆性破坏的变形量超出了规范规定的预留变形量，根据Ⅲ级围岩标准，当隧道边壁的相对变形量Db≥0.013时，定义为大变形。利用岩体力学理论和数值模拟分别计算预测隧道典型断面的相对变形量，结果表明，断层带及其附近围岩可能产生严重的大变形，个别埋深及宽度大的断层带产生大变形程度为严重或极严重;断层带围岩大变形受断层带宽度、断层岩工程特性及结构特征和两盘岩体工程性质影响;断层带宽度大于19m洞段，围岩大变形较明显。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 前言

1.1课题背景及研究意义

1.2国内外研究现状分析

1.2.1岩爆灾害研究现状

1.2.2围岩大变形研究现状

1.2.3存在的问题

1.3本文研究目标及研究内容

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.4本文研究思路及方法与技术路线

1.4.1研究思路及方法技术路线

1.4.2采用的技术路线

第2章 区域及隧址区地质环境条件概述

2.1区域及隧址区地形及气候特征概述

2.2.区域及隧址区地层及岩性概述

2.3.区域及隧址区地质构造特征概述

2.3.1.褶皱构造特征概述

2.3.2.断裂构造及其变形特征概述

2.4.区域及隧址区新构造特征

2.5.本章总结

第3章 隧址区岩体结构及工程特性

3.1.概述

3.2.隧址区结构面特征

3.2.1.隧址区结构面分类

3.2.2.隧址区Ⅰ级结构面特征

3.2.3.隧址区Ⅱ级结构面特征

3.2.4.隧址区Ⅲ级结构面特征

3.2.5.隧址区Ⅳ级结构面特征

3.3隧址区工程地质岩组划分及其特性

3.3.1隧址区岩石结构类型及特性

3.3.2隧址区工程地质岩组划分及特性

3.3.3隧址区工程地质岩组特性

3.4小结

第4章 隧址区岩石物理力学特性研究

4.1.岩石单轴压缩变形特性及强度参数

4.2岩石三轴压缩变形特性及强度参数

4.3岩石卸围压三轴压缩变形特性

4.4岩石抗拉强度参数

4.5本章小结

第5章 初始地应力场测试分析

5.1.区域地应力场特征的震源机制解分析

5.1.1.地应力最大主应力方向

5.1.2.构造地应力最大主应力量值

5.2隧址区地应力岩石声发射凯塞尔效应试验分析

5.2.1岩石声发射凯塞尔效应试验概述

5.2.2岩石声发射凯塞尔效应试验资料整理及结果

5.2.3凯塞尔效应试验结果分析

5.3.隧址区地应力钻孔水压致裂法测试分析

5.3.1.钻孔水压致裂地应力测试基本原理和方法概述

5.3.2.水压致裂地应力实测资料整理

5.3.3.地应力钻孔实测结果及分析

5.3.4.综合分析

5.4隧址区高地应力现象及分析

5.5本章小结

第6章 隧址区地应力场数值反演分析

6.1概述

6.2隧址区地应力场反演分析方法与思路

6.2.1地应力场反演分析方法

6.2.2岩体天然地应力的构成

6.2.3地应力场反演分析思路

6.3隧址区地应力场数值分析反演模型

6.3.1模型的建立

6.3.2岩体物理力学参数

6.4隧址区地应力场边界条件数值反演

6.4.1多元回归方法的数学原理概述

6.4.2回归结果误差分析

6.4.3模型边界条件

6.5隧址区地应力场反演结果及分析

6.5.1应力边界条件反演分析结果

6.5.2反演计算结果与实测数据对比分析

6.5.3隧道轴线附近垂直剖面地应力分布特征及分析

6.5.4隧道轴线附近平切面地应力分布特征及分析

6.6本章小结

第7章 隧道围岩岩爆特征及岩爆危险性分析

7.1概述

7.2围岩岩爆危险性及程度的能量法预测分析

7.2.1能量法原理及方法概述

7.2.2能量法岩爆危险性及程度预测结果及分析

7.3围岩岩爆危险性及程度的强度理论预测分析

7.3.1应力强度比法原理及方法

7.3.2强度应力比法原理及方法

7.3.4强度理论预测结果及分析

7.4隧道岩爆危险性及程度的综合分析预测

7.5控制隧道岩爆灾害措施分析

7.5.1控制隧道岩爆灾害措施岩石力学分析

7.5.2控制隧道岩爆灾害措施数值分析

7.6本章小结

第8章 泥巴山隧道围岩大变形分析

8.1.概述

8.2.围岩大变形理论预测分析

8.2.1.计算模型及原理概述

8.2.2.理论预测结果及分析

8.3.围岩大变形数值计算预测分析

8.3.1.围岩大变形弹塑性数值分析及预测

8.3.2.围岩大变形的流变数值分析及预测

8.4.隧道开挖围岩大变形的空间效应分析

8.5.隧道围岩大变形比较及大变形程度综合预测分析

8.6.控制围岩大变形措施分析

8.6.1.常用控制围岩大变形的措施

8.6.2.控制围岩大变形措施的数值分析

8.7.本章小结

结论与展望

1主要的结论

2展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研