工程地质分析原理 (106).pdf
第46卷第5期(总第328期)2009年10月出版Vol.46，No.5，Total.No.328 Oct.2009龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析摘要在我国西部山区修建高速公路过程中常选择隧道方案，从而各类特长深埋、复杂地质条件下的隧道工程大量涌现，在施工过程中常出现各种隧道灾害。针对在建的都（江堰）-汶（川）公路龙溪隧道工程中频繁出现的围岩大变形而导致初期支护侵限现象，基于现场测试资料，采用地质分析法和连续介质力学分析法，准确的获取了左线试验段围岩大变形的主要成因：倾向隧道右侧的软岩地层在高地应力（作用方向近垂直岩层）作用下产生较大变形。关键词龙溪隧道大变形成因机制中图分类号：U451+.2文献标识码：A修改稿返回日期：2009-03-18作者简介：李春林（1983-），男，助理工程师，主要从事隧道工程方面的科研工作,E-mail:.1概述我国是一个多山的国家，在修建高等级公路过程中常选择隧道方案，从而各类特长、复杂地址条件下的高速公路隧道大量出现。在隧道施工过程中，因复杂的地质条件、施工技术等因素，使得隧道围岩在施工过程中出现大变形现象，导致初期支护侵限，甚至坍方等，严重影响隧道施工安全，造成重大经济损失。因此，应准确地获取施工过程中围岩变形机制，为动态设计提供科学依据。本文依托在建的都（江堰）-汶（川）公路龙溪隧道工程，采用地质分析、地层结构法等手段，准确地获取了该隧道左线试验段（LK22+083LK22+153）有关围岩大变形成因的资料，为后续施工组织和变更设计提供了科学依据。2工程概况都（江堰）-汶（川）高等级公路既是国家实施西部大开发战略的八条西部大通道之一，又是国道213（317）线都江堰汶川段共同部分。2.1龙溪隧道概况龙溪隧道是都汶公路控制性工程之一（图1），为双线分离式单向双车道隧道，全长约3.6 km。隧址区位于相对稳定和简单的地质块体，断裂相对稀少，褶皱仅有碓窝石向斜、张家山背斜和六池塘向斜的倾伏端。出露的地层1为第四系全新统、三叠系上统须家河组和元古代侵入岩，地层总体走向北东东（隧道轴向与之大角度相交），倾角5080（图2）。隧道最大埋深近800 m。图1都汶公路线路平面Fig.1Plan of Du-Wen highway route46第46卷第5期(总第328期)2009年10月出版Vol.46，No.5，Total.No.328 Oct.2009现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLINGTECHNOLOGY龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析采用基于应力解除法原理的孔径变形法，隧址区地应力原位测试部分成果见表12，最大主应力方位与隧道轴线关系见图3。该段最大主应力与隧道轴向成大角度相交，不利于隧道围岩和支护结构稳定。表1龙溪隧道地应力测试部分成果Table 1Test results of Longxi tunnel ground streses注：隧道轴线方位是N50W.图3实测地应力主方向与隧道轴线的关系Fig.3Relationship between the direction of measured groundprincipal stress and tunnel axis2.2隧道施工中的主要工程地质问题龙溪隧道施工过程中碰到的主要问题：软岩大变形、高地应力、瓦斯等问题。其中最为突出的是围岩大变形而导致初期支护侵限，据现场统计资料，隧道右侧喷层支护侵限（高达70 cm）明显大于左侧，以左线LK22+070断面最为典型（图4）。图4左线LK22+070断面初期支护侵限Fig.4Intruding into clearance by the primary support inleft tunnel at LK22+070 section2.3左线试验段（LK22+083LK22+153）试验段（埋深近200 m）处于F8断层带中。F8为一高角度走向逆冲压性断层，断层走向与隧道轴线呈30夹角，断层倾角82。断层带挤压强烈，上盘为砂质泥岩，下盘为泥岩夹砂岩，局部夹碳质泥岩和煤线（厚度0.1 m），岩体稳定性差，易坍塌。实际采用的初期支护参数见表2。3连续介质力学分析法应力分量大小、方向K22+345123量值/MPa25.116.89.4投影方位/（）N49.6EN63.8WN18.9E倾角/（）58.7（仰）13.6（仰）-27.6（俯）图2龙溪隧道左线工程地质纵剖面图1Fig.2Engineering geological longitudinal section of Longxi left tunnel47第46卷第5期(总第328期)2009年10月出版Vol.46，No.5，Total.No.328 Oct.2009现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLINGTECHNOLOGY龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析衬砌类型喷混凝土厚度/cm25中空注浆锚杆6.5钢筋网格/cmH20型钢间距/cm42小导管超前支护预留变形量/cm长度/cm纵横间距/cm长度/cm间距/cm外插角搭接长度/cm范围VH20封243508080202050500405 10100拱部12035将隧道围岩和支护结构看成一个连续的受力整体，采用弹塑性力学理论计算围岩的变形。该理论得到的多为数值解，解析解甚少。3.1计算模型该隧道横断面为三心圆拱曲边墙，最大洞径D=10.4 m，两隧道中心线间距34 m。因此地质原型取LK22+090LK22+120范围，计算模型宽度取160m（X方向），模型高度取100 m（Y方向），模型下边界到隧道底面距离约3D，沿隧道轴向取30 m（Z方向）。计算采用FLAC3D程序，围岩采用实体单元、喷层采用shell单元、锚杆采用cable单元模拟3，共计17 175个单元和18 752个节点。计算模型见图5和图6。图5试验段计算模型Fig.5Computation model for test section本次计算采用莫尔-库仑本构模型。现场采用台阶法施工，模型中拟定上、下台阶距离为10 m（图7）。采用顺序建模方法完成隧道的开挖和支护。采用“空单元”来实现开挖隧道岩体，开挖后根据施工工序在对应区域生成支护结构单元实现支护效应，便于分析选择LK22+105断面为研究断面。图6支护结构模型Fig.6Support structure model图7台阶法施工示意Fig.7Bench method excavation schematic diagram3.2计算参数根据龙溪隧道地勘资料，参考设计文件及J TG D70-2004公路隧道设计规范，综合选取的围岩参数见表3，支护结构参数见表4，其中型钢支护作用将其弹性模量按公式（1）折算到喷层中来实现。E=E0+SgEgSc（1）式中E折算后喷层的弹性模量；E0折算前喷层的弹性模量；Sg钢拱架截面积；Eg钢材弹性模量；Sc喷层面积（以厚度表示）。在FLAC3D程序中，除正交各向异性弹性模型和横向同性模型外，其它模型的变形模量用体积模量K和切变模量G来描述，与弹性模量和泊松比转换关系如下：表2龙溪隧道左线试验段支护参数Table 2Support parameters of Longxi left tunnel test section48第46卷第5期(总第328期)2009年10月出版Vol.46，No.5，Total.No.328 Oct.2009现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLINGTECHNOLOGY龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析K=E3(1-2)（2）G=E2(1+)（3）表3试验段围岩参数取值Table 3Adopted parameter values of test sectionsurrounding rocks表4试验段初期支护参数Table 4Parameter values of test section support3.3初始条件初始条件包括位移边界条件和初始应力两项内容。（1）位移边界各侧面均施加法向约束。（2）应力条件模型范围内的地应力分布可以参照现场地应力测试成果来确定；同计算模型范围较小，在假设该范围内地应力按照测点处的地应力状态均匀分布。将表1地应力成果通过张量转化到计算模型所在整体坐标系中的6个分量，见表5。表5整体坐标系中的地应力分量（单位：MPa）Table 5Initial ground stress components in globalcoordinate system将表5中6个分量直接施加在每个单元体上，这样使计算模型中的初始应力状态更接近实际，同时也要求单元尽量小。3.4计算结果提取LK22+105研究断面处围岩位移云图和矢量图（图8）。计算结果表明，在LK22+105围岩最大位移（高达18 cm）发生在隧道右拱肩位置，也是初始地应力图8试验段围岩位移云图和矢量图（单位：m）Fig.8Iso-cloud and vector graph of the deformations ofsurrounding rocks on test section最大主应力分量1作用的位置，隧道仰拱右侧有隆起的趋势，可见，该断面隧道右拱肩部位围岩出现较大变形，隧道仰拱右侧隆起的控制因素是初始应力。4地质分析法试验段主要以泥岩（属软岩类）为主，层面多倾向隧道右侧，隧址区初始地应力最大主应力方向近垂直于岩层层面（图9）。在较高地应力作用下，隧道右侧拱腰部位岩层承受弯曲应力的作用，极易向临空面变形，挤压初期支护结构变形。处于隧道仰拱部位的岩体极易形成楔块岩体，同时仰拱整体性差，在与隧道大角度相交的近水平构造的初始地应力作用下，沿层面产生错动而使底板鼓出，极易引起右侧仰拱隆起的趋势，即常见的隧道仰拱底鼓现象，该处属剪切错动性底鼓。图9岩层倾向、1和隧道轴线相对位置关系Fig.9Relationship between rock dip,1and tunnel axis5结论在川西三叠系地层中修建隧道工程，常碰到很多问题。本文重点研究了都汶公路龙溪隧道试验段围岩大变形成因，主要结论：参数E/GPa/（kg/m3）喷层(无拱架)200.252 900喷层(含拱架)290.242 950锚杆2000.237 980分量xyzxyyxzx量值-13.2-21.3-16.86.50.64-1.8参数E/GPa/（）c/MPa/（kg/m3）围岩1.5380.40.252 70049现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLINGTECHNOLOGY龙溪隧道左线试验段围岩大变形成因机制分析（1）受构造应力和岩体结构控制，试验段围岩变形从左侧至右侧逐渐增大，最大变形出现在隧道右拱腰位置，即最大主应力作用位置。（2）隧道右侧仰拱有底鼓的趋势，该类型底鼓属于剪切错动性底鼓。（3）基于联系介质理论的分析结果与地质分析结果基本一致。参考文献References1四川省煤田地质工程勘察设计研究院.都江堰至汶川公路工程地质勘察报告R,2001Research Institute of Exploration and Designing of Coal Geological Engineering of Sichuan Province.Highway EngineeringGeological Investigation Report of Dujiangyan to Wenchuan R,20012成都理工大学.都汶公路龙溪隧道地应力测试研究报告R,2007Chengdu University of Technology.The Research Report of Geostress Testing of Longxi Tunnel on DuWen HighwayR,20073刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南M.北京：人民交通出版社,2005Liu Bo,Han Yanhui.The Principle,Example and Application Guides of FLACM.Beijing:China Communications Press,20054北京迈达斯技术有限公司.GTS操作指南(内部稿)R.2007Beijing MIDAS Information Technology Co.,Ltd.The Operation Instructions of GTS9(Internal Manuscript)R.20075成都理工大学.都汶公路瓦斯隧道信息化监测报告R.2007Chengdu University of Technology.The Informational Monitoring Report of the Gas Tunnel on DuWen HighwayR.20076陈卫忠,朱维申,王宝林,任伟中.节理岩体中洞室围岩大变形数值模拟及模型试验研究J.岩石力学与工程学报,1998,17(3):223229Chen Weizhong,Zhu Weishen,Wang Baolin,Ren Weizhong.Numerical Simulation and Testing Study of Large Deformation forCaverns Surrounding Jointed RockmassJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,1998,17(3):2232297马时强.酋水隧道围岩大变形及支护结构数值模拟研究J.地下空间与工程学报,2009,5(3):494498Ma Shiqiang.Numrical Simulation Research of Large Deformation of Surrounding Rock and Supporting Structure at QiushuiTunnelJ.Chinese Journal of Underground Space Engineering,2009,5(3):494498Analysis on the Genetic Mechanism of the Large Deformations ofSurrounding Rocks on the Test Section in Longxi Left TunnelLi Chunlin1,2Li Tianbin2Chen Liwei1Zhai Xiaoping3（1 China Railway Southwest Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610031;2 Chengdu University of Technology,State Key Laboratoryof Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection,Chengdu 610059;3 Sichuan Province ShuTong Geotechnical EngineeringCompany,Chengdu 610041）Abstract Mountain tunnels are deep buried with complicated geological conditions,various disasters have beenencountred in their construction process.Large deformations of surrounding rocks often caused primary supportintruding into the tunnel clearance.In order to reveal the genetic mechanism of the large deformations of sur-rounding rocks,a test section was set in Longxi left tunnel on Du-Wen highway.Based on the in-situ measure-ment data,by adopting geologic analysis incorporating finite element analysis,the main cause of the large defor-mation of surrounding rocks on the left line test section was revealed:under the action of high initial stresses,softrock mass with large deformation tends to obliquely shift toward right.Key words Longxi tunnel;Large deformation;Intruding into clearance;Load-structure method;Supportingstructure;Mechanical behavior
