引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞深埋圍巖穩(wěn)定性分析及巖爆預(yù)測(cè)研究.pdf

1、引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞長(zhǎng)81.7km，最大埋深近2000m，屬于大埋深超長(zhǎng)隧洞。由于秦嶺造山帶復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)歷史，區(qū)域內(nèi)存在著較高的水平構(gòu)造應(yīng)力，對(duì)隧洞的穩(wěn)定性有不利的影響，理論研究和經(jīng)驗(yàn)分析認(rèn)為隧洞開挖會(huì)遇到圍巖穩(wěn)定性問題和嚴(yán)重的巖爆問題。本文選取嶺脊花崗巖與閃長(zhǎng)巖硬巖段作為研究對(duì)象，對(duì)其穩(wěn)定性與巖爆進(jìn)行分析研究，對(duì)秦嶺隧洞的設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(gòu)造應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢(shì)作用方向?yàn)楸蔽飨颍c隧洞走向平均夾角約在41°-48°之間，夾角比較大，對(duì)隧洞穩(wěn)定有不利的影響。
　　(2)針對(duì)嶺脊段深埋硬質(zhì)圍巖的特性，對(duì)硬巖隧洞的穩(wěn)定性影響因素、破壞模式與機(jī)理進(jìn)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(duì)已開挖斷面的圍巖破壞模式分析，認(rèn)為嶺脊花崗巖和閃長(zhǎng)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(yù)測(cè)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(yīng)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(gòu)造應(yīng)力較高、圍巖相對(duì)完整的特點(diǎn)，對(duì)不同埋深情況下隧洞圍巖的

4、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)破壞特征進(jìn)行了分析。模擬了500、1000、1500、1600、1800、2000m埋深情況，分別考慮自重應(yīng)力作用下和自重應(yīng)力與構(gòu)造應(yīng)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(yīng)力作用下隧洞開挖后，隧洞洞項(xiàng)出現(xiàn)了不同程度的拉應(yīng)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(gòu)造應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力作用下，聚集更多的應(yīng)變能。如果應(yīng)變能在瞬間釋放則會(huì)導(dǎo)致巖爆的發(fā)生。建議在隧洞開挖后及時(shí)采取錨噴支護(hù)，改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，防止破壞向圍巖深部擴(kuò)展。
　　（4）通過對(duì)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(zhǎng)巖，巖石堅(jiān)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(zhǔn)則和隧洞最大切應(yīng)力(σθ)兩種巖爆判斷標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)前述的數(shù)值模擬結(jié)果，對(duì)隧洞區(qū)不同埋深下巖爆發(fā)生的等級(jí)進(jìn)行了劃分。秦嶺隧洞在花崗巖和閃長(zhǎng)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(gòu)造應(yīng)力，在構(gòu)造應(yīng)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(yù)計(jì)在1200m以后，以強(qiáng)烈?guī)r爆為主。建議根據(jù)具體地質(zhì)條件