引洮工程紅層軟巖隧洞工程地質(zhì)研究.pdf

1、引洮工程是甘肅省有史以來最大的水利工程，屬大型跨流域自流引水工程。工程區(qū)廣泛分布白堊系、古近系和新近系紅層，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，存在紅層軟巖隧洞大變形，圍巖穩(wěn)定等工程地質(zhì)問題。 在綜合分析引洮工程數(shù)十年積累的工程地質(zhì)勘察資料及科研成果的基礎(chǔ)上，依托引洮工程7＃試驗(yàn)洞，采用現(xiàn)場勘探、原位剪切試驗(yàn)、現(xiàn)場變形試驗(yàn)、巖體聲波測試、室內(nèi)流變試驗(yàn)、粒度分析、粘土礦物X射線測試等方法和手段，系統(tǒng)研究了新近系和白堊系紅層巖塊與巖體的物理、力學(xué)、水

2、理性質(zhì)。為引洮工程紅層軟巖隧洞設(shè)計(jì)、準(zhǔn)確預(yù)測隧洞圍巖變形量、合理選取開挖預(yù)留變形量提供了合理的工程地質(zhì)參數(shù)。針對引洮工程7＃、9＃紅層軟巖隧洞TBM施工可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，提供了對策和建議。研究成果直接服務(wù)于引洮工程，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供直接的地質(zhì)支持，也可為同類工程提供借鑒。同時(shí)該研究豐富和發(fā)展了紅層工程地質(zhì)理論。 論文主要研究內(nèi)容及成果如下： (1)基于引洮工程既有研究成果，以活動(dòng)構(gòu)造論和地質(zhì)系統(tǒng)論為理論指導(dǎo)，對引洮工

3、程的區(qū)域地質(zhì)環(huán)境背景、地形地貌與新構(gòu)造、地層巖性等基礎(chǔ)地質(zhì)條件開展了研究，查清了引洮工程區(qū)紅層的分布規(guī)律。 (2)充分利用引洮工程既有紅層軟巖勘察資料，采用現(xiàn)場勘探、原位測試和室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)測試了新近系和白堊系紅層巖塊與巖體的物理、力學(xué)、水理參數(shù)，定量評價(jià)并客觀劃分了紅層巖性與巖組，確定了新近系和白堊系紅層隧洞圍巖物理力學(xué)指標(biāo)的取值范圍。 (3)通過室內(nèi)流變試驗(yàn)，獲得了紅層軟巖的應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系曲線，分析了紅層軟巖在

4、不同應(yīng)力水平下的蠕變特征及不同變形條件下的松弛特征。經(jīng)過模型辨識(shí)研究，得出引洮工程區(qū)紅層軟巖流變特征符合伯格斯模型(Burgersmodel)。采用麥夸托(Marquardt)迭代法得到不同荷載水平及不同變形條件下的流變參數(shù)。該參數(shù)遠(yuǎn)低于硬巖的同類指標(biāo)，反映出新近系粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖具有顯著的流變性。 (4)在上述研究成果的基礎(chǔ)上，建立了定量化的紅層軟巖工程地質(zhì)概念模型，即紅層軟巖是外觀以紅色為主色調(diào)的，以陸相沉積為主的泥巖

5、、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖，其結(jié)構(gòu)疏松，力學(xué)特征“軟弱”，具有變形量大和流變顯著的特點(diǎn)，單軸飽和抗壓強(qiáng)度<15MPa，彈性模量<10GPa，粘滯系數(shù)介于1.0×1012～1.0×1014Pa-s。工程尺度上表現(xiàn)的特征為具有可塑性、膨脹性、崩解性、流變性、離子交換性等。對于軟硬互層的巖體，只要互層巖體中的軟巖或軟巖夾層控制整個(gè)巖體的變形和強(qiáng)度特性，都應(yīng)界定為紅層軟巖。 (5)結(jié)合引洮工程7＃試驗(yàn)洞圍巖變形監(jiān)測結(jié)果，利用現(xiàn)場測試，室內(nèi)試驗(yàn)獲取

6、的物理力學(xué)參數(shù)，采用工程地質(zhì)類比法、理論計(jì)算和數(shù)值計(jì)算方法(分別采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則、Drucker-Prager準(zhǔn)則和Burgers mode模型)，對不同埋深條件下紅層軟巖隧洞的變形特征進(jìn)行分析。預(yù)測了不同埋深條件下紅層軟巖隧洞圍巖最大變形值。 (6)綜合工程地質(zhì)條件、工程設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)、工程投資、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面，分析了引洮工程7＃、9＃紅層軟巖隧洞TBM施工與鉆爆法施工的優(yōu)缺點(diǎn)，以及采用TBM施工的可行性。