1、隧道工程中的若干地质问题伍法权2015年5月兰州隧道的基本工程地质问题围岩类型与围岩质量围岩应力场与围岩压力围岩的变形破坏模式隧道围岩支护一、隧道的基本工程地质问题2007年：隧道2555.5km / 4673座。2030年：8.5万km “7918网”，隧道大量增加。2012年：通车隧道总数10000座， 总长度突破10000km。 我国铁路公路网络高速发展，中西部交通隧道建设总量迅速增加。GPS大地形变速率图中国地震局强烈形变与高度地壳应力集中 我国大于70%地区属于沉积岩变质岩区域，交通线路大部分穿越层片状围岩。 高地应力下软弱围岩变形成为我国中西部交通隧道建设突出的工程难题。收敛变形达
2、1000mm弱胶结及水敏介质围岩变形与失稳现象层片状围岩变形与失稳现象同寨隧道初期支护普遍破坏初期支护普遍破坏初支二衬破坏初支二衬破坏施工段长度施工段长度（m m）级级 支护加强支护加强级级变变级级 级级 支护加强支护加强级级变变级级级级变变级级级级 支护加强支护加强变更长度变更长度比例比例（）（）木寨岭隧道木寨岭隧道（炭质板岩）（炭质板岩）左线左线76877687125125855855327532755 549494804804788478862.062.0右线右线89998999192192573573298729878 833335405404383438348.748.7黑山隧道（三
3、叠系板岩）157571806级、级围岩变更为IV级围岩，其中围岩变更长度为1423m，支护措施加强383m。11.5东扎沟隧道（砂泥岩）36212644围岩变更长度为1962m，支护措施加强682m。73马家山隧道马家山隧道39103910404030493049252555855860600 03732373295.495.4同寨隧道同寨隧道3618361885851743174315153303300 020202353235365.065.0青岗隧道青岗隧道305030504949162816280 00 00 00 01677167755.055.0新城子隧道新城子隧道28232823
4、0 09439430 0180180202036361179117942.442.4毛羽山隧道毛羽山隧道286328630 021932193505044744710108 82708270894.694.6天池坪隧道天池坪隧道5091509110103162316271713223223213210 03876387676.176.1围岩级别与支护措施出现大量变更。围岩级别与支护措施出现大量变更。隧道的基本工程地质问题隧道工程基本矛盾围岩应力场围岩地质特性自重应力构造应力围岩坚硬程度构造应力围岩变形变形控制隧道工程地质研究的基本方法围岩地质特性：岩性、结构、水文地质、 围岩质量围岩应力场：埋
5、深、构造背景、应力量值、 围岩压力与分布围岩变形破坏：特征与分布、力学原因变形破坏控制：支护形式、支护时机二、围岩结构类型与岩体质量围岩的地质结构类型围岩质量分级体系与规范方法特殊围岩围岩分级的统计岩体力学方法3.1 围岩的地质结构类型岩体结构类型岩体地质类型主要结构体形状结构面发育情况岩土工程特征整体状结构巨块状岩浆岩、变质岩、巨厚层状沉积岩。巨块状以层面和原生构造节理为主，多呈闭合型，结构面间距大于1.5m，一般为12组，无危险结构面组成的落石掉块。整体强度较高，岩体稳定，在变形特征上可视为均值弹性各向同性体。块状结构厚层状沉积岩、块状沉积岩、变质岩。块状柱状只具有少量贯穿性较好的节理裂隙
6、，结构面间距0.71.5m，一般为23组，有少量分离体。整体强度较高，结构面相互牵制，岩体基本稳定，在变形特征上接近弹性各向同性体。层状结构多韵律的薄层及中厚层沉积岩、变质岩。层状板状层理、片理、节理裂隙，但以风化裂隙为主，常有层间错动面。岩体接近均一的各向异性体。其变形及强度特征受层面控制，可视为弹塑性体，稳定性较差。破裂状结构构造影响严重的破碎岩层。碎块状层理及层间结构面较发达，结构面间距0.250.50m，一般在3组以上，有许多分离体。完整性破坏较大，整体强度很低，并受软弱结构面控制，多呈弹塑性体，稳定性很差。散体状结构断层破碎带、强风化及全风化带。碎屑状构造及风化裂隙密集，结构面错综复
7、杂，并多充填粘性土，形成无序小块和碎屑。完整性遭到极大破坏，稳定性极差，岩体属性属于接近松散体介质。基于层状围岩变形机理细化层状岩体结构分类围岩结构类型岩体结构特征地质成因特征工程稳定性块状结构整体块状岩体完整，巨块状，结构面主要为层面和原生结构面。含1-2组结构面，间距大于。无贯穿场地13级断裂或软弱结构面，较少软弱片状矿物和黏土物质。以结晶岩类为主的岩石，具有结晶连接。主要有巨块状岩浆岩、变质岩和巨厚层状沉积岩（层厚大于）。岩体稳定性好，围岩呈现弹脆性变形特征（如岩爆等）。块状岩体较完整，块状或柱状，轻度发育3-4组贯通节理和裂隙，结构面间距为50100cm，局部块体松动。较少片状矿物和黏
8、土物质。以结晶岩类为主的岩石，具有结晶连接。主要有块状岩浆岩、变质岩和厚层状沉积岩（层厚为50100cm）。洞室岩体稳定性较好，洞室变形为弹性-弹塑性，局部有块体滑落。层状结构中厚层状优势结构面主要为层理，其他有片理、节理，结构面中等发育，层厚3050cm。泥质胶结物中含黏土物质，中厚层沉积岩、副变质岩。洞室岩体稳定性一般，变形主要受层面控制，横观各向同性的弹塑性体，可能沿结构面滑塌、弯折。互层状结构面主要为层理、片理、节理，层状或板状，互层岩石厚度不均、岩性相间，层厚1030cm。中厚层沉积岩、副变质岩，泥质胶结物中含少量黏土物质。洞室岩体稳定性较差，变形主要受层面和优势节理面控制，易沿软弱
9、夹层或结构面滑塌。薄层状薄层状，结构面发育，局部有揉皱现象。层厚小于10cm。薄层沉积岩、副变质岩，泥质胶结物中富含黏土物质。洞室岩体稳定性极差，各向异性的塑性体，易大变形。碎裂结构断层、节理、片理和层理等较发育，有大量松散碎块状块体，结构面连结力差，结构面间距520cm。原生块状或层状岩体受到强烈的构造作用及强烈的次生演化作用，产生强烈的变形和碎裂化，岩石松弛，裂隙张开，张开裂隙有泥质或黏土质充填。稳定性差，岩体强度低，易发生大规模的岩体坍塌，易发育裂隙水，一般构成工程场地最差的部位。散体结构常见于断层破碎带、强风化及全风化带、未成岩的新近堆积物区等。构造和风化节理、裂隙密集交错分布，矿物颗
10、粒胶结差或结构面连结力很弱，呈碎屑状或散粒状。 1、岩块或岩屑与泥质混杂物；2、未成岩的岩土体：包括第三系未成岩或第四系各种成因堆积物，如黄土、粘土、砂土、粉土、碎石土等等。3、岩溶等特殊岩土体。稳定性极差，岩体结构松散，有些土砂类岩土体呈现出连续介质塑性变形特征，遇水易软化、大变形。3.2 围岩质量分级体系与规范方法 坚硬程度+完整性表 围岩基本分级围岩级别岩体特征土体特征弹性纵波速度（km/s）I极硬岩，岩体完整4.5II极硬岩，岩体较完整；硬岩，岩体完整。3.54.5III极硬岩，岩体较破碎；硬岩或软硬岩层互层，岩体较完整；较软岩，岩体完整。2.54.0IV极硬岩，岩体破碎；硬岩，岩体较
11、破碎或破碎；较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整或较破碎；软岩，岩体完整或较完整。具压密或成岩作用的粘性土、粉土及砂类土，一般钙质、铁质胶结的粗角砾土，粗圆砾土、碎石土、卵石土、大块石土，黄土（Q1、Q2）。1.53.0V软岩、岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）。一般第四系坚硬、硬塑粘性土、稍密及以上、稍湿、潮湿的碎（卵）石土、粗圆砾土、细圆砾土、粗角砾土，细角砾土，粉土及黄土（Q3、Q4）。1.02.0VI受构造影响很严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带。软塑状粘性土、饱和的粉土、砂类土等。1.0（饱和土1.5）现有岩体分级方法：国标：vcKR
12、BQ250390RMR方法：节理走向或倾向非常有利有利一般不利非常不利评分值隧道0-2-5-10-12地基0-2-7-15-25边坡0-5-25-50-60Q方法：)()(SRFJJJJRQDQwarn55)GPa(1002RMRRMREm55)GPa(104010RMRERMRmRMR评分值100-8180-6160-4140-21400300-400200-300100-2004535-4525-3515-2540021004560.08000033000 0.2II 35018004055.04000026500 0.225III25011003044.51000013000 0.275
13、IV1504502033.031623650 0.325V1002001527.010000.35RMR法和国标法岩体力学经验参数比较（国标法未修正）3.3 特殊围岩胡麻岭隧道进口段黄土胡麻岭隧道进口段黄土黄土浸水变为流塑状黄土浸水变为流塑状IVV级变VI级 兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系含水未成岩砂岩，自稳能力差，无胶结，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状，原定为IIIIV级围岩。平均每个工作面月进度不足15m，设置5座斜井，严重影响兰州铁路枢纽的运输过渡，投资也大大增加。大部分变更为级围岩。兰新线金瑶岭隧道D石英砂岩（III变V级）三都隧道进口寒武系白云岩（III级变IVV级
14、）黑山隧道混合岩II、III级变为IV、V级构造破碎弱胶结岩类层片状围岩变形与失稳现象关于围岩分类与分级方法相互脱离的问题围岩分类侧重反映结构类型及其力学效应质量分级侧重力学性质的各向同性弱化，并与工程设计相对应质量分级直接用于工程，不能客观反映岩体结构的效应，例如层状介质特性3.4 围岩分级的统计岩体力学方法现有思路：围岩分级（力学参数）标准支护设计 围岩坚硬程度+完整性+应力与地下水修正 粗略，各项同性参数弱化，对称设计更好思路：力学参数（围岩分级）计算支护设计 立足实际，计算可靠性增强，措施针对性增强围岩分级的统计岩体力学方法基本思路：岩石力学参数+岩体结构+地下水+地应力 岩体工程参数
15、（岩体质量分级）支护设计mimiva11322212%100)1 . 01 (2 . 0eRQD14211 cossinmpmEEa kaldbd=+EEmminmaxmmEEx=GPaEERMRGPaEERMRmmmm1010lg4010)100(21944RMReQ三、围岩应力场与围岩压力围岩弹性应力场及其影响因素围岩压力与高地应力软岩的增强效应2.1 围岩弹性应力场及其影响因素一般特征：洞壁应力与径向应力分布R06R03R0rr0020影响因素分析： 远场应力状态影响：埋深与构造应力ghghzhzz1zzzzzhzzgh）（002sin)321()1(212cos)31()1(21)1(
16、)1(212cos)341()1(21)1()1(21440220440220440220220rRrRrRrRrRrRrRzrzzzzr埋深100m埋深1000m 地应力量值的平移换算11011011ghghhhHH22221ghghhzz)(1)(112120212120222hhghhgghhhzhhHhzHHz1地实测水平应力值，扣除自重侧压力：2地：自重应力估值，水平应力平移叠加 远场应力状态的现场判断2cos)1 (2)1(1cc) 32(1)3(11 岩体变形参数：泊松比，各向异性泊松比模量最大主应力 最小主应力最大主应力 最小主应力介质各向异性 隧道断面形状：圆、椭圆、曲率变化
17、 群洞效应： 叠加效应 与距离 新城子隧道2.3 围岩压力与高地应力软岩的增强效应 围岩压力的理论分布鲁宾涅特公式cot)sin)cot2)1(2cos)sin1)(1(1()sin1)(cot2)1(21sin1sin2000cRacppcppp 围岩压力的规范计算方法松动压力shhq79.141.00.337MPa018. 0q 围岩的自稳潜力新奥法：隧道围岩具有一定的自稳能力；施加预应力或承接变形应力以维持围岩强度； 柔性支护以容许围岩自组织调整；适时支护以保证安全前提下的投资效益岩体自稳潜力的概念 岩体在天然状态下保持自身稳定性的潜在能力。决定于岩体的地质结构、应力场的共同作用。岩体应
18、力场对自稳潜力的贡献按照莫尔库伦准则：岩体中任一点的抗压强度 与其侧向应力 呈正比即 增加对边坡该点的自稳能力作出贡献。213ctancssqs24 高地应力下软岩的围岩压力增强效应R06R03R0rr0020硬岩软岩 围岩压力实测值突破常规量值:围岩变形破坏的常见模式硬脆性围岩变形破坏模式软弱围岩的变形破坏模式TBM掘进速率与围岩变形的竞争问题四、围岩的变形破坏模式4.1 围岩变形破坏的常见模式缩径片帮与岩爆块体滑动与冒落刀片状剥离刀口状破裂挤压诱导拱裂折断刀片状剥离4.2 硬脆性围岩变形破坏模式环状破裂 岩爆的张剪性成因-格里菲斯模型； 随着应力圆左移，破裂角减小。当纯张破裂时为0。破裂角
19、破裂角 = 4t (t + )22314arccos21t1524张剪破裂:压剪破裂:纯张破裂:0 破裂角解释与岩爆成因Euttc22Eutsc)1(12AEKt)1(12AEKt22释放能量:释放动能:张性破裂:张剪破裂:Euccc22AEKc22压剪破裂:释放能量排序:压剪 张剪 纯张不同破裂方式释放应变能密度排序:4.3 软弱围岩的变形破坏模式软岩大变形胡麻岭隧道进口段黄土胡麻岭隧道进口段黄土黄土浸水变为流塑状黄土浸水变为流塑状IVV级变VI级 兰渝铁路桃树枰隧道，全长3220m，为第三系弱成岩砂岩，自稳能力差，稍有扰动即成松散粉状结构，呈流塑状。设置5座斜井，但每个工作面月进度不足15
20、m，严重影响施工进度，投资也大大增加。原定为IIIIV级围岩，大部分变更为级围岩。兰新线金瑶岭隧道D石英砂岩（III变V级）三都隧道进口寒武系白云岩（III级变IVV级）黑山隧道混合岩II、III级变为IV、V级构造破碎弱胶结岩类水敏型软岩：遇水软化或解体的岩类 黄土、粘土类岩，泥钙质胶结岩，片岩类岩应力和水扰动 弱胶结介质的遇水酥化与碎裂介质的结构崩溃connection failed between sheets deformation water graphite, sericiteschistose minerals hard sheet 层状介质的非对称变形结构性软岩的强度弱化层片状
21、围岩与洞轴线不同组合下变形机理分析水平层状围岩失稳现象的离散元模拟水平互层状围岩失稳现象的离散元模拟 水平层状： 顶部弯折下沉 底鼓Vnv=隧道围岩拱顶下沉为主，各部位位移量随着泥岩夹层厚度的增大而增大 水平互层状厚度变化拱顶下沉量比较厚度变化底鼓位移比较厚度变化左侧壁位移比较厚度变化右侧壁位移比较水平互层状围岩失稳现象的离散元模拟拱脚部位发生弯折和滑移变形，变形主要受较软的泥岩夹层控制，各部位位移量随着泥岩夹层厚度的增大而增大。 倾斜互层状厚度变化拱顶下沉量比较厚度变化底鼓位移比较厚度变化左侧壁位移比较厚度变化右侧壁位移比较倾斜互层状围岩失稳现象的离散元模拟 拱顶部位顺层滑移、掉块 侧壁弯折
22、、内挤 软硬互层状围岩沿软弱夹层滑移和挤出直立层状围岩变形现象直立互层状围岩变形现象 直立层状围岩不同倾向的直立层状围岩的失稳部位 直立层状（洞轴向与岩层走向斜交）倾向090度（或180270度）倾向90180度（或270360度） 一侧壁应力产生弯折、内挤变形，失稳部位随岩层倾向变化。 拱顶、拱部位滑移、掉块 倾斜层状（洞轴向与岩层走向平行）倾斜互层状围岩变形现象倾斜层状围岩变形现象一侧拱肩弯折、下沉变形两侧壁沿结构面的顺层剪切滑移变形软硬互层状围岩拱脚挤出变形 倾斜层状（洞轴向与岩层走向垂直）不同倾向的倾斜层状围岩的失稳部位倾向0度或360度倾向180度倾向为0度时，拱顶弯折、下沉变形倾向
23、为180度时，底部弯折、鼓起变形l岩层倾向为0度时：拱顶弯折下沉、左右两拱肩的剪切滑移变形l岩层倾向为090度时：右侧拱肩部位的弯折与滑移l岩层倾向为90度时：右侧拱肩和左侧拱脚部位的弯折与滑移变形、左侧拱肩和右侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。l岩层倾向为90180度时：左侧拱脚部位的弯折与滑移l岩层倾向为180度时：底鼓变形l岩层倾向为180270度时：右侧拱脚部位的弯折与滑移l岩层倾向为270度时：左侧拱肩和右侧拱脚部位的弯折与滑移变形、右侧拱肩和左侧拱脚部位的剪切滑移和挤出变形。l岩层倾向为270360度时：变形主要集中在左侧拱肩部位的弯折与滑移倾斜层状围岩掌子面各部位变形特征倾向0（3
24、60）度倾向090度倾向90度倾向90180度倾向180度倾向180270度倾向270度倾向270360度 倾斜层状（洞轴向与岩层走向斜交）围岩岩性变形破坏特征对应的隧道实例黄土(砂质土)遇水湿陷、崩解、坍塌胡麻岭隧道进口、胡麻岭隧道东古路斜井半成岩砂岩成岩胶结弱，临空面水力梯度增大，推挤下座，触变成砂黑山隧道进口、古迹坪隧道进口半成岩泥岩泥质胶结弱，风化。开挖扰动下出现坍塌及大变形等问题。古迹坪隧道出口炭质板岩板理控制强度，遇水软化，开挖应力调整和低应力炭下即可产生强烈变形。木寨岭隧道大战沟斜井、纸坊隧道进口、哈达铺隧道进口、马家山隧道上罗斜井、同寨隧道进口、天池坪隧道进口、化马隧道石家院斜
25、井炭质千枚岩（片岩化）薄片状结构，强度低，遇水软化，轻微开挖扰动或应力不对称即可引起强烈变形。新寨隧道进口、沙坝隧道进口、两水隧道横洞进口混合岩粗颗粒和块体强度高，但胶结脆弱，结构强度低，胶结遇水失效，扰动结构崩溃。黑山隧道吕家滩斜井几类特殊围岩及其变形破坏机理4.4 TBM掘进速率与围岩变形的竞争问题 引洮工程9#引水隧洞位于中国甘肃省定西市内官营镇，隧洞全长18km。由于隧洞在掘进过程中发生TBM卡机事故，致使施工工期整体后延数月。FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 175412 Model Per
26、spective19:44:32 Sun Apr 05 2015Center: X: 3.600e+001 Y: 5.000e-001 Z: 3.599e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.941e+002Mag.: 1Ang.: 22.500History 1.2 1.4 1.6x105-6.0-4.0-2.0 0.0 2.0 4.0 x10-2 7 Z-Displacement Gp 7 Linestyle -6.651e-002 -1.038e-003 8 Z-Displacement Gp 16 Linestyle 1.053
27、e-003 5.300e-002 Vs. Step 1.000e+005 1.754e+005FLAC3D 3.00Itasca Consulting Group, Inc.Minneapolis, MN USAStep 175412 Model Perspective19:45:05 Sun Apr 05 2015Center: X: 3.600e+001 Y: 5.000e-001 Z: 3.599e+001Rotation: X: 0.000 Y: 0.000 Z: 0.000Dist: 1.941e+002Mag.: 1Ang.: 22.500History 1.2 1.4 1.6x1
28、05-3.0-2.5-2.0-1.5-1.0-0.5 0.0 x106 12 SZZ Stress Zone 420 Linestyle -3.303e+006 2.945e+005 11 SZZ Stress Zone 412 Linestyle -3.236e+006 3.620e+005 Vs. Step 1.000e+005 1.754e+005 围岩收敛变形曲线围岩压力过程曲线竞争问题：TBM必须在围岩收敛变形卡机拐点前通过五、隧道围岩支护现有规范的缺陷岩爆的防护特殊围岩支护方法的有效性问题围岩的非对称支护问题岩体质量分级修正分级强度+结构标准化设计l 各向同性围岩分级l 按初始状态分级l 简单的标准设计：初支抵抗全部应力，控制变形；二衬作为安全储备。地应力地下水前述问题折射出现有规范的缺陷5.1 高地应力下围岩的脆性破坏岩爆的防护控制张剪性破坏初支二衬能满足岩爆锚固力设计上下限）（10003kNcdbT5.2 特殊围岩支护方法的有效性问题 碳质板岩的注浆增强技术超前小导管注浆层片状围岩掌子面 超前小导管注浆起不到粘结层片理、提升岩体完整性的作用。 顺层锚杆不起作用5.3 围岩的非对称支护问题层状介质引起的非对称变形偏压引起的非对称变形标准支护的铅直对称的局限性对称面受力不对称变形不对称非对称支护设计概念谢 谢！
