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隧道工程圍巖大變形類型與機制研究

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下載次數:3729上傳日期:2013年04月13日

資料作者:ys31001中 路 幣:0

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資料介紹
隧道工程圍巖大變形類型與機制研究
來源:中國公路學會 作者:四川省交通廳

摘 要: 該文通過對國內外隧道工程在施工和運營中以及正在施工的公路隧道遇到的圍巖大變形問題的分析,對圍巖大變形進行了定義,對圍巖大變形的類型、機制進行了劃分,這一理論與和工程實踐研究新的認識對今后我國長大深埋公路隧道工程建設具有重要的意義。

關鍵詞: 隧道圍巖 大變形類型 大變形機制

1 引言
交通隧道、水工隧道及其它地下工程穿越高地應力區以及遇到軟弱圍巖體,常導致軟巖大變形等相關地質災害。根據大量文獻檢索結果顯示,隧道工程圍巖大變形已困擾地下工程界的一個重大問題。19世紀中葉,鐵路隧道底鼓、仰拱破壞就已經出現并引起人們的關注(Pressel和Kauffmann,1860),但首例嚴重的交通隧道軟弱圍巖大變形應該是1906年竣工的長19.8km的辛普倫Ⅰ線隧道[1]。此后,國外如日本的惠那山(Enasan)公路隧道、奧地利的陶恩(Tauern)隧道、阿爾貝格(Arlberg)隧道等都是典型的隧道圍巖大變形災害工程事例。我國國內如青藏線4.0km長的關角隧道、寶中線3.136km長的大寨嶺隧道及1.904km長的堡子梁隧道、南昆線上的穿越煤系地層的家竹箐鐵路隧道、在建的國道317線鷓鴣山公路隧道(4.442km),以及鐵山隧道(2.099km)等工程均出現了不同形式和程度的圍巖大變形情況,給工程建設造成極大的困難[2]。
隨著我國公路隧道工程以及地下工程的迅猛發展,其長大、深埋的特點日趨明顯,而在一定的圍巖地質和環境地質條件下等則往往易于發生圍巖大變形等地質災害[3]。圍巖大變形是一類危害程度大、整治費用高的地質災害。如南昆線上家竹箐鐵路隧道390m長的大變形洞段,大變形延誤工期達四個半月之久,據計算,整治消耗自進式錨桿10萬余米,其費用就已接近正常情況下的成洞造價,如果將所有整治費用加在一起,損失可能就更驚人了[4]。目前正在施工的國道317線鷓鴣山公路隧道也因圍巖大變形不得不加強初期支護,增加工程的投入。
2 圍巖大變形研究現狀
地下工程圍巖大變形作為一種嚴重的地質災害,對隧道工程建設產生嚴重的影響,國內外學者已經做過不少的探索工作,但由于大變形理論的研究不盡成熟,加之現場地質巖體狀況復雜性,目前的研究工作主要表現在以下方面。
(1)大變形的定義
關于圍巖大變形,目前還沒有形成一致的和明確的定義。有的學者[4]提出根據圍巖變形是否超出初期支護的預留變形量來定義大變形,即在隧道施工時,如果初期支護發生了大于25cm(單線隧道)和50cm(雙線隧道)的位移,則認為發生了大變形。然而也有的學者[5]認為,不能從變形量的絕對值大小來定義大變形問題,具有顯著的變形值是大變形問題的外在表現,其本質是由剪應力產生的巖體的剪切變形發生錯動、斷裂分離破壞,巖體將向地下空洞方向產生壓擠推變形來定義大變形。
(2)關于軟巖
至今巖石工程學界仍未就軟巖的概念達成共識,軟巖的定義有十幾種之多。有的指巖石,如ISRM(國際巖石力學學會1990 ,1993)定義的軟巖是指單軸抗壓強度為0.5-25Mpa的一類巖石,如泥巖、砂頁巖及泥灰巖和變質巖類的片巖、板巖、千枚巖、蛇紋巖、頁巖、煤系地層等類巖石稱之為軟巖;有的指巖體,如1984年煤礦礦壓名詞討論會(昆明)將軟巖定義為“強度低、空隙大、膠結程度差、受結構面切割及風化影響或含有大量易膨脹粘土礦物的松、散、軟、弱巖層(體)”。有的學者定義的軟巖概念除了強度低的巖體外還包括了高度碎裂化巖體,如斷層破碎帶巖體等;還有的學者將軟巖劃分為地質軟巖和工程軟巖。
(3)大變形機制
Terzaghi于1946年首次提出了擠出性巖石和膨脹性巖石的概念,即擠出性巖石是指侵入隧道(開挖輪廓面)后沒有明顯體積變化的巖石;膨脹性巖石則是指,主要由于膨脹作用而侵入隧道(開挖輪廓面)的巖石。人們一般按形成機制將圍巖大變形分為兩類[1]:一是,開挖形成的應力重分布超過圍巖強度而發生塑性化。如果介質變形緩慢,就屬于擠出(如果變形是立刻發生的,就是巖爆);二是,巖石中的某些礦物和水反應而發生膨脹。水及某些(膨脹性)礦物的存在,對于膨脹變形是必須的。Anagnostou(1993)認為,可以發生膨脹變形的圍巖在開挖時都具有較高的強度,變形主要發生于隧道運營若干年以后,變形一般表現為底鼓,而拱頂和邊墻一般保持完好狀態。
陳宗基教授認為圍巖收斂變形機理應包括塑性楔體、流動變形、圍巖膨脹、擴容、撓曲五個方面。
何滿朝教授根據圍巖變形破壞特征、特征性礦物、力學作用和特點,將軟巖變形破壞機制分為與深部軟巖本身分子結構的化學性質有關,與力源有關,與洞室結構與巖體結構面的組合特性有關的三個方面[7],將深部軟巖(深度大于500m)按變形力學機制歸為3類:即物化膨脹類(I)、應力擴容型類(II)和結構變形類(III),13個亞類。
3 隧道工程圍巖大變形實例
自20世紀初首例嚴重的交通隧道軟弱圍巖大變形發生以來,國內外隧道及地下工程已發生的多起圍巖大變形災害,表3-1收集、列舉了國內外隧道及地下巷道圍巖大變形實例中的十四座隧道及地下巷道大變形的基本情況。國外有名的圍巖大變形隧道,如陶恩隧道、阿爾貝格隧道和惠那山隧道等5座隧道;國內比較知名的隧道是南昆鐵路的家竹箐隧道和臺灣的木柵公路隧道,金川礦地下巷道以及鐵山隧道等9座隧道及地下工程大變形。
4 隧道圍巖大變形的類型與機制
4.1 圍巖大變形的定義
目前,關于圍巖大變形的定義,有的研究者注重或側重于其中某一類型的大變形研究,系統研究很少。在工程實踐中,圍巖大變形至今亦未列入設計規范,并給施工處理造成了較大難度。


隧道及地下工程圍巖的變形破壞主要有巖爆、坍塌和大變形[6]。巖爆是一種硬巖在高地應力下的脆性破壞;坍塌和掉塊是圍巖受一定結構控制下的局部變形破壞現象;而圍巖大變形可以界定為除了巖爆運動脆性破壞和圍巖松動圈中受限于一定結構面控制的坍塌、滑動等破壞以外的圍巖變形破壞,其特點是具有累進性和明顯時間效應的塑性變形破壞。
相關資料 [隧道,圍巖,變形,研究]
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