维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第２Ｏ期 ・３５８・ ２ ０ ０ ８年７月 山 西 建 筑 ＳＨＡＮＸＩ ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ Ｖｏ１．３４ Ｎｏ．２０ Ｊｔｄ．２００８ 文章编号：１００９—６８２５｛２００８｝２０—０３５８—０２ 深埋隧洞围岩稳定性研究 康立清 摘要：分析了深埋隧洞常见的地质灾害问题，研究了锦屏工程区高地应力的特性和分布规律，以帮助人们了解和研究 地质灾害的发生机理和形成条件，从而促进对深埋隧洞围岩稳定性和所受荷载的研究。 关键词：深埋隧洞，高地应力，围岩，稳定性 中图分类号：ＴＶ５５４ 文献标识码：Ａ 深埋长隧洞由于其埋深大、洞程长，因而修建过程中将会遇 在掌子面及洞周边快速铺设钢筋网，以防止落石伤人。 到一系列特殊的地质灾害问题，这些问题尽管从形式上看与浅埋 １．２高外水压力及高压涌水 隧洞工程差异不大，但其产生的地质背景和发生机理却复杂得 在深部岩体中，由于地下水水压极高，岩体有可能发生水力 多，强度和危害性也大得多。深入了解和研究这些地质灾害的发 劈裂。雅砻江锦屏二级水电站深埋勘探洞施工开挖时，在涌水点 生机理和形成条件，将有助于对深埋隧洞围岩稳定性和所受荷载 附近可观察到隧洞开挖之前导水裂缝的缝壁上常呈黄褐色，而 的研究，有助于设计和施工。 ＰＤｌ平洞２ ８４８．５ ｍ和３ ５８０ ｍ大型突水点附近还能观察到导水 １ 深埋隧洞常见地质灾害问题 １．１ 高地应力及岩爆 裂缝末端没有锈染痕迹，显然这是隧洞开挖之后地下水水力劈裂 作用使原来的导水裂缝扩展的结果。这种裂缝集中于突水点附 受构造裂隙影响而具有一定方向性。这些 高地应力及岩爆问题是深埋隧洞主要的工程地质问题之一。 近，显张性，网状交织，水力劈裂作用实际上是在高水头压力作用下，岩体断 随着隧洞工程埋深的增大，地应力必定增高。大量实测地应力资 事实表明，裂隙（或空隙）相互贯通后再进一步张 料表明，地应力的大小除与埋深、地质构造有关外，还与岩性密切 续裂隙（或空隙）发生扩展， 相关。一般而言，岩石越坚硬完整越易积聚能量，储藏较高的地 开所致。应力。 坚硬而具有脆性的岩石会因积聚的能量突然释放而产生岩 １．３ 高地温 据大量实测资料，对浅表地层，地面以下每加深１００ ＩＴＩ，地层 且受地下水 爆，使洞周边岩石成片状破裂以高速度冲进洞内，造成人员及设 温度平均提高约３℃（对孤立山体因边界条件不同，备伤害，严重影响施工安全。岩爆的形成机理十分复杂，与始应 活动的影响，不能按此估算深层地温）。因机械作业，特别是 更增大了隧洞施工的环境温度。因此， 力场、岩石性质、洞室布置、剖面形状、开挖方法等多种因素有关。 ＴＢＭ掘进将产生大量热， 般认为，当洞轴线处初始最大主应力 一大于岩石０．３０倍单 深埋隧洞常可能遇到高地温问题。地温超过３０℃称为高地温，一将恶化作业环境、降低劳动生产率， 轴抗压强度时，就有发生岩爆的可能。防治时宜采用短进尺、锚 隧洞工程中若发生高地温：１）２）影响到施工材料的选取（如 杆及时跟进的办法，可以提前约束岩爆，以减轻其烈度。必要时 并严重威胁到施工人员的生命安全；在搞上述分类统计、预算造价、发包结算时，往往为没有精确 如像“选择适合当地自然环境的涂料”一题，有必要进行专题性研 望有兴趣的学者来完成它。 防腐面积而发愁。若按图纸尺寸、测量尺寸计算面积工作较繁， 究。它是一个很有应用价值的题目， 按经验估算误差较大，现行的工作闸门按挡水面积乘以５左右的 参考文献：系数作为防腐面积，对不同结构、不同水头有较大的误差，有的高 ［１］铁的方法，只要统计出某一厚度的总重，即可方便算出这种厚度钢 汉．钢闸门防腐面积计算［Ｊ］．新疆院，１９９３（５）：６． 达２０％～３０％。我们推荐按设计图提供钢材重量计算防腐面积 ［２］何康候．大港电厂钢闸门防腐试验初评［Ｊ］．华北电力院， １９９０（２）：６． （３）：４． 材的面积，具体算法请阅读文献［１］。但该文公式中，未扣除型钢 ［３］况刚武水．钢结构防腐若干问题的探讨［Ｊ］．长委会，１９９６ 与板材重叠的面积。比实际面积偏大，经试算证明，若在计算总面 的方法是计算工作量不大、又精确的方法，值得推广应用。 本文仅对提出的问题进行一般性探讨，难免有些简单化。比 积中扣除３、５％，则与真实面积的误差在１％以内。文献［１］介绍 ［４］ 梁利生．钢结构表面腐蚀的危害与防护［Ｊ］、山西建筑， ２００７，３３（３０）：１６５—１６６． Ｇｏｏｄ ａｎｔｉｓｅｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｂｅｎｅｆｉｔ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｇａｔｅ ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ＺＨＥＮＧＺｈａｏ－ｈａｉ ＹＵＡＮＺｈｅｎ－ｇｕａｎｇ ＬＩＵＸｉａｏ－ｊｉａ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｒｕｃ— ｔｌ３ｄ＇ｓ，ａｎａｌｅｙｚｅｓｔｈｅ ａｎｔｉｓｅｐｔｉｃｄｆｅｅｔ ｏｆｔｈｅ ｅｂｂ ｇａｔｅ，ｓｕｍｍａｒｉｚｅｓｔｈｅｍｅｔｈｏｄｔｏ ｓｏｌｖｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆｔｈｅａｎｔｉｓｅｐｔｉｃｍａｎａｇｅｍｅｎｔｆｒｏｍｆｏｕｒ ａｓｐｅｃｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｔｉｎｇ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｎａｔｕｒａｌ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅ ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｔａｌｅｎｔ ｔｒａｉｎｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｎｔｉｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ａｒｅａ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｌｎｅ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔｅｅｌ ｇａｔｅ，ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｅｅｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｔｉｅｐｔｉｓｃ ｅｆｆｅｃｔ ．ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｅｅｌ 收稿日期：２００８—０３－０７ 作者简介：康立清（１９８１一），男，助理工程师，中国建筑工程总公司基础设施事业部，北京１０００４５ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第３４卷第２０期 ２ ０ ０ ８年７月 康立清：深埋隧洞围岩稳定性研究 ・３５９・ 耐高温炸药）和混凝土的耐久性，而且由于产生的附加温度应力 由初始地应力场反映回归分析得工程区三维地应力场分布 规律： 还将引起衬砌开裂，严重影响到隧洞围岩的稳定性。 １．４挤压地层（Ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ ｇｒｏｕｎｄ） １）断层对初始地应力场的影响是局部的，深部岩体受断层的 当围岩的单轴抗压强度较低且隧洞埋深相对较大时，因隧洞 影响比浅层岩体受断层的影响要大一些。主应力矢量分布规律、方位和倾角与不考虑断层时基本相同，只是由于断层 开挖后围岩应力重分布，洞周可能形成较大的塑性区。这时围岩 变化趋势、在靠近断层附近的岩体主应力值有所减小。 向洞内变形的趋势很大，受到支护的约束后将对支护产生很大的 的影响，挤压力，造成支护破坏。令围岩单轴抗压强度为Ｒ，隧洞埋深为 压特性常用围岩强度比 ＝Ｒ／／ｈ 来表示，经统计分析，当 ≤ ０．５时，就是所谓的挤压地层；当 ≤０．２５时，围岩开挖就会形成 较大的挤压变形。 ２）该工程区地应力场基本上是以自重为主，引水隧洞洞线附 ／ｙＨ ０．６～１．０；Ｋ ｄ ／ＴＨ ０．８～１．１。 ｈｎ，则重度为ｙ的上覆岩体在隧洞处形成的压力为ｙ『２０，地层的挤 近地应力场的侧压力系数为：Ｋｘ＝ａ￣／ｙＨ＝０．７～１．２；Ｋｙ＝ 如图１所示，为辅助洞主应力曲线。 １０ ０ １．５深埋隧洞其他地质问题 在浅埋隧洞中易发生其他形式的地质灾害问题，如塌方、岩 溶塌陷、泥屑流、瓦斯爆炸及有害气体、地震等，在深埋隧洞中同 样可能发生。 藿 叠 １０ ２【】 ３０ ４０ ５０ ６０ 深埋隧洞工程中的地质灾害问题不是孤立存在的，有些问题 是相互关联相互影响的。对深埋隧洞来说，高地应力和高外水压 力是两项最主要的荷载，以下将详细论述。 隧洞深度／ｍ 图１ 辅助洞主应力曲线（据华东勘测设计研究院） ２锦屏工程区高地应力特性和分布规律研究 ２．１ 高地应力区岩体特性 １）饼状岩芯、岩爆、塑性挤出、错动台阶一般都与高地应力有关； ２）在显微镜下可看到岩块中发育密集的微裂隙，这说明在高 地应力作用下，结构面隐蔽而紧密，相互嵌固，有的已处于隐屈服 （微破坏）状态，在开挖解压时，岩石就会松散裂开； ３）表现出明显的脆性和韧性的矛盾的统一，岩块在破坏时没 有明显的破坏面，而是碎散为块度大小均匀的一堆碎块； ３）在引水隧洞高程１ ６００ ｍ处，最大和最小主应力值分别为 ５４ ＭＰａ和３２ ＭＰａ。通过以上分析可知，在埋深２ ５００ ＩＴＩ处的最 大主应力值达５４ ＭＰａ，因此该工程区属高地应力区。锦屏工程 引水隧洞处于高地应力区，开挖时，岩体将表现出高地应力区岩 体的特性。高地应力引起围岩应力高度集中，将对围岩稳定和支 护结构安全产生不利影响。 如图２所示，为辅助洞水平及垂直应力曲线。 ４）岩体总是表现出弹塑性Ｉ生质，在高低压作用下，完蛰Ｉ生提高； ５）地下开挖中表现出特有的“膨胀性”，压力大，来压快，变形 量大且有强烈方向性，对有流变特性的岩体变形持续时间长。 孽 裔： 叠～ ２．２锦屏工程区高地应力分布规律 锦屏工程区长期以来地壳急剧抬升，雅砻江急剧下切，山高 谷深。地貌上属于地形急剧变化地带，因此，原储存于深处的大 量能量，在地壳迅速抬升后，虽经剥蚀作用使部分能量释放，但残 余部分很难释放殆尽，因而本区是地应力相对集中地区，有较充 沛的弹性能储备。 隧洞深度／ｌｍ 图２ 辅助洞水平及垂直应力曲线（据华东勘测设计研究院） ３结语 文中从影响围岩稳定性的几个方面人手，从地质、水文以及 理论进行了主要的阐述，并结合锦屏辅助洞的实测资料进一步说 从测试方法的机理和长探洞所处工程地质条件及测试成果 明研究围岩稳定性的必要性和对实际施工的指导。 的系统分析考虑，在应力解除法、ＡＥ法、水压致裂法３种方法的 参考文献：Ｊ］．贵州水力发电， 测试成果中，水压致裂法测试成果能较确切的反映雅砻江岸坡地带 ［１］张有天．水工隧洞建设的经验和教训［及埋深１ ８４３ ｍ以下的地应力场分布，在洞深３ ００５ ｍ（埋深１ ８４３ ｍ） ２００２（３）：１２—１５． ２］戴文亭，白宝玉．我国隧道及地下工程发展现状和前景展望 处地应力值是４２．１１ ＭＰａ。从已有地应力测试成果分析可得该 ［［Ｊ］．东北公路，２０００（４）：１３—１６． 区地应力特征如下：１）埋深大于１ ２００ ｒｌｌ时，地应力场由谷坡地带 ３］ 于学馥，郑颖人．地下工程围岩稳定分析［Ｍ］．北京：煤炭工 局部地应力转变为以垂直应力为主的自重应力场；２）最大主应 ［力、中问主应力和最小主应力均随埋深增加而增加，但递增关系 业出版社，１９８０：１－３４． 呈非直线关系；３） １／ａ３值随洞深的增加而减小，即最小主应力随 ［４］倪洞深增加的速率大于最大主应力随洞深增加的速率。 彬，徐国元．软岩隧道围岩变形分析及处理［Ｊ］、山西建 筑，２００７，３３（１）：９３～９４． Ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｅｐ ｂｕｒｙｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｆｆｅｒｅｄ ＫＡＮＧ Ｌｉ－ｑｉｎｇ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ＣＯＩＴｌｍｏｎ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｄａｍａｇｅ ｏｆ ｄｅｅｐ ｂｕｒ￣ｎｇ ｔｕｎｎｅｌ，ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｎｄ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｒｅｇｕｌａｉｒｔｙ ｏｆ ｕｐｌａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｏｆ Ｊｉｎｐｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ ａｒｅａ，ｔｏ ｈｅｌｐ ｐｅｏｐｌｅ ｒｅａｌｉｚｅ ｎｄ ａｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｆｏｒｍｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｅｏｌｃｏｇｉｃｌａ ｄａｍａｇｅ，ａｎｄ ａｃｃｅｌ— ｅｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｏ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏａｄ ｏｆ ｄｅｅｐ ｂｕｒｙｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｆｆｅｒｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｅｅｐ ｂｕｒｙｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ，ｕｐｌｎｄ ｓｔａｒｅｓｓ，ｃｏｆｆｅｒｅｄ，ｓｔａｂｉｌｉｔｙ