变质岩地区隧道围岩分级方法研究——以十漫高速公路隧道为例

来源 :中国地质大学(武汉) | 被引量 : 0次 | 上传用户:tianzhihen1234
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本论文以岩性特征、地质结构、断裂构造、地应力条件、地下水条件等综合地质调查分析为基础,通过对工程地质评价、岩体工程分类、稳定性影响因素分析、分级指标的选取、分级方法的修正、修正公式的确立等几大关键技术问题进行研究,并紧密结合现场工程施工,建立了一套适合变质岩地区地质条件的公路隧道围岩分级技术方法体系——[BQ]SM分级方法,经过研究,得出了如下成果和结论: (1)研究区以变质岩为主,千枚状、片状、片麻状构造,主要构造结构面为片理。整体而言,岩体受到断裂推覆、挤压、隆起等过程的影响,岩体被切割破碎,风化程度高,节理裂隙发育,力学性能弱,抗压、抗拉和抗剪等各项力学指标均较低。在西线隧道局部出露有灰岩、白云岩等沉积岩,但都不同程度受到变质作用的影响,岩体破碎。 (2)在岩体结构方面,研究区各种成因类型的结构面,包括沉积结构面(层面)、火成结构面(接触带)、变质结构面(片理)和构造结构面(断层、节理、层间错动带),均有发育,并以构造结构面为主要类型。就规模而言,大量的Ⅳ级结构面是隧道围岩主要的结构面,它直接决定围岩的完整程度,是本次隧道围岩分级、稳定性研究的基础和重点。 (3)地下水对沿线隧道围岩稳定性的影响较大,尤其是沿线的绢云母片岩、炭质千枚岩和千枚岩等含有亲水性矿物的岩石,对水的敏感度极强。在水的作用下,极易产生膨胀崩解;通过测试沿线多种岩石的软化系数发现,变质岩的软化系数基本都小于0.75,说明水对此类岩石力学强度的影响也很大。 (4)由于线路处于两郧断裂带的影响区域内,受其推覆挤压的影响,岩体内部存在一定的构造应力,加之岩体的强度较低,容易在局部区域(主要集中在埋深较大的地段)形成高应力区。开挖揭示的揉皱现象和TSP测试的高波速、实际低强度现象充分证明了围岩所处应力场情况十分复杂。 (5)通过对变质岩相关地质特性、工程性质、变形特征的探讨,可以认识到,沿线的变质岩(片岩、千枚岩等)以及局部的炭质灰岩都可以视为“地质软岩”;而灰岩和白云质灰岩等岩体则表现出岩石强度高,岩体完整性差、破碎、岩体强度低,易失稳的“工程软岩”的特点;整体而言,研究区为各种“地质软岩”和“工程软岩”构成的软弱围岩工程环境。根据各自的变形机理及影响因素的重要程度,将研究区岩体划分为结构型软岩、膨胀型软岩、高应力软岩和复合型软岩。 (6)对结构型软岩而言,其变形机理为沿结构面发生滑移和扩容变形,以及随软弱结构面形成的滑移垮塌。这种软弱夹层多为变质岩片理间的风化泥质夹层和沉积岩结构面间的岩屑夹泥土质夹层两种。其成因主要是由于围岩构造错动挤压加之水、风化作用共同作用的效果。 (7)膨胀型软岩在沿线主要是指岩石中粘粒成分主要由近水性矿物组成,并具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性或者岩体强度极其破碎的岩体。通过X射线衍射实验发现,沿线绢云母石英片岩、绿泥片岩、千枚岩及炭质千枚岩都含有含量不等的蒙脱石/伊利石成分,可判定为弱膨胀性岩石。对其膨胀机制的研究发现,内在的物化结构特征是其内因,环境湿度和应力条件是阐述其膨胀变形的外因。 (8)论文采用定量和定性相结合的方法对沿线隧道围岩的地应力状态进行了研究,发现沿线隧道在局部存在高地应力的环境,相应的形成一定的高应力区,隧道围岩在这种情况下易形成挤入式变形。对这种高应力场形成机理分析可知,高地应力场是在区域地应力场的基础上伴随着区域构造的运动而形成的,它的形成是内外动力共同作用的结果。 (9)在分级指标的选择上,论文的研究按“三步指标法”的原则来展开:即首先探讨岩体的基本质量指标,即岩石强度指标和岩体完整性指标;然后探讨分级的修正指标,包括地下水指标,结构面指标以及应力状态指标;最后探讨控制研究区隧道稳定所需的“附加指标”。前两部分指标有其应用的广泛性和普遍性,后面的“附加指标”有其应用的针对性和具体性。 (10)对岩石强度基本质量指标的获取,主要利用现场回弹试验(获取同弹值N)、现场点荷载试验(获取点荷载强度指数Is或点荷载强度PLS)、和室内试验(获取岩石单轴抗压强度Rc),并对该指标的取值情况做比较分析。试验证明回弹试验适用于抗压强度20~300MPa之间的岩石(体),对这种风化严重、强度低的围岩应用效果不佳。点荷载试验方便、对试件的要求低,是一种获取强度指标比较便捷的方法。但是由于这种方法可能会因为计算带来一定的误差,所以标准单轴抗压试验仍是获得岩石单轴抗压强度可靠测试数据的最佳手段,也是隧道围岩精确分级的主要手段。 (11)对岩体完整性程度指标,在研究中主要采用了①声波法获取岩体完整性系数Kv值,②现场节理量测法获取岩体体积节理系数Jv值,③测网法和测线法获取岩体的RQD值等三种方法。并对三个参数的相关性进行研究,发现由于变质岩多为片状构造,且片理间距很小,且部分存在充填,在这种情况下现场测得的RQD和Jv误差较大,完整性系数Kv的取值离散性也比较大,各指标值的相关性程度并不理想。 (12)在对修正指标的选择上,主要沿用《公路隧道设计规范》中的修正指标,即地下水、主要结构面和初始地应力状态三项指标。主要因为这三个指标基本能反映地下工程岩体所处的地质环境特点。 (13)在“附加指标”的选取上。针对结构型软岩,通过分析夹层的物质组成、物理性质以及力学和强度性质,确定将夹层的抗剪强度f值作为反映其力学性质的参数;对膨胀型软岩,考虑到常用的膨胀岩的分级指标和判别方法过多,不易选择的特点,论文采用了敏感性分析的手段,通过对沿线膨胀岩试验参数的逐步回归分析,得到蒙脱石/伊利石含量和吸水率两个指标与膨胀能力的相关性最好,可以将上述指标作为有代表性的分级指标来考虑;对高应力型软岩,指标的形式和判别方法比较一致,故在文中采用定性判别和定量指标Rc/σmax作为分级评价的指标。 (14)论文对目前常用分级方法,尤其是《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)在全线的应用情况进行细致的分析。可以发现,RMR分类方法共有6个基本参数:3个参数是定性的,3个参数是定量的,含有一定的人为因素,难用于软岩参数的估算,只适用于中硬岩;Q系统分类侧重考虑了岩体结构面的作用,但未直接考虑岩石抗压强度和结构面产状,且认为岩体的变形和强度主要由节理和裂隙控制的。评价时需要一些特定的参数,需要的专业知识较强,评价时比较困难。《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)分级方法虽然在90版规范上进行了大量的修正,并且与国标分级方法进行接轨,但是对研究区的特殊地质问题,如软弱夹层的问题、膨胀岩的问题,都没有很好的反映。 (15)本文所提的修正方法——[BQ]SM分级方法是在《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)围岩分级相关内容的基础上,针对十漫沿线变质软岩地层而提出的。分级的形式和思路与原分级方法一致,均是采用在基本质量指标的基础上进行详细修正后再分级。其目的在于增强修正公式的灵活性和广泛性,使得最后的修正[BQ]SM公式便于在其它类似的工程上也能得以应用和推广。 (16)在修正的步骤上,仍然采用定性和定量修正相互结合的方法。定性分级的修正主要针对规范中对岩石坚硬程度和岩体完整性两大定性说明的基础上做了一定的补充,并增加了对岩体结构上的定性描述,建立了岩体“结构体”与完整性程度的对应关系,该部分较好的弥补了在沿线完整性系数Kv,不易测取的缺陷;定量分级主要就围岩基本质量BQ和修正质量[BQ]的计算做一定的修订。 (17)在定量计算采用的指标上,除了延续规范分级的基本质量Rc和Kv,修正指标地下水、地应力、结构面系数外,还增加了反映软弱围岩特性的附加指标:夹层力学指标K4和膨胀性指标K5,并对两系数的取值原则、界限值情况做了说明和阐述;此外,结合实际地质条件,对修正指标的取值和判据也做了相应调整,得出了修正补充后的地下水修正系数K1,主要结构面修正系数K2,地应力修正系数K3取值表。 (18)对于提出的修正方法和公式,强调在现场的实践中进行应用、检验和反馈,发现问题,通过解决问题来不断进行完善。在应用中发现,只单纯的修订指标还不能起到完美的分级效果,究其原因主要是岩体基本质量指标BQ的公式在研究区的应用不太适合。 (19)对修正公式完善的核心内容就是提出针对研究区实际的岩体基本质量BQSM计算公式。对BQSM公式的指标、档次和形式仍采用规范的相关规定。在对公式确定上,通过回归分析,对二次直线式和二元二次多项式进行比较,发现二次直线式虽然在精度上略逊于二元二次多项式,但通过增加两个限制公式后,可以大大的增加其精度。最终得出了附带两个限制条件的修正BQSM公式:BQSM=110+0.6Rc+358Kv。 (20)将修正的BQSM公式和[BQ]SM分别应用到现场实际中,与现场实际级别的吻合率很高,充分了说明该公式的合理性和可行性。 (21)论文在采取面向对象C++编程语言、系统集成的策略基础上,针对山区隧道特殊的地质信息属性特点,以SQL-2000数据库为底层数据管理和存储介质,形成了一套基于GIS的从数据采集→空间属性数据库建立→指标体系选择→专业模型分析→空间和属性数据管理,较为完整的山区隧道地理信息系统——MT-GIS系统。该系统界面友好,过程清晰,易于操作,突出了专业性和实用性的特点,很好的实现了数据的可视化管理、查询和分析功能。
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