引汉济渭秦岭隧洞TBM段软岩大变形研究

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在隧洞工程各类地质问题中,围岩大变形是一类容易造成施工困难、毁坏施工设备、延误工期、增加工程成本的重要地质问题。围岩大变形机理、类型、预测和支护措施研究等虽然已经取得很多进展,但是围岩大变形没有充分考虑其产生的地质背景,对软岩大变形的原因、机理缺乏分析和归纳,当代造山带理论和研究成果未应用于工程领域,这些方面还存在不足,有待进一步探讨。  本文通过现场调研、收集资料,归纳总结软弱围岩隧洞的研究现状,然后通过现场监测对引汉济渭秦岭隧洞围岩变形进行分析,总结出隧洞的变形规律,再结合数值模拟对引汉济渭秦岭隧洞围岩变形进行深入的探讨和研究,最后从细观尺度分析其变形机理,并运用大陆动力学理论来解释分析。  秦岭隧洞软岩段主要分布在岭北TBM正洞段和附近的钻爆法施工的5号支洞,岩性以千枚岩为主。5号支洞实测的最大水平收敛值和拱顶沉降值分别为1692mm和19.68mm,拱顶、左拱腰和右拱腰处的最大围岩压力分别为0.43MPa、0.31MPa和0.53MPa,围岩变形20天后趋于稳定。TBM施工段由于施工干扰较大,监测数据不完整,最大水平收敛值和拱顶沉降值分别为5.85mm和6.28mm。通过修正收敛值可以看出,5号支洞有大变形趋势,而TBM段变形趋于稳定。由于TBM段岩性变化大,断层和节理较发育,地下水活动频繁容易造成千枚岩软化,预计今后施工段随时会遇到软岩大变形问题。  按照大陆动力学理论,秦岭造山带是在主造山期华北、秦岭、扬子三板块分别沿商丹与勉略两条缝合带从南向北俯冲碰撞造山,奠定了基本构造格局,于燕山期强烈的陆内造山作用叠加改造形成今天的复合型造山带。秦岭隧洞软岩段属于秦岭微板块,小洋盆沉积奠定了泥砂岩沉积物质基础,碰撞造山的变质作用形成千枚岩,燕山期陆内造山形成脆性断层和节理。由于南北向的碰撞造山,因此主要断裂东西向分布,有利于南北向展布的秦岭隧洞围岩稳定性。  围岩的薄片鉴定结果显示围岩受多期构造影响,主要矿物为石英,含少量方解石和绢云母,都属于变质矿物。石英有早期变质形成和后期沿裂隙充填两类。三种矿物定向排列,形成片理面,成为易滑方向。因此在TBM施工段片理面和与主断裂伴生的次级断层和节理的产状是隧洞地质编录和预测分析的关键。云母易于软化和流变,含量多时易于发生围岩大变形。  数值模拟表明以基准参数模拟时,隧洞的位移基本是左右对称的,隧洞拱顶下沉和底部隆起位移较大,在隧洞洞腰部位有较大的收敛位移。埋深比较大的隧洞围岩中初始地应力较高,在隧洞的两拱肩处和隧洞边墙下部出现塑性区,且在边墙下部角落处塑性应变较大,向上方延伸,若与拱肩处的塑性区连通,将会使侧墙区域的围岩变得不稳定。隧洞顶部和底部没有塑性区出现。隧洞围岩力学参数的改变对围岩变形的影响程度不同,剪胀角对模拟结果影响程度最大,数值模拟时对其取值需谨慎,弹性模量对围岩变形量影响大,而内摩擦角和粘聚力对变形影响程度相对较小。  本文创新点是首次将大陆动力学理论引入秦岭隧洞大变形研究,试图发挥先进的地质理论对工程设计和施工的指导作用。
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