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引洮工程红层软岩隧洞工程地质研究

刘小伟  
【摘要】: 引洮工程是甘肃省有史以来最大的水利工程,属大型跨流域自流引水工程。工程区广泛分布白垩系、古近系和新近系红层,工程地质条件复杂,存在红层软岩隧洞大变形,围岩稳定等工程地质问题。 在综合分析引洮工程数十年积累的工程地质勘察资料及科研成果的基础上,依托引洮工程7~#试验洞,采用现场勘探、原位剪切试验、现场变形试验、岩体声波测试、室内流变试验、粒度分析、粘土矿物X射线测试等方法和手段,系统研究了新近系和白垩系红层岩块与岩体的物理、力学、水理性质。为引洮工程红层软岩隧洞设计、准确预测隧洞围岩变形量、合理选取开挖预留变形量提供了合理的工程地质参数。针对引洮工程7~#、9~#红层软岩隧洞TBM施工可能出现的工程地质问题,提供了对策和建议。研究成果直接服务于引洮工程,为优化设计提供直接的地质支持,也可为同类工程提供借鉴。同时该研究丰富和发展了红层工程地质理论。论文主要研究内容及成果如下: (1)基于引洮工程既有研究成果,以活动构造论和地质系统论为理论指导,对引洮工程的区域地质环境背景、地形地貌与新构造、地层岩性等基础地质条件开展了研究,查清了引洮工程区红层的分布规律。 (2)充分利用引洮工程既有红层软岩勘察资料,采用现场勘探、原位测试和室内试验,系统测试了新近系和白垩系红层岩块与岩体的物理、力学、水理参数,定量评价并客观划分了红层岩性与岩组,确定了新近系和白垩系红层隧洞围岩物理力学指标的取值范围。 (3)通过室内流变试验,获得了红层软岩的应力—应变—时间关系曲线,分析了红层软岩在不同应力水平下的蠕变特征及不同变形条件下的松弛特征。经过模型辨识研究,得出引洮工程区红层软岩流变特征符合伯格斯模型(Burgersmodel)。采用麦夸托(Marquardt)迭代法得到不同荷载水平及不同变形条件下的流变参数。该参数远低于硬岩的同类指标,反映出新近系粉砂质泥岩和泥质粉砂岩具有显著的流变性。 (4)在上述研究成果的基础上,建立了定量化的红层软岩工程地质概念模型,即红层软岩是外观以红色为主色调的,以陆相沉积为主的泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩,其结构疏松,力学特征“软弱”,具有变形量大和流变显著的特点,单轴饱和抗压强度<15MPa,弹性模量<10GPa,粘滞系数介于1.0×10~(12)~1.0×10~(14)pa·s。工程尺度上表现的特征为具有可塑性、膨胀性、崩解性、流变性、离子交换性等。对于软硬互层的岩体,只要互层岩体中的软岩或软岩夹层控制整个岩体的变形和强度特性,都应界定为红层软岩。 (5)结合引洮工程7~#试验洞围岩变形监测结果,利用现场测试,室内试验获取的物理力学参数,采用工程地质类比法、理论计算和数值计算方法(分别采用Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则和Burgers mode模型),对不同埋深条件下红层软岩隧洞的变形特征进行分析。预测了不同埋深条件下红层软岩隧洞围岩最大变形值。 (6)综合工程地质条件、工程设计、施工组织设计、工程投资、技术经济等方面,分析了引洮工程7~#、9~#红层软岩隧洞TBM施工与钻爆法施工的优缺点,以及采用TBM施工的可行性。在已有TBM施工工程地质问题和红层软岩隧洞常见工程地质问题实例统计分析的基础上,认为引洮工程红层软岩隧洞TBM施工中最可能出现的工程地质问题为隧洞围岩大变形和突(涌)水问题。进而探讨了这些问题对红层软岩隧洞TBM施工的影响,并提出了相应对策和建议。重点研究了TBM掘进预留变形量的问题,提出引洮工程7~#红层软岩隧洞TBM掘进预留变形量建议值为9~13cm。为TBM设计、施工提供了依据。


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