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南水北调西线麻尔曲—阿柯河特长深埋隧道岩爆灾害预测及其对工程的影响

李金锁  
【摘要】: 本论文是在对前人的研究成果进行充分收集、分析总结的基础上,通过野外地质调查、现场地应力测试、室内岩石物理力学性质的测定,进而运用Ansys软件对隧道工程区的重点地段进行了三维有限元数值模拟,分析预测了南水北调西线麻尔曲—阿柯河深埋长隧道岩爆灾害。通过近两年的调查研究,着重在以下方面展开了工作: (1)对工程区的地层、地形、地貌、工程地质及活动断裂的展布进行调查; (2)采用水压致裂地应力测量方法对麻尔曲—阿柯河深埋特长隧道工程区进行地应力测试,得出了现今地应力分布规律和作用特征。 (3)现场采集典型岩石标本,进行不同类型岩石的物理力学性质测试,测定各种岩石的物理力学参数; (4)对岩、土体进行分类;特别是砂、板岩体及砂板岩互层岩体的结构面特征。 (5)利用应力场三维有限元数值模拟方法对工程区的重点地段现今地应力场进行模拟、综合分析研究。 (6)在此基础上,对深埋长隧道施工中可能出现的岩爆灾害进行分析预测,进而提出防治措施和建设性意见。 通过以上所做工作取得了以下工作进展和认识: 1.本论文是以南水北调西线麻尔曲-阿柯河特长深埋隧道可能出现的岩爆灾害预测为主要研究对象;在野外地质调查的基础上,结合地应力的现场实测,多种形式的岩石力学试验研究和三维、二维有限元数值模拟,综合分析评价了隧道工程区地应力和隧道沿线围岩应力的分布规律,并在此基础上根据已有的国内外多种岩爆判别准则,对隧道开挖岩爆发生的部位和等级进行综合分析和预测,从而为合理制定隧道的开挖设计和施工、支护方案及具体的防治措施提供依据。 2.通过野外工程地质调查得知,隧道工程区岩石主要为浅变质的砂岩和板岩,砂岩主要为中厚层-厚层状结构;板岩主要为薄层状结构。根据现场回弹初步测定,线路区弱风化砂岩单轴抗压强度一般在41MPa~128MPa之间;弱-微风化板岩单轴抗压强度一般在21~95MPa之间,大部分板岩属于中等坚硬岩,少部分为坚硬岩和较软岩。 3.通过隧道工程区实地原岩地应力的测试,对工程区应力场有了一个全面的认识:工程区地应力场以水平主应力为主,测孔水平地应力值与垂直应力值之比较高,即S_H>S_h>S_V,反映了该区为逆断层型应力状态;巴颜喀拉山两侧的地应力状态完全不同,表现为北部地应力值较小,方向偏北;南部明显增大,数值相差5~10倍,方向以北东方向为主;应力随深度变化的规律按测点主应力测值进行线性回归,得到如下结果:S_H=-4.13+0.077D S_h=-2.62+0.057D其中,D—钻孔深度(m);S_H—最大水平主应力(MPa);S_h—最小水平主应力(MPa)。 4.基于麻尔曲-阿柯河特长深埋隧道有限元计算分析结果可以看出: 水平应力总体表现为隧道断层两侧量值较高,在断层两侧附近有明显的应力集中,约为σ_1=81MPa和49.5MPa,σ_2=46.1MPa及24.3MPa,向两端量值逐渐减小,通过断层时应力降低。隧道中部量值有一定的偏高;对于垂直应力,σ_3值最大处为11.5MPa。 垂直于隧道轴线方向截面二维模型结果显示:垂直主应力σ_2表现为中间部位弱,而向顶、底板处出现应力集中,其最大值为σ_2=34.7MPa且出现在断面的顶部;σ_3为水平应力,表现为中间部位弱,向顶、底板处出现极强的应力集中,最小值为0.8MPa,出现在断面的侧帮;最大值为132.6MPa,出现在断面的顶板。这在某种程度上体现出隧道开挖后出现的一种应力重分布及应力集中的现象。 5.采用卢森、陶振宇、侯发亮及挪威Russenes的岩爆判据,对隧道区围岩应力状态与岩体强度关系进行分析,得出隧道工程区具备了发生岩爆的地应力条件,预测砂岩岩体施工断面将可能发生Ⅳ级烈度的岩爆。 本论文具有以下创新点: 1.南水北调西线麻尔曲-阿柯河深埋特长隧道工程不论是基础地质工作还是具体工程灾害研究,前人在这方面所做工作几乎为一片空白,特别是在具体工程的详细灾害预测工作方面,前人没有做过具体调查研究工作,所以本论文所做的工作是一项填补空白的工作,将对南水北调西线工程建设提供科学依据。 2.在野外地质调查的基础上,结合地应力的现场实测,多种形式的岩石力学试验研究和Ansys有限元数值模拟,研究工程区现今地应力场,综合分析评价隧道工程区地应力和隧道沿线围岩应力的分布规律,并在此基础上根据已有的国内外多种岩爆判别准则,对隧道开挖时可能发生岩爆的部位和等级进行综合分析和预测,从而为合理制定隧道的开挖支护方案及具体的防治措施提供依据。 3.在隧道岩爆灾害预测研究过程中,由传统的定性研究向半定量和定量研究方向发展,为工程应用提供更为可靠的科学依据。 4.通过数值模拟分析对隧道工程开挖前后隧道周边受力状态进行对比分析研究,提出工程中的薄弱环节,为重点防治地段、为今后进一步工作提供了依据。


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