红层软岩地区公路隧道围岩压力特征讲义讲稿

红层软岩地区公路修建技术研究子课题15

红层软岩地区公路隧道围岩压力特征及相关施工技术研究西部交通建设科技项目1.岩体地质结构模型

2.断裂破碎带的稳定性评价及工程措施

3.特殊水文地质条件下隧道围岩稳定性评价及工程措施4.隧道施工地质超前预报技术

5.隧道信息化施工

研究内容及技术路线研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1区域地质环境

1.1.1地形地貌条件

七道梁地区位于青藏高原东北缘NNW向的武威－武都地貌阶梯带的东侧。该地貌阶梯带宽约50km～60km，为区域重力梯级带和地壳厚度阶梯带。

七道梁属于NW走向的马衔山、兴隆山山脉之西北段，位于陇西黄土高原西南部与祁连山东延部分的交汇处，是北面黄河流域与南面洮河流域的分水岭，最大高程2612m，相对高差大于500m，山坡坡度30～40˚。新七道梁隧道以近南北走向，在2200m高程上下穿过七道梁。研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1.2区域地层岩性

七道梁位于中祁连地背斜的东段，七道梁地区及其周边主要出露的地层及岩性有：前震旦系马衔山群(AnZmx)、震旦系下统兴隆山群(Z1xn)、奥陶系上中统雾宿山群(O2-3wx1)、侏罗系(J)、白垩系下统河口群(K1hk)、上第三系(N)和第四系(Q)。研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1.3区域地质构造

七道梁地区位于新构造活动强烈的青藏活动地块的东北缘的地貌阶梯带附近，在大地构造上，属中国北部大陆及陆缘构造区祁连山褶皱带。它处在中祁连地背斜东部与南北构造带的复合部位，亦处于NWW向马衔山－兴隆山活动断裂系西段和NNW向庄浪河活动断裂带的交汇处。研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1.3.1区域活动构造研究表明：该地区发育了11条规模较大的晚更新世以来活动的断裂，它们可以归结为NNW向和NWW向两组主导性活动构造带。大致以河口为界，河口以东地区构造样式单一，主要为地表表现较清楚的NNW向的马衔山－兴隆山左旋逆走滑活动断裂系，它们由马衔山北缘断裂(F1)、兴隆山南缘断裂(F2)、兴隆山北缘断裂(F3)和马衔山南缘断裂(F4)等4条晚更新世以来活动的断裂带组成，其新活动明显，是区内的主要控震断裂。研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1.3.2马衔山北缘活动断裂带

马衔山北缘断裂带是马衔山—兴隆山活动断裂系中活动性最强的一条，该断裂东起定西内官营，经庙湾、羊寨、银山，在七道梁的摩云关与兴隆山南缘断裂交汇后，断续经田家沟、湖滩、关山、咸水沟至八盘峡止，全长约115.5km，总体走向NW300˚。新七道梁隧道穿越的F2、F3、F4断层正是马衔山北缘断裂带的组成部分

研究内容

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.1.3.3区域地震活动特征

新七道梁隧址及周围200km半径范围内，历史地震记载始于公元前193年甘肃临洮7级地震，最大地震为1920年12月16日海原8.5及地震。历史上共记录到5.0级以上地震141次，其中5～5.9级地震96次，6.0～6.9级地震30次，7.0～7.9级地震12次，8.0～8.9级地震3次。空间分布上，研究区位于祁连山地震带、西海固地震带和天水地震带的交汇部位。区内地震活动频繁，而且在平面上展布极不均匀。区域地震所显示的条带性明显，集中性高。1.2岩层分布特征

1.新七道梁隧道区基础地质信息兰(州)—临(洮)高速公路新七道梁隧道穿过的地质体主要有白垩系河口群和震旦系兴隆山群地层，其中河口群包括上、下两个岩组。

1.2.1河口群下岩组（K1hk1）

1.新七道梁隧道区基础地质信息河口群下岩组为厚层~块状暗紫红色砂砾岩、砾岩夹薄层砂岩。质地坚硬，岩层产状NW280～300˚SW∠21~36˚，厚554.693m，地表出露在隧道K17+400～K18+250、K21+307～K21+360之间。

1.2.2河口群上岩组1.新七道梁隧道区基础地质信息河口群上岩组为中厚层状紫红色、灰黄色、黄绿色砂岩、细砂岩与泥岩互层。砂岩质地较坚硬，泥岩较软弱，易风化，岩性软硬相间。岩层产状NW310˚~330˚SW∠12˚~52˚，厚度大于1898m，地表出露于K18+250～K21+695之间。该套地层平面上出露段长3445m，发育F2、F3两大断层和F4边界断层。

1.2.3震旦系下统兴隆山群碳酸岩盐组1.新七道梁隧道区基础地质信息以灰白、浅灰色中厚层状硅质灰岩为主，夹薄层状灰绿、青灰、灰黑色千枚岩、钙质黑云母石英片岩。岩层走向NE～NEE，倾向SE，倾角58˚～83˚，厚度大于1428m。与上覆白垩系下统河口群上、下岩组地层呈断层接触。地表出露在K20+740～k21+272之间，长532m。千枚岩在平面呈带状分布，在空间上呈透镜状。

1.3隧道区地质构造特征

1.新七道梁隧道区基础地质信息1.3.1褶皱研究区地处祁连山褶皱东端隆起带，地质构造相对较为简单。新七道梁隧道区附近总体为单斜构造，大体呈NW向展布，褶皱不甚发育。1.3.2断层

1.新七道梁隧道区基础地质信息隧道区对隧道有直接影响的较大断层共5条（F1、F2、F3、F4、F5）。因F3、F4断层对隧道影响较大，下面仅简要介绍F3、F4断层.

1.3.2.1F3断层1.新七道梁隧道区基础地质信息F3发育于下白垩统河口群下组（K1hk1）内，位于下行线K20+300～K20+350之间，属正断层，产状NW/SE∠60˚±。VP＝1800m.s-1左右，折射射波同相轴扭曲，波形有干涉现象，反映有断层破碎带存在。地表被残坡积物覆盖。（照片1）。

照片1F3断层地貌特征

1.3.2.2F4断层1.新七道梁隧道区基础地质信息F4断层位于上行线K20+700～K20+770之间，逆断层，属区域性较大断裂，总体产状NW315˚SW∠65˚～75˚。展布于大尖山——摩云关一带，长约19.5km，在隧道区宽约120m～180m。断层上盘为下震旦统兴隆山群（Z1xn）中厚层石灰岩夹薄层千枚岩、片岩，下盘为下白垩统上组（K1hk2）砂岩、泥岩。（照片2）

照片2F4断层地貌特征

1.4岩体结构特征

1.新七道梁隧道区基础地质信息在隧道区，本次研究主要采用统计窗法，开展现场结构面精测，详细记录每条结构面的端点坐标、产状、可见迹长、粗糙程度、张开程度、充填特征等。

1.4.1岩体结构面测量与统计

1.新七道梁隧道区基础地质信息图1

灰岩段结构面极点等密图

(2)近南北向组262˚∠40˚1.4.2灰岩段岩体结构特征(3)NE组309˚∠70˚(1)近东西向组∠63˚～83˚第（1）组和第（2）组最为发育1.新援七道梁来隧道区宋基础地甲质信息图2白垩系赠砂岩结耻构面产父状统计云结果②NE组146˚痛∠74˚1.4泡.3白垩系岩唇体结构特滩征③N半WW组194洋˚∠1茅4˚①NW嫁W向组211˚惧∠54˚④N曾NE组281˚拆∠11˚1.4.贼3.1结构面产保状负指数分么布水地河结构面长父度分布饼格图细砂岩结构面长声度分布饼楼图1.新胃七道梁荒隧道区凭基础地冒质信息1.4岩.3.吉2结构面规模1.4子.4软弱泥打化夹层收发育夏和分布拒规律1.新七尺道梁隧道饱区基础地条质信息统计结果盗表明，F4以北，总花体而言，辟岩体基本千呈互层状赌分布。砂担岩厚度较饺泥岩大，由以40c拦m～80c棵m者居多。诞泥岩层单普层厚度相停差悬殊，喘总体平均焦厚度约83c拴m。1.新七瞧道梁隧道恩区基础地奏质信息1.5地应力场谁特征综合分油析构造撞形迹及匪其性质饰分析，愉七道梁唐地区新艰构造应羡力场的眨主压应馒力方向英为NE场31˚芝～38贝˚。1.5亡.1地应力场枪的地质力炕学分析七道梁照构造节遮理应力脑轴分布揭图1.新七味道梁隧道订区基础地演质信息1.5计.2.钥1主应力怀值的大雷小及其邮相互关怨系在两个何钻孔不蚀同深度纵上共取熔得15甚个段测冰量资料启，基本表上代表姜了隧道歉围岩的取地质特赔征，测摩量结果睛具有一促定的代银表性。结果表明收，σH＞σh＞σV，即两孙水平主昏压应力板大于垂状直应力怪，隧道布区的水绑平主应传力占主田导地位夸。测量方目法为水断压致裂收法，测戚量位置敬为隧道挑轴线上涛的ZK奥14和泄ZK1卡8两钻邪孔。1.5.饲2地应力占测量1.5.描2.2主应力随站深度的关启系ZK1恳4测量的最吉小和最大趴水平应力透随深线性琴增加的关浴系为：ZK1许8测量的最宫小和最大部水平应力妄随深线性描增加的关崇系为：1.新摩七道梁限隧道区肃基础地捐质信息1.5河.2.匀3隧道区应害力分量随络深度的变坛化关系隧道区抛应力分欢量随深托度的变貌化关系1.新蛾七道梁巧隧道区酷基础地品质信息1.5兼.3主应力拢方向根据水稀压致裂律应力测撒量的理巾论，结尼合两个孝钻孔不船同深度垦共5段且印模测匀量结果泳可知，征隧道区版主压应垂力方向舞均在N研E10阁˚～3惰5˚，修说明研工究区现障今构造答应力场长的总体伙特征是苦以NN屑E向挤线压为主船。1.新七崭道梁隧道爽区基础地夜质信息1.6岩体工程杜特性试验表明赌隧道区岩浙石具有以辱下基本特络征：(1)昏灰岩帜、砂岩馆和砾岩质的试验贝结果分即散性较容大，这姜主要是胞因为试酸样不均碗匀所致拳。但这污种离散吊性，也未从另一奔方面反以映了本井区岩体器不均匀减性。(2)墙岩石皆对水的普作用非游常敏感凑。各类扭岩石的酬软化系蚀数为0扭.26严～0.究82，晓其中尤价以泥岩纸和砂岩蕉最为显锐著。(3)匙除灰岩和墙砾岩外的辱其它岩石虹，基本上惯均显示出堪软岩的性悉质，饱和甜抗压强度烘＜30垮MPa，靠甚至天然途抗压强度凤也多＜3赴0MP辆a。1.6.长1岩石物理剂力学性质1.新七慰道梁隧道尽区基础地晕质信息1.6.奋2断层岩滤力学性窑质(1)莲断层岩的邻压缩性中低压韵类型的巴压缩试疯验结果庙表明，F4断层岩谁总体表绣现出中捉等压缩弹性。(2)断层岩奥的抗剪驻强度据直接快第剪试验，疾F4断层岩在允剪切变形征过程中，矩其剪切位扶移－剪切滴应力表现浴出应变强册化的特征摊。(3)锦膨胀性膨胀试验每结果表明宅，F4断层岩碰具有膨咸胀性，梁但膨胀拜力和膨认胀率均硬不大。冒自由膨夸胀率1.36菠%～7.70启%；膨胀压这力11.4倦4kPa～33.9使5kPa，起始膨勾胀力0.2贴1kP奏a～0.3勿5kP羞a。1.新评七道梁扛隧道区苏基础地度质信息2.1隧址区水裕文地质条若件新七道党梁隧址珍区水文蓝地质条层件较为钥复杂，惯主要体胶现在地柿貌地质筹等条件撑在空间陈分布和续作用强寒度上的吸很大差叔异、降翠水以及俱地表水言补给的漠不均一棉、出露搜泉及地血下水分瞧布和水才量大小赴的巨大茎差异。2.新七道剩梁隧道呆区渗流磁场特性抵研究2.1.言1隧址区水坟文地质条辰件隧道区鄙内地下再水类型烈基本为侍基岩裂瞒隙水。2.新七道梁陵隧道区渗浊流场特性名研究区内地下刃水主要为创大气降水驶补给，大龙气降水通疮过第四系离覆盖层（卸包括表层具黄土）和扑基岩强风厕化层渗入骨地下。一延部分地下默水沿坡积锄物底部相毕对不透水扣层向坡外术排泄，一坦部分地下周水继续下蛙渗，再沿微基岩节理帜裂隙运移欲形成裂隙鼓潜水，到扎构造破碎旁带可能形求成局部汇烧集现象，倾最后以基这岩裂隙下国降泉形式恼排出地表嘉。2.1.怜2地下水稳的补给、均径流与排柏泄条件2.1.昨3地下水化载学特征地下水毅化学分倡析结果叙表明，府裂隙水反矿化度鉴小于0富.1诉g.L-1，属H越CO3-1－Ca旁－Mg搁型水。塞总体水愿质较好口，对混堪凝土等就建材基南本无腐茶蚀作用逆。2.新七道绩梁隧道硬区渗流类场特性赞研究2.2隧道区界地下水银赋存特慢征(1)低空间分布乐不均匀由于岩阵石条件贸、构造披条件以侦及地形缘瑞地貌的举条件不悠同，隧良道区地叹下水分园布不均匪匀，富晃水性变淡化大。(2)普时间肌分布不币均衡受地形碎地貌等令条件的锯影响，砌地下水矩埋藏条脾件各异咐。地下抽水水位神受气候粗、水文考地质条梁件的影浴响呈动葬态变化谈，枯水委期水位至埋深增掀大，排恐泄量减秆少；丰浴水期埋衔深变浅萄，排泄验量相对冤较大。2.新七道述梁隧道安区渗流心场特性尖研究2.3地识下水渗流归特征基岩裂尝隙水渗赌流特征什：非连续介固质渗流的映高度离散币性非连续介粘质渗流的权各向异性非连续介霜质渗流的虹概化流速以与实际流臣速的重大葡差辣别(4)付应力场、锅温度场对挖渗流场的强影响2.新七道员梁隧道衰区渗流损场特性糖研究3.1新七除道梁隧道除断层预报目前，建隧道施许工中断垂层的预贯报方法析主要有胃基于地续面地质员调查的纳推测法理、基于笔掌子面供素描的姐前兆定腹量预测杰法、超夺前勘探闻法和各恐种物探黑法。为了预报酷对七道梁辣隧道施工毫影响最大毁的F4断膝层的规模纺及其在隧斥道中的位嘴置，在勘情察设计资章料的基础哗上，综合滔运用地面芽地质调查陶、直达地惨震波测试江、掌子面雾编录、超貌前水平钻震孔、风钻公观察等方绣法，开展捕了施工地灾质超前预浪报。3.新七道弯梁隧道施指工地质超却前预报3.1.披1断层F4的位置次及规模3.1新七市道梁隧道两断层预报(1)旁地质体投酬影技术用隧道嘴轴线正庆上方的搅地表出渣露点，制用下式翠预报断狭层在隧蓝道中出惧露位置式中，觉sign颠()－冬符号函数L0－断层猜在隧道衫轴线的尸地表里扔程，m据；H－隧道义轴线上对地表点戒与轴线激的垂直断距离，工m；β－断层的松真倾角；θ－断层走醒向与隧道联轴线的夹煤角；ω－隧道轴屑线正方向咽（里程由吼小到大的将方向）与柳断层倾向溜的夹角；L－断层在预隧道轴线这上的里程欧，m；3.新七道挡梁隧道施毫工地质超盆前预报3.1.煎1地面地控质调查(2)援F4断层的地缴面地质预秧报在勘测设蓝计资料的百基础上，匙开展了地语震波穿透奖测试。从岁测试结果父（见下图傅），在地弃表XK2哲0+78呀5以南，炊整体穿透枯波速度普权遍＞3漫000夕m.s-1，最高虚达3气580茅m.诱s-1，而X僵K20采+78赔0以北服，波速洽为2窃300原m.午s-1～25次00m惨.s-1，据此，瞒确定F4断层上输盘边界艳与隧道申轴线在作地表的敲交点为知XK2饰0+7挥80，凯高程为愉23慨47内m。3.新七道华梁隧道施额工地质超弊前预报3.新七道么梁隧道施西工地质超吐前预报断层F4穿透波测甲试扇面及依波速3.1新七技道梁隧道艘断层预报①隧树道地质贞素描紧跟隧道骄施工，详侄细记录已谦开挖围岩羞的地质特后征。结构汗面测量在醉隧道掌子东面和两壁隶进行，采带用统计窗斯法（照片桃3），同令时在坐标旁纸上绘出哈节理。后遇用数码相尝机摄影，双收集岩体习地质信息以；最后在溪室内对现冻场数码信相息进行解蚕译处理（照片4），参漂考现场记箭录和测量恐结果，作团出完整的袄隧道地质萝编录图及每相关信息哲。3.新七屋道梁隧惰道施工潜地质超箱前预报3.1质.2隧陷道内地排质编录贝和地质绍前兆预卵报3.新七道禾梁隧道施火工地质超浑前预报照片3隧道内炭结构面汗测量统唱计窗布法置3.新七道孝梁隧道施萄工地质超房诚前预报照片4快速地匙质素描颤：照片通及解译要结果示派例3.1龟新七道捉梁隧道自断层预糕报②地珍质编录浅资料分比析及F4断层预报综合隧道毛地质编录定以及结构仗面、石英窗岩脉和地粱下水活动再特征的分梢析，并参学考地面地兰质调查的温成果，预合测断层F4。3.新七道慈梁隧道施鸽工地质超叶前预报3.1浑.2隧婚道内地演质编录哥和地质绵前兆预旷报3.1新七山道梁隧道挪断层预报在上述菜预报成傲果的基显础上，芽课题组党采用超甚前水平还钻孔，券进行短食期地质抄预报。在掌子旋面顶部祥布设1渣个钻孔细，孔径啄90兄mm，哀孔口设努孔口管床，孔深泡45蠢cm～循60根cm，白外插角把2.3盏˚（钻腔孔方向娘与隧道竿轴线夹些角），若向上倾认斜度1陆.1˚地，孔底数位置至友少超出肿开挖轮糠廓线外辱1.5宾m。底钻孔采嫂用MK稀－3形牛坑道式趁全液压祝水平地就质钻机看成孔。由于钻雷孔深有渐限，未族及主断土层带和叹下盘岩闭体（砂动岩夹泥暴岩），托故不能妈准确确艳定F4的主断层挺带位置。3.新七道词梁隧道施刻工地质超企前预报3.1屑.3超弱前水平遮钻孔综合以上预报结果，并与隧道实际开挖所揭示的F4断层特征对比，发现地质投影法预报基本与实际情况相差最小。由于隧道地质编录成果不甚详细，地质前兆法预报结果较差。小结小结3.新七策道梁隧蹈道施工售地质超免前预报3.2捐新七道晋梁隧道姐围岩质淡量预报工作方击法和步航骤：(1)地表地质辅工作(2)隧道掌桥子面地粗质工作(3)已揭露趟岩体的按位置确枝定(4)信息反牛馈与修吨正(5)在修正的强隧道轴线造工程地质慕剖面图并谱结合各种今物探（如TSP等）成伏果的基损础上3.新七捞道梁隧货道施工调地质超减前预报3.2犁隧道围辩岩地质驾预报利用上眨述方法猎，在勘迁测设计勉的剖面怎图的基搅础上，挥通过地板面地质护工作和赢隧道地蹲质编录勒，对隧荡道围岩奴及其岩秘体质量牧进行了妥实时预墓报（见手下图）摄。在穿越兴遭隆山群岩另体的隧道菜段，除少箭数外，预朱报结果基侮本与地质杏情况相符涝。由此说陈明，对于厅倾角较大盾和分布较麦稳定的岩绕层，用这睡种方法进赛行隧道施食工地质超财前预报是屈可能的。3.新七道寒梁隧道施芦工地质超写前预报新七道尺梁隧道望上行线趁围岩质抹量分级笛预报与卫开挖结姨果对比3.新七道钞梁隧道施惊工地质超毫前预报3.3悦新七道练梁隧道艘涌水预续报3.3副.1涌水突水宏预报方法姓概述隧道涌此水量预克报方法闭：隧道涌水始预测方法历较多，包傻括类比法茅、数值法坏和解析法胃。隧道涌水估量按照预铜报精度要裳求及实际足需要，包眼括隧道正株常涌水量姿和隧道最筋大涌水量煎两方面。3.新七池道梁隧坑道施工创地质超现前预报3.3湿.2隧兄道涌水皆量预测到方法的赏选择不同裂诊隙、孔寨隙，其锋水文地破质条件奶不同，森具有不雀同的地痛下水