隧道埋深劃分.pdf

第1 1卷第4期 2 0 0 0年1 2月 中國地質(zhì)災害與防治學報 T h eC h i n e s eJ o u r n a l o f G e o l o g i c a l Ha z a r da n dC o n t r o l Vo l 1 1 No 4 D e c 2 0 0 0 收稿日期 1 9 9 9 1 0 2 0 修回日期 2 0 0 0 0 3 1 5 作者簡介 徐則民 1 9 6 4 男 博士后 橋梁與隧道工程 專業(yè) 研究方向為鐵路地質(zhì)災害 文章編號 1 0 0 3 8 0 3 5 2 0 0 0 0 4 0 0 0 5 0 6 隧道的埋深劃分 徐則民 黃潤秋 王士天 成都理工學院工程地質(zhì)研究所 四川 成都6 1 0 0 5 9 摘要 隨著大埋深特長山嶺隧道的日益增多 過去關(guān)于隧道埋深的劃分顯得過于粗糙 有必要進行更詳細的分類 隧 道按埋深分類應考慮的主要因素之一是圍巖的變形破壞方式 而后者與圍巖的初始應力狀態(tài)密切相關(guān) 大多數(shù)山脈 的初始地應力架構(gòu)基本類似 即 Hma x Hmi n分別與山脈走向垂直和平行 v Hmi n隨標高的變化而變化 鑒于大多 數(shù)長隧道都與山脈走向垂直 根據(jù) v Hmi n 圍巖變形方式 變形破壞位置及圍巖自承能力等 將隧道劃分為淺埋隧 道 深埋隧道和超深隧道三大類 它們的臨界深度分別為 2 2 5 hq和5 0 0m 關(guān)鍵詞 隧道分類 初始應力狀態(tài) 淺埋隧道 深埋隧道 超深隧道 中圖分類號 U4 5 1 2 文獻標識碼 A 1 引言 我國經(jīng)典的隧道工程著作 1 4 根據(jù)埋深將隧道 劃分為深埋隧道和淺埋隧道兩大類 現(xiàn)行的鐵路隧道 設(shè)計規(guī)范 5 和公路隧道設(shè)計規(guī)范在計算圍巖壓力時 也都采用該劃分方案 深埋隧道和淺埋隧道的臨界深 度 h q 以隧道頂部蓋層能否形成壓力拱 自然拱 為 原則確定的 因此 不同類別圍巖的分界深度是不一 樣的 一般采用塌方平均高度 3 h q 表1 的2 2 5 倍 表1各類圍巖塌方高度平均值 T a b l e1 A v e r a g ec o l l a p s eh e i g h t o fd i f f e r e n t w a l l r o c k 圍巖類別 臨界深度h q m 0 61 22 34 71 0 01 9 1 5 根據(jù)上述方案 對于山嶺隧道 埋深超過5 0m 保守的估計是1 0 0m 的隧道基本上都可以劃分為 深埋隧道 我 國 在 1 9 8 0年 以 前 就 已 經(jīng) 建 成 最 大 埋 深 達 1 6 5 0m的成昆線關(guān)村壩隧道 1 9 8 0年以后 修建的 隧道越來越多 長度也越來越大 山嶺隧道長度的增 大 必然引起埋深增大 埋深數(shù)1 0 0m的隧道已經(jīng)司 空見慣 最大埋深超過1 0 0 0m的隧道越來越多 目 前世界上隧道的最大埋深已經(jīng)接近3 0 0 0m 如錦屏 電站引水隧道最大埋深2 5 0 0m 西康線秦嶺隧道最 大埋深1 6 0 0m 隧道埋深增大同時 也出現(xiàn)了與此有 關(guān)的巖爆 軟巖大變形 高地溫 高壓涌水等與隧道 論證 設(shè)計及施工等密切相關(guān)的問題 盡管這些問題 如巖爆 在埋深數(shù)1 0m的隧道中也有發(fā)生 但主要 還是出現(xiàn)在埋深大于數(shù)1 0 0m的洞段 而且具有埋 深越大 發(fā)生幾率越高的趨勢 將埋深數(shù)1 0m和數(shù) 1 0 0m甚至上1 0 0 0m的隧道同歸于深埋隧道 顯然 是不合適的 近年來 深埋隧道 一詞被廣泛采 用 6 8 而且似乎已經(jīng)被賦予了新的含義 但并未明 確其臨界深度 文獻 9 指出 隧道埋深大于5 0 0m 可稱為深埋隧道 但這與現(xiàn)行劃分方案相沖突 因此 從某種意義上來說 以往的深 淺埋隧道劃 分方案線條過粗 對隧道 特別是長大隧道的設(shè)計 施 工缺乏更明確的指導意義 有必要考慮新的劃分方案 2 山體初始地應力狀態(tài)及隧道軸線方 向選擇 隧道埋深劃分要考慮的最主要因素之一是圍巖 穩(wěn)定性 1 2 1 4 1 5 而巖體初始應力狀態(tài)是與其密切相 關(guān)的重要問題之一 盡管關(guān)于地殼深部應力狀態(tài)的研 究已經(jīng)有很長的歷史 也積累了比較多的資料 但是 真正能為山嶺隧道設(shè)計所利用的并不多 第一 這些 研究主要是為地震 地熱 采礦 石油及水電工程等 目的而進行的 從海拔來說 一般都是以標高不大的 河谷 沉積盆地 古老結(jié)晶巖地質(zhì)等部位為零點向深 部進行的 圖1 很少是在高山上進行的 第二 對 于長隧道和特長山嶺隧道 從隧底到山頂?shù)拇怪备叨?埋深 一般都在數(shù)1 0 0m至1 0 0 0m以上 G o t t h a r d 隧道已經(jīng)達到2 5 0 0m 隧道設(shè)計所要了解的是從山 頂?shù)剿淼垒S線下方一定范圍內(nèi)的初始應力分布 圖 1 因此 一般不能用傳統(tǒng)的地應力資料來推斷高聳 山體內(nèi)地應力初始狀態(tài)的垂向變化 圖1傳統(tǒng)地應力研究的深度范圍 F i g 1 D e p t hr a n g eo fg e o s t r e s sf o rt r a d i t i o n a l r e s e a r c h e s 從總體上來說 延長較遠的線狀山脈一般都是大 地構(gòu)造學所稱的擠壓褶皺帶 它們形成的真三軸應力 狀態(tài)一般為 1 2 3 其中最大主壓應力垂直于山 脈走向 中間主應力與山脈走向一致 最小主應力為 鉛直方向 如秦嶺山脈近東西向延伸 現(xiàn)今測得的最 大主應力方向為N1 0 W 擬建的渝懷線將要穿越的 圓梁山山脈總體走向為N2 0 3 0 E 現(xiàn)今測得的最 大主應力方向為N5 2 6 1 W 地應力場是構(gòu)造應力場與自重應力場疊加的產(chǎn) 物 而山脈又是地殼上應力集中最為強烈的區(qū)域之 一 因此 山嶺隧道圍巖的初始地應力分析應該綜合 考慮構(gòu)造應力場和自重應力場 山脈在褶皺隆起以 后 經(jīng)歷的最大變化就是側(cè)向卸荷和風化剝蝕作用 這種作用一般是從表面向山體內(nèi)部緩慢進行的 進行 的程度與山體的隆升高度和山體的寬度有關(guān) 高聳的 單薄分水嶺進行得快 而寬厚山體則進行得慢 上述 過程的結(jié)果是使巖體內(nèi)積蓄的構(gòu)造應力得以釋放 山 體表面一定范圍內(nèi)的應力場由以構(gòu)造為主轉(zhuǎn)化為以 自重應力為主 在以自重應力場為主的部分 最大水平主應力 Hma x 最 小水平主應力 Hmi n 和 垂 直 主 應 力 v 三個應力分量一般具有 Hma x v Hmi n或 v Hma x Hmi n的關(guān)系 在山體內(nèi)部 特別是局部侵蝕基 準面附近及其以下仍以構(gòu)造應力為主 為 Hma x Hmi n v 山嶺隧道 特別是長 特長隧道的軸線基本上都 是與山體走向垂直或近于垂直的 如西康線秦嶺隧道 及擬建的渝懷線圓梁山隧道等 本文對隧道埋深的劃 分即以隧道軸線 大致 垂直山脈走向為前提進行的 盡管有些學者提出隧道軸線應與最大主應力方向有 一定夾角 但總體上看 盡量使之與山脈走向垂直是 合理的 第一 可以使隧道長度達到最小 第二 有利于 圍巖穩(wěn)定 一般說來 作用于隧道洞壁上的切向應力 往往達到數(shù)1 0至1 0 0余個MP a 越小 越有利于圍 巖穩(wěn)定 隧道軸線垂直山體走向 圖2 也就相當于 與 Hma x平行或小角度相交 這將會避免 Hma x分解為 切向應力或降低它對切向應力的貢獻 川藏線二郎山 隧道較為強烈的邊墻巖爆及片幫可能就與隧道軸線 與 Hma x交角較大 2 3 4 6 1 3 有關(guān) 第三 可以簡 化計算 圖2隧道軸線與最大水平主應力方向的關(guān)系 F g i 2 R e l a t i o nb e t w e e nt u n n e l d i r e c t i o na n d d i r e c t i o no fma x i mu m p r i n c i p a l s t r e s s 圖3南昆線家竹箐隧道略圖 F i g 3 S k e t c hf o rJ i a z h u q i n gt u n n e l i nN a n k u nR a i l w a y 6 中國地質(zhì)災害與防治學報 Z HONG G UOD I Z HI Z AI HAI YU F ANG Z HI X UE B AO2 0 0 0年 當受到地形 線路總體展布及山體經(jīng)歷構(gòu)造運動 的復雜性的影響 而無法保證隧道軸線與 Hma x平行 而且交角較大時 圖2 必須對由于 Hma x分解出的 垂直隧道軸線方向的分力可能引起的圍巖穩(wěn)定性問 題給予高度重視 南昆線家竹箐隧道位于盤縣向斜南 段的東翼 向斜軸總體為北東向 但在隧道附近轉(zhuǎn)為 北西向 隧道恰好位于向斜軸轉(zhuǎn)向部位的局部應力場 內(nèi) Hma x應與隧道軸線近于正交 這對于隧道圍巖穩(wěn) 定性來說是很不利的 圖3 隧道開挖后 從I D K5 7 9 1 7 0到I D K5 7 9 5 6 0 長達3 9 0m的煤系地層洞段 發(fā)生了罕見的軟巖大變形 拱頂 邊墻和隧底同時收 斂 拱頂一般下沉6 0 8 0c m 最大為1 6 0c m 隧底 隆起一般為8 0c m 最大達到1 0 0c m 邊墻一般側(cè)鼓 1 0 0c m 最大達到2 4 0c m 這種邊墻收斂幅度明顯大 于拱頂和隧底的變形現(xiàn)象應該是隧道橫斷面上經(jīng)受 不均勻擠壓的結(jié)果 在平導內(nèi)測定的隧道附近圍巖的 初始應力狀態(tài)見表2 該結(jié)果和前述的構(gòu)造格局分析 及隧道變形情況是吻合的 表2家竹箐隧道地應力狀態(tài) 據(jù)王科 1 9 8 8 T a b l e2 G e o s t r e s ss t a t eo fw a l l r o c ko fJ i a z h u q i n gt u n n e l Af t e rWa n gKe 1 9 9 8 主應力 MP a 方位 傾角 應力分量 MP a 1 9 6 2N7 5 8 E2 6 7 x 8 3 4 7 8 8S 5 1 E1 7 6 y 1 6 0 9 5 4 8S 6 6 4 E 5 7 6 z 8 5 7 該大變形的整治不僅給隧道施工造成了嚴重損 失 而且影響了工期 如果設(shè)計論證階段能夠?qū)λ淼?軸線與 Hma x的關(guān)系及軟巖大變形本身有比較充分的 認識 將隧道略向北東方向平移一定距離 至少可以 在一定程度上 緩解變形程度 降低損失 金川鎳礦二礦區(qū)1 2 5 0m水平巷道軸線方向與 最 大主應力方向夾角接近6 0 最大主應力為3 0 MP a 隧道在經(jīng)過片麻巖和石墨綠泥片巖地段時 片 幫冒頂頻繁 頂部塌方高度達到7 8m 施工極為困 難 基于上述情況 在修建1 2 0 0m水平巷道時 在 片麻巖和石墨綠泥片巖地段 將巷道方向調(diào)整到接近 最大主應力方向 施工比較順利地通過了該段 4 3 劃分方案 本文在尊重既有劃分方案的基礎(chǔ)上 從巖體初始地 應力特征 圍巖壓力及圍巖穩(wěn)定性的角度將硬巖隧道劃 分為淺埋隧道 深埋隧道和超深隧道三大類 表3 表3硬巖隧道埋深劃分方案 T a b l e3 C l a s s i f i c a t i o ns c h e mef o rt u n n e l si nh a r dr o c k ma s sf r o m t h ev i e wp o i n t o fd e p t h 淺埋隧道深埋隧道超深隧道 深度范圍 m 2 3 hq 2 3 hq 5 0 0m 5 0 0m 3 1 淺埋隧道 圍巖為地表以下一定深度范圍內(nèi)由原巖風化形 成的坡積層或強風化殼 主要是 類圍巖和部分 裂隙發(fā)育 結(jié)構(gòu)面風化強烈的節(jié)理化巖體構(gòu)成的 類 圍巖 初始地應力場為典型的自重應力場 v Hma x及 Hmi n具有如下關(guān)系 v Hma x Hmi n 圍巖對開挖過 程的反應方式是坍塌 冒頂 地表出現(xiàn)線狀塌陷 圍 巖壓力計算與結(jié)構(gòu)設(shè)計可以采用應力傳遞原則或太 沙基理論 結(jié)論主要承受上覆圍巖自重 圍巖自承能 力差或無自承能力 淺埋隧道與深埋隧道的臨界深度仍然采用既有 方 案 即 2 2 5 hq 這主要是基于兩點考慮 1 長期以來 我國的教材 規(guī)范一直采用該方案 而且涉及圍巖壓力計算 襯砌結(jié)構(gòu)及施工方案設(shè)計等 眾多問題 不宜進行大的改動 2 埋深幾1 0m的 淺埋隧道和能夠形成自然拱的深埋隧道之間 在圍巖 破壞形式 支護方式等方面的確有很大不同 如有些 埋深5 0 1 0 0m的隧道 洞段 不僅圍巖能夠自承 而且?guī)r爆強烈 將其劃分為淺埋隧道是不合適的 盡管淺埋隧道與深埋隧道的臨界深度是隨圍巖 類別的變化而變化 但是它們的區(qū)別是明顯的 3 2 深埋隧道 3 2 1 圍巖基本上屬于山體卸荷范圍內(nèi)的弱風化巖 體或新鮮巖體 初始應力場由自重應力場和構(gòu)造應力 場疊加而成 3 2 2 Hma x與隧道軸線基本平行或小角度相交 v Hmi n與隧道軸線垂直 三者一般具有下關(guān)系 Hma x v Hmi n 圖4 5 6 7 8 3 2 3 隨著埋深增大 v Hmi n減小 并趨于1 3 2 4 圍巖對開挖卸荷過程的反應 硬巖主要表現(xiàn) 為巖爆和片幫 軟巖則表現(xiàn)為塑性收斂 如果支護不 及時或支護不合理 可能會由于圍巖的漸進屈服和多 序次屈服 引起所謂的 軟巖大變形 當開挖斷面 比較大 節(jié)理比較發(fā)育時 可能存在較大巖塊的塌落 這里主要討論巖爆 7 第4期徐則民等 隧道的埋深劃分 圖4深埋隧道周圍的非均布初始應力場 F i g 4 T h eh e t e r o g e n o u sd i s t r i b u t e dp r i ma r ys t r e s s f i e l da r o u n dd e e p l y i n gt u n n e l 圖5秦嶺隧道秦鉆5孔地應力 深度曲線 原始數(shù)據(jù)引自文獻 1 2 F i g 5 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eQ i n z u a n5 i nQ i n l i n gt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 7 巖爆一般可以描述為 開挖引起隧道周圍一定范 圍內(nèi)的應力重分布 當洞壁及其附近形成的切向應力 超過巖體強度時 巖體發(fā)生屈服時的一種正?，F(xiàn)象 其具體表現(xiàn)形式主要是巖塊 片 的爆裂彈射和拋擲 從力學性質(zhì)上看 巖爆是在 1 2 3 且 2 3 4 的真三軸條件下 巖體發(fā)生拉破壞或拉剪破壞的產(chǎn) 物 深埋隧道巖爆發(fā)生部位與隧道埋深和 v Hmi n大 小有關(guān) 當隧道絕對埋深較小 特別是埋深小于2 0 0 m v Hmi n較大時 巖爆幾乎全部發(fā)生在拱頂或拱肩 隨著埋深增大和 v Hmi n的減小 邊墻開始出現(xiàn)巖爆 并逐漸波及到邊墻底部 個別情況下 隧底也會出現(xiàn) 巖爆 西康鐵路秦嶺特長隧道 線平導進口端和天生 圖6二郎山隧道C Z K2孔地應力 深度曲線 原始數(shù)據(jù)引自文獻 1 3 F i g 6 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eC Z K2i n E r l a n g s h a nt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 9 圖6二郎山隧道C Z K3孔地應力 深度曲線 原始數(shù)據(jù)引自文獻 1 3 F i g 7 G e o s t r e s s d e p t hc u r v ef o rb o r e h o l eC Z K3i n E r l a n g s h a nt u n n e l d a t aa f t e r Hu a n g t a o1 9 9 9 橋二級水電站 號引水隧道的巖爆發(fā)育情況 9 1 1 證 實了上述推論 3 2 5 圍巖壓力計算 對于大多數(shù)新鮮圍巖 應該 采 用 基 于 彈 塑 性 理 論 的 F e n n e r公 式 或C a q u o t Ke r i s e l公式 但當 v Hmi n v v Hmi n 1或 Hmi n v 1 圖6 7 8 3 3 3 隨著埋深增大 Hmi n v增大 3 3 4 圍巖對開挖卸荷過程的主要反應仍然是巖 爆 巖爆在隧道橫斷面上的發(fā)生部位隨深度增加 一 般應具有以下變化規(guī)律 邊墻巖爆 拱頂巖爆 環(huán)向巖爆 邊墻巖爆 拱頂巖爆 隧底巖爆 邊墻巖爆為主 拱頂巖爆為輔 埋深大于5 0 0m時 邊墻巖爆與拱頂巖爆同時 發(fā)生的例子除了秦嶺隧道和天生橋電站引水隧道外 還有川藏公路二郎山隧道 該隧道斜穿由志留系 泥 盆系砂巖 泥巖及白云巖等構(gòu)成的一個單斜山 隧道 長4 1 6 1k m 最大埋深7 6 0m 施工期間在山體中部 近2k m的路段發(fā)生了以松脫剝離為主的巖爆 個別 部位有巖塊彈射現(xiàn)象 主要巖爆地段埋深5 0 0 7 6 0 m 巖爆在兩側(cè)邊墻及拱頂出現(xiàn)的幾率基本相同 1 3 甚至邊墻巖爆要比拱頂巖爆還普遍些 二郎山隧道邊 墻普遍發(fā)生巖爆 除與 Hmi n量級較高外 還與隧道軸 線與 Hma x交角過大有一定關(guān)系 環(huán)向巖爆的典型例子是天生橋引水隧道 需要指 出的是 對于松弛 脫落而非彈射型的巖爆 相對于 邊墻和拱頂 隧底即使發(fā)生也不易于被發(fā)現(xiàn) 特別是 巖塊較小時 因此 環(huán)向 隧底 巖爆的實際發(fā)生情 況應該比文獻報道的要多些 3 3 5 圍巖壓力計算應該采用基于圍巖彈塑性變形 的塑性松動圈理論 4 結(jié)語 隨著特長山嶺隧道的日益增多 隧道的絕對埋深 越來越大 與隧道大埋深有關(guān)的問題也越來越多 因 此 完善既有的粗線條隧道埋深劃分方案是必要的 大 型山脈初始應力狀態(tài)的架構(gòu)基本類似 即 Hma x Hmi n分別與山脈走向垂直和平行 山脈由于隆 起卸荷等自然過程 其地應力狀態(tài)在垂直方向具有一 定的變化 對隧道的影響最大的應該是 v與 Hmi n的 比值 根據(jù)圍巖初始應力狀態(tài) 圍巖變形破壞方式 山 嶺隧道可以劃分為淺埋隧道 深埋隧道和超深隧道三 大類 它們的分解深度分別為 2 2 5 h q和5 0 0m 應該說 隧道的埋深劃分是一個與設(shè)計 施工密 切相關(guān)的復雜問題 本文僅僅是提出了對這一問題的 一些初步設(shè)想 在分類中是否應該更詳盡地考慮巖石 類型 結(jié)構(gòu)面影響 地溫等 還有待于進一步探討 希望引起大家的共鳴 不足之處 不吝賜教 參考文獻 1 鐘桂彤 鐵路隧道 M 北京 中國鐵道出版社 1 9 9 6 2 陳豪雄 隧道工程 M 北京 中國鐵道出版社 1 9 9 5 3 鐵道部第二勘測設(shè)計院 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 T B T3 9 6 S 北京 中國鐵道出版社 1 9 9 8 4 鐵道部第二勘測設(shè)計院 鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊 隧 道 S 北京 中國鐵道出版社 1 9 9 5 5 鐵道部第二勘測設(shè)計院 鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 T B T3 9 6 S 北京 中國鐵道出版社 1 9 9 8 6 吳江敏 等 深埋高地應力地區(qū)隧道支護襯砌結(jié)構(gòu)形 式及受力特點的研究 A 鐵路工程建設(shè)科技動態(tài)報 告文集 鐵路隧道及地下工程 C 成都 西南交 通大學出版社 1 9 9 5 1 8 9 7 陳荷友 毛賓 深埋高溫的秦嶺隧道中掘進機刀具工 作特性的研究 A 鐵路工程建設(shè)科技動態(tài)報告文集 鐵路隧道及地下工程 C 成都 西南交通大學 出版社 1 9 9 5 8 1 8 陽友奎 深埋硬巖隧道的巖石力學問題及其設(shè)計對策 A 鐵路工程建設(shè)科技動態(tài)報告文集 鐵路隧道及 地下工程 C 成都 西南交通大學出版社 1 9 9 5 1 7 8 9 第4期徐則民等 隧道的埋深劃分 9 王賢能 深埋隧道工程水 熱 力作用的基本原理及其 災害地質(zhì)效應研究 D 成都理工學院博士論文 1 9 9 8 1 0 劉正雄 等 對秦嶺隧道進口端 線平導巖爆現(xiàn)象淺 析 A 鐵路工程建設(shè)科技動態(tài)報告文集 鐵路隧 道及地下工程 C 成都 西南交通大學出版社 1 9 9 5 1 6 6 1 1 司軍平 等 對秦嶺 線平導進口端巖爆的幾點認識 J 世界隧道 1 9 9 8 2 5 7 6 0 1 2 黃濤 滲流場與應力場耦合環(huán)境下裂隙圍巖型隧道涌 水量預測的研究 D 西南交通大學博士學位論文 1 9 9 7 1 3 徐林生 川藏公