第1章绪论
1.1研究背景及意义
随着我国公路隧道工程以及地下工程的迅猛发展，长大、深埋險道日益增多。由于深埋隧道，尤其是越岭和傍山隧道的大埋深以及所穿越地质环境条件的复杂性与多样性，隧道在穿越高地应力区以及遇到软弱围岩时，经常会出现_道围若大变形、底鼓等相关地质灾害。大量文献检索结果显示，围岩大变形己是闲扰地下工程界的一个重大问题。底鼓是软弱围岩变形和破坏的形式之一，由于软弱围岩的物理力学性质比较复条，其强度低、裂隙发育、吸水膨胀等特性导致软弱围若抵抗外界环境扰动的能力极差，对施工开挖、爆破等影响极为敏感，在软弱岩体中修建隧道工程，隧道底鼓现象时有发生。隧道底鼓一旦发生，其变形一般是持续性的，很难自行稳定，底鼓变形的持续发展不仅会造成_道断面缩小，使險道衬砌发生开裂变形和破坏，而且对工程的安全施工以及工程建成以后的安全运行也有着非常大的影响⑴。尽管險道底鼓、仰拱破坏在铁路險道建设初期，即19世纪中叶就已经出现并引起人们的关注，但首例严重的交通險道软岩大变形应该是1906年梭工的长19.8km的辛普伦I线隧道，施工期间，多处发生围岩大变形[2];辛普伦隧道之后，奥地利陶恩公路隧道、奥地利阿尔贝格公路隧道和日木艾娜山公路隧道也相继发生软岩大变形。我国铁路險道工程中，较早发生软岩大变形的当属70年代修建的崔家沟单线铁路險道，此外比较典型的还有宝中铁路大寨岭隧道、青藏线4.0km长的关角隧道、南昆线上穿越煤系地层的家竹菁铁路險道、国道317线鹤聘山公路隧道以及铁山險道等工程均出现了不同形式和程度的围若大变形[3][4][5]。
围岩大变形地质灾害是一类危害程度大、整治费用高的地质灾害。据统计，国内外已发生大变形的隧道工程近30余座，大变形灾害不仅延误工期，而且造成工程费用的急剧增加。如南昆线上家竹箐铁路險道390m长的大变形洞段，大变形延误工期达四个半月之久，据计算，整治消耗自进式描杆10万余米，其费用就已接近正常情况下的成洞造价，如果将所有整治费用加在一起，损失可能就更惊人了。目前，險道及地下工程在围若大变形的工程对策方面是大变形研究的薄弱环节，导致两种结果：要么措施过强，造成浪费；要么大变形得不到控制，造成设备损坏和人员伤亡。大量文献检索结果显示，围若大变形问题己经成为地下工程世界性的难题之一[6]。都汶公路是国道213(317)合线。都江堰到阿坝州汶川县映秀镇为高速公路，映秀到纹川为二级公路。高速路段分别位于四川省都江堰市和阿坝州汶川县境内，全线25. 858 km; 二级路位于四川省阿坝州汶川县境内，全长70余km。紫坪铺隧道全长4090m(左洞)，属特长隧道，是都汶公路全线控制工期和投资的重点工程。_道轴线走1?北西，越岭山脊走向北东，与轴线大角度相交。紫坪铺隧道左右线在运营期间，于2010年11月发现路面开裂隆起变形，水沟电缆糟挤压变形破坏，严重威胁着行车安全。紫坪铺隧道底板隆起需要结合现场调查、理论分析、数值模拟计算等手段探讨隧道底鼓的基木特征，分析影响隧道底鼓的主要因素以及底鼓的发展过程等，并在分析底鼓机理及数值模拟的基础上，提出比较合理的底鼓控制技术。这项研究能够有效地解决紫坪铺隧道底鼓处理问题，并可为其它隧道底鼓处治提供有益的借鉴。因此，作者在导师的指导下，基于对紫坪铺隧道底板隆起段的大量调查研究，结合“泣川地震震中区都泣公路險道修复与建设关键技术研究”课题，对其变形力学机制及防治对策开展了系统的研究工作。
1.2国内外研究现状
1.2.1地应力场的相关研究
地应力是地质环境和地壳稳定性评价、地质工程设计和施工的重要基础资料之一。在隧道工程施工之前，若体处于未经人为扰动的原地应力状态下。多年来的实测和理论分析结果表明，原地应力场是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是空间和时间的函数，与地球的各种动力作用过程有关。隧道工程围岩的稳定性主要由围岩的力学性质及其告体中应力分布规律所决定。地应力是直接作用在隧道围若上的载荷，是影响險道围若稳定性的主要因素之一。分析地应力场，对确定工程区域稳定性和若体稳定性具有重要意义[6]。许多学者运用地质力学分析、地应力实测与反演、反演分析对全球应力场、区域应力场、局部应力场进行了大量的研究其中，高地应力是危及工程岩体安全的主导因素，高地应力问题己引起国内外岩石力学与工程学界的极大关注并予以深入研究沈军辉[I5]等对长河坝水电站坝址区地应力场的研究成果表明，斜坡应力场随深度变化呈蛇峰式分布，斜坡应力场具有明显的分带性，由表及里可分为应力降低带、应力增高带、应力波动带和应力平稳带。二郎山隧道进行的地应力场反演分析表明，在浅表生改造影响带表层，由于山体临空侧卸荷作用而发生松弛，故法向应力降低，往里由于斜坡平行坡面应力集中。地形地貌也是岩体地应力分布的重要影响因素之一，相关学者初步研究了不同成因类型地貌单元中若体地应力的分布特征以及它们之间的差异，并用实例进行了验证。
第2章研究区地质环境条件
2.1区域地形地貌条件
研究区总体地势北高南低，因受眠江其支流侵蚀切割的影响，形成山高谷深、地势陡峭、两山夹一江的地貌格局。区内地势高差悬殊，最低点海拔685m，最高点海拔3781m，相对高差达30%,造成流域内沟谷发育，侵蚀强烈。区内山地地貌类型包括高山、中山、低山，以中山为主。研究区主要分布在海拔1000~3500m的中山范围内，面积为641.1km2,占研究区总面积的83.96%;其次为海拔500-1000m的低山范围内，面积为121.6km2,占研究区总面积的15.93%,两者合计762.66km2，占研究区总面积的98.89%。而高山仅占0.11%。眠江河谷从北向南顺次流经研究区内的中山和低山区，然后进入成都平原。
2.2地层岩性条件
研究区内地层发育比较完整，其中寒武系(E)地层全部缺失，奥陶系(0)地层大部缺失，只在威州茅岭有小范围有出露。区内地层以元古代激江-晋宁期（Pt)、志留系（S)和三迭系Cr)这三种地层为最多，占研究区的70%以上，其中又以元古代激江-晋宁期（Pt)地层最多，占了研究区的44%的面积。区内地层从老到新有：元古代激江-晋宁期（Pt)、兀古界黄水河群(Rhn)、震旦系(Z)、奥陶系(0)、志留系(S)、泥盆系(0)、石炭系(C)、迭系(P)、三迭系(T)、侏罗系(J)、白至纪(K)、下第三纪(E)和第四纪(Q)。区内岩"性以花岗岩、砂岩、粉砂岩、灰岩"、千枚若、闪长若和石灰岩为主。其中兀古代微江-晋宁期第四期的黑云花岗岩、斜长花岗岩，元古代激江一晋宁期第三期的闪长若’三跌系上统须家河组的长石及若屑砂若、粉砂若、煤层，第四系全新统的亚砂土、亚粘土、砂、烁等若性在研究区内大面积分布(表2-1)。
第3章 地震前后汶川强震区地应力场.......... 28-55
3.1 工程区现代构造应力场特征......... 28-30
3.2 工程区地应力现场测试结果......... 30-33
3.3 地震前后工程区地应力反演分析......... 33-38
3.3.1 计算依据......... 33-36
3.3.2 模拟计算 .........36-38
3.4 工程区区域地应力场演化规......... 38-49
3.4.1 应力量级.........38-45
3.4.2 应力方向......... 45-49
3.5 紫坪铺隧道隧址区应力场数值......... 49-54
3.6 本章小结 .........54-55
第4章 震后软岩隧道底板隆起原因分析......... 55-72
4.1 隧道底鼓变形情况及原因分析 .........55-61
4.2 紫坪铺隧道底鼓形式及发展过程......... 61-63
4.2.1 紫坪铺隧道底鼓破坏形式......... 61-62
4.2.2 紫坪铺隧道底鼓发展过程......... 62-63
4.3 隧道底鼓数值模拟分析......... 63-70
4.3.1 计算模型......... 63-65
4.3.2 计算参数 .........65-67
4.3.3 模拟结果与分析......... 67-70
4.4 本章小结......... 70-72
第5章 软岩隧道底板隆起控制技术......... 72-81
5.1 紫坪铺隧道底板隆起控制方案......... 72-74
5.2 底板隆起控制方案评价 .........74-75
5.3 底鼓控制方案优化......... 75-79
5.4 本章小结......... 79-81
结论
木文在对汶川地震前后工程区7个地应力测点测量结果进行分析的基础上，结合有限元数值模拟，分析了汶川8.0级地震前后工程区地应力分布特征，在此基础上，分析汶川地震对极震区地应力场的改造特征，研究极震区地震前后地应力场的演化规律。根据现场调查、理论分析、数值模拟计算等手段探讨了隧道底鼓的基木特征，分析影响隧道底鼓的主要因素以及底鼓的发展过程等，并在分析底鼓原因、形式、发展过程及数值模拟的基础上，提出了比较合理的底鼓控制技术。通过以上工作，主要获得以下研究成果：
(1)总结前人对于汶川地震震源机制解研究成果，得出龙门山地区区域主压应力轴的优势方位为NWW向。汶川地震前，采用水压致裂法获得了浅表不同深度的应力大小，采用应力解除法获得了工程区近地表地应力数据，结果显示工程区应力量值较高，应力状态属于走滑型。地震后，在龙门山中央断裂带上下盘分别开展应力解除法地应力测试。测试结果显示，震后工程区应力释放不彻底，在断裂带上盘仍然处于较高的应力状态，在断裂带下盘应力量值处于较低水平。
(2)通过对工程区地震前后地应力场的反演分析，得到了工程区区域地应力场的分布特征，震前最大主应力多介于20MPa-70 MPa之间，局部深埋段最大主应力达110MPa，中间主应力介于5 MPa-25 MPa之间，最小主应力介于8 MPa-20 MPa之间；震后最大主应力多介于l0MPa-70 MPa之间，局部深埋段最大主应力达95MPa，中间主应力介于5MPa~20MPa之间，最小主应力介于5 MPa-20 MPa之间。在此基础上总结了地震前后工程区地应力场的演化规律为：地震后，龙门山中央断裂带下盘地应力释放较大，其应力量值属于较低的应力状态。在龙门山中央断裂带上盘，地震前就具有高地应力背景，在地震后高地应力量值降幅较小，该地区仍然属于高地应力范围。在主应力方向方面，最大主应力方向由NE~NNE甸偏转为NNE向，最大主应力方向变化较小。
(3)根据前人总结的底鼓成因，结合紫坪铺隧道实际工程情况，以该隧道底鼓段岩体为研究对象，通过现场调查和分析，得出该隧道底鼓的原因主要有：地应力、围岩强度极低、水理作用影响、震后治理措施支护强度偏弱。结合紫坪铺隧道地质条件，分析得出紫坪铺隧道底鼓破坏形式为挤压流动型底鼓。在分析紫坪铺隧道底鼓原因及形式的基础上，提出紫坪铺隧道底鼓的发展过程为：隧道开挖后底板浅部一定范围的若层破坏--水的作用使隧道底板围岩破坏范围不断加大--集中应力作用下底板围岩向隧道空间运动。
(4)利用FLAC3D软件建立三维模型对底鼓变形进行数值模拟，计算了隧道在地震前后支护方案下的底鼓量，分析了隧道围岩塑性区范围和隧道周边位移、应力分布情况。在位移方面，地震后，隧道边墙及拱脚围岩斜下移动，并最终充入底板，引起仰拱围岩甸上移动，底鼓趋势比地S前增大；在应力方面，S后地应力得到了一定的释放，仴底板的应力状态未得到改善；在塑性区方面，S后出现较大范围的塑性区，剪切破坏严重。因此还需采取进一步的措施来控制底鼓。
(5)在对隧道底鼓原因深入分析和数值模拟的基础上介绍了隧道底鼓控制技术，提出了底板注浆加固、底板锚注支护、仰拱支护、仰拱+底板锚注支护四种控制隧道底鼓的方案，并通过数值模拟进一步探讨其支护效果，综合考虑，对紫坪铺隧道的底鼓控制采用底板锚注支护。
参考文献
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