滇中引水工程凤凰山隧洞进口段软岩工程地质特性及对围岩稳定性影响研究

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滇中引水工程整个线路的全长是607.20km,其中凤凰山隧洞的全长为15.73km,进口段主要为侏罗系地层,普遍岩质软弱,岩性以泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和细砂岩等为主。本文以“滇中引水工程软弱岩土体工程地质特性及对工程的影响研究专题”为依托,系统的总结了凤凰山隧洞的工程地质条件,并对ZK1019和ZK1039开展了地应力测试。通过物理力学试验和水理试验,研究了滇中引水工凤凰山隧洞进口段侏罗系软岩工程地质特性。通过实地调查,总结出凤凰山隧洞的岩体结构类型,并按照《工程岩体分级标准》(GB T50218—2014)对隧洞围岩进行质量评价,为了更加精确的指导施工,在评价过程中将V类围岩进一步细分成了V1类和V2类围岩,结合大理Ⅰ段和楚雄段等地区试验参数及工程经验,最终提出了凤凰山隧洞的岩体力学参数建议取值。通过犀牛软件构建三维地质模型,借助FLAC3D进行数值计算,分析了天然条件,考虑蠕变效应开挖1个月后和考虑蠕变效应开挖后3种不同支护方案支护后的围岩变形特性,得出了以下结论:(1)凤凰山隧洞主要分为以泥岩、粉砂岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩等为主的软岩地层,和以细砂岩、粉砂岩、砂岩和砂泥岩互层为主的硬质岩层,以及少量断裂带穿过的断层破碎带地层。地应力测试结果显示,凤凰山隧洞最大水平主应力方向为N22o~28oE,即NNE向,最大水平主应力方向侧压系数(σHz)范围为0.6~1.1。(2)物理力学试验显示,侏罗系妥甸组泥岩和粉砂质泥岩颗粒密度平均值较为接近;泥岩的孔隙率大于粉砂质泥岩;泥岩相对于粉砂质泥岩对水更加敏感。侏罗系妥甸组软岩的力学强度均较低,泥岩和粉砂质泥岩在饱水状态下单轴抗压强度分别为10.25MPa和10.39MPa,较干燥状态下抗压强度均有明显降低,破坏模式主要有剪切破坏型、片状剥落型和压致拉裂型3种;三轴压缩试验所得泥岩粘聚力为1.72MPa,内摩擦角为31.81°,粉砂质泥岩粘聚力为1.95 MPa,内摩擦角为37.04°。(3)侏罗系妥甸组软岩蠕变效应明显:泥岩初始蠕变量约为0.142mm,最终蠕变量约为0.31mm,粉砂质泥岩初始蠕变量约为0.045mm,最终蠕变量约为0.105mm;饱水状态下泥岩的蠕变量较粉砂质泥岩更大。(4)侏罗系妥甸组软岩水理性质显著:泥岩软化系数约0.37~0.45,粉砂质泥岩软化系数约0.35~0.42;泥岩的平均膨胀力777.29 KPa,粉砂质泥岩平均膨胀力606.25KPa;泥岩和粉砂质泥岩第2次、第10次循环后耐崩解性指数分别为0.44、0.54和0.09和0.23,表现为中、强崩解性,同时综合分析认为泥岩属于吸水膨胀崩解机制,粉砂质泥岩属于混合崩解机制。(5)凤凰山隧洞全风化下限约6.6m,强风化下限的平均值约19.6m,弱风化下限的平均值约59.7m,大部分洞段岩体质量较好,属于弱风化到新鲜岩体之间;根据调查统计结果,将凤凰山隧洞的岩体结构类型划分成厚层状结构、砂泥岩互层状结构、薄层状结构和碎裂散体状结构四类;由BQ法对凤凰山围岩进行质量分级,发现大部分洞段以Ⅳ和Ⅴ1类围岩为主,在进口段及中部断层破碎带主要以Ⅴ1和Ⅴ2类为主,极少部分砂质岩段为Ⅲ类围岩。(6)对天然条件隧洞开挖后围压变形特征分析,发现隧洞开挖后位移量总体表现出Ⅴ2>Ⅴ1>Ⅳ类围岩的趋势。其中Ⅴ1类围岩拱顶下沉量和洞底鼓起量较Ⅳ类围岩增长约12.35%;Ⅴ2类围岩拱顶下沉量和洞底鼓起量较Ⅴ1类围岩增长约20.76%。说明围岩质量越好,位移量和塑性区范围也越小,隧洞围岩稳定性越好。(7)对考虑蠕变效应条件下隧洞开挖1个月后围岩变形特征分析,发现较天然条件下位移量呈现出不同程度的增加;其中,Ⅴ1类围岩段拱顶下沉值增加约71.41%;Ⅴ2类围岩段拱顶下沉值增加约2.95倍,说明蠕变效应会显著降低围岩稳定性。(8)通过对3种不同的支护方案对比分析,发现3种支护方案均能起到良好的支护效果,对围岩稳定性的提升具有积极作用,其中C支护方案支护效果最佳,后期施工中可以考虑将C支护方案作为参考。
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