论文部分内容阅读
都汶高速公路位于“5.12”汶川地震震区，靠近岷江，毗邻有“生命通道”之称的都汶二级公路，是一条进入汶川灾区的快速通道。汶川地震诱发了大量的山体滑坡、崩塌和泥石流等次生地质灾害，这些次生地质灾害具有分布范围广、数量多、种类全、密度大、强度高、致灾重等特点，对都汶高速公路隧道的建设和运营产生了极大的危害。因此，分析隧道穿越崩塌、滑坡和泥石流堆积体时灾害体与隧道稳定性间的相互关系，开展强震后隧道穿越次生地质灾害体的处治技术研究是十分有必要的。
本文详细阐述了都汶高速公路工区及沿线多条隧道的工程地质条件，总结分析了汶川地震诱发的崩塌、滑坡和泥石流等次生地质灾害的特征及类型;研究了隧道在穿越各类次生地质灾害体时可能遇到的问题及相应的处治措施。在此基础上，以数值模拟的手段，选取典型的穿越崩塌堆积体、滑坡体和泥石流堆积体的隧道，进行了开挖稳定性及处治措施效果评价，结合数值模拟的结果和隧道的地质条件对原支护处治设计进行了优化。主要获得了以下研究成果:
(1)研究分析了汶川地震诱发的崩塌、滑坡和泥石流等次生地质灾害体的特征及类型。研究表明，在强震作用下，研究区的崩塌变形以拉裂破坏为主，伴有大量的顺坡滑动失稳，高陡斜坡崩塌灾害发育，在动力条件下有岩体抛射的现象发生;滑坡体在失稳前存在有独特的震动拉裂现象，具有超强的动力特性和大规模的高速抛射与远程运动;泥石流与强烈地震在时空上相关，主要分布在高地震烈度地区，受地震作用、暴雨雨量及物源区松散破碎程度共同影响。
(2)通过实地勘察和遥感解译，研究了都汶高速公路沿线次生地质灾害体的分布及特征。研究表明，沿线崩塌灾害多发于高陡斜坡，岩体普遍破碎并受构造断裂带及降水入渗的影响。而沿线泥石流灾害有着发育斜坡坡度大、沟域面积差异大、主沟床平均纵比降较大、沟谷堆积物结构松散，抗冲刷能力差和泥石流易发程度较高的特点。
(3)在研究都汶高速公路沿线次生灾害体的基本特征的基础上，采用FLAC3D软件对穿越崩塌和泥石流堆积体的隧道进行数值模拟计算分析。对FLAC计算中内置的Mohr-Coulomb模型参数，按照崩塌堆积体厚度的不同以Hoek-Brown非线性破坏准则进行近似折减，使其适合崩塌堆积体的数值模拟;以强度折减法分析崩滑体潜在滑动面的位置，并确定其与隧道变形间的相互关系。在此基础上，结合以往工程经验和研究区次生灾害体的特征，提出了适宜相关数值计算的模型材料物理力学参数建议值。
(4)以都汶高速公路映秀隧道为例，对隧道进口的自然斜坡、仰堑坡的稳定性及围岩的工程地质条件进行评价。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，对隧道开挖及崩塌堆积体的稳定性进行分析。分析表明，堆积体的岩层分界面与基覆面对隧道开挖稳定性影响较大;堆积体边坡在隧道开挖过程中基本保持稳定，但由于崩塌堆积体结构松散，坡表多块、碎石，部分地方有巨石，堆积体坡表变形可能导致土石块沿边坡滚落。在数值计算的基础上，分析隧道结构物及堆积体边坡的变形破坏特征，针对崩塌堆积体厚度大山体高架空结构明显的特点，在堆积体平台处增设被动防护网;数值模拟的结果表明隧道开挖对于崩塌堆积体稳定性的影响集中表现在隧道开挖前55m内，针对这一特点，考虑以坡面注浆锚杆对坡表进行加固;针对隧道开挖过程中掌子面的稳定状态，调整隧道的开挖方式，对超前支护措施进行了加强。
(5)以都汶高速公路桃关2号隧道为例，对隧道进口的自然斜坡及仰堑坡稳定性进行评价。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，采用强度折减法对崩滑体在天然状态下及隧道开挖状态下的稳定性进行分析，确定了潜在滑面的位置与崩滑体达到极限平衡状态时的安全系数;对隧道衬砌的稳定性进行分析，结果表明隧道拱顶、底板的位移变形趋势与崩滑体的变形趋势基本一致，影响范围均在开挖100m至250m内。在此基础上，针对隧道进口岩体松散，易发生垮塌的特点，提出了利用地表多级竖向注浆的方法对崩滑体坡脚进行稳定，并设置多级被动防护网防止飞石、崩塌造成的危害;根据对崩滑体稳定性的相关分析，将洞内支护加强方案分为进洞加强段、开挖加强段和稳定支护段三个阶段，分别进行开挖方式的优化、超前支护的加强及衬砌的加强。
(6)以都汶高速公路福堂隧道为例，对隧道所穿越的高家沟和彻底关沟泥石流沟进行了简要介绍。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，分别在无支护状态和设计支护状态下对隧道穿越泥石流堆积体进行开挖稳定性分析。分析表明隧道在泥石流堆积体中进行开挖时，控制隧道拱顶及地表的沉降是控制变形的最关键环节。针对这一特点，将原设计中的锚杆长度调整至5m，增加了注浆小导管进行注浆加固，同时加强了初期支护，以控制拱顶及地表的沉降。
(7)研究分析了泥石流堆积体厚度变化对隧道稳定性的影响。研究表明，当泥石流堆积体的厚度不断的下降时，隧道衬砌结构及围岩的应力会随之不断减小，仰拱及边墙的变形量略有增大，但总体增量较小;隧道拱顶的沉降随着覆盖层厚度的减小而不断减小，在覆盖层厚度降为约12m至14m时，拱顶沉降量开始增大，隧道围岩随着覆盖层的减小逐渐失去了自稳性。当泥石流堆积体的厚度不断增大时，围岩的应力会随之不断增大，在覆盖层厚度超过42m时，围岩应力增量逐渐变小，岩体形成自稳体系。同时，随着覆盖层的加厚，上覆岩土体的自重增大，隧道拱顶的沉降量会随之不断增大。
本文详细阐述了都汶高速公路工区及沿线多条隧道的工程地质条件，总结分析了汶川地震诱发的崩塌、滑坡和泥石流等次生地质灾害的特征及类型;研究了隧道在穿越各类次生地质灾害体时可能遇到的问题及相应的处治措施。在此基础上，以数值模拟的手段，选取典型的穿越崩塌堆积体、滑坡体和泥石流堆积体的隧道，进行了开挖稳定性及处治措施效果评价，结合数值模拟的结果和隧道的地质条件对原支护处治设计进行了优化。主要获得了以下研究成果:
(1)研究分析了汶川地震诱发的崩塌、滑坡和泥石流等次生地质灾害体的特征及类型。研究表明，在强震作用下，研究区的崩塌变形以拉裂破坏为主，伴有大量的顺坡滑动失稳，高陡斜坡崩塌灾害发育，在动力条件下有岩体抛射的现象发生;滑坡体在失稳前存在有独特的震动拉裂现象，具有超强的动力特性和大规模的高速抛射与远程运动;泥石流与强烈地震在时空上相关，主要分布在高地震烈度地区，受地震作用、暴雨雨量及物源区松散破碎程度共同影响。
(2)通过实地勘察和遥感解译，研究了都汶高速公路沿线次生地质灾害体的分布及特征。研究表明，沿线崩塌灾害多发于高陡斜坡，岩体普遍破碎并受构造断裂带及降水入渗的影响。而沿线泥石流灾害有着发育斜坡坡度大、沟域面积差异大、主沟床平均纵比降较大、沟谷堆积物结构松散，抗冲刷能力差和泥石流易发程度较高的特点。
(3)在研究都汶高速公路沿线次生灾害体的基本特征的基础上，采用FLAC3D软件对穿越崩塌和泥石流堆积体的隧道进行数值模拟计算分析。对FLAC计算中内置的Mohr-Coulomb模型参数，按照崩塌堆积体厚度的不同以Hoek-Brown非线性破坏准则进行近似折减，使其适合崩塌堆积体的数值模拟;以强度折减法分析崩滑体潜在滑动面的位置，并确定其与隧道变形间的相互关系。在此基础上，结合以往工程经验和研究区次生灾害体的特征，提出了适宜相关数值计算的模型材料物理力学参数建议值。
(4)以都汶高速公路映秀隧道为例，对隧道进口的自然斜坡、仰堑坡的稳定性及围岩的工程地质条件进行评价。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，对隧道开挖及崩塌堆积体的稳定性进行分析。分析表明，堆积体的岩层分界面与基覆面对隧道开挖稳定性影响较大;堆积体边坡在隧道开挖过程中基本保持稳定，但由于崩塌堆积体结构松散，坡表多块、碎石，部分地方有巨石，堆积体坡表变形可能导致土石块沿边坡滚落。在数值计算的基础上，分析隧道结构物及堆积体边坡的变形破坏特征，针对崩塌堆积体厚度大山体高架空结构明显的特点，在堆积体平台处增设被动防护网;数值模拟的结果表明隧道开挖对于崩塌堆积体稳定性的影响集中表现在隧道开挖前55m内，针对这一特点，考虑以坡面注浆锚杆对坡表进行加固;针对隧道开挖过程中掌子面的稳定状态，调整隧道的开挖方式，对超前支护措施进行了加强。
(5)以都汶高速公路桃关2号隧道为例，对隧道进口的自然斜坡及仰堑坡稳定性进行评价。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，采用强度折减法对崩滑体在天然状态下及隧道开挖状态下的稳定性进行分析，确定了潜在滑面的位置与崩滑体达到极限平衡状态时的安全系数;对隧道衬砌的稳定性进行分析，结果表明隧道拱顶、底板的位移变形趋势与崩滑体的变形趋势基本一致，影响范围均在开挖100m至250m内。在此基础上，针对隧道进口岩体松散，易发生垮塌的特点，提出了利用地表多级竖向注浆的方法对崩滑体坡脚进行稳定，并设置多级被动防护网防止飞石、崩塌造成的危害;根据对崩滑体稳定性的相关分析，将洞内支护加强方案分为进洞加强段、开挖加强段和稳定支护段三个阶段，分别进行开挖方式的优化、超前支护的加强及衬砌的加强。
(6)以都汶高速公路福堂隧道为例，对隧道所穿越的高家沟和彻底关沟泥石流沟进行了简要介绍。建立三维数值计算模型，选用合理的参数，分别在无支护状态和设计支护状态下对隧道穿越泥石流堆积体进行开挖稳定性分析。分析表明隧道在泥石流堆积体中进行开挖时，控制隧道拱顶及地表的沉降是控制变形的最关键环节。针对这一特点，将原设计中的锚杆长度调整至5m，增加了注浆小导管进行注浆加固，同时加强了初期支护，以控制拱顶及地表的沉降。
(7)研究分析了泥石流堆积体厚度变化对隧道稳定性的影响。研究表明，当泥石流堆积体的厚度不断的下降时，隧道衬砌结构及围岩的应力会随之不断减小，仰拱及边墙的变形量略有增大，但总体增量较小;隧道拱顶的沉降随着覆盖层厚度的减小而不断减小，在覆盖层厚度降为约12m至14m时，拱顶沉降量开始增大，隧道围岩随着覆盖层的减小逐渐失去了自稳性。当泥石流堆积体的厚度不断增大时，围岩的应力会随之不断增大，在覆盖层厚度超过42m时，围岩应力增量逐渐变小，岩体形成自稳体系。同时，随着覆盖层的加厚，上覆岩土体的自重增大，隧道拱顶的沉降量会随之不断增大。