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学士学位论文浅谈篮家岩隧道锚喷支护设计摘要随着我国西部大开发和高等级公路的快速发展，公路隧道也越来越多。公路隧道开挖和支护过程中，洞室周围岩体都发生应力重新分布，当这种重新分布应力超过围岩的强度极限时，将会造成围岩的失稳破坏，因此隧道施工过程中洞室围岩稳定性评价与支护结构对围岩力学行为的研究就显得日益重要。abstract第一章绪论41.1 喷锚支护的研究意义41.1.1喷锚支护概况41.1.2地下工程支护结构理论的发展51.1.3支护结构的类型71.2国内外研究现状81.2.1锚杆作用机理国内外研究现状81.2.2隧道及支护结构的数值模拟101.3 本文主要研究内容121.4 本章小结13第二章 隧址区工程地质概况条件132.1地形地貌132.2地层岩性132.3地质构造152.4隧道岩土工程地质特征182.5 本章小结19第三章 隧道断面193.1 隧道断面设计203.2 隧道开挖设计233.2.1 隧址区围岩分级233.2.2 隧道开挖概述243.3 本章小结25第四章 喷锚支护作用机理的研究254.1锚喷支护的作用及影响因素254.1.1 锚杆支护的作用机理264.1.2 锚杆支护效果的影响因素304.2 喷射混凝土的作用机理314.2.1喷射混凝土的作用机理324.2.2喷层的力学作用324.3 影响锚喷混凝土支护效果的主要因素344.4 本章小结35第五章 锚喷支护监测设计355.1 锚喷支护监测设计内容和方法355.1.1 量测部位和测点的布置原则365.1.2 量测断面内测点的布设方案365.2 监控量测数据成果分析395.2.1 锚杆内力量测数据分析395.3本章小结42第六章 结论与展望426.1 结论426.2 展望43第一章 绪论1.1 喷锚支护的研究意义1.1.1喷锚支护概况隧道在开挖过程中产生了应力重分布情况，即所谓的二次应力状态。地下岩土结构的稳定性很大程度上取决于围岩应力重分布情况以及围岩位移随时间的变化情况。隧洞围岩应力重分布及位移变化过程复杂，不仅与围岩的工程地质及水文地质条件密切相关，而且还与施工方法、施工速度、支护措施和支护时间有关。其中制约围岩稳定性比较重要的一个因素就是支护结构对围岩的力学行为，支护结构中一次（初期）支护对围岩稳定性起着主要的作用1，因而初期支护应当作为地下工程研究的主要对象之一。隧道复合支护结构中的一次支护紧跟道开挖面设置，它自身和周围岩体构成的共同承载体系对隧道软弱围岩的变形与稳定起着决定性的影响作用。而一次支护中系统锚杆又起着主要作用，但是它的岩体锚固机理还远未搞清楚，致使锚固技术的合理性未能充分发挥，许多工程主要还是依靠经验进行类比设计和施工，常需耗费大量资金来提高安全系数。为了克服岩体锚固工程中的盲目性和不合理性，应该对系统锚杆的作用机理进行研究，建立比较完善的岩体锚固理论。各国的学者对此已做了大量的理论和实验研究，但是它究竟对围岩稳定起到何种作用效果尚不太明确，还需作进一步的研究。喷锚支护为由喷混凝土、锚杆、钢筋网组成的喷锚联合支护或喷锚网联合支护，既可以用于加固局部岩体而作为临时支护，也可以作为永久支护。喷锚支护具有施工及时、与围岩密贴和共同变形等特点，主要作用只加固围岩。在围岩变形破坏以前，喷锚支护与围岩构成共同作用体系，以充分利用了围岩的强度和自稳能力，使围岩、锚杆和喷射混凝土三者共同承受围岩的形变压力，即将围岩既作为荷载又视为结构的组成部分。喷锚结构的设计根据国家规范的规定，主要采用工程类比法，必要时辅以监控量测发和理论验算法，工程类比法设计通常有直接类比法和间接类比法。直接对比法一般考虑围岩的岩体强度、岩体完整性、地下水的影响程度、工程的形状与尺寸、施工方法及使用要求等方面因素，将拟设计的工程与上述条件基本相同的已建工程进行对比，由此确定喷锚结构的类型与参数。间接类比法一般是根据现行喷锚支护技术规范，按其围岩类别及喷锚支护设计参数确定拟建工程的喷锚支护类型与参数。其中喷锚支护参数既包括支护类型、支护数量和尺寸，又包括工程开挖程序、方法及施作时间等。喷锚支护的施工主要运用新奥法施工原理。新奥法是20世纪60年代初奥地利学者l.v. rabcewicz 等人总结的新奥地利隧洞施工法，英文全名为new austrian tunneling method,简称natm。新奥法的核心是充分调动岩体本身的自承能力，采用正确的施工设计方法，以达到最好的经济效果。新奥法的要点是：尽可能的防止岩体扰动，开挖后实施一次支护，以防止围岩扰动或恶化，然后视需要再做二次支护；所有的支护应相当柔性，能适应围岩的变形；施工过程中进行量测，如变形、应力等，以利于调整支护措施，有效控制变形。1.1.2地下工程支护结构理论的发展地下工程支护结构理论的发展至今己有百余年的历史，它与岩土力学的发展有着密切的关系。土力学的发展促使着松散地层围岩稳定和围岩压力理论的发展，而岩石力学的进一步发展促使了围岩压力和地下工程支护结构理论的飞跃。随着新奥法施工技术的出现以及岩土力学、测试仪器、计算机技术和数值分析方法的发展，地下工程支护结构理论正在逐渐成为一门完善的学科。地下工程支护理论的一个重要问题是如何确定作用在地下结构上的荷载以及如何考虑围岩的承载能力，因此，支护结构理论的发展大概可以分为3个阶段。（1）古典压力理论阶段（20世纪20年代以前）地下结构是由一些刚性块组成的拱形结构，所受的主动荷载是地层压力，当地下结构处于极限平衡状态时，它是有绝对刚体组成的三铰拱静定体系，铰的位置分别假设在墙底和拱顶，其内力可按静力学原理进行计算。作用在支护结构上的压力是其上覆岩层的重量了h(是岩层容重；h是埋深)，代表性的有海姆、朗肯和金尼克理论，不同之处在于，他们对地层水平压力的侧压力系数有不同的理解。海姆认为侧压力系数为1，朗肯根据松散理论认为是tg2(45-/2)，而金尼克认为根据弹性理论认为是/(1-)(是岩体的泊松比；是岩体的内摩擦角)，由于当时地下工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。(2) 松散压力理论（20世纪30年代）这种理论认为，当地下工程埋藏深度较大时，作用在支护结构上的压力，不是上覆层重量，而只是围岩坍落拱内的松动岩体重量。可以作为代表的有普氏和太沙基理论。他们的共同观点认为坍落拱的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。不同之处是，普氏认为坍落拱为矩形，太沙基认为是抛物线形。散体压力理论是当时的支护技术发展起来的，由于当时的掘进和支护所需的时间较长，支护与围岩之间不能及时紧密相贴，致使围岩最终有一部分破坏、塌落、形成松动围岩压力。但当时并没有认识到这种塌落并不是形成围岩压力的唯一来源，也不是所有的情况都会发生塌落，更没有认识到通过稳定围岩，可以发挥围岩的自身承载能力。（3）连续介质力学的理论（20世纪中期以来）这种方法以岩体力学原理为基础，认为坑道开挖后向洞室内变形而释放的围岩压力将有支护结构与围岩组成的地下结构体系共同承受。一方面围岩本身由于支护结构提供一定的支护阻力，从而引起它的应力调整达到新的平衡另一方面，由于支护结构能够阻止围岩变形，它必然要受到围岩给予的反作用力而发生变形。这种计算方法的重要特征是把支护结构与岩体作为一个统一的力学体系来考虑。两者之间的相互作用则与岩体的初始应力状态、岩体的特性、支护结构与围岩的接触条件以及参与工作的时间等一系列因素有关。随着锚杆与喷射混凝土一类新型支护的出现和与此相应的一整套新奥地利隧道设计施工方法的兴起，终于形成了以岩石力学原理为基础的、考虑支护与围岩共同作用的地下工程现代支护理论。1.1.3支护结构的类型工程中支护结构须具备两个最基本的使用要求一是满足结构强度、刚度要求，以承受诸如水、土压力及一些特殊使用要求的外荷载二是提供一个能满足使用要求的工作环境，以便保持隧道内部的干燥和清洁。这两个要求是彼此相关的。按支护的作用机理，目前采用的支护大致可归纳为如下三类刚性支护结构、柔性支护结构和复合式支护结构。（1）刚性支护结构这类支护结构通常具有足够大的刚性和断面尺寸，一般用来承受强大的松动地压。但只要有可能，就应避免松动压力的发生。刚性支护只有很小的柔性而且几乎总是完全支护，这类支护通常采用就地模筑混凝土“单层衬砌”。它是在坑道内设置模板架和模板，然后浇灌混凝土而成。它是作为一种永久性支护结构，从外部支撑着坑道围岩的。从构造上看，它有贴壁式结构和离壁式结构两种。贴壁式结构使用泵送混凝土，可以和围岩保持紧密接触，但其防水和防潮的效果较差。离壁式结构围岩没有直接接触和保护到承载结构，一般容易出现事故。但混凝土的就地模筑工艺对各种不同的地质条件适应性强，易于按需要成形，而且适用于多种施工方法，因而，在我国各类隧道工程中广泛采用。(2)柔性支护结构柔性支护结构是根据现代支护原理提出来的，它既能及时地进行支护，限制围岩的过大变形而松动，又允许围岩出现一定的变形，同时还能根据围岩的变化情况及时调整参数。所以，它是适应现代支护原理的支护形式，主要有喷锚支护、预制的薄型混凝土支护、硬塑性材料支护及可缩性钢支撑等支护形式，其中，喷锚支护是一种主要的柔性支护类型。(3)复合式支护结构复合式支护结构是柔性支护与刚性支护的组合支护结构，最终支护是刚性支护。复合式支护结构是根据现代支护结构原理中需要先柔后刚的思想，通常初期支护采用喷锚支护，让围岩释放掉大部分变形和应力，然后再施加二次衬砌，一般采用现浇混凝土支护或高强钢架，承受余下的围岩变形和地压，以维持围岩稳定。可见，复合式支护结构中的初期支护和最终支护一般都是承载结构。复合式支护结构的种类较多，但一般都是上述基本支护结构的某种组合。1.2国内外研究现状 1.2.1锚杆作用机理国内外研究现状至20世纪40年代以来，锚杆作用机理研究随着锚杆支护实践而不断发展，国内外已有不少研究成果，分析比较这些研究成果，对于加强这一领域的研究工作，开辟新的研究课题都是有意义的。锚杆作用机理已经有许多经典理论，如悬吊理论、组合梁理论、拱形压缩带理论、最大水平应力理论、锚杆抗剪作用理论。近年来，国内外有不少学者开始另辟研究新思路，进一步研究锚杆作用机理，主要产生了以下一些新的理论。加拿大indraratna和kaiser于1989一1990年提出了全长锚固锚杆的分析设计模型，通过提高围岩的内摩擦角和内聚力来体现锚杆的锚固作用，按照简化的线性本构关系和hoke一brown破坏准则确定围岩的塑性区。法国学者labious于1994年通过研究锚杆支护的全部过程以及采用支护设计的数值模拟法，分析锚杆安设前围岩的状态、安设后锚杆与围岩的相互作用、锚固围岩体的平衡个阶段，以及锚固围岩体可能出现的五种应力状态。孙学毅于1984年提出全长锚固无托板锚杆的力学模型，根据70年代我国对砂浆锚杆轴向力丰富的实测资料，提出了砂浆锚杆的力学模型，该模型1983年在国际锚杆支护会议交流后，被国内外学者广泛引用。王明恕于年用中性点理论根据锚固后静态锚杆的静力平衡关系，指出锚杆体表面的剪应力方向不可能一致，存在剪应力为零的中性点，并给出了中性点的计算公式，从而提出了全长锚固锚杆的设计方法孙钧、宋德彰于1991年提出的分析模型采用了先进的塑性软化本构关系，理论分析结果与实际更加接近，但要应用于软岩锚杆支护设计尚存在不足。李世辉于1994年提出典型类比分析法将典型工程现场测试资料、围岩分类和简便实用的岩石力学分析方法三者结合起来，综合应用了经验分析，位移等效原理、边界元有限元数值模拟和复杂系统的综合集成技术，形成了该理论。宋宏伟等于2002年通过数值模拟和新的研究模型研究锚杆和非连续岩体的相互作用，发现了锚杆在非连续岩块的锚固中受到剪切时，存在锚固岩块分离的力学现象，称为“导轨作用”。导轨作用的存在，使两岩块分离或出现分离趋势，这不但没有增加锚固岩块间的相互作用力，而且使相互作用力变小甚至为零，削弱节理面的抗剪强度，对锚固效果产生负面影响，该发现对传统的锚杆作用提出了质疑。六十年代奥地利专家l.v.rabcewicz提出来的一套隧道设计、施工的新理论新奥法（natm）并在隧道工程中得到了广泛的应用，即以锚杆与喷射混凝土为主要支护结构，充分发挥围岩自身的承载力，使其与支护结构联合工作，共同承担荷载，从而达到既保证工程安全又节省投资的目的。1980年，奥地利土木工程学会把新奥法定义为：在岩质、土砂质介质中开挖隧道，以使围岩形成一个中空筒状支承环结构为目的的隧道设计施工方法。这个定义说明了新奥法核心的问题就是利用围岩支护隧道，使围岩本身形成支承环。目前，在我国隧道的设计与施工中部分隧道采用复合式衬砌支护结构：把锚喷支护视为初期支护，作为永久性支护的一部分，与二次衬砌共同承受岩体压力；少部分隧道支护采用刚性衬砌，把锚喷支护作为暂时确保隧道围岩稳定的一种工程措施，隧道岩体的压力全部由衬砌混凝土承受。对锚杆作用机理的研究虽然取得了一定成果，但还缺乏统一的认识，应用较为困难，对于指导锚杆设计方面还有待进一步加强。对锚杆横向作用也有待深入研究，对大断面、大变形以及软弱破碎岩体等特殊地质条件锚杆作用机理研究还需加强。1.2.2隧道及支护结构的数值模拟数值分析方法是在解析方法上发展起来的一种近似方法。常用的数值分析方法有有限元法、有限差分法边界元法、变分法和加权余量法“。随着计算机技术的迅速发展，借助于数值模拟方法与计算机图形、图像技术、可视化技术相结合，对地下工程的开挖步骤、支护工艺的工程性态稳定和变形模拟和过程再现己成为现实。与大型物理实验和现场实验相比，数值分析法具有快捷、快速、费用低、可以模拟岩体特性和构造特点以及施工过程、可以反复计算，易于改变参数等优点。 从1974年panct引入释放系数来模拟开挖引起弹性介质围岩应力变化以来，利用有限元数值模拟地下结构工程的施工过程等变得越来越普遍，1978年p.egger则将隧道开挖面附近简化成球形对称形状，使之与开挖面后方的轴对称假设一致，从而第一次考虑相同岩石动态变化等，并指出岩石动态可以用相继的一系列稳定状态来模拟。cunha(1981)通过计算时的适当阶段通过删除或增加一些岩体单元来模拟开挖或支护，为隧道的动态施工模拟开创了先例，我国同济大学朱合华（1989）提出可以将开挖面约束效应等效地视为对洞周地虚拟支撑力作用，因为掘进面的存在仅对有限局部范围的围岩产生影响，以圣维南原理将端面约束用边界附加的支撑力系来等效，将虚拟支撑力法推广为“广义虚拟支撑力法”邓建(2004)等人对不等跨连拱隧道的施工全过程进行有限元模拟，得出隧道大洞的拱顶最大压应力是小洞的4倍,胡建明(2006)结合重庆市金山大道岚峰隧道工程实践，应用有限元数值模拟方法，分析了围岩各关键点的变形、应力场和塑性区的特征，研究表明这类隧道在施工过程中后行洞的开挖对己修建的先行洞产生较大的作用黄生文等(2006)运用flac2d建立有限元模型，通过分析指出双侧壁导坑法是适合该类地质条件下大断面隧道的开挖施工方法毕继红等(2007)浅埋近距离双线软土隧道施工过程进行了二维非线性粘弹塑性有限元分析，在分析中采用了土的粘弹塑性本构关系，引入土的蠕变方程，充分考虑了土体变形的时间效应，研究了双洞同方向其中一洞超前掘进隧道施工时围岩主应力、地表沉降、洞周位移、塑性区发展及支护结构内力随时间的变化规律。在隧道施工的三维有限元施工模拟分析方面，埃及的moussa和澳大利亚的wager两位学者用三维有限元分析主要从变形的角度研究新奥法隧道中施工速度(主要是开挖及衬砌施作速度)的影响。金丰年、钱七虎（1996）应用非线性粘弹性模型，对隧道全断面开挖过程进行三维有限元分析，开挖结果表明开挖面的影响范围大约为洞室直径的2倍。张顶立（2005）等通过对深圳地铁一期工程区间隧道拱顶下沉的回归分析，指出隧道拱顶下沉遵循指数函数关系，通过数值分析flac3d验证了该分析结果的可靠性，并且开挖面前方的超前拱顶下沉量较大，最后分析了不同地层条件下拱顶下沉和地表沉降的关系。佘健(2006)以渝黔二期工程笔架山隧道北端洞口段实态建模，应用有限元程序对其施工全过程进行三维弹塑性数值模拟，得出开挖对围岩影响较大的范围在开挖5m范围内，塑性区位于开挖面前1.5m范围内,汪小敏等(2007)脚以杭新景高速公路白炭坞隧道为实体建模，采用有限元程序对其施工全过程进行三维弹塑性分析重点分析不同的施工方法和支护方式对控制围岩变形的作用。计算结果表明隧道的支护方式对减少由开挖引起的扰动起着重要作用，掌子面距离支护段距离越短，引起的沉降越小对于软弱围岩，采用台阶法开挖时，台阶的长度不宜过长，一般应在0.5倍的洞径左右。 从大量的研究可以看出，数值模拟对于解决地下工程问题是一种非常有效便捷的方法，而且可以取得很好的结果，但是不能不说的是数值模拟现在仍然存在很多问题。(1)三维问题简化为二维问题严格的说，隧道围岩的受力属于空间问题，但因计算量大，数据处理费事，往往将其简化为二维问题进行分析。陈炽昭等利用二维和三维模型的对比，来验证这种方法的可靠度。结果显示，平面应变分析的拱顶位移为9.4mm,而三维分析则为6.57mm，前者较后者大45%。喷层在拱顶的主压应力差(1-3)。平面应变分析比三维分析大20%。在喷混凝土边墙最大跨度处的主压应力差，平面应变分析比三维分析大7%。由此可见，这种简化对结果的影响还是非常大的。(2)材料本构模型过于简化在模型里面需要模拟的有围岩、喷射混凝土、锚杆。在实际工程中，围岩一般是各向异性材料，并且有很大的随机性，岩质在不同深度，不同方向上的弹性模量、泊松比、内摩察角、粘聚力等方面会有很大不同。但是在做模型时，如果全部都考虑到，这是不可能的，因为我们很难精确了解围岩每个部位的真实情况，所以将围岩做很大的简化，经常把围岩看作是各向同型，材料属性在容许范围内看作是相同的。但是这样做，结果肯定会与实际有一定的误差。(3)材料间相互作用考虑不够全面深入围岩、喷射混凝土、锚杆之间相互作用是十分重要的，因为这是模拟喷锚支护的关键。正是由于喷射混凝土、锚杆对围岩的作用，才使围岩处于稳定状态。但是在模型中，经常忽略了这种重要性，对它们之间的相互作用考虑的非常简单，其中的有的是由于软件自身的问题，软件不能模拟出结构之间真正的相互关系，还有就是为了使模型更简单，人为的没有考虑它们之间的相互作用。这样的结果最少是使计算的结果不是很准确的，所以在这方面必须要引起重视。(4)没有考虑时间效应在开挖过程中，隧道有很多方面与时间有着密切的关系。比如，岩体开挖后的变形，支护与开挖的时间关系，喷射混凝土硬度和强度，等等。这些问题对于隧道结构的最终变形，喷锚支护的受力状态等也有一定的关系，所以结果就是模拟的结果会与实际工程会有差别。而对于现在的有限元模拟中，又很少考虑到这些问题，一方面是由于人们在模拟中比较容易忽略掉这些细节，更重要的一方面就是这些问题对于有限元模拟比较困难，现在的通用有限元软件很难做到与实际完全一致。1.3 本文主要研究内容本学位论文以篮家岩公路隧道为背景，主要包括以下几个方面的研究内容（1） 在查阅大量资料基础上，归纳总结了隧道区域的工程地质条件概况。（2） 隧道断面的开挖与设计，详细论述了采用台阶法进行隧道的开挖施工以及施工的优缺点。（3） 分析了锚喷支护的作用机理。（4） 对锚喷支护进行监测分析，并提出一些优化建议。1.4 本章小结 本章主要对国内外锚喷支护现状及发展意义进行了阐述，其中包括锚喷支护的类型分类，其中包括刚性支护结构、柔性支护结构、复合式支护结构，详细的描述了其特点。同时也介绍了新奥法在隧道设计中具有很重要的作用具有无可替代的影响力，最后介绍了关于隧道的一些数值模拟分析。第二章 隧址区工程地质概况条件2.1地形地貌隧址区地处龙门山深切割的中高山区，地形陡峻，山体浑厚，气势宏伟。地表冲沟发育，山峰林立、山脊带锯齿状、峡谷幽深、河谷深切，岭谷高差悬殊，属中造蚀地貌。隧道所穿越山体，由于受构造挤压作用，在山岭形成峭壁悬崖，山脊单薄高耸。山岭以北主要由软质岩夹硬质岩组成，植被茂密，地形上形成25-30度的斜坡，有的地段形成陡坡陡崖；岭脊以南由硬质岩石多形成陡崖峭壁，地形坡度多在50度以上，隧道轴线主要从坡脊地段通过，轴线两侧各发育一条冲沟（小盐井沟和中盐井沟），沟道狭窄陡峭、纵坡大且溪沟水流较大，进口右侧小盐井沟在与清水河交汇处因阻塞，形成堰塞湖。隧道穿越山脊最高点位于绵竹与茂县分界线的山脊上（篮家岩），标高3622m，进口河谷标高1737.4m, 出口河谷高程1826.21m，岭谷高差1884.6-1795.79m2.2地层岩性根据区域地质资料、本次野外地质调查及钻探揭露，隧址区地表局部覆盖第四系全新统崩积（q4col）、第四系全新统崩坡积（q4c+dl），基岩地层为泥盆系、志留系、寒武系及震旦系。1、第四系（1）第四系全新统崩积（q4col）第四系全新统崩积物主要分布于隧道进口斜坡坡脚部位，岩性为碎石土，灰、黄灰色，结构松散。碎石主要成份为白云岩，岩质较硬，棱角状，粒径220cm约占5575%，20cm块石约占2030%，其余为角砾及少量细粒物质充填，最大块径1.31.10.7m，厚度36m。（2）第四系全新统崩坡积（q4c+dl）主要分布于隧道出口段斜坡，岩性为块碎石土，灰黄色，结构松散-稍密。碎石主要成份为千枚岩，次为泥质灰岩，岩质较软，呈棱角状。块碎石粒径一般20-60cm，大者1-4m，块石含量约40%，碎石含量约30%，充填粘性土。最大厚度约43m。2、泥盆系捧达组一段（d1p1）：底部为灰色石英岩夹透镜状灰岩，下部深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩，上部为灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩，厚194m。分布于k47+000k48+000m。3、志留系区域上茂县群分五组，隧道区内仅出露三、四、五组。 (1)、第三组（smx3）该组以千枚岩为主。底部为石英砂岩，下部为一套灰色薄厚层泥质灰岩为主，中部深灰色、灰色板状千枚岩夹石英砂岩及灰岩和泥质灰岩，上部为灰色泥质灰岩夹少许千枚岩，厚519m。分布于k49+700k50+000m。(2)、第四组（smx4）岩性为灰色板状千枚岩夹透镜状泥质灰岩，厚100m。分布于k48+800k49+700m及k50+000k50+800m。(3)、第五组（smx5）为一套灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩。厚133.6m。分布于k46+160k47+000m，k48+000k48+800m，k50+800k51+650m。4、寒武系测区内仅出露地层有邱家河（q）.岩性为灰灰黑色含炭硅质变质粉砂岩、炭硅质岩与微晶白云岩组成韵律，波状层理交错层理发育。厚945m。分布于k43+780k44+260m，k44+850k46+160m。5、震旦系水晶组据岩性该组可分为三段：一段（zs1）：灰色中厚层状块状含藻微晶白云岩、灰质白云岩、白云质灰岩夹少量硅质岩条带。分布于,k43+035k43+500m。二段（zs2）：灰肉红色薄板状微晶灰岩夹少量硅质岩条带。分布于k43+500k43+700m。三段（zs3）：灰浅灰色中厚层状块状微晶白云岩、灰质白云岩。分布于k43+700k43+780m，k44+260k44+850m。2.3地质构造（1） 区域地质构造 隧址区在区域构造上位于四川盆地西北部的龙门山后山推覆构造体之高川推复体（九顶山推覆体），为韧性推覆体。地处四道沟断裂（九顶山断裂）北西侧，隧道横穿盐井沟等6条断裂和九顶山倒转向斜、疏果坪等倒转背斜。隧址区地质构造作用强烈，褶皱和断裂发育，岩层具有变形強、变质低的特点。由于开始变形是由北西向南东逆冲推覆，使地层紧密同斜褶皱，轴向为北东向。岩层多陡倾、直立乃至倒转，裂隙发育，岩体较完整-较破碎。区域地质构造图见下图所示。篮家岩隧道 区域地质构造（2） 褶皱隧道区穿越九顶山复向斜, 为同斜倒转复向斜。两翼为多个次级同斜倒转褶曲复杂化。隧道主要穿越五爪山倒转复背斜、九顶顶山复向斜和琉果坪倒转背斜, 是彭灌复背斜北翼次级褶曲。现分述如下:1、五爪山倒转复背斜：核部出露地层志留系茂县群第五组灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩；两翼不对称出露泥盆系捧达组一段深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩、灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩。在隧道线（平面）通过地段背斜南翼由于断层使捧达组缺失。北翼为九顶山复向斜，由泥盆系捧达组二段地层组成，岩性为灰色灰岩夹千枚岩及钙质石英砂岩、灰色中厚层灰岩夹泥质灰岩及深灰色千枚岩、深灰色薄厚层灰岩夹泥质条带灰岩及深灰色钙质千枚岩。轴线呈北东40走向，两翼地层均倾向北西330340，倾角约5465。平面上核部分布于k45+900k47+000m。2、九顶山复向斜核部出露地层为泥盆系捧达组二段深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩、灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩；两冀为志留系茂县群第五组灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩。隧道洞身核部主要为志留系茂县群第四组。轴线走向北东4045，两翼地层均倾向北西310315，倾角南翼50左右，北翼约6078，核部在洞身段倾角变缓。平面上核部分布于k47+000k48+000m。隧道轴线与轴线大角度相交，交角79。3、疏果坪倒转背斜核部出露地层为志留系茂县群第三组灰色薄厚层泥质灰岩、深灰色、灰色板状千枚岩夹石英砂岩及灰岩和泥质灰岩、灰色泥质灰岩夹少许千枚岩；两翼对称出露茂县群第四组灰色板状千枚岩夹透镜状泥质灰岩；茂县群第五组灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩。轴线呈北东40走向，两翼地层均倾向北西336343，倾角约5665。核部在平面上分布于k49+600k49+850m。（3） 断层由于隧址区蓝家岩岭脊北西段植被茂密，大部被覆盖，岭脊南东段地形陡峭，调查十分困难。根据初歩调查和已有的遥感解译成果资料分析，隧址区主要发育有f31、f32、f33、f34、f35（遥感解译）、f36（遥感解译）断层。在区域上属龙门山后山断裂带九顶山断裂的分支次级断层。现分述如下:1、f31断层断层面呈波状，总体产状：倾向88，倾角66，断层破碎带可见宽2m，由碎裂状的微晶白云岩和石英细脉组成，断裂两盘均由震旦系水晶组的微晶白云岩组成，上盘岩层产状：27650，下盘岩层产状：27660。平面上分布于k43+450m左+950m。2、f32（五爪山断裂）：断层走向50，断层面呈波状起伏，断层面倾向340，倾角40，下盘由震旦系水晶组微晶白云岩组成，上盘由寒武系邱家河组灰黑色含炭硅质粉砂岩、含炭硅质岩组成，断层附近有约20m左右的角砾岩，断层性质为逆断层。平面上分布于k43+780m。3、f33（小盐井断裂）：断层走向北东42，断层面呈波状起伏，断层面倾向310，倾角40，下盘由寒武系邱家河组灰灰黑色含炭硅质变质粉砂岩、炭硅质岩与微晶白云岩组成互层。上盘由震旦系水晶组灰色中厚层状块状含藻微晶白云岩、灰质白云岩组成。平面上分布于k44+260m。4、f34（中盐井断裂）：断层走向北东36，断层面呈波状起伏，断层面倾向305，倾角45，断层下盘由寒武系邱家河组灰灰黑色含炭硅质变质粉砂岩、炭硅质岩与微晶白云岩组成。上盘由泥盆系捧达组一段深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩、灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩及茂县群五组灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩组成。平面上分布于k46+160m。5、f35断层：断层走向北东47，断层面倾向317，倾角约50，断层下盘由志留系茂县群第五段灰绿色千枚岩、灰色千枚岩夹中层状、透镜状灰岩、泥质灰岩，上盘由泥盆系捧达组一段深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩、灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩组成。平面上分布于k47+000 m。6、f36断层：断层走向北东42，断层面倾向312，倾角约50，断层两盘均由泥盆系捧达组一段深灰色灰岩夹千枚岩及石英砂岩、灰色板状千枚岩夹灰色透镜状石英砂岩及砂质灰岩组成。平面上分布于k47+660 m。2.4隧道岩土工程地质特征（1） 隧道围岩物理力学性质 组成隧道围岩的地层岩性有白云岩、千枚岩、含砾砂岩、含炭硅质变质粉砂岩、含炭硅质岩、灰岩、砂质灰岩等，以白云岩、千枚岩为主，其中又以千枚岩为最多。受构造影响较严重，岩体节理裂隙较发育，部分地段发育，层间结合一般-差，岩体较完整较破碎，断层破碎带、变形褶皱強烈地段岩体破碎。白云岩、含砾砂岩、含炭硅质岩、石英砂岩、灰岩等，其岩石饱和抗压强度较高，弱-微风化岩石饱和抗压強度一般30mpa，高者100mpa,属较硬岩或坚硬岩，力学强度高。千枚岩、绢云石英千枚岩，含炭质千枚岩，一般夹薄层或透镜状石英砂岩、灰岩、泥质灰岩等硬质岩石。力学性质不均匀，弱-微风化岩石饱和抗压强度一般在5-20mpa，未风化強度较高，属软岩-较软岩；強风化千枚岩饱和抗压強度极低（1 mpa），一般采取不到试验样，属极软岩，力学强度较低。断层破碎带岩石多呈碎裂或角砾碎石状一般采取不到试验样，力学性质差。千枚岩、断层破碎带岩石具遇水软化，塑性变形，暴露易风化特点。（2） 工程岩体结构特征1、节理裂隙根据调查，隧址区内节理裂隙主要为构造裂隙、层面裂隙、片理和板劈理。区内节理主要为北西向和北东向两组。千枚岩地层中主要发育以下三组：10078，裂隙走向与坡向斜交，裂隙可见延伸长度约12m，裂隙宽度为510mm，裂隙间距0.51.0m，裂隙面平整，未见充填物。5075，裂隙走向与坡向近平行，主要对岩体起切割作用。裂隙可见延伸长度约12m，裂隙宽度为220mm，裂隙面平整，未见充填物。34058，裂隙面较平直，面平整，裂隙间距0.30.4m。2、岩体结构隧道区围岩以白云岩、千枚岩为主，受构造作用强烈。千枚岩构造节理、片理极为发育，层间接合差，岩体呈薄层-中层状结构，岩体较破碎，岩层产状3-3555865，倾角较陡，设计隧道轴线方向（330）与岩层走向夹角约4577，对围岩稳定有利。白云岩、白云质灰岩、含砾砂岩、粉砂岩含炭硅质岩等节理裂隙较发育，主要发育有北西和北东向两组节理，层间接合一般或差，岩体多呈呈块状或中厚层状结构，岩体较完整，部分地段较破碎。岩层产状340-3505057，倾角较陡，设计隧道轴线方向与岩层走向夹角3242，对围岩稳定较有利。2.5 本章小结本章主要描述了隧址区的工程地质条件,包括隧址区的地形地貌、地层岩性、地质构造及其特征。掌握了隧址区岩层的物理力学特性等，为接下来的隧道的开挖与施工奠定了充分的准备。第3章 隧道断面 随着高等级公路建设的迅猛发展和交通运输量的逐渐提高，大断面公路隧道工程（表一）将日益增加，三车道以上的大断面公路隧道将会越来越多，大断面隧道结构承受较大的围岩压力，并且受力条件极其复杂，极易发生围岩失稳和隧道衬砌结构开裂与破坏现象。在隧道施工过程中，坍方现象时有发生，有的甚至造成重大的伤亡事故。隧道坍方的原因是多方面的，如工程地质条件、施工工艺的合理性与否都是很重要的因素，而隧道结构本身隧道断面的合理与否也是一种不容忽视的重要因素。 划 分净空断面积（m2）超小断面 100 表一 断面划分标准3.1 隧道断面设计 1 大断面隧道特点 大断面公路隧道具有提高车速、缩短里程、节约燃料、节省时间等明显的优点;但是大断面公路隧道也有很多复杂的问题亟待解决。由于岩体是一种天然形成的非单一性质的复杂的地质材料,所以影响围岩稳定性的因素很多,主要有地质及地质结构的影响、地应力的影响、岩体力学性质的影响、工程因素的影响、地下水的影响、时间的影响等等。大断面公路隧道由于开挖面积大,岩体结构面交叉组合形成不稳定结构体的机会将会大大增加,这对岩稳定性是一个很不利的因素。目前,大断面公路隧道的设计理论和施工工艺大多数是借鉴双车道隧道的理论,特别是四车道的大断面公路隧道,横断面与双车道公路隧道相比,其跨度增大了一倍,如果仍然按照双车道公路隧道的扁平率(高跨比)来设计,则开挖断面积将大幅度增加,而隧道内空间的有效利用率将会显著降低,工程造价也会大幅度上升。为了解决这一问题,只能通过降低扁平率来实现,而降低隧道的扁平率将会对围岩稳定及隧道结构的稳定性产生极大的影响,特别是在以自重应力场为主的情况下,对这种扁平结构的影响将会更大,随之也就会不可避免地带来新的技术问题:如对于围岩开挖后拱部岩体在自重应力场作用下向洞内移动,并导致两侧岩体受压,反应在洞周位移上,拱顶下沉位移要远大于水平收敛,由此而导致支护结构体系的破坏,这与高跨比较大的单洞双线隧道有所不同。显然,对于三车道以上的大断面公路隧道的建设,如果仍然采用双车道公路隧道的理论进行设计与施工是不合适的。2 隧道断面约束条件 隧道断面形状的约束条件主要有以下几个方面。 (1)建筑限界控制点。为满足限界要求,内轮廓线至少应将隧道建筑限界完全包容在内,保证限界边界的任何点均在内轮廓线内。 (2)通风面积。内轮廓线净高在能满足隧道建筑限界净高h(见图1)要求的基础上,还应考虑通风要求。隧道的净空断面受通风方式的影响很大,在选择通风方式时,首先需要决定隧道内所需的通风量,然后讨论自然通风和交通通风能否满足需要。 （3)受力要求。衬砌内轮廓形状除受到上述约束条件的限制外,还受到受力要求的限制,即对设计出的衬砌断面进行强度检算时,偏心及安全系数均应满足规范要求 3 隧道断面图 篮家岩某隧道的建筑限界按100km/h时速进行设计，建筑限界取值确定如下： 图3.1 隧道建筑现限界（m） 建筑限界横断面宽度如下表： 设计速度 (km/h)车道宽度 w 侧向宽度 检修道 j 顶角宽度 左侧 右侧 左侧 右侧 左侧 右侧 100 3*3.75 0.50 1.00 1.00 1.00 0.50 1.00 表二 建筑限界设置 （单位：m）3.2 隧道开挖设计 3.2.1 隧址区围岩分级 根据篮家岩地质调查，主要按照岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征，按照公路隧道设计规范(jtg d70-2004)围岩分级方法和标准，进行本次隧道围岩分级评价。隧道k47+300k51+150围岩主要为志留系茂县群千枚岩、绢云石英千枚岩，含炭质千枚岩，一般夹薄层或透镜状石英砂岩、灰岩、泥质灰岩等硬质岩石。 进口地段强风化(浅部)- 弱风化, 据茂县段已有的资料, 强风化千枚岩饱和抗压强度极低（1 mpa），弱风化千枚岩岩石饱和抗压強度在6-10mpa之间，属软岩，岩体较破碎。估算围岩基本质量指标取值kv=0.5, rc=10,bq=90+310+2500.5=245, 不修正按公路隧道设计规范(jtg d70-2004) 中3.6.5公路隧道围岩分级标准划分为级；深埋段微风化未风化岩石饱和抗压强度顸在8-20mpa，高者可达30mpa, 岩休较完整,属软岩较软岩。估算围岩基本质量指标，暂按:kv=0.75，rc=15取值计算：bq=90+315+2500.75=311.3。修正系数k1=0.3(取滴水状),k2=0.3,k3=0.5，bq=311.3-100(0.3+0.3+0.5)=210.3, 按围岩分级标准划分为级。按rc=20mpa计算其千枚岩bq值也小于250, 因此将志留系茂县群四（smx4）、五组（smx5）围岩级别划为级, 第三组（smx3）为千枚岩与泥质灰岩等不等厚互层或夹层，该组划为级。断层破碎带及严重影响带, 岩体破碎划为级。隧道k43+035-k44+750洞室围岩以白云岩、含炭硅质岩、灰岩、含炭变质粉砂岩等。进口段浅部风化较强烈，岩石力学强度相对较低，岩体较破碎，围岩分级为，其余硬质岩为深埋段，弱微风化，岩石较坚硬坚硬，岩体较完整，围岩划分为级。 3.2.2 隧道开挖概述 隧道采用新奥法施工，取隧道桩号为k43+035-k44+750作为设计对象，根据地质调查结果可知该段洞室围岩以白云岩、含炭硅质岩、灰岩、含炭变质粉砂岩等。进口段浅部风化较强烈，岩石力学强度相对较低，岩体较破碎，围岩分级为。当围岩等级为的时候，我们通常会采用台阶法进行隧道的开挖方法。隧道均采用无轨运输，施工时坚持“短进尺，弱爆破，快封闭，勤量测”的原则。 根据台阶长度，台阶法可以分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法3种。 （1)长台阶法长台阶法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上下断面相距较远，一般上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下部可配置同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部开挖后，在进行下半断面施工，即为半断面法。（2) 短台阶法 这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于11.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。 由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广。短台阶法的缺点是上台阶出渣时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰，可采用长皮带运输上台阶的土渣，或设置上半断面过渡到下半断面的坡道，将上台阶的石渣直接装车运出。过度坡道的位置可设在中间，亦可交替的设在两侧。采用短台阶法时应注意：初次支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成；初次支护变形、下沉显著时，要提前闭合，要研究在保证施工机械正常工作前提下台阶的最小长度。（3超短台阶法 这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前3-5m;因此只能采用交替作业。由于超短台阶法初次支护全断面 闭合时间更短，更有利于控制围岩变形，在城市隧道施工中能更有效地控制地表沉陷；所以超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩、要求及早闭合断面的场合，当然也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。超短台阶法的缺点是上下断面相距太近，机械设备集中，作业时间相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。采用超短台阶法应注意：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前小导管，对开挖面进行预加固或预支护，或留核心土。3.3 本章小结 本章主要介绍隧道大断面的设计，通过调查了解可以知道断面围岩等级，从而采取台阶法开挖施工，并且详细的阐述了台阶法的分类包括：长台阶法、短台阶法、超短台阶法。让我们了解了每种隧道开挖方法的优点以及缺点。让我们知道了在不同种地质条件下采用更适合的开挖方法。 第四章 喷锚支护作用机理的研究4.1锚喷支护的作用及影响因素锚喷支护是采用锚杆和喷射混凝土支护围岩的措施，年代以来，己被广泛采用。锚杆和喷射混凝土与围岩共同形成一个承载结构，可有效地限制围岩变形地自由发展，调整围岩的应力分布，防止岩体松散坠落。它可用作施工过程中的临时支护，在有些情况下，也可以不必再做永久支护或衬砌。根据围岩的地质条件，可以采用多种支护形式单独采用锚杆，一般只用于局部单独采用喷射混凝土，有时也只用于局部锚杆结合喷射混凝土，多用于地下洞室的顶拱和边墙锚杆和喷射混凝土，加设单层或双层钢筋网，可提高喷层抗拉强度和抗裂能力，从而提高支护能力锚喷加金属网，并在喷层内加设工字钢等型钢作成的肋形支撑。上述各种形式的锚喷支护，所采用的锚杆根数、深度、间距，喷层的厚度以及金属网和肋形支撑的尺寸等，均要根据实际情况确定。为搞好支护还需要进行围岩变位和变形等现场量测工作。锚喷支护常紧跟开挖掘进，平行作业，特别是在隧洞或地下厂房施工中采用分部开挖的方式时，可随着开挖断面的扩大，边挖边喷，直至全断面完成。4.1.1 锚杆支护的作用机理锚杆支护的作用机理尚在探讨之中。目前已提出的观点较多，其中影响较大的有悬吊作用、组合梁作用、加固（提高c、值）作用等几种。这几种观点都是以围岩状态和利用锚杆杆体受拉力为前提来解释锚杆支护作用机理的，因此，围岩状态及锚杆受拉力这两个前提的客观性是判定上述理论正确性的标准。（1） 锚杆的悬吊作用19521962年，louisa、panek经过理论分析及实验室和现场测试，提出锚杆作用机理是将直接顶板悬吊到坚硬岩层上（如图