隧道工程-毕业设计--风化蚀变围岩隧道设计与施工(含外文翻译）.doc

风化蚀变围岩隧道设计与施工 Design and Construction of Tunnel in Weathering Alteration Surrounding Rock 2013 届届 土木工程土木工程 学院学院 专专 业业 土木工程土木工程 学学 号号 20090009 完成日期完成日期 2013 年年 6 月月 3 日日 毕业设计任务书毕业设计任务书 题 目风化蚀变围岩隧道设计与施工 学生姓名 学号 20090009 班级 土 0901-1 专业土木工程 承担指导任务单位土木工程学院 导师 姓名 导师 职称 教授 一、主要内容 1.设计依据及原则：包括设计应遵循的主要规范规程及主要原则。 2.工程概况：包括本工程的设计范围、工程地质、水文地质概述、地面环境等。 3.开展对贵广天平山隧道的设计：包括结构选型、衬砌形式、支护和衬砌设计。 4.所选部分结构设计检算：包括计算荷载的确定、计算模型的建立、衬砌结构计算、 结构配筋计算。 5.施工方法设计：包括整体施工方法确定、主要施工工艺方法、施工组织、结构防 水施工监控量测等。 应附图：地质纵剖面图、衬砌断面图、配筋图、炮眼布置图等。 6.外文翻译，隧道相关文献翻译。 二、基本要求 1.通过文献、资料阅读，掌握软弱围岩隧道结构设计方法。 2.熟悉衬砌结构设计计算方法及配筋计算方法。 3.掌握隧道施工方法，了解施工工艺。 三、应收集的资料及参考文献 1.隧道设计规范 ； 2.隧道施工规范 ； 3.混凝土结构设计规范 （GBJ10-89） ； 4.隧道设计手册 ； 5.隧道施工手册 ； 6.隧道工程设计要点集关宝树编； 7.地下铁道设计、施工相关资料、文献。 五、进度计划 第 1 周 熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图； 第 2 周 写出开题报告； 第 35 周 支护结构设计； 第 69 周 隧道衬砌结构设计检算； 第 1012 周 施工方案及爆破设计； 第 13 周 初支、防水及二衬等施工工艺设计； 第 1415 周 监控量测设计，外文翻译； 第 16 周 文整，答辩； 教研室主任签字时 间 年 月 日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 题 目 风化蚀变围岩隧道设计与施工 学生姓名学号20090009班级土 0901-1专业土木工程 1、研究背景 软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。软岩 结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包 括沉积层面、软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触 方式，微空隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的 发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件 以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特 征，古生代和部分中生代软岩由于长期上覆岩体的压实作用及经常性的构造 运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使颗粒间形成胶结连结。同时 由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成密实有序的长带状和 链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于 10%，单轴抗压强度相对较高，多 数为 20-30MPa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒间密实 性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序 的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构 较疏松，吸水率为 10%-70%，单轴抗压强度一般为 520MPa，如南水北调中 线工程邯郸地区的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常 不稳定，它与砂岩互层或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混 杂堆积，成岩程度低，岩石中常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙 脱石、伊利石混层矿物密集分布，造成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交 替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达 69%78%，抗压强度均小于 5MPa。 软弱围岩对隧道失稳的影响： (1)岩体力学性质的影响：软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、 膨胀性、流变性等，都对围岩的稳定有重要影响；(2)岩体结构及裂隙分布的 影响在地质构造运动中形成的结构面，一般情况下，其强度远低于母岩；(3) 软岩隧道的失稳，是隧道开挖引起的应力重分布超出围岩强度或造成围岩过 分变形而造成的；(4)地下水的影响。 软岩隧道失稳破坏特征：(1)变形破坏方式多；(2)变形量大；(3)变形速度 高；(4)持续时间长；(5)围岩破坏范围大；(6)各位置破坏不一；(7) 来压快； 软弱围岩隧道设计理论：(1)隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的， 即：隧道=围岩+支护，围岩与支护共同承担山体的压力；(2)隧道承受的压力 具有不确定性；(3)支护体系是控制围岩变形的关键； 软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理：(1)改善围岩自身受力条件； (2)直接对围岩提供支护力。 软岩在世界上分布非常广泛，泥岩与页岩就占地球表面所有岩石的 50% 左右。它与工程建设息息相关，特别是对大坝、遂洞、边坡的稳定性起控制 作用，如丹江口、葛洲坝、铜街子、小浪底、恒仁、上犹江、朱庄等大型水 电工程坝基都存在软岩类的软弱夹层，其中葛洲坝工程是一个典型，坝基下 埋藏产状近水平的软弱夹层有 50 多层，为探明软弱夹层成因类型和分布规律， 采用小口径钻孔、大口径钻孔、平洞、探井、钻孔彩色电视与地球物理勘探 以及现场地应力测量等方法；达开水库输水隧道软岩引起的坍方占坍方量的 70%；四川中江县马鞍山遂洞粘土岩膨胀导致变形与垮坍；贵州各地区边坡 滑动灾害中由软弱层引起约占 60%。在世界沙上有关水工建筑物事故的统计 中，由于软岩的存在而引发的，可以举出如下一些较突出的实例：美国圣佛 兰西斯坝，因粘土胶结的沙砾岩被水浸润软化而引起滑动；美国俄亥河 26 号 坝，沿坝基下 5cm 厚的页岩层发生滑动；美国奥斯丁重力圬工坝，沿石灰岩 内的页岩夹层而滑动；法国布泽坝，沿坝基龟裂的红色砂岩上的粘土层发生 滑动；印度的堤格拉坝，在砂页岩互层中发生滑动等等。因此，探讨软岩的 成因类型与空间展布规律、物质成分与结构特征、软岩与围岩的接触形态、 地质时代与强度的关系都是研究软岩特殊工程性质和优化工程治理的致关重 要问题。 本设计所研究的贵广天平山隧道就是以软岩大变形为特点的。 2、国内外研究现状 近些年，在国内外相继出现了大量的隧道软岩大变形工程实例，并且在 治理这些问题中取得了很多经验。 日本的岩手隧道，长 25.8km，采用新奥法施工。地质条件为凝灰岩及泥 岩互层，单轴抗压强度为 26MPa。施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的， 上断面的净空位移 100400mm，最大到 411mm；下断面的净空位移最大为 200mm，拱顶下沉为 10100mm。 日本惠那山隧道，长 8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较 多，局部为粘土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为 1.73.0MPa，隧 道埋深为 400450m，原始地应力为 1011MPa。施工时产生了大变形，在地 质最差的地段，拱顶下沉达到 930mm，边墙收敛达到 1120mm，有 600cm2面 积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。最后采用 9.0m 和 13.5m 的长锚杆，并 重新喷护 20cm 厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。 陶恩隧道长 6400m，开挖断面面积 90-105m2，位于显著变质的岩带内， 如片岩、千枚岩等，主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石，抗压强度 R=0.4- 1.7MPa，洞内无地下水活动，隧道埋深为 600-1000m，原始地应力为 16.0- 27.0 MPa，侧压力系数近似为 1.0，围岩强度比为 0.05-0.06。陶恩隧道采用台 阶法施工，在设计时，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期 支护参数较小，导致拱顶发生 1.2m 的位移。而后把锚杆改为 6m，并初次采 用纵向伸缩缝，缝宽 20cm，间隔 3m，支撑也是可缩的，并在隧道底部增加 了隧底锚杆，喷射混凝土厚度保持 25cm 不变。上述补强措施对大变形起到 了一定的控制作用，但已完成段，其洞壁已严重侵入二次衬砌净空，只能采 取扩挖的办法处理，增加了施工的难度，同时又具有一定的危险性。此时的 净空收敛大约是 20-25cm。要再大时，要增打 9m 以上长度的锚杆。 奥地利阿尔贝格隧道隧道长 13980m，开挖断面面积 90-103m2，岩石主 要为千枚岩、片麻岩，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩，岩石强度为 1.21.9 MPa，隧道的埋深平均为 350m，最大埋深为 740m，原始地应力为 13.0 MPa，围岩强度比为 0.10.2。隧道采用自上而下的分布开挖法，先开挖弧形 导坑，施作初期支护，然后再开挖台阶(分左、右两次分别进行)，最后检底。 由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，该隧道设计时的初期支护就比 较强，喷射混凝土厚 2025cm，锚杆长 6.0m，同时安设了可缩刚架。但是由 于岩层产状不利，锚杆的长度仍不够，施工中支护产生了很大变形，拱顶下 沉量达到 1535cm，最大水平收敛达 70cm，变形速度达 11.5cm/d，后来采取 将锚杆的长度增加到 9.012.0m 的办法，才是变形得到了控制，变形速度降 为 5.0cm/d，变形收敛时间为 100150d。 家竹箐隧道隧道全长 4990m。隧道位于盘关向斜东翼，属单斜构造，岩 层产状 N2035E/1830NW。由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层 不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层 F1，其破碎带宽 1520 m。 隧道横穿家竹箐煤田。隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，北段为灰岩， 中部 3890 m 为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。隧道 掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深(404m)的煤系地层地段， 由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。在一般地段，拱顶下沉 为 50-80cm，侧壁内移 50-60cm，底部隆起 50-80cm；在变形最严重地段，拱 顶下沉达到 240cm，底部隆起达到 80-100cm，侧壁内移达到 160cm。为整治 病害具体措施如下:设置特长锚杆加固地层；改善隧道断面形状，加大边 墙曲率；采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；加大预留变形量；提 高二次衬砌的刚度；加强仰拱。大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构 完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储 备。 木寨岭隧道全长 1710m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及 硅质砂板岩。存在的主要构造体系是山字型构造体系。属地应力集中区，隧 道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩， 局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围 岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形地段， 严重处拱顶累计下沉达 155cm。经研究主要采取的处理措施有：开挖总体 采用双侧壁法；初期支护钢架及临时支撑采用 I22 型工字钢、自进式锚杆， 超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。导坑开挖时预留变形；修改 原设计仰拱；二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；对需换 拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进 行双液注浆。 在我国，随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多 地触及到软岩（高应力软岩）工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究， 摸清它发生、发展的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法 是十分必要的。 3、进行的主要工作 本毕业设计主要有两个方面： 一是软岩隧道的结构设计，包括二次衬砌尺寸及材料拟定、荷载计算、 内力分析、二次衬砌配筋设计； 二是施工组织设计，包括：开挖施工方法、爆破设计、出碴及运输方式、 初期支护、二次衬砌、防水层、排水系统、施工通风、施工监控量测设计、 施工组织管理、主要分项的施工工艺等内容。 4、采取的方法 对于隧道结构设计，首先利用 ANSYS 软件进行建立计算模型，即使用 阶段结构安全性检算，采用“荷载结构”模式，二衬结构采用弹性平面梁 单元模拟，弹性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟，组合荷载根据 不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。荷载计算主 要包括松动压力的计算，即采用单线隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式计 算。利用容许应力法进行配筋设计，即根据计算出来的内力值进行配筋。 对于隧道施工组织设计，本隧道使用分部台阶法进行开挖，在施工之前 要进行超前地质预报，探测地层岩性、软弱层及断层构造位置等。弄清地质 情况以后进行开挖。利用钻爆法进行开挖，然后进行超前支护与初支护，超 前支护使用超前小导管注浆加固地层，初期支护包括锚喷支护，架设格栅钢 拱架，钢筋网。然后根据设计参数进行二次衬砌，不间断进行施工监测。 5、预期结果 设计中通过对结构所受的荷载，进行 ANSYS 建模，来计算出某点所受的 轴力和弯矩，然后通过计算出来的内力进行衬砌结构的配筋设计。 隧道施工组织设计中，初期支护包括锚喷支护，架设格栅钢架，钢筋网， 以及二次衬砌要及时施做，采用无轨运输方式进行出渣，利用斜井进行通风， 排水，二次衬砌及时跟上。 完成隧道结构设计； 完成隧道施工组织设计； 完成设计图：地质纵剖面图，衬砌结构横剖面图，计算模型及计算结果 图，炮眼布置图、配筋图等； 完成外文翻译等相关文档和完整的设计报告书。 6、进度计划 第 1 周 熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图； 第 2 周 写出开题报告； 第 35 周 支护结构设计； 第 69 周 隧道衬砌结构设计检算； 第 1012 周 施工方案及爆破设计； 第 13 周 初支、防水及二衬等施工工艺设计； 第 1415 周 防水设计、监控量测设计，外文翻译； 第 16 周 文整，答辩。 指导教师签字时间 年 月 日 摘 要 新建贵阳至广州铁路天平山隧道研究段（DK372+800DK374+165），全 长 1365m，为双线单洞隧道，设计时速 250km，预留进一步提速条件。本隧设 置 0#、1#、2#、3#、4#斜井，12 个工作面，是贵广铁路的控制性工程之一。该 隧道地下水发育，工程地质复杂。本隧道段的主要工程地质问题是高地应力下 炭质页岩等软岩变形。 首先，根据隧道的工程概况拟定相关参数对隧道各级各段进行深浅埋判断， 在此基础上进行围岩压力计算，通过 ANSYS 软件建模对各围岩段衬砌强度进 行结构检算，再对衬砌配筋进行计算，之后进行检算。其次，根据该隧道研究 段的两种围岩等级进行施工方案的选择和设计，提出施工方案。施工方法的选 择：级围岩采用三台阶法，级围岩同样采用三台阶法。然后对小导管、锚 杆、钢筋网、钢架和喷射混凝土的施工要点及注意事项进行详细阐述。再对初 期支护和二次衬砌进行施工方法设计。最后再对该天平山隧道的防排水工艺以 及监控量测进行设计。从设计、开挖到支护完成的整个过程，充分体现了“新 奥法”的精髓，以保证隧道本身的稳定性。 关键词：天平山隧道 软岩变形 结构计算 隧道施工 监控量测 Abstract The test section of Tian Pingshan Tunnel in the newly built Guiyang-Guangzhou Railway is 1365m long, which is a tunnel has two lanes with one tube. And the projected speed is 250km，in which the condition of speeding up has been reserved. The tunnel sets up inclined shafts included 0#，1#，2#，3# and 4# and twelve working faces，which is one of the dominant engineering in Guiyang-Guangzhou Railway. The groundwater under the tunnel is developed and the engineering geology is complex. Main engineering geological problem of this tunnel section is the deformation of soft rock includes macker. Firstly，I will formulate parameters according to the project profiles to judge the buried depth of all levels. And on this base I will make calculations of surrounding rock pressure and make structure checking of each section of surrounding rocks lining strength through ANSYS modeling. Then I will make calculations about lining reinforcement and check again. Secondly，I will select and design a construction scheme from the two levels of the surrounding rock in tunnels test section then present the construction scheme. Selections of construction methods: the level uses three-step-method and the level also uses three-step-method. Then I will describe the key points of construction and precautions of small pipe，rock bolt，steel fabric，steel frame and sprayed concrete. Finally，I will design the waterproofing and drainage system and monitoring measurement of Tian Pingshan Tunnel. Through the whole process of designation，excavation and supporting to complete，it fully embodies the essence of “new Austrian tunneling method” to guarantee the stability of the tunnel itself. Key words: Tian Pingshan tunnels Soft rock deformation Structural calculation Tunneling construction Monitoring measuring 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景及国内外现状 .1 1.2 主要设计内容 .2 第 2 章 工程概况 3 2.1 工程概况 .3 2.2 地质概况 .3 2.2.1 地质岩性 3 2.2.2 地质构造和水文特征 4 2.2.3 地应力 4 2.2.4 工程面临的问题 5 2.2.5 施工方法 6 2.2.6 不良地质特点分析 6 第 3 章 结构设计 8 3.1 主要设计依据及技术标准 .8 3.1.1 设计依据 8 3.1.2 设计标准 8 3.2 结构计算原理 .8 3.3 衬砌内力计算 11 3.4 二次衬砌强度检算及配筋 16 3.4.1 强度检算公式 .16 3.4.2 强度检算及配筋 .18 3.4.3 最大裂缝宽度检算 .19 3.5 隧道的结构形式以及支护参数 20 第 4 章 隧道施工方案 .22 4.1 总体方案 22 4.2 开挖方法和工序 22 4.3 不同围岩段的开挖方法 24 4.3.1 级围岩段开挖方法 .25 4.3.2 级围岩段开挖方法 .26 4.4 大变形分级控制 26 4.5 爆破设计 27 4.5.1 级围岩爆破设计 .27 4.5.3 级围岩爆破设计 .31 4.5.4 钻爆施工 .35 4.6 装渣与运输 37 第 5 章 隧道施工工艺 .38 5.1 超前地质预报 38 5.2 小导管注浆施工工艺 38 5.3 大管棚注浆施工工艺 40 5.4 初期支护 41 5.4.1 喷射混凝土 .41 5.4.2 锚杆 .43 5.4.3 钢筋网 .46 5.4.4 格栅钢架 .47 5.5 二次衬砌 48 5.5.1 二次衬砌施工概述 .48 5.5.2 二次衬砌施工准备工作 .49 5.5.3 二次衬砌混凝土 .49 5.5.4 二次衬砌模板台车 .50 5.5.5 二次衬砌施工要点 .51 5.6 防排水工程施工工艺 53 5.6.1 隧道衬砌排水 .53 5.6.2 采用防水混凝土 .53 5.6.3 施工缝和变形缝防水 .53 5.6.4 初期支护和二次衬砌之间防水 .54 5.6.5 洞内排沟施工 .55 第 6 章 隧道施工现场监控量测 .56 6.1 监测目的 56 6.2 量测项目及测点布置 56 6.3 监控量测流程 58 6.4 量测方法 58 6.5 量测频率 59 6.6 监控量测数据分析与反馈 59 6.7 监控量测的主要设备 59 6.8 监控量测工作各单位职责 60 第 7 章 结论与展望 .61 7.1 结论 61 7.2 展望 62 参考文献.63 致 谢64 附录 A 外文资料翻译65 A.1 英文 65 A.2 译文 76 附录 B 图纸82 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及国内外现状 软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。软岩结构主 要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包括沉积层面、 软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触方式，微空隙与微裂 隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发 展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时 代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征，古生代和部分中生代软岩由于长期上 覆岩体的压实作用及经常性的构造运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使 颗粒间形成胶结连结。同时由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成 密实有序的长带状和链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于 10%，单轴抗压强度 相对较高，多数为 20-30MPa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒 间密实性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序 的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构较疏松， 吸水率为 10%-70%，单轴抗压强度一般为 520MPa，如南水北调中线工程邯郸地区 的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常不稳定，它与砂岩互层 或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混杂堆积，成岩程度低，岩石中 常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙脱石、伊利石混层矿物密集分布，造 成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达 69%78%，抗压强度均小于 5MPa。 随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多地触及到软岩 （高应力软岩）工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究，摸清它发生、发展 的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法是十分必要的。 贵广铁路天平山隧道是贵广铁路第三长、大、高风险隧道。该隧道由广西龙胜 境内进入，沿桂北第一山脉天平山主峰纵向穿越，在广西临桂县五通镇布厄村结束， 全长 14.005km，隧道最大埋深 775m，进口、出口均有 200 多米的浅埋偏压段，该 隧道地质条件复杂，、级围岩比重大，有可能产生大变形、坍塌等地质灾害， 为级风险隧道。围岩以、级为主，主要为碳质页岩，围岩破碎，地下水发育， 稳定性差，开挖后局部掉块严重，支护后易产生较大、持续时间较长的挤压变形， 2 安全风险高，施工难度较大，且交通条件极度恶劣，是铁道部和贵广铁路公司确立 的“软岩隧道大变形科研技术”重要研究课题。 1.2 主要设计内容 本设计针对天平山隧道的研究段（DK372+800DK374+165）进行研究。 主要设计内容： (1) 计算级、级围岩荷载，确定在这两种围岩级别条件下衬砌类型，衬砌 长度，二衬厚度和计算配筋，进行洞身二衬结构检算，并绘制衬砌结构横剖面图， 结构配筋图。 (2)按工程类比法确定在这两种围岩级别条件下隧道的初支结构及形式。 (3)进行隧道总体施工方案设计，包括总体施工部署、进洞方案、洞身在这两种 围岩段的开挖方法等。 (4)设计具体的施工工艺，包括开挖、出碴、初支、二衬、防水工程、量测及其 它相关施工工艺，绘制相应的施工工法步序图，监测布置图以及其它必要附图。 3 第 2 章 工程概况 2.1 工程概况 该隧道的研究段（DK372+800DK374+165），全长 1365m，为双线单洞隧道， 设计时速 250km，预留进一步提速条件。本设计段隧围岩以、级为主，主要为 碳质页岩，围岩破碎，地下水发育，稳定性差，开挖后局部掉块严重，支护后易产 生较大、持续时间较长的挤压变形，安全风险较高，施工难度较大，且交通条件恶 劣。 隧道洞身穿过奥陶系、寒武系地层，以砂岩、页岩为主，局部段落为页岩夹炭 质页岩，砂岩裂隙发育，且洞身段穿越四条区域性大断层，地下水发育，人文干扰 较大，工程地质复杂。 本隧的主要工程地质问题是高地应力下炭质页岩等软岩变形。 2.2 地质概况 2.2.1 地质岩性 本隧道的地质岩性： 炭质页岩：粘土岩的一种。成分复杂，除粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水 云母、拜来石等）外，还含有许多碎屑矿物（如石英、长石、云母等）和自生矿物 （如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等） ，具页状或薄片状层理。它是由粘土在地壳 运动中挤压而形成的一种沉积岩，是固结较弱的粘土经过挤压、脱水、重结晶和胶 结作用而形成的。由于它层理分明、易剥离而称为页岩。页岩一般为褐色、灰色或 黑色，硬度不高，用硬物击打易裂成碎片。炭质页岩含有大量已碳化的有机质，常 见于煤系地层的顶底板。 砂岩：砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂粒含量大于 50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的，石英和长石是组成地壳最常见的成分。 砂岩的颜色和成分有关，可以是任何颜色，最常见的是棕色、黄色、红色、灰色和 白色。 有的砂岩可以抵御风化，但又容易切割，所以经常被用于做建筑材料和铺路材 料。例如石英砂岩中的颗粒比较均匀坚硬，所以砂岩也被经常用来做磨削工具。 4 砂岩由于透水性较好，表面含水层可以过滤掉污染物，比其他石材如石灰石更 能抵御污染。 页岩夹炭质页岩、砂岩及灰岩(b1）：深灰，灰黑色，薄至中厚层状，节理发 育，具少量页岩同生角砾。岩质软，遇水易软化，稳定性差。强风化层厚 312m， 属级软石，弱风化层属级软石。 页岩夹炭质页岩及透镜状灰岩(q3）：浅灰，灰黑色，薄至中厚层状，节理发 育，岩质总体较软，遇水易软化，稳定性差。强风化层厚 312m，属级软石，弱 风化层属于属级软石。 岩层的物理力学指标见表 2-1。 表 2-1 岩层的物理力学指标 边坡率 岩 土 名 称 风化 程度 密度 (g/cm3) 抗压 强度 (MPa ) 内摩 擦角 () 基本 承 载 力 (kPa) 临时永久 W32.245400 1:0.7 5 1：1 页岩夹砂岩、炭质 页岩及灰岩(b1） W22.428.8535001:0.51:0.75 W32.245400 1:0.7 5 1：1 页岩夹炭质页岩及 透镜状灰岩(q3） W22.428.8535001:0.51:0.75 2.2.2 地质构造和水文特征 该研究段隧道位于天平山隧道中间地段，地形切割比较厉害，地表植被发育； 根据地质资料，该段岩性主要为页岩夹炭质页岩及透镜状灰岩；段内多发育次级断 层构造，岩体完整性差，多处为节理密集带及复式褶皱，围岩节理、裂隙极发育， 岩体软弱、含水性较好。 段内宇庙 4 号及上宇庙 5 号向斜为地下水的储藏提供有利条件，核部地下水含 量丰富，隧道洞身位于向斜南西翼，与向斜轴向平行行进，并靠近向斜核部；开挖 过程中，在断层带及节理密集带、向斜核部附近有中等涌水现象，局部可能出现较 大的涌水现象；洞身地下水对砼侵蚀等级为 H1。 2.2.3 地应力 根据埋深基本相同的 DZ-天平山-深-4 孔地应力测试资料（见表 2-2）来看，在 测量深度域内水平主应力值大致随孔深增加而减小；结果显示，三个方向的主应力 之间的大小关系为：Hvh，随着深度的增加，垂直主应力值逐渐变大，最大水 5 平主应力值逐渐减小，最后最大水平主应力将小于垂直主应力。印模结果表明 DZ- 天平山隧道-深-4 孔附近最大水平主应力的优势方向位于 N57W 左右，应力随深度 变化较有规律，测孔附近应力场分布较为均衡。钻孔附近最大水平主应力优势方向 与线路中线约以锐角 8 相交，因此隧道轴线方向选择比较合理。 表 2-2 天平山隧道 DZ-天平山-深-4 孔各深度测段H、h、V值汇总 深度(m)H (MPa)h (MPa)V (MPa) 456.97457.8218.21 13.43 12.09 471.84472.6917.99 11.10 12.48 496.51497.3615.14 10.72 13.14 508.93509.7815.42 10.2413.47 522.10522.9514.29 10.22 13.81 按钻孔不同深度主应力测试值分布及其线性回归公式大致推测天平山隧道 DZ- 天平山-深-4 孔附近开挖隧道位置处横、纵、值以及隧洞轴线横截面上的最大切 向应力 mxs值见表 2-3： 表 2-3 DZ-天平山隧道-深-4 孔在拟开挖洞轴线位置各应力值估测值表 H (MPa) h (MPa) V (MPa) 横 (MPa) 纵 (MPa) (MPa) max (MPa) 12.448.5714.558.6512.360.53335.00 根据地应力及岩石抗压强度分析，洞身基岩为以页岩、炭质页岩为主的软质岩， 埋深大，可能存在塑性变形问题。 2.2.4 工程面临的问题 炭质页岩属软弱围岩，尤其是厚层炭质页岩、构造发育、岩体破碎、富含地下 水时，因围岩强度低、开挖后风化快、透水性弱、亲水性强，浸水后容易产生较大 的塑性变形甚至流变，在施工中可能引起较大的挤压性变形。当隧道开挖前处在高 围压状态时尚具有较高的强度和稳定性，当围压降低、围岩应力差增大时，结构面 张开或滑移，围岩整体强度和模量降低，表现出显著的结构流变的特点。对炭质页 岩的变形控制是本隧道面临的一大技术难题。 6 2.2.5 施工方法 以往隧道施工时，若围岩变形较大，初期支护不能承受围岩压力时，只能通过 拆除已施作的初期支护，扩挖断面后重新施作初期支护，这需要耗费大量的时间， 给工期带来更大的压力，且拆除已施作的支护，极有可能发生塌方等安全事故。为 此，本隧设置试验段，通过加大预留变形量，预留补强空间的方法来避免变形过大 时必须拆除已施作的支护，并设置不同的支护措施，进行实验，比较分析，找出围 岩及支护变形规律，得出安全经济的支护形式，指导后续类似地质情况施工。 采用的隧道施工方法： 进口位于陡崖边，左侧洞身露出地表，基岩为砂岩与页岩互层，岩体较破碎， 节理密集，进口仰坡存在不利结构面（节理顺层） ，左侧沟谷冲刷严重。 按“早进洞、晚出洞”的原则，根据地形地质条件，控制边仰坡开挖高度，采 用翼墙式洞门。 洞口位置的确定及洞门型式的选择：洞口定于 DK366+862。 由于洞口为级围岩，底层条件较差，采用上半断面长台阶法进洞施工，上半 断面先进50米后，拉中槽落底，在保证掩体稳定的条件下，尽兴变强扩大及底部开 挖，上部开挖进尺控制在1.5m并严格控制爆破药量，施工支护采用超前锚杆与系统 锚杆相结合，挂网喷射混凝土。拱部安设1.0m的钢拱架，早施做混凝土衬砌，确保 稳定和安全。 在隧道的研究段，即软岩区段，围岩段采用三台阶法，级围岩段采用三台 阶法。各工序及时紧跟，施作精细到位，质量过关，排除施工不力造成大变形的因 素。并注意拱脚及墙脚的稳定措施，仰拱封闭距离等。 2.2.6 不良地质特点分析 软弱围岩工程地质特点有： (1)岩体破碎松散、粘结力差：一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成 的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦 效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒 顶。 (2)围岩强度低、遇水易软化：一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为 代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化， 7 尤其是深埋地段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。 (3)岩体结构面软弱、易滑塌：主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体 中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和 坠落等变形破坏现象。 软弱围岩的变形与破坏特征： 软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能 力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。 由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力 进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。 这种变形由三部分组成： 一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出； 二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽； 三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移； 若对这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。 8 第 3 章 结构设计 3.1 主要设计依据及技术标准 3.1.1 设计依据 (1)铁路隧道设计规范(TB10003-2001) (2)铁路隧道工程施工技术指南(TZ204-2008) (3)新建铁路工程测量规范(TB10101-99) (4)铁路隧道喷锚构筑法技术规则(TBJ108-92) (5)铁路喷射混凝土技术施工规范 (6)铁路隧道施工规范(TB10204-2002) (7)铁路隧道防排水设计规范 3.1.2 设计标准 铁路等级：级 ； 正线数目：双线 ； 牵引种类：电力 ； 牵引定数：4000 t ； 限制坡度：单机 6 ，双机 13 ； 隧道建筑限界：“kh-250 桥隧建筑限界” ； 闭塞类型：自动闭塞； 设计行车速度：250km/h 。 隧道内轨道按重型轨道标准设计，预留特重型轨道条件。钢轨采用 70kg/m，高 强耐磨钢轨，一次铺设超长无缝线路。 3.2 结构计算原理 对隧道结构进行设计检算，主要是依据容许应力法原理，通过对衬砌结构建模， 计算得出衬砌结构在荷载作用下的内力和位移，利用结构危险点的内力对衬砌强度 进行检算，对不满足强度要求的进行配筋。 隧道衬砌结构检算的主要内容为：根据具体的工程对象，弄清隧道结构的几何 参数和地质参数，包括结构的几何参数、弹簧的弹性常数、上覆土的深度和容重、 地面荷载、混凝土材料的容重和弹性模量以及土体的侧压力系数等参数；然后建立 几何模型，划分单元并加上弹簧单元，加上自重和约束条件，加上荷载并进行求解； 9 接下来对计算的结构进行分析，重点考察结构变形图，根据弹簧单元只能受压的性 质重新修改模型并重新求解，这一步要反复进行直到得出最终结果；最后对计算结 构进行分析，绘出结构的轴力图、弯矩图，并导出内力数据，根据分析的结果，按 照相应的规范进行强度和变形的验算，如果不满足设计要求，进行配筋计算。 根据隧道地质情况，运用工程类比法确定本隧道、围岩段均采用复合式衬 砌，衬砌结构必须满足运营安全要求、防水要求和美观要求。 依据天平山隧道研究段的纵断面图，在围岩级别和地质条件不同的 2 个地段选 取衬砌进行设计计算。围岩分级见表 3-1。 表 3-1 隧道围岩分级 起讫里程长度（m）围岩级别 DK372+800DK373+215415 DK373+215DK373+27560 DK373+275DK373+725450 DK373+725DK373+80075 DK373+800DK374+165365 计算参数及荷载计算： 级围岩：喷射混凝土采用的是 C25，厚度为 25cm，二次衬砌采用 C35 钢筋混 凝土，拱部厚度为 0.45m，仰拱厚度 0.55m，另外仰拱用 C20 混凝土填充，宽度 B 为 1422cm，H=1198cm，围岩重度为 21.5kN/m3，二次衬砌混凝土的密度为 2500kg/m3，其弹性模量为 31.5GPa，泊松比为 0.2，沿隧道纵向取单位长度 1m 的隧 道模型，弹性反力系数为 350MPa/m。 级围岩：喷射混凝土采用的是 C25，厚度为 28cm，二次衬砌采用 C35 钢筋混 凝土，拱部厚度为 0.5m，仰拱厚度 0.6m，另外仰拱用 C20 混凝土填充，宽度 B 为 1438cm，H=1224cm，围岩重度为 18.5 kN/m3，二次衬砌混凝土的密度为 2500kg/m3，其弹性模量为 31.5GPa，泊松比为 0.2，沿隧道纵向取单位长度 1m 的隧 道模型，弹性反力系数为 150MPa/m。 (1)深、浅埋判定依据 一般，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量，根据 经验，这个深度通常为 22.5 倍的坍方平均高度值，即 (2 2.5) pq Hh (3-1) 式中，Hp深浅埋隧道分界的深度(m)； hq等效荷载高度值(m)。 10 系数 22.5 在较坚硬围岩中取低限，结合隧道地质状况取值。当隧道覆盖层厚 度 hHp时为深埋，hHp时为浅埋。 (3-2) 1 q 0.45 2Sh )5(1Bi (3-3) 式中，hq等效荷载高度值； S围岩级别； 宽度影响系数； B坑道宽度，以 m 计； iB 每增加 1m 时，围岩压力的增减率(以 B=5m 为基准)，当 B 5m 时，取。 2 . 0i1 . 0i 所以：深埋隧道，埋深对围岩压力没有影响，因此任意选取截面进行计算。 （2)围岩压力的计算 围岩压力的计算包括垂直和水平压力的计算，随隧道的埋深不同，计算公式也 不相同。通过查阅铁路隧道设计规范得到各级围岩的计算参数。 a.深埋隧道围岩松动压力的计算方法 双线铁路隧道垂直均布松动压力公式为： q qh (3-4) 式中，竖直均布松动压力(kN/m)； q 围岩容重(kN/m )。 b.当隧道为浅埋时，分两种情况 我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深小于或等于等效荷载高度 h 时（即时） ，围岩垂直均布压力为 q h h q h (3-5)qh 式中，围岩容重(kN/m )； 隧道埋置深度(m)。 h 围岩水平均布压力 e 按朗金公式计算 e=（q0.5Ht）tan2 （0.5） (3-6)45 0 我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深大于等效高度（即 hhq） h q h 时，围岩的垂直均布松动压力计算为： q = (3-7)qhk 式中，k压力缩减系数，其值为 k=1 (3-8) (3-9) tan h B 0 00 tantan tan1tan(tantan )tantan 11 (3-10) B 隧道开挖高度(m)； H 洞顶岩体覆盖厚度(m)。 水平围岩压力计算公式见表3-2。 表 3-2 水平均布松动压力 围岩级别 均布压力0.225q0.4q 围岩 选取断面位置：DK373+872.5 埋深 H=425.2665m 因为此断面位于围岭大队，浅部人文干扰较大；洞身主要处于页岩夹炭质页岩 地层中，该段电阻率值较高，推测为页岩夹灰岩透镜体的综合反映，断面属于危险 断面，所以选为计算截面。 e=0.225q e= 35665.92 Nm 检算：h=425.2665m(22.5)Hq 属于深埋 由深埋隧道公式得： 垂直压力：q =158515.2 (N/m2) 水平压力：e =35665.92 (N/m2) 级围岩 选取断面位置：DK373+260 H=438.71m 因为该段位于天平山隧道中间地段，地形切割比较厉害，且存在断层，属于危 险截面，所以选为计算截面。 e=0.4q e= 103256.64 Nm 检算：h=438.71m(22.5)Hq 属于深埋 由深埋隧道公式得： 垂直压力： q =258141.6 (N/m2) 水平压力： e =103256.64(N/m2) 3.3 衬砌内力计算 2 00 0 0 (tan1)tan tantan tantan 12 在、级围岩段，二次衬砌按主要承载结构设计，计算采用荷载结构模型， 采用有限元 ANSYS 进行模拟。单元类型为二维梁单元，梁单元宽度为单位宽度， 梁的高度按二次衬砌实际厚度考虑。 围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况 进行调整和优化，围岩弹性抗力系数按规范选值，仅当结构产生朝向围岩方向的位 移时添加弹簧单元。 级围岩衬砌内力计算图示见图 3-1、3-2、3-3、3-4，级围岩衬砌内力计算值 见表 3-3。 图 3-1 级围岩衬砌节点编号图 13 图 3-2 级围岩衬砌计算模型图 图 3-3 级围岩深埋衬砌弯矩图(Nm) 图 3-4 级围岩深埋衬砌轴力图(N） 14 表 3-3 级围岩衬砌部分节点内力 节点号节点位置 轴力（N）弯矩(Nm) 8拱脚6.9