軟巖隧道設計與施工(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 中，巖溶對隧道工程有一定影響。隧址處位于武都山字型構造體系前弧，受多期次構造的復合，揉皺及構造節理發育，其展布與區域構造線基本一致，以近東西和北西西向為主。隧道范圍內未見區域性大斷裂通過，但巖體受構造運動的影響，揉皺、褶皺發育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性差。 國內外現狀 軟弱圍巖 對隧道 失穩 的影響 軟 弱圍巖一般是指巖質軟弱、承載力低、節理 裂隙發育、結構破碎的圍巖。軟巖對隧道失穩的影響 有： (1)巖體力學性質的影響 ： 軟巖的力學特性如各向異性、塑性、擴容性、膨脹性、流變性等 ， 都對圍巖的穩定有重要影響。層狀軟巖的各向異性 ， 使圍巖的變形失穩及失穩形態有很強烈的非對稱性 ， 軟巖的擴容性和塑性明顯時會使洞周形成松散破碎區或擠壓變形區 ， 軟巖的膨脹性會產生擠壞支護或形成嚴重的底鼓 ， 有明顯時間效應的粘土質軟巖 ， 則產生粘彈 — 塑性或粘塑性的變形壓力。 石家莊鐵道大學畢業設計 2 (2)巖體結構及裂隙分布的影響在地質構造運動中形成的結構面 ， 一般情況下 ，其強度遠低于母巖。巖體的強度往往受結構面強 度控制。裂隙的分布不同 ， 也對圍巖的穩定造成不同的影響 ， 當節理傾角大于 30176。 、走向與隧道軸線交角小于 40176。時 ， 危險性較大 ， 而當節理走向與隧道軸線大角度相交 ， 則危險性較小。巖體在節理裂隙切割下形成的不穩定結構塊體 ， 是地下工程松動地壓的主要來源。 (3)軟巖隧道的失穩 ， 是隧道開挖引起的應力重分布超出圍巖強度或造成圍巖過分變形而造成的。地應力主要有自重應力和構造運動產生或殘留的應力兩種 ， 其對隧道穩定的影響 ， 主要看最大主應力與最小主應力差值 ， 主應力的大小、方 向， 各主應力構成特征 ， 以及主應力與工程的相對方位、與巖層主要 節理組的夾角等 。 (4) 地下水的影響地下水對軟巖隧道穩定影響分為四個方面 ： ① 對于透水圍巖來講 ， 洞室開挖形成的新自山面使地下水有了排泄通道 ， 在洞周產生了滲壓梯度 ，在圍巖內產生了指向洞內的推動力 ； ② 由于靜水壓力作用 ， 飽和水部分巖體中有效壓應力減小 ， 其應力狀態趨于惡化 ， 抗剪強度減小 ； ③ 圍巖內的水降低了裂隙面摩擦系數和粘聚力 ； ④ 地下水溶解、搬運礦物顆?；蛲V物成分發生化學作用 ， 使圍巖強度進一步惡化。 軟巖隧道失穩破壞特征 軟巖隧道 失穩， 一般表現為松動破壞和變形破壞兩種形式。松動破壞是因隧道開挖后 ， 圍 巖應力重新分布 ， 部分圍巖成為脫離母巖的分離塊體和松散體 ， 在重力作用下 ， 產生冒落和塌滑運動。變形破壞表現的圍巖失穩和破壞現象 ， 往往須經過一段時間后方開始顯現 ， 反映 了 巖體的流變性質。所謂流變性質 ， 是指圍巖變形在應力不變情況下不斷增長 (蠕變 )， 或在變形約束情況下應力隨時間降低 (松弛 )， 以及圍巖強度隨時間降低的性質。隧道開挖后 ， 在二次應力作用下圍巖發生蠕變或強度降低 ， 當變形最超過圍巖的塑變形允許量或強度降低至允許值后 ， 圍 巖發生破壞 ，隧道失穩。軟巖隧道失穩破壞具有如下特征 ： (1)變形破壞方式多 ： 變形破壞方式一般有拱 頂下沉、坍塌 ， 片幫和底鼓、底圍隆破 ， 隧道表現出強烈的整體收斂和破壞。變形破壞形式既有結構面控制型 ， 又有應力控制型 ， 以應力控制型為主。 (2)變形量大 ： 拱頂下沉一般大于 10cm， 有的高達 50cm， 兩幫擠 入 20cm~80cm，底鼓強烈。 (3)變形速度高 ： 軟巖隧道初期收斂速度達到 3cm/d， 即使采用常規的錨噴支護 ，軟巖隧道的收斂速度仍可達到 2cm/d， 而且其變形收斂速度降低緩慢。 (4)持續時間長 ： 由于軟巖具有強烈的流變性和低強度 ， 軟巖隧道掘進后 ， 圍巖石家莊鐵道大學畢業設計 3 的應力重分布持續時間長 ， 致使軟巖隧道變形破壞持續時間很長 ， 往 往長達 1~2 年 。 (5)圍巖破壞范圍大：由于軟巖隧道中圍巖的強度與地應力的比值很小，因此，軟巖隧道圍巖的破壞范圍大，特別是當支護不及時或不當時，圍巖破壞區的范圍可達 倍洞徑，甚至更大。 (6)各位置破壞不一： 在隧道周邊不同部位 ， 變形破壞程度不同 ， 這反映了軟巖隧道所處的地應力強度因方向而異和軟巖具有強烈的各向異性。變形破壞在方向上的差異性往往導致支護結構受力不均 ， 支護結構中產生巨大的彎矩 ， 這對支護結構穩定是非常不利的。 (7) 來壓快 ： 軟巖隧道變形收斂速度高 ， 在很短時間內 ， 圍巖即與支護結構接觸 ， 產生壓力。 圍巖與支護結構相互作用后 ， 圍巖的變形破壞并不立即停止 ， 而是繼續下去。這是因為軟巖具有流變性 ， 在圍巖流變過程中 ， 圍巖的強度降低。因此 ，地壓隨時間而逐步增長 。 軟弱圍巖隧道設計理論 在隧道工程的設計與施工中，除了了解軟弱圍巖隧道 “ 自穩差、易坍塌 ” 的工程特點，還必須清楚地認識到隧道不同于地面建筑物的 3 個主要特點： (1)隧道是由圍巖和多種支護結構兩部分組成的，即：隧道 = 圍巖 + 支護，圍巖與支護共同承擔山體的壓力。 (2)隧道承受的壓力具有不確定性。 (3)支護體系是控制圍巖變形的關鍵。 為有效 控制隧道工程安全風險，避免或減少坍方事故發生，應以 “ 充分調動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛 ” 為設計理念，按新奧法原理進行軟弱圍巖隧道設計。 軟巖隧道支護方法現狀及其支護作用機理 軟巖隧道當前支護方法分為改善圍巖自身受力條件和對圍巖直接提供支護力兩種 ： (1)改善圍巖自身受力條件 ： ① 注漿。分為注水泥漿、水泥 — 水玻璃漿、化學注漿。其目的是充填裂隙 ， 提高圍巖完整性、連續性、增加圍巖的整體強度。 ② 錨桿支護。錨桿支護的目的是消除巖體結構效應 ， 在圍巖內形成組合拱 ， 同時錨桿對圍巖施加壓力 ， 使處于二向 應力狀態的圍巖保持三向應力狀態。 ③ 噴射混凝土支護。噴射混凝土改變圍巖表面受力狀態 ， 增加圍巖表面抗力 ， 防止松動塊掉落 ， 噴射混凝土的柔性支護使圍巖在不出現有害的塑性變形下 ， 釋放圍巖壓力 ， 噴射混凝土還石家莊鐵道大學畢業設計 4 可將圍巖壓力均勻的傳遞給鋼拱架、錨桿 ， 使支護結構受力均勻。 ④ 掛鋼筋網。主要是提高噴層的承載力 ， 承受剪力和拉力 。 (2)直接對圍巖提供支護力：①超前支護。一般采用超前管棚或錨桿 ， 在隧道開挖前 ， 沿隧道軸向支護 ， 對開挖后產生的松動圈提供支護力 ， 防止松動塊塌落 ， 惡化了圍巖的受力狀態。②格柵鋼拱架。鋼拱架主要是對松動壓力和圍巖 過分變性的形變壓力提供支護。③鋼筋混凝土二次襯砌。其作用同格柵鋼拱架 ， 并對隧道穩定提供安全儲備。 以上兒種支護是相輔相成的。其中 ， 噴射混凝土既能改善圍巖受力條件 ， 也提供支護力 ， 可縮性鋼拱架既對圍巖提供了支護力 ， 也可控制圍巖變形 ， 釋放部分圍巖應力。 主要研究內容及研究方法 主要研究內容 對于本畢業設計主要有兩個方面，一是軟巖隧道的結構設計，包括二次襯砌厚度的確定，以及采用何種混凝土襯砌，并且進行荷載計算、內力分析和二次襯砌配筋設計。其中主要包括假設噴射混凝土的類型，厚度，錨桿長度，采 用砂漿錨桿，錨桿的直徑，錨桿間距 ， 并且錨桿是否設置鋼墊板，墊板的尺寸。在拱部，邊墻部位都要 進行布置，鋼拱架采用鋼的種類，標號，間距，采用的鋼筋網網格間距； 二是施工組織設計，包括：采用分步臺階法開挖施工方法，鉆爆法施工，采用光面爆破設計，采用挖掘裝載機進行除渣，初期支護根據地質條件不同而不同，主要采用錨噴網為主的支護方式，進行二次襯砌仰拱要緊跟開挖面，之后再施工邊墻和拱圈，為了防水，可以進行注漿防水，初期支護噴射混凝土防水，二次襯砌防水層防水，排水系統主要是在隧道內安裝抽水泵進行排水 。 隧道施工用高壓風高壓水及 電路，施工監控量測主要包括洞內圍巖及支護狀態觀察；洞內周邊位移觀測；地表下沉量測；進行科學的施工組織管理；主要分項的施工工藝包括打錨桿，噴射混凝土，鋪鋼筋網，架設鋼拱架；軟巖隧道特殊施工段可以進行超前地質預報，然后進行強支護，弱爆破進行施工。 主要研究方法 對于隧道結構設計，首先利用 設計 軟件進行建立計算模型，即使用階段結構安全性檢算采用“荷載 — 結構”模式，二襯結構采用彈性平面梁單元模擬，彈性抗力石家莊鐵道大學畢業設計 5 以及隧底地基均采用彈簧單元模擬 ， 組合荷載根據不同作用方向分別轉換成等效節點力施加在相應的單元結點上 。 荷載計算主要包括松動壓力的計算，即采用單線隧道按破壞階段設計時垂直壓力公式計算。算出荷載以后，要進行配筋，即根據計算出來的內力值進行配筋，根據容許應力法進行配筋設計最后進行強度檢算和抗裂檢算 。 對于隧道施工組織設計，本隧道使用分部臺階法進行開挖，在施工之前要進行超前地質預報，探測地層巖性、軟弱層及斷層構造位置等。弄清地質情況以后進行開挖。利用鉆爆法進行開挖，然后進行超前支護與初支護，超前支護使用超前小導管注漿加固地層，初期支護包括錨噴支護，架設鋼拱架，鋼筋網。然后根據設計參數進行二次襯砌，不間斷進行施工 監測。 石家莊鐵道大學畢業設計 6 第 2 章 工程概況及工區劃分 工程概況 隧道概況 兩水隧道位于甘肅省武都區白龍江左岸中山區 ， 地形較為陡峻，相對高差 400m，隧道最大埋深 346m。進口端位于武都區附近 212 國道邊，出口位于武都區北峪河右岸斜坡，省道 307 在此通過，另山頂為油橄欖種植園，有便道通達，該隧道交通便利。隧道起訖里程為 DK357+082~DK362+095，全長 ，隧道進口至洞身中部附近位于直線上，其他部分位于 的曲線上。洞身設有短鏈(DK357+=DK357+200)，短鏈長度為 。 工程地質和水文地質特征 (1)工程地質特征 隧道洞身涉及地層主要為志留系中、上統千枚巖夾板巖、炭質千枚巖夾板巖、灰巖等，其主要巖性特征如下： ① 千枚巖夾板巖 (S2+3ph+Sl)為隧道通過主要地層，以千枚巖為主，局部夾有板巖，青灰、灰黑色為主，鱗片變晶結構，片狀構造，具絲絹光澤，受構造影響巖體破碎，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 600kPa；風化層厚 4～ 6m，Ⅲ級硬土， σ 0＝ 450kPa。節理發育，薄層、薄片狀巖層被切割成碎塊狀，巖體破碎，完整性差。 ② 炭 質千枚巖夾板巖 (S2+3cph+Sl)：為隧道通過主要地層，以炭質千枚巖為主，局部夾有板巖，深灰、灰黑色為主，含炭質，鱗片變晶結構，片狀構造，具絲絹光澤，污手，受構造影響巖體破碎，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 500kPa；風化層厚 4～ 6m，Ⅲ級硬土，σ 0＝ 300kPa。巖體受構造影響，褶皺發育，薄片、薄層狀巖層被節理切割成碎塊狀，巖體極破碎，完整性差。 ③ 灰巖 (S2+3Ls ): 多出露于隧道洞身上部的基巖陡坎處，洞身也有可能以夾層存在，地表局部大片出露?；疑⒒野咨[晶質結構，中層狀構造，巖體節理較發育，Ⅴ級次堅石 ， σ 0＝ 1000kPa，風化層厚 ～ 1m，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 700kPa。 隧道洞身通過的志留系中、上統千枚巖、炭質千枚巖，巖質較軟，受構造影響嚴重，巖層產狀多變，總體主導巖層產狀： N10176。～ 75176。 W/30176。～ 65176。 S。 石家莊鐵道大學畢業設計 7 (2)地質構造 隧址處位于武都山字型構造體系前弧，受多期次構造的復合，揉皺及構造節理發 育，其展布與區域構造線基本一致，以近東西和北西西向為主。隧道范圍內未見區域性大斷裂通過，但巖體受構造運動的影響，揉皺、褶皺發育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性差。主要節理產狀 : J1： N55176。 W／ 70176。 N， d=～ ， l=2～ 5m， 較平直，微張； J2： N60176。 E／ 40176。 N， d=～ ， l=2～ 5m， 較平直，微張； J3： N30176。 E／ 60176。 N， d=～ ， l=～ ， 較平直，微張； J4： N30176。 W／ 65176。 N， d=～ ， l=～ 1m， 較平直，微張； J5： N25176。 E／ 75176。 S， d=～ ， l=～ 1m， 較平直，微張。 (3)水文地質特征 隧址區總體上山勢陡峻，地面起伏較大，基巖裸露，降水量較小，地下水補給來源不足 。根據現場調查，雖然洞身基巖節理裂隙較發育，巖體破碎，除個別溝谷有零星季節性泉水出露外，隧道所在區域支溝均無水，結合區域資料綜合分析，圍巖的富水程度為弱富水區，對圬工不具氯鹽和硫酸鹽化學侵蝕性。隧道可能出現突水地段主要位于淺埋的支溝谷底，巖性接觸帶及延伸長大的節理、裂隙密集帶，預測隧道最大總涌水量為 7008m3/d。 (4)不良地質及特殊巖土 根據地質調查，隧址內灰巖有輕微溶蝕裂縫及少量的溶蝕坑洞，屬輕微溶蝕區，該隧道灰巖主要以夾層存在于千枚巖中，巖溶對隧道工程有一定影響。 (5)地震動參數及氣象資料 ① 地 震動參數 根據《建筑抗震設計規范》 GB50011－ 202《中國地震動參數區劃圖》 GB18306－ 2021，該工程所屬區地震動峰值加速度為 ，動反應譜特征周期為 ，相當于地震基本烈度八度。 ② 氣象資料 據武都縣氣象站氣象資料顯示：隧道區內屬半干旱大陸性氣候，雨量集中，蒸發量遠大于降雨