地下工程課程設計：隧道施工與支護設計

.z.--.--總結《地下結構工程》課程設計項目名稱：大瑤山隧道施工與支護設計及穩(wěn)定性評價設計時間：年月日~月日指導教師：班級：姓名：學號：北京科技大學2014.5-.z.目錄1工程概況12隧道區(qū)域地應力13工程地質和水文地質簡介33.1巖性33.2構造43.3不良地質53.4水文地質54設計內容54.1隧道設計分區(qū)54.2進出口段（約100m）設計54.2.1隧道圍巖分級54.2.2支護選型64.2.3穩(wěn)定性計算64.2.3支護與開挖設計74.3中部段隧道設計84.3.1圍巖分級84.3.2初期支護設計84.3.3穩(wěn)定性計算94.3.4設計圖105隧道施工125.1光面爆破125.1.1光面爆破作用機理125.1.2光面爆破的特點125.1.3光面爆破參數(shù)的確定125.2隧道支護施工135.2.1新奧法概述135.2.2隧道施工的施工工序145.2.3隧道施工中的注意事項156附圖 18-.z.1工程概況通過專業(yè)繪圖軟件AutoCAD繪制的大瑤山隧道平剖面圖如圖1.1所示。大圖見附圖。該隧道是雙線鐵路隧道，位于京廣線坪石至樂昌段，是京廣線上的關鍵工程。隧道全長14.295km，設計寬約11m，高約9m。埋置深度為70~500m，最大為900m。隧道穿越瑤山山區(qū)和武水峽谷，地形地質條件極為復雜。2隧道區(qū)域地應力鐵道科學院西南研究所做的現(xiàn)場地應力測試結果列入表2.1~表2.3中。地應力測量位置見圖1.1。表2.1滑石排1號試驗洞初始應力主應力應力/MPa方位角/（o）傾角/（o）σ138N88W60σ221N54W-26σ313S33W-15表2.2滑石排2號試驗洞初始應力組別主應力應力值/MPa方位角/（o）傾角/（o）第一組合σ113.3NE1040σ25.7SW2949σ34.1SE729第二組合σ113.7NE3245σ28.1SE3819σ34.8SW6889說明：1.方位角、傾角是按以測點為原點的坐標計算的，*指北、Y指西、Z指上。2.傾角為正是仰角，負者為俯角。表2.3滑石排1號試驗洞應力分量表σ*/MPaσy/MPaσz/MPaτ*y/MPaτ*z/MPaτyz/MPa-24.0-15.0-33.6-2.86.16.2-.z.圖1.1隧道地表等高線和泡面圖以及地應力測試位置圖-.z.在該處最大主應力為38.4MPa，約為滑石排2號初始應力的3倍，其方位角為NW88°。大致垂直與構造線，與構造應力基本一致，同時也與地形有關，在應力量級方面考慮該處埋深只有600m，自重應力不會超過24MPa，因此該處構造應力占比重很大。從上述兩個試點來看，大瑤山隧道圍巖初始應力較高，在隧道穩(wěn)定性分析中，不應采用最大主應力考慮，如以隧道縱軸為*軸，往廣州方向為正，Y、Z軸按右手法則取向，則六個應力分量如表2.3。上述數(shù)據(jù)中，σ1的大小、方向非常接近，σ2、σ3差別大，但其值相差不大?？紤]地質差異，可以認為上述數(shù)據(jù)具有代表性，反映了這一地區(qū)的應力條件。應力狀態(tài)與地質條件的關系見圖1.1。按山高為750m來考慮，γh=15.6MPa，其中h=750~160=590m（160m為測點標高），γ=26.5kN/m3。按覆蓋層厚度計算應力大于實測應力，因此可以認為該處初始應力主要是自重應力引起的，構造應力為次要的。3工程地質和水文地質簡介3.1巖性大瑤山隧道進出口兩端為震旦、寒武系淺變質碎屑巖，中部為泥盆統(tǒng)桂頭群砂礫巖、砂巖、頁巖及東崗組的白云巖、灰?guī)r、白云質灰?guī)r。這些巖石是一套以硅質、泥質為膠結物的碎屑巖系，經加里東構造運動，發(fā)生了區(qū)域變質。兩個時代的巖體的組成基本相似。在較大規(guī)模的巖脈侵入帶中，有的巖層發(fā)生了石英巖化的現(xiàn)象。上述巖石呈互層狀。巖層的單層厚度一般為20~50cm，厚者達1~2m，薄者僅1~5cm。淺變質巖中發(fā)育有三組或三組以上的節(jié)理，其產狀和性狀受局部構造的影響。巖體中的體積節(jié)理數(shù)Jv值是單位體積各組節(jié)理條數(shù)的總和。是評價巖體節(jié)理密度和可能被切割單元巖塊大小的一種指標。據(jù)統(tǒng)計：厚層至巨厚層砂巖，板巖的Jv=8~13條/m3、中厚層砂巖，砂質板巖Jv=8~20條/m3、薄層板巖Jv=13~25條/m3、風化破碎巖體Jv≥30條/m3。隧道圍巖的巖石力學特性見表3.1。表3.1大瑤山隧道淺變質巖系的主要物理力學特性巖石指標灰綠色石英巖灰綠色長石砂質板巖泥質板巖巖體砂巖板巖容量/2.732.712.692.70孔隙比/%1.72.6單軸抗壓強度/MPa75.1~96.887.358.5抗壓強度/MPa11.79.35.1巖體粘聚力C/MPa2.11.81.5巖體內摩擦角φ/（°）514842靜彈性摸量E/GPa85.468.842.0~65.712.8~23.4泊松比μ0.200.230.25~0.30動彈性摸量Ed/GPa60~9045~8040~98縱波速度Vp/ms-1×1035.6~65~5.43.8~5.24~63~4.53.2構造圖3.1顯示了大瑤山隧道地質剖面圖。由此可見，隧道處于湘桂徑向斜構造的東側，南嶺東西經向構造帶的南緣，越北山字型的脊柱部位。因此，隧道地處多種構造體系，區(qū)域構造比較復雜的復合交接帶。隧道穿過復式褶皺瑤山北斜的東翼，馬寨背向斜的北端。這些褶皺均呈緊密的向斜倒轉狀，軸向NEE至近SN，部分軸向NW。圖3.1大瑤山隧道地質剖面示意圖3.3不良地質隧道通過區(qū)存在大量小斷層。只要有適當?shù)某暗刭|預報措施，注意及時按反饋信息進行支護修改即可。3.4水文地質隧道區(qū)圍巖主要是灰綠色石英砂巖、灰綠色長石、砂質板巖、泥質板巖，經測定其滲透系數(shù)不大，結構面（節(jié)理、裂隙）中水量并不豐富。隧道所在地區(qū)，全年降水量較大，有緊鄰武水峽谷，設計、施工中應注意防水，擬采用1.5mm厚的PVC做防水層。4設計內容大瑤山隧道設計的內容包括隧道設計分區(qū)、不同分區(qū)的隧道圍巖分級、隧道支護選型、隧道開挖和支護設計、隧道穩(wěn)定性評價等內容。隧道開挖和支護的設計是設計的主要內容，具體的設計圖通過專業(yè)繪圖軟件AutoCAD繪制。4.1隧道設計分區(qū)根據(jù)隧道通過區(qū)地質條件，將支護分成兩地段來設計。4.2進出口段（約100m）設計4.2.1隧道圍巖分級采用地質力學分類，對鐵路隧道進行圍巖分級。（1）巖石的單軸抗壓強度。隧道進出口巖石的抗壓強度均在60MPa以上。圍巖判為極硬巖。（2）巖體的完整程度。巖體的體積節(jié)理數(shù)Jv大于30條/m3。且節(jié)理多以風化型為主。完整程度判為破碎。（3）基本分級。依據(jù)上述兩項判斷，進出口段的圍巖定為Ⅳ級圍巖。（4）基本分級的修正①地下水的分級地下水的分級由下表確定表4.1地下水狀態(tài)的分級表級別狀態(tài)滲水量Ⅰ干燥或濕潤<10Ⅱ偶有滲水10-25Ⅲ經常滲水25-125說明：上表中滲水量的單位是L/（min*10m）。②地下水對圍巖級別的修正：表4.2地下水影響的修正表圍巖級別地下水分級ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅠⅠⅡⅢⅣⅤ—ⅡⅠⅡⅣⅤⅥ—ⅢⅡⅢⅣⅤⅥ—③圍巖初始應力影響的修正：表4.3初始應力影響的修正表圍巖級別初始應力狀態(tài)ⅠⅡⅢⅣⅤ極高應力ⅠⅡⅢ或Ⅳ①ⅤⅥ高應力ⅠⅡⅢⅣ或Ⅴ②Ⅵ說明：①圍巖巖體為較破碎的極硬巖、較完整的硬巖時，定為Ⅲ級；圍巖巖體為完整的較軟巖、較完整的軟硬互層時，定為Ⅳ級②圍巖巖體為破碎的極硬巖、較破碎及破碎的硬巖時，定為Ⅳ級；圍巖巖體為完整及較完整軟巖、較完整及較破碎的較軟巖時，定為Ⅴ級。綜上所述，考慮地下水和地應力的影響，將該段圍巖定為Ⅲ~Ⅳ級圍巖。4.2.2支護選型考慮圍巖條件、經濟條件、建成后的運營條件，初期支護采用錨噴網(wǎng)支護；二次支護采用整體式模注混凝土襯砌，襯砌采用等截面曲墻式襯砌。截面厚40cm，混凝土強度為C30。4.2.3穩(wěn)定性計算4.2.4支護與開挖設計1、支護設計圖：通過AutoCAD繪制的進出口段隧道支護設計斷面圖如下圖4.1所示。繪制的大圖見附圖中所示。圖4.1進出口段隧道支護設計斷面圖2、開挖設計圖：開挖采用鉆爆法，即全斷面機械化一次光面爆破的方法。開挖設計圖如下圖4.2所示，大圖見附圖。圖4.3鉆爆法隧道開挖設計圖4.3中部段隧道設計4.3.1圍巖分級由地質力學分類方法進行圍巖分級。（1）巖石的單軸抗壓強度。隧道進出口巖石的抗壓強度均在60MPa以上。圍巖判為極硬巖。（2）巖體的完整程度。淺變質巖中發(fā)育有三組或三組以上的節(jié)理，其產狀和性狀受局部構造的影響。據(jù)統(tǒng)計：厚層至巨厚層砂巖，板巖的Jv=8~13條/m3、中厚層砂巖，砂質板巖Jv=8~20條/m3、薄層板巖Jv=13~25條/m3。節(jié)理裂隙中等發(fā)育，以構造性裂隙為主。完整程度判為較完整。（3）基本分級。依據(jù)上述兩項判斷，進出口段的圍巖定為Ⅱ-Ⅲ級圍巖。（4）基本分級的修正①地下水的分級地下水的分級由表4.1確定。②地下水對圍巖級別的修正修正采用表4.2進行修正。③圍巖初始應力影響的修正修正采用表4.3進行修正。綜上所述，考慮地下水和地應力的影響，將該段圍巖定為Ⅱ-Ⅲ級圍巖?？紤]工程的重要性及以后的運營條件，采用復合襯砌進行支護。按照由地質力學分類所給定的復合襯砌選擇支護參數(shù)。表6.4列出了Ⅱ和Ⅲ級圍巖的復合支護參數(shù)。表4.4Ⅱ和Ⅲ級圍巖的復合支護參數(shù)表圍巖級別初期支護二次襯砌厚度噴射混凝土厚度/cm錨桿/m鋼筋網(wǎng)鋼架拱墻/cm仰拱/cm拱墻仰拱位置長度間距Ⅱ5—局部2.0~2.51.5——30—Ⅲ1010拱、墻2.0~2.51.2~1.5——35354.3.2初期支護設計（1）錨桿：直徑20mm的Q235鋼筋、長度為2.0m、間距為1.5m，設置于拱墻和仰拱部位，錨桿用全長砂漿錨桿。（2）噴射混凝土：混凝土強度C30，厚度10cm。噴射于拱墻和仰拱位置。4.3.3穩(wěn)定性計算按照支護的不同，分兩部分進行計算。1、整體式模注混凝土的計算1）襯砌荷載的計算由于襯砌埋深為20m，屬于深埋襯砌，計算理論采用基于有界破裂區(qū)的計算方法。這理論是將破裂區(qū)內的巖體自重作為隧道襯砌上的荷載，為確定破裂區(qū)的范圍，必須首先對破裂邊界作出假定。其中以普氏壓力拱理論在我國應用最廣。普氏認為，隧道開挖后，頂部巖石失去穩(wěn)定，產生坍塌，并形成自然拱。隨之，隧道兩側由于應力集中而逐漸破壞。普氏假定壓力拱形狀為二次拋物線。（1）計算壓力拱高2、復合襯砌中錨噴支護的計算1、理論依據(jù)雖然在軸非對稱的情況下，圍巖的塑性區(qū)位于洞室兩側，噴層兩側回出現(xiàn)剪切破壞，但由于噴層柔性大，容易調整壓力，使四周壓力比較均勻，因而，噴層仍然是由于四周受壓而剪切破壞。因而可以用剪壓破壞理論。（1）計算塑性區(qū)半徑式中：R——塑性區(qū)半徑；——隧道半徑取5.5m；——取90°；——破裂起始角，其取值按下表:λ0.2~0.50.5~0.8ρ50~4040~35ρ單位是度,在本工程中，ρ取為45度。塑性區(qū)半徑為式中：是巖體的摩擦角.（2）計算錨桿的附加抗力式中：——錨桿的直徑；——錨桿鋼筋的極限抗拉強度，取380MPa；——安全系數(shù)，取1.2；——錨桿的間距；——錨桿的排距。（3）計算錨固后圍巖的C式中：——錨桿的抗剪強度；——巖體的粘聚力；——錨桿的面積。（4）計算支護抗力=0.9MPa式中：P——原巖應力，取33.6MPa；——巖體的摩擦角,取40度（5）噴層的驗算式中K——噴層的安全系數(shù)；——混凝土的抗壓強度。驗算后，得到的安全系數(shù)為2.3，圍巖是穩(wěn)定。4.3.4設計圖1.支護設計圖：繪制的支護設計圖如下圖4.3所示，大圖見附圖。圖4.3中部段隧道支護設計斷面圖2.開挖設計圖：方法同進出口段的開挖設計。繪制的開挖設計圖如下圖4.4所示，大圖見附圖。圖4.4隧道鉆爆法開挖設計圖5隧道施工隧道穿越地區(qū)大部分圍巖等級較高，巖石較堅硬，為了加快施工速度，保證隧道早日完工，同時也考慮到隧道斷面比較大，可以為機械化施工提供足夠的工作面。施工采用全斷面機械化一次光面爆破的方法。5.1光面爆破5.1.1光面爆破作用機理光面爆破是上世紀五十年代才發(fā)展起來的一種控制爆破技術，由于它具有明顯的優(yōu)越性所以其很快得以推廣。但巖石爆破過程極為復雜，理論研究很不成熟，所以其作用機理也存在不同的解釋。（1）W.I.杜瓦兒和K.S.佩固等人提出的理論。該理論認為相鄰炮孔爆炸應力波疊加導致巖石受拉破壞而形成裂縫。（2）尹藤一郎等人提出的理論。該理論認為裂縫的形成主要是爆炸高壓氣體的作用，他們的鋁塊爆破實驗表明，不耦合系數(shù)為2.5時，空壁上的壓力值約為不耦合系數(shù)為1.1時的壓力值的，所以他們認為裂縫的形成主要是爆生氣體的高壓準靜態(tài)作用。（3）理論認為裂縫面的形成是應力波和爆炸氣體共同作用的結果。認為應力波的主要作用是在炮孔周圍產生一些初始的徑向裂縫，在爆炸氣體的準靜態(tài)應力的作用下，使徑向裂縫進一步擴展。這種解釋比較符合實際情況。5.1.2光面爆破的特點（1）爆破后巖壁平整,減少了超挖、欠挖帶來的許多麻煩,節(jié)省了挖掘回填支護的工程量。（2）圍巖不受明顯的破壞,為巷道洞室的開挖和維護創(chuàng)造了良好的條件。（3）可以提高施工的安全性,工作面上幾乎不出現(xiàn)松石,在圍巖地質條件不良的地帶施工,能保證工作正常的進行,不易觸發(fā)冒頂、滑坡等事故。（4）減少巖壁上的應力集中現(xiàn)象,這對地下工程防止巖爆危害起重要作用。5.1.3光面爆破參數(shù)的確定由于光面爆破的作用機理還沒有完全搞清楚，再加上巖石性質的復雜性，目前還很難用理論計算的方法確定合理的爆破參數(shù)，所以常用的方法是工程類比法。表7.1是光面爆破參數(shù)表。表5.1國內地下工程常用光爆參數(shù)圍巖情況洞室寬度（m）光面爆破參數(shù)炮眼直徑爆眼間距光爆層厚線裝藥密度穩(wěn)定性好的中硬和堅硬巖石拱部<535-45600-700500-700>535-45700-800700-900側墻35-45600-700600-700穩(wěn)定性較差或一般中硬巖到硬巖拱部<535-45600-700600-800>535-45700-800800-1000側墻35-45600-700700-800穩(wěn)定性差裂隙發(fā)育的松軟巖石拱部<535-45400-600700-900>535-45500-700800-1000側墻35-45500-700700-900說明：炮眼直徑、爆眼間距、光爆層厚的單位是毫米，線裝藥密度的單位是千克/米。表5.2錨噴支護規(guī)范中所給的光爆參數(shù)巖石類型單軸飽和抗壓強度裝藥不偶合系數(shù)周邊眼間距/mm光爆層厚度/mm硬巖>60MPa1.20~1.50550~700700~850中硬巖30~60MPa1.50~2.00450~650600~750軟巖<30MPa2.00~2.50350~600400~600根據(jù)上述兩表中所列的光面爆破參數(shù)，結合大瑤山隧道的工程圍巖條件，光面爆破參數(shù)的選定見表7.3。表5.3大瑤山隧道光面爆破參數(shù)表炮眼直徑爆眼間距光爆層厚度線裝藥密度40mm700mm800mm0.25千克/m隧道光面爆破炮眼布置見附圖。5.2隧道支護施工5.2.1新奧法概述新奧法是由希臘布希維茲教授創(chuàng)建的，于1963年正式命名的，目前已廣泛運用于歐美各國。所謂"新奧法”即為是在充分考慮圍巖自身承載能力的基礎上，對開挖隧道采用的支護工作，"新奧法”的"三大支柱”是錨桿支護、噴射混凝土支護和現(xiàn)場量測。新奧法不是一種純粹的理論，也不是一種施工方法，而是一種設計和施工融為一體的技術方法。1、新奧法施工的基本原則1）合理利用和充分發(fā)揮巖體強度（1）地下的地質條件相當復雜，甚至在同一巖層中，巖性的好壞也會相差很大，巖石質量的好壞是影響穩(wěn)定的最根本、最重要的因素。因而，應充分比較施工和維護穩(wěn)定兩方面經濟合理的基礎上，盡量將工程位置設計在巖性好的巖層中。（2）避免巖石強度的損壞。（3）充分發(fā)揮巖體的承載能力。（4）加固巖體。巖體的結構面，破碎帶等結構破壞是巖體破壞的主要因素，采用加固巖體的錨噴支護、注漿等經濟的方法效果非常好。2）改善圍巖的應力條件（1）選擇合理的隧道斷面形狀和尺寸。（2）選擇合理的隧道位置和方向。3）合理支護合理的支護包括支護形式、支護剛度、支護時間、支護受力的合理性以及支護的經濟性。支護是隧道圍巖穩(wěn)定的加強性措施。因而，支護參數(shù)的選澤應著眼于充分改善圍巖應力狀態(tài)，調動圍巖的自承能力和效率。4）強調監(jiān)測和