【文章內(nèi)容簡介】 ..........................60第 7 章 結(jié)論與展望 .................................................61 結(jié)論 ......................................................61 展望 ......................................................62參考文獻 ...........................................................63致 謝 ............................................................64附錄 A 外文資料翻譯 ................................................65 英文 ......................................................65 譯文 ......................................................76附錄 B 圖紙 ........................................................821第 1 章 緒論 研究背景及國內(nèi)外現(xiàn)狀軟巖是一種特定環(huán)境下的具有顯著塑性變形的復(fù)雜巖石力學(xué)介質(zhì)。軟巖結(jié)構(gòu)主要是指沉積巖中的泥質(zhì)巖以及巖體中各種特定形態(tài)的地質(zhì)界面。它包括沉積層面、軟弱夾層、節(jié)理層、不連續(xù)裂隙面、顆粒與粒團的排列與接觸方式，微空隙與微裂隙等。這些結(jié)構(gòu)特征有著自身的獨特形成過程和客觀的發(fā)展歷史。它是地質(zhì)歷史發(fā)展的產(chǎn)物，反映了成巖地址環(huán)境和原始應(yīng)力條件以及各種外力的改造作用。不同時代類型的軟巖，具有不同的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征，古生代和部分中生代軟巖由于長期上覆巖體的壓實作用及經(jīng)常性的構(gòu)造運動影響，使礦物顆粒在接觸處產(chǎn)生重結(jié)晶而使顆粒間形成膠結(jié)連結(jié)。同時由于成巖時間長，構(gòu)造變動頻繁，使礦物定向排列形成密實有序的長帶狀和鏈狀微結(jié)構(gòu)，巖塊吸水率較低，一般小于 10%，單軸抗壓強度相對較高，多數(shù)為 2030MPa。新生代和部分中生代軟巖，由于成巖時間較短，顆粒間密實性差，顆粒間常以各自的水化膜相互重疊而形成水膠連結(jié)，其微結(jié)構(gòu)以無序的蜂窩狀結(jié)構(gòu)為特征從膠結(jié)程度來看，以中等膠結(jié)和弱膠結(jié)為主，因而結(jié)構(gòu)較疏松，吸水率為 10%70%，單軸抗壓強度一般為 5~20MPa，如南水北調(diào)中線工程邯鄲地區(qū)的上第三系相沉積的泥巖，其巖性在水平方向和垂直方向常不穩(wěn)定，它與砂巖互層或呈透鏡狀夾層分布，有些泥巖碎硝顆粒與泥質(zhì)物混雜堆積，成巖程度低，巖石中常有較多的粒間孔隙，碎硝顆粒間蒙脫石與蒙脫石、伊利石混層礦物密集分布，造成其結(jié)構(gòu)強度的不穩(wěn)定，尤其是干濕交替條件下發(fā)生膨脹崩解破壞。巖塊吸水率達69%~78%，抗壓強度均小于 5MPa。隨著西部大開發(fā)的深入，西部水電建設(shè)的發(fā)展，必將越來越多地觸及到軟巖（高應(yīng)力軟巖）工程問題。及時開展軟巖工程問題的試驗研究，摸清它發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，提出相應(yīng)的、切實有效地預(yù)測、防范及解決方法是十分必要的。貴廣鐵路天平山隧道是貴廣鐵路第三長、大、高風險隧道。該隧道由廣西龍勝境內(nèi)進入，沿桂北第一山脈天平山主峰縱向穿越，在廣西臨桂縣五通鎮(zhèn)布厄村結(jié)束，全長 ，隧道最大埋深 775m，進口、出口均有 200 多米的淺埋偏壓段，該隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，Ⅳ、Ⅴ級圍巖比重大，有可能產(chǎn)生大變形、坍塌等地質(zhì)災(zāi)害，為Ⅰ級風險隧道。圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為碳質(zhì)頁巖，圍巖破碎，地下水發(fā)育，穩(wěn)定性差，開挖后局部掉塊嚴重，支護后易產(chǎn)生較大、持續(xù)時間較長的擠壓變形，2安全風險高，施工難度較大，且交通條件極度惡劣，是鐵道部和貴廣鐵路公司確立的“軟巖隧道大變形科研技術(shù)”重要研究課題。 主要設(shè)計內(nèi)容本設(shè)計針對天平山隧道的研究段（DK372+800～DK374+165）進行研究。主要設(shè)計內(nèi)容：(1) 計算Ⅳ級、Ⅴ級圍巖荷載，確定在這兩種圍巖級別條件下襯砌類型，襯砌長度，二襯厚度和計算配筋，進行洞身二襯結(jié)構(gòu)檢算，并繪制襯砌結(jié)構(gòu)橫剖面圖，結(jié)構(gòu)配筋圖。(2)按工程類比法確定在這兩種圍巖級別條件下隧道的初支結(jié)構(gòu)及形式。(3)進行隧道總體施工方案設(shè)計，包括總體施工部署、進洞方案、洞身在這兩種圍巖段的開挖方法等。(4)設(shè)計具體的施工工藝，包括開挖、出碴、初支、二襯、防水工程、量測及其它相關(guān)施工工藝，繪制相應(yīng)的施工工法步序圖，監(jiān)測布置圖以及其它必要附圖。3第 2 章 工程概況 工程概況該隧道的研究段（DK372+800～DK374+165 ），全長 1365m，為雙線單洞隧道，設(shè)計時速 250km，預(yù)留進一步提速條件。本設(shè)計段隧圍巖以 Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為碳質(zhì)頁巖，圍巖破碎，地下水發(fā)育，穩(wěn)定性差，開挖后局部掉塊嚴重，支護后易產(chǎn)生較大、持續(xù)時間較長的擠壓變形，安全風險較高，施工難度較大，且交通條件惡劣。隧道洞身穿過奧陶系、寒武系地層，以砂巖、頁巖為主，局部段落為頁巖夾炭質(zhì)頁巖，砂巖裂隙發(fā)育，且洞身段穿越四條區(qū)域性大斷層，地下水發(fā)育，人文干擾較大，工程地質(zhì)復(fù)雜。本隧的主要工程地質(zhì)問題是高地應(yīng)力下炭質(zhì)頁巖等軟巖變形。 地質(zhì)概況 地質(zhì)巖性本隧道的地質(zhì)巖性：①炭質(zhì)頁巖：粘土巖的一種。成分復(fù)雜，除粘土礦物（如高嶺石、蒙脫石、水云母、拜來石等）外，還含有許多碎屑礦物（如石英、長石、云母等）和自生礦物（如鐵、鋁、錳的氧化物與氫氧化物等） ，具頁狀或薄片狀層理。它是由粘土在地殼運動中擠壓而形成的一種沉積巖，是固結(jié)較弱的粘土經(jīng)過擠壓、脫水、重結(jié)晶和膠結(jié)作用而形成的。由于它層理分明、易剝離而稱為頁巖。頁巖一般為褐色、灰色或黑色，硬度不高，用硬物擊打易裂成碎片。炭質(zhì)頁巖含有大量已碳化的有機質(zhì)，常見于煤系地層的頂?shù)装?。②砂巖：砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結(jié)而成的，其中砂粒含量大于50%。絕大部分砂巖是由石英或長石組成的，石英和長石是組成地殼最常見的成分。砂巖的顏色和成分有關(guān)，可以是任何顏色，最常見的是棕色、黃色、紅色、灰色和白色。有的砂巖可以抵御風化，但又容易切割，所以經(jīng)常被用于做建筑材料和鋪路材料。例如石英砂巖中的顆粒比較均勻堅硬，所以砂巖也被經(jīng)常用來做磨削工具。4砂巖由于透水性較好，表面含水層可以過濾掉污染物，比其他石材如石灰石更能抵御污染。頁巖夾炭質(zhì)頁巖、砂巖及灰?guī)r(?b 1）：深灰，灰黑色，薄至中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，具少量頁巖同生角礫。巖質(zhì)軟，遇水易軟化，穩(wěn)定性差。強風化層厚 3～12m ，屬Ⅳ級軟石，弱風化層屬Ⅳ級軟石。頁巖夾炭質(zhì)頁巖及透鏡狀灰?guī)r(?q 3）：淺灰，灰黑色，薄至中厚層狀，節(jié)理發(fā)育，巖質(zhì)總體較軟，遇水易軟化，穩(wěn)定性差。強風化層厚 3～12m ，屬Ⅳ級軟石，弱風化層屬于屬Ⅳ級軟石。巖層的物理力學(xué)指標見表 21。表 21 巖層的物理力學(xué)指標邊坡率巖 土名 稱風化程度密度 ρ(g/cm3)抗壓強度(MPa)內(nèi)摩擦角 φ(176。)基本承 載力σ(kPa)臨時 永久W3 45 400 1: 1：1頁巖夾砂巖、炭質(zhì)頁巖及灰?guī)r(?b1） W2 53 500 1: 1:W3 45 400 1: 1：1頁巖夾炭質(zhì)頁巖及透鏡狀灰?guī)r(?q3） W2 53 500 1: 1: 地質(zhì)構(gòu)造和水文特征該研究段隧道位于天平山隧道中間地段，地形切割比較厲害，地表植被發(fā)育；根據(jù)地質(zhì)資料，該段巖性主要為頁巖夾炭質(zhì)頁巖及透鏡狀灰?guī)r；段內(nèi)多發(fā)育次級斷層構(gòu)造，巖體完整性差，多處為節(jié)理密集帶及復(fù)式褶皺，圍巖節(jié)理、裂隙極發(fā)育，巖體軟弱、含水性較好。段內(nèi)宇廟 4 號及上宇廟 5 號向斜為地下水的儲藏提供有利條件，核部地下水含量豐富，隧道洞身位于向斜南西翼，與向斜軸向平行行進，并靠近向斜核部；開挖過程中，在斷層帶及節(jié)理密集帶、向斜核部附近有中等涌水現(xiàn)象，局部可能出現(xiàn)較大的涌水現(xiàn)象；洞身地下水對砼侵蝕等級為 H1。 地應(yīng)力根據(jù)埋深基本相同的 DZ天平山深4 孔地應(yīng)力測試資料（見表 22）來看，在測量深度域內(nèi)水平主應(yīng)力值大致隨孔深增加而減?。唤Y(jié)果顯示，三個方向的主應(yīng)力之間的大小關(guān)系為：? H?v?h，隨著深度的增加，垂直主應(yīng)力值逐漸變大，最大水5平主應(yīng)力值逐漸減小，最后最大水平主應(yīng)力將小于垂直主應(yīng)力。印模結(jié)果表明 DZ天平山隧道深4 孔附近最大水平主應(yīng)力的優(yōu)勢方向位于 N57?W 左右，應(yīng)力隨深度變化較有規(guī)律，測孔附近應(yīng)力場分布較為均衡。鉆孔附近最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢方向與線路中線約以銳角 8186。 相交，因此隧道軸線方向選擇比較合理。 表 22 天平山隧道 DZ天平山深4 孔各深度測段 ?H、 ?h、 ?V 值匯總深度(m) ?H (MPa) ?h (MPa) ?V (MPa)~ ~ ~ ~ ~ 按鉆孔不同深度主應(yīng)力測試值分布及其線性回歸公式大致推測天平山隧道 DZ天平山 深4 孔附近開挖隧道位置處? 橫 、? 縱 、 值以及隧洞軸線橫截面上的最大切?向應(yīng)力 σmxs 值見表 23： 表 23 DZ天平山隧道深4 孔在擬開挖洞軸線位置各應(yīng)力值估測值表?H(MPa)?h(MPa)?V(MPa)?橫(MPa)?縱(MPa)?(MPa)??max(MPa) 根據(jù)地應(yīng)力及巖石抗壓強度分析，洞身基巖為以頁巖、炭質(zhì)頁巖為主的軟質(zhì)巖，埋深大，可能存在塑性變形問題。 工程面臨的問題炭質(zhì)頁巖屬軟弱圍巖，尤其是厚層炭質(zhì)頁巖、構(gòu)造發(fā)育、巖體破碎、富含地下水時，因圍巖強度低、開挖后風化快、透水性弱、親水性強，浸水后容易產(chǎn)生較大的塑性變形甚至流變，在施工中可能引起較大的擠壓性變形。當隧道開挖前處在高圍壓狀態(tài)時尚具有較高的強度和穩(wěn)定性，當圍壓降低、圍巖應(yīng)力差增大時，結(jié)構(gòu)面張開或滑移，圍巖整體強度和模量降低，表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)流變的特點。對炭質(zhì)頁巖的變形控制是本隧道面臨的一大技術(shù)難題。6 施工方法以往隧道施工時，若圍巖變形較大，初期支護不能承受圍巖壓力時，只能通過拆除已施作的初期支護，擴挖斷面后重新施作初期支護，這需要耗費大量的時間，給工期帶來更大的壓力，且拆除已施作的支護，極有可能發(fā)生塌方等安全事故。為此，本隧設(shè)置試驗段，通過加大預(yù)留變形量，預(yù)留補強空間的方法來避免變形過大時必須拆除已施作的支護，并設(shè)置不同的支護措施，進行實驗，比較分析，找出圍巖及支護變形規(guī)律，得出安全經(jīng)濟的支護形式，指導(dǎo)后續(xù)類似地質(zhì)情況施工。采用的隧道施工方法：進口位于陡崖邊，左側(cè)洞身露出地表，基巖為砂巖與頁巖互層，巖體較破碎，節(jié)理密集，進口仰坡存在不利結(jié)構(gòu)面（節(jié)理順層） ，左側(cè)溝谷沖刷嚴重。按“早進洞、晚出洞”的原則，根據(jù)地形地質(zhì)條件，控制邊仰坡開挖高度，采用翼墻式洞門。洞口位置的確定及洞門型式的選擇：洞口定于 DK366+862。由于洞口為Ⅴ級圍巖，底層條件較差，采用上半斷面長臺階法進洞施工，上半斷面先進50米后，拉中槽落底，在保證掩體穩(wěn)定的條件下，盡興變強擴大及底部開挖，施工支護采用超前錨桿與系統(tǒng)錨桿相結(jié)合，掛網(wǎng)噴射混凝土。，早施做混凝土襯砌，確保穩(wěn)定和安全。在隧道的研究段，即軟巖區(qū)段，Ⅳ圍巖段采用三臺階法，Ⅴ級圍巖段采用三臺階法。各工序及時緊跟，施作精細到位，質(zhì)量過關(guān)，排除施工不力造成大變形的因素。并注意拱腳及墻腳的穩(wěn)定措施，仰拱封閉距離等。 不良地質(zhì)特點分析軟弱圍巖工程地質(zhì)特點有：(1)巖體破碎松散、粘結(jié)力差：一般為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構(gòu)成的圍巖，由于結(jié)構(gòu)破碎松散，巖體間的粘結(jié)力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應(yīng)和微弱膠結(jié)作用成拱，這類巖體極不穩(wěn)定，尤其是在淺埋地段容易發(fā)生坍塌冒頂。(2)圍巖強度低、遇水易軟化：一般以頁巖、泥巖、片巖、炭質(zhì)巖、千枚巖等為代表的軟質(zhì)巖地層，由于其強度低、穩(wěn)定性差，開挖暴露后易風化、遇水易軟化，7尤其是深埋地段受高應(yīng)力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內(nèi)擠。(3)巖體結(jié)構(gòu)面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結(jié)構(gòu)面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生松弛、滑移和墜落等變形破壞現(xiàn)象。 軟弱圍巖的變形與破壞特征：軟弱圍巖的工程地質(zhì)性質(zhì)決定了它在隧道工程中的變形特征，即開挖后自穩(wěn)能力差，表現(xiàn)出“自穩(wěn)時間短、易坍塌”的特征。由于隧道的開挖，使先前支撐隧道洞身圍巖被移走，洞壁臨空；造成圍巖應(yīng)力進行重新調(diào)整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形。這種變形由三部分組成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表現(xiàn)為掌子面的水平鼓出；二是，掌子面前方圍巖下沉，淺埋隧道表現(xiàn)為地表下沉，形成沉降槽；三是，剛開挖的隧道洞壁出現(xiàn)收斂變形，表現(xiàn)為拱頂下沉和邊墻內(nèi)移；若對這種變形不進行控制，則可能發(fā)生隧道坍方。8第 3 章 結(jié)構(gòu)設(shè)計 主要設(shè)計依據(jù)及技術(shù)標準 設(shè)計依據(jù)(1)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范 》(TB100032022)(2)《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》(TZ2042022)(3)《新建鐵路工程測量規(guī)范》(TB1010199)(4)《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則》(TBJ10892)(5)《鐵路噴射混凝土技術(shù)施工規(guī)范》(6)《鐵路隧道施工規(guī)范 》(TB102042022) (7)《鐵路隧道防排水設(shè)計規(guī)范》 設(shè)計標準鐵路等級：Ⅰ級 ； 正線數(shù)目：雙線 ； 牽引種類：電力 ； 牽引