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正文內(nèi)容

隧道工程-畢業(yè)設(shè)計--風化蝕變圍巖隧道設(shè)計與施工(含外文翻譯(編輯修改稿)

2025-02-14 16:14 本頁面
 

【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
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