【文章內容簡介】 ..........................60第 7 章 結論與展望 .................................................61 結論 ......................................................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雜巖石力學介質。軟巖結構主要是指沉積巖中的泥質巖以及巖體中各種特定形態(tài)的地質界面。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。這些結構特征有著自身的獨特形成過程和客觀的發(fā)展歷史。它是地質歷史發(fā)展的產(chǎn)物，反映了成巖地址環(huán)境和原始應力條件以及各種外力的改造作用。不同時代類型的軟巖，具有不同的結構、構造特征，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)常性的構造運動影響，使礦物顆粒在接觸處產(chǎn)生重結晶而使顆粒間形成膠結連結。同時由于成巖時間長，構造變動頻繁，使礦物定向排列形成密實有序的長帶狀和鏈狀微結構，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，其微結構以無序的蜂窩狀結構為特征從膠結程度來看，以中等膠結和弱膠結為主，因而結構較疏松，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，造成其結構強度的不穩(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，西部水電建設的發(fā)展，必將越來越多地觸及到軟巖（高應力軟巖）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，提出相應的、切實有效地預測、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，該隧道地質條件復雜，Ⅳ、Ⅴ級圍巖比重大，有可能產(chǎn)生大變形、坍塌等地質災害，為Ⅰ級風險隧道。圍巖以Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為碳質頁巖，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”重要研究課題。 主要設計內容本設計針對天平山隧道的研究段（DK372+800～DK374+165）進行研究。主要設計內容：(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，進行洞身二襯結構檢算，并繪制襯砌結構橫剖面圖，結構配筋圖。(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構及形式。(3)進行隧道總體施工方案設計，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、量測及其它相關施工工藝，繪制相應的施工工法步序圖，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，設計時速 250km，預留進一步提速條件。本設計段隧圍巖以 Ⅳ、Ⅴ級為主，主要為碳質頁巖，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，工程地質復雜。本隧的主要工程地質問題是高地應力下炭質頁巖等軟巖變形。 地質概況 地質巖性本隧道的地質巖性：①炭質頁巖：粘土巖的一種。成分復雜，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，是固結較弱的粘土經(jīng)過擠壓、脫水、重結晶和膠結作用而形成的。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。炭質頁巖含有大量已碳化的有機質，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，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。巖層的物理力學指標見表 21。表 21 巖層的物理力學指標邊坡率巖 土名 稱風化程度密度 ρ(g/cm3)抗壓強度(MPa)內摩擦角 φ(176。)基本承 載力σ(kPa)臨時 永久W3 45 400 1: 1：1頁巖夾砂巖、炭質頁巖及灰?guī)r(?b1） W2 53 500 1: 1:W3 45 400 1: 1：1頁巖夾炭質頁巖及透鏡狀灰?guī)r(?q3） W2 53 500 1: 1: 地質構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)地質資料，該段巖性主要為頁巖夾炭質頁巖及透鏡狀灰?guī)r；段內多發(fā)育次級斷層構造，巖體完整性差，多處為節(jié)理密集帶及復式褶皺，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。 地應力根據(jù)埋深基本相同的 DZ天平山深4 孔地應力測試資料（見表 22）來看，在測量深度域內水平主應力值大致隨孔深增加而減??；結果顯示，三個方向的主應力之間的大小關系為：? H?v?h，隨著深度的增加，垂直主應力值逐漸變大，最大水5平主應力值逐漸減小，最后最大水平主應力將小于垂直主應力。印模結果表明 DZ天平山隧道深4 孔附近最大水平主應力的優(yōu)勢方向位于 N57?W 左右，應力隨深度變化較有規(guī)律，測孔附近應力場分布較為均衡。鉆孔附近最大水平主應力優(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力值估測值表?H(MPa)?h(MPa)?V(MPa)?橫(MPa)?縱(MPa)?(MPa)??max(MPa) 根據(jù)地應力及巖石抗壓強度分析，洞身基巖為以頁巖、炭質頁巖為主的軟質巖，埋深大，可能存在塑性變形問題。 工程面臨的問題炭質頁巖屬軟弱圍巖，尤其是厚層炭質頁巖、構造發(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、圍巖應力差增大時，結構面張開或滑移，圍巖整體強度和模量降低，表現(xiàn)出顯著的結構流變的特點。對炭質頁巖的變形控制是本隧道面臨的一大技術難題。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，本隧設置試驗段，通過加大預留變形量，預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，指導后續(xù)類似地質情況施工。采用的隧道施工方法：進口位于陡崖邊，左側洞身露出地表，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構面（節(jié)理順層） ，左側溝谷沖刷嚴重。按“早進洞、晚出洞”的原則，根據(jù)地形地質條件，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，質量過關，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。 不良地質特點分析軟弱圍巖工程地質特點有：(1)巖體破碎松散、粘結力差：一般為土層、巖體全風化層、擠壓破碎帶等構成的圍巖，由于結構破碎松散，巖體間的粘結力差，開挖洞室后，僅靠顆粒間的摩擦效應和微弱膠結作用成拱，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、炭質巖、千枚巖等為代表的軟質巖地層，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力影響容易發(fā)生塑性變形，造成洞室內擠。(3)巖體結構面軟弱、易滑塌：主要是存在于受結構面切割影響嚴重的塊狀巖體中，由于結構面的粘結強度較低，開挖后周邊巖體極易沿結構面產(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性質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；造成圍巖應力進行重新調整，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 結構設計 主要設計依據(jù)及技術標準 設計依據(jù)(1)《鐵路隧道設計規(guī)范 》(TB100032022)(2)《鐵路隧道工程施工技術指南》(TZ2042022)(3)《新建鐵路工程測量規(guī)范》(TB1010199)(4)《鐵路隧道噴錨構筑法技術規(guī)則》(TBJ10892)(5)《鐵路噴射混凝土技術施工規(guī)范》(6)《鐵路隧道施工規(guī)范 》(TB102042022) (7)《鐵路隧道防排水設計規(guī)范》 設計標準鐵路等級：Ⅰ級 ； 正線數(shù)目：雙線 ； 牽引種類：電力 ； 牽引