【文章內(nèi)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(gòu)造體系前弧，受多期次構(gòu)造的復(fù)合，揉皺及構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，其展布與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，以近東西和北西西向?yàn)橹?。隧道范圍?nèi)未見區(qū)域性大斷裂通過，但巖體受構(gòu)造運(yùn)動的影響，揉皺、褶皺發(fā)育，軟弱巖體被切割成塊狀、碎塊狀，巖體破碎，完整性差。 國內(nèi)外現(xiàn)狀 軟弱圍巖 對隧道 失穩(wěn) 的影響 軟 弱圍巖一般是指巖質(zhì)軟弱、承載力低、節(jié)理 裂隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)破碎的圍巖。軟巖對隧道失穩(wěn)的影響 有： (1)巖體力學(xué)性質(zhì)的影響 ： 軟巖的力學(xué)特性如各向異性、塑性、擴(kuò)容性、膨脹性、流變性等 ， 都對圍巖的穩(wěn)定有重要影響。層狀軟巖的各向異性 ， 使圍巖的變形失穩(wěn)及失穩(wěn)形態(tài)有很強(qiáng)烈的非對稱性 ， 軟巖的擴(kuò)容性和塑性明顯時會使洞周形成松散破碎區(qū)或擠壓變形區(qū) ， 軟巖的膨脹性會產(chǎn)生擠壞支護(hù)或形成嚴(yán)重的底鼓 ， 有明顯時間效應(yīng)的粘土質(zhì)軟巖 ， 則產(chǎn)生粘彈 — 塑性或粘塑性的變形壓力。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 (2)巖體結(jié)構(gòu)及裂隙分布的影響在地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動中形成的結(jié)構(gòu)面 ， 一般情況下 ，其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母巖。巖體的強(qiáng)度往往受結(jié)構(gòu)面強(qiáng) 度控制。裂隙的分布不同 ， 也對圍巖的穩(wěn)定造成不同的影響 ， 當(dāng)節(jié)理傾角大于 30176。 、走向與隧道軸線交角小于 40176。時 ， 危險(xiǎn)性較大 ， 而當(dāng)節(jié)理走向與隧道軸線大角度相交 ， 則危險(xiǎn)性較小。巖體在節(jié)理裂隙切割下形成的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)塊體 ， 是地下工程松動地壓的主要來源。 (3)軟巖隧道的失穩(wěn) ， 是隧道開挖引起的應(yīng)力重分布超出圍巖強(qiáng)度或造成圍巖過分變形而造成的。地應(yīng)力主要有自重應(yīng)力和構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生或殘留的應(yīng)力兩種 ， 其對隧道穩(wěn)定的影響 ， 主要看最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力差值 ， 主應(yīng)力的大小、方 向， 各主應(yīng)力構(gòu)成特征 ， 以及主應(yīng)力與工程的相對方位、與巖層主要 節(jié)理組的夾角等 。 (4) 地下水的影響地下水對軟巖隧道穩(wěn)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(chǎn)生了滲壓梯度 ，在圍巖內(nèi)產(chǎn)生了指向洞內(nèi)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(yīng)力減小 ， 其應(yīng)力狀態(tài)趨于惡化 ， 抗剪強(qiáng)度減小 ； ③ 圍巖內(nèi)的水降低了裂隙面摩擦系數(shù)和粘聚力 ； ④ 地下水溶解、搬運(yùn)礦物顆?；蛲V物成分發(fā)生化學(xué)作用 ， 使圍巖強(qiáng)度進(jìn)一步惡化。 軟巖隧道失穩(wěn)破壞特征 軟巖隧道 失穩(wěn)， 一般表現(xiàn)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(yīng)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(chǎn)生冒落和塌滑運(yùn)動。變形破壞表現(xiàn)的圍巖失穩(wěn)和破壞現(xiàn)象 ， 往往須經(jīng)過一段時間后方開始顯現(xiàn) ， 反映 了 巖體的流變性質(zhì)。所謂流變性質(zhì) ， 是指圍巖變形在應(yīng)力不變情況下不斷增長 (蠕變 )， 或在變形約束情況下應(yīng)力隨時間降低 (松弛 )， 以及圍巖強(qiáng)度隨時間降低的性質(zhì)。隧道開挖后 ， 在二次應(yīng)力作用下圍巖發(fā)生蠕變或強(qiáng)度降低 ， 當(dāng)變形最超過圍巖的塑變形允許量或強(qiáng)度降低至允許值后 ， 圍 巖發(fā)生破壞 ，隧道失穩(wěn)。軟巖隧道失穩(wěn)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(xiàn)出強(qiáng)烈的整體收斂和破壞。變形破壞形式既有結(jié)構(gòu)面控制型 ， 又有應(yīng)力控制型 ， 以應(yīng)力控制型為主。 (2)變形量大 ： 拱頂下沉一般大于 10cm， 有的高達(dá) 50cm， 兩幫擠 入 20cm~80cm，底鼓強(qiáng)烈。 (3)變形速度高 ： 軟巖隧道初期收斂速度達(dá)到 3cm/d， 即使采用常規(guī)的錨噴支護(hù) ，軟巖隧道的收斂速度仍可達(dá)到 2cm/d， 而且其變形收斂速度降低緩慢。 (4)持續(xù)時間長 ： 由于軟巖具有強(qiáng)烈的流變性和低強(qiáng)度 ， 軟巖隧道掘進(jìn)后 ， 圍巖石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 的應(yīng)力重分布持續(xù)時間長 ， 致使軟巖隧道變形破壞持續(xù)時間很長 ， 往 往長達(dá) 1~2 年 。 (5)圍巖破壞范圍大：由于軟巖隧道中圍巖的強(qiáng)度與地應(yīng)力的比值很小，因此，軟巖隧道圍巖的破壞范圍大，特別是當(dāng)支護(hù)不及時或不當(dāng)時，圍巖破壞區(qū)的范圍可達(dá) 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(yīng)力強(qiáng)度因方向而異和軟巖具有強(qiáng)烈的各向異性。變形破壞在方向上的差異性往往導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均 ， 支護(hù)結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生巨大的彎矩 ， 這對支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(nèi) ， 圍巖即與支護(hù)結(jié)構(gòu)接觸 ， 產(chǎn)生壓力。 圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用后 ， 圍巖的變形破壞并不立即停止 ， 而是繼續(xù)下去。這是因?yàn)檐泿r具有流變性 ， 在圍巖流變過程中 ， 圍巖的強(qiáng)度降低。因此 ，地壓隨時間而逐步增長 。 軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)理論 在隧道工程的設(shè)計(jì)與施工中，除了了解軟弱圍巖隧道 “ 自穩(wěn)差、易坍塌 ” 的工程特點(diǎn)，還必須清楚地認(rèn)識到隧道不同于地面建筑物的 3 個主要特點(diǎn)： (1)隧道是由圍巖和多種支護(hù)結(jié)構(gòu)兩部分組成的，即：隧道 = 圍巖 + 支護(hù)，圍巖與支護(hù)共同承擔(dān)山體的壓力。 (2)隧道承受的壓力具有不確定性。 (3)支護(hù)體系是控制圍巖變形的關(guān)鍵。 為有效 控制隧道工程安全風(fēng)險(xiǎn)，避免或減少坍方事故發(fā)生，應(yīng)以 “ 充分調(diào)動圍巖的承載能力，有效控制圍巖變形和松弛 ” 為設(shè)計(jì)理念，按新奧法原理進(jìn)行軟弱圍巖隧道設(shè)計(jì)。 軟巖隧道支護(hù)方法現(xiàn)狀及其支護(hù)作用機(jī)理 軟巖隧道當(dāng)前支護(hù)方法分為改善圍巖自身受力條件和對圍巖直接提供支護(hù)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(xué)注漿。其目的是充填裂隙 ， 提高圍巖完整性、連續(xù)性、增加圍巖的整體強(qiáng)度。 ② 錨桿支護(hù)。錨桿支護(hù)的目的是消除巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng) ， 在圍巖內(nèi)形成組合拱 ， 同時錨桿對圍巖施加壓力 ， 使處于二向 應(yīng)力狀態(tài)的圍巖保持三向應(yīng)力狀態(tài)。 ③ 噴射混凝土支護(hù)。噴射混凝土改變圍巖表面受力狀態(tài) ， 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(hù)使圍巖在不出現(xiàn)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(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 可將圍巖壓力均勻的傳遞給鋼拱架、錨桿 ， 使支護(hù)結(jié)構(gòu)受力均勻。 ④ 掛鋼筋網(wǎng)。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(hù)力：①超前支護(hù)。一般采用超前管棚或錨桿 ， 在隧道開挖前 ， 沿隧道軸向支護(hù) ， 對開挖后產(chǎn)生的松動圈提供支護(hù)力 ， 防止松動塊塌落 ， 惡化了圍巖的受力狀態(tài)。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(hù)。③鋼筋混凝土二次襯砌。其作用同格柵鋼拱架 ， 并對隧道穩(wěn)定提供安全儲備。 以上兒種支護(hù)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(hù)力 ， 可縮性鋼拱架既對圍巖提供了支護(hù)力 ， 也可控制圍巖變形 ， 釋放部分圍巖應(yīng)力。 主要研究內(nèi)容及研究方法 主要研究內(nèi)容 對于本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要有兩個方面，一是軟巖隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jìn)行荷載計(jì)算、內(nèi)力分析和二次襯砌配筋設(shè)計(jì)。其中主要包括假設(shè)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(shè)置鋼墊板，墊板的尺寸。在拱部，邊墻部位都要 進(jìn)行布置，鋼拱架采用鋼的種類，標(biāo)號，間距，采用的鋼筋網(wǎng)網(wǎng)格間距； 二是施工組織設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)，采用挖掘裝載機(jī)進(jìn)行除渣，初期支護(hù)根據(jù)地質(zhì)條件不同而不同，主要采用錨噴網(wǎng)為主的支護(hù)方式，進(jìn)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(jìn)行注漿防水，初期支護(hù)噴射混凝土防水，二次襯砌防水層防水，排水系統(tǒng)主要是在隧道內(nèi)安裝抽水泵進(jìn)行排水 。 隧道施工用高壓風(fēng)高壓水及 電路，施工監(jiān)控量測主要包括洞內(nèi)圍巖及支護(hù)狀態(tài)觀察；洞內(nèi)周邊位移觀測；地表下沉量測；進(jìn)行科學(xué)的施工組織管理；主要分項(xiàng)的施工工藝包括打錨桿，噴射混凝土，鋪鋼筋網(wǎng)，架設(shè)鋼拱架；軟巖隧道特殊施工段可以進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，然后進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)，弱爆破進(jìn)行施工。 主要研究方法 對于隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先利用 設(shè)計(jì) 軟件進(jìn)行建立計(jì)算模型，即使用階段結(jié)構(gòu)安全性檢算采用“荷載 — 結(jié)構(gòu)”模式，二襯結(jié)構(gòu)采用彈性平面梁單元模擬，彈性抗力石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 以及隧底地基均采用彈簧單元模擬 ， 組合荷載根據(jù)不同作用方向分別轉(zhuǎn)換成等效節(jié)點(diǎn)力施加在相應(yīng)的單元結(jié)點(diǎn)上 。 荷載計(jì)算主要包括松動壓力的計(jì)算，即采用單線隧道按破壞階段設(shè)計(jì)時垂直壓力公式計(jì)算。算出荷載以后，要進(jìn)行配筋，即根據(jù)計(jì)算出來的內(nèi)力值進(jìn)行配筋，根據(jù)容許應(yīng)力法進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)最后進(jìn)行強(qiáng)度檢算和抗裂檢算 。 對于隧道施工組織設(shè)計(jì)，本隧道使用分部臺階法進(jìn)行開挖，在施工之前要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，探測地層巖性、軟弱層及斷層構(gòu)造位置等。弄清地質(zhì)情況以后進(jìn)行開挖。利用鉆爆法進(jìn)行開挖，然后進(jìn)行超前支護(hù)與初支護(hù)，超前支護(hù)使用超前小導(dǎo)管注漿加固地層，初期支護(hù)包括錨噴支護(hù)，架設(shè)鋼拱架，鋼筋網(wǎng)。然后根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行二次襯砌，不間斷進(jìn)行施工 監(jiān)測。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2 章 工程概況及工區(qū)劃分 工程概況 隧道概況 兩水隧道位于甘肅省武都區(qū)白龍江左岸中山區(qū) ， 地形較為陡峻，相對高差 400m，隧道最大埋深 346m。進(jìn)口端位于武都區(qū)附近 212 國道邊，出口位于武都區(qū)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(dá)，該隧道交通便利。隧道起訖里程為 DK357+082~DK362+095，全長 ，隧道進(jìn)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(shè)有短鏈(DK357+=DK357+200)，短鏈長度為 。 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征 (1)工程地質(zhì)特征 隧道洞身涉及地層主要為志留系中、上統(tǒng)千枚巖夾板巖、炭質(zhì)千枚巖夾板巖、灰?guī)r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(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，具絲絹光澤，受構(gòu)造影響巖體破碎，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 600kPa；風(fēng)化層厚 4～ 6m，Ⅲ級硬土， σ 0＝ 450kPa。節(jié)理發(fā)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(zhì)千枚巖夾板巖 (S2+3cph+Sl)：為隧道通過主要地層，以炭質(zhì)千枚巖為主，局部夾有板巖，深灰、灰黑色為主，含炭質(zhì)，鱗片變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造，具絲絹光澤，污手，受構(gòu)造影響巖體破碎，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 500kPa；風(fēng)化層厚 4～ 6m，Ⅲ級硬土，σ 0＝ 300kPa。巖體受構(gòu)造影響，褶皺發(fā)育，薄片、薄層狀巖層被節(jié)理切割成碎塊狀，巖體極破碎，完整性差。 ③ 灰?guī)r (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?、灰白色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中層狀構(gòu)造，巖體節(jié)理較發(fā)育，Ⅴ級次堅(jiān)石 ， σ 0＝ 1000kPa，風(fēng)化層厚 ～ 1m，Ⅳ級軟石， σ 0＝ 700kPa。 隧道洞身通過的志留系中、上統(tǒng)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖，巖質(zhì)較軟，受構(gòu)造影響嚴(yán)重，巖層產(chǎn)狀多變，總體主導(dǎo)巖層產(chǎn)狀： N10176?！?75176。 W/30176?！?65176。 S。 石家莊鐵道大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 (2)地質(zhì)構(gòu)造 隧址處位于武都山字型構(gòu)造體系前弧，受多期次構(gòu)造的復(fù)合，揉皺及構(gòu)造節(jié)理發(fā) 育，其展布與區(qū)域構(gòu)造線基本一致，以近東西和北西西向?yàn)橹鳌Ｋ淼婪秶鷥?nèi)未見區(qū)域性大斷裂通過，但巖體受構(gòu)造運(yùn)動的影響，揉皺、褶皺發(fā)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(jié)理產(chǎn)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(zhì)特征 隧址區(qū)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(bǔ)給來源不足 。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，雖然洞身基巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體破碎，除個別溝谷有零星季節(jié)性泉水出露外，隧道所在區(qū)域支溝均無水，結(jié)合區(qū)域資料綜合分析，圍巖的富水程度為弱富水區(qū)，對圬工不具氯鹽和硫酸鹽化學(xué)侵蝕性。隧道可能出現(xiàn)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(jié)理、裂隙密集帶，預(yù)測隧道最大總涌水量為 7008m3/d。 (4)不良地質(zhì)及特殊巖土 根據(jù)地質(zhì)調(diào)查，隧址內(nèi)灰?guī)r有輕微溶蝕裂縫及少量的溶蝕坑洞，屬輕微溶蝕區(qū)，該隧道灰?guī)r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(shù)及氣象資料 ① 地 震動參數(shù) 根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》 GB50011－ 202《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》 GB18306－ 2021，該工程所屬區(qū)地震動峰值加速度為 ，動反應(yīng)譜特征周期為 ，相當(dāng)于地震基本烈度八度。 ② 氣象資料 據(jù)武都縣氣象站氣象資料顯示：隧道區(qū)內(nèi)屬半干旱大陸性氣候，雨量集中，蒸發(fā)量遠(yuǎn)大于降雨