【正文】 牽引定數(shù)： 4000 t ； 限制坡度：?jiǎn)螜C(jī) 6‰ ，雙機(jī) 13‰ ； 隧道建筑限界： “ kh250 橋隧建筑限界 ” ； 閉塞類型：自動(dòng)閉塞； 設(shè)計(jì)行車速度： 250km/h 。 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(jìn)行重新調(diào)整，圍巖與洞壁均向隧道凈空方向變形。 (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(yán)重的塊狀巖體中，由于結(jié)構(gòu)面的粘結(jié)強(qiáng)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 7 落等變形破壞現(xiàn)象。 不良地質(zhì)特點(diǎn)分析 軟弱圍巖工程地質(zhì)特點(diǎn)有： (1)巖體 破碎松散、粘結(jié)力差：一般為土層、巖體全風(fēng)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。 各工序及時(shí)緊跟，施作精細(xì)到位，質(zhì)量過(guò)關(guān)，排除施工不力造成大變形的因素。拱部安設(shè) ，早施做混凝土襯砌，確保穩(wěn)定和安全。 洞口位置的確定及洞門型式的選擇：洞口定于 DK366+862。 采用的隧道施工方法： 進(jìn)口位于陡崖邊，左側(cè)洞身露出地表，基巖為砂巖與頁(yè)巖互層，巖體較破碎，節(jié)理密集，進(jìn)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(yán)重。 6 施工方法 以往隧道施工時(shí)，若圍巖變形較大，初期支護(hù)不能承受圍巖壓力時(shí)，只能通過(guò)拆除已施作的初期支護(hù)，擴(kuò)挖斷面后重新施作初期支護(hù)，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，給工期帶來(lái)更大的壓力，且拆除已施作的支護(hù)，極有可能發(fā)生塌方等安全事故。當(dāng)隧道開挖前處在高圍壓狀態(tài)時(shí)尚具有較高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，當(dāng)圍壓降低、圍巖應(yīng)力差增大時(shí)，結(jié)構(gòu)面張開或滑移，圍巖整體強(qiáng)度和模量降低 ， 表現(xiàn)出顯著的結(jié)構(gòu)流變的特點(diǎn)。 表 22 天平山隧道 DZ天平山 深 4 孔各深度測(cè)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(cè)試值分布及其線性回歸公式大致推測(cè)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(cè)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(qiáng)度分析，洞身基巖為以頁(yè)巖、炭質(zhì)頁(yè)巖為主的軟質(zhì)巖，埋深大，可能存在塑性變形問(wèn)題。鉆孔附近最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向與線路中線約以銳角 8186。 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(cè)試資料 （見表 22） 來(lái)看，在測(cè)量深度域內(nèi)水平主應(yīng)力值大致隨孔深增加而減??；結(jié)果顯示，三個(gè)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。) 基本 承 載力 σ(kPa) 邊坡率 臨時(shí) 永久 頁(yè)巖夾砂巖、炭質(zhì)頁(yè)巖及灰?guī)r (?b1） W3 45 400 1: 1： 1 W2 53 500 1: 1: 頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖及透鏡狀灰?guī)r (?q3） W3 45 400 1: 1： 1 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(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖及透鏡狀灰?guī)r；段內(nèi)多發(fā)育次級(jí)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。 巖層的物理力學(xué)指標(biāo) 見表 21。 頁(yè)巖夾炭質(zhì)頁(yè)巖及透鏡狀灰?guī)r (?q3）：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。巖質(zhì)軟，遇水易軟化，穩(wěn)定性差。 砂巖由于透 水 性較好，表面含水層可以 過(guò)濾 掉 污染物 ，比其他石材如 石灰石 更能抵御 污染 。 有的砂巖可以抵御風(fēng)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。絕大部分砂巖是由 石英 或 長(zhǎng)石 組成的，石英和長(zhǎng)石是組成地殼最常見的成分。炭質(zhì)頁(yè)巖含有大量已碳化的有機(jī)質(zhì)，常見于煤系地層的頂?shù)装濉Ｓ捎谒鼘永矸置?、易剝離而稱為頁(yè)巖。成分復(fù)雜，除粘土礦物（如高嶺石、蒙脫石、水云母、拜來(lái)石等）外，還含有許多碎屑礦物（如石英、長(zhǎng)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(yè)狀或薄片狀層理。 本隧的主要工程地質(zhì)問(wèn)題 是 高地應(yīng)力下炭質(zhì)頁(yè)巖等軟巖變形。本 設(shè)計(jì)段 隧圍巖以 Ⅳ 、 Ⅴ 級(jí)為主，主要為碳質(zhì)頁(yè)巖，圍巖破碎， 地下水發(fā)育， 穩(wěn)定性差，開挖后局部掉塊嚴(yán)重，支護(hù)后易產(chǎn)生較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的擠壓變形，安全風(fēng)險(xiǎn) 較 高，施工難度較大，且交通條件 惡劣。 (4)設(shè)計(jì)具體的施工工藝，包括開挖、出碴 、初支、二襯、防水工程、量測(cè)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(cè)布置圖以及其它必要附圖。 (2)按工程類比法確定 在這兩種 圍巖級(jí)別條件下隧道的初支結(jié)構(gòu)及形式。 主要 設(shè)計(jì) 內(nèi)容 本設(shè)計(jì)針對(duì) 天平山隧道 的研究段 （ DK372+800～ DK374+165） 進(jìn)行研究。該隧道由廣西龍勝境內(nèi)進(jìn)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(zhǎng) ，隧道最大埋深 775m， 進(jìn)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(jí)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(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。及時(shí)開展軟巖工程問(wèn)題的試驗(yàn)研究，摸清它發(fā)生、發(fā)展的規(guī)律，提出相應(yīng)的、切實(shí)有效地預(yù)測(cè)、防范及解決方法是十分必要的。巖塊吸水率達(dá) 69%~78%，抗壓強(qiáng)度均小于5MPa。同時(shí)由于成巖時(shí)間長(zhǎng)，構(gòu)造變動(dòng)頻繁，使礦物定向排列形成密實(shí)有序的長(zhǎng)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(qiáng)度相對(duì)較高，多數(shù)為2030MPa。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。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(tuán)的排列與接觸方式，微空隙與微裂隙等。 1 第 1 章 緒論 研究背景及國(guó)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) 。從 設(shè)計(jì)、 開挖到支護(hù)完成的整個(gè)過(guò)程，充分體現(xiàn)了 “ 新奧法 ” 的精髓，以保證隧道本身的穩(wěn)定性。再對(duì)初期支護(hù)和二次 襯砌進(jìn)行施工方法設(shè)計(jì)。施工方法的選擇： Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法， Ⅴ 級(jí)圍巖 同樣 采用 三臺(tái)階 法。 首先，根據(jù)隧道的工程概況擬定相關(guān)參數(shù)對(duì)隧道各級(jí)各段進(jìn)行深淺埋判斷，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圍巖壓力計(jì)算，通過(guò) ANSYS 軟件建模對(duì)各圍巖段襯砌強(qiáng)度進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，再對(duì)襯砌配筋進(jìn)行計(jì)算，之后進(jìn)行檢算。 該隧道地下水發(fā)育，工程地質(zhì)復(fù)雜。 指導(dǎo)教師簽字 時(shí)間 年 月 日 摘 要 新建貴陽(yáng)至廣州鐵路天平山隧道 研究段 （ DK372+800～ DK374+165），全長(zhǎng)1365m，為雙線單洞隧道，設(shè)計(jì)時(shí)速 250km，預(yù)留進(jìn)一步提速條件。 完成隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 完成隧道施工組織設(shè)計(jì)； 完成設(shè)計(jì)圖 ： 地質(zhì)縱剖面圖，襯砌結(jié)構(gòu)橫剖面圖，計(jì)算模型及計(jì)算結(jié)果圖，炮眼布置圖、配筋圖等； 完成外文翻譯等相關(guān)文檔和完整的設(shè)計(jì)報(bào)告書。 預(yù)期結(jié)果 設(shè)計(jì)中通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)所受的荷載，進(jìn)行 ANSYS 建模 ， 來(lái)計(jì)算出某點(diǎn)所受的軸力和彎矩，然后通過(guò)計(jì)算出來(lái)的內(nèi)力進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計(jì)。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) 格柵鋼 拱架，鋼筋網(wǎng)。 對(duì)于隧道施工組織設(shè)計(jì)，本隧道使用分部臺(tái)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(cè)地層巖性、軟弱層及斷層構(gòu)造位置等。荷載計(jì)算主要包括松動(dòng)壓力的計(jì)算 ， 即采用單線隧道按破壞階段設(shè)計(jì)時(shí)垂直壓力公式計(jì)算。 進(jìn)行的主要工作 本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面： 一是軟巖隧道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括二次襯砌尺寸及材料擬定、荷載計(jì)算、內(nèi)力分析、二次襯砌配筋設(shè)計(jì)； 二是施工組織設(shè)計(jì)，包括：開挖施 工方法、爆破設(shè)計(jì)、出碴及運(yùn)輸方式、初期支護(hù)、二次襯砌、防水層、排水系統(tǒng)、施工通風(fēng)、施工監(jiān)控量測(cè)設(shè)計(jì)、施工組織管理、主要分項(xiàng)的施工工藝等內(nèi)容。 在我國(guó)，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(lái)越多地觸及到軟巖（高應(yīng)力軟巖）工程問(wèn)題。經(jīng)研究主要采取的處理措施有：①開挖總體采用雙側(cè)壁法；②初期支護(hù)鋼架及臨時(shí)支撐采用 I22 型工字鋼、自進(jìn)式錨桿，超前支護(hù)小導(dǎo)管，拱腳兩側(cè)增設(shè)小導(dǎo)管鎖腳。隧道主要地質(zhì)為炭質(zhì)板巖夾泥巖，局部泥化軟弱，呈灰黑色，圍巖層理呈褶皺狀扭曲變形嚴(yán)重，大部分地段圍巖較破碎，洞身滲涌水頻繁，部分地段呈股流。存在的主要構(gòu)造體系是山字型構(gòu)造體系。大變形得到迅速整治，襯砌施工后，結(jié)構(gòu)完好，未出現(xiàn)任何開裂現(xiàn)象，經(jīng)預(yù)埋的應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)測(cè)試，有足夠的安全儲(chǔ)備。在一般地段，拱頂下沉為 5080cm，側(cè)壁內(nèi)移 5060cm，底部隆起 5080cm；在變形最嚴(yán)重地段，拱頂下沉達(dá)到240cm，底部隆起達(dá)到 80100cm，側(cè)壁內(nèi)移達(dá)到 160cm。隧道南段為玄武巖，北段為灰?guī)r，北段為灰?guī)r，中部 3890 m 為砂、泥巖及為鈣質(zhì)、泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖夾泥巖的煤系地層。由于距向斜軸部較遠(yuǎn)，故皺褶、斷層不發(fā)育，只在隧道中部煤系地層中發(fā)育有一正斷層 F1，其破碎帶寬 15～ 20 m?！?30176。～ 35176。 家竹箐隧道隧道全長(zhǎng) 4990m。由于阿爾貝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，該隧道設(shè)計(jì)時(shí)的初期支護(hù)就比較強(qiáng)，噴射混凝土厚 20~25cm，錨桿長(zhǎng) ，同時(shí)安設(shè)了可縮剛架。 奧地利阿爾貝格隧道隧道長(zhǎng) 13980m，開挖斷面面積 90103m2，巖石主要為千枚巖、片麻巖，局部為含糜棱巖的片巖、綠泥巖，巖石強(qiáng)度為 ~ MPa，隧道的埋深平均為 350m，最大埋深為 740m，原始地應(yīng)力為 MPa， 圍巖強(qiáng)度比為 ~。此時(shí)的凈空收斂大約是 2025cm。而后把錨桿改為 6m，并初次采用縱向伸縮縫，縫寬 20cm，間隔 3m，支撐也是可縮的，并在隧 道底部增加了隧底錨桿，噴射混凝土厚度保持 25cm 不變。 陶 恩隧道長(zhǎng) 6400m，開挖斷面面積 90105m2，位于顯著變質(zhì)的巖帶內(nèi)，如片巖、千枚巖等，主要巖層為絹云母、千枚巖夾綠泥石，抗壓強(qiáng)度R=，洞內(nèi)無(wú)地下水活動(dòng)，隧道埋深為 6001000m，原始地應(yīng)力為 MPa，側(cè)壓力系數(shù)近似為 ，圍巖強(qiáng)度比為 。施工時(shí)產(chǎn)生了大變形，在地質(zhì)最差的地段，拱頂下沉達(dá)到 930mm，邊墻收斂達(dá)到 1120mm，有 600cm2 面積的噴射混凝土侵入模筑混凝土凈空。施工中凈空位移和拱頂沉降都是很大的，上斷面的凈空位移 100~400mm，最大到 411mm；下斷面的凈空位移最大為200mm，拱頂下沉為 10~100mm。 日本的巖手隧道，長(zhǎng) ，采用新奧法施工。 本設(shè)計(jì)所研究的貴廣天平山隧道就是以軟巖大變形為特點(diǎn)的。在世界沙上有關(guān)水工建筑物事故的統(tǒng)計(jì)中，由于軟巖的存在而引發(fā)的，可以舉出如下一些較突出的實(shí)例：美國(guó)圣佛蘭西斯壩，因粘土膠結(jié)的沙礫巖被水浸潤(rùn)軟化而引起滑動(dòng)；美國(guó)俄亥河 26 號(hào)壩，沿壩基下 5cm厚的頁(yè)巖層發(fā)生滑動(dòng)；美國(guó)奧斯丁重力圬工壩，沿石灰?guī)r內(nèi)的頁(yè)巖夾層而滑動(dòng)；法國(guó)布澤壩，沿壩基龜裂的紅色砂巖上的粘土層發(fā)生滑動(dòng)；印度的堤格拉壩，在砂頁(yè)巖互層中發(fā)生滑動(dòng)等等。 軟巖在世界上分布非常廣泛，泥巖與頁(yè)巖就占地球表面所有巖石的 50%左右。 軟弱圍巖對(duì)隧道失穩(wěn)的影響： (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(duì)圍巖的穩(wěn)定有重要影響； (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(dòng)中形成的結(jié)構(gòu)面，一般情況下 ， 其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于母巖； (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(guò)分變形而造成的； (4)地下水的影響。新生代和部分中生代軟巖，由于成巖時(shí)間較短，顆粒間密實(shí)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(wú)序的蜂窩狀結(jié)構(gòu)為特征從膠結(jié)程度來(lái)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(qiáng)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?yuàn)A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(qiáng)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。不同時(shí)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(zhǎng)期上覆 巖體的壓實(shí)作用及經(jīng)常性的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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)。這些結(jié)構(gòu)特征有著自身的獨(dú)特形成過(guò)程和客觀的發(fā)展歷史。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。 三、應(yīng)收集的資料及