地下工程课程设计隧道施工与支护设计.docx
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地下工程课程设计隧道施工与支护设计
《地下结构工程》
课程设计
项目名称：
大瑶山隧道施工与支护设计及稳定性评价
设计时间：
年月日~月日
指导教师：
班级：
姓名：
学号：
北京科技大学
2014.5
6附图........................................................................................................................................18
1工程概况
通过专业绘图软件AutoCAD绘制的大瑶山隧道平剖面图如图1.1所示。
大图见附图。
该隧道是双线铁路隧道，位于京广线坪石至乐昌段，是京广线上的关键工程。
隧道全长14.295km，设计宽约11m，高约9m。
埋置深度为70~500m，最大为900m。
隧道穿越瑶山山区和武水峡谷，地形地质条件极为复杂。
2隧道区域地应力
铁道科学院西南研究所做的现场地应力测试结果列入表2.1~表2.3中。
地应力测量位置见图1.1。
表2.1滑石排1号试验洞初始应力
主应力
应力/MPa
方位角/（º）
倾角/（º）
σ1
38
N88W
60
σ2
21
N54W
-26
σ3
13
S33W
-15
表2.2滑石排2号试验洞初始应力
组别
主应力
应力值/MPa
方位角/（º）
倾角/（º）
第一组合
σ1
13.3
NE10
40
σ2
5.7
SW29
49
σ3
4.1
SE72
9
第二组合
σ1
13.7
NE32
45
σ2
8.1
SE38
19
σ3
4.8
SW68
89
说明：
1.方位角、倾角是按以测点为原点的坐标计算的，X指北、Y指西、Z指上。
2.倾角为正是仰角，负者为俯角。
表2.3滑石排1号试验洞应力分量表
σx/MPa
σy/MPa
σz/MPa
τxy/MPa
τxz/MPa
τyz/MPa
-24.0
-15.0
-33.6
-2.8
6.1
6.2
图1.1隧道地表等高线和泡面图以及地应力测试位置图
在该处最大主应力为38.4MPa，约为滑石排2号初始应力的3倍，其方位角为NW88°。
大致垂直与构造线，与构造应力基本一致，同时也与地形有关，在应力量级方面考虑该处埋深只有600m，自重应力不会超过24MPa，因此该处构造应力占比重很大。
从上述两个试点来看，大瑶山隧道围岩初始应力较高，在隧道稳定性分析中，不应采用最大主应力考虑，如以隧道纵轴为X轴，往广州方向为正，Y、Z轴按右手法则取向，则六个应力分量如表2.3。
上述数据中，σ1的大小、方向非常接近，σ2、σ3差别大，但其值相差不大。
考虑地质差异，可以认为上述数据具有代表性，反映了这一地区的应力条件。
应力状态与地质条件的关系见图1.1。
按山高为750m来考虑，γh=15.6MPa，其中h=750~160=590m（160m为测点标高），γ=26.5kN/m3。
按覆盖层厚度计算应力大于实测应力，因此可以认为该处初始应力主要是自重应力引起的，构造应力为次要的。
3工程地质和水文地质简介
3.1岩性
大瑶山隧道进出口两端为震旦、寒武系浅变质碎屑岩，中部为泥盆统桂头群砂砾岩、砂岩、页岩及东岗组的白云岩、灰岩、白云质灰岩。
这些岩石是一套以硅质、泥质为胶结物的碎屑岩系，经加里东构造运动，发生了区域变质。
两个时代的岩体的组成基本相似。
在较大规模的岩脉侵入带中，有的岩层发生了石英岩化的现象。
上述岩石呈互层状。
岩层的单层厚度一般为20~50cm，厚者达1~2m，薄者仅1~5cm。
浅变质岩中发育有三组或三组以上的节理，其产状和性状受局部构造的影响。
岩体中的体积节理数Jv值是单位体积各组节理条数的总和。
是评价岩体节理密度和可能被切割单元岩块大小的一种指标。
据统计：
厚层至巨厚层砂岩，板岩的Jv=8~13条/m3、中厚层砂岩，砂质板岩Jv=8~20条/m3、薄层板岩Jv=13~25条/m3、风化破碎岩体Jv≥30条/m3。
隧道围岩的岩石力学特性见表3.1。
表3.1大瑶山隧道浅变质岩系的主要物理力学特性
岩石
指标
灰绿色石英岩
灰绿色长石
砂质板岩
泥质板岩
岩体
砂岩
板岩
容量/
2.73
2.71
2.69
2.70
孔隙比/%
1.7
2.6
单轴抗压强度/MPa
75.1~96.8
87.3
58.5
抗压强度
/MPa
11.7
9.3
5.1
岩体粘聚力C/MPa
2.1
1.8
1.5
岩体内摩擦角φ/（°）
51
48
42
静弹性摸量E/GPa
85.4
68.8
42.0~65.7
12.8~23.4
泊松比μ
0.20
0.23
0.25~0.30
动弹性摸量Ed/GPa
60~90
45~80
40~98
纵波速度Vp/ms-1×103
5.6~6
5~5.4
3.8~5.2
4~6
3~4.5
3.2构造
图3.1显示了大瑶山隧道地质剖面图。
由此可见，隧道处于湘桂径向斜构造的东侧，南岭东西经向构造带的南缘，越北山字型的脊柱部位。
因此，隧道地处多种构造体系，区域构造比较复杂的复合交接带。
隧道穿过复式褶皱瑶山北斜的东翼，马寨背向斜的北端。
这些褶皱均呈紧密的向斜倒转状，轴向NEE至近SN，部分轴向NW。
图3.1大瑶山隧道地质剖面示意图
3.3不良地质
隧道通过区存在大量小断层。
只要有适当的超前地质预报措施，注意及时按反馈信息进行支护修改即可。
3.4水文地质
隧道区围岩主要是灰绿色石英砂岩、灰绿色长石、砂质板岩、泥质板岩，经测定其渗透系数不大，结构面（节理、裂隙）中水量并不丰富。
隧道所在地区，全年降水量较大，有紧邻武水峡谷，设计、施工中应注意防水，拟采用1.5mm厚的PVC做防水层。
4设计内容
大瑶山隧道设计的内容包括隧道设计分区、不同分区的隧道围岩分级、隧道支护选型、隧道开挖和支护设计、隧道稳定性评价等内容。
隧道开挖和支护的设计是设计的主要内容，具体的设计图通过专业绘图软件AutoCAD绘制。
4.1隧道设计分区
根据隧道通过区地质条件，将支护分成两地段来设计。
4.2进出口段（约100m）设计
4.2.1隧道围岩分级
采用地质力学分类，对铁路隧道进行围岩分级。
（1）岩石的单轴抗压强度。
隧道进出口岩石的抗压强度均在60MPa以上。
围岩判为极硬岩。
（2）岩体的完整程度。
岩体的体积节理数Jv大于30条/m3。
且节理多以风化型为主。
完整程度判为破碎。
（3）基本分级。
依据上述两项判断，进出口段的围岩定为Ⅳ级围岩。
（4）基本分级的修正
①地下水的分级
地下水的分级由下表确定
表4.1地下水状态的分级表
级别
状态
渗水量
Ⅰ
干燥或湿润
<10
Ⅱ
偶有渗水
10-25
Ⅲ
经常渗水
25-125
说明：
上表中渗水量的单位是L/（min*10m）。
②地下水对围岩级别的修正：
表4.2地下水影响的修正表
围岩级别
地下水分级
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅰ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
—
Ⅱ
Ⅰ
Ⅱ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
—
Ⅲ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
—
③围岩初始应力影响的修正：
表4.3初始应力影响的修正表
围岩级别
初始应力状态
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
极高应力
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ或Ⅳ①
Ⅴ
Ⅵ
高应力
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ或Ⅴ②
Ⅵ
说明：
①围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为Ⅲ级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为Ⅳ级
②围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为Ⅳ级；围岩岩体为完整及较完整软岩、较完整及较破碎的较软岩时，定为Ⅴ级。
综上所述，考虑地下水和地应力的影响，将该段围岩定为Ⅲ~Ⅳ级围岩。
4.2.2支护选型
考虑围岩条件、经济条件、建成后的运营条件，初期支护采用锚喷网支护；二次支护采用整体式模注混凝土衬砌，衬砌采用等截面曲墙式衬砌。
截面厚40cm，混凝土强度为C30。
4.2.3稳定性计算
4.2.4支护与开挖设计
1、支护设计图：
通过AutoCAD绘制的进出口段隧道支护设计断面图如下图4.1所示。
绘制的大图见附图中所示。
图4.1进出口段隧道支护设计断面图
2、开挖设计图：
开挖采用钻爆法，即全断面机械化一次光面爆破的方法。
开挖设计图如下图4.2所示，大图见附图。
图4.3钻爆法隧道开挖设计图
4.3中部段隧道设计
4.3.1围岩分级
由地质力学分类方法进行围岩分级。
（1）岩石的单轴抗压强度。
隧道进出口岩石的抗压强度均在60MPa以上。
围岩判为极硬岩。
（2）岩体的完整程度。
浅变质岩中发育有三组或三组以上的节理，其产状和性状受局部构造的影响。
据统计：
厚层至巨厚层砂岩，板岩的Jv=8~13条/m3、中厚层砂岩，砂质板岩Jv=8~20条/m3、薄层板岩Jv=13~25条/m3。
节理裂隙中等发育，以构造性裂隙为主。
完整程度判为较完整。
（3）基本分级。
依据上述两项判断，进出口段的围岩定为Ⅱ-Ⅲ级围岩。
（4）基本分级的修正
①地下水的分级
地下水的分级由表4.1确定。
②地下水对围岩级别的修正
修正采用表4.2进行修正。
③围岩初始应力影响的修正
修正采用表4.3进行修正。
综上所述，考虑地下水和地应力的影响，将该段围岩定为Ⅱ-Ⅲ级围岩。
考虑工程的重要性及以后的运营条件，采用复合衬砌进行支护。
按照由地质力学分类所给定的复合衬砌选择支护参数。
表6.4列出了Ⅱ和Ⅲ级围岩的复合支护参数。
表4.4Ⅱ和Ⅲ级围岩的复合支护参数表
围岩
级别
初期支护
二次衬砌厚度
喷射混凝土厚度/cm
锚杆/m
钢筋网
钢架
拱墙/cm
仰拱/cm
拱墙
仰拱
位置
长度
间距
Ⅱ
5
—
局部
2.0~2.5
1.5
—
—
30
—
Ⅲ
10
10
拱、墙
2.0~2.5
1.2~1.5
—
—
35
35
4.3.2初期支护设计
（1）锚杆：
直径20mm的Q235钢筋、长度为2.0m、间距为1.5m，设置于拱墙和仰拱部位，锚杆用全长砂浆锚杆。
（2）喷射混凝土：
混凝土强度C30，厚度10cm。
喷射于拱墙和仰拱位置。
4.3.3稳定性计算
按照支护的不同，分两部分进行计算。
1、整体式模注混凝土的计算
1）衬砌荷载的计算
由于衬砌埋深为20m，属于深埋衬砌，计算理论采用基于有界破裂区的计算方法。
这理论是将破裂区内的岩体自重作为隧道衬砌上的荷载，为确定破裂区的范围，必须首先对破裂边界作出假定。
其中以普氏压力拱理论在我国应用最广。
普氏认为，隧道开挖后，顶部岩石失去稳定，产生坍塌，并形成自然拱。
随之，隧道两侧由于应力集中而逐渐破坏。
普氏假定压力拱形状为二次抛物线。
（1）计算压力拱高
2、复合衬砌中锚喷支护的计算
1、理论依据
虽然在轴非对称的情况下，围岩的塑性区位于洞室两侧，喷层两侧回出现剪切破坏，但由于喷层柔性大，容易调整压力，使四周压力比较均匀，因而，喷层仍然是由于四周受压而剪切破坏。
因而可以用剪压破坏理论。
（1）计算塑性区半径
式中：
R——塑性区半径；
——隧道半径取5.5m；
——取90°；
——破裂起始角，其取值按下表:
λ
0.2~0.5
0.5~0.8
ρ
50~40
40~35
ρ单位是度,在本工程中，ρ取为45度。
塑性区半径为
式中：
是岩体的摩擦角.
（2）计算锚杆的附加抗力
式中：
——锚杆的直径；
——锚杆钢筋的极限抗拉强度，取380MPa；
——安全系数，取1.2；
——锚杆的间距；
——锚杆的排距。
（3）计算锚固后围岩的C
式中：
——锚杆的抗剪强度；
——岩体的粘聚力；
——锚杆的面积。
（4）计算支护抗力
=0.9MPa
式中：
P——原岩应力，取33.6MPa；
——岩体的摩擦角,取40度
（5）喷层的验算
式中K——喷层的安全系数；
——混凝土的抗压强度。
验算后，得到的安全系数为2.3，围岩是稳定。
4.3.4设计图
1.支护设计图：
绘制的支护设计图如下图4.3所示，大图见附图。
图4.3中部段隧道支护设计断面图
2.开挖设计图：
方法同进出口段的开挖设计。
绘制的开挖设计图如下图4.4所示，大图见附图。
图4.4隧道钻爆法开挖设计图
5隧道施工
隧道穿越地区大部分围岩等级较高，岩石较坚硬，为了加快施工速度，保证隧道早日完工，同时也考虑到隧道断面比较大，可以为机械化施工提供足够的工作面。
施工采用全断面机械化一次光面爆破的方法。
5.1光面爆破
5.1.1光面爆破作用机理
光面爆破是上世纪五十年代才发展起来的一种控制爆破技术，由于它具有明显的优越性所以其很快得以推广。
但岩石爆破过程极为复杂，理论研究很不成熟，所以其作用机理也存在不同的解释。
（1）W.I.杜瓦儿和K.S.佩固等人提出的理论。
该理论认为相邻炮孔爆炸应力波叠加导致岩石受拉破坏而形成裂缝。
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