衬砌结构优化分析阶段报告Word格式.docx
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三、9号斜井工区分析情况………………………………………………（25）
（一）YDK175+110断面分析…………………………………………（25）
（二）YDK175+180断面分析…………………………………………（27）
（三）YDK175+200断面分析…………………………………………（29）
（四）YDK175+210断面分析…………………………………………（30）
（五）YDK175+260断面分析…………………………………………（32）
（六）YDK175+290断面分析…………………………………………（34）
（七）YDK175+410断面分析…………………………………………（35）
（八）YDK175+450断面分析…………………………………………（37）
（九）YDK175+465断面分析…………………………………………（39）
（十）YDK175+475断面分析…………………………………………（40）
（十一）YDK175+490断面分析………………………………………（42）
（十二）YDK175+530断面分析………………………………………（44）
（十三）初步分析结论………………………………………………（45）
四、F7断层带分析情况……………………………………………………（28）
（一）DK177+340断面分析…………………………………………（46）
（二）DK177+568断面分析…………………………………………（48）
（三）DK177+580断面分析…………………………………………（50）
（四）YDK177+345断面分析…………………………………………（51）
（五）YDK177+640断面分析…………………………………………（53）
（六）初步分析结论…………………………………………………（55）
五、不同断面结果比较……………………………………………………（56）
六、结论及注意事项………………………………………………………（56）
（一）结论……………………………………………………………（56）
（二）注意事项………………………………………………………（57）
一、研究内容
根据合同、大纲要求，由铁一院承担衬砌结构形式和支护参数的研究，工作中我院联合西南交通大学共同承担该部分内容。
其中，西南交通大学承担结构分析部分。
具体工作内容如下：
（一）衬砌结构合理断面形式研究
结合各试验段的设置，以设计断面为基础，分别拟定不同的优化断面形式，通过理论分析、结构检算并结合试验段的实际监测，优化设计断面，研究适合复杂地应力条件下的结构合理断面形式。
（二）不同阶段、不同地段支护参数研究
结合各试验段，对上述不同断面形式选择相应的预留变形量、结构尺寸、衬砌厚度及支护参数，通过实际监测和结构的正反分析，确定在复杂地应力条件下的合理支护参数。
二、F4断层地段衬砌结构支护参数研究
（一）施工情况
F4断层破碎带（YDK170+290～YDK170+740）位于乌鞘岭岭南地段，长450m，其中YDK170+440～YDK170+640，长200m为断层主带，断层主带两侧为影响带，本段埋深约440m。
F4断层影响带，围岩以碎裂岩为主。
碎裂岩：
灰绿色，成分为安山岩，呈块状、角砾状结构，锤击易碎，结合差，岩块较坚硬，断层角砾间或碎裂岩裂隙中局部有断层泥充填。
岩体破碎，呈块状、碎块状，围岩稳定性差，开挖后，掌子面、拱部及边墙易掉块、坍落。
无明显地下水出露，局部有少量渗水。
V级围岩。
F4断层主带，围岩以断层泥砾，角砾为主。
断层角砾：
灰白色、紫红色，可见红色条纹，成分以砂岩为主，岩质软弱，锤击易碎，局部手掰即碎；
断层泥，紫红色，呈薄层夹于断层角砾间，岩质软弱，局部可见光面、擦痕。
岩体破碎，无层理，呈块状、碎块状，围岩稳定性较差，开挖后，拱部及边墙易掉块、坍塌。
一般无水，局部有少量渗水。
（二）原设计情况
F4断层原设计衬砌结构采用复合式衬砌，支护、结构形式及参数如图1和表1所示。
图1F4断层原设计衬砌断面图
F4断层原设计支护参数表表1
围岩级别
初期支护
二次衬砌
备注
湿喷混凝土
锚杆
钢筋网
钢架榀/m
预留变形量cm
拱墙cm
仰拱cm
位置
长度m
间距m
直径mm
间距cm
Ⅴ
15（含隧底）
拱墙
3
1
Ф8
25
1榀/m格栅
8
40
断层影响带
Ⅵ
20（含隧底）
4
0.8
20
3榀/2mI16
10
50（钢砼）
断层主带
注：
Ⅵ级围岩系统锚杆采用R32N自进式注浆锚杆。
（三）衬砌结构试验研究
通过对F4断层现场测试发现，内轨面上2.5m处最大水平收敛为324.311mm，拱脚下0.5m处最大水平收敛为211.012mm，最大拱顶下沉87.157mm，F4断层带（YDK170+300~750）变形值明显大于相邻区段变形值。
故为了掌握围岩应力释放（变形）与支护结构受力的规律，确定隧道衬砌安全度，选择合理的支护参数，确定快速掘进的施工工序和工艺，在F4断层主带（YDK170+610）和F4断层影响带（YDK170+715）进行试验研究，为隧道设计与施工决策提供理论依据和基础数据。
本试验段仍然采用原设计的断面形式，仅对支护进行了部分调整。
调整后的支护参数如表2所示。
F4断层试验段支护参数 表2
断面里程
钢架
预留
变形量cm
二次
衬砌
cm
区域
湿喷
混凝土cm
φ22砂浆锚杆
长度m
直径
间距
YDK170+610
3榀/2mI18
50（钢混）
YDK170+715
15
1．0
1榀/m格栅
三、9号斜井工区衬砌结构支护参数研究
（一）设计情况
1、设计及试验段情况
9号斜井工区围岩为志留系板岩、千枚岩地层，以千枚岩为主，局部夹有石英脉，板岩薄层状，层理不明显，节理、裂隙发育，呈薄层状角砾结构，产状不稳定，围岩破碎，局部结构面充填泥质物，面光滑、稳定性较差；
千枚岩挤压揉皱，松软破碎，其中石英脉多呈酥碎砂状，以散体状结构为主。
开挖后呈碎石、角砾状，掌子面无明显渗水，但开挖后会有少量渗漏水、滴状及面状洇湿，量小，拱部有掉块、坍塌现象。
围岩整体稳定性较差，为V级围岩。
原设计衬砌结构采用复合式衬砌，支护、结构形式及参数如图2和表3所示。
图29号斜井工区原设计衬砌断面图
9号斜井工区原设计支护参数表表3
原设计
3.5
12
左线
右线
2、正洞变形情况
9号斜井工区志留系地层拱顶下沉和水平收敛变形情况如下：
隧道最大拱顶下沉571mm（YDK175+475），一般在100～300mm左右。
隧道内轨顶面上1.2m最大收敛值为551mm（YDK175+475），内轨顶面上2.5m最大收敛值为819mm（YDK175+490），内轨顶面上4m最大收敛值为589mm（YDK175+450）。
（二）衬砌结构试验研究
1、2004.6试验段设计情况
9号斜井进入正洞后，由于志留系千枚岩地层受F7断层影响大，地应力状态十分复杂,隧道开挖后变形较大，为有效控制变形，并为下一步设计和施工提供依据，在YDK175+200～+300进行100m的试验段，并分别在YDK175+410、+290、+260三个断面进行了现场测试，根据试验结果确定最终设计方案。
支护、结构形式及参数如图3和表4所示。
基本方案：
图39号斜井结构试验段衬砌断面图
9号斜井结构试验段支护参数表表4
围岩
级别
榀/mI20
φ22锚杆
仰拱
间距m
mm
25（含隧底）
3.0
1.0
25×
1.5
对上述Ⅴ级围岩初期支护设计要求：
当收敛变形量达到10～15cm时，再补喷10cm的混凝土，并要求立即施做二次衬砌。
方案一：
在上述基本方案的基础上，将初期支护中I20钢架改为格栅钢架，其它支护参数不变。
方案二：
在上述试验段基本方案的基础上，对支护参数调整如下：
初期支护中喷混凝土为25cm（不再根据变形情况补喷），隧道锚杆拱部采用4m，边墙采用6m，其它支护参数不变。
在试验段内，对上述三个方案各取15~20m长的试验段落，根据科研大纲的要求，尽快埋设测试元件进行量测和结构分析，根据收敛量测、结构分析、支护的稳定程度来初步确定适合志留系板岩、千枚岩地段复杂地质条件的支护参数和施工方法。
在试验中，由于钢格栅初期强度低，在施工中基本未采用，而其它两种由于开口和塌方等原因，也未能形成有效试验段。
但对此段围岩的认识、二衬结构安全以及施工工序工艺做了一定的准备。
2、2004.8试验情况
（1）试验段设计
由于在9号斜井与正洞交叉部位正洞隧道内开口影响段较多（YDK175+250～+430开口三处），并结合当时施工地段变形较大，收敛值未有效控制的情况，经与各方协商，对试验段未施工的30m及武威方向部分地段，对初期支护、衬砌又进行了加强试验，支护参数如下：
初期支护全断面采用钢纤维喷混凝土厚25cm，锚杆采用φ42mm花管，采用径向注浆加固地层，间距0.8×
0.8m，锚管长度拱部4m，边墙6m；
拱墙设φ8mm钢筋网，网格间距25cm×
25cm；
全断面设3榀/2mI20（或H175）型钢钢架；
拱部环向采用φ42mm超前小导管预注浆措施，采用水泥-水玻璃双液浆，小导管长6.0m，环向间距25cm；
预留变形量25cm，二次衬砌采用钢筋混凝土厚50cm。
2004年8月2日建设司召开专题会议，重新选择四段做为试验段，试验参数详见表5。
9号斜井结构试验段支护参数表表5
断面
预留变形量cm
二次衬砌（钢砼）
里程范围
混凝土
锚管φ32mm花管
第一段
25钢钎维
锚管拱4m墙6m柔性锚杆长6m，4根/榀
拱墙双层钢筋网
H1753榀/2m
35～55
50
YDK175+220～+232
YDK175+440～+458
第二段
拱部单层钢筋网
H1751榀/0.8m
35
YDK175+220～+208
YDK175+458～+467
第三段
锚管拱4m墙6m
I201榀/0.8m
YDK175+208～+196
第四段
25补强10
拱墙单层
YDK175+467～+476
H175钢架：
40.3kg/m，Ix=2900，Iy=984；
I20a钢架：
27.9kg/m，Ix=2370，Iy=158。
衬砌断面如图4所示。
图4岭脊地段典型断面
（2）试验结论
1）初期支护的形式和参数
根据岭脊段千枚岩地层埋深大，岩质软弱，施工中出现的大变形情况，在原设计椭圆型断面锚、喷、钢架联合支护的基础上，提出了改锚杆为锚管、改工字钢钢架为H型钢钢架等不同支护形式和支护参数，进行初期支护试验研究如下：
①H175和I20钢架的比较
a.采用H175钢架时，钢架纵向、环向刚度较好；
与喷锚共同作用下，初支体系的早期强度得到保证，对约束围岩的早期变形有利。
b.围岩局部变形较大时，H175钢架整体稳定性较好，对抑制喷混凝土的开裂作用明显。
c.H175钢架间距过密时，喷混凝土与钢架接触面易产生开裂和剥落，钢架间距宜采用0.8～1m。
d.围岩变形较大时，I20钢架整体刚度不足，易产生局部失稳，喷混凝土龟裂较多，但在围岩变形较小的板岩为主地段，I20钢架可以满足刚度要求。
总体上看，千枚岩含量大的地层，围岩变形大，初期变形速率明显，因此提高初期支护的刚度特别是早期强度对抑制围岩的早期变形有利的，宜采用H175钢架。
板岩含量较多时，围岩变形不大，可采用I20钢架。
②柔性锚杆和系统锚杆分析
a.柔性锚杆在千枚岩含量高、结构面密集等特殊地段，其作用是对初支的补强，对抑制较大变形和侧向变形有利。
在各洞室交叉开口的异性断面结构受力复杂，另产生较大变形，可采用柔性锚杆对初支予以加强或取代临时性的横撑。
在板岩为主的地层，柔性锚杆的作用不大。
b.通过试验验证，系统锚杆长度宜4～6m，对抑制围岩变形效果明显。
③网喷混凝土与钢纤维喷混凝土的比较
a.钢纤维喷混凝土韧度好，初期支护开裂较网喷明显减少。
b.钢纤维喷混凝土施工工艺和性能试验要求严格。
c.试验表明，网喷混凝土在钢架和系统锚杆联合作用下，同样可以满足初支强度要求。
④关于预留变形量
通过前期试验，在以千枚岩为主的地层，预留变形量可取30～35cm，以板岩为主的地层，预留变形量取20～25cm。
2）在板岩为主的区段中，支护收敛变形可在200mm以内，支护与二次衬砌结构完整，未观察到裂缝及破损；
在千枚岩为主的区段，支护收敛变形在500～700mm，采用试验段参数后未发现二次衬砌开裂及异常变形。
3）锚杆轴力测试和松动圈测试表明，围岩松动圈厚2.1～3.4m，设计锚杆长度和间距可以满足要求。
4）根据测试，最大初支混凝土应力为10.57MPa，最大钢架应力为171.6MPa，未超过材料的极限强度，各应力渐趋稳定。
岭脊志留系千枚岩地层区段实测围岩压力为0.18~0.37MPa，介于Ⅴ~Ⅵ级围岩规范荷载之间，实测平均侧压力系数0.640，二衬接触压力占围岩压力比例为26.7%。
5）通过规范荷载、反分析成果和实测荷载的结构安全性分析，各设计试验段结构安全度满足规范要求。
6）通过试验研究，在千枚岩为主的地层中，变形控制的原则为：
弱爆破、强支护、早封闭、勤量测，及时衬砌，并采用锚管、H175钢架等刚性较大的支护措施。
施工方法上采用短台阶法开挖，台阶长度控制在5m以内，仰拱与下部掌子面的距离控制在15m以内。
7）通过试验研究，在志留系地层，应根据千枚岩含量确定初支参数；
由于地应力情况复杂，应对二次衬砌适当加强，建议推荐支护参数如表6。
推荐支护参数表表6
地质情况
附注
湿喷砼cm
锚杆（管）
千枚岩为主、板岩千枚岩互层
φ32mm锚管拱4m墙6m
50cm钢砼
埋深600m以下地段采用φ22mm锚杆
板岩为主
25
φ22mm锚杆拱4m墙6m
H175或I201榀/m
（3）千枚岩夹板岩地层隧道断面方案研究
考虑该地层侧向压力较大，且位于复杂应力状态，对断面形式进行优化。
改变原设计内轮廓，加大边墙的矢跨比。
优化后的断面如图5所示。
图5千枚岩夹板岩地层优化后断面图
经结构分析，断面一承载能力较断面二合理；
在侧压力较大的情况下，将断面宽度加大，改变断面长细比，可使结构受力条件有所改善，边墙最大跨处，安全系数加大，使结构受力趋于合理，但需进行模板台车等施工设备、工艺调整，增加工程投资。
四、F7断层地段衬砌结构支护参数研究
F7断层带宽820m左右，左右线设计起讫里程为：
左线DK177+050～+867；
右线YDK177+025～+852。
其中两端340m左右为断层影响带，中间480m为断层主带。
（一）设计施工情况
断层地段的隧道断面设计为原形，初期支护厚度20cm，R32N自进式锚杆，长4m,3榀/2m的I16型钢钢架，二次衬砌结构为50cm厚的钢筋混凝土结构。
由于2004年4月发生较严重变形，初期支护破坏范围段落较长，为此对结构重新进行加强，二次衬砌厚度提高到80cm。
左线隧道（10号斜井工区）于2003年9月17日在DK177+867进入F7断层北界边缘（比原设计提前32m），采用马蹄形断面，于DK177+720进入F7断层主带，采用圆形断面。
右线隧道（11号斜井工区）于2003年10月3日由YDK177+852进入F7断层北界边缘（比原设计提前42m），采用马蹄形断面，于YDK177+690进入F7断层主带，采用圆形断面。
两管隧道均采用长台阶法施工，左线隧道台阶长61m，掌子面与衬砌间的距离为171m；
右线隧道台阶长34m，掌子面与衬砌间的距离为164m。
两管隧道台阶均太长，衬砌滞后太长。
（二）隧道变形情况
左右线隧道进入圆形断面以后，施工前期，围岩干燥无水，围岩级别由原设计的Ⅵ级调为Ⅴ级围岩，未发现变形异常。
左线隧道在2004年3月初发现初期支护变形速率有加剧趋势，初期支护出现掉块、开裂，破坏。
2004年4月5日，由10号斜井承担施工的左线隧道F7断层DK177+571～DK177+581段发生塌方，DK177+409～DK177+571段162m出现较大变形；
11号斜井施工的右线隧道在2004年3月下旬开挖下半断面和仰拱时发现变形速率加快，变形加大，YDK177+440～YDK177+690段已不同程度的侵入二次衬砌范围。
根据现场实际情况，左、右线隧道当时即停止掘进，进行变形和塌方地段的处理施工受阻，并分别在左右线隧道相距40m设置迂回导坑通过F7断层。
左右线隧道F7断层带拱顶下沉和水平收敛变形情况如下：
左线隧道最大拱顶下沉1053mm（DK177+495），平均下沉30～35mm/d，一般在500～600mm左右；
右线隧道最大拱顶下沉227mm（YDK177+610），一般在100～200mm左右。
左线隧道内轨上1.5m收敛值最大1034mm（DK177+590），一般为700mm左右，拱脚最大978mm，一般为300～700mm；
右线隧道内轨上4m收敛值最大548mm（YDK177+590），一般为300～400mm左右。
（三）地质情况简述
F7断层产状为N70°
～80°
E/70°
S，前期为逆断层，后期表现为左旋逆走滑断层，与线路交角约53°
，目前预计隧道通过的长度为800m左右。
F7断层属压性断层，破碎带由泥砾及碎裂岩组成，破碎带物质挤压紧密，地应力条件十分复杂。
在岩质软弱、破碎、深埋（埋深约450m）条件下，存在较高的自重应力。
根据地面调查，泉水有沿断层呈线状分布的现象，推断可能含水，属中等富水区，施工中可能会发生突然涌水、坍塌及产生较大变形。
2004年4月18日，铁道部工程管理中心邀请有关专家论证意见指出，“F7断层属于压性断层，破碎带物质以白垩系、三叠系的泥（页）岩、砂岩和志留系的板岩、千枚岩为主，挤压紧密、岩质软弱、破碎，在无水条件下有一定的自稳性，再加上断层带以泥砾为主，属高地应力地段，因此，从力学性质看，F7断层破碎带的大变形应属于深埋（约450m）条件下的挤压性变形。
也就是说，深埋、挤入、松弛产生了大变形。
故应采取控制隧道周边围岩的变形和释放深埋条件下的围岩挤入的技术措施予以解决”。
（四）衬砌结构试验研究
结合左右线隧道的变形情况和专家意见，按照乌鞘岭隧道动态设计领导小组会议纪要（第7次）立即启动本隧道科研项目的要求，自2004年4月12日开始，启动了F7断层变形段试验研究。
1、F7断层带原设计衬砌结构
F7断层带原设计采用圆形复合式衬砌结构，如图6所示，支护参数如下：
（1）初期支护全断面喷混凝土厚20cm，预留变形量10cm，拱墙设R32N系统锚杆注浆（所有锚杆均设垫板），锚杆长4.0m，间距0.8×
0.8m；
拱墙设φ8mm钢筋网，网格间距20cm×
20cm；
全断面设3榀/2mI16型钢钢架。
（2）为保证施工和结构安全，拱部150°
范围采用直径80mm超前管棚预注浆措施，以加固地层并起到支护作用，钢管长10m，环向间距40cm。
（3）上台阶底部增设临时仰拱，采用20cm厚喷射混凝土，设3榀/2mI16钢架与拱部钢架形成临时封闭环。
（4）拱部钢架底设纵向托梁，便于和临时仰拱钢架联结。
（5）二次衬砌
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