圆梁山深埋特长隧道设计硕士研究生毕业设计.docx
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圆梁山深埋特长隧道设计硕士研究生毕业设计
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第一章绪论
1.1工程概述及工程与水文地质特征
1.1.1工程概述
圆梁山深埋特长隧道是渝怀线的关键性控制工程，隧道全长11068m。
隧道进口位于细砂车站怀化端，车站伸入隧道949m，出口紧邻炭厂河一号大桥。
隧道地处渝、鄂、黔三省市毗连地区，为川东褶皱山地与鄂西山地、贵州高原的接触带，属中、低山地形。
主要发育毛坝向斜、桐麻岭背斜及伴生断裂、向斜区内发育较多横张断裂。
地貌形态明显受构造和岩性控制，具带状展布特征，以褶皱构造为骨架，形成北北东向山脉和纵向河谷相间。
隧道穿越乌江水系与沅江水系的分水岭——武陵山脉。
地形条件十分困难，地质条件异常复杂，该隧道被称为国内隧道设计、施工禁区。
该工程主要工程地质问题有：
岩溶涌（突）水、高水压、高应力及煤层瓦斯，其中岩溶、高压富水地质是最为关键的问题。
[1]
1.1.2水文、气象特征
本区水系基本呈格子状水系，主河流大多沿北北东向发育。
背、向斜中的可溶岩地块中多为各自封闭的岩溶洼地，难以形成较大的地表径流。
本区河流除细纱河属于乌江水系外，其余均属沅江水系，两者分水岭位于毛坝向斜西翼标高1350m以上的长条形山地。
本区气候温和，具有春雨、夏旱、秋绵、冬干的特点，多年平均气温17.7℃，最高温度44.1℃，最低气温8.1℃。
多年平均降水量1386.6mm，且分布不均匀，主要集中在5、6、7、8四个月，占年降雨量的54.3%，各月降雨量、气候的垂直分带较明显，随海拔高度的增加年平均气温降低、雨量增加。
1.1.3地层岩性
本区广泛分布巨厚层的海相地层，出露最老的地层为桐麻岭背斜轴部的寒武系中统高台组，最新为毛坝向斜部的三叠系下统嘉陵江组，中间缺失整个石炭系、志留系中、上统和泥盆系中、下统。
本区出露地层由新至老分述如下。
工程地质状况如图1所示。
（1）三叠系（T）
①嘉陵江组（T1j）：
灰色薄层至中厚层状泥岩、白云质灰岩，未见顶，与下伏地层整合接触。
属V级次坚石。
②大冶组（T1d）：
厚378m，按其岩性可分为三段。
大冶组一段（T1d1）：
灰绿色薄层状泥岩夹泥灰岩，底部的黄绿色水云母粘土岩与下伏地层分界，整合接触，厚17m，属Ⅳ级软石。
该段在走向上分布不稳定，在向斜东翼杉木坳至茨竹坝变薄至尖灭。
二段（T1d2）：
上部为浅灰色厚层状鲕粒灰岩及生物碎屑灰岩，厚326m，属V级次坚石。
三段（T1d3）：
紫红色薄层泥岩、砂质泥岩夹泥灰岩及灰岩，厚34m，属Ⅳ级软石。
（2）二叠系（P）
①长兴组（P2c）：
灰、深灰色中至厚层状燧石结核灰岩，局部地段成为白云岩化的生物灰岩，厚52m，与下伏地层呈整合接触，属V级次坚石。
②吴家坪组（P2w）：
上部为深灰、灰黑色薄至中厚层状灰岩与硅质灰岩不等厚互层；中、下部为厚5～10m灰黑色薄层含炭泥岩及煤层（厚0.05～0.3m）、铝土质泥岩，含较多黄铁矿结核，底界面凹凸不平，厚84m，与下伏地层呈假整合接触，属Ⅳ级软石～Ⅴ级次坚石。
③茅口组（P1m）：
浅灰、灰色厚层状灰岩，含少量燧石结核，下部为灰黑色中厚层状沥青质灰岩，含透镜状有机质泥岩及燧石结核，俗称“眼球状灰岩”，厚249m，与下伏地层呈整合接触，属V级次坚石。
④栖霞、梁山组（P1l+q）：
灰、深灰色中厚层状灰岩与灰黑色沥青质泥岩，厚183m，属V级次坚石。
底部梁山组厚1.8m，
（3）三叠系（D）
本区内残留上统水车坪组（D3s）：
厚40m，属Ⅳ级软石，与下伏地层呈假整合接触。
岩性由上至下分别为：
灰、黄色中厚层状灰岩，黄绿、紫红色泥岩，底部为厚2.9m灰白色厚层状细粒石英岩状砂岩。
（4）志留系（S）
志留系在中部为黄绿色，紫红色薄层状泥岩、砂质泥岩，下部为灰绿色薄至中厚层状粉砂岩与砂质泥岩不等厚互层，底部为黄绿色、黑色粉砂质页岩，厚1960m，与下伏地层呈整合接触，属Ⅳ级软石。
（5）奥陶系（O）
①奥陶系中、上统（O2+3）：
由上至下分别为黑色薄层状页岩、深灰色含泥灰岩（瘤状灰岩），灰色中厚层状龟裂纹灰岩，下部为灰、灰绿色瘤状灰岩，厚75m，与下伏地层呈整合接触，属Ⅳ级软石～V级次坚石。
②大湾组（O1d）：
上部为灰绿色薄层状粉砂岩夹钙质泥岩；中部为紫红色薄至中厚层状泥灰岩；下部为灰绿色、紫红色薄层状钙质泥岩，厚145m，与下伏地层呈整合接触，属Ⅳ级软石。
③红花圆、分乡及南津关组（O1n+f++f++f+。
之后，又表现为涌水（混浊状）现象。
钻至27m时，岩层开始变硬。
④在探3#出现涌水、涌泥后不久，探4#孔钻至12m左右，也表现为涌水、涌泥现象，至接近终孔时（30.2m）地层变为较坚硬的岩层。
⑤探2#钻孔钻进过程中未表现出涌水、涌泥现象。
钻进过程表明岩体结构较完整，坚硬。
⑥探1#孔最后结束，钻至18m时钻进速度较快，也表现出涌水、涌泥现象，并由钻孔状况可明显看出探1#孔和探4#孔连通性极强。
⑦钻孔过程中测试掌子面探测里程段内探测孔总涌水量为35m3，流动度＞260mm，具有良好的可灌性，以保证施工工艺条件的实现。
材料的主要性能如下。
（1）流动度、可操作时间和凝结时间（硬化前性能）
在常温下，不同不灰比的加固型TGRM灌浆材料的性能如表21所示。
由表21数据绘出的流动度、可操作时间、凝结时间与水灰比关系图如图21～23所示。
不同水灰比的加固型TGRM灌浆材料性能表21
性能指标
水灰比
0.37
0.40
0.45
流动度（mm）
260
270
280
可操作时间（min）
9
10
12
凝结时间
初凝（min）
10.5
12.0
14.5
终凝（min）
12.5
14.5
17.5
图21流动度与水灰比关系图
图22可操作时间与水灰比关系图
图23凝结时间与水灰比关系图
由各关系图可看出，随着水灰比的增加，流动度、可操作时间、凝结时间也增加延长。
可操作时间是指从每次加水开始，到每次搅拌的灌浆料灌注完毕允许的最长可操作时间，由以上数据可以看出材料的初凝和终凝的间隔时间很短，仅2min左右，在贴近初凝时间时，浆料将迅速失去流动性，并产生凝结现象由于材料具有极短的初凝、终凝时间间隔这一特点，为硬化后材料的强度发展提供了极有利的条件，材料终凝后迅速发生硬化反应，在十余分钟内强度迅速发展，这也是TGRM能在30min龄期内形成高强度的主要原因。
（2）加固型TGRM灌浆料净浆的强度
①不同水灰比下净浆体抗压强度
在常温下，不同不灰比的加固型TGRM灌浆料的净浆体不同龄期的抗压强度结果如表22所示，由表22数据绘出不同水灰比抗压强度与龄期关系如图24所示。
不同水灰比时抗压强度（MPa）与龄期的关系表22
水灰比
龄期
30min
40min
1h
1d
3d
28d
0.37
10.7
16.2
19.0
44.7
50.5
58.0
0.40
9.46
13.0
16.0
37.8
47.2
56.6
0.45
8.10
11.6
15.7
35.6
42.0
54.7
图24不同水灰比时抗压强度与龄期的关系图
由图24可知，在同一龄期时，水灰比越小，强度越高；净浆体强度在0.5h～1h内及1h～24h增长很快，24h后强度增长缓慢。
②不同水灰比下净浆体抗折强度
在常温下，不同不灰比的加固型TGRM灌浆材料的净浆体不同龄期的抗折强度结果如表23所示，由表23数据绘出不同水灰比抗折强度与龄期关系如图24所示。
不同水灰比时抗折强度（MPa）与龄期的关系表23
水灰比
龄期
30min
40min
1h
1d
3d
0.37
2.21
2.78
3.94
8.02
9.31
0.40
2.06
2.56
3.26
7.68
8.46
0.45
1.88
2.47
3.01
6.68
7.14
图25不同水灰比时抗折强度与龄期的关系图
由图25可知，在同一龄期时，水灰比越小，强度越高；净浆体强度在0.5h～1h内及1h～24h增长很快，24h后强度增长缓慢。
③净浆试体的微膨胀性
加固型TGRM水泥基特种灌浆料按给定的水灰比加水搅拌后，在水化过程中形成较大量的水化铝酸钙，使体积产生膨胀，具有良好的微膨胀性，因此，净浆试体具有良好的密实性和抗渗性。
水灰比为0.4的净浆体自由膨胀率结果如表24所示。
水灰比为0.40净浆试体的水中自由膨胀率（%）表24
龄期（d）
1
3
7
14
自由膨胀率（%）
0.066
0.170
0.179
0.179
从表24可以看出，试体的膨胀主要发生在前3d，7d时已经稳定。
4.3.2防水型TGRM水泥基特种灌浆料性能
防水型TGRM水泥基特种灌浆材料具有很强的水中抗分散性及高抗渗性。
（1）抗分散性
抗分散性试验采用光电分光光度计测定溶液的透光率，从而评定灌浆料的抗压分散性，测试时取20克水泥按规定的水灰比配成水泥浆，倒入装有100ml水的400ml烧杯中，1分钟后取出溶液，用光度计测溶液的透光率，15分钟后再测1次进行比较，波长用600mm，测试结果列于表25。
抗分散性成果表表25
种类
透光率
试样倒入水中1分钟
试样倒入水中15分钟
普通早强水泥
4.6
24
防水型TGRM料
55.0
93
试验表明防水型TGRM溶液为无色状，透光率可达93%，普通早强水泥在水中浇筑时溶液混浊，透光性很差，而且随着时间延长，防水型TGRM材料的透光率增长很快，普通早强水泥的透光率增长缓慢。
试验说明，防水型TGRM材料具有很强的抗分散性。
（2）抗渗性
抗渗性是灌浆材料最基本的指标，也是其耐久性的代表指标之一，防水型TGRM灌浆料和其他类型灌浆料抗渗性试验结果列于表26。
不同类型灌浆材料的抗渗性能表26
品种
恒压时间（h）
渗透高度
（cm）
1.5MPa
2MPa
2.5MPa
3MPa
防水型TGRM水泥基灌浆料
8
8
8
8
4～5
掺有机硅防水剂的硅酸盐水泥
8
8
0
0
15
由表26可以看到，防水型TGRM水泥基特种灌浆料确实具有较好的抗渗性能，加压到3MPa时试件渗水平均高度仅4～5cm，这样的抗渗指标说明防水型TGRM水泥基灌浆料用作刚性防水材料具备很大的优势。
4.3.3超细型TGRM水泥基特种灌浆材料
超细型TGRM水泥基特种灌浆材料具有高比表面积及高抗裂韧性。
（1）粒径细度
超细型TGRM水泥基特种灌浆料粒径试验研究结果列于表27。
超细型TGRM不同粒径分布表表27
Ch.
粒径（μm）
累积（%）
区间（%）
Ch.
粒径（μm）
累积（%）
区间（%）
1
0.55
0.00
0.00
10
2.55
61.88
10.92
2
0.65
0.54
0.54
11
3.02
71.12
9.24
3
0.77
2.29
1.75
12
3.58
78.84
7.72
4
0.92
5.78
3.49
13
4.24
85.42
6.58
5
1.09
11.27
5.49
14
5.03
91.02
5.00
6
1.29
18.67
7.40
15
5.97
95.44
4.42
7
1.53
27.82
9.15
16
7.07
98.41
2.97
8
1.81
38.94
11.12
17
8.39
99.85
1.44
9
2.15
50.96
12.02
18
9.95
100
0.15
从表27分析得到灌浆料粒径主要分布在1.09μm～5.03μm之间，平均粒径为2.15μm，95%灌浆料粒径小于6.00μm。
细度对TGRM性能影响的研究结果列于表28，从该表看到，增加细度可使自由膨胀率下降，使抗压强度提高。
细度对TGRM性能的影响表28
比表面积（m2kg）
水泥砂浆（1:
1）性能
项目
1d
3d
7d
28d
400
自由膨胀率（%）
0.14
0.31
0.63
1.02
抗压强度（MPa）
39.1
52.1
53.1
54.8
700
自由膨胀率（%）
0.05
0.17
0.30
0.38
抗压强度（MPa）
51.4
52.9
63.0
88.8
（2）抗裂韧性
图26是普通硅酸盐超细水泥和超细型TGRM水泥基灌浆料在自由变形条件下的抗折强度—挠度曲线，从该图可以看到，超细型TGRM水泥基灌浆料比普通硅酸盐超细水泥混凝土有抗折强度要高;其挠度曲线的斜率较小;挠度曲线与轴线围成的面积也要比普通硅酸盐水泥的大得多，该面积表示断面所需做的功，面积越大说明所需的功越大，面积越小说明所需的功越小，分析抗折强度—挠度曲线特征可以作出判断，超细型TGRM水泥基灌浆料混凝土的抗裂性显著优于普通硅酸盐超细水泥。
图26抗折强度—挠度曲线
不同养护条件下的强度值表29
养护条件
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
1d
3d
28d
1d
3d
28d
标准养护
39.9
62.9
66.6
5.1
8.2
10.2
自然养护
34.8
61.3
62.0
4.8
7.8
8.0
水中养护
34.1
63.2
68.1
4.6
8.5
11.4
水养14d转干空
34.1
63.2
67.8
4.6
8.5
10.5
表29显示不同养护条件下的强度数值相差不大，说明其强度发展受养护条件的影响很小，这对工程施工十分有利。
4.3.4TGRM水泥基特种灌浆材料的其他特性
（1）抗冻性
一般认为抗冻性是代表水泥基材料耐久性的综合指标，抗冻融循环次数愈多，耐久性越好。
抗冻性是混凝土材料非常重要的指标。
试件在常温下成型，立即放入-16℃低温箱受冻7d，然后取出移入标准养护室正温养护28d和60d。
所得强度数值列于图27。
图27不同材料抗冻性能对比
从图27可看出，普通硅酸盐水泥材料幼龄受冻后再在标准状态下养护，其强度要显著下降，与28d标养强度比较，受冻且标养28d，其强度下降50%;受冻后标养，其强度下降近40%。
TGRM材料受冻后强度非但不降，反而略有提高，受冻后标养28d和60d的强度为不受冻标养28d强度的108%和128%。
这些数据说明，TGRM水泥基水泥基特种灌浆料处于塑性状态时也不怕受冻，一旦解冻，强度照样上升，不会因受冻而下降.TGRM水泥基特种灌浆料塑性状态受冻后不损失强度的特点给冬季施工带来很大方便，具有重要的现实意义。
TGRM水泥基特种灌浆料和普通硅酸盐水泥硬化试件抗冻融性的测定结果列于表28。
混凝土冻融循环后抗压强度保留率表30
品种
冻融循环后抗压强度保留率（%）
0
30
60
90
150
210
270
TGRM材料
100
98.7
99.0
98.7
99.9
99.4
95.1
普通硅酸盐水泥
100
93.7
84.7
88.7
72.3
59.9
坏
从表30可以看出，普通硅酸盐水泥混凝土经270次冻融循环后已全部溃裂，无法测定其强度；TGRM水泥基特种灌浆料经270次冻融后仍保持97.0%的强度，试件轮廓完整，毫无剥落现象.这说明TGRM水泥基特种灌浆料具有非常好的抗冻融性能。
（2）耐腐蚀性
在耐腐蚀性试验中，以TGRM水泥基特种灌浆料和硅酸盐水泥分别制得的砂浆试件与混凝土试件的测定结果列于表29和表30，在试验条件下测定砂浆耐腐蚀系数K6，K6是试件在侵蚀中浸泡6个月的抗折强度之比，该比值越高，则表示砂浆的耐腐蚀性能越好。
在各种腐蚀性溶液中K6的值表31
水泥品种
侵蚀溶液
W=5%
wNaCL+w
MgSO4=15%+5%
Na2SO4
MgSO4
NaCL
TGRM水泥基灌浆料
1.13
1.14
1.11
525#普通硅酸盐水泥
0.67
0.82
抗硫酸盐硅酸盐水泥
0.71
0.16
表31表明，硅酸盐水泥MgSO4溶液中发生裂损;而TGRM不论在MgSO4溶液中还是在Na2SO4溶液中，非但不裂，其强度反而稍有增长，这十分清楚显示出TGRM水泥基特种灌浆料具有很好的耐硫酸盐腐蚀性能。
混凝土3年埋没试验结果表32
品种
浸水养护
地区1
地区2
强度
（MPa）
强度
（MPa）
比值
（%）
外观
强度
（MPa）
比值（%）
外观
TGRM水泥基灌浆料
57.0
54.2
95
轻微掉砂，棱角清楚
51.2
90
棱角完整
525#硅酸盐大坝水泥
63.8
26.0
41
严重露石、掉角，有的呈碎块
17.3
27
严重露石、掉角
525#抗硫酸盐硅酸盐水泥
65.2
38.0
58
严重露石、掉角
破坏呈碎块
表32所示数据表明，混凝土现场埋没试验结果与试验室试验完全一致，TGRM水泥基特种灌浆料耐硫酸盐腐蚀性能比表中所列其它各种水泥都好，不仅比值高、绝对值高，而且外观的完整性也好得多。
SO42-腐蚀性很强的地区2埋没试验效果更为明显，TGRM与525#硅酸盐大坝水泥的强度保留率分别达到90%与27%。
这说明TGRM水泥基特种灌浆料在硫酸盐腐蚀性很强的地区使用时显示出更大的优越性。
试验测定K6和现场埋没试验结果都充分说明，TGRM水泥基特种灌浆料可用于要求耐硫酸盐腐蚀的工程，其效果比任何硅酸盐水泥都要好。
（3）掺加缓凝剂对凝结时间和强度的影响
圆梁山隧道注浆工程要求“TGRM水泥基特种灌浆料”在标定的凝结时间内可以进行现场调整，因而必须使用专用缓凝剂。
在常温下，进行了缓凝剂掺量对凝结时间和强度影响试验。
试验条件为环境温度20～25℃，水温18～20℃，水灰比为0.4，试体进行标准养护。
①缓凝剂掺量对凝结时间的影响
试验结果如表33和图28所示，由图27可知，随着缓凝剂掺量增加，凝结时间显著延长，但掺量达到4%以后，继续增加缓凝剂对凝结时间影响不大。
缓凝剂掺量对凝结时间影响表表33
缓凝剂掺量（wt%）
0
1
2
3
4
5
初凝（min）
30
40
57
80
101
103
终凝（min）
42
53
75
95
117
119
图28缓凝剂用量对凝结时间的影响
②缓凝剂掺量对抗压强度的影响
试验结果如表34和图29所示，由图29可知，随着缓凝剂掺量增加，1d的抗压强度减小，但对28d抗压强度影响很小。
表34缓凝剂掺量对抗压强度影响表
缓凝剂掺量（wt%）
0
1
2
3
4
5
1d抗压强度（MPa）
18.5
16.0
14.2
12.6
10.6
9.2
28d抗压强度（MPa）
42.0
42.0
42.3
42.0
42.5
43.0
图29缓凝剂用量对抗压强度的影响
第五章机械设备配套
机械设备配套立足国产化，以造价低，适用性强为目的，根据施工工艺要求，对圆梁山隧道高压富水段机械设备配套。
[2][5]
5.1机械设备配套
机械设备配套如表35所示。
机械设备配套表表35
序号
设备名称
型号
单位
数量
1
钻机平台车
自制
套
1
2
钻机
MKD-5S
台
4
3
空压机
VHP700
台
2
4
注浆泵
KBY-5070
台
2
5
搅拌机
台
3
6
储浆桶
自制
个
3
7
止浆系统
气囊式、皮碗式、TSS系统
套
各2
8
芯管
φ25
米
100
9
孔口管
φ108
套
30
10
注浆平台车
自制
套
1
5.2钻机平台车
根据钻机配置和平导高压富水区段施工断面，钻机平台车布置如图30所示。
5.3注浆平台车
根据注浆要求和施工要求，注浆平台车布置如图31所示。
5.4其它机械加工（TSS型止浆塞系列材料）
5.4.1主要加工材料：
主要加工材料如表36。
主要加工材料表表36
序号
设备名称
型号
单位
数量
备注
1
止浆塞
φ41×φ16×80mm
个
100
自制
2
无缝钢管
φ16×3.5mm×3mφ16×3.5mm×1m
根
各10
加工芯管
φ28×3mm×2.8mφ28×3mm×0.8m
各6
加工顶管
3
顶杆螺母
φ60×φ16×30mm
个
6
自制
4
垫片
φ41×φ16×2mm
个
20
自制
5
六角螺母
φ16
个
20
自制
5.4.2止浆塞加工
止浆塞采用弹性好，回复力强，耐久性好，耐酸碱性的优质橡胶，掺加隧道局科研所提供的添加料进行制作。
止浆塞加工尺寸如图32所示。
止浆塞制作材料标准及制作后的性能要求如下：
[4]
①材料中天然橡胶含量不得低于70%，以确保止浆塞具有良好的弹性及恢复变形性；
②止浆塞抗拉强度应大于20MPa，永久变形性不大于10%，伸长率不小于40%；
③止浆塞在5%的稀盐酸或10%的NaOH溶液中浸泡24h，其膨胀率小于5%；
④止浆塞耐久性能好，硬度高，邵氏硬度应达70～75。
图30钻机平台车布置图
图31注浆平台车布置图
5.4.3顶管加工
采用φ28×3mm，长2.8m和1m的无缝钢管作为顶管。
顶管加工如图33所示。
5.4.4顶杆螺母加工
采用φ60×30mm的圆钢加工，加工尺寸如图33所示。
图34顶杆螺母加工示意图
5.4.5螺母与垫片
螺母与垫片购买或采用圆钢加工。
螺母与垫片加工如图35所示。
5.4.6注浆芯管加工
注浆芯管采用Φ16的无缝钢管加工，壁厚3.5mm。
注浆芯管加工如图36所示。
5.5孔口管施作技术
5.5.1注浆孔密封及止浆系统设计
为了确保注浆效果，当钻孔深度大于8m时宜采用分段式注浆。
当水压不大时一般采用后退式注浆；当地下水压较大，不能采用后退式注浆时，可采用前进式注浆。
但是，无论采用后退式注浆还是前进式注浆，均应有可靠的钻孔密封装置，即实现注浆套筒与钻孔孔壁的固结，如图37所示。
图37注浆套筒与围岩的固结
由于注浆压力设计为4MPa，同时考虑到岩溶水的最大压力为4.6MPa，因此注浆系统所承受的最大压力应为8.6MPa，据此可对注浆孔的封孔和止浆系统进行设计。
5.5.2锚固能力的计算
注浆系统所用的套筒与为钻孔围岩的固结关系类似于锚杆的粘固作用。
锚杆的支护能力是锚杆对围岩的最大锚固力，它包括托锚能力和粘锚能力两个部分。
5.5.3托锚能力的计算
托锚能力是托板对围岩的最大径向支护力。
确定托锚能力是合理选择托板参数的关键。
托锚力的计算公式为
（1）
式中:
t—
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