课程设计资料.

1、北京科技大学土木与资源工程学院土木工程专业（ 2014 级）地下结构设计 课程设计（岩土工程专业方向）设计名称： 铁路隧道设计、施工与管理指导教师：高谦教授2017年6月目录1前言 .12隧道区域地应力 .13隧道工程地质和水文地质条件 .33.1隧道工程围岩岩性 .33.2隧道工程地质构造 .43.3隧道工程不良地质条件 .43.4隧道水文地质条件 .44铁路隧道工程设计要求 .54.1设计依据 .54.2基本要求 .55隧道设计步骤 .95.1隧道围岩分类与分区 .95.2隧道工程开挖设计 .95.3隧道工程支护设计 .95.4隧道围岩变形监测设计 .95.5提交隧道工程设计图 .96铁路

2、隧道工程分区设计 .106.1隧道进出口段设计 .106.2中部段隧道设计 .117铁路隧道施工技术 .167.1 光面爆破 .167.1.1光面爆破作用机理 .167.1.2光面爆破特点 .167.1.3光面爆破参数设计 .177.2铁路隧道支护与施工 .187.2.1新奥法概述 .187.2.2铁路隧道施工工序 .197.2.3铁路隧道施工注意事项 .201前言某铁路隧道平剖面图如图1-1 所示，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70500m。隧道穿越大瑶山山区和武水峡谷，地形地质条件极

3、为复杂。图 1-1 隧道地表等高线和剖面图以及地应力测试位置图2 隧道区域地应力铁道科学院西南研究所开展现场地应力测试，地应力测量位置如图 1-1 所示，由此获得的地应力测试结果见表2-1表 2-3。主应力123组别第一组合第二组合表 2-1 滑石排 1 号试验洞初始应力应力 /MPa方位角 /（ o）倾角 /（ o）38N88W6021N54W-2613S33W-15表 2-2 滑石排 2 号试验洞初始应力主应力应力值 /MPa方位角 /（ o）倾角 / （o）13.3NE1040125.7SW29494.1SE7293113.7NE324528.1SE38194.8SW68893说明： 1

4、、方位角、倾角是按以测点为原点坐标计算，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/MPay/MPaz/MPaxy /MPaxz/MPayz/MPax-24.0-15.0-33.6-2.86.16.2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°。大致垂直与断裂构造线，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， 隧道围岩初始应力较高， 在隧道稳定性分析中，不应采用最

5、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，则六个应力分量见表2-3。上述数据中， 的大小、方向非常接近， 、 差别大，但其值123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， h=15.6MPa，其中h=750160=590m3（160m 为测点标高）， =26.5kN/m。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，构造应力是次要的。3 隧道工程地质和水文地质条件3.1 隧道工程围岩岩性隧道进出口两端为震旦、 寒武系浅变

6、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2050cm，厚者达 12m，薄者仅 15cm。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 Jv=13 条/m3，中厚层砂岩，砂质板岩

7、Jv=820 条/m3、薄层板岩 Jv=1325 条/m3、风化破碎岩体 Jv30条/m3。隧道围岩的岩石力学特性见表 3-1。表 3-1 隧道浅变质岩系的主要物理力学特性岩石灰绿色石英岩灰绿色长石砂质板岩泥质板岩岩体指 标砂岩板岩容量 / t m32.732.712.692.70孔隙比 /%1.72.6单轴抗压强度 /MPa75.196.887.358.5抗压强度 t /MPa11.79.35.1粘聚力 C/MPa2.11.81.5内摩擦角 /（ °）514842静弹性摸量 E/GPa85.468.842.065.712.823.4泊松比 0.200.230.250.30动弹性摸量

8、 Ed/GPa609045804098纵波速度5.6655.43.85.24634.5Vp/ms -1 ×1033.2 隧道工程地质构造图 3-1 显示隧道地质剖面图。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 隧道地质剖面示意图3.3 隧道工程不良地质条件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.

9、4 隧道水文地质条件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 铁路隧道工程设计要求4.1 设计依据隧道工程施工与设计规范：铁路隧道设计规范 TB10003-2005锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-20014.2 隧道工程围岩围岩主要工程地质条件围岩结构特征和级别主要工程地质特征完整状态极硬岩（单轴饱和抗压强度Rc>60MPa ）：受地质构呈巨块状整造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹

10、层）；层体结构状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整硬质岩（ Rc>30MPa ）：受地质构造影响较重，节理较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理，呈巨块或大但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中厚块状结构层或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石硬质岩（ Rc>30MPa ）：受地质构造影响严重，节理呈块（石）碎发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关（石）状镶嵌系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结结构合差，多有分离现象；硬、软质岩石互层较软岩（ Rc15 30MPa ）：受地质构造影响较重，呈大块状结节理较发育；层状岩层为

11、薄层、中厚层或厚层，层间构一般围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆暴露时间长，可能会出现局部小坍塌；侧壁稳定；层间结合差的平缓岩层，顶板易塌落拱部无支护时可产生小坍塌，侧壁基本稳定，爆破震动过大易坍围岩弹性纵波速度 vp（ km/s ）>4.53.5 4.52.5 4.0硬质岩（ Rc>30MPa ）：受地质构造影响极严重，节呈碎石状压理很发育；层状软弱面（或夹层）已基本破坏碎结构软质岩（ Rc5? 30MPa ）：受地质构造影响严重，呈块（石）碎（石）状镶嵌节理发育结构土体： 1.具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土1和2呈大块状压密结构，2.黄土（ Q1

12、 、Q2 ）3 呈巨块状整3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土体结构岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部呈角砾碎石极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）状松散结构非黏性土呈土体：一般第四系坚硬、硬塑黏性土，稍密及以上、松散结构，黏稍湿或潮湿的碎石土著人、卵石土、圆砾土、角砾土、性土及黄土粉土及黄土（ Q3 、 Q4 ）呈松软结构岩体：受构造影响严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状黏性土呈易的断层带壖动的松软结构，砂性土土体：软塑状黏性土、饱和的粉土、砂类土等呈潮湿松散结构注：层状岩层的层厚划分：拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧

13、壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易塌至地表1.5 3.01.0 2.0<1.0( 饱和状态的土 <1.5)巨厚层：厚度大于1.0m ； 厚层：厚度大于0.5m ，且小于等于1.0m ；中厚层：厚度大于0.1m ，且小于等于 0.5 m ； 薄层：厚度小于或等于0.1m 。4.3 V、级围岩施工V 级围岩开挖 , 由于岩石较发育破碎 , 采用 42 注浆小导管进行超前支护；并设有工字钢拱架、 级围岩设置格栅支架加强初期支护及锚、喷、网综合加固方式，先拱后墙喷锚支护进洞，然后先墙后拱分段完成模注混凝土。 开挖采用台阶法

14、开挖， 用线形微震爆破法施爆。为了防止塌方保证施工安全 , 开挖后及时架立钢支撑和施作初期支护。开挖、支护过程中量测紧跟及时反馈，以调整支护参数，衬砌前拆除临时支护，为确保施工安全量测及时进行。4.4 级围岩地段施工级围岩地段采用正台阶法施工方案，台阶长 1520m，微震光面爆破，装载机和自卸车出碴。关键工艺要求：1、上台阶开挖采用简易台架人工风枪钻眼， 楔形复式减震掏槽，微震光面爆破开挖，循环进尺 1.5 2m。2、拱部初期支护施工顺序为初喷、砂浆锚杆、挂钢筋网、补喷C25砼至 12cm。3、下部左侧开挖后及时进行锚喷初期支护，下部右侧开挖后及时进行锚喷初期支护。4、铺设环向排水波纹管及隧道

15、防水卷材，初期支护基本稳定后施做整体模筑二次衬砌，二衬段与台阶距离不大于80m。5 隧道设计步骤5.1 隧道围岩分类与分区针对整个隧道的地质条件、 埋深以及进出口段特征， 将整个工程按照围岩稳定性和受力特性进行分类与分区。并根据围岩类别仅围岩稳定性判别、支护与施工设计。5.2 隧道工程开挖设计针对划分的不同区段的隧道，根据围岩分类和经验类比， 进行隧道工程的初步设计，包括：1、开挖方法（钻爆法）2、开挖设计（全断面开挖、分步开挖、控制爆破、超前支护等）5.3 隧道工程支护设计1、支护型式（初次支护、二次支护）2、支护参数（初次支护、二次支护）5.4 隧道围岩变形监测设计1、开挖过程中围岩稳定性

16、评价；2、支护后铁路隧道稳定性分析结果；3、隧道变形监测设计。5.5 提交隧道工程设计图1、铁路隧道开挖设计图；2、铁路隧道支护设计图；3、铁路隧道变形监测设计图。6 铁路隧道工程分区设计根据隧道通过区地质条件，将支护分成两地段来设计。6.1 隧道进出口段设计1、隧道围岩稳定性分级采用地质力学分类，对铁路隧道进行围岩分级。（ 1）岩石单轴抗压强度隧道进出口岩石抗压强度均在60MPa 以上。围岩判为极硬岩。（ 2）岩体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 级围岩。2、基本分级的修正（1）地

17、下水的分级地下水分级由表6-1 确定。表 6-1 地下水状态的分级表级别状态渗水量干燥或湿润<10偶有渗水10-25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 6-2）（ 3）围岩初始应力影响的修正（表 6-3）综上所述，考虑地下水和地应力影响，该段围岩定为 级围岩。表 6-2 地下水影响的修正表围岩级别地下水分级表 6-3初始地应力影响修正表围岩级别初始应力状态极高应力或高应力或说明：围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为级 围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破

18、碎的硬岩时，定为级；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，定为级。2、隧道围岩支护设计 （支护设计图，考核点5）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。3、开挖设计4、监测设计5、稳定性分析6.2 中部段隧道设计1、围岩分级由地质力学分类方法进行围岩分级。（ 1）岩石单轴抗压强度。隧道进出口岩石抗压强度均在60MPa以上。围岩判为极硬岩。（ 2）岩体完整程度。 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

19、岩的 Jv=813 条 /m3、中厚层砂岩，砂质板岩 Jv=820 条/m3、薄层板岩Jv=1325 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 - 级围岩。（ 4）基本分级的修正 地下水的分级地下水的分级由表6-1 确定。 地下水对围岩级别的修正修正采用表 6-2 进行修正。 围岩初始应力影响的修正修正采用表 6-3 进行修正。综上，考虑地下水和地应力的影响，将该段围岩定为-级围岩。2、隧道开挖设计 （隧道开挖设计图，考核点6）开挖方法与施工步骤3、隧道支护设计1）初期支护（ 1）锚杆：直径 20mm 的 Q235

20、 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。2）永久支护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 列出了和级围岩的复合支护参数。4、变形监测设计5、隧道稳定性计算按照支护的不同，分两部分进行计算。表 6-4 铁路隧道 和 类围岩复合支护参数表围初期支护二次衬砌厚度岩喷射混凝土厚度锚杆 /m类/cm仰拱钢筋网钢架拱墙 /cm别/cm拱墙仰拱位置长度间距5局部2.02.51.5301010拱、墙2.02.5

21、1.21.535351）整体式模注混凝土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做出假定。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。计算压力拱高h12）复合衬砌中锚喷支护计算虽然在轴非对称情况下， 围岩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

22、可以用剪压破坏理论。（ 1）计算塑性区半径Rr0 e()ctg式中： R 塑性区半径；r 0 隧道半径取5.5m； 取 90°；破裂起始角，其取值按下表：0.20.50.50.850404035单位是度，在本工程中，取为 45°。塑性区半径为Rr0e( ) ctg（） ctg（）8m5.5 e 244 9式中：是岩体摩擦角 .4 2（ 2）计算锚杆附加抗力 Pa1d 2 f u13.1415 0.02 2380440.035MPaPaK 1ei1.2 1.5 1.5式中： d 锚杆的直径；f u 锚杆钢筋的极限抗拉强度，取380MPa；K1 安全系数，取1.2；e 锚杆的间

23、距；i 锚杆的排距。（ 3）计算锚固后围岩的 Ca0.6 f u0.6380228MPaa AS22813.14150.022C1 C2.042.03MPaei1.5 1.5式中：a 锚杆的抗剪强度；C 岩体的粘聚力；As 锚杆的面积。（ 4）计算支护抗力 Pi2sin1Pi( p C1 ctg 1 )(1 sin 1 )( r0 ) 1 sin1 =0.9MPaR式中： P原岩应力，取33.6MPa； 1 岩体的摩擦角，取40°（ 5）喷层验算K r0 (11) t 2.312PiRh式中： K 喷层的安全系数；Rh 混凝土的抗压强度。验算后得到隧道围岩的稳定安全系数为2.3，所以

24、围岩是稳定的。7 铁路隧道施工技术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， 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。7.1 光面爆破7.1.1 光面爆破作用机理光面爆破是 20 世纪 50 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，理论研究还不成熟，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。（ 2）尹藤一郎等人理论。该理论认为裂缝的

25、形成主要是爆炸高压气体的作用，他们的铝块爆破实验表明，不耦合系数为 2.5 时，空壁上的压力值约为不耦合系数为 1.1 时的压力值的 1 16 ，所以他们认为裂缝的形成主要是爆生气体的高压准静态作用。（ 3）理论认为裂缝面的形成是应力波和爆炸气体共同作用的结果。认为应力波的主要作用是在炮孔周围产生一些初始的径向裂缝，在爆炸气体的准静态应力的作用下， 使径向裂缝进一步扩展。 这种解释比较符合实际情况。7.1.2 光面爆破特点（ 1）爆破后岩壁平整，减少了超挖、欠挖带来的许多麻烦，节省了挖掘回填支护的工程量。（ 2）围岩不受明显的破坏，为巷道洞室的开挖和维护创造了良好的条件。（ 3）可提高施工的安

26、全性，工作面上几乎不出现松石，在围岩地质条件不良的地带施工，能保证工作正常的进行，不易触发冒顶、滑坡等事故。（ 4）减少岩壁上的应力集中现象，对地下工程防止岩爆危害起重要作用。7.1.3 光面爆破参数设计由于光面爆破的作用机理还没有完全搞清楚，再加上岩石性质的复杂性，目前还很难用理论计算的方法确定合理的爆破参数，所以常用的方法是工程类比法。表7-1 是光面爆破参数表。根据表7-1 和表7-2 中所列的光面爆破参数，结合隧道的工程围岩条件，光面爆破参数的选定可参考表7-3（光面爆破炮眼布置设计图，考核点 7）。表 7-1 国内地下工程常用光爆参数洞室宽度光面爆破参数围岩情况（m）炮眼直径爆眼间距

27、光爆层厚线装药密度稳定性好拱<535-45600-700500-7000.20-0.30部的中硬和>535-45700-800700-9000.20-0.25坚硬岩石侧墙35-45600-700600-7000.20-0.25稳定性较拱<535-45600-700600-8000.20-0.25差或一般部>535-45700-800800-10000.15-0.20中硬岩到硬岩侧墙35-45600-700700-8000.20-0.25稳定性差拱<535-45400-600700-9000.10-0.18裂隙发育部>535-45500-700800-1000

28、0.12-0.18的松软岩石侧墙35-45500-700700-9000.15-0.20说明：炮眼直径、爆眼间距、光爆层厚的单位是毫米，线装药密度的单位是kg/m 。表 7-2锚喷支护规范光爆参数岩石类型单轴饱和抗压强度装药不偶合系数周边眼间距 /mm光爆层厚度 /mm硬岩>60MPa1.201.50550700700850中硬岩3060MPa1.502.00450650600750软岩<30MPa2.002.50350600400600表 7-3 铁路隧道光面爆破参数表炮眼直径爆眼间距光爆层厚度线装药密度40mm700mm800mm0-25千克 /m7.2 铁路隧道支护与施工7.

29、2.1 新奥法概述新奥法是由希腊布希维兹教授创建的，于1963 年正式命名的，目前已广泛运用于欧美各国。 所谓 “新奥法 ”即为是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，对开挖隧道采用的支护工作， “新奥法 ”的“三大支柱 ”是锚杆支护、喷射混凝土支护和现场量测。新奥法不是一种纯粹的理论，也不是一种施工方法， 而是一种设计和施工融为一体的技术方法。新奥法施工基本原则：1、合理利用和充分发挥岩体强度（ 1）地下地质条件相当复杂，甚至在同一岩层中，岩性的好坏也会相差很大，岩石质量好坏是影响稳定的最根本、最重要的因素。因而，应充分比较施工和维护稳定两方面经济合理的基础上， 尽量将工程位置设计在岩性好的岩

30、层中。（ 2）避免岩石强度的损坏。（ 3）充分发挥岩体的承载能力。（ 4）加固岩体。岩体结构面，破碎带等结构破坏是岩体破坏的主要因素，采用加固岩体的锚喷支护、 注浆等经济的方法效果非常好。2、改善围岩的应力条件（ 1）选择合理的隧道断面形状和尺寸。（ 2）选择合理的隧道位置和方向。3、合理支护合理支护包括支护形式、支护刚度、支护时间、支护受力的合理性以及支护的经济性。支护是隧道围岩稳定的加强性措施。因而，支护参数的选泽应着眼于充分改善围岩应力状态，调动围岩的自承能力和效率。4、强调变形监测和信息反馈由于隧道地质条件复杂且难以完全预知，因此岩石地下工程施工所引起的岩体效应就不能像“白箱 ”那样操作，容易获得一个确定的结果。所以用围岩在施工中的反响，来判断围岩变