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目录1课题研究背景与现状…………..……………………………………………..…3-11.1研究课题的提出………………………………...………………………..…3-11.2课题研究的背景和现状………….……………………………………………………3-12长梁山隧道地质条件………….……………………………………………………………3-32.1地质构造….………………………….……………………………….….……3-32.2岩性….……………………………….……………………………….….……3-32.3地下水条件….……………………………….…………………………………………………3-33长梁山隧道施工方法….…………………………………………………………………………3-53.1基本原则….…………………………………………………………………………………3-53.2一般地段开挖与初期支护…………………………...………………………………3-53.3不同地质条件的施工措施…………………………..………………………………3-83.4地下水极丰富的断层地段超前注浆….………………………...…………………3-124软弱及层状围岩隧道施工爆破技术….………………………..……..………………3-144.1隧道施工爆破对围岩的损伤作用….………………………..……..……………3-144.2隧道施工爆破的数值模拟….………………………..……………..………………...……3-154.3软弱围岩隧道施工爆破参数….………………………..……………..…………….……3-244.4层状围岩隧道施工爆破….………………………..……..……………………..…3-265隧道施工过程数值模拟….………………………..…………….…………………………..…3-295.1三维分析模型的建立….………………………..……..…………………………3-295.2计算结果分析….………………………...……..………………………………...…3-346层状围岩锚固技术研究….………………………..……..………………………….…3-416.1层状围岩锚固技术….………………………..……..………………………….…3-416.2迈式锚杆的使用….………………………..……..………………………3-466.3锚固药包制作技术….………………………...……..………………………….…3-466.4蛛蛛网状系统锚固岩体技术….………………………...……..……………….…3-476.5湿喷技术研究….………………………...……..………………………….………3-477隧道施工监控量测….………………………..……..……………………………….…3-497.1监测方案.………………………...……..……………………………………..…3-497.2监测资料的分析处理.………………………...……..………………………...…3-508小结.………………………………………………………………….………………………………3-573-1381课题研究背景与现状1.1研究课题的提出在隧道建设中经常要通过软弱围岩，尤其是层状围岩、断层带以及富水地段，安全快速的通过这些不良地质地段需要进行研究。研究的问题有：首先需要提前知道施工掌子面前方的地质情况，以便准备施工措施，这需要超前地质预报工作，这在文件二中已经有详细论述；其次，要研究合理的爆破措施，以形成设计的开挖面；要预测施工过程中可能发生的拱顶下沉、拱腰收敛等参数，以便对照实际施工情况及时调整支护参数；对于不同的地质条件要有针对性的处理措施；在施工中要进行准确及时的量测，以便及时判断隧道的稳定性和受力情况；需要有完善的技术措施保证衬砌和支护的可靠性；对于富水地区要考虑合适的通过措施，关于超前注浆和防排水措施有专门章节讨论。长梁山隧道全长12780m，其中Ⅱ、Ⅲ类围岩占施工段长度的76.2%，如何突破大洞室软弱围岩施工难点，成为本工点施工的突出课题。在长梁山隧道施工中，以理论为指导，通过现场实践，总结出软弱围岩条件下快速施工的工法，有很大的理论意义和推广价值。1.2课题研究的背景和现状隧道支护设计关于隧道支护设计，由于目前还不能从理论上完善地、定量的说明喷锚支护的原理，所以设计还是以经验的方法为主。目前还没有找到一种公认的合理方法。《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》明确指出：隧道衬砌支护“设计应以工程类比法为主”，“对地质复杂、大跨度和有特殊要求的隧道，除采用工程类比法外，还应采用理论分析法进行检算”。《锚杆喷射混凝土支护技术规范》规定：隧道工程“喷锚支护的设计，采用工程类比法，必要时，还应辅以监控量测及理论验算法”。我国工程类比法，一般是首先进行工程地质勘察确定围岩类别，参照各部门制定的支护参数表，选定喷锚支护类型和参数。美国土木工程师协会出版的《隧道衬砌设计指南》指出：衬砌通常按照使用要求、地质条件选择，给出“主要衬砌形式一览表”，并用一定的假设地层荷载进行验证。在不利或不能断定的情况下，衬砌可以暂时选定，而后通过施工中的现场观测和量测考察它的性能。在设计方法中强调“经验是极端重要的，在设计的早期阶段，依靠施工工程师和业主的知识，会得到施工方便和造价经济的衬砌”。并且指出“分析方法的精度远超过所掌握地层主要参数的精度，且沿着隧道的地层可能发生很大的变化。分析方法的主要优点是能够获得各项参数变化幅度内的衬砌形态，估计上下限条件下的性能。设计者不应用计算成果代替判断和经验。《美国隧道衬砌设计指南》写道：隧道工程本来是无法预言和不能确定的活动过程，地下情况不能在工程竣工前彻底了解。实践证明，地面勘察测得的断层和节理通常是地下实际揭露的百分之几，地面地质勘察精度达不到施工要求。另一方面，地下开挖暴露的岩体结构是难以精确描述的，软弱围岩是隧道工程无法避免的不良地质问题。铁路隧道遇到不良地层平均占全长的10-20%。最后，3-139隧道施工参数随着地质因素变化，在开挖支护过程中增加了不可精确预计的人为因素。比如下面的施工参数在隧道开挖支护过程中都是随着时间变化的：1.开挖方面。每循环进尺洞周超挖值，松动圈，施工测量误差，各类围岩预留变形量，塌方次数、位置和最大高度，洞周各点在开挖和支护阶段位移释放值及位移总值中所占的比例等。2.支护方面。开挖后暴露的时间，初喷时机与厚度，喷层最小厚度和平均厚度，喷射混凝土强度及其随着时间演变，锚杆间距、方向及其与岩层面的夹角，锚杆注浆饱满程度与拉拔力等。这些因素都不能精确确定。《地下工程喷锚设计和展望》作了以下归纳和展望：“喷锚支护的三种设计方法各有利弊，但靠哪一种方法都有其局限性。从当前喷锚支护设计的发展情况来看，三种方法相互渗透、相互补充将是今后发展的方向。有些学者认为：信息化设计使经验方法科学化，使力学计算具有实际背景，这种以施工监测、理论分析、经验判断相结合，地质调查、设计、施工相交叉的方法是非常符合隧道工程特点的，为隧道设计和施工开辟了一条正确的途径。隧道施工爆破技术隧道用矿山法开挖过程中，爆破会产生两个问题：爆破过程中对周围岩体的损伤；爆破过程中的超欠挖问题。爆破过程中会对周围岩体造成损伤，一般指未破碎但已经受到爆破影响的岩体，在工程上可以认为是爆破开挖轮廓线外一定范围内受爆破影响的围岩或保留岩体，爆炸对岩石的破坏和损伤作用体现在爆炸应力波的动作用和爆生气体的准静态作用两个方面，这两者的作用强度直接影响爆破对岩石的损伤程度和范围。尽管对爆破已经开展了重要的研究工作，但是在现有的知识中，仍存在着很多空白和不足。在岩石爆破破碎机理中，应变能和爆生气体能的作用仍未完全搞清楚，不同的学派对它们所起的作用有不同的解释。岩体的震动或爆炸荷载导致了瞬时开挖荷载的产生，而由此产生的应力状态将是动态的或准静态的。对于软弱围岩中爆破问题，现场隧道施工中经常发生比较大的超挖，尤其是层状岩体中，经常会形成平板状的供顶，加大了衬砌的难度和回填量，在经济上是不合理的。虽然在隧道施工现场，已经对如何尽量减少超挖，对如何尽量不破坏洞室周围岩体强度做了一些研究，但多数停留在经验阶段，没有形成指导性的方案。隧道量测技术近年来隧道施工测量技术得到了长足的发展，出现了一些简单方便、自动化程度高的测量仪器，大大节省了时间，保证了测量的精确性。测量的结果用来反馈分析围岩和支护情况，对于调整支护参数有重要的作用。计算机应用于隧道量测方面起到了很大作用，已经开发了一些隧道量测软件，使很多工作自动化，而且更加精确。3-1402长梁山隧道地质条件2.1地质构造隧道通过地区，位于盘道梁~北化屯区域性褶断带的东北端，褶断及其两翼沿褶断轴部形成向斜构造，其主轴与F20-5断层基本重合。该向斜主轴呈北东～南西走向，与隧道中线于DK27+260处以55°角相交。受向斜构造控制，岩层由进、出口沿隧道轴向向中部缓倾，又因线路地处向斜东北端，向斜逐渐倾覆，隧道左侧岩层向右倾斜，故隧道区域岩层基本形成庞大“簸箕”状，簸箕口朝向线路右侧。隧道内断裂构造发育。受褶断影响，在向斜轴两侧形成一系列断裂构造，以规模不等的正断层居多，走向与向斜轴近于平行。较大断层附近又多有次生小断层生成，与主要断层成雁行式排列。我局施工段正洞共遇有大小断层累计长度2630m，其中较大区域性断层6处（F12、F5、F41、F45、F80、F81），断层破碎带宽一般为5～30m，由断层角砾及断层泥组成。影响带宽度一般为5～30m，最大可达80~350m（如F5、F12）。影响带内岩体极为破碎。2.2岩性隧道除出口通过部分黄土及碎石土地层外，其余全部通过基岩。洞身所遇地层为三迭系陈家沟组、二迭系和尚沟组、刘家沟组及孙家沟组沉积岩地层。隧道总体岩性较为单一，大部为长石石英砂岩、长石砂岩夹部分泥岩、页岩等泥质岩层，岩层呈砂、页、泥岩互层状态。岩层倾角一般5~20°。三迭系陈家沟组主要以薄层长石砂岩构成，中夹薄层泥岩，交错节理发育，抗风化能力极差，主要分布于隧道中部及右侧；二迭系和尚沟组、孙家沟组以泥质岩为主或大部为泥质岩，表现为薄层泥、页岩互层状，岩层极软弱；二迭系刘家沟组以长石石英砂岩为主，呈薄层及中厚层状，层间夹薄层泥岩，节理发育，裂隙多以泥岩填充，岩体多被层面、裂隙切割成大块状或大块平板状。岩石呈整体破坏较常见，主要分布于断层构造附近及向斜轴附近。隧道内围岩除刘家沟组地层有部分可达Ⅳ类以外，Ⅱ、Ⅲ类围岩占绝大部分，岩层软弱破碎。尤其和尚沟组、孙家沟组泥岩比重较大地段，围岩呈现微膨胀性，工程地质极差。2.3地下水条件隧道内地下水以基岩构造裂隙水和断层带水为主，均属潜水或潜水—承压型。（1）向斜北东端翘起，其两翼及翘起端岩层均向隧道倾斜，呈三面来水簸箕状，地下水沿各种通道流入隧道。（2）基岩裂隙构造水：主要存在于二迭系刘家沟地层内。该组地层主要为长石石英砂岩，坚硬质脆。构造节理延伸较远、连通性好、张开性强、充填物较少，含水量大，因而构造裂隙水最为发育。3-141（3）断层带水：存在于断层两侧一定范围的破碎带内。断层带内由断层角砾及断层泥构成，泥质胶结较好，地下水并不发育。而在其两侧一定范围的破碎带中，岩层破碎，裂隙率及裂隙张开都比较大，具有良好的地下储水条件，地下水量较大。尤其规模较大的区域断层两侧一定范围的破碎带内，连通性好，易有突然涌水出现。从上述的工程地质、水文地质情况看，不良地质构造、软岩、地下水诸方面不利因素，对施工造成严重威胁。（1）受向斜影响，岩层基本为缓斜或近于水平成层。在三迭系陈家沟组及二迭系和尚沟、孙家沟组地层内，岩性变化频繁，细层理及交错层理十分发育，层面泥质胶结强度极低，节理发育，岩体稳定性差。双线隧道开挖跨度大，施工中极易造成塌方冒顶及拱脚塌成门字型，成拱条件极差。（2）二迭系刘家沟组长石石英砂岩地层，施工中拱部往往形成大平板状。虽然石质相对较坚硬，但层间结合物少且极软弱，在交错层理切割下，极易产生拱部大块岩体或大面积整块平板坠落。施工中且遇到多处因边墙部位大型纵向贯通节