隧道工程-毕业设计

石家庄铁道大学毕业设计风化蚀变围岩隧道设计与施工DesignandConstructionofTunnelinWeatheringAlterationSurroundingRock2013届土木工程学院专业土木工程学号20090009学生姓名刘奎指导教师朱永全完成日期2013年6月3日毕业设计成绩单学生姓名刘奎学号20090009班级土0901-1专业土木工程毕业设计题目风化蚀变围岩隧道设计与施工指导教师姓名朱永全指导教师职称教授评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任)签字：年月日毕业设计任务书题目风化蚀变围岩隧道设计与施工学生姓名刘奎学号20090009班级土0901-1专业土木工程承担指导任务单位土木工程学院导师姓名朱永全导师职称教授一、主要内容1.设计依据及原则：包括设计应遵循的主要规范规程及主要原则。2.工程概况：包括本工程的设计范围、工程地质、水文地质概述、地面环境等。3.开展对贵广天平山隧道的设计：包括结构选型、衬砌形式、支护和衬砌设计。4.所选部分结构设计检算：包括计算荷载的确定、计算模型的建立、衬砌结构计算、结构配筋计算。5.施工方法设计：包括整体施工方法确定、主要施工工艺方法、施工组织、结构防水施工监控量测等。应附图：地质纵剖面图、衬砌断面图、配筋图、炮眼布置图等。6.外文翻译，隧道相关文献翻译。二、基本要求1.通过文献、资料阅读，掌握软弱围岩隧道结构设计方法。2.熟悉衬砌结构设计计算方法及配筋计算方法。3.掌握隧道施工方法，了解施工工艺。三、应收集的资料及参考文献1.《隧道设计规范》；2.《隧道施工规范》；3.《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）；4.《隧道设计手册》；5.《隧道施工手册》；6.《隧道工程设计要点集》关宝树编；7.地下铁道设计、施工相关资料、文献。五、进度计划第1周熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图；第2周写出开题报告；第3～5周支护结构设计；第6～9周隧道衬砌结构设计检算；第10～12周施工方案及爆破设计；第13周初支、防水及二衬等施工工艺设计；第14～15周监控量测设计，外文翻译；第16周文整，答辩；教研室主任签字时间年月日毕业设计开题报告题目风化蚀变围岩隧道设计与施工学生姓名刘奎学号20090009班级土0901-1专业土木工程1、研究背景软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。软岩结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包括沉积层面、软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触方式，微空隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征，古生代和部分中生代软岩由于长期上覆岩体的压实作用及经常性的构造运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使颗粒间形成胶结连结。同时由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成密实有序的长带状和链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于10%，单轴抗压强度相对较高，多数为20-30MPa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒间密实性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构较疏松，吸水率为10%-70%，单轴抗压强度一般为5~20MPa，如南水北调中线工程邯郸地区的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常不稳定，它与砂岩互层或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混杂堆积，成岩程度低，岩石中常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙脱石、伊利石混层矿物密集分布，造成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达69%~78%，抗压强度均小于5MPa。软弱围岩对隧道失稳的影响：(1)岩体力学性质的影响：软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等，都对围岩的稳定有重要影响；(2)岩体结构及裂隙分布的影响在地质构造运动中形成的结构面，一般情况下，其强度远低于母岩；(3)软岩隧道的失稳，是隧道开挖引起的应力重分布超出围岩强度或造成围岩过分变形而造成的；(4)地下水的影响。软岩隧道失稳破坏特征：(1)变形破坏方式多；(2)变形量大；(3)变形速度高；(4)持续时间长；(5)围岩破坏范围大；(6)各位置破坏不一；(7)来压快；软弱围岩隧道设计理论：(1)隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的，即：隧道=围岩+支护，围岩与支护共同承担山体的压力；(2)隧道承受的压力具有不确定性；(3)支护体系是控制围岩变形的关键；软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理：(1)改善围岩自身受力条件；(2)直接对围岩提供支护力。软岩在世界上分布非常广泛，泥岩与页岩就占地球表面所有岩石的50%左右。它与工程建设息息相关，特别是对大坝、遂洞、边坡的稳定性起控制作用，如丹江口、葛洲坝、铜街子、小浪底、恒仁、上犹江、朱庄等大型水电工程坝基都存在软岩类的软弱夹层，其中葛洲坝工程是一个典型，坝基下埋藏产状近水平的软弱夹层有50多层，为探明软弱夹层成因类型和分布规律，采用小口径钻孔、大口径钻孔、平洞、探井、钻孔彩色电视与地球物理勘探以及现场地应力测量等方法；达开水库输水隧道软岩引起的坍方占坍方量的70%；四川中江县马鞍山遂洞粘土岩膨胀导致变形与垮坍；贵州各地区边坡滑动灾害中由软弱层引起约占60%。在世界沙上有关水工建筑物事故的统计中，由于软岩的存在而引发的，可以举出如下一些较突出的实例：美国圣佛兰西斯坝，因粘土胶结的沙砾岩被水浸润软化而引起滑动；美国俄亥河26号坝，沿坝基下5cm厚的页岩层发生滑动；美国奥斯丁重力圬工坝，沿石灰岩内的页岩夹层而滑动；法国布泽坝，沿坝基龟裂的红色砂岩上的粘土层发生滑动；印度的堤格拉坝，在砂页岩互层中发生滑动等等。因此，探讨软岩的成因类型与空间展布规律、物质成分与结构特征、软岩与围岩的接触形态、地质时代与强度的关系都是研究软岩特殊工程性质和优化工程治理的致关重要问题。本设计所研究的贵广天平山隧道就是以软岩大变形为特点的。2、国内外研究现状近些年，在国内外相继出现了大量的隧道软岩大变形工程实例，并且在治理这些问题中取得了很多经验。日本的岩手隧道，长25.8km，采用新奥法施工。地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2~6MPa。施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移100~400mm，最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm，拱顶下沉为10~100mm。日本惠那山隧道，长8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为粘土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为1.7~3.0MPa，隧道埋深为400~450m，原始地应力为10~11MPa。施工时产生了大变形，在地质最差的地段，拱顶下沉达到930mm，边墙收敛达到1120mm，有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。最后采用9.0m和13.5m的长锚杆，并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。陶恩隧道长6400m，开挖断面面积90-105m2，位于显著变质的岩带内，如片岩、千枚岩等，主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石，抗压强度R=0.4-1.7MPa，洞内无地下水活动，隧道埋深为600-1000m，原始地应力为16.0-27.0MPa，侧压力系数近似为1.0，围岩强度比为0.05-0.06。陶恩隧道采用台阶法施工，在设计时，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移。而后把锚杆改为6m，并初次采用纵向伸缩缝，缝宽20cm，间隔3m，支撑也是可缩的，并在隧道底部增加了隧底锚杆，喷射混凝土厚度保持25cm不变。上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用，但已完成段，其洞壁已严重侵入二次衬砌净空，只能采取扩挖的办法处理，增加了施工的难度，同时又具有一定的危险性。此时的净空收敛大约是20-25cm。要再大时，要增打9m以上长度的锚杆。奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m，开挖断面面积90-103m2，岩石主要为千枚岩、片麻岩，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩，岩石强度为1.2~1.9MPa，隧道的埋深平均为350m，最大埋深为740m，原始地应力为13.0MPa，围岩强度比为0.1~0.2。隧道采用自上而下的分布开挖法，先开挖弧形导坑，施作初期支护，然后再开挖台阶(分左、右两次分别进行)，最后检底。由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，该隧道设计时的初期支护就比较强，喷射混凝土厚20~25cm，锚杆长6.0m，同时安设了可缩刚架。但是由于岩层产状不利，锚杆的长度仍不够，施工中支护产生了很大变形，拱顶下沉量达到15~35cm，最大水平收敛达70cm，变形速度达11.5cm/d，后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法，才是变形得到了控制，变形速度降为5.0cm/d，变形收敛时间为100~150d。家竹箐隧道隧道全长4990m。隧道位于盘关向斜东翼，属单斜构造，岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW。由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1，其破碎带宽15～20m。隧道横穿家竹箐煤田。隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，北段为灰岩，中部3890m为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深(404m)的煤系地层地段，由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。在一般地段，拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm；在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80-100cm，侧壁内移达到160cm。为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状，加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱。大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储备。木寨岭隧道全长1710m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及硅质砂板岩。存在的主要构造体系是山字型构造体系。属地应力集中区，隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。经研究主要采取的处理措施有：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。在我国，随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多地触及到软岩（高应力软岩）工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究，摸清它发生、发展的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法是十分必要的。3、进行的主要工作本毕业设计主要有两个方面：一是软岩隧道的结构设计，包括二次衬砌尺寸及材料拟定、荷载计算、内力分析、二次衬砌配筋设计；二是施工组织设计，包括：开挖施工方法、爆破设计、出碴及运输方式、初期支护、二次衬砌、防水层、排水系统、施工通风、施工监控量测设计、施工组织管理、主要分项的施工工艺等内容。4、采取的方法对于隧道结构设计，首先利用ANSYS软件进行建立计算模型，即使用阶段结构安全性检算，采用“荷载—结构”模式，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟，组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。荷载计算主要包括松动压力的计算，即采用单线隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式计算。利用容许应力法进行配筋设计，即