北京科技大学地下工程隧道支护课程设计内容

《地下结构工程》
课程设计
项目名称：大瑶山隧道施工与支护设计及稳定性评价设计时间：
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北京科技大学
2014.5
目录
1 前言 (1)
2 隧道区域地应力 (1)
3 工程地质和水文地质简介 (3)
3.1 岩性 (3)
3.2 构造 (4)
3.3 不良地质 (5)
3.4 水文地质 (5)
4 设计内容 (5)
4.1隧道设计分区 (5)
4.2进出口段（约100m）设计 (5)
4.2.1隧道围岩分级 (5)
4.2.2支护选型 (6)
4.2.3稳定性计算 (6)
4.2.3支护与开挖设计 (7)
4.3 中部段隧道设计 (8)
4.3.1围岩分级 (8)
4.3.2初期支护设计 (8)
4.3.3稳定性计算 (9)
4.3.4设计图 (10)
5 隧道施工 (12)
5.1光面爆破 (12)
5.1.1光面爆破作用机理 (12)
5.1.2光面爆破的特点 (12)
5.1.3光面爆破参数的确定 (12)
5.2隧道支护施工 (13)
5.2.1新奥法概述 (13)
5.2.2隧道施工的施工工序 (14)
5.2.3隧道施工中的注意事项 (15)
1 前言
通过专业绘图软件AutoCAD绘制的大瑶山隧道平剖面图如图1.1所示。

大图见附图。

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70~500m，最大为900m。

隧道穿越瑶山山区和武水峡谷，地形地质条件极为复杂。

2 隧道区域地应力
铁道科学院西南研究所做的现场地应力测试结果列入表2.1~表2.3中。

地应力测量位置见图1.1。

表2.1 滑石排1号试验洞初始应力
表2.2 滑石排2号试验洞初始应力
说明：1.方位角、倾角是按以测点为原点的坐标计算的，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
土木1101 刘文龙41112095
图1.1 隧道地表等高线和泡面图以及地应力测试位置图
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，自重应力不会超过24MPa，因此该处构造应力占比重很大。

从上述两个试点来看，大瑶山隧道围岩初始应力较高，在隧道稳定性分析中，不应采用最大主应力考虑，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，则六个应力分量如表2.3。

上述数据中，σ1的大小、方向非常接近，σ2、σ3差别大，但其值相差不大。

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，γh=15.6MPa，其中h=750~160=590m（160m为测点标高），γ=26.5kN/m3。

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，构造应力为次要的。

3 工程地质和水文地质简介
3.1 岩性
大瑶山隧道进出口两端为震旦、寒武系浅变质碎屑岩，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20~50cm，厚者达1~2m，薄者仅1~5cm。

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，板岩的Jv=8~13条/m3、中厚层砂岩，砂质板岩Jv=8~20条/m3、薄层板岩Jv=13~25条/m3、风化破碎岩体Jv≥30条/m3。

隧道围岩的岩石力学特性见表3.1。

表3.1 大瑶山隧道浅变质岩系的主要物理力学特性
3.2 构造
图3.1显示了大瑶山隧道地质剖面图。

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 大瑶山隧道地质剖面示意图
3.3 不良地质
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。

3.4 水文地质
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 设计内容
大瑶山隧道设计的内容包括隧道设计分区、不同分区的隧道围岩分级、隧道支护选型、隧道开挖和支护设计、隧道稳定性评价等内容。

隧道开挖和支护的设计是设计的主要内容，具体的设计图通过专业绘图软件AutoCAD绘制。

4.1隧道设计分区
根据隧道通过区地质条件，将支护分成两地段来设计。

4.2进出口段（约100m）设计
4.2.1隧道围岩分级
采用地质力学分类，对铁路隧道进行围岩分级。

（1）岩石的单轴抗压强度。

隧道进出口岩石的抗压强度均在60MPa以上。

围岩判为极硬岩。

（2）岩体的完整程度。

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Ⅳ级围岩。

（4）基本分级的修正
①地下水的分级
地下水的分级由下表确定
表4.1 地下水状态的分级表
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4.2 地下水影响的修正表
③围岩初始应力影响的修正：
表4.3 初始应力影响的修正表
说明：①围岩岩体为较破碎的极硬岩、较完整的硬岩时，定为Ⅲ级；围岩岩体为完整的较软岩、较完整的软硬互层时，定为Ⅳ级
②围岩岩体为破碎的极硬岩、较破碎及破碎的硬岩时，定为Ⅳ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Ⅴ级。

综上所述，考虑地下水和地应力的影响，将该段围岩定为Ⅲ~Ⅳ级围岩。

4.2.2支护选型
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。

4.2.3稳定性计算
4.2.4支护与开挖设计
1、支护设计图：通过AutoCAD绘制的进出口段隧道支护设计断面图如下图4.1所示。

绘制的大图见附图中所示。

图4.1 进出口段隧道支护设计断面图
2、开挖设计图：开挖采用钻爆法，即全断面机械化一次光面爆破的方法。

开挖设计图如下图4.2所示，大图见附图。

图4.3 钻爆法隧道开挖设计图
4.3 中部段隧道设计
4.3.1围岩分级
由地质力学分类方法进行围岩分级。

（1）岩石的单轴抗压强度。

隧道进出口岩石的抗压强度均在60MPa以上。

围岩判为极硬岩。

（2）岩体的完整程度。

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，板岩的Jv=8~13条/m3、中厚层砂岩，砂质板岩Jv=8~20条/m3、薄层板岩Jv=13~25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Ⅱ-Ⅲ级围岩。

（4）基本分级的修正
①地下水的分级
地下水的分级由表4.1确定。

②地下水对围岩级别的修正
修正采用表4.2进行修正。

③围岩初始应力影响的修正
修正采用表4.3进行修正。

综上所述，考虑地下水和地应力的影响，将该段围岩定为Ⅱ-Ⅲ级围岩。

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Ⅱ和Ⅲ级围岩的复合支护参数。

表4.4 Ⅱ和Ⅲ级围岩的复合支护参数表
4.3.2初期支护设计
（1）锚杆：直径20mm的Q235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。

4.3.3稳定性计算
按照支护的不同，分两部分进行计算。

1、整体式模注混凝土的计算 1）衬砌荷载的计算
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作出假定。

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。

（1）计算压力拱高1h 2、复合衬砌中锚喷支护的计算 1、理论依据
虽然在轴非对称的情况下，围岩的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。

因而可以用剪压破坏理论。

（1）计算塑性区半径
αρθctg e r R )(0-=
式中：R ——塑性区半径；0r ——隧道半径取5.5m ；θ——取90°；
ρ——破裂起始角，其取值按下表:
ρ单位是度,在本工程中，ρ取为45度。

塑性区半径为
α
ρθctg e
r R )(0-=m 85.594ctg 4
2=⨯=
+-）
（）（π
πππe
式中：2
4
φ
π
α+
=
φ是岩体的摩擦角.
（2）计算锚杆的附加抗力a P
MPa ei K f d P u a 035.05
.15.12.138002.01415.34141212=⨯⨯⨯⨯⨯==π
式中：d ——锚杆的直径；u f ——锚杆钢筋的极限抗拉强度，取380MPa ；
1K ——安全系数，取1.2；e ——锚杆的间距；i ——锚杆的排距。

（3）计算锚固后围岩的C
MPa f u a 2283806.06.0=⨯==τ
MPa ei A C C S a 03.25
.15.102.01415.341
2280.22
1=⨯⨯⨯⨯+=+=τ 式中：a τ——锚杆的抗剪强度；C ——岩体的粘聚力；s A ——锚杆的面积。

（4）计算支护抗力i P
11
sin 1sin 20111))(sin 1)((φφφφ--+=R r
ctg C p P i =0.9MPa
式中：P ——原岩应力，取33.6MPa ；
1φ——岩体的摩擦角,取40度 （5）喷层的验算
3.2)
1211(0=--=
t
R P r K h
i
式中K ——喷层的安全系数；
h R ——混凝土的抗压强度。

验算后，得到的安全系数为2.3，围岩是稳定。

4.3.4设计图
1.支护设计图：绘制的支护设计图如下图4.3所示，大图见附图。

图4.3 中部段隧道支护设计断面图
2.开挖设计图：方法同进出口段的开挖设计。

绘制的开挖设计图如下图4.4
所示，大图见附图。

图4.4隧道钻爆法开挖设计图
5 隧道施工
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，可以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。

5.1光面爆破
5.1.1光面爆破作用机理
光面爆破是上世纪五十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，理论研究很不成熟，所以其作用机理也存在不同的解释。

（1）W.I.杜瓦儿和K.S.佩固等人提出的理论。

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）尹藤一郎等人提出的理论。

该理论认为裂缝的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16
1，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。

5.1.2光面爆破的特点
（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）可以提高施工的安全性,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,这对地下工程防止岩爆危害起重要作用。

5.1.3光面爆破参数的确定
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。

表5.1国内地下工程常用光爆参数
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千克/米。

表5.2 锚喷支护规范中所给的光爆参数
根据上述两表中所列的光面爆破参数，结合大瑶山隧道的工程围岩条件，光面爆破参数的选定见表7.3。

表5.3 大瑶山隧道光面爆破参数表
隧道光面爆破炮眼布置见附图。

5.2隧道支护施工
5.2.1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。

1、新奥法施工的基本原则
1）合理利用和充分发挥岩体强度
（1）地下的地质条件相当复杂，甚至在同一岩层中，岩性的好坏也会相差很大，岩石质量的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。

岩体的结构面，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
合理的支护包括支护形式、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）强调监测和信息反馈。

由于隧道的地质条件复杂并且难以完全预知，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，容易获得一个确定性的结果。

所以用围岩再施工中的反响，来判断围岩变化规律，成为控制隧道围岩稳定最现实的方法。

总之，新奥法的基本原则可概括为“少扰动，早喷护，勤量测，紧封闭”。

5.2.2隧道施工的施工工序
全断面光面爆破的施工工序为：
1、用钻孔台车钻眼，然后装药，连接导火线；
2、退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出隧道断面；
3、排除危石，在拱部设置锚杆位置钻孔，钻孔直径为40mm，孔深为2.1m，灌强度为M25的水泥沙浆并安设锚杆，喷射10cm厚的C30混凝土。

4、用装渣机将石渣装入矿车，运出洞外；
5、在边墙设置锚杆位置钻孔，钻孔直径为40mm，孔深为2.1m，灌强度为M25的水泥沙浆并安设锚杆，喷射10cm厚的C30混凝土
6、开始下一轮的循环。

7、构筑防水面，防水层为1.5mm厚的PVC板。

防水层中的水可通
集水排水管排出。

8、二次衬砌，完成锚喷支护后约3～6个月后开始支模浇筑混凝土构成二次衬砌。

二次衬砌应等到围岩变位稳定后才进行，二次衬砌的作用在于改善铁路隧道的运营条件和作为一定的安全储备。

5.2.3隧道施工中的注意事项
1、锚杆孔施工注意事项
（1）钻孔前，应根据设计要求和围岩情况，定出孔位，作出标记；
（2）锚杆孔距的允许偏差值不能超过150mm；
（3）孔内的积水和岩粉应吹干净。

2、锚杆施工注意事项
（1）锚杆施工前，应检查材料型号、规格、品种，以及锚杆各部位质量和技术性能符合要求；
（2）锚杆杆体使用前应平直、除锈、除油；
（3）水泥沙浆拌制时，应用中细砂，粒径不超过2.5mm，使用前应过筛，沙浆配合比宜为：水泥比砂为1:1（重量比），水灰比为0.40；
（4）注浆时，注浆管应插至距孔底50mm处，随沙浆的注入缓慢拔出，杆体插入后，若无沙浆溢出，则补注；
（5）杆体插入孔内长度不应小于设计规定的95%，锚杆安装后，不得随意敲击。

3、喷射混凝土注意事项
（1）用高压风冲洗受喷面；
（2）埋设控制喷射混凝土厚度的标志；
（3）作业区应有良好的通风和足够的照明装置；
（4）喷射作业应分段进行，喷射顺序应自上而下：
（5）一次喷射厚度不应超过70mm；
（6）混凝土终凝时间到下一循环放炮时间，不应少于3小时。

（7）喷射混凝土终凝2小时后，喷水养护，养护时间不得少于14天。