地下工程课程设计：隧道施工与支护设计

《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：年月日~ 月日

指导教师：

班级：

姓名：

学号：

北京科技大学

2014.5

目录

1 工程概况 (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)

6 附图

...................................................................................................... . (18)

1 工程概况

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

. . . . .. .

图1.1 隧道地表等高线和泡面图以及地应力测试位置图c. .. .. .

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

岩石 指标 灰绿色石英岩

灰绿色长石

砂质板岩

泥质板岩

岩体

砂岩

板岩 容量/3m t 2.73 2.71 2.69 2.70 孔隙比/% 1.7 2.6 单轴抗压强度/MPa 75.1~96.8 87.3 58.5

抗压强度t /MPa 11.7 9.3 5.1 岩体粘聚力C/MPa 2.1 1.8 1.5 岩体内摩擦角φ/（°） 51 48 42

静弹性摸量E/GPa

85.4 68.8 42.0~65.7 12.8~23.4

泊松比μ 0.20 0.23 0.25~0.30 动弹性摸量Ed/GPa

60~90 45~80 40~98

纵波速度Vp/ms -1×103

5.6~6

5~5.4

3.8~5.2

4~6 3~4.5

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