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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65.1 隧道围岩分类与分区65.2 隧道工程开挖设计65.3 隧道工程支护设计65.4 隧道围岩变形监测设计65.5 提交隧道工程设计图66 铁路隧道工程分区
2、设计76.1 隧道进出口段设计76.2 中部段隧道设计87 铁路隧道施工技术137.1光面爆破137.1.1光面爆破作用机理137.1.2光面爆破特点137.1.3光面爆破参数设计147.2 铁路隧道支护与施工157.2.1新奥法概述157.2.2铁路隧道施工工序167.2.3铁路隧道施工注意事项171 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
3、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。表2-1 滑石排1号试验洞初始应力主应力应力/MPa方位角/（）倾角/（）138N88W60221N54W-26313S33W-15表2-2 滑石排2号试验洞初始应力组别主应力应力值/MPa方位角/（）倾角/（）第一组合113.3NE104025.7SW294934.1SE729第二组合113.7NE324528.1SE381934.8SW6889说明：1、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
4、试验洞应力分量表x/MPay/MPaz/MPaxy/MPaxz/MPayz/MPa-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，1的大小、方向非常接近，2、3差别大，但其值相
5、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=590m（160m为测点标高），=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
6、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指 标灰绿色石英岩灰绿色长石砂质板岩泥质板岩
7、岩体砂岩板岩容量/2.732.712.692.70孔隙比/%1.72.6单轴抗压强度/MPa75.196.887.358.5抗压强度/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Ed/GPa609045804098纵波速度Vp/ms-11035.6655.43.85.24634.53.2 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
8、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。3.4 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
9、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 隧道工程围岩围岩级别围岩主要工程地质条件围岩开挖后的稳定状态（单线）围岩弹性纵波速度vp（km/s）主要工程地质特征结构特征和完整状态极硬岩（单轴饱和抗压强度Rc60MPa）：受地质构造影响轻微，节理不发育，无软弱面（或夹层）；层状岩层为巨厚层或厚层，层间结合良好，岩体完整呈巨块状整体结构围岩稳定，无坍塌，可能产生岩爆4.5硬质岩（Rc30MPa）：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，但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中厚层或厚层，层间结合
10、一般，很少有分离现象，或为硬质岩石偶夹软质岩石呈巨块或大块状结构暴露时间长，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3.54.5硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响严重，节理发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合差，多有分离现象；硬、软质岩石互层呈块（石）碎（石）状镶嵌结构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2.54.0较软岩（Rc1530MPa）：受地质构造影响较重，节理较发育；层状岩层为薄层、中厚层或厚层，层间一般呈大块状结构硬质岩（Rc30MPa）：受地质构造影响极严重，节理很发育；层
11、状软弱面（或夹层）已基本破坏呈碎石状压碎结构拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定1.53.0软质岩（Rc530MPa）：受地质构造影响严重，节理发育呈块（石）碎（石）状镶嵌结构土体：1.具压密或成岩作用的黏性土、粉土及砂类土2.黄土（Q1、Q2）3.一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土1和2呈大块状压密结构，3呈巨块状整体结构岩体：软岩，岩体破碎至极破碎；全部极软岩及全部极破碎岩（包括受构造影响严重的破碎带）呈角砾碎石状松散结构围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表1.02.0土体：一般第四系坚硬、硬塑黏性土，稍密及以上、稍湿
12、或潮湿的碎石土著人、卵石土、圆砾土、角砾土、粉土及黄土（Q3、Q4）非黏性土呈松散结构，黏性土及黄土呈松软结构岩体：受构造影响严重呈碎石、角砾及粉末、泥土状的断层带黏性土呈易壖动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一齐涌出；浅埋时易塌至地表1.0(饱和状态的土1.5)土体：软塑状黏性土、饱和的粉土、砂类土等注：层状岩层的层厚划分：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
13、；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1.52m。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
