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1、兰州交通大学硕士论文 第二章 乌鞘岭F7断层隧道工程介绍第二章 乌鞘岭F7断层隧道工程介绍本章主要介绍乌鞘岭隧道的基本工程情况，地应力的分布情况，以及工程软岩的概念，讨论在F7断层中使用的施工方法。第一节 工程概况2.1.1概述兰新铁路兰州武威南增建第二线线路起于兰州西站，沿黄河二级阶地西行经河口南站跨黄河后沿溯庄浪河而上，在既有线兰武段打柴沟站与龙沟车站之间以特长隧道穿越乌鞘岭后沿龙沟河、古浪河峡谷而下，进入河西走廊与既有线并行引入武威南站。乌鞘岭特长隧道位于既有兰新线兰武段打柴沟车站和龙沟车站之间、设计为两座单线隧道，左、右线隧道长20050m，隧道出口段线路位于半径为1200m曲线上，右
2、、左线缓和曲线伸入隧道68.384及127.29m，隧道其余地段均位于直线上，线间距为40m，两座隧道线路纵坡相同，主要为11的单面下坡，右线隧道较左线隧道高0.560.73m。隧道进口位于天祝县打柴沟镇赵家庄附近，地形开阔、施工条件和弃渣条件好，右线轨面设计高程2663.36m，出口位于古浪县龙沟乡的沙沟台，地形较窄，施工场地和地形条件较差，右线轨面设计高程2447.32m。交通便利，隧道最大埋深1100m左右。本隧道全部采用钻爆法施工。右线隧道总工期为32个月，隧道于2003年2月1日开工，其中施工准备1个月，主体工程于2005年4月30日主体完工，计26个月；弹性整体道床2个月，铺轨及四
3、电3个月，施工工期比较紧迫。为此，为加快施工进度，全隧道除在4个洞口掘进施工外，右线设8个斜井、1个竖井，左线设5个斜井、1个竖井及1个横洞，共计16个辅助坑道20个工作面。2.1.2 地形地貌乌鞘岭隧道洞身横穿祁连褶皱系的北祁连优地槽褶皱带和走廊过渡段两个次级构造单元，褶皱和断裂发育，本段通过加里东期褶皱带和海西印支期褶皱带。共有四条区域性大断裂，毛毛山南缘断层(F4)出露宽度200m500m，大柳树沟黑马圈河断层(F5)出露宽度80m260m，毛毛山岭中断层(F6)出露宽度40m80m，毛毛山老虎山断层(F7)出露宽度400m800m，局部大于1000m，区域资料显示，全新世以来F7断层仍
4、有活动迹象。本区整体属于祁连山东北部中高山区，隧道进口以南为庄浪河河谷区，出口以北为古浪河河谷区，隧道经过乌鞘岭毛毛山中高山区，根据山体相对高度，进一步划分为乌鞘岭南坡梁状丘陵区、乌鞘岭中高山区和乌鞘岭北坡低高山区三个次级地貌单元。2.1.3 工程地质条件本地区地层岩性复杂，沉积岩、火成岩、变质岩三大岩类均有，且以沉积岩为主，其分布主要受区域断裂构造控制。区内出露的地层主要有第四系、第三系、白垩系及三叠系沉积岩，志留系、奥陶系变质岩，并有加里东晚期闪长岩侵入。围岩主要由、类围岩组成。右线11#斜井正洞工区于YDK177+852比原设计提前42m进入F7断层，于YDK177+765附近进入断层主
5、带，在YDK177+690附近进入断层核心地段，隧道埋深约400m。围岩以断层泥砾、断层角砾岩为主，局部为碎裂岩，呈灰绿色、灰白色、围岩破碎。挤压现象明显，矿物被剪断、拉长，可见糜棱化现象，次生结构面发育，大部分结构面呈垂直状、有扭曲现象；围岩所夹的石英团块，由于受挤压影响，手捏呈砂砾状、粉末状。结构面有明显的磨光现象及擦痕，充填角砾物。碎裂板岩呈层状，夹杂灰白色的碎裂砂岩，含较多的石英脉，岩层扭曲。岩体完整性差，自稳能力差，无明显的地下水出露，呈潮湿状。该段偶尔有砖红色砂岩与掌子面成斜交状态，夹杂于断层泥砾、角砾岩中。物质呈角砾状、散土状，易出现坍塌、变形16。 2.1.4 水文地质特征隧道
6、范围内，围岩富水性分区划分为中等富水区：主要为岭南的安山岩带（O2）、隧道进口第四系地层、岭北的砂质板岩（S1）及F4、F5、F6和F7断层破碎带及影响带。弱富水区：主要为岭南和岭中的砂岩夹页岩带（T3）。贫水区：主要为岭南紫红色砂砾岩夹泥岩带（N2）、岭中闪长岩带（3）、岭北（K1）砂砾岩夹泥岩地层。隧道的涌水量按径流模数法与地下水动力学计算，右线考虑半导超前引排因素，预计最大总涌水量为9621.81m3/d，左线隧道（平导）最大总涌水量16114.78m3/d。2.1.5 气候、土壤与植被本段线路位于中温带干旱气候区，春季多风，少雨干旱；夏季酷热，降雨增多；秋季凉爽，降温较快；冬季寒冷，干
7、旱少雪。沿线年平均气温-0.1oC5.1 oC，绝对最高气温28.1 oC34.7 oC，最低-29.0 oC-30.6 oC；多年平均降水量357.8409.4mm，最大降水量552.7mm；多年平均蒸发量15481813.6mm；瞬时最大风速27.629m/s，主导风向为北北西，最大积雪厚度2436mm；土壤冻结深度138200cm。沿线地段因受高山地貌的影响，土壤类型呈明显的垂直坡向性变化，由高到低分布有高山草甸土、亚高山灌丛草甸土、山地灰褐土、黑钙土、山地栗钙土；所经区域植被主要为高山草地、亚高山灌丛、山地草原、火绒草草原和禾本科杂草草原。本段线路穿越乌鞘岭中低山区，地形起伏，地势陡峭
8、，降水相对较多，植被生长状况良好，主要发育为粗骨性土；土壤侵蚀方式主要是水力侵蚀，常以面蚀、沟蚀等形式出现。土壤侵蚀模数为20002500t/km2a，属轻度侵蚀。本段处在重点预防保护区。第二节 地应力讨论2.2.1 了解地应力的必要性地应力是存在地层中未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。是引起各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力，是确定工程岩体力学属性，进行围岩稳定性分析，实现岩石工程开挖设计和决策科学化的必要前提条件。为了对各种岩石工程进行科学合理的开挖设计和施工，就必须对影响工程稳定的各种因素进行充分调查。只有详细了解这些工程影响因素，并通过定量的计
9、算和分析，才能做出既经济又安全实用的工程设计。在诸多的影响岩石开挖工程稳定性因素中，地应力状态是最重要最根本的因素之一。对铁路隧道设计而言，掌握具体工程区域的地应力条件，才能合理确定线路走向、断面形式和尺寸。如根据弹性力学理论，隧道开挖断面最佳形状主要由其断面内两个主应力的比值来决定。为了减少隧道周边的应力集中现象，最理想的开挖断面是一个椭圆，椭圆在水平和垂直方向的两个半轴的长度之比与该断面内水平主应力与垂直主应力之比相等。在此情况下，隧道周边将处于均匀等压应力状态，这是一种最稳定的受力条件。同样，在考虑隧道走向时，最理想的走向是与最大主应力方向相平行。当然，实际隧道工程中还要综合考虑工程需要
10、、经济性和其它条件。人们认识地应力还只是近百年的事。1912年瑞士地质学家海姆(A.Heim)在大型越岭隧道的施工过程中，通过观察和分析，首次提出了地应力的概念，并假定地应力是一种静水压力状态，地壳中任意一点的应力在各个方向上均相等，且等于单位面积上覆盖层的重量，即： (2.1)式中，为水平应力；为垂直应力；为深度。1926年，苏联学者金尼克(A.H.)修正了海姆静水压力假设，认为地壳中各点的垂直应力等于上覆岩层的重量，而侧向应力(水平应力)是泊松效应的结果，其值应为H乘以一个修正系数。他根据弹性力学理论，推出： (2.2)式中，v为上覆岩层的泊松比。同期其他一些人主要关心的也是如何用数学公式
11、来定量地计算地应力大小，并且也都认为地应力只与重力有关，即以垂直应力为主，他们的不同点只在于侧压系数的不同。然而，许多地质现象，如断裂、褶皱等均表明地壳中水平应力的存在。早在上世纪20年代，我国地质学家李四光就指出：“在构造应力的作用仅影响地壳上层一定厚度的情况下，水平应力分量的重要性远远超过垂直应力分量”。20世纪50年代，哈斯特(N.Hast)首先在斯堪的纳维亚半岛进行了地应力测量工作，发现存在于地壳上部的最大主应力几乎处处是水平和接近水平的，而且最大水平主应力一般为垂直应力的12倍，甚至更多；在某些地表面，测得的最大水平应力为7MPa。在根本上动摇了地应力是静水压力的理论和垂直应力为主的
12、观点。后来的进一步研究表明，重力作用和构造运动是引起地应力的主要原因，其中，尤以水平方向的构造运动对地应力的形成影响最大。当前的应力状态主要由最近一次的构造运动控制，但也与历史上的构造运动有关。由于亿万年来，地球经历了无数次大大小小的构造运动，各次构造运动的应力场也经过多次的叠加、牵引和改造，另外地应力场还受到其它因素的影响，因而造成了地应力状态的复杂性和多变性。2.2.2 地应力的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。30多年来的实测和理论分析表明，地应力形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括：板块边界受压、地幔热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵
13、入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化引起的应力场。其中，构造应力场和重力应力场为现今地应力场的主要组成部分。2.2.3 地应力分布的一些基本规律通过理论研究，地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究，已初步认识到浅部地壳应力分布的一些基本规律：地应力是一个具有相对稳定性的非稳定性应力场，它是时间和空间的函数；实测垂直应力基本等于上覆岩层的重量，但在某些地区的测量结果有一定幅度的偏差，上述偏差除有一部分可能归结于测量误差外，板块移动、岩浆对流和侵入、扩容、不均匀膨胀等也都可以引起垂直应力的异常；水平应力普遍大于垂直应力，在绝大多数地区均有两个主应力位于水平或
14、接近水平的平面内，最大水平主应力普遍大于垂直应力，与的比值一般为0.55.5， 与v的比值为0.81.5，说明浅层地壳中平均水平应力普遍大于垂直应力，垂直应力在多数情况下为最小主应力，少数情况下为中间主应力，只在个别情况下为最大主应力，这再次说明，水平方向的构造运动如板块移动、碰撞对地壳浅层地应力的形成起控制作用；平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，在深度不大的情况下，与v的比值相当离散，随着深度的增加，该值的变化范围逐步缩小，并向1附近集中，这说明在地壳深部有可能出现静水压力状态；最大水平应力和最小水平应力也随深度呈线性增长关系，与垂直应力不同的是，水平主应力线性回归方程中的常数项
15、比垂直应力线性回归方程中的常数项数值要大些。这反映了在某些地区近地表处仍存在显著水平应力的事实；最小水平主应力和最大水平主应力之值一般相差较大，与之比一般为0.20.8，多数情况下为0.40.8，显示出很强的方向性1718。地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、分化、岩体结构特征、岩体力学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。地形对原始地应力的影响是十分复杂的。在具有负地形的峡谷和山区，地形的影响在侵蚀基准面以上及其以下一定范围内表现特别明显。一般说来，谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显。最大主应力在谷底或河床中心近于水平。在断层和结构面附近，地应力分布状态将会受到明显的扰动。断层端部、拐角处及交汇处将出现应力集中现象。端部的应力集中与断层长度有关，长度越大，应力集中越强烈，拐角处的应力集中程度与拐角大小及其与地应力的相互关系有关。当最大主应力的方向和拐角的对称轴一致时，其外侧应力大于内侧应力。2.2.4 F7断层地应力分布情况的介绍乌鞘岭特长隧道F7断层位于毛毛山岭北山前，延伸长度为174Km，断层走向北西西向，倾向南，倾角，前期为逆断层，后期表现为左旋走滑断层。断层物质主要由断层泥砾及碎裂岩组成，灰白色灰黑色，角砾直径在310cm之间，松
