摘 要

针对大梁隧道工程地质特点，开展隧洞开挖后围岩大变形现场监测与分析，得知隧洞变形具有变形速度快、持续时间长和变形量大的特点。结合隧洞变形监测数据，将隧洞围岩视为具有弹塑性流变行为的连续介质，分析隧道围岩位移、应力及损伤区分布规律，从而为支护方案修改设计和参数调整提供依据。在上述研究基础上，应用新奥法施工力学原理，提出加大预留变形量，拱顶超前注浆加固围岩，打拱脚长锚杆控制拱架整体下沉，并采用钢拱架(拱架之间采用型钢连接) 锚杆 钢筋网协同支护，构成软岩大变形洞段联合支护方案，成功解决了大梁隧道破碎、软弱围岩地段的施工与支护难题，优化开挖参数，降低地质灾害概率。

关键词：隧道，软岩，大变形，地质灾害

Abstract

The in-situ displacement monitoring was carried out according to the geological characteristics of Daliang tunnel. The monitored result shows that tunnels deformation is charactered by high velocity，long period and large value.The tunnels support design could be adjusted reasonably considering the displacement，the stress distribution and the damaged zone of the rock surrounding. According to the principle of new austrian tunnelling method，a new comprehensive support measures，which consists of enlargement of the deformation allowance，pre-grouting，bottom bolts installed，steel arch，system bolts and steel fabric installed，was adopted in Daliang tunnel which has poor rock surrounding and suffers large deformation during its excavation.Optimizing excavation parameters to reduce the probability of geological hazards.

Key words:Tunnel, Soft Rock, Large Deformation, Geological Disasters

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文研究内容及技术路线 3

第二章 工程概况 4

2.1 大梁隧道简介 4

2.2 地质构造 4

2.2.1地形、地貌 4

2.2.2 地层岩性 4

2.2.3 不良地质构造 5

2.2.4 特殊岩土 5

2.3 水文地质 6

2.3.1 地表水 6

2.3.2 地下水 6

第三章 开挖方案选择 7

3.1 开挖原则 7

3.2 正常围岩开挖 7

3.2.1 方案介绍 7

3.2.2各级围岩开挖方案选择 8

3.3 异常围岩开挖 10

第四章 隧道爆破方案 12

4.1 爆破方案选择 12

4.2 爆破参数选择 12

4.2.1掏槽方式 12

4.2.2装药结构及堵塞方式 12

4.2.3起爆网路及起爆方式 13

4.2..4爆破震动验算 13

4.2.5爆破效果及振动监控和爆破设计优化 13

4.2.6施工注意事项 13

4.3 爆破安全计算 14

4.3.1 爆破震动安全计算 14

4.3.2爆破飞石 16

4.3.3 爆破防毒气安全距离计算 16

4.4 炮孔示意图 17

第五章 潜在地质灾害及其因素分析 20

5.1 隧道塌方 20

5.2 围岩岩爆 20

5.3 地下水影响 20

5.4 瓦斯爆炸 21

第六章 优化参数降低灾害发生可能性 22

6.1 大梁隧道情况 22

6.1.1 F5逆断层 22

6.1.2 褶皱 22

6.1.3 隧道围岩松动圈 22

6.1.4 突水突石 23

6.1.5 隧道变形 23

6.2 工程优化 25

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

随着交通建设不断迅猛地发展，隧道工程正逐步朝向长、大、深埋方向发展。我国国土面积广阔，三分之二以上属于山地五陵地形，地质条件复杂，尤其不良地质地带分布广泛。因此，在隧道工程修建过程中，穿越断层等复杂地质带的现象屡见不鲜。譬如：我国最长的铁路隧道——新关角隧道，全长32.605km，穿过了断层破碎带、软岩、岩溶、高水足和冻王等不良地质地带。我国最长的海底隧道一青岛胶州湾海底隧道，海底段长约3.95km，共穿越18条断层且承受趙强的水压力作用。我国第一、世界第二长的终南山公路隧道，横穿了各种复杂地质地段，如断层破碎带、松散土层、富水地段，且施工过程中发生过岩爆现象。秦岭铁路隧道也发生过不良地质灾害，主要有岩爆、断裂带涌水、放射物质和高地温等。根据穿趙地质情况的不同，隧道的施工方法也各不相同。目前，最常用的开挖方式之一是钻孔爆破法。与其它施工方法相比，钻爆法施工具有快速、安全和低成本等优点，它不仅适用于硬岩，也适用于软岩，并且逐渐向大断面、少分部等开挖方法转变，其主要开挖方法包括全断面开挖、台阶法开挖与分部开挖等。目前，钻爆法在隧道及地下工捏建设中得到了广泛的应用，如厦口翔安公路踐道、乌銷岭铁路隧道、太行山山岭隧道及西秦岭铁路隧道等。

＂新奧法＂指出：在隧道爆破掘进开挖过程中，尽量降低爆破振动对隧道围若的扰动破坏，并充分发挥围岩的自稳能力。一般情况下，坚硬且完整的岩体在爆破作用下，强度会有所降低，但仍具有一定的自稳能力，使岩体稳定性具有一定保障。然而，对于断层等特殊围若，断层具有结构疏松和自稳能力差等特点，若施工工艺安排不合理，轻则出现超欠挖现象，重则发生塌方、涌水等工程事故，造成严重的经济损失，并直接威胁现场作业人员的生命安全。所当断层隧道采用钻爆法开挖时，首先进行爆破工程地质勘察，分析与评价断层等岩体的地质情况；其次，通过理论知识、数值仿真模拟及工程实践经验，预测隧道围岩的爆破效果和后续可能发生影响施工安全的地质问题：最后，根据预测分析结果，进行合理的隧道爆破设计方案，采取相应的防范与治理措施，达到控制爆破效果及保证隧道安全稳定的目的。

针对隧道穿越断层等不良地质地段，爆破开挖前有必要了解断层对隧道施工力学行为的影响。因此，在不同断层倾角及位置的基础上，分析围岩竖向振速峰值和最大主应力峰值的动力响应特征，得到爆破振动作用下隧道围岩的动力响应规律。然后，基于上述分化进行隧道的注浆优化设汁。

1.2 国内外研究现状

近些年，随着我国西部大开发战略的实施，国家对能源、交通、通讯和水利等基础设施建设的投入不断加大，规划和建设了大量的铁路和公路运输系统，高速铁路迅速发展。铁路和公路运输系统越来越多地采用隧道工程穿越山岭，跨越江河海湾，隧道工程的规模、数量及复杂程度均显著增加。截至2009年底，经过近十年的快速发展，中国已经成为世界上发展最快的隧道及地下工程建设市场，中国的隧道施工技术已达到世界先进水平。我国的铁路隧道飞跃发展，据不完全统计，我国建成的铁路隧道总长度已经超过7000公里。到2020年前，预计超过总长9000公里的5000座隧道在规划建设之中。

在我国隧道规划建设突飞猛进的发展过程中，同样出现了许多隧道工程技术难题。公路与铁路隧道在穿越山岭的施工建设过程中，高地应力、较强残余构造应力、浅埋偏压地段及断层破碎带是普遍存在的，由此引起的施工过程中的围岩大变形增加施工难度，对施工安全造成极大影响。发生这种大变形的围岩一般被称为软岩(soRrock)、挤出性围岩(squeezingrock)或膨胀岩(swelling rock or expansive rock)。铁路与公路隧道设计规范己明确的界定极硬岩、硬质岩、软质岩和极软岩的类型与区别，因此将发生这种大变形的这类岩石统称为软岩。在高地应力条件下，有时中硬以上的岩体也将表现出软岩特质，因此将之称为高地应力软岩。在隧道埋深较深的情况下，施工开挖造成高地应力软岩持续变形并且较难稳定，在围岩稳定后因施工造成扰动又将继续发生变形。

从大量深埋隧道工程建设的经验中可知，因为深埋隧道埋深较大，其地质环境越加复杂。一般浅埋地下工程中易发生的地质问题，如涌水、塌方、岩溶塌陷、瓦斯爆炸以及有害气体、地震等问题在深埋地下工程中都可能发生。大量工程实践表明，高地应力条件下隧道开挖造成的围岩挤压性大变形是目前深埋隧道急需解决的施工难题。1992年12月开工的家竹箐隧道，在正洞开挖至最大埋深(404m)时，隧道处于煤系地带中，由于高地应力(水平地应力=16.09MPa，垂直地应力=8.57MPa)作用，支护体系发生较大破坏，围岩发生大变形，拱顶下沉变形80~100cm，底板鼓起变形50～80cm，两侧边墙向洞内方向偏移50~60cm，至1995年12月底，发生大变形的隧道长度达到390m。在隧道大变形灾害最严重的地段，拱顶下沉最大变形达到240cm，底板鼓起最大变形达到80~100cm。另外，在青藏线4．0km长的关角隧道、宝中线3.136km长的大寨岭隧道及1.904km长的堡子梁隧道、川藏线4．476km长的盘山公路隧道以及渝长线4.7km长的华蓥山公路隧道等均出现了不同程度的围岩大变形问题，不但增大施工难度，对施工人员的安全造成威胁。大量工程实践表明，围岩大变形是隧道施工过程中难以解决的问题，其造成损失也是巨大的。国外的深埋隧道工程建设当中，围岩大变形现象也是普遍存在的。日本的惠那山(Enasan)公路隧道，奥地利的陶恩(Tauem)隧道、阿尔贝格(Arlberg)隧道等都是发生围岩大变形的典型案例。对于目前屡屡发生的围岩大变形灾害，体现出了对围岩大变形研究的不足，在施工设计过程中往往不能预测其发生，控制围岩大变形的工程对策也是有限的。甚至到目前为止，就连大变形的概念也没有明确定义或者是达成统一的意见。

1.3 本文研究内容及技术路线

本文以兰州至乌鲁木齐第二双线甘青段大梁隧道爆破开挖为背景，在给定的隧洞设计方案的基础上，针对爆破开挖程序、爆破方法以及参数优化进行计算，主要包括以下内容：

1）阅读设计资料并查阅相关施工设计手册和设计规范，明确施工设计基本方法、步骤和要求；根据设计资料中给出的地质条件和隧洞洞形、尺寸等，校核已有的孔网布置、爆破网路设计和最大单段药量施工设计参数。

2）查阅相关文献，了解深部岩体围岩特性与特殊赋存环境，了解围岩失稳灾变的主要类型。

3）阐述并分析潜在的地质灾害种类，及其相关因素。

4）根据大梁隧道项目的特殊情况，找到引发地质灾害的因素，并通过开挖爆破找到如何控制这些因素，从而降低地质灾害概率。

第二章 工程概况

2.1 大梁隧道简介

隧道位于青海省门源县，地处祁连山中高山区，平均海拔3600～4200m，最高海拔为4430m。隧址区山高坡陡，基岩部分裸露，沟壑纵横；隧道进出口两端低而洞身部位高，进口段沟谷发育，基本呈东西向发展，沟内有季节性流水，堆积有大量块石；出口位于硫磺沟侧陡坡。隧道起讫里程DK328 819～DK335 380，全长6550m，为双线隧道，洞内线路纵坡为6‰-9‰的人字坡，除进口端位于曲线上外，其余均位于直线。

隧道进口段左侧约3km为既有宁张公路，为本区主要交通干线；出口硫磺沟内有一通往一颗树煤矿的便道，但路面较窄，大型车辆难以通行。

本段分布奥陶系中统砂岩、灰岩、板岩，二叠系砂岩，断层带内分布有断层碎裂岩及断层泥砾，山坡坡面及冲沟内分布有第四系粉土、细角砾土、粗角砾土、碎石土、块石土等。隧道洞身上方，有三条与隧道走向斜交的较大支沟，沟内冬季冰雪覆盖，春季中后期开始有冰雪融水，夏秋季有降雨汇聚暂时流水。

2.2 地质构造

2.2.1地形、地貌

大梁隧道位于青海省门源县，地处祁连山中高山区，平均海拔3600-4200m,最高海拔为4430m。隧址区山高坡陡，基岩部分裸露，沟壑纵横；隧道进、出口两端低而洞身部位高，进口段沟谷发育，基本呈东西向展布，沟内有季节性流水，堆积有大量块石；出口为硫磺沟侧陡坡。

2.2.2 地层岩性

大梁隧道区域主要分布奥陶系中统砂岩、灰岩、板岩，二叠系砂岩，断层带内分布有断层碎裂岩及断层泥砾，山坡坡面及冲沟内分布有第四系粉土、细角砾土、粗角砾土、碎石土、块石土等。围岩占比统计见表1。

表1 正洞围岩统计

围岩分布情况见图1。

图1 围岩分布图

2.2.3 不良地质构造

1. 断层

F5逆断层：洞身通过位置(DK334 840～DK334 940) ，断层总体走向N60︒W～EW，断裂面产状75︒W／79︒S，为一逆断层，断层上盘地层为奥陶系条带状结晶灰岩和砂质板岩，下盘为二叠系浅白色、灰白色砂岩，该断层形成于加里东期，燕山期复活，破碎带宽约100m，破碎带内主要以断层角砾为主。见图2.3，图2.4。

1. 褶皱

牛河脑一托拉沟上游向斜：北西西向缓波状分布于老虎沟脑一托拉沟上游一带，长约100km。南北两侧受断裂切割，构造形态不完整。核部广泛出露奥陶系中统千枚岩、砂质板岩及结晶灰岩。两翼不对称，北陡，倾角一般为70︒~75︒，南缓，倾角50︒～65︒。为一紧密线性褶皱，轴面略北东倾。轴脊线波状起伏，总体有西端扬起之势。见图2-1，图2.2。

1. 塌方

DK334 258~265存在宽约7米的塌方带。见图2.4。

图2-1 隧道平面图（隧道进口）

图2.2 隧道平面图（隧道出口）

图2.3 隧道纵断面图

图2.4 不良地质构造刨面图

2.2.4 特殊岩土

冻土：大梁隧道工点地处高寒地区，根据《中国冻土》，祁连山区冻土层下限海拔为3500m一3700m，冻土层厚度为8~140m，在隧道出口段钻探钻孔LHGZ-1、DLXZ-3中发现冻土及含冰夹层，冻土层厚约15~25m。

2.3 水文地质

2.3.1 地表水

隧道洞身上方，有三条与隧道走向斜交的较大支沟，沟内冬季冰雪覆盖，春季中后期开始有冰雪融水，夏秋季有降雨汇聚暂时流水。由于地表水对隧道工程无直接影响，故可忽略。

2.3.2 地下水

地下水类型主要有第四系孔隙潜水、基岩裂隙水和构造裂隙水。

(1)第四系孔隙潜水：分布于隧道进口端(长度约0.61km)、出口端(长度约为0.43km)及洞身上方支沟内，含水层以卵石、砾石为主，属于单层结构含水层，受山体覆雪融化、大气降水及基岩裂隙水补给，第四系孔隙潜水的水位较浅，对隧道工程无直接影响。

(2)基岩裂隙水：广泛分布于基岩节理和裂隙之中，其补给来源主要是高山冰雪融化、大气降水及第四系孔隙潜水。受重力作用，基岩裂隙水呈下降运动趋势，并以此排泄。水量大小主要受岩体裂隙发育程度和岩体构造控制。灰岩夹板岩区单泉流量大于10，地下径流模数大于20；水化学类型为HC03-Ca·Mg及HC03-S04-Ca·Mg型水，矿化度小于0.1～0.59g／L。

(3)构造裂隙水：分布于断裂带、褶曲轴部及其影响带中。含水层岩性为脆性硬质岩，岩体构造节理、裂隙发育，断层为阻水性逆断层。单泉流量大于10，地下径流模数大于20。水化学类型为碳酸氢根、硫酸根、钙离子、钠离子型水，矿化度小于0.2~0.6g/L。

第三章 开挖方案选择

3.1 开挖原则

在保证围岩稳定或减少对围岩扰动的前提条件下，根据设计图纸开挖方法进行掘进,发现与设计地质不符时与设计单位联系,确定新的施工方法，并尽量提高掘进速度。在选择掘进方式时，一方面考虑隧道围岩地质条件及其变化，使围岩能保持稳定；另一方面考虑岩体的坚硬程度，既能保证掘进速度，又能减少对围岩的扰动，确保施工安全。

施工中坚持先探后挖的施工原则，将超前地质预报纳入施工循环，不探明前方地质，不能开挖。同时本着稳定掌子面、及时闭合和加固地层的原则，相互补充，合理选择开挖方法。

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：