cz第二章烏鞘嶺F7斷層隧道工程介紹共18頁(yè)

1、第二章 烏鞘嶺F7斷層隧道工程介紹本章主要介紹烏鞘嶺隧道的基本工程情況，地應(yīng)力的分布情況，以及 工程軟巖的概念，討論在F7斷層中使用的施工方法。第一節(jié) 工程概況2.1.1概述蘭新鐵路蘭州武威南增建第二線線路起于蘭州西站，沿黃河二級(jí)階地西行經(jīng)河口南站跨黃河后沿溯莊浪河而上，在既有線蘭武段打柴溝站與 龍溝車(chē)站之間以特長(zhǎng)隧道穿越烏鞘嶺后沿龍溝河、古浪河峽谷而下，進(jìn)入 河西走廊與既有線并行引入武威南站。烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道位于既有蘭新線蘭武段打柴溝車(chē)站和龍溝車(chē)站之間、設(shè)計(jì)為兩座單線隧道，左、右線隧道長(zhǎng)20050m隧道出口段線路位于半徑為1200m曲線上，右、左線緩和曲線伸入隧道68.384及127.29m，

2、隧道其余地段均位于直線上，線間距為40m兩座隧道線路縱坡相同，主要為11%。的單面下坡，右線隧道較左線隧道高0.560.73m。隧道進(jìn)口位于天祝縣打柴溝鎮(zhèn)趙家莊附近，地形開(kāi)闊、施工條件和棄渣條件好，右線軌面設(shè)計(jì) 高程2663.36m，出口位于古浪縣龍溝鄉(xiāng)的沙溝臺(tái)，地形較窄，施工場(chǎng)地和 地形條件較差，右線軌面設(shè)計(jì)高程2447.32m。交通便利，隧道最大埋深1100m左右。本隧道全部采用鉆爆法施工。 右線隧道總工期為32個(gè)月，隧道于2003年2月1日開(kāi)工，其中施工準(zhǔn)備1個(gè)月，主體工程于2005年4月30日主 體完工，計(jì)26個(gè)月；彈性整體道床2個(gè)月，鋪軌及四電3個(gè)月，施工工期 比較緊迫。為此，為加快

3、施工進(jìn)度，全隧道除在4個(gè)洞口掘進(jìn)施工外，右 線設(shè)8個(gè)斜井、1個(gè)豎井，左線設(shè)5個(gè)斜井、1個(gè)豎井及1個(gè)橫洞，共計(jì)16個(gè)輔助坑道20個(gè)工作面。2.1.2地形地貌烏鞘嶺隧道洞身橫穿祁連褶皺系的北祁連優(yōu)地槽褶皺帶和走廊過(guò)渡 段兩個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，褶皺和斷裂發(fā)育，本段通過(guò)加里東期褶皺帶和海西 印支期褶皺帶。共有四條區(qū)域性大斷裂，毛毛山南緣斷層(F4)出露寬度200mv- 500n,大柳樹(shù)溝一黑馬圈河斷層(F5)出露寬度80m 260m,毛毛山 嶺中斷層(F6)出露寬度40m- 80m,毛毛山一老虎山斷層(F7)出露寬度400m 800m局部大于1000m區(qū)域資料顯示，全新世以來(lái)F7斷層仍有活動(dòng)跡象。本區(qū)整體

4、屬于祁連山東北部中高山區(qū)，隧道進(jìn)口以南為莊浪河河谷 區(qū)，出口以北為古浪河河谷區(qū)，隧道經(jīng)過(guò)烏鞘嶺毛毛山中高山區(qū)，根據(jù) 山體相對(duì)高度，進(jìn)一步劃分為烏鞘嶺南坡梁狀丘陵區(qū)、烏鞘嶺中高山區(qū)和 烏鞘嶺北坡低高山區(qū)三個(gè)次級(jí)地貌單元。2.1.3工程地質(zhì)條件本地區(qū)地層巖性復(fù)雜，沉積巖、火成巖、變質(zhì)巖三大巖類(lèi)均有，且以 沉積巖為主，其分布主要受區(qū)域斷裂構(gòu)造控制。區(qū)內(nèi)出露的地層主要有第第15頁(yè)四系、第三系、白堊系及三疊系沉積巖，志留系、奧陶系變質(zhì)巖，并有加里東晚期閃長(zhǎng)巖侵入。圍巖主要由v、w類(lèi)圍巖組成。右線11#斜井正洞工區(qū)于YDK177+852比原設(shè)計(jì)提前42m進(jìn)入F7斷層， 于YDK177+765附近進(jìn)入斷層主

5、帶，在YDK177+690附近進(jìn)入斷層核心地段， 隧道埋深約400m圍巖以斷層泥礫、斷層角礫巖為主，局部為碎裂巖，呈 灰綠色、灰白色、圍巖破碎。擠壓現(xiàn)象明顯，礦物被剪斷、拉長(zhǎng)，可見(jiàn)糜 棱化現(xiàn)象，次生結(jié)構(gòu)面發(fā)育，大部分結(jié)構(gòu)面呈垂直狀、有扭曲現(xiàn)象；圍巖 所夾的石英團(tuán)塊，由于受擠壓影響，手捏呈砂礫狀、粉末狀。結(jié)構(gòu)面有明 顯的磨光現(xiàn)象及擦痕，充填角礫物。碎裂板巖呈層狀，夾雜灰白色的碎裂 砂巖，含較多的石英脈，巖層扭曲。巖體完整性差，自穩(wěn)能力差，無(wú)明顯 的地下水出露，呈潮濕狀。該段偶爾有磚紅色砂巖與掌子面成斜交狀態(tài)， 夾雜于斷層泥礫、角礫巖中。物質(zhì)呈角礫狀、散土狀，易出現(xiàn)坍塌、變形16O2.1.4水文地

6、質(zhì)特征隧道范圍內(nèi)，圍巖富水性分區(qū)劃分為中等富水區(qū)：主要為嶺南的安山巖帶（Q）、隧道進(jìn)口第四系地層、嶺北的砂質(zhì)板巖（S）及F4、F5、F6和F7斷層破碎帶及影響帶。弱富水區(qū)：主要為嶺南和嶺中的砂巖夾頁(yè)巖帶（T3）。貧水區(qū)：主要為嶺南紫紅色砂礫巖夾泥巖帶（2）、嶺中閃長(zhǎng)巖帶（3）、嶺北（K）砂礫巖夾泥巖地層。隧道的涌水量按徑流模數(shù)法與地下 水動(dòng)力學(xué)計(jì)算，右線考慮半導(dǎo)超前引排因素，預(yù)計(jì)最大總涌水量為9621.81m3/d，左線隧道（平導(dǎo)）最大總涌水量16114.78m3/d。2.1.5氣候、土壤與植被本段線路位于中溫帶干旱氣候區(qū)，春季多風(fēng)，少雨干旱；夏季酷熱， 降雨增多；秋季涼爽，降溫較快；冬季寒冷

7、，干旱少雪。沿線年平均氣溫-0.1C5.1C,絕對(duì)最高氣溫28.1C34.7C,最低-29.0C-30.6C; 多年平均降水量357.8409.4mm最大降水量552.7mm;多年平均蒸發(fā)量15481813.6mm;瞬時(shí)最大風(fēng)速27.629m/s，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)楸北蔽鳎畲?積雪厚度2436mm土壤凍結(jié)深度138200cm沿線地段因受高山地貌的影響，土壤類(lèi)型呈明顯的垂直坡向性變化， 由高到低分布有高山草甸土、亞高山灌叢草甸土、山地灰褐土、黑鈣土、 山地栗鈣土；所經(jīng)區(qū)域植被主要為高山草地、亞高山灌叢、山地草原、火 絨草草原和禾本科雜草草原。本段線路穿越烏鞘嶺中低山區(qū)，地形起伏， 地勢(shì)陡峭，降水相對(duì)較

8、多， 植被生長(zhǎng)狀況良好， 主要發(fā)育為粗骨性土； 土壤侵蝕方式主要是水力侵蝕，2常以面蝕、溝蝕等形式出現(xiàn)。土壤侵蝕模數(shù)為20002500t/kma,屬輕度 侵蝕。本段處在重點(diǎn)預(yù)防保護(hù)區(qū)。第二節(jié) 地應(yīng)力討論2.2.1了解地應(yīng)力的必要性地應(yīng)力是存在地層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力，也稱(chēng)巖體初始應(yīng)力、 絕對(duì)應(yīng)力或原巖應(yīng)力。是引起各種地下或露天巖石開(kāi)挖工程變形和破壞的 根本作用力，是確定工程巖體力學(xué)屬性，進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性分析，實(shí)現(xiàn)巖石第17頁(yè)工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)和決策科學(xué)化的必要前提條件為了對(duì)各種巖石工程進(jìn)行科學(xué)合理的開(kāi)挖設(shè)計(jì)和施工，就必須對(duì)影響 工程穩(wěn)定的各種因素進(jìn)行充分調(diào)查。只有詳細(xì)了解這些工程影響因素，并 通過(guò)

9、定量的計(jì)算和分析，才能做出既經(jīng)濟(jì)又安全實(shí)用的工程設(shè)計(jì)。在諸多 的影響巖石開(kāi)挖工程穩(wěn)定性因素中，地應(yīng)力狀態(tài)是最重要最根本的因素之 一。對(duì)鐵路隧道設(shè)計(jì)而言，掌握具體工程區(qū)域的地應(yīng)力條件，才能合理確 定線路走向、斷面形式和尺寸。如根據(jù)彈性力學(xué)理論，隧道開(kāi)挖斷面最佳 形狀主要由其斷面內(nèi)兩個(gè)主應(yīng)力的比值來(lái)決定。為了減少隧道周邊的應(yīng)力 集中現(xiàn)象，最理想的開(kāi)挖斷面是一個(gè)橢圓，橢圓在水平和垂直方向的兩個(gè) 半軸的長(zhǎng)度之比與該斷面內(nèi)水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力之比相等。在此情況 下，隧道周邊將處于均勻等壓應(yīng)力狀態(tài)，這是一種最穩(wěn)定的受力條件。同 樣，在考慮隧道走向時(shí)， 最理想的走向是與最大主應(yīng)力方向相平行。 當(dāng)然， 實(shí)際

10、隧道工程中還要綜合考慮工程需要、經(jīng)濟(jì)性和其它條件。人們認(rèn)識(shí)地應(yīng)力還只是近百年的事。1912年瑞士地質(zhì)學(xué)家海姆(A.Heim)在大型越嶺隧道的施工過(guò)程中，通過(guò)觀察和分析，首次提出了地應(yīng)力的概 念，并假定地應(yīng)力是一種靜水壓力狀態(tài)，地殼中任意一點(diǎn)的應(yīng)力在各個(gè)方 向上均相等，且等于單位面積上覆蓋層的重量，即：hvH(2.1)式中，h為水平應(yīng)力；為垂直應(yīng)力；H 為深度。1926年，蘇聯(lián)學(xué)者金尼克（A.H.從UHHUK）修正了海姆靜水壓力假設(shè)，認(rèn)為地殼中各點(diǎn)的垂直應(yīng)力等于上覆巖層的重量，而側(cè)向應(yīng)力（水平應(yīng)力）是泊松效應(yīng)的結(jié)果，其值應(yīng)為YH乘以一個(gè)修正系數(shù)。他根據(jù)彈性力學(xué)理論，推出：H,h(2.2)式中，v

11、為上覆巖層的泊松比同期其他一些人主要關(guān)心的也是如何用數(shù)學(xué)公式來(lái)定量地計(jì)算地應(yīng)力 大小，并且也都認(rèn)為地應(yīng)力只與重力有關(guān)，即以垂直應(yīng)力為主，他們的不 同點(diǎn)只在于側(cè)壓系數(shù)的不同。然而，許多地質(zhì)現(xiàn)象，如斷裂、褶皺等均表 明地殼中水平應(yīng)力的存在。 早在上世紀(jì)20年代，我國(guó)地質(zhì)學(xué)家李四光就指 出：“在構(gòu)造應(yīng)力的作用僅影響地殼上層一定厚度的情況下，水平應(yīng)力分量的重要性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)垂直應(yīng)力分量”。20世紀(jì)50年代，哈斯特（N.Hast）首先在斯堪的納維亞半島進(jìn)行了地應(yīng) 力測(cè)量工作，發(fā)現(xiàn)存在于地殼上部的最大主應(yīng)力幾乎處處是水平和接近水 平的，而且最大水平主應(yīng)力一般為垂直應(yīng)力的12倍，甚至更多；在某些地表面，測(cè)得的最

12、大水平應(yīng)力為7MPa在根本上動(dòng)搖了地應(yīng)力是靜水壓力 的理論和垂直應(yīng)力為主的觀點(diǎn)。后來(lái)的進(jìn)一步研究表明，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是引起地應(yīng)力的主要原 因，其中，尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的形成影響最大。當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)主要由最近一次的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，但也與歷史上的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)有關(guān)。由于億萬(wàn)年來(lái)，地球經(jīng)歷了無(wú)數(shù)次大大小小的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，各次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的 應(yīng)力場(chǎng)也經(jīng)過(guò)多次的疊加、牽引和改造，另外地應(yīng)力場(chǎng)還受到其它因素的 影響，因而造成了地應(yīng)力狀態(tài)的復(fù)雜性和多變性。2.2.2地應(yīng)力的成因產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)雜的，也是至今尚不十分清楚的問(wèn)題。 多年來(lái)的實(shí)測(cè)和理論分析表明，地應(yīng)力形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò) 程有關(guān)

13、，其中包括：板塊邊界受壓、地幔熱對(duì)流、地球內(nèi)應(yīng)力、地心引力、 地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴(kuò)容等。另外，溫度不均、水壓梯度、 地表剝蝕或其它物理化學(xué)變化引起的應(yīng)力場(chǎng)。其中，構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)和重力應(yīng) 力場(chǎng)為現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的主要組成部分。2.2.3地應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律通過(guò)理論研究，地質(zhì)調(diào)查和大量的地應(yīng)力測(cè)量資料的分析研究，已初 步認(rèn)識(shí)到淺部地殼應(yīng)力分布的一些基本規(guī)律：地應(yīng)力是一個(gè)具有相對(duì)穩(wěn)定 性的非穩(wěn)定性應(yīng)力場(chǎng)，它是時(shí)間和空間的函數(shù)；實(shí)測(cè)垂直應(yīng)力基本等于上 覆巖層的重量，但在某些地區(qū)的測(cè)量結(jié)果有一定幅度的偏差，上述偏差除 有一部分可能歸結(jié)于測(cè)量誤差外，板塊移動(dòng)、巖漿對(duì)流和侵入、擴(kuò)容、不 均勻膨脹等也

14、都可以引起垂直應(yīng)力的異常；水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力， 在絕大多數(shù)地區(qū)均有兩個(gè)主應(yīng)力位于水平或接近水平的平面內(nèi)，最大水平 主應(yīng)力h,max普遍大于垂直應(yīng)力v,h,max與v的比值一般為0.55.5,與Cv的比值為0.81.5，說(shuō)明淺層地殼中平均水平應(yīng)力普遍大于垂直應(yīng)力,第19頁(yè)30h,av垂直應(yīng)力在多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力，少數(shù)情況下為中間主應(yīng)力，只在個(gè)別情況下為最大主應(yīng)力，這再次說(shuō)明，水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)如板塊移動(dòng)、 碰撞對(duì)地殼淺層地應(yīng)力的形成起控制作用；平均水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力的比 值隨深度增加而減小，在深度不大的情況下，h,av與Cv的比值相當(dāng)離散，隨著深度的增加，該值的變化范圍逐步縮小，并向1

15、附近集中，這說(shuō)明在 地殼深部有可能出現(xiàn)靜水壓力狀態(tài)；最大水平應(yīng)力和最小水平應(yīng)力也隨深 度呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，與垂直應(yīng)力不同的是，水平主應(yīng)力線性回歸方程中的 常數(shù)項(xiàng)比垂直應(yīng)力線性回歸方程中的常數(shù)項(xiàng)數(shù)值要大些。這反映了在某些 地區(qū)近地表處仍存在顯著水平應(yīng)力的事實(shí)；最小水平主應(yīng)力和最大水平主 應(yīng)力之值一般相差較大，h,min與h,max之比一般為0.20.8，多數(shù)情況下為0.40.8，顯示出很強(qiáng)的方向性1718。地應(yīng)力的上述分布規(guī)律還會(huì)受到地形、地表剝蝕、分化、巖體結(jié)構(gòu)特 征、巖體力學(xué)性質(zhì)、溫度、地下水等因素的影響，特別是地形和斷層的擾 動(dòng)影響最大。地形對(duì)原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的。 在具有負(fù)地形的峽

16、谷和山區(qū)， 地形的影響在侵蝕基準(zhǔn)面以上及其以下一定范圍內(nèi)表現(xiàn)特別明顯。一般說(shuō) 來(lái)，谷底是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯。最大主應(yīng)力在 谷底或河床中心近于水平。在斷層和結(jié)構(gòu)面附近，地應(yīng)力分布狀態(tài)將會(huì)受到明顯的擾動(dòng)。斷層端 部、拐角處及交匯處將出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。端部的應(yīng)力集中與斷層長(zhǎng)度有 關(guān)，長(zhǎng)度越大，應(yīng)力集中越強(qiáng)烈，拐角處的應(yīng)力集中程度與拐角大小及其第21頁(yè)與地應(yīng)力的相互關(guān)系有關(guān)。當(dāng)最大主應(yīng)力的方向和拐角的對(duì)稱(chēng)軸一致時(shí)， 其外側(cè)應(yīng)力大于內(nèi)側(cè)應(yīng)力。2.2.4 F7斷層地應(yīng)力分布情況的介紹烏鞘嶺特長(zhǎng)隧道F7斷層位于毛毛山嶺北山前，延伸長(zhǎng)度為174Km斷層走向北西西向，傾向南，傾角700，前

17、期為逆斷層，后期表現(xiàn)為左旋走滑 斷層。斷層物質(zhì)主要由斷層泥礫及碎裂巖組成，灰白色灰黑色，角礫直 徑在310cm之間，松散破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，破碎帶出露寬度400800m,局部大于1000m隧道通過(guò)斷層破碎帶長(zhǎng)度為785m全新世以來(lái)該斷層仍有活動(dòng)跡象，經(jīng)綜合研究得出，全新世以來(lái)的平均滑動(dòng)速率為2.082.50mm/a，平均垂直滑動(dòng)速率為0.0600.027mm/a。烏鞘嶺隧道F7斷層通過(guò)地段大致埋深為350m- 420m通過(guò)鉆孔取芯 實(shí)測(cè)，圍巖較為軟弱。通過(guò)中國(guó)地震局工程地震研究中心與中國(guó)地震局地 殼應(yīng)力研究所在測(cè)區(qū)進(jìn)行的水壓致裂法初始地應(yīng)力實(shí)測(cè)，在斷層北段最大 水平主應(yīng)力為10.2615.24MP

18、a，斷層南段最大水平主應(yīng)力為31.6132.84 MPa巖石內(nèi)富含明顯較高的構(gòu)造應(yīng)力。受斷層長(zhǎng)期的活動(dòng)，特別是 逆斷層和左旋逆走滑斷層活動(dòng)方向的影響，斷層受到構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力 的長(zhǎng)期作用，其圍巖處于三向受壓（強(qiáng)擠壓）狀態(tài)。第三節(jié) 軟巖的概念及其分類(lèi)2.3.1概述從20世紀(jì)60年代到90年代初，關(guān)于軟巖的概念在國(guó)內(nèi)外一直爭(zhēng)論不休，產(chǎn)生軟巖定義多達(dá)幾十種。1981年9月，國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)委托日本力學(xué)協(xié)會(huì)召開(kāi)了國(guó)際軟巖學(xué)術(shù)討論會(huì)，軟巖的概念問(wèn)題被作為重要的議題進(jìn)行討論。但是在近年來(lái)的文獻(xiàn)中，關(guān)于軟巖的概念仍然名目繁多、定義 各異，各有優(yōu)缺點(diǎn)，總括起來(lái)，大體上分為描述性定義、指標(biāo)性定義和工 程定義3

19、類(lèi)。第一類(lèi)是描述性定義，其中主要觀點(diǎn)有：松軟巖層系指松散、軟弱的 巖層，它是相對(duì)于堅(jiān)硬巖層而言的，松軟巖層由于成巖的時(shí)間短、結(jié)構(gòu)疏 松、膠結(jié)程度差，故自身強(qiáng)度很低；軟巖是軟弱、破碎、松散、膨脹、流 變、強(qiáng)風(fēng)化蝕變及高地應(yīng)力的巖體之總稱(chēng)；松散巖層是指強(qiáng)度低、空隙度 大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦 物的松、散、軟、弱巖層。第二類(lèi)是指標(biāo)化定義，其中主要觀點(diǎn)有：軟巖是指單軸抗壓強(qiáng)度在0.525MPa的一類(lèi)巖石； 昇（H ） 2的巖層稱(chēng)為軟巖（式中c為單軸抗壓強(qiáng)度； 為巖石容重； H 為深度）。第三類(lèi)是工程定義，其中主要觀點(diǎn)有：松動(dòng)圈厚度大于1.5m的圍巖，稱(chēng)為軟巖；松

20、動(dòng)圈厚度大于1.5m的圍巖，并且用常規(guī)支護(hù)不能適用的圍巖 稱(chēng)為軟巖；松散巖層是指難支護(hù)圍巖，或多次支護(hù)，需要重復(fù)翻修的圍巖。由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于軟巖的定義尚不能統(tǒng)一，這嚴(yán)重阻礙了軟巖的 學(xué)術(shù)交流和研究的深入。作為軟巖的定義，應(yīng)抽象出前述各家定義的共性 規(guī)律，抽象出軟巖的本質(zhì)特征，力求簡(jiǎn)明扼要并反映軟巖的實(shí)質(zhì)性規(guī)律。為了便于理論研究和工程應(yīng)用，將軟巖分為地質(zhì)軟巖和工程軟巖分別予以第23頁(yè)定義。目前人們普遍采用的軟巖定義基本上可歸于地質(zhì)軟巖的范疇，按地質(zhì) 學(xué)的巖性劃分，地質(zhì)軟巖是指強(qiáng)度低、空隙度大、膠結(jié)程度差、受構(gòu)造面 切割及風(fēng)化影響顯著或含有大量膨脹性粘土礦物的松、散、軟、弱巖層， 該類(lèi)巖石多為

21、泥巖、頁(yè)巖、粉砂巖和泥質(zhì)砂巖，是天然形成的復(fù)雜地質(zhì)介 質(zhì)。國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)將軟巖定義為單軸抗壓強(qiáng)度c在0.525MPa之間的一類(lèi)巖石，屬于地質(zhì)軟巖的范疇，其分類(lèi)依據(jù)是巖石的強(qiáng)度指標(biāo)，該定 義用于工程實(shí)際會(huì)出現(xiàn)一些矛盾，如隧道所處深度足夠淺，地應(yīng)力水平足 夠低，則單軸抗壓強(qiáng)度小于25MPa的巖石也不會(huì)產(chǎn)生軟巖的特征，工程實(shí) 踐中，采用比較經(jīng)濟(jì)的一般支護(hù)技術(shù)即可奏效；相反，大于25MPa的巖石,如其工程部位所處的深度足夠深，地應(yīng)力水平足夠高，也可產(chǎn)生軟巖的大 變形、大地壓、難支護(hù)的現(xiàn)象。因此地質(zhì)軟巖的概念不能用于工程實(shí)踐， 故提出工程軟巖的概念。工程軟巖19是指在工程力作用下能產(chǎn)生顯著塑性變形的工

22、程巖體。如 果說(shuō)目前流行的軟巖定義強(qiáng)調(diào)了軟巖的軟、弱、松、散等低強(qiáng)度的特點(diǎn)， 那么工程軟巖的定義不僅重視軟巖的強(qiáng)度特性，而且強(qiáng)調(diào)軟巖所承受的工 程力荷載大小，強(qiáng)調(diào)從軟巖的強(qiáng)度和工程力荷載的對(duì)立統(tǒng)一關(guān)系中分析、 把握軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)，即工程軟巖要滿(mǎn)足的條件是：U式中： 為工程荷載(MPa)； 為工程巖體強(qiáng)度(MPa)； U 為隧道變形值(mm)；U 為隧道允許變形值(mm)。該定義的主題詞是工程巖體、工程力和顯著塑性變形。工程巖體是隧 道開(kāi)挖擾動(dòng)影響范圍之內(nèi)的巖體，包含巖塊、結(jié)構(gòu)面及其空間組合特征； 工程力是指作用在工程巖體上的力的總和， 它可以是重力、 構(gòu)造殘余應(yīng)力、 水的作用力和工程擾動(dòng)力以

23、及膨脹應(yīng)力等；顯著塑性變形是指以塑性變形 為主體的變形量超過(guò)了工程設(shè)計(jì)的允許變形值，并影響了工程的正常使用，顯著塑性變形包含顯著彈塑性變形、粘彈塑性變形，連續(xù)性變形和非連續(xù) 性變形等。此定義揭示了軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)，即取決于工程力與巖體強(qiáng)度 的相對(duì)關(guān)系。當(dāng)工程力一定時(shí)，不同巖體，強(qiáng)度高于工程力水平的大多表 現(xiàn)為硬巖的力學(xué)特性，強(qiáng)度低于工程力水平的則可能表現(xiàn)為軟巖的力學(xué)特 性；而對(duì)于同種巖石，在較低工程力的作用下，則表現(xiàn)為硬巖的小變形特 性，在較高工程力的作用下則可能表現(xiàn)為軟巖的大變形特性。2.3.2軟巖的基本力學(xué)屬性軟巖有兩個(gè)基本力學(xué)屬性：軟化臨界荷載和軟化臨界深度，它揭示了 軟巖的相對(duì)性實(shí)質(zhì)。

24、軟巖的蠕變實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)施加的荷載小于某一荷載水 平時(shí)，巖石處于穩(wěn)定變形狀態(tài)，蠕變曲線趨于某一變形值，隨時(shí)間延伸而 不再變化；當(dāng)所施加的荷載大于某一荷載水平時(shí)，巖石呈明顯的塑性變形 加速現(xiàn)象，即產(chǎn)生不穩(wěn)定變形。這一荷載稱(chēng)為軟巖的軟化臨界荷載，亦即 能使巖石產(chǎn)生明顯變形的最小荷載。當(dāng)巖石種類(lèi)一定時(shí)，其軟化臨界荷載是客觀存在的。當(dāng)巖石所受荷載第25頁(yè)水平低于軟化臨界荷載時(shí)，該巖石屬于硬巖范疇；當(dāng)巖石所受的荷載水平 高于該巖石的軟化臨界荷載時(shí)，該巖石表現(xiàn)出軟巖的大變形特性，此時(shí)的 巖石被視為軟巖。與軟化臨界荷載相對(duì)應(yīng)，存在著軟化臨界深度。對(duì)特定的區(qū)域，軟化臨界深度也是一個(gè)客觀量。當(dāng)隧道位置大于某一幵挖

25、深度時(shí)，圍巖產(chǎn)生明顯的塑性大變形、大地壓和難支護(hù)；但當(dāng)隧道位置較淺，即小于某一深度 時(shí)，大地壓現(xiàn)象明顯消失。這一臨界深度稱(chēng)為巖石的軟化臨界深度，軟化求，其公式為:(2.4)式中：Hcs為軟化臨界深度(m)；cs為軟化臨界荷載(MPa);j=1為構(gòu)造殘余 應(yīng)力；j=2為膨脹應(yīng)力；j=3為動(dòng)荷載附加應(yīng)力；為上覆巖層第巖層容 重(t/m3)； H 為上覆巖層總厚度(m)；h為上覆巖層第i巖層厚度(m);N為上覆巖層層數(shù)軟化臨界荷載與軟化臨界深度是相對(duì)應(yīng)的，可以相互推求，只要確定 了一個(gè)就可以求出另一個(gè)，確定的方法有蠕變實(shí)驗(yàn)法、經(jīng)驗(yàn)公式法和現(xiàn)場(chǎng) 觀察法。臨界深度的地應(yīng)力水平相當(dāng)于軟化臨界荷載,兩者之間

26、的關(guān)系可以互相推CS1N50 Hi iihiHcs3jcsj 1Hcs50HNhi i 1CSjCS 在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)巖石蠕變力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)定出各巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度，此值 大致相當(dāng)于軟化臨界荷載。 也可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式法來(lái)確定軟化臨界荷載，計(jì)算公式為：csKRC(2.5)式中：RC為巖石單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般情況下取0.50.7。 在現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查中， 圍巖開(kāi)始產(chǎn)生顯著變形的埋深即巖石的軟化臨界 深度。2.3.3 F7斷層巖性的分類(lèi)烏鞘嶺隧道穿越F7斷層時(shí)，埋深約為400m隧道幵挖半徑為5.885m, 預(yù)留變形量為20cm假定上覆巖層為均勻的，考慮可能存在的垂直構(gòu)造應(yīng) 力，圍巖綜合容重取為

27、=27KN/m，算得自重應(yīng)力為10.8 MPa，水平側(cè)壓力系數(shù)取 1.25，圍巖單軸抗壓強(qiáng)度為RC=3MPa。根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10003-2001)附錄表A.2.2-3關(guān)于初始 地應(yīng)力的評(píng)估，當(dāng)RC/max4，屬于極高應(yīng)力軟巖，巖芯常有餅化，開(kāi)挖 過(guò)程中位移極為顯著，甚至發(fā)生大變形，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不易成洞。在施工的過(guò)程中，水平收斂值、拱頂下沉值超出預(yù)留變形量許多，初 期支護(hù)受到很大壓力，也就證明了把烏鞘嶺隧道F7斷層巖性定性為工程軟第27頁(yè)巖是比較合適的第四節(jié) 施工工藝討論2.4.1長(zhǎng)臺(tái)階法在F7斷層中的采用為加快施工速度，烏鞘嶺隧道F7斷層前期的施工工藝選擇了長(zhǎng)臺(tái)階 法，以便留出較大

28、的工作空間，詳細(xì)布置見(jiàn)圖2-1。圖2-1長(zhǎng)臺(tái)階施工工藝上圖尺寸根據(jù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)文件要求確定，均以厘米為單位。切級(jí)圍巖地 段第一臺(tái)階和第二臺(tái)階開(kāi)挖采用半斷面長(zhǎng)臺(tái)階施工， 臺(tái)階長(zhǎng)度不超過(guò)40m， 上臺(tái)階預(yù)留核心土；第二臺(tái)階開(kāi)挖時(shí)，為保證施工安全，采用“中部拉槽， 兩側(cè)跳槽幵挖落底”的方案，每次幵挖長(zhǎng)度不超過(guò)3.0m,裝碴模式為WA320裝載機(jī)配合自卸汽車(chē)進(jìn)行；第三臺(tái)階一次開(kāi)挖至仰拱位置，鋼支撐及時(shí)緊 跟，以形成封閉受力環(huán)。為減少工序之間的相互干擾，第三臺(tái)階同第二臺(tái) 階的長(zhǎng)度為20m裝碴采用PC200挖掘機(jī)配合自卸汽車(chē)并搭設(shè)12.0m長(zhǎng)的 棧橋進(jìn)行施工。長(zhǎng)臺(tái)階支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)為： 全斷面初噴砼厚20cm；拱

29、墻設(shè)22系統(tǒng)錨桿（或R32N邁式錨桿），長(zhǎng)度L=4.06.0m，間距0.8X0.8m;拱墻設(shè)8鋼 筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25X25cm；全斷面架設(shè)3榀/2m的116型鋼鋼架。幵挖施 工前首先沿拱部幵挖輪廓線外10cm打設(shè)R32N邁式錨桿或42mm的小導(dǎo)管 進(jìn)行預(yù)支護(hù)對(duì)圍巖進(jìn)行加固；二次襯砌采用50cm厚的C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。F7斷層在YDK177+690附近進(jìn)入了斷層的核心地段，掌子面施工至YDK177+44C左右時(shí)，平均水平收斂累計(jì)達(dá)到40cm,最大水平收斂超過(guò)60cm,平均收斂速度為24mm/d二襯無(wú)法按規(guī)范規(guī)定施作，部分地段初期支護(hù) 變形侵限，且有初噴混凝土開(kāi)裂、剝落，局部鋼支撐剪斷，需拆換重作， 在拆換前后10m范圍內(nèi)變形加劇。為控制變形進(jìn)一步擴(kuò)大，拆換時(shí)采用了 架設(shè)卡口梁及護(hù)拱等措施，但架設(shè)的臨時(shí)支撐由于變形過(guò)大也發(fā)生了嚴(yán)重 彎曲和斷裂現(xiàn)象，使施工進(jìn)展受阻，結(jié)構(gòu)安全度得不到保證。被迫停止掌 子面的施工，大變形段處理近