大路梁子隧道塌陷充填性岩溶治水.pdf

第三届铁路隧道年会论文集 大路梁子隧道塌陷充填性岩溶治水 刘小刚 王建军 （铁道第一勘察设计院 甘肃兰州 730000） ［摘 要］ 本文针对大路梁子隧道岩溶特点,阐述了塌陷充填性岩溶的地质超前预报、超前注 浆加固及治水措施，给今后类似工程的设计、施工提供借鉴。 ［关键词］ 岩溶 地质超前预报 注浆加固 治水 1 前言 岩溶按充填形式分为空洞性岩溶和塌陷充 填性岩溶。空洞性岩溶除水之外，基本没有或 只有少量固体充填物，主要包括岩溶裂隙、岩 溶洞穴和岩溶管道三种类型。塌陷充填性岩溶 是由于上覆岩层塌陷或地表塌陷，在溶槽、溶 沟内存在大量固体充填物的一种地下岩溶类 型。第一种岩溶勘察、设计时比较重视，而第 二种岩溶比较隐蔽， 往往在勘察设计时被忽略， 而恰恰这种岩溶对隧道工程造成很大的危害， 处理不好，大量泥水倾泄而出，淹没隧道。本 文结合金沙江溪洛渡水电站对外交通公路大路 梁子隧道治水工程实例，从以下几方面介绍了 该隧道塌陷充填性岩溶的设计与施工。 2 工程概况 大路梁子隧道全长 4360m，为金沙江溪洛 渡水电站对外交通公路的重点控制工程。隧道 设计为单洞双向交通， 净宽 10.7m， 净高 7.25m， 坡度为 0.58％。隧道最大埋深 800m，洞身穿 越铜厂沟背斜，背斜轴部为大路梁子山脊，其 轴向与岩层走向一致。洞身两翼地层岩性为三 叠系下统灰岩、三叠系中统灰岩夹砂岩、三叠 性下统泥岩夹砂岩、 三叠系上统砂岩夹页岩 （煤 系地层） ；核部为华力西期玄武岩。隧道进口具 小背斜特征，西翼位于隧道进口处，地层为三叠 系中、下统灰岩，中、厚层结构，岩质坚硬、致 密，岩层近于直立，并且受磨儿湾断层影响，岩 体挤压破碎，节理、裂隙发育，沿层理发育竖向 溶槽，连通性比较好，其内充填有含砂物质。 3 隧道涌水情况及原因分析 3.1 隧道涌水 2004 年 3 月 26 日上午 10 时， K38664 掌 子面（距洞口 206m）进行掌子面周边眼钻孔， 靠拱顶右侧眼深 2.5m～3.0m时， 钻头出现虚进 卡钻现象，4 个周边眼不同程度出现涌水，其 中最大水平喷距 11m，落差 7.5m，涌水量为 360m3/h，水流较为浑浊，并夹带少量泥砂。14 时水流变清，涌水量基本稳定，至 2004 年 3 月 27 日上午 10 时，水又变得稍浑浊，水量基 本不变。K38664 掌子面（距洞口 206m）岩 性主要为三叠系下统灰岩，岩层近于直立，埋 深约 200m。 K38664 涌水照片 1 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 3.2 超前地质预报 根据涌水情况对掌子面前方围岩进行超前 地质预报，超前地质预报采用 TSP202 型地质 雷达和 20m 超前探孔。采用 TSP202 型地质雷 达探测掌子面前方是否存在大的溶洞、隧道前 方围岩及地下水流状况； 采用 20m 超前探孔主 要探测掌子面前方溶槽的位置、宽度及分布规 律。 经过 TSP202 型地质雷达探测后，初步判 定掌子面前方无大的溶洞。 掌子面上共布置了 5 个 20m 超前探孔， 拱 顶一个、两侧拱腰各一个、两侧拱脚各一个， 拱顶探测孔外插角 5左右，详见布置下图。 探孔布置图（K38664） 探孔探测资料 1探孔以灰岩为主， K38671 处夹有泥岩， 夹 层 厚 约 1m； K38665.8 、 K38668.8 及 K38671 处分别有裂隙，其中 K38665.8 和 K38668.8 裂隙宽约 3cm 左右，K38671 裂隙 宽约 10cm 左右， 此孔测定涌水量 1350L/昼夜。 2探孔以灰岩为主， 打至 K38668 处时出 现大涌水，且含大量泥砂，后由于水压过高， 致使钻机无法前进，用钢筋伸入此孔，发现约 有 1m 厚溶洞填充物，被水冲刷后形成空洞。 3探孔打至 K38666.5 处时有一 8cm 宽小 缝隙，K38668 处出现涌水，且含大量泥砂， K38668 处有一 0.3m 宽空洞。 4探孔打至 K38668.1 处时出现涌水，且 含大量泥砂，K38668.1 处有一 0.4m 宽空洞。 5探孔打至 K38666 处时有一 5cm 厚夹 层，K38666.5 出现涌水，且含大量泥砂， K38666.5 处有一 1.2m 宽空洞。 2、3、4、5探孔由于水量太大而被迫 停止钻进，为防止溶槽内充填物流失，及时对 钻孔进行了封堵。 根据超前探测 K38668671 地段拱部发 育一贯通性强，宽约 8m，长 35m，高 14m， 倾斜向前的大型溶洞，溶洞下部充填碎石和泥 砂，上部形成水囊。溶洞两侧沿节理发育形成 1030cm 宽溶槽， 溶槽内充填碎石和少量泥沙， 溶洞顶有基岩裂隙水流入，水量受降雨影响， 该段埋深约 200m，地层岩性为灰岩，岩体较 破碎，裂隙发育，自稳能力差。详见地质剖面 图 横断面 纵断面 2 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 3.3 涌水原因分析 3.3.1 地表水系 大路梁子为全线最高山脉（背斜核部，玄 武岩） ， 为水洞子河与黄坪溪的分水岭。 隧道进 口一侧为水洞子河水系，自然状态下水洞子河 为地表水与地下水的排泄通道。自然状态下地 下潜水接受大气降水的垂直入渗补给，近南西 方向径流排泄于水洞子沟。隧道施工后，改变 了地下水的排泄途径，从而局部改变了地下水 的径流流场。隧道发生涌水后，周边明流水系 （即水洞子河）无明显变化。洞口右侧地下水 流量由涌水前 2800m3/昼夜减小至 1500m3/昼 夜。隧道周围无明显陷坑及水流补给。故可判 断地表水对隧道内涌水影响不大。 3.3.2 层间溶槽 大路梁子隧道进口段主要为 T2 强溶性石 灰岩，分布在铜厂沟背斜的两翼，并位于 F3 逆断层的上盘。岩层陡倾，由于构造运动的作 用，揉皱现象明显，局部形成了层间岩体破碎 带。在地下水和地表水的长期作用下，破碎带 被溶蚀，而且越溶越宽，越溶越深，最终形成 上宽下窄，规模较小的长楔型溶沟，伴随溶蚀 的扩大，地表的大量泥土、碎石及小岩石碎块 充填进去，形成大量固体充填物的溶槽。开挖 后，由于层间溶槽充填物被带走，地表水及降 雨通过较短的径流向隧道排泄，而发生涌泥、 涌水现象。 通过分析，层间溶槽是地下水储存和流通 的通道，钻孔或开挖与溶槽连通时，便发生涌 水、突泥现象。 4 治水处理措施 4.1 地表治水 通过调查分析， 地表沟谷水对 K38664 段 涌水影响不大，但是 F3 断层沟谷水肯定对隧 道前方地段施工有影响，故首先对 F3 断层沟 谷采用浆砌片石进行铺砌， 以阻止地表水下渗。 4.2 洞内治水 洞内治水采取“以堵为主、限量排放”的设 计施工原则， 以保证隧道安全施工和环境保护， 并采取长短相结合的堵水方式。 4.2.1 洞内超前注浆加固及支护 4.2.1.1 周边管棚帷幕注降 为确保溶洞区施工的安全，采用全断面周 边帷幕注浆堵水加固围岩，加固范围为开挖轮 廓线外 2.5m 左右。全断面周边超前预注浆采 用双排 16m 长 R51L 自进式管棚进行注浆加 固，管棚环向间距 0.6m，内外层排距 0.5m， 注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，水灰比 1 0.8 左右，水泥水玻璃（体积）为 11，注 浆压力为 2.03.0Mpa，凝胶时间 11.5min，注 浆顺序由隧道拱部开始， 左右交替， 施钻一孔， 注堵一孔，双层管棚先外侧，后内侧。 周边帷幕注浆示意图 3 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 周边帷幕注浆照片 4.2.1.2 超前小导管裂隙注浆 管棚注浆完成后，根据探孔发现的裂隙位 置， 在进行开挖施工前， 对管棚注浆不足部位、 注浆盲区及裂隙涌水位置进行小导管补充注 浆。小导管采用 φ42 小花管，长度根据探测到 的裂隙位置确定。 注浆浆液采用水泥-水玻璃双 液浆，水灰比 10.8 左右，水泥水玻璃（体 积）为 11，注浆压力为 1.01.5Mpa。注浆顺 序，根据双排管棚注浆效果，由隧道两侧同时 由下向上同步注入。 4.2.2 注浆效果及洞内开挖 注浆前探孔探测到涌水量为 360m3/h，水 压很大。注浆加固后，隧道水量很小，效果十 分明显。故施工时采用弱爆破全断面开挖，循 环进尺 0.81.0m 左右。 5 经验与体会 （一）岩溶发育地区，向斜的轴部、背斜 的两翼，陡倾石灰岩地层易形成塌陷充填性溶 洞或溶槽，连同性很好。溶槽、溶沟内充填泥 砂或岩石碎屑，地面上表现为低洼的负地貌， 但不一定分布在隧道上方，可能距隧道较远， 但对隧道的施工形成一定的影响，所以勘测时 应对隧道周围地区水系进行详细的勘察，以便 进行设计。 （二）在陡倾石灰岩地区，往往沿着岩层 节理、裂隙部位发育连通性很好的溶槽，溶槽 内充填泥砂或岩石碎屑。施工时，应加强地质 超前预报工作，以便掌握溶槽的位置、大小及 其分布规律，为治水提供第一手资料。 （三）对规模较小分布密集的塌陷充填性 溶洞，可利用两侧周边围岩作为封堵墙，采用 周边帷幕注浆措施对溶洞部位进行注浆堵水。 注浆时，采用施钻一孔，注一孔，防止溶洞充 填物顺着钻孔流失。 作者简介 刘小刚，男，1974.12.10 出生，甘肃天水， 铁道第一勘察设计院，工程师 通讯地址甘肃省兰州市铁道第一勘察设 计院桥梁隧道处 王建军，男，1970 年出生，铁道第一勘察 设计院，高级工程师 通讯地址甘肃省兰州市铁道第一勘察设 计院地质路基处 邮编730000 联系电话 0931-4933123 手机13609370850 （兰州） 4 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 复杂应力条件下软岩地层结构设计 张 剑 （铁道第一勘察设计院桥隧处 兰州 730000） ［摘 要］ 乌鞘岭隧道 F4F7 断层有将近 3km 为志留系地层，其中大部分为板岩夹千枚岩且 以千枚岩为主，软弱破碎，应力状态极其复杂，开挖后变形很大。本文结合现场 施工情况对该地层的结构设计谈点体会。 ［关键词］ 关键词 复杂应力 软岩 结构设计 1 地层特性 板岩夹千枚岩地层归纳起来，其工程地质 和水文地质条件主要有以下几个特点 软千枚岩岩质软弱，主要粘土矿物成分 以伊利石为主，千枚岩岩块点荷载最大强度仅 为 3.0MPa， 最小为 1.8MPa， 平均值为 2.5MPa， 岩块本身的强度很低。 碎受构造影响严重，节理、裂隙发育， 呈薄片状、碎块状，局部呈泥砾状，岩体十分 破碎，围岩稳定性差。 湿在板岩含量居多时地下水较发育，岩 体呈潮湿状，含水量较高，有少量渗水，天然 含水量 8.19.0。 千枚岩物理力学参数 指 标 千枚岩 容重（KN/m3） 24.01 粘聚力（kPa） 50 内摩擦角（） 25 变形模量（GPa） 0.016 泊松比 0.31 侧压力系数 0.449 抗压强度（kPa） 2500（点荷载） 2 地应力特征 在现场进行了 4 个斜井 8 个钻孔和两个深 孔共计 60 个测点的水压致裂地应力测量， 结果 表 明 ， 隧 道 部 位 的 应 力 大 小 较 为 复 杂 ， 4 HC Rσ的极高地应力占全部测点的 23， 74 HC Rσ的 高 地 应 力 占 全 部 测 点 的 37。极高和高地应力的情况占全部测点的 60。宏观地应力场的主应力方向为 N21.2E， 与隧道轴线的夹角为 38.2。在隧道轴线位置， 最大垂直地应力为 29.9MPa，垂直于隧道轴线 方向最大水平地应力为 21.1MPa。地应力值受 岩性和结构完整程度影响显著，区域地应力值 变化幅度大，最大水平地应力方向在 N10E～ N36E 范围内变化，规律不明显。因此，乌鞘 岭隧道越岭段总体是由四条区域性断层组成的 挤压强烈的宽大挤压构造带，是高地应力区， 挤压带中岩体挤压揉皱，小构造发育，极差～ 较差的岩体交替出现，属于复杂地应力区段。 3 结构参数拟定 3.1 支护参数 结合试验段不同结构参数的变形和测试情 况，最后确定该地层采用支护参数为 板岩夹千枚岩地层支护参数表 初 期 支 护 锚杆（管） 钢筋网 地质情况 湿喷 混凝土 cm 长度 m 间距 m位置 钢 架 预留 变形量 cm 二次衬砌 千枚岩为主、 板岩千枚岩互层 25 φ32mm 锚管 拱 4m 墙 6m 0.8 拱墙 H175 1 榀/0.8m 35 50cm 钢砼 5 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 3.2 支护断面 支护断面如下图 板岩夹千枚岩地层断面图 4 现场测试结果 在该地层进行围岩压力等测试结果见下表。 实测荷载压力数据汇总表 里程 项目 拱顶 右拱腰右拱脚右墙腰右墙脚左拱腰左拱脚 左墙腰左墙脚 YDK175＋200 二衬压力 0.032 0.0360.0070.016- 0.0110.019 0.020- YDK175＋210 二衬压力 0.069 0.0320.0100.024- 0.0320.024 0.022- YDK175＋290 二衬压力 0.151 0.4800.4320.3730.2980.1670.136 0.0860.157 初支围压 0.599 0.3070.2280.2440.3110.4650.357 0.4550.383 YDK175＋410 二衬压力 0.018 0.0480.0120.023- 0.0640.074 0.061- YDK175＋450 二衬压力 0.043 0.0330.0460.022- 0.2190.031 0.032- YDK175＋465 初支围压 0.537 坏 0.0410.027- 坏 0.525 0.739- 初支围压 0.722 0.0620.1530.126- 0.0370.051 0.084- YDK175＋475 二衬压力 0.102 0.0910.0120.117- 0.1090.044 0.133- 5 结构安全性检算 5.1 侧压力系数确定 （1）根据实测围岩压力确定 实测围岩压力计算得到的侧压力系数如 表。 6 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 7 2005-12 由实测围岩压力计算的侧压力系数 YDK170410 断面 YDK170465 断面 项目 位置 荷载 （MPa） 侧压力 系数 荷载 （MPa） 侧压力 系数 竖向 0.46 0.44 右侧水平 0.22 0.49 0.09 0.2 左侧水平 0.37 0.81 0.53 1.2 （2）根据实测地应力确定 根据中科院的实测地应力回归公式，计算 得到侧压力系数为 0.71。 由实测围岩压力计算的侧压力系数λ为 0.2～1.2，平均为 0.67；综合考虑在计算时取 侧压力系数λ为 0.75。 5.2 荷载分配系数 根据现阶段的初支围岩压力和二衬接触压 力进行分析计算，可以得出初衬与二衬之间的 荷载分配系数。 二衬分担压力比例结果（） 拱部 边墙 总平均 22.9 28.2 26.7 结合工程经验在计算中取荷载分配系数为 40。计算中初衬承担 40总荷载，二衬承担 60总荷载。 5.3 断面受力分析 （1）考虑高地应力计算 考虑高地应力因素， 按Ⅵ级围岩进行计算， 结果如下表。 初支安全系数表 侧压力系数 位置 弯矩（kN⋅m） 轴力（kN） 偏心矩（m） 安全系数 拱顶 19.057 1274.926 0.0149 4.3374 拱腰 103.335 1471.557 0.0702 2.5007 边墙 182.177 1479.938 0.1231 1.7187 墙脚 162.211 1620.315 0.1001 1.9232 VI 级围岩 λ0.75 仰拱 42.845 1676.787 0.0256 3.0078 二衬安全系数表 侧压力系数 位置 弯矩（kN⋅m） 轴力（kN） 偏心矩（m） 安全系数 拱顶 119.331 654.195 0.1824 7.9418 拱腰 89.788 696.02 0.129 9.8165 边墙 245.853 671.038 0.3664 2.6205 墙脚 186.396 831.391 0.2242 4.9626 VI 级围岩 λ0.75 仰拱 42.437 851.783 0.0498 10.3753 （2）按实测荷载检算 按现场实测荷载进行检算的结果是初支安 全系数比上述略小， 为最小安全系数为 1.2293， 但二衬最小安全系数达 30.1674，说明二衬尚 未完全受力。 6 位移反分析验证 在该地层间距 5～10m 布置一个监控量测 断面，每个断面设拱顶下沉、轨上 2.5m、轨上 4m 进行变形量测，数据显示，实测的水平位 移在 200mm－600mm 之间，有的断面超过了 预留变形量，说明围岩应力较大，同时也使围 岩初始地应力得到了释放。 根据收敛量测结果，通过位移反演分析， 得到千枚岩夹板岩地层水平方向的初始地应力 在 14.3～23.7Mpa 之间, 竖直方向的初始地应 力在13.6～20.1Mpa之间， 侧压力系数在1.05～ 1.28 之间。计算得出稳定系数在 1.5 和 2.43 之 间，由二次模注混凝土与初期支护一起共同提 供的支护阻力大于保持围岩稳定所需要提供的 支护抗力，隧道体系可以满足稳定要求。 第三届铁路隧道年会论文集 8 2005-12 7 几点体会 乌鞘岭隧道由于板岩夹千枚岩地层的受力 复杂性，在施工中进行了试验、测试、检算不 断完善的过程，才确定了最终的结构形式。对 于地层特性相近的隧道以下几点体会供参考。 （1） 高地应力下的软岩地层变形特点是初 期变形大、速率高，且长时间不收敛，因此要 适当加大初期支护的刚度，比如采用 H 型钢架 等，对抑制初期变形和防止塌方至关重要。 （2） 预留较大的变形量， 在高地应力作用 下，围岩收敛变形总体较大，如预留变形量过 小，势必造成支护侵限拆换。 （3）多重支护，逐步释放围岩变形。 （4） 应考虑二次衬砌承受较大部分的围岩 压力，及早施做形成封闭，因此，二衬应采用 钢筋混凝土结构，且应加大安全系数。 （5） 优化结构断面形状， 尽量加大边墙部 位矢跨比，可有效抵抗侧压力。 （6） 施工过程中要严格贯彻弱爆破、 强支 护、早封闭、快衬砌、勤量测的原则。 参考资料 1． 乌鞘岭隧道岭脊地段复杂应力条件下 的变形控制技术研究专题报告 中铁西南科学 研究院、兰州交通大学 、北京交通大学、石家 庄铁道学院等 2． 铁路工程设计技术手册 隧道 铁 二院主编 3． 乌鞘岭隧道修改预设计 铁一院 作者简介 作者姓名张剑 单位铁道第一勘察设计院桥隧处 职称工程师 地址兰州市和政路 75 号 身份证号码510103197207131611 通信地址甘肃省兰州市铁道第一勘察设 计院桥隧处隧道室 邮编730000 手机号码13919428130 13893553799 邮箱zhjjxzhcf72 传真0931-4630040 第三届铁路隧道年会论文集 9 2005-12 钢纤维在地下工程中的应用 赵录学 （铁道第一勘察设计院桥隧处 兰州 730000） ［摘 要］ 在模筑混凝土或喷射混凝土中掺加一定的钢纤维，能够克服混凝土抗拉强度低、极 限延伸率小、性脆等缺点，使其具有优良的抗拉、抗弯、抗剪、抗裂、耐疲劳、高 韧性、易施工等性能，在地下工程中具有广泛的应用前景。 ［关键词］ 钢纤维 模筑混凝土 喷射混凝土 地下工程 1 钢纤维的基本性质 1.1 钢纤维的类型及特征参数 钢纤维按材质分，有普通碳钢钢纤维和不 锈钢钢纤维，其中以普通钢钢纤维用量居多; 按外形分有长直形、压痕形、波浪形、弯钩形、 大头形、扭曲形;按截面形状分有圆形、矩形、 月牙形及不规则形;按生产工艺分有切断型、 剪 切型、 铣削型及熔抽型;按施工用途分有浇筑用 钢纤维和喷射用钢纤维。 为满足钢纤维的增强效果与施工性能，通 常采用钢纤维长度为 15～60mm，直径或等效 直径为 0.3～1.2mm，长径比为 30～100，纤维 的体积掺量为 0.5～2。 1.2 钢纤维的主要性能 钢纤维的主要性能包括抗拉强度与黏结强 度。试验表明由于普通钢纤维混凝土主要是 因钢纤维拔出而破坏，并不是因钢纤维拉断而 破坏，因此钢纤维的抗拉强度一般能满足使用 要求，而其与混凝土基体界面的黏结强度是影 响钢纤维混凝土性能的主要因素。黏结强度除 与基体的性能有关外，就钢纤维本身而言，与 钢纤维的外形和截面形状有关。 2 钢纤维混凝土的基本性能 国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝 土的基本性能做了大量的研究，现归纳如下 钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作 用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观 裂缝的发生和发展。在受荷拉、弯初期，水 泥基料与纤维共同承受外力， 当混凝土开裂后， 横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此 钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优 越的物理和力学性能。钢纤维混凝土与普通混 凝土的性能比较见表 1。 1.1.1 强度和重量比值增大 这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要 标志。 1.1.2 具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强 度 在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗拉强度 提高 25～50，抗弯强度提高 40～80， 抗剪强度提高 50～100。 1.1.3 具有卓越的抗冲击性能 材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称 为冲击韧性，在通常的纤维掺量下，冲击抗压 韧性可提高 2～7 倍， 冲击抗弯、 抗拉等韧性可 提高几倍到几十倍。 1.1.4 收缩性能明显改善 在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普 通混凝土的收缩值降低 7～9。 1.1.5 抗疲劳性能显著提高 钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普 通混凝土都有较大改善。 当掺有 1.5钢纤维抗 弯疲劳寿命为 1106 次时，应力比为 0.68，而 普通混凝土仅为 0.51;当掺有 2钢纤维混凝土 抗压疲劳寿命达 2106 次时，应力比为 0.92， 而普通混凝土仅为 0.56。 1.1.6 耐久性能显著提高 第三届铁路隧道年会论文集 10 2005-12 由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因 而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗 腐蚀性均有显著提高。 掺有 1.5的钢纤维混凝 土经 150 次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降 约 20，而其他条件相同的普通混凝土却下降 60以上，经过 200 次冻融循环，钢纤维混凝 土试件仍保持完好。掺量为 1、强度等级为 CF35 的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土 降低 30。掺有 2钢纤维高强混凝土抗气蚀 能力较其他条件相同的高强混凝土提高 1.4 倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈 现良好的耐腐蚀性，暴露在污水和海水中 5 年 后的试件碳化深度小于 5mm， 只有表层的钢纤 维产生锈斑，内部钢纤维未锈蚀，不像普通钢 筋混凝土中钢筋锈蚀后，锈蚀层体积膨胀而将 混凝土胀裂。 钢纤维混凝土与普通混凝土的性能比较 表 1 性能 与普通混凝土之比 抗弯初裂强度 1.41.8 抗弯极限强度 1.52.0 抗拉强度 1.31.7 抗剪强度 2.42.8 抗压强度 11.15 抗弯韧性 1525 极限延伸率 2540 破坏冲击次数 1314 疲劳强度 33.5 收缩率 0.40.5 拉伸徐变 0.50.6 冻融循环次数 23 弹性模量 11.1 耐磨耗 0.30.35 3 喷射钢纤维混凝土 喷射钢纤维混凝土是在普遍喷射混凝土的 拌合料中加入一定量的钢纤维，经喷射机和输 料管是在喷头处加入适量水（干喷法）后直接 喷射到工程结构物面上的一种先进混凝土施工 工艺，由于短而细的钢纤维在混凝土基体中呈 乱向且不连续分布，在受荷载作用下，纤维能 限制或滞后混凝土基体裂缝的开展，即具有较 高的阻裂效应，从而使原来脆性的材料呈现较 高的抗拉、抗裂和抗弯韧性。由于采用高压喷 射工艺，由水源与集料的反复连续撞击而使混 凝土挤压密实， 同时采用的水灰比较小 （0． 45～ 0．50） ，因而具有较高力学强效和良好的耐久 性，尤为与混凝土、岩石有较高的粘结强度。 3.1 喷钢纤维混凝土衬砌的特点 国内外喷射钢纤维混凝土研究及工程实践 表明，喷钢纤维混凝土与挂钢筋网喷混凝土相 比，采用钢筋网喷混凝土时，将钢筋网固定在 隧道开挖轮廓表面是一件困难而费时的工作， 而喷钢纤维混凝土则可均匀地配合岩面的高低 起伏，避免钢筋网后造成空隙砂囊，导致喷层 迅速变形破坏，起不到喷层应有的作用。而喷 钢纤维混凝土能取得较好的最终成果，其主要 特点有 （1）喷钢纤维混凝土衬砌是一种柔性结 构，可允许围岩有较小的变形，并能将压力传 递到邻近地层，因此，可提高衬砌结构的安全 度，从而采用较薄的衬砌厚度。 （2） 喷钢纤维混凝土在早期阶段显示出有 效的初期强度特性，使其能够直接用于加固地 层，从而及时约束围岩变形，另外还提高了施 工人员的安全性。喷设钢纤维混凝土早期强度 的发展见图 1。 第三届铁路隧道年会论文集 早期强度发展 02468 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 时间（天） 强度 普通喷射混凝土 喷射钢纤维混凝土 图 1 喷设钢纤维混凝土早期强度的发展 （3） 喷钢纤维混凝土省去安装钢筋网作业 时间，而且减少了喷层厚度，提高了隧道的掘 进速度，缩短了工期，节省了费用。 （4） 喷混凝土掺加钢纤维可提高抗弯、 抗 拉及抗剪强度，而且变形能力和韧性增大。由 于钢纤维在混凝土中均匀分布，起牵扯约束作 用，使张拉力均匀重分配，开裂变形之前，钢 纤维吸收一部分开裂能量，混凝土中仅能产生 宽度微小的微裂缝，有利于提高混凝土的耐久 性和水密性。喷射钢纤维混凝土与喷射素混凝 土力学性能对比见表 2 喷射钢纤维混凝土与喷射素混凝土力学性能对比试验成果表 表 2 混凝土材料用量Kg/m3 项目 砂率 水泥 425 砂 510mm 卵石 钢纤维速凝剂 28d 抗压强度 Mpa 28d 抗压强度 Mpa 28d 抗压强度 Mpa 回弹率 喷素混凝土 50 427 855 855 0 25.6 33.1 2.1 3.7 10 喷钢纤维 混凝土 55 420 900 735 60 25.2 37.3 3.2 6.0 14 4 钢纤维混凝土在地下工程中的应用 4.1 支护工程 由于喷射钢纤维混凝土的早期强度高、与 岩石的粘结性能好、 方便施工以及抗拉、 抗弯、 抗剪强度高，能承受较大的围岩和土体的变形 作用而保持良好的整体性，因此被广泛应用于 地下工程的初期支护，同时还被部分工程用作 永久衬砌。 目前世界上最长的公路隧道之一挪威莱 尔多隧道，全隧道采用喷钢纤维混凝土衬砌， 运营状况良好。 我国西安～安康铁路秦岭隧道，在Ⅴ、Ⅵ 类围岩贫水、无岩爆及节理不发育地段采用了 湿喷钢纤维混凝土作为永久衬砌 5km 左右， 运 营状况良好。 我国西安～安康高速公路秦岭终南山隧 道，在行车横通道交叉口二次衬砌中参加了一 定量的钢纤维，代替了衬砌中的钢筋。 4.2 防渗工程 钢纤维混凝土由于抗裂性能好、 收缩率低， 因而防水、防渗性能较好，可用于地下结构防 渗等工程。而在防渗结构中钢纤维混凝土可作 防水层， 有时也可兼作结构层代替钢筋混凝土。 4.3 处于腐蚀环境中的构件 钢纤维混凝土具有良好的耐腐蚀性能，由 于部分地下工程不可避免的位于腐蚀环境中， 因此钢纤维混凝土可用于腐蚀环境中的地下结 11 2005-12 第三届铁路隧道年会论文集 12 2005-12 构物的防蚀层或结构层。 4.4 复杂应力部位 钢纤维混凝土中的钢纤维一般呈三维乱向 分布，沿每个方向都有增强和增韧作用。钢纤 维对混凝土结构复杂应力区增强是非常有利 的，而且容易浇筑成型，比钢筋更能适应各种 复杂的结构形式。因此，可用于地下工程中的 受力比较复杂的部位，例如喇叭口隧道的中隔 墙处、隧道侧壁开洞处。 5 结 语 钢纤维混凝土的优越性能及在地下工程中 成功的应用表明钢纤维混凝土不但可以解决 钢筋混凝土施工复杂，与周围地层的粘结性不 好等问题，而且可以大幅度降低造价。因此， 钢纤维混凝土在地下工程中具有广阔应用前 景。 目前钢纤维混凝土在应用中主要的问题是 钢纤维生产成本较高，造成钢纤维混凝土初始 造价较高。 为了使钢纤维混凝土得到广泛应用， 一方面，应努力降低钢纤维生产成本从而降低 钢纤维混凝土的造价；另一方面，在应用时， 不应只计一次性投资，而应考虑钢纤维混凝土 的优越使用性能、较低的维修费和使用寿命延 长等综合经济效益。 参考文献 [1] 赵秋林等．终南山公路隧道西线施工 图．兰州．铁道第一勘察设计院 2003 年 [2] 中国工程建设标准化协会标准． 钢纤维 混凝土结构设计与施工规程．北京中国建筑 工业出版社，1992，6 [3] 中国工程建设标准化协会标准． 钢纤维 混凝土试验方法． 北京 中国建筑工业出版社， 1989，12 [4] 李启棣，吴淑华．钢纤维混凝土的特 性及其应用．铁道建筑，1989（1） [5] 董振英钢纤维混凝土轴拉应力-应变特 性的试验研究．水利学报，2002-5 个人简介赵录学，1974 年生，男，籍贯 甘肃灵台，铁道第一勘察设计院桥隧处，工程 师。单位地址兰州市和政路 75 号，邮编 730000。 第三届铁路隧道年会论文集 13 2005-12 中兴特长隧道设计 胖 涛 （铁道第二勘察设计院，成都 610031） ［摘 要］ 中兴隧道位于渝沙高速公路彭武段，左洞长 6105.42m，右洞长 6082m，是本线最 长的隧道之一。隧道穿过岩溶及岩溶水发育、断层破碎带、岩爆及地应力、煤系 地层等不良地质地段，设计难度大。本文主要介绍该隧道的平纵面选择、主体结 构设计、营运通风设计等，对该隧道设计情况进行总结。 ［关键词］ 中兴隧道 特长隧道 岩溶 瓦斯 岩爆 地应力 通风 隧道设计 1 前言 中兴隧道是西部开发省际通道重庆至长沙 高速公路彭水至武隆段上的一座特长隧道，位 于重庆市武隆县境内，穿越大娄山岭北西侧， 东口处于黄草乡乌江西岸，西口处于中嘴乡印 家湾，左洞全长 6105.42m，右洞全长 6082m， 是本线最长的隧道之一。 本隧设计行车速度 80km/h， 采用左右线分 离式独立双洞设计，左右测设线间距 23m。隧 道内轮廓按建筑界限宽 10.5m、高 5.0m拟定， 采用三心圆断面，净空面积 63.4m2。 2 工程地质及水文地质 中兴隧道通过乌江侵蚀河谷发育的峡谷溶 蚀、剥蚀中低山区，属于新华夏系构造体系， 区域构造的主体是北北东、北东向褶皱及其伴 生断裂，以长期不均衡的上升运动为主，具有 背斜紧密，向斜宽缓特点，本隧位于天星～高 谷逆断层北西翼，巷口向斜南东翼，区内构造 较简单， 总体为一单斜构造， 局部发育小揉皱。 隧道洞身上覆第四系全新统坡崩积层 （Q4dlcol） 、坡残积层（Q4dlel）,下伏地层为三 叠系（T） 、二叠系（P） 、志留系（S）地层， 主要岩性为页岩夹砂岩、灰岩、白云岩及少量 岩溶角砾岩、页岩。地下水发育，预测涌水量 为 100000m3/d，其中二叠系吴家坪组、梁山组 及志留系页岩段中地下水对混凝土具弱～中溶 出性侵蚀，三叠系下统嘉陵江组盐溶角砾岩段 中地下水对混凝土具中等强硫酸盐侵蚀性。 本隧主要工程地质问题为岩溶、瓦斯、 断层破碎带及软质岩的二次应力变形。 3 平面、纵断面设计 3.1 隧道平面设计 隧道平面方案主要由路线方案控制，通过 充分研究隧道所处地域的地形、地质情况，隧 道两端接线条件和投资等因素，隧道采用上下 行隧道分离的独立双洞形式，双洞间最小净距 视围岩级别、断面尺寸、施工方法、爆破震动 影响等因素确定，线间距太小会增大施工难度 及支护工程量，线间距太大会增加隧道两端接 线难度，增大洞外路基工程量及车行、人行横 通道长度， 为此对双洞的净距进行了专项研究， 根据结构分析及国外大量工程统计表明， IV 级 围岩随着两洞净距的减小，围岩塑性区逐渐增 大，二次衬砌内力也逐渐增大，当净距小于 1.0D（开挖洞径）时，两隧道的塑性区重叠， 故左右洞净距大于 1.5D 时， 可作为相互不影响 的独立双洞考虑，国内近年来新建隧道间距也 与此类似。中兴隧道采用双洞净距为 21m（约 1.7D）。 3.2 隧道纵断面线型设计 隧道纵断面线型设计应综合考虑了地形、 地质条件、营运通风、施工及营运排水。从营 运通风上考虑，特长隧道宜采用单面坡，以减 少车辆排放废气数量，防止废气在变坡点附近 范围聚集，减少风机配备，降低营运成本；同 时单面坡隧道，行车视距大，更易保证行车安 全，并方便隧道内发生事故时人员的疏散与救 援。但从施工及营运排水上考虑，地下水发育 第三届铁路隧道年会论文集 14 2005-12 隧道纵坡宜采用人字坡，避免反坡施工时配置 大量排水设备，防止突遇岩溶大涌水施工巷道 淹没，引起安全事故。 本隧进口高程较出口高约 26m，综合以上 因素，采用小人字坡形式，根据本隧道进出口 段为灰岩， 地下水发育， 洞身段为页岩夹砂岩， 地下水相对较少的特点，在进口灰岩段设 1987m 长 0.4的上坡，其余洞身及出口段设 -0.83的下坡，这样既保证施工及营运排水, 又降低隧道纵坡，减少了风机配备。 4 隧道洞门设计 洞门是隧道唯一的外露部分，是隧道的重 要标志建筑物,也是洞外路基与洞内衬砌间的 支挡结构，它的景观优劣直接影响隧道行车安 全。 过去洞门设计比较单一， 主要采用端墙式、 柱式、挡墙式等类型，对原地貌破坏较大，结 构体量笨重，给人单调呆板的感觉。为体现以 人为本的设计理念，中兴隧道洞口景观设计综 合考虑了洞口附近的自然环境与当地人文历史 因素，在满足行车安全前提下，尽量采用开敞 式洞门形式，增加隧道洞口过渡段，提高行车 适应性。 中兴进口与相临隧道出口间仅相隔 40m， 为减小两洞间距太近而产生强烈的白洞、黑洞 现象，提高行车安全性，两隧道间种植常绿乔 木，起减光作用，并对传统的斜切式洞门墙部 进行加宽伸长处理，洞门环框沿作细致纹路， 层层迭起，自然形成洞口角度，与山体自然相 接，最大限度的恢复原有地貌，具有较强接纳 感和趣味性。 隧道出口采用开敞式明洞，将削竹式洞门 的外露段加长，并分割为三个独立的环框，环 框间设网格后种植攀沿植物，古朴自然，形成 丛林棚洞感觉，弱化洞门的墙效应，更适合驾 驶员视觉的变化，隧道前种植茂密、颜色鲜艳 的树种，具有较强提示性，提高行车安全，改 进后的洞门更富于动感，简洁美观，使其成为 高速公路上一道靓丽的风景。 5 隧道结构设计 全隧均采用复合式衬砌，按新奥法原理进 行设计及施工，结构初期支护参数及二次衬砌 厚度根据结构计算结合工程类比确定，由于受 地形、地质偏压、断面净空大小、施工方法等 因素影响，结构各部位受力情况不尽相同，设 计通过对二次应力场特征、塑性区分布和施工 步骤间相互影响等