乌鞘岭f7断层隧道工程介绍(2)

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、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0.56－0.73m。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26 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200m～500m，大柳树沟—黑马圈河断层(F5)出露宽度80m～260m，毛毛山岭中断层(F6)出露宽度40m～80m，毛毛山—老虎山断层(F7)出露宽度400m～800m，局部大于1000m，区域资料显示，全新世以来F7断层仍有活动迹象。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Ⅴ、Ⅵ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26 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍隧道范围内，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，干旱少雪。沿线年平均气温-0.1oC～5.1oC，绝对最高气温28.1oC～34.7oC，最低-29.0oC～-30.6oC；多年平均降水量357.8～409.4mm，最大降水量552.7mm；多年平均蒸发量1548～1813.6mm；瞬时最大风速27.6～29m/s，主导风向为北北西，最大积雪厚度24～36mm；土壤冻结深度138～200cm。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，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2000～2500t/km2·a，属轻度侵蚀。本段处在重点预防保护区。26 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、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.Динник26 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)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γH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1~2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26 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0.5~5.5，与σv的比值为0.8~1.5，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σv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0.2~0.8，多数情况下为0.4~0.8，显示出很强的方向性[17~18]。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。26 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。2.2.4F7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3～10cm之间，松散破碎，风化严重，破碎带出露宽度400～800m，局部大于1000m，隧道通过断层破碎带长度为785m。全新世以来该断层仍有活动迹象，经综合研究得出，全新世以来的平均滑动速率为2.08～2.50mm/a，平均垂直滑动速率为0.060～0.027mm/a。乌鞘岭隧道F7断层通过地段大致埋深为350m～420m，通过钻孔取芯实测，围岩较为软弱。通过中国地震局工程地震研究中心与中国地震局地壳应力研究所在测区进行的水压致裂法初始地应力实测，在断层北段最大水平主应力为10.26～15.24MPa，断层南段最大水平主应力为31.61～32.84MPa，岩石内富含明显较高的构造应力。受断层长期的活动，特别是逆断层和左旋逆走滑断层活动方向的影响，断层受到构造应力和自重应力的长期作用，其围岩处于三向受压(强挤压)状态。26 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三节软岩的概念及其分类2.3.1概述从20世纪60年代到90年代初，关于软岩的概念在国内外一直争论不休，产生软岩定义多达几十种。1981年9月，国际岩石力学学会委托日本力学协会召开了国际软岩学术讨论会，软岩的概念问题被作为重要的议题进行讨论。但是在近年来的文献中，关于软岩的概念仍然名目繁多、定义各异，各有优缺点，总括起来，大体上分为描述性定义、指标性定义和工程定义3类。第一类是描述性定义，其中主要观点有：松软岩层系指松散、软弱的岩层，它是相对于坚硬岩层而言的，松软岩层由于成岩的时间短、结构疏松、胶结程度差，故自身强度很低；软岩是软弱、破碎、松散、膨胀、流变、强风化蚀变及高地应力的岩体之总称；松散岩层是指强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层。第二类是指标化定义，其中主要观点有：软岩是指单轴抗压强度在0.5～25MPa的一类岩石；的岩层称为软岩（式中为单轴抗压强度；为岩石容重；为深度）。第三类是工程定义，其中主要观点有：松动圈厚度大于1.5m的围岩，称为软岩；松动圈厚度大于1.5m的围岩，并且用常规支护不能适用的围岩称为软岩；松散岩层是指难支护围岩，或多次支护，需要重复翻修的围岩。由此可见，国内外对于软岩的定义尚不能统一，这严重阻碍了软岩的学术交流和研究的深入。作为软岩的定义，应抽象出前述各家定义的共性规律，抽象出软岩的本质特征，力求简明扼要并反映软岩的实质性规律。为了便于理论研究和工程应用，将软岩分为地质软岩和工程软岩分别予以定义。26 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍目前人们普遍采用的软岩定义基本上可归于地质软岩的范畴，按地质学的岩性划分，地质软岩是指强度低、空隙度大、胶结程度差、受构造面切割及风化影响显著或含有大量膨胀性粘土矿物的松、散、软、弱岩层，该类岩石多为泥岩、页岩、粉砂岩和泥质砂岩，是天然形成的复杂地质介质。国际岩石力学学会将软岩定义为单轴抗压强度在0.5～25MPa之间的一类岩石，属于地质软岩的范畴，其分类依据是岩石的强度指标，该定义用于工程实际会出现一些矛盾，如隧道所处深度足够浅，地应力水平足够低，则单轴抗压强度小于25MPa的岩石也不会产生软岩的特征，工程实践中，采用比较经济的一般支护技术即可奏效；相反，大于25MPa的岩石，如其工程部位所处的深度足够深，地应力水平足够高，也可产生软岩的大变形、大地压、难支护的现象。因此地质软岩的概念不能用于工程实践，故提出工程软岩的概念。工程软岩[19]是指在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体。如果说目前流行的软岩定义强调了软岩的软、弱、松、散等低强度的特点，那么工程软岩的定义不仅重视软岩的强度特性，而且强调软岩所承受的工程力荷载大小，强调从软岩的强度和工程力荷载的对立统一关系中分析、把握软岩的相对性实质，即工程软岩要满足的条件是：(2.3)式中：为工程荷载(MPa)；为工程岩体强度(MPa)；为隧道变形值(mm)；为隧道允许变形值(mm)。26 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍该定义的主题词是工程岩体、工程力和显著塑性变形。工程岩体是隧道开挖扰动影响范围之内的岩体，包含岩块、结构面及其空间组合特征；工程力是指作用在工程岩体上的力的总和，它可以是重力、构造残余应力、水的作用力和工程扰动力以及膨胀应力等；显著塑性变形是指以塑性变形为主体的变形量超过了工程设计的允许变形值，并影响了工程的正常使用，显著塑性变形包含显著弹塑性变形、粘弹塑性变形，连续性变形和非连续性变形等。此定义揭示了软岩的相对性实质，即取决于工程力与岩体强度的相对关系。当工程力一定时，不同岩体，强度高于工程力水平的大多表现为硬岩的力学特性，强度低于工程力水平的则可能表现为软岩的力学特性；而对于同种岩石，在较低工程力的作用下，则表现为硬岩的小变形特性，在较高工程力的作用下则可能表现为软岩的大变形特性。2.3.2软岩的基本力学属性软岩有两个基本力学属性：软化临界荷载和软化临界深度，它揭示了软岩的相对性实质。软岩的蠕变实验表明，当施加的荷载小于某一荷载水平时，岩石处于稳定变形状态，蠕变曲线趋于某一变形值，随时间延伸而不再变化；当所施加的荷载大于某一荷载水平时，岩石呈明显的塑性变形加速现象，即产生不稳定变形。这一荷载称为软岩的软化临界荷载，亦即能使岩石产生明显变形的最小荷载。当岩石种类一定时，其软化临界荷载是客观存在的。当岩石所受荷载水平低于软化临界荷载时，该岩石属于硬岩范畴；当岩石所受的荷载水平高于该岩石的软化临界荷载时，该岩石表现出软岩的大变形特性，此时的岩石被视为软岩。与软化临界荷载相对应，存在着软化临界深度。对特定的区域，软化临界深度也是一个客观量。当隧道位置大于某一开挖深度时，围岩产生明显的塑性大变形、大地压和难支护；但当隧道位置较浅，即小于某一深度时，大地压现象明显消失。这一临界深度称为岩石的软化临界深度，软化临界深度的地应力水平相当于软化临界荷载，两者之间的关系可以互相推求，其公式为：(2.4)式中：为软化临界深度(m)；为软化临界荷载(MPa)；j=1为构造残余应力；j=2为膨胀应力；j=3为动荷载附加应力；为上覆岩层第i岩层容重(t/m3)；为上覆岩层总厚度(m)；为上覆岩层第i岩层厚度(m)；N为上覆岩层层数。软化临界荷载与软化临界深度是相对应的，可以相互推求，只要确定了一个就可以求出另一个，确定的方法有蠕变实验法、经验公式法和现场观察法。26 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⑴在实验中，通过岩石蠕变力学实验测定出各岩石的长期强度，此值大致相当于软化临界荷载。⑵也可以通过经验公式法来确定软化临界荷载，计算公式为：(2.5)式中：为岩石单轴抗压强度(MPa)；K为经验系数，一般情况下取0.5～0.7。⑶在现场的调查中，围岩开始产生显著变形的埋深即岩石的软化临界深度。2.3.3F7断层岩性的分类乌鞘岭隧道穿越F7断层时，埋深约为400m，隧道开挖半径为5.885m，预留变形量为20cm。假定上覆岩层为均匀的，考虑可能存在的垂直构造应力，围岩综合容重取为=27KN/m3，算得自重应力为10.8MPa，水平侧压力系数取，围岩单轴抗压强度为=3MPa。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2001)附录表A.2.2-3关于初始地应力的评估，当，属于极高应力软岩，岩芯常有饼化，开挖过程中位移极为显著，甚至发生大变形，持续时间长，不易成洞。　　在施工的过程中，水平收敛值、拱顶下沉值超出预留变形量许多，初期支护受到很大压力，也就证明了把乌鞘岭隧道F7断层岩性定性为工程软岩是比较合适的。26 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四节施工工艺讨论2.4.1长台阶法在F7断层中的采用为加快施工速度，乌鞘岭隧道F7断层前期的施工工艺选择了长台阶法，以便留出较大的工作空间，详细布置见图2-1。图2-1长台阶施工工艺上图尺寸根据动态设计文件要求确定，均以厘米为单位。Ⅵ级围岩地段第一台阶和第二台阶开挖采用半断面长台阶施工，台阶长度不超过40m，上台阶预留核心土；第二台阶开挖时，为保证施工安全，采用“中部拉槽，两侧跳槽开挖落底”的方案，每次开挖长度不超过3.0m，装碴模式为WA320装载机配合自卸汽车进行；第三台阶一次开挖至仰拱位置，钢支撑及时紧跟，以形成封闭受力环。为减少工序之间的相互干扰，第三台阶同第二台阶的长度为20m，装碴采用PC200挖掘机配合自卸汽车并搭设12.0m长的栈桥进行施工。长台阶支护设计参数为：全断面初喷砼厚20cm；拱墙设φ22系统锚杆（或R32N迈式锚杆），长度L=4.0~6.0m，间距0.8×0.8m；拱墙设φ8钢筋网，网格间距25×25cm；全断面架设3榀/2m的I16型钢钢架。开挖施工前首先沿拱部开挖轮廓线外10cm打设R32N迈式锚杆或φ42mm的小导管进行预支护对围岩进行加固；二次衬砌采用50cm厚的C25钢筋混凝土结构。26 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F7断层在YDK177+690附近进入了断层的核心地段，掌子面施工至YDK177+440左右时，平均水平收敛累计达到40cm，最大水平收敛超过60cm，平均收敛速度为2~4mm/d。二衬无法按规范规定施作，部分地段初期支护变形侵限，且有初喷混凝土开裂、剥落，局部钢支撑剪断，需拆换重作，在拆换前后10m范围内变形加剧。为控制变形进一步扩大，拆换时采用了架设卡口梁及护拱等措施，但架设的临时支撑由于变形过大也发生了严重弯曲和断裂现象，使施工进展受阻，结构安全度得不到保证。被迫停止掌子面的施工，大变形段处理近3个月时间。现场发生的一切证明了长台阶法在处理软弱围岩时是不合适的，通过多方面的论证，最终采用了如下叙述的短台阶法并且加强了原设计参数。2.4.2短台阶法在F7断层中的采用软弱围岩开挖应当贯彻“短进尺、弱爆破、强支护、早成环、勤量测、衬砌紧跟”的原则，短台阶法就具有上述的特点，图2-2是短台阶法在F7断层中的应用（包括钢支撑的编号）。图2-2短台阶施工工艺及钢支撑的布置在上图中，所有尺寸都以厘米为单位，隧道开挖直径为11.77m。上台阶开挖每次进尺为2m，上台阶长度为4m；下台阶长度为16m，每次向前推进2m，采用弱爆破或机械直接挖掘的方式；为尽快实现初期支护成环的目的，仰拱距离上台阶面不超过20m，每次开挖为2m；初期支护成环后，准备施作二次衬砌，二次衬砌一次施作8m，前面有一组绑扎钢筋，再前面有一组挂防水板，距离仰拱开挖面不超过30m。短台阶法支护设计参数为：全断面初喷砼厚25cm，预留15cm补强；拱墙设φ22系统锚杆（或R32N迈式锚杆），长度L=4.0~8.0m，间距0.8×0.8m；拱墙设φ26 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8钢筋网，网格间距20×20cm；全断面架设2榀/1m的I20型钢钢架。开挖施工前首先沿拱部开挖轮廓线外10cm打设4m长的R32N迈式锚杆或φ42mm小导管进行预支护对围岩进行加固；二次衬砌采用80cm厚的C25钢筋混凝土结构。新奥法的理念主要是充分发挥围岩的自承能力，二次衬砌要求在围岩变形稳定后施作，主要的作用是做安全储备。所以根据新奥法结合我国实际制定的《铁路隧道设计规范》(TB10003-2001)、《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)要求二次衬砌施作时，变形速率不大于0.2mm/d。但上述施工工艺的基本概念与新奥法的理论并不矛盾，在工程软岩的条件下，不能无限制的任其围岩变形，加强型支护是确保围岩自承能力正常发挥的一个重要因素。短台阶施工方法在实践中证明是可行的，能够解决工程软岩的施工困难和工期矛盾，在本文的施工模拟数值计算中，全过程跟踪该施工工艺对围岩和结构的影响。26 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《测量学》模拟试卷一、单项选择题（每小题1分，共20分）在下列每小题的四个备选答案中选出一个正确的答案，并将其字母标号填入题干的括号内。得分评卷人复查人1．经纬仪测量水平角时，正倒镜瞄准同一方向所读的水平方向值理论上应相差（A）。A180°B0°C90°D270° 2.1：5000地形图的比例尺精度是（D）。A5mB0.1mmC5cmD50cm 3.以下不属于基本测量工作范畴的一项是（C）。A高差测量B距离测量C导线测量D角度测量 4.已知某直线的坐标方位角为220°，则其象限角为（D）。A220°B40°C南西50°D南西40°5.由一条线段的边长、方位角和一点坐标计算另一点坐标的计算称为（A）。A坐标正算B坐标反算C导线计算D水准计算6.闭合导线在X轴上的坐标增量闭合差（A）。A为一不等于0的常数B与导线形状有关C总为0D由路线中两点确定7.在地形图中，表示测量控制点的符号属于（D）。A比例符号B半依比例符号C地貌符号D非比例符号8.在未知点上设站对三个已知点进行测角交会的方法称为（A）。A后方交会B前方交会C侧方交会D无法确定9.两井定向中不需要进行的一项工作是（C）。A投点B地面连接C测量井筒中钢丝长度D井下连接10.绝对高程是地面点到（C）的铅垂距离。A坐标原点B任意水准面C大地水准面D赤道面11．下列关于等高线的叙述是错误的是：（A）A．高程相等的点在同一等高线上B．等高线必定是闭合曲线，即使本幅图没闭合，则在相邻的图幅闭合C．等高线不能分叉、相交或合并测量学试卷第34页（共7页） 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A．等高线经过山脊与山脊线正交12．下面关于非比例符号中定位点位置的叙述错误的是（B）A．几何图形符号，定位点在符号图形中心B．符号图形中有一个点，则该点即为定位点C．宽底符号，符号定位点在符号底部中心D．底部为直角形符号，其符号定位点位于最右边顶点处13．下面关于控制网的叙述错误的是（D）A．国家控制网从高级到低级布设B．国家控制网按精度可分为A、B、C、D、E五等C．国家控制网分为平面控制网和高程控制网D．直接为测图目的建立的控制网，称为图根控制网14．下图为某地形图的一部分，各等高线高程如图所视，A点位于线段MN上，点A到点M和点N的图上水平距离为MA=3mm，NA=2mm，则A点高程为（A）ANM373635A．36.4mB．36.6mC．37.4mD．37.6m100°30130°30100°30DCBA15．如图所示支导线，AB边的坐标方位角为，转折角如图，则CD边的坐标方位角为（B）A．B．C．D．16．三角高程测量要求对向观测垂直角，计算往返高差，主要目的是（D）A．有效地抵偿或消除球差和气差的影响B．有效地抵偿或消除仪器高和觇标高测量误差的影响C．有效地抵偿或消除垂直角读数误差的影响D．有效地抵偿或消除读盘分划误差的影响17．下面测量读数的做法正确的是（C）A．用经纬仪测水平角，用横丝照准目标读数测量学试卷第34页（共7页） 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A．用水准仪测高差，用竖丝切准水准尺读数B．水准测量时，每次读数前都要使水准管气泡居中C．经纬仪测竖直角时，尽量照准目标的底部18．水准测量时对一端水准尺进行测量的正确操作步骤是（D）。A对中----整平-----瞄准----读数A整平----瞄准----读数----精平C粗平----精平----瞄准----读数D粗平----瞄准----精平----读数19．矿井平面联系测量的主要任务是（D）A实现井上下平面坐标系统的统一B实现井上下高程的统一C作为井下基本平面控制D提高井下导线测量的精度20．井口水准基点一般位于（A）。A地面工业广场井筒附近B井下井筒附近C地面任意位置的水准点D井下任意位置的水准点一、填空题（每空2分，共20分）得分评卷人复查人21水准测量中，为了进行测站检核，在一个测站要测量两个高差值进行比较，通常采用的测量检核方法是双面尺法和。22直线定向常用的标准方向有真子午线方向、_____磁北方向____________和坐标纵线方向。23地形图符号一般分为比例符号、_半依比例符号_________________和不依比例符号。24井下巷道掘进过程中，为了保证巷道的方向和坡度，通常要进行中线和____________的标定工作。25测量误差按其对测量结果的影响性质，可分为系统误差和_偶然误差______________。26地物注记的形式有文字注记、______和符号注记三种。27象限角的取值范围是：0-90。28经纬仪安置通常包括整平和对中。29为了便于计算和分析，对大地水准面采用一个规则的数学曲面进行表示，这个数学曲面称为参考托球面。测量学试卷第34页（共7页） 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30光电测距仪按照测量时间的方式可以分为相位式测距仪和差分。三、名词解释（每小题5分，共20分）得分评卷人复查人31．竖盘指标差竖盘分划误差32．水准测量利用水准仪测定两点间的高差33．系统误差由客观原因造成的具有统计规律性的误差34．视准轴仪器望远镜物镜和目镜中心的连线四、简答题（每小题5分，共20分）得分评卷人复查人35．简述测回法测量水平角时一个测站上的工作步骤和角度计算方法。对中，整平，定向，测角。观测角度值减去定向角度值测量学试卷第34页（共7页） 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36．什么叫比例尺精度？它在实际测量工作中有何意义？图上0.1毫米在实地的距离。可以影响地物取舍37．简述用极坐标法在实地测设图纸上某点平面位置的要素计算和测设过程。38．高斯投影具有哪些基本规律。测量学试卷第34页（共7页） 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍五、计算题（每小题10分，共20分）得分评卷人复查人39．在1：2000图幅坐标方格网上，量测出ab=2.0cm,ac=1.6cm,ad=3.9cm,ae=5.2cm。试计算AB长度DAB及其坐标方位角αAB。abdceBA120014001600180040．从图上量得点M的坐标XM=14.22m,YM=86.71m；点A的坐标为XA=42.34m,YA=85.00m。试计算M、A两点的水平距离和坐标方位角。测量学试卷第34页（共7页） 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍测量学标准答案与评分说明一、一、 单项选择题（每题1分）1A；2D；3C；4D；5A；6C；7D；8A；9C；10C；11A；12D；13B；14A；15B；16A；17C；18D；19A；20A 二、二、 填空题（每空2分，共20分）21变更仪器高法22磁北方向23半依比例符号（或线状符号）24．腰线25．偶然误差26．数字注记27大于等于0度且小于等于90度（或[0°,90°]）28对中29旋转椭球体面30脉冲式测距仪 三、三、 名词解释（每题5分，共20分）31竖盘指标差：在垂直角测量中，当竖盘指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向其正确位置90度或270度，而是与正确位置相差一个小角度x,x即为竖盘指标差。32水准测量：利用一条水平视线并借助于水准尺，测量地面两点间的高差，进而由已知点的高程推算出未知点的高程的测量工作。33系统误差：在相同的观测条件下，对某量进行了n次观测，如果误差出现的大小和符号均相同或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。34视准轴：望远镜物镜光心与十字丝中心（或交叉点）的连线。 四、四、 简答题（每题5分，共20分）35（1）在测站点O上安置经纬仪，对中，整平（1分）（2）盘左瞄准A点，读数LA，顺时针旋转照准部到B点，读数LB，计算上半测回角度O1=LB-LA；（2分）（3）旋转望远镜和照准部，变为盘右方向，瞄准B点读数RB，逆时针旋转到A点，读数RA，计算下半测回角度O2=RB-RA；（3分）（4）比较O1和O2的差，若超过限差则不符合要求，需要重新测量，若小于限差，则取平均值为最终测量结果O=（O1+O2）/2（5分） 36图上0.1mm对应的实地距离叫做比例尺精度。（3分）测量学试卷第34页（共7页） 兰州交通大学硕士论文第二章乌鞘岭F7断层隧道工程介绍其作用主要在于：一是根据地形图比例尺确定实地量测精度；二是根据地形图上需要表示地物地貌的详细程度，确定所选用地形图的比例尺。（5分） 37要素计算：从图纸上量算待测设点的坐标，然后结合已有控制点计算该点与控制点连线之间的方位角，进而确定与已知方向之间所夹的水平角，计算待测设点到设站控制点之间的水平距离。（3分）测设过程：在设站控制点安置经纬仪，后视另一控制点，置度盘为0度，根据待定方向与该方向夹角确定方向线，根据距离确定点的位置。（5分） 38高斯投影的基本规律是：（1）（1）中央子午线的投影为一直线，且投影之后的长度无变形；其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度变形也就越大；（2）（2）赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；（3）（3）经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形；（4）（4）中央子午线和赤道的投影相互垂直。评分说明：答对一条得2分，答对三条即可得满分。  一、五、 计算题（每题10分，共20分）39bd=ad–ab=1.9cm，因此△X=-38m；ce=ae–ac=3.6cm,因此△Y=-72m;（3分）(或由图根据比例尺和距离计算A、B两点的坐标)因此距离为：81.413m（6分）AB的方位角为：242°10′33″（10分）（方位角计算应说明具体过程，过程对结果错扣2分） 40△X=XA–XM=28.12m,△Y=YA–YM=-1.71m(2分)距离d=(△X2+△Y2)1/2=28.17m（5分）方位角为：356°31′12″（应说明计算过程与主要公式）（10分）可通过不同方法计算，如先计算象限角，再计算方位角。说明：在距离与方位角计算中，算法公式对但结果错各1分测量学试卷第34页（共7页）