焦家山隧道设计报告

成都理工大学课程： 地下工程课程设计学院： 环境与土木工程学院姓名： 学号： 指导老师： 地下工程课程设计：焦家山隧道12011目录contents一、 工程概况 .41.1工程背景 .41.1.1隧道位置 .41.2工程地质及不良地质条件 .41.2.1地质条件 .41.2.2地形、地貌、气候 .41.2.3地层岩性 .41.2.4地震 .4二、 焦家山隧道总体设计 .52.1设计采用的相关规范 .5公路隧道设计规范 （JTG D70-2004） .5隧道结构力学计算 52.2衬砌断面设计 .52.2.1公路隧道建筑限界 .52.2.2人行横通道建筑限界 .62.2.3隧道内轮廓设计 .6三、 围岩荷载计算 .73.1围岩压力 73.1.1 竖向围岩压力计算 73.1.2深埋和浅埋地下隧道的判定 73.1.3水平围岩压力计算 .83.2、单位位移 的计算 .103.3、载位移 1p、 2p的计算 .133.4、弹性抗力位移 的计算 14地下工程课程设计：焦家山隧道120113.5、墙顶位移计算 163.6、求解力法方程 183.7、最大抗力值 h计算 .193.8、拱部各截面的 20四，洞口及洞门 .214.1 一般规定 .214.2 洞口工程 .21洞口工程应符合下列要求： .211. 洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡设计开挖最大高度围岩 III级，边坡，仰坡坡率：1:0.5，高度：20m，边坡，仰坡坡率：1:0.75，高度：25m。 212. 洞口位置应设于山坡稳定，地质条件较好处。 213. 位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。214. 跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。 215. 漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质，弃渣，排水及施工等因素综合分析确定。 .216. 洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。 .21洞口工程的设计应遵循下列规定： .221. 洞口边坡，仰坡应根据实际情况加固防范措施，有条件时应优先采取绿化护坡。222. 当洞口处有塌方，落石，泥石流等时，应采取清刷，延伸洞口，设置明洞或支档结构物等措施。 .22五，衬砌结构设计 .225.1初期支护设计 225.2二次衬砌设计 23六、 结构计算 236.1 一般规定 .236.2衬砌计算 .23七、施工组织设计 .251、施工方案 25地下工程课程设计：焦家山隧道220112、施工方法及其措施 25(1)洞口施工 25(2)明洞钢筋砼施工 26（3）洞身开挖施工方法 26（4）隧道通风及排水 28（5）超前支护与初期支护 29（6）隧道二次衬砌 30（8）内砼路面施工方法及洞内附属施工 33参考文献 .35地下工程课程设计：焦家山隧道32011设计总说明一、 工程概况1.1工程背景安徽省铜汤高速公路要穿越黄山的焦家山，需建一山岭隧道，即焦家山隧道。隧址区属构造剥蚀低山区，海拔 105.2m231.1m，相对高差 125.9m。山脊走向 35度左右，隧道轴线与山脊走向基本垂直。高速公路设计为双向四车道。1.1.1隧道位置焦家山隧道进口里程为 K16+900.00，出口里程为 K17+420.00 ，全长 520米。 。地面高程 205.76m，设计高程 138.673m。不设紧急停车带。1.2工程地质及不良地质条件1.2.1地质条件工程地质条件及评价：该段隧道通过微风化粉砂岩地段，节理裂隙不发育，埋置较深，围岩稳定性较好。围岩类别为类，复合式衬砌类型类。1.2.2地形、地貌、气候工作区属亚热带湿润季风气候区，梅雨区 40天左右，年平均气温为15.217.3度，最高日平均气温为 42度，最低日平均气温为20 度。七、八月气温最高，一月气温最低。区内雨量充沛，多年平均年降雨量为 1673.5mm，最大为 2525.7mm，最小为 627.9mm，多锋面雨及地形雨，山区冬季风速较大，一般为 45 级。1.2.3地层岩性地层岩性主要为志留系畈村组粉砂岩（ ）和第四系全新统崩坡积成因fnS2的碎石土（Q 4col+dl） 。地下工程课程设计：焦家山隧道420111.2.4地震地震设防烈度：7 级二、 焦家山隧道总体设计2.1设计采用的相关规范公路隧道设计规范 （JTG D70-2004）公路隧道施工技术规范 （JTJ042-94）隧道结构力学计算地下结构静力计算中国建筑工业出版社。混凝土结构设计规范 （GB 50010-2002）2.2衬砌断面设计2.2.1公路隧道建筑限界因围岩条件较好，选隧道断面形式为直墙式。本公路设计等级为高速公路双向四车道。本隧道入口处桩号为：K16+900.00,出口处桩号为：K17+420.00，全长 520 米，为短隧道。参照由公路隧道设计规范（JTG D70-2004），高速公路隧道建筑限界横断面组成：隧道设计为上、下行分离的独立双洞。建筑限界高度 H5.0m。本高速公路位于皖南山区，取设计时速为 V=100km/h；检修道 J=1.00m，高度 h0.5m。设检修道时，不设余宽，即： C=0。取行车道宽度 W=3.75m27.5m。不需设紧急停车带。侧向宽度 LL1.0m，L R1.0m。建筑限界顶角宽度为：E L = E R =1.00m。隧道纵坡不应小于 0.3，不应大于 3，本处取 2。向外取衬砌厚度 0.4m，即隧道开挖宽度 B=12.5m；隧道开挖高度H=7.4m。地下工程课程设计：焦家山隧道52011取两分离式洞口之间左右间距为 40m；该段隧道的埋深 H67.087m。公路隧道各建筑限界见图一所示。2.2.2人行横通道建筑限界由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）：设置上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间设置横向通道。包括一处人行横道，及一处车行横道。人行及车行横通道的断面建筑限界如下图二所示。其中，人行横通道宽 200cm，高 250cm。车行横通道宽 400cm，高 525cm。2.2.3隧道内轮廓设计图一图二 横通道的断面建筑限界 a)人行横道 b)车行横道地下工程课程设计：焦家山隧道62011内轮廓设计满足隧道内路面、排水设施、装饰的需要，并考虑围岩变形等因素，设计为单心圆 R=6.8m；三、 围岩荷载计算3.1围岩压力3.1.1 竖向围岩压力计算因为 ，且不产生显著偏压力及膨胀力、围岩压力作7.1592.0147tBH为主动地压。因而可按公路隧道设计规范（JTJ026-90）29 页荷载计算：IIV级围岩中的深埋隧道，围岩压力为主要形变压力，其值可按释放荷载计算。释放荷载可按附录 D的公式确定。由于该处围岩为 III级围岩，所以竖直均布压力计算：q = 0.45 6 S = 0.45 s i 式中q - 围岩竖直均布压力（ KN/m2);-围岩容重（ KN/m3);其中 i=0.1， 1s45.0hs 为围岩类别类，即 s=3，为安全起见，取围岩容重kN/m 3为宽度影响系数 ，当 B5m, 67.15.1.0)5(1） （ Bi所以 q =0.45 kN/m23.1.2深埋和浅埋地下隧道的判定因围岩压力的计算有不同模式，要确定围岩压力，首先要区分深埋和浅地下工程课程设计：焦家山隧道72011埋隧道。对于公路隧道而言，可以按照经典围岩压力理论，地质条件，施工方法等因素综合判定埋深的界限：Hp=hp (2.02.5)式中 H p- 深埋与浅埋隧道分界深度：hp - 荷载等效高度，=Q/：Q-深埋隧道垂直均布压力（KN/m3):-围岩容重（KN/m3):荷载等效高度：h pq / m深、浅埋隧道分界深度：H p hpm根据铁路隧道设计规范 （TB10003-2001,J117-2001）给出的判别范围，因围岩类别为类，故为深埋隧道。3.1.3水平围岩压力计算水平均布围岩压；e=(0.15q0.3q)=(10.395，20.79)KN/m3):衬砌内轮廓、边墙的百度以及拱顶、拱脚是事先根据净空和结构的要求，结合设计和使用的经验来确定的。已知：拱部内轮廓半径 r1=4.60m,r2=5.272711m；内径 r1、r 2 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角 1=30， 2=78.8125；衬砌净高 H=7.8m；衬砌净宽 B=9.706454m；拱顶截面厚度 d0=0.60m；拱脚截面厚度 dn=1.00m；边墙截面厚度 dw=1.00m。此处拱脚截面为计算拱脚夫截面，是自拱轴半径 r2 的圆心向内轮廓拱肢做连线并延长一对对与外轮廓相交其交点到内轮廓拱肢间的连线(与“曲墙式衬砌结构算例”有区别) 。地下工程课程设计：焦家山隧道82011在此前提下，有如下二心圆变截面尺寸计算公式。外轮廓线相应圆心的垂直距离：式中：代入数值，计算得到：外轮廓线半径：拱轴线与内轮廓线相应圆心的垂直距离：拱轴线半径：拱轴线各段圆弧中心角：拱轴矢高：边墙计算高度：边墙顶面中心与拱脚截面中心的水平距离以上 由图 1 直接量得，也可以通过公式计算得出。Sin(1+2）=(B/2+a 2)/（r 2-0.5dn)f=r2+a1-r2cos(1+2)h=H+d0/2-f地下工程课程设计：焦家山隧道920113.2、单位位移 的计算(1).半拱轴线长度 S 及分段轴长分段轴线长度：半拱轴线长度：将半拱轴线等分为 6 段，每段轴长：(2).拱部各截面与垂直轴夹角 和截面中心垂直坐标 yi的计算：地下工程课程设计：焦家山隧道102011另一方面角度闭合差 。yi 的计算：也可以直接图 2 中量取 yi。以后的计算中，只取四位小数。(3).单位位移用辛普生法近似，按计算列表进行，见表 1。表 1 单位位移计算表注：I ，A=bd,b 取单位长度。此例中考虑轴力的影响。其中，截面厚度 d 由图 2 量得。地下工程课程设计：焦家山隧道112011计算单位位移：计算精度校核略。图 1 衬结构计算图示地下工程课程设计：焦家山隧道1220113.3、载位移 1p、 2p的计算计算列表见表 2表中：为拱顶外缘到截面 i 外轮廓点的水平距离，由图 2 量得；为拱顶外缘到截面 i 外轮廓点的垂直距离，由图 2 量得；分别为相应垂直荷载和水平荷载对截面 i 中心点的力臂，由图 2 量得。地下工程课程设计：焦家山隧道132011故有：3.4、弹性抗力位移 的计算假定拱部弹性抗力抛物线的上零点位于拱部外缘与垂直轴约呈 45的第 3 截面上；最大抗力值在墙顶截面即 ，其值为 ；第 6 截面抗力 ；其余各截面抗力值按式 计算。这样，第 3 截面抗力：第 4 截面抗力：第 5 截面抗力：第 6 截面抗力：各楔块弹性抗力的合力可按以下公式计算：式中： 相邻截面外轮廓长度，通过量测截面夹角，用弧长公式进行计算。为简化计算，忽略弹性抗力引起的摩擦力。 的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。将 的方向线延长，使之将于竖直轴。量取夹角 ，将 分解为水平与地下工程课程设计：焦家山隧道142011竖直两个分力：以上计算列于表 3，并参见图 2。表 2 弹性抗力计算表截面(h) (h)R(h)RH(h)RV(h)3 0 0 0 0 0 0 0 0 04 0.3894 0.1947 1.3296 0.2589 46.8548 0.7296 0.6838 0.1889 0.17705 0.7352 0.5623 1.3387 0.7528 57.4702 0.8431 0.5377 0.6347 0.40486 0.9750 0.8551 1.3508 1.1551 69.2398 0.9351 0.3545 1.0801 0.4095弹性抗力作用下，基本结构中的内力为：弯矩：轴力：式中： 到接逢中心点 ki 的力臂，由图 2 量得。计算过程见表 4，表 5。计算 ：3.5、墙顶位移计算(1).边墙弹性地基梁的的弹性特征值地下工程课程设计：焦家山隧道152011故边墙为弹性地基上的短梁。(2).计算墙顶单位位移式中， 是以 为自变量的双曲线函数，可查相关列表得到；，h a=1.00m,n=1.25；下同。地下工程课程设计：焦家山隧道162011(3).计算墙顶弯矩 、水平力 、及垂直力这里将墙顶外缘至拱脚外缘的抗力值视为 ，方向为水平。可以发现，公式中括号内几项计算值很小，可以忽略。E 6（墙顶外缘至拱顶外缘水平压力之和）R H（墙顶外缘至拱顶外缘抗力之和）Vzo Q6+（直接作用在墙顶上的垂直荷载）+Rv边墙自重：(4).计算墙顶位移地下工程课程设计：焦家山隧道1720113.6、求解力法方程首先计算各系数：求解方程：式中：式中：地下工程课程设计：焦家山隧道1820113.7、最大抗力值 h计算墙顶截面总水平位移：最大抗力值：故：3.8、拱部各截面的弯矩、轴力计算拱部截面的弯矩、轴力由下式计算，计算过程见表 6根据强度条件进行校核：地下工程课程设计：焦家山隧道192011闭合差：闭合差：四，洞口及洞门4.1 一般规定洞口位置应根据地形，地质条件，同时结合环境保护，洞外有关工程及施工条件，运营要求，通过经济，技术比较确定。洞口边坡，仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟及截水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。洞口设计应与自然环境相协调。4.2 洞口工程地下工程课程设计：焦家山隧道202011洞口工程应符合下列要求：1.洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡设计开挖最大高度围岩 III级，边坡，仰坡坡率：1:0.5，高度：20m，边坡，仰坡坡率：1:0.75，高度：25m。2.洞口位置应设于山坡稳定，地质条件较好处。3.位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。4.跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。5.漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质，弃渣，排水及施工等因素综合分析确定。6.洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。洞口工程的设计应遵循下列规定：1.洞口边坡，仰坡应根据实际情况加固防范措施，有条件时应优先采取绿化护坡。2.当洞口处有塌方，落石，泥石流等时，应采取清刷，延伸洞口，设置明洞或支档结构物等措施。五，衬砌结构设计地下工程课程设计：焦家山隧道2120115.1初期支护设计查看公路隧道设计规范 （JTG D70-2004） ，则：由 8.1.1有：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路应采用复合式衬砌。8.4.1有：复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定：1、初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由 8.4.2有：复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算。初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表 8.4.2-1选用。由表 8.4.2-1，对于级围岩，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为 812cm，拱、墙锚杆长度为2.03.0m，间距 1.01.5m；钢筋网：局部2525；二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为 35cm。本隧道大部分地段为深埋隧道。深埋隧道外层支护，根据规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆，规格 222500mm，间距1.01.5m，锚喷混凝土厚度 120mm；钢筋网：局部2525。5.2二次衬砌设计（1）因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计；（2）衬砌结构防水：本隧道放水采取以下措施：1、复合式衬砌间采用防水夹层；2、混凝土满足抗渗要求，采用砼抗渗标号为 S6；3、施工缝变型缝等处的放渗采取专门的防水措施。本隧道采用复合式衬砌，设计应用近似解析法结合工程类比法确定衬砌支护参数。但复合式衬砌设计和施工密切相关，应结合施工，通过测量监控取得数据不断地下工程课程设计：焦家山隧道222011修改和完善设计。6、结构计算6.1 一般规定隧道结构应按破损阶段法验算构件截面的强度。结构抗裂有要求时，对混凝土构件应进行抗裂验算，对钢筋混凝土构件应验算其裂缝宽度。6.2衬砌计算深埋隧道的 III级围岩中，复合式衬砌的初期支护应主要按工程类比法设；，也可按承载能力设计，复合式衬砌初期支护的允许洞周相对收敛值应根据围岩地质条件分析确定。深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌采用荷载结构法计算。荷载结构法的计算原理可见附录 I。具体建筑限界见图一所示图一 公路隧道建筑限界（单位：cm）地下工程课程设计：焦家山隧道232011故：隧道限界净宽为：11.5m；其中：行车道宽度：W=3.75m27.5m；侧向宽度为： ；mLR0.1检修道宽度： ；右左 J隧道限界净高：5m；内轮廓形式：单心圆 R=6.8m；净高：7m；净宽：11.7m；向外取衬砌厚度 0.4m，则：隧道开挖宽度 ；隧道开挖高度：mBt5.12；mHt4.7取两分离式洞口之间左右间距为 40m；该段隧道的埋深 H67.087m。洞口的开挖方式见施工组织设计。七、施工组织设计1、施工方案隧道采用新奥法施工。岭头一号左右线从出口端掘进，岭头二号隧道采用双头掘进。洞口土石方采用，挖掘机挖装，自卸汽车运输的方法施工。级围岩采用中隔壁法开挖，级围岩采用台阶法开挖，级围岩采用全断面开挖。隧道均采用无轨运输，施工时坚持“短进尺，弱爆破，快封闭，勤量测”的原则；首先进行明洞、洞口土石方及边仰坡施工，并施作防排水及坡面防护，洞口土石方采用机械开挖，部分辅以凿岩机钻眼，小炮控制开挖，人工刷整边坡，自卸汽车运输的方法施工。洞身施工，隧道衬砌按仰拱超前，拱墙一次衬砌。喷射砼采用湿喷工艺，降低回弹量和粉尘；隧道衬砌采用液压钢模衬砌台车，按仰拱超前，拱墙一次衬砌，砼集中拌和，砼运输车运输至作各业面，泵地下工程课程设计：焦家山隧道242011送砼入模，插入式捣固器与附着式捣固器联合振捣。隧道通风采用压入式风机通风。施工中加强围岩的监控量测，运用先进的量测、探测技术，指导施工。2、施工方法及其措施(1)洞口施工洞口土石方施工采用人工配合挖掘机分两次开挖，第一次开挖至起拱线位置，待拱顶以上边仰坡防护措施完成后，进行起拱线以下部分开挖。(a)施工前，按设计进行测量放线，标出起拱线位置及拱脚开挖宽度并用红油漆作出明显标志后，进行开挖作业。(b)开挖前按要求施作洞口仰坡截、排水系统，然后用挖掘机从上至下逐层顺坡开挖，并用自卸汽车运至弃碴场弃置。(c)洞口开挖成型后，及时施作锚喷及边坡防护，稳定边坡。(2)明洞钢筋砼施工明洞土石方开挖完成后，绑扎仰拱钢筋，灌注仰拱混凝土，砼达到设计强度后，衬砌台车就位并安装明洞洞身段模型，绑扎边墙及拱部钢筋，砼输送泵一次连续浇注成形。（3）洞身开挖施工方法（a）挂齿进洞方法为保证隧道进洞施工安全，进洞前，安装型钢支架、关模并浇筑套拱混凝土，然后施作超前管棚注浆加固围岩。采用弧形导坑法进洞，用挖掘机为主要开挖机具。进洞后，转换工序，进行洞内、级围岩施工。隧道洞口开挖面呈多向受力状态，容易发生坍塌事故,为保证隧道破口时施工安全和结构稳定，设超前管棚注浆加固围岩。大管棚采用 DP120型跟管钻机钻管孔，将加工好压浆孔钢管随钻头跟进孔内，用丝扣接长钢管，确保管孔位地下工程课程设计：焦家山隧道252011置正确，避免“沉头”和串孔。加快各工序的施工进度，及时封闭，及时成环，喷砼加厚。（b）施工顺序级围岩段测量布眼钻上导坑炮眼上部开挖上部初期支护台车钻下导坑炮眼下部开挖下部初期支护防水层施工仰拱施工二次衬砌（模筑砼）管沟施工路面施工。、级围岩段测量布眼台车钻眼全断面开挖拱墙初期支护防水层施工二次衬砌模筑管沟施工路面施工。（c）洞身开挖钻爆设计说明隧道爆破作业采用微振动光面控制爆破，钻眼采用简易凿岩台车。本设计包括级围岩台阶法上下半断面开挖，级围岩全断面开挖的炮孔布置，装药参数，装药结构及起爆顺序和起爆方式的设计。每次爆破进尺根据围岩状况确定：每次爆破后均对围岩及其稳定性作出评估，其结果作为下一循环进尺的依据。A级围岩采用短台阶新奥法施工，台阶长度 5米。台阶上部钻眼深度1.7m，光面爆破，每次进尺 1.5米，台阶下部钻眼 1.7m光面爆破，每次进尺 1.5米。开挖过程中，初期支护紧跟工作面，尽快完成支护体系。B、级围岩采用全断面开挖。开挖预留变形量值选用 3cm，并根据施工期围岩变形监测结果进行调整。炮眼深度每循环 2.7m，光面爆破掘进，每次进尺 2.5m。爆破设计当循环进尺在 2.0m以内时采用二级斜眼复合楔形掏槽，当循环进尺大于 2.0m时采用直眼掏槽。隧道边墙及拱部均按“光面爆破”设计，爆破后不得有欠挖，线性超挖控制在 15