隧道洞门及衬砌设计.doc

地下工程课程设计报告二 设计题目： 隧道洞门及衬砌设计 院 系： 河 海 学 院 专 业： 地 质 工 程 年 级： 2011 级 5 班 姓 名： 方 小 敏 指导教师： 翁 其 能 重庆交通大学河海学院 2014年 6月 25 日 说明：本次地下工程课程设计任务书，依据重庆交通大学的课程设计有关要求、地质工程专业的课程设计指导办法编制，主要用于河海学院学院地质工程专业地下工程课程设计的任务安排，是地质工程专业学生完成课程设计的依据文件之一。进行地下工程课程设计的学生应认真阅读、理解本设计任务书，完成本任务书所要求的课程设计任务。本次地下工程课程设计任务书按照有关要求包括以下二个部分。第一部分：课程设计的目的、内容、任务与工作准备第二部分：课程设计成果及要求第一部分 课程设计的目的、内容、任务与工作准备一、 课程设计的题目及意义本次课程设计为地下工程课程设计。 课程设计的题目为：隧道洞门及衬砌设计。课程设计的意义：结合学生课堂学习内容，根据地下工程的实际要求，加深对所学知识的认识，提高应用所学知识解决实际问题的能力。二、 课程设计的目的本次课程设计要通过资料收集、方案选择、结构受力分析、结构设计等过程，达到加深对地下工程所学知识认识的目的，并对地下工程所学的知识进行总结和应用，学会理论联系实际，解决实际问题的能力。并通过课程设计环节，锻炼实际工作能力。三、 课程设计的内容本次课程设计包括两个方面内容隧道洞身的设计和隧道洞门的设计。课程设计内容应具备：隧道横断面设计，隧道衬砌的设计，隧道洞室防排水设计，隧道开挖及防排水方案，洞门的相关设计，相关图纸。四、 课程设计的任务1.通过资料收集、整理，确定所选项目的设计依据、工程概况等。2.洞身包括衬砌的计算。3.洞门计算和验算。4.提交课程设计成果。五、 课程设计的工作准备1按照本任务书制定课程设计的工作计划, 依据本设计任务书对时间进行有效安排。2. 为课程设计工作进行准备，比如提前安排好电脑的使用、网络的使用、调查计划的执行、图书资料的查阅等。3.充分利用已有条件，根据课程设计的要求进行资料收集和数据收集工作。4.做好其它学习工作安排，并保证课程设计的顺利实施。第二部分 课程设计成果 一、设计依据1、现场踏勘情况及对工程环境的调查研究；2、国家现行有关建筑法律法规；设计规范、标准等。3、参考规范：建筑结构荷载规范（gb50009-2001）（2006年版）公路隧道设计规范（jtg d702004）隧道工程王成 人民交通出版社覃仁辉主编,隧道工程,重庆大学出版社,2001.12;2.王毅才主编,隧道工程,人民交通出版社,2000.8;jtg042-94公路隧道施工技术规范,人民交通出版社,1995.8;张庆贺、朱合华编著，土木工程专业毕业设计指南“隧道及地下工程分册”，中国水利水电出版社，1999.4本课地下工程教材 二、设计资料该隧道取自“某某隧道隧道设计”进口段，公路等级为级，双车道。该隧道段通过级围岩。埋深15m，隧道围岩天然容重是23.8kn/m3。 对于洞口洞门设计与验算资料：地基土的摩擦系数为0.65.地基土的容重为17kn/m3.地基容许承载力0=600kpa. 三、隧道洞身设计1、 隧道横断面设计 1.1公路隧道建筑限界的确定根据此公路为双车道级，围岩级，据公路隧道设计规范选取隧道公路基本限界基本值如下：h建筑限界高度取5m;h检修道或人行道的高度取25cm; w行车道高度3.5x2m; l左、右侧向宽度0.5m; c余宽取0； r人行道或检修道j的宽度取1m; e建筑界线左右顶角宽度e=l=1m（当l（右）1m时e=l(右)，当l1m时e=1m);隧道限界净宽：7+0.5x2+1x2=10(m)。设计行车速度为60km/h。具体建筑限界设计图如2.1所示： 1.2隧道内轮廓线的确定 本隧道为级围岩隧道，一般不产生较大的侧压力，不需设仰拱，可以采用直墙，此时隧道的净断面积最小，便利施工，还能减少墙部开挖量。如图2.2所示。在建筑限界以上设置射流风机，高度取1.1m，取施工允许误差0.1m。根据公路隧道设计范围，并结合实际情况，本隧道作图法确定公路隧道直墙式衬砌断面内轮廓线。其中，建筑界限外富余量0.1m，路面以下预留厚度0.5m. 1.3 衬砌结构主要尺寸初步拟定 在经验的基础上，施工和安全等综合考虑，边墙和拱顶均采用等截面衬砌设计，按照三级围岩的坚固系数值值取10，拱顶衬砌厚度拟定为40cm。边墙同样为40cm.路面以下设置厚50cm。最终确定公路隧道横断面图见附图2.1。2、 隧道衬砌设计 2.1隧道衬砌解析半衬砌法进行内力计算 （1）计算图示、基本结构及正则方程 (a) (b) 图2.3半衬砌基本结构及约束 （a)计算简图 （b）基本结构 按拱顶切开处的截面相对变位为零的条件，课建立如下正则方程式： （2-1）式中：-单位变位 -荷载变位 -拱圈矢高 -拱脚截面的最终转角和水平位移。 弹性抗力引起的拱顶切口处相对角变与相对水平位移由结构力学求变位的方法得： （2-2）如果式（2-1）的各变位都能求出，则可用结构力学的方法解算未知力,此时，拱圈内力即可算出多余未知力x1和x2，进而求出拱圈内力.(a)(b)图2.4 （a)直墙拱 (b)计算简图 2.2隧道埋深的确定及围岩压力的计算 设计要求埋深为=15m，则天然拱高度0.45*2*1+0.1*（11-5）=2.88（m) 有效高度影响系数取=2.2 ， 故可判断为深埋隧道。 所以，对于高跨比 的围岩，其竖向围岩松动压力为： 由于是级围岩，侧压力系数在00.15范围。又因为计算的知此边墙属于长梁，故可将水平均布压力为0。 2.3隧道衬砌方案的拟定参考公路隧道设计规范，本设计为双车道60km/h限速的二级公路，采用直墙式等截面整体式衬砌。最终确定内、外轮廓线以及衬砌的尺寸见附图1-2深埋隧道外层初期支护，根据规范规定及实际情况，采用一般简易的c20喷射混凝土，且厚度为10cm。防水板：采用塑料及无纺布，且无纺布密度为300g/m2，防水板应采用满铺的满铺的eva板防水层，厚度为2mm，搭接长度为200mm。衬砌：根据公路隧道设计规范，采用25号模筑防水混凝土，厚度为60cm。3、 隧道洞室防排水设计及方案 隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理“的原则，采用完整的防排水体系，使隧道内防水可靠，排水通畅，保证运营期间隧道内不慎不漏，基本干燥。 3.1隧道洞内防排水在初期支护与二次衬砌之间设置pvc防水板（2mmeva防水板+300g/m无纺土分布）防水，并实现无钉铺设：并采用半圆排水管，eva排水管等形成完善的防排水系统。隧道衬砌排水是在初期支护与防水层之间设置环向半圆排水管，环向半圆排水管设置间距510m，纵向排水管采用eva波纹管，设置在洞内初期支护边墙脚，沿隧道两侧，全隧道贯通，环向半圆排水管沿隧道拱背环向布设将水排纵向pvc波纹管，然后通过eva塑料排水管将水导入隧道底部30中央排水管，引水至洞外排水沟。在遇有地下水较大地段、集中渗水地段及在喷层中如遇较大渗水地段，应加设半圆排水管将水导入纵向排水管。隧道路面采用双面坡，路面水通过开口流入缝隙管，缝隙管设在两侧，洞内缝隙管主要排放消防及清洗水，使衬砌背后围岩水与污染水分离排放。隧道中央排水管设置了沉沙井、检查井，边墙脚纵向排水管设置了检查井，使隧道排水设施具有了可维修性。隧道如遇涌水地段，应对于可能发生涌水的地段采用堵水处理，根据国内外堵水经验和隧道的具体情况，在采用超前探水等物理勘探手段，查明隧道前方地下水分布状况及水量后，适时采取预注浆，将大量水尽可能封堵在围岩内，使隧道开挖后不出现大量涌水，为隧道后续施工创造条件，以确保隧道施工能安全、按时完成。 3.2 施工缝、变形缝防水本隧道变形缝设置eva背贴式止水带加中埋式橡胶止水带，两道防水，且嵌缝材料要求防水。环向施工缝具体可根据施工情况进行调整，环向施工缝设置eva背贴式止水带加橡胶止水条，两道防水。 仰拱与边墙施工缝应设置在电缆沟盖板以下。 施工时应注意防水板搭接，排水管预埋、止水带安装、注浆管预埋等等，如遇安装位置不合适时，应作适当调整。 3.3 隧道洞口防排水 隧道开挖前应做好防排水处理工作。如山顶、坡面低洼或沟槽应整平并做好排水设施。结合洞口的地形情况，设置洞门墙排水沟以及在洞顶仰坡上方设置截水沟，防止雨水对坡面、洞口的危害，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞外排水系统。具体防水措施：在初期支护与二次衬砌之间铺设2.0mm厚的eva板防水层和密度控制在300g/以上的无纺布，注意的是在施作防水板之前，要保证混凝土表面平顺，无尖点及钢筋露头。路面结构下设300纵向中心水沟，侧边设宽50mm、深30mm的纵向凹槽；在衬砌两侧边墙背后底部设100的纵向排水盲管，纵向排水盲管由100的a类横向导水管和150的b类横向导水管与中央排水沟连接。对于二次衬砌施工缝、沉降缝等薄弱环节，因此除按施工规范要求处理外，还应进行精心的设计，采用合适的防水材料和构造形式。可在防水板下面添加一层背贴式止水带，并在施工缝处添加止水条。隧道二次衬砌混凝土防水等级要大于。二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式如附图所示。4、 隧道开挖施工方案 4.1 隧道施工方法 该隧道为级围岩隧道，根据设计要求采用新奥法。选择正台阶法（短台阶）开挖。上层台阶超前施工，施工时首先掘进上部弧形断面（高2.5m），然后逐一挖掘下面各层。该施工方法工序较少、干扰小，上台阶孔可于下台阶出渣平行作业，最适合于采用锚喷作为永久支护的隧道开挖。开挖时局部临时支护。此法的缺点是上下部作业有干扰；作业时应注意下部作业对上部稳定性的影响。 台阶开挖注意事项： 台阶长度要适当； 解决好上、下半断面作业的相互干扰问题 下部开挖时，应注意上部的稳定； 上部开挖时，因临空面较大而使爆破坡度过大，应采取密布炮孔。采用先拱后墙时，必须控制下部开挖厚度和爆破用药量，避免损伤拱圈； 采用光面爆破，尽量降低对围岩的扰动。 4.2 施工顺序： 测量布眼钻土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。 4.3 洞口施工 （1）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） 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，为保证隧道坡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。 对于新奥法施工需要增加10cm的超挖量，最终确定实际开挖线。而施工中，很难掌握刚好达到实际开挖平均线，按设计要求，所有超挖部分都要用片石回填密实。 四、隧道洞门的设计1、 端墙式隧道洞口尺寸的设定及计算 1.1拟定尺寸、确定参数设计洞口形式为端墙式洞口，端墙为直墙，墙厚1.8m，洞口为挡墙垂直,坡比1:0.5，高端11低端为7m，仰坡坡脚至端墙背的水平距离1.5m.计算参数： 仰坡坡度；1:0.5 仰坡坡角；，tan， 地层溶洞kn/m 地层计算摩擦角 洞门地基土摩擦系数0.65 地基容许承载力 1.2建筑材料的容重和容许应力d计算 墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石强度等级为mn100,水泥砂浆的强度等级为m10。容许压应力的计算： 最危险滑裂面与垂直面之间的夹角w=arctan0.2658=14.89土压力为： 土压力按下式计算： kn墙背摩擦角取： 墙体自重按下式计算： kn2、洞门作为重力式挡土墙