铁路客运专线隧道设计与施工 毕业设计.doc

石家庄铁道大学毕业设计 铁路客运专线隧道设计与施工 tunnel design and construction of passenger railway line 2012 届届 土木工程土木工程 学院学院 专专 业业 土木工程土木工程 学学 号号 学生姓名学生姓名 指导教师指导教师 完成日期完成日期 2012 年 6 月 1 日 毕业设计成绩单毕业设计成绩单 学生姓名闫春圆学号20080136班级土 0801-5专业土木工程 毕业设计题目铁路客运专线隧道设计与施工 指导教师姓名高新强 指导教师职称副教授 评 定 成 绩 指导教 师 得分 评阅人得分 答辩小 组组长 得分 成绩： 院长(主任) 签字： 年 月 日 毕业设计任务书 题题 目目铁路客运专线隧道设计与施工 专专 业业土木工程班班 级级土 0801-5学生姓名学生姓名闫春圆闫春圆 承担指导任务单位承担指导任务单位土木工程学院 导师导师 姓名姓名 高新强 导师导师 职称职称 副教授 一、设计内容 对铁路客运专线石门圩隧道进行设计，内容主要有： 1.设计依据及原则：包括设计应遵循的主要规范规程及主要原则。 2.工程概况：包括本工程的设计范围、工程地质、水文地质概述；地面环境等。 3.高速隧道结构选型及构造要求：包括结构选型、衬砌的构造要求、支护和衬砌设计 参数的确定。 4.隧道衬砌结构设计检算：包括计算荷载的确定、计算模型的建立、衬砌结构计算及 整理、结构配筋计算。 5.施工方法设计：包括主要施工方法的确定、主要施工工艺方法、施工组织、指导性 施工进度、施工监控量测等。 应附图：地质纵剖面图、支护结构设计横剖面图、衬砌结构横剖面图、防水结构图、 监控量测测点布置图等。 6 外文翻译，隧道英文论文翻译。 二、基本要求 1.通过文献、资料阅读，掌握罗而庄隧道地层特性及高速铁路隧道结构设计方法。 2.熟悉衬砌结构设计计算方法。 3.掌握隧道施工方法及施工组织设计。 三、主要技术指标 另见具体资料。 四、应收集的资料及参考文献 1.隧道设计规范 ； 2.隧道施工规范 ； 3.混凝土结构设计规范 ；(gbj10-89) 4.隧道设计手册 ； 5.隧道施工手册 ； 6. 高速铁路隧道相关资料、文献等。 五、进度计划 第 1 周 熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图、外文翻译； 第 2 周 写出开题报告； 第 36 周 隧道衬砌结构设计检算； 第 711 周 施工方法设计； 第 1214 周 防水设计、监控量测设计； 第 15 周 文整，答辩。 教研室主任签字教研室主任签字时时 间间 年年 月月 日日 毕业设计开题报告毕业设计开题报告 题 目铁路客运专线隧道设计与施工 学生姓名闫春圆学号 20080136 班级土 0801-5专业土木工程 1、研究背景 21 世纪是大力开发地下空间的世纪，对于城市建设来说，利用地下空间立体式 交叉建设，解决地面紧张、交叉路口的阻塞，疏导交通保护环境提高社会综合效益， 并最总建成满足城市可持续发展现代化城市主题交通体系，使城市成为人和自然和 谐，具备可持续发展的绿色城市。我国内地有许多地势起伏山峦纵横的山区，铁路 穿越这些山区时，往往受到高程的阻碍。而铁路限坡平缓，无法提起需要的高度， 同时现居地势无法绕避，这时开挖隧道穿山通过最为合理。所以在铁路线上尤其是 山区铁路线上，隧道的选择最为合理，修建的数量也越来越多。 石门圩一号隧道位于江西省会昌县境内，隧道全长335m，隧道进出口里程分别 为：dk106+960、dk107+295；隧线分界里程分别为：dk106+960、dk107+295。 该隧道为时速200km客货共线铁路双线隧道，隧道内线间距为4.516m。隧道纵断面： 隧道内自进口至出口纵坡为5.8的上坡。隧道平面：dk106+960（进口） dk107+295（出口）段位于右偏的曲线上，右线曲线半径为3800m。隧道内铺设 有砟轨道，直线地段轨道结构高度为766mm。 隧道最大埋深约 37m，通过地层岩性主要为弱风化灰岩，地下水发育，部分地 段岩溶发育。 二、国内外研究现状 目前我国铁路隧道在数量上、总长度上已处于世界领先地位。据不完全统计， 中国自 1949 年 10 月至 2005 年末的半个多世纪以来，共建成铁路隧道 6874 座，总 延长 4158km，连同此前修建的 664 座，总延长 156km 的隧道，现中国铁路建成的 隧道达 7538 座，总延长 4134km。其中长度大于 5km 的隧道有 53 座。2006 年在建 的隧道有 17585 座，总延长 2164km，即将开工的高速铁路隧道约 146 座，长度约 184km，规划修建的客运共线铁路隧道长度约 2100km，其中特长隧道约 760km。 这一组组生机勃勃的数字，足以显示中国铁路隧道光辉的历程和美好的发展其前景。 在亚洲，日本于 1964 年便建成了世界上第一条高速铁路东海新干线，其 后又相继完成多条新干线，目前已形成 2175km 的新干线，并且还有新建干线和改 造既有的计划。在韩国和我国台湾也在建设高速铁路，我国的邻国印度也在开展高 速铁路建设的前期工作。 在欧洲，发展高速铁路的国家很多。截止 2002 年末，欧洲高速铁路已有 3260km 投入运营，预计到 2010 年将达到 6000km。欧洲高速铁路始于法国，其后， 在德国、意大利、西班牙都相继有高速铁路建成。目前，除以上国家外，比利时、 荷兰和东欧及南欧的一些国家都在积极地进行高速铁路建设的准备。 在美洲和大洋洲，美国已经开始了拟定高速铁路的建设规划，澳大利亚也已经 对其东海岸铁路进行高速论证。 三、主要研究内容 对于本毕业设计主要有两个方面，一是隧道的结构设计，包括二次衬砌厚度， 以及采用的混凝土衬砌，并且进行荷载计算、内力分析和二次衬砌配筋设计。其中 主要包括初期喷射混凝土，厚度，锚杆长度，采用何种锚杆，锚杆的直径，锚杆间 距,并且锚杆是否设置钢垫板，垫板的尺寸。在拱部，边墙部位都要进行布置，钢拱 架采用何种型号，标号，间距，采用的钢筋网网格间距。 二是施工方案设计，包括：开挖施工方法，采用哪种爆破设计，采用哪种运输 方式，出渣方式，以及初期支护的各个施工工艺环节，进行二次衬砌的施做，以及 防水排水工艺，如何布置施工通风，以及施工监控量测的主要项目及测点布置，包 括必测项目和选测项目，如何进行科学的施工组织管理。主要分项的施工工艺包括 如何打锚杆，喷射混凝土，铺钢筋网，架设钢拱架。 四、主要研究方法 对于隧道结构设计，首先利用 ansys 软件进行建立计算模型，即使用阶段结 构安全性检算，采用“荷载结构”模式，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹 性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟 ，组合荷载根据不同作用方向分别 转换成等效节点力施加在相应的单元结点上 。荷载计算主要包括松动压力的计算， 即采用单线隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式计算。 利用容许应力法进行配筋 设计，即根据计算出来的内力值进行配筋。 对于隧道施工组织设计，本隧道使用的开挖方法很多，首先进行初期支护，包 括锚喷支护，架设钢拱架，钢筋网。然后进行二次衬砌施做，施工监控量测包括必 测项目和选测项目。 五、预期结果 设计中通过对结构所受的荷载，进行 ansys 建模,来计算出某点所受的轴力和 弯矩，然后通过计算出来的内力进行衬砌结构的配筋设计。 隧道施工组织设计中，初期支护包括锚喷支护，架设钢拱架，钢筋网，以及二 次衬砌要及时施做，采用有轨运输方式进行出渣，利用斜井进行通风，排水，二次 衬砌及时跟上。 六、进度计划 第 1 周 熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图、外文翻译； 第 2 周 写出开题报告； 第 36 周 隧道衬砌结构设计检算； 第 711 周 施工方法设计； 第 1214 周 防水设计、监控量测设计； 第 15 周 文整，答辩。 指导教师签字时 间 年 月 日 摘要 石门圩隧道全长 335m，隧道进出口里程分别为：dk106+960、dk107+295；该 隧道为时速 200km 客货共线铁路双线隧道.隧道内铺设有砟轨道，直线地段轨道结构 高度为 766mm。隧道最大埋深约 37m，通过地层岩性主要为弱风化灰岩，地下水发 育，部分地段推测岩溶发育。 首先，根据隧道的工程概况拟定相关参数对隧道各级各段进行深浅埋判断，在 此基础上进行围岩压力计算，通过 ansys 软件建模对各围岩段衬砌强度进行结构 检算，再对衬砌配筋进行计算，之后进行检算。其次，根据该隧道的不同围岩等级 进行施工方案的选择和设计，提出施工方案。施工方法的选择：级围岩采用全断 面法，级围岩采用台阶法，级围岩采用中隔壁法。然后对小导管、锚杆、钢筋 网、钢架和喷射混凝土的施工要点及注意事项进行详细阐述。再对初期支护和二次 衬砌进行施工方法设计。最后再对石门圩隧道的防排水工艺进行设计。 关键词： 客运专线 结构计算 隧道施工 监控量测 abstract shimenxu tunnel length of 335 m, tunnel for import and export mileage respectively: dk106+960, dk107 + 295; the tunnel for a speed of 200 km of railway passenger line double tunnel. tunnel have laid in a frantic jumble orbit, the linear sector of track structure height is 766 mm. the biggest tunnel buried depth about 37 m, through the rocks mainly for the weak weathered limestone, groundwater development, part of the karst development area. first, determine the depth of all levels of the tunnel sections buried according to tunnel parameters of the project profiles prepared , calculated the rock pressure on this basis of the judgement result, through the ansys software modeling of the rock section checking the strength of the lining, then lining reinforcement through the results of checkup. secondly, proposed construction program according to the level of the surrounding rock tunnel construction scheme with different selection and design of construction program. the choice of construction methods: grade rock using full face excavation method, grade rock by step method, grade rock used cd method. then detail the construction elements and attention matters of the small pipe, bolt, steel mesh, steel and shotcrete. then design construction method of the initial support and the secondary lining. finally, design the drainage process of the shimenxu tunnel. key words: passenger dedicated lines structural calculation tunneling construction monitoring measuring 目录 第 1 章 绪论1 1.1 研究背景及国内外现状.1 1.2 主要研究内容.2 第 2 章 工程概况3 2.1 工程概况.3 2.2 工程地质特征.3 2.2.1 地形3 2.2.2 地层岩性3 2.2.3 地质构造3 2.2.4 水文地质4 2.2.5 物理地质4 2.2.6 工程措施建议4 第 3 章 结构设计6 3.1 主要设计依据及技术标准.6 3.1.1 设计依据6 3.1.2 设计标准6 3.2 结构计算原理.6 3.3 计算荷载.7 3.4 衬砌内力计算.10 3.5 衬砌截面配筋计算依据.18 3.5.1 截面配筋方法18 3.5.2 配筋结果20 3.5.3 最大裂缝宽度检算20 第 4 章 隧道施工方案21 4.1 施工总方案.21 4.2 进洞方案.21 4.3 不同围岩段的开挖方法.22 4.3.1 级围岩段开挖方法22 4.3.2 级围岩段开挖方法23 4.3.3 级围岩段开挖方法23 4.3.4 各围岩段开挖方法汇总24 4.4 各开挖方法间的转换.25 4.4.1 cd 法与长台阶法的相互转换25 4.4.2 三台阶法到 cd 法的转换.25 4.4.3 台阶法到三台阶法的转换25 4.5 爆破设计.26 4.5.1 级围岩爆破设计26 4.5.2 级围岩爆破设计29 4.5.3 级围岩爆破设计33 4.5.4 级围岩浅埋爆破36 第 5 章 隧道施工工艺43 5.1 小导管注浆施工工艺.43 5.2 基底注浆施工工艺.44 5.3 大管棚注浆施工工艺.45 5.4 装渣与运输.46 5.5 初期支护施工工艺.46 5.5.1 喷射混凝土施工工艺46 5.5.2 锚杆施工工艺48 5.5.3 钢筋网施工工艺49 5.5.4 钢拱架施工工艺50 5.6 防排、水工程施工工艺.51 5.6.1 隧道衬砌排水51 5.6.2 采用防水混凝土51 5.6.3 施工缝和变形缝防水52 5.6.4 初期支护和二次衬砌之间防水52 5.6.5 洞内排沟施工53 5.7 二次衬砌施工工艺.54 5.7.1 二次衬砌混凝土54 5.7.2 二次衬砌模板台车55 5.7.3 二次衬砌施工要点55 第 6 章 隧道施工现场监控量测56 6.1 监测目的.56 6.2 监测项目.56 6.3 监控量测流程.56 6.4 测点布置.57 6.5 量测频率.58 6.6 监控量测数据分析与反馈.58 第 7 章 结论与展望59 7.1 结论.59 7.2 展望.59 参考文献61 致谢62 附录 a 外文资料翻译63 附录 b 附图85 1 第 1 章 绪论 1.1 研究背景及国内外现状 目前，我国铁路的运营里程已居世界第三位和亚洲第一位，其年货物发送量和 旅客周转量均为世界第一，客货周转量分别占全社会的 35%和 53%以上。作为一个 铁道大国，根据铁道部提出的跨越式发展思路，我国理应尽快发展高速铁路。 最近，国家批准了京津，石太，武广，郑西，合宁，合武，甬温，温福，福厦 等 9 个客运专线项目。其中，石太客运专线已于 2005 年 6 月 11 日开工，其正线长 189.93km，其中隧道 32 座，约 74.58km，占线路总长的 39.3%。武广客运专线也于 2005 年 6 月 23 日开工，其正线长 989km，其中隧道 236 座，约 168km，占线路总 长的 16.9%。 郑西客运专线于 2005 年 9 月 25 日开工，其正线总长 454km，其中隧 道总长约为 74km，占线路总长的 16.3%。总体上讲，这 9 个客运专线项目，正线总 长 3139km，隧道约 667km，占线路总长的 21.2%。因此，现如今在我国研究铁路客 运专线隧道的设计和施工是一个相当紧迫的任务。 在我国，铁路客运专线设计与施工还是一个全新的领域。认真学习借鉴发达国 家客运专线经验，潜心研究和掌握客运专线技术，是摆在我国铁路各级领导和广大 工程技术人员面前的一项重要任务。 在我国，高速铁路的研究工作起步于 20 世纪 90 年代，现已为高速铁路的建设 做了大量的技术准备。但是，我国毕竟没有高速铁路修建的实践经验，而高速铁路 又是涉及面积广、科技水平极高的系统工程，因此，我们应贯彻“先进、成熟、经济、 实用、可靠”的技术方针，开创我国客运专线和高速铁路事业。 国外高速铁路隧道发展现状：以意大利佛罗伦萨博洛尼亚高速铁路隧道为例。 意大利佛罗伦萨博洛尼亚高速铁路隧道投资 27 亿美元，全长 78km 约 94%穿越亚 平宁山脉。其开挖断面为 135m2 。采用方法有：钻爆法、装有剥离破碎装置或液压 锤的机械开挖，1.5km 用明挖。最长 18561m。 采用“adeco”设计理念。针对沿线 地层复杂多变，部分地段存在高应力、 大变形的挤压岩层，地质条件较差的情况。 类似我国 “动态设计、信息化施工”的概念。基本程序是通过 大量地质勘查和土工 试验，经计算具体分析，预测隧道开挖后岩体变形收敛情况及稳定状况，针对不同 的情况，采取有针对性支护方式及结构设计参数，进行预设计。施工中加强监控量 测及预测预报，将信息及时反馈给设计者，对预设计安全度进行评估，必要时及时 2 调整设计参数，指导施工。 处理困难的岩土应力-应变情况证明是有价值的。意大 利佛罗伦萨博洛尼亚高速铁路隧道以新奥法原理贯彻，特别强调软弱围岩地段隧 道开挖后，及时对开挖断面周边径向进行支护。二次衬砌紧跟、仰拱超前施作等措 施对软弱围岩施工具有较强的指导意义。大断面软弱围岩开挖支护，初期支护变形 2030mm，初期支护厚度最大达 550mm，对我国高速铁路隧道大断面隧道设计参数 的确定有一定参考价值。意大利佛罗伦萨博洛尼亚高速铁路隧道采用超前支护措 施，针对不同的地质情况，采取超前锚杆、全断面帷幕注浆等支护措施。玻璃纤维 锚杆，在国内运用较少，其超前支护长度达 24m，目前国内使用大管棚超前支护措 施，施工进度较慢。密集隧道群总体施工组织根据该段隧道工程的特点、造价及工 期（5 年）要求，采用钻爆法、装有剥离破碎装置或液压锤的机 械开挖进行施工， 共修建总长 19km 辅助坑道和 100km 施工便道，开辟 40 个工作面进行施工，隧道 平均掘进速度 36m/d。 1.2 主要研究内容 石门圩一号隧道位于江西省会昌县境内，隧道全长 335m，隧道进出口里程分别 为：dk106+960、dk107+295；隧线分界里程分别为：dk106+960、dk107+295。 该隧道为时速 200km 客货共线铁路双线隧道，隧道内线间距为 4.516m。隧道纵断面： 隧道内自进口至出口纵坡为 5.8的上坡。隧道平面：dk106+960（进口） dk107+295（出口）段位于右偏的曲线上，右线曲线半径为 3800m。隧道内铺设 有砟轨道，直线地段轨道结构高度为 766mm。隧道最大埋深约 37m，通过地层岩性 主要为弱风化灰岩，地下水发育，部分地段岩溶发育。 根据隧道的平面、纵断面图、工程地质条件确定隧道的设计方案。 设计依据及原则：包括设计应遵循的主要规范规程及主要原则。 铁路隧道结构设计：包括衬砌断面拟定、荷载确定、计算模型的建立、衬砌 结构计算及整理、结构配筋计算。 施工方法设计：包括施工总体部署(主要应包括施工场地布置、施工临时设施 设计等)、主要施工方法及施工工序、指导性施工进度。 附图：平面图、纵剖面图，结构横剖面图，配筋图，施工监测测点布置图等。 外文翻译等相关文档和完整的设计报告书 3 第 2 章 工程概况 2.1 工程概况 石门圩一号隧道位于江西省会昌县境内，隧道全长 335m，隧道进出口里程分别 为：dk106+960、dk107+295；隧线分界里程分别为：dk106+960、dk107+295。 该隧道为时速 200km 客货共线铁路双线隧道，隧道内线间距为 4.516m。隧道纵断面： 隧道内自进口至出口纵坡为 5.8的上坡。隧道平面：dk106+960（进口） dk107+295（出口）段位于右偏的曲线上，右线曲线半径为 3800m。隧道内铺设 有砟轨道，直线地段轨道结构高度为 766mm。 隧道最大埋深约 37m，通过地层岩性主要为弱风化灰岩，地下水发育，部分地 段岩溶发育。 2.2 工程地质特征 2.2.1 地形 石门圩一号隧道地处南岭、武夷山、诸广三大山脉交接地区，地势四周高，中 间低。地貌以丘陵区为主，地形起伏较大，地势较陡，自然坡度为 2535，植被 较发育，以松树、杂草、低矮灌木为主。进口段乱掘现象严重，隧道左侧约 70m 为 既有赣龙线。 2.2.2 地层岩性 洞口段上层为素填土，灰褐色。层厚约 00.5m。之后地段上层为第四系残坡 积层粉质黏土，褐黄色，硬塑，层厚约 05.8m，分布于隧道出口段丘坡表层。下 层为石碳系上统船山组灰岩，青灰、灰白色，弱风化。岩层产状为：32040。局 部地段岩溶较发育，溶蚀现象严重，多以溶沟、溶槽为主。 2.2.3 地质构造 岩石节理发育，沿节理溶蚀现象严重。 4 2.2.4 水文地质 (1)地表水 地表水以大气降水补给为主，不发育，地下水主要为基岩裂隙水、岩溶水，较 发育。 (2)地下水 根据附表一地下水化验指标，按照铁建设（2005）157 号判定，隧址区地下水 无化学侵蚀性。仅根据氯离子含量判定，地下水无氯盐侵蚀性。 2.2.5 物理地质 地震动峰值加速度为 0.05g。地震动反应谱特征周期为 0.35s。场地类别 iii 类。 隧址区内未发现不良地质及特殊岩土。 2.2.6 工程措施建议 (1)隧道进、出口段、洞身等地段乱掘现象严重，岩体较破碎、地下水较发育， 局部存在危岩落石，设计与施工应予以充分考虑，加强支护和防排水； (2)隧道施工单位在隧道施工前应在对隧道设计地质资料进行分析的基础上，开 展地面地质调查，包括对地表不良地质体、地质构造、地层界限、特殊岩土体的性 质或岩性、层位、层序和规模等方面施工地质复查工作。 (3)建议设计和施工采用基底注浆等措施，防止基底塌陷等对隧道的影响。 (4)隧道弃碴可以用做路基填料，基岩弱风化属 a、b 组填料。 (5)隧道施工应加强对隧道进出口边坡、浅埋、偏压地段洞内外岩土体的变形、 位移监测和安全防护工作。 (6)隧道施工过程中应积极开展隧道多种方式、方法相结合的长短期超前地质预 测预报和施工地质灾害的监测、预警工作，并依据超前地质预报数据、开挖揭示的 地质情况和监控量测数据，修改完善围岩分级。 (7)隧道进出口，存在突泥、突水的可能性，设计和施工应加强防排水和支护， 并加强超前地质预报工作和观测工作。施工中须加强岩溶水的提取和侵蚀性化验工 作。岩溶发育地段,应加强岩溶水的防排水设计和施工措施, 防止在隧道掘进过程中， 易引起坍塌或涌水、突水等。 (8)由于地质条件在空间变化的复杂性，根据地质测绘、以点代面的勘探来完全 查明工程地质条件，存在一定的困难。在施工开挖、基础施工过程中出现与勘察成 果不符的情况下，应由勘察设计单位确认是否进一步补充勘察工作，查明对线路工 5 程的影响。隧道施工过程中若发现隧道洞身地质情况与设计不符时，应及时向监理、 建设、设计通报和办理变更手续。 (9)隧道施工时应合理设置弃碴场堆放弃碴，并做好拦碴坝和坡面植草防护，以 免给当地的自然生态环境造成破坏及水土流失、碴层滑坡等不良地质问题。 (10)线路左侧为既有线，请设计、施工予以充分考虑。施工前，施工单位应进 行调查，并对隧道施工可能诱发工程灾害的部位采取必要措施确保工程的安全。 6 第 3 章 结构设计 3.1 主要设计依据及技术标准 3.1.1 设计依据 (1)铁路隧道设计规范(tb10003-2001) (2)铁路隧道工程施工技术指南(tz204-2008) (3)新建铁路工程测量规范(tb10101-99) (4)铁路隧道喷锚构筑法技术规则(tbj108-92) (5)铁路喷射混凝土技术施工规范 (6)铁路隧道施工规范(tb10204-2002) (7)铁路隧道防排水设计规范 3.1.2 设计标准 铁路等级：级 ； 正线数目：双线 ； 牵引种类：电力 ； 牵引定数：4000 t ； 限制坡度：单机 6 ，双机 13 ； 最小曲线半径：1200m ; 设计行车速度：200km/h ； 隧道建筑限界：“kh-200 桥隧建筑限界”； 闭塞类型：自动闭塞； 隧道内线间距: 4.516m 。 隧道内轨道按重型轨道标准设计，预留特重型轨道条件。钢轨采用 70kg/m，高 强耐磨钢轨，一次铺设超长无缝线路。 3.2 结构计算原理 对隧道结构进行设计检算，主要是依据容许应力法原理，通过对衬砌结构建模， 计算得出衬砌结构在荷载作用下的内力和位移，利用结构最危险点的内力对衬砌强 度进行检算，对不满足强度要求的进行配筋。 隧道衬砌结构检算的主要内容为：根据具体的工程对象，弄清隧道结构的几何 参数和地质参数，包括结构的几何参数、弹簧的弹性常数、上覆土的深度和容重、 地面荷载、混凝土材料的容重和弹性模量以及土体的侧压力系数等参数；然后建立 7 几何模型，划分单元并加上弹簧单元，加上自重和约束条件，加上荷载并进行求解； 接下来对计算的结构进行分析，重点考察结构变形图，根据弹簧单元只能受压的性 质重新修改模型并重新求解，这一步要反复进行直到得出最终结果；最后对计算结 构进行分析，绘出结构的轴力图、弯矩图，并导出内力数据，根据分析的结果，按 照相应的规范进行强度和变形的验算，如果不满足设计要求，进行配筋计算。 依据石门圩一号隧道的纵断面图，在围岩级别和地质条件不同的 6 个地段选取 衬砌进行设计计算。从图中查处围岩衬砌段的起始里程、围岩级别、长度和埋深等 数据，统计见表 3-1、3-2、3-3。 表3-1 隧道围岩分级 起讫里程长度（m）围岩级别 dk106+960dk106+99030 dk106+990dk107+05565 dk107+055dk107+08530 dk107+085dk107+11530 dk107+115dk107+295180 石门圩隧道断面内轮廓线全部尺寸为 b=12.46m，h=10.40m。根据铁路隧道 设计规范 ，初步拟定初支和二衬厚度以及预留变形量，确定开挖宽度和高度，具体 取值见表 3-2。 表3-2 围岩支护、预留变形量及开挖尺寸取值 围岩 级别 初期支护厚 (cm) 二次衬砌厚度 (cm) 预留变形量 (cm) 隧道开挖宽度 (cm) 隧道开挖高度 (cm) 1540813721181 25451014061200 28501514321236 3.3 计算荷载 (1)深、浅埋判定依据 一般，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量，根据 经验，这个深度通常为 22.5 倍的坍方平均高度值，即 (2 2.5) pq hh (3-1) 式中，hp深浅埋隧道分界的深度； hq等效荷载高度值。 8 系数 22.5 在较坚硬围岩中取低限，结合隧道地质状况取值。当隧道覆盖层厚 度时为深埋，hhp时为浅埋。 p hh (3-2) 1 q 0.45 2sh )5(1bi (3-3) 式中，hq等效荷载高度值； s围岩级别； 宽度影响系数； b坑道宽度，以 m 计； ib 每增加 1m 时，围岩压力的增减率(以 b=5m 为基准)，当 b 5m 时，取。 2 . 0i1 . 0i (2)各级围岩深浅埋判断如表 3-3 表 3-3 深、浅埋判断计算表 围岩级别b(m) hq (m)hp(m)h(m)埋深 13.52 1.8523.33366.667231.28537.27 深埋 13.86 1.8866.789616.9745.77621.75 深埋、浅埋、 超浅埋 14.121.91213.766434.416 033.7 浅埋、超浅 埋 (3)各级围岩围岩压力的计算 1)计算断面的选取 在各级围岩中选取断面进行荷载计算。、级围岩地段包括深埋、浅埋、超 浅埋两种情况，需各自进行计算。浅埋段在埋深最大处即深、浅埋分界处最不利。 由于级为深埋隧道，埋深对围岩压力没有影响，因此任意选取截面进行计算。 2)围岩压力的计算 围岩压力的计算包括垂直和水平压力的计算，随隧道的埋深不同，计算公式也 不相同。通过查阅铁路隧道设计规范得到各级围岩的计算参数。 深埋隧道围岩松动压力的计算方法 双线铁路隧道垂直均布松动压力公式为： q qh (3-4) 式中，竖直均布松动压力； q 围岩容重。 水平均布松动压力 e 可根据竖直均布松动压力求得见表 3-4 表 3-4 水平均布松动压力 围岩级别 9 水平均布压力0.12q0.2q0.4q 浅埋隧道围岩松动压力的计算方法 1.当隧道埋深 h 小于或等于等效荷载高度 hq (即 hhq)时为超浅埋。 围岩垂直均布松动压力为 q=h (3-5) 式中，h隧道埋置深度。 围岩水平松动压力为 (3-6) 2 0 1 ()tan (45) 22 t eqh 式中，围岩计算摩擦角； 0 隧道净高。 t h 2.当隧道埋深 h 大于等效荷载高度 hq (即（2.52.0）hqhhq)时为浅埋。 (3-7) tantan ) 1(tantan tantan 0 0 2 0 0 (3-8) tantan)tan(tantan1tan tantan 00 0 围岩垂直均布松动压力为 (3-9) ) tan ( 2 b h hq 围岩水平松动压力为 (3-10) 1 eh (3-11) 2t ()ehh 式中，破裂面倾角； 围岩两侧摩擦角； 侧压力系数。 表 3-5 围岩物理力学指标 围岩级别 重度( ) 3 kn/m 计算摩擦角() 0 两侧摩擦角() 24 225645 194527 10 各级围岩所选截面的计算结果如表 3-6 所示。 表 3-6 荷载计算结果 计算断面（深 埋) （深埋） (浅埋)(超浅埋) (浅埋)(超浅埋) 垂直均布压力 q 80149.3712307.12149.371473.138261.562 围岩压力 (kn/m2)水平均布压力 e9.6 29.87473.17626.228166.55264.909 3.4 衬砌内力计算 通过使用 ansys 有限元软件对隧道衬砌结构建立模型如图 3-1，进行力学计算。 力学计算的全过程为：首先，依照截面尺寸，利用结构荷载模式对衬砌结构建立模 型。然后依据计算得出的竖直和水平均布压力对模型加载，并进行计算。最后，查 看计算结果，同时输出内力图。其中涉及到的参数有，c30 混凝土的弹性模量是 31109n/mm2，泊松比为 0.2，密度为 2500kg/m3，级围岩的弹性抗力系数为 850106 pa/m，级围岩的弹性抗力系数为 350106 pa/m，级围岩的弹性抗力系数 为 150106 pa/m。 图 3-1 荷载结构计算模型图 11 (1)级围岩深埋衬砌 弯矩图如图 3-2 所示、轴力图如图 3-3 所示。 (2)级围岩深埋衬砌 弯矩图如图 3-4 所示、轴力图如图 3-5 所示。 (3)级围岩浅埋衬砌 弯矩图如图 3-6 所示、轴力图如图 3-7 所示。 (4)级围岩浅埋衬砌 弯矩图如图 3-8 所示、轴力图如图 3-9 所示。 (5)级围岩超浅埋衬砌 弯矩图如图 3-10 所示、轴力图如图 3-11 所示。 (6)级围岩超浅埋衬砌 弯矩图如图 3-12 所示、轴力图如图 3-13 所示。 图 3-2 级深埋衬砌弯矩图(nm) 12 图 3-3 级深埋衬砌轴力图(n） 图 3-4 级深埋衬砌弯矩图(nm) 13 图 3-5 级深埋衬砌轴力图(n） 图 3-6 级浅埋衬砌弯矩图(nm) 14 图 3-7 级浅埋衬砌轴力图(n） 图 3-8 级浅埋衬砌弯矩图(nm) 15 图 3-9 级浅埋衬砌轴力图(n） 图 3-10 级超浅埋衬砌弯矩图(nm) 16 图 3-11 级超浅埋衬砌轴力图(n） 图 3-12 级超浅埋衬砌弯矩图(nm) 17 图 3-13 级超浅埋衬砌轴力图(n） 衬砌危险点的轴力和弯矩见表 3-7。 表 3-7 混凝土强度和钢筋强度 围岩级别危险点轴力(n) 弯矩（nm） 拱顶2662300298260 拱腰3017800430140 拱脚321920052602 拱腰2200900312800 浅埋 仰拱3175600143320 拱顶1139000131940 拱腰1827300152830 拱脚21109008445.3 拱腰207360078703 浅埋 仰拱1709600156790 拱顶89370068790 拱腰105220034265 拱脚10899002681 拱腰96170079222 深埋 仰拱63331067366 18 3.5 衬砌截面配筋计算依据 3.5.1 截面配筋方法 首先判断深浅埋，轴向力偏心距增大系数取为 1.0。 ，钢筋的保护层厚度为 级围岩取 60mm，级围岩取 65mm。根据式(3-13）和式(3-14)可对衬砌截面受压 进行大、小偏心判断，然后配筋。 根据铁路隧道规范 ，采用容许应力法进行配筋计算。计算围岩衬砌若需要配 筋均采用两侧钢筋对称布置。即，即截面两侧用相同数量和钢号 gg aa gg rr 的配筋。 (1)若不用配置钢筋，则其检算的所需公式为: a knr bh （3-12） 式中，混凝土或砌体的抗压极限强度； a r k安全系数； n轴向力（mn） ； b截面的宽度（m） ； h截面的厚度（m） ； 截面的纵向弯曲系数：对于隧道衬砌、明洞拱圈及强背紧密回填 的边墙，可取=0.1；对于其他构件，应根据其长细比按规范采用； 轴向力的偏心影响系数。 (2)如果需要配置钢筋，则其检算所需的公式为： 判断大、小偏心受压，大偏心应满足 0 0.55xh (3-13) 小偏心应满足 0 0.55xh (3-14) 式中 混凝土受压区高度；x 0 h截面有效高度。 大偏心受压构件的计算 () wggg knr bxraa (3-15) 式中，安全系数，按表进行选择；k w r混凝土弯曲抗压极限强度； g r钢筋的抗压或抗拉计算强度； g a，受拉和受压区钢筋的截面面积(m2)； g a n 轴向力（mn） ； 19 x混凝土受压区高度(m)； b矩形截面的宽度(m) 此时，中性轴的位置按下式确定： 0 ( )(/ 2) ggw ra ea er bx ehx (3-16) 当轴向力作用于钢筋与的重心之间，上式中左边第二项取正号；反之 n g aga 取负号。 小偏心受压构件的计算： 20 0 0.5 () ag kner bhrgaha (3-17) 式中，钢筋的重心到几面最近边缘的距离（m） 。 a ga 当轴向力作用于钢筋与的重心之间，尚应符合下式要求： n g aga 2 00 0.5 ag kner bhrgaha (3-18) 式中符号意义同前。 混凝土强度和钢筋强度见表 3-8 表 3-8 混凝土强度和钢筋强度 混凝土 等级 抗拉强度 (r1/mpa) 抗压极限强度 (ra/mpa) 弯曲抗压极限强度 (rw/mpa) 钢筋等 级 计算强度 （rg/mpa） c252.019.024.2hpb225260 c302.222.528.1hrb335360 20 3.5.2 配筋结果 表 3-9 配筋结果表 由于级深埋衬砌不需配筋，、级超浅埋地段与浅埋、浅埋配筋相同， 级超浅埋地段是洞口地段，配筋需适当加强。所以超浅埋配 418，级超浅埋 配 525。 3.5.3 最大裂缝宽度检算 fgg le /0 . 2 maxf (3-4) 式中，eg钢筋的弹性模量； 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数； f r 混凝土的极限抗拉强度； g 纵向受拉钢筋应力； f l 平均裂缝间距(cm)； d纵向受拉钢筋的直径(cm) ； 纵向受拉钢筋配筋率； 对螺纹钢筋，取； 0.7 由规范查得，若 e0=mn0.55h0，则无需进行裂缝验算，经计算，所有点 e0 都小于 0.55h0。所以无需进行裂缝验算。 围岩级别 危险点轴力(n) 弯矩（nm） as x0.55ho偏心 k配筋 拱顶26623002982602454359239 小3.08 拱腰30178004301402454306239 小2.46 拱脚3219200526022454534239 小3.75 拱腰22009003128002454356267 小4.94 浅埋 仰拱31756001433202454480239 小3.33 525 拱顶11390001319401018304242 小6.62 拱腰18273001528301018337215 小3.68 拱脚21109008445.31018405215 小5.11 拱腰2073600787031018470215 小4.33 浅埋 仰拱17096001567901018309215 小4.16 418 拱顶89370068790804323215 小8.3 拱腰105220034265804408215 小8.64 拱脚10899002681804467215 小9.85 拱腰96170079222804313215 小7.55 深埋 仰拱63331067366804317242 小12.12 416 21 第 4 章 隧道施工方案 4.1 施工总方案 由于隧道长度 335m，属于短隧道，所以选择单方向一个掌子面开挖。开挖过程 中由于有大量的弃渣，根据隧道周围地型情况，洞口南侧有一个乱掘洼地，离洞口 较近，减少运输距离，所以可将大量弃渣，通过无轨运输弃于洼地内。 根据隧道围岩情况和现场工程地质条件，决定采用钻爆法开挖。进出口段采用 明挖法施工，级围岩采用上、下台阶法分部开挖施工， 级围岩采用三台阶法 施工，级围岩采用三台阶法与 cd 法进行施工。并采用喷射混凝土、锚杆、钢筋 网、钢架等初期支护。、级围岩地段采用小导管注浆超前支护,局部危险地段施 做超前大管棚。级围岩采用 c25 喷射混凝土，喷层厚度为 15cm，在拱部挂设钢 筋网。 、级围岩采用 c25 喷射混凝土，喷层厚度为 25cm、28cm。 在拱墙设 钢筋网，钢筋型号都为 8。同时，在级围岩地段架设钢拱架，钢拱架安装时，初 喷混凝土厚度为 4cm，钢筋保护层厚度不小于 4cm。由于隧道所处地段推测有岩溶 发育，当施工遇到岩溶灾害时，可按岩溶对隧道的不同影响及施工条件，采取引流 加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。施工中遵循“短开挖、少扰动、强支护、 实回填、严治水、勤量测”的原则。施工中进行超前地质预报，采用 tsp，地质雷达、 超前钻孔相结合的探测技术取得围岩地质参数， 施工中注意进行监控量测，通过数 据分析和处理及时反馈信息，以指导设计和施工。 4.2 进洞方案 在隧道工程建设中，需根据地形、地质、水文条件，并结合环境保护、洞外有 关工程及施工条件、运营要求，来确定隧道洞口位置，同时还需以“早进洞、晚出洞” 为原则。 石门圩隧道进口端线路穿山通过，根据本隧道的特点，并结合路基及进出口地 形地貌、工程地质、水文条件，在充分考虑隧道进出口综合排水的情况下，尽量减 少洞口的开挖并考虑施工开挖边仰坡的稳定性，本着“早进晚出”的原则，确定隧道 进出口位置。洞门型式的选择力求结构简洁，并与洞口的地形、地貌协调一致。结 合两端洞口处地形、地势和地质情况，进出口洞门采用帽檐斜切式洞门（斜切面 1:1.25，仰坡 1:5） ，对边仰坡进行绿化和防护。 22 通过明洞后，则为级围岩，表层为素填土，褐黄色，厚约 0.5m；下伏基岩为 石炭系上统船山组灰岩，灰白色，弱风化，岩质较硬，岩体破碎。节理裂隙发育,局 部地段岩溶发育。地下水主要为基岩裂隙水和岩溶水，较发育。采用三台阶法开挖， 即使用三台阶法进洞。在隧道进洞后，为保证隧道洞口段稳定，隧道洞门应尽早施 作。但是，考虑到隧道洞门的施作不应对隧道洞身施工造成影响，由经验可得，一 般在隧道进洞掘进 100m 左右后，施作洞门。 明洞开挖后的边仰坡采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网防护，明洞洞身两侧回填 m10 浆砌片石，其上回填碎石土，表层为种植土层，并进行绿化。洞口回填的原则 是尽可能的消除人工开挖痕迹，使洞口融入自然。洞口施工中应尽量减小扰动周围 岩体，尽早做好洞口边仰坡的防护和隧道洞门，确保洞口安全。 隧道洞口明洞按荷载结构法原理进行设计，将明洞上部回填土作为荷载。采用 c30 钢筋混凝土结构，明洞设置钢筋混凝土仰拱。 为便于进洞、保护原有自然环境，维护边、仰坡的稳定，设计时隧道进出口端 均采用明洞衬砌，进口端明洞长度为 19m，出口端明洞长度为 44m。隧道暗洞洞口 段为超浅埋区，故采用加强衬砌。 隧道进、出口及软弱围岩段隧道开挖前设计了超前支护措施。级围岩洞口加 强段以 108 超前大管棚、其它段以超前锚杆与超前小导管预支护作为辅助施工措 施。 4.3 不同围岩段的开挖方法 隧道施工方法应根据地质条件、断面大小、结构形式、机械配置、周围环境的 需要、综合经济效益等因素而确定。总体上讲，隧道开挖的基本原则是：在保证围 岩稳定或减少对围岩扰动的前提下，选择恰当的开挖方法和掘进方法，并应尽量提 高掘进速度。下面对不同级别围岩的开挖方法设计如下： 4.3.1 级围岩段开挖方法 隧道进出口段范围内，级围岩只有一段，在此段