交通土建毕业设计（论文）-石桥头隧道结构与施工组织设计.docx

全套图纸加扣 3012250582前言进入新世纪以来，社会经济的的急速前进，以及国家对基础实施建设的大力投入，使得公路隧道的发展极为迅速。最近几年一些公路隧道的建成显示着我国隧道施工技术的日趋成熟，己经走在世界的前列。修建高速公路隧道极大促进了沿线经济的发展，提高了人民生活水平。于是本设计选择高速公路隧道，具很实际的意义。石桥头隧道位于福建省龙岩市的郊区，设计是高速公路隧道。经过可行性研究的论证，这条隧道的建成将极大缩短龙岩市与相邻城市的通行时间，极大方便了人们的出行。而且选择这条线路是最为经济的方案。本设计主要参考行业、国家的规范，以及隧道专业相关书籍。首先经行了横断面设计，充分利用围岩自承能力，合理选择截面形式。之后进行衬砌结构设计与计算，验证了所选截面的合理性和科学性。再然后进行施工方案设计，阐述了具体如何施工。接下来是施工组织设计、辅助作业计划、安全质量保证体系。最后进行了预算编制，大致计算了所需费用。由于能力尚存不足，难免有些地方需要改正，欢迎各位指导老师批评指出。1 设计资料1.1 工程概况石桥头隧道位于福建省龙岩市内，龙岩市属亚热带海洋性季风气候。年平均气温18.721.0。年平均降水量1031毫米1369毫米。年日照时数1804小时2060小时。全年气候温和，无霜期长，雨量充沛，适宜亚热带作物和林木的生长。隧道区起于裕锦园，线路穿越解放路、林业局、法院，起讫点里程桩号DK2+930DK3+880，全长950m，最大埋深60m，属于中隧道。1.2 工程地质概况（一）地形地貌拟建的石桥头。地表低山区。丘坡植被不发育，工地交通条件较好。（二）地层岩性及物理力学特征1、隧道浅埋口段（DK2+930DK3+520） 厚510m。下一层为全风化粉砂岩，厚度大于30m，岩石风化呈砂土状，隧道埋深较浅，为1060m。地下水为基岩裂隙水，较发育。为级围岩，容易坍塌，需2、DK3+520DK3+825段：炭系下统林地组（C1l）全强弱风化粉砂岩与石英砂岩互层，岩石较软。地下水为基岩裂隙水，不发育。为级围岩，节理裂隙发育，易顺层理开裂，稳定性较差，应加强支护。3、DK3+825DK3+880段：炭系下统林地组（C1l）弱风化石英砂岩与粉砂岩互层，岩石风化层较厚，裂隙较发育，较完整。地下水为基岩裂隙水，不发育。地表建筑物较多。为级围岩，节理裂隙较发育，应及时进行支护，防止出现掉落碎块。（三）地质构造隧道范围内岩层产状（龙岩方向）7515，（厦门方向）21084。隧道范围断层产出。带内，呈状。明显，岩石。均呈碎屑状、碎块状，岩石质较软。（四）地震动参数根据中国地震动参数区划图（2001）（GB18306）。为 0.05g，为0.35s。1.3 水文地质特征（一）地下水的类型、埋藏情况及其变化特征隧道处于龙岩市市内，属于低山区地貌，地表水较发育。地表水丰富，为地下水地下水为第四系孔隙水和基岩裂隙水。粉质黏土（黏土）地下水贫乏。受地下水的影响,洞身上部土层和风化层具有高含水量、高孔隙比、低液性指数等特性。有地下水活动痕迹，强富水，强透水。较发育，较贫乏，弱透水。局部岩体丰富，强透水。隧道在13m左右。洞身位置埋藏较深，约60m。地下水主要靠大气降雨补给，水位随季节影响而变化。（二）隧道涌水量预测地下水的为其补给量受地形及地表节理、裂隙的发育程度控制。隧址区都是崇山峻岭，山坡及冲沟坡度较陡。地表较差，不利于现采用地下水动力学法古德曼经验式预测隧道涌水量大小。古德曼经验式：最大涌水量采用公式：式中 Q0隧道通过含水体地段的最大涌水量，m3/d；K含水体渗透系数，m/d；H，m；d洞身横断面等价圆直径，m；L隧道通过含水体的长度，m。由于不同性质的土体和岩体的入渗系数不一样，所以在运用古德曼经验式计算最大涌水量时分为两段来计算，第一段长430m，主要以第四系坡残积粉质粘土及全风化层为主，入渗系数的经验值取0.02m/d；第二段长520m，以基岩为主，入渗系数的经验值取0.20m/d。根据公式，计算 根据地下水动力学法古德曼经验式计算得出石桥头隧道通过含水体地段的最大涌水量为5100.85m3/d 。1.4 隧道围岩分级里程围岩级别长度(m)DK2+930DK3+520590DK3+520 DK3+825305DK3+825 DK3+880551.5 设计标准（1）隧道设计按远期交通量(2035年)设计，远期交通量为37589辆/日；（2）设计车速：隧道几何线形与净空按100km/h设计；（3）设计等级：高速公路双向四车道；（4）隧道净空： a) 隧道净宽：基本总宽度10.50m（=0.50+1.00+23.75+0.75+0.75）； b) 隧道建筑限界净高为5.0m，检修道净高2.5m；（5）地震设防烈度：级。1.6 设计计算内容（1）隧道断面形式及尺寸确定（2）洞门设计（3）围岩压力计算（4）衬砌结构设计计算（5）隧道施工方案与施工场地布置（6）施工组织计划、辅助作业计划（7）技术措施（8）工程量计算，隧道工程概算编制1.7 设计依据（1）公路工程地质勘察规范(JTJ064-98)（2）公路隧道设计规范(JTG D70-2004)（3）公路勘测规范（JTJ 061）（4）公路路基设计规范(JTG D30-2004)（5）公路土工试验规范(JTJ051-93)（6）公路工程岩石试验规程(JTG E41-2005)（7）公路水质操作规程(JTJ056-84)（8）公路工程抗震设计规范(JTJ004-89)2 隧道横断面设计2.1 断面型式的选择 由于隧道大部分围岩为级，水平压力较大，为了抵抗较大的水平压力，使受力曲线良好把边墙做成曲线形状。另地基条件较差，为防止衬砌沉陷，设置仰拱，即采用封闭式。2.2 隧道建筑限界的确定本公路设计等级为高速公路双向四车道。（JTG D70-2004）对于级围岩，独立双洞间的为3.5B，B为的宽度。设计时速100km/h， H取5.0m，需要设置检修道。取J左=J右=0.75m检修道高度h0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道宽度W=3.75m27.5m，建筑限界顶角宽度为：EL=LL=0.50m，ER= LR=1.00m 。隧道纵坡不应小于0.3，不应大于3，本处取2.5。见下图2-1所示。图2.1 公路隧道建筑限界（单位：cm）Fig.2.1 Highway Tunnel Construction Clearance(Unit:cm)本隧道长950m，属于中隧道。不需要在行车方向的右侧设置紧急停车带。上下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。横通道分为人行横通道和车行横通道，其断面建筑限界如图a) b)图2.2 横通道的断面建筑限界（单位：cm）a）人行横通道 b）车行横通道Fig.2.2 cross-channel cross-section structure gauge(Unit:cm)人行横通道的设置间距取236m，等间距设置3个人行横通道。中隧道不设置车行横通道。故：隧道限界净宽为：10.5m。其中：行车道宽度：。侧向宽度为：。检修道宽度：。隧道限界净高：5m。2.3 隧道内轮廓线的确定：由公路隧道设计规范（JTG D702004）公路隧道横断面设计，除满足的要求外，还应考虑照明、消防、内装、监控等设施所需要的空间。还要考虑并根据确定出断面形式和尺寸。10多年来，我国不断扩大。各地在时标准不统一。有采用的，有的。既有不一。甚至，同一条这既影响的布置，又不利于施工时衬砌模板的制作。经过多年的工程实践和内力分析，规范认为，按附录B所示的隧道内轮廓统一标准。即拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。即采用封闭式。这样能即满足受力曲线好，又能保证较高的断面利用率。经过优化计算，根据建筑限界，计算出内轮廓断面几何尺寸如下图所示。图2.3 两车道隧道内轮廓断面（单位：cm） Fig.2.3 contour section of two lanes tunnel (Unit:cm) 则内轮廓净高：8.84m 净宽：11m。向外取0.7m。考虑到为10cm，则 12.6m，开挖高度10.44m。取两分离式洞口之间的距离为45m，大于3.5B=3.5 12.6=44.1， 3 洞门设计3.1 洞门位置的确定在贯彻“早进晚出”的原则时，洞口位置的确定还考虑了下列因素：1）隧道洞口边坡及仰坡保证稳定。洞口为级围岩，隧道洞口边、仰坡坡率取1:1.25，高度取15m。2）应设置在、好、不太丰富及排水有利处。但隧道进出口段均为级围岩，洞顶稳定性差，易坍塌，故设一定长度的明洞。来避免造成难以整治的病害，危及施工和运营安全。3）使隧道轴线与地形等高线正交，使洞口受力条件好，避免斜交进洞时存在偏压作用。3.2 洞门类型的确定洞门类型有环框式洞门、端墙式洞门、翼墙式洞门、柱式洞门、台阶式洞门、削竹式洞门、遮光棚室洞门。环框式洞门、端墙式洞门适用于围岩稳定的地质条件，而隧道进出口段均为级围岩，地质条件差，不能采用。柱式洞门适用于地质条件差，地形较陡，又受地形或地质条件。而实际地形较为平缓，而且地形开阔，不采用。翼墙式洞门比较适合，但是壁面面积大，两侧需降低其亮度；有重量感，行车易感到压抑。隧道位于市区，交通量大，综合考虑不采用。台阶式洞门适用于傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高，不实际不符，不采用。若采用遮光棚式洞门，入口通常外伸很远，模型版、配筋费事，耗资大。不采用。洞门形式应美观醒目，因为洞门的造价只占隧道总造价的较小部分，隧道的标志在洞门，洞门美观合理与否直接影响对隧道工程的评价。特别是本隧道位于市区，行人及旅游者多，车辆也多，因此洞门的美观是首先要考虑的，故经过综合考虑，最终选择削竹式洞门，既满足地形条件，而且洞口边仰坡开挖量少，有利于山体的稳定，减少对植被的破坏和有利于保护环境，最主要的是非常美观。另外倾斜的洞门还有利于向洞内散射自然光，增加入口段的亮度，很适合市内洞口宽敞的场合。洞口边仰坡采用1:1.25。3.3 洞门建筑材料的选择公路隧道设计规范(JTG D70-2004)规定隧道工程各部位的建筑材料，其强度等级不应低于下表的要求：表3.1 洞门建筑材料Tab.3.1 building materials of tunnel portal工程部位 材料种类混凝土钢筋混凝土片石混凝土砌体端墙C20C25C15M10水泥砂浆砌片石、块石或混凝土砌块镶面顶帽C20C25M10水泥砂浆砌粗料石翼墙和洞口挡土墙C20C25C15M7.5水泥砂浆砌片石侧沟、截水沟C15M5水泥砂浆砌片石护坡C15M5水泥砂浆砌片石4 围岩压力计算4.1 深埋隧道垂直均布围岩压力计算目前我国所采用的的计算式，是了我国坍方而拟定的。q按下式计算： （4-1）式中 q垂直均布围岩压力，kPa；围岩级别，如属级，则5； 围岩容重，kN/m3 ，级围岩取18 kN/m3； 跨度影响系数，其值为 ； Bt隧道开挖宽度，m；以 的围岩垂直均布压力为准，Bt每增减1m时围岩压力的增减率；当 时，取 ；当 ，取 。以上公式适用条件为：（1），式中 为隧道开挖高度为10.44m， 为12.6m，满足条件；（2）不产生显著偏压及膨胀力的一般围岩；（3）采用钻爆法施工的隧道。根据公式（4-1）得： 4.2 深埋隧道与浅埋隧道的判别（1）的计算 （4-2）式中 q用式（4-1）算得之垂直均布围岩压力，kPa； 围岩天然容重，kN/m3。根据公式（4-2）得： （2）深、浅埋隧道分界深度的计算深、浅埋隧道分界深度可用下述经验公式计算： （4-3）式中 深、浅埋隧道分界深度，m； 荷载等效高度，m，用式（4-2）计算。在下，级围岩取。IVVI类围岩取。本隧道为级围岩，取。根据公式（4-3）得：4.3 浅埋隧道围岩压力计算浅埋隧道围岩压力分下述两种情况分别计算。1.埋深小于或等于等效荷载高度时在这种情况下，。从，略去下滑时。即将。视为均布时q为： （4-4）式中 q均布围岩压力，kPa； 隧道上覆围岩天然容重，kN/m3；H隧道埋深，指坑顶至地面的距离，m。侧向压力e，按均布考虑时，其值为： （4-5） 式中 e侧向均布压力，kPa； 围岩天然容重，kN/m3；H隧道埋深，m； Ht隧道高度，m； 围岩计算内摩擦角，级围岩取45。2.埋深大于、小于时隧道上覆土体下滑时要考虑滑面阻力的影响，否则会得到过大的压力值。采用下式计算： （4-6）式中 Bt隧道宽度，m； 围岩天然容重，kN/m3；H隧道埋深，m； 侧压力系数； 滑面摩擦角，。作用在支护结构两侧的水平侧压力为： （4-7）侧压力视为均布压力时为： （4-8）现假设隧道埋深为30m，属于深埋隧道。则如前所述，深埋隧道围岩垂直均布压力为q=228.096(kPa)。水平均布压力按下式计算： （4-9）式中 q垂直均布围岩压力（kPa）。根据公式（4-9）得：5 隧道衬砌结构设计5.1 设计的一般要求（1） 最好使用断面。（2） 隧道围岩不好的区段需设仰拱。仰拱的曲率半径要根据隧道的地质条件、地下水情况和断面形式等确定。路面与仰拱之间选混凝土填充。当隧道边墙底下为整体性较好的坚硬岩石时，可不设仰拱。（3） 应加强衬砌。应根据地形、地质和环境条件确定。一般情况下10m。本隧道 15m。（4） 510m。本隧道进出口段围岩较差，中间段围岩较好，则衬砌分别向中间段延伸10m。（5） 应向一般。应根据确定，一般不小于10m。5.2 衬砌方案的选择根据可分别采用、整体式衬砌和。喷射混凝土时利用空压机的高压空气作动力，把直接喷射到隧道围岩表面上的支护方法。喷射混凝土支护可以起到封闭岩面，防止风化松动，填充坑凹及裂隙，维护和提高围岩的整体性。锚杆支护是喷锚支护的主要组成部分。锚杆是一种。与融为一体，以实现加固围岩、的目的。整体式衬砌是。在问世前，广泛地工程中。该方法，主要通过衬砌的结构刚度抵御底层的变形，承受围岩的压力。复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式。我国高速公路、一级公路、二级公路隧道已全部采用复合式衬砌，三级公路隧道也大量采用。其结构稳定，防水和衬砌外观均能满足公路隧道使用的基本要求，适合多种地质条件，技术较为成熟，是目前公路隧道最好的衬砌结构形式。复合式衬砌已成为公路隧道衬砌的标准结构形式。因此，经过综合考虑，本隧道采用复合式衬砌。5.3 支护参数的确定 (JTG D70-2004)规定应符合下列要求：(1) 初期支护等支护形式组合使用。锚杆支护。(2) 二次衬砌采用。衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面。宜与相同。(3) 在确定开挖断面时，除了满足隧道净空尺寸以外，还要考虑围岩和初期。的大小可以参考断面大小、施工方法和支护情况等，利用工程类比法进行预测。表5.1 预留变形量（mm）Tab.5.1 deformation allowance (mm)围岩级别两车道隧道三车道隧道围岩级别两车道隧道三车道隧道50808012010508012010015020505080现场量测确定本隧道进出口段围岩级别为级，两车道，预留变形量取100mm。本隧道中间段围岩级别为级，两车道，预留变形量取50mm。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按下表选用，并根据现场围岩监控量测信息对设计支护参数进行必要的调整。表5.2 两车道隧道复合式衬砌的设计参数Tab.5.2 The design parameters of two lanes tunnel composite lining围岩级别初期支护二次衬砌厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱、墙混凝土仰拱混凝土拱部、边墙仰拱位置长度间距5局部2.03058局部2.02.530812拱、墙2.03.01.01.5局部2525351215拱、墙2.53.01.01.2拱、墙2525拱、墙35351525拱、墙3.04.00.81.2拱、墙2525拱、墙仰拱4545通过试验、计算确定本隧道进出口段为级围岩，中间段为级围岩，根据实际地质情况，地下水丰富，最终参数选择如下： 表5.3 两车道隧道复合式衬砌的设计参数的最终选择Tab.5.3 Two lanes tunnel composite lining the final selection of design parameters围岩级别初期支护二次衬砌厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱、墙混凝土仰拱混凝土拱部、边墙仰拱位置长度间距10拱、墙3.01.0局部25253520拱、墙4.01.0拱、墙2525拱、墙仰拱45455.4 衬砌材料的选择(1)隧道衬砌材料选用应考虑的因素1）隧道衬砌部位选用的材料，应当符合结构强度和耐久性的要求，并考虑其抗冻、抗渗性和抗侵蚀性的需要。2）当有侵略性的水作用时，衬砌结构物的混凝土或砂浆均应选用具有抗侵蚀性能的特种水泥。其抗侵蚀性能的要求，应视水的侵蚀特征而定。3）在寒冷及严寒地区，当隧道衬砌受冻害影响时，宜采用整体式混凝土衬砌。混凝土标号应适当提高，并应满足材料抗冻指标的要求。（2）隧道衬砌材料的选用隧道衬砌材料的强度等级应不低于下表的规定值。工程部位 材料种类混凝土片石混凝土钢筋混凝土喷混凝土拱圈C20C25C20边墙C20C25C20仰拱C20C25C20底板C20C25仰拱填充C10C10水沟沟身、电缆槽身C25C25水沟盖板、电缆槽盖板C255.5 初期支护1、锚杆（1）锚杆的支护原理1）悬吊作用：把隧道洞壁附近具有裂隙、节理的不稳定岩体，用锚杆固定在深层上的坚固稳定的岩体上，可将不稳定岩体重量传递给深层坚固岩体承担，起到悬吊效应；2）组合梁作用：锚杆可将若干层层状岩体串联在一起，增大层间摩阻力，形成组合梁效应；3）挤压加固：在软弱岩层中，按一定间距在隧道周边呈放射状布置的成组锚杆可使一定厚度范围内有节理、裂隙的破裂岩体或软弱岩体紧压在一起形成连续压缩带。（2）锚杆类型的选择目前，锚杆主要包括非预应力锚杆和预应力锚杆。非预应力锚杆一般采用全长粘结型，常用有砂浆锚杆结构，砂浆锚杆由水泥砂浆或水泥浆、杆体、垫板、垫圈和螺帽组成，砂浆锚杆是利用浆体将锚杆与孔壁岩土牢固地粘结在一起，从而达到锚固的目的。本隧道采用砂浆锚杆。（3）锚杆的布置1)隧道横断面上，。对于水平成层的岩层，要尽可能的与岩层垂直，或者形成较大的夹角。对于倾斜成层的岩层，其失稳原因。2)岩面上锚杆可成。锚杆间距不得大于1.5m，间距较小时可采用长短锚杆交错布置。3)为了使锚杆长度的1/2，在级围岩中，锚杆间距宜为1.01.5m。在级围岩中，锚杆间距宜为0.81.2m。（4）锚杆具体参数锚杆直径和长度等设计参数是根据现场实验及相关的理论公式和工程类比等方法来确定的。锚杆长度计算：本隧道选用水泥砂浆锚杆，故其长度： （5-1） 式中 砂浆锚杆长度，m； 锚杆在稳定岩层中的锚固长度，m； 锚杆的外露长度，取0.1m； 安全系数，取1.5； 需锚固的岩层厚度，取1.5m。另外 （5-2）式中：锚杆直径，m；锚杆材料的计算抗拉强度，MPa；锚杆的黏结强度，MPa。故应大于等于0.3m，则：根据计算和围岩条件，级围岩计算为3m。级围岩计算为4m。设计参数如下：1)锚杆型号：22螺纹钢筋。锚杆长度：级围岩取3m，级围岩取4m。2)砂浆型号：采用早强砂浆C25。3)布置方式：呈矩形布置。4)布置间距：结合工程类比，简化施工此隧道取环向距离1.0m，纵向距离1.2m。图5.1 系统锚杆布置图（单位：mm）Fig.5.1 System anchoring bolt layout (Unit:mm) 2、钢筋网钢筋网与锚杆焊接在一起，提高围岩的整体稳定性，提高喷射混凝土的抗剪和抗弯能力，减少喷射混凝土的收缩裂纹防止局部掉块。钢筋网喷射混凝土保护层厚度不小于20mm。设计参数：1)钢筋型号： HRB335带肋钢筋。2）直径：8。3）布置方式：单层，网格按矩形布置。4）网格间距：、都取25cm25cm（一层）。3、钢架大跨度隧道中，采用有足够强度和刚度的钢拱架，能够承受围岩的传递压力，对保证安全施工和顺利运营都有很大意义。钢架应分节制作，节段与节段之间通过钢板用螺栓连接或焊接；钢架与围岩之间的混凝土保护层厚度不应小于40mm，临空侧的混凝土保护层厚度不小于20mm。设计参数：级围岩段：不采用，减少造价。 级围岩段：I18型钢，HRB 335带肋钢筋，22连接筋，环向间距为1m。4、喷射混凝土开挖围岩后要立即喷射混凝土到一定厚度，以确保初期支护工作人员的安全施工。然后施做系统锚杆，将钢筋网焊接到锚杆托板上，立钢架后，再喷射混凝土直到保证钢架保护层厚度的要求。这样就能保证围岩稳定，保护钢筋网和钢架，以防止被锈蚀。本隧道采用C30喷射早强混凝土，参数如下：（1）水泥标号：普通425号硅酸盐水泥。（2）砂子：粒径不大于1mm，砂子细度模数为2.5-3.0，含水率5-7%。（3）石子：粒径约15mm。（4）配合比：水灰比为1：0.401：0.50，砂灰比1：1.0左右。（5）喷射混凝土厚度：级围岩取10cm，级围岩取20cm。5.6 二次衬砌对于级围岩段二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm。级围岩段二次衬砌厚度：拱、墙及仰拱混凝土厚度45cm。二次衬砌在初期支护和围岩变形处于基本稳定的情况下进行。二次衬砌采用模筑混凝土结构。混凝土为C30防水混凝土，具体构成如下：水泥：除按普通混凝土施工选用水泥品种外，还须充分考虑水泥品质对高性能混凝土的影响，主要考虑高性能混凝土在碱骨料反应、抗渗性及钢筋锈蚀方面对混凝土品质的要求。选用普通硅酸盐水泥，且等级在32.5级以上，在条件允许的情况下优先选用大坝水泥，并且在选用水泥品种之前须对选用的水泥进行各种化学成分和其特性的试验。碎石:采用质地坚硬,附着物少的优质石子, 石子最大粒径31.5mm,含泥量1%,泥块含量0.5%,吸水率1.5%。砂子：采用符合现行普通混凝土用砂质量标准及检验方法的河砂(中砂),含泥量3%,泥块含量1%。水：采用饮用水或无侵蚀性的洁净水即可。外加剂或外掺料：选用粉煤灰、硅粉、水淬矿渣和引气剂能够有效的抑制或缓解碱骨料反应膨胀压力，提高混凝土的抗渗性能，提高混凝土的和易性，降低混凝土的水化热，有效的控制混凝土裂缝的产生。在掺加各种外加剂或外掺料之前一定要作好掺入量的试验和掺加后混凝土性能的检测。水灰比的确定：根据普通混凝土配合比设计规程亦规定抗渗混凝土的最大水灰比以0.35为宜。水泥用量、砂率及灰砂比：抗渗混凝土的最低水泥用量不得小于300kg/m3。5.7 衬砌结构计算本隧道采用封闭式衬砌结构，由拱圈、曲边墙和仰拱组成。拱圈和曲边墙作为一个整体按计算，施工时之后修建的，因此一般不考虑仰拱对衬砌内力的影响。1、 计算图示在作用下，向隧道内变形而。两侧衬砌向围岩方向变形，引起围岩对衬砌的被动弹性抗力，形成抗力区，如下图所示。抗力图形作以下假定：1） 下零点a在墙角。墙角处摩擦力很大，无水平位移，故弹性抗力为零。2） 上零点b（即脱离区与抗力区的分界点）与衬砌垂直对称中线的夹角假定近似为45。3） 最大抗力点h假定发生在最大跨度处附近，计算时一般取ah2/3ab，为简化计算可假定在曲墙衬砌分段的接缝上。4） 抗力图形的分布可按以下假定计算：拱部bh段抗力按二次抛物线分布，任一点的抗力与最大抗力的关系为 （5-3）边墙ha段的抗力为 （5-4）式中 、i、b、h点所在截面与垂直对称轴的夹角；i点所在截面与衬砌外轮廓线的交点至最大抗力点h的距离；墙底边缘至最大抗力点h的垂直距离。图5.2 衬砌计算简图Fig.5.2 Lining calculation diagram2、 主动荷载作用下的力法方程和衬砌内力取基本结构如图5-3所示，未知力为X1p、X2P，根据拱顶截面相对变位为零的条件，可以列出力法方程式： （5-5）式中 、墙底位移，分别计算X1p、X2P和外荷载的影响，然后按照叠加原理相加得到，即 （5-6）图5.3 衬砌基本结构Fig.5.3 The lining of basic structure由于墙底无水平位移，故=0，代入式（5-5）整理可得 （5-7）式中 、基本结构的单位位移和主动荷载位移，i，k=1，2； 墙底单位转角；基本结构墙底荷载转角；f衬砌的失高。求得X1p、X2P后，在主动荷载作用下，衬砌内力即可按下式计算： （5-8）式中 、外荷载作用下基本结构任意截面i处产生的弯矩、轴力。 基本结构任意截面i与竖直线间的夹角。在实际计算时，还需进一步确定的大小。这需要利用 点h处的变形协调条件。在，通过式（5-8）可解出内力、，并求出h点的位移。在被动抗力作用下的内力和位移，可以通过的单位弹性抗力图形作为外荷载时所求得的任一截面内力、和最大抗力点h处的位移，并利用叠加原理求出h点的最终位移 （5-9）由温克尔假定可以得到h点的弹性抗力与位移的关系，代入式（5-9）可得 （5-10）3、 最大抗力值的计算由式（5-9）、式（5-10）可知，h点的弹性抗力与位移有关，而位移包含两部分变位和，即结构在荷载作用下的变位与因墙底转动所产生的变位之和。前者按结构力学方法，先画出、图，如图5.4a、b所示，再在h点处的所求变位方向上加一单位力p=1，绘出图，如图5.4c所示，墙底变位在h点处产生的位移可由几何关系求出，如图5.4d所示。位移可以表示为 （5-11）式中 主动荷载作用而产生的墙底转角； 单位抗力作用而产生的墙底转角；墙底中心a至最大抗力截面的垂直距离。a) b) c) d)图5.4 衬砌最大抗力值计算Fig.5.4 The lining of maximum resistance calculation4、 在单位抗力作用下的内力将抗力图视为外荷载单独作用时，未知力、可以参照、的求法得出，列出力法方程： （5-12）式中 、单位抗力图为荷载所引起的基本结构在及方向的位移；单位抗力图为荷载所引起的基本结构墙底转角，。其余符号意义同前。解出及后，即可求出衬砌在单位抗力图为荷载单独作用下任一截面内力 （5-13）5、衬砌最终内力计算及校核计算结果的正确性衬砌任一截面最终内力值可利用叠加原理求得 （5-14）校核计算结果正确性时，可以利用拱顶截面转角和水平位移为零条件和最大抗力点a的位移条件 （5-15）式中 墙底截面最终转角，。6 施工方法的确定6.1 洞口施工本隧道进出口处均为级围岩，洞顶稳定性差，易坍塌，故设一定长度的明洞。来避免造成难以整治的病害，危及施工和运营安全。6.1.1 施工准备1）明洞和洞门施工前应复测中线、高程和模板的外轮廓尺寸（考虑预留沉降），确保衬砌不侵入设计轮廓线。2）监控量测仪器齐备，测点布置合理，信息反馈准确及时。3）混凝土的拌和设备、运输设备、衬砌模板台车以及洞门施工所需的提升设备、小型土石方压实机械等机械设备应性能良好，满足施工需要。4）钢筋拱圈砼用的水泥、砂、碎石、钢筋以及洞门砌筑所用（片）块石、料石等各项原材料质量应满足设计或规范要求，并根据施工进展情况及时到位。5）劳力组织合理，对圬工工程等主要项目安排专业化班组进行施工。 风、水、电、道路等作业条件满足施工需要。6.1.2 明洞施工要点1）明洞施工按设计要求，对地层进行预加固，然后分层开挖和支护，边仰坡分层施工做喷锚支护、格构网、植草等方法保持其稳定。2）明洞侧壁基础应设置在稳固的地基上，对于偏压和单压明洞墙基尚应考虑其抗滑力。基础埋设宽度和深度应符合设计要求；当两侧侧壁地基松软或软硬不均匀时，应采取措施加以处理。3）洞口明洞与洞门施工应根据洞口地质条件、水文条件及设计文件，将其和洞口排水、洞口土石方开挖以及暗洞浅埋段等各项有关工程通盘考虑，妥善安排，尽快完成，为隧道洞身施工创造条件。4）明洞应在雨季前施工完成。明洞开挖前应做好截排水系统；明洞开挖过程中，应做好坡体稳定监测，宜随挖随护，防止雨水下渗影响开挖面稳定。5）明洞施工现场布置合理有序，各项标志明显。和隧道洞内施工平行、交叉作业时，应合理安排，减免干扰。6）明洞施工过程中，应严格按设计及规范要求进行施工。严防对拱圈带来冲击或其他不利影响。7）明洞及洞门搭架子施工时，应遵守脚手架及高空作业有关规定，严防坠物伤人。8）明洞施工应注意和暗洞衔接良好。洞口明洞还应和洞门拱圈衔接良好。在仰坡易坍塌的情况下，应先做明洞直抵坡脚。9）洞门和隧道洞身等部位的施工先后安排以既要早出形象，保证洞口安全，还要尽量减少和隧道洞身施工问的相互干扰为原则。一般情况下，洞门施工宜在隧道浅埋段衬砌完成后及时进行施工。6.1.3 明洞钢筋绑扎及模板架设1）钢筋绑扎在防水板铺设检验完毕、优先于1个段落衬砌长度处进行。2）钢筋绑扎施工前首先搭设作业台架，台架下部应能满足施工机械通过要求。台架起着施工过程中临时固定钢筋骨架及作业人员活动平台的作用。3）钢筋在加工厂下料成型、现场人工绑扎。 4）钢筋绑扎：1）钢筋绑扎施工前首先搭设作业台架，台架下部应能满足施工机械通过要求。2）钢筋按设计要求在洞外工厂化加工预制，运料车运输到现场，在作业台架上人工安装绑扎。3）绑扎钢筋的作业台架就位后，首先由测工根据模板台车的长度确定出不少于3个横断面的钢筋固定断面，每个横断面标出不少于9个定位点，尔后由钢筋工在定位点处搭设固定钢筋的骨架。4）将钢筋预弯后，首先绑扎定位处的拱墙钢筋，尔后以定位处的钢筋为模型，加密进行其他钢筋的绑扎。绑扎时，按照“先外圈，后内圈，再箍筋”的顺序进行。5）钢筋搭接长度必须符合施工规范要求。墙部的钢筋采用单面焊接接长，拱部钢筋接长采用绑扎接头。6）为确保钢筋绑扎质量，测量人员必须在钢筋绑扎前、内层钢筋绑扎前、作业平台移动前分三次进行纵向拉线对每根钢筋进行检查，确保钢筋位置准确。5）钢筋固定：钢筋绑扎过程中，为防止钢筋由于自重或砼灌注过程中发生变形，按照纵向间距2m、环向间距2.5m的要求，将“T”型短钢筋同固定钢筋的骨架焊连，“T”型短钢筋一端支抵在防水板上（支点处用废弃的防水板双层支垫），另一端与钢筋骨架主筋焊接，从而将整个钢筋网固定并加固，防止钢筋整体变形，从而确保钢筋的准确位置。6）保护层的控制：钢筋绑扎完成后，按中线标高进行轮廓尺寸检查，合格后于内层钢筋挂设5cm厚砂浆垫块，以确保混凝土灌注后钢筋净保护层厚度。或者在内圈钢筋（紧邻模板台车的钢筋）拱部按照100cm、墙部200cm的间距，梅花型焊接长度为6cm的短钢筋头，短钢筋头直接支顶在模板台车的模板表面，使钢筋保护层厚度准确且一致。7）钢筋绑扎应采用专用台架，台架与模板台车同轨道，在模板台架准备好就位后，撤离钢筋台架，安装模板支架。8）明洞混凝土的灌注应设置挡头板、外模和支架，明洞拱墙应采用整体钢模衬砌台车一次浇筑成型，施工中的钢筋加工、接头、焊接和安装以及混凝土的拌制、运输、浇筑、养护、拆模和检查等作业均应按有关规定执行 。9)基础混凝土灌注前必须排除基坑内积水，认真验槽，并对基底进行固化处理。边墙基础应采用与边墙同级混凝土一次浇筑而成。超挖部分采用同级砼回填。10)明洞衬砌完成后，应及时按设计规范要求施作防水层及纵向盲沟、环向盲沟，防水板应向隧道内延伸不小于0.5m，并与暗洞防水板连接良好。6.1.4 防水层施工1）明洞外模拆除后应及时施作防水层及排水盲管，保证排水畅通。2）明洞施工应和隧道的排水侧沟、中心水沟的出水口及洞顶的截、排水设施统筹考虑，即明洞施工完成后，洞内的排水应形成顺畅的出水口，洞顶排水系统达到完善、畅通。3）墙后的排水设施应与填土同时完成，并保证出水口通畅。4）明洞背部防水层采用8mm厚的FSB防水涂料，选择晴朗干燥天气施工。施工时，先将混凝土表面的外露钢筋头等杂物清理干净，确保防水涂料与混凝土粘结牢固。为了防止防水层在回填土时不被破坏，防水层外部抹20mm厚的M20号水泥砂浆将防水层保护起来后再作填土。拱背需作粘土隔水层时，隔水层应与边、仰坡搭接平顺、封闭紧密，防止地表水下渗。6.1.5 明洞回填1）明洞回填要在 2）要两边对称进行。小时采用和墙身同等级别的混凝土；空隙大时用。本隧道为土质地层， 3）不大于0.3m。 高差不能大于0.5m。夯实度要在90以上。 4）本隧道采用机械回填，拱圈混凝土强度要达到设计强度，要求先进行人工回填至拱顶以上100cm后，再开始机械施工。5）必须达到混凝土的设计强度，且拱顶回填土高度达到0.7m时，才能拆除明洞模板。6.2 洞身施工6.2.1 开挖方案的确定我国目前公路隧道的施工方法以采用新奥法为主，本隧道也采用新奥法。采用新奥法施工应坚持“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”的原则。按其开挖断面的大小及位置，新奥法施工可大概分为全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。全断面法适用于岩质较均匀的级硬岩中，并宜具备大型施工机械配套作业。本隧道大部分围岩为级，不采用全断面法。分部开挖法施工比较繁琐，施工速度慢，成本较高，不采用。台阶法按台阶长度又可细分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法。若采用长台阶法，需要在开挖上半断面时构筑临时底拱，然后在开挖下半断面时将临时底拱去掉，不经济，故不采用。若采用超短台阶法，上、下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率低，施工速度慢，也不采用。综合考虑，最终选择短台阶法，这样既经济，又保证施工速度快，比较合理。隧道开挖支护顺序见下图横断面图示 纵断面图示开挖及支护顺序：1、 上半部开挖2、 拱部锚喷支护3、 下半部开挖4、 边墙锚喷支护5、 模筑二次衬砌图6.1 隧道开挖支护顺序图Fig.5.4 Tunnel excavation supporting sequence diagram6.2.2 爆破设计方案的确定1）设计依据本高速公路隧道为封闭式，采用短台阶法开挖，光面爆破，隧道开挖宽度D=12.6m，开挖高度H=10.44m。掘进断面积103.8 m2。2）钻孔机具的选择钻孔机具包括凿岩机、凿岩台车、钎子及钻头。目前隧道常用的是凿岩机和凿岩台车。凿岩台车实际上是一种能安装两台或两台以上凿岩机的可移动支架设备。采用凿岩台车可大大节省钻孔时安装、拆卸支架和移动支架的时间；适合高大断面钻孔作业，多台凿岩机可同时作业，充分利用空间，加快钻孔速度，缩短钻孔时间，减轻劳动强度，改善劳动条件，实现快速施工。经综合考虑，本隧道选用凿岩台车，本隧道断面形式单一，无很大变化，选择有轨式凿岩台车。3）爆破器材的选择采用塑料导爆管、毫秒雷管起爆系统，毫秒雷管采用15段别毫秒雷管，引爆采用火雷管。4）炸药选择炸药选择乳化炸药，采用32药卷，每卷质量0.1kg，每卷长度21cm。采用不偶合装药。5） 爆破参数计算及爆破图表绘制 炮眼直径炮眼直径对钻眼效率、炮眼数目、炸药耗量和爆破岩石块度与岩石平整度均有影响。因此，应根据隧道开挖断面大小、块度要求、炸药性能和凿岩机性能综合考虑，进行选择。炸药选用乳化炸药，采用32药卷。炮眼直径需比药卷直径大68mm左右，取炮眼直径为40mm。 单位耗药量单位耗药量不仅影响岩石的破碎块度、岩块抛掷距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、钻孔工作量、劳动生产率、材料耗量、掘进成本、地下工程轮廓质量及围岩的稳定性等。因此，确定合理的单位耗药量非常重要。可以根据以下经验公式计算： （6-1）式中 f岩石坚固性系数； S地下工程掘进断面积，m2； Ke考虑炸药爆力P的校正系数，ml，。本隧道为级围岩，f=3。炸药爆力修正系数取2。上台阶掘进面积为46.1 m2，下台阶掘进面积为57.7 m2，总面积103.8 m2。最终算得单位耗药量0.37kg/ m3。 炮眼数目可根据单位耗药量估算炮眼数目，公式如下： （6-2）式中 m每个药包长度，m； a装药系数，即装药长度与炮眼长度之比，一般取0.50