（地质工程专业论文）高速公路隧道新型环保结构型式施工技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼量曼曼曼! 曼曼! i i 一i 曼曼曼皇! 曼曼皇曼曼! ! 曼曼曼! ! 曼曼曼! 曼! 曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 舅曼曼蔓曼曼曼皇曼曼 摘要 随着社会经济的快速发展，高等级公路隧道的建设中，工程建设的环保、安全和 经济日益受到广大公路建设者的重视，在注重公路景观和环境保护方面提出了较高的 要求。虽然隧道相比于其它形式的结构本来就具有环保优势，但是隧道工程的建设和 运营，还是不可避免地会改变原有的环境状态，并可能使环境向不利于人类生存的方 向发展，或造成环境污染。所以在隧道建设过程中，要研究有利于环境保护的新技术、 新工艺。 论文依据西部开发省际公路通道重庆至长沙公路洪安( 湘渝界) 至上官桥段h 5 合 同段1 号棚洞、老虎山隧道的工程实践，首先，对棚洞结构的环保优势、结构分析、 设计、施工等作了详细的阐述。通过f l a c 有限元软件对棚洞边坡结构稳定性进行数 值模拟分析，得出采用二级开挖方法对边坡的稳定性影响较小，仅在坡脚处产生应力 集中，在施工过程中对该处采取相应处理措施，以保证边坡的稳定，使施工安全更加 可靠，只要保证边坡开挖的临时稳定，一旦棚洞结构建起来后，就可以保证整个边坡 的永久安全，这样就大大减小了开挖量，保护了周围的原生态自然环境，也大大减小 了对自然地质体的扰动，减少了诱发地质灾害的可能性；其次，介绍了老虎山隧道的 工程地质条件、前置式洞口的工法特点、施工工艺、施工要点。前置式洞口工法采取 自然进洞的原则，合理确定洞口位置和进洞方案，正确安排施工步骤，并借助一些辅 助施工措施提前进洞，就有可能有效地解决隧道洞口的工程隐患和保护洞口自然环 境，真正实现“早进晚出”；最后，介绍了实施性施工的组织设计，主要包括隧道施 工的方法、工艺，质量管理与保证体系及措施等等。 关键词：公路隧道；棚洞；前置式洞i z l ；f l a c ；数值模拟；施工工艺 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i ds o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，s e c u r i t ya n d t r l r i f t yi nt h ec o n s t r u c t i o no fh i g h g r a d eh i g h w a yt u n n e la r ei n c r e a s i n g l ya p p r e c i a t e db yt h e m a j o r i t yo fr o a db u i l d e r s ，h i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep u tf o r w a r di nt h el a n d s c a p ea n d e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o no fh i g h w a y a l t h o u g hc o m p a r e dt oo t h e rf o r m so fs t m c t u r e s ， t u n n e lh a se n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s ，t h ec o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no ft h et u n n e lw i l l i n e v i t a b l yc h a n g et h eo r i g i n a ls t a t eo ft h ee n v i r o n m e n ta n dm a ym a k et h ee n v i r o n m e n tb e n o tc o n d u c i v et ot h ed i r e c t i o no fh u m a ne x i s t e n c e ，o rc a u s ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t h u s i nt h e p r o c e s so fb u i l d i n gt h et u n n e l ，n e wt e c h n o l o g i e sc o n d u c i v et oe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ns h o u l db es t u d i e d t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c eo fn o 1h o l e ，t i g e rm o u n t a i nt u n n e l o fs t u d i oc o n t r a c ts e c t i o nh 5o fh o n g a n ( x i a n gy us e c t o r ) t os h a n g g u a nb r i d g ew h i c h b e l o n g st h ew e s ti n t e r - p r o v i n c i a lh i g h w a ya c c e s sr o a df r o mc h o n g q i n gt oc h a n g s h a f i r s t l y , ad e t a i l e de x p o s i t i o nw a sg i v e no ft h ee n v i r o n m e n t a la d v a n t a g e s ，s t r u c t u r a la n a l y s i s ， d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt ot h es h e d - t u n n e ls t r u c t u r e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ef l a cw a s u s e dt oa n a l y z et h es l o p es t r u c t u r es t a b i l i t yb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h u ss o m ec o n c l u s i o n s w e r eo b t a i n e d ，t w o s t a g ee x c a v a t i o no fw h i c hs t r e s sc o n c e n t r a t i o no n l ye x i s t sa tt h ef o o to f t h es l o p eh a dl e s se f f e c tt ot h es l o p es t a b i l i t y , i nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i o n , a p p r o p r i a t e t r e a t m e n tm e a s u r e sw e r et a k e nh e r et oe n s u r et h es l o p es t a b i l i t ya n dt h ec o n s t r u c t i o ns a f e t y i sm o r er e l i a b l e ，a sl o n ga st h es h e d - t u n n e ls 缸u c t u r ew a sb u i l tu pw i t ht e m p o r a r ys l o p e s t a b i l i t y , t h ee n t i r es l o p ew o u l db ep e r m a n e n t l ys a f e ，s ot h ea m o u n to fe x c a v a t i o nw a s g r e a t l yr e d u c e d ，o r i g i n a le c o l o g yo ft h es u r r o u n d i n gn a t u r a le n v i r o n m e n tw a sp r o t e c t e da n d t h ed i s t u r b a n c eo fn a t u r a lg e o l o g i c a lb o d yw a ss i g n i f i c a n t l yr e d u c e d ，t h u sp o s s i b i l i t yo f g e o l o g i c a lh a z a r d sw a sa l s or e d u c e d ；s e c o n d l y , t h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so f t h et i g e rm o u n t a i nt u n n e lw a si n t r o d u c e da n dt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dm a i np o i n t so ft h ec o n s t r u c t i o no fa d v a n c e dt u n n e le n t r a n c ec o n s t r u c t i o n m e t h o dw e r ee x p o u n d e d ，t h i sm e t h o da d o p t e dt h ep r i n c i p l e so fn a t u r a l l ye n t e r i n gt h eh o l e ， a sl o n ga st h eh o l el o c a t i o n sa n de n t e r i n gp r o g r a mw e r er e a s o n a b l yd e t e r m i n e d ，c o r r e c t a r r a n g e m e n to fc o n s t r u c t i o ns t e p sa n dan u m b e ro fa n c i l l a r yc o n s t r u c t i o ns t e p sf o re n t e r i n g t h eh o l ea h e a dw e r ea d o p t e d ，h i d d e nt r o u b l e so ft h et u n n e lh o l ew o u l db ee f f e c t i v e l ys o l v e d a n dt h en a t u r a le n v i r o n m e n to ft h eh o l ew a sp r o t e c t e d ，r e a l i z i n g e a r l yi na n dl a t eo u t ； f i n a l l y , o r g a n i z a t i o n a ld e s i g n o fi m p l e m e n t a lc o n s t r u c t i o nw a si n t r o d u c e d ，m a i n l y i n c l u d i n gt h em e t h o d s ，p r o c e s s e s ，q u a l i t ym a n a g e m e n ta n da s s u r a n c es y s t e ma n dm e a s u r e s o ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o na n ds oo n k e yw o r d ：h i g h w a yt u n n e l ；s h e d t u n n e l ；a d v a n c e dt u n n e le n t r a n c e ；f l a c ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y 西南交通大学曲陶叉遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密日，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打v ”) 学位论文作者签名：徐i = z 献 日期：舢 中j 办和 日期：z 7 7d 年，p 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 依据西部开发省际公路通道重庆至长沙公路洪安( 湘渝界) 至上官桥段h 5 合同段 1 号棚洞、老虎山隧道的工程实践，首先，对棚洞结构的环保优势、结构分析、设计、 施工等作了详细的阐述。通过f l a c 有限元软件对棚洞边坡结构稳定性进行数值模拟 分析，得出采用二级开挖方法对边坡的稳定性影响较小，仅在坡脚处产生应力集中， 在施工过程中对该处采取相应处理措施，以保证边坡的稳定，使施工安全更加可靠。 其次，介绍了老虎山隧道的工程地质条件、前置式洞1 3 的工法特点、施工工艺、施工 要点；最后，介绍了实施性施工的组织设计，主要包括隧道施工的方法、工艺，质量 管理与保证体系及措施等等。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：伶j 岔旅 醐嘞n 4 、7 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 曼量! ! 皇! ! ! 曼曼! 曼! 曼曼鼍曼曼! 曼曼曼! 曼鼍i； 一 ；一 ；i i 曼曼! 曼曼皇曼曼皇曼曼曼皇鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼鲁曼曼曼曼曼曼舅 1 1 选题意义 第一章绪论弟一早珀了匕 进入2 1 世纪以来，随着国民经济的发展和社会的进步，在高速公路隧道的建设 中，环保、安全和经济受到了高度重视，在公路景观和环境保护方面提出了较高的要 求。在丘陵地区建设高速公路时，常常碰到地形高差大、地质复杂和需要重点保护的 原始森林、水域及城市森林公园等情况，路线有时必须以隧道的方式穿越时，不可避 免地出现了建设与环境保护问题；高速公路建设对环境景观的破坏以及长大隧道运营 通风时产生的不良空气对公共环境的污染，使工程建设过程中不能极大程度的造福人 民，反而造成了危害；环境保护是当今世界瞩目的课题，高速公路的建设过程中也应 树立与环境保护全面协调发展的全新思维方式，以保护生态环境为前提，结合线路的 地形地貌、地质构造、地层岩性及水文地质条件，选择适宜的新型结构形式，将高速 公路建设对自然生态的不利影响减少到最低程度。 随着国内高速公路的迅猛发展，在地形高差大、地质复杂和需要重点保护的原始 森林、水域及城市森林公园等情况修建的公路隧道也越来越多，但普遍存在认识不够 的问题，如洞口边仰坡刷坡过高，植被受到严重破坏，施工时出现塌方、地下水流失、 地表沉陷等。 国外发达国家和地区在公路隧道的建设中也曾出现了公路隧道建设与环境保护 的矛盾，但由于其公路隧道的建设较早，在公路隧道环保型建设方面积累了一些经验， 其研究分析手段也较为先进。高速公路建设在一些发达国家必须首先通过对环境保护 和自然生态方面的可行性论证，如瑞士、奥地利等国家特别注重公路建设中的环境保 护，采用了半隧道、棚洞、棚架等一些非标准结构形式，较好地解决了公路建设与环 境保护的矛盾。 我国公路隧道通过多年的发展，在公路隧道设计、施工和运营中提倡了环保型建 设，取得了一些成果。但鉴于公路隧道环保型建设技术的整体水平有限，开展公路隧 道环保型建设技术研究，提高公路隧道的环境保护成为必然。 1 2 国内外研究现状 在国外发达国家和地区，公路建设中较早地注意对环境的保护。美、日、英、法、 德等发达国家，经过3 0 多年的研究和实践，对公路建设中的环境规划及设计已有较 完整的规范与体系。美国在1 9 6 5 年制定了公路美化规定，日本在1 9 7 6 年制定了 公路绿化技术基准，原苏联在1 9 7 5 年制定了公路建设和景观设计规范等。法 国于1 9 8 0 年制定了新的道路设计规范道路景观设计规范。法国在交通环境保护方 面形成了一套较为完善的体系一即由国家颁布的系列环保法。包括采石场法、国内交 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 通发展方向法、关于小土地合并置换法令等，以及交通环保法规一公路建设项目研究 和批准体制通报，公路环境保护法实施细则。法国公路建设的环保内容、计划、措施 和环保效果受公众、政府部门、司法等三个方面的监督。对于建设过程中一些不可避 免的破坏，要求进行人工修复，尽量恢复原来的生态环境，尽量消除人类活动对自然 环境的影响，其建设成果不仅满足了结构功能要求更具有观赏性，可谓是巧夺天工， 如图1 1 。 图1 1 国外洞口环保型设计 我国高速公路隧道经过多年的发展，在公路隧道设计、施工和运营中提倡了环保 型建设，取得了一些成果，如隧道洞口由以前的拉槽采用柱式洞门进步到现在采取小 刷坡的削竹式洞门；对于偏压洞口采取早进洞洞口部结构采取偏压结构形式。但国 内隧道设计者和建设者非常重视隧道洞口的安全，为尽可能避免塌方事故的发生。当 洞口地质条件较差时，设计者和建设者为了使施工变得简单、安全风险降低，通常将 隧道洞口边仰坡区域的覆盖层以路堑的方式开挖，或采用先开挖后施作明洞再回填的 方式，这样的洞口处理方式会给高速公路带来不利局面。首先，山体植被和稳定性遭 到较为严重的破坏，在降水量大的季节和地区，将引起严重的水土流失，还可能导致 大规模的山体滑坡等破坏，从而造成恶性循环。采用明洞回填的方式也不可能恢复到 原始地形状况，原生态的稳定性肯定遭到破坏，且水土流失在所难免。在洞口偏压地 带，这种处理方法必然对山体的扰动和导致高边仰坡的出现，而高边坡的出现又将给 工程带来极大的安全隐患这就违背了设计者和建设者们对隧道安全重视的初衷，同 时还有引发地质灾害的可能，造成水土的流失。 图i - 2 国内洞口环保型设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 国内洞口环境破坏 图1 4 国外棚洞实例 要壹銮耋銮茎至：至塞耋茎堡垒耋兰：至 图1 - 5 国内棚洞实例 13 研究方法与技术路线 31 研究的方法 l “棚洞”的设计、施工及边坡稳定性分析 “棚洞”作为隧道进出口地段一种新的结构型式，不仅具有洞门的景观作用，更 重要的是能使隧道比较合理、安全地通过浅埋偏压地段。 其主要研究内容为： ( 1 ) 栅洞结构依托的工程地质条件 ( 2 ) 采用f l a c 数值模拟软件对施工过程中棚洞侧边坡的稳定性进行受力分析 ( 3 ) 介绍棚洞的结构设计、边坡防护设计、防排水设计及棚洞的施工 2 老虎山隧道前置式洞口施工技术的研究 “前置式洞r n ”在国内也被称作“假拟洞r n - o 其总体思想是改变传统的洞口施 工顺序和施工工艺，结合公路隧道洞口的特点，遵循环保、安全、经济原则。其主要 研究内容为： ( 1 ) 老虎山隧道的工程地质条件 ( 2 ) 老虎山隧道的工程地质评价 ( 3 ) 老虎山隧道的水文地质条件 ( 4 ) 老虎山隧道前置式洞口的工法 ( 5 ) 老虎山隧道前置式洞口工法的原理 13 2 研究的技术路线 本文研究的技术路线如下 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 1 论文研究的技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第二章h 5 合同段1 号棚洞施工技术的研究 2 11 号棚洞工程地质条件 2 1 1 工程概况 西部开发省际公路通道重庆至长沙公路洪安( 湘渝界) 至上官桥段h 5 合同段1 号 棚洞位于秀山县雅江镇小贵村右线，设计起止里程桩号q 0 + 1 9 0 q 0 + 3 3 5 2 ，棚 洞全长1 4 5 2 m 。场区设计路面标高5 1 8 1 8 m , - - 一5 1 9 7 2 m ，棚洞段设计纵坡为3 8 5 ， 里程由d , n 大为上坡；棚洞部分位于缓和曲线上，线路左右测设线最小间距2 0 m ， 其出口4 0 0 m 左右接老虎山隧道进口。受平面线型的限制，棚洞按照曲墙平板直柱式 结构进行设计，山体侧( 面向大桩号右侧) 曲墙底部设置条形扩大基础，左侧立柱下 采用桩基础，立柱截面尺寸1 2 m 1 2 m ，中心间距8 0 m ，立柱及曲墙平板结构均采 用c 3 5 钢筋混凝土结构。右侧山体边坡高度小于1 0 m 时只设计一级边坡，按1 ：o 2 坡比放坡；边坡高度大于1 0 m 时，按多级边坡防护设计，一级边坡以外，均按1 ：0 5 坡比放坡。 2 1 2 气象及水文 场区属亚热带温湿季风气候，四季分明，雨量充沛。据秀山县气象局提供的1 9 9 0 - - 2 0 0 2 年气象资料显示，区内多年平均降雨量为1 3 7 9 2 m m ，最大年降雨量 1 7 5 3 8 m m ( 1 9 9 9 年) ，最小年降雨量1 0 0 2 5 m m ( 1 9 9 2 年) ，历年2 4 小时最大降水量 2 0 9 5 m m 。降水量年内分配不均，4 - 9 月份多年平均降水量为1 0 2 0 7 2 r a m ，占全年的 7 3 ，其中6 - 7 月份最集中，降水量占全年的3 2 5 。最大月降水量达5 0 3 9 r a m ( 1 9 9 6 年7 月) ，最小月降水量0 m m ( 1 9 9 9 年1 2 月) 。多年平均气温为1 5 7 。c 。极端最高气温 3 9 6 ，极端最低气温为一8 5 。历年最大积雪深度2 4 c m 。无霜期2 6 4 - - 3 1 7 天。全 年风向以北风为主，历年最大风速2 4 m s 。 路段区内发育一由西向东的常年性溪沟( 夜静沟) ，沟中溪流不断，平时流量一 般为1 0 - 2 0 l s ，流速较小，约0 4 0 - - 1 0 m s ；雨季流量增大，最大洪水流量约为1 0 2 0 m 3 s ，具消涨亦快的特征；溪沟纵向地形坡度较小，一般小于5 。，两侧谷坡地形 坡度相对较大，一般为2 0 , - 一, 4 5 。，局部可达6 0 。以上。发育的溪沟构成路段区地表、 地下水的最低侵蚀基准面，亦构成区内的地表水及地下水的径流排泄通道。 k 2 0 + 3 0 0 挖方边坡区分布的常年性溪沟，根据调查，平时流量较小，洪水季节流 量增大，近5 0 年来最高洪水位约为5 0 7 2 m ( 1 9 6 9 年) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 曼皇鼍o _i ih i l 。o 曼曼! ! 曼蔓曼! 苎曼曼曼曼鼍 2 1 3 地形地貌 场区属构造剥蚀低山沟谷地貌单元。线路位于自然斜坡的一侧，总体地形北东、 南西两侧高，中部沟谷低；北东侧自然斜坡地形标高5 0 6 0 3 - - 6 0 2 5 0 m ，相对高差 9 6 4 7 m ，地形坡度2 0 - - 5 2 。，地形上缓下陡，地形坡度较大；斜坡底部地形较为平 缓，地形标高一般为5 0 6 0 3 5 1 2 3 3 m ，相对高差6 3 0 m 。地形坡度为5 1 0 。顺溪 沟地形相对平缓，垂直线路轴线，沟谷两侧横坡地形较陡，沟谷较为狭窄，自然斜坡 底部分布稻田。北西南东向发育的液静沟沿斜坡底部绕过，溪沟岸坡弯曲，沟床宽5 6 m ，纵坡小于1 0 。场区内右侧地形坡度较大，左侧地形较为平缓。 2 1 4 地层岩性 路段区出露地层为志留系下统白砂组一段( s l b l ) 粉砂质页岩、第四系全新统残 坡积( q 4 e l + d 1 ) 亚粘土及第四系全新统冲洪积( q 4 a l + p 1 ) 的卵石、块石土。 1 第四系全新统残坡积( q 4 e l + d 1 ) 亚粘土：灰黄色、褐色，硬塑状，干强度中等，韧性中等，刀切面平整，稍有光泽， 无摇震反应。厚0 3 - - 1 2m ，主要分布于路段地形较高的斜坡地段。 2 第四系全新统冲洪积( q 4 a l + p 1 ) 卵石、块石土：杂色，由粉砂质页岩、泥质粉砂岩、砂岩组成，卵石、块石及砂 组成，其间由细及粘土充填，卵石呈亚圆形、次棱状；块石呈棱角状。湿饱和，松 散。卵石、块碎石粒径2 5 - 1 5 6 r a m ，含量约5 4 ，圆砾含量约2 2 。分选性较差。 层厚0 1 3 8 m 。主要分布于夜静沟岸坡两侧。 3 志留系下统白砂组一段( s l b l ) 粉砂质页岩：灰深灰色，粉砂泥质结构，页理构造发育，主要由粘土矿物成分 组成。为路段区内主要岩性。 根据钻探获取岩芯和地面地质测绘的实际情况，将路段区内基岩划分为强风化 带、弱风化带。 强风化带：岩体较破碎，钻孔岩芯多数呈碎块状，少数呈短柱状，风化裂隙发育， 质软，碎块手折易断。岩石质量指标r q d = 0 ，岩石质量属极劣的，据本次钻探揭 露，基岩的强风化层厚度大，厚4 7 ( l j z k 9 ) 7 0m ( l j z k l 0 ) 其工程分级：页岩为i 级硬 土。 弱风化带：岩体较完整，呈整块状，质较硬，岩块手难折断，岩石质量属好的， 岩体较完整。r q d = 3 4 - - 8 7 ，岩石质量属好的，其工程分级：弱风化粉砂质页岩为 级软石。本次钻探最大铅直厚度为3 7 9m ( l j z k i o ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 i i 一i 一n i 一曼曼暑皇! 寰曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼皇! 曼! 曼曼! 曼曼曼曼舅曼曼! 曼曼曼! 曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼舅 2 1 5 水文地质条件 路段区地下水类型主要为第四系土层中的孔隙水、志留系下统白沙组一段碎屑岩 类的基岩风化裂隙水。路段区地下水主要接受大气降水补给，具有就地补给就近排泄 的特点。路段位处自然斜坡地段，地形坡度大，地形坡角2 0 , - - 5 2 。，有利于地表水及 地下水的排泄。出露的志留系下统白沙组一段的粉砂质页岩含水性弱，其渗透系数一 般小于0 。0 0 1 m d ，为区内的相对隔水岩组。斜坡底部发育的溪沟，构成路段区的地下 水及地表水的径流排泄通道；同时成为路段区的最低侵蚀基准面。分布于斜坡底部溪 沟两侧的第四系冲洪积层的亚粘土、卵石、块石土，厚度小，一般为0 , - - 2 5 0 m ，卵石、 块石层透水性均较好，有利于地表、地下水的排泄，不利于地下水的富集；据地面地 质测绘结果路段区内无井、泉出露，区内地下水贫乏。 2 1 ，6 主要新技术、新材料的应用 棚洞结构设计注重环保理念，能少刷坡，保护路侧原生植被；降低边坡高度，并 避免高边坡长期运营隐患；其本身与环境协调性较好，自身为一景观；另外也丰富了 高速公路结构型式。 2 21 号棚洞设计 1 号棚洞傍山而行，路面标高与坡脚标高相差不大，为了保护环境和减小开挖工 程量，同时减少边坡侧的刷坡，经过半隧道、棚架、棚洞等傍山隧道型式分析，结合 本工程具体情况，采用棚洞结构型式，在路基方案边坡较高地段设计了1 4 5 2 米长的 棚洞结构，如图2 1 。 2 2 1 边坡防护设计 1 设计原则 ( 1 ) 安全：做到一次根治，不留后患。 ( 2 ) 环境景观：遵循“合理利用土地、环保”的原则。 ( 3 ) 经济合理：在保证安全的基础上尽量节约投资；选用可以采用简便易行、 易于控制的措施。 ( 4 ) 施工工期：处治工段的实施情况直接影响到公路的按期完工，设计施工图 考虑尽量控制缩短施工周期。 里窒耋塑查兰至圭墼耋兰茎! ! 兰塞薹! 至 ! = = 耋： 国2 - 1i 号棚洞平面布置图 要塑圣耋銮茎丝圭至量耋茎堡堡圣篁：! 至 2 设计措施 通过上述对边坡的计算、分析，提出设计措施还应考虑的因数有： ( 1 ) 本边坡为岩质边坡，岩性为志留系下统白砂组一段( s l b l ) 粉砂质页岩， 具有长期暴露或遇水易风化的基本特征，故设计首先应考虑对坡面的封闭防风化。 ( 2 ) 由于该边坡下为棚洞，第1 级边坡在棚洞施工结束后要回填，可按临时边 坡处理；但其上边坡将长时间存在，应按承久边坡考虑。但由于有棚洞的存在，可适 当降低安全系数，其安全系数按l1 5 设计。 ( 3 ) 棚洞完工后，由于上边坡不在行车视线范围内，可降低景观要求。 基于以上考虑，本边坡设计按锚杆+ 挂网喷浆的综合处治措施。 3 设计要点 ( 1 ) 锚杆：锚杆钻孔直径中7 0 m m ，长度6 】o m ，采用3 x 4 m 2 的矩形布置，注 浆标号m 3 0 ；锚杆采用03 2 螺纹钢筋，定位器采用中65 钢筋弯制，并与主筋焊接，设 置间距l5 m 。 ( 2 ) 挂网：坡面采用挂网喷浆防护。铁丝网采用成卷的孔径大于3 c m 的镀锌铁 丝网( m2 5 ) 或钢丝网，通过锚杆和锚钉固定，框条( 巾6 5 ) 与铁丝网为预制件旭 可现场编制，将铁丝网与框条连接，框条安装时，首先要与锚杆连接牢固，然后再与相 邻框条绑，增加短锚杆制作异形铁丝网，边坡平台处将铁丝网压在片石下铁丝网距坡面 距离应尽量保持在2 3 c m ，非标准情况，应保证搭接稳固；喷射混凝土标号采用c 2 5 ， 厚度l o o m ；固定锚钉采用巾5 0 钻 l 、中1 8 钢筋，m 3 0 注浆，间距2 15 m 2 ；伸缩 缝设置间距15 m 。 ( 3 ) 坡比：根据计算，边坡坡比为第1 级边坡102 ，其上边坡坡比1 ：o5 。 i 舞地_ ! 产 目1 1 1 ：0 ：。：。m f二x生 一 ：1 一： 引智景 ： 工。珊瓢 i ：一一：一：! 目i ：_ ：+ ：。： | 羔1 ： 一1 。萝笥i 麓 图2 - 21 号棚洞边坡防护立面图 蓝确率蟑瞳盟二 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 工程数量表 锚扦( 钉)挂固赜蒙 母7 0 钻孔 0 5 0 钻孔 6 5 框垂硬翻铁丝l i l 0 3 2 锚杆【- )母1 8 锚钉( - )【k c ) ( m 2 ) 2 0 1 41 潮1 嘲82 7 2 5 3 路基挖方 赜射c 2 5 混 凝土( 1 3 ) ( 日) 2 7 2 51 嘣0 排水设括 o ”o 钻孔盯5 纂瑚片_ 7 5 纂砌片 4 6 9 0 遣永孔石置水沟石急流偿 【- )【- )【- ) 伯55 18 图2 31 号棚洞边坡防护工程数量表图 2 2 2 棚洞结构设计 棚洞结构作为一种轻型支挡结构，承受的主要荷载为结构背后的水平及竖直荷 载，以及部分坡脚山体边坡传递过来的残余水平推力。结构设计的控制断面在立柱的 弯矩最大的两端部位，为了保证结构的安全合理，一方面通过回填材料减少回填荷载 的水平推力，从而减小立柱端部弯矩；另一方面通过结构计算，加强立柱端部钢筋设 计。 为了结构美观，棚洞靠山侧( 面向大桩号方向右侧) 结构内轮廓( 如图2 4 ) 与老虎 山隧道完全相同，采用曲墙结构，曲墙底采用扩大基础，左侧采用平板衬砌结构，左 侧平板采用直立柱支撑，立柱以下采用桩基础。右侧曲边墙与坡脚之间留有5 0 c m 的 空间，一方面便于曲墙外模的架立，另一方面便于曲墙外侧回填荷载作用在衬砌结构 之外( 如图2 5 ) 。右侧扩大基础及地基梁采用c 3 0 钢筋混凝土结构，曲墙平板和立柱 采用c 3 5 钢筋混凝土结构，桩基础采用c 2 5 钢筋混凝土结构。边墙扩大基础底端应 嵌入弱风化岩石1 5 m ，并设置4 5 m 长的锁脚小导管，将基础与山体连成一体，增 强基础的固结作用。曲墙平板结构厚度0 8 0 m ，柱为方形柱，宽为1 2 0 m ，厚为1 2 0 m ， 相邻柱中心投影至测设线上的纵向间距为8 o o m ，桩基础端部嵌入弱风化岩石2 o m 。 边墙与边坡之间先回填0 3 m 高的碎石，形成过水系统，然后采用7 4 m 高的干砌块石 回填，减小回填荷载的侧压力，最上面采用耕植土回填，回填高度由3 0 e r a 逐渐增厚 至2 3 0 c m ，便于洞顶绿化和恢复原始景观。 设计时采用有限元计算软件和荷载结构方法进行了对比验算，在安全上均能满足 相关技术规范；在经济上，通过柱之间的开孔空间，可解决棚洞结构的通风和照明问 题；在美观环保上，通过棚洞项回填植草植树及藤蔓植物，可有效的绿化洞顶边坡， 减小了刷坡范围。并且棚洞结构美观大方，结构轻巧，与环境协调性好。 要要銮兽銮兰薹圭呈薹兰耋墨篓三圣! ：圣 亘一二二二二j 叵二_ l a - _ 2 二二二二二至至二二二二二 毽 - - - j f i毫 一= 型垃髓 5 。2 ! 拦! 二二! 三二五二! 兰【竺 喜l j 严。岳霍婪二 三誓藕? 耋l 一一开 一- d 知_ = ， 【迁 。量彳。：、- 、 摭撇；誉文羚_ _摭撇蓐姆遣型塾窖鋈警一 d 一= 二e 二= i 、： 223 防排水设计 2 ”。5 0 图2 - 51 号棚洞横断面布置图 l 边坡排水：边坡坡面设置一排水平孔，主要排出边坡内部地下水，降低超孔隙 水压力。排水孔采用孔径l l o m m 成孔，插入直径9 0 m m 软式透水管，其倾斜度为6 。透水孔长度9 米，坡面水平间距6 米，布置于边坡中下部地带。同时，由于边坡 后纵横向裂缝较宽，采用m 75 砂浆对裂缝进行封填。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 棚洞结构防水：在结构外表面设防水层，通过在棚洞结构外铺设一层e v a 防水 板和无纺布，保证结构的外防水完整。根据结构地基要求，棚洞每隔3 2 m ( 洞口段为 2 4 6 m ) 设置一道沉降缝，沉降缝处设置可排水复合橡胶止水带；棚洞每隔8 m 左右 设置一道施工缝，施工缝处设置遇水膨胀止水条；沉降缝和施工缝外设置外贴式止水 条，然后外摸防水砂浆，加强工作缝处的防水。 3 棚洞排水：防水板与回填层之间设1 0 - - 一2 0 c m 的沙层，一方面防止回填结构与棚洞 结构之间的刚性接触，破坏防水层的完整性，另一方面保障衬砌背后的排水系统畅通。 棚洞顶设洞顶截水沟和排水沟，截水沟沟纵向坡度与回填坡面相同，将棚洞顶的水统 一汇集到洞顶集水口，通过泄水管引排至右侧路基排水沟。棚洞内路面积水通过路面 横坡引至路面边沟，然后通过路面边沟统一引排至路洞外基边沟。 2 3 边坡特征与稳定性分析 2 3 1 边坡的特征 路段区k 2 0 + 1 9 0 k 2 0 + 3 3 5 2 段右侧为一自然斜坡，地面标高5 0 6 0 3 - - , 6 0 2 5 0 m ， 相对高差4 0 0 2 m ，斜坡地形较陡，地形坡度2 0 - - 一5 2 。，为下陡上缓。斜坡基岩裸露， 出露地层为志留系下统白沙组一段的粉砂质页岩，岩层产状为3 0 2 。么1 7 。，岩体中 主要发育2 组构造裂隙：裂隙产状1 1 。么7 6 。，微张张开状，节理面平直，延伸 0 5 - - - 2 5 m ，间距0 6 - - 1 5 m ，无充填。裂隙产状1 0 7 。么7 3 。，微张张开状，节 理面平直，延伸0 7 2 3 0 m ，节理间距2 0 - - - 3 5 0 m ，局部泥质充填。粉砂质页岩强风 化厚度大，网状风化裂隙发育，岩体纵波速度v p = 2 1 7 k i n ，岩体完整性系数c m = 0 3 4 。 岩体破碎，钻孔揭露强风化层厚1 0 3 0 m ；中等风化粉砂质页岩呈块状，页理发育， 岩石饱和单轴抗压强度为1 6 0m p a 。岩体纵波速度v p = 3 0 5 k m ，岩体完整性系数 c m = 0 6 7 ，岩体较完整。 经对路段区自然斜坡进行工程地质调查及钻探结果：区内无滑坡、崩塌、地面塌 陷等不良地质现象，亦未见斜坡上有变形开裂现象，证明自然斜坡现状稳定。 线路怼o + 1 9 0 k 2 0 + 3 3 5 2 段按设计路面标高进行路基开挖整平，将在线路右侧 形成高1 0 0 - 4 5 0 m 的挖方边坡，最高达4 9 9 2 m ，形成的边坡长4 0 0 2m 。边坡由粉 砂质页岩组成，岩体质软，强风化层厚度大。粉砂质页岩岩层产状为3 0 2 。么1 7 。，形 成的边坡坡向为2 2 3 。，岩层倾向与边坡倾向呈9 0 。夹角，为切向岩质边坡。形成的 边坡由强、弱风化的粉砂质页岩组成，经钻探揭露，强风化岩层厚度为4 7 7 0 m 弱 风化页岩最大揭露厚度为3 7 9 0m ( l j z k 7 ) 。边坡岩体发育2 组构造裂隙：裂隙产状 1 1 。么7 6 。；裂隙产状1 0 7 。z 7 3 。边坡岩受构造裂隙影响较重，岩体受裂切割 会产生局部掉块现象。根据公路路基设计规范，该边坡为类岩质边坡。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 边坡稳定性分析 边坡岩体为志留系下统白沙组一段的粉砂质页岩，岩石强度低，为软质岩，具饱 脱水风化特征；经对路段区进行工程地质测绘、钻探及物探声波测井结果，强风化厚 度4 7 0 7 o m ，岩体破碎，呈碎裂状结构；弱风化基岩较完整，呈块状构造，页理发 育。路段位于三块土向斜南东翼，岩层产状为3 0 2 。么1 7 。；岩体中发育2 组构造裂 隙，根据边坡倾向、岩层产状、裂隙产状的赤平投影图( 图2 - 6 ) 分析。边坡岩体中 无外倾结构面存在，两组结构面形成的交线位于边坡外侧，对边坡的稳定无影响。边 坡的稳定主要为受岩体的强度控制，由于边坡岩体易于风化，强风化厚度较大，呈碎 裂状结构，进行边坡开挖时，强风化岩体是不稳定的，易产生局部塌落现象。弱风化 岩体较完整，呈块状，为软质岩，岩体中无外倾结构面，边坡的稳定性由岩体控制， 形成的边坡稳定，不会产生大规模的滑塌现象。 岩层产状： 边坡倾向： 裂隙产状： 裂隙产状： 图2 6 赤平投影图 公路两侧边坡稳定性定量分析：本次选取两侧边坡进行定量计算分析，稳定性定 量分析评价采用平面滑动法计算。 a 、基本模型：根据前述定性分析，该边坡破坏方式为沿裂隙结构面剪切破坏。 破裂面即为裂隙切割面，按不利条件考虑，破裂面由坡脚至坡顶贯通；破裂角为结构 面倾角。边坡高度以最大高差为准。 b 、公式：由于边坡直立切坡后的破坏模式为沿外倾结构面剪切破坏。边坡稳定性 定性分析采用建筑边坡工程技术规范g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 中( 5 2 4 ) 公式进行验算。 k ：型唑掣 计算公式为： s i n 6 根据试验成果天然重度y = 2 6 3 k n m 3 ； 地区经验，结构面的综合内摩擦角巾= 3 0 4 。 该边坡发育两组裂隙，无外倾结构面，根据 。岩体破裂角4 5 。+ 中2 = 6 0 2 。 7 o 3 1 6 7 么 臼么 2 3 o 7 o 2 1 o 3 2 l l 要妻三鎏奎耋堡圭墼耋兰兰：薹耋量：要 233 边坡数据模拟 一级边坡一次性开挖模式 ) 开挖前 图2 7 一级边坡开挖前网格划分 f u c n 州删 ” 配鬟 目! 嚣 ! 二二二二互二三二! 二! 图2 - 8 一级边坡开挖前x 方向位移 至霍銮鎏奎耋罂圭至至耋：箸兰耋圣：! 乏 ；蚕 一 熊i_ 卜 冒嚣旒， ；。 譬匾l 圉2 - 9 一级边坡开挖前y 方向位移 图2 1 0 一级边坡开挖前x 方向应力图 要里耋曼奎耋至圭2 蚕兰耋墨薹圣蓦：至 图2 - 1 l 一级边坡开挖前y 方向应力图 图2 1 2 一级边坡开挖前剪切应变增量图 塞妻圣塑銮兰至圭至圣兰兰墨鎏奎兰：墨 ( 2 ) 开挖后 图2 一1 3 一级边坡开挖后网格划分 l ! ! ! g 二! 一- , 。l 4 c “m 】 m l 篓 e j 二二三二互= ! 二二二! 图2 - 1 4 一级边坡一次性开挖x 方向位移 对比开挖前云图，边坡次性开挖后，坡脚与坡肩x 方向都发生了较大的位移变 要里銮兽銮：至圭至圣兰兰竺兰銮量：至 化，坡脚处x 、y 方向位移变化较坡肩处x 、y 方向位移变化大。 图2 1 5 一级边坡一次性开挖y 方向位移 芦驯： j 嚣麓! 叠啊l ，。 ! = ；嚣ii曩圈 i 一 一刁 _ r i 舞圜眵f 。参“j 薹亭j 曩l 图2 1 6 一级边坡一次性开挖x 方向应力图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 边坡一次性开挖后，由于应力释放，边坡整体x 方向的应力发生较大的变化，尤 其是坡脚处产生了应力集中。y 方向的应力分布发生了变化，但是变化不是很大，仅