王渠沟分离式三车道隧道复合式衬砌结构设计.doc

山东交通学院2013届毕业生毕业论文（设计）题目：王渠沟分离式三车道隧道复合式衬砌结构设计院(系)别 水木清华 专 业 城市地下空间 班 级 学 号 姓 名 贝聿铭 指导教师 梁思成 二一三年六月摘 要王渠沟隧道位于蓝田九房乡冯家湾村，为直线型隧道。隧道洞室线长315米，最大埋深83.152米,暗洞按新奥法施工，明洞按明挖法施工。围岩地质条件较差，含水量较高，围岩以、级为主。隧道衬砌结构采用复合式衬砌，二次衬砌计算时采用荷载结构法。王渠沟隧道支护结构采复合式衬砌，分初期支护和二次支护。初期支护采用喷锚支护，二次衬砌采用现浇模筑混凝土。初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，根据不同围岩级别区别组合。锚杆支护采用全长粘结锚杆。由工程类比法，结合公路隧道设计规范，初期支护喷射混凝土材料采用C20级混凝土。二次衬砌采用现浇模筑混凝土，利用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。施工时以新奥法理论为基础，采用控制爆破，加强初期支护和监控量测，及时修正支护参数和施工方法。王渠沟隧道为短隧道，经计算不必进行机械通风，故采用自然通风。关键字：隧道工程，新奥法，计算，通风，照明 Abstract The Wangqugou tunnel was located in the Lantian nine room township Fangjiawan village,for the lineal tunnel.The length of the tunnel cavern was 315 meters, the maximum buried depth of the tunnel was 83.152 meters.Hidden hole was constructed according to the NATM(New Austrian Tunneling Method), open tunnel according to the cut and cover tunneling construction.Surrounding rockgeology was given priority to with gneisses ,geological conditions was poor and the moisture content was higher.The surrounding rock was given priority to with , , grade. The tunnel Lining Structure was adopted composite lining structure.The secondary lining was calculated adopting to the load structure method.The supporting structure of Wangqugou tunnel was adopted composite lining，be split into the primary support and secondary support.Preliminary bracing was adopted shotcrete and rock bolt support， secondary lining was adopted the cast-in-site die concrete. Primary support was used shotcrete and rock bolt support, being composed of shotcrete and bolt, steel mesh and steel frame or beam supporting form combination, and being distinguished combination combination according to different surrounding rock grades.Rock bolt support was adopted full-length bond anchor.By engineering analogy method, combine “the specification for design of highway tunnel”(JTG D70-2004), the material of the Primary support bolting shotcrete was adopted C20 concrete.Secondary lining was adopted the cast-in-situ concrete , being conducted the calculation and checking internal force of lining by using the Load structure method. Based on the theory of the NATM being adopted controlled blasting, strengthening the primary support and monitoring, timely and correct support parameters and construction methods. Wangqugou tunnel is short tunnel, it does not have to be mechanically ventilated, so the tunnel adapt natural ventilation. KEY WORDS：Tunnel engineering,NATM,calculation ,ventilation ,illumination1山东交通学院毕业设计（论文）目 录前言1第一章 设计原始资料 2 1.1 技术标准及设计标准规范 21.1.1主要技术标准 21.1.2主要设计标准规范 2 1.2 工程概况2 1.3 隧道工程地质概况 2第二章 横断面设计 4 2.1 建筑限界 4 2.2 横向通道 4 2.3 内轮廓设计 5第三章 隧道衬砌结构设计 7 3.1 初期支护 7 3.2 二次衬砌 7 3.3 围岩压力计算 83.3.1计算断面参数确定 83.3.2深、浅埋判别 93.3.3围岩压力计算10 3.4 衬砌内力计算 123.4.1 计算图示 123.4.2 衬砌几何要素133.4.3 主动荷载作用下的衬砌内力计算143.4.4 弹性抗力作用下的内力计算163.4.5 最大抗力值的计算183.4.6 衬砌总内力计算18 3.4.7 计算结果18 3.5 衬砌验算 233.5.1 级围岩正常断面衬砌验算 233.5.2 级围岩深埋断面衬砌验算 243.5.3 级围岩浅埋断面衬砌验算 27 3.5.4 级围岩超浅埋断面衬砌验算 29第四章 防排水设计 33第五章 隧道通风照明设计 35 5.1 隧道通风设计 35 5.2 隧道照明设计 365.2.1 洞外接近段照明 365.2.2 洞内照明 36 5.2.3 照明计算 385.2.4 入口段照明计算 395.2.5 过渡段照明计算 395.2.6 出口段照明计算 41第六章 隧道施工设计 42 6.1 施工准备 42 6.2 施工设计 42 6.2.1 总体方案和部署 426.2.2 隧道洞口施工 436.2.3 明洞施工 436.2.4 暗洞施工 446.2.5 隧道施工现场的监控量测 52结论 56致谢 57参考文献 581前言随着基础设施建设步伐的逐步加快，隧道建设规模正日益扩大，人们不但重视隧道施工技术水平的提高，还不断追求它的艺术性，使隧道不单成为交通通道，同时又起着点缀周围环境的作用。我国是一个多山的国家，统筹区域协调发展、构建和谐社会是基本国策，发展山区交通需要修建大量隧道。随着“十一五”规划的实施，我国的高速公路网络逐步的完善，对于国民经济和社会的发展产生了很重要的促进作用。公路隧道具有断面大，形状扁坦，通风量大，通风时间长，需要适应视觉的照明，配套设施完善，防排水要求高，断面多为双孔，需要考虑边墙效应等特点。公路隧道具有改善线形，缩短里程，减少对自然环境的破坏，保证行车舒适等作用。王渠沟隧道K48+980-K49+295隧址位于蓝田九房乡冯家湾村，为直线型隧道。轴线总体走向134。隧道洞室线长315米，最大埋深83.152米,暗洞按新奥法施工，明洞按明挖法施工。行车道宽度均按设计行车速度100Km/h考虑；隧道衬砌结构设计主要包括了初期支护，二次衬砌，围岩压力计算，衬砌内力计算，衬砌验算。隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌、自然通风；隧道围岩岩性以页岩为主，围岩级别以、级为主。该隧道对克服地形障碍，改善线形，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间，提高行车的舒适性，减少对植被的破坏以及保护生态环境起到了重要作用。本次毕业设计是为了让我们更清楚地理解隧道设计和组织施工，为我们即将走上工作岗位的毕业生打基础。盾构技术的广泛应用给传统的工程施工带来了深刻的变化，也给传统的机械，机电专业的人才带来新的机遇和挑战。随着我国综合国力的进一步加强和加入世贸组织。我国经济全面与国际接轨，我国企业广泛应用现代化施工技术。第一章 设计原始资料1.1 技术标准及设计标准规范1.1.1 主要技术标准（1）公路等级高速公路 （2） 隧道设计车速，隧道几何线形与净空按100km/h设计，隧道照明设计速度按100km/h设计。1.1.2 主要设计标准规范（1） 公路隧道设计规范 (JTG D01-2003)；（2） 公路隧道通风照明设计规范 (JTJ 026.1-1999)；（3） 公路工程技术标准 (JTG B01-2003)；（4） 混凝土结构设计规范 （GB50010-2002）（5） 锚杆喷射混凝土支护技术规范 (GB50086-2001)；（6） 地下工程防水技术规范 (GB50108-2001)；（7） 公路工程抗震设计规范JTJ004-89；1.2 工程概况 王渠沟隧道K48+980K49+295隧址位于蓝田九房乡冯家湾村，为直线型隧道。轴线总体走向134。隧道洞室线长315米，最大埋深83.152米,暗洞按新奥法施工，明洞按明挖法施工。1.3 隧道工程地质概况（1）地形地貌隧道穿越区为构造剥蚀中低山区，隧道穿越山嘴，隧道与山体近于垂直，地面标高介于833.280914.342m，相对高差约81.062m，隧道进口段地形陡峭，地势险要，进口段坡脚约55，出口段地势陡峻，坡脚约44。（2）地层岩性据工程地质调绘和物探测试，隧址区分布的地层为燕山早期花岗岩（r52）现按其地层时代及风化程度分述如下：（14）12强风化花岗岩（r52）：以浅色为主，矿物主要以长石、石英为主。原岩结构、构造部分被破坏，可辧花钢结构，块状构造。节理裂隙发育，岩体被风化裂隙分割成碎石状，裂隙面可见绣色浸染，附着粘粒，锤击声哑易碎Vp=19002500m/sm/s。（14）13中风化花岗岩（r52）：以浅色为主，花岗斑状结构，块状构造，矿物主要以长石，石英为主，见有云母及其他暗色矿物，节理裂隙较发育。锤击声脆，不易击碎，Vp=24503000m/s。（14）13微风化花岗岩（r52）：以浅色为主，花岗斑状结构，块状构造，矿物主要以长石，石英为主，见有云母及其他暗色矿物，节理裂隙不甚发育。锤击声脆，不易击碎，Vp=30003200m/s。（3）地质构造1）褶皱隧址区位于为火山岩区。无褶皱产出。2）断裂本区基岩裸露，在勘察范围内据工程地址调绘和物探测试，未发现断裂通过。3）节理、裂隙本次勘察对隧址区出露基岩进行了节理统计，区内岩体近地表风化裂隙较发育，隧道址区主要有二组节理，节理产状分别为29080,频条3条/米，22020，频率1.5条/m，均为剪节理，延伸较长，节理见有少量有方解石脉充填。均为剪节理，延伸较长，节理见有少量有方解石脉充填。（4）水文地质条件隧道预测涌水量45.6m3/d。经综合评定，隧道围岩大致为级、IV级、V级。第二章 隧道横断面设计2.1建筑限界 王渠沟隧道的建筑限界按100km/h时速进行设计，建筑限界取值确定如下： 建筑限界横断面宽度如下表：2.2横向通道 其建筑限界如下：2.3 内轮廓设计 根据建筑限界，利用三心圆，得出各断面内轮廓如下图：第三章 隧道衬砌结构设计王渠沟隧道支护结构采复合式衬砌，分初期支护和二次支护，初期支护采用喷锚支 护，二次衬砌采用现浇模筑混凝土。3.1 初期支护初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用， 根据不同围岩级别区别组合。锚杆支护采用全长粘结锚杆。由工程类比法，结合公路 隧道设计规范，初期支护喷射混凝土材料采用 C20 级混凝土，支护参数取值如下表：表3-1初期支护参数表围岩级别喷射砼厚度(cm) 锚杆(m)钢筋网 钢拱架级别拱墙 仰拱位置长度间距杆体材料 15 -拱墙 3.0 1.220MnSi 钢筋 拱、墙 25x25- 20 -拱墙 4.0 1.020MnSi 钢筋 拱、墙 20x20- 30 -拱墙 5.0 0.820MnSi 钢筋拱、墙(双层) 20x20-级浅埋30 -拱墙 5.0 0.820MnSi钢筋 拱、墙(双 层)20x20 拱、墙、 仰拱其他参数、锚杆布置见衬砌断面图。3.2 二次衬砌二次衬砌采用现浇模筑混凝土，利用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。 二次衬砌厚度设置如下表：表3-2二次衬砌参数表 围岩 级别拱墙混凝土（cm）仰拱混凝土(cm)砼级别钢筋种类钢筋直径钢筋面积(mm2) 4545C20- 50，钢筋混凝土50C25HRB335 25 1473 60，钢筋混凝土60，钢筋混凝土C25HRB335 25 1946 级浅埋60，钢筋混凝土60，钢筋混凝土C25HRB335 25 2945级超浅埋60，钢筋混凝土60，钢筋混凝土C25HRB335 25 2454注：钢筋面积为纵向每 m 断面的钢筋面积。其他参数详见衬砌结构图。3.3 围岩压力计算3.3.1 计算断面参数确定隧道高度 h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量 隧道跨度 b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量各围岩级别计算断面参数如下表：表3-3计算断面参数（单位：m）围岩级别隧道高度H隧道宽度B备注 9.94616.722 正常断面 12.04117.142 正常断面 12.30017.402 正常断面3.3.2深、浅埋判别 隧道进、出口段埋深较浅，需按浅埋隧道进行设计。3.3.2.1 浅埋隧道分界深度的确定 坍落拱高度按下式计算： （3-1） 级围岩，s=5；B5，i=0.1，代入上式， h = 15.985m 垂直均布压力 q=h= 1815.985 = 287.738kN/m （3-2）荷载等效高度 hq=q/ （3-3） =287.738/18=15.985m 浅埋隧道分界深度 Hp=2.5hq=2.515.985=39.963m3.3.2.2 浅埋段的确定 进口段：坡度大约为 17左右，纵断面坡度 2%，设进口段 xm 处埋深为Hp ，根据几何关系： Hpxtan17x2= Hp x =139.862m 在设了 46m 的明洞段之后，还有 93.862m 的浅埋段。 出口段：坡度大约为 30左右，纵断面坡度 1.2%，设出口段 xm 处埋深为 Hp，根据几何关系： x tan 30o+ x1.2% = Hp x = 67.81m 进口段 xm 处埋深为 h，根据几何关系： Xtan30o+x1.2% = hp x=27.12m 则进口段有 27.12m 的超浅埋段，40.69m 的浅埋段。3.3.3围岩压力计算3.3.3.1 深埋隧道 由式（3-1），坍落拱高度 ，由式（3-2），垂直压力 q =h，水平均布压力根据围岩计算如下表：表3-4水平均布压力计算表围岩级别水平均布压力e0.13q0.2q 0.4q注：H/B均小于 1.7。3.3.3.2 埋深小于或等于等效荷载高度的隧道 垂直压力 q=H （3-4） H隧道埋深 侧向压力： （3-5） 隧道高度， 围岩计算摩擦角。3.3.3.3 埋深大于等效荷载高度时的围岩压力计算 垂直力： （3-6）隧道宽度 水平侧压力： 水平侧压力视为均布压力时按下式计算： e = 0.5(+ ) （3-7） （3-8） 隧道底部至地面的高度 侧压力系数 计算： （3-9） （3-10）各级围岩的 值见下表：表3-5各级围岩的 值围岩级别 0.9 0.8 0.6利用上述公式，计算各级围岩压力如下：级围岩正常断面： h=0.4521+ 0.1(16.7225)=3.888mq=3.88824=93.321kN/me=0.1393.321=12.132kN/m级围岩正常断面： h=0.4521+0.1(17.1425)=7.849mq=227.849=172.672kN/m e=0.2172.672=34.534kN/m级围岩正常断面： h=15.985m深埋： q=1815.985=287.73kN/me=0.4287.73=115.092kN/m浅埋：取 H= Hp=39.963m, =17.402m , =50,=0.6=30 q=1839.9631-3 9 .9 6 3/17.4 02tan30）=553.384kN/m =1839.9630.172=123.725kN/m =1852.0660.172=161.195kN/m超浅埋：取 H=15.985m ,=12.3mq=1815.985=287.73kN/m e=18（15.985+1/（212.3）tan20=105.044表 3-6 各级围岩压力如下表围岩级 别（ kN /m）埋深类型断面类型荷载类型数值( kN / m ) 24深埋正常断面 q93.321 e12.13218超浅埋正常断面 q287.73 e105.044浅埋 q553.384 123.725 161.195深埋 q287.73 e115.092 22 深埋正常断面 q172.672 e34.5343.4 衬砌内力计算 衬砌内力计算的原理采用荷载结构法。3.4.1 计算图示 计算图示采用半拱结构，在主动荷载作用下，顶部衬砌向隧道内变形而形成脱离区，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。为了方便计算，利用辛普生法近似计算各类位移，因此将半拱结构等分为10 块，各分块上的外力近似地认为作用在各分块截面的中点上，据此得出计算图示如图3.1 所示。图3.1衬砌内力计算图示弹性抗力图形分布规律按结构变形特征作如下假定：（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 与衬砌垂直对称中线的夹角假定 45左右。 （3） 最大抗力点 h 假定在最大跨度处附近，取 ah =2ab/33.4.2 衬砌几何要素（1） 衬砌几何尺寸 内轮廓线为三心圆，半径为、，内径、所画圆曲线的终点截面与竖轴的夹角为、，截面厚度为d 。（2） 半拱轴线长度 S 及分段轴长S （3-11）半拱长度，将半拱轴线等分为 10 段，每段轴长S。（3） 各分块截面中心几何要素 与竖轴夹角： （3-12） （3-13）截面6 为第1 段衬砌向第2 段衬砌过渡的第一个截面，由几何关系， 6 a 计算如下： S = 6S S （3-14） （3-15） （3-16）各截面中心点坐标计算： ， （i=15） （3-17） （3-18） （i=610） （3-19） （i=15） （3-20） （3-21） （i=610） （3-22）3.4.3 主动荷载作用下的衬砌内力计算取基本结构如图所示，根据拱顶截面相对变位为零的条件，列出立法方程如下 图3.2 衬砌内力计算基本结构 （3-23）由叠加原理，墙底位移 可以表示为，由于墙底无水平位移，故，代入方程式，得 （3-24）式中、基本结构的单位位移和主动荷载位移墙底单位转角基本结构墙底的荷载转角 f 衬砌矢高。 由辛普生法，得出各系数近似计算公式如下 （3-25） （3-26）求出未知力后，根据结构力学的方法，采用下列公式求解各截面内力： （3-27）内力的计算：取计算图示如下图，由结构力学方法求出内力计算公式如下： 图 3.3 内力计算图示弯矩： （3-28）轴力： （3-29） 式中： Q 、 G 、 E 各分块上作用的垂直压力、重力、侧压力 垂直压力、重力、侧压力所对应的力臂 相邻两截面中心点的坐标增量值，按下式计算： （3-30）3.4.4 弹性抗力作用下的内力计算（1） 各截面的抗力强度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： （3-31）ah 段任意点的抗力值： （3-32）（2） 各分块上抗力集中值计算 （3-33）集中力的方向垂直与衬砌外缘，并通过分块上抗力图形的形心。（3） 抗力集中力与摩擦力的合力计算 （3-34）其作用方向与抗力集中力的夹角为=arctan，作用点为抗力集中力与衬砌外缘的交点。（4） 计算单位抗力及相应的摩擦力在基本结构中产生的内力 将的方向线延长，使之交于竖直轴，量取夹角，将其分解为水平与竖直两个方向的分力： （3-35）根据结构力学方法，单位抗力及相应摩擦力在基本结构中产生的内力计算公式如下：弯矩： （3-36）轴力： （3-37）式中：力至截面中心点i的力臂（5） 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移 由式（3-13），载位移计算公式如下： （3-38） （6） 墙底位移 由式（3-14）计算。 （7） 弹性抗力作用下产生的内力 解力法方程（3-12），得出未知力后，就可按式（3-15）计算弹性抗力作用下产生的内力。3.4.5 最大抗力值的计算 由温克尔假定，得到最大抗力值的计算公式如下： （3-39）3.4.6 衬砌总内力计算 由叠加原理，衬砌总内力等于主动荷载作用下的结构内力与弹性抗力作用下的结构内力的叠加，按下式计算衬砌总内力： （3-40）3.4.7 计算结果 由于级围岩二次衬砌不承担荷载，故在此不予计算。下面将计算结果列出。（1） 级围岩正常断面衬砌内力计算表3-7总内力计算表截 面 MpMMNPNN e积分 系数1/30406.809-324.94681.863219.704199.156418.8600.1957858.823011371.845-303.25868.587229.993196.582426.5750.1616584.324717.03342271.400-238.77232.628259.717188.928448.6450.0733132.2761355.33623118.335-133.120-14.785305.785176.392482.177-0.031-1419.361-1367.12844-67.62010.929-56.691363.745159.297523.042-0.108-5442.334-9178.49725-261.379189.692-71.688427.273138.085565.358-0.127-6882.006-17783.79246-435.528382.523-53.004491.049103.189594.238-0.089-5088.412-18461.26827-530.256521.569-8.687546.72242.999589.721-0.015-833.989-4026.08448-497.475515.61718.142572.114-15.123556.9910.0331741.64010689.66429-316.148314.987-1.161561.346-41.528519.818-0.002-111.428-834.65241021.446-20.5510.895524.133-11.717512.4160.00285.884757.2851将计算结果按比例绘制成弯距图与轴力图 图3.4 级围岩正常断面衬砌结构内力图 （2） 级围岩深埋正常断面衬砌内力计算表3-8总内力计算表截 面M pMMNPNNeM /IM/y 积分 系数1/301119.990-869.820250.170980.417529.1221509.5390.16613898.3410111024.491-811.723212.7681007.811522.2711530.0820.13911820.4551297.88642749.596-639.017110.5791085.847501.8931587.7400.0706143.2762679.69723330.140-356.096-25.9561207.205468.5201675.725-0.015-1441.994-1400.03244-180.80029.634-151.1671357.191423.5681780.759-0.085-8398.153-14276.02125-716.725508.277-208.4481522.332366.5481888.880-0.110-11580.451-30161.28446-1207.7501024.633-183.1161685.079285.6901970.769-0.093-10173.136-37199.09027-1471.9041395.395-76.5091821.092172.9011993.993-0.038-4250.514-20679.59848-1378.5861378.412-0.1741869.64596.1071965.7520-9.687-59.90929-882.039847.329-34.7091817.022105.9851923.007-0.018-1928.292-14553.01641030.072-27.8302.2421735.750195.0931930.843 0.001124.5411106.0821将计算结果按比例绘制成弯距图与轴力图图3.5 级围岩深埋正常断面衬砌内力图（3） 级围岩浅埋正常断面衬砌内力计算截 面M pMMNPNNeM /IM/y 积分 系数1/302116.149-1539.074507.0741274.476936.2372210.7130.22932059.6770111932.457-1436.276496.1811328.291924.1152252.4060.22027565.6203026.705421405.157-1130.688274.4691482.461888.0572370.5180.11615248.284