开题报告-炒米梁隧道右线支护结构设计.doc

山 东 科 技 大 学本科毕业设计（论文）开题报告题 目： 炒米梁隧道右线支护结构设计学 院 名 称 土木建筑学院 专业班级 土木工程07-3班 学生姓名 学 号 指 导 教 师 填表时间： 2011年 3月 11日填表说明:1.开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。2.此报告应在指导教师指导下,由学生在毕业设计（论文）工作前期完成,经指导教师签署意见、相关系主任审查后生效。3.学生应按照学校统一设计的电子文档标准格式,用A4纸打印。4.参考文献不少于8篇,其中应有适当的外文资料（一般不少于2篇）。5.开题报告作为毕业设计（论文）资料,与毕业设计（论文）一同存档。设计（论文）题目炒米梁隧道右线支护结构设计设计（论文）类型（划“”）工程实际科研项目实验室建设理论研究其 它一、本课题的研究目的和意义毕业设计是我们把所学的理论知识与实践相结合的综合练习，是我们离开学校取得学位证书的最后一个环节，也是我们在大学本科阶段的一个极其重要的环节。通过本次的毕业设计可以培养及提高以下的能力：（1）熟悉工程设计中常用的设计规范及技术标准，并能正确地应用各种设计标准图集以及相关的设计资料。（2）综合运用所学的基础理论知识和专业知识，正确地解决工程设计中的各种实际问题，了解工程设计人员实际设计工作的内容、初步掌握工程设计的基本方法，并能在设计中正确地考虑影响设计的各项因素。（3）熟练地运用相关计算软件和绘图软件，提高绘制施工图的技法，所绘工程图纸应符合国家建筑制图的统一标准，并能正确清晰地表达设计意图。（4）掌握隧道结构设计的内容、方法和步骤，并了解隧道的一般特点和各种新的设计要求。结合隧道所处自然条件及工程地质和水文地质等状况，选择合适的衬砌结构形式和洞门结构形式。根据隧道的功能及各项技术指标选择适当的照明和通风设备等。根据设计荷载要求、公路等级要求以及隧道围岩情况等选择合理的施工方法，力求使设计达到美观、实用、安全、经济。（5）学会使用现代化的计算工具、数据处理手段和计算绘图方法。在计算的过程中，将理论知识与实际应用结合起来，培养实际运用操作设计软件的能力。二、本课题的主要研究内容（提纲）本课题是一个实际工程的支护问题，包括支护形式、支护刚度、支护时间、支护受力情况的合理性和支护的经济性，因此，针对这一实际工程首先应该进行合理的支护设计进而选择合理的支护方案，其次针对所选的支护方案进行相关的支护与其它配套设计。在设计过程中，根据地质情况通过经验类比法及计算选取一种支护效果好、经济有效的支护形式。其主要涉及的内容包括以下几个方面的内容：(1) 支护方式的选择 现阶段隧道的支护方案有许多种，目前常用的支护方式有锚杆支护、喷射混凝土支护、整体式混凝土支护、复合式支护、注浆加固支护等形式，各种支护方法都有其相适应的范围 。采取有效措施充分的利用和调动岩体的自承能力，综合性的考虑工程造价、支护设备、以及场地的施工条件等各方面的信息选择合理的支护方案。最后对所选的方案进行综合性的了解，以便以后的设计中加以运用。 (2) 围岩压力及衬砌荷载的计算 围岩压力是开挖隧道后围岩变形和应力重新分布的一种物理现象，影响围岩压力的因素有：洞室形状或大小、地质构造、支护型式和刚度、洞室埋深，以及时间因素和施工方法等。围岩压力的性质、大小和分布规律是正确进行隧道和洞室支护、结构设计和选择施工方案的重要依据。围岩压力及衬砌荷载的计算是隧道支护中必须要考虑也是非常重要的问题，因为它牵扯到支护方案的选型，以及具体的支护参数的确定。(3) 支护参数的设计 对于这次工程设计，支护参数的设计也是一个很重要的方面，支护参数设计是隧道支护设计实现定量决策的关键所在，当支护方式确定以后，参数设计正确与否，直接影响到支护效果和经济效益，当支护参数提供的支护强度不够，即使支护方式合理。也可能控制不住隧道围岩的严重变形和破坏，最终导致隧道不得不翻修，影响隧道正常运营；当支护参数设计过于保守，必然能保证隧道在服务期间的稳定状况，但支护成本必然偏高。因此必须科学的寻找支护参数在经济和效益这两方面之间的最佳点是至关重要的。 (4) 支护效果验算与数值模拟 隧道开挖以后会出现两种应力状态，一种是开挖后的二次应力状态仍是弹性的；另一种是围岩开挖后，隧道围岩产生塑性区；因此支护结构的设置时间在很大程度上决定了支护结构的作用效果及成败，必须对支护结构设置时间按工程具体要求进行优化，以期达到支护结构作用的最优效果。支护效果的验算不仅是对数据的核算，更是发现问题的很重要步骤。因此在设计中应该预以重视。有条件还要进行必要数值模拟，从而核实支护设计的安全性和经济性。(5)专题部分 由于地质条件复杂并且难以预知，因此必须强调监测和信息反馈技术。专题部分则主要是针对隧道一次支护二次支护后通过监测隧道的变形，从而推算出围岩压力等情况，为改变支护设计提供依据，进而控制地下工程的稳定性，为以后近似工程提供行之有效的支护形式。三、文献综述（国内外研究情况及其发展）当前国内外隧道支护设计技术现状及发展的概况，大体上可反映在有关设计规范、规则、指南以及一些权威性专著之中。早在1974年第三届国际岩石力学会议的综合报告即以指出：“虽然关于支护结构设计的论著比岩石力学其他课题发表的更多，但其实际进展却十分缓慢。不论是采矿工程师还是土木工程师，在设计支护系统时在很大程度上仍然依靠经验。”支护原理研究是个“十分困难的课题”。1993年我国出版的高等学校教材岩石力学，概括了当前国内去外锚喷支护的现状：“岩石力学尚未形成一套独立的、完整的理论”。由于目前还不能从理论上完善地、定量地说明锚喷支护的原理，所以设计上还是以经验的方法为主。例如，根据围岩分类，用工程类比法建议一些经验数据作为设计的依据。日本国有铁道建设局等，对98座新奥法修建的铁路、公路隧道作了分析总结，制定了新奥法设计施工指南（草案），初步设计方法是：一是标准模式支护法；二是工程类比法；三是解析法。并对三种方法的地位和作用作出明确规定：“在一般围岩中的标准断面初步设计阶段，主要是采用与围岩等级相应的模式化的标准设计；在标准支护模式的条件之外，当所设计的隧道与过去施工过的隧道条件非常类似时，采用经验类比法；理论计算方法或用有限元法进行解析的方案，一部分虽应用到实际设计中，但在目前阶段尚未成为通用的方法。”随着支护方法的发展，支护形式也出现了很多种，常用的隧道支护方法有锚杆支护、喷射混凝土支护、整体式混凝土支护、复合式支护等形式，而且各种方法在实际工程中都得到了不断的发展与完善。下面对这种施工方法作一下简单的介绍。复合式支护结构的种类很多，是上述基本支护结构的某种组合。它是把衬砌结构分成不止一层，在不同的时间上先后施作的。目前实践的都是外衬和内衬两层，按内、外衬砌的组合情况可分为喷锚支护与整体式混凝土衬砌和喷锚支护与装配式衬砌两类，其中最通用的是外衬为喷锚支护，内衬为整体式混凝土衬砌。复合式衬砌是与喷锚支护和新奥法施工结合起来进行的。具体做法是先在洞壁表面上喷射一层混凝土(5-20cm厚)，有时也同时施加锚杆，凝固以后形成一个薄层的柔性支护结构，允许它有限度地产生变形，把围岩因开挖坑道而引起的形变能量尽量吸收，并把洞壁的位移逐渐地稳定下来，使外衬与围岩共同组成的初步支护体系处于平衡状态;在施工的同时，及时地量测支护变形的信息，把这些信息反馈到施工和结构的设计中去，据以确定内衬的最佳施作时间和适宜厚度，在外衬变形基本稳定以后，再施作内衬。复合式衬砌既能调动围岩的自承能力，又可以充分发挥结构的承载能力。根据铁道部科学研究院和隧道工程局共同进行的模型试验和有限元分析的研究结果表明4:复合式衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可以提高20-30%，并且，调整好内衬的施作时间，还可以改善结构的受力条件。1.2.3支护结构设计理论的发展历史地下结构物的设计理论和方法经历了一个发展过程。最早(19世纪初)的隧道(洞)多以砖石材料作为衬砌，采用木支撑和断面分部开挖的方法施工。其后，不同学者和工程师们在设计隧道衬砌时采用不同的假定来考虑围岩对衬砌变形所产生的抗力，其中文克勒尔(Winkler)局部变形理论得到了广泛应用。这方法的代表学者有:康姆裂尔(1910)、许特(1922)、等。与此同时，将衬砌和围岩视作连续介质模型进行分析的力一法也得到了发展，其中代表学者有:史密特(1926)、塔罗勃(1957)、谬尔伍德(1975)等，20世纪50年代以来，喷射混凝土和锚杆被广泛用作初期支护。人们逐渐认识到，这种支护能在保证围岩稳定的同时允许其有一定程度的变形，使围岩内部应力得到调整从而发挥其自承作用，因此可以将内层衬砌的厚度减小很多。近20多年来，随着岩体力学理论的进展，使人们产生了新的隧道建造方法的构思。在众多现代隧道建造方法中，“新奥法”可称为代表作。 “新奥法”是“新奥地利隧道修建方法”的简称，其英文为“New Austria Tunneling Method”，常简称为NATM，特点是采用光面爆破；以锚喷作一次支护，必要时加钢拱支架；根据围岩地压及变形实测数据，再合理进行二次支护；对软岩强调封底。由于新奥法在隧道工程中的成功应用，当前已被国内外作为隧道结构设计和施工的重要方法。新奥法的基本原理是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用以锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行加固，约束围岩的松弛和变形，并通过对围岩和支护结构的监控、测量来指导地下工程的设计与施工。其基本要点可归纳如下：（1）充分利用岩体强度，发挥岩体的自承能力；（2）开挖作业多采用光面爆破和预裂爆破，并尽量采用大断面开挖，以减小对围岩的扰动；（3）根据隧道围岩特征采用不同的支护类型和参数，及时施作密贴于围岩的柔性喷射混凝土和锚杆初期支护，以控制围岩的变形和松弛；（4）在软弱破碎围岩地段，使断面及早闭合，以有效的发挥支护体系的作用，保证隧道稳定；（5）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定情况的条件下修筑的，围岩与支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度；（6）尽量是隧道断面周边轮廓圆顺，避免棱角突出处出现应力集中；（7）通过施工中对围岩和支护的动态观察、测量，合理安排施工工序，进行设计变更及日常的施工管理；从新奥法的基本原理中，可以看到围岩加固设计理念上的重大进步，不再把围岩简单地看作作用在支护结构上的荷载，而是认识到围岩是隧道结构的主要承载部分。努力保持围岩的原有强度，从而更有效的发挥围岩的承载力，是新奥法的另一重要施工要求。总之，新奥法的核心在于充分发挥围岩的自承作用，喷射混凝土、锚杆起加固围岩的作用。把围岩看作是支护结构的重要组成部分，并通过监控测量，实行信息化设计和施工，有控制地调节围岩变形，以最大限度地利用围岩自承作用。综上所述，目前国内外隧道工程支护设计放法均以设计者的综合对比、经验判断为主。但从发展趋势看，新奥法开创的理论经验测量三者结合的“信息化设计”体现了发展方向。有些学者认为：信息化设计使经验方法科学化，使力学计算具有实际背景，这种以施工监测、理论分析、经验判断相结合，调查、设计、施工相交叉的放法是非常符合隧道工程特点的，为隧道工程的设计和施工开辟了一条正确的途径。四、拟解决的关键问题隧道支护与施工中会面临各种各样的问题，而常见的问题包括以下四个方面的内容：(1) 围岩压力和衬砌荷载的计算问题 围岩压力值是进行隧道设计和稳定性研究的重要依据，对后面的支护形式和参数的确定有着重要的作用。而衬砌荷载问题一直是隧道支护中的一个重要问题，针对本次隧道支护项目预计采用荷载-结构模式进行衬砌荷载的计算，首先判断深浅埋, 利用不同的公式计算出衬砌所受荷载大小, 然后根据结构力学方法进行衬砌内力检算。(2) 支护参数的确定问题 支护参数设计是隧道支护设计实现定量决策的关键所在，当支护方式确定以后，参数设计正确与否，直接影响到支护效果和经济效益，当支护参数提供的支护强度不够，即使支护方式合理。也可能控制不住隧道围岩的严重变形和破坏，最终导致隧道不得不翻修，影响隧道正常运营；当支护参数设计过于保守，必然能保证隧道在服务期间的稳定状况，但支护成本必然偏高。因此必须科学的寻找支护参数在经济和效益这两方面之间的最佳点是至关重要的。(3) 支护效果检验问题 支护效果的检验是对工程负责的重要步骤，在设计中难免有许多失误的地方。通过必要的数值计算检验支护效果可以发现设计中的缺陷并在工程中加以修正。(4) 防排水问题 隧道防排水遵循“防、排、堵、截结合，因地制宜，综合治理”的原则，争取隧道建成后达到洞内基本干燥的要求，保证结构和设备的正常使用和行车安全。针对以上四个问题，在本次设计中都将涉及到。做好这四个问题的解决思路是做好本次支护工程的重要部分。五、研究思路和方法针对现实中的隧道支护问题（炒米梁隧道右幅YK114+210+663支护项目），在研究思路与方法上要以计算为主，并结合相关的图例进行说明，最后对设计成果加以检验的方法。从拟解决的问题出发到以下的究思路：(1) 支护方案的选择 针对本次工程中的实际情况综合性的考虑工程造价、支护设备、以及场地的施工条件等各方面的信息选择合理的支护方案。最后对所选的方案进行综合性的了解，以便以后的设计中加以运用。(2) 围岩压力的计算 通过所给出的地质资料、围岩的性质运用合理的理论模型对隧道的围岩进行计算。(3) 计算衬砌荷载 在本次工程中我们采用荷载-结构计算方法。这种模式是假定已知地压荷载和地层对结构变形的约束抗力（前者在浅埋松散岩土荷载条件下为已知，后者均为假定）的条件下，按弹性地基上杆件系统的结构力学原理进行衬砌内力计算。(4) 支护参数确定 对于这次工程设计，支护参数的设计也是一个很重要的方面，为了寻求有效控制变形、满足快速施工要求的支护参数及相应的施工方法及工艺, 进行不同支护参数的试验研究。选择合理的支护参数，不仅可以节省材料而且还可以达到预期的效果。(5) 支护效果验算 支护效果的验算是保证工程能顺利进行的一个很重要的方面。他不仅是对数据的核算，更是发现问题的很重要步骤。六、本课题的进度安排针对这次毕业设计以及自己所选的工程情况，课题的安排进度如下：3.073.11 查阅相关资料，根据设计内容，填写毕业设计开题报告；3.143.18 全面熟悉设计所需要的基本理论资料，并完成第一章绪论部的写作；3.163.20 对毕业实习收集的资料进行归纳总结，使其条理化，在此基础上完成第二章工程概况的写作；3.213.25第三章 隧道洞门形式及稳定性验算（综合地质条件，对洞门形式进行选型，并验算洞门结构的稳定性）。3.284.08第四章隧道衬砌荷载计算；（不同级别围岩条件下的衬砌荷载以及相关的外荷载确定）4.114.22第五章支护参数选择（通过对衬砌荷载的分析，进行支护方案对比，确定隧道支护方案参数并验算，）。4.255.06第六章 隧道二次衬砌的钢筋砼配筋计算5.095.13第七章 施工组织设计（或有限元模拟计算）5.165.20第八章 隧道监测方案设计5.235.27专题以及英译汉5.306.03毕业设计打印、绘图6.066.10毕业设计检查、装订6.136.17教师毕业设计评阅，学生毕业设计答辩，确定毕业设计成绩本次设计的专题题目：边坡稳定性研究。本专题将介绍边坡稳定性的基本定义及边坡的破坏机理，着重阐述影响边坡稳定性的因素，重点探讨边坡加固的方法，避免因边坡失稳引起的崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害给人们的生命和财产带来了巨大损失。七、参考文献1 李晓红. 隧道新奥法及其量测技术M.科学出版社, 20022 关宝树. 隧道工程设计要点集M.人民交通出版社, 20033 公路隧道设计规范(JTG D702004)S.人民交通出版社, 2004.4 王毅才.隧道工程M.北京:人民交通出版社,2001: 90-91,180-1815 孙均,侯学渊. 地下工程M. 北京:科学出版社, 1984.6 倜曾,熊火耀. 隧道及地下工程的施工M. 成都:西南交大出版社2004. 7 王勖成，邵敏.有限单元法基本原理和数值方法M.北京：清华大学出版 社，19978 黄华林.隧道锚杆及衬砌支护质量检测技术研究D.中南大学, 2006.9 陈建勋.隧道混凝土衬砌质量检测方法J.长安大学学报(自然科学版) 2002, 22 (3)10 徐干成，白洪才，郑颖人，刘朝.地下工程支护结构M.北京:中国水利水电出版社，2001.11 Zienkiewicz O C.The Finite Element MethodM. New York：McGraw-Hill，1977.12 Laabmayr F，Swoboda G. Zusammenhang zwisch