毕业设计（论文）-高速公路分离式隧道衬砌结构设计.doc

石家庄铁道大学四方学院毕业设计第1章 绪论1.1 引言我国国民经济的迅速发展，公路建的规模日益扩大，由此带动并促进了公路隧道建设的发展。分离式隧道是目前修建高速公路隧道的形式，在地质条件基本许可、线路较短、土地使用昂贵、路线分离困难时，多采用分离式隧道。分离式隧道受力结构复杂，设计要求高，施工难度大，且对施工工艺方法与程序有严格要求。尤其在复杂地层，结构分析不合理或施工方法与工艺不当将造成严重的隧道地质灾害现象。所以结合具体工程项目对高速公路隧道进行结构分析，从各种复杂条件下找出具有一定应用范围的施工工艺方法并控制、指导以及优化。分离式隧道的施工将显得十分重要。分离式隧道弥补双连拱隧道之不足同时吸取双洞隧道完全分离布置的优势是在工程实践中产生的一种结构其施工性质属于近接施工既体现了完全分离双洞的特点又体现了双连拱隧道共享单个“中夹壁”的特点考虑到隧道断面形状尺寸双隧道施工的方式方法以及分步开挖扰动的相互影响尤其是对中夹壁稳定性影响等的诸多因素分离式隧道的净间距取值应比同等条件下的连拱隧道净间距大。分离式隧道质量相对容易控制，工程成本大幅度降低。由于受隧址区地形 、 地质条件 、 建筑物 、 公路车道数 、 路线总体走向 , 洞内外两端接线 、 大型构造物等诸多因素制约 ,以及隧道施工技术水平的提高 ,新技术 、 新材料 、 新工艺的采用 , 使人们的设计思路更加开阔 ,突破传统规范的某些条款进行设计与施工的隧道工程在不断增加 ,并取得了成功 ,这就为分离式隧道的应用及发展奠定了良好的基础 。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状目前，我国分离式隧道修筑技术已有长足的发展，对围岩动态量测反馈分析技术，组合式通风技术，运营交通简易监控技术，新型防水、排水、堵水技术，围岩稳定技术，支护及衬砌结构技术等都有许多成功实例，其中大部分成果已处于国内领先水平，还有一些成果已达到国际先进水平。 随着技术的不断发展和运营的需要，公路隧道趋势是越修越长、越修越宽，技术越来越难、越复杂。公路隧道的修建涉及到结构、防排水、岩土、地质、地下水、空气动力、光学、消防、交通工程、自动控制、环境保护、工程机构等多种学科，是综合复合技术，需要多学科进行联合研究、进行攻关。我国是个多山国家，75左右国土都是山地或重丘，且江河纵横，海域宽阔。近十年来，公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸，山岭公路隧道以年均350公里的速度增长，28座水下公路隧道也已建成通车；同时，在城市建设中，以节约土地和保护环境为宗旨，城市道路隧道方兴未艾，地下互通立交也应运而生。总体上，公路隧道的建设已进入快速发展时期，其建设成就表现为基础理论日趋成熟，研究手段日益全面，勘测设计技术日益先进，建设规模日益宏大，结构型式日趋丰富，施工技术迈进机械化，材料日益先进，装备渐趋完备等。早期公路隧道普遍采用分离式的结构型式。但因种种条件限制，很多情况下隧道左右线间距往往不能满足建设需求，因此出现了分离式和小净距式的隧道结构型式。此外，伴随着桥隧相连和实现地下互通等特殊条件或功能的技术要求的出现，分离式隧道结构型式、桥隧混合结构型式、地下立交结构型式的工程实践也日益增多。相对连拱隧道而言，分离式隧道因其工程风险较小、造价相对较低等优点，也逐步得到了广泛应用。2004年建成通车的京福高速公路福州段分离式隧道群，将连拱隧道变更为分离式隧道，是国内首次大规模推广分离式距隧道的建设工程。随着社会生产的发展，我国的公路建设取得了很大的发展，公路建设已经成为我国经济发展的一个重要支撑点。它要求路线顺直、平缓、路面宽敞，于是在穿越山区时，也常采用隧道方案。中国已成为名副其实的隧道大国，在以往的工程实践中，积累了丰富的隧道建设经验，但在工程质量和技术水平上，仍与世界先进水平存在差距，我们要在未来的工程实践中，不断探索，开拓创新，积极学习、吸取国外隧道建设的先进技术。同时不断创新，不断改革，不断完善自己的理论和实践经验，达到和超越世界的先进水平。随着我国经济的持续发展，综合国力不断增强，高新技术不断发展。同时隧道的发展也是我国国民经济发展、国家西部大开发战略、发展通海战略的迫切需要。交通设施、水电供应越来越成为制约一个地区经济发展的瓶颈所在。随着我国高速公路干线网的不断完善，特别是向我国西部多山区的不断延伸，海南岛与陆地的跨海延伸以及辽东半岛、胶东半岛之间的跨海连接，崇明岛与上海之间等长江沿线的地下连接等都需要巨大的隧道工程来支撑，随着西部的开发，我国分离式隧道的单体长度及数量记录将不断被刷新。进入21世纪10年来，我国公路网交通逐渐向崇山峻岭穿越，向离岸深水延伸，截止2010年底，全国公路隧道为7384处、5122600m，其中，特长隧道265处、1138000m，长隧道1218处、2020800m。秦岭终南山隧道、上海崇明隧桥、厦门翔安海底隧道等重大工程相继建成。1.2.2 国外工程实例在国外已经修建的分离式隧道具有广泛的应用具有代表性的有 : 挪威的奥斯陆地下体育馆 ,跨度 25 m 的主馆间净距为 12 m ;奥斯陆地下公路隧道为两并行隧道 ,跨度分别为 12 m 和 15 1 5 m ,隧道净距为 8 1 020 1 0 m ,其中一个隧道有小侧室 高1 1 52 1 0 m , 局部地段两隧道在有小侧室的一侧可近至 7 m 左右 。日本铁道技术协会认为平行隧道的中心距约为开挖宽度的 2 倍 (地层看作完全弹性体) ,而在粘土等地层中 ,则为开挖宽度的 5 倍 ,并且规定平行隧道的中心间距为 30 m ;Hi ro s hi 硬岩中小净距的断面形式 、施工措施和爆破控制进行了研究 ; 日本道路公团对在建中的第二名神古屋高速公路等重要干线高速公路 ,及中心城区周边公路中出现的大量分离式隧道 ,进行了大规模的技术研究 ; 德国的渡鸿地铁隧道 ,施工中借鉴了三维数值仿真结果 ,使净间距仅 1 1 2 m 的地铁隧道建造成功 。在国内已经修建的分离式铁路隧道有 : 成昆铁路关村坝车站隧道 、 石太铁路复线的东塔寺 2 号隧道、 东塔寺 3 号隧道 、 何坡村隧道、 东武庄隧道 、 岩汇 1 号隧道和岩汇 3 号隧道、 京广线武胜关隧道、 宝兰线东岗镇隧道 、 株洲六枝铁路复线新棉花冲隧道。1.3 分离式隧道施工方法隧道施工方法选择主要依据工程地质和水文地质条件，并结合隧道断面尺寸、长度、衬砌类型、隧道的使用功能和施工技术水平等因素综合考虑研究确定。所选择的施工方法也应体现出技术先进、经济合理及安全适用。根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：矿山法和掘进机法，款山法又分为新奥法和传统矿山法。新奥法施工的基本原则可以归纳为“少扰动、早支护、勤量测、紧封闭”。少扰动，是指在进行隧道开挖时，要尽量减少对围岩的扰动次数、强度、范围和持续时间。故要求能用机械开挖的就不用钻爆法开挖；采用钻爆法开挖时，要严格地进行控制爆破；尽量采用大断面开挖；根据围岩类别、开挖方法、支护条件选择合理的循环掘进进尺；自稳性差的围岩，循环掘进进尺应短一些；支护要尽量紧跟开挖面，缩短围岩应力松弛时间。早支护，是指开挖后及时施作初期锚喷支护，使围岩的变形进入受控制状态。这样做一方面是为了使围岩不致因变形过度而产生坍塌失稳；另一方面是使围岩变形适度发展，以充分发挥围岩的自承能力。必要时可采取超前预支护措施。勤量测，是指以直观、可靠的量测方法和量测数据来准确评价围岩(或围岩加支护)的稳定状态，或判断其动态发展趋势，以便及时调整支护形式、开挖方法，确保施工安全和顺利进行。量测是现代隧道及地下工程理论的重要标志之一，也是掌握围岩动态变化过程的手段和进行工程设计、施工的依据。紧封闭，一方面是指采取喷射混凝土等防护措施，避免围岩因长时间暴露而导致强度和稳定性的衰减，尤其是对易风化的软弱围岩。另一方面是指要适时对围岩施作封闭形支护，这样做不仅可以及时阻止围岩变形，而且可以使支护和围岩能进入良好的共同工作状态。隧道开挖方法实际上是指开挖成形方法。按开挖隧道的横断面分部情形来分，开挖方法可分为全断面开挖法、台阶开挖法、分部开挖法等，全断面开挖法就是按照设计轮廓一次爆破成形，然后支护再修建衬砌的施工方法。适用条件：IIV级围岩，在用于级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到初期支护前这段时间内，保持其自身稳定的条件；有钻孔台车或自制作业台架及高效率装运机械设备；隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于lkm，否则采用大型机械化施工时其经济性较差；采用全断面一次开挖法，必须注意机械设备的配套，以充分发挥机械设备的效率。全断面法施工特点：开挖断面与作业空间大、干扰小；有条件充分使用机械，减少人力；工序少，便于施工组织与施工管理，改善劳动条件；开挖一次成形，对围岩扰动少，有利于围岩稳定。采用全断面法应注意的问题：摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率； 加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气。全断面施工见图1-1。图1-1 全断面法台阶法台阶长度不同，划分为长台阶法、短台阶法和微台阶法三种各台阶类型见图1-2。施工中采用哪一种台阶法，要根据两个条件来决定，第一是对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短，第二是对上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备需要施工场地大小的要求。对软弱围岩，主要考虑前者，以确保施工安全；对坚硬围岩，主要考虑如何更好地发挥机械设备的效率，保证施工12L12(11.5)L(b)短台阶法(a)长台阶法125L12L图1-2 台阶法类型1235m(c)微台阶法12L中的经济效益，因此只考虑后一条件。长台阶法这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下都可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，即为半断面法。短台阶法适用于和V级围岩，台阶长度定为12倍开挖宽度，主要是考虑既要实现分台阶开挖，又要实现支护及早封闭。上台阶一般采用少药量的松动爆破，出渣采用人工或小型机械转运至下台阶。因此台阶长度又不宜过长，如果超过15m，则出渣所需的时间显得过长。短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。缺点是上部出渣对下部断面施工干扰较大，不能全部平行作业。采用短台阶法时应注意的问题：初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30d内完成； 初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合 ；要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。微台阶法是全断面开挖的一种变异形式，适用于VVI级围岩，一般为35m的台阶长度，台阶长度小于3m时，无法正常进行钻眼和拱部的喷锚支护作业，台阶长度大于5m时，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大的难度，必须采用人工翻渣。微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。分部开挖法包括环形开挖预留核心土法、双侧壁导坑法、中洞法、中隔壁法等。1.4 本隧道常见施工问题钢拱架常见问题有：拱脚悬空钢拱架连接不牢；钢拱架扭曲翘曲不在一个平面；钢拱架间距不均匀，拱架不紧贴围岩，背后存在空洞掺填杂物正确施工方法有钢拱架脚部要坐落在基岩上，或用锁脚锚杆稳固，钢支撑与围岩尽量密贴结成一体，再用喷射混凝土填充支撑和围岩之间，避免留下空隙。锚杆支护常见问题有：锚杆中没有注入水泥浆，锚杆没有砂浆包裹，中空锚杆外露端过长锚固深度不够正确施工方法有锚杆中必须注满水泥浆，锚杆施工完成后，砂浆必须全部包裹锚杆，中空锚杆外露端不宜过长要保证锚固深度二次衬砌常见问题及正确施工方法二次衬砌施工常见问题有：二次衬砌拱顶混凝土没有填满，导致衬砌厚度不够钢筋外露；二次衬砌边墙脚厚度不足，纵向排水管侵占了二次衬砌的位置正确施工方法有二衬拱顶混凝土必须填满，若有脱空现象，要采取注浆方法处理，同时要严格控制边墙处的开挖质量，避免欠挖以保证二衬边墙墙脚厚度仰拱施工常见问题及正确施工方法仰拱施工常见问题有：仰拱座不规整，仰拱振捣不密实，仰拱不成形，仰拱浇成平底，仰拱混凝土浇筑不密实正确施工方法有仰拱座必须规整，成形且混凝土振捣密实止水带施工常见问题及1.5 本设计的研究内容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.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、防水结构图等。第2章 工程概况2.1 隧道总体概况张涿高速公路张家口段谢家堡号隧道起点位于涿鹿县谢家堡村西北，为分离式单辐短隧道，隧道洞口远离公路，交通条件困难，为考虑安全通过洞口段，快速经济的洞身段，需要根据不同位置地质情况合理选择施工方法。为此，结合谢家堡号隧道分离式隧道的设计施工，详细介绍其结构选型、衬砌结构设计检算，研究分离式隧道快速施工的技术措施、支护技术、不良地质处理技术。 本隧道概况见表2-1。表2-1 谢家堡号隧道概况表进口端出口端隧道长度(m)桩号高程(m)纵坡桩号高程(m)纵坡539K68+30641.214%K68+84522.252%2.2 区域地质概况根据工程地质测绘及钻探揭露，隧道区地层燕山期岩体（53），在揭示范围内地层岩性为中粗粒二长花岗岩（53），下伏于第四系冲洪积土层之下，本次钻探揭露最大厚度35.0m（未揭穿）。隧道所在区属于华北地震区，太行山前属华北平原地震带，根据河北省工程地震勘察院所提交的，隧道区所在区域的地震动峰值加速度值为0.15g（相对应的地震基本烈度度）。总体上来说，该区域是一个地壳运动相对稳定地区。该区的地下水主要为基岩裂隙水，岩体含水量少，属于贫水区。地表水水化学类型为HCO3-Ca水，矿化度值为0.312g/l，为淡水；属于弱碱性水，PH值=7.65，硬度267.2mg/l，属极硬水，水质良好，对混凝土和混凝土结构中钢筋无腐蚀性，可用作施工用水，但水量较小。隧道区总体地形略有起伏，未见滑坡，隧道进出口开挖时易发生崩塌等不良地质现象。该区域地处暖温带半湿润大陆性季风气候，年平均降雨量408.7mm，7月平均最高气温22.0，1月平均最低气温-11.0，季节性冻土深度为0.96m。隧道区属重山区，地形较复杂，洞口处为岩石地貌，沟壑发育。山体总体呈西北东南走向。最高海拔1065.6m，最低海拔908.2m，相对高差157.4m。2.3 工程地质概况隧址场地稳定性评价隧址区未见断层，也没有发生过强震，未发现区域性构造或大的断层，只是岩脉发育，已将裂隙充填，历史上也没发生大地震，表明场地具有较好的区域稳定性。围岩分级按围岩基本质量指标BQ划分围岩表，得出强风化二长花岗岩为V级，中风化为级；另外隧道出入口处有部分薄层全风化覆盖层，类别为V级。对应隧道具体地段及围岩特征列见表2-2：表2-2 围岩级别与围岩特征表 级别BQ定性特征V250坡角处及坡面堆积碎石土及破碎岩体，强风化二长花岗岩，发育4组裂隙，体积隙率Jv=19条m， Kv=0.45，BQ=238.5，BQ=203.5， Rc=12MPa251350中风化二长花岗岩，为较坚硬岩，发育4组裂隙，体积隙率Jv=19条m， Kv=0.6，BQ=324，BQ=294， Rc=28MPa有害气体及放射性评价隧道通过段是二长花岗岩体，不含有害气体的矿产，不会产生有毒气体和瓦斯逸出或爆炸的危险。隧道进、出口位置稳定性评价进洞口边坡稳定性分析隧道进洞口设于山体斜坡，自然斜坡东北倾，坡度3040。全风化层覆盖，基岩风化较严重，边坡整体稳定性较差，建议开挖时采取必要的支护手段，根据地质测绘资料，在洞口附近无断层，也无滑坡，但开挖时可能会发生崩塌等不良地质现象。隧道出洞口边坡稳定性分析隧道出口洞门位于山体斜坡，自然斜坡南倾，坡角2530，全风化层覆盖，基岩风化较严重，边坡整体稳定性较差，建议开挖时采取必要的支护手段，以保证安全。谢家堡号涿州端分离式隧道围岩情况见表2-3。表2-3 谢家堡2号涿州端分离式隧道围岩情况起讫里程埋深情况围岩级别长度(m)埋深(m)K68+306K68+400深埋V948.68h65.56K68+400K68+500深埋10057.25h90.04K68+500K68+590深埋V9023.9h58.17K68+590K68+770深埋18028.92h81.44K68+770K68+845深埋V752.51h58.92第3章 分离式隧道衬砌结构设计与检算分离式隧道设计关键技术如同其他类型的隧道一样，根据公路等级要求，确定行车道间距，拟定断面尺寸，确定其净孔轮廓尺寸后，再根据地质条件，选用适宜的衬砌结构，进行受力分析。3.1工况选择张涿高速公路张家口段谢家堡号隧道起点位于涿鹿县谢家堡村西北。谢家堡号隧道起终点桩号为K68+306K68+845，全长539m。设计采用上、下行独立双洞四车道分离式隧道，本隧道为右幅单洞隧道。本隧道模拟的是级围岩深埋地段，模拟的长度为45m，采用短台阶开挖法，每一循环进尺均为1m，台阶长度10m；初期支护采用锚喷支护形式，开挖后及时在围岩初喷25cm厚混凝土混凝土强度采用C25，封闭岩面，然后施作施作4m25mm中空注浆锚杆环向间距0.8m，纵向间距0.8m中空注浆锚杆，并按设计间距架设钢拱架支撑，围岩深埋段架设工18格栅钢架，榀距0.75m；钢拱架安装完毕后在岩面挂设8钢筋网，网格间距为20cm20cm，钢筋网与锚杆端部绑扎，复喷混凝土至设计厚度；待喷射混凝土达到规定养护时间后进行防排水管道铺设以及防水板安装；最后进行二次衬砌，二次衬砌采用长C30防水混凝土喷射厚度为45cm并配置420钢筋。3.2 隧道结构设计3.2.1 设计依据(1)公路等级：双向四车道高速公路。(2)公路设计荷载等级：公路-I级。(3)设计行车速度：80km/h。(4)公路隧道设计规范(JTG D70-2004)。3.2.2 建筑界限及衬砌结构根据公路隧道设计规范(JTG D70-2004)设计隧道隧道内轮廓尺寸见图3-1。图3-1 隧道内轮廓尺寸隧道结构设计以新奥法原理为指导，各类衬砌均采用复合式衬砌。IV、V级围岩初期支护为主要承载结构，且二次衬砌与之共同承载。该隧道以25mm中空注浆锚杆、喷射混凝土作为初期支护，以钢筋混凝土作为二次衬砌，初期支护与二次衬砌间设置复合防水层。3.3 FLAC3D基本原理介绍本文采用数值分析方法中的快速拉格朗日差分法 FLAC 3D进行分析研究。拉格朗日法来源于流体力学，用于研究某一流体质点在任一时间内的运动轨迹、速度、压力等特性。在固体力学中采用拉格朗日法，它通过把所研究区域划分网格，结点相当于流体质点，单元通过结点连接。在微小时间内，结点荷载只与相邻结点有关。根据运动定律可求得该结点的速度，通过高斯公式由速度求得单元的应变率，再根据单元的本构关系，求得单元应力，最后计算整个体系单元之间的不平衡力，并把不平衡力又分配到结点上，进行下一步计算。如此循环，直到整个体系的不平衡力足够小为止。拉格朗日法以有限差分为基础，利用差分格式按时步积分求解，它能不断更新坐标，介质可以有大的变形出现。拉格朗日法是一种显式计算方法，而通常的有限元法和边界元法是一种隐式计算方法、显式差分法求解时未知数集中在方程的一边，无需形成刚度矩因而占用内存少，便于微机求解较大的工程问题。FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of eontinua in 3Dimensions)是由美国 Itasea Consulting Group Inc开发的基于拉格朗日法的三维显式有限差分法程序，它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为，允许材料出现屈服、塑性流动及大变形。FLAC3D有弹性、Mohr-C0ulomb理想弹塑性、应变软化、片节理、修正剑桥模型等多种本构模型和shell、pile、 eable、geogrid、liner等多个结构单元。它在施工过程动态模拟、土体与结构相互作用研究方面有很大优势，适合于边坡、隧道、地下采场、基坑、地基等岩土工程问题分析。FLAC3D自带FISH语言，可以针对自己的特殊需要进行二次开发，如编写本构模型、结构单元修正和计算数据的导入导出等。FLAC3D软件被公认为是岩土力学中进行数值模拟的最有效的方法之一。本设计首先划分单元网格，并按照一定的规律对单元和结点编号之后选定直角坐标系，按程序要求填写和输入有关信息。使用已经编好的程序在FLAC3D计算。计算程序中对输入的各种信息进行加工、运算。对计算成果进行整理、分析，用表格或图线示出所需的位移及应力3.4 计算模型和计算参数为减少边界约束效应，计算范围为沿Z轴45m，定开挖轴线方向为Z轴正向。隧道掘进横断面向右方向为X 轴正向，整个计算模型在X、Y、Z三个方向尺寸为90m56m45m，模型上边界均施加法向约束。围岩及初期支护均采用六面体单元来模拟。三维计算模型见图3-2所示。隧道结构的埋深为35m宽12.9m。图3-2 三维数值计算模围岩视为摩尔-库仑理想弹塑性材料，支护结构视为弹性材料。围岩及初支的物理力学参数根据地质资料及现行铁路隧道设计规范确定，其物理力学指标见表3-1所示；支护物理力学指标见表3-2。表3-1 围岩各层物理力学性能指标围岩级别容重/kNm-3变形模量/GPa泊松比粘聚力/MPa内摩擦角/剪胀角/V201.50.40.7458表3-2 隧道初期支护物理力学性能指标材料类型容重/kNm-3弹性模量/GPa泊松比初期支护25310.2钢架、钢筋网7852100.313.5 隧道模拟结果及分析隧道开挖完成后，隧道结构各方向的位移见图3-3图3-4图3-5。长度方向（X轴负方向）变形位移最大为1.07mm，宽度方向（Y轴负方向）变形位移最大为1.9 mm，竖向隆起（Z轴负方向）最大发生在，值为0.12mm。图3-3结构X方向位移图3-4 结构Y方向位移图3-5 结构Z方向位移隧道最小主应力以压力为主，最大值为3.16MPa，最大主应力也以压应力为主，最大值为0.72MPa，见图3-6图3-7。图3-6 隧道最小主应力（Pa）图3-7 隧道最大主应力（Pa）衬砌最小主应力以压力为主，最大值为3.16MPa，最大主应力也以压应力为主，最大值为0.13MPa，见图3-8图3-9。图3-8 衬砌最小主应力（Pa）图3-9 衬砌最大主应力（Pa）3.6 小结隧道围岩变形主要发生在上台阶施工时，隧道上台阶的施工围岩变形约占围岩总变形量的87%以上，隧道上台阶施工引起的围岩变形是决定隧道稳定的关键因素，在施工过程中，务必加强上台阶的支护措施。锚喷支护时隧道的围岩压力、应变和位移比较表明，锚喷支护能否达到预期效果，不但取决于支护参数及型式是否合理，而且还与施工方法直接相关。从初期支护的实际变形及开裂情况来看，局部出现的裂缝多为纵向裂缝，且大多分布于拱顶至拱腰部位，这与数值计算结果基本一致。现场监测数据也表明:初期支护受力和围岩的变形受垂直应力控制，且量值不大，隧道施工结束后，最大围岩应力主要分布于上台阶的两拱脚处，基本处于对称分布，施工中需要加强隧道边墙脚的支护措施。第4章 分离式隧道施工方案分离式隧道施工，对于不同级别的围岩，所选用的施工方法也不同。对不同级别的围岩的施工方法进行简单的介绍，并根据围岩的级别是否做超前支护。IV、V级围岩做超前支护对于IV、V级围岩而言，在施工过程中，应做到“管注浆超前、弱爆破、短进尺、少扰动、早喷锚、勤量测、早成环、二次衬砌紧跟”。根据洞口段的地质情况(隧道洞口处围岩类别为V级，跨度5m以上时，此类围岩一般无自稳能力，开挖时应进行相应的超前支护处理。洞口采用加强衬砌，采用大管棚超前预支护作为辅助施工措施，喷锚、挂网和工字钢架作为初期支护，以确保洞口段稳固安全。鉴于中导洞施工时可揭露隧道地质情况，洞口段二次衬砌拱墙及仰拱模筑混凝土应紧跟开挖进行。明洞按设计采用明挖作业，开挖后立即施作仰拱、二衬。隧道掘进拟采用自制台车和气腿式凿岩机钻孔，上、下、左右交错实施钻孔爆破。4.1 总体施工方案根据张涿高速公路张家口段谢家堡号隧道的地质情况，确定该隧道的总体施工方案：（洞口段工程地质条件比较差，覆土厚度比较薄，容易造成塌方，因此要超前支护，管棚）。施工方法的选择见表4-1：表4-1 施工方法选择 施工方法施工特点适用围岩长台阶法一般在围岩条件相对较好、工期不受控制、无大型机械化作业时选用。适用级围岩短台阶法台阶长度定为1015m。可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩变形。适用于级围岩微台阶法上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。适用级围岩谢家堡号分离式隧道为、围岩，全为深埋。短台阶法这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于11.5倍洞跨。上下断面采用平行作业。短台阶法的作业顺序和长台阶相同。由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，类围岩都能采用，尤其适用于、类围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。所以本隧道选择短台阶法施工4.2 洞口施工洞口段的施工是隧道施工的开始，洞口就像咽喉，洞口段的安全可靠是隧道施工成败的关键。张涿高速公路张家口段谢家堡号隧道进洞口设于山体斜坡，自然斜坡东北倾，坡度3040。全风化层覆盖，基岩风化较严重，边坡整体稳定性较差，建议开挖时采取必要的支护手段，根据地质测绘资料，在洞口附近无断层，也无滑坡，但开挖时可能会发生崩塌等不良地质现象。结合软弱围岩松动早，来压块，容易形成大塌方的特点，隧道进、出口进洞均采用89壁厚：5mm长：30m间距：40cm的大管棚进行注压浆对洞口的超前加强支护，角度为2；管棚采用无缝钢管加工成花管，以便注浆加固岩体，前端加工成锥形，以便送入或打入，并防止浆液前冲，梅花布设溢浆孔孔径8mm；锚杆采用的中空注浆锚杆，锚杆长4m（径向）或5m（内侧水平），环向间距为1m，采用风钻钻孔，钻孔直径为40mm。成孔后用高压风清孔，人工送入，用速凝砂浆封口，注浆压力保证在0.51.0mpa，扩散半径最大，对围岩加固的效果最佳，对裂隙较发育的不良地质V级围岩有很好的改善效果，抗拔力符合设计要求，洞内采用50壁厚：4mm长5m间距40cm的小导管进行压注浆超前支护。角度为6。在超前支护下，洞口深埋地段采用台阶分部法施工，并紧跟初期支护，尽快安排二次衬砌以封闭成环，稳定围岩。为了确保安全进洞，在仰坡上方地表进行了注浆，固结破碎岩土体，此外为稳定洞口仰坡正面岩土体，洞口处做厚1.0m，长3m的C30砼护拱，护拱由4榀I20a工字钢架作骨架，纵向设22连接钢筋，环向间距30cm。4.3 洞身施工洞身根据不同的围岩级别，分别采用不同的开挖方案，本隧道所使用的开挖方法在绪论部分已经作了初步论述，下面对主洞开挖方法作进一步阐述。对施工顺序做进一步介绍、级围岩深埋段围岩破碎带均采用台阶法开挖。主要施工顺序为：开挖上台阶施作上部初期支护监控量测开挖下台阶施作下部初期支护开挖仰拱施作仰拱初期支护仰拱混凝土浇筑仰拱填充混凝土施工监控量测评估矮边墙施工施作二次衬砌台阶法是先开挖上半断面待开挖至一定长度后同时开挖下半断面上、下半断面同时并进 的施工方法按台阶长短有长台阶、短台阶和超短台阶三种。近年由于大断面隧道的设计又有三台阶临时仰拱法甚至多台阶法。至于施工中究竟应采用何种台阶法要根据以下两个条件来决定。初期支护形成闭合断面的时间要求围岩越差闭合时间要求越短。上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。 在软弱围岩中应以前一条为主兼顾后者确保施工安全。在围岩条件较好时主要是考虑如何更好的发挥机械效率保证施工的经济性故只要考虑后一条件。 台阶开挖法的优缺点台阶开挖法可以有足够的工作空间和相当的施工速度。但上、下部作业有干扰台阶开挖虽增加对围岩的扰动次数但台阶有利于开挖面的稳定。尤其是上部开挖支护后下部作业就较为安全但应注意下部作业时对上部稳定性的影响。台阶开挖时应注意以下几点解决好上、下半断面作业的相互干扰问题。微台阶基本上是合为个工作面进行同步掘进长台阶基本上拉开干扰较小而短台阶干扰就较大要注意作业组织。对于长度较短的隧道可将上半断面贯通后再进行下半断面施工。 下部开挖时应注意上部的稳定。若围岩稳定性较好则可以分段顺序开挖若围岩稳定性较差则应缩短下部掘进循环进尺若稳定性更差则可以左右错开或先拉中槽后挖边帮。 下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土并按规定做初期支护。量测工作必须及时以观察拱顶拱脚和边墙中部位移值当发现速率增大立即进行仰拱封闭。各级围岩开挖参数见表4-2。表4-2 各级围岩段开挖围岩级别埋深开挖方法循环进尺（m）深埋短台阶法15m2深埋短台阶法10m1级深埋围岩段开挖见图4-1，每一循环进尺均为2m，台阶长度15m； IV级围岩深埋段洞身均采用短台阶法上下台阶均采用钻爆施工。施工开挖见下表：初期支护采用锚喷支护形式，开挖后及时在围岩初喷15cm厚混凝土采用C25混凝土，封闭岩面，然后施作3m25mm中空注浆锚杆环向间距1.0m，纵向间距1.0m，岩面挂设8钢筋网，钢筋网与锚杆端部绑扎，钢筋网网格间距为25cm25cm单层布置。复喷混凝土至设计厚度；待喷射混凝土达到规定养护时间后进行防排水管道铺设以及防水板安装；最后进行二次衬砌，二次衬砌采用长C30防水混凝土喷射厚度为35cm并配置420钢筋。12图4-1 级深埋围岩短台阶开挖。级深埋围岩段开挖，见图4-2每一循环进尺均为1m，台阶长度10m；级围岩深埋段洞身均采用短台阶法施工钻爆施工。图4-2 级深埋围岩开挖21初期支护采用锚喷支护形式，开挖后及时在围岩初喷25cm厚混凝土混凝土强度采用C25，封闭岩面，然后施作施作4m25mm中空注浆锚杆环向间距0.8m，纵向间距0.8m中空注浆锚杆，并按设计间距架设钢拱架支撑，围岩深埋段架设工18格栅钢架，榀距0.75m；钢拱架安装完毕后在岩面挂设8钢筋网，网格间距为20cm20cm，钢筋网与锚杆端部绑扎，复喷混凝土至设计厚度；待喷射混凝土达到规定养护时间后进行防排水管道铺设以及防水板安装；最后进行二次衬砌，二次衬砌采用长C30防水混凝土喷射厚度为45cm并配置420钢筋。4.4 分离式隧道爆破设计主洞掘进开挖，钻爆是不可缺少的作业内容，该隧道V、级围岩洞段采用钻爆法施工。施工对钻爆作业的基本要求可以概括为：应努力使开挖出的断面轮廓平整准确，减少超挖和欠挖，降低爆破振动，以维护围岩自承载力。为达到此目的，实施爆破作业时，应尽力采用线形微震爆破技术和光面爆破技术相结合方法进行作业。在作业过程中，根据围岩情况应及时修正爆破参数，以达到最佳爆破效果，形成整齐准确的开挖断面。为此，在开挖爆破设计中，应遵循以下几项原则。(1)钻爆作业设计应遵循的基本原则1.务必保护围岩原有特性，减少破坏和扰动。2.为了充分发挥围岩的承载作用，应容许围岩有控制的变形。3.合理决定支护结构的类型、支护结构参与工作的时间、底部封闭时间、一次掘进长度等。4.进行实地测量监控，及时提出可靠数量的量测信息，以指导施工和设计。5.建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计的一体化施工管理系统，以不断提高和完善施工技术。6.在选择支护手段时，应选择能大面积牢固与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段。(2)爆破参数的调整每次爆破作业完成后，应利用断面仪对开挖面进行检查记录，并结合监控量测的信息反馈及时调整爆破参数。采用台阶法，下半断面开挖实施钻爆作业时，应注意尽量避免或努力减少对上半断面和中墙等已完成工程造成的影响。下半断面开挖放炮松动后，可采用大型挖掘机、自卸运输车出渣。侧墙开挖时，应严格控制炮眼深度、眼数和装药数量，个别地段使用风镐逐层开挖，以避免拱脚处发生悬空，从而导致拱部过大的下沉。采用控制爆破技术实施隧道开挖，能最大限度地减弱爆破对岩体原有裂隙的破坏，基本保持了围岩体的完整性，确保施工安全，加快工程进度，降低施工成本。4.4.1 爆破参数选择(1)炮眼数目炮眼数目主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关。炮眼数目过少将造成大块增多，隧道壁面不平整，甚至会出现炸不开的情况；相反，炮眼数目过多将使钻眼工作量增大。因此，炮眼数目确定的基本原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能地减少炮眼数目。通常可根据各炮眼的平均分配炸药量的原则来计算，即：(4-1)式中， 炮眼数目，不包括未装药的空眼数； 单位耗药量，一般取 ；开挖断面面积(m2)；装药系数，即装药长度与炮眼全长的比值，见表表4-3选取；每米药卷的炸药质量(kg/m)。表4-3 装药系数值炮眼名称围岩类别IV、VIIIIII掏槽眼0.500.550.600.650.80辅助眼0.400.450.500.550.70周边眼0.400.450.550.600.75(2)炮眼深度炮眼深度是指底眼至工作面的垂直距离。合理的炮眼深度有助于提高掘进速度和炮眼利用率。随着凿岩、装渣和运输设备能力的提高，目前普遍存在加长炮眼深度以减少循环次数的趋势。周边眼与辅助眼的眼底应在同一垂直面上，掏槽眼应加深1020cm。所以各类炮眼的深度计算公式为：(4-2)式中， 每一循环进尺(m)；掏槽眼深度(m)；辅助眼深度(m)；周边眼深度(m)。(3)炮眼长度计算炮眼长度计算原理如图4-1所示，计算方法见式(4-3)和式(4-4)。(4-3)(4-4)式中， 掏槽眼长度(m)；辅助眼长度(m)；周边眼长度(m)；、 掏槽眼与开挖面的夹角()；、 同一平面上的两掏槽眼眼口的距离(m)；、 同一平面上的两掏槽眼眼底的距离(m)；周边眼眼底与眼口的水平偏差(m)，考虑到钻孔需要和周边眼外插超出轮廓线，取。b1b1L1L2L3bL1l111bb1L2L3b1L1L1l111BB图4-3 炮眼长度计算示意图(4)装药量计算装药量是影响爆破效果的重要因素。装药量采用单孔装药量公式来确定。即：(4-5)式中， 单个炮眼装药量(kg)。4.4.2 周边眼的控制爆破采用光面爆破技术进行爆破，在设计断面内的岩体爆破崩落后，才爆周边眼，开挖轮廓与尺寸准确、对围岩扰动小。光面爆破的参数包括：周边眼的间距，光爆层的厚度，周边眼密集系数和装药集中度，光面爆破一般参考值见表4-4。表4-4 光面爆破一般参考数值岩石类别炮眼间距E(cm)抵抗线 W(cm)密集系数K装药集中度(kg/m)硬 岩557060800.71.00.300.35中硬岩456560800.71.00.200.30软 岩355040600.50.80.070.124.4.3 洞身爆破设计IV、V级围岩段主洞均采用台阶法爆破，上台阶开挖高度取3.30m，开挖面积30.15m；下台阶高度为5.2m，开挖面积50.75 m。掏槽眼均采用垂直楔形掏槽。根据规范查得药卷直径32mm的2号岩石铵梯炸药=0.78kg/m。IV、V级围岩中单位耗药量取q=1.1kg/m。装药系数见表4-4并综合考虑各类炮眼的装药系数，IV、V级围岩选取。根据式(4-1)计算得出IV、V级，分别见表4-5表4-6。表4-5 计算炮眼数量围岩级别装药量系数上台阶下台阶总个数断面面积(m2)炮眼数断面面积(m2)炮眼数IV、V0.4330.158650.15120206表4-6 炮眼深度及长度围岩级别掏槽眼辅助眼周边眼与开挖断面角度()深度(m)长度(m)深度(m)长度(m)深度(m)长度(m)IV、V752.92.72.7IV、V级围岩地段爆破参数见表4-7。表4-7 IV、V级围岩主洞爆破参数表炮眼名称孔径(mm)孔数孔深(m)单孔装药量(kg)总装药量(kg)雷管段别上台阶掏槽眼4262.91.7110.261辅助眼42302.71.3339.93周边眼42502.71.3366.55小计4286116.66下台阶辅助眼42502.71.3366.57周边眼42702.71.3393.19小计42120159.64.4.4 爆破施工管理隧道光面爆破的效果好坏与施工管理和队伍素质有很大关系，爆破质量管理控制，主要从参数选择、测量布眼、钻眼装药、填塞连线和起爆等各个环节进行综合考虑。(1)测量布眼：1.先布置掏槽眼，最后布置辅助眼。掏槽眼一般应布置再开挖面中央偏下部位，为爆出平整的开挖面，除掏槽眼和底部炮眼处，所有炮眼底应落在同一平面上。通常掏槽眼与底部炮眼深度相同，比其他炮眼深1520cm。2.周边眼应严格按照设计位置布置。断面拐角处应布置炮眼。为满足机械钻眼要求和减少超欠挖，周边眼设计位置应考虑0.030.05的外插斜率，并应使前后两排炮眼的衔接台阶高度（即锯齿形的尺高）最小。此高度一般要求为10cm，最大不应超过15cm。3.辅助眼的布置主要是解决炮眼间距和最小抵抗线的问题，这可以由施工经验决定。一般抵抗线W约为炮眼间距的6080，并在整个断面上均匀排列。当采用2号岩石铵梯炸药时，W值一般取0.60.8m。4.当炮眼的深度超过2.5m时。靠近周边眼的内圈辅助眼与周边眼由相同的倾角。5.当岩层层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面。(2)钻眼要求：1.开眼时必须是钎头落在实岩上，如有浮矸，应处理好后再开眼。2.不允许在残眼内继续钻眼。3.开眼时给风阀门不要突然开大，待钻进一段后，再开大阀门。4.为避免断钎伤人，推进凿岩机不要用力过猛，更不要横向用力，凿岩时钻工应站稳，应随时提防突然断钎。5.一定要把胶皮风管与风钻接牢，并在使用过程中随时注意检查，以防脱落伤人。6.缺水或停水时应立即停止钻眼。7.工作面全部炮眼钻完后，要把凿岩机具清理好，并撤至规定的存放地点。(3)装药与填塞：1.装药前应检查顶板情况，撤出设备与机具，并切除照明以外一切设备的电源。照明灯及导线也应撤离工作面一定距离；装药人员应仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计要求，对设备装药的全部炮孔进行清理，清除炮孔内的残渣和积水。2.应严格按照设计的装药量进行装填。3.应使用木质或竹制炮棍装填炸药和填塞炮孔。4.不应投掷起爆药包和炸药，起爆药包装入后应采取有效措施，防止后续药卷直接冲击起爆药包。5.装药发生卡塞时，若在雷管和起爆药包放入前，可用非金属长杆处理。装入起爆药包后不应用任何工具冲击、挤压。6.在装药过程中，不应拔出或硬拉起爆药包中的导火索、导爆管和电雷管脚线。7.填塞必须保证足够的填塞长度和填塞质量，禁止无填塞爆破。(4)起爆：爆破网络必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间爆。爆破工程在起爆前后要发布三次信号，即预警信号、起爆信号和解除警戒信号。第一次预警信号：该信号发出后爆破警戒范围内开始清场工作。第二次起爆信号：起爆信号应在确认人员、设备等全部撤离爆破警戒区，所有警戒人员到位，具备安全起爆条件时发出。起爆信号发出后，准许负责起爆的人员起爆。第三次解除警戒信号：安全等待时间过去后，检查人员进入爆破警戒范围内检查、确认安全后，方可发出解除爆破警戒信号。在此之前，哨岗不得撤离，不允许非检查人员进入爆破警戒范围。(5)爆后检查及处理：隧道开挖工程爆破后，经通风吹散炮眼、检查确认隧道内空气合格、等待时间超过15min后，方可作业人员爆破作业地点。爆后的检查内容主要有：检查有无冒顶、盲炮、危岩，支撑是否破坏、炮烟是否排除等。爆后检查人员发现盲炮及其他险情时，应立即上报或处理。处理前应在现场设立危险标志，并采取相应的安全措施，无关人员不应接近。第