毕业设计（论文）-青岛市地铁3号线一期工程中山公园站2号风道设计.doc

山东科技大学学生毕业设计（论文）摘 要随着社会的发展，城市地铁不仅有高速、安全、靠、准时、方便、舒适等优点,更主要的是它少占用土地，不破坏地面景观，路线不必拐方抹角,能快速大量输送乘客,减少地面的交通拥挤。近些年来,它已成为现代化城市交通运输设施的重要组成部分。本设计课题为青岛地铁一号线3期工程2号风道支护设计，主要设计内容是洞门的稳定性验算，衬砌荷载的计算，支护参数的选择，二次衬砌的钢筋混凝土配筋计算，施工组织设计，监测方案的设计等。本设计重点在于新奥法施工研究，新奥法施工隧道的主要特点是：通过多种量测手段，对开挖后隧道围岩进行动态监测，并以此知道隧道支护结构的设计与施工。其核心目的是为了“保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力”。关键词：城市地铁；新奥法；位移法计算；衬砌支护；施工组织全套图纸加扣3012250582AbstractWith the development of society, not only the city subway fast, secure, reliable, punctual, convenience, comfort, etc., but the main thing is that it takes less land, does not destroy the landscape,Route dont party beating around the bush, can quickly a large number of conveying passengers, reduce traffic congestion on the ground. In recent years, it has become an important part of modern urban transportation facilities.This design project for 3 phase of Qingdao subway no. 2 air duct supporting design, the main design content is the stability checking of the burrows, lining load calculations, supporting parameters choice, the secondary lining of concrete and reinforcement calculation and construction organization design, monitoring scheme of the design, etc.This design focuses on NATM study NATM tunnel main features are: through a variety of measurement tools for rock excavation tunnel dynamic monitoring, and thus know tunnel supporting structure design and construction . Its core purpose is to protect the rock, mobilize and play rock self-supporting ability. Keywords: City subway; New Austrian Tunneling Method; displacement method; lining support; construction organization目录第一章 绪论11.1本课题的研究目的和意义11.2文献综述21.3研究的思路和方法41.4本课题的主要研究内容5第二章 工程概况82.1总体工程概况82.2自然地理概况82.3工程地质特征92.4水文地质特征122.5 不良地质及特殊岩土152.6工程地质条件评价152.7地层物理力学参数16第三章 隧道衬砌形式选择193.1隧道衬砌的材料193.2 隧道断面衬砌的类型213.3隧道断面衬砌基本尺寸拟定26第四章隧道衬砌荷载计算294.1围岩压力294.2荷载确定414.3衬砌断面尺寸的计算424.4单位位移、计算444.5 载位移、的计算494.6 弹性抗力位移的计算524.7 墙顶位移计算564.8 解力法方程584.9最大抗力值计算604.10拱部各截面的弯矩、轴力计算604.11拱部力截面强度验算624.12边墙内力和弹性抗力的计算644.13内力图68第五章 支护参数的确定695.1确定计算参数695.2计算隧道周边设计支护阻力与径向位移705.3计算初期支护能提供的总支护阻力和允许隧道洞壁产生的总径向位移735.4 初期支护总阻力和位移的校核76第六章 二次衬砌的配筋计算776.1最大正弯矩截面786.2最大负弯矩截面81第七章 施工组织设计857.1综合说明857.2施工组织机构及施工队伍安排91第八章 隧道监测方案设计1118.1工程概况1118.2编制依据1118.3监测目的1128.4监测项目1128.5监测作业1158.6监测管理1178.7环境保护1218.8其它121专题设计 地铁联络通道水平冻结法设计及施工组织123参考文献142附录一144附录二152第一章 绪论1.1本课题的研究目的和意义研究目的：隧道是修建在地下或水下并铺设铁路供机车动车辆通行的建筑物。根据其所在位置可分为山岭隧道、水下隧道和城市隧道三大类。中国城市地铁建设正处于起步阶段,将地铁交通建设成可持续发展的网络,促进社会和谐发展,进而促进我们国家整体的社会和经济的可持续发展,将是我们国家和政府所面临的重要课题。政府在解决人民群众基本需求,特别是交通需求方面的任务异常艰巨和繁重。公共交通需求急剧上升,修建地铁和轻轨已是各大城市基础建设的必要内容,是现代化大都市的标志,未来510年将是中国城市地铁大发展的黄金时期。十一五规划纲要提出:加快发展铁路运输。重点建设客运专线、城际轨道交通、煤运通道,初步形成快速客运和煤炭运输网络。这表明中国城市进入了地铁时代。理论意义：21世纪以来人类对地下空间的需求越来越多，因而对地下空间的实践和理论研究有了一个突飞猛进的发展。在该课题的研究中必须运用大量专业知识和相关的工程经验来解决工程中遇到的技术难题和不良地质段的施工难题，这些问题的解决可以为我们未来更多的城市隧道建设提供经验指导和一定的技术借鉴。在该课题的研究过程中我将阐述矿山法在隧道施工过程中的应用，施工中的重点难点以及解决的关键技术。重点在于炮孔的选择，支护方案的选择与支护参数的确定，衬砌结构断面优化与防排水方案，难点在于穿越不良地质段的施工措施和支护方案的确定，隧道周围围岩的注浆加固效果与注浆加固圈的厚度的关系等。在处理这些问题的过程中加深自己对大学四年所学的力学理论：弹性力学、结构力学、土力学、岩石力学的理解。通过自主设计，掌握现代化的计算工具和相关软件、数据处理手段和绘图方法，培养分析、解决问题的能力，结合工程实际，熟悉相关的国家规范和标准，提高自己的专业能力，为自己以后从事有关设计施工等工作提供一定的经验。实践意义：中山公园站暗挖车站的建成将是青岛地铁又一个成功的实践，为以后地铁的的施工和重要问题的解决提供了可参考的实际例子，为理论的发展提供了实践基础，推动了学科的丰富，促进了施工及其理论的进一步发展。1.2文献综述1863年1月10日，用明挖法施工的世界上第一条地铁在伦敦建成通车，列车用蒸汽机车牵引，线路全长约6.4km。1890年12月8日伦敦首次用盾构法施工，建成用电气机车牵引5.2km的另一条线路。从此，城市地铁进入轨道交通时代，因此可以说轨道交通的历史比汽车还悠久。1892年6月6日，芝加哥建成世界上第二条蒸汽驱动地铁，1895年5月6日建成世界第二条电气化地铁；1896年5月8日，布达佩斯建成世界第三条、欧洲大陆第一条电气化地铁，并由澳匈帝国皇帝佛朗西斯约瑟夫剪彩通车；1897年9月1日，波士顿建成世界上第四条电气化地铁；1898年5月9日维也纳也建成世界上蒸汽驱动地铁。1900年7月9日，巴黎建成世界第六、欧洲第二条电气化地铁；19O1年月1O日，纽约建成第七条蒸汽驱动地铁，该条铁路直到1904年10月27日才实现电气化。1902年2月18日柏林建成世界第八，欧洲大陆第三条电气化地铁。20世纪上半叶，东京、莫斯科等几座城市相继修建了地铁。截至1963年的一百年间，世界上建有地铁的城市共有26座。1964年到198O的17年中又有30座城市修建了地铁，到1985年世界大约共有60座城市正在有计划地建地铁，当时全世界地铁运营的里程总计3O00km。据1994年7月德国出版地铁世界一书统计资料，到 1990年世界有98个城市约530Okm轨道交通投入运营，另有29个城市，94条线约1000km在建。现在全世界约有120个城市建有地铁。近20年来增加的线路是1863年到1963年一百年建成地铁总长度的3倍。运营线路长度排名前十位的城市依次为:纽约、伦敦、巴黎、莫斯科、东京、芝加哥、墨西哥城、柏林、波士顿、圣彼得堡，线路总长23OOkm，占世界轨道交通的43%。1965年7月1日,中国第一条地铁北京地铁一期工程正式破土动工,但技术与社会背景使得中国地铁建设未能持续发展。改革开放之后直至20世纪90年代初。上海、广州地铁相继开工,全国l0多座城市要建地铁或轻轨,掀起了轨道交通建设的小高潮。但资金不足、建设标准盲目,造成地铁造价急剧上涨,被国务院暂停审批地铁的立项。从1998年开始,以抓建设标准、抓车辆和设备国产化为新的起点,以降低地铁造价为目标,以上海3号线和深圳1号线为依托项目,众多城市又重新申报,预计到2030年,包括已运营和新建的线路总长度可达800 km,而不同形式的轨道交通系统总长度约2 000 km。近l0年来,我国许多大城市都纷纷策划修建大、中运量的地铁或轻轨交通项目。已有20多个大城市在不断投人大量人力和物力,进行了不同程度的轨道交通项目建设前期工作和可行性研究。十五期间,国家投资8 000亿元用于城市交通轨道建设,建成总里程达到450 km,其中用于地铁建设的投资约2 000亿元。作为一种成功的隧道施工方法，新奥法施工已经被大多数隧道采用。新奥法是充分利用围岩的自承能力和开挖面的空间约束作用，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，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的量测、监控、指导地下工程的施工。该施工方法经过奥地利、瑞典、意大利等国的多个工程验证后，取得了良好的效果。实践证明并取得成功之后，在西欧、北欧、美国和日本等许多隧道及地下工程中获得了极为迅速的发展。20世纪的80年代我国隧道工程界兴起了运用新奥法的热潮，到目前使用这种新技术修建的各类隧道和地下工程可能有数千座之多，堪称世界之最。1.3研究的思路和方法隧道工程的支护问题，在研究思路与方法上要利用工程类比和理论计算相结合的，并且以手算为主，并结合计算机软件进行校核，最后对设计成果加以检验。在研究思路和方法上主要运用以下知识：1.支护方案的选择针对工程的实际情况，综合考虑围岩性质、支护设备和材料、工程造价以及场地的施工条件等各方面的信息，并且通过典型工程对比，选择合理的支护方案。2.围岩压力的计算通过所给的地质资料和围岩性质，运用合理的理论计算模型和规范对隧道的围岩压力进行计算。采用手算和计算机软件校核的方法，准确计算围岩压力。3.衬砌荷载的计算围岩压力采用荷载结构设计模式计算，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.支护参数的确定支护方案确定以后，必须合理选择支护参数。通过计算和典型工程类比选择合理的支护参数，不仅可以节省支护材料，实现经济施工原则，还可以使隧道断面更加合理，达到良好的支护效果。5.支护效果验算和数值模拟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。支护效果验算不仅是简单的对数据的核算，更是发现问题的很重要步骤。在该阶段，采用数值模拟手段进行验算，不仅可以检验理论解的正确性，而且可以进一步揭示衬砌与围岩之间的受力特性。1.4本课题的主要研究内容 我的研究课题“青岛市地铁一期工程（3号线）中山公园站2号风道支护设计”，是一个比较实际的工程的支护组织施工设计，该课题的主要研究内容分为以下几个方面：1. 工程概况及设计范围本工程为中山公园站车站工程，位于天泰体育场南侧，香港西路北段，车站范围内有荣成路、韶关路与香港路交汇，交通流量大，车站周围无高大建筑物。本站2号风道综合考虑建筑功能和暗挖车站施工因素，设计为双层暗挖风道。2. 控制爆破在钻爆法施工中的应用根据实际地质条件选择合理的控制爆破形式，防止对围岩和上部建筑造成破坏性的震动。控制爆破的基本原则是“短进尺、密布眼、少装药”，因此，选择合理的爆破参数，确定合理的掘进尺度是控制爆破震动的有效手段。3. 风道断面形式及几何尺寸的拟定在地质条件允许的情况下，提出几种可行的断面形式，通过对几种可选择的断面形式在适用性、经济性、安全性等方面的对比，选择风道标准断面，并且根据风道宽度和预留衬砌厚度，确定断面的几何尺寸。4. 隧道围岩压力以及衬砌荷载的计算对隧道而言，围岩压力及衬砌荷载的计算是隧道设计中非常重要的问题，因为它直接关系到隧道开挖后初次支护方案的选型、注浆加固圈的厚度，以及具体的支护参数的确定。5. 支护形式的对比和选型现阶段隧道的支护方案有许多种，目前常用的支护方式有钢拱架支护、锚杆支护、喷射混凝土支护、管棚支护、整体式混凝土支护、复合式支护等形式。6. 支护参数的确定根据计算确定合理的支护参数不仅可以大量节省工程费用，而且能达到良好的支护效果，使隧道在结构设计上更加合理。在该过程我决定采用手算和计算机软件校核相结合的方法确定最优化的支护参数来达到安全支护的目的。7. 施工监控量测及环境保护施工过程要对周围重要的建（构）筑物、地面沉降及结构自身的受力、变形进行跟踪监测，做到信息化施工，及时根据施工监测结果对施工步骤及支护参数进行调整，做到安全可靠，防患于未然。第二章 工程概况2.1总体工程概况 本工程为中山公园站车站工程，车站起点里程为K3+584.178（右线），终点里程为K3+760.878（右线），全长176.7m，本站埋置深度为1012m，围岩级别为级，采用单拱直墙暗挖断面，大拱脚拱盖法施工、钻爆法开挖，结构采用全包防水。车站位于八大关建筑群及天泰体育场附近，全长均为减震断面。本站设置两座风亭，三座出入口，均为暗挖结构，车站由风道向车站中心施工。本站2号风道综合考虑建筑功能和暗挖车站施工因素，设计为双层暗挖风道。风道风井深约25m，考虑到兼做施工竖井，井口开挖尺寸2.5m11.7m，风道开挖宽度9.7m，高13.5m，采用拱顶直墙断面，复合式衬砌结构。 2.2自然地理概况2.2.1地理位置及交通概况 中山公园站车站工程位于天泰体育场南侧，香港西路北段，车站范围内有荣成路、韶关路与香港路交汇，交通流量大，车站上方为北舰司操场，车站周围无高大建筑物，车站北侧临近青岛中山公园，有市政管线从香港西路下方通过。2.2.2地形地貌本场地地貌形态为剥蚀斜坡，地势较平坦，场地地面标高为14.4016.61m。2.2.3气候特征 市南区地处北温带季风区域，属温带季风气候；由于海洋环境的直接调节，受来自洋面上东南季风及海流、水团的影响，故又具有显著的海洋性气候特点。空气温润，雨量充沛，温度适中，四季分明。春季气温回升缓慢，较内陆迟1个月；夏季温热多雨，但无酷暑，冬季风大温低，但无严寒，持续时间较长。据2002年测定，最热的7月份，平均气温25.3，秋季天高气爽，降水少，蒸发强；最冷的12月份，平均气温零下1.9。年平均降雨量424.6毫米。2.2.4地震动参数 按照国家标准建筑抗震设根据国家标准建筑物抗震设计规范（GB50011-2001）2008版附录A，青岛市区抗震防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第二组。2.3工程地质特征根据青岛市建委推广的青岛市区第四系层序划分标准地层层序编号，依据野外钻探资料，本区共揭示了6个标准层，划分了13个亚层，地层有新到老、自上而下分述如下：2.3.1第四系（Q） 第四系（Q）主要有全新统人工填土（Q4ml）、全新统冲洪积层（Q4al+pl）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）组成，描述如下： （1）第四系全新统人工填土（Q4ml） 第层杂填土：杂色，松散，揭露层厚：0.502.50m，平均：1.48m。 第1层素填土：褐色、黄褐色，松散，厚度0.502.90m，平均厚度1.46m。 （2）第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl） 第层粉质粘土：黄褐色褐黄色，可塑硬塑状，厚度：1.504.10m，平均：2.79m。 第层含沙粘性土：黄褐色，硬塑状为主，厚度：0.404.60m，平均：2.19m。2.3.2基岩基岩主要为燕山晚期（53）侵入花岗岩为主，部分燕山晚期（53）侵入脉岩，岩性主要为花岗斑岩，呈脉状穿插其间，与不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩，描述如下： （1）燕山晚期花岗岩（53）按风化程度划分为强风化岩带、中风化岩带和微风化岩带，各带（亚带）的工程特征详细描述如下：第上层强风化花岗岩上亚带：浅肉红色黄褐色，结构构造已大部破坏，揭露厚度：1.402.70m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第中层强风化花岗岩中亚带：浅肉红色，结构构造已大部破坏，厚度为：2.209.80m，平均层厚5.73m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第下层强风化花岗岩下亚带：浅肉红肉红色，结构构造已破坏，层厚度为：1.007.20m，平均层厚3.68m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第层花岗岩中风化带：肉红色，粗粒结构，块状结构，节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，层厚度为：1.7014.0m，平均层厚6.20m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为级。第18层花岗岩微风化带：肉红色，粗粒结构，块状结构，节理不发育，岩芯较完整，坚硬，该层在场地内分布广泛，未揭穿，最大揭露厚度20.30m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级级。（2）燕山晚期侵入岩脉（53）第2层强风化带花岗斑岩：原岩风化强烈，结构构造大部分已破坏，揭露厚度为7.5m。盖层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第2层中风化带花岗斑岩：肉红色，斑状结构，块状构造，节理、裂隙较发育，层厚度为：1.005.50m，平均层厚3.22m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为较破碎，岩体基本质量等级为级。第2层：微风化带花岗斑岩：肉红色，斑状结构，块状构造，局部节理裂隙发育，以构造、风化裂隙为主，揭露层厚度为：0.8020.30m，平均层厚8.94m。该层岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体完整程度为较完整，岩体基本质量等级为级。（3）构造岩第4层砂土状碎裂岩：褐黄灰绿色，结构构造大部分已破坏，节理裂隙及发育，层厚度为：15.60m。该层岩石坚硬程度为极软岩，岩体完整程度为极破碎，岩体基本质量等级为级。第4层块状碎裂岩：褐黄色，原岩为花岗岩，节理裂隙发育，地层厚度为：8.1024.10m。该层岩石坚硬程度为软岩，岩体完整程度为破碎岩体基本质量等级为级。2.4水文地质特征2.4.1地表水 根据水文地质调查，在隧道洞身附近的沟谷里有泉水。2.4.2地下水（1）松散堆积层中的孔隙水 主要赋存于沟谷地段的第四系残坡积层中，受大气降水补给，水位及水量随季节变化较大，沿残坡积层中的孔隙与基岩面向下渗流及排泄。（2）基岩裂隙水 二迭系解放村组的板岩（P2j），裂隙较发育，岩石较完整，补给主要受大气降水补给，在落差较大的沟谷、陡坡处排泄于地表。（3）富水带 根据地质调查，隧道进口和出口及断裂破碎带（GDK343+040GDK343+540），为隧道洞身的主要富水带，地表有流水补给，且隧道埋深不大，应加强防排水。2.4.3隧道涌水量计算 根据现场调查，结合钻探资料及区域资料综合分析，预测隧道大部分板岩地段在枯水季节处于渗水状态，在丰水季节，地下水位升高，地表水量丰富，隧道涌水量可能增加。本座隧道计算涌水量采用大气降水入渗法，分别叙述如下（1）隧道洞身：洞身分三段计算，第一段里程为：GDK340+115GDK343+000，长度为2885m；第二段里程为GDK343+000GDK343+600,长度为600m，第三段里程为GDK343+600GDK346+428，长度为2828m。正常涌水量：依据公式：Q=2.74*W*A，式中降水入渗系数；W年降水量（mm），取值582.7mm；A隧道通过含水体地段的集水面积（km2）。第一段：=0.20；A=5.00，经计算正常涌水量值Q1=1598 m3/d。第二段：=0.25；A=3.00，经计算正常涌水量值Q2=1195m3/d。第三段：=0.20；A=5.00，经计算正常涌水量值Q3=1598m3/d。正常涌水量Q= Q1+ Q2+ Q3=4391 m3/d。最大涌水量：最大涌水量Q=*正常涌水量，式中=年最大降水量/年平均降水量，年最大降水量为1065.5mm，年平均降水量为582.7mm。=1.83；正常涌水量=4391 m3/d，经计算最大涌水量值Q=8035m3/d。（2）隧道斜井计算涌水量 正常涌水量依据公式：Q=2.74*W*A，式中降水入渗系数；W年降水量（mm），取值582.7mm；A隧道通过含水体地段的集水面积（km2）。1、斜井1号：=0.2；A=0.40，经计算正常涌水量值Q=128 m3/d。最大涌水量Q=*正常涌水量，式中，年最大降水量为1065.5mm，年平均降水量为582.7mm。=1.83；正常涌水量=128 m3/d，经计算最大涌水量值Q=234m3/d。2、斜井2号：=0.2；A=0.54，经计算正常涌水量值Q=173 m3/d。最大涌水量Q=*正常涌水量，式中，年最大降水量为1065.5mm年平均降水量为582.7mm。=1.83；正常涌水量=173 m3/d，经计算最大涌水量值Q=316m3/d。3、斜井3号：=0.2；A=0.70，经计算正常涌水量值Q=223 m3/d。最大涌水量Q=*正常涌水量，式中，年最大降水量为1065.5mm，年平均降水量为582.7mm。=1.83；正常涌水量=223 m3/d，经计算最大涌水量值Q=410m3/d。4、斜井4号：=0.2；A=0.50，经计算正常涌水量值Q=160 m3/d。最大涌水量Q=*正常涌水量，式中，年最大降水量为1065.5mm，年平均降水量为582.7mm。=1.83；正常涌水量=160m3/d，经计算最大涌水量值Q=293m3/d。2.4.4环境水土对混凝土的侵蚀性判定 根据附件工点（密江特大桥）取水样试验，按照水质分析结果，根据铁路混凝土结构耐久性设计暂行规定铁建设2005157号：地下水对混凝土不具侵蚀性。待本次勘察的所取水样试的验结果出来后，在做进一步分析2.5 不良地质及特殊岩土2.5.1不良地质及特殊岩性 未见不良地质现象。2.5.2特殊岩土本隧址区未发现特殊岩土。2.6工程地质条件评价本场地地貌形态为剥蚀斜坡，地势较平坦，场地地面标高为14.4016.61m。勘查场区地处青岛八大关景区内，香港西路与荣成路交汇处，车站沿香港西路分布西北侧为天泰体育场网球场，东北侧为军事用地，地面多为绿化带、道路，地面交通繁荣。本暗挖车站经过的岩层主要为强微风化岩花岗岩、花岗斑岩，部分地段经过青岛山派生断裂，断裂带内主要为砂土状碎裂岩4、块状碎裂岩4，其隧道围岩分级为级，其余段的强微风化隧道围岩分级为级。受砂土状碎裂岩、块状碎裂岩影响隧道围岩分级为级，强风化上、中亚带及强风化花岗斑岩隧道围岩分级为级，该层岩土开挖时，拱部无支护时可产生较大的坍塌，侧壁有时会失去稳定，因此，应采用复合衬砌，施工时应注意局部岩石软硬不均匀对施工的影响。本次场地地下水类型主要为基岩裂隙水，主要含水层为强、中风化岩带的基岩风化裂隙水。基坑涌水量376.62m3/d，属富水性较差地层。综合评价本场地范围水文地质条件属简单类型。综合评价本暗挖车站岩土工程条件属中等复杂类型，暗挖范围内的岩土工程条件中等。本车站施工时应重点注意隧道顶围岩级别为级和级地段，为眼角已坍塌，处理不当会出现大坍塌。本场地不存在可液化土层，可不考虑地震液化问题。 本场地为可进行建筑的一般场地。本场地属于场地基本稳定区，适合地铁站位建设。2.7地层物理力学参数表2.2中山公园站岩土参数建议值表岩土分层岩土名称时代与成因重度（KN/m3）快剪土体与锚固体极限摩阻力标准值岩石与锚固体粘结强度特征值岩层或土层基床系数K地基水平抗力系数的比例系数静止侧压力系数泊松比单轴极限抗压强度标准值土石工程分级隧道围岩分级粘聚力C（kPa）内摩擦角（）天然饱和干燥qskfrb水平垂直mfcfrfd（kPa）（kPa）（MPa/m）MN/m4K0（MPa）、1杂填土、素填土Q4ml17.501515/866/粉质粘土Q3al+pl18.9281160/2820200.440.31/含沙粘性土Q3al+pl19.2302080/40351000.420.30/上强风化花岗岩5322.5/45/1002001601800.390.28/中强风化花岗岩5323/45/1502301801900.390.28/下强风化花岗岩5323.5/45/2002502002000.390.28/4砂土状碎裂岩5322.5/35/901501501500.430.30/中风化花岗岩5324.5/55/3505505003500.350.263026402中风化花岗岩斑岩5324.5/55/3505505003500.330.253230434块状碎裂岩5324.5/50/3003002503000.370.27/微风化花岗岩5324.5/65/50010009003500.300.235844651微风化煌斑岩5324.5/65/50010009003500.300.234540502微风化花岗斑岩5324.5/65/50010009003500.300.23110100120第三章 隧道衬砌形式选择3.1隧道衬砌的材料 隧道是埋藏在地层深处的工程建筑物，其衬砌通常需要承受较大的围岩压力、地下水压力，有时还要受到化学物质的侵蚀，地处高寒地区的隧道往往还要受到冻害等。所以，要求用于衬砌的材料应具有足够的强度、耐久性、抗渗性、耐腐蚀性和抗冻性等。另一方面，隧道是大型工程构造物，每延米隧道都需要大量建筑材料，工程量很大。所以。从经济观点看衬砌材料应价格便宜、就地取材、便于机械化施工。通常采用以下材料: 1.混凝土。这种材料的优点是整体性好，既可以在现场浇筑，也可以在加工场预制，而且可以机械化施工。其本身密实性较好，具有一定的抗渗性。如果在水泥中掺入密实性附加剂，可以提高混凝土的密实度，从而改善混凝土的防水性能。或者使用减水剂，提高混凝土的密实程度，改善混凝土的抗渗性能。混凝土可以根据需要加人其它附加荆，如低温早强剂、常温早强剂、速凝剂、缓凝剂、塑化剂、加气剂等，来满足使用和施工上的需要。 配制混凝土还可以根据需要选择合适的水泥，例如具备快硬、高强特性的有快硬硅酸盐水泥，具备快硬、早强特性的有硅酸盐膨胀水泥和石膏矾土膨胀水泥，具备抗渗防水特性的有大坝水泥和防水水泥，具备抗硫酸盐侵蚀的抗硫酸盐硅酸盐水泥，以及塑化水泥，加气水泥等。配制有抗冻要求的混凝土时，在寒冷地区水泥标号不小于400号 ,在严寒地区不宜低于500号。 混凝土材料的缺点是灌注后不能立即承受荷载，需要进行养生，达到一定强度才能拆模，占用的模板和拱架较多。普通混凝土的耐侵蚀能力较差。 2.钢筋混凝土。隧道施工时，暗挖部分就地绑扎钢筋比较困难，通常是在不得已时才采用现浇钢筋混凝 土。而在很多情况下是采用格栅钢架并加上连接钢筋和钢筋网等作为临时支护，在完成临时支护之后，则延用为永久支护。这样就取代了钢筋绑扎过程，起到“一举两得”的效果。在明挖地段可以采用现场绑扎方式，也有采用废旧钢轨等就便材料的口采用混凝土的强度等级要满足公路隧道施J技术规范要求。 3.喷射混凝上。喷射棍凝土是将混凝上干拌和料、速凝荆和水，用混凝土喷射机高速喷射到洁净的岩石表面上凝结而成。其密实性较高，能快速封闭围岩的裂隙。密贴于岩石表面，早期强度高，能很快起到封闭岩面和支护作用，是一种理想的衬砌材料。 4.错杆与锚喷支护。锚杆是用机械方法加固围岩的一种材料。种类很多，通常可分为机械型锚杆、粘结型锚杆以及预应力锚杆。围岩不够稳定时，还可以张挂金属网。设置锚杆再加喷棍凝土时，即为锚喷支护。 5.石料。在隧道衬砌中不得使用裂隙和风化的石料，块石砌体、片石砌体、砂浆等的强度等级及抗压强度设计值应符合公路隧道设计规范的要求口石衬砌材料的优点是材料来源广，可以就地取材，砌好后能较早地承受荷载，可以节省水泥和模板。不过目前已很少有人使用石料直接作为衬砌材料，尤其是在公路隧道中更无工例可寻。其缺点是砌缝多，容易漏水，施工主要靠手操作，费工费时，需要大量熟练工人，目前还不能机械化施工。但洞门挡墙、挡上墙、明线路缘石等仍可使用。超挖部分可以使用片石混凝土砌筑。6. 装配式材料。在软土地区修筑隧道时.常用盾构法施工，其衬砌材料往往采用装配式材料，如钢筋混凝土大型预制块，有加筋肋的铸铁预制块。在修筑棚式明洞(简称棚洞)时，又可用预制板或梁，装配板式棚洞或梁式棚洞。用新奥法施工时，为了防水、防落石和美观要求，还可以加设离壁式结构，常用的材料有波纹钢拱式大型装配预制件，有时可以用玻璃钢代替钢材等。 3.2 隧道断面衬砌的类型 山岭隧道与软土隧道、水下隧道相比较，由于其受力、施工方法等存在差异，在结构形式上也有很大差别。即使山岭隧道，也因人们对围岩压力和衬砌结构所起作用认识有所发展，而使结构形式发生很大变化。尤其是在20世纪中叶以后新奥法的发展。给隧道结构带来了深刻影响，使衬砌结构概念产生了根本改变。以往介绍的是矿山法(传统法)施工条件下的衬砌结构形式，虽然现在己经很少单独使用，但是作为一个历史发展阶段介绍它是很有必要的。在新奥法施工工艺中还是不可或缺组成部分，所以仍然非常需要了解它。 1.直墙式衬砌直墙式衬砌形式通常用于以垂直围岩压力为主要计算荷载、水平围岩压力很小的情况。一般适用于V , IV类围岩，有时也可用于III类围岩。对于公路隧道，直墙式衬砌结构的拱部，可以采用割圆拱、坦三心圆拱或尖三心圆拱口三心圆拱指拱轴线由三段圆弧组成，其轴线形状比较平坦(R1R2)时称为坦三心圆拱，形状较尖(R2R1)时称为尖三心圆拱，若R1=R2=R时即为割圆拱（见图2-1） 为了节省工时，在V类围岩中，可以采用大拱脚薄边墙衬砌，见图2-2。如果具备喷混凝土条件时，边墙可以用喷混凝土代替。该法是个局限性很大的方法，最大问题是大拱脚支座施工困难，在非均质岩层中很难用钻爆法做出整齐稳定的支座。所以在这种较好围岩中，莫如优先考虑喷锚支护。 2、曲墙式衬砌通常在III类以下围岩中，水压力较大，为了抵抗较大的水平压力把边墙也做成曲线形状。当地基条件较差时，为防止衬砌沉陷，可设置仰拱，使衬砌形成环状封闭结构。 图2-3 曲墙式衬砌3. 喷混凝土衬砌、喷锚衬砌及复合式衬砌，这些衬砌与上述传统的衬砌方法有本质上的区别。 为了使喷混凝土结构的受力状态臻于理想化，要求用光面爆破开挖，使洞室周边平顺光滑，成型准确，减少超挖开挖。然后在适当的时间喷混凝土，即为喷混凝土衬砌。根据实际情况，需要安装锚杆的则先装设锚杆，再喷混凝土，即为喷锚衬砌。如果以喷混凝土，锚杆或钢拱支架的一种或几种组合作为初次支护对围岩进行加固，维护围岩稳定防止有害松动。待初次支护的变形基本稳定后，进行现浇混凝土二次衬砌，即为复合式衬砌。为使衬砌的防水性能可靠，保持无渗漏水，采用塑料板作复合式衬砌中间防水层是比较适宜的，见图2-4。 图2-4 喷锚衬砌与复合衬砌4. 圆形断面隧道。为了抵御膨胀性围岩压力，山岭隧道也可以采用圆形或近似圆形断面，因为需要较大的衬砌厚度，所以多半在施工时进行二次衬砌。对于水底隧道，由于水压力较大，采用矿山法施工时，也多半用二次衬砌，或者采用铸铁制的方形节段。水底隧道广泛使用隧道法施工，其断面为全圆形。通常用预置的方形节段在现场拼装。此时，在顶棚以上的空间和路面板以下的空间可以用作通风管道，车行道两侧的空间可以设置人行道或自行车道，有剩余空间时还可以设置电缆管道等。水底隧道另一种施工方法是沉管法，有单管和双管之分，其断面可以是圆形也可以是矩形。 岩石隧道掘进机是开挖岩石隧道的一种机械化切削机械，起开挖断面通常为圆形，开挖后可以用喷混凝土衬砌、喷锚衬砌或拼装预制构件衬砌等多种型式。5. 矩形断面衬砌。如上面所述，用沉管法施工时，其断面可以用矩形形式。用明挖法施工时，尤其在修筑隧道时，其断面广泛采用矩形。这种情况，回填厚度一般较小，加之在软土中修筑隧道时，软土不能抵御较大的水平推力，因而不应修筑拱形隧道。另一方面，矩形断面的利用率也较高，见图2-5。城市中的过街人行地道，通常都在软土中通过，其断面也是以矩形为基础组成的。 图2-5矩形断面衬砌 3.3隧道断面衬砌基本尺寸拟定 隧道衬砌基本尺寸的拟定，包括确定衬砌内轮廓线、轴线、截面厚度以及外轮廓线等尺寸。对于矩形断面、圆形断面、直墙式衬砌断面等，在计算上一般不存在困难。但是对于三心圆拱、曲墙，特别是变截面断面等，计算时则比较繁琐。不过现代计算机的应用中都有现成的软件可以利用，作为具体的设计者，大多都会绕过这些繁琐的计算，借助于计算机能很方便地获得各种数据。隧道内轮廓线的一般确定原则： 1.满足需要。隧道净空限界，通风系统所需空间;照明系统所需空间;交通信号、情报板与交通量检测、交通标志所需空间;监控系统(闭路电视，环境-GD检出、IV检出、亮度检铡、风速检测等)所需空间;消防系统(灭火器、消火栓、手动与自动火灾报警器等);通信系统(应急电话、无线通信天线等)以及其它设施所需空间。凡在内轮廓线以内的各种设备，在满足规范要求的前提下，尽量节省空间，摆放合适。 2.压缩距离，留有余地。不浪费空间，尽量紧凑，确保内轮廓线是最小的包络。但要留有余地，有施工误差、地质条件差的隧道尤其要有余地。 3.曲线段的连接要过渡圆滑，不能出现拐点;直墙式衬砌的圆弧部分与直墙的交角尽量小，以免出现过大的应力集中，还要有美观效果。 4.拱与墙是人为赋予的称呼，一般是以建筑限界的竖直线的顶点现行规范为4m高)作为拱与墙的分界点。力学上，现在统称曲墙式隧道实际上是一个拱，只不过人为的把分界点以下的部分称为墙，以上部分称为拱。从所承受荷载上分，承受垂直荷载部分称为拱，承受水平荷载部分称为边墙。设计中直墙隧道的边墙也不一定非取4m高不可。 5.曲线部分可以由多段圆弧组成，实际需要上是把隧道中心线两侧布置成对称形状。怎样连接才合适，这完全根据实际需要而定。当需要较平坦的拱形(有的简称为坦拱。在多车道隧道中常见)时，中拚的半径则应大于边拱的半径，这种形式的断面适合子围岩比较好的工况，此时垂直围岩压力较小，当垂直圈岩压力较大时，需要较尖的拱形(有的简称为尖拱，路隧道中少见)，中拱的半径则应小于边拱的半径。如果曲线部分由三段圆弧组成，习惯上称其为三心圆拱，由五段圆弧组成的称其为五心圆拱。 6.各圆弧段的圆心位里，没有固定的范围，它是根据整个圆弧的形状和预留空间的大小经过反复试做逐步逼近正确位置的。通常是先确定净空限界以上高度，在隧道中线上确定一个点画出中弧线，而后试做相邻弧线，试做时应满足与相邻弧线相切并符合上述要求的形状和空间，可能需要试做多次。 第四章 隧道衬砌荷载计算4.1围岩压力4.1.1围岩压力的概念地下硐室不同于地面建筑，位于岩体介质中，因此应当把围岩视为支护结构的共同承载部分，也就是说，应由支护结构（无论是临时的或永久的）和围岩共同组成静力承载体系。围岩的静力作用是十分重要的，如果没有这种作用，硐室的施工将是十分困难或者是不可能的。实际上在岩体中开挖硐室，出现围岩二次应力，同时硐室相应的产生变形和位移。不同的地质条件和工程条件下，硐室围岩可能出现两种情况：硐室的变形属于弹性变形，在无支护情况下仍然能够维持稳定；硐室的变形属于非弹性变形，由于围岩继续变形导致其破坏，甚至出现大量的塌落，这时就需要支护结构来约束围岩变形的继续扩展，因而支护结构受到围岩变形时产生的压力。围岩二次应力全部作用称为围岩压力。围岩二次应力的作用在无支护硐室中出现在硐室周围的部分区域内；在有支护结构（临时的或永久性支护）的硐室中表现为围岩和支护结构的相互作用。目前一般工程认为的围岩压力是指由二次应力使围岩产生变形或破坏所引起的作用在衬砌上的压力，这种概念实际上是属于狭义的围岩压力。4.1.2围岩压力的形成关于围岩压力的形成机理以及随时间发生、发展的过程可用奥地利腊布塞维奇教授的剪切滑移破坏理论来说明。若围岩没有受到其他硐室的影响，且开挖爆破过程中没有受到破坏，则硐室周围的围岩压力随着时间的发展可以分为三个阶段，只讨论在岩体内最大压应力为垂直方向的情况。在第一阶段，由于岩体的变形，在硐室的周围边界上产生一般的挤压。同时，在两侧岩石内形成楔形岩块，在两个楔形岩块有向硐室内部滑移的趋势，从而侧向产生压力，这种楔形岩块是由于两侧岩石剪切破坏而形成的。在第二阶段，在侧向楔形块体发生某种变形以后，硐室的跨度似乎增大。因此，在岩体内形成了一个垂直椭圆形的高压力区，在椭圆曲线与硐室周界线间的岩体发生了松动。在第三个阶段，硐顶和硐底的松动岩体开始变形，并向硐内移动，硐顶松动岩石在重力作用下有掉落的趋势，围岩压力逐渐增加。4.1.3围岩压力的分类围岩压力可分为四种：松动压力、塑形变形压力、冲击压力和膨胀压力。4.1.4围岩压力的确定方法隧道开挖前，地层中各点的应力保持着相对的平衡，地层处于相对静止状态，称为原始应力状态。它是由上覆地层自重、地壳运动的残余应力及地下水活动等因素决定的。为了研究方便，仅考虑由上覆地层自重所形成的原始应力，并取深度H处得一个单元体来做应力分析。该单元体受到三对大小相同、方向相反的压力作用，因此该单元体处于力的平衡状态和变形运动的相对静止状态。在上覆地层自重作用下，竖直压力为式中上覆地层的平均重度；从地面到单元体所处的深度（）。由于单元体的侧向变形受到周围地层的限制，便产生了侧向压力，按下式计算式中侧压力系数。根据侧向应变为零的条件，并把地层假定为各向同性的弹性体，可以推导出计算公式，即式中地层岩石的泊松比。隧道开挖后，围岩原来保持的平衡状态受到破坏，由相对静止状态变成显著运动状态，由于围岩在应力以及应变方