梁家院公路隧道设计毕业论文.doc

梁家院公路隧道设计毕业论文目录第一章 线路拟定与方案比选11.1线路拟定11.2方案比选1第二章 设计总说明32.1隧道设计概况32.2技术标准32.3隧道建设地区工程水文地质32.4横断面设计72.5隧道衬砌结构设计82.6防排水设计92.7通风设计102.8照明设计102.9洞门设计102.10施工方案111.11监控量测132.12环境保护17第三章 二次衬砌内力计算183.1基本资料183.2荷载确定183.3衬砌几何要素193.4 计算位移213.5 解力法方程293.6 计算主动何在和被动荷载（h=1）分别产生的衬砌内力303.7 最大抗力值得求解313.8 计算衬砌总内力323.9 衬砌截面强度检算333.10 内力图33第四章 隧道通风计算354.1隧道需风量计算354.2.单向交通隧道射流风机纵向通风计算38第五章 照明计算405.1 基本资料405.2 接近段405.3 基本照明计算405.4 加强照明计算405.5 结论42第六章 施工组织设计436.1概述436.2施工方法及工艺436.3环境保护56第七章 总结577.1设计总结577.2 致谢57参考文献59第一章 线路拟定与方案比选1.1线路拟定 根据提供的地形图资料，起终点的位置，两点之间山势起伏状况，沟壑深度，选择2-3个方案。两点之间有一个巨大的山体阻隔，山体绵延很长，范围广阔，而且拔起的高度很高，地形错综复杂。山体之间有几条蜿蜒曲折的深沟，沟壑纵横，起伏沟的地形变化起伏较大。沿沟的地质情况复杂，岩石的强度较低，而且沿沟的方向展线，偏离线路航空距离较大，明显延长了公路里程。不仅增加了工程数量和施工难度，而且增加了施工费用。该山体植被茂密，如果选择傍山通过，则填挖方的工程数量较大，破坏了地表植被，对生态环境的保护不利，而且选择傍山隧道通过，则偏压比较严重，对隧道后期运营不利。偏压容易影响隧道衬砌，是因为偏压使衬砌结构受力不均匀，而且一侧围岩容易松动，增加了衬砌结构支撑力，衬砌很容易发生疲劳。该地区为山岭重丘区，山势徒峭，该处主峰海拔1686.4m，海拔最低处1312m,山脉大致成西北东南走向。地貌上属于有变质岩、沉积岩组成的中高山区，地质情况较复杂，断层节理多，围岩条件差，施工随时有涌水的可能。因此选择一条围岩地质条件相对较好，地质灾害相对较少，展线距离短，弃渣场地方便的线路，是本课程设计的关键。通过对地形图的仔细分析，对地质情况的了解，初步选定两个方案：方案一，为了克服山体拔起高度形成的阻隔，直接修一条长隧通过；方案二，沿沟展线走一段距离，然后选择较开阔的空间，形成良好的进洞条件，修两条较短的隧道。1.2方案比选1.线形指标：方案一在平面上是一条直线，距离短，不需要圆曲线和缓和曲线进行过渡，行车舒适，节省时间。方案二，经过的地形平坦一些，但距离长，施工方便，不需要修较长的施工便道，便于弃渣，洞口外便于布置施工设施。在纵断面上，方案一拔起的高程较小，纵面整体坡度平缓，只需要一个较短的竖曲线过渡。方案二的隧道坡度较方案一大，对行车不利，而且路线坡度也较大。2.工程数量：方案一基本上是直线，距离短，但隧道长度比方案二多200m，在修隧道时，要修距离较长施工便道，路线上不需要开挖路堑，填挖方的工程数量较小。方案二距离长，填挖方的工程数量较大，开挖路堑比较多，桥梁的数量较多，隧道距离也短不了多少，相应的工程数量较多。3.施工难度：方案一隧道较长，围岩地质情况较好，隧道埋深较深，经过的地形起伏比较大，交通不便，不利于利用大型机械设备;方案二经过的地形平坦，隧道进出口选择的空间比较大，便于利用施工机械，隧道的距离相对较短。故方案二施工难度相对于方案一较低。4.环境保护：方案一不需要开挖路堑，隧道较长，对地表植被的影响较小，有利于对当地生态环境的保护。方案二需要开挖路堑，对地表植被破坏较大，还容易产生施工后的地质灾害，易发生泥石流、塌方等地质灾害，不利于环境保护。5.运营及养护费用：方案一所经过的山体地质条件好，隧道经过山体中部，隧道受偏压较少，养护费用较低。方案二有两个隧道，其中一个隧道是傍山隧道，受偏压影响较大工程病害多，而且填挖方工程量大，破坏原有的应力平衡，会产生一系列的水文地质病害，比如：滑坡、泥石流、崩塌等。6.隧道功能：两个隧道都是为了克服巨大的山体阻隔，减少沿沟展线的距离，形成良好舒适的线性，对行车有利。7.旧路利用:两条线路没有与旧路形成交叉或平行，都不能有效的利用旧路。综上分析可得，方案一较方案二好。第二章 设计总说明2.1隧道设计概况梁家院公路隧道全长约为2680m，起点桩号为620m，终点桩号为 K3+330。隧道为上、下行分离式隧道，行车道宽度均按设计行车速度100Km/h考虑；隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌、高压钠灯光电照明、机械通风；隧道洞门型式主要采用端墙式洞门。隧道围岩岩性以已较为破碎的白云岩、千枚岩、变质砂岩及泥岩为主，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。2.2技术标准公路等级： 高速公路设计行车速度： 100km/h。隧道净宽： 10.50m ( 3.752+0.50+1.00+0.75+0.75)隧道净高： 5.0m交通量： 26000辆/日，汽柴比为0.71：0.29，上、下行交通量不均衡系数1.1，双车道单向行驶。隧道内卫生标准：CO设计浓度上行线208ppm,下行线208ppm；VI设计浓度为0.0065，隧道内纵向风速小于等于10m/s。2.3隧道建设地区工程水文地质（一）、区域地形、地貌隧道地处陕南山地西南部的秦岭山脉，山脉大致成西北东南走向，该处主峰海拔1686.4，山脊成窄梁状，两侧山坡陡峭，坡度一般在50左右，局部达到60。沟谷发育。多为陡峭的V形谷，切割的深度较深。地貌上有属于变质岩、沉积岩组成的中高山区。梁家院隧道横穿南秦岭山脉，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密。区内海拔一般在12001700之间。隧道南口大北沟一带最低高程为1390m，向北至海拔约为1312m梁家院，隧道洞身中部通过的最高高程为1400m，在出口地势相对进口高。采用人字坡形，顺着梁家院到大北沟的方向，坡度依次为1.5%、-0.7%。（二）、水文与气象受地势影响，南秦岭属海拔1000m左右的中高山区，为温带半湿润湿润季风气候。年平均气温，最冷为一月份，平均气温，极端最低气温，最热为七月份，平均气温，极端最高气温36.8。早霜期始于10月下旬，晚霜期终于3月下旬，无霜期225天，年降水量700mm左右，而雨季一般集中在7月至9月，具有春寒、伏旱、夏洪、秋涝的特点。降雪期为11月至翌年2月，积雪厚度一般为24cm，最大18cm，高山气候阴湿，中低山区雨量充沛。不良地质现象有雨季时洪水暴涨，常携带泥土、碎石，在沟口形成洪积扇区，不良地质灾害主要有滑坡、泥石流。（三）、地质条件1、地层、岩性隧道穿越的山岭位于向斜的南翼，地层总体上向北倾斜。区域内主要的构造线以西北东南向延伸，与路线走向大角度交叉。地层主要是古生界泥盆系中统西峡岭沟组（D2d），岩性相对比较复杂，软质岩有白云岩、千枚岩、变质砂岩、泥岩。隧道地表层覆盖以第四系残破积层为主，为灰色、灰褐色亚粘土夹碎石土。主要岩土类特征如下：（1）含碎石、角砾粘质砂土褐红色，湿，结构疏松。碎石、角砾含量20-25%，粘粉粒含量20-25%，砂粒含量50-60%，碎石角砾成分主要为白云岩，局部为泥岩、粉砂质泥岩、砂岩等，多为棱角状，分布较均匀，土体较均匀。（2）变灰岩夹硅质岩灰色、青灰色，细晶结构，薄片及薄层状构造，局部为受动力作用而强烈变形，褶皱发育，矿物成分为石英、方解石、燧石，局部可见大量方解石，石英脉体。（5）含砾微晶灰岩灰-浅灰色，岩石中的砾石为沉积时的混入物，其粒径2-15cm，为次园-棱角状，分布不均，含量5-20%，成分为泥晶白云岩。微晶灰岩呈微晶结构，生物碎屑结构，块状构造。主要矿物为方解石，含量不小于95%，少量有机质（2%）及生物碎屑（3%）。方解石粒径一般0.01-0.001mm，少部分未结晶灰质粒径0.001mm。岩石较坚硬，整体完整性较差，抗分化能力较强。（6）细粒长石石英砂岩灰白色、细粒砂状结构，块状结构。碎屑成分主要为石英，含量大于75%，次为长石10-15%，硅质岩屑小于1%，粒径一般0.1-0.25mm，少数0.25-0.4mm。填隙物成分主要为硅质（5-8%）及少量粘土质。岩石为颗粒支撑接触式胶结。岩石坚硬，整体完整性较好，抗风化能力较强。（7）泥岩黄色，泥质结构，块状构造。主要成份为粘土矿物，含少量粉砂粒。岩石软弱，整体完整性差。物理力学性质差，接近于半成岩的粘性土。综上所述，此地区岩土工程地质性质普遍较差。白云岩虽较坚硬，但受构造运动影响，较破碎，分化较严重，整体完整性较差。砂岩虽坚硬，抗风化能力较强，力学性质较高，整体完整性较好，但其出露宽度窄，泥岩受构造变形大，岩石软弱不完整，抗风化能力弱，其工程地质条件差。2、构造特征该地区构造主要为断层和节理，未见褶皱，岩层仅为向南西倾的单斜层。（1） 断层隧道区断层较发育，已查明有六条断层，以北东向断层为主，次为近东西向，亦见南北向断层。断层性质以压扭性、压性、扭性为主，个别为张性、张扭性，断层多期活动的特点，早期以压性、压扭性、扭性为主，且规模较大，晚期以张性为主，规模小。对隧道有影响的断层达三条，且均有宽度不等的破碎带和影响带，岩石破碎，个别断裂，富水性强，对隧道影响严重。（2） 节理勘查区发现四组主要节理，其走向分别为10-20，30-40，290-300，330-340，节理多具有扭性特征。节理发育的密度在不同的岩石中和统一岩石的不同部位差异较大，在中后层的白云岩中，一般发育两组，每组312条/米，在断层破碎带两侧一般发育24条每组，每组一般515条/米，最密可达30条/米；在薄中层白云岩中，一般发育两组，每组38条/米，在断层破碎带两侧，一般发育两组，每组413条/米；在厚巨厚层含砾微晶灰岩中，一般发育两组，每组一般36条/米；在中厚层长石英砂中，一般发育两组，每组13条/米。节理的存在对围岩的稳定性有较大影响，它即使完整围岩裂开破碎，加剧其风化，又是降水下渗，导致围岩性质变化，致使围岩稳定性降低。节理的走向与隧道轴线夹角及节理的倾角不同，其对隧道稳定的预想程度就不同。区内对隧道影响较大的节理使其走向（290-300，330-340）与隧道轴线呈小角度斜交，第三组与隧道轴线垂直或大角度斜交的节理组合，对隧道的稳定性不利，洞顶最易发生掉块，坍塌等。3、 地震活动及地壳稳定性概略分析勘查区位于扬子板块西北缘，根据板块运动学观点，其构造运动微弱，故勘察区在大地构造位置属稳定地段。勘查区属华南地震区秦巴地震亚区汉中地震带，虽断裂构造发育但活动性断裂不甚发育，地震活动微弱，属弱地震活动区。该地震带多为3级以下若震，四级以上地震自公元前1177年至980年间共发生8次，主要分布在汉中市区（3次），新集（1次），略阳（1次）,阳县（1次）等处，最大震级为5.5级，发生于1636年，震中位于汉中市区。根据国家地震局的资料，勘查区的地震基本烈度为度预测未来最大震级为五级，因此，可以认为勘查区为相对稳定区。4、水文地质条件（1）地下水补给、排放条件勘测区地下水的补给主要来自大气降水。区内降水量较充沛，植被发育，山高坡较陡，沟谷深切，地表径流畅通，降水量又相对集中，多以大雨和暴雨形式降落等，大部分以地表径流汇于沟谷中，不利于降水的下渗。故地下水补给作用较弱，区内地下水较贫乏。地下水径流条件取决于含水层孔隙，裂隙，溶隙的发育程度及其连同性的强弱。区内第四系残坡积，崩破基层，随厚度相对较薄但其空隙发育，连通性也较好。基岩风化壳厚度及风化程度虽有差异，但其裂隙，溶隙，溶孔较发育，连通性较好。构造破碎带，节理裂隙发育，岩石极破碎，连通性好。故区内地下水径流畅通，气流向与地形一致，即以分水岭为界沿山坡流向沟谷。地下水的排泄多以地下径流的方式补给除外，局部以泉水方式排泄于沟谷。（3） 地下水的类型及富水性 勘查区地下水按含水介质的差异概括成三种类型。 松散岩类孔隙水埋藏于残坡积，崩坡集中。这些松散层堆积厚度一般为27米，局部地段厚度可达1012米。该层受降水补给，局部地段可得到基岩裂隙溶隙水补给，在沟谷底或有利地段以下降泉或面状渗流形式溢出。该层水得到基岩裂隙溶隙水补给，水量较大，水量随季节变化，丰水期增大，枯水期水量变小或干枯。 层状岩类裂隙水主要埋藏在上震旦统细粒砂岩，粉砂质泥岩中。分布于勘查区西部。由于该类含水层露出范围小，未发现该类水的出露点。据有关资料，该类水主要受大气降水补给，在沟谷底以下径流的形式补给第四系残破积层。该类水系裂隙含水，含水性不均一，富水性差。 构造破碎带裂隙水主要分布于各断层破碎带内。这些部位的岩石破碎，地下水补给和储水条件好。该类水为区内地下水的主要存在形式。调绘时未见泉水出露。该类水相对较丰富，水量较大，对隧道施工及围岩稳定不利。综上所述，勘查区地下水普遍较贫乏。在第四系残坡积物厚度较大的沟谷低洼地段，其汇水条件好，地下水埋藏较浅，水量相对较丰富。在构造带部位，地下水补给径流条件较好，水量较丰富。其余部位水性差，为相对贫水区。5、不良地质现象隧道路线走廊为长江水系，雨季时洪水暴涨，常携带泥土、碎石，在沟口形成洪积扇区，不良地质灾害主要有滑坡、泥石流。2.4横断面设计2.4.1建筑限界根据公路隧道设计规范，隧道高度5米，行车道宽度3.75米，双车道布置，净宽10.50米，其中左侧向宽度为0.5m，右侧向宽度为1.00m，左侧检修道宽度为0.75m，右侧检修道宽度为0.75m，路面坡度采用1.5%；车行横通道高5.0m，路面宽度为4m，不设侧向余宽，左右侧检修道宽度均为0.25m；人行横通道高2.5m，路面宽2m，不设侧向余宽和检修道；并且同时考虑了下列因素：（1）检修人员步行时的安全；（2）紧急情况下，驾乘人员拿取消防设备方便；（3）满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。2.4.2隧道内轮廓隧道内轮廓设计除应满足隧道建筑限界的规定以外，还应满足洞内路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、运营管理等设施提供安装空间，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合安全、经济、合理的原则。本隧道采用公路隧道设计规范附录B提供的v=100km/h情况下的标准断面，断面为单心圆，r1=5.7m，r2=8.2m，r3=1m，r4=15m，断面周长为32.5m，面积为69.07m2。2.5隧道衬砌结构设计（一）、围岩分级隧道围岩级别划分主要依据岩体弹性波速度、岩样饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合围岩分化程度、完整性、坚硬程度、节理发育程度、断层及地下水影响程度等进行综合分类。依据实际资料在确定隧道围岩级别时，制定以下原则：（1）以交通部行业标准公路隧道设计规范（JTG D70-2004）提供数据为围岩级别划分标准。（2）遇断层破碎带，围岩级别较同类岩石降低1-2等级，影响带推至洞底以上40-80米与断层交界处。（3）为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层和构造情况分段划分评价。（4）未有钻孔控制段，参照勘测区同类岩石已有资料进行类比分级。根据上述围岩级别划分原则，将隧道围岩级别划分汇入下表： 隧道围岩级别划分表 围岩级别隧道名称级（米）级(米) 总长 (米0梁家院隧道 1700 980 2680各类围岩比例（%） 63.4% 36.6% 100% （二）、衬砌设计隧道断面设计除符合建筑限界要求外，考虑到洞内排水、通风、照明、消防、监控等运营附属设施所需空间，并考虑到围岩收敛变形及施工等必要的预留量，内轮廓采用单心圆。隧道衬砌结构型式均采用“新奥法”复合式衬砌，衬砌设计参数以工程类比法并结合计算分析确定，断面型式采用等截面单圆心，对于、级围岩均采用带仰拱衬砌。级围岩分为级围岩深埋段和级浅埋段，初期支护采用径向系统锚杆、超前锚杆，钢拱支撑配合钢筋网喷射混凝土形成整体。级围岩深埋段：系统锚杆采用药卷锚杆，直径为22mm，长度为3.0m，环向间距为1.2m；超前锚杆直径为22mm，长度为4.3m，外插角为5-7，水平搭接长度不小于1m，环向间距为40cm。级围岩喷射混凝土厚度为20cm，预留变形量为7cm，深埋段采用钢格栅，间距为1m。级围岩浅埋段在深埋段的基础之上相应加强，系统锚杆采用药卷锚杆，直径为22mm，长度为3.0m，环向间距为0.8m；超前小导管直径为50mm，长度为4.3m，外插角为6，水平搭接长度不小于1m，环向间距为40cm。级围岩喷射混凝土厚度为18cm，预留变形量为7cm，深埋段采用I16钢拱架，间距为1.0m。级围岩分为级围岩深埋段和级围岩加强段，初期支护采用径向系统锚杆、超前小导管周壁预注浆，钢拱支撑配合钢筋网喷射混凝土形成整体。级围岩深埋段：系统锚杆采用中空注浆锚杆，直径为25mm，长度为3.5m，环向间距为0.75m；超前小导管采用直径为50mm的无缝钢管，长度为4.5m，外插角为6，水平搭接长度不小于1m，环向间距为30cm。级围岩喷射混凝土厚度为26cm，预留变形量为12cm，深埋段采用钢拱架型号为I18，间距为80cm。级围岩加强段：系统锚杆采用中空注浆锚杆，直径为25mm，长度为3.5m，环向间距为0.75m；超前小导管采用双排小导管直径为89mm的无缝钢管，长度为2.0m，外插角为1，水平搭接长度不小于1m，环向间距为40cm。超前小导管采用直径为50mm的无缝钢管，长度为4.5m，外插角为6，级围岩喷射混凝土厚度为26cm，预留变形量为12cm，深埋段采用钢拱架型号为I20。通过围岩监控量测，最终在初期支护相对稳定的条件下，全断面模筑二次混凝土衬砌。衬砌采用曲边墙拱形断面，级围岩深埋段和级围岩的二次衬砌厚度为45cm，级围岩深埋段和级围岩加强段的二次衬砌厚度为50cm。 2.6防排水设计（1）隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则。设计中采用的措施要求达到：排水通畅、防水可靠、施工方便，是隧道洞内基本干燥，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全，形成完整的防排水体系。（2）洞内复合式衬砌采用1.5mm厚改性ECB/LDPE防水板防水，450g/土工布，土工布与防水板间的连接采用双缝焊机的焊接技术，接缝处留10cm长搭接长度，以备质量检查。铺设时采用无钉热合铺设法。隧道二次衬砌满足抗渗要求。（3）隧道内设置纵向排水管、环向排水管、横向排水管、环向盲管等形成岩体环向排水管纵向排水管横向盲管中央排水管洞外一个完整的闭合回路，使岩体内的渗水可以畅通的排出，另外对于集中出水点，可预埋半管。对于路面排水，设置开口式边沟，为防止预制块接缝间漏水，在接缝间设置防水板。（4）隧道内所有施工缝和沉降缝均设置中埋式排水橡胶止水带。（5）对于出水量较大的地段，采用超前注浆堵水，浆液采用水泥和水玻璃混合浆液，以加快其凝固速度。（6）由于隧道所在区域冬季较为寒冷，故采取中心排水管深埋的措施。（7）处于单标高的洞门墙，洞门外1m的地方均设路基横向截水沟，防止洞外路基路面水顺坡流入洞室。2.7通风设计隧道分为上下行线单向行驶的分离式隧道，上行线和下行线长度均为2680m，上行线纵坡+1.5%，下行线纵坡-0.7%，设计行车速度为100km/h，设计高峰小时交通量为2000辆/h，大型车混入率为13%，通风断面面积69.07m2，当量直径为8.5m，CO设计浓度为208PPm，烟尘允许浓度为0.0065m-1。在综合考虑隧道所处的自然条件、交通量、隧道内行驶的车辆情况、隧道工程造价及维修保养费用、车辆行驶的活塞风作用下，通过计算确定在设计行车速度状态下上、下行线隧道均采用射流风机纵向通风。经过计算确定上、下行线设28台1120型射流风机，每2台一组，进出口集中布置。风机在进口布置两组，第一组距洞口10m，第二组距第一组204.5m，在出口布置一组，距洞口10m，安装时风机的任何部分不得侵入建筑限界内。2.8照明设计为使司机行车安全、舒适，解决隧道进出口的“黑洞” 、“白框”效应以及满足洞外亮度变化时的调光要求，隧道照明分为基本照明和加强照明。隧道照明要考虑四种状况即：晴天、云天、阴天、傍晚。分别考虑各种工况下的灯具照明情况，合理布置灯具，主控室预先设计程序在不同工况下控制各灯具的开关。一般情况下的照明为：基本照明时，需要布置150W的高压钠灯316组（间距8.5m，全长布置）；加强照明时，入口段需布置400W的高压钠灯179组（间距0.8m，布置142.5m）(共152.5m，前10m不布置)，过渡段需布置250W的高压钠灯58组（间距1.85m，布置106m），过渡段需布置150W的高压钠灯27组（间距4.2m，布置111m），过渡段需布置100W的高压钠灯3组（间距55.7m，布置167m），出口段照明需布置250W的高压钠灯21组（间距2.95m，布置60m）。隧道采用高压钠灯照明，并配有自充式电具作为应急照明使用。紧急停车带和人行横通道用荧光灯照明，隧道墙壁装饰采用防水涂料全断面喷涂。2.9洞门设计（一）、洞口位置选择（1）洞门部分在地质上通常是不稳定的。应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质地段。（2）要遵循“早进洞晚出洞”的原则，选择洞口位置。（3）为使洞口段衬砌结构受力条件较好，应使隧道中线与地形等高线正交，正交洞口的边、仰坡开挖较小而且均衡。（4）隧道在洞口附近考虑施工场地、弃渣场地以及便道的位置，对组织施工时的难易程度和进度有很大影响。（二）、洞门选择 隧道洞门形式的选择和隧道洞口的地形，地质条件以及隧道照明需要有关，洞门附近围岩一般比较松碎松软，所以应根据实际情况，选择合适的洞门形式，并对边仰坡进行适当护坡。洞门是隧道的咽喉，也是外露部分，要适当进行洞门和洞口环境的美化和协调。山岭隧道常用的洞门形式主要有端墙式、翼墙式、台阶式、柱式、削竹式和喇叭口式。本隧道洞门采用端墙式。洞门与隧道轴线正交。洞门仰坡坡脚到洞门墙背的的水平距离不宜小于1.5m，洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m，洞门墙顶高出仰坡坡脚部小于0.5m。洞门墙基础必须放在稳固的地基上，松软地基上的基础采用加固基础措施。此外，洞门结构应该满足抗震要求。2.10施工方案（一）、施工方案设计本隧道主要以、级围岩为主兼有断层，地质条件较差，隧道设计施工以新奥法理论为基础，确定本隧道掘进施工原则为：“弱爆破、短进尺、少扰动、早喷锚、强支护、勤量测、紧封闭”。新奥法理论要点如下：（1）岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。 （2）为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。 （3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。 （4）通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。 （5）为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。 （6）二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。 隧道级围岩开挖采用台阶开挖法，由于隧道地质条件较差，因此要按短台阶、多循环要求开挖；隧道级围岩开挖采用拱部留核心土环形开挖。（二）、弃渣方案 本项目路线隧道开挖洞渣除部分洞外浆砌工程外，其余需要调配利用和弃除。 沿线冲沟发育，地形切割强烈，隧道弃土采取在冲沟内设坝弃土造田的方案。弃土场尽量冲沟支沟内，并于沟口设置土质拦挡坝，坝外侧坡面植树种草防护，坝体内侧弃土应碾压夯实。具体弃渣场地由路线统一考虑。（三）、施工中存在问题及解决方案隧道所处地段地质条件较差，围岩级别大多为、级，围岩稳定性相差较大。对于自稳能力较差的地段，解决办法为：施工中缩短台阶长度，短进尺，及时施做初期支护，尽早施做仰拱，使结构尽早成环，改善围岩受力性能。洞身通过断层，断层围岩破碎，含水量大。解决方法：施工中短进尺，早封闭，强支护，加强施工中的监控量测，密切注意围岩变形，如有异常，马上采取措施。隧道应该遵循“早进洞、晚出洞”原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡稳定。初期支护中，根据围岩量测结果，分成2-4层喷射混凝土，在先期喷射混凝土表面发现有束流地下水处，采用弹簧排水管贴面排水，并在软管外周喷射混凝土及时密封，使其与隧道衬砌墙角纵向排水管连通，要求初期支护完成后，表面无渗漏，才能进行防水层的施工。隧道运营期间的监控照明等设施，施工中必须做好预埋件的埋设工作。对于类围岩采用管棚或小导管注浆预支护地区段，在初期支护完成后，为防止变形过大，并从安全的角度出发应及时施作二次衬砌。洞身处于水位线附近，岩体含水量较大。解决方法：施工中特别注意防排水，采取小导管超前注浆堵水，对于集中出水点，安装半管排水。对于出水量很大的地段，可以考虑采用帷幕注浆。对于落水洞地段，一般采用土石回填，从下到上分层夯实，顶层采用50cm厚C15混凝土封口，封口半径增大50100cm，工程数量以实际发生计量。对无法查明的落水洞施工时应加强超前地质预报，进一步查明落水洞的位置、规模、与隧道的相对位置及对隧道的影响程度，采取相应的工程处理措施。1.11监控量测（一）概述隧道施工过程中使用各种类型的仪表和工具，对围岩和支护、衬砌的力学行为以及它们之间的力学关系进行量测和观察，并对其稳定性进行评价，统称为监控量测。监控量测是隧道设计与施工的重要组成部分，是隧道施工管理中不可缺少的重要环节。根据本隧道围岩的组成特点，选择了地质和支护状况观察、拱顶下沉量测、周边位移、锚杆内力及拉拔力、地表下沉、围岩体内位移、围岩压力及两层间压力、钢支撑内力及外力、围岩弹性波测试等项目。施工中必须按照有关设计的有关规定、规程实施。地质超前预报应能准确开挖前方工程地质情况、水文地质、围岩松动情况及围岩类别。监控量测应达到指导施工，确保施工安全，为调整支护参数，合理变更，修改设计，有效控制投资服务。1.隧道监控量测的必要性：（1）隧道工程作为工程建筑物，受力特点与地面工程有很大的差别。（2）隧道在开挖支护成形运营的过程中，自始自终都存在受力状态变化这一特性。2.施工监控量测的目的和任务 （1）通过监控量测了解各施工阶段地层与支护结构的动态变化，判断围岩的 稳定性、支护、衬砌的可靠性；（2）用现场实测的结果弥补理论分析过程中存在的不足，并把监测结果反馈设计，指导施工，为修改施工方法，调整围岩级别、变更支护设计参数提供依据；（3）通过监控量测对施工中可能出现的事故和险情进行预报，以便及时采取措施，防患于未然；（4）通过监控量测，判断初期支护稳定性，确定二次衬砌合理的施作时间；（5）通过监控量测了解该工程条件下所表现、反映出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程或该施工方法本身的发展提供借鉴，依据和指导作用。 （二）、主要量测项目1.周边收敛量测隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形称为收敛。所谓周边收敛量测主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值为两次量测的距离之差。(1)量测目的 收敛量测是隧道施工监控量测的重要项目。周边位移是隧道围岩应力状态变化最直观的反映，通过周边位移量测可以达到以下目的。 判断隧道空间的稳定性； 根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机；指导现场的施工。 (2)量测仪器：机械式的收敛计和数显式收敛计2.拱顶下沉量测 埋深较浅、固结程度低的地层，水平成层的场合，这项量测比收敛量测更为重要。 （1）量测目的 量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。 （2）量测仪器：精密水准仪3.围岩内部位移量测（1）隧道围岩内部位移量测的主要目的是：了解隧道围岩的径向位移分布和松弛范围。判断开挖后围岩的松动区、强度下降区以及弹性区的范围。根据实测结果优化锚杆参数，指导施工。（2）量测仪器：多点位移计4.锚杆轴力量测（1）量测目的了解锚杆实际工作状态及轴向力的大小。结合位移量测，判断围岩发展趋势，分析围岩内强度下降区的界限修正锚杆设计参数，评价锚杆支护效果。（2）量测方法和仪器 锚杆的轴向力测定，按其量测原理可分为电测式和机械式两类。其中电测式又可分为电阻应变式和钢弦式。 电阻应变式和机械式是通过量测锚杆不同深度处的应变（或变形），然后按有关计算方法转求应力。 钢弦式则是通过测定不同深度处传感器受力后的钢弦振动频率变化，转求应力，其工作原理见本章的弦测法原理。5.围岩压力及两层支护间压力量测 隧道开挖后，围岩要向净空方向变形，而支护结构要阻止这种变形，这样就会产生围岩作用与支护结构上的围岩压力。围岩压力量测，通常情况下是指围岩与支护或喷层与二次衬砌混凝土间的接触压力的测试。（1）目的：了解围岩压力的量值及分布状态；判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。（2）量测仪器 接触压力量测仪器根据测试原理和测力计结构不同分为液压式测力计和电测式测力计。目前隧道中多用电测式。6.钢支撑应力量测 一般在、级围岩中常采用型钢支撑；级围岩中常采用格栅支撑。通过对钢支撑的应力量测，可知钢支撑的实际工作状态，从钢支撑的性能曲线上可以确定在此压力作用下钢支撑所具有的安全系数，视具体情况确定是否需要采用加固措施。（1）量测目的了解钢支撑应力的大小，为钢支撑选型与设计提供依据。根据钢支撑的受力状态，判断隧道空间和支护结构的稳定性。了解钢支撑的实际工作状态，保证隧道施工安全。（2）量测仪器：测力计。7.混凝土应力量测 混凝土应力量测包括喷射混凝土和二次衬砌模筑混凝土应力量测。其目的是了解混凝土层的变形特性以及混凝土的应力状态；掌握喷层所受应力的大小，判断喷射混凝土层的稳定状况；判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度；检验二次衬砌设计的合理性，积累资料。（三）、量测数据处理及应用1.量测数据处理的目的 由于现场量测所得的原始数据，不可避免具有一定的离散性，其中包含着测量误差甚至测试错误。不经过整理和数学处理的量测数据一时难以直接利用。数学处理的目的是： 将同一量测断面的各种量测数据进行分析对比、相互印证，以确认量测结果的可靠性； 探求围岩变形或支护系统的受力随时间变化规律、空间分布规律，判定围岩和支护系统稳定状态。2.量测数据处理的内容 a.绘制位移、应力、应变随时间变化的曲线时态曲线； b.绘制位移速率、应力速率、应变速率随时间变化的曲线； c.绘制位移、应力、应变随开挖面推进变化的曲线空间曲线； d.绘制位移、应力、应变随围岩深度变化的曲线； e.绘制接触压力、支护结构应力在隧道横断面上分布图。根据位移速率进行施工管理a.当位移速率大于1mm/d时，表明围岩处于急剧变形阶段，应密切关注围岩动态。b.当位移速率在10.2mm/d之间时，表明围岩处于缓慢变形阶段。c.当位移速率小于0.2mm/d时，表明围岩已达到基本稳定，可以进行二次衬砌作业。根据位移时态曲线进行施工管理每次量测后应及时整理数据，绘制时态曲线。a.当位移速率很快变小，时态曲线很快平缓，表明围岩稳定性好，可适当减弱支护。b.当位移速率逐渐变小，即d2u/dt20，时态曲线趋于平缓，表明围岩变形趋于稳定，可正常施工。c.当位移速率不变，即d2u/dt2=0，时态曲线直线上升，表明围岩变形急剧增长，无稳定趋势，应及时加强支护，必要时暂停掘进。d.当位移速率逐步增大，即d2u/dt20，时态曲线出现反弯点，表明围岩已处于不稳定状态，应停止掘进，及时采取加固措施。（四）、施工中注意事项隧道开工前对洞门位置，明洞长度根据地形条件进一步核查，必要时现场研究确定。洞门及明洞施工必须在雨季到来之前完成。隧道进出口埋藏浅，覆盖层薄，地质条件差，明洞长度可视实际边仰坡特定情况酌情调整。新奥法设计施工是一体，施工图应视为预设计，施工过程中根据地质变化及监控量测情况进行信息反馈设计。施工中时刻注意，要求严格执行围岩的监控量测程序（起内容包括地质监控、安全检查监控和量测监控），若围岩级别划分与地质不符合以及量测收敛值超过规定等情况，应及时与设计单位联系，搞好信息反馈设计，特别是雨季和大雨过后要加强监控量测。初期支护钢拱架要尽可能与喷射混凝土密贴，每榀钢拱架拱腰、拱脚必须与墙脚锚杆焊成一体，超挖时必须用喷射混凝土充实密填。初期支护完成后，在其表面沿隧道纵向3米（渗漏段）至5米（无渗漏段），在拱腰墙顶及墙下打个泄水孔，孔深50cm,然后沿周边设160排水半管贴壁排水，并在半管外及时用砂浆封闭，使其与衬砌墙脚纵向排水管连通，要求初期支护表面用砂浆填平后，才能进行防水层的施做。施工全过程中，拱脚、边墙及墙脚不得排水和积水，围岩为土质或遇水易软化的软岩时，洞内施工排水不得采用自流排水，应设积水坑，用泵抽排水。隧道运营期间的监控、照明、通风等设施，在施工中必须做好预埋件的埋设工作。2.12环境保护隧道设计时考虑了环境保护因素，尽可能避免因人为因素而导致新的山体病害的产生，减少对工程附近的建筑、居民生活、生产和环境的不良影响。为此，在环保设计中主要考虑以下几个方面：（1）采用早进晚出的原则，减少深挖路段，保护自然坡体和植被。（2）开挖出的石渣，尽可能纵向调配，作为路基填料；对于可用于做石料的石渣应集中堆放，经加工后用于砌体工程；对于废弃的石渣，应根据各工点的实际情况，集中堆弃。弃渣场地做好护坡挡墙防护，并做好排水设施，以防止洪水期冲走弃渣形成人为的泥石流。有条件时，在弃渣顶覆盖土层复垦还田，种树造林。（3）施工期的污水应集中排放，并应经过沉淀、过滤。（4）洞口边仰坡开挖应以光面爆破为主，辅以人工开挖，严禁爆破。（5）做好施工场地竣工后的清理、绿化及复垦还田工作。 第三章 二次衬砌内力计算3.1基本资料高速公路隧道， 结构断面如附图3-1所示。 围岩级别为级，容重=21KN/m3,围岩的弹性抗力系数K=0.25106KN/m3,衬砌材料为C25混凝土,弹性模量Eh=2.8107kPa,容重h=23KN/ m3。 图 3-1 衬砌结构断面 单位：m3.2荷载确定根据下式，围岩竖向均布压力： 式中：s-围岩级别，此处s=4; -围岩容重，此处=21kN/m3; -跨度影响系数，=1+i(lm-5),毛洞跨度lm=12.30+2*0.06=12.42m,其中0.06为一侧平均超挖量，lm=515m时，i=0.1,此处=1+0.1*（12.42-5）=1.742。所以，有：此处超挖回填层重忽略不计。围岩水平均布压力： 3.3衬砌几何要素衬砌几何尺寸内轮廓线半径r1=5.7,r2=8.2;内径r1、r2所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角1=90，2=101.57;拱顶截面厚度d0=0.45m；墙底截面厚度dn=0.45m。此处墙底截面为自内轮廓半径r2的圆心向内轮廓墙底做连线并延长至与外轮廓相交，其交点到内轮廓墙底间的连线。外轮廓线半径： m m拱轴线半径： r1=r1+0.5d0=5.925m r2=r2+0.5d0= 8.425m拱轴线各段圆弧中心角： 1=90 2=11.57半拱轴线长度S及分段轴长S分段轴线长度：半拱轴线长度为：将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：各分块接缝（截面）中心几何要素与竖直轴夹角i 另一方面，角度闭合差0。（注：因墙底面水平，计算衬砌内力时用8=90）接缝中心点坐标计算 直接在附图3-2上直接量出xi、yi。附图3-2 衬砌结构计算图3.4 计算位移单位位移用辛普生法近似计算,按计算列表进行。单位位移计算见附表3-1单位位移计算表: 附表3-1单位位移值计算如下：11 =0sM1EhIdsSEh1I=1.375336/2.8*10 7*1053.4979=5.2*10-512 =0sM1M2EhIdsSEhyI=1.375336/2.8*10 7*3141.9259=15*10-522 =0sM1EhIdsSEhy2I=1.375336/2.8*10 7*15709.2237=77*10-5计算精度校核:11+212+22=（5.2+15*2+77）*10-6=112.2*10-5ss=SEh(1+y)2I=(1.375336/2.8E+7)* 23046.5735=112.2*10-5闭合差0%单位位移计算表注：I-截面惯性矩，I=bd3/12,b取单位长度不考虑轴力的影响载位移主动荷载在基本结构中引起的位移每一楔块上的作用力竖向力：Qi=qbi式中：bi衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由附图3-2量得： b1=1.4411m,b2=1.3685m,b3=1.2219m,b4=0.9287m,b5=0.7072m,b6=0.3750m,b7=0.0378mbi=1.4411+1.3685+1.2119+0.9287+0.7072+0.3750+0.0378m=6.0702B2=12.30/2=6.15m(校核)水平压力：Ei=ehi式中:衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由附图2-5量得：h1=0.1689m,h2=0.5080m,h3=0.8177m,h4=1.0779m,h5=1.2785m,h6=1.4136m,h7=1.4470m,h8=1.3824mhi=0.1689+0.5080+0.8177+1.1728+1.0779+1.2785+1.4136+1.4430=8.094mH