铁路隧道结构与施工组织设计毕业论文.doc

湖南科技大学本科生毕业设计 论文 i 铁路隧道结构与施工组织设计毕业论文铁路隧道结构与施工组织设计毕业论文 目 录 第一章第一章 工程概况工程概况 1 1 1 地层岩性 1 1 2 地质构造 1 1 3 地震动参数 1 1 4 1 地表水 1 1 4 2 地下水特征 1 1 4 3 水化学特征 2 1 5 不良地质及特殊岩土 2 1 6 环境工程地质 2 1 7 工程地质条件评价 2 第二章第二章 隧道的总体设计隧道的总体设计 3 2 1 设计采用的标准 规范及规程 3 2 2 设计范围 3 2 3 总体线位 3 2 4 轨道类型 3 2 5 一般规定 3 2 6 隧道线路平面及纵断面设计 3 2 7 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计 3 2 7 1 隧道建筑限界的确定 3 2 7 2 隧道衬砌内轮廓的设计 4 2 8 支护形式选择 5 第三章第三章 洞口段设计洞口段设计 6 3 1 洞门设计 6 3 2 洞门结构验算 7 3 2 1 计算参数 7 3 2 2 建筑材料的容重和容许应力 7 3 2 2 洞门尺寸拟定 8 3 3 洞门验算 8 3 3 1 洞门土压力计算 8 3 3 2 抗倾覆验算 9 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 ii 3 3 3 抗滑动验算 10 3 3 4 基底合力偏心矩验算 11 3 4 5 墙身截面偏心矩及强度验算 11 3 4 明洞设计 12 3 4 1 明洞长度确定 12 3 4 2 土压力计算 12 3 5 明洞衬砌计算 13 3 5 1 计算程序 13 3 5 2 计算参数 13 第四章第四章 主洞衬砌设计主洞衬砌设计 20 4 1 初期支护预设置 20 4 2 围岩压力计算 20 4 2 1 计算断面参数确定 20 4 2 2 深浅埋段的确定 20 4 2 3 围岩压力 21 4 3 初期支护设计 24 4 3 1 喷混凝土提供的支护抗力 p1值 25 4 3 2 钢支撑提供的支护抗力 p2值 26 4 3 3 锚杆提供的支护抗力 p3值 27 4 3 4 围岩本身提供的支护抗力 p4值 27 4 3 5 最小支护抗力值 29 4 4 级围岩段二次衬砌计算说明 31 4 4 1 计算程序 31 4 4 2 V 级围岩二衬受力计算 31 4 4 3 计算简图 31 第五章第五章 钻孔爆破开挖设计钻孔爆破开挖设计 39 5 1 爆破方法 39 5 2 钻爆设计原则 39 5 3 台阶分步开挖法开挖的爆破设计 40 5 4 风钻钻孔 44 5 5 装药 45 5 6 连结原则 45 5 7 起爆及爆破后的安全检查及处理 45 第六章第六章 隧道防排水及附属设施设计隧道防排水及附属设施设计 47 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 iii 6 1 隧道防排水 47 6 1 1 防水 47 6 1 2 排水 47 6 2 隧道耐久性的措施 47 6 3 隧道内槽 腔 洞室设置 48 6 4 隧道通风 48 6 5 隧道照明 疏散指示及接触网等 48 第七章第七章 施工组织设计施工组织设计 49 7 1 工程概况 49 7 2 总体施工方案 49 7 3 洞口施工 49 7 4 洞身施工 50 7 4 1 工艺原理和特点 50 7 4 2 施工步骤 50 7 4 3 支护施工 51 7 4 4 出碴 53 7 4 5 不良地质地段处理 53 7 5 二次衬砌的施工 54 7 5 1 施工方法 54 7 5 2 输送泵施工及防堵管措施 54 7 5 3 混凝土捣固 55 7 5 4 养护和拆模 55 7 6 隧道工程的施工顺序 56 第八章第八章 工程施工监工程施工监控控量测量测 57 8 1 工程概况 57 8 2 监测方案 57 8 2 1 隧道监控量测目的 57 8 2 2 编制依据 57 8 2 3 监测项目及测点布置 57 8 3 监测方法 58 8 4 监测工作组织设计及质量保证措施 59 结结 论论 62 参参 考考 文文 献献 63 致致 谢谢 64 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 1 第一章第一章 工程概况工程概况 柏秧田隧道位于云贵高原侵蚀构造中低山区 最大埋深 33m 地面高程 975 1010m 相对高差约 30m 自然坡度 15 35 局部陡峻 植被发育 测区有机耕 路相通 交通较便利 隧道进口里程 D2K629 580 出口里程 D2K629 834 隧道全长 254m 设计行车速度为 350km h 为单洞双线隧道 1 1 地层岩性地层岩性 隧道区覆盖有第四系全新统坡残积 Q 4 dl el 下伏基岩为志留系中统翁项组 Swx 地 层 地层由新到老分述如下 粉质粘土 Q 4 dl el 红褐 黄褐色 质地均匀 硬塑状 厚 0 2m 属 级 普通土 志留系中统翁项组 Swx 砂岩夹页岩 灰色 灰褐色 薄至中层状构造 质软 易风化剥落 强风化带 W 3 厚 5 8m 属 级软石 弱风化带 W 2 节理较发育 属 级软石 1 2 地质构造地质构造 本隧道区地质构造简单 岩层单斜 无大的断裂构造行迹 1 3 地震动参数地震动参数 根据 中国地震动峰值加速区划图 1 400 万 和 中国地震反应谱特征周期区划 图 1 400 万 桥址区地震动峰值加速度为 0 05g 地震动反应谱特征周期为 0 35s 1 4 水文地质特征水文地质特征 1 4 1 地表水地表水 测区地表水以山涧沟水为主 水量较小 雨季时沟内水量增加明显 普遍在 2 3L s 故隧道穿越区地表水不发育 主要以季节性水流为主 1 4 2 地下水特征地下水特征 本地区地下水类型主要为第四系松散土层孔隙水 岩基裂隙水 1 第四系松散土层孔隙水 主要赋存于坡面及槽谷中的第四系坡洪积 残坡积层中 该类地下水受第四系分布 面积及厚度控制 测区此岩土层分布面积小厚度小 一般为厚 0 2m 局部厚度达 2 6m 该岩土层富水性差 水量贫乏 受大气降水补给 2 岩基裂隙水 岩基孔裂隙水主要分布于砂岩夹页岩岩基岩空裂隙中 其水量大小主要受含孔裂隙 岩层分布面积及孔裂隙率大小控制 隧区岩体破碎 总体不发育 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 2 1 4 3 水化学特征水化学特征 经取地表水 地下水水样分析 对混凝土结构无侵蚀性 1 5 不良地质不良地质及特殊岩土及特殊岩土 不良地质现象为滑坡 顺层偏压 无特殊岩体 分述如下 1 滑坡 线路 D2K629 500 右侧存在滑坡 滑坡主轴方向为 N29 W 约 5 万平方米 主 要为粉质粘土夹块石土 对隧道进无影响 2 顺层偏压 段线路右侧存在顺层偏压 岩层产状 N55d W 25 S 岩层走向与线位走向约 35 视倾角 15 地层岩性志留系中统翁项组 Swx 砂岩夹页岩 隧道开挖后应及时支护 加强衬砌 1 6 环境工程地质环境工程地质 1 隧址区地下水主要为碳酸盐岩岩溶水和基岩裂隙水 其补给来源主要为大气降 水 隧道开挖将形成较大的集水廊道 势必对隧址区水文地质条件产生影响 在线路 左右 2km 范围内可能出现地下水位降低 地表部分井 泉干枯等现象 进而影响隧道 上方当地居民的生产及生活用水 2 施工弃土应放置于专门的弃土场 尽量减少对周边农田 水利的影响 并加强 弃土场边坡的挡护 避免边坡失稳或形成泥石流 施工应尽量避免对乡村道路的干扰 避免施工废水 油污对河流的污染 施工噪音影响群众休息 1 7 工程地质条件评价工程地质条件评价 1 洞身岩性 地质构造对工程的影响 隧道通过地段 基岩裸露 洞身通过志留系中统翁项组 Swx 砂岩夹页岩 隧道区 砂岩 页岩节理裂隙极为发育 岩体破碎 围岩条件较差 2 洞口堑坡岩性 地质构造和不良地质对工程的影响 隧道进口段下伏志留系中统翁项组 Swx 砂岩夹页岩 基岩节理较发育 岩体较破 碎 隧道出口段覆厚 0 2m 的粉质粘土 下伏志留系中统翁项组 Swx 砂岩夹页岩 基 岩节理较发育 岩体较破碎 对洞口影响大 洞门及堑坡地质条件较差 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 3 第二章第二章 隧道的总体设计隧道的总体设计 2 1 设计采用的标准 规范及规程设计采用的标准 规范及规程 1 铁路隧道设计规范 2 混凝土结构设计规范 3 铁路隧道防排水技术规范 4 锚杆喷射混凝土支护规范 5 时速 350 公里客运专线铁路双线隧道复合式衬砌 6 新建时速 300 350 公里客运专线铁路设计暂行规定 7 地下工程防水技术规范 GB50108 8 高速铁路隧道设计规范条文 2 2 设计范围设计范围 柏秧田隧道工程设计范围 D2K629 580 D2K629 834 长 254m 2 3 总体线位总体线位 隧道左线位于 R 8000m 的曲线上 隧道右线位于 R 7995m 的曲线上 2 4 轨道类型轨道类型 隧道采用双式无碴轨道 轨道高度 49 7cm 2 5 一般规定一般规定 隧道设计应满足铁路交通规划的要求 其断面净空 建筑限界 隧道主体结构以 及照明 通风等设施 应按 高速铁路隧道设计规范条文 进行设计 2 6 隧道线路平面及纵断面设计隧道线路平面及纵断面设计 根据地形 地质 通风 路线走向等因素确定隧道的平曲线线形 根据隧道所处 地段地形图 隧道进口里程 D2K629 580 出口里程 D2K629 834 全长 254m 为单洞 双线高速铁路隧道 2 7 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计 2 7 1 隧道建筑限界的确定隧道建筑限界的确定 根据 高速铁路隧道设计规范条文 及相关设计标准的要求 该隧道为单洞双线 高速铁路隧道 设计行车速度为 350km h 为满足隧道缓解空气动力学效应的要求 隧道轨面以上 或救援通道底面以上 有效面积保持 100 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 4 175 244 170 65 65 398 170 123 17569 244 170170697474 图图 2 1 建筑限界图建筑限界图 2 7 2 隧道衬砌内轮廓的设计隧道衬砌内轮廓的设计 衬砌内轮廓 边墙的厚度以及拱顶 拱脚是事先根据净空和结构的要求 结合设计和 使用的经验来确定的 如图 2 2 243 160 17517080 8017017545160 R665 R665 R220 R220 45 图图 2 2 隧道衬砌内轮廓线隧道衬砌内轮廓线 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 5 2 8 支护形式选择支护形式选择 根据铁路使用要求 施工条件和隧道围岩地质条件 按照 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 中 衬砌结构设计 规定 按新奥法原理设计 该隧道应采用复合式 衬砌 即由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式 隧道形式采用 曲墙式 级围岩均设置仰拱 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 6 第三章第三章 洞口段设计洞口段设计 3 1 洞门设计洞门设计 隧道洞口位置根据隧道进出口地形和工程地质条件 结合开挖边仰坡的稳定性及 洞口排水的需要 本着 早进晚出 的原则确定 尽量减少洞口边仰坡开挖高度 同时 兼顾洞口地形 地质条件 选用经济 美观 和谐自然的洞门型式 根据隧道洞口地 形 工程地质条件 为了解决高速铁路空气动力学的问题 采用帽檐式斜切洞门 本隧道进 出口段均采用明挖法施工 回填后设计边仰坡坡率为 1 1 25 本洞门 结构系在洞口斜切面加设一斜切椭圆台面帽檐面构筑而成 该椭圆台面以衬砌斜切椭 圆面为底面 其轴线用过底面椭圆中心并与之垂直 洞门结构的设计同明洞衬砌 帽 檐的配筋按构造要求设置 并在与明洞结构衔接处设施工沉降缝 为了保证洞门的稳 定性和排水要求 洞门构造及基础设施如下 见图 3 1 1 洞门墙厚 1 8m 墙面倾斜 1 0 2 洞门墙基础嵌入地基深度 1 5m 2 洞口仰坡坡比采用 1 1 25 仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为 1 5m 以防仰 坡土石掉落到路面上 危及安全 3 洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度 1 6m 以免落石破坏拱 圈 4 洞门墙顶高出仰坡脚 1m 以防水流溢出墙顶 也可防止掉落土石弹出 5 水沟的尺寸为 50cm 50cm 沟底填土夯实否则会使水沟变形 产生漏水 164 243 250220250220 160 60 15 53 15 100 250 100 250 图图 3 13 1 洞门正面图洞门正面图 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 7 120 0 87870 105 0 170 96 269 30 80140 70 1700 90 50 100 180 图图 3 2 洞门剖面图洞门剖面图 3 2 洞门结构验算洞门结构验算 隧道的洞门 除了外观上的标志性作用和美观外 对于两端围岩地质较差的洞口 它还起着维护洞口边坡和仰坡稳定的功用 隧道洞门的计算 通常只考虑洞门结构的 强度和稳定性 而对刚度无需考虑 3 2 1 计算参数计算参数 1 边坡坡度 1 1 仰坡坡度 1 1 25 2 仰坡坡角 39 11 3 地层容重 3 20kN m 4 地层计算摩擦角 60 5 基底摩擦系数 0 4 6 基底控制应力 0 3MPa 3 2 2 建筑材料的容重和容许应力建筑材料的容重和容许应力 1 端墙的材料为水泥砂浆片石砌体 片石的强度等级为 MU100 水泥砂浆的强 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 8 度等级为 M10 2 容许压应力 重度 MPa2 2 a 3 t 22kN m 3 2 2 洞门尺寸拟定洞门尺寸拟定 根据 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 结合洞门所处地段的工程地质条 件 拟定洞门端墙高度 H 14 1m 其中基底埋入地基的深度为 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 1 6m 洞门端墙与仰坡之间水沟深度为 0 5m 洞门墙顶高出仰坡坡脚 1m 洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为 1 5m 墙 厚 1 8m 设计仰坡为 1 1 25 3 3 洞门验算洞门验算 3 3 1 洞门土压力计算洞门土压力计算 根据 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 最危险滑裂面与垂直面之间的夹 角 22 2 tantantan 1tan tantan tantan 1tantan tan tan 1tan tan 1tantan 3 1 式中 围岩计算摩擦角 洞门后仰坡坡角 洞门墙面倾角 代入数值可得 tan 0 64 故 arctan0 64733 根据 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 土压力为 3 2 2 00 1 2 EHhhhb tantan 1tantan tan 1tantan 3 3 tantan a h 3 4 3 5 0 tan 1tantan a h 式中 E 土压力 kN 地层重度 kN m 侧压力系数 墙背土体破裂角 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 9 b 洞门墙计算条带宽度 m 取 b 1m 土压力计算模式不确定系数 可取 把数据代入各式 得 0000 0000 tan33tan11 1tan11 tan39 0 217 tan 3345 1tan33 tan39 00 1 5 3 3m tan33tan11 h 0 0 00 1 5tan39 1 44m 1tan11 tan39 h 洞门土压力 E 2 00 2 3 1 2 1 20 0 21714 11 443 3 1 440 6 2 262 2kN m EHhhhb x 00 214 3kNsin262 2 cos 3011EE 00 sin262 6 sin 3011130 69kN y EE 式中 墙背摩擦角 3 2 3 1 3 3 2 抗倾覆验算抗倾覆验算 端墙计算简图如图 3 3 所示 挡土墙在荷载作用下应不致绕墙底脚 O 点产生倾覆 时应满足下式 3 6 6 1 0 0 M M K y 式中 K0 覆稳定系数 K0 1 6 My 直力对墙趾 O 点的稳定力矩 M0 水平力对墙趾 O 点的稳定力矩 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 10 图图 3 33 3 端墙计算简图端墙计算简图 由图 3 3 可知 墙身重量 G 1 8 14 1 1 22558 36kNG 对墙趾的力臂 x E 14 1 4 7m 33 x H Z 对墙趾的力臂 y E 0 tan14 1 tan11 1 82 7m 33 y H ZB G 对墙趾的力臂 0 tan1 6 14 1 tan11 2 3m 22 G BH Z 558 36 2 3 130 69 2 71637 09kN m yGyy MGZEZ 0 214 3 4 71007 2KN m xx ME Z 代入 3 6 得 0 1 621 6 y M K M 可知验算满足要求 3 3 3 抗滑动验算抗滑动验算 对于水平基底 按如下公式验算滑动稳定性 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 11 3 7 3 1 x E fN K 式中 Kc 滑动稳定系数 N 作用于基底上的垂直力之和 E 墙后主动土压力之和 取 E Ex f 基底摩擦系数 取 f 0 5 由图 3 3 可知 0 6 558 36130 690 4 1 321 3 214 3 y c x GE K E 可知验算满足要求 3 3 4 基底合力偏心矩验算基底合力偏心矩验算 设作用于基底的合力法向分力为 其对墙趾的力臂为 合力偏心距为 NN Ze 则 0 0 914m yGyyxx N MMGZEZEZ Z NN 1 8 0 9140 0140 2 e 合力在中心线的左侧 0 014 61 8 60 3eB 计算结果满足要求 max min 400 7kPa 364 8kPa 6689 056 0 014 1 1 1 81 8 N e BB max 400 70 4007MPa0 6MPakPa 计算结果满足要求 3 4 5 墙身截面偏心矩及强度验算墙身截面偏心矩及强度验算 1 墙身偏心矩e 3 8 B N M e3 0 式中 M 计算截面以上各力对截面型心力矩的代数和 N 作用于截面以上垂直力之和 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 12 232 14 114 11 8 214 3 130 69 232 386kPa xy HHB MEE y 558 36 130 69729 72kN mNGE 将数据代入墙身偏心矩e的公式 可得 386 0 5290 30 54 729 72 M eB N 计算结果满足要求 2 应力 3 9 b e b N b 6 1 729 720 529 6 11 122 2MPa 1 81 8 MPa 计算结果满足要求 通过以上的验算 说明洞门的尺寸合理 3 4 明洞设计明洞设计 3 4 1 明洞长度确定明洞长度确定 隧道出口段围岩级别均为 级 有较长的超浅埋段 为了施工上的方便 考虑把 超浅埋段设为明洞 坍落拱高度按下式计算 1 5 1 0 45 2 1 0 1 5 0 45 2 1 0 1 14 95 14 382m S h B 14 382m p hh 当埋深时 即为超浅埋隧道 hhp 考虑到隧道施工和整体美观协调 明洞长度确定为 进口 10m 出口 44m 3 4 2 土压力计算土压力计算 1 参数选取 回填土重度 M10 浆砌片石重度 计算内摩擦角 3 1 19kN m 3 2 22kN m 2 45 砼弹性模量 kPa1031 7 c E 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 13 2 土压力计算 拱圈回填土压力 3 10 hq 代入数据得 kPa36219 hq 侧压力 3 11 2 45tan 2 1 2c t H H e 代入数据得 1 6 685kPae 2 38 894kPae 3 5 明洞衬砌计算明洞衬砌计算 3 5 1 计算程序计算程序 理正隧道衬砌计算软件 3 5 2 计算参数计算参数 1 计算简图 图图3 43 4 计算简图计算简图 2 基本参数 规范标准 砼规范GB50010 2002 承载能力极限状态0 1 0 衬砌断面类型 马蹄形 每段计算的分段数 10 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 14 计算迭代次数 10 抗力验证要求 高 3 衬砌参数 底拱半径 17 129 m 底拱半中心角 16 400 度 底拱厚度 0 80 m 侧拱半径 6 875 m 侧拱角度 36 100 度 侧拱厚度 0 80 m 顶拱半中心角 89 900 度 顶拱拱顶厚度 0 80 m 底拱围岩弹抗系数 200 000 MN m3 侧拱围岩弹抗系数 200 000 MN m3 顶拱围岩弹抗系数 200 000 MN m3 衬砌的弹性模量 31000 000 MPa 4 荷载参数 底部山岩压力 侧 0 000 kN m 底部山岩压力 中 0 000 kN m 侧向山岩压力 上 6 685 kN m 侧向山岩压力 下 38 894 kN m 顶部山岩压力 侧 36 000 kN m 顶部山岩压力 中 36 000 kN m 内水压力水头 0 000 m 外水压力水头 0 000 m 外水压力折减系数 0 400 顶拱灌浆压力 20 000 kPa 顶拱灌浆压力作用范围角 60 000 度 其它段灌浆压力 0 000 kPa 衬砌容重 25 000 kN m3 5 荷载组合参数 编号 荷载名称 是否计算 分项系数 1 衬砌自重 1 00 2 顶岩压力 1 00 3 底岩压力 1 00 4 侧岩压力 1 00 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 15 5 内水压力 1 00 6 外水压力 1 00 7 顶部灌浆压力 1 00 8 其余灌浆压力 1 00 6 配筋计算 对称配筋 是 混凝土等级 C35 纵筋等级 HRB335 fy 300MPa fyk 335MPa 拉结筋计算 计算 拉结筋等级 HPB235 fy 210MPa fyk 235MPa 拉结筋间距 200 mm 配筋计算as 65 mm 配筋调整系数 1 00 裂缝计算 计算 最大裂缝宽度允许值 0 40 mm 单侧拟采用纵筋直径 20 mm 砼保护层厚度 50 mm 7 内力配筋计算 计算结论 经过5次计算 达到各点设定抗力条件和法向位移一致 表表3 13 1 内力及位移内力及位移 编 号 轴向力 N kN 剪力 Q kN 弯矩 M Kn m 切向 位移 U mm 法向 位移 V mm 转角 W 度 围岩 抗力 kPa 单侧 纵筋 As mm2 箍筋 面积 Av mm2 截面 验算 0 577 8230 0006 5600 0000 1480 0000 0900 0292 7满足 1 577 365 7 4068 388 0 0250 1510 0010 0900 0292 7满足 2 576 001 14 0701 13 703 0 0490 1630 0020 0900 0292 7满足 3 573 774 18 89521 892 0 0740 1880 0040 0900 0292 7满足 4 570 768 20 11031 652 0 1010 2340 0070 0900 0292 7满足 5 567 135 15 05140 598 0 1280 3120 0120 1900 0292 7满足 6 563 120 0 13044 810 0 1590 4310 0170 1900 0292 7满足 7 559 08428 88638 426 0 1930 5930 0220 1900 0292 7满足 8 555 51576 09413 501 0 2320 7920 0250 2900 0292 7满足 9 553 000143 994 39 608 0 2781 0010 0240 2900 0292 7满足 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 16 10 552 153231 140 130 917 0 3281 1660 0140 2900 0292 7满足 注 底拱 从中心向左等分10段 表表3 23 2 内力及位移内力及位移 编 号 轴向力 N kN 剪力 Q kN 弯矩 M Kn m 切向 位移 U mm 法向 位移 V mm 转角 W 度 围岩 抗力 kPa 单侧 纵筋 As mm2 箍筋 面积 Av mm2 截面 验算 0 578 762 152 754 130 917 0 9700 7250 0140 1900 0292 7满足 1 527 904 117 097 72 375 1 0340 7270 0040 1900 0292 7满足 2 541 755 29 29829 298 1 0950 666 0 0010 1900 0292 7满足 3 527 215 52 521 0 309 1 1510 5770 0030 1900 0292 7满足 4 514 989 29 34017 182 1 2000 484 0 0020 1900 0292 7满足 5 504 720 12 71826 072 1 2440 4010 0000 1900 0292 7满足 6 496 062 1 64129 008 1 2830 3360 0030 1900 0292 7满足 7 488 7325 36028 085 1 3180 2910 0060 1900 0292 7满足 8 482 5259 86724 725 1 3500 2610 0090 1900 0292 7满足 9 477 31613 34519 683 1 3810 2670 0120 1900 0292 7满足 10 473 04816 99113 135 1 4130 2600 0130 1900 0292 7满足 注 侧拱 从中心向左等分10段 表表3 33 3 内力及位移内力及位移 编 号 轴向力 N kN 剪力 Q kN 弯矩 M Kn m 切向 位移 U mm 法向 位移 V mm 转角 W 度 围岩 抗力 kPa 单侧 纵筋 As mm2 箍筋 面积 Av mm2 截面 验算 0 473 07716 16613 135 1 1430 2640 0130 1900 0292 7满足 1 463 93318 346 3 350 1 4880 2770 0150 1900 0292 7满足 2 453 23422 968 3 437 1 5630 2640 0110 1900 0292 7满足 3 440 57118 866 45 320 1 6280 1460 0030 0900 0292 7满足 4 423 811 2 193 53 663 1 660 0 156 0 0090 0900 0292 7满足 5 402 932 18 696 43 029 1 626 0 664 0 6640 0900 0292 7满足 6 380 285 27 924 19 900 1 499 1 327 0 0280 0900 0292 7满足 7 358 620 29 5228 466 1 260 2 037 0 0290 0900 0292 7满足 8 340 699 24 26534 881 0 913 2 699 0 0240 0900 0292 7满足 9 328 883 13 513 53 414 0 480 3 103 0 0140 0900 0292 7满足 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 17 10 324 7560 00060 0580 000 3 2580 0000 0900 0292 7满足 注 顶拱 从中心向左等分10段 7 抗裂计算 表表3 4 抗裂计算抗裂计算 编 号 轴向力 Nk kN 弯矩 Mk Kn m 单侧纵筋 As mm2 纵筋直径 mm 裂缝宽度 Wmax m m 拉筋应力 stress Mpa 0 577 8236 560900 02200 1 577 3658 388900 02200 2 576 00113 703900 02200 3 573 77421 892900 02200 4 570 76831 652900 02200 5 567 13540 598900 02200 6 563 12044 810900 02200 7 559 08438 426900 02200 8 555 51513 501900 02200 9 553 000 36 608900 02200 10 552 153 130 917900 0220 27222 2 注 底拱 从中心向左等分10段 表表3 5 抗裂计算抗裂计算 编 号 轴向力 Nk kN 弯矩 Mk Kn m 单侧纵筋 As mm2 纵筋直径 mm 裂缝宽度 Wmax m m 拉筋应力 stress Mpa 0 578 763130 917900 0220 25216 2 1 558 90472 375900 02200 2 541 755 29 298900 02200 3 527 215 0 309900 02200 4 514 98917 182900 02200 5 504 72026 072900 02200 6 496 06229 008900 02200 7 488 73228 085900 02200 8 482 52524 725900 02200 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 18 9 477 31619 685900 02200 10 473 04813 135900 02200 注 侧拱 从中心向左等分10段 表表3 6 抗裂计算抗裂计算 编 号 轴向力 Nk kN 弯矩 Mk Kn m 单侧纵筋 As mm2 纵筋直径 mm 裂缝宽度 Wmax m m 拉筋应力 stress Mpa 0 473 07713 135900 02200 1 463 933 3 350900 02200 2 453 234 23 437900 02200 3 440 571 45 320900 02200 4 423 811 53 663900 02200 5 402 932 43 029900 02200 6 380 285 19 900900 02200 7 358 6208 466900 02200 8 340 69934 881900 02200 9 328 88353 414900 02200 10 324 75860 058900 02200 注 顶拱 从中心向左等分10段 8 满足裂缝限制的配筋结果 衬砌内侧纵筋最大面积As 900 0mm2 外侧纵筋最大面积As1 900 0mm2 拉结筋 最大面积Av 467 0mm2 本设计中 明洞采用80cm厚C35钢筋混凝土 衬砌外侧钢筋N1取 22 250 内侧 钢筋N2取 22 250 纵向架立钢筋N3取 16 200 箍筋N4取 10 200 250 环向 纵向 截面尺寸 抗剪 验算 满足 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 19 图图3 53 5 变形图 设计值 变形图 设计值 mmmm 图图3 63 6 变形图 标准值 变形图 标准值 mmmm 图图3 53 5 轴力图轴力图 设计值设计值 kN kN 图图3 63 6 轴力图轴力图 标准值标准值 kN kN 图图3 53 5 弯矩图弯矩图 设计值设计值 mmmm 图图3 63 6 弯矩图弯矩图 标准值标准值 mm mm 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 20 第四章第四章 主洞衬砌设计主洞衬砌设计 柏秧田隧道支护结构采用复合式衬砌 分为初期支护和二次衬砌 初期支护采用 喷锚支护 二次衬砌采用现浇模筑 钢筋 混凝土 4 1 初期支护初期支护预设置预设置 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 锚杆采用全长粘结型锚杆 由工程类比法 结合 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 初期支护喷射混凝土材料采用 C30 级混凝土 4 2 围岩压力计算围岩压力计算 4 2 1 计算断面参数确定计算断面参数确定 隧道高度 H 内轮廓线高度 衬砌厚度 预留变形量 隧道宽度 B 内轮廓线宽度 衬砌厚度 预留变形量 故 H 1088 140 20 1248cm 12 48m B 1330 140 20 1490cm 14 9m 4 2 2 深浅埋段的确定深浅埋段的确定 4 1 hH p 5 2 2 式中 浅埋隧道分界深度 m p H 荷载等效高度 即塌落拱的高度 h 4 2 5 1245 0 1 Bih S 围岩级别 S 隧道宽度 本隧道取B 14 9m B 每增减 1m 时围岩压力的增减率 当时 取 当iB5mB 2 0 i 时 取 i 0 1 5mB 坍落拱高度按下式计算 V 级围岩 S 5 B 5 i 0 1 5 1 0 45 21 0 114 9 514 328mh 荷载等效高度 14 328m q q h hh 浅埋隧道分界深度 pq H 2 5h 2 5 14 328 35 82m 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 21 根据勘查报告 V 级围岩段分为浅埋段 超浅埋段 4 2 3 围岩压力围岩压力 1 深埋隧道 坍落拱高度 51012450 1 B h S 垂直压力 hq 水平均布压力根据表 4 1 计算 表表 4 1 围岩水平均布压力围岩水平均布压力 围岩级别 IVV 平均布压力ep15 0 q 220q 400 2 埋深小于或等于等效荷载高度的隧道 q h 垂直压力 4 3 Hq 侧向压力 4 4 2 45tan 2 1 2 c t H H e 隧道埋深 H 隧道高度 t H 值见表5 4 c 表表 4 2 各级围岩物理力学指标标准值各级围岩物理力学指标标准值 围岩级别重度 kN m3 弹性抗力 系数 k MPa m 变形模量 E GPa 泊松比 内摩擦角 粘聚力 C MPa 计算摩擦 角 c 25 271200 180020 330 2 0 2550 601 5 2 170 80 23 25500 12006 200 25 0 339 500 7 1 560 70 IV20 23200 5001 3 60 3 0 3527 390 2 0 750 60 V17 20100 2001 20 35 0 4520 270 05 0 240 50 3 埋深大于小于等于的隧道 q h p H 隧道埋深大于等效荷载高度而小于等于分界深度时 为了便于计算 假定围 q h p H 岩中形成的破裂面是一条与水平成 角的斜直线 图 4 1 EFHG 岩土体下沉 带动两 侧三棱土体 FDB 和 ECA 下沉 整个岩土体 ABCD 下沉时 又要受到未扰动岩土体的 阻力 斜直线 AC 或 BD 是假定的破裂面 分析时考虑粘聚力 C 并采用计算摩擦角 另一滑面 FH 或 EG 则并非破裂面 因此 滑面阻力要小于破裂面的阻力 若该滑面 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 22 的摩擦角为 则 值应小于 值 图图 4 1 浅埋隧道围岩压力计算浅埋隧道围岩压力计算 垂直压力 4 5 B H Hq t 浅 tan1 式中 坑道宽度 t B 水平侧压力 4 6 21 2 1 eee H e 1 h e 2 坑道底部到地面的距离 h 侧压力系数 4 7 cc c tantantantantan1tan tantan 4 8 c cc c tantan tan1tan tantan 2 利用各公式 计算各级围岩压力如下 1 V 级围岩 浅埋 tan1 B H Hq 浅 ii he tantan tan tantan1tan tantan cc c tantan tan 1 tan tantan 2 c cc c 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 23 式中 级围岩取 3 19kN m 级围岩取 c 45 c 25 顶板土柱两侧摩擦角 0 615 内外侧任意点至地面的距离 m i h 产生最大推力时的破裂角 2 tan 451 tan45 tantan452 2 tan45tan17 5 2 2tan45 0 19 2 212 2 tan45tan15 tan45 tan15 33 19 33 10 19 tan15 416 2kPa 14 9 q 浅 1 19 33 0 19119 13kPae 2 19 45 38 0 19163 82kPae 2 12 11 119 32 163 82141 57kN m 22 eee 2 V 级围岩 超浅埋 取 14 9m q Hh 12 48 t Hm 45 c 2 19 14 9283 1kN mq H 2 2 2 1 tan45 22 145 1914 9tan45 2 12 482 51 267kN m c t o o eH H 各级围岩压力列表如下表 4 4 表表 4 4 各级围岩压力列表各级围岩压力列表 围岩级别埋深类型荷载类型数值 kN m2 q 283 1 超浅埋 e51 267 q 416 2 V 浅埋 e119 13 4 3 初期支护设计初期支护设计 本隧道处在 级围岩中 开挖半径为 现以 级围岩取最大埋深 33m 处7 45ma 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 24 为例计算 支护材料取喷射混凝土采用 C30 厚度为 25cm 钢筋网选用钢筋 钢筋直235Q 径 8mm 网格间距cm 锚杆为全长粘结型 选用 HRB335 22 钢筋 长度20 20 3 5m 间距 0 8 0 8m 钢支撑选用工字钢 每榀间距 1m 20 采用剪切滑移破坏法计算 图图 4 2 剪切滑移破坏法示意图剪切滑移破坏法示意图 现假定锚杆 钢支撑 喷射混凝土所组成的联合支护 它们的总支护抗力可视为 各支护抗力之和 即 4 9 4321 ppppp 式中 所提供的总的支护抗力 p 喷混凝土提供的支护抗力 1 p 钢支撑提供的支护抗力 2 p 锚杆提供的支护抗力 3 p 围岩本身提供的支护抗力 4 p 计算所得的值应大于阻止剪切滑移所需的最小支护抗力值 即 p min pp 4 3 1 喷混凝土提供的支护抗力喷混凝土提供的支护抗力值值 1 p 4 10 cos sin 2 1 s ss b d p 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 25 式中 喷混凝土厚度 s d 喷混凝土抗剪强度 取 为喷射混凝土的抗压强度 s s 0 43 c c 喷混凝土的剪切角 取 s 30o s 剪切区高度 b 剪切滑移面的平均倾角 取经验数据 2 0 a Wa ln tan 1 0 其中 取 a 见图 4 2 b 为剪切区高度 o 60 为加固带厚度 取值为 W a a t a t a t a t a t laW 22 cos 2 sin 42 tan 2 sin 2 cos 式中 形成加固带时锚杆的有效长度 l 锚杆横向间距 见图 4 2 t 得 250 25m s dcm 0 430 43 14 36 149MPa sc 则 取 o 60 o b 7 45 cos603 725m 2 b7 45m 0 8 sin 0 80 80 8 2 7 35 7 453 5 cos sin tan 7 45 0 8 2 7 452 7 452 7 454 cos 2 7 454 3 55m W 0 17 453 55 60ln72 89 tan607 45 72 8960 26 45 oo o o 将所有数据代入式 4 10 得 1 2 0 25 6 149 cos6 450 82MPa 7 45 sin30 o o p 4 3 2 钢支撑提供的支护抗力钢支撑提供的支护抗力值值 2 p 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 26 图图 4 3 混凝土支护抗力示意图混凝土支护抗力示意图 计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力 即 4 11 cos sin 2 2 t ts b F p 式中 每米隧道钢材的当量面积 取 35 5 s F 2 cm 钢材的抗剪强度 一般取 为钢材的允许抗拉强度 也可 t 1 2 tt t 用 st 15 钢材剪切角 一般采用 t 45 t 得 15 6 14992 235MPa t 代入式 4 11 中 得 4 2 2 35 5 1092 235 cos6 450 124MPa 7 45 sin45 o o p 4 3 3 锚杆提供的支护抗力锚杆提供的支护抗力值值 3 p 锚杆受力破坏又两种情况 1 锚杆体本身的强度不足而被拉断 这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力 为 3 p 4 12 te F p 3 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 27 式中 锚杆的断面积 F 锚杆的抗拉强度 锚杆的纵向及横向间距 te 则 6 3 379 94 335 10 0 199MPa 0 8 0 8 p 2 锚杆粘结破坏 即砂浆锚杆与孔壁之间粘结力不足而破坏 锚杆提供的平均 径向支护抗力 为 3 p 4 13 te S p 3 式中 为锚杆抗拔力 即锚杆的锚固力 S 钻孔直径 在此设计中取 D100mmD 锚固段长度 L 孔壁与注浆体之间的极限粘结强度 页岩 s 0 40MPa s 则 0 1 3 5 0 40 44kNS 代入 4 13 式中 得 3 3 0 44 10 0 69MPa 0 8 0 8 p 则取锚杆提供的平均径向支护抗力为 3 0 199MPap 330 1 coscos cos 1 0 199 cos60cos72 81 0 0814MPa cos60o pp 4 3 4 围岩本身提供的支护抗力围岩本身提供的支护抗力值值 4 p 剪切滑移体滑动时 围岩在滑面上的抗滑力 其水平方向的分力在剪切区高度 上的抗滑力为2b 4 p 4 14 b S b S p nn sin2cos2 4 式中 剪切滑移体长度 S 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 28 1 sin tan 2 e ar S exp tan10 98mra tan 233 10 987 45 e1 4 076m sin 3 S 分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力 它们按摩尔包 nn 络线为直线时的假定求出 见图 4 15 sin 22 cos 2 3131 31 n n 由图 4 4 可知 tan cos 2 31 n c 将式 4 15 中的值代入上式 得 n 4 16 cos sin1 tan 2 331 c 图图 4 4 包络线图包络线图 式中的为围岩物理力学指标 径向主应力值随剪切滑移面上的位置而变化 c 3 难以确定 所以假定等于各支护结构所提供的径向支护抗力之和 即 3 3 2 13 ppp 式中 喷混凝土层提供的径向支护抗力 1 p 1 22 0 25 6 15 0 826MPa sin7 45 sin30 ss s d p b 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 29 钢支撑提供的径向支护抗力 2 p 4 2 22 35 5 1092 235 0 125MPa sin7 45 sin45 st o t F p b 锚杆提供的径向支护抗力 3 p 3 0 199MPa F p e t 则 3123 0 8260 1250 1991 15MPa ppp 将值代入 4 16 式得 3 1 1 sin25 1 152 0 1 1 143 tan25 cos25 3 147MPa 将代入 4 15 式中 31 3 147 1 15 cos250 9MPa 2 n 3 147 1 153 147 1 15 sin251