铁路隧道进口段结构与施工组织设计毕业论文.doc

i 铁路隧道进口段结构与施工组织设计毕业论文铁路隧道进口段结构与施工组织设计毕业论文 目 录 前前 言言 1 第一章第一章 隧道工程概况隧道工程概况 2 1 1 工程简介 2 1 2 工程地质及工程条件评价 2 1 2 1 地层岩性 2 1 2 2 地质构造 3 1 2 3 水文地质特征 3 1 2 4 隧道涌水量 3 1 2 5 隧道围岩分级 3 1 3 不良地质及特殊岩土问题 4 1 4 地震烈度及气象资料 4 1 4 1 地震烈度 4 1 4 2 气象资料 4 1 5 隧址场地工程适宜性评价 4 第二章第二章 隧道总体设计隧道总体设计 6 2 1 一般规定 6 2 2 隧道的线形设计 6 2 3 主要技术标准 6 2 4 设计规范和要求 6 2 5 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计 7 2 5 1 隧道建筑限界的确定 7 2 5 2 隧道衬砌内轮廓的设计 8 第三章第三章 洞门设计洞门设计 9 3 1 洞门概述 9 3 2 洞口地质条件 9 3 3 洞门的设计方案 9 3 3 1 洞门形式 9 3 3 2 洞门构造要求 9 3 3 3 洞门尺寸拟定 10 ii 3 3 4 洞门计算 10 3 3 5 计算参数 10 3 3 6 建筑材料的容重和容许应力 12 3 4 洞门验算 12 3 4 1 洞门土压力计算 12 3 4 2 洞门结构验算 13 第四章第四章 支护计算与设计支护计算与设计 16 4 1 概述 16 4 2 初期支护设计 16 4 2 1 级围岩初期支护计算 16 4 2 2 喷射混凝土提供的支护抗力 P1 值 17 4 2 3 钢支撑提供的支护抗力 P2 值 19 4 2 4 锚杆提供的支护抗力 P3 值 20 4 2 5 围岩本身提供的支护抗力值 21 4 p 4 2 6 最小支护抗力值 23 min p 第五章第五章 二次衬砌计算二次衬砌计算 26 5 1 绪论 26 5 2 计算条件 26 5 3 隧道深浅埋类型的确定 26 5 4 级围岩围二次衬砌计算 27 5 4 1 围岩压力的确定 27 5 4 2 级围岩二衬理正验算 28 5 4 3 级围岩二衬计算条件 29 5 4 4 级围岩二衬内力配筋结果 31 5 4 5 级围岩二衬内力配筋计算 31 5 4 6 级围岩二衬裂缝计算 33 5 5 IV 级围岩围二次衬砌计算 37 5 5 1 设计要求 38 iii 5 5 2 隧道深浅埋类型定 38 5 5 3 围岩压力的确定 38 5 5 4 IV 级围岩围二次衬砌计算 39 5 5 5 IV 级围岩围二次衬砌计算条件 39 5 5 6 内力配筋结果 41 5 5 7 内力配筋计算 42 5 5 8 裂缝计算 43 第六章第六章 施工组织设计施工组织设计 47 6 1 概论 47 6 2 施工总体方案 47 6 3 开挖设计 48 6 3 1 明挖法 48 6 3 2 全断面开挖 49 6 3 3 台阶法施工 49 6 3 4 带临时仰拱的台阶法 51 6 4 爆破设计 52 6 4 1 级围岩段爆破设计 52 6 4 2 级围岩段爆破设计 53 6 4 3 V 级围岩段爆破设计 54 6 4 4 爆破施工 55 6 5 地质超前预报 57 6 6 超前支护 57 6 6 1 超前小导管设计参数 57 6 6 2 超前小导管施工 57 6 7 初期支护 57 6 7 1 喷射混凝土 58 6 7 2 锚杆 58 6 7 3 钢筋网 61 6 7 4 格栅钢架 61 6 8 二次衬砌 62 6 8 1 概述 62 6 8 2 二次衬砌施工准备工作 63 6 8 3 混凝土的灌注 养护与拆模 63 iv 第七章第七章 防排水及通风设计防排水及通风设计 64 7 1 防排水设计 64 7 1 1 施工缝 变形缝防水 64 7 1 2 隧道洞口防排水 65 7 1 3 洞顶截水天沟设计 65 7 1 4 洞内外排水衔接 65 7 1 5 治水过程中的环境问题 65 7 2 隧道通风 66 7 2 1 隧道通风类型 66 7 2 2 隧道通风设计 66 第八章第八章 监控量测监控量测 67 8 1 量测目的 67 8 2 监控量测项目 67 8 3 监控量测的主要设备 67 8 4 监控量测流程 68 8 5 监控量测测点布置 测量断面 68 8 5 1 地表沉降监测 68 8 5 2 洞内监控量测 69 8 5 3 围岩压力和两层衬砌间压力量测 69 8 5 4 数据分析与反馈 70 第九章第九章 结论结论 71 参参 考考 文文 献献 72 致致 谢谢 73 1 前前 言言 随着我国经的高速发展 现有的交通远远不能满足城市交通的发展需求 我国的 各重要城市常常出现交通拥挤的现象 同时过长的通行时间严重阻碍经济达地区之间 的交流和经济发展 因此发展高级交通网一个解决交通问题的重要手段 而高速铁路 隧道在其中发挥了突出作用 它不但可以承受具大的交通 还可以缩短各城市的距离大大提高运行效率 为用户提供了安全 方便 快 经 济的交通运输条件 全面促进城市的经济繁 所谓要致富先修路 解决路的问题就解 决了经济发展的部分问题 而我国的云南地区基本上是山区 在修铁路和高速公路的 时候必须穿越许多的山地 因此必须修建量的隧道 在这种形势下 对隧道工程的需 求将会越来越大 隧道程的数量将大幅度增加 隧道的长度也将明显长 本次设计通 过结合工程实际进行业设计 有助于我们更加真实的了解隧道的设计过程及各项参数 明白各种数据的来源和具体含义等 本道的设计内容要包括隧道面 纵断面 横断面 的设计 洞门的设计 隧道砌结设计和计算 隧道通风的计算 确定适的施工工艺等 2 第一章第一章 隧道工程概况隧道工程概况 1 1 工程简介工程简介 新庄道位于兴新庄西北部 行政区划江县隆昌乡及波乡管辖 进口程 DK62 516 出口里程 DK625 373 中心里程 DK623 942 全长 2864m 属特长隧道 地面高程 653 5m 1199 0 之间 相对高差最大约 545 5m 隧道埋深较深 隧道身最大埋深 230m 设计单面上坡 坡度为 10 7 隧道为单双线隧道 隧道洞身穿越域构造侵蚀 溶蚀槽谷地貌区 槽谷的发育多与断层等构造走向线一致 呈状分布 谷底有河流沟溪 坡 麓自然斜陡峻 坡角达 25 30 常为地下水的集中排泄和地表冲沟源头 地表植被较 发育 隧道洞身穿越区域村寨及隧道进出 口区域都有简易公路相通 交通便利 1 2 工程地质及工程条件评价工程地质及工程条件评价 1 2 1 地层岩性地层岩性 根据现场测绘及工程地质勘探揭示 隧址区地层岩性主要特征简述如下 隧道去缓坡地带覆盖有第四季全新统坡洪积层 志留系中统翁项组 奥陶系下统大湾组 奥陶系下统红花园组 奥陶系下统桐梓组 寒武系中上统娄三关群 地层由新到老分述如下 1 粉质粘土 红粘土 褐黄色 硬塑 含白云质及砂岩质碎块 砾 土 土质不均 主要分布于隧道两端洞口外低洼处及洞身段局部沟槽地貌中 厚度 2 5m 属 级普通土 2 粉质粘土 黄褐色 硬塑状 质地均匀 主要分布于缓坡地带 厚度 0 2m 属 级普通土 3 志留系中统翁项组岩性为页岩泥岩夹砂岩 多灰绿色 灰黄色 泥质结 构 薄层 中厚层构造 强风化带节理发育 岩质软弱 岩体破碎呈碎石土状 属 级软石 强分化带节理发育 多呈块状 属 级软石 4 奥陶系下统大湾组 奥陶系下统红花园组岩性为页岩夹砂岩 灰岩 多灰绿色 浅黄色 泥质结构 薄层 中厚层构造 强风化带节理发育 岩质软弱 岩体破碎呈碎石土状 属 级软石 强分化带节理发育 多呈块状 属 级软石 5 奥陶系下统桐梓组岩性为白云岩夹页岩 浅灰色 灰白色 隐晶质结 构 中厚层构造 强风化带节理裂隙很发育 岩质软弱 岩体完整性差 属 级次坚石 弱分化带节理裂隙发育 局部裂隙面有溶蚀现象 属 级次坚石 3 6 隐寒武系中上统娄三关群岩性为白云岩夹灰岩 灰色 浅灰色 灰白 色 晶质结构 中厚 厚层状构造 强风化带节理裂隙很发育 岩质破碎 岩 体完整性差 属 级次坚石 弱分化带节理裂隙较发育 局部裂隙面有溶蚀现 象 岩体较破碎 属 级次坚石 1 2 2 地质构造地质构造 隧区发育有 F43 断层 为逆冲滑移断层上升盘为奥陶系下统桐梓组 下降 盘 南盘 为奥陶系下统大湾组 奥陶系下统红花园组 断层走向为 N60 70 W 倾向 NE 倾角为 85 与线路交于 DK623 434 附近 交角为 45 55 断层间距及断层破碎带宽不详 1 2 3 水文地质特征水文地质特征 本区地下水类型主要分为第四系松散土层空隙水 基岩裂隙水 岩溶水 根据地质分析报告 水质类型以 HCO 3 SO 4 2 Ca 2 Mg 2 HCO 3 C 2 型为主 根据 铁路混凝土机构耐久性设计暂行规定 在环境作用类翁别为化 学腐蚀环境 氯盐环境时 水中 SO 4 2 对混凝土结构的侵蚀作用等级为 H1 侵蚀性 CO 2 对砼结构无腐蚀作用 H 对混凝土结构无腐蚀 1 2 4 隧道涌水量隧道涌水量 推荐隧道正常涌水量 Q 6800m 3 d 雨洪期最大涌水量 Q 13600m 3 d 1 2 5 隧道围岩分级隧道围岩分级 围岩分级如表 1 1 表 1 1 围岩分级 围岩等级桩号长度 m DK622 516 DK622 57155 DK622 571 DK622 836255 DK622 836 DK622 93195 DK622 931 DK622 95120 DK622 951 DK623 181230 DK623 181 DK623 20120 DK623 201 DK623 351150 DK623 351 DK623 37120 DK623 371 DK624 3711000 4 1 3 不良地质及特殊岩土问题不良地质及特殊岩土问题 根据现场勘测 隧道不良地质为岩溶及岩溶水 断层及顺偏压 特征粘土为红粘 土 分述如下 岩溶及岩溶水 隧道进口段均为白云岩夹灰岩地层 上述区段岩溶发育程度为 弱 中等 隧道开挖遇到大型岩溶管及溶洞可能性较小 岩除对隧道稳定性有影响外 期间丰富的岩溶水产生的岩溶塌陷 突水 突泥等不良地质对隧道工程的影响较大 断层 F43 断层 为逆冲移断层上升盘为陶系下统梓组 下降盘 南盘 为奥陶系下统大湾组 奥陶系下统红花园组 断层走向为 N60 70 W 倾向 NE 倾角为 85 与线路交于 DK623 434 附 交角为 45 55 断层间距及 断层破碎带宽不详 顺层偏压 DK623 434 DK623 368 段线路左侧在顺层偏压 岩层产状为 N47 65 E 19 26 N 与线路中线夹为 5 28 横断面视倾角 19 26 底层为奥陶 系下统大湾组 陶下统红花园组页夹砂岩 灰岩 奥陶系下统桐梓组 岩性为白云岩 局部页岩 红粘土 为碳酸盐表破残积层 土质不均 局部为膨胀土 自由膨胀率为 Fs 20 62 一般厚 0 2m 局部度 5 8m 该层具有天然密度小 孔隙比大 液限高的 特点 1 4 地震烈度及气象资料地震烈度及气象资料 1 4 1 地震烈度地震烈度 隧址区根据 中国地震动峰加速度区划图 1 400万 地震动峰加速度 0 05g 地 震动反应谱特征周期为 0 35s 1 4 2 气象资料气象资料 隧址区地处亚热带湿润季风气候 冬季受北部寒潮的影响较弱 夏季受东南海洋 季风影响显著 具有温和湿润气候特征 据江 都匀 凯里等六个气象站 1960 1978 年气象观测资料 多年平均气温 14 5 摄氏度 历极端最高气温 6 7 摄氏度 历年极端 最低气温 3 7 摄氏度 年平均降水量为 1448 1mm 日最大降雨量 123 3 256 mm 多持 续降雨天数 15 23 天 相对度 14 5 15 9 1 5 隧址场地工程适宜性评价隧址场地工程适宜性评价 隧道洞身穿越区域全为酸岩分布区 具构造蚀 溶蚀槽谷貌特点 槽谷的发育多 与断层 大型节理等构造走向线致 山体两侧坡麓自然斜坡陡峻 坡角达 25 40 度 5 常为地下水的集中排泄和地表冲沟源头 隧址区地处热带湿润季风气候 围岩分级在 之间 对于隧道区岩溶总体不发育 但可溶性岩与非可溶性岩接触界面产生溶蚀 可能发育顺接触界面的溶隙 雨季施沿溶蚀裂隙汇聚的地下水可能层面汇集后涌入隧 道 且在局部裂隙带仍可能存在积水腔囊 存在用水可能 施工中可通过超前预报 加强排水和支护等措施予以处理 隧道口 DK622 516 DK623 9 段 第四季全新统坡 洪积层 Q 4 dl pl 寒武系中上统娄三关群 强风化带节理裂隙很发育 岩质破碎 岩体完整性差 属 级坚石 弱分化带节理裂隙较发育 局部裂隙 面有溶蚀现象 岩体较破碎 属 级次坚石 应加强防及衬砌措施 据深孔钻探资料 道址区深部地层有夹煤层也无瓦斯等有害体 没有特殊地质 综上 场地适宜隧道建设 6 第二章第二章 隧道总体设计隧道总体设计 2 1 一般规定一般规定 隧道设计应满足 高速铁路隧道设计规范 的要求 其建筑限界 断面净空 隧 道主体结构以及通风 照明等设施 应按 高速铁路隧道设计规范 进行设计 2 2 隧道的线形设计隧道的线形设计 新庄隧道位于兴县新庄村西北部 工点起讫里程为 DK622 516 DK623 942 进口 段长 1426m 地面高程 653 5m 1199 0m 之间 相对高差最大约 545 5m 隧道洞身穿 越区域构造侵蚀 溶蚀槽谷地貌区 丘陵自然坡度较陡 纵然坡脚一般为 50 65 隧道为 单洞双线隧道 坡麓自然斜坡陡峻 坡角达 25 30 度 常为地下水的集中排泄和地表的 冲沟源头 地表植被较发育 隧道洞穿越区域各村寨及隧道进出 口区域都有简易公路相 通 交通便利 隧道埋深较深 隧道洞身最大埋深 230m 设计单面上坡 坡度为 10 7 2 3 主要技术标准主要技术标准 表 2 1 技术标准 编号项目参数 1铁路等级客运专线 2正线数目双线 3速度目标值250km h 基础设施预留进一步提速条件 4正线线间距5 0m 5最大坡度25 6列车类型动车组 7到发线有效长度650m 8列车运行控制方式自动控制 9运输调度方式综合调度集中 2 4 设计规范和要求设计规范和要求 本隧道为单洞两车道高铁特长隧道 隧道建筑界按 250km h 行车速度确定 主要 遵循规范如下 1 新建时速 200 20 公里客运专线铁路计暂行规定 2 铁建设 2005 140 7 2 铁路隧道设计规范 3 TB10003 2005 铁道第二勘察设计院主编 3 混凝土结构设计规范 GB50010 2010 4 2 5 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 5 1 隧道建筑限界的确定隧道建筑限界的确定 根据 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 及相关设计标准的要求 本隧道单洞 双线客运铁路隧道 设计行速目标值为 250km h 隧道净空有效面积 隧道内设 2 90m 双侧贯通救援通道 救援通道宽 1m 高 2m 工程技术作业空间宽度 0 8 高度 2 2m 隧道线间距与洞外相同 112288150150 15 160500160 245 170 86 隧 中 线 道 线 中 线 路 线 中 线 路 990 图 2 1 隧道建筑限界 2 5 2 隧道衬砌内轮廓的设计隧道衬砌内轮廓的设计 按照 新建时速 200 250 公里客运专线铁路设暂行规定 2 的一般规定 按新奥 法原理设计 该隧道采用复合式衬砌 即由初期支护和二次衬及中间夹防水层组合而 成的衬砌形式 道形式采用曲墙式 隧道内轮虑隧道限界和线间距 缓解气动力学效应 对隧道净空横断面面积的要求 养护维修 程技术作和其他使用要求所需空间 本隧 道为一级隧道 据以上规定及关要求和该隧道的体情况 初步拟定隧道内轮廓的尺寸 如下 8 1 线 中 线 路 隧 中 线 道 线 中 线 路 30 R220 16 74 R641 838 30 180 160220460220160 1220 O 227 图2 2 级围岩隧道衬砌内轮廓线 1 内设双侧救援通道和安全空间 道宽 1 5m 高 2 2m 救援通道线距线路中线 2 4m 2 本隧道设计工程技术作业空间为 03m 沿隧道衬砌轮廓内侧环向设置 如图中 虚线所示 3 II 级 III 级围岩仰拱 设钢筋混凝土底 IV 级和 V 级围岩设置仰拱 4 衬砌内轮廓 边墙的厚度以及顶 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 9 第三章第三章 洞门设计洞门设计 3 1 洞门概述洞门概述 洞门是各种隧的咽喉 隧道附近的土体通常较碎散 易于失稳 易产生滑或塌的 现象 为了维护岩土体的稳定性和使车不受崩 落石的威协 保证行车安全 根据隧 道的具体情况 选择恰当合理洞门形式 同时还应适度进行洞门的化 并注意环保要 求 洞门可以拦截 汇集地表水 并沿排道排出洞门 入两侧排水沟 防止地表水沿 洞门漫流 3 2 洞口地质条件洞口地质条件 该隧道洞口围岩级为 级 岩性为强风化 弱风化白云岩页岩 强风化带节理裂 隙很发育 岩质破碎 岩体整性差 级次石 弱分化带节理裂隙较发育 局 部裂隙面有溶蚀现象 岩体较碎 属 次坚石 3 3 洞门的设计方案洞门的设计方案 3 3 1 洞门形式洞门形式 隧道洞口位置根据隧道进出口地形工程地质条件 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 本隧道进口段 DK622 516 DK623 942 为 级围岩 隧道属于围岩条件较差 边坡较高的深长 路堑进洞的隧道 进口地形等高线与路线近乎正交 同量减少洞口边开挖高度 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等综考虑 本隧 道洞门采用抗倾覆 抗滑移性能较好的端墙式洞门 3 3 2 洞门构造要求洞门构造要求 按 铁路隧道设计规范 3 TB10003 2005 洞门构造要求为 1 洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜于 1 5m 洞门端墙与仰间水沟的沟底 至衬拱顶的高度不小 1 0m 洞门墙顶高仰坡脚不小于 0 5m 2 洞门墙应根据实需要设置缩缝 沉降缝和泄孔 洞门的厚度可计算或结合他工 程类比确定 3 洞门墙基础必须置于稳固地基上 埋置足够深度 基底埋入土质地基的深度不 小于 1 0m 嵌入岩石地基的深度不小于 0 5m 基底标高应在最大结线以下不小于 0 25m 基底埋置深度应大于边种沟 槽基底的埋深度 4 洞门结构应满足抗震要求 10 3 3 3 洞门尺寸拟定洞门尺寸拟定 根据 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 规定 结合隧道具情况 为了保证洞 门的稳定性和排水要求 洞门构造基础设施下 见图 3 1 1 洞门端墙厚 1 5m 墙面倾斜均为 1 0 1 2 洞门端墙基础嵌入地基度 1 5m 3 洞口仰坡坡比采用 1 25 仰坡坡脚至洞门墙背的水平离为 1m 以防仰坡石掉 落到路面上 危安全 4 洞门端墙与仰坡间水沟的沟底砌拱顶外缘的高度 1 6m 以免落石破坏拱圈 5 洞门墙顶高出仰坡脚 1 2m 以防水流溢出墙顶 也可防止掉落石弹出 6 水沟的尺寸 50cm 50cm 沟底填土夯否则会水沟变形 生漏水 图 3 1 洞门正面图 3 3 4 洞门计算洞门计算 隧道的洞门 除了外观上的标志性作用和美观 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用 隧道洞门的算 通常只考的强度和稳定性 而对刚度无需考虑 铁路隧道设计规范 TB10003 2005 规 3 3 5 计算参数计算参数 1 挡土墙边 仰坡坡度 1 1 25 2 仰坡坡角 0 30 0 1 tan 3 地层容重 4 地层计算摩擦角 0 45 5 基底摩擦系数 0 4 6 基底控制应力0 4M Pa 表 3 1 洞门墙设计参数 仰坡坡 率 计算摩擦 角 容重 3 kN m 基底摩擦系 数f 基底控制压应力 MPa 1 0 570250 600 80 1 0 7560240 500 60 1 150200 400 40 0 35 1 1 2543 45180 400 30 0 25 11 1 1 538 40170 35 0 400 25 90458124 216 900 2118 8514070838 图 3 2 洞门剖面图 3 3 6 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 墙身材料为现浇混凝土挡墙 混凝土等级为 MU100 2 容许压应力 度 a 4 9MPa 3 t 23kN m 3 4 洞门验算洞门验算 3 4 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 洞门侧墙构造图示具体见图 3 3 最危险滑裂面与垂面之间的夹角 tantan1 tan tan1 tan tantan1 tan tantan tantan1 tantantan tan 2 22 3 1 12 a H h h k H 当a 0时 o 图3 3 侧墙构造图 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 0 504 故 arctan0 504 26 748 土压力为 3 2 bhhhHE 0 0 2 2 1 3 3 tantan1 tan tantan1 tan tan 3 4 tantan a h 3 5 tan 0 ah 式中 E 土压力 kN H 洞门土压力计算高度 H 1 6 10 3 11 9m 地层重度 取 19kN m3 侧压力系数 13 墙背土破裂角 b 洞门墙计算条宽度 m 取 b 1 0m 进行计算 a 洞门墙背至仰坡坡脚的水平距离 为 1 5m 土压力计算模式不确定系数 取 0 6 把数据代入上述各式 得 14646 0 66 38tan47 26tan1 5047 26tan 66 38tan6tan1 6tan47 26 tan m14 2 6tan47 26tan 5 1 h m2 166 38tan5 1 0 h 27 1256 012 114 2 2 19 1114646 0 20 2 1 2 EkN27 125 E kN44 114630cos27 125cos EEx kN95 50630sin27 125sin EEy 式中 墙背摩擦角 1 3 2 3 取 为30 3 4 2 洞门结构验算洞门结构验算 采用端墙式洞门 洞门墙视为挡土墙 按极限状态验强度 并应验算绕墙趾覆及 沿基底滑动的稳 1 滑动定性验算 对于水平基底 如下公式验滑动稳定性 滑移稳定性系数 1 3 y c x GE f K E 3 6 式中 G 端墙自重 根初步拟定的端墙洞门 墙高 H 13 2m 厚 B1 5m 采砌块石 回填墙身 其重度为 23kN m F 端墙基底摩擦数 取 f 0 4 Ex 挡土墙水平分力 Ey 挡土墙竖直分力 所以有 kN4 4555 123 2 13 G 又因为前面计算得出 kN44 114 x E kN95 50 y E 14 将各参数代入 3 6 式可得 3 177 1 c K 所以 端墙满足抗滑稳定性要求 2 倾覆稳定性算 挡土墙在荷载作用下墙趾产倾覆时满足下式 抗倾覆系数 0 0 1 5 y M K M 3 7 其中 K0 倾覆稳定系数 My 全部垂直力对墙的稳力矩 M0 全部水力对墙趾的稳定力矩 3 8 yyGy ZEZGM 3 9 xx ZEM 0 式中 Zx Ex对墙趾的力臂 Zy Ey对墙趾的力臂 ZG G 对墙趾的力臂 m4 3 3 2 13 3 HZx m9 1 3 6tan2 13 5 1 3 tan H BZy m41 1 2 6tan 2 135 1 2 tan HB ZG 将各参数代入上述各式中可得 mkN06 7399 195 5041 1 5 455 y M mkN 1 3894 344 114 0 M 代入 3 7 式可得 5 19 1 1 389 06 739 0 K 故抗倾覆稳定性满足要求 3 合力偏心距及基底应力验算 洞门基底应力验算 使要求洞基础不能因底承载力不足而发沉陷 洞基底应力的计 算 可假设基应力呈直线分布 合力到洞门外侧脚的距离 15 3 10 N MM a y 0 kN5 455 GN 代入 3 10 式可得 m678 0 5 455 1 38906 739 a 则竖向合力作用点与门墙地中心的离为 m25 0 6 B m072 0 678 0 2 5 1 2 a B e 洞门的基底应为 kPa12 391 5 1 072 06 1 5 1 5 455 6 1 max B e B N 根据 铁路隧道设计规范 选基底控制应力 0 4MPa 故 max 基底应力及偏距均满足要求 16 第四章第四章 支护计算与设计支护计算与设计 4 1 概述概述 隧道支护是用以加固岩层临时或永久支撑 它利用高压喷射混凝土和打入岩层中 的金属锚杆和其他形式的联合作用 根据地质情况也可分别单独采用 以达到支撑的目 的 4 2 初期支护设计初期支护设计 本隧道进口段处在 级围岩采用新奥法组织工 锚喷初期护 III 级围岩采用全 断面法施工 IV 级岩采用台阶法掘进施工 V 级围岩采用临时仰拱的阶法开挖 采用 湿喷全面衬砌 衬砌类为复合式衬砌 隧道衬设计参表 4 1 表 4 1 隧道复合式衬砌的设计参数 初期支护二衬厚度 cm 喷射混凝土厚 度 cm 锚杆 m 围 岩 级 别 拱 墙仰拱位置长度间距 筋网钢架拱 墙仰拱 II10 局部2 51 5 35 III10 拱 墙2 51 5 35 2525拱 墙3 01 2拱 墙 25 25 4045 2530拱 墙41 0拱 墙 20 20拱 墙4555 表中 1 锚杆沿隧道周边径边布置 为全长粘结型 按梅花形排列 采用 22 钢筋 带垫板 垫板采用 HPB235 钢板 2 钢筋网按矩形布置 采用 8 的钢筋 钢筋搭接长度 30d 钢筋网与锚杆焊接 3 采用工字钢钢架支护 型号为 I20a 间距为 1 0m 面面积为 35 578 2 cm 4 架与岩之间的喷射混凝土保护厚度和临空侧的混凝土保护层厚度均 cm 5 喷射混凝土采 C25 钢筋网选用 Q235 钢筋 钢筋直 10mm 网格间距 20cm 20cm 17 4 2 1 级围岩初期支护计算级围岩初期支护计算 本隧道衬砌内轮廓线半径为 6 41m V 级围预留变形量 100mm 初衬厚度 30cm 隧道的开挖半径 a 6 41 0 1 0 3 0 45 7 26m 采用剪切滑移破坏法计算 图4 1 剪切滑移破坏法示意图 现假定锚杆 钢支撑 喷射混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 1234 ppppp 4 1 式中 p 所提供的总支护抗力 P1 喷射混土提供的支护抗力 P2 钢支撑提的支护抗力 P3 锚杆提供的护抗力 P4 围岩本身的支护抗力 计算所得的 p 值应大阻止切滑移所需的最小支护抗力值 即 p pmin 18 4 2 2 喷射混凝土提供的支护抗力喷射混凝土提供的支护抗力 P1 值值 1 2d cos sin ss s p b 4 2 式中 ds 喷射混凝土厚度 s 喷射混凝土剪强度 取 s 0 43 c c为喷射混凝土的抗压强度 s 喷射混凝土的剪切角 s 30 b 剪切区高度 剪切滑移面的平均倾角 取经验数据 见图 4 1 1 ln tan o aW a 0 455860 2 其中 a 见图 4 1 b 为剪切区高度 W 为加固带厚度 取值为 sin 2 cossintan 2224 cos 22 t ttta Wala taaa a 4 3 其中 为形成加固带时锚杆的有效长度 t 为锚杆的横向间距 见图 4 1 l 得 300 3 0 430 43 156 45 s sc dcmm MPa 取 60 则 7 26 cos60 3 63m 7 26m 2 b b 19 0 0 8 sin 0 80 80 82 7 26 7 264cossintan7 26 0 82 7 262 7 262 7 264 cos 2 7 262 4 43 17 264 43 60ln130 05 tan605 52 130 05 60 235 02 W m 将所有数据带入式 4 2 得 1 2 0 3 6 45 cos35 020 87 7 26 sin30 pMPa 4 2 3 钢支撑提供的支护抗力钢支撑提供的支护抗力 P2 值值 计算时可换算成相应的喷射混凝土支护抗力 即 2 2 cos sin St t F p b 4 4 式中 Fs 每米隧道钢材的当量面积 由于 I20a 工字钢截面面积为 35 578 此隧道 2 cm 图4 2 混凝土支护抗力示意图 20 每米的用钢量换算成截面面积为 Fs 75 2 cm 钢材的抗剪强度 一般取 为钢材的允许抗拉强度 也可用 15 t t t t t s 钢材剪切角 一般采用 45 t t 15 6 4596 75 t MPa 代入式 4 3 中 得 2 2 0 3 96 75 cos35 029 26 7 26 sin45 pMPa 4 2 4 锚杆提供的支护抗力锚杆提供的支护抗力 P3 值值 锚杆受力破坏又有两种情况 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 p3 为 3 F p e t 4 5 式中 锚杆的断面面积 由于选用的是 22 的钢筋 其截面面积为F 380 1mm2 锚杆的抗拉强度 锚杆的抗拉强度 et 则 6 3 335 380 1 10 0 13 1 1 pMPa 2 锚杆粘结破坏 即砂浆锚杆与孔壁间粘结力不足而破坏 锚杆提供的平均支护 抗力为 3 p 3 t S p e 4 6 式中 为锚杆抗拔力 即锚杆的锚固力 S DL s S 21 钻孔直径 在此设计中取 100mm DD 锚固段长度 为 4m L 孔壁与注浆体之间的极限粘结强度 页岩取 0 40MPa s s 则 0 1 4 0 40 502 SMN 则 3 0 502 0 52 1 1 pMPa 则取锚杆提供的平均径向支护抗力为 3 p 0 13MPa 330 1 coscos cos pp 1 0 17cos60cos130 05 cos60 0 389MPa 4 2 5 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 2cos2sin nn SS p bb 4 6 式中 剪切滑移体长度 其值为 S tan 2 tan 1 sin 8 56m ra Se ra e 分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力 他们的摩 nn 尔包络线为直线时的假定求出 见图 22 13 n 1313 cos 2 sin 22 n 4 7 由图 4 3 可知 13 costan 2 n c 将值代入上式 得 n 133 1 sin 2tan cos c 4 8 图4 3 包络线图 式中的为围岩的物理力学指标 径向主应力值随剪切滑移面上的位置而变c 3 化 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 4 9 3123 ppp 式中 喷射混凝土层提供的径向支护抗力 1 p 1 22 0 3 6 48 1 27 sin7 26 sin45 ss s d pMPa b 钢支撑提供的径向支护力 2 p 23 2 22 0 3 80 07 0 233 sin7 26 sin30 st t F pMPa b 锚杆提供的径向支护抗力 3 p 3 0 21 F pMPa e t 则 3123 ppp 1 270 2330 211 713 MPa 将值代入 4 8 式得 3 1 1 sin25 1 713 20 1 1 713 tan25 cos25 3 287MPa 将值代入 4 7 式得 13 n 3 287 1 092 cos250 988 2 MPa 3 2871 0923 287 1 092 sin252 01 22 n MPa 将值代入 4 6 式得 13 4 2 6 818 0 988 cos130 022 0 988 13 5 cos130 02 7 267 26 p 将代入式 4 1 中 1234 pppp 1234 p pppp 0 879 260 389 1 68812 207 MPa 4 2 6 最小支护抗力值最小支护抗力值 min p 按重力平衡条件求解 塑性区的岩体 随塑性径向位移长而形成松散区 松散区 的岩体由于重力作用而形松散压力 为保坑道的稳 用支护力与它平衡 如图 5 4 当处于受力极限平衡状态时 所求得的支护抗力即为 m i n p 当滑移体处于受力极平衡状态时 24 图4 4 开挖支护后坑道受力示意图 m i n 0 m i n0 1 1 0 1 2 1 1 yb ab bpG Gbhb ra pra R ra pR 4 10 则 1 1 1 1 2 1 1 min ba by Rp R ap 4 11 式中 为围岩的重度 此处为 5 级围岩 取 3 23 KNm 为初始应力 设处于均质岩体中 则 y 23 200 46 y hMP 1 sin1 sin25 2 46 1 sin1 sin25 o o f f 25 2cos2 0 1 cos25 0 53 1 sin1 sin25 b c RMPa 则 1 2 46 1 min min 20 38 2 46 1 0 3 23 7 261 2 46 1 2 46 1 0 3 0 37 p p MPa min pp 即 设计支护满足要求 4 3 围岩初衬计算围岩初衬计算 同理 可得出各级围岩条件下初期支护 见下表 26 表4 1 各级围岩初期支护参数表 围岩 级别 喷混凝土钢筋网 8 锚杆22 钢架 设置部位 厚度 cm 网格间距 cm 环纵 设 置部 位 长 度 m 间距 环 纵 m 规格 每榀间 距 m 拱墙 15 拱 部 31 5 1 5 拱墙 仰 拱 25 2020 拱 墙 3 51 2 1 2 20a 工字钢 1 0 拱 墙 拱墙 仰 拱 30 2020 拱 墙 41 0 1 0 20a 工字钢 0 75 全 环 27 第五章第五章 二次衬砌二次衬砌计算计算 5 1 绪论绪论 二次衬砌是为了保证隧用中永久稳全 美观 同时也是作全储备的一种工程措施 地质条件良的围岩依据奥法原理施工的隧道在初期支护后结构就能基本稳定 一 般不需做二衬 但在不良特殊地质段初期支护很难保证围岩构的长期稳定 需模筑砼 二次衬砌立即加强围岩变形支撑 初期支也很封闭体内水系而导致隧道内仍有渗漏水 此时需要防排水系统结合二次衬砌来保隧道的不渗水不漏水 二次衬砌也承受软弱围岩的蠕变压和膨胀性地压 在出现较大自然的变化 如地 震 山体出现了偏压及过大的压力水等等破坏力很强的自然灾害时 隧道初期支护不 能完全保证围岩的稳定 这就需要二次衬砌以加强山体变化的支撑稳定 设计要求 V 级围岩段 质条件较差 稳定性很差 除了要设计喷 锚 钢筋网 初期支护 还计了钢架支撑和仰拱 并且进行二次混凝土喷砼 由此形成联合支护以 保证隧道的稳定和安全 5 2 计算条件计算条件 二次衬砌的计算条件包括了的各部分尺寸 计算内容 载算和配筋情况等 计算 时把相关数据输入软 并选用合适的衬砌形式计算 衬砌的设计参数要考虑如下几点 1 本隧道的衬砌形式的可以选用马蹄形的形式 即三心圆的曲墙式带仰拱的形式 2 荷载计算时 考虑了和围岩压力 以及水头压力 3 V级围岩还要行配筋设计 力必须满足要求 4 荷载效应组合采用长期效应组合 5 围岩弹性力系数为00MN m3 5 3 隧道深浅埋类型的确定隧道深浅埋类型的确定 hH p 5 2 2 5 1 式中 浅埋隧道分深度 m p H 荷载等效高度 即塌落拱的高度 h 28 5 1245 0 1 Bih S 5 2 围岩级别 S 隧道宽度 本隧道取 B14 52 B 每增减 1m 时围岩压力的增减率 当时 取 当iBmB5 2 0 i 时 取 mB5 1 0 i 5 4 级围岩围二次衬砌计算级围岩围二次衬砌计算 设计要求 V级围岩段 隧道地质条件较差 稳定性很差 除了要设计喷 锚 钢 筋网初期支护 还设计了钢架支和仰拱 并且进行二次混凝土喷 由此形联合支护以 保证隧道的稳定和安 5 4 1 围岩压力的确定 围岩压力的确定 浅埋隧道分界深度 5 1 0 45 21 0 1 14 525 13 86 hm 2 2 5 13 8627 72 34 65 p Hm 确定隧道在 级围岩浅埋段 且取最大处计算围岩压力 则以为例计622640 DK 算围岩压力 并计算二次衬砌支护及配筋 此处隧道埋深为 15 6 Hm e1 e2 e1 e2 图5 1 围岩压力分布图 29 tan1 B H Hq 浅 5 3 ii he 5 4 tantan tan tantan1tan tantan cc c 5 5 tantan tan 1 tan tantan 2 c cc c 5 6 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 0 717 5o 内外侧任意点地面的距离 m i h 侧压力系数 产生最大推力时的破裂角 2 tan 451 tan45 tantan452 71 tan45tan17 5 2 71tan45 2 7112 77 tan45tan17 5 tan45 tan17 5 0 20 15 6 19 15 6 10 20 tan17 5 276 32 14 52 浅 qkPa 1 19 13 1 0 2049 78 ekPa 2 19 15 6 0 2059 28 ekPa 30 5 4 2 级围岩二衬理正验算级围岩二衬理正验算 本设计利用理正岩土 5 11 版软件算隧道二次衬砌 表 5 1 衬砌基本参数 设计参数指标 规范标准水工砼规范SL T191 96 承载能力极限状态 01 0 正常使用极限状态 01 0 设计状况系数1 0 衬砌断面类型马蹄形 每段计算的分段数10 计算迭代次数10 抗力验证要求高 图5 2 计算简图 31 5 4 3 级围岩二衬计算条件级围岩二衬计算条件 表 5 2 衬砌参数 衬砌参数数据 底拱半径 16 670 m 底拱半中心角16 000 度 底拱厚度 0 450 m 侧拱半径 2 200 m 侧拱角度74 000 度 侧拱厚度0 450 m 顶半中心角89 900 度 顶拱拱顶厚度0 450 m 底拱围岩抗系数 200 000 MN m3 侧拱围岩弹系数 200 000 MN m3 顶拱围岩弹抗系数 200 000 MN m3 衬砌的弹性模量 29500 000 MPa 表 5 3 荷载参数 荷载参数数据 底部山岩压力 侧 0 000 kN m 底部山岩压力 中 0 000 kN m 侧向山压力 上 49 780 kN m 侧向山岩压力 下 59 280 kN m 顶部山压力 侧 276 320 kN m 顶部山压力 中 276 320 kN m 内水压力水头6 000 m 外水压力水头0 000 m 顶拱浆压力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 32 衬砌容重 23 000 kN m3 表 5 4 荷载组合参数 编号 荷载名称 是否计算 分项系数 1 衬自重 1 00 2 顶压力 0 60 3 底岩压力 1 00 4 侧岩压力 0 60 5 内水力 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 表 5 5 配筋参数 配筋参数参数 对配筋是 混土级C25 纵筋等级 级 fy 310kPa fyk 335kPa 箍筋计算不计算 5 4 4 级围岩二衬内力配筋结果级围岩二衬内力配筋结果 通过 理正软件的精确计算 抗剪强及截面尺寸抗剪强度满足求 具体结如表 5 7 5 10 33 图5 3 衬砌内外侧纵筋配置图 5 4 5 级围岩二衬内力配筋计算级围岩二衬内力配筋计算 表 5 6 底拱内力配筋计算 0 1441 671 0 000 5 690 0 000 0 648 0 000 0 1 770 0 0 20 满足 1 1441 195 12 798 2 723 0 069 0 644 0 001 0 1 770 0 0 20 满足 2 1439 760 26 037 6 297 0 137 0 637 0 000 0 1 770 0 0 20 满足 3 1437 355 39 617 21 582 0 205 0 634 0 0 01 0 1 770 0 0 20 满足 4 1433 991 52 343 43 066 0 273 0 651 0 0 05 0 1 770 0 0 20 满足 5 1429 732 61 365 69 764 0 342 0 707 0 0 12 0 1 770 0 0 20 满足 6 1424 754 61 670 98 877 0 414 0 830 0 022 0 2 770 0 0 20 满足 7 1419 411 45 740 124 694 0 490 1 046 0 0 35 0 2 770 0 0 20 满足 8 1414 301 3 610 137 425 0 573 1 379 0 0 51 0 3 770 0 0 20 满足 9 1410 330 76 381 122 192 0 667 1 841 0 067 0 4 770 0 0 20 满足 10 1408 735 205 727 58 631 0 776 2 414 0 078 0 5 770 0 0 20 满足 通过软件计算 把底拱 侧拱 顶拱下至上10等 并且经3次计算 计算结果如表 所示各点设定抗条和法向位一致 抗剪度及截面尺寸剪强度均满足 表 5 7 侧拱内力配筋计算 0 1408 735 205 727 58 631 0 776 2 4140 0 078 0 5 770 0 0 20 满足 1 1427 462 150 862 8 303 1 136 2 6806 0 080 0 5 770 0 0 20 满足 2 1438 784 109 71 28 412 1 529 2 912 0 088 0 6 770 0 0 20 满足 3 1444 658 80 348 55 170 1 947 3 076 0 077 0 6 770 0 0 20 满足 4 1446 756 59 673 74 903 2 382 3 165 0 072 0 6 770 0 0 20 满足 5 1446 314 43 711 89 533 2 823 3 170 0 062 0 6 770 0 0 20 满足 6 1444 009 27 864 99 757 3 259 3 087 0 059 0 6 770 0 0 20 满足 分 分 段 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 抗剪