毕业设计（巫帮1#隧道）.doc

湖南科技大学本科生毕业设计 论文 i 目目 录录 第一章第一章 工程概况工程概况 1 1 1 隧道位置 1 1 2 隧道自然地理概况 1 1 2 1 气象水文 1 1 2 2 地形地貌 1 1 3 隧址区工程地质与水文地质 1 1 3 1 地层岩性 1 1 3 2 地质构造 2 1 3 3 水文地质条件 2 1 3 4 地应力 3 1 3 5 地震烈度 3 1 3 6 不良地质 3 1 4 隧道围岩分级 3 1 4 1 围岩分级依据 3 1 4 2 隧道围岩分布 3 1 5 设计标准及遵循规范 4 1 5 1 设计标准 4 1 5 2 参照规范 4 第二章第二章 隧道整体设计隧道整体设计 5 2 1 一般规定与设计原则 5 2 1 1 一般规定 5 2 1 2 设计原则 5 2 2 隧道横断面设计原则 5 2 3 隧道建筑限界 6 2 4 隧道衬砌内轮廓设计 6 2 5 隧道紧急停车带设计 6 第三章第三章 洞门设计洞门设计 8 3 1 洞口地质条件 8 3 2 洞门的设计方案 8 3 2 1 洞门形式的选择 8 3 2 2 洞门构造要求 8 3 2 3 验算满足条件 9 3 3 洞门结构设计计算 9 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 ii 3 3 1 计算参数 9 3 3 2 建筑材料的容重和容许应力 10 3 3 3 洞门各部尺寸拟定 10 3 4 洞门验算 10 3 4 1 洞门土压力计算 10 3 4 2 抗倾覆验算 11 3 4 3 抗滑动验算 12 3 4 4 基底合力偏心矩验算 13 3 4 5 墙身截面偏心矩及强度验算 13 第四章第四章 隧道洞身初期支护设计隧道洞身初期支护设计 15 4 1 支护形式的选择及参数确定 15 4 2 级围岩的初期支护设计 15 4 2 1 级围岩隧道的宽度 B 与高度 H 确定 15 4 2 2 判断隧道深 浅埋 15 4 2 3 隧道围岩压力计算 16 4 3 锚喷支护的计算与设计 19 4 3 1 计算 i p a p Q 及 o a r u 19 4 3 2 级围岩段锚喷支护设计 24 4 3 3 级围岩段锚喷支护设计 28 4 3 4 级围岩段锚喷支护设计 31 4 3 5 构造要求 35 第五章第五章 二衬设计计算二衬设计计算 36 5 1 级围岩二衬受力计算与配筋设计 36 5 1 1 计算模型 36 5 1 2 基本参数 36 5 1 3 衬砌参数 36 5 1 4 荷载参数 37 5 1 5 配筋参数 37 5 1 6 计算结果 37 5 1 7 级围岩二衬轴力 剪力 弯矩图 43 5 2 级围岩二衬受力计算与配筋设计 44 5 2 1 计算简图 44 5 2 2 基本参数 44 5 2 3 衬砌参数 45 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 iii 5 2 4 荷载参数 45 5 2 5 荷载组合参数 45 5 2 6 配筋参数 45 5 2 7 计算结果 45 5 2 8 级围岩二衬轴力 剪力 弯矩图 50 5 3 二衬配筋计算 52 5 3 1 级围岩段配筋布置 52 5 3 2 级围岩段配筋布置 52 5 3 3 级围岩二衬配筋计算 52 第六章第六章 钻孔爆破开挖钻孔爆破开挖 53 6 1 爆破材料的选取 53 6 2 级围岩爆破开挖 53 6 3 级围岩爆破开挖 53 6 3 1 炮眼直径的确定 54 6 3 2 炮眼深度的确定 54 6 3 3 炸药消耗量计算 54 6 4 级围岩无仰拱段的爆破设计 57 第七章第七章 隧道防排水设计隧道防排水设计 58 7 1 隧道防排水的一般规定 58 7 1 1 高速公路隧道防排水规定 58 7 1 2 隧道内排水规定 58 7 1 3 路面结构底部排水设施规定 58 7 1 4 隧道衬砌外排水设施规定 58 7 2 隧道防水的总体布置 59 7 3 洞门截排水设计 59 7 4 洞顶截水天沟设计 59 7 5 隧道复合式衬砌防水设计 59 7 6 洞内防排水设计 60 7 7 变形缝和施工缝处理 60 7 8 洞内外排水衔接 61 7 9 治水过程中的环境问题 61 第八章第八章 施工组织设计施工组织设计 62 8 1 概述 62 8 2 具体施工组织设计 62 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 iv 8 2 1 洞口段施工 62 8 2 2 级围岩段施工 64 8 2 3 段施工方法 64 8 2 4 级围岩段施工 65 8 2 5 锚喷支护施工方法 65 8 2 6 钢筋网施工方法 66 8 2 7 钢架支护施工方法 66 8 2 8 超前小导管施工方法 66 8 2 9 防水层施工方法 67 8 2 10 排水施工方法 67 8 2 11 预防突水技术措施 67 8 2 12 二次衬砌施工方法 68 8 2 13 洞内路面施工 68 8 2 14 施工通风 69 8 3 施工注意事项 70 8 3 1 质量保证措施 70 8 3 2 保证施工工艺主要措施措施 71 8 3 3 保证工期的主要措施 72 第九章第九章 隧道施工监控和量测隧道施工监控和量测 73 9 1 监控量测的目的 73 9 2 监控量测的内容及量测方法 73 9 3 监控量测设计 74 9 3 1 洞内观察 74 9 3 2 周边相对位移和拱顶沉降 74 9 3 3 地表沉降量测 75 9 3 4 围岩压力量测 76 9 4 监控量测数据处理 76 9 4 1 地质预报 76 9 4 2 周边位移分析 77 9 4 3 拱顶沉降分析 79 9 4 4 地表沉降分析 79 9 5 量测管理 80 结结 论论 81 参考文献参考文献 82 致致 谢谢 83 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 1 1 隧道位置隧道位置 巫帮 1 隧道位于贵州省榕江县三江乡四格村 是厦蓉高速公路格龙至都匀段的一 条分离式隧道 综合各种因素考虑 隧道右线的起止桩号为 YK122 065 YK123 985 全长 1920m 隧道纵坡为 2 0 2 11 隧道均位于直线上 1 2 隧道自然地理概况隧道自然地理概况 1 2 1 气象水文气象水文 巫帮 1 隧道属亚热带湿润季风气候区 四季分明 夏无酷暑 冬无严寒 雨量充 沛 年平均气温 18 1 极端最高温 39 5 极端最低气温 1 8 年均总日照量 1518 5 小时 平均降水 1629 1mm 平均相对湿度 78 无霜期大于 290 天 1 2 2 地形地貌地形地貌 巫帮 1 隧道隧址位于黔东南州榕江县三江乡四格村 穿越低山岭 隧址地貌为强 烈剥蚀低山地区 隧道进洞口为斜坡进洞口 进洞坡度值为 39 59 度 隧道穿越近南 北走向的山岭 纵向地形中间高 两侧低 地形起伏大 地面高介于 601 9 883 4m 之 间 相对高差 281 5m 植被发育 多为杉木 山体冲沟发育 多纵向分布 呈条状 以 降水和地表出露的泉水补给为主 向洞口两侧低洼处径流 随着高程的降低 水量增 大 隧道右线最大埋深 189 66m 属深埋式长隧道 1 3 隧址区工程地质与水文地质隧址区工程地质与水文地质 1 3 1 地层岩性地层岩性 据地调及钻勘揭露资料 隧址区地层在勘察范围内主要为第四系松散土类及前震 旦系上板溪群浅变质岩 岩性分类如下 1 第四系 第四系 Q 第四系残积土亚粘土 主要由粘粒组成 含有板岩碎石 主要为红褐色和灰色板岩 碎块粒径为 20 160mm 含量为 10 30 呈乏棱角状 通过钻探揭露该层厚度为 0 5 2 4m 隧址区均有分布 第四系残积土碎石 主要由灰黄色板岩碎石组成 间隙充填亚粘土 碎石呈棱角状 粒径为 20 180mm 含量为 55 70 松散 稍湿 通过钻探揭露厚度为 2 3m 2 前震旦系 前震旦系 P 上板溪群清水组沙质板岩 主要由绢母 绿泥石 石英等矿物组成 变晶结构 板状构造 层理发育 岩体破碎 较完整 按风化程度不同可分为强风化 弱风化和微 风化等三个风化带 为巫帮 1 主要围岩 进洞口产状 216 48 洞身段产状为 263 24 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 2 1 3 2 地质构造地质构造 巫帮 1 隧道 隧址区地质构造属摆货坡背斜北西翼 拟建隧道近于垂直穿越 构 造线总体上呈北东 南西向分布 整体稳定 总体地质构造较为简单 摆货坡背斜 两翼及核部均为清水组组成 轴线走向 25 褶皱长 20km 以上 宽 20km 岩层倾角 西北翼倾角 43 56 南东翼倾角 45 56 核部位于 ZK121 900 与 路线呈大角度相交 1 3 3 水文地质条件水文地质条件 由于隧道穿越地层岩性种类单一 地下水主要受及节理 裂隙发育程度控制 各 含水介质只能近似视为均质各向同性 据此 可采用建立在均质各向同性理论上的计 算方法分段作近似预测隧道的涌水量 为使预测隧道的涌水量有可比性 选用水均衡 法 大气降水渗入法和地下水动力学法等三种方法进行预算 经综合分析得出结果 巫帮 1 隧道枯水期的涌水量为 336 42 雨季涌水量为 504 63 3 m d 3 m d 1 地下水类型 地下水类型 隧址区第四系松散层厚度较薄 其孔隙水不发育 地下水类型翼基岩裂隙水为主 隧道穿越的地层有震旦系上板溪群隆里组 一段 和二段 含水岩石主要为砂质板岩和变余砂岩 受长期风化作用及构造裂隙影响 岩 体裂隙较发育 含有风化裂隙水和构造裂隙水 为地下水的补给及运移提供了条件 隧址区洞身段 地形为洼地 有利于延迟大气降水排泄时间 加之隧址区岩体裂隙发 育 岩体较破碎 对地下水的补给有利 基岩裂隙水的含量较丰富 2 地溪水的补给 径流 排泄条件 地溪水的补给 径流 排泄条件 区域内各类地下水主要接受大气降水的垂直补给 随地形有高处到低处或冲沟等 径流排泄 在冲沟附近 地下水受地表水渗入补给 地表水和地下水存在排补关系 基岩裂隙水分布于基岩风化带和构造裂隙带 山地斜坡一般为地下水的补给径流区 河床沟谷为排泄区 径流条件受风化 构造裂隙发育程度的控制 含水性 富水性不 均匀 雨季施工开挖 洞室可能会有点滴状出水或涌流状出水 对洞口边坡和围岩的 稳定性不利 设计和施工应引起重视 隧址区夏季多暴雨 秋季常有连阴雨 降水强度大 加之围岩破碎 导水性强 对洞口边坡 仰坡及围岩稳定不利 洞口仰坡开挖前应做好洞顶截排水的系统处理 由于隧址区内地下水主要接受大气降水补给 根据该地区降雨强度和时间分布以 及隧址区岩体裂隙较发育等特点 有利于地下水的补给 因此地下水的动态变化同大 气降水密切相关 一般随着降雨量的变化而变化 受大气降水控制显著 雨季时 地 下水量将增大 在枯水期地下水量将减少 根据地下水与地表水的互补排的关系 利用乌细沟河沟地表水的化学成分可知 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 3 地下水的矿物化度较低 水的 PH 值为 7 19 水化学类型为 HCO3 S04 Mg 型 水中没 有侵蚀性二氧化碳 直接临水或强透水土层 对混凝土物有分解类中等腐蚀性 采用 二级防护 1 3 4 地应力地应力 根据勘查报告隧道穿越地段不存在影响隧道稳定和施工安全的高应力区 隧道施 工中出现岩爆的可能性不大 但不排除在局部埋深大的地段 产生小规模岩爆现象 施工是应慎重选择施工方法 做好超前预报工作 1 3 5 地震烈度地震烈度 根据国家质技术监督局发布的 中国地震参数区划图 GB 18306 2001 隧址区 地震动放映谱特征周期为 0 35s 地震动峰值加速度小于 0 05g 所对应的地震基本烈 度相当于 度 1 3 6 不良地质不良地质 通过对隧址区采用钻探 物探 地表调绘等详勘手段 在隧址区未出现区域性的 大断层 滑坡 泥石流等不良地质现象 未见影响洞室稳定性的不良地质现象 1 4 隧道围岩分级隧道围岩分级 1 4 1 围岩分级依据围岩分级依据 根据隧道围岩分类标准 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 综合物探 钻探资 料及工程地质测绘成果 巫帮 1 隧道围岩分为 级 分级标准由以下因素确 定 1 围岩岩性强度 既岩性特征 2 围岩的岩性的结构特征 结构面特征 3 围岩岩体的完整性 岩石质量 4 构造影响程度 5 地下水活动特征对围岩强度的影响 6 围岩岩体物理力学指标 弹性参数等 1 4 2 隧道围岩分布隧道围岩分布 YK122 065 为隧道入口 上覆较厚松散地层 主要为第四系亚粘土覆盖层 围岩 级别为 V 级 无自稳能力 成洞条件较差 上覆地层松散 开挖时临空面稳定性差 特别在雨水与岩土渗水的作用下 其内摩擦阻力大大降低 易产生坍塌现象 洞门处 仰坡应注意防护措施 建议采用锚固处理 YK122 065 至 YK122 225 为 级围岩 岩性为强风化浅灰色沙质板岩 无自稳能 力 拱部无支护时易出现坍塌 YK122 225 至 YK122 525 为 级围岩 岩性为弱风化浅灰色沙质板岩 此段围岩 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 4 完整性较差 结构稳定性不好 整体性较差 拱部无支护时可能产生坍塌 侧壁有时 失去稳定 需采取相应支护 止水 排水 防有害气体等措施 YK122 525 至 YK123 360 为 级围岩 岩性为微风化浅灰色沙质板岩 YK123 360 至 YK123 605 为 级围岩 岩性为弱风化浅灰色沙质板岩 成洞条件 差 一般无自稳能力可能发生中 大塌方 YK123 605 至 YK123 985 为 级围岩 岩性为强风化浅灰色沙质板岩 无自稳能 力 拱部无支护时易出现坍塌 YK123 985 为隧道出口 上覆较厚松散地层 主要为第四系亚粘土覆盖层 围岩 级别为 V 级 无自稳能力 跨度 5m 或更小时 可稳定数日 成洞条件较差 开挖时 临空面稳定性差 特别在雨水与岩土渗水的作用下 其内摩擦阻力大大降低 易产生 坍塌现象 洞门处仰坡应注意防护措施 1 5 设计标准及遵循规范设计标准及遵循规范 1 5 1 设计设计标准标准 本隧道为单向两车道高速公路中隧道 隧道建筑限界按 100km h 行车速度确定 1 5 2 参照规范参照规范 公路路线设计规范 JTG D20 2006 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 公路隧道通风照明设计规范 JTJ026 1 1999 公路工程抗震设计规范 JTJ004 89 地下结构防水技术规范 GB50108 2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB50086 2001 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 5 第二章第二章 隧道整体设计隧道整体设计 2 1 一般规定与设计原则一般规定与设计原则 2 1 1 一般规定一般规定 隧道设计应满足公路交通规划的要求 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 公路工程技术标准 进行设计 当近期交通量不大时 可采取一次设计分期修建 2 1 2 设计原则设计原则 1 在地形 地貌 地质 气象 社会人文和环境等调查的基础上 综合比选隧 道各轴线方案的走向 平纵线形 洞口位置等 提出推荐方案 2 地质条件很差时 特长隧道的位置应控制路线走向 以避免不良地质地段 长隧道的位置亦尽可能避开不良地质地段 并与隧道的走向综合考虑 中 短隧道可 服从路线走向 3 根据公路等级和设计速度的确定车道数和建筑限界 在满足隧道功能和结构 良好的情况下 确定经济合理的断面内轮廓 4 隧道内外平 纵线形应协调 以满足行车的安全 舒适要求 5 根据隧道长度 交通量及其构成 交通方向以及环保要求等 选择合理的通 风方式 确定通风 照明 交通监控等要点设施的设置规模 必要时特长隧道应做防 火专项设计 6 应结合公路等级 隧道长度 施工方法 工期和营运要求 对隧道内外排水 系统 消防结合系统 辅助通道 弃渣处理 管道设施 交通工程措施 环境保护等 作综合考虑 7 当隧道与相邻建筑物互有影响时 应在设计与施工中采取必要的措施 2 2 隧道横断面设计隧道横断面设计原则原则 隧道横断面设计原则如下所示 1 隧道限界高度 高速公路 一级公路 二级公路取 5m 三 四级公路取 4 5m 2 余宽设置 当设置检修道和人行道时 不设余宽 当不设置检修道或人行道时 应设不小于 25cm 的余宽 3 隧道路面横坡 当隧道为单向交通时 应取单面坡 当隧道为双向交通时 可取双面坡 坡度应 根据隧道的长度 平 纵线形等因素综合分析确定 一般可采用 1 5 2 0 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 6 当路面采用单面坡时 建筑限界底边线应与路面重合 当采用双面坡时 建筑限 界底边线应水平置于路面最高处 4 单车道四级公路的隧道应按双车道四级公路修建 5 隧道内轮廓设计 隧道内轮廓设计除了应满足隧道限界的规定外 还应满足洞内路面 排水设施 装饰的要求 并为通风 照明 消防 监控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 6 公路隧道的建筑限界 公路隧道的建筑限界 不仅要提供汽车行驶的空间 还要考虑汽车行驶的安全 快捷 舒适和防灾 因此要求设计中应充分研究各种车道的与公路设施之间所处的空 间关系 任何部件 包括通风 照明 安全 监控和内装饰等附属设施 均不得侵入 隧道建筑限界之内 2 3 隧道建筑限界隧道建筑限界 图图 2 1 公路隧道建筑限界 单位 公路隧道建筑限界 单位 cm 巫帮 1 隧道为单向双车道 设计时速为 100km h 如上图 2 1 根据的有关规定 隧道建筑限界高度 H 5 0m 修道高度 m 车道宽度 m 左侧0 4h 2 3 25w 向宽度 m 右侧向宽度 m 左顶角宽度 m 右侧向宽度 0 5 L L 1 0 R L 0 5 L E m 检修道左侧 m 检修道右侧 m 路面坡度 1 0 R E 0 75J 0 75J 隧道建筑限界净宽 m 2 i 10 75 2 4 隧道衬砌内轮廓设计隧道衬砌内轮廓设计 根据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 规定 隧道的内轮廓拱部为单心半圆 570cm 侧墙为大半径圆弧 820cm 仰拱圆弧半径 1500cm 仰拱与侧墙间用 1 r 2 r 4 r 一个小半径圆弧连接 100cm 两车道的 100km h 标准内轮廓图如图 2 2 详图见设计 3 r A3 图纸 1 2 5 隧道紧急停车带设计隧道紧急停车带设计 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 7 由于该隧道属于长隧道 因此在隧道中应设置紧急停车带 由 公路隧道设计规 范 JTG D70 2004 规定 紧急停车带的间距不宜大于 750m 取间距为 640m 隧道 内布置两处紧急停车带 100km h 紧急停车带标准内轮廓图如设计图纸 2 图图 2 2 两车道的两车道的 100km h 标准内轮廓图 有仰拱 标准内轮廓图 有仰拱 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 8 第三章第三章 洞门设计洞门设计 3 13 1 洞口地质条件洞口地质条件 隧道入口 上覆较厚松散地层 主要为第四系亚粘土 碎石土覆盖层 围岩级别 为 V 级 无自稳能力 成洞条件较差 上覆地层松散 开挖时临空面稳定性差 特别在 雨水与岩土渗水的作用下 其内摩擦阻力大大降低 易产生坍塌现象 因此 洞门处 仰坡应采取防护措施 3 23 2 洞门的设计方案洞门的设计方案 3 2 1 洞门形式的选择洞门形式的选择 本隧道按分类巫帮 1 隧道右线属长隧道 基本服从于路线走向 路线与地形等高 线基本正交 洞门按受力结构设计 洞门形式结合实际地形 地质情况选定 根据洞 门所处地段的地形地貌及工程地质条件 遵从 早进洞 晚出洞 的设计原则 并考虑 洞门的实用 经济 美观等因素 因此本隧道使用端墙式洞门 端墙式洞门简图见图 3 1 图图 3 1 端墙式洞门简图端墙式洞门简图 3 2 2 洞门构造要求洞门构造要求 按 公路隧道设计规范 JTG 2004 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 洞门墙顶高出仰坡脚不小于 0 5m 2 洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝 沉降缝和泄水孔 洞门墙的厚度可按计 算或结合其他工程类比确定 3 洞门墙基础必须置于稳固地基上 应视地基及地形条件 埋置足够的深度 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 9 保证洞门的稳定 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 基底标高应在最大冻结线以下不小于 0 25m 基底埋置深度应大于墙边各种沟 槽基底的埋置深度 4 松软地基上的基础 可采取加固基础措施 洞门结构应满足抗震要求 3 2 3 验算满足条件验算满足条件 采用挡墙式洞门时 洞门墙可视为挡土墙 按极限状态验算 并应验算绕墙趾倾 覆及沿基底滑动的稳定性 验算时应符合表 3 1 和表 3 2 公路隧道设计规范 JTG 2004 的规定 并应符合 公路路基设计规范 公路砖石及混凝土桥涵设计规 范 公路桥涵地基与基础设计规范 的有关规定 表表 3 1 洞门墙设计参数洞门墙设计参数 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 1 1 538 40170 35 0 400 25 表表 3 2 洞门墙主要验算规定洞门墙主要验算规定 墙身截面荷载 效应值Sd 结构抗力效应值 按极限状态算 Rd 墙身截面荷效应值 Sd 结构抗力效应值 按极限状态计算 Rd 墙身截面偏心 距e 倍截面厚度3 0 滑动稳定安全系数 c K 3 1 基底应力 地基容许承载力 倾覆稳定安全系数 0 K 6 1 基底偏心距e 岩石地基 B 5 B 4 土质地基 B 6 3 33 3 洞门结构设计计算洞门结构设计计算 3 3 1 计算参数计算参数 计算参数如下 1 边 仰坡坡度 1 1 2 仰坡坡角 45tg 1 6 3 地层容重 3 20kN m 4 地层计算摩擦角 50 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 10 5 基底摩擦系数 0 4 6 基底控制应力 0 4MPa 3 3 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 强度等级为 M10 2 容许压应力 重度 a 2 2MPa 3 t 22kN m 3 3 3 洞门各部尺寸拟定洞门各部尺寸拟定 根据 公路隧道设计规范 GTJ 2004 结合洞门所处地段的工程地质条件 拟 定洞门端墙高度 m 其中基底埋入地基的深度为 1 0m 洞H1 7 322 080 611 门端墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度 1 38m 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 0 7m 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 具体见图 3 1 3 43 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 公路隧道设计规范 JTG 2004 洞门土压力计算图示具体见图 3 2 图图 3 2 洞门土压力计算图洞门土压力计算图 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 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 11 洞门墙面倾角 代入数值可得 22 2 tan 50tan6 tan45 1tan 50 tan50tan45 tan50tan6 1tan6 tan45 tan tan45 1tan 50 tan50 1tan6 tan45 0 53 故 arctan0 5330 35o 根据 公路隧道设计规范 JTG 2004 土压力为 2 00 1 2 EHh hhb 3 2 tantan 1tantan tan 1tantan tantan a h 式中 土压力 E kN 地层重度 3 kN m 侧压力系数 墙背土体破裂角 洞门墙计算条带宽度 取 b 1m b m 土压力计算模式不确定系数 可取 0 6 把数据代入各式 得 tan30 34tan6 1tan6 tan45 0 177 tan 30 3445 1tan30 34 tan45 1 5 3 12m tantantan30 34tan6 a h 由三角函数关系可得 0 1 5mh 洞门土压力 E 2 00 2 1 2 1 20 0 177111 53 12 1 51 0 0 6130 86kN 2 EHh hhb cos 130 86 cos 33 36 116 27kN oo x EE sin 130 86 sin 33 36 60 06kN oo y EE 式中 墙背摩擦角 12 33 3 4 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 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 12 时应满足下式 3 3 y 0 0 M K 1 6 M 式中 倾覆稳定系数 1 6 0 K 0 K 全部垂直力对墙趾 O 点的稳定力矩 y M 全部水平力对墙趾 O 点的稳定力矩 0 M 图图 3 3 端墙计算简图端墙计算简图 由图 3 3 可知 墙身重量 kN G0 7 11 5 1 0 22161G 对墙趾的力臂 m x E 11 5 5 25 22 x H Z 对墙趾的力臂 m y E tan 11 5 tan6 0 71 3 22 o y H ZB 对墙趾的力臂 m G tan0 7 11 5 tan6 0 95 22 o G BH Z yy M GE804 22kN m GY ZZ 0 x M E395 30kN m X Z 代入式 3 3 得 满足要求 y 0 0 M K1 961 6 M 3 4 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 3 4 c N f K1 3 E A 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 13 式中 滑动稳定系数 c K 作用于基底上的垂直力之和 N 墙后主动土压力之和 取 E x EE F 基底摩擦系数 取 f 0 4 由图 3 3 可知 满足要求 y c X E 0 6 435 660 06 0 6 K1 951 3 E116 27 G 3 4 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 N N Ze 则 0 766 yOGyyxx N y MMGZEZEZ Z NGE m 1 8 0 7660 1340 2 e 合力在中心线的右侧 1 8 0 134 0 3 66 B e 计算结果满足要求 max min 6 1 N e BB 495 666 0 134 1 1 81 8 398 4kPa 152 33kPa MPa 计算结果满足要求 max 398 4kPa0 4 基底控制压应力 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 5 0 3 M eB N 式中 计算截面以上各力对截面型心力矩的代数和 M 作用于截面以上垂直力之和 N 11111 8 116 27 60 06159 10kN m 232232 XY HHB MEE 435 660 06495 66 y NGE kN m 将数据代入墙身偏心矩 的公式 得可 e 计算结果满足要求 159 10 0 320 30 3 1 80 54m 495 66 M eB N 2 应力 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 14 3 6 b N 6e 1 bb 满足要求 a 495 666 0 32 1 0 570MPa 2 2MPa 1 81 8 通过以上的验算 说明洞门的尺寸合理 详图见设计图纸 3 4 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 15 第四章第四章 隧道洞身初期支护设计隧道洞身初期支护设计 4 14 1 支护形式的选择及参数确定支护形式的选择及参数确定 由于巫帮 1 隧道为高速公路隧道 隧道洞口处围岩级别为 V 级 隧道洞身围岩为 V 级围岩 其中 V 级围岩分布在隧道进出口段长度为 540m 级围岩长度为 540m 级围岩长度为 840m V 围岩一般无自稳能力成洞条件差可能发生中大塌 方 级围岩自稳能力差成洞条件较好 可能会出现小塌方 根据公路使用要求 隧 道围岩地质条件和施工条件 按照按照 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 中衬砌 结构设计规定 按新奥法原理设计 该公路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 其中初期支护采用喷 锚 网 钢架 支护 4 24 2 级围岩的初期支护设计级围岩的初期支护设计 4 2 1 级围岩隧道的宽度级围岩隧道的宽度 B 与高度与高度 H 确定确定 级围岩隧道的宽度 B 与高度 H 确定可按下式进行计算 计算结果为 m 1 B2r2d2e 2 m 11 H H r d e 1 606 式中 拱部圆弧半径 1 r d 衬砌厚度预估为 0 7m e 预留变形量取为 0 12m 路面至起拱线的高度 1 H 4 2 2 判断隧道深 浅埋判断隧道深 浅埋 1 级围岩深埋和浅埋的分界 按荷载等效高度值 并结合地质条件 施工方 法等因素综合判定 荷载等效高度计算公式如下 4 1 pq H 2 2 5 h 式中 隧道深浅埋的分界高度 P H 等效荷载高度 q h q q h 垂直均布压力 q 3 kN m 围岩重度 3 kN m 在矿山法施工的条件下 级围岩取 级围岩取 所 pq H2 5h pq H2h 以取 pq H2 5h 4 2 s 1 q0 45 2 式中 围岩的级别 s s 5 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 16 围岩的重度 20kN 宽度影响系数 1 i B5 隧道宽度 B B13 04m 以 B 5m 为基准 B 每增加 1m 时的围岩压力的增减率 当 B5m 时 取 i 0 1 将数据带入式 4 2 得 1 5 1 q0 45 2 0 45 2201 0 113 045 0 260MPa s m q q260 h13 20 m pq H2 5h2 5 1332 47 由于该隧道 级围岩埋深为 8m 60m 所以 级围岩既有浅埋部分又有深埋部分 2 其他级别的围岩从地形图上看均属于深埋 所以 级围岩段属于深埋 4 2 3 隧道围岩压力计算隧道围岩压力计算 按照 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 中规定 浅埋隧道荷载分下述两种情 况分别计算 1 埋深 H 小于或等于等效荷载高度时 计算图示见图 4 1 荷载视为垂直均 p h 布压力 即 4 3 q H 式中 垂直均布压力 q 2 kN m 隧道上覆围岩容重 3 kN m 隧道埋深 H 侧向压力 按均布荷载考虑时 e 4 4 2 t 1 e H tan 45 2H2 c 式中 侧向均布压力 e 2 kN m 围岩计算摩擦角 c 3 kN m 隧道高度 m t H 2 隧道埋深大于小于 见 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 附录 E q h p H 图 E 0 2 1 隧道上覆岩体 EFHG 的重力为 W 两侧三棱体或的重力为 FDBECA 1 W 未扰动岩体整个滑动土体的阻力为 F 当下沉 两侧受阻力或 作用于 HGEFHGT T 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 17 面上的垂直压力总值为 Q浅 4 5QW2TW2Tsin 浅 图图 4 1 浅埋隧道围岩压力计算浅埋隧道围岩压力计算 三棱体自重为 4 6 1 1h W h 2tan 式中 隧道底部到地面的距离 m 破裂面与水平面的夹角 h 据正弦定理可得 4 7 1 sin TW sin 90 将式 4 6 代入式 4 7 可得 2 1 T h 2cos tan tan tan 1tan tantan tantan c cc 2 tan1 tan tan tan tantan cc c c 式中 侧压力系数 其他符号意义同前 至此 极限最大阻力值可求得 得值后 代入式 4 7 可求得作用在 HG 面上的TT 总垂直力 Q浅 4 8 2 QW2Tsin W h tan 浅 由于 GC HD 与 EG EF 相比往往较小 而且衬砌与土之间的摩擦角也不同 前 面分析时按计 当中间土块下滑时 由 HF 及 EG 面转递 考虑压力稍大些对设计的 结构也偏于安全 因此 摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分 即在计算中用 H 代替 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 18 h 这样式 4 8 为 2 Q W H tan 浅 由于 所以 t WB H 4 9 2 t W H tan H B H tan Q 浅 式中 隧道宽度 m t B 换算为作用在支护结构上的均布荷载为 4 10 tt QH q 1 tan BB 浅 浅 作用在支护结构两侧的水平侧压力为 4 11 1 e 2 e h 侧压力视为均布压力时 4 12 12 1 e e e 2 1 级围岩深埋段垂直均布压力计算 根据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 中规定 深埋隧道围岩压力由 4 2 得 Mpa 1 qq0 45 2 0 260 s 深 2 级围岩浅埋段围岩压力计算 显然 级围岩浅埋段埋深可分为两部分 一部分埋深小于 另一部分介于与 q h q h 之间 符合上述第一 二种情况 下面就不同情况分别计算 计算图示具体见图 p H 4 2 埋深小于或等于等效荷载高度时 荷载视为垂直均布压力 由 4 3 得 H q h MPaq H20 2 t 2 1 e H tan 45 2H2 1 32 47 tan 45 0 086MPa 22 c 埋深大于小于按上述第二种情况计算 依据 公路隧道设计规范 JTG q h p H D70 2004 查表 A 0 4 1 得所需数据 m 50 c 3 20kN m p HH 32 47取 0 6 t BB 13 04m 将数据代入上述公式 得 2 tan1 tan tan tan tantan cc c c 2 tan 501 tan50 tan50 tan50tan16 2 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 19 tan tan tan 1 tan tantan tantan c cc t t Q q B H tan B 32 47 32 47 10 105 0 291 13 04 0 600MPa 浅 浅 1 e Pa 2 e h Pa 12 11 e e e 0 045MPa 22 0 028 0 036 显然 为了便于施工 初衬按设计 q浅q深q浅 图图 4 2 浅埋隧道支护结构上的荷载浅埋隧道支护结构上的荷载 3 级围岩的围岩压力计算 由于围岩属于深埋所以围岩压力由公式 4 2 得 1 q q0 45 2 s 深 查得计算参数 则 3 t 22kN mB B 12 74mS 4 MPa 4 1 q q0 45 2221 0 10 14 深 12 76 5 4 级围岩的围岩压力计算 由于 围岩属于深埋所以围岩压力由公式 4 2 得 1 q q0 45 2 s 深 查得计算参数 3 t 24kN mB B 12 4mS 3 MPa 3 1 q q0 45 2241 0 10 075 深 12 4 5 4 34 3 锚喷支护的计算与设计锚喷支护的计算与设计 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 20 4 3 1 计算计算 及及 i p a p Q o a r u 设计过程中为了简化计算 将隧道看成是圆形洞室 当采用点式锚杆可看成锚杆 两端有集中力 假设集中力分布于锚固区锚杆内外两端两个同心圆上如图 4 3 所示 由 此在洞壁上产生的支护附加抗力 而在锚杆内边分布力为 其中为锚杆内端 a p 0 a c r p r c r 半径 图图 4 3 点锚式锚杆的分布力点锚式锚杆的分布力 平衡方程及塑性方程为 4 13 0 rr d drr 4 14 11 11 1 sin 1 sin r c ctg c ctg 式中 加锚后围岩的值 1 c c 加锚后围岩的值 1 由式 4 13 式 4 14 得 4 15 1 11 1 2sin lnln 1 sin r c ctgrc 由时 得积分常数 0 rr rai pp 4 16 1 110 1 2sin lnln 1 sin ai cppc ctgr 将式 4 16 代入 4 15 式有 4 17 1 1 2sin 1 sin 1111 0 rai r ppc ctgc ctg r 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 21 令锚杆内端点的径向应力为并位于塑性区内 则弹塑性界面上有 c 4 18 1 1 2sin 1 sin 0 1111 111 1 sincos a rc c R c ctgc ctg r pc 式中 有锚杆时的塑性区半径 0 a R 由此得 4 19 1 1 2sin 1 sin 11111 0 t 1 sin t c c a r pc c gc c g R 此外 由式 4 17 并考虑锚杆内端的分布力 则 4 20 1 1 2sin 1 sin 0 1111 0 c caia c rr ppc ctgc ctgp rr 按式 4 19 与式 4 20 得有锚杆时的塑性区半径 0 a R 4 21 1 1 1 sin 2sin 111 02sin 1 1 sin 0 1 11 0 1 sin a c c iaa c pc ctg Rr rr ppc ctgp rr 当锚杆内端位于塑性区之内时 且在松动区之外时 有锚杆时的最大松动半径为 4 22 1 1 1 sin 2sin 111 max min111 1 sin 1 sin a c ia pc ctg Rr ppc ctg 当锚杆内端位于松动区时 则有 4 23 1 sin11 2sin1 11 1 1 1 max0 1 1 sin 2sin 111 02sin 1 sin 0 111 0 1 1 sin 1 sin 1 sin a a c iaa c RR pc ctg r rr ppc ctgp rr 有锚杆时的洞壁位移及围岩位移为 0 a r u a r u 4 24 0 2 0 0 4 a a r M R u Gr 2 0 4 a a r M R u Gr 对于点锚式锚杆 可按锚杆与围岩共同变形理论获得锚杆轴力 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 22 0 as c uuE A Q rr 4 25 2 0 0 0 4 a a M R uu Gr 2 0 0 0 4 a a cc M R r uu Grr 式中 锚杆外端位移 u 锚杆内端位移 u 锚杆的弹性模量 a E 锚杆的截面积 s A 锚固前洞壁位移值 a o u 由于锚杆是集中荷载 其围岩变位实际上是不均匀的 在加锚杆的洞壁处位移量 最小 如果锚杆设有托板 则锚端还会有局部承压变形 因此在计算锚杆拉力时应乘 以一个小于 1 的安全系数 即 4 26 0 as c uu QkE A rr 式中 与岩质和锚杆间距有关 岩石好时可取 1 岩质差时取 k 41 52 如下图 4 4 全长粘结式锚杆通过砂浆对锚杆的剪力传递而使锚杆处于受拉状态 对一般软岩 可认为锚杆与围岩具有共同位移 而略去围岩与锚杆间相对变形 显然 锚杆轴力沿全长不是均布的 由图可见 锚杆中存在一中性点 该点剪力为零 两端 锚杆受有不同方向的剪力 中性点上锚杆拉应力 轴力 最大 在锚杆两端点为零 图图 4 4 粘结式锚杆内力及位移分布图粘结式锚杆内力及位移分布图 考虑锚杆上任意点的位移为 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 23 4 27 2 0 00 1 4 a aa r M R ur u Gr 当 中性点半径 时 锚杆轴力 为 0 rr 1 Q 4 28 2 2 0 100 2 2 0 00 2 1 4 1 4 a a as a a as d M R r Qr uE Adrc Gdr M R r uE Ac Gr 当时 故 0 rr 0Q 2 0 00 2 0 1 4 a a as M R cr uE A Gr 4 29 2 0 100 22 0 11 4 a a as M R Qr uE A Grr 当时 其轴力为 0 rr 2 Q 4 30 2 0 200 22 11 4 a a as c M R Qr uE A Grr 当时 则有 r 12 QQ 2222 0 1111 c rr 可得 22 0 22 0 2 c c r r rr 式中 锚杆最大轴力处的半径 此处剪力为零 由此算得锚杆最大轴力为 4 31 2 0 max00 22 0 2 0 00 22 2 0 00 22 0 11 4 11 4 11 24 a a as a a as c a a as c M R Qkr uE A Gr M R kr uE A Gr M Rk r uE A Grr 点锚式锚杆中 式 4 25 还可写成 时 0c rr 湖南科技大学本科生毕业设计 论文 24 4 32 2 0 00 0 1 4 a a as c M R Qkr uE A Gr r 为使计算简化 可用或与点锚式锚杆等效的轴力来代替 由此可将粘结 max Q Q Q 式锚杆按点锚式锚杆进行计算 按上述两种锚杆轴力图的面积等效求得 即 Q 0 012 c r c r Q rrQdrQ dr 由此得 4 33 2 00 00 22 000 211 4 a a asc ccc M RE Arr Qkr u Grrrrrr 4 3 2 级围岩段锚喷支护设计级围岩段锚喷支护设计 1 设计参数的确定 设计参数的确定 由上节可知 级围岩围岩压力 考虑到在初期支护时会遇到各种P q 浅 0 6MPa 偶然的因素 如地震的影响 温差的变化 雨季时水的影响等 取4 5 并根P MPa 据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 表 A 0 4 1 得 0 45 设计时为了简化计算 将隧道看成圆形 3 c 0 2MPa27E 2 10 MPa c 洞室 见图 4 3 根据隧道内轮廓和建筑限界 设 9 29m 锚杆的间距为 锚杆采用 0i r 5 29mr 5 04m 4 BH c ri0 8m e1m HRB235 级钢筋 弹性模量 抗拉强度 42 S 3 801 10 m 5 a E2 1 10 MPa 抗剪强度 安全系数 k 0 6 喷层混凝土采用 P 188MPa a 335MPa 20 C 弹性模量 无锚杆时的围岩位移有锚杆时的隧道位 C 0 2 4 c E 28 10 MPa 0 0 03mu 移 a 0 u 0 0 8u0 024m 2 计算 计算 i p a p Q 已知 1 27 34 as 1 A335 103 801 10 0 10 359MPa ei0 8 1 cc 由公式得 2 222 0 c 2222 0c 2r r2 5 299 29 6 50m r r5 299 29 111 MM 4G4E 2 1 3 psinc cos 2E 3 4 5 sin270 359cos27 1