地下工程课程设计作业.docx

地下工程课程设计歇台子隧道洞身横断面及级围岩衬砌结构设计学 号： 201003010333姓 名： 汪 越指 导 教 师： 路 军 富学 院： 环境与土木工程学院摘要为了较快速经济得开通广甘高速公路，特在歇台子开挖隧道。本设计为歇台子隧道洞身设计。本设计采用二次衬砌的方法对洞身支护。本设计并运用有限元分析方法，通过ANSYS软件对洞身剖面内力计算分析，得出轴力、弯矩。通过轴力、弯矩计算出个节点安全系数。根据规范，运用安全系数法计算并配置钢筋。本设计根据规范，采用最大宽度法计算出钢筋混凝土的裂缝宽度。本设计采用CAD软件绘出建筑限界图、内轮廓设计图、钢筋配置图。关键词： 有限元 衬砌 ANSYS CAD 最大宽度目录1.自然地理条件41.1地形地貌41.2气象42.隧道总体设计原则43.设计依据54.隧道断面布置65.围岩压力计算96.隧道初支107.隧道衬砌设计与计117.1钢筋配置：158.施工组织设计208.1施工方案208.2施工方法及其措施211.自然地理条件1.1地形地貌隧址区位于四川盆地北部边缘与秦岭西部山区的交界部位。地形地貌受地质构造和岩性控制，山川水系与构造基本一致，多呈NESW向展布。隧道地处三堆沟右岸，李家沟左岸，在宏观上表现为两沟（三堆沟和李家沟）夹一山(李家山)的地貌形态。隧道穿越李家山，山体浑厚，两侧基本对称，呈“人”字型；山岭由一系列串珠状排列的小山头组成，总体上呈N60W展布，与隧道轴线大角度相交，其山顶海拔标高为943m（区内最高点）；区内最低面为三堆沟，标高仅为633m；相对高差达310m，属构造剥蚀中等切割低山河谷地貌。1.2气象隧址区地处四川省西北部，属盆地山地北亚热带季风气候，总的气候特点是：夏热冬暖、年较差小、四季分明、终年湿润；春秋早，春暖秋意凉；冬干春旱，初夏雨少，秋绵绵；盛夏降水相对集中；年平均气温16，一月平均气温最低，为4.9，七月最高为26。多年平均降雨量993.0mm，日照1383小时，无霜期265.5天，小气候条件复杂。2.隧道总体设计原则（1）隧道设计遵循充分发挥隧道功能，安全、经济的基本原则。设计中有完整的勘测、调查资料，综合考虑地形、地质、水文、气象、地震和交通量及其构成，以及营运和施工条件，进行了多方案的技术、经济、环保比较，使隧道设计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求。（2）隧道主体结构按永久性建筑设计，具有规定的强度、稳定性和耐久性；加强了隧道支护衬砌、防排水、路面等主体结构设计与照明、供配电、消防、交通监控等营运设施设计之间的协调，形成合理的综合设计。（3）隧道设计体现动态设计与信息化施工的思想，制定地质观察和监控量测的总体方案。（4）隧道设计贯彻国家有关技术经济政策，积极慎重地采用新技术、新材料、新设备、新工艺。（5）隧道设计符合国家有关国土管理、环境保护、水土保持等法规的要求。注意节约用地，保护农田及水利设施，尽量保护原有植被，妥善处理弃渣和污水。3.设计依据（1）我院与四川省广甘高速公路有限责任公司签订的勘察设计合同；（2）我院下达的勘察设计任务书；（3）兰州至海口高速公路甘川界至广元段两阶段初步设计文件；（4）交通运输部文件关于姚渡(甘川界)至广元公路初步设计的批复（交公路发2009210号）。（5）公路隧道设计规范（JTG D70-2004）（6）公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）（7）隧道铁路工程技术手册（8）铁路隧道喷锚构筑法技术规范（TB 10108-2002）4.隧道断面布置本公路设计等级为高速公路双向四车道，由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.2有：高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。对于类围岩，分离式独立双洞间最小净间距为2.5B，B为隧道开挖断面的宽度。 本隧道入口桩号为：ZK7+175，K7+119出口桩号分别为：ZK7+933，K7+918，全长分别为758和799，为短隧道，不需设紧急停车带。表41 隧道长度、桩号一览表隧道名称隧道长度（m）隧道起点桩号隧道止点桩号隧道总长度（m）歇台子隧道左洞758ZK7+175ZK7+933758右洞799K7+119K7+918799合 计1557 因围岩为类围岩，选隧道断面形式为曲墙式。公路隧道建筑限界： 本高速公路位于四川秦岭山区，去设计时速为80km/h，则建筑限界高度H=5.0m。且当Vk=80km/h时，检修道J德宽度不宜小于75cm，取J左=J右=0.75m，检修道高度h=2.5m，设检修道时，不设余宽，C=0，取行车道宽度W=3.75x2=7.5m，侧向宽度=0.75m建筑限界顶角宽度为0.75m，隧道纵坡不应小于0.3，不应大于3，本处取2。具体建筑限界见图s41建筑限界及内空图所示。S41建筑限界图 由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.4.6有：上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。本隧道长小于800m，设置3x2处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界图s42所示。s42人行横通道的断面建筑限界图隧道限界净宽为：10.25m；其中：行车道宽W=3.75x2=7.5m， 侧向宽度L=0.5+0.75=1.25m， 检修道宽度0.75x2=1.5m，隧道限界净高：5m；内轮廓形式：单心圆R=8.0m净高：7.15m净宽：11.06m向外取衬砌厚度0.35m，则隧道开挖宽度=12.3m，隧道开挖高度=7.5m；取两分离式洞口之间左右间距为40m；该段隧道的埋深H=117.33m.洞口开挖方式见施工组织设计。5.围岩压力计算围岩/=7.5/12.3=0.615m，取i=0.1，=1+i（B-5）=1+0.1x（12.3-5）=1.73 （54）q=rh=0.45x2s-1x=0.45x8x2.5x1.73=15.57t/m2荷载等效高度：=q/r=15.57/2.5=6.228m; （55）深、浅埋隧道分界深度：=2.5=2.5x6.228=15.57m0.20h时，系抗拉强度控制承载能力。抗拉强度控制：N极限 =(73)式中，Ra混凝土抗压极限强度； Rl混凝土抗拉极限强度； b截面宽度（m）； h截面高度（m）； a轴力偏心影响系数；按表71选用表71偏心影响系数注： 1. e0为轴向力偏心距 2. =1.0000.648(e0/h)12.569(e0/h15.444(e0/h衬砌截面结构点控制检算见表72表72安全系数编号弯矩M(KN.m)轴力N(KN)偏心矩e混凝土编号安全系数K拱底7.692-880.40-0.0087C300.8653左拱脚-239.49-974.350.2458C30-0.2797左拱肩-161.80-800.040.2022C30-0.4438拱顶-199.65-530.92-0.3760C300.2215右拱肩-161.17-818.330.1969C30-0.4504右拱脚-238.29-927.120.2570C30-0.2774根据铁路隧道设计规范（TB10003-2005）查得衬砌承载能力安全系数见表7-3。表7-3衬砌承载力安全系数由表72可知，根据附表1中的数据得出，结构在受压控制时的安全系数均满足规范规定；在受拉控制时，拱顶段截面安全系数不满足，故以该截面为控制截面，进行结构的配筋。构件截面高350mm，宽1000mm。采用C30混凝土，配置HRB335钢筋，钢筋至边距50mm，采用对称配筋。按混凝土结构设计原理查得配筋计算公式如下：（74）其中 ， 式中 截面弯矩值（N/m）；钢筋的抗拉强度标准值（Pa）；内力臂系数；截面有效梁高（m）；由拱顶单元计算钢筋布置；由M=199650N/m, 1=1.0, fc=14.3N/mm2, b=1000mm, h0=300mmas=199650/(1x14.3x1000x350x350)=0.000113972 （75）rs=0.999As=199650000/(310x0.999x300)=2148.9mm2 （76）最小配筋率p=2148.9/(300x1000)=0.00710.002则As=2148.9mm2由6根22钢筋组成即622，实际面积为2281mm2，符合要求裂缝宽度验算：e0/h0=376/300=1.25,要进行宽度验算 （77）其中 为受拉区纵向钢筋的等效直径为构件受力特征系数，对受弯和偏心受压构件取，裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 ，当时，取；当时，取为混凝土轴心抗拉强度标准值纵向受拉钢筋配筋率 当时，取 为受拉区纵向非预应力钢筋截面面积 为有效受拉混凝土截面面积，按荷载效应的标准组合计算的钢筋混凝土构件纵向受拉钢筋的应力或预应力混凝土构件纵向受拉钢筋的等效应力 其中 纵向受拉钢筋合力点至截面受压区合力点的距离 而且轴向压力作用点至纵向受拉钢筋合力点的距离或使用阶段轴向压力偏心距增大系数 当时，取为截面重心至纵向受拉钢筋合力点的距离 取，=120mm，e=376+120=496mm，z=247.8mm，=233KN, =0.013， =0.79=0.22mm则取 裂缝宽度0.2mm。8.施工组织设计8.1施工方案隧道采用新奥法施工。岭头一号左右线从出口端掘进，岭头二号隧道采用双头掘进。洞口土石方采用，挖掘机挖装，自卸汽车运输的方法施工。级围岩采用中隔壁法开挖，级围岩采用台阶法开挖，级围岩采用全断面开挖。隧道均采用无轨运输，施工时坚持“短进尺，弱爆破，快封闭，勤量测”的原则；首先进行明洞、洞口土石方及边仰坡施工，并施作防排水及坡面防护，洞口土石方采用机械开挖，部分辅以凿岩机钻眼，小炮控制开挖，人工刷整边坡，自卸汽车运输的方法施工。洞身施工，隧道衬砌按仰拱超前，拱墙一次衬砌。喷射砼采用湿喷工艺，降低回弹量和粉尘；隧道衬砌采用液压钢模衬砌台车，按仰拱超前，拱墙一次衬砌，砼集中拌和，砼运输车运输至作各业面，泵送砼入模，插入式捣固器与附着式捣固器联合振捣。隧道通风采用压入式风机通风。施工中加强围岩的监控量测，运用先进的量测、探测技术，指导施工。8.2施工方法及其措施(1)洞口施工洞口土石方施工采用人工配合挖掘机分两次开挖，第一次开挖至起拱线位置，待拱顶以上边仰坡防护措施完成后，进行起拱线以下部分开挖。(a)施工前，按设计进行测量放线，标出起拱线位置及拱脚开挖宽度并用红油漆作出明显标志后，进行开挖作业。(b)开挖前按要求施作洞口仰坡截、排水系统，然后用挖掘机从上至下逐层顺坡开挖，并用自卸汽车运至弃碴场弃置。(c)洞口开挖成型后，及时施作锚喷及边坡防护，稳定边坡。(2)明洞钢筋砼施工明洞土石方开挖完成后，绑扎仰拱钢筋，灌注仰拱混凝土，砼达到设计强度后，衬砌台车位并安装明洞洞身段模型，绑扎边墙及拱部钢筋，砼输送泵一次连续浇注成形。（3）洞身开挖施工方法（a）挂齿进洞方法为保证隧道进洞施工安全，进洞前，安装型钢支架、关模并浇筑套拱混凝土，然后施作超前管棚注浆加固围岩。采用弧形导坑法进洞，用挖掘机为主要开挖机具。进洞后，转换工序，进行洞内、级围岩施工。隧道洞口开挖面呈多向受力状态，容易发生坍塌事故,为保证隧道破口时施工安全和结构稳定，设超前管棚注浆加固围岩。大管棚采用DP120型跟管钻机钻管孔，将加工好压浆孔钢管随钻头跟进孔内，用丝扣接长钢管，确保管孔位置正确，避免“沉头”和串孔。加快各工序的施工进度，及时封闭，及时成环，喷砼加厚。（b）施工顺序级围岩段测量布眼钻上导坑炮眼上部开挖上部初期支护台车钻下导坑炮眼下部开挖下部初期支护防水层施工仰拱施工二次衬砌（模筑砼）管沟施工路面施工。、级围岩段测量布眼台车钻眼全断面开挖拱墙初期支护防水层施工二次衬砌模筑管沟施工路面施工。（c）洞身开挖钻爆设计说明隧道爆破作业采用微振动光面控制爆破，钻眼采用简易凿岩台车。本设计包括级围岩台阶法上下半断面开挖，级围岩全断面开挖的炮孔布置，装药参数，装药结构及起爆顺序和起爆方式的设计。每次爆破进尺根据围岩状况确定：每次爆破后均对围岩及其稳定性作出评估，其结果作为下一循环进尺的依据。A 级围岩采用短台阶新奥法施工，台阶长度5米。台阶上部钻眼深度1.7m，光面爆破，每次进尺1.5米，台阶下部钻眼1.7m光面爆破，每次进尺1.5米。开挖过程中，初期支护紧跟工作面，尽快完成支护体系。B 、级围岩采用全断面开挖。开挖预留变形量值选用3cm，并根据施工期围岩变形监洞内管线布置图通风管1000排水管供风、供水管照明线动力线测结果进行调整。炮眼深度每循环2.7m，光面爆破掘进，每次进尺2.5m。爆破设计当循环进尺在2.0m以内时采用二级斜眼复合楔形掏槽，当循环进尺大于2.0m时采用直眼掏槽。隧道边墙及拱部均按“面爆破”设计，爆破后不得有欠挖，线性超挖控制在15cm以内。爆破器材选择采用击发枪导爆管轴向起爆、非电毫秒雷管及导爆索并联孔内微差起爆体系。炸药采用乳化炸药。爆破效果监测及爆破设计调整每循环爆破后，对残眼长度、爆碴集中度和块度、周边孔痕迹率、岩面平整度、循环间衔接台阶高度、围岩稳定性以及断面轮廓、超欠挖情况等爆破效果参数进行量测与描述，并根据爆破效果适当调整循环进尺、周边孔、内圈孔间距及抵抗线、掘进孔密集度及炸药用量、掏槽孔布置及掏槽孔深度等爆破设计参数。爆破后找顶选派有施工经验、工作责任心强、体格强壮的人员担任找顶工作，每座隧道每班配不少于2名的找顶工找顶。消除下道工序的施工隐患，并为初期支护加强度提供依据。（4）隧道通风及排水(a)通风隧道口安装1台MFA60P2-S通风机供风，通风管使用1000负压柔性风管，悬挂于隧道拱腰部位，压入式通风。当隧道施工长度大于500m时，增加1台通风机抽出式通风，通风管使用600 的胶皮风管悬挂在另一侧边墙上。(b)防尘施工防尘采用水幕降尘和个人戴防尘口罩相结合，在距掌子面30m外边墙两侧各放一台水幕降尘器，爆破前10min打开阀门，放炮30min后关闭。(c)排水隧道为上坡掘进时，设距边墙0.5m设临时排水沟，沿纵坡排水，汇入洞外排水系统；下坡掘进时，每隔2030m设一集水坑和抽水站，依次将水抽排出洞。（5）超前支护与初期支护(a)超前小导管注浆加固地层小导管注浆作业包括打孔布管、封面、注浆三道工序。打孔布管：采用凿岩风钻或台车打眼打孔，孔眼长度大于小导管长度。小导管顶部成尖锥状，尾部焊箍，管壁按梅花形布置小孔，尾部置于钢架腹部，增加共同支护能力。封面：注浆前，喷射砼封闭工作面，以防漏浆。注浆：采用水泥浆液注浆，在孔口设置止浆塞，浆液配合比由现场试验确定，注浆时先注无水孔，后注有水孔，从拱顶向下注，如遇窜浆或跑浆，则间隔一孔或几孔注浆。(b)中空注浆锚杆施工隧道开挖后即按设计要求初喷砼后，即进行锚杆钻孔作业。中空式注浆锚杆采用风钻打眼。打眼时须严格按设计要求控制孔眼位置，间距及外插角。施工时采用TAPS断面仪严格放线控制。锚杆孔成孔后即可安装已加工制作好的锚杆。严格控制好注浆压力和注浆量，并及时施工监测资料和施工现场的实际情况修正参数。(c)锚杆钢筋网严格按设计要求和围岩类别设置长度和密度足够的锚杆，并在开挖后尽快安设。锚杆钻孔、安设方向与岩面垂直。注浆锚杆安设就位后，用注浆机注入水泥浆。药卷锚杆采用凿岩机械将锚杆和放药卷入孔中。钢筋网的铺设要与开挖面紧贴，挂网前应先初喷一层砼，钢筋网与锚杆电焊牢固，钢筋网挂好后，再复喷砼至设计厚度。(d)型钢钢架施工钢架在洞口11样台上制作焊接成型后运入洞内进行安装。钢架每榀由各单元组成。钢架安装前先对岩面初喷砼后，测设隧道中线，确定标高，然后再测其横向位置，用红油漆作出明显标志，钢架安装方向垂直于隧道中线。钢架安装时，各单元之间采用螺栓通过连接板进行连接，同时为确定钢架与钢架之间的整体稳定性，每榀钢架之间沿环向设置钢筋进行连接。(e)湿喷砼施工方法原材料要求水泥：采用普通硅酸盐水泥。细骨料：采用硬质洁净的中砂或粗砂，砂率根据现场试验确定。粗骨料：采用坚硬耐久的碎石，粒径不大于15mm，级配良好。水：采用不含有影响水泥正常凝结、硬化及影响砼耐久性的有害杂质的工程用水。速凝剂：DS液体型速凝剂，掺量由试验确定。湿喷砼施工方法A喷射机械安装好后，先注水、通风、清除管道内杂物，同时用高压风吹扫岩面，清除岩面尘埃。B上料保证连续性，校正配料的输出比。C操作顺序：喷射时先开液态速凝剂泵，再开风，后送料，以凝结效果好，回弹量小，表面湿润光泽为准。D喷射机的工作风压严格控制在0.50.75Mpa范围内，从拱脚到边墙脚风压由高到低，拱部的风压为0.40.65Mpa，边墙的风压为0.30.5Mpa。E严格控制喷嘴与岩面的距离和角度。喷嘴与岩面垂直，有钢筋时角度适当放偏，喷嘴与岩面距离控制在0.81.2m范围以内。F喷射时自下而上，即先墙脚后墙顶，先拱脚后拱顶，避免死角，料束呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形，每次蛇形喷射长度为34m。二次衬砌根据围岩不同分别采用钢筋砼或砼。(a)正洞施工方法正洞二次衬砌工艺流程如下图：(b)钢筋制作安装图81钢筋制作安装二次衬砌钢筋在11的制作样台上，分单元分片制作成形，各单元间预留足够的搭接长度。运至施工现场安装时，将每片钢筋用纵向钢筋联结成一个整体，连接采用绑扎焊接，纵向钢筋应预留一定长度以便与下组衬砌钢筋的联接，并设加强连接筋。搭设作业台架，便于边拱钢筋的安装。(c)砼施工模板：本合同段隧道每作业面配备一台衬砌台车和一套模板，平移式交错作二次衬砌（每节衬砌长度12m）。砼的拌制：在洞口设置拌和站，供应砼；砼的运输：采用3台规格为6m3的搅拌运输车进行砼运输供应； 的浇注：采用砼输送泵泵送浇注砼，并备用一台砼输送泵。 的振捣：选用插入式捣固器和高频附着式振捣器进行砼振捣。衬砌台车施工见下图：图82衬砌台车施工图(d)衬砌背后注浆为防止二次衬砌与外防水层之间形成空隙，采用在二次衬砌背后压浆的施工措施进行处理。压浆孔设在拱顶，每5m隧道预留1个注浆孔。压浆孔底部孔口紧贴外防水层，为确保压浆孔不被堵塞以及不剌破防水层，采用预留注浆孔措施。二次衬砌砼灌注56天后，从注浆管逐孔压入11水泥浆液，充填二次衬砌与外防水层之间的间隙。(e)仰拱施工仰拱清底：仰拱开挖完成后，将仰拱顶面标高在边墙上标示，根据仰拱设计断面检查实际断面尺寸，利用采用人工配合清除仰拱局部欠挖，检查合格后进行仰拱施工。拆模 台车就位 台车调整合格 扎筋立模养护 灌注砼 模板横向及高程调整液压衬砌台车示意图仰拱施工：仰拱砼在模型安装后，用砼运输车运至工作面，插入式捣固器振捣，及时养护。填充砼施工：在仰拱砼强度达到设计强度后进行填充砼施工。采用砼运输车运至工作面，插入式捣固器振捣，根据仰拱顶面标高人工找平顶面并拖毛，及时养护。(f)管沟施工隧道管沟随仰拱一次开挖成型外，开挖后及时清帮，并尽快立模灌注砼衬砌。（7）隧道防排水(a)概述隧道正洞的结构防水设计要求“以防为主，防、排、截、堵相结合”的综合治理原则。防水系统防水系统由防水砼、防水板和施工缝、变形缝处设置的止水条、止水带组成。排水系统隧道排水系统由环向、纵向排水管（盲沟）组成。衬砌拱部进行充填压注水泥砂浆，施做二次砌时拱部纵向按每隔5m间距预留压浆孔。(b)防水层施工采用平台作业车作施工平台，先在初期支护壁上钉衬垫，衬垫为梅花型布置，将防水板粘结在衬垫上。防水层与初期支护密贴，但保持一定的松驰度，粘结牢固。初期支护有渗水地段采用在渗水区及其周边一定范围内，花管注浆封堵，或引排至纵向排水管。只有当渗水完全封堵后，才能铺设防水层。（8）内砼路面施工方法及洞内附属施工路面工程不是整个标段的控制工程，但是整个路面工程的施工质量却是关键环节，特别是洞内的路面砼一定要保证质量。为整个线路运营创造良好条件。（a）、水泥砼路面整平层施工路面整平层施工工艺流程路面整平层施工工艺流程图图84施工工艺流程图测量放线标高测量与控制：根据安装模型进度，在立模前一天将纵、横缝交叉点打入钢筋桩，钢杆出路面30cm，用红油漆在钢筋上划出标高标记，作好记录作为复测依据。立模完成后，砼灌注前，应分别用经纬仪拉小白线等方法复测模板顺直度，用水平仪检测模板标高。模板加工模板根据路面设计厚度采用28号轻型槽钢加工成型，型钢口必须打磨平整，以保证型钢立面平整，上口平直，拉传力杆直径，位置根据设计在槽钢高度上钻孔设定，模板外侧设定位卡环。模板的安装安装模板：根据路面下基层表面上弹划的墨线，确定模板位置，利用钢筋桩标高点临时固定