南京工业大学交通学院拉西瓦水电站左岸低线公路隧道毕.doc

第一章 基本资料1.1设计依据和标准1.1.1设计依据部颁公路工程技术标准（JTJ001-97）；部颁公路隧道设计规范（JTG D702004）；部颁公路规范地质勘察规范（JTJ064-98）；部颁公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）；部颁公路工程基本建设项目设计文件编制办法（1996）；部颁公路隧道通风照明设计规范（JTJ.1-1999）；1.1.2技术标准隧道按高速公路标准设计，为分离式双洞单向行驶隧道，采用的主要技术标准如下：1、设计行车速度隧道几何尺寸净空断面标准按120Km/h设计；隧道通风照明计算按80Km/h行车速度设计；2、隧道建筑限界建筑限界基本宽度：行车道： W23.75m侧向宽度： L左0.75m L右1.25m检修道： J20.75m总基本宽度为：11.0m隧道建筑限界净高：5.0m (检修道净高2.5m)。3、卫生标准正常营运时CO允许浓度285ppm,发生事故时CO允许300ppm；隧道内烟尘允许浓度；4、设计交通量预测2024年年平均日交通量为20491MTE/日（中型标准车）；5、设计荷载洞内路面设计荷载采用汽-超20，挂-120。1.2工程概况1.2.1隧道概况拉西瓦水电站左岸低线公路隧洞进口位于泥鳅山古滑坡体上游侧，设计底板高程2249.8 m，出口位于回车场下游侧，底板高层2246 m，坡降0.325。隧洞段全长1112 m。断面型式为城门洞形，开挖断面正常尺寸为12.2 m8.87 m。隧洞水平埋深30100 m，垂直埋深一般大于100 m。 1.2.2工程地质条件1、地层岩性左岸低线公路隧洞施工开挖揭露的地层为三迭系下统变质岩类：变质长英砂岩夹泥质板岩和帘石化灰岩等，呈中厚层薄层状结构，互层或互为夹层状构造。泥质板岩相对较软弱，在层间错动构造影响下，易形成破碎夹层。2、地质构造施工开挖表明，左岸低线公路隧洞段断层、裂隙等地质构造较发育，其发育优势方向及规模随不同隧洞段而异。全洞岩体为单斜层结构，倾向下游。岩层走向NW340NE60，倾向NESE，倾角1040。裂隙结构面多以硬性为主，且多贯穿三壁。3、岩体特征隧洞区岩体在不同洞段岩石的风化、岩体的结构等特征也会有一定程度的差异。桩号K0+740 mK1+072 m段，岩石微风化，岩体多呈块状层状结构，地下水活动较轻微，岩体中断裂构造较发育。桩号K1+072 mK1+172 m段，岩石弱风化，无地下水活动，岩体多呈块层状及碎裂状结构，层间挤压破碎，易形成坍落。4、地表水 隧址区内河流为黄河水系，地表水体为黄河及其南北两岸支流。黄河主要补给来源是大气降水，其次为地下水和冰雪融水等，黄河百年一遇洪峰量为1687m3/s，平均流量为561 m3/s。河水对混凝土和钢筋具有低等腐蚀，水下混凝土可不采取抗侵蚀措施。5、地下水勘探期间未见地下水。1.2.3 隧道洞室围岩级别的划分根据公路工程地质勘察规范规定的围岩分级的方法，隧道洞室围岩级别划分主要考虑以下因素：1）围岩岩性、强度，即岩性特征；2）围岩岩体的结构特征、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，弹性参数等等。现仅对本文选取的三个典型围岩洞段（K1+115 m、K1+010 m、K0+870 m）围岩地质参数进行介绍：(见表1-1)表1-1 围岩地质参数分析断面容重/kNm-3岩体模量/GPa粘聚力/kPa泊松比摩擦角 /（）抗压强度/MPa抗拉强度/kPaK1+11526.92.73000.3242.03035K1+01026.95.96800.3043.950115K0+87026.910.010600.2548.480268根据规范：BQ = 90 + 3Rc + 250Kv。K1+115m段的围岩为较坚硬岩，Rc=30Mpa;岩体较破碎，Kv =0.35;BQ=267.5，围岩级别为级。K1+010m段的围岩为较坚硬岩，Rc=50Mpa;岩体较完整，Kv=0.65;BQ=402.5，围岩级别为级。K0+870 m段的围岩为坚硬岩，Rc =80Mpa;岩体完整，Kv =0.75;BQ = 517.5，围岩级别为级。1.2.4地震等级地震根据中国地震烈度区划图（1990）及使用规定，隧址区地震烈度为度。 1.3隧道纵断面及平面方案设计 1.3.1隧道纵断面路线的选择是整个设计的基础，关系着施工的难易，工期长短，造价的大小，运营安全和运输效率。而隧道位置的选择又与整个路线的选择密切相关，隧道规范中规定；“高速公路，一级公路上的隧道和二、三、四级公路上的短隧道，其线型与公路的衔接应符合路线布设的规定。二、三、四级公路上的特长及长、中隧道的位置，原则上应服从路线的走向，路隧综合考虑。”但影响隧道路线选择的因素很多，除了考虑政治、经济、国防、施工等社会条件外，还要考虑工程地质、水文地质、地形等自然条件。在隧道设计中应抓住主要因素，统观全局才能寻找出一条比较符合要求的最优方案。 本段路线方案是在工可基础上，依据工可审批意见进行优化确定。其中隧道平面布置主要服从总体走向，在综合考虑线形指标及工程造价的前提下，主要考虑隧道进、出口条件、隧址区工程地质条件、营运管理设施场地因素；隧道纵断面设计综合考虑了隧道长度、主要施工方向、通风、排水、洞口位置及隧道进出口接线等因素。1.3.2隧道横断面隧道净空断面除应符合建筑限界的规定以外，还应考虑通风设备及排水、照明、消防、监控、管线电缆等设施所需的空间，并考虑土压影响，施工方法等必要的富裕量。经综合考虑该隧道采用曲墙式断面构造。1、净空经过断面优化分析后确定隧道净空断面为三心圆：拱部为单心半圆，半径为6.12m；侧墙为大半径圆弧，半径为8.62m；仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接，半径为1.42m。内空考虑了侧墙预留装修层5cm。2、横断面构造（1）隧道横断面采用锚喷支护复合模筑混凝土衬砌，内夹防排水层。（2）路面采用单面横坡，坡度2%，路面单侧设排水沟，路基中心设中心排水沟。（3）横断面右侧沟槽设电缆及消防配水管，左侧沟槽设强电电缆。3、净空断面尺寸拟订拱圈：R=6.12 ，相应角度为290侧墙：R=8.62 m ，相应角度为21130仰拱：R=15.42 ，相应角度为2185924”连接段：R=1.42 ，相应角度为593036”。详细见图1-1： 图1-1净空断面尺寸拟订图1.4拟定初步衬砌方案根据本隧道地形、地质条件，参考以往类似条件下的成功工程，初步拟订本隧道采用新奥法原理进行设计、施工。在级、级、级围岩中统一采用级围岩的衬砌方案，其具体尺寸如图1-2所示：图1-2 拟订衬砌方案图第二章 结构内力计算2.1 荷载结构法原理深埋隧道中复合式衬砌的二次衬砌应采用荷载结构法计算。荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用。计算时先按地层分类法或由实用公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计。采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力等体现围岩对衬砌变形的约束作用。弹性抗力的大小及分布，可根据衬砌在荷载作用下的变形、回填情况和围岩的变形性质等因素，采用局部变形理论，按下式确定： = k 2.2 荷载确定2.2.1 计算垂直均布压力：垂直均布压力计算式：(适于级围岩中的深埋隧道)q = 0.45 2s-1 (式2-1)式中：s围岩类别，级围岩s = 4围岩容重，典型洞段围岩容重= 26.9 kNm-3跨度影响系数，= 1+i(B-5),B = 6.572+0.062 = 13.26故= 1+0.1(13.26-5)= 1.826经计算：K1+115m段q = 176.83 kpa，水平均布压力e = 0.3q = 53.049 kpa2.2.2 划分浅埋和深埋隧道的分界：浅埋和深埋隧道的分界： Hp = (22.5)hq (式2-2)式中：Hp 浅埋隧道分界深度（m） hq 荷载等效高度（m）hq = q/ = 176.83/26.9 = 6.57m在矿山法施工条件下，级围岩取Hp = 2.5 hq = 16.43m经确定：三个典型围岩洞段都属于深埋隧道。2.3 衬砌要素深埋围岩的弹性抗力系数K=28Gpa，衬砌材料采用C25混凝土，弹性模量分别为21Gpa、28Gpa，容重分别为24 kNm-3、25 kNm-3。衬砌几何尺寸：内轮廓线半径r=6.12m外轮廓线半径R=6.12+0.45=6.57m拱轴线半径：r1 =0.5(6.12+6.57)=6.345m r2 =0.5(8.62+9.07)=8.845m轴线圆弧中心角： =101302.4计算断面（级围岩中K1+115m段属于深埋隧道情况）衬砌参数 底拱半径： 15.820(m)底拱半中心角： 19.000(度)底拱厚度： 0.800(m)侧墙高度： 1.200(m)侧墙厚度： 0.800(m)顶拱半径： 6.520(m)顶拱厚度： 0.800(m)围岩弹抗系数： 28000.000(MN/m3) 衬砌的弹性模量： 28000.000(MPa)荷载参数 底部山岩压力： 176.830(kN/m) 侧向山岩压力： 53.050(kN/m) 顶部山岩压力： 176.830(kN/m) 顶拱灌浆压力： 20.000(kPa)顶拱灌浆压力作用范围角： 60.000(度) 衬砌容重： 25.000(kN/m3)计算简图图2-1 计算简图计算结果计算结论:经过5次计算,达到各点设定抗力条件和法向位移一致! 轴向力 剪力 弯矩 切向位移 法向位移 转角 围岩抗力 单侧纵筋 箍筋面积 抗剪验算 N Q M U V W As Av (kN) (kN) (kN.m) (mm) (mm) (度) (kPa) (mm2) (mm2)底拱(从中心向左等分10段): 0 -1664.137 0.000 305.835 0.000 -2.436 0.000 0.0 1470.0 202.5 满足 1 -1665.489 27.053 298.734 0.041 -2.400 0.008 0.0 1470.0 202.5 满足 2 -1669.534 53.885 277.489 0.080 -2.295 0.015 0.0 1470.0 202.5 满足 3 -1676.249 80.278 242.273 0.115 -2.124 0.021 0.0 1470.0 202.5 满足 4 -1685.593 106.013 193.375 0.142 -1.897 0.027 0.0 1470.0 202.5 满足 5 -1697.509 130.877 131.195 0.161 -1.625 0.031 0.0 1470.0 202.5 满足 6 -1711.924 154.660 56.245 0.170 -1.322 0.033 0.0 1470.0 202.5 满足 7 -1728.751 177.160 -30.854 0.168 -1.007 0.034 0.0 1470.0 202.5 满足 8 -1747.885 198.180 -129.376 0.156 -0.699 0.032 0.0 1470.0 202.5 满足 9 -1769.211 217.530 -238.497 0.133 -0.421 0.027 0.0 1470.0 202.5 满足10 -1792.596 235.031 -357.291 0.102 -0.200 0.020 0.0 1470.0 202.5 满足侧底圆角(从右向左等分10段): 0 -1792.596 235.031 -357.291 0.102 -0.200 0.020 0.0 1470.0 202.5 满足 1 -1819.159 46.273 -392.804 0.100 -0.111 0.015 0.0 1470.0 202.5 满足 2 -1823.812 -147.193 -380.182 0.089 -0.043 0.010 0.0 1470.0 202.5 满足 3 -1805.336 -338.712 -318.531 0.071 0.004 0.006 0.1 1470.0 202.5 满足 4 -1769.408 -403.257 -221.134 0.048 0.031 0.003 0.9 1470.0 202.5 满足 5 -1734.306 -330.385 -126.920 0.024 0.043 0.001 1.2 1470.0 202.5 满足 6 -1710.478 -207.107 -58.874 0.000 0.046 -0.000 1.3 1470.0 202.5 满足 7 -1699.557 -91.091 -21.910 -0.025 0.042 -0.001 1.2 1470.0 202.5 满足 8 -1697.519 -19.732 -9.180 -0.049 0.033 -0.001 0.9 1470.0 202.5 满足 9 -1696.634 -19.493 -5.962 -0.072 0.022 -0.001 0.6 1470.0 202.5 满足10 -1686.460 -111.520 8.404 -0.093 0.007 -0.001 0.2 1470.0 202.5 满足侧墙(从底向上等分10段): 0 -1686.460 -111.520 8.404 -0.093 0.007 -0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 1 -1684.060 -83.860 20.061 -0.102 0.005 -0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 2 -1681.660 -62.480 28.783 -0.111 0.004 -0.001 0.1 1470.0 202.5 满足 3 -1679.260 -46.393 35.269 -0.120 0.002 -0.001 0.1 1470.0 202.5 满足 4 -1676.860 -34.299 40.078 -0.129 0.001 -0.000 0.0 1470.0 202.5 满足 5 -1674.460 -24.674 43.600 -0.138 0.000 -0.000 0.0 1470.0 202.5 满足 6 -1672.060 -15.823 46.031 -0.147 0.000 0.000 0.0 1470.0 202.5 满足 7 -1669.660 -5.931 47.356 -0.156 0.001 0.000 0.0 1470.0 202.5 满足 8 -1667.260 6.894 47.338 -0.164 0.003 0.001 0.1 1470.0 202.5 满足 9 -1664.860 24.569 45.508 -0.173 0.004 0.001 0.1 1470.0 202.5 满足10 -1662.460 48.975 41.171 -0.182 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足侧顶圆角(从侧拱脚向右等分10段): 0 -1662.460 48.975 41.171 -0.182 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 1 -1662.446 48.952 41.116 -0.182 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 2 -1662.432 48.928 41.061 -0.182 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 3 -1662.417 48.904 41.006 -0.183 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 4 -1662.403 48.879 40.951 -0.183 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 5 -1662.389 48.855 40.896 -0.183 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 6 -1662.375 48.830 40.841 -0.183 0.007 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 7 -1662.361 48.805 40.785 -0.183 0.006 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 8 -1662.347 48.779 40.730 -0.183 0.006 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 9 -1662.332 48.754 40.675 -0.183 0.006 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足10 -1662.318 48.728 40.620 -0.183 0.006 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足顶拱(从拱脚向拱顶等分10段): 0 -1662.318 48.728 40.620 -0.183 0.006 0.001 0.2 1470.0 202.5 满足 1 -1637.402 -4.318 4.575 -0.259 0.005 0.003 0.1 1470.0 202.5 满足 2 -1586.798 -6.440 17.248 -0.334 0.009 0.003 0.2 1470.0 202.5 满足 3 -1530.566 125.413 -30.640 -0.407 0.010 0.003 0.3 1470.0 202.5 满足 4 -1473.942 53.227 -141.739 -0.475 -0.039 -0.001 0.0 1470.0 202.5 满足 5 -1397.443 -30.634 -150.400 -0.523 -0.211 -0.009 0.0 1470.0 202.5 满足 6 -1312.803 -79.726 -90.976 -0.529 -0.513 -0.015 0.0 1470.0 202.5 满足 7 -1231.856 -95.063 1.155 -0.477 -0.890 -0.017 0.0 1470.0 202.5 满足 8 -1165.322 -81.318 93.560 -0.363 -1.253 -0.015 0.0 1470.0 202.5 满足 9 -1121.732 -46.280 160.238 -0.196 -1.513 -0.009 0.0 1470.0 202.5 满足10 -1106.571 0.000 184.397 0.000 -1.608 0.000 0.0 1470.0 202.5 满足配筋结果衬砌内侧横筋最大面积As = 1470.0mm2，外侧横筋最大面积As1 = 1470.0mm2；横筋面积总和As = 2940.0mm2。实配内外侧横筋25，间距为300mm，面积总和As = 3271mm2。箍筋最大面积Av = 202.5mm2。实配箍筋8，间距为200mm，面积Av = 502mm2。截面尺寸抗剪验算： 满足。结构变形和内力图图2-2 变形图图2-3 抗力分布图图2-4 轴力图图2-5 剪力图图2-6 弯矩图图2-7 切向位移图图2-8 法向位移图图2-9 转角位移图第三章 有限元分析3.1概述本文运用软件Phase2采用二维平面应变模型模拟隧洞施工开挖、支护过程，采用Hoek-Brown准则确定围岩体力学参数，同时通过设置围岩开挖过程中围岩的应力释放系数以反应开挖对围岩强度的弱化作用。对三个典型围岩洞段进行仿真分析，对围岩的变形、稳定性及支护措施的效果做出较准确的评价。3.2地质条件评价3.2.1 Hoek-Brown准则岩体的力学性质是岩体力学分析和稳定性评价的前提条件，又是岩体力学分析结果可靠与否的关键因素。因此，只有合理地选取岩体力学参数，才能保证数值仿真分析成果以及对工程支护措施优化成果的准确和可靠。Hoek-Brown准则的提出，巧妙地将室内岩石试验成果同现场地质条件结合了起来，它既考虑了岩块的力学性质，又将岩体的地质特征通过地质强度指标以定量的方式反应到岩体的变形及强度参数中，为工程人员采用各种理论及数值分析方法进行定量而准确的分析提供了重要的手段。Hoek-Brown在研究岩石、节理岩体和含裂隙类岩石材料的变形、强度特性及其破坏过程中发现：它们的强度包络线是弯曲的，最好用抛物线而不是Coulomb准则所提出的直线方程来表述。Hoek-Brown根据试验结果提出了经验准则，破坏准则应与试验确定的强度值相吻合；其数学表达式应简单，并最大程度地引入无量纲参数；准则应尽可能适用于节理岩体。3.2.2 基本公式1980年，针对节理岩体的一种强度评估方法由Hoek-Brown提出，该方法是建立在对岩石块体之间的相互镶嵌程度以及这些块体之间接触面条件的评价之上。节理岩体的广义Hoek-Brown破坏判据用公式可表述为： （式3-1）式中：、分别为破坏时的最大、最小有效应力；为岩体的Hoek-Brown参数；为取决于岩体特征的参数；为完整岩石的单轴抗压强度。对于完整岩石 （式3-2）式中：为完整岩石的Hoek-Brown参数，该参数通过完整岩石一系列三轴试验结果的统计分析来确定。同时，为了得到岩体的Hoek-Brown参数，Hoek-Brown在总结大量试验资料的基础上通过引入地质强度指标评价现场岩体的地质特征，提出了描述岩体强度特征的参数可按下式进行计算若，即岩体质量介于好和中等之间，则若，即岩体质量很差，则经过多年的使用和验证后，Hoek又于2002年对该公式进行了修正，并将开挖或爆破等施工过程对岩体的扰动这一影响反应到Hoek-Brown参数中 （式3-3） （式3-4） （式3-5）式中：D为岩体受开挖或爆破等外部荷载的扰动程度，其变化幅度介于01之间，0表示无扰动，1表示严重扰动。可见，为了利用Hoek-Brown准则评价节理岩体的强度和变形性质，必须对岩体的三种性质做出估计，它们是：（1）完整岩石的单轴抗压强度；（2）完整岩石的Hoek-Brown常数mi；（3）岩体的地质强度指标GSI。而这其中联系岩体与岩石力学性质的关键是岩体的地质强度指标GSI。3.2.3 Hoek-Brown参数三个典型洞段的围岩Hoek-Brown参数见表3-1：表3-1 围岩Hoek-Brown参数表分析断面ci /MPamiGSImbsaK1+11530.08.38.0.8740.00100.513K1+01050.08.47.1.2050.00280.507K0+87080.08.52.1.4410.00480.5053.3有限元分析模型本文采用Phase2软件有限元分析，隧道分两步开挖，分五步建模：隧道洞室采用三心圆拱形模型，洞径约7米。围岩边界为三倍洞径，边界条件都为固定铰支座。围岩采用六节点三角形有限元网格划分。隧洞支护采用复合衬砌，初期采用锚喷支护，后期采用钢筋混凝土二次衬砌。围岩属性采用Hoek-Brown参数并通过设置围岩弹性模量和泊松比的降低表征围岩随开挖的强度削弱和开挖后的应力释放效应。围岩断面图如下：图3-1 开挖前围岩断面图图3-2 开挖后围岩断面图3.4有限元分析参数表3-2 围岩及材料参数分析断面容重/kNm-3岩体模量/GPa粘聚力/kPa泊松比摩擦角/（）抗拉强度/kPaci /MPamiGSImbsaK1+11526.92.7300.0.3242.03530.08.38.0.8740.00100.513K1+01026.95.9680.0.3043.911550.08.47.1.2050.00280.507K0+87026.910.01060.0.2548.426880.08.52.1.4410.00480.505材料容 重/ kNm-3弹 模/GPa泊松比抗拉强度/MPa喷混凝土C2524.021.00.1671.5钢筋混凝土衬砌C2525.028.00.1671.5锚杆钢筋级210.00.2340.0Phase2参数设置界面如下图所示：图3-3 工程基本设置 图3-4 有限元网格设置图3-5 地应力设置图3-6 围岩材料属性设置图3-7 衬砌属性设置3.5有限元分析方案隧道分两步开挖：首先开挖上半洞，待开挖到掌子面作锚喷支护，并用软件模拟受力分析；其次将上半洞挖空，完善锚喷支护并模拟受力分析；再次开挖下半洞，同样待开到掌子面作锚喷支护并模拟受力分析；最后全洞挖空，待锚喷支护稳定作二次衬砌，再模拟受力分析。通过分布开挖过程中模拟分析，了解隧道施工过程中围岩的应力分布变化以及隧道支护结构的内力变化，从而准确、安全地进行结构设计。本次模拟分析分五步建模，不同区域的围岩材料采用不同颜色区分，隧洞内围岩材料的弹性模量和强度会随着开挖过程的深入而不断降低。当隧洞挖空则围岩材料为空白，并将围岩参数设置成原始状态的十分之一，以表征隧洞挖空后围岩的应力释放。隧道的锚喷支护未激活时为灰色，一旦激活则为深色，则锚喷支护设置的参数才有效，能够有效地抵制围岩开挖过程中的变形。因为隧道分两步锚喷支护，所以也用不同颜色区分，不过其物理力学性质相同。隧道分布开挖示意图及开挖过程中的断面图见下图：图3-8 隧道分布开挖示意图图3-9 第一步开挖至掌子面时的围岩断面图图3-10 第一步开挖后的围岩断面图图3-11 第二步开挖至掌子面时的围岩断面图图3-12第二步开挖完的围岩断面图3.6有限元分析成果隧道（级围岩中K1+115m段）结构有限元分析图3-13开挖前围岩的Y 向受力图图3-14 开挖后围岩的Y向受力图图3-15 开挖后围岩的Y向位移图图3-16 开挖后围岩的位移向量分布图图3-17 开挖后围岩的主应力分布图图3-18 衬砌弯距图图3-19 衬砌轴力图图3-20 衬砌剪力图隧道（级围岩中K1+010m段）结构有限元分析图3-21 开挖前围岩的Y 向受力图图3-22 开挖后围岩的Y向受力图图3-23 开挖后围岩的Y向位移图图3-24 开挖后围岩的位移向量分布图图3-25 开挖后围岩的主应力分布图图3-26 衬砌弯距图图3-27 衬砌轴力图图3-28 衬砌剪力图隧道（级围岩中K0+870m段）结构有限元分析图3-29 开挖前围岩的Y 向受力图图3-30 开挖后围岩的Y向受力图图3-31 开挖后围岩的Y向位移图图3-32 开挖后围岩的位移向量分布图图3-33 开挖后围岩的主应力分布图图3-34 衬砌弯距图图3-35 衬砌轴力图图3-36 衬砌剪力图3.6.1 隧道周围的围岩位移由上述位移图可知，隧道周围围岩的最大位移只有4.8毫米。隧道开挖过程中，总的拱顶下沉量是很小的，都在4毫米左右，而仰拱出的围岩有向上的反弹也只有约4毫米。两侧边墙的水平位移不足1毫米。隧道周围的围岩总体的移动趋势：拱顶下沉、两侧边墙张开、而拱底向上移动。从位移图上还可以看出拱顶围岩塌落的径度大概在两倍洞径左右，两侧边界位移趋势成水平形状，说明影响的边界在两倍洞宽左右，而本次分析计算采用的隧洞四周边界均为3倍洞径，所以其计算模型所选用的边界条件是可靠的，计算所得的结果是可行的。总的来说双车道高速公路隧道是安全的，围岩能够稳定。3.6.2 隧道周围的围岩应力 从各个方向的应力图以及主应力图可以看出，随着隧道的开挖修建，整个地层大部分区域都是受压的，只是在隧道附近一个很小的区域内出现拉应力。同时在图中可知道，拉应力区域都在所加固的范围是由锚杆的长度决定的。而本隧道锚杆设计长度为4米。因此，所采用的锚杆长度是合理的，而且是有效的。地层在仰拱部分的拉应力也比较大，因此，建议在施工工程中，宜尽早封闭。从整个应力图可以得出，所设计的初期支护参数能够满足施工过程中的围岩的稳定。3.6.3 隧道衬砌内力衬砌结构的变形和内力图可以看出，边墙的轴力比较大，而边墙与仰拱连接处的弯距和剪力都特别大，有应力集中的现象。所以，建议在施工过程中，应在此处打锁角锚杆，并适当加厚此处的衬砌结构，同时还有采用钢筋混凝土作为二次衬砌来满足要求。第四章 衬砌结构确定及附属设施4.1 衬砌结构方案隧址区内河流为黄河水系，河水对混凝土和钢筋具有低等腐蚀，水下混凝土可不采取抗侵蚀措施。每隔10米设置施工缝，隔20米设置沉降缝，具体详细构造结构见图纸。对进口段下部采空区进行回填，并且要做好地表水的排、截工作，保证隧道正常施工。4.1.1明洞明洞结构为现浇钢筋混凝土衬砌结构。明洞构造拱圈采用钢筋混凝土结构,仰拱采用钢筋混凝土结构，均采用混凝土。4.1.2 暗洞衬砌结构隧道衬砌结构的选择必须结合施工技术，安全作业以及使用适应性、造价综合确定。新奥法（NATM）为核心的锚喷支护复合衬砌（柔性衬砌）的特点：1、衬砌与围岩共同组成承载环，岩体的压力主要是围岩自身承受，故衬砌结构薄。2、由于毛洞开挖与初期被覆间隔时间很短，并通过实际量测调整围岩的支护参数保证稳定性，故易于保障安全作业。且可进行大断面开挖，机械化程度高，施工进度快，工期短。3、防水方面，由于防水层是施作在初期支护与二次衬砌之间，并可将二次衬砌做成自身防水结构，故防水质量容易保证。综合上述因素，并结合高速公路隧道在防水方面的重要性，推荐采用新奥法锚喷支护复合衬砌。根据该隧道处地质条件，设计采用人工开挖施工方案。4.1.3衬砌支护参数暗洞衬砌结构按新奥法原理，采用复合式支护结构形式。初期支护以锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模注混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防水排水夹层。喷射混凝土采用湿喷法施工。4.1.4支护设计运用水工结构工具箱进行衬砌结构截面配筋设计，以下对三个典型洞段的顶拱、侧墙和仰拱的截面内力进行分析：截面轴力为正时参照受拉构件计算，而截面轴力为负时参照受压构件计算。截面宽度为单位长度取1m ，截面高度为衬砌厚度取0.8m ,支点间长度为单位长度取1m 。两端约束为固定支座。计算界面如下图所示：图4-1 隧道（级围岩中K1+115m段）顶拱截面配筋设计图4-2 隧道（级围岩中K1+115m段）侧墙截面配筋设计图4-3 隧道（级围岩中K1+115m段）仰拱截面配筋设计图4-4 隧道（级围岩中K1+010m段）顶拱截面配筋设计图4-5 隧道（级围岩中K1+010m段）侧墙截面配筋设计图4-6 隧道（级围岩中K1+010m段）仰拱截面配筋设计隧道（级围岩中K0+870m段）的截面配筋设计和隧道（级围岩中K1+010m段）相同。结合荷载结构法的计算结果和公路隧道设计规范，截面配筋如下： 实配内外侧横筋25，纵向间距为300mm，面积总和As = 3271mm2。实配内外侧纵筋25，环向间距为1000mm，面积总和As = 981mm2。隧道（级围岩中K1+115m段）实配箍筋8，环向间距为400mm，面积Av = 251mm2：侧墙及其与仰拱连接段箍筋环向间距为100mm，面积Av = 1004mm2。隧道（级围岩中K0+870m段）和隧道（级围岩中K1+010m段）实配箍筋8，环向间距为300mm，面积Av = 335mm2：侧墙及其与仰拱连接段箍筋环向间距为100mm，面积Av = 1004mm2。支护参数的选取主要依据工程类比后确定的，围岩及断面条件下的支护参数见下表：表4-1 隧道衬砌结构支护参数表围岩类别初期支护二次衬砌锚杆喷混凝土钢筋网超前导管、锚杆钢拱架拱圈仰拱明洞C40钢筋混凝土65cmC40钢筋混凝土65cm级深埋段25mm长4.0m（0.80.8m）5cm（钢纤维）+20cm素混凝土6-2020cm（1层）32mm长4.0m小导管（环向间距0.5m）6125a工字钢拱架间距0.8米C25钢筋混凝土80cmC25钢筋混凝土80cm级深埋段25mm长4.0m（0.60.6m）5cm（钢纤维）+20cm素混凝土6-1515cm（1层）32mm长4.0m小导管（环向间距0.5m）6125a工字钢拱架间距0.6米C25钢筋混凝土80cmC25钢筋混凝土80cm级深埋段25mm长4.0m（0.60.6m）5cm（钢纤维）+20cm素混凝土6-1515cm（1层）32mm长4.0m小导管（环向间距0.5m）6125a工字钢拱架间距0.6米C25钢筋混凝土80cmC25钢筋混凝土80cm注：超前小导管、超前锚杆、锚杆和工字刚拱架焊接成整体。对于隧道洞身穿越砂层处及其它不良地质情况处，在初步设计阶段采用超前小导管支护，在施工图阶段将结合详勘地质资料作进一步研究，对支护方式进行优化。4.2 隧道洞口、洞门洞口是隧道的咽喉，对隧道施工和运营很重要，洞口位置选择不当，常会引起洞口塌方，滑坡，落石，掉块，洪水淹没以及泥石流等危害。在设计中，应考虑洞口避免设在偏压大，地质不良地段及排水困难的沟谷低洼处，一般情况下应贯彻“早进洞，晚出洞”的原则，隧道宜长不宜短，尽量避免大挖大刷，破坏山体稳定，造成病害，威胁线路畅通。同时还应该考虑洞口附近的底墒建筑物及私下埋设物的影响。从地形视觉、照明、隧道营运管理及结构与环保方面综合考虑，采用端墙式洞门及翼墙式洞门。洞门端墙与仰坡之间、水沟底与衬砌拱顶外缘之间要求一定高度，以免落石破坏拱圈。洞门墙顶应高出仰坡脚，以防水流溢出墙顶，也可防止掉落土石弹出。洞门处需要做好洞门处地表水的堵截和宣泄；洞门边、仰坡坡脚以及可能被冲刷之处均须铺砌防护，边、仰坡交界处应采用圆角法开挖，以减少雨水冲刷。4.3 隧道防排水隧道防排水是保证隧道适用性以及衬砌结构、路面、设备耐久性的关键。对于高速公路隧道保证隧道内环境干燥是极为重要的。设计原则为使衬砌内壁不渗水。防排水工程设计的原则以排为主，以防为辅，“防排相结合”的综合治理；同时考虑到寒冷地区的隧道常在春融期出现渗漏，对该隧道施作保温工程。4.3.1 防水工程1、衬砌柔性防水工程衬砌柔性防水工程设置在二次衬砌面与喷混凝土面之间，以提高衬砌的密水性，防止水从二次衬砌裂缝中渗出并扩大混凝土裂缝。柔性防水层材料建议采用施工安装方便、无毒阻燃，且耐久性、防水性、缓冲性能等均好的PVC防水卷材。在防水卷材与喷混凝土层间设置土工布，作为衬背排水层及缓冲层。明洞背部防水层采用厚防水卷材，选择晴朗干燥天施工，防水层外部应作 水泥砂浆保护再作填土。2、衬砌漏水防止工程（1）衬砌自防水结构为了防止柔性防水层由于施工原因可能出现局部地方防水失败，故二次衬砌做成自防水混凝土结构。采用低碱性膨胀水泥混凝土，自防水结构抗渗标号要求达。为了提高混凝土抗冻性，混凝土掺加引气剂。（2）止水带在衬砌浇筑工作缝设置背贴式橡胶止水带。橡胶止水带需采用耐寒性能好的三元乙丙橡胶材料。（3）暗洞施工要求采用泵送混凝土，以保证浇筑质量及衬砌与初期支护之间密实不留空隙。4.3.2排水工程为了不让围岩涌水及隧道内的路面滞水，而能迅速排出隧道，必须考虑排水工程设计。排水工程包括衬砌背面排水工程、路基排水工程、路缘排水工程。1、衬砌背面排水工程在防水层与喷混凝土之间设置土工布，使漏水能从衬砌背面通过排水滤排至墙角，再由墙角处衬背纵向盲沟集