牛湖山隧道工程(左线)结构与施工组织设计

第第1 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 目录 1 工程概述 3 1 1 工程概况 3 1 2 工程地质与水文地质 3 1 3 岩石物理力学性质特征 5 1 4 隧道围岩分类 6 1 5 隧道设计标准与依据 8 2 隧道总体设计 8 2 1 隧道设计的一般规定 8 2 2 隧道线形设计 9 2 3 隧道横断面设计 9 3 洞门结构设计 10 3 1 牛湖山隧道大涌端洞门设计 10 3 2 牛湖山隧道小桂端洞门设计 16 4 衬砌结构内力计算与结构设计 22 4 1 初次衬砌设计 22 4 2 二次衬砌设计 32 5 隧道施工方法与施工组织设计 52 5 1 施工原则与施工方案 52 5 2 隧道施工方案 52 5 3 施工方法 53 5 4 施工支护 57 第第2 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 5 4 施工机械与人员组织 61 5 5 质量保障体系 63 5 7 安全文明施工管理 65 6 隧道附属设施设计 69 6 3 隧道内其他辅助设施及建筑物 73 6 4 电缆槽的设计 75 7 隧道监控测量设计 75 7 2 隧道监控测量内容和方法 76 参考文献 81 谢辞 82 第第3 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 牛湖山隧道工程 左线 结构与施工组织设计 1 工程概述 1 1 工程概况 牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路 为分离式单向行车双洞隧道 左洞长 1241 米 右洞长 1356 米 标段分别为 K42 145 K43 386 K42 109 K43 465 隧道纵坡为人字坡 坡度 1 5 竖曲线半径 R 17000m 最大埋深约 192 米 隧道 根据 公路工程技术标准 进出口部分的交通组织拟采用划线方式组织车流 以 保证交通安全 1 2 工程地质与水文地质 1 2 11 2 1 地形地貌地形地貌 牛湖山隧道起于惠州澳头镇大涌 止于小桂村 隧道轴线走向 SW200 隧道 进出口处交通不便 从大涌至小桂陆路仅有翻越牛湖山的山间崎岖小道 现在一般 很少有人走 而大多从海上由澳头港乘船绕过小鹰嘴往返两地 隧道穿越的牛湖山 最大高程 212 米 最低 9 米 高差达 200 余米 为低山重 丘区 隧道沿线地表植被十分发育 尤其是进出口近坡脚段 草木繁茂 通视十分 因难 主要为杂木 茅草等 山腰至山脊则为人工种植林 主要为松树等 该山为 单斜山 自然坡角一般为 15 30 沿线地貌包括构造侵蚀 沉积和重力等地 貌类型 具体分为单斜山 山坡 垭口 剥蚀残丘 冲蚀沟 洪积扇和坍塌堆积等 微型地貌单元 1 2 21 2 2 地层岩性地层岩性 据地质调查 钻探和物探等勘察工作成果 隧道沿线在部分地段第四系覆盖层 较薄 尤其沿侵蚀沟基岩露头较多 地层由新到老分述如下 1 2 2 1 第四系全新统 h Q 种植土 暗褐 黄褐色 松软 勘察区内局部分布 厚度约 0 5m 亚粘土 黄 黄褐色 浅棕红色 可塑 硬塑状态 分布于冲沟处 厚度 2 00m 碎石土 浅紫红色 松散 稍密 由砾岩碎块及亚粘土组成 其中砾岩碎块约 第第4 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 占 60 少量略具磨圆 亚粘土约占 40 主要分布于山坡及冲沟两侧 厚度约 1 2m 1 2 2 2 白垩系官草湖组 g K 紫红色砾岩 中厚 厚层状 粒径一般为 2 5cm 多为铁质或硅质胶结 中 等磨圆度 强度较大 总厚度较大 呈层状分布 其中常夹有紫红色砂岩 页岩 其产状倾向为北东或北北东 倾角 30 左右 紫红色砂岩 铁质胶结 中 粗砂质结构 中厚层状构造 呈夹层分布于紫红 色砾岩中 每一夹层厚 2 3m 强度中等 其产状与砾岩相同 紫红色页岩 厚度较小 铁质胶结 强度低至中等 呈夹层出现 每一夹层厚 度一般 2m 其产状与砾岩相同 1 2 2 3 晚侏罗系南山村组 n J 沉火山角砾岩 一般为紫红色 角砾状结构 层状构造 硅质胶结 中厚层 厚层状 砾石主要成分为石英 岩屑等 岩层倾向以北东 北北东为主 北西次之 倾角 30 78 1 2 2 4 晚侏罗系热水洞组 r J 霏细岩 青灰色 主要位于隧道小桂端下部 岩性较为坚硬完整 岩芯呈长柱 状 厚度较大 上述地层经风化作用 自地表向下形成不同风化程度的风化岩 强风化层 浅紫红色 浅灰绿色 节理裂隙极发育 裂隙面呈张开状 浅层填 充泥质 铁质 岩石极破碎 岩性软硬不均 广泛分布 一般厚度 10m 出口端 山坡上厚度较大 钻孔揭露厚度为 2 10m 弱风化层 浅紫红色 灰绿色 出口端节理裂隙较发育 局部石英脉发育 岩 质较硬 该层钻孔揭露最大厚度为 6 90m 进口端岩质软硬不均 节理很发育 岩 石较破碎 岩芯呈短柱状 钻孔揭露厚度为 5 00m 微风化层 浅紫红色 浅灰绿色 岩石坚硬完整 岩芯呈短柱状 长柱状 厚 度很大 1 2 3 1 2 3 地质构造地质构造 物探工作资料表明隧道区域存在 5 条规模较小的含水断层 其中与隧道相交影 响较大的为 F2 F3 F4 三条断层 F2 断层走向 EW 倾向 NW 与隧道左 右线分 别交于 K42 380m 和 K42 450m F3 断层走向 NW 倾向 SW 与隧道左 右线分别 交于 K42 648m 和 K42 620m F4 断层走向 NW 倾向 SW 与隧道左 右线分别交 第第5 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 于 K42 990m 和 K42 950m 1 2 4 1 2 4 区域地质及地震区域地质及地震 根据 1 5 万澳头幅区域地质调查报告和区域地质图分析 该工作区区域主要 构造形迹为北东及北西向 其中区域性大断裂北东向的小桂坳断裂在工作区外 只 有北西向的海尾断裂穿过隧道工作区 隧道方向与断层走向斜交 据平面工程地质 调查及钻孔资料分析 区内无新构造运动形迹 勘察区段地层为单斜构造 岩层产状为 30 65 25 78 岩层走向与 隧道轴向大角度斜交 根据国家质量技术监督局于 2001 年 2 月 2 日发布的 中国 地震动参数区划图 查得 隧道区地震动反应波谱特征周期值为 0 4S 地震动峰 值加速度为 0 1g 参照其附录 D 对应地震基本烈度为 度区 1 2 5 1 2 5 水文地质条件水文地质条件 该区水文地质条件较简单 地下水主要为基岩裂隙潜水 有少量第四系孔隙潜 水 基岩裂隙潜水赋存于裂隙和层理中 其补给来源主要为大气降水 虽然地表裂 隙发育但深部围岩节理发育中等 且多为半闭合状 透水性较差 其导水构造主要 为次级断裂构造和节理的交叉复合部位 大涌及小桂两端冲沟中均见有较多地下水出露 其中小桂端冲沟中出露的地下 水已被作为生活用水 大涌端冲沟中出露的地下水一直用作生产和灌溉用水 由此 表明该区域地下水对混凝土无腐蚀性 1 3 岩石物理力学性质特征 在现场钻探取样的基础上 对不同岩性不同深度的样品进行了相关的物理力学 性质试验 其物理力学指标详见岩石物理力学性质试验结果表 表 1 1 岩石物理力学性质试验结果表 物理性质试验项目力学性质试验项目 岩 石 名 称 编 号 取样 位置 取样深 度 m 天然容重 3 KN m 干容重 3 KN m 吸 水 率 饱和抗 压强度 MPa 弹性 模量 103MPa 第第6 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 47ZK226 7026 727 283 5 49ZK231 2027 128 787 9 霏 细 岩 52ZK237 9527 229 2106 5 60 3 续 1 1 13ZK110 5025 127 217 4 23ZK117 0024 725 617 2 砾 岩 35ZK127 0027 527 753 8 15 9 30ZK124 2027 928 127 7 砂 岩 31ZK124 5026 027 214 7 5 3 39ZK131 5028 329 720 0 40ZK132 0027 628 823 2 页 岩 41ZK132 8029 129 832 0 12 0 44ZK26 2024 224 925 4 45ZK28 5024 925 028 2 沉 火 山 角 砾 岩 46ZK211 3026 527 546 8 18 7 1 4 隧道围岩分类 1 4 1 岩石等级划分 根据野外地质调查结合室内岩石试验成果可知 该隧 道地段主要为沉火山角砾岩 其次在隧道大涌 小桂两端分别主要为砾岩夹砂岩 页岩和霏细岩 岩块的饱和抗压极限强度 Rb 多介于 17 2MPa 133 6MPa 依岩性 和风化程度而异 未风化的霏细岩为 83 5MPa 133 6MPa 其中含微裂隙者稍低 但均属硬质岩类 其围岩为 级 具有裂隙的强风化砾岩其强度为 17 2MPa 17 4MPa 强风化的砂岩饱和强度为 14 7MPa 强风化的页岩则更低 其 围岩类别为 级 而弱风化的砂岩饱和极限抗压强度为 27 7MPa 未风化的页岩强 度为 31 5MPa 32 8MPa 其围岩类别为 级 而分布广泛的沉火山角砾岩 砾岩 等其强度在 50MPa 60MPa 左右 其围岩亦属 级 因此本隧道围岩大部分地段为 级和 级 1 4 2 左 右洞大涌端及洞身受地质构造影响轻微 节理裂隙虽较发育 但围 第第7 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 岩地质构造变动较小 故围岩受地质构造影响程度的等级为轻微 较重 左 右洞 小桂端及附近洞身受地质构造影响较重 节理极发育 在小桂坳断裂附近 存在有 次级断层 围岩地质构造变动较大 故围岩受地质构造影响程度的等级为较重 1 4 3 隧道左 右线大涌端及近洞身处主要发育两组张性裂隙 平面上呈 X 型 节理宽约 5 10mm 少量泥质填充 其成因主要为风化型节理 近地表 较发育 节理发育程度为较发育 左 右洞小桂端及近洞身处发育节理多于 4 组 呈网格状 多数间距小于 0 50m 微张开状 少量泥质填充 近地表以风化型节理 为主 深部则以构造型节理为主 节理发育程度为极发育 1 4 4 左 右洞大涌端及近大涌端洞身砾岩为中厚层状 厚层状 间夹砂岩及 页岩 左 右洞小桂端及小桂端洞身沉火山角砾岩与霏细岩为中厚层状 厚层状 1 4 5 根据钻孔揭露及物探资料 隧道左 右洞全线地表均分布有厚度不等的 风化岩和残 坡积层 其中低凹平缓处厚达 12m 左右 山坡陡峻处厚 4m 左右 大 涌端近洞口段强风化中厚层状砾岩夹砂 页岩厚度 1 0 2 80m 弱风化中厚层状 砾岩厚度 3 00m 左右 大涌端洞身则主要为微风化中厚层至厚层砾岩 左 右洞小 桂端洞口附近分布有全 强风化沉火山角砾岩 厚度 8 0m 左右 而小桂端洞身则 主要为弱风化的中厚层至厚层状沉火山角砾岩 1 4 6 由前述可知 隧道大部分埋深较大 围岩裂隙发育中等且透水性较弱 地下水量小 对隧道影响小 但在物探推测的 F2 F3 F4 三条含水断层与隧道相 交处及一些构造裂隙的交叉复合部位 其透水性较强对隧道影响较大 综上所述隧道洞身围岩分布如下 左洞隧道大涌端 K42 145 K42 200 右洞 K42 109 K42 220 附近围岩为紫红色砾岩夹砂岩 页岩 中厚层状 节理裂隙发育 岩石较破碎 围岩类别为 级 左洞 K42 200 K42 320 和右洞 k42 220 K42 400 围 岩为弱风化砾岩 中厚层状 岩层较完整 但裂隙较发育 且受 F2 推测断层影响 围岩类别定为 级 左洞 K42 320 K42 680 和右洞 K42 400 K42 620 洞身围岩为完 整的微风化沉火山角砾岩 中厚层状至厚层状 岩石完整 围岩稳定性较好 围岩 类别为 级 左洞 K42 680 K42 760 和右洞 K42 620 K42 700 洞身围岩为弱风化沉 火山角砾岩 中厚层状 构造裂隙发育 且受推测断层 F3 影响 围岩类别为 级 左洞 K42 760 K43 020 和右洞 K42 700 K43 000 洞身围岩为完整的微风化沉火山角 砾岩 中厚层状至厚层状 岩层完整 围岩稳定性较好 围岩类别为 级 左洞 K43 020 K43 200 和右洞 K43 000 K43 200 洞身围岩为弱风化沉火山角砾岩 中厚 层状 受推测断层 F4 影响 构造裂隙发育 裂隙面大多呈半闭合状 弱风化沉火 山角砾岩强度大 抗风化能力强 但岩层较破碎 节理产状陡立 对隧道顶板不利 开挖后易碎落 在掘进过程中易发生掉块 围岩类别为 级 左洞 第第8 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 K43 200 K43 386 和右洞 K43 200 K43 465 洞身围岩为强风化霏细岩 中厚层状 各种节理极发育 且厚度较薄 易塌落 围岩类别为 级 围岩类别划分详见隧道 工程地质纵断面图 1 5 隧道设计标准与依据 1 5 1 1 5 1 技术标准技术标准 隧道净宽 0 75 0 50 2 3 75 0 75 0 75 10 25m 净 高 5 0m 设计行车速度 80km h CO 允许浓度 正常运行 200ppm 发生事故时 15min 250ppm 1 5 2 设计依据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 公路隧道通风照明设计规范 JTJ 026 1 1999 公路工程技术标准 JTG B01 2003 公路隧道施工技术规范 JTJ 042 94 公路工程抗震设计规范 JTJ 004 89 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB50026 2001 地下工程防水技术规范 GB50108 2001 工程建设标准强制性条文 公路工程部分 JTJ 026 1 1999 惠州稔山至深圳白沙沿海公路工程地质勘察报告 2004 6 2 隧道总体设计 2 1 隧道设计的一般规定 隧道总体设计在隧道设计中非常重要 它直接影响着工程造价 甚至决定着工 程的成败 第第9 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 根据 公路工程技术标准 的规定 牛湖山隧道的远景规划的年限为 20 年 当近期交通量不大时可以分期修建 其优点是可以缓解建设资金 缺点是可能造成 一定的浪费 譬如 前期通风应满足单洞双向交通的要求 后期则要满足双洞单向 交通的要求 这样在通风设施上会带来一些损失 另外在地形狭窄地带 后期洞的 修建对前期洞的干扰比较大 因此 应采取必要的防范措施 避免对前期洞结构的 不利影响 并减少对正常交通的干扰 对于洞内设施的分期安装 务必设置好预留 件和借口 不得对后期的安装造成困难 2 2 隧道线形设计 牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路 起于惠州澳头镇大涌 止于小桂村 隧 道轴线走向 SW为分离式单向行车双洞公路隧道 隧道纵坡为人字坡 坡度 200 1 5 竖曲线半径 R 17000m 最大埋深约 192m 左洞 1241m K42 145 K43 386 右洞长 1356m K42 109 K43 456 2 3 隧道横断面设计 牛湖山隧道设计为时速 80KM 的分离式单向行车双洞公路隧道 设置检修道 根据 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 及相关设计标准的要求在建筑限界内不 得有任何部件侵入 隧道的建筑限界和隧道洞身的尺寸如图 2 1 所示 第第10 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 188 4 路面中线 隧道中线 2 O 3 O O2 1 O 160 2 5431 R 14 36 29 49 51 12 R2 793 793 2 59 28 01 1 5 R 12 5 200 图 2 1 隧道横断面图 3 洞门结构设计 3 1 牛湖山隧道大涌端洞门设计 3 1 13 1 1 截面型式的选择截面型式的选择 根据牛湖山隧道洞门所处的地形 地质条件 及衬砌形式和边坡坡度 考虑到 经济 美观等使用要求的因素 参照 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 大涌 端选用端墙式洞门类型 由于隧道两侧受山体纵向推力较大 所以在两侧需加挡土墙以抵抗土压力 洞 门的端墙及挡土墙的计算模型为挡土墙结构 根据地面确定墙厚 1 5m 墙身总高为 14 99 米 可由地质纵断面图量得 由于墙后岩体的重度 计算内 3 24mkN t 摩擦角 基底摩擦系数为 0 50 内聚力 c 0 挡土墙为 C20 毛石混凝土 60 第第11 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 其标准重度为 另由 建筑地基基础设计规范 查得 地基承载力 3 24mkN c 设计值 f 1000kPa 墙高为 H 墙顶宽为 墙底宽为 墙基高度为 d 墙面上有土压力的竖直 0 b 1 b 的分量和水平分量 水平分力的作用点距墙面底面的高度 H 3 见图 3 1 p 2 p 2 p 1 2 图 3 1 挡土墙的受力及计算简图 挡土墙的各参数设计如下 墙高为 H 12 28m 墙顶宽为 H 15 12 28 15 0 8186m 取 1 0m 底座高 0 b 0 b d 0 4m 现在根据该挡土墙的抗滑稳定性 抗倾覆条件 挡土墙底面应力条件来确 定洞门的底面宽度 3 1 2 3 1 2 作用在挡土墙结构上的土压力计算作用在挡土墙结构上的土压力计算 挡土墙的受力及计算简图如图所示 取墙背与竖直线之间的夹角 0 为 墙背与填土之间的摩擦角取 1 3 2 3 取 为挡土墙与水平面的 35 夹角 在地质纵断面图上量得 32 主动土压力系数为 3 1 22 2 cos cos sin sin 1 cos cos cos a k 第第12 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 438 0 320cos 350cos 3260sin 3560sin 1 350cos 0cos 060 cos 22 2 a k 则主动土压力为 kPakHp aa 6 525438 0 99 1424 2 1 2 1 22 取单位长度 则有 围岩与挡土墙的外摩擦角为kNpa 6 525 所以 35350 kPapp kPapp a a 2 21935cos 6 525 cos 5 15335sin 6 525 sin 2 1 3 1 3 3 1 3 挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力 3 1 3 1 1 将挡土墙分为两个矩形和一个三角形 其自重分别为 和由 21 q q 3 q 计算简图知 挡土墙的三部分自重分别为 3 2 01 dHbq 3 3 2 1 012 dHbbq 3 4 dbq 13 所以挡土墙的自重为 3 5 321 qqqq 2 1 2 1 2 1 10 1010 dHbdHb dbdHbbdHb 3 1 3 2 作用在挡土墙上竖向力的合力 作用在挡土墙上竖向力的合力等于挡土墙的自重 q 与土压力的竖向分力之 q 和 即 3 6 1101 2 1 2 1 pdHbdHbpqq 3 1 3 3 1 3 挡土墙上作用力对墙基脚挡土墙上作用力对墙基脚 o o 点的力矩点的力矩 挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩之和为 第第13 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 3 7 32 1 3 2 2 1 21113012011 H pbpbqbbqbbqM 32 1 3 2 2 2 1 21111 0101010 H pbpbdb bbbbdhbbdHb 整理可得 3 3 6 1 3 1 2 6 1 2 2 011 2 1 H pdHbbdHpbdHM h 8 3 1 4 3 1 4 挡土墙的抗滑稳定性验算挡土墙的抗滑稳定性验算 挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求 3 9 1 k E Nf kc 式中 滑动稳定系数 c k 作用与基底上的垂直力之和 N 墙后主动土压力之和 E f 基底摩擦系数 满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数 通常取 1 k 3 1 1 k 则有 1 2 110 2 1 2 1 k p pdHbdHbf kc 整理可得 第第14 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 5 099 14 24 2 1 2 2191 5 099 14 24 2 1 5 0 5 1533 1 2 1 2 1 10 21 1 dH pbdH f pk b m523 0 所以 挡土墙底面宽度 mb523 0 1 3 1 5 3 1 5 挡土墙的抗倾覆计算挡土墙的抗倾覆计算 挡土墙在荷载作用下不致绕墙底 o 点倾覆时应满足以下条件 3 10 2 0 0 k M M K y 式中 倾覆稳定系数 0 K 全部的垂直力对墙趾的稳定力矩 y M 全部水平力对墙趾的倾覆力矩 0 M 满足抗倾覆所以条件的安全系数 通常取 2 k 5 1 2 k 3 23 2 2 2 11 1 3012 0 11 H p bp b qbbq b bq M M k c y c 5 1 3 6 1 3 1 2 6 1 3 23 2 2 1 2 2 2 2 0101 2 1 2 11 1 10101 0 10 k H p dHbbdHbpdHb H p bp b dbbbdHbb b bdHb 第第15 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 整理可得 082 9 6 3 0 2 3 1 2 6 1 3 1 1 2 1 22 2 0 1 101 2 1 bb dH HPkdHb b dH bdHbP b mb81 1 1 所以 挡土墙底面宽度 mb81 1 1 3 1 6 3 1 6 挡土墙底面应力条件挡土墙底面应力条件 挡土墙的应力应满足以下条件 3 11 f B e B N 2 1 1 max 3 12 c B e 2 3 13 N MM c 0 式中 基底最大应力 max e 水平基底偏心距 B 水平基底宽度 f 地基承载力设计值 f 1000kPa 则有 f b N H P M b b N 2 1 3 2 6 1 1 21 1 max 2 1 62 2 1 2 1 4 2 1264 0102110 2 121 bbdHbHPPdHbdHb fbHPMPb 2 1211110101 2 1 3 2 2 1 3 2 3 2 2 fbHPbPbdbbbbbdH 则有 0021 2 1 bb 第第16 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 mb818 0 1 所以 挡土墙底面宽度mb818 0 1 3 1 7 3 1 7 挡土墙底面宽度的确定挡土墙底面宽度的确定 挡土墙的底面宽度必须同时满足抗滑 抗倾覆 基底最大应力的条件 即要 1 b 求 mbmbmb818 0 81 1 523 0 111 所以基底底面宽度至少大于 1 81m 由于挡土墙的墙高 H 12 28m 规范规定 1 3 2 3 H 取 5 0m 设计的挡土墙尺寸简图如图 3 2 1 b 1 b 100 1228 500 图 3 2 挡土墙尺寸简图 3 2 牛湖山隧道小桂端洞门设计 3 2 13 2 1 截面型式的选择截面型式的选择 根据牛湖山隧道洞门所处的地形 地质条件 及衬砌形式和边坡坡度 考虑到 经济 美观等使用要求的因素 参照 公路隧道设计规范 JTG D70 2004 小桂 端也选用端墙式洞门 由于本隧道两侧受山体的纵向推力较大 所以在洞门两侧需加挡土墙以抵抗土 压力 洞门的端墙与挡土墙的计算模型为挡土墙结构 根据地面确定墙厚 1 5m 墙 身总高为 8 0m 由地质纵断面图上量得 墙后岩体的重度 计算内 3 24mkN t 第第17 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 摩擦角 基底摩擦系数为 0 50 内聚力 挡土墙为 C20 毛石混凝土 60 0 c 其标准重度为 另由 建筑地基基础设计规范 查得 地基承载力 3 24mkN c 设计值 f 1000kPa 挡土墙的详细尺寸如下 见图 3 3 2 图 3 3 挡土墙及受力计算简图 墙高为 H 墙顶宽为 墙底宽为 墙基高度为 d 墙面上有土压力的竖直 0 b 1 b 的分量和水平分量 水平分力的作用点距墙面底面的高度 H 3 1 p 2 p 2 p 挡土墙的各参数设计如下 墙高为 H 8m 墙顶宽为 H 15 8 15 0 53m 取 1 0m 而底座高 0 b 0 b d 0 4m 现在根据该挡土墙的抗滑稳定性 抗倾覆条件 挡土墙底面应力条件来确 定洞门的底面宽度 3 2 2 3 2 2 作用在挡土墙结构上的土压力计算作用在挡土墙结构上的土压力计算 挡土墙的受力及计算简图如图说示 取墙背与竖直线之间的夹角 0 墙 背与填土之间的摩擦角取 1 3 2 3 取 为挡土墙与水平面的夹 30 角 在地质纵断面图上量得 8 动土压力系数为 第第18 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 3 14 22 2 cos cos sin sin 1 cos cos cos a k 179 0 80cos 300cos 860sin 3060sin 1 300cos 0cos 060 cos 22 2 a k 则主动土压力为 aaa kpkHp 8 214179 0 824 2 1 2 1 22 取单位长度 则有 围岩与挡土墙的外摩擦角为kNpa 8 214 所以 30300 kPapp kPapp a a 02 18630cos 8 214 cos 4 10730sin 8 214 sin 2 1 3 2 3 3 2 3 挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力 3 2 3 1 将挡土墙分为两个矩形和一个三角形 其自重分别为 由 321 qqq和 计算简图知 挡土墙的三部分自重分别为 3 15 01 dHbq 3 16 2 1 012 dHbbq 3 17 dbq 13 所以挡土墙的自重为 3 18 321 qqqq 2 1 2 1 2 1 10 1010 dHbdHb dbdHbbdHb 3 2 3 2 作用在挡土墙上竖向力的合力 作用在挡土墙上竖向力的合力等于挡土墙的自重 q 与土压力的竖向分力之 q 和 即 3 19 1101 2 1 2 1 pdHbdHbpqq 第第19 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 3 2 3 3 挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩 挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩之和为 32 1 3 2 2 1 21113012011 H pbpbqbbqbbqM 3 2 2 2 1 0101010 bbbbdhbbdHb 32 1 21111 H pbpbdb 整理可得 3 20 3 6 1 3 1 2 6 1 2 2 011 2 1 H pdHbbdHpbdHM h 3 2 4 3 2 4 挡土墙的抗滑稳定性挡土墙的抗滑稳定性 挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求 3 21 1 k E Nf kc 式中 滑动稳定系数 c k 作用与基底上的垂直力之和 N 墙后主动土压力之和 E f 基底摩擦系数 满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数 通常取 1 k3 1 1 k 则有 1 2 110 2 1 2 1 k p pdHbdHbf kc 第第20 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 整理可得 m dH pbdH f pk b 1 2 5 08 24 2 1 4 1071 5 08 24 2 1 5 0 02 1863 1 2 1 2 1 10 21 1 所以 挡土墙底面宽度 mb1 2 1 3 2 5 3 2 5 挡土墙的抗倾覆计算挡土墙的抗倾覆计算 挡土墙在荷载作用下不致绕墙底 o 点倾覆时应满足以下条件 3 22 2 0 0 k M M K y 式中 倾覆稳定系数 0 K 全部的垂直力对墙趾的稳定力矩 y M 全部水平力对墙趾的倾覆力矩 0 M 满足抗倾覆所以条件的安全系数 通常取 2 k5 1 2 k 3 23 2 2 2 11 1 3012 0 11 H p bp b qbbq b bq M M k c y c 3 23 2 2 1 2 2 11 1 10101 0 10 H p bp b dbbbdHbb b bdHb 3 6 1 3 1 2 6 1 2 2 0101 2 1 H p dHbbdHbpdHb 5 1 2 k 第第21 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 整理可得 0 5 0102 1002 1865 1 3 1 5 010 5 0102 24 6 1 5 010 24 3 1 4 107 0 2 3 1 2 6 1 3 1 1 2 1 22 2 0 1 01 2 1 bb dH HPkdHb b dH dHbP b mb155 0 1 所以 挡土墙底面宽度 mb155 0 1 3 2 6 3 2 6 挡土墙底面应力条件挡土墙底面应力条件 挡土墙的应力应满足以下条件 3 23 f B e B N 2 1 1 max 3 24 c B e 2 3 25 N MM c 0 式中 基底最大应力 e 水平基底偏心距 max B 水平基底宽度 f 地基承载力设计值 f 1000kPa 则有 f b N H P M b b N 2 1 3 2 6 1 1 21 1 max 2 2 1 62 2 1 2 1 4 2 1264 010102110 2 121 bbdHbbdHbHPPdHbdHb fbHPMPb 2 12111101 2 1 3 2 2 1 3 2 3 2 fbHPbPbdbbb 带入数值整理可得 第第22 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 2 1111111 1 1200 02 1868 3 2 4 107 2 1 5 024 3 2 1 3 2 1 5 08 2 24 2 1 5 08 24 602 18682 4 107 5 08 24 2 1 5 08 24 2 1 4 bbbbbbb b mb bb 653 0 0478 0 078 0 1 1 2 1 所以 挡土墙底面宽度mb653 0 1 3 2 7 3 2 7 挡土墙底面宽度的确定挡土墙底面宽度的确定 挡土墙的底面宽度必须同时满足抗滑 抗倾覆 基底最大应力的条件为 1 b mbmbmb653 0 155 0 1 2 111 所以基底底面宽度至少大于 2 1m 由于挡土墙的墙高 H 8 0m 规范规定 1 2 1 b 1 3 H 取 3 5m 挡土墙的尺寸简图如图 3 4 1 b 100 800 350 40 图 3 4 挡土墙尺寸简图 4 衬砌结构内力计算与结构设计 本隧道施工方法采用新奥法施工 新奥法是一种施工理念 强调充分发挥围岩 的自我承载能力 与初期支护 二期支护一起作用形成一个整体的隧道承载系统 本隧道的围岩级别主要为 级 根据规范所规定的范围和计算结果确定隧 道支护结构的施工参数 第第23 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 计算所选取的断面位处隧道 级围岩区域 节理发育较完全 埋深 60 米 岩 石坚硬系数 2 内摩擦角 容重 侧向岩层地基系数 基底岩 i f 60 3 24mkN 层地基系数 f 0 5 根据工程地质条件 综合考虑经济 施工条件与施工机械等因 素 本隧道采用复合式衬砌的支护结构 初期支护采用锚喷支护的结构形式 二次 支护体系为钢筋混凝土的曲墙拱结构 4 1 初次衬砌设计 根据隧道岩层性质及周围工程地质条件 由工程类比的方法 参照国家标准的 锚杆喷射混凝土支护技术规范 GB 2001 初期支护选用 cm 厚的钢筋网喷射t 混凝土 设置锚杆长为 间距 1 0 5 米的 25 锚杆 其中钢筋网为 6 5 的单0l 层钢筋网 4 1 14 1 1 设计参数的确定设计参数的确定 如果隧道按深埋埋隧道计算则有而隧道 44 1 14406024MPakPahq 其中 a 为隧道的半跨 隧道属于深埋隧道 围岩的竖向均匀压力56 1160 H q 按下式计算 4 1 wq s 1 245 0 kN 式中 s 围岩的级别 根据地质条件围岩属于 级 取 s 4 围岩的容重 根据地质条件围岩取 24 3 mkN 宽度影响系数 1 i B 5 B 隧道的宽度 取 B 11 56m i 以 B 5 为基准 B 每增减 1m 时的围岩压力的增减率 当 B5m 时取 i 0 2 当 B5m 时 取 i 0 1 代入数据有 MPa kPa q 1441152 0 1152 144 655 1 24245 0 556 111 0124245 0 3 14 考虑到在初期支护时有各种偶然的因素 如地震的影响 温差的变化 雨季时 水的影响等 其有关计算参数如下 15MPaq 600 c 无锚杆时隧道的位移 有锚杆时隧道的位移MPaE 3 102 0 05m 0 u 第第24 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 设计时为了简化计算 将隧道看成是圆形洞室 mu a 04 0 0 8u0 0 锚杆之间的 安 mrmrmr ci 43 8 78 5 93 5 0 1mi0 5m e s A3 14 2 cm 全系数 锚杆的弹性模量为 抗剪切强度 围 3 2 k MPaEa 5 101 2 MPa a 312 岩的单轴抗压强度 围岩的弹性抗力系数 MPaRc20 MPaEc 4 103 3 0 c 4 1 2 4 1 2 确定围岩塑性区加锚后的确定围岩塑性区加锚后的 c c 值值 Mpa ei A cc sa 196 0 15 0 1014 3 10312 0 60 46 1 1 4 1 3 4 1 3 计算计算 Qpp ai 设计时若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 1 所示 i 图 4 1 隧道锚杆简化分布力计算图 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 a p i c p r r 0 为锚杆内端半径 平衡方程及塑性方程为 c r 4 2 0 rr d rr 4 3 1 1 1 1 sin1 sin1 ctgc ctgc r 第第25 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 由上面两式得 4 4 crctgc r ln sin1 sin2 ln 1 1 11 当时 得积分常数 0 rr iar pp 4 5 0 1 1 11 ln sin1 sin2 ln rctgcppc ia 将 4 4 代入 4 3 式得 11 sin1 sin2 0 11 1 1 ctgc r r ctgcpp iar 4 6 全锚杆内端点的径向应力为 并位于塑性区内 则弹塑性区内 则弹性 c 塑性界面上有 4 7 11 sin1 sin2 0 0 11 1 1 ctgc r R ctgc a cr 111 cossin1 cp 式中 有锚杆时的塑性区半径 a R0 由此得 4 8 a c a c c p r r ctgc R r ctgcp 0 11 sin1 sin2 0 111 1 1 sin1 此外 由 4 5 并考虑锚杆内端分布力 则有 4 9 a c c iac p r r ctgc r r ctgcpp 0 11 sin1 sin2 0 11 1 1 由 4 7 4 8 两式得有锚杆时的塑性区半径为 4 1 1 1 1 0 sin1 sin2 0 0 sin1 sin2 0 11 111 sin1 a c a c c ai c a R r p r r r r ctgcpp ctgcp rR 第第26 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 10 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 11 1 1 sin1 sin2 0111min 111 max sin1 sin1 a c ai c a R r ctgcpp ctgcp rR 有锚杆时洞壁位移及围岩位移为 a r u 0 a r u 4 12 0 2 0 4 0 Gr RM u a a r 4 13 Gr RM u a a r 4 2 0 对于点式锚杆 可按锚杆与围岩的共同变形理论获得锚杆的轴力与内外移 4 14 0 rr AEuu Q c sa 4 15 a a a r u Gr RM u 0 0 2 0 4 0 4 16 a cc a a r u r r Gr RM u 0 0 2 0 4 0 式中 锚杆的外端位移 为锚杆的内端位移 u u 锚固前洞壁的位移值 a E 分别为锚弹性模量与一根锚杆的横截 a u0 s A 面的面积 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 16 0 rr AEuu kQ c sa 其中 k 与岩质和锚杆间距有关 岩质差时取 4 5 1 2 则取 k 2 3 由此可求得 a p 对于一般围岩可以认为锚杆与围岩具有共同的位移 而略去围岩与锚杆间的相 第第27 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 对变形 显然 锚杆轴力沿全长是不均匀的 锚杆中存在一中性点 该点的剪应力 为 0 两端锚杆受有不同方向的剪力 中性点上锚杆拉应力即轴力最大 在锚杆两 端为 0 见图 4 2 所示 a c b 图 4 2 锚杆内力分布图 考虑锚杆上任意一点的位移为 4 17 a a a r ur G RM r u 00 2 0 4 1 当 中性点半径 锚杆的轴力为 r r0 1 Q 4 18 1 4 2 2 00 2 0 1 cdr dr r d AEur G RM Q sa a a 1 4 2 00 2 0 c r AEur G RM sa a a 当时 Q 0 有 0 rr 4 19 2 0 00 2 0 1 4 r AEur G RM c sa a a 4 20 22 0 00 2 0 1 11 4rr AEur G RM Q sa a a 当时 其轴力为 0 r r 2 Q 4 21 22 00 2 0 2 11 4 c sa a a rr AEur G RM Q 当时 则有 21 QQ 第第28 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 得 2222 0 1111 c rr m rr rr c c 859 6 43 8 93 5 43 8 93 5 22 22 22 22 0 22 0 式中 锚杆最大轴力处的中性点半径 为简化计算可用等效力来代替 Q Q 由此可将按两种锚杆轴力图的面积等效 Q 求得 4 22 c r r c drQdrQrrQ 210 0 0 22 0 00 2 0 11 4 r sa a a dr rr AEur G RM c r c sa a a dr rr AEur G RM 22 00 2 0 11 4 由此可得 4 23 cc c c saa a rrr r r r rr AE ur G RM kQ 112 4 0 22 0 0 0 00 2 0 而又 111 cossin 2 3 2 1 12 4 4 cp EE M E M G M 3 3 10816 9 060sin15 1022 3 代入所有的数据得 43 8 1 93 5 1 895 6 2 43 8 43 8 895 6 93 5 93 5 895 6 93 5 43 8 1014 3 101 2 04 0 93 5 10816 9 3 2 112 4 22 45 2 0 3 0 22 0 0 0 00 2 0 a cc c c saa a R rrr r r r rr AE ur G RM kQ 第第29 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 1186 0 169 0 29 0 0216 0 0274 0 6376 2 04 010742 9 3 22 0 3 a R 0082 0 6376 2 04 0 10742 9 3 22 0 3 a R 04 0 10742 9 0144 0 2 0 3 a R 则有 04 0 10742 9 0288 0 5 01 04 0 10742 9 0144 0 2 0 3 2 0 3 a a a R R ei Q p 由弹性力学中的厚壁筒理论有 4 24 0 0 1 2 22 0 22 0 0 a r c c i ic i u rr rr r G p 0 0 2 0 0 4 0 0 0 u Gr RM k uukuk a c a rc a rc 而又有 4 25 22 0 22 0 0 21 2 ic ic c rr rr r G k MPa E G c c c 4 4 1015 1 3 012 103 12 22 0 22 0 0 21 2 ic ic c rr rr r G k 9833 143 25 90 6 6693 5 1015 1 27565 1 78 5 93 5 3 02193 5 78 5 93 5 1015 1 2 3 4 22 224 mkg 则有 第第30 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 04 0 10742 9 9833 143 2 0 3 a i Rp 而松动区的半径为 4 26 1 1 1 1 sin1 sin2 0 sin1 sin2 0 11 111 0 sin1 a c c ai c a p r r r r ctgcpp ctgcp rR 代入数据得 077 0 92 12 866 0 2 866 0 1 866 0 1 866 0 2 0 703 0 2 1577 0 196 0 866 0 1577 0 196 0 5 1 43 8 703 0 2 160196 0 866 0 160tan196 0 15 43 8 aai aai a ppp pctgpp c R 将 的计算所得的式子代入试算可得 i p a p mR a 5087 5 0 将 5 5087m 代入 的表达式可求得 a R0 i p a p 01 0 1002 1 9833 143 2 0 4 a i Rp 01 0 5087 5 1002 1 109833 143 247 MPa3681 0 MPapa00736 0 MNeipQ a 0036 0 4 1 4 4 1 4 锚杆的设计锚杆的设计 为让锚杆充分发挥作用 应使锚杆应力尽量接近锚杆的抗拉强度 并有一 st f 定的安全系数 锚杆的长度要大于松动的半径 则设锚杆的长度 取锚杆的长度为 2 5m 有 0 087m5 43 5 5087 0 l 第第31 页页 共共85 页页 铁铁道道工工程程系系 装装 订订 线线 1093 2 0036 0 1014 3 24 4 1 Q f k st 满足要求 4 1 5 4 1 5 围岩的稳定性安全度验算围岩的稳定性安全度验算 喷层除作为结构要起到承载作用外 还要求向围岩提供足够的反力 以维持围 岩的稳定性 为了验证围岩的稳定 需要计算最小的抗力以及围岩的稳定性 mini p 安