包家山隧道主体结构暨施工设计毕业论文.doc

河南理工大学本科毕业设计（论文） 目录包家山隧道主体结构暨施工设计毕业论文目录第一章 工程概况11.1 地理位置11.2 地形地貌11.3 隧道地质11.4 气候气象21.5 主要技术标准21.6 设计依据3第二章 总体设计42.1 平面设计42.2 纵断面设计42.3 横断面设计52.3.1 建筑限界52.3.2 紧急停车带62.3.3 横向通道62.3.4 内轮廓设计72.4 洞门、明洞设计72.4.1 洞口设计72.4.2 洞门设计82.4.3 明洞设计92.5 建筑材料10第三章 围岩压力计算113.1 埋深类型判断113.2 围岩压力计算12第四章 衬砌设计134.1预支护设计134.1.1 超前锚杆设计134.1.2 小导管注浆设计144.1.3 管棚设计144.2 初期支护设计144.2.1 喷射混凝土支护设计154.2.2 锚杆支护设计164.3 二次衬砌设计20第5章 衬砌结构计算215.1 设计基本资料215.1.1 岩体特性215.1.2 衬砌材料215.1.3结构尺寸215.2 主动荷载计算215.3 分块图绘制225.4 半拱轴线长度计算225.5 几何要素计算235.5.1 各截面与竖轴的夹角235.5.2 各截面的中心坐标235.6 单位位移计算245.7 主动荷载位移计算265.7.1 衬砌每一块上的作用力265.7.2 主动荷载内力265.7.3 主动荷载位移285.7.4 墙底位移计算295.8 解主动荷载力法方程295.9 截面内力计算及校核305.10 单位弹性反力变位计算315.10.1 各截面弹性反力强度315.10.2弹性反力集中力315.10.3 弹性反力作用下的结构内力325.10.4 弹性反力产生的荷载位移325.11 解单位弹性反力力法方程335.12 最大弹性反力355.13多余力计算355.14 总内力计算与校核365.14.1 衬砌各截面内力365.14.2 校核计算精度365.15 内力图绘制375.16 强度验算38第六章 洞口、洞身工程施工396.1 洞口工程396.1.1 整体方案396.1.2 洞口施工各项要求396.1.3 截水沟施工406.1.4 临时防护406.2 洞身工程406.2.1 整体方案406.2.2 开挖方法416.2.3 装岩运输416.3 钻爆设计426.3.1 爆破施工工艺426.3.2 爆破参数446.3.3 爆破设计图466.3.4 质量检验标准48第七章 衬砌支护施工497.1 预支护施工497.1.1 超前小导管预注浆497.1.2 超前锚杆507.1.3 超前管棚支护施工507.2 初期支护施工517.2.1 锚杆517.2.2 挂网527.2.3 喷射混凝土527.2.4 拱架537.3 仰拱及二次衬砌施工537.3.1 仰拱施工537.3.2 二次衬砌施工54第八章 结论56参考文献57致谢58IV河南理工大学本科毕业设计（论文） 第一章 工程概况第一章 工程概况1.1 地理位置小河至安康高速公路为国家高速公路规划网包头茂名线陕西省境内重要组成部分，起点位于旬阳县小河镇坪槐村，与西部开发省际公路通道柞水至小河段相接，终点位于安康市五里镇尹家营，与拟建的安康至紫阳段高速公路相接。是陕西省规划的“米”字型公路主骨架中南北向的重要经济干线，属陕西省生产力布局和经济建设的主轴线之一。包家山特长隧道位于小康高速公路的咽喉部位，起止里程为ZK151+675ZK162+850（YK151+650YK162+845），长约11.2km，划分为10、11、12三个标段。是最艰巨的工程地段之一。该隧道进口位于旬阳县桐木沟，出口位于汉滨区茨沟镇路家沟口，穿越了南秦岭山脉的青山和玉皇山两道山峰，地形崎岖，地势险要，山高沟深，植被茂密，地质构造复杂，地层岩性多变，工程施工难度大。1.2 地形地貌包家山隧道位于旬阳县桐木乡与汉滨区茨沟镇交界的玉皇山分水岭地带。隧道横穿南秦岭山脉，以少土多石的山区为主。旬阳县桐木沟沟床最低，海拔534.8m，玉皇山主峰最高，海拔1371.5 m，区内海拔一般在5001500m之间。隧道南口柴家河一带最低高程为677.4m，向北至分水岭玉皇山，高程为1361m，相对高差约684.6m；隧道北口桐木乡一带最低高程为539.70m左右，向南至青山梁最高高程为1240.2m，相对高差约700.5m；隧道洞身中部有麻坪河通过，地势相对较低，高程为896.8m，与两侧玉皇山、青山相对高差为464.2m和343.4m。1.3 隧道地质隧址所在地质构造单元属于秦岭褶皱系南秦岭留坝白河褶皱带，隧道穿越的的山岭位于复式向斜的南翼，地层总体上向北（起点方向）倾斜；区域主要构造线以北西南东向延伸，与路线走向大角度交叉。隧道轴线横穿的主要断裂是麻坪河断裂。地层主要是古生界泥盆系中统大枫沟组（D2d）、石家沟组（D2s）和志留系下统梅子垭组（S1m）；区内地下水赋存的主要形式为构造裂隙水和岩溶水，地下水水质良好，对混凝土无侵蚀性。隧道围岩均为浅变质岩类，根据岩石构造和力学性质不同主要有千枚状软质岩类，片状半坚硬岩类和板状层状硬质岩类。其中以片岩、千枚岩为主，由于受区域构造的影响，岩石节理裂隙发育，部分地段糜棱岩化，岩体相对破碎。由于受区域构造影响，隧道区地质构造相对发育，沿隧道共发现断层37条，其中主要断层有13条；主要的褶皱构造有三组，分别为K151+700 K152+500地段、K153+100 K153+490地段及K161+200 K161+900地段；已发现的岩溶异常区有17处，包家山隧道围岩级别划分见表1-1。表1-1 围岩级别划分表围岩级别合计右线长度（m）6855782472811195百分比6.0%51.7%42.2%左线长度（m）7405588487211200百分比6.4%50.0%43.6%合计长度（m）142511370960022395百分比6.3%50.8%42.9%1.4 气候气象受地势影响，南秦岭属海拔1000m左右的中高山区，为温带半湿润湿润季风气候，由于受山地垂向变化的影响，气候差异也较大，区内气候为凉亚热带山地气候，1月份平均气温0.6，7月份平均气温 23.7，年平均气温12.2，极端最高气温37.4，极端最低气温-12.6。早霜期始于10月下旬，晚霜终于3月下旬，无霜期225天，年降水量800950mm，雨季一般集中在7月至9月，具春寒、伏旱、夏洪、秋涝的特点。降雪期为11月至翌年2月，积雪厚度一般24cm，最大18cm。高山区气候阴湿，中低山区雨量充沛。1.5 主要技术标准（1）公路等级：高速公路（2）设计行车速度：80km/h（3）路基净宽：12.5米（4）隧道净宽：净-10.25米（5）隧道净高：净-5.0m（6）设计荷载：公路-级1.6 设计依据（1）公路隧道设计规范（JTG D70-2004）；（2）公路隧道施工技术规范（JTG F60-2009）；（3）公路隧道施工技术细则（JTG/T F60-2009）；（4）公路工程技术标准（JTG B01-2003）；（5）锚杆喷射混凝土支护技术规范（GB50086-2001）；（6）隧道工程贺永年 刘志强 主编 中国矿业大学出版社；（7）隧道结构力学计算 夏永旭 王永东 主编 人民交通出版社。63河南理工大学本科毕业设计（论文） 第二章 总体设计第二章 总体设计2.1 平面设计由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.5（P17)知，隧道洞口内外各3s设计速度行程长度范围的平面线形应一致。对于该隧道3s设计速度行程为66.7m，结合该隧道洞口外公路线形，对洞口处平面线形做如下设计：该隧道上行线进口位于曲线半径R=1100米的圆曲线上，进口段曲线长度460米；出口位于曲线半径R=6000米的圆曲线上，出口段曲线长度480米。下行线进口位于曲线半径R=4000米的圆曲线上，进口段曲线长度100米；出口位于曲线半径R=1240米的圆曲线上，出口段曲线长度595米。由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.1（P137）知，隧道平面线形一般希望设计成直线，这主要是基于两点理由：取直线于通风有利，如果曲线尤其小曲线半径，通风阻力增大，对自然通风不利，同时会增大机械通风量；其二，如果隧道取较小半径曲线，通常需设置超高和加宽，这将是施工变得复杂，断面不统一以及它们的相互过渡都给施工增加了难度。直线隧道通风能力好，测量、衬砌内装比较简单，不会产生视距问题，施工方便，因此，工程的施工难度较小、造价低，工程中应优先采用。通过包家山隧道的地质报告了解到包家山隧道处于III、IV、V类围岩中，围岩稳定性较差，本身施工难度已较大。由于直线隧道方案在施工难度、工程投资和工期上较有优势，通过对隧道处路线平面线形的优化，因此，洞内部分能采用直线优先采用直线形式。对于由于地质条件限制，而不能采取直线的区段，在满足最小圆曲线半径以及停车视距和上、下行最小间距要求条件下，选用合适的曲线。对于长距离直线线形易产生的视觉疲劳问题，结合终南山隧道及其他既有长大隧道设计为直线线形的经验，可以在隧道内每隔一定距离设一个特殊灯光段，人为把隧道分成几截，给司机以出了洞又进洞的感觉，从而消除长距离直线的弊端。2.2 纵断面设计隧道内的纵坡形式，根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.3（P16），可设置单面坡和人字坡两种。隧道内纵面线应考虑行车安全性，营运通风规模、施工作业效率和排水要求。隧道纵坡不应小于0.3%，一般情况下不应大于3%，当受地形等条件限制时，高速公路、一级公路的中、短隧道可适当加大，但不宜大于4%。当采用较大纵坡时，必须对行车安全性、通风设备和营运费用、施工效率的影响等做充分的技术、经济综合论证。根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.4（P16），隧道内的纵坡形式，一般宜采用单向坡；地下水发育的长隧道、特长隧道可采用双向坡。如果采用双向坡，其竖曲线半径应尽量采用较大值，以提高行驶安全性、舒适性。综合以上所述，本隧道属于特长隧道，且本区域内断层透水导水较好，麻坪河水潜伏地下，形成岩溶裂隙水，各断层穿越隧道且与岩溶连通，对隧道有较大影响。所以选择人字坡可避免施工过程中的逆向排水现象，综合考虑隧道的地形、地址、围岩情况及洞口位置和施工的便宜性，将变坡点设置在玉皇山分水岭附近，以尽可能地避过不良地质段。最后，得出隧道纵断面设计方案为：隧道进口设计高程550m，出口设计高程693m；线路纵断面为人字坡，上、下行线线路最大坡度均为1.95%，上行线变坡点K159+543.256，下行变坡点K159+500；上行线坡度/坡长为+1.949%/7893.256和-0.4%/3301.744，下行线坡度/坡长为+1.95%/7825和-0.4%/3350。2.3 横断面设计2.3.1 建筑限界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（P16）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III、IV、V类围岩，分离式独立双洞间的最小净距分别为2.0B、2.5B、3.5B(B为隧道开挖断面的宽度)。图2-1 隧道建筑限界本高速公路位于秦岭山区，取设计时速为，则建筑限界高度H5.0m。且当时，检修道J的宽度不宜小于0.75m，取，检修道高度h0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道宽度W=3.75m27.5m，侧向宽度为：，建筑限界顶角宽度为：，具体建筑限界如图2-1所示。2.3.2 紧急停车带本隧道起止里程为ZK151+675ZK162+850（YK151+650YK162+845），长约11.2km，为特长隧道，故需设紧急停车带。以在行车方向的右侧设置紧急停车带。紧急停车带的设置间距取700m，停车带的路面横坡取为水平。紧急停车带的建筑限界、宽度和长度见图2.2所示。图2-2 紧急停车带建筑限界、宽度、长度（单位：cm）2.3.3 横向通道由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.4.6(P19）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11.2km，可每隔750m设一处车行横通道,在两个车行横通道之间设置两处人行横通道。行车横洞与行车方向夹角为60，两端与路缘带顺坡，并设置半径不小于5米的转弯喇叭口；行人横洞与行车方向夹角为90，其底面与检修道盖板顶面平齐。横通道的断面建筑限界如图2.3所示。图2-3 横通道的断面建筑限界（单位：cm)2.3.4 内轮廓设计根据建筑限界，利用三心圆，得出各断面内轮廓如下图： 图2-4 隧道正常断面内轮廓图（单位：cm） 图2-5 隧道紧急停车带内轮廓图（单位：cm）2.4 洞门、明洞设计结合隧道进出口地形、地貌、工程地质和水文地质条件，并考虑到施工开挖边坡的稳定性，本着“早进晚出”、“少开挖”的原则，确定隧道进出口位置、明洞形式，洞门形式的选择力求结构简单，并与洞口地形、地貌协调一致。2.4.1 洞口设计（1）洞口位置选择由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）7.1.1(P31），洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程以及施工条件、营运要求，通过技术、经济比较确定。根据包家山隧道实际情况，将隧道进口选择在青山高程550m处，靠近东侧山坡边缘处。出口选择在玉皇山高程693m的山脊两侧。（2）洞口形式确定根据洞口所处位置的地形地质条件，进口采用坡面正交型这是一种隧道轴线与坡面正交的形式，最为理想；出口采用山脊突出部进入型山脊突出部一般是稳定的，但山脊突出部的背后侧可能存在断层。隧道进洞口及出洞口见图2-6及2-7。 图2-6 隧道进洞口 图2-7 隧道出洞口2.4.2 洞门设计（1）设计原则洞门宜与隧道轴线正交，洞门构造及基础设置应遵循下列规则：洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5，洞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1.0，洞门墙顶高出仰坡不小于0.5。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它工程类比确定。洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地形及地质条件，埋置足够的深度，保证洞门的稳定。基底埋入土质地基的深度不应小于1.0，嵌入岩石地基的深度不应小于0.5；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25；地基为冻胀土层时，应进行防冻胀处理。基底埋置深度应大于墙边各沟、槽基底的埋置深度。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。（2）洞门类型确定小康高速整体设计、施工理念在保证工程建设质量与进度的同时，小康高速公路管理处将“保护好生态环境”作为“第一追求”，将“恢复好生态环境”作为施工的“第一原则”，将“科技创新促进生态环保”作为建设的“第一动力”，将实现“自然环境原生态”作为验收的“第一关口”，明确提出了“零开挖”进洞的施工理念，并确定了不同的进洞方案。隧道洞门设计以绿化美化自然和谐为主、无大型构造物，隧道施工采取“零进洞”，贯彻“无洞门理念”，避免大开挖。隧道洞门类型确定隧道进口位于浅层滑坡内，地形上陡下缓，而且滑面在洞口附近切入到隧道洞室内，围岩稳定性差。出口处围岩分级为V级，区域岩质稳定、地形开阔。结合小康高速的整体设计、施工理念中的“零进洞、无洞门”理念，经综合分析采用融入“无洞门”理念，具有简洁明朗、有利于隧道洞口的环保、与周围景观十分和谐，给驾驶员以舒适的感觉等特点的削竹式洞门。洞门形式如图2.8所示。由于隧道采用明洞出洞，洞门上部无回填土石，荷载较小，且对洞门下部地基进行了土石置换，灰土回填夯实处理加固，地基承载力较好，故明洞洞门按照构造要求设计，不需进行洞门计算及验算。图2-8 削竹式洞门2.4.3 明洞设计(1)明洞基本参数设置进口位于浅层滑坡内，地形上陡下缓，而且滑面在洞口附近切入到隧道洞室内，围岩稳定性差，隧道上覆地层厚度很薄。但该处地形平缓，地势开阔，便于施工场地的布置。因此，考虑到支护和施工上的便利，左、右洞洞口段均设置明洞。出口段围岩级别为V级，虽地形较陡，但为了保持洞口的自然环境，同时防止洞口仰坡对隧道洞口造成危害，可将隧道延伸至天然地表以外，以明洞方式接长隧道。由于明洞围岩级别较差，垂直压力和侧压力较大，故采用拱式明洞，并加设仰拱，明洞内轮廓线与暗洞内轮廓线一致。衬砌厚度设为30cm。衬砌材料采用钢筋混凝土结构，C25级混凝土,直径25mm级钢筋。明洞边墙用5#浆砌片石回填，拱部用挖方土回填，以利于排水。明洞断面同隧道断面，明洞采用全断面整体式钢筋混凝土衬砌，考虑到环境保护的要求，边、仰坡采用空心植草、锚喷混凝土等防护措施确保安全。断面如图2.4所示。(2)明洞长度确定坍落拱高度按下式计算： (2-1)S围岩级别；B隧道宽度(m)；以B=5m为基准，B每增减1m时的围岩压力增减率，当B5m，取=0.1；进口段为IV级围岩=5.9256m当埋深时，即为超浅埋隧道。设洞口段x m处埋深为，斜坡坡度为1025，进口段路面纵坡为1.95%，则有17.2021m进口段明洞长度确定为17.2021m。出口段为V级围岩=11.8512m当埋深时，即为超浅埋隧道。设洞口段x m处埋深为，斜坡坡度为6070，路面纵坡为0.4%，则有4.3198m另设外接明洞2m，故出口明洞总长度确定为6.3198m。2.5 建筑材料根据公路隧道设计规范，所选取的建筑材料如下：（1）明洞衬砌，钢筋混凝土二次衬砌及洞内沟管采用C25混凝土，素混凝土二次衬砌采用C20混凝土，初期支护采用C20喷射混凝土，仰拱回填采用C10混凝土。（1）直径d5 m时，取=0.1.对IV级围岩：在矿山法施工条件下，IV-VI级围岩取，I-III类围岩取，即=14.814m根据包家山隧道工程地质横断面图，按式（3-5）、式（3-6）判断级围岩区的隧道最大埋深高度和最小埋深高度， （3-5） （3-6）然后，选取两者的平均值h来加以判断，青山段：=309.444玉皇山段：=310.994则有：，该隧道为深埋隧道。3.2 围岩压力计算围岩压力计算仍以级围岩为例进行计算。由公路隧道设计规范6.2.3（P29），IV-VI级围岩中深埋隧道的围岩压力为松散荷载时，其垂直均布压力及水平均布压力可按下列公式计算：考虑公式适用条件：其中：H隧道开挖高度（m）；B隧道开挖宽度（m）。满足条件，故可以用以下公式计算。隧道支护结构的垂直均布压力： （3-7） （3-8）式中：垂直均布压力（）； 围岩重度（）； 围岩级别； 宽度影响系数，； 隧道宽度（m）； i每增减1m时的围岩压力增减率，以B=5m的围岩垂直均布应力为准，当B5m时，取i=0.1。取s=4、=23：，水平均布围岩压力：，取。河南理工大学本科毕业设计（论文） 第四章 衬砌设计第四章 衬砌设计4.1预支护设计预支护指预先设于隧道轮廓线以外一定范围内的支护或与开挖面后方的支护的共同组成的支护系统，是有效的辅助施工措施。可以在隧道开挖后至洞顶支护结构产生支护作用前的时段内，支承临空的岩体，从而维持开挖面的围岩稳定。包家山隧道预支护选用超前锚杆，小导管注浆及管棚，详见表4-1。表4-1 预支护类型类型适用条件技术要求超前锚杆III级围岩，开挖临空面后的数小时内可能剥落或局部坍塌的岩块沿拱上部的纵向或沿拱脚附近的横向设砂浆锚杆小导管注浆级围岩自稳能力很低沿拱上部的纵向或沿拱脚附近的横向设4250mm，长35m花管，管内注浆管棚级及以上围岩，无自稳能力沿隧道外缘设80mm，长L10m的花管，管内注浆，管外端支于钢架上4.1.1 超前锚杆设计超前锚杆又称斜锚杆，是沿隧道纵向在拱上轮廓线外一定范围内向前上方斜插角，或者沿隧道横向在拱脚附近以下方倾斜一定外插角的密排沙浆锚杆。前者为拱部超前锚杆，后者称为边墙超前锚杆。拱部超前锚杆用支托拱上部临空面的围岩，起插板作用。边墙超前锚杆在我们采用的先拱后墙法开挖边墙的过程中，将起拱线附近岩体所承受的较大拱部荷载传递至深部围岩，从而提高了施工中的围岩稳定性。超前锚杆设计锚杆参数按经验选取：（1）锚杆直径：III级围岩为1822mm，级围岩为2024mm。（2）锚杆长度：一般为35m，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序循环进尺相配合，拱部超前锚杆纵向两排之间应重叠1m以上的水平搭接段。（3）锚杆间距：III级围岩为4060cm，级围岩为3050mm。（4）锚杆外插角： III级围岩拱部为530，IV级围岩拱部1020；边墙为1030。填充砂浆标号200号，并选用早强砂浆。4.1.2 小导管注浆设计小导管是沿隧道纵向在拱上部开挖轮廓线外一定范围内向前上方倾斜一定角度，或者沿隧道横向在拱脚附近向下方倾斜一定角度的密排注浆花管。注浆花管的外露端通常支于开挖面后方的格栅钢架上，共同组成预支护系统。注浆小导管既能加固洞壁一定范围内的围岩，又能支托围岩其支护刚度和预支护效果均大于超前锚杆。对于我们隧道施工中可能碰到的砂土层、砂卵（砾）石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段等地段很有帮助。小导管注浆设计锚杆参数按经验选取，（1）小导管直径：小导管用4250mm热轧无缝钢管加工制成，长度35m。（2）小导管构造：小导管前部应钻注浆孔。孔径为68mm，孔间距1020cm，并呈梅花形布置。前端加固成锥形，尾部长度不小于30cm，作为不钻注浆孔的预留止浆段。小导管注浆参数按以下选取：压注浆泥砂浆水灰比。当围岩破碎，岩体止浆效果不好时，同样可以采用水泥水玻璃双液注浆。注浆压力控制在0.51.0MPa，必要时在孔口设止浆塞；小导管环向设置间距一般为2050cm，外插角1030。两组小导管间纵向水平搭接长度不小于100cm。4.1.3 管棚设计管棚是将钢花管安插在已钻好的孔中，沿隧道开挖轮廓线外排列形成的钢管棚，管内注浆，必要时还可加钢筋笼，并与强有力的型钢钢架组合成预支护系统以支承和加固自稳能力极低的围岩，对防止软弱围岩的下沉、松弛和坍塌等有显著的效果。导管参数按经验选取：导管为热轧无缝钢管，外径80180mm，长度为1045m，分段安装，分段长度为46m，两段之间用“V”型对焊或丝扣连接；导管上须钻注浆孔，孔径为1016mm，孔间距为1520cm，呈梅花型布置。导管的尾部留有不钻孔的止浆段；导管中可以增设钢筋笼，以提高导管的抗弯能力。与管棚配合使用的钢架，可采用钢轨、H型钢及钢管的加工而成。4.2 初期支护设计初期支护指锚杆喷射混凝土支护，在包家山隧道中采用了钢筋网和钢架配合支护。4.2.1 喷射混凝土支护设计（1）喷射混凝土支护设计厚度的计算对于喷层的抗局部冲切破坏或粘结破坏的计算如下，A.按冲切破坏计算喷层厚度，可按式（4-1）计算， （4-1）式中，不稳定岩块重力，kg；喷射混凝土设计抗拉强度，MPa；不稳定岩块露出面周边长度，cm；安全系数，取2.5。根据包家山隧道的具体情况计算，IV类围岩分布区：cm其中，=272.43MPa，=10MPa，=4.56m，=2.5。III类围岩分布区的情况按构造设计。B.按粘结破坏计算喷层厚度，可按式（4-2）计算。 （4-2）式中：喷层与岩面间的粘结强度，MPa； 其他符号意义同前。同样根据包家山隧道隧道的具体情况计算，IV级围岩分布区：cm其中，=272.43MPa，=30MPa，=4.56m，=2.5。III级围岩分布区的情况按构造设计。所以得出结论：喷射混凝土与岩石的粘结强度，与岩体强度、岩面粗糙及洁净程度等有关，一般情况是，在硬岩中，粘结强度能满足要求，当喷层厚度100mm时，多为冲切破坏；当喷层厚度100mm时，粘结强度较低时，喷层可能为粘结破坏。（2）钢筋网喷射混凝土支护设计包家山隧道施工的特殊地段，必须考虑架设钢筋网来辅助支护。钢筋网可提高喷射混凝土的抗剪和粘结强度，有利于抵抗岩石塌落和承受冲击荷载，能提高喷层的整体性，使其应力分布均匀，从而减少混凝土的收缩和喷层裂缝。在变形大而自稳性差的软弱围岩的混凝土喷层中，应设置12层钢筋网。当隧道掘进遇到喷层与土砂层一起剥落时，此时可以安设防剥落钢筋的网眼较密的钢筋网效果会很好。钢筋网喷射混凝土支护设计应符合下列要求：A、钢筋网喷射混凝土的厚度不应小于100mm，且不能大于250mm；B、钢筋网按构造要求设计，钢筋直径一般为412mm，我们具体施工时可以参考选用直径在610mm范围内的钢筋；C、钢筋间距考虑布置在150300mm范围之间；D、钢筋网保护层厚度不应小于20mm。4.2.2 锚杆支护设计锚杆在衬砌中取到的作用有：悬吊作用、组合梁作用、加固作用。锚杆支护设计参数计算（锚杆局部加固计算）（1）锚杆加固拱部围岩计算，一般按悬吊原理确定锚杆参数，计算简图如图4-1所示，图4-1 锚杆计算图A、所需锚杆截面面积按式（4-3）、式（4-4）计算（锚杆将重力为的危岩锚固在稳定岩体上，危岩使锚杆产生拉力和剪力， （4-3） （4-4）式中，N危岩使锚杆产生的拉力，按式（4-5）计算： （4-5）Q危岩使锚杆产生的剪力，按式（4-6）计算： （4-6）钢筋抗拉设计强度，MPa；钢筋抗剪设计强度，MPa；锚杆与地质结构面的夹角，度；锚杆与铅垂线的夹角，度；安全系数，一般取为2.4。并且可按式（4-7）直接计算钢筋直径d， （4-7）式中符号意义同前。根据包家山隧7道的具体情况计算，IV级围岩分布区：cm其中：kN kN =340MPa（按II级钢筋设计强度选用）， =20，=5，=272.43kN，0.55，=2.4。III级围岩分布区的情况按构造设计。B、锚杆长度计算，按式（4-8）计算， （4-8）式中，锚杆固端长度，cm，具体按式（4-9）计算， （4-9）其中，砂浆与钢筋的粘结力，MPa； 钢筋抗拉设计强度，MPa； 锚杆钢筋直径，cm； 安全系数，一般取为2.0。 锚杆外露长度，cm，考虑设置托板、钢筋网等要求， 外露长度按规定取为15cm，但此时不能超过喷射混 凝土的厚度； 锚杆加固围岩厚度，cm，一般用声波由现场测定。具体计算、和的大小，IV级围岩分布区：锚杆固端长度：cm其中，=3MPa（选用螺纹钢筋），=340MPa（II级钢筋抗拉设计强度），=1.35cm，=2.0。锚杆加固围岩厚度：的取值一般由声波现场测定，我们按IV类围岩特性并参考选取以往经验值得到cm。锚杆外露长度：cm所以IV级围岩分布区内的设计锚杆长度为：mIII级围岩分布区的情况按构造设计。（2）锚杆对侧壁危岩的加固计算,计算简图如图4-2，图4-2 锚杆加固侧壁危岩计算图依据计算示意图，用锚杆加固侧壁岩块ABC，阻止其沿裂面AB下滑，即可验算抗滑稳定性。沿裂面AB下滑力，按式（4-10）计算， （4-10）抗滑力按式（4-11）计算， （4-11）当时，岩块ABC处于稳定状态。其中，N为锚杆拉力，按计算。当考虑安全系数K后，锚杆所需面积按式（4-12）计算， （4-12）式中，裂面的内摩擦角，度； 其他符号意义与前面相同。根据包家山隧道具体情况计算如下：IV级围岩分布区：沿裂面下滑力为：抗滑力为：得到，则此时岩块ABC处于稳定状态。当考虑安全系数后，锚杆所需面积为：式中，=35，其他同前。4.3 二次衬砌设计二次衬砌宜采用等厚薄形马蹄形断面，在圆、弧、直线间应圆顺连接。II类围岩的二次衬砌不受力或受力不大，根据施工和构造要求确定衬砌厚度，通常采用二次衬砌的最小厚度，一般为30cm。III级及以上围岩复合式衬砌按承载结构设计，为发挥围岩自承作用，允许围岩与支护衬砌有一定变形，故二次衬砌不宜太厚（不宜大于45cm），一般取为45cm。并且，仰拱衬砌的厚度为60cm。为保证隧道衬砌、通信信号和供电线路等设施正常使用，隧道衬砌应根据要求采取防水措施。当有地下水时，初期支护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷涂防水层，也可采用防水混凝土衬砌；当地下水小时，仅在公布设置防水层。防水层一般采用全断面不封闭的无压式，也可用全断面封闭的有压式。防水层应在初期支护变形基本稳定后、二次衬砌灌注前施作。最后，得出包家山隧道衬砌设计参数，如表4-2所示，表4-2 衬砌设计参数项目单位围岩级别IIIIVV超前支护类 型mm小导管505小导管间 距cm4040长 度m44.5初期支护喷射混凝土厚度25号cm152025径向系统锚杆直 径mm222525长 度cm300300350锚杆布置cm12012010010010080钢筋网直 径mm666钢筋布置cm151515151515钢拱架榀间距cm无7575二次衬砌25号混凝土cm455060仰拱cm5060河南理工大学本科毕业设计（论文） 第五章 衬砌结构计算第5章 衬砌结构计算5.1 设计基本资料5.1.1 岩体特性岩体为IV级围岩，计算摩檫角，岩体重度，围岩的弹性抗力系数，基底围岩弹性反力系数。5.1.2 衬砌材料采用C20混凝土，重度=23，弹性模量=25.5GPa，混凝土衬砌轴心抗压强度标准值=13.4MPa，混凝土轴心抗拉强度标准值=1.54MPa。5.1.3结构尺寸543cm 573cm 90793cm 823cm 13100cm 130cm 59B=1146cm，H=850.6cm，=116.9cm，（拱顶厚度）=30cm。假设起拱线以下的起拱线为一段圆弧，半径为，圆心角为。结构断面见图5-1。图5-1结构断面图5.2 主动荷载计算作用在结构上的荷载形式为匀布竖向荷载q和均布水平向荷载e，其侧压系数为0.3，即e=0.3q均布竖向荷载: q=136.2888 (KN)均布水平向荷载: e=0.3q=40.88664 (KN)5.3 分块图绘制因结构对称，荷载对称，故取半跨计算，如图5-2。 图5-2 结构分块图5.4 半拱轴线长度计算此处不计算仰拱。a、由图可知，水平线以上轴线为一圆弧，半径为，=558cm，90，水平线以下轴线为两圆弧，半径为、，=808cm、=115cm，13，。b、计算半拱轴线长度S及分块轴线长度半拱轴线长度:=876.504+183.329+118.421=1178.254cm分块长度：=147.28175cm5.5 几何要素计算5.5.1 各截面与竖轴的夹角=15.1230=2=30.2460=3=45.3689=4=60.4919=5=75.6149=90.5096=+=100.9534=+=162.0001校核角度：=90+13+59=1625.5.2 各截面的中心坐标计算过程单位为cm。=0,=0坐标校核：5.6 单位位移计算=1.731927=校核：+2+= +2+-=满足精度要求，说明变位计算结果正确。在误差允许范围内，计算过程见5-1、5-2表表5-1 曲墙拱结构几何要素及计算过程表要素截面00.00000.00001.00000.0000000.0000000.3000115.12300.26090.96541.4557781.9324700.3000230.24600.50370.86392.8107220.7596020.3000345.36890.71160.70253.9709781.6598300.3000460.49190.87030.49254.8561962.8315900.3000575.61490.96860.24845.4050554.1937160.3000690.50960.9999-0.00895.5796805.6518640.30037100.95340.9818-0.19005.4327997.1152850.44458162.00010.3090-0.95114.6587208.3543741.1690表5-2 曲墙拱结构几何要素及计算过程表要素截面积分系数00.002250444.4444440.0000000.000000444.444444110.002250444.44444485.88755616.597512632.817068420.002250444.444444337.600889256.4423101376.088533230.002250444.444444737.7022211224.4602803144.309168440.002250444.4444441258.4844443563.5119686524.925301250.002250444.4444441863.8737787816.55728411988.749280460.002257443.1249172504.48176514154.99033019607.078788270.007319136.632554972.1795636917.3346588998.203393480.1331267.51169262.755484524.282787657.30544318995.84729022902.462160100373.970900155174.2508005.7 主动荷载位移计算5.7.1 衬砌每一块上的作用力竖向力：(kN)侧向水平力： (kN)式中相邻两截面之间的衬砌外缘的水平投影。相邻两截面之间的衬砌外缘的竖直投影。自重力：(kN)以上各集中力均通过相应荷载图形的形心。5.7.2 主动荷载内力分块上各集中力对下一分点的截面形心的力臂由CAD图量取，并分别记为、。单元主动荷载图示如图5-3。图5-3单元主动荷载图示弯矩：轴力：=（）式中：、相邻两截面中心点的坐标增量：=-=-、的计算过程如表5-3、5-4、5-5所示:表5-3 计算过程表 参数截面集中力（KN）力臂（m）00000000001203.751810.1624418.1364420.7090.7290.244-144.46-7.408419-1.985292189.577710.16244123.755140.6200.6790.420-117.538-6.900297-9.977163163.137710.16244137.779260.4890.5830.568-79.7743-5.924703-21.45864123.886410.16244149.186630.3240.4460.676-40.1392-4.532449-33.2502576.8668810.16244156.004090.1370.2780.737-10.5308-2.825159-42.156762.45319810.166752261.2073-0.0600.0910.7470.