隧道洞门和衬砌的隧道工程课程设计计算书.doc

课 程 设 计 用 纸隧道工程课程设计一、设计目的通过课程设计，使学生掌握公路隧道支护结构的基本计算设计方法，熟悉矿山法在公路隧道施工中的工艺，掌握公路隧道施工设计的基本方法,以及掌握隧道暗挖洞门的形式,洞门的结构要求,设计方法和洞门作为重力式挡土墙的各项验算。二、设计资料1.原始资料：取之于“茶吉高速公路隧道设计，温州绕城高速公路隧道设计”。2.隧道洞身设计资料：围岩级别：级 围岩容重：23.8 隧道埋深：13隧道行车要求:三车道高速公路3.隧道衬砌截面强度校核资料:N=11.957t M= -0.241t.m4.隧道洞门设计与检算资料:地基土摩擦系数 0.65地基土容重 17地基容许承载力 三、隧道洞身设计 1.隧道横断面设计 1.1 隧道建筑限界的确定 该隧道横断面设计是根据两车道二级公路级围岩的隧道,根据公路隧道设计规范选取隧道建筑限界基本值如下： 行车道宽度,取; 余宽,本设计需设置人行道,取; 不设置人行道宽度; 建筑限界高度,取5.0; 左侧向宽度,取0.75; 右侧向宽度,取1.00; 建筑限界左顶角宽度,取0.75; 建筑限界右顶角宽度,取0.75; 人行道高度,取0.25; 左侧检修道，取0.75； 左侧检修道，取0.75； 隧道净宽; 设计行车速度为，建筑限界左顶角高度与右顶角高度均取1； 参照规范横向坡度通常选1.5%2%，在本设计中，取横向坡度i=2%,右侧(行车方向)倾斜。建筑限界设计见图1.1图3.1 公路建筑限界图（单位:厘米） 对于上下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置人行横向通道,其间距取250。人行横通道的断面建筑限界如图1.2所示。图3.2 人行横通道的断面建筑限界图（单位:厘米）1.2隧道内轮廓线的确定本隧道为两车道级围岩隧道，由于具有侧向围岩压力，所以需需施作仰拱。根据公路隧道设计规范，并结合实际情况，本隧道采用三心圆法设计内轮廓线，经济实际。本隧道内轮廓断面图如图1.3所示。图3.3 隧道内轮廓断面图（单位:厘米） 2.隧道衬砌设计 2.1 隧道衬砌截面强度验算 偏心距 因为。由规范有：对混凝土矩形截面构件，当偏心距时，按抗压强度控制承载能力，并用下式进行计算：式中: 混凝土或砌体的抗压极限强度，按公路隧道设计规范采用； K 安全系数，按公路隧道设计规范表9.2.41采用； N 轴向力（kN）； b 截面宽度（m）； h 截面厚度（m）； 构件纵向弯曲系数，对于贴壁式隧道衬砌、明洞拱圈及背墙紧密回填的边墙，可取=1； e0截面的偏心距； 轴向力的偏心影响系数， 查表可得=1.0，C25的混凝土， =19000 KPa，b=1.0m，h=0.45m，K=2.4，则有： =而,故，满足截面强度设计要求。2.2 隧道深浅埋的确定及围岩压力计算根据内轮廓尺寸 , ， 初喷10cm的混凝土根据规范要求，级围岩三车道的隧道设计需设预留变形量50-80mm，本设计采用60mm,故近似开挖尺寸为 对于级围岩, S 围岩级别 B 隧道宽度, 围岩压力增减率,当,取则 则 埋深,故该隧道为深埋隧道。 等效荷载高度； 隧道埋深； 深浅埋隧道分界深度。又 ，可用公式，由设计资料知则 ；该隧道为级围岩，侧向均布压力由公式； 2.3 隧道衬砌方案的拟定参考公路隧道设计规范（JTG D702004），本设计为三车道高速公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是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。复合式衬砌设计应复合下列规定：1）.初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网等支护形式组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。2）.二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。3）.在确定开挖面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应该考虑初期支护并预留适当的变形量。查规范可知，对于级围岩三车道隧道而言，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为1015cm，拱、墙锚杆长度为3.03.5m，间距1.01.5m；拱、墙均需挂2525的钢筋网；二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为45cm、仰拱混凝土45cm。4）.在级围岩条件下，锚杆应按系统锚杆设定，并符合下列规定：锚杆沿隧道径向布置，当结构面或岩层层面明显时，锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。锚杆应按矩形排列或梅花形排列。锚杆间距不得大于1.5m。间距较小时。可采用长短锚杆交错布置。三车道隧道系统锚杆长度一般不小于2.5m。最终确定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护，根据规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，规格HRB335203.0m，间距1.0m，采用梅花型布设.采用C20喷射混凝土,且厚度为10cm。防水板：采用塑料防水板及无纺布，且无纺布密度为，防水板应采用满铺的EVA板防水层，厚度为2.0mm，搭接长度为200mm。二次衬砌:根据公路隧道设计规范，采用25号模筑防水混凝土，厚度为45cm。 3.隧道防排水工程设计隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，采用完整的防排水体系，使隧道内防水可靠，排水通畅，保证运营期间隧道内不渗不漏，基本干燥。隧道防水等级为二级。 3.1隧道洞内防排水隧道防排水设计以复合式结构衬砌原则进行设计，隧道二次衬砌以自防水为主，衬砌采用防水混凝土。根据隧道围岩裂隙水的大小采取不同的防排水措施，主要防排水措施为：在初期支护与二次衬砌之间设置PVC防水板（2mmEVA防水板+300g/无纺土工布）防水，并实现无钉铺设；并采用半圆排水管、EVA排水管等形成完善的防排水系统。隧道衬砌排水是在初期支护与防水层之间设置环向半圆排水管，环向半圆排水管设置间距为510m。纵向排水管采用EVA波纹管，设置在洞内初期支护边墙脚，沿隧道两侧，全隧道贯通，环向半圆排水管沿隧道拱背环向布设将水排入纵向PVC波纹管，然后通过EVA塑料排水管将水导入隧道底部300中央排水管，引水至洞外排水沟。在遇有地下水较大地段、集中渗水地段及在喷层中如遇较大渗水地段，应加设半圆排水管将水导入纵向排水管。隧道路面采用双面坡，路面水通过开口流入缝隙管，缝隙管设在两侧，洞内缝隙管主要排放消防及清洗水，使衬砌背后围岩水与污染水分离排放。隧道中央排水管设置了沉砂井、检查井，边墙脚纵向排水管设置了检查井，使隧道排水设施具有了可维修性。隧道如遇涌水地段，应对于可能发生涌水的地段采用堵水处理，根据国内外堵水经验和隧道的具体情况，再采用超前探水等物理勘探手段，查明隧道前方地下水分布状况及水量后，适时采取预注浆，将大量水尽可能封堵在围岩内，使隧道开挖后不出现大量涌水，为隧道后续施工创造条件，以确保隧道施工能安全 、按时完成。 3.2施工缝、变形缝防水本隧道变形缝设置EVA背贴式止水带加中埋式橡胶止水带，两道防水，且嵌缝材料要求防水。环向施工缝具体可根据施工情况进行调整，环向施工缝设置EVA背贴式止水带加橡胶止水条，两道防水。仰拱与边墙施工缝应设置在电缆沟盖板以下。施工时应注意防水板搭接，排水管预埋、止水带安装、注浆管预埋等等，如遇安装位置不合适时，应作适当调整。3.3隧道洞口防排水隧道开挖前应做好防排水处理工作，如山顶、坡面低洼或沟槽应整平并做好排水设施。结合洞口的地形情况，设置洞门墙排水沟以及在洞顶仰坡上方设置截水沟，防止雨水对坡面、洞口的危害，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞外排水系统。具体防水措施：在初期支护与二次衬砌之间铺设2.0mm厚的EVA板防水层和密度控制在300 以上的无纺布，注意的是在施作防水板之前，要保证混凝土表面较平顺，无尖点及钢筋露头。路面结构下设300纵向中心水沟，侧边设宽50mm、深30mm的纵向凹槽；在衬砌两侧边墙背后底部设100的纵向排水盲管，纵向排水盲管由100的A类横向导水管和150的B类横向导水管与中央排水沟连接。具体设计请参照图3.1。 图3.1 隧道防排水设计简图（单位:厘米）对于二次衬砌施工缝、沉降缝等薄弱环节，因此除按施工规范要求处理外，还应进行精心的设计，采用合适的防水材料和构造形式。可在防水板下面添加一层背贴式止水带，并在施工缝处添加止水条。隧道二次衬砌混凝土防水等级要大于。二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式如图3.2所示。图3.2 施工缝、沉降缝的主要构造形式4.隧道开挖及施工方案4.1 隧道施工方法该隧道为级围岩隧道，根据设计要求采用新奥法，选择正台阶法（短台阶）开挖。上层台阶超前施工，施工时首先掘进上部弧形断面（高取2.5m），然后逐一挖掘下面各层。该施工方法工序较少、干扰小，上台阶孔可于下台阶出渣平行作业，最适合于采用锚喷作为永久支护的隧道开挖。开挖时局部临时支护。此法的缺点是上下部作业有干扰；作业时应注意下部作业对上部稳定性的影响。台阶开挖注意事项：台阶长度要适当；解决好上、下半断面作业的相互干扰问题；下部开挖时，应注意上部的稳定；上部开挖时，因临空面较大而使爆破块度过大，应采用密布炮孔。采用先拱后墙时，必须控制下部开挖厚度和爆破用药量，避免损伤拱圈；采用光面爆破，尽量降低对围岩的扰动。图3.6 正台阶开挖施工方法上半部开挖 拱部锚喷支护 拱部衬砌 下半部中央部开挖 边墙部开挖 边墙锚喷支护及衬砌 浇筑仰拱4.2 施工顺序: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。4.3 施工措施(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）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。5.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。本设计属级围岩台阶法上下半断面开挖，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。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。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“光面爆破”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。光面爆破专用炸药构造简图如下图所示。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。图5-3 上台阶爆破孔位布置 （cm）上台阶各爆破参数见下表：名称孔数间距 深度 装药量 导爆管雷管段别单孔小计掏槽孔8501200.43.2MS-1辅助扩大孔14501000.34.2MS-3辅助孔6601000.31.8MS-5辅助孔19501000.35.7MS-7辅助孔25501000.37.5MS-9辅助孔30501000.39MS-11 周边孔36501000.155.4MS-13底板孔16901000.46.4MS-15合计15443.21.炮孔直径（D）为48，表中数据为循环进尺1.0m时的参数；2.起爆顺序为，辅助孔由里向外逐层起爆。表5-3 上台阶爆破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。四、隧道洞门设计 1.洞门的尺寸设计 1.1 洞门类型的确定根据任务书要求，本设计应采用坡面斜交型翼墙式洞门。翼墙式洞门主要适用于地质较差的级以下的围岩，以及需要开挖路堑的地方。翼墙的设置是为了与端墙的共同作用，以抵抗山体水平推向力，增加洞门的抗滑动和抗倾覆的能力，同时也对路堑边坡起到了支撑作用。 1.2洞门尺寸的确定根据设计规范围岩分级级边、仰坡坡率1:0.51:0.75高度（m）2025可知：级围岩洞口边、仰坡坡率可取1：0.5。又由设计规范知：洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于15m，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10m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于05m。图4.1.1 洞门尺寸设计简图（单位:厘米）根据图4.1.1所示的洞门尺寸设计简图，可取以下值进行计算：洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离取0.5+1=1.5m洞门端墙与仰坡间水沟沟底至衬砌按顶外缘高度取1.1m洞门墙高出坡脚的高度取1+0.3+0.2=1.5m洞门厚度由工程类比取1.0m洞门向土体倾斜角度取1:0.1基底埋置石质地基的深度为1.0m翼墙的坡度为1:12洞门检算 翼墙式洞门应检算以下三点：（1）检算翼墙时取洞门端墙前的翼墙宽1m的条带“”，按挡土墙检算偏心、强度及稳定性。（2）检算端墙时取最不利部分“”作为检算条带，检算其截面偏心和强度。（3）检算端墙和翼墙共同作用部分“”的滑动稳定性。2.1 检算条带“”图4.2 条带“”示意图（单位:厘米）2.1.1 压力的计算图4.3 计算样图（1）各项物理学指标根据计算样图和设计资料可得以下数据： （2）土压力系数的计算由设计规范知：最危险破裂面与垂直面之间的夹角=代入数据后可得： 则侧压力系数：（3）土压力的计算 2.1.2稳定性及强度的验算（1）倾覆稳定的验算：满足倾覆要求（2）滑动稳定的验算满足滑动稳定要求（3）合力的偏心距验算 基底宽度B取1.5m满足基底合力的偏心距（4）基底压应力的验算： 因为出现负值，故尚因检算不考虑圬工承受拉力时受压区应力重力分布的最大压应力。通过应力重分布，受压区的最大压应力：满足基底合力的偏心距2.2 条带“”的检算条带“”以及条带“”如图4.4所示图4.4 条带“”以及条带“”分布（单位:厘米）2.2.1 土压力的计算：由以上计算可知： 2.2.2 墙身截面偏心的检算偏心距满足墙身截面偏心距要求2.2.3 墙身截面强度的检算应力满足墙身截面强度要求2.3条带“”的检算2.3.1土压力的计算图4.5条带“”（单位:厘米）由以上计算知2.3.2滑动稳定的检算满足滑动稳定要求五、总结这次为期三个星期的隧道工程课程设计，对我而言是对所学课程内容掌握情况的一次自我验证。