隧道毕业设计计算书

湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文)目 录第一章 工程概况11.1 工程简介11.2 工程概况11.2.1 地形地貌11.2.2 地层岩性11.2.3 地质构造21.2.4 水文地质条件21.2.5 不良地质现象31.2.6 地震效应31.2.7 土石可挖性分级41.2.8 围岩分级41.2.9 岩土体设计参数建议值41.3 隧道主体地质工程条件评价5第二章 隧道总体设计62.1 一般规定62.2 主要设计原则62.3 主要设计规范72.4 隧道的线形设计72.5 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计82.5.1 隧道建筑限界的确定82.5.2 隧道衬砌内轮廓的设计82.6 支护形式选择9第三章 洞门设计103.1 洞口地质条件103.2 洞门的设计方案103.2.1 洞门形式103.2.2 验算满足条件103.3 洞门结构设计计算103.3.1 一般计算参数103.3.2 洞门建筑材料的选用和相关参数113.3.3 洞门尺寸拟定113.4 洞门验算123.4.1 洞门土压力计算123.4.2 抗倾覆验算133.4.3 抗滑动验算143.4.4 基底合力偏心矩验算153.4.5 墙身截面偏心矩及强度验算15第四章 支护计算与设计174.1 初期支护与计算174.1.1 喷射混凝土提供的支护抗力P1值184.1.2 钢支撑提供的支护抗力P2值194.1.3 锚杆提供的支护抗力P3值194.1.4 围岩本身提供的支护抗力P4值204.2.5 最小支护抗力值Pmin224.2 二次衬砌234.2.1 隧道深浅埋类型的确定234.2.2 级围岩围岩压力计算244.2.3 级围岩二次衬砌计算254.2.4 级围岩围岩压力计算334.2.5 级围岩二次衬砌计算34第五章 钻孔爆破开挖445.1 爆破方法选择445.1.1 预裂爆破的优缺点445.1.2 光面爆破的优缺点445.1.3 爆破方法的选择445.2 光面爆破施工455.2.1 光面爆破技术要求455.2.2 爆破材料的选取455.2.3 爆破参数的确定455.2.4 施工准备475.2.5 爆破后的安全检查及处理475.3 安全防护措施及方法48第六章 隧道防排水及附属设施设计496.1 隧道防排水496.1.1 防水措施496.1.2 排水措施496.2 隧道耐久性的措施506.3 隧道内槽、腔、洞室设置506.4 隧道照明、疏散指示及接触网等506.5 消防及救援50第七章 施工组织设计517.1 主要工程项目施工方案、施工方法517.1.1 总体施工方案517.1.2 施工组织计划517.2 具体施工方法537.2.1 施工测量537.2.2 洞口开挖及支护措施537.2.3 洞身开挖547.2.4 洞身支护措施557.2.5 施工通风587.2.6 养护和拆模587.3 隧道工程的施工顺序597.4 施工注意事项59第八章 工程施工监控量测618.1 工程概况618.1.1 工程简介618.1.2 自然地理与地质条件618.2 监测方案618.2.1 隧道监控量测目的618.2.2 监测项目及测点布置618.3 监测方法及测点埋设638.4 报告和报警制度提交648.5 信息反馈与预测预报648.6 监测工作组织设计及质量保证措施65第九章 结论67参 考 文 献68- iv -第一章 工程概况1.1 工程简介曹家湾隧道位于北碚区蔡家岗镇灯塔村南侧约0.8km处，中环路从其北侧约0.4km处通过，隧道呈南北向设置于规划纵二路及其支路的汇交处，东北、西北、西南均为规划的居民用地，东南侧为商业用地。曹家湾隧道为单线铁路隧道。隧道总长为247m，隧道起点里程：YDK41+479.967,终点里程YDK41+726.967,有效中心里程为YDK41+600.917,有效隧道中心里程处轨面高程为340.844m。隧道主体为明挖法施工。1.2 工程概况1.2.1 地形地貌曹家湾隧道原始地貌属剥蚀丘陵地貌，地形为沟槽与丘包相间分布，地势总体南高北低，地面高程m，相对高差21m。1.2.2 地层岩性勘查区出露的地层主要为第四纪人工填土层（Q4ml）、残坡积层（Q4el+dl），下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组（J2S）,岩性以砂岩和砂质泥岩为主，各层岩土特征分述如下：1第四纪全新统（Q4）（1）人工填土（Q4ml）为杂色，主要由粉质粘土、砂岩、砂质泥岩碎石块组成；块碎石含量1020%，局部达40%,粒径为20300mm，结构稍密，稍湿，回填时间大于5年，分布于曹家湾隧道西侧村庄一带，钻孔揭示厚0.901.30m。（2）残破积层（Q4el+dl）为粉质粘土，褐黄色，灰褐色，一般呈可塑状，韧性中等，干强度中等，切面较光滑，稍有光泽，无摇振反应。场地内广泛分布，钻孔揭示厚0.200.55m。2侏罗系中统沙溪庙组（J2S）砂质泥岩：紫红色、褐红色，矿物成分主要为粘土矿物，粉砂泥质结构，泥质胶结，中厚层状构造，夹砂质团块、条带及透镜体。中等风化岩体裂隙不发育，岩体较完整，岩质软，属软岩。岩体基本质量等级为级。砂岩：灰色，细中粒结构，厚层状构造，泥钙质胶结，以钙质胶结为主，矿物成分主要为石英、长石、云母等。中等风化岩体裂隙不发育，岩体较完整岩质较硬岩石基本质量等级为级。- 2 -湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文) 场区基岩风化层厚度一般0.201.60m左右。基岩强风化带岩体破碎，风化裂隙发育，岩质软，岩体基本质量等级为级。1.2.3 地质构造场地位于川东弧形构造带华莹山帚状褶皱构造束东南部，观音峡背斜东翼，岩层呈单斜状构造，无区域性断层通过，构造简单。岩层产状：倾向110130，以120为主，倾角为610，以8为主，主要发展以下两组构造间隙：J1：倾向320340，以330为主，倾角7080，以74为主，裂隙面平直，微张宽度为13mm，部分有粘性土填充，裂隙间距0.52.0m不等，主要出现于砂岩层中，为硬性结构面，结合较差。J2：倾向240260，以250为主，局部存在翻转现象，倾角7585，以78为主。裂隙面较直，延伸长，一般大于5m，微张，宽度为23mm，局部有粘性土填充，裂隙间距为0.53.0m。主要出现与砂岩层中，为硬性结构面，结合较差。1.2.4 水文地质条件1水文场地内多为农田及旱地，在曹家湾隧道东侧发育双碑水库，最近处相距约20m。该水库长约200m，宽5070m，深12.5m，水位347.9m，目前为养鱼用，主要接受大气降水补给，水量大小与季节关系密切，雨季水量丰富，枯季水量相对较小。2地下水类型拟建场地原为浅丘沟谷地貌，沟槽与丘包相间分布。场区地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，补给源主要为大气降水，水量大小与降水关系密切，受气候和季节变化影响大。根据现有地下水稳定水位可以看出，地下水主要储存于场地厚层砂岩以及地势低洼地带的图层中，在工程区内分布不均匀，未形成统一的地下水潜水面，属局部的上层滞水。根据地下水的赋存条件、水理性质及水力特征，工程区地下水可划分为第四系松散层孔隙水、基岩裂隙水。松散层孔隙水：主要分布于拟建曹家湾隧道主体隧道等地势低洼地带的残破积层中，多为上层滞水，动态变化幅度大，水质成分由含水介质的性质决定，水量大小受地貌和覆盖层范围、厚度、透水性制约，主要由大气降水补给，受季节气候影响大。基岩裂隙水：包括风化裂隙水和构造裂隙水，风化裂隙水分布于浅表基岩强风化带中，为局部上层滞水或小区域潜水，水量小，受季节影响性大，各含水层自成补给、径流、排泄系统。构造裂隙水分布于厚层砂岩中，以层间裂隙水或脉状裂隙水形式储存，动态稍稳定；砂质泥岩相对隔水，水量较小，动态不稳定。该类地下水主要赋存于基岩裂隙中，多呈脉状，水力联系差，水量小且差异悬殊。3抽水试验选取钻孔CJW2、CJW10、CJW17、CJW29钻孔做抽水试验，根据钻孔抽水试验，当降深S=3.512.1m，单孔单位涌水量Q=2.8514.76m3/d，单孔综合渗透系数为K=0.070.286m/d。4水质分析 在CJW2、CJW17号钻孔采集水样做室内水质分析试验，根据试验结果判断：地下水对混凝土结构、混凝土结构中钢筋具有微腐蚀性，对刚结构具有弱腐蚀性。5涌水量预测本工程场地地质条件简单，隧道围岩为基岩，基岩中赋存基岩裂隙水。隧道开挖揭穿基岩裂隙后，裂隙水将裂隙呈滴状或串珠状渗入，其渗水量一般不大。在雨季大气降水后，其渗水量可能成倍的增加。参照铁路工程地质手册，隧道主体隧道、风道、通道涌水量预测成果见表1.1。表1.1 曹家湾隧道明挖隧道涌水量预测成果表预测部位渗透系数k（m/d）隧道长度B(m)水面至隔水底板距离H1(m)设计水位降深S(m)影响半径R(m)涌水量Q(L/minm3)总涌水量Q(m3/d)临水段0.0451038.927.872.38.96234一般段0.0451027.872.32.3664 根据计算结果及场地水文地质条件分析，隧道岩体较完整，涌水量较小，根据已施工完成的轨道工程的施工经验，隧道的涌水一般沿裂隙涌出，隧道施工可使基岩裂隙水水量明显增大，初期水量较大且集中，随时间增加，水量逐渐减少，水量不均匀现象明显。隧道实际涌水量受季节影响较严重，建议根据施工期间隧道实际涌水量，采取相应的排水措施。双碑水库水位347.9m，曹家湾隧道主体隧道底标高320.1m，水头27.8m。曹家湾隧道右侧壁距双碑水库岸边最近处约为20m，不排除有贯通裂隙相连，施工时爆破可能导致原闭合裂隙张开和加大原裂隙张开宽度，在水头压力作用下，库水沿贯通、张开裂隙下渗至施工隧道内，致使隧道内涌水量增加，施工前应做好基坑抽水准备工作。1.2.5 不良地质现象通过勘察，在拟建场地范围内未发现断层、滑坡、泥石流、危岩和崩塌等不良地质现象。1.2.6 地震效应根据中国地震动加速度区划值图（1/400万）GB18306-2001及中国地震动反应谱特征周期区划图（1/400万）GB18306-2001，拟建场地抗震设防烈度为级，设计地震基本加速度值为0.05g。曹家湾隧道基底为中等风化基岩，其剪切波速度500m/s,按坚硬土进行考虑，场地类别为类，地震动反应谱周期可取0.25s，属建筑抗震有利地段。1.2.7 土石可挖性分级根据规范规定，全线岩土可挖性分级为：普通土：场地粉质粘土，土、石工程等级为级，场地内地表分布较广；硬土：场地的填土、基岩强风化带，土、石工程等级为级。基岩强风化带在场地广泛分布；软石：中等风化的砂质泥岩。厚层状构造，裂隙较发育，岩体较完整，岩体基本质量等级为级，土、石工程等级为级。本工程岩土的可挖性分级主要为次坚实和软石。1.2.8 围岩分级隧道围岩基本级别为级，场区地下水状态多为级，出入口通道临水段为级，根据铁路隧道设计规范（TB10003-2005）附录A相关规定修正，曹家湾隧道出入口通道临水段围岩最终级别为级，其它隧道围岩为级。1.2.9 岩土体设计参数建议值 根据相关规范以及本标段文件，该隧道岩土体设计参数建议值如表1.2。表1.2 岩土体物理力学性质参数标准值建议表岩土名称中等风化基岩粉质粘土结构面砂质泥岩砂岩重度（kN/m3）25.6*24.920*地基基本承载力ak（KPa）10002000180*岩石抗压强度标准值（MPa）天然10.638.2饱和6.428.5变形模量E0（MPa）1200*3230弹性模量Ee（MPa）1500*3970泊松比0.35*0.11岩体抗拉强度t（KPa）150*520内聚力c（KPa）700*189020*50*内摩擦角（）33*4212*20*基床系数（弹性反力系数）（MPa/m）200*350岩石与锚固体粘结强度特征值rb（KPa）200*300岩体破裂角（）59*65基底摩擦系数0.40.60.25带“*”号的参数为引用重庆轨道交通六号线二期工程嘉陵江北桥头曹家湾隧道区间岩土工程详细勘察报告与重庆轨道交通六号线二期TBM(嘉陵江CYK39+512渝合高速CYK437+430)段岩土工程初步勘查报告成果以及经验数据。1.3 隧道主体地质工程条件评价隧道主体隧道走向23，与地质构造线小角度斜交。沿线地面高程350355m。上覆土层一般厚0.25.5m，下伏基岩为统沙溪庙组砂岩、砂质泥岩，岩体较完整，岩、土体整体现状稳定。隧道拱顶呈圆弧形，高约7.2m，埋深12.418.8m，顶板岩层厚度9.316.3m，岩性多为中等风化砂岩，仅在里程桩号YDK41+646.9YDK41+664.967段东侧出露砂质泥岩，拱顶围岩中主要发育两组裂隙，岩体较完整。顶板岩层厚度是围岩压力计算高度的1.041.83倍，属浅埋隧道，围岩基本级别为级，地下水状态为级，修正后围岩级别划定为级。隧道两侧洞壁直墙段高约8.0m，左侧洞壁临空面倾向113，右侧洞壁临空面倾向293，岩性主要为中等风化砂岩，右侧洞壁在里程桩号YDK41+646.9YDK41+726.967段上部为砂质泥岩。岩体中发育两组裂隙，根据临空面与结构面赤平投影图分析：对于左侧洞壁，J1，J2倾向壁内，层面倾向壁外，左侧洞壁的稳定性主要受层面控制，由于层面倾斜角缓（8），沿层面滑动的可能性很小，洞壁稳定性受岩体自身强度控制，岩体破裂角取65；对于右侧洞壁，J1,J2的组合交线外倾，倾向为300，倾角为67，大于砂岩破裂角65，岩体破裂角65，相关设计参数见岩土体物理力学性质参数标准值建议表。综上所述，隧道主体为浅埋隧道，围岩等级为级。由于岩层产状平缓，隧道拱顶局部可能存在较大的坍塌。隧道两侧洞壁稳定性受岩体自身强度控制，岩体破裂角取65。施工时要先护后挖，初期支护要跟紧掌子面，及时施做仰拱封闭。施工中加强观测，发现不稳定块体立即清除，并做好地质预报工作，及时分析和观察开挖工作面地质变化。当遇有探孔突水、涌泥、渗水增大和整体性变差等现象，及时改变施工方案、参数。第二章 隧道总体设计2.1 一般规定 隧道设计应满足铁路交通规划的要求，其建筑限界，断面净空，隧道主体结构以及通风、照明等设施，应按铁路隧道设计规范（TB10003-2005）进行设计。2.2 主要设计原则（1）地下结构设计使用年限为100年。地下结构主要构件的耐火等级为一级。（2）结构设计计算除应满足施工、运营要求外，必要时还应满足城市规划、环境保护、防水、防火、防杂散电流、防腐蚀和人民防空的要求。（3）根据承载能力和正常使用的要求，采取有效措施，保证结构强度、刚度、稳定性抗浮和裂缝宽度验算的要求，满足结构耐久性和施工工艺的要求。（4）轨道交通结构永久构件在按荷载效应基本组合进行使用阶段的承载能力计算时，取0=1.1进行施工阶段的承载能力计算时，取0=1.0，在按荷载效应的偶然组合进行承载能力进行计算时，取0=1.0，作临时构件设计的结构，在按荷载效应基本组合进行承载能力计算时，取0=0.9。（5）地下结构按抗震设防烈度6度进行抗震设计，按7度采用抗震构造措施，结构抗震等级为三级，以提高结构和接头处的整体抗震能力。（6）结构设计应按最不利情况进行抗浮稳定验算。在不考虑侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.05，当计及侧壁摩阻力时，其抗浮安全系数不得小于1.15。当结构抗浮不能满足要求时，应采取相应的工程措施。（7）地下结构中迎土面混凝土构件的环境类别为-C类，结构内部混凝土构件的环境类别为-B类，非预应力构件裂缝宽度不得大于0.2mm，-B类环境，非预应力构件裂缝宽度不得大于0.3mm。（8）初期支护的结构设计，应根据围岩级别，埋置深度，隧道宽度和开挖方法及步序等，合理选定喷混凝土、锚杆、钢筋网和格栅拱架等支护构件及其参数。初期支护设计的参数，一般通过工程类比、理论计算并参照有关的标准设计或图集初步确定。在施工过程中，应结合监控量测数据，对设计进行修正或确认，以获得更经济合理的最终设计。（9）二次衬砌的形式及设计参数确定时，除应考虑围岩类别，埋置深度、地下水头等因素外，还应充分考虑初期支护的受力条件、二衬施作时间等因素。（10）隧道施工引起的地面沉降和隆起均应控制在环境允许的范围以内。采用明挖法施工时，地面沉降量宜一般控制在30mm以内，隆起量控制在10mm以内。（11）地下结构须有战时防护功能并做好平战转换功能；在规定的设防部位，结构设计按6级人防的抗力标准进行验算，并设置相应的防护措施；轨道交通隧道与既有通道联通时，应保证设防标准不降低。防化等级为丁级。2.3 主要设计规范 (1)混凝土结构设计规范（GB50010-2002） (2)混凝土结构耐久性设计规范（GB/T50476-2008） (3)建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001） (4)建筑结构荷载规范（GB50009-2001） （5）钢结构设计规范（GB50017-2003）（6）重庆市地基基础设计规范（DBJ50-047-2006）（7）铁路隧道设计规范（TB10003-2005）（8）铁路工程喷锚构筑技术规范（GB50086-2001）（9）铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）（10）人民防空工程设计规范（GB50225-2005）（11）建筑抗震设计规范（GB50011-2010）（12）锚杆喷射混凝土支护规范（GB50086-2001）（13）建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）（14）地下工程防水技术规范（GB50108-2008）（15）地下防水工程质量验收规范（GB50208-2002）（16）混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）（17）钢筋焊接及验收规程（JGJ18-2003）（18）地铁杂散电流腐蚀防护技术规程（CJJ49-92）（19）地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB50307-1999）（20）岩土锚杆（索）技术规程（CECS22:2005）2.4 隧道的线形设计曹家湾隧道位于北碚区蔡家岗镇灯塔村南侧约0.8km处，中环路从其北侧约0.4km处通过，隧道呈南北向设置于规划纵二路及其支路的汇交处，东北、西北、西南均为规划的居民用地，东南侧为商业用地。曹家湾隧道总长为247m，隧道起点里程：YDK41+479.967,终点里程YDK41+726.967,有效隧道中心里程为YDK41+600.917,有效中心里程处轨面高程340.844m。隧道主体隧道走向23，与地质构造线小角度斜交。沿线地面高程350355m。隧道拱顶呈圆弧形，高约7.2m，埋深12.418.8m，顶板岩层厚度9.316.3m。2.5 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计2.5.1 隧道建筑限界的确定根据标准轨矩铁路建筑限界（GB 146.21983）及相关设计标准的要求，本隧道单线客运铁路隧道，隧道净空有效面积40m2，隧道内设双侧救援通道，救援通道宽1.5m，工程技术作业空间0.3m。隧道线间距与洞外相同t。图2.1 隧道建筑限界2.5.2 隧道衬砌内轮廓的设计根据铁路隧道设计规范（TB10003-2005）的设计要求，衬砌内轮廓、边墙的厚度以及拱顶,拱脚是事先根据净空和结构的要求,结合设计和使用的经验来确定的(如图2.2)。图2.2 隧道衬砌内轮廓线2.6 支护形式选择根据铁路使用要求、隧道围岩地质条件和施工条件，按照铁路隧道设计规范(TB100032005)）中“衬砌结构设计”规定，按新奥法原理设计，该隧道应采用复合式衬砌，即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。隧道形式采用圆拱直墙式，级围岩均设置仰拱。第三章 洞门设计3.1 洞口地质条件岩石以中等风化的砂质泥岩为主。场区基岩风化层厚度一般0.201.60m左右。基岩强风化带岩体破碎，无区域性断层通过，岩层呈单斜状构造，裂隙较发育，岩质软。根据铁路隧道设计规范（TB10003-2005）附录A相关规定修正，曹家湾隧道出入口通道临水段围岩最终级别为级。3.2 洞门的设计方案3.2.1 洞门形式隧道洞口位置根据隧道进出口地形和工程地质条件，结合开挖边仰坡的稳定性及洞口排水的需要，本着早进晚出的原则确定。本隧道进、出口均为级围岩，隧道属于围岩条件一般。综合考虑，本隧道洞门采用端墙式洞门。3.2.2 验算满足条件根据铁路隧道设计规范（TB100032005），采用端墙式洞门时，洞门可视作挡土墙，按容许应力检算其强度，并对绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定检算时，应符合表3.1的规定。表3.1 洞门墙主要验算规定墙身截面荷载效应值Sd结构抗力效应值Rd（按极限状态算）墙身截面偏心距e0.3倍截面厚度基底应力地基容许承载力基底偏心距e岩石地基B/4；土质地基B/6，B墙底宽度滑动稳定安全系数Kc1.3倾覆稳定安全系数K01.63.3 洞门结构设计计算3.3.1 一般计算参数因隧道洞门采用端墙式洞门，根据铁路隧道设计规范（TB100032005），结合隧道进出口地形和工程地质条件,开挖边仰坡的稳定性及洞口排水的需要，本着早进晚出的原则，因无现场试验资料采用，而本隧道进、出口均为级围岩，故采用表3.2中所列数值。表3.2 洞门墙设计参数仰坡坡率计算摩擦角()容重（kN/m3）基底摩擦系数基底控制压应力(MPa)1：0.570250.600.801：0.7560240.500.601：150200.400.400.351：1.254345180.400.300.251：1.53840170.350.400.25结合曹家湾隧道实际地质条件和环境等因素，我们对洞门的设计参数选取如下：挡土墙边坡坡度10.2；仰坡坡角=45，=14.04；地层容重=20kN/m3；地层计算摩擦角=50；基底摩擦系数0.4；基底控制应力=0.4MPa。3.3.2 洞门建筑材料的选用和相关参数隧道洞门材料的选用需要综合考虑各部分的稳定性、外观与施工工艺的要求，具体情况见表3.3。表3.3 洞门材料表工程部位钢筋混凝土混凝土砌体端墙C25C20M10号水泥砂浆砌块石顶帽C25C20M10号水泥砂浆粗料石侧钩、截水沟、护坡等C15M10号水泥砂浆砌片石 相关参数：容许压应力a=12.5MPa，重度t=23kN/m3。3.3.3 洞门尺寸拟定隧道出口洞门形式为端墙式洞门，洞门高H为10m，墙厚B为1.5m。设置仰坡坡度为1:1，仰坡坡脚至洞门端墙顶帽背的水平距离为1.5m，具体见图3.1和图3.2。图3.1 洞门正面图图3.2 洞门剖面图3.4 洞门验算3.4.1 洞门土压力计算根据铁路隧道设计规范（TB100032005），采用概率极限状态设计，隧道门端墙（可视为挡土墙）最危险滑裂面与垂直面之间的夹角可按下式计算： (3.1)式中：围岩计算摩擦角；洞门后仰坡坡角； 将设计数值代入（3.1）可得：tan=0.61故： =arctan0.61=31.38。根据铁路隧道设计规范（TB100032005），土压力为： （3.2）其中：、h的表达式为 （3.3） （3.4）式中： E为土压力，kN；为地层重度，kN/m3；为侧压力系数；为墙背土体破裂角， ；b为洞门墙计算条带宽度，m，取b=1m；为土压力计算模式不确定系数， 可取=0.6；a为仰坡坡脚至洞门端墙顶帽的水平距离，m；墙后土压力计算简图及土压力分布示于图3.3，参数、h0表示如图所示。图3.3 洞门土压力示意图把数据代入各式，得： 由三角函数关系可得： h0=atan=1.51=1.5m洞门土压力E： （3.5） （3.6）式中：为墙背摩擦角，=(1/3-2/3)，取为30。3.4.2 抗倾覆验算端墙计算简图如图3.4所示，挡土墙在荷载作用下应不致绕墙底脚O点产生倾覆时应满足下式： （3.7）式中：K0为倾覆稳定系数，K01.5；My为全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩，kNm； M0 为全部水平力对墙趾O点的稳定力矩，kNm。图3.4 端墙计算简图由图3.4可知：墙身重量G：G=1.510123=345kNEx对墙趾的力臂：Zx=H/3=10/3=3.33mEy对墙趾的力臂：Zy=B+（Htan）/3=1.0+100.2/3=2.17mG对墙趾的力臂：ZG=(B+Htan)/2=(1.0+100.2)/2=1.75m将各参数代入上述各式中可得： 代入（3.7）式可得：3.4.3 抗滑动验算 对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性： （3.8）式中：G为端墙自重,kN；为端墙基底摩擦系数，取=0.4；Ex为挡土墙水平分力，kN； Ey为挡土墙竖直分力，kN。将各参数代入（3.8）式可得： 所以，端墙满足抗滑稳定性要求。3.4.4 基底合力偏心矩验算洞门基底应力的验算，使要求洞门基础不能因为基底承载力不足而发生沉陷。洞门基底应力的计算，可假设基底应力呈直线分布。合力到洞门外侧脚的距离: （3.9） 其中，代入（3.9）式可得：则竖向合力作用点与洞门墙地面中心的距离为： （3.10）洞门的基底应力为： （3.11）根据铁路隧道设计规范选基底控制应力=400KPa；故： ，基底应力及偏心距均满足要求。3.4.5 墙身截面偏心矩及强度验算 （1）墙身偏心矩e （3.12）式中：M为计算截面以上各力对截面型心力矩的代数和；N为作用于截面以上垂直力之 和。 (3.13) （3.14）代入数据得： 将数据代入墙身偏心矩的公式，可得： （满足要求） （2）应力 （3.13） ，（满足要求）通过以上的验算，说明洞门的尺寸合理。第四章 支护计算与设计4.1 初期支护与计算本隧道处在级围岩中，开挖半径为a=5.96m，现以级围岩取最大埋深18.8m处为例计算：初期支护采用喷混凝土、钢拱架、锚杆及钢筋网，支护参数如下：锚杆:拱部与边墙设22砂浆注浆锚杆，梅花型布置，环、纵向间距0.80.8m ，L=2.0m；喷混凝土:C25喷射早强混凝土，厚100mm，全断面支护；钢筋网:拱墙布设8钢筋网，间距为200200mm。喷混凝土保护层厚度不小于20mm；钢拱架:全断面设0.75m/榀，钢架的外保护层不小于40mm。采用剪切滑移破坏法计算：图4.1 剪切滑移破坏法示意图现假定锚杆、钢支撑、喷射混凝土所组成的联合支护，它们的总支护抗力可视为各支护抗力之和，即： P=P1+P2+P3+P4 （4.1）式中：P为所提供的总支护抗力；P1为喷射混凝土提供的支护抗力；P2为钢支撑提供 的支护抗力；P3为锚杆提供的支护抗力；P4为围岩本身提供的支护抗力。 计算所得的P值应大于阻止剪切滑移所需的最小支护抗力值，即PPmin。4.1.1 喷射混凝土提供的支护抗力P1值 （4.2） 式中：ds为喷射混凝土厚度，m；s为喷射混凝土抗剪强度，kNm，取s=0.43c（c为 喷射混凝土的抗压强度）；s为喷射混凝土的剪切角，s=30；b为剪切区高度，m； 为剪切滑移面的平均倾角，取经验数据：=（0-）/2 。 （4.3）其中，取=60，a见图4.3，b为剪切区高度。W为加固带厚度，取值为： （4.4）其中，为形成加固带时锚杆的有效长度，m，t为锚杆的横向间距，m（见图4.1）。得： ds=10cm=0.1ms=0.43c=0.4312.5=5.38MPa取60，则： b/2=5.96cos60= 2.98m，b=2.98m 将所有数据带入式4.2，得：4.1.2 钢支撑提供的支护抗力P2值图4.2 混凝土支护抗力示意图计算时可换算成相应的喷射混凝土支护抗力，即 （4.5）式中：Fs为每米隧道钢材的当量面积，取70cm2；t为钢材的抗剪强度，kNm，一般取 t= t (t为钢材的允许抗拉强度)，也可用t= 15s；t为钢材剪切角，一般采用 t=45。得：代入式（4.3）中，得： 4.1.3 锚杆提供的支护抗力P3值锚杆受力破坏又有两种情况： （1）锚杆体本身的强度不足而被拉断。这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力P3为： （4.6）式中：F为锚杆的断面面积，m2；为锚杆的抗拉强度，kNm；e、t锚杆的抗拉强度， kNm。则： （2）锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁间粘结力不足而破坏。锚杆提供的平均支护抗力P为： （4.7） （4.8）式中：S为锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力，kN；D为钻孔直径，在此设计中取D=0.1m； L为锚固段长度，m；s为孔壁与注浆体之间的极限粘结强度，页岩取s=0.40MPa； 则： 两者取较小值，锚杆提供的平均径向支护抗力。4.1.4 围岩本身提供的支护抗力P4值剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上的抗滑力，其水平方向的分力在剪切区高度b/2上的抗滑力P4为： （4.9）式中：S为剪切滑移体长度，其值为： （4.10） （4.11）n、n分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力，他们的摩尔包络线为直线时的假定求出（如图4.3）：图4.3 包络线图 （4.12） （4.13）由图(4.3)可知 （4.14）将值代入上式，得： （4.15）式中的c、为围岩的物理力学指标，径向主应力3值随剪切滑移面上的位置而变化，难以确定，所以假定3等于各支护结构所提供的径向支护抗力之和，即 （4.16）式中：P1为喷射混凝土层提供的径向支护抗力，MPa；P2为钢支撑提供的径向支护力， MPa；P3为锚杆提供的径向支护抗力，MPa。 （4.17） （4.18） （4.19）则： 将3值代入（4.15）式得： 将1、3代入（4.12）和（4.13）式得： 将以上数据代入（4.9）可得： 将 P1、P2、P3、P4代入式（4.1）式可得： 4.2.5 最小支护抗力值Pmin按重力平衡条件求解。塑性区的岩体，随塑性径向位移增长而形成松散区。松散区的岩体由于重力作用而形成松散压力，为保持隧道的稳定，用支护力与它平衡（如图4.4）。当处于受力极限平衡状态时，所求得的支护抗力即为Pmin。根据塑性区半径，按重力平衡条件确定Pmin 图4.4 开挖支护后坑道受力示意图- 76 -湖南科技大学潇湘学院本科生毕业设计（论文)当滑移体处于受力极限平衡状态时： (4.20)而 (4.21)将（4.19）式代入（4.18）式可得： (4.22) (4.23)则 (4.24)设处于均质岩体中， y=h=2018.8=0.376MPa （4.25）式中：为围岩的重度，取=20kN/m3；y为初始应力，MPa；Pa为径向支护力，MPa。将数据代入（4.20）式可得： 则： 设计支护满足要求。 表4.1 各级围岩初期支护参数表围岩级别喷混凝土钢筋网（8）锚杆22钢架设置部位/厚度（cm）网格间距（cm）（环纵）设置部位长度（m）间距（环纵）（m）规格每榀间距（m）拱墙、仰拱/102525拱、墙2.01.01.0I20a工字钢1.0（全环）拱墙、仰拱/202020拱、墙3.00.80.8I20a工字钢0.75（全环）4.2 二次衬砌4.2.1 隧道深浅埋类型的确定浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合确定。根据坑道开挖引起的应力充分布不涉及地表的原则，在矿山法施工条件下，确定荷载等效高度值的计算公式如下： Hp=（2.02.5）hq （4.26）式中：Hp为浅埋隧道分界深度，m；hq为荷载等效高度，m，hq=q/，q由式（4.27）计算出的深埋隧道垂直均布压力，kN/m2；为围岩重度kN/m3。在矿山法施工的条件下，级围岩取Hp=2.5hq；级围岩取Hp=2.0hq。根据铁路隧道设计规范（TB10003-2005）的相关规定，深埋隧道垂直均布压力可按下式计算： q=h （4.27）式中：q为深埋隧道垂直均布压力，kN/m2；为围岩重度，kN/m3；h为坍落拱高度，m， 按式（4.28）计算。我国现行隧道设计规范用数理统计的方法给出计算各级围岩坍塌高度的经验公式，如下： h=0.452S-11+i(B-5) （4.28）式中：S为围岩级别，S=5；B为隧道宽度，初步拟定B=5.96m；i为B每增减1m时围岩压力的增减率，以B=5m的围岩垂直均布压力为准，当B5m时，取i=0.2，当B5m，取i=0.1m。代入数值到式（4.24）得：h=0.45241+0.1(5.96-5)=7.89m 取Hp=2.5hq：Hp=2.57.89=19.7318.8m，故此隧道为浅埋隧道。4.2.2 级围岩围岩压力计算因埋深h小，为安全计，忽略滑动面上的阻力，故作用在隧道衬砌上的垂直压力等于上覆土柱的全部重力。视为均匀分布时，垂直压力为： （4.29）式（4.29）中，的表达式