地下结构课程设计说明书

1、课程设计题目：某单车道时速250 km/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法 学生姓名 卢权威 学 院 土木工程学院 专 业 地下工程 学 号 311207001315 班 级 地下12-2班 指导教师 朱昌星 河南理工大学课程设计（论文）任务书专业班级 地下工程12-2班 学生姓名 卢权威 一、题目 某单车道时速250 km/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法设计说明书 二、起止日期 2015年 6 月 22 日至 2015 年 7 月 13 日三、主要任务与要求铁路隧道参数：时速250km/h,单车道，围岩等级V级，上覆土层平均重度20，埋深10m，地下水距拱顶5m，平均内摩擦角41

2、°，内聚力37kPa,配筋设计按极限状态法。设计要求如下: (1)隧道横断面设计，根据设计数据确定建筑限界和净空断面（建筑界限按最小宽度）； (2)查阅相关文献资料，选择隧道断面参数； (3)隧道结构设计，采用荷载结构法计算衬砌内力；根据相关规范，利用工程类比法确定初次支护参数； (4)施工方法与工艺流程； 评 阅 人 年 月 日目 录一、混凝土课程结构课程设计题目1二、铁路隧道设计基本概况1三、单线250 km/h高速铁路隧道相关图2四、设计计算内容3（一）、根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋3（二）、围岩压力的计算方法3 (三）、荷载计算5 (四）、内力分析北京理正软件分析8五、

3、隧道支护衬砌16六、施工技术特点18七、施工方法18（一）、开挖支护参数18（二）、三台阶预留核心土开挖法施工应符合下列要求：18 (三）、三台阶预留核心土开挖法施工工艺19 (四）、施工工序20八、施工步骤：23（一）、初喷混凝土封闭岩面：24（二）、系统锚杆(管)、钢筋网施做应符合下列要求：24 (三）、安装钢架应符合下列要求：25 (四）、仰拱施工25九、施工技术要求及注意事项26十、施工安全要求27参考文献28河南理工大学课程设计一、混凝土课程结构课程设计题目 单车道250 km/h高速铁路隧道V级围岩段结构及施工方法设计二、铁路隧道设计基本概况 它是一种独立的轨道交通系统，不受地面道

4、路情况的影响，能够按照设计的能力正常运行，从而快速、安全、舒适地运送乘客。地铁效率高，无污染，能够实现大运量的要求，具有良好的社会效益。而地铁车站是地下铁道的重要组成部分，它要解决客流的集散、换乘，同时也要解决整条线路行驶中的就技术设备、信息控制、运行管理， 以保证交通的顺畅、快捷、准时、安全。车站设计本着“以人为本”的观念，坚持适用性、安全性、识别性、舒适性、经济性的原则。本次设计要求单车道列车最高时速250 km/h，同时围岩的等级为V级，隧道的埋深为地下10米，平均重度为20kN/m3，要求采用极限状态进行配筋设计；对区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。三、单线250 km/

5、h高速铁路隧道相关图图3-1 250km/h单线铁路隧道建筑界限图图3-2 250km/h单线铁路隧道建筑界限图及内轮廓图四、设计计算内容（一）根据给定的隧道埋深判断结构深、浅埋 可以采用铁路隧道推荐的方法，即有 （4-1） 上式 s围岩的级别； B洞室的跨度； i表示B每增加1m时的围岩压力增减率。 根据铁路隧道设计规范可知，围岩为级围岩，所以， ，。 （4-2） 深浅埋隧道分界的深度； 等效荷载高度值 因为埋深，可知该隧道为浅埋。（二）围岩压力的计算方法 (1) 当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（即）时， 为 超浅埋隧道，围岩压力按全土柱计算。围岩垂直均布压力为： （4-2） 式中

6、r围岩容重，见表一 h隧道埋置深度。 围岩水平均布压力e按朗金公式计算 （4-3）围岩级别容重r（kN/3）弹性反力系数K（MPa/m）岩体两侧摩擦系角(°)计算摩擦角0(°)IV2023200500( 0.70.9 )05060V1720100200( 0.50.7 )04050表4-1 围岩压力相关计算参数(2) 当隧道埋深h大于等效荷载高度hq且小于深浅埋分界深度（）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家休公式计算：围岩垂直均布压力为： （4-4） （4-5） （4-6）式中，B坑道跨度； r围岩的容度；h洞顶覆土厚度；岩体两侧摩擦角，见表2-1；侧压力系数；围岩计算摩擦

7、角，见表2-1；产生最大推力时的破裂角；围岩水平压力按下式计算：隧道顶部水平压力： 隧道底部水平压力： 由因此应该属于一般浅埋隧道。(三）荷载计算（1）自重 （4-7） -钢筋混凝土自重；管片厚度；（2）均布竖向地层荷载竖向地层荷载： （4-8） 近似均布拱背土压力： （4-9）其中： (4-10)（3）水平地层均布荷载 (4-11)其中： (4-12)（4）按三角形分布的水平地层压力 (4-13）其中：（5）拱底反力 （4-14）（6）侧向土层抗力 （4-15）衬砌圆环抗弯刚度:衬砌圆环抗弯刚度折减系数:； （4-16） （4-17） (4-18)取 （7) 取长度一米圆环进行计算，其中荷载

8、采用设计值，即考虑荷载组合系 数。计算结果如下表（已考虑荷载组合系数）： 隧道圆环内力计算结果如下：表4-2 轴力图计算结果过程截面/度弧度自重g(kN/)轴线半径（m)均布竖向地层荷载q(kN/)水平均布荷载P1(kN/)三角形侧压P2(kN/)底部反力PR(kN/)轴力（KN）00.0013.782.63-78.5952.5921.5015.4924.77100.17-14.182.63285.3837.0230.69-13.00325.92200.3514.412.63585.888.766.326.32621.69300.52-12.132.63711.661.251.422.3970

9、4.59400.705.152.63464.0523.3917.49-10.33499.74500.876.992.63-24.8048.9720.7314.9566.83601.05-21.922.63143.7447.7041.87-14.75196.63701.2234.792.63394.2721.0912.159.81472.12801.40-39.772.63741.070.64-0.04-1.71700.19901.5732.532.63627.7810.566.50-6.94670.431001.75-12.472.63-443.2039.1018.2613.3698.1111

10、01.92-16.112.6345.7152.4847.08-15.4722.231202.0944.742.63366.4934.8617.0212.61-48.191302.27-63.232.63-660.747.093.89-5.69268.021402.4463.292.63742.322.060.62-3.060.231502.62-41.952.63-584.9825.7113.9510.83168.311602.793.442.63239.3650.0544.42-15.11-9.921702.9741.272.63183.3046.2720.1114.53-47.621803

11、.14-77.622.63-546.9618.8313.39-9.27220.13表4-3 弯矩计算过程截面/度弧度自重g(kN/)轴线半径（m)均布竖向地层荷载q(kN/)水平均布荷载P1(kN/)三角形侧压P2(kN/)底部反力PR(kN/)弯矩（KNm)00.0036.182.63581.93-11.46115.76-13.2070.92100.17109.582.63-85.482.15105.7062.4819.44200.3534.532.63-351.2526.8635.32-11.24-26.58300.52104.202.63-542.5233.4223.2836.80-34

12、.48400.7058.842.63-302.2414.0676.6329.91-12.28500.8754.012.63507.71-8.29108.96-6.5765.58601.05129.902.6388.73-7.19128.2261.5340.12701.22-18.962.63-76.5316.0757.29-16.27-3.84801.40176.752.63-608.4133.9525.0746.20-32.64901.57-13.042.63-494.5625.2848.63-18.80-45.251001.75105.102.633226.290.3390.51-294.

13、97312.731101.92114.642.63970.60-11.37138.276.78121.891202.09-45.082.63-323.354.0482.62108.46-17.331302.27238.322.63-56.7828.3140.82-524.26-27.361402.44-93.782.632062.7132.7128.88183.27221.381502.62182.462.633438.7712.0365.73-417.16328.181602.7963.312.631980.76-9.24133.1798.11226.611702.97-35.992.632

14、76.59-5.93103.9055.2939.391803.14276.102.63-641.0018.0566.79-422.57-70.26（四）、内力分析北京理正软件分 基本参数 图4-1 围岩压力示意图表4-3 规范标准：水工砼规范SL191-2008承载能力极限状态0：1.0 正常使用极限状态0：1.0 衬砌断面类型：马蹄形 每段计算的分段数：10 计算迭代次数：10 抗力验证要求：高表4-4 衬砌参数底拱半径：6.000(m)底拱半中心角：18.000(度)底拱厚度：0.600(m)侧拱半径：8.000(m)侧拱角度：30.000(度)侧拱厚度：0.350(m)顶拱半中心角：70

15、.000(度)顶拱拱顶厚度：0.350(m)底拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)侧拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)顶拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)衬砌的弹性模量：23000.000(MPa) 荷载参数 表4-5底部山岩压力(侧)：46.400(kN/m)底部山岩压力(中)：46.400(kN/m)侧向山岩压力(上)：16.000(kN/m)侧向山岩压力(下)：21.600(kN/m)顶部山岩压力(侧)：212.400(kN/m)顶部山岩压力(中)：200.000(kN/m)内水压力水头：6.000(m)外水压力水头：0.000(m)外水压力折减系数()：0.

16、400顶拱灌浆压力：20.000(kPa)顶拱灌浆压力作用范围角：60.000(度)其它段灌浆压力：0.000(kPa)衬砌容重：25.000(kN/m3) 荷载组合参数 表4-6编号荷载名称是否计算分项系数1衬砌自重1.002顶岩压力1.003底岩压力1.004侧岩压力1.005内水压力1.006外水压力1.007顶部灌浆压力1.008其余灌浆压力1.009地震作用力1.20 配筋参数 表4-7对称配筋：是 混凝土等级：C25 纵筋等级：HRB335(fy=300MPa,fyk=335MPa) 拉结筋计算：计算 拉结筋等级：HPB235(fy=210MPa,fyk=235MPa) 拉结筋间距

17、：100(mm) 配筋计算as：65(mm) 配筋调整系数：1.00 裂缝计算：计算 最大裂缝宽度允许值： 单侧拟采用纵筋直径：20(mm) 砼保护层厚度：50(mm) 计算结果 图4-2表4-80-1661.5443.107189.692131.20.0000.4720.0000.21200.00.22%)173.9 1-1661.837462.666187.858129.375-0.020.4780.0040.21200.00.22%)173.9满足 2-1662.860483.429182.243123.759-0.040.4980.0080.21200.00.22%)173.9满足 3

18、-1664.627506.569172.507114.024-0.070.5290.0120.31200.00.22%)173.9满足 4-1667.228533.190158.09999.616-0.090.5720.0160.31200.00.22%)173.9满足 5-1670.789564.293138.26579.781-0.120.6260.0190.31200.00.22%)173.9满足 6-1675.462600.730112.07753.594-0.150.6870.0210.31200.00.22%)173.9满足 7-1681.423643.15978.46419.98

19、1-0.180.7550.0230.41200.00.22%)173.9满足 8-1688.865691.98136.256-22.228-0.220.8260.0240.41070.00.20%)173.9满足 9-1697.988747.280-15.768-74.251-0.250.8970.0230.41200.00.22%)215.2满足10-1708.989808.744-78.804-137.28-0.290.9620.0210.51200.00.22%)267.2满足 表4-8 侧拱(从下向上等分10段):0-1349.40-438.27-98.09-117.9-0.8630.

20、5180.0210.3700.00.25%247.4满足 1-1342.75-377.41-35.2-55.13-0.9290.537-0.0000.3700.00.25%149.8满足 2-1338.83-324.02.912-16.98-0.9940.450-0.0080.2570.00.20%123.9满足 3-1336.80-290.7622.7112.811-1.0530.342-0.0060.2700.00.25%123.9满足 4-1335.54-276.9532.78912.889-1.1070.256-0.0010.1700.00.25%123.9满足 5-1334.17-2

21、75.2139.9320.036-1.1570.2160.0070.1700.00.25%123.9满足 6-1332.2-274.1546.94827.047-1.2060.2380.0160.1700.0.25%123.9满足 7-1330.20-259.2251.16931.268-1.2590.3350.0280.2700.00.25%123.9满足 8-1329.06303.57543.26823.368-1.3190.5160.0390.3700.00.25%123.9满足 9-1330.88396.3596.777-13.12-1.3900.7600.0450.4570.00.2

22、0%180.2满足10-1338.35541.954-79.82-99.72-1.4740.9840.0330.5700.00.25%413.7满足表4-8 顶拱(从拱脚向拱顶等分10段0-1390.273.4-79.82-99.72-1.7220.4210.0330.2700.0(0.25%)123.9 1-1362.268.2-84.64-104.5-1.8070.3420.0080.2700.0(0.25%)123.9满足 2-1327.-266.6-85.81-105.7-1.8700.088-0.0170.0700.0(0.25%)123.9满足 3-1286.-309.8-74.5

23、3-94.43-1.889-0.339-0.0410.0700.0(0.25%)123.9满足 4-1238.-340.3-48.69-68.60-1.845-0.911-0.0610.0700.0(0.25%)123.9满足 5-1190.-355.1-14.25-34.15-1.723-1.575-0.0720.0700.00.25%)123.9满足 6-1144.-355.22.9663.065)-1.515-2.261-0.0730.0700.0(0.25%)123.9满足 7-1104.-342.457.67737.777-1.224-2.894-0.0650.0700.0(0.25

24、%)123.9满足 8-1074.-319.985.59065.690-0.860-3.403-0.0490.0700.0(0.25%)123.9满足 9-1055.-290.7103.5683.665-0.444-3.734-0.0260.0700.0(0.25%)123.9满足10-1048.258.4109.7489.840.000-3.8480.0000.0700.0(0.25%)123.9满足则截面尺寸(抗剪)验算满足。 图4-3 轴力图 图4-4 剪力图 图4-5 弯矩图图4-6 法相位移图图4-6 转角位移图五、隧道支护衬砌使用长度为4m的锚杆进行初次的支护然后利用锚固网进行锚固

25、后喷射混凝土，采用的C25的混凝土进行二次衬砌。 图5-1 隧道衬砌图图5-2 隧道衬砌配筋图图5-2 隧道衬砌配筋图（单位：mm)六、施工技术特点1施工空间大，方便机械化施工，可以多作业面平行作业。部分软岩或土质地段可以采用挖掘机直接开挖，工效较高。2在地质条件发生变化时，便于灵活、及时地转换施工工序，调整施工方法。3适应不同跨度和多种断面形式，初期支护工序操作便捷。4在台阶法开挖的基础上，预留核心土，左右错开开挖，利于开挖工作面稳定。5当围岩变形较大或突变时，在保证安全和满足净空要求的前提下，可尽快调整闭合时间。七、施工方法（一）、开挖支护参数正洞：20b型钢钢架，间距50cm；相邻钢架采

26、用25钢筋连接，环向间距1.0m，并焊接与钢架内侧翼缘；采用22锁脚锚杆L=4.5m或50锁脚锚管，L=4.5m，壁厚3.5mm；喷射C25混凝土28cm.。采用6钢筋网片，网格尺寸20cm×20cm（二）、 三台阶预留核心土开挖法施工应符合下列要求： 以机械开挖为主，必要时辅以弱爆破； 弧形导坑应沿开挖轮廓线环向开挖，预留核心土，开挖后及时支护； 其他分步平行开挖，平行施做初期支护，各分部初期支护衔接紧密，及时封闭成环； 仰拱紧跟下台阶，及时闭合构成稳固的支护体系； 施工过程通过监控量测，掌握围岩和支护的变形情况，及时调整支护参数和预留变形量，保证施工安全； 完善洞内临时防排水系统

27、，防止地下水浸泡拱墙脚基础。3、三台阶预留核心土开挖法施工工艺 三台阶预留核心土开挖法可分为以下主要步骤： 上部弧形导坑环向开挖，施做拱部初期支护； 中、下台阶左右错开开挖，施做墙部初期支护： 中心预留核心土开挖、隧底开挖，施做隧底初期支护。每部开挖后均应及时支护，隧底初期支护后应及时施做仰拱，尽早封闭成环。三台阶预留核心土开挖法的施工工艺流程见图4-1。围岩稳定性评判、修正支护参数监控量测超前支护上部弧形导坑开挖，施作初期支护断面检查左右侧错开开挖中台阶，施作初期支护左右侧错开开挖下台阶，施作初期支护开挖上、中、下台阶预留核心土分段开挖隧底，施作初期支护施作仰拱施作仰拱填充图7-1 三台阶预

28、留核心土开挖法施工工艺流程4、施工工序三台阶预留核心土开挖法施工步骤见图4-2，开挖透视图见4-3，施工工序见图4-4。图7-2 施工步骤图7-3 开挖透视图图7-4 施工工序图八、施工步骤：第1步，上部弧形导坑开挖：在拱部超前支护后进行，环向开挖上部弧形导坑，预留核心土，核心土长度宜为35米，宽度宜为隧道开挖宽度的1/31/2。开挖循环进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1米，开挖后立即初喷35cm砼。开挖后应及时进行喷、锚、网系统支护，架设钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第2、3步，

29、左右侧中台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第4、5步，左右侧下台阶开挖：开挖进尺应根据初期支护钢架间距确定，最大不得超过1m，开挖高度一般为33.5m，左右侧台阶错开23m，开挖后立即初喷35cm砼，及时进行喷、锚、网系统支护，接长钢架，如有必要可在钢架拱脚以上30cm高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45°打设锁脚锚杆，

30、拱脚锚杆和钢架牢固焊接，复喷砼至设计厚度。第6步，上中下台阶预留核心土开挖。第7步，隧底开挖：每循环开挖进尺长度宜为23m开挖后及时施作仰拱初期支护，完成两个隧底开挖、支护循环后，及时施作仰拱，仰拱分段长度宜为46m。三台阶预留核心土开挖法的初期支护由喷射混凝土、锚杆（管）、钢筋网和钢架等组成，各部分联合受力。初期支护应在开挖后立即施作，以保护围岩的自然承载力，其施工工艺流程见图4-5开 挖清理岩面初喷混凝土封闭岩面施作系统锚杆，挂钢筋网安装钢架复喷混凝土至设计厚度量测数据分析、反馈图7-5 初期支护施工工艺流程1初喷混凝土封闭岩面： 1)初喷混凝土应在开挖后立即进行。2)用高压风自上而下吹净

31、岩面。3)工作面滴水或淋水时，宜采用钻孔埋管做好引排水。大面积潮湿的岩面宜采用粘结性强的混凝土，通过添加外加剂、掺合剂改善混凝土性能，快速封闭渗水岩面。4)喷射混凝土必须满足设计强度、厚度及其与岩面粘结力要求。5)喷射作业应分段分片依次进行，喷射作业从拱脚或墙脚自下而上进行，作业时应避免上部喷射回弹料虚掩拱(墙)脚；先找平凹洼部分，后喷射凸出部分，各部平顺连接。喷头应与受喷面垂直，喷嘴口至受喷面距离宜保持在1.02.0m，沿水平方向以螺旋形划圈移动。2系统锚杆(管)、钢筋网施做应符合下列要求：1)初喷混凝土后应及时施做锚杆，锚杆必须设置垫板，采取沿锚杆孔进浆的施工工艺。2)钢筋网可采用6 mm

32、的HPB235钢制作，网格尺寸宜采用20 cm×20 cm25 cm×25 cm，搭接长度应为12个网格，网片间采用焊接方式连接。3)钢筋网随受喷面起伏铺设，其间隙不应大于3 cm，钢筋网应与锚杆、钢架连接牢固，且钢筋保护层厚度不应小于4 cm。3安装钢架应符合下列要求：1)拱部单元安装工序：放样确定钢架基脚位置一施做定位锚杆一架设钢架一布设纵向连接筋。2)墙部单元安装工序：墙脚部位铺设槽钢垫板一施做定位锚杆一对应拱部单元架设墙部钢架单元一布设纵向连接筋。拱、墙部钢架单元宜采用栓接的方式连接。3)加强钢架拱(墙)脚锁脚锚杆(管)施工，各台阶每单元钢架拱(墙)脚以上30 cm

33、高度处，紧贴钢架两侧边沿按下倾角45。打设4根或4根以上锁脚锚杆(管)，锁脚锚杆(管)与钢架牢固焊接，锁脚锚杆直径不应小于22 mm，锁脚锚管直径不应小于42 mm，长度不得小于4.5m，以控制基脚变形。4仰拱施工 隧底开挖应采用全幅分段施工，上面铺设仰拱栈桥，每循环开挖长度宜控制在23 m。当仰拱施工滞后下部台阶开挖面3040m时，应停止前方工作面开挖或短距离跳槽进行隧底开挖。短距离跳槽的次数不得多余3次，每次跳槽间隔不得大于10 m。隧底开挖后，应及时清除虚渣、杂物、泥浆、积水，立即初喷35 cm厚混凝土封闭岩面，按照设计要求安装仰拱钢架，复喷射混凝土至设计厚度，使初期支护及时闭合成环。仰

34、拱应超前拱墙衬砌，每循环浇筑长度宜为46 m，仰拱应采用浮放模板支架成型。仰拱混凝土应分段全幅浇筑，一次成型，不留纵向施工缝，仰拱施工缝和变形缝应设置止水带。仰拱表面应平顺，不积水。仰拱填充混凝土应在仰拱混凝土终凝后浇筑，浇筑前应清除仰拱表面的杂物和积水，连续浇筑，一次成型，不留纵向施工缝。仰拱填充表面坡度应符合设计要求，应平顺、排水通畅、不积水。九、施工技术要求及注意事项1、三台阶预留核心土开挖法施工应做好工序衔接。工序安排应紧凑，尽量减少围岩暴露时间，避免因长时间暴露引起围岩失稳。初期支护应及时封闭成环；仰拱应超前施做，仰拱距上台阶开挖工作面宜控制在3040 m，铺设防水板、二次衬砌等后续工作应及时进行；二次衬砌距仰拱宜保持2倍以上衬砌循环作业长度，但不得大于50m。2、在满足作业空间和台阶稳定的前提下，应尽量缩短台阶长度，核心土长度应控制在35 m，宽度宜为隧道开挖宽度的l3l2。3、三台阶预留核心土开挖法施工应严格控制开挖长度，根据围岩地质情况环进尺，每次开挖长度不得超过1.0m；开挖后立即初喷35 cm混凝土，以减少围