特长铁路隧道设计与施工

石家庄铁道大学毕业设计石家庄铁道大学毕业设计特长铁路隧道设计与施工特长铁路隧道设计与施工DesignandConstructionofLongDesignandConstructionofLongRailwayTunnel2010届土木工程学院专业土木工程学号学生姓名指导教师完成日期2010年06月16日

毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业地下工程毕业设计题目指导教师姓名指导教师职称副教授评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任)签字：年月日毕业设计任务书题目特长铁路隧道设计与施工专业土木工程班级地下06—1学生姓名承担指导任务单位土木工程分院导师姓名导师职称副教授毕业设计开题报告题目特长铁路隧道设计与施工学生姓名罗翔学号20060029班级地下06—1专业土木工程1.隧道结构设计依据隧道施工的相应的技术规范，例如《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道施工规范》、《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》等对隧道进行设计，其设计内容主要包括：二次衬砌断面的几何尺寸拟定、荷载计算、计算模型的建立、衬砌结构的计算及其对计算结果的整理，通过对计算结果的分析和强度检算，对不符合要求的结构的进行配筋计算。2．施工组织设计施工组织主要内容：包括施工总体部署（主要应包括施工准备、施工场地布置、施工临时设施设计、不同区段的施工方法等），主要施工方法、工序及工艺(包括爆破、出碴运输、超前支护、喷射混凝土、锚杆、钢架、防排水、二次衬砌、施工监测等)，施工辅助作业、不良地质地段的工程措施、机械配套、指导性施工进度计划等。依据《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道施工规范》及具体工程环境及其水文地质条件将项目划分为不同的区段，并设计各区段竖井、斜井或其他辅助坑道的数目及其具体位置,努力做到依靠科技、精心组织、合理安排。做到与施工单位、监理单位和设计单位协作，合理运用施工人员、机具、物料、资金和信息，实现施工质量与造价在保证工期和安全施工的前提下的最佳解决方法。四、主要研究方法根据设计隧道的工程环境、施工要求及相应的水文地质条件，拟定隧道的衬砌断面形式、荷载确定并且建立计算模型。隧道的结构计算利用ANSYS软件建立结构－荷载模型，对隧道的结构安全性和结构在修建过程中的可靠性做出评价。根据工程环境和围岩地质条件对隧道选择不同施工方法、初期支护、二次衬砌以及其他防护措施等。例如在该工程Ⅴ级围岩中断层破碎带及影响带选择台阶法开挖；又如矿山法隧道复合式结构的衬砌结构按“荷载－结构”计算模式，按局部变形理论计算地层被动压力。明确各种施工工艺的主要技术指标和施工中的运输方式、考虑各种变形影响。准备各种施工应附图以及编写好工程适用的施工组织设计：①组织相关管理人员认真研究本工程各项目的特点，针对项目特点及时讨论达成共识并迅速进行目标分解及贯彻进行；②合理安排工期并尽快展开平行作业工序，保证各环节衔接紧密；③迅速出台与本工程相关的各项保证制度及管理办法；④结合工程进展程度合理安排各项资源的投入及协调。五、预期目标67.训练和提高分析设计能力、理论计算能力、外语等应用能力。六、进度计划指导教师签字时间随着社会的快速发展，人们对铁路交通系统的需求量已变得越来越大。特长铁路隧道的修建在国内外交通领域里都已经占据了很重要的位置。目前在世界上比较具有代表性的特长铁路隧道有挪威的莱尔多隧道，瑞士的圣哥达隧道，以及我们国内近年来已经建成投入使用的乌鞘岭特长隧道和太行山隧道等。本次设计主要介绍了关于太行山隧道(DK69+255～DK74+160)标段的设计与施工。具体内容主要是根据隧道所在的地理位置的工程地质和水文条件等来设计隧道断面衬砌形式以及选择比较合理的施工方案，保证工程施工的效率和安全性。本标段隧道设计的主要任务是关于全断面法和台阶法施工的开挖工序和支护工序，光面爆破的钻眼、布眼设计，工程的防水设施和辅助设施以及施工监控量测的设计和施工组织的编制等，还介绍了在本标段隧道施工中遇见特殊地质问题时所采取的应对措施和各种辅助坑道(斜井)、辅助设施(横通道)的设计。通过本次设计学会将各种施工方法更好的与工程实际地质环境结合于一体，以及怎样更好地编制工程的施工组织。关键词：特长隧道全断面法台阶法施工组织AbstractLongrailwaytunnel’sconstructioninthetrafficfieldofdomesticandinternationalhaveoccupiedanimportantposition.Keywords:LongTunnelFull-facemethodStepmethodConstructionOrganization目录第1章绪论 11.1国内外研究现状 11.2主要内容 1隧道结构设计 1施工组织设计 21.2.3外文翻译等相关文档和完整的设计报告书 2应附图 21.3主要研究方法 21.4预期目标 3第2章工程概况 42.1工程地理位置 42.2工程数量 42.3工程地质和水文条件 4地形地貌 42.3.2地层岩性 42.3.3地下水情况 52.4施工条件 62.4.1气象特征 6交通情况 6施工用电情况 6施工用水、施工场地和通信情况 6物资供应情况 6第3章结构设计 73.1设计依据和设计原则 73.1.1设计依据 73.1.2设计原则 73.2主体结构设计 83.2.1设计思路 83.2.2隧道平面位置、洞口位置和纵断面 83.2.3隧道结构设计 83.2.4建筑限界以及内轮廓 93.3工程材料 93.3.1混凝土和钢筋 93.3.2隧道衬砌横截面形状及尺寸拟定 103.4荷载设计 113.4.1荷载计算原理 113.4.2结构配筋计算 133.4.3Ⅲ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算 143.4.4Ⅱ级围岩衬砌结构内力计算和强度验算 193.4.5Ⅴ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算 233.4.6Ⅳ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算 273.5各级围岩复合式衬砌参数确定 303.6各级围岩断面开挖尺寸确定 31第4章施工组织 324.1编制依据及编制原则 324.1.1编制依据 324.1.2编制原则 324.1.3编制范围 324.2施工准备 324.2.1技术准备 324.2.2施工现场准备 324.2.3施工测量 334.2.4雨季施工准备 344.2.5主要施工机械、设备准备 344.3隧道施工总体方案 354.3.1各区段施工方案 364.4隧道施工 364.4.1不良地质地段施工方案 374.4.2全断面法施工 384.4.3台阶法施工 394.4.4正洞各级围岩主要开挖法步骤及施工方法 404.4.5明挖法施工 414.5爆破施工设计 414.5.1爆破施工控制标准 414.5.2爆破施工工艺 414.5.3各种施工方法的爆破设计 424.6初期支护 494.6.1初期支护中锚杆的使用 544.6.2挂钢筋网 574.6.3格栅钢架 584.6.4喷射混凝土 604.7隧道的防、排水设施施工 614.7.1防水设施 624.7.2排水设施 644.8洞身衬砌 654.8.1施工方法 654.8.2仰拱施工 664.8.3拱墙衬砌施工 674.8.4水沟、电缆槽施工 684.9施工通风、降尘 684.9.1施工通风 684.9.2施工降尘、防尘 704.10施工辅助设施（供风、水、电） 714.10.1施工供风 714.10.2施工供水 714.10.3施工供电 714.11监控量测 724.11.1监控量测的项目 724.11.2监控量测的施工流程 734.11.3监控量测的测点布置 734.12斜井 744.13横通道 76第5章结论 78致谢 81参考文献 82附录 83附录A：外文翻译 83附录B：设计图纸 102随着我国城市经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，城市地下空间资源已经被视作一种宝贵的空间资源，已经成为城市基础设施建设的发展方向。铁路隧道是修建在地下或水下并铺设铁路供机车车辆通行的建筑物。20世纪初期，欧美一些国家形成的铁路网，瑞士和意大利间的修建了辛普朗铁路隧道长19.8公里。在进入新世纪后，越来越多的特长隧道相继建成：2000年挪威的莱尔多(Laerdal)隧道全长24500m；1980年瑞士的圣哥达(Saint－Gothard)隧道全长16918m；1978年奥地利的阿尔贝格(Arlberg)隧道全长13972m。在国内，特长铁路隧道的修建也比较广泛。秦岭隧道全长18456m，最大埋深1600m，是目前我国洞身最长、埋置最深、工程规模最大的隧道。设计时速为80公里，走完全程大约需要15分钟的时间；2006年8月23日上午中国最长的铁路隧道——2005公里的乌鞘岭特长隧道实现双线开通，其中左线弹性整体道床设计时速为200km/h；东秦岭隧道位于秦岭山脉深处,是西南铁路的“咽喉”动脉工程,也是我国已通车的长大双线铁路隧道之一，该隧道全长12.26km。隧道的修建，不仅给地理资源节约了空间，而且给各种运输节约了时间。太行山隧道为双洞单线铁路隧道，隧道全长27839m，两线间距35m,位于石太客运专线小寨车站和盂县车站之间，通过该段太行山山脉的主峰越宵山。本设计标段为太行山隧道的进口段，起止里程为DK69+255～DK74+160，全长4905m(共计：9810m)，旅客列车设计行车速度250km/h。隧道结构设计依据隧道施工的相应的技术规范，例如《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道施工规范》、《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》等对隧道进行设计，其设计内容主要包括：二次衬砌断面的几何尺寸拟定、荷载计算、计算模型的建立、衬砌结构的计算及其对计算结果的整理，通过对计算结果的分析和强度检算，对不符合要求的结构的进行配筋计算。施工组织主要内容：包括施工总体部署（主要应包括施工准备、施工场地布置、施工临时设施设计、不同区段的施工方法等），主要施工方法、工序及工艺(包括爆破、出碴运输、超前支护、喷射混凝土、锚杆、钢架、防排水、二次衬砌、施工监测等)，施工辅助作业、不良地质地段的工程措施、机械配套、指导性施工进度计划等。施工方法设计：根据具体工程环境及地质条件确定所选区间段的具体施工方法。包括主要施工方法、施工工序和工法转换等内容。依据《铁路隧道设计规范》、《铁路隧道施工规范》及具体工程环境及其水文地质条件将项目划分为不同的区段，并设计各区段竖井、斜井或其他辅助坑道的数目及其具体位置,努力做到依靠科技、精心组织、合理安排。做到与施工单位、监理单位和设计单位协作，合理运用施工人员、机具、物料、资金和信息，实现施工质量与造价在保证工期和安全施工的前提下的最佳解决方法。外文翻译等相关文档和完整的设计报告书应附图地质纵剖面图，衬砌结构横剖面图，计算模型及计算结果图，施工方法图，平、横、剖面图，典型工法步序图、施工监控测测点布置图等。根据设计隧道的工程环境、施工要求及相应的水文地质条件，拟定隧道的衬砌断面形式、荷载确定并且建立计算模型。隧道的结构计算利用ANSYS软件建立结构—荷载模型，对隧道的结构安全性和结构在修建过程中的可靠性做出评价。根据工程环境和围岩地质条件对隧道选择不同施工方法、初期支护、二次衬砌以及其他防护措施等。例如在该工程Ⅴ级围岩中断层破碎带及影响带选择台阶法开挖；又如矿山法隧道复合式结构的衬砌结构按“荷载－结构”计算模式，按局部变形理论计算地层被动压力。明确各种施工工艺的主要技术指标和施工中的运输方式、考虑各种变形影响。准备各种施工附图以及编写好工程适用的施工组织设计：(1)组织相关管理人员认真研究本工程各项目的特点，针对项目特点及时讨论达成共识并迅速进行目标分解及贯彻进行；(2)合理安排工期并尽快展开平行作业工序，保证各环节衔接紧密；(3)迅速出台与本工程相关的各项保证制度及管理办法；(4)结合工程进展程度合理安排各项资源的投入及协调。通过本次设计，让自己掌握隧道设计原则及有关技术指标和特长铁路隧道的主要施工方法及其适用条件。熟悉隧道衬砌结构设计的选择、计算方法及计算内容，学会各种工程软件的使用（ANSYS软件、CAD制图软件）。掌握隧道施工中主要施工工艺及施工步序，了解施工组织设计的编制与应用。第2章工程概况新建铁路石家庄至太原客运专线工程起自石家庄北站K4+475.7,途径河北省石家庄市、鹿泉市、井陉县，再经山西省盂县、寿阳县、阳曲县，止于太原站K228+213，正线全长188.4公里。太行山隧道设计为双洞单线铁路隧道，隧道起止里程为DK69+255～DK97+094(左线)、YDK69+271～YDK97+119(右线)，两线间距35m，隧道全长27839m,位于石太客运专线小寨车站和盂县车站之间，通过该段太行山山脉的主峰越宵山。太行山隧道是目前我国设计的最长山岭隧道。本设计标段工程范围为新建石家庄至太原铁路客运专线重点工程，包括1#寺坪斜井(DK73+200.672=寺斜0+00，L=1093.18m)及太行山隧道DK69+255～DK74+160段正洞的施工、竣工和缺陷修复，长度4905双延米，包含隧道通风、设备安装、监控量测等工程。以及在本设计标段中所设的10个Ⅱ级围岩横通道和1个Ⅲ级围岩横通道。地形地貌太行山隧道位于太行山脉中南段剥蚀低山和低中山区，沿线总的地势特点呈现为西高东低，中西部最高的不对称三角形。太行山脉剥蚀中低山区内山峰林立，绵延起伏，形成了型态各异的陡崖、峭壁、单面山。峡谷深切，多呈“V”字型，地形起伏较大，最大高差约600余米。峡谷中无水，均为干谷。山上植被较为茂密，基岩裸露，呈现山地地貌的典型特征。地层岩性地层的岩性对于隧道穿越山体位置的选择、隧道具体施工方法的选择是一个特别重要的因素，在施工前期应对其进行详细的勘测。太行山隧道本设计标段所属范围地层岩性见表2-1。地下水情况本设计标段地下水对混凝土不具腐蚀性；石灰岩、白云岩地下水中的侵蚀性CO2对混凝土具有中等腐蚀性。角砾状泥灰岩(膏溶角砾岩)对混凝土具有硫酸盐弱腐蚀性。本设计标段各级围岩区段地下裂隙水情况见表2-2。2.4.1气象特征太行山隧道地处温暖带亚润湿区，属高寒山地气候，降水稀少，气候垂直分带不明显。四季分明，夏季炎热少雨，冬季寒冷干燥，年降水量在350～800mm。根据盂县气象局统计资料（1984～2003年）：盂县地区多年最大降水量为797.4mm（1995年），多年最小降水量为315.7mm（1997年），降水主要集中在5～9月份，约占全年降水量的64%～97%；土壤最大冻结深度为1.01m。交通情况本设计标段交通便利，在DK73+200.672处的1#斜井(寺坪斜井)井口与314省道相邻。施工用电情况太行山隧道施工用电采用永临结合方式，从当地变电站接引35KV电力线，保证施工用电不间断，考虑部分（20%）用电采用自发电。施工前期采用自发电以保证施工用电。施工用水、施工场地和通信情况本设计标段于里程DK73+200.672处的1#(寺坪)斜井可利用附近的深井来提供1#斜井的生产、生活用水。1#斜井井口附近的地形比较开阔，施工场地可在井口附近布置。经调查，本设计标段沿线有通讯线路，施工时可以与当地电信部门联系，接入施工现场。物资供应情况物资可利用隧道旁的314省道运输，油料和火工品等材料可由供货商直接供应至各工区；弃碴场挡护工程用的块石、片石及主体工程用碎石在盂县附近材料质量合格的石场购买；主体工程所采用的砂，在合格砂场购买。本设计标段太行山隧道纵断面图见附录B第3章结构设计3.1设计依据和设计原则设计依据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》(TZ214—2005)《混凝土结构设计规范》(GB50010—2005)《建筑荷载设计规范》(GBJ9—2001)《地下工程防水技术规范》(GB50108—2001)《铁路隧道设计规范》(TBJ10003—2005)《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)设计原则(1)主要构件设计使用年限为100年。根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，采取有效措施，保证结构强度、刚度，满足结构耐久性要求；(2)根据工程地质和水文地质条件，结合周围地面建筑物、地下构筑物状况，通过对技术、经济、环保及使用功能的综合比较，合理选择结构形式；(3)结构设计应满足施工、运营、环境保护、防灾等要求；(4)结构的净空尺寸除应满足建筑限界要求外，尚应考虑施工误差、测量误差、结构变形和沉陷等因素；(5)断面形状和衬砌形式应根据工程地质及水文地质、埋深、施工方法等条件，从地层稳定、结构受力合理和环境保护等方面综合确定；(6)隧道结构按结构“破损阶段”法，以材料极限强度进行设计；(7)施工引起的地层沉降应控制在环境条件允许的范围内；(8)隧道建设应尽量考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响；(9)设计中除参照本指导书外，尚应符合《铁路隧道设计规范》或《地铁设计规范》等相关国家现行的有关强制性标准的规定；(10)隧道主体工程等级为一级、防水等级为二级，耐火等级为一级；(11)隧道结构的抗震等级按二级考虑，按抗震烈度8度设防；(12)结构设计在满足强度、刚度和稳定性的基础上，应根据地下水水位和地下水腐蚀性等情况，满足防水和防腐蚀设计的要求。当结构处于有腐蚀性地下水时应采取抗侵蚀措施，混凝土抗侵蚀系数不低于0.8；(13)在永久荷载基本荷载组合作用下，应按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响进行结构构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度(迎土面)应不大于0.2mm，一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm。当计及地震、人防或其它偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。3.2主体结构设计设计思路以石太客运专线太行山隧道为对象进行设计。计划采用新奥法施工，隧道采用有仰拱形式断面。《铁路隧道设计规范》设计隧道横断面，并结合工程经验初步确定隧道横断面的具体尺寸，以及二次衬砌的设计参数。判断深浅埋，取最不利的横截面并计算作用在结构上的荷载。最后将荷载加到设计结构上，利用Ansys软件计算内力，取最不利情况配筋以及抗裂验算。3.2.2隧道平面位置、洞口位置和纵断面(1)中小型隧道平面位置遵照线路选线，长大隧道遵照隧道自身工程地质选定，洞口位置选择遵循“早进晚出”、地质条件良好、地势开阔、施工方便，技术、经济合理之处。(2)一般情况下隧道内的线路最好采用直线，但是，受到某些地形的限制，或是地质的原因，往往不得不采用曲线。应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，使它的影响小一些。隧道在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。(3)铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但依据地形设计坡度时，注意应不超过限制坡度。隧道结构设计(1)隧道的建筑限界根据已定的车辆类型、行车速度、施工方法及地质条件等按相关规范或暂行规定确定。(2)矿山法区间隧道一般采用复合式衬砌，初期支护由型钢格栅、钢筋网与喷射混凝土组成，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构。初期支护与二次衬砌间铺设全包防水层。根据地层情况可采用的辅助性地层加固措施有：管棚超前支护，注浆小导管超前支护，锁脚锚杆，加固注浆，回填注浆等。(3)隧道支护设计参数按工程类比选定，衬砌结构设计参数按工程类比初选，并通过结构受力检算。建筑限界以及内轮廓根据《标准轨距铁路建筑限界》GB146.2-1983确定隧道限界。本区段的建筑限界及内轮廓设计见图3-1。3.3工程材料混凝土和钢筋混凝土和钢筋混凝土结构中用混凝土的极限强度应按表3-1采用。混凝土的弹性模量应按表3-2采用。混凝土的剪切弹性模量可按表3-2数值乘以0.43采用。混凝土的泊松比可采用(v=0.2)。钢筋强度和弹性模量按表3-3采用。喷射混凝土的强度等级不得小于C20。喷射混凝土的弹性模量见表3-4。隧道衬砌横截面形状及尺寸拟定衬砌类型采用复合式衬砌，其为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。复合衬砌设计符合下列规定：(1)初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用。(2)二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌界面宜采用连接园顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。(3)在确定开挖断面轮廓时，还应考虑初期支护并预留适当的变形量。预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等，采用工程类比法预测。当无预测值时预留变形量可参考表3-5选用。围岩级别单线隧道双线隧道Ⅱ—10～50Ⅲ20～5050～80Ⅳ50～8080～120Ⅴ80～120100～150注：围岩破碎取大值；围岩完整取小值。3.4荷载设计荷载计算原理采用荷载结构法原理进行隧道结构检算时，所需计算的荷载为由岩体松动、崩塌而产生的竖向和水平均布压力。竖向和水平均布压力的计算，根据隧道的埋深不同，选择不同的计算公式。(1)隧道深、浅埋的判定原则一般，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量，根据经验，这个深度通常为2～2.5倍的坍方平均高度值，即：HP=(2~2.5)hq（3-1）式中，Hp——(m)；hq——等效荷载高度值(m)。系数2～2.5在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限。当隧道覆盖层厚度hHp时为深埋，hHp时即为浅埋。等效高度值按式(3-2)和式(3-3)计算：hq=0.45×2s-1×ω（3-2）ω=1+i（B-5）（3-3）式中，hq——等效荷载高度值(m)；S——围岩级别；ω——宽度影响系数；B——隧道宽度(m)；i——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B=5m为基准)，当B<5m时，取i=0.2，B>5m时，取i=0.1。(2)深埋隧道围岩松动压力的计算方法(h≥Hp)双线铁路隧道竖直均布松动压力按式（3-4)计算：q=γh（3-4）式中，q——竖直均布松动压力(kN/m)；γ——围岩容重(kN/m3)。水平均布松动压力e可根据竖直均布松动压力由经验公式求得。水平均布压力的经验公式(3)浅埋隧道围岩松动压力的计算方法:①超浅埋隧道(h≤hq)围岩竖直均布松动压力按公式(3-5)计算：q=γh(3-5)式中，q——竖直均布松动压力(kN/m)γ——围岩容重(kN/m3)。围岩水平均布松动压力按下列公式计算：(3-6)(3-7)(3-8)(3-9)②浅埋隧道()(3-10)(3-11)围岩竖直均布松动压力按式(3-12)计算：(3-12)围岩水平均布松动压力按公式(3-13)和公式(3-14)计算：(3-13)(3-14)式中，β——产生最大推力时的破裂角(°)；Ht——隧道净高(m)；φ0——围岩计算摩擦角(°)；B——隧道跨度(m)；θ——围岩两侧摩擦角(°)；λ——侧压力系数；h——洞顶地面高度(m)。结构配筋计算采用破损阶段法进行配筋计算，步骤如下：.1检验是否配筋由截面内力计算偏心距e0=M/N，比较e0/h与0.2大小=1\*GB3若e0/h≤0.2，系抗压强度控制承载能力，按3-15式计算：(3-15)式中，Ra——混凝土的抗压极限强度，C35混凝土取26.5MPaK——安全系数，对于由抗压强度控制承载能力时，K=2.4；抗拉强度控制承载能力时，K=3.6。N——轴向力(N)b——截面的宽度(m)h——截面的厚度(m)φ——构件的纵向弯曲系数，取φ=1.0α——轴心力的偏心影响系数，(3-16)若e0/h>0.2，系抗裂强度控制承载能力，按下式计算:(3-17)式中，e0——截面偏心距(m)；Ri——混凝土的抗拉极限强度，C35混凝土取2.5MPa；其他符号意义同前。3.4.3Ⅲ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算3.4.3.1隧道所受围岩压力计算.2衬砌结构内力计算隧道工程建筑物是埋置于地层中的结构物，它的受力和变形与围岩密切相关，支护结构与围岩作为一个统一的受力体系相互约束，共同工作。这种共同作用正是地下结构与地面结构的主要区别。根据本工程的特点，使用阶段结构安全性检算采用“荷载－结构”模式，即将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构弹性支承。支护结构与围岩的相互作用是通过弹性支承对支护结构施加约束来实现的。在ANSYS计算模型中，二次衬砌采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟。组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。由ANSYS建模生成的变形图见图3-2。利用ANSYS进行计算，得到的结构内力数值如3-8表。3.4.3.3截面配筋验算(纵向钢筋)按最不利荷载组合对1单元进行强度验算，结构的最不利荷载组合弯矩值：M=-58123N·m，轴力值：N=-5.36×105N。截面为b×h=1000×350mm，采用C25混凝土和HRB335钢筋，fcd=19MPa,fsd=fsd’=360MPa。(1)按对称配筋设置由M=-58123N·m，轴力值：N=-5.36×105N，可得偏心距(e0)为:在弯矩作用方向，构件的长细比,所以属于短柱不考虑偏心距增大系数(即：η=1.0)。设as=a’s=40mm，h0=h-as=350-40=310mm。(2)判别大小偏心可得受压区高度ξ为：故可按大偏心受压计算。(3)求纵向钢筋面积由ξ=0.091，h0=310mm，得到受压区高度x：纵向钢筋面积为：由于所计算的配筋面积值为负，所以按最小配筋率配：按要求选择4φ16(=804mm2)(4)截面复核(在垂直于弯矩作用平面内的截面复核)由长细比，可得，则由公式：由于,所以满足要求。(在弯矩作用平面内的复核)as=a’s=40mm，，，假定为大偏心受压，即取可得到受压区高度：所以满足要求。所以，Ⅲ级围岩断面衬砌配筋结构为：4φ16(=804mm2)。间距为250mm。.4箍筋配置3.4.3.3纵向筋配置结果3.4.4Ⅱ级围岩衬砌结构内力计算和强度验算区段里程DK74+300~DK77+700围岩级别：Ⅱ级围岩容重：26kN/m3围岩弹性抗力系数：1500MPa/m围岩似摩擦角：75°太行山隧道本区段的洞身位于的岩层为竹叶状灰岩、泥质条带灰岩及白云岩，薄至中厚层状，弱风化，节理裂隙较发育，岩体完整呈大块状整体结构。初步假设洞身的初期支护为5cm，二次衬砌为30cm，初支与二衬见预留变形量为2cm。拱墙衬砌选用C25混凝土，底板垫层选用C20混凝土。.1隧道所受围岩压力计算所选区段埋深隧道埋深h=20.8m，隧道宽度：B=9.00m，隧道高度Ht=9.51m。根据荷载计算公式(3-1)~(3-14)，结合隧道所处地理环境情况计得出荷载计算结果见表3-9。.2衬砌结构内力计算C25混凝土的容重γ=25kN/m3，Ra=19MPa，Rw=24.2MPa，Rl=2.0MPaEc=29.5GMPa，ν=0.2，钢筋采用HRB335。图3-6ANSYS计算弯矩图利用ANSYS进行计算，得到的结构内力数值如表。.3截面配筋验算Ⅱ级围岩在修筑二次衬砌时混凝土内不需要配置钢筋。Ⅴ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算区段里程：DK96+376~DK96+750围岩级别：Ⅴ级围岩容重：19kN/m3围岩弹性抗力系数：150MPa/m围岩似摩擦角：50°太行山隧道本区段的洞身位于的岩层为断层破碎带及影响带，岩体极破碎，呈散体状结构。初步假设洞身的初期支护为25cm，二次衬砌为45cm，初支与二衬见预留变形量为8cm。拱墙、仰拱衬砌选用C30混凝土，仰拱填充选用C20混凝土。.1隧道所受围岩压力计算所选区段埋深隧道埋深h=2.748m，隧道宽度：B=9.00m，隧道高度Ht=9.51m。根据荷载计算公式(3-1)~(3-14)，结合隧道所处地理环境情况计得出荷载计算结果见表3-11。.2衬砌结构内力计算C30混凝土的容重γ=25kN/m3，Ra=22.5MPa，Rw=28.1MPa，Rl=2.2MPaEc=31GMPa，ν=0.2，钢筋采用HRB335。由ANSYS建模生成的变形图见图3-8。利用ANSYS进行计算，得到的结构内力数值如表。.3纵向筋配置结果Ⅴ级围岩断面衬砌配筋结构为：4φ18(=1018mm2)。间距为250mm。.4箍筋配置封闭式箍筋选用φ8，满足直径大于d/4=4.5mm，且不小于8mm的要求。根据构造要求箍筋间距S应满足：S≤15d＝15×18=270mm，S≤b=450mm，故选用箍筋间距选用：S=250mm。.5截面配筋配筋图Ⅴ级围岩加强复合式衬砌断面配筋图及其配筋参数详见本设计附录B(图号04：Ⅴ级围岩加强复合式衬砌断面配筋图)。Ⅳ级围岩结衬砌构内力计算和强度验算区段里程DK88+554.5~DK88+734.5。围岩级别：Ⅳ级围岩容重：22kN/m3围岩弹性抗力系数：350MPa/m围岩似摩擦角：55°太行山隧道本区段的洞身位于的岩层为石灰岩，薄至中厚层状，弱风化节理裂隙较发育，岩体较破碎呈块状、碎石状结构，具溶蚀现象。初步假设洞身的初期支护为15cm，二次衬砌为35cm，初支与二衬见预留变形量为6cm。拱墙、仰拱衬砌选用C30混凝土，仰拱填充选用C20混凝土。.1隧道所受围岩压力计算所选区段埋深隧道埋深h=13.22m，隧道宽度：B=9.00m，隧道高度Ht=9.51m。根据荷载计算公式(3-1)~(3-14)，结合隧道所处地理环境情况计得出荷载计算结果见表3-14。.2ANSYS加载公式分析C25混凝土的容重γ=25kN/m3，Ra=19MPa，Rw=24.2MPa，Rl=2.0MPaEc=29.5GMPa，ν=0.2，钢筋采用HRB335。由ANSYS建模生成的变形图见图3-11。利用ANSYS进行计算，得到的结构内力数值如3-14表。.3纵向筋配置结果Ⅳ级围岩断面衬砌配筋结构为：4φ18(=1018mm2)。间距为250mm。.4箍筋配置封闭式箍筋选用φ8，满足直径大于d/4=4.5mm，且不小于8mm的要求。根据构造要求箍筋间距S应满足：S≤15d＝15×18=270mm，S≤b=450mm，故选用箍筋间距选用：S=250mm。.5截面配筋配筋图Ⅳ级围岩复合式衬砌断面配筋图及其配筋参数详见本设计附录B(图号04：Ⅳ级围岩复合式衬砌断面配筋图)。3.5各级围岩复合式衬砌参数确定3.6各级围岩断面开挖尺寸确定本设计标段隧道各级围岩正洞的开挖断面尺寸见表3-16。注：表中尺寸单位为cm，表中数字分别表示洞室的宽和高，宽度指隧道横断面大跨宽度。第4章施工组织4.1编制依据及编制原则编制依据4.1.2编制原则4.1.3编制范围本设计的施工组织设计编制范围为太行山隧道(DK69+255~DK74+160)。工作内容包括隧道正洞的洞口工程、洞身开挖、支护、衬砌、明洞工程及1#寺坪斜井(DK73+200.672=寺斜0+00，L=1093.18m)和附属洞室、防水和排水附属设施。4.2施工准备技术准备(1)熟悉审查图纸及相关文件；(2)掌握地质,地貌,水文等设计勘测文件；(3)进行各种工艺试验；(4)确定施工方案；(5)编制施工组织；(6)核实工程量。施工现场准备(1)做好“三通一平”；(2)做好交接桩和施工前期放样；(3)临时设施的施工及准备；(4)各种物资的准备(进料,储备等)；(5)人员进场培训以及设备进场。施工测量4.2.3.1洞外控制测量正洞和斜井的水准控制测量使用S3级水准仪，控制等级为四级，以洞口的2个水准控制基点为基准，往返观测误差为±20。每隔500m左右在洞内设水准控制基点，各洞内控制基点到洞口的水准控制基点的往返观测误差均不大于±20，防止误差累积，以保证隧道贯通后的水平误差不超限。.3洞内施工测量4.2.3.4竣工测量4.2.4雨季施工准备(1)施工项目安排：安排好雨季施工项目和进度,做好雨季施工准备的技术措施以应付雨季来临时正常安全施工；(2)施工场地：做好施工场地周围的防排水设施,做好低洼地段的排水以及边坡的防护，保证安全。(3)施工设备的防护：预备好雨季的防护材料，抽水设备，雨季的施工材料,对水泥钢筋等易受潮材料做好防护，搭设储物棚，做好雨季机电设备的防雨，防潮,防电；同时要做好临时设施的防水。主要施工机械、设备准备机械名称机械型号/台数机械名称机械型号/台数机械名称机械型号/台数(开挖运输)(混凝土生产及衬砌)(钢筋加工设备)液压凿岩台车353E/6混凝土自动计量搅拌站JS750/5钢筋调直切断机GT4－14/6隧道挖掘装载机ITC312H3/8混凝土输送车PY5311GJ8/4电焊机BX300/12挖掘机PC200/10仰拱栈桥5m/12弯曲机GW40/6(喷锚支护)混凝土振动器ZX25-70/4（供电设备）超前水平地质钻机YG-300/2液压衬砌台车（正洞）长度5m/5变压器S9－3150KVA/13液压锚杆钻机MYT－140/4液压衬砌台车（斜井）长度5m/1发电机300KW/10混凝土喷射机器人阿力瓦PM500PC/6防水板铺设台架长度8m/7湿喷机TK961/3(供风设备)（其他设备）注浆泵GZB－YX/8空压机LWJ20/8，20m3/min履带式推土机TY220，165KW/3砂浆搅拌机双缸2*250/3移动内燃空压机VY－12/4地质钻孔机YX-2B/3(通风设备)洒水车YGJ5170/2通风机2DT－125，220KW/5单向射流风机SDS100K/94.3隧道施工总体方案DK69+255～DK74+160)的工程范围为新建石家庄至太原铁路客运专线重点工程，包括1#寺坪斜井(DK73+200.672=寺斜0+00，L=1093.18m)及太行山隧道DK69+255～DK74+160段正洞的施工、竣工和缺陷修复，长度4905双延米。包含了隧道通风、设备安装、无碴轨道等工程。各区段施工方案本设计标段所处地质环境条件、围岩性质复杂，在施工过程中应根据工程实际情况选择相应的施工方法，各种围岩性质的施工方案见表4-2。4.4隧道施工4.4.1不良地质地段施工方案4.4.1.1超前注浆小导管支护的材料及配比4.4.1.2(1)小导管安装前，对开挖面及距离开挖面5m范围内的坑道喷射5~10cm厚的混凝土封闭。(2)小导管采用φ32mm的焊接管，长度为4m，前端尖锥形，前段管壁上每隔15cm交错钻眼，直径为7mm。(3)钻孔直径为40cm，外插角控制在15°左右。(4)导管插入后露出0.2m，用以连接注浆，并用塑胶泥封堵导管周围。.3小导管注浆的施工.注浆顺序为先注无水孔，后注有水孔，从拱顶顺序往下进行.注浆压力控制在0.2-0.5MPa.当压力达到0.5MPa，停止注浆泵，等待几分钟后若压力下降，再继续注浆.这样反复几次，直到压力持续5min而不再下降时停止注浆.注浆完成后，立即关上小导管端头阀门，防止浆液外流.然后卸下注浆管.注浆过程中逐管记录注浆时间、注浆量、注浆压力、发生情况及处理过程。本设计标段Ⅴ级围岩由于围岩性质不稳定，所以在隧道开挖施工前应采取超前注浆小导管措施来保证工程的安全性和稳定性，超前注浆小导管措施的横断面图和布置图见4.4.2.1全断面法开挖流程。4.4.3台阶法施工.1台阶法开挖工序和流程太行山隧道本设计标段正洞Ⅴ级围岩开挖使用的是上下两台阶法开挖(短台阶)，使短台阶法用于本设计区段的开挖施工，由于台阶长度短的局限性，利用爆破将石渣翻至下台阶有较大难度，必须采用人工翻渣。上台阶高5.9m，当上台阶爆破开挖到约5m时开始做初期支护和加格栅钢拱架临时支撑，然后开挖下台阶，下台阶高度为5.41m，当下台阶爆破开挖完成后立即施做初支和临时支撑的格栅钢拱架，仰拱紧跟下台开挖工作面，早封闭成环，仰拱均采用仰拱栈桥一次完成。本标段中Ⅴ级围岩的仰拱开挖高度为0.7m，上下台阶开挖都是使用光面爆破，仰拱的开挖使用机械开挖。台阶法开挖完成后修筑二次衬砌的施工流程：①仰拱；②拱墙二衬；③仰拱填充及水沟电缆槽，Ⅴ级围岩台阶法爆破设计见本章4.5.3.2节(爆破设计施工)。Ⅴ级围岩两台阶法开挖的横断面、纵断面示意图见图4-4、开挖流程见图4-54.4.4正洞各级围岩主要开挖法步骤及施工方法正洞各级围岩主要开挖法步骤及施工方法见表4-3。明挖法施工4.5爆破施工设计爆破施工控制标准本隧道开挖采用光面爆破，爆破效果和质量好坏直接影响整个隧道的施工进度、安全和质量；爆破效果好，对控制隧道超欠挖，减少对围岩的扰动，提高炮孔利用率以及机械作业效率，节省支护费用和时间，加快工程进度，保证施工安全都十分重要。爆破施工工艺(1)测量。测量是控制开挖轮廓精确度的关键。采用隧道断面激光测量仪进行断面和炮孔划线。每循环都由测量技术人员在掌子面标出开挖轮廓和炮孔位置。(2)定位开眼。采用钻孔台车钻眼时，台车与隧道走线保持平行，台车就位后按炮眼布置图正确钻孔。对于掏槽眼和周边眼的钻眼精度要求比其它眼要高，开眼误差要控制在3～5cm以内。(3)钻孔。钻工要熟悉炮眼布置图，要能熟练地操纵凿岩机械，特别是钻周边眼，一定要丰富经验。周边眼钻孔时应向外有一定的外插角度。(4)装药。钻完孔后，用高压风吹孔，经检查合格后装药。装药分片分组负责，自上而下严格按爆破设计规定的装药量、雷管段号“对号入座”。爆破网路连接、检查及起爆，按照爆破设计要求和GB6722—2003《爆破安全规程》执行。(5)堵塞所有装药的炮眼均堵塞炮泥，堵塞长度不小于40cm。(6)瞎炮处理。发现瞎炮，应首先查明原因，如因孔内导爆管损坏或其本身存在问题造成瞎炮，则应参照《爆破安全规程》有关条款处理。(7)爆破完成后，应对爆破效果进行检查，确定其是否满足要求。各种施工方法的爆破设计.1全断面法开挖的爆破设计(1)计算导坑炮眼数N：式中：开挖面积S=79.14m2；装药系数τ=0.55;；铵梯炸药每米质量r=0.78；单位耗药量q=1.1kg/m3实取N=203个。(2)每循环炮眼深度：每循环的计划进尺数：l=130÷28÷3=1.548m实际取炮眼深度为2m，每循环进尺：l’=2×0.93=1.86m故各种炮眼的深度如下：(3)炮眼间距和排距：①掏槽眼采用复式楔形掏槽，对于Ⅱ、Ⅲ级围岩由表可查得：最外层掏槽炮眼与开挖面之间的夹角分别为a=700~750,a=750~800。所以都取a=750。共布置10个掏槽眼，其中深掏槽眼6个，浅掏槽眼4个,个炮眼间距见图。②周边眼周边眼炮眼间距E=60cm，最小抵抗线W=80cm，所以光爆密集系数为0.75。周边眼向外倾斜，眼底距开挖轮廓线为10cm。底眼间距适当增大为75cm。隧道的周边总长度为l=33.06m，按隧道周边总长度和炮孔间距，可以计算周边眼个数为：实际取52个。③辅助眼为了减少钻眼工作量，加快施工速度，辅助眼间距应适当加大，本隧道断面布置的辅助眼间距为85cm，共布置141个。(4)单孔装药量及总装药量：根据炸药供应及围岩情况，使用2号岩石铵梯炸药，其药卷直径为φ32，长度为200mm，每卷药卷为0.15kg。各种炮眼装药系数τ：掏槽眼=0.60辅助眼=0.50周边眼=0.55①浅掏槽眼：0.60×1.0÷0.2=3单孔装药量=3×0.15=0.45kg②深掏槽眼：0.60×2.2÷0.2=6.6单孔装药量=6.5×0.15=0.975kg③辅助眼：0.50×2.0÷0.2=5单孔装药量=5×0.15=0.75kg④周边眼：0.55×2.0÷0.2=5.5单孔装药量=5.5×0.15=0.825kg⑤每循环进尺的总装药量为：正洞在Ⅱ级围岩全断面开挖爆破参数见表4-4。说明：1.图中尺寸均以cm计；2.图中1代表掏槽眼，2代表辅助眼，3代表周边眼中的顶眼和帮眼，4代表底眼；3.本设计适合太行山单线双洞隧道Ⅱ级围岩开挖全断面爆破措施，Ⅲ级围岩开挖爆破可按此作适当调整即可；4本设计的起爆顺序：1-2-3-4.各种类炮眼由内向外逐步起爆。4.5.3.2台阶法开挖的爆破设计钻爆参数：初步计划平均日进尺2.5m，照此推算出月进尺70m，每月施工28d，采用两班循环作业，假设炮眼利用率为，采用2号铵梯炸药，药卷直径为φ32，其每米质量r=0.78kg/m,炮眼直径取φ42。(以Ⅴ级围岩为例)上下台阶相差3~5m取5m，最小抵抗线W=65cm。(1)总装药量Q：每掘进循环的计划进尺数：式中：开挖面积S=115.5m2；断面周长B=38.53m；单位耗药量q=1.1kg/m。(2)上台阶总装药量Q上：Ⅴ级围岩施工横断面开挖上台阶面积：S上=54.68m2(3)上台阶各炮眼数目N上n及其装药量Q上n：①上台阶周边眼数N上1及其装药量Q上1：上台阶开挖断面周长为18.54m，底线长为11.8m，取周边眼炮眼间距E=50cm，周边眼深度为：周边眼装药系数为τ1=0.4，所以：实取②上台阶底眼底眼数N上2及装药量Q上2：上台阶底眼间距取ɑ=45cm，深度L2=1.34,取1.5m，装药系数为τ2=0.4，所以：实取N上2=26个。③上台阶掏槽眼数N上3和装药量Q上3：掏槽眼采用4眼垂直楔形掏槽形式，掏槽眼N上3=4个，最外层掏槽炮眼与开挖面之间的夹角为a=750，上下两排掏槽眼之间的距离为ɑ=100cm，同一平面上两炮眼的眼底的距离为b=100cm。掏槽眼装药量系数取t3=0.50。掏槽眼应较周边眼深度加深0.2m，取:实取L3=1.6m。则掏槽眼装药量，即：④上台阶辅助眼数N上4和装药量Q上4：辅助眼的装药系数为τ4=0.4，辅助眼深度和周边眼一样L4=1.34m，可得上台阶辅助眼的数目：实际取N上4=106个。辅助眼间距取a=85cm。(4)下台阶总装药量Q下Ⅴ级围岩施工横断面开挖下台阶面积：S下=48.67m2(5)下台阶各炮眼数目N下n及其装药量Q下n：①下台阶周边眼数目N下1及其装药量Q下1,取周边眼间距E=50cm，所以：实取N下1=43个。②下台阶底眼数N下2及其装药量Q下2：实取N下2=22个。③下台阶辅助眼数N下4及其装药量Q下4：取N下4=81个。辅助眼间距取a=85cm。(6)单孔装药量及总装药量①4个掏槽眼：单孔装药卷数=0.50×1.6÷0.2=4卷单孔装药量=4×0.15=0.6kg②82个周边眼(上台阶39个下台阶43个):单孔装药卷数=0.40×1.34÷0.2=2.68卷，实取3卷单孔装药量=3×0.15=0.45kg③48个底眼(上台阶26个下台阶22个)：单孔装药卷数=0.40×1.5÷0.2=3卷单孔装药量=3×0.15=0.45kg④187个辅助眼(上台阶106个下台阶81个)：单孔装药卷数=0.40×1.34÷0.2=2.68卷，实取3卷单孔装药量=3×0.15=0.45kg实际总装药量Q：此值略小于按体积公式计算的总装药量，所以按此值进行装药。Ⅴ级围岩段台阶法开挖爆破设计参数见表4-5。(7)Ⅴ级围岩台阶法开挖炮眼布置见图4-7。说明：1.图中尺寸均以cm计；2.图中编号1代表上台阶掏槽眼，2代表上台阶辅助眼，3代表上台阶周边眼中的顶眼和帮眼，4代表上台阶底眼，2’代表下台阶辅助眼，3’代表下台阶周边眼，4’下台阶底眼；3.本设计适合太行山单线双洞隧道Ⅱ级围岩开挖全断面爆破措施，Ⅲ级围岩开挖爆破可按此作适当调整即可；4本设计的起爆顺序：1-2-3-4-24.5.3.3爆破的装药及连线本隧道设计标段的爆破网路连接方式采用并簇接法，即把各炮眼分成几个区域，将各区域导爆管并为一簇联到一根导爆管上，由一发火雷管起爆。装药方式采用不耦合装药，具体情况见图4-8。4.6初期支护太行山隧道本标设计段各级围岩正洞初期支护的具体支护技术参数详见表4-6。各级围岩衬砌支护施工步序见表4-6、4-8、4-19、4-10。1234.6.1.1HCB25N组合式中空注浆锚杆施工(拱部)HCB25N组合式中空注浆锚杆采用锚杆台车钻孔，成孔后彻底清孔，将安装有锚头的组合式锚杆杆体直接插到孔底，在杆体尾部安设垫板，上紧螺帽，使垫板压紧岩面，然后连接注浆管，用注浆泵通过尾部向孔内注浆，浆液采用水泥砂浆，注浆顺序应自下而上逐根进行。注浆前将止浆塞塞入钻孔，用速凝水泥封孔，防止浆液泄露。HCB25N组合式中空注浆锚杆见图4-9。说明：图中尺寸均以cm计；4.7.1防水设施4.7.2排水设施4.8洞身衬砌衬砌作为隧道的永久支护，对其施工的质量必须严格按规范要求控制。衬砌砼表面作为隧道施工后唯一外露部分，其表面的质量情况，直接体现隧道的美观程度，因此对衬砌砼表面要求必须有高质量、高标准。本设计标段的太行山隧道各级围岩的衬砌参数见表4-11。施工方法附属洞室随边墙砼一次灌注，填充顶面以上的沟槽考虑到运输车辆所需的宽度，安排在整体道床施工之后再进行施工。混凝土二次衬砌施工工艺框图见图4-23。含水量测定含水量测定中砂碎石台车就位清理基底净空检测基底加固养护基仓清理监控量测确定施作二次衬砌施工配合比面板整修涂脱模剂止水条安装砼拌和楼台车加固标高测量控制断面外加剂水泥输送管道安装挡头板安装砼浇注拆模试件制作试件试压预埋件砼运输砼入泵水砼坍落4.8.2仰拱施工(1)仰拱清碴(2)钢筋加工与绑扎(3)模板施工(4)凝土灌筑4.8.3拱墙衬砌施工在混凝土浇筑过程中，观察模板、支架、钢筋、预埋件和预留孔洞的情况，当发现有变形、移位时，及时采取措施进行处理，混凝土灌筑作业间断时间不得超过两个小