隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书

1、. .隧道及地下工程“设计类毕业设计指导书1 设计原那么及有关技术指标1.1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，保证构造强度、刚度，满足构造耐久性要求。1.2 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，合理选择构造形式。1.3构造设计应满足施工、运营、环境保护、防灾等要求。1.4 构造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、构造变形和沉陷等因素。1.5 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、构造受力合理和环境保护

2、等方面综合确定。1.6隧道构造按构造“破损阶段法，以材料极限强度进展设计。1.7 施工引起的地层沉降应控制在环境条件允许的范围内。1.8 隧道建立应尽量考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响。1.9设计中除参照本指导书外，尚应符合"铁路隧道设计标准"或"地铁设计标准"等相关国家现行的有关强制性标准的规定。1.10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。1.11隧道构造的抗震等级按二级考虑，按抗震烈度8度设防。1.12 构造设计在满足强度、刚度和稳定性的根底上，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。当构造处于

3、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。1.13 在永久荷载根本荷载组合作用下，应按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响进展构造构件裂缝验算。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，可不验算构造的裂缝宽度。1.14 混凝土和钢筋混凝土构造中用混凝土的极限强度应按表1-1采用。区间隧道衬砌采用钢筋混凝土时其混凝土强度不应低于C30。表1-1 混凝土的极限强度(MPa)强度种类符号混凝土强度等级C15C20C25C30C40C50抗压Ra12.

4、015.519.022.529.536.5弯曲抗压Rw15.019.424.228.136.945.6抗拉Rl1.41.72.02.22.73.11.15 混凝土的弹性模量应按表1-2采用。混凝土的剪切弹性模量可按表1-2数值乘以0.43采用。混凝土的泊松比可采用0.2。表1-2 混凝土的弹性模量Ec(GPa)混凝土强度等级C15C20C25C30C40C50弹性模量Ec262829.53133.535.51.16 钢筋强度和弹性模量按表1-3采用。表1-3 钢筋的强度和弹性模量钢筋种类屈服强度(MPa)抗拉极限强度(MPa)抗拉或抗压计算强度(MPa)弹性模量(GPa)延伸率(%)HPB23

5、5(Q235)24038026021025HRB335(20MnSi)340520360200161.17 喷射混凝土的强度等级不得小于C20。C20喷射混凝土的极限强度可采用：轴心抗压15 MPa，弯曲抗压18 MPa，抗拉1.3 Mpa，弹性模量为22 Gpa。喷射混凝土与地层的粘结力不低于0.5 Mpa。(注：喷射混凝土的强度等级指采用喷射大板切割法，制作成边长为10cm的立方体试块，在标准条件下养护28天，用标准试验方法所得的极限抗压强度乘以0.95的系数；喷射混凝土与地层的粘结强度可采用预留试件拉拔法或钻芯法。)表1-4 喷射混凝土的弹性模量(GPa)喷射混凝土强度等级C20C25C

6、30弹性模量2123252 隧道构造构造设计2.1 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，

7、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。上述隧道平面位置、洞口位置和纵断面设计不作为毕业设计必须内容，为使设计内容完整，可直接采用工程自身设计。2.2隧道构造设计(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标准或暂行规定确定。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构造。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

8、。(3)隧道支护设计参数按工程类比选定，衬砌构造设计参数按工程类比初选，并通过构造受力检算。2.3 设计荷载2.3.1 隧道构造设计荷载类型及名称应按表2-1采用。2.3.2 构造设计时应按构造可能出现的最不利工况组合进展计算。决定荷载的数值时，应考虑施工和使用过程中发生的变化。表2-1 地下构造荷载分类表荷载类型荷载名称永久荷载构造自重地层压力构造上部和受影响范围内的设施及建筑物压力水压力及浮力混凝土收缩及X变影响预加应力设备重量地基下沉影响可变荷载根本可变荷载地面车辆荷载及其动力作用地面车辆荷载引起的侧向土压力地铁车辆荷载及其动力作用人群荷载其它可变荷载温度变化影响施工荷载偶然荷载地震荷载

9、沉船、抛锚或河道疏浚产生的撞击力等灾害性荷载注：1设计中要求考虑的其他荷载，可根据其性质分别列入上述三类荷载中；2表中所列荷载未加说明者，可根据国家有关标准或根据实际情况确定；3施工荷载包括：设备运输及吊装荷载，施工机具及人群荷载，施工堆载，相邻施工的影响，盾构法或顶进法施工的千斤顶顶力及压浆荷载，沉管拖运、沉放和水力压接等荷载。2.3.3 地层压力(1)地铁设计标准关于地层荷载的规定地铁标准第10.2.2条 “地层压力应根据构造所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、构造形式及其工作条件、施工方法及相邻隧道间距等因素，结合已有的试验、测试和研究资料，按有关公式计算或依工程类比确定。地铁设计标准

10、条文说明中解释：地层压力是地下构造承受的主要荷载。一般情况，石质隧道，可根据围岩分级，依工程类比确定围岩压力；填土隧道及浅埋暗挖隧道一般按计算截面以上全部土柱重量考虑；深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它经历公式计算。(2)铁路隧道设计标准关于地层荷载的规定埋深竖直土压全土柱谢家休公式标准深埋公式h02.5h0图2-1铁路隧道设计标准以统计隧道坍落拱高度为根底，埋深时用全土柱，埋深时用谢家休公式，埋深时用，不同深度土压力计算结果如图2-1。 (2-1)式中 hq等效荷载高度值；S围岩级别，如级围岩S=3；围岩的容重；宽度影响系数，；B坑道宽度，以m计；iB每增加1m时，围岩压力的增减率(以

11、B5m为基准)，当B5m时取i=0.2，B5m时，取i0.1。(3)地铁构造设计计算指南关于地层荷载的建议 (2-2)式中，为围岩容重；隧道上覆土层厚度；断面宽度；围岩内摩擦角；围岩内聚力；断面高度；D1竖向土压力保持不变的起始深度，。其中，； ; ；。D埋深h竖向荷载D1图2-2 地层竖向压力计算图式竖向荷载与隧道埋深的关系如图2-2所示曲线。4极浅埋隧道地层侧向压力 (2-3)式中，洞顶地层的垂直压力；隧道高度内各地层内摩擦角的层厚加权平均值；其它符号同前。5浅埋隧道地层侧向压力 (2-4)假设水平压力按梯形分布，那么作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为 (2-5)式中，为侧压力系数，

12、可由式(2-4)求得。假设为均布时，那么 (2-6)6深埋隧道地层侧向压力在上述产生垂直压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即围岩水平分布松动压力e，按表2-2中的经历公式计算(一般取平均值)。表2-2围岩级别水平匀布压力00.15q(0.150.3)q(0.300.5)q(0.51.0)q2.3.4浅埋隧道地面荷载在道路下方的地下构造，地面车辆及施工荷载可按20kPa的均布荷载取值，并不计冲击压力的影响。覆土埋深小于1.0m时按实际情况考虑公路车辆或施工机械荷载，并考虑冲击压力的影响。2.3.5地层被动压力隧道构造地层被动土压力为其向地层方向产生的位移与地层弹性抗力系数的乘积，即：(2-7)

13、式中，k地层的弹性抗力系数(Pa/m)，可用相关标准值或地质勘察部门提供的基床系数代替。2.3.6地震荷载在衬砌构造横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法(惯性力法)，即静力法；验算衬砌构造沿纵向方向的应力和变形那么用地层位移法，即拟静力法。等代的静地震荷载包括：构造本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的1/22/3，而且也缺乏足够的地震记录，因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的构造，可不考虑垂直地震荷载的作用。只有在验算构造的抗浮能力时才计及垂直惯性力。水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进展计算。1 隧道横截面上

14、的构造的水平惯性力 作用在构件或构造重心处的地震惯性力一般可表示为： (2-8)式中，作用于构造的地震加速度；g重力加速度；Q构件或构造的重量；Kc与地震加速度有关的地震系数。对于隧道构造，我们可以将其具体化并简化如下：(a)马蹄形曲墙式衬砌，见图2-3，其匀布的水平惯性力为： (2-9)式中，综合影响系数，与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关，标准中建议，对于岩石地基，=0.2，非岩石地基，=0.25；水平地震系数，7度地区，=0.1；8度地区，=0.2；9度地区，=0.4；m1拱墙局部衬砌质量；H拱墙局部衬砌的高度；m2仰拱质量；f仰拱的矢高。(b)圆形衬砌，见图2-4，其匀布的水平惯性

15、力为： (2-10)式中，m衬砌质量；D衬砌外直径。图2-3 马蹄形衬砌的地震荷载图式F2H1H图2-4 圆形衬砌的地震荷载图式F2H1D图2-5 矩形框架的地震荷载图式F2H1H(c)矩形衬砌，见图2-5，其水平惯性力分三局部： (2-11)式中，、顶、底的水平惯性力，作为集中力考虑，作用在顶、底板的轴线处；边墙的水平惯性力，按作用在边墙上的匀布力考虑；mt、mb顶和底板质量；mw边、中墙质量；h边墙净高。(2) 洞顶上方土柱的水平惯性力 (2-12)式中，m上上方土柱的重量。(3) 主动侧向土压力的增量地震时地层的内摩擦角要发生变化，由原来的值减少为(-),其中为地震角，在7度地震区=1&

16、#176;30；8度处=3°；9度处=6°。因此，构造一侧的主动侧向土压力增量为： (2-13)其中，；。而构造另一侧的主动土侧向土压力增量可按上述值反对称布置。(4)隧道上方土柱的垂直惯性力其一般公式为： (2-14)式中，垂直地震系数，一般取；Q隧道上方土柱的重量。由于垂直惯性力仅在验算构造抗浮能力时需要考虑，因此，即可按集中力考虑。5沿隧道纵轴方向的地震荷载地震动的横波与隧道纵轴斜交或正交，或地震动的纵波与隧道纵轴平行或斜交，都会沿隧道纵向产生水平惯性力，使构造发生纵向拉压变形，其中以横波产生的纵向水平惯性力为主。地震波在冲积层中的横波波长约为160m左右。因此，X钧

17、院士在其"地下构造"一书中建议：计算纵向水平惯性力T时，对区间隧道可按半个波长的构造重量考虑，即 (2-15)式中，W隧道构造每延米的重量，其它符号意义同前。2.3.7 水压力及浮力静水压力可使隧道构造的轴力加大，对抗弯性能差的混凝土构造来说，相当于改善了它的受力状态，因此，计算静水压力时，那么须按可能出现的最低水位考虑。而验算隧道构造的抗浮能力时，那么须按可能出现的最高水位考虑。计算静水压力时，两种方法可供选择，一种是和土压力分开计算；另一种是将其视为土压力的一局部和土压力一起计算。对于砂性土可采用第一种方法。粘土地层(含粉质粘土)中施工阶段按水土合算，使用阶段按水土分算

18、。水土分算时，地下水位以上的土采用天然重度，水位以下的土采用有效重度计算土压力，另外再计算静水压力的作用。水土合算时，地下水位以上的土与前者一样，水位以下的土采用饱和重度计算土压力，不计算静水压力。其中土的有效重度为： (2-16)式中水的重度，一般。两种计算静水压力的方法的差异示于图4-7中。2.3.8地铁隧道人防荷载地下构造在规定需要考虑战时防护的部位，作用在构造上的等效荷载按人防标准的有关规定计算。5级人防地面空气冲击波峰值Pm=10KPa。H2H10H10H2H20H10H2(b)水土合算(a)水土分算图2-6 两种计算静水压力方法2.3.9其它荷载参照相关标准，内容略。3 初期支护设

19、计计算3.1 铁路隧道和公路隧道初期支护在特殊地质条件时支护设计参数可采用工程类比法确定，施工中通过监测进展修正，并应通过理论验算。3.2 矿山法地铁隧道初期支护设计参数可采用工程类比法确定，施工中通过监测进展修正，并应通过理论验算。3.3 矿山法隧道在预设计和施工阶段，应对初期支护的稳定性进展判别。初期支护施工阶段的稳定性，可按监控量测得到的总位移与极限位移量比较和位移开展趋势进展判别。极限位移应根据地层条件、断面特征及施工方法等因素分析确定。3.4 矿山法隧道初期支护应考虑能承受施工期间的全部荷载，并对控制地层变形起主要作用。3.5 计算隧道初期支护时，应考虑地层对支护变形的约束作用，可按

20、式(2-7)计算。3.6 隧道周边地层是隧道支护体系的组成局部，开挖轮廓形状应尽可能保持平整、圆顺，防止出现隅角及局部应力集中，例如底板与边墙的隅角形状应保持圆顺，确保地层与初期支护的共同承载效应。3.7 考虑构造耐久性要求，提高砼密实性，初期支护抗渗等级不低于S6，内外侧钢筋保护层厚度不少于40mm。3.8 矿山法地铁隧道埋深浅，水、土作用荷载较为明确，支护构造厚度较大，隧道支护后独立承受上覆地层水、土压力作用时间较长，因此，常用的“荷载构造和“地层构造两种计算模式均可采用。3.9 检算初期支护强度时，宜采用相对简单的“荷载构造计算模式。3.10 检算初期支护后地层变形及支护刚度时，宜采用“

21、地层构造计算模式。在分析施工过程中的地层变形情况时，还应考虑超前支护和超前加固的作用。3.11 计算荷载采用“荷载构造模型时，作用在初期支护上的荷载有永久荷载的地层压力、构造自重及地层被动压力，可变荷载的地面车辆荷载及其动力作用，不计水压力、偶然荷载等其它荷载。3.12计算图式图3-1 圆角型断面计算图式图3-2隅角型断面计算图式初期支护构造按弹性支撑链杆图式计算，将计算断面划分为40 60个直梁等分单元，拱部90° 120°(自动试算确定)范围不设弹性链杆，侧边加水平链杆，底边加竖直链杆。对于墙脚为圆角形支护，圆角处各节点同时采用水平链杆和竖直链杆，计算图式如图3-1所示

22、。对于墙脚为直角形支护断面(如地铁四、五号线)，计算图式如图3-2所示。3.13截面强度检算方法根据初期支护格栅钢架网喷混凝土或无钢架喷混凝土构造情况，参照"铁路隧道设计标准"(TB100032001)，分别采用素混凝土或钢筋混凝土构造按破损阶段法进展检算。3.14初期支护截面平安系数。初期支护作为独立承载构造的作用时间相对较短，重要性程度也较低。根据"铁路隧道设计标准"(TB100032005)素混凝土或钢筋砼构造强度平安系数规定，检算施工阶段强度时，平安系数按“主要荷载加附加荷载栏内数值乘以折减系数0.9。4 二次衬砌设计计算4.1 一般规定4.1.

23、1 矿山法区间隧道构造设计使用年限为100年。4.1.2 复合式衬砌的二次衬砌应按主要承载构造设计，其设计参数可采用工程类比法确定。并应通过理论验算。4.1.3 考虑在长期使用过程中，外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向二次衬砌的转移，需适当提高二次衬砌的承载能力。4.1.4 作用在复合式构造上的水压力由二次衬砌承担。4.1.5 衬砌应采用有仰拱曲墙式钢筋混凝土衬砌型式。仰拱与边墙基脚的连接采用圆顺断面。二次衬砌钢筋保护层厚度不少于35mm。4.1.6 二次衬砌钢筋保护层厚度不少于35mm。4.1.7 原那么上当初期支护强度及刚度足够时，应在初期支护的位移收敛稳定后施作二次衬砌，但在以下

24、场合应提前施作二次衬砌，并研究适当提高二次衬砌承载能力，促使隧道趋于稳定。a、接近其它地面建筑物或地下构筑物施工，有荷载作用的场合；b、初期支护位移不收敛，初期支护的承载能力缺乏。4.2 计算方法4.2.1 矿山法隧道复合式构造考虑在长期使用过程中，外部荷载因初期支护材料性能退化和刚度下降向向二次衬砌转移，二次衬砌按能承担全部外荷载(主要荷载、附加荷载和外荷载)计算。4.2.2 衬砌构造按“荷载构造计算模式，破损阶段法检算构造截面强度，并验算钢筋砼构造裂缝宽度。4.2.3 根据构造特性按表21所示荷载，按其可能的最不利组合情况计算。4.2.4 考虑地层对衬砌构造变形的约束作用，按局部变形理论式

25、(2-7)计算地层被动压力。4.2.5 截面强度检算方法钢筋砼矩形截面偏心受压构件公式计算。钢筋混凝土矩形截面偏心受压构件的计算公式：大偏心受压构件()时，其截面强度按下式计算(图4-1)： (4-1)小偏心受压构件()时，其截面强度按下式计算(图4-2)： (4-2)当轴向力作用于钢筋的重心之间，尚应符合以下要求： (4-3)式中，平安系数；轴向力；截面的宽度；截面的厚度；截面的有效高度，；截面的有效高度，；、轴向力作用点到钢筋、重心的距离；、自和钢筋的重心分别至截面最近边缘的距离；混凝土的弯曲抗压极限强度；混凝土的抗压极限强度；钢筋的极限强度；、受拉、受压钢筋面积。4.2.6隧道衬砌按破损

26、阶段检算构件截面强度时，根据所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的平安系数，并不应小于表4-1所列数值。表4-1 钢筋混凝土衬砌构造的强度平安系数荷载组合永久荷载+可变荷载永久荷载+可变荷载+偶然荷载破坏原因钢筋到达计算强度或混凝土到达抗压或抗剪极限强度2.42.0混凝土到达抗拉极限强度3.63.0k NeeRgAgRgAgNh图4-2 钢筋混凝土小偏心受压构件强度计算图ah0hxabh0 AgAgk NeeRgAgRgAgRwbxaahh0xbAg图4-1 钢筋混凝土大偏心受压构件强度计算图Ag4.3 裂缝宽度验算永久荷载和可变荷载作用下，二次衬砌构造最大计算裂缝宽度应满足相关标准的要

27、求。考虑裂缝宽度分布不均匀性及荷载长期作用影响后的最大裂缝宽度(cm)，可按以下公式计算： (4-4) (4-5)式中Eg钢筋的弹性模量；裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；，当时，取；时，取；永久荷载和可变荷载作用下的弯矩；矩形截面宽度；混凝土的极限抗拉强度；截面高度。纵向受拉钢筋应力，可取；纵向受拉钢筋的截面面积；截面的有效高度：截面高度保护层厚度；平均裂缝间距(以厘米计)；纵向受拉钢筋的直径(以厘米计)，当用不同直径的钢筋时公式(45)中d改为换算直径(s为纵向受拉钢筋总周长)；纵向受拉钢筋配筋率，；与纵向受拉钢筋外表形状有关的系数： 对螺纹钢筋，取； 对光面钢筋，取； 对冷拔低碳钢丝，取

28、。当采用级钢筋作纵向受拉钢筋时，应将计算求得的最大裂缝宽度乘以系数1.1(注：如有可靠的设计经历或构造措施时，式(5-4)中的系数2.0可适当减小)。5 施工组织设计5.1按设计分类的不同分类施工组织设计的编制一般是同设计阶段相配合。1设计按两个阶段进展时施工组织设计分施工组织总设计(扩大初步施工组织设计)和单位工程施工组织设计两种。2设计按三个阶段进展时施工组织设计分为施工组织设计大纲(初步施工组织条件设计)、施工组织总设计和单位工程施工组织设计三种。按设计阶段不同划分施工组织设计的方法如图5-1所示根本建立方案任务书厂 址 选 择施工组织设计大纲初步设计扩大初步设计施工组织总设计技术设计施工图设计施工组织总设计单位工程施工组织设计施工图设计单位工程施工组织设计图5-1 按设计阶段不同施工组织设计的分类5.2按编制对象范围不同的分类施工组织设计按编制对象范围的不同可分为施工组织总设计、单位工程施工组织设计、分局部项工程施工组织设计三种。1施工组织总设计施工组织总设计是以一个建筑群或一个建立工程为编制对象