隧道安全性分析毕业设计

1、1 绪论1.1 铁路隧道发展概述中国幅员辽阔，又是多山的国家，山地面积占 2/3 以上，高原起伏，群山连绵，崇山峻岭密布，水系发育，江河纵横，地质复杂。为发展铁路建设，需要修建大量隧道，而且势必修建许多长隧道和特长隧道，因而铁路隧道建设任务极其艰巨、复杂。隧道修建技术是涵盖多种专业、交叉性很强的综合技术。近半个世纪以来，中国铁路隧道修建技术虽然有很大发展，但与当代世界铁路隧道长度不断增加并向水域发展的趋势比较还有一定差距。中国当前铁路隧道的修建的数量，已列世界前茅，但 10km 以上的隧道（包括贯通的）只有 4 座，既大瑶山、长梁山双线隧道和秦岭 I 、 II 线单线隧道。 20km 以上的长

2、大隧道和水下铁路隧道还是空白。因此，特长和超长隧道的设计理论和施工技术还有待开发、研究和提高。同时，对于为数众多的 500m 以下的短隧道施工机械化程度还不高。对于隧道环境工程、防灾技术以及山区铁路隧道普遍存在的各种地质灾害防治技术也许要研究和加强。隧道建设组织管理水平亟待提高，以适应铁路隧道高质量高效率建设发展的需要。1.2 隧道概述1.2 工程地质特征和水文地质特征勘测期间未见地下水，可不考虑地下水对工程的影响。2 洞门结构的设计及检算洞口是隧道进出的咽喉，又是隧道施工中的主要通道，洞口位置选的是否合理，将对隧道的施工工期、造价、运营安全等有重大的影响。所以在隧道的线路设计中，洞口位置的选

3、择是一项重要的工作。2.1 隧道洞门形式的选择2.1.1 设计原则由于隧道洞口所处的地形，地质条件不同，隧道洞门的形式也有所不同。目前，铁路隧道洞门主要有如下几种形式：(1)环框式洞门：当洞口石质坚硬，且地形陡峻无排水要求时，可仅修建洞口环框，以起到加固洞口和减少洞口雨后滴水的作用。(2)端墙式洞门：端墙式洞门是最常见的洞门。它适用于地形开阔，石质较稳定的地区，由端墙和洞门顶排水沟组成。端墙的作用是抵抗山体纵向推力及支持洞口正面上的仰坡。保持其稳定。洞门顶排水沟用来将从仰坡流下来的地表雨水汇集后排走。(3)翼墙式洞门：当洞口地质较差，山体纵向推力较大时，可以在端墙式洞门的单侧或双侧设置翼墙。翼

4、墙在正面起到抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用。两侧面保护路堑边坡起挡土墙的作用。翼墙顶面与仰坡的延长面相一致，其上设置水沟，将洞门顶水沟汇集的地表水引至路堑侧沟内排走。(4)柱式洞门：当地形较陡，仰坡有下滑的可能，有受地形或地质条件的限制，不能设置翼墙时，可在端墙中部设置2个或4个断面较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。(5)台阶式洞门：当洞门位于傍山侧坡地区，洞门一侧较高时，为了提高靠山侧仰坡刷坡起坡点，减少仰坡高度，可将端墙顶部改为逐渐升高的台阶形式，以适应地形的特点，减少洞门圬工及仰坡开挖数量，这种洞门也能起到一定的美化作用。(6)斜交式洞门：当隧道洞口线路与地面等高线斜交

5、时，为了缩短隧道长度，减少挖方数量，可采用平行于等高线与线路成斜交的洞口，一般斜交式洞门与衬砌斜口段应整体砌筑。由于斜交式洞门及衬砌斜口段的受力复杂，施工也不方便，所以只有在十分必要时才采用这种形式的洞门。2.1.2 洞门的选择鉴于本隧道所处地形有边坡，有仰坡，故该隧道洞门进口和出口均采用翼墙式洞门。2.2 洞门计算以西宁端(隧道出口)洞门为例，进行洞门结构的检算。2.2.1 基本计算数据计算摩擦角=45o基底摩擦系数f=0.4基底控制压应力=0.3MPa(2) 建筑材料容重和容许压力：顶帽C20混凝土容重a=1.5MPal=0.2MPa(3) 检算端墙和翼墙应力、偏心和稳定性要求：墙身截面压

6、应力a墙身截面偏心距e0.3b（b为端、翼墙厚度）基底压力基底偏心ej滑动稳定性系数Kc1.3倾覆稳定性系数K01.52.2.2 洞门各部分尺寸的拟定 隧道进、出口端采用衬砌断面加宽值为W=0,轨道类型选用重型(h2=0.80m),各部分尺寸见下图： 图2.1 洞门正面图 根据洞门图中所标注的尺寸可知：H=12.70m, Bm=7.36m, h=7.70m, h1=3.15m, h2=0.75m, h3=1.10m, hy=9.56m, ly=9.85m 图2.2 洞门侧视图2.3 洞门检算2.3.1翼墙墙身截面偏心、应力验算(1) 翼墙墙背主动土压力E取距翼墙基底1.0m的截面为验算截面，计

7、算宽度取0.5m，翼墙计算高度h0为：hb= hy-(0.1 hy+0.25)÷1.25-1.10=9.567.5m已知：=45o，tan=0.1，tan= 查得：tan=0.5273，=0.1566E=×hb2×0.5=0.5×18×7.52×0.1566 ×0.5=39.64kN(2) 倾覆力矩M0M0=Ehb=×39.64×7.5=99.10kN(3) 稳定力矩My1)墙身自重P 图2.3 翼墙细部尺寸图P=0.5×1.0×23-×(0.4+0.5) ×0.3

8、×23+1.0×7.5×22+0.7×(7.5-2.0)×22+1.0×2.1×18×0.5=11.5-3.11+165+84.7+37.8 ×0.5=5.75-1.56+82.5+42.35+18.9=147.94kN2)稳定力矩MyMy=5.75×0.5+(7.5-0.25)×0.1-1.56×0.5+(7.50-0.15)×0.1+82.5×0.5+7.0÷2×0.1+42.3×5×1.0+0.35+5.0&#

9、247;2×0.1+18.9×2.10÷2-0.5 = 7.04-1.93+70.13+67.76+10.40=153.4kN.m(4) 截面偏心及应力检算C=0.37me=-C=-0.37=0.48 <0.3b=0.51(可)max=266.56kNm20.27MPa<a=1.5MPa(可)(5) 翼墙基底偏心、应力及稳定性检算1)墙背主动土压力EE=(hb+1.10)2×0.5=×18×8.62×0.1566×0.5=52.12kN2)倾覆力矩M0M0=E(hb+1.10)=×52.12&

10、#215;8.60=149.41kN.m3)稳定力矩My墙身自重PP=147.94+0.5×(2.1+2.2)×1.0×22=195.24kN稳定力矩MyMy=5.75×0.5+(7.5-0.25)×0.1+0.5-1.56×0.5+(7.50-0.15)×0.1+0.5+82.5×0.5+7.0÷2×0.1+0.5 +42.35×1.0+0.35+5.0÷2×0.1+0.5+18.9×2.10÷2-0.5+0.5+33.40=9.92-2.71

11、+111.38+88.94+19.85+33.40=260.78kN.m4)翼墙基底偏心及应力检算P=Pcos0+Esin0=195.24×+52.12×=194.27+5.18=199.46kNC=0.56me=-C=-0.56=0.49<=0.53mmax=237.45 KNm20.24MPa<=0.3MPa5)稳定检算倾覆稳定系数K0K0=1.75>1.5(可)滑动稳定系数KcKc=2.46>1.3(可)2.3.2 端墙墙身截面偏心及应力检算(1)端墙墙背主动土压力E端墙计算条带宽度取0.5m，计算条带高度为7.4m，计算条带中线距线路中线为5

12、.68m。b=0.5+5.68×0.04=0.73ma=1.2-(0.73-0.5)×1.25-1.1-0.5-0.3-(0.73-0.35)×0.1=0.65m已知：tan=0.8,=38o40,tan=0.6526,=0.2235h0=0.57mH1=7.40-b-h0=7.40-0.73-0.57=6.10mH1+ h0=6.10+0.57=6.67mh4=1.18m1=H1=18×6.11×0.2235=24.54kN/m22=18×(1.18-0.56)×0.2235=2.45 kN/m23=2=×2.4

13、5=13.85 kN/m2E=E1+ E1=×(H1+ h0) 3×0.5+×(H1+ h0- h4)×(1-3)×0.5=0.5×6.67×13.85×0.5+0.5×5.49×10.69×0.5=37.76kN(2)倾覆力矩M0M0=( H1+ h0) E1+( H1+ h0- h4) E2=×6.67×23.09+×5.49×14.67=54.32kN.m(3)稳定力矩My1)墙身自重P 图2.4 端墙尺寸图P=(7.40-0.35)

14、15;1.1×22-12×(0.3×0.90×22)-0.18×0.9×22-12×0.9×0.09×22+0.6×0.35×23-12 ×0.1×0.1×23×0.5 = 170.61-2.97-3.56-0.89+4.83-0.12×0.5=83.95kN2)稳定力矩MyMy85.31×(7.40-0.35)×0.1÷2+1.1÷276.99kN.m3)偏心应力及检算C=0.27me=-C=-

15、0.27=0.28<0.3b=0.33mmax=199.91KN/m2=0.2MPa<=1.5MPa(可)(2) 端墙与翼墙共同作用时的稳定性验算1)端墙墙背主动土压力E端墙总高度为12.7m，端墙与翼墙共同作用时的计算宽度b1为：b1=Bm-=7.36-=1.93mb=0.5+(+)×0.05=0.82ma=1.2-(0.82-0.5)×1.25-1.1-0.3-0.5-(0.82-0.35)×0.1=0.55mh0=0.48mH1=H-b-h0=12.70-0.82-0.48=11.4mH1+h0=11.4+0.48=11.88mh4=1.0m1=

16、H1=18×11.88×0.2235=47.79kNm22=(h4- h0) =18×(1.0-0.48)×0.2235=2.09kNm23=2=×2.09=24.83kNm2E=E1+E2=( H1+h0) 3 b1+( H1+h0- h4)( 1-3) b1=×11.88×24.83 ×1.93+×10.88×(47.79-24.83)×1.93=284.66+241.06=525.72kN2)端墙自重P1P1=(12.70-0.35)×1.1×22×

17、1.93=576.82kN3)翼墙自重P2翼墙采用分段法施工，其自重取距端墙底3m范围内的翼墙计算图2.5 洞门剖面图图2.6 端墙细部尺寸图由图可知：=x=0.17mh1=9.56-(2.0+0.17)=7.39ml1=3.0+0.1 h1=3.0+0.1×7.39=3.74mh2= h1-=7.39-=4.40mA1=(hy+ h2+2.0)×(3.0+0.1 hy)×-×0.1 hy×hy=(9.56+4.40+2.0)×(3.0+0.1×9.56)×0.5-0.5×0.1×9.56

18、15;9.56=15.96×1.98-4.57=27.03m2A2=( h1+ h2)×(3.0+0.1 h1)×-×0.1 h12=(7.39+4.40)×(3.0+0.1×7.39)×0.5-0.5×0.1×7.392=19.31m2P2=V1+V2+V3-V42+V5=27.03×1.0+19.31×0.7+(0.4+0.5)×1.0×12×3-(0.4+0.5)×0.3×12×(3.0+9.56×0.1)&#

19、215;22+(27.03-19.31)(0.7-0.22)×18=27.03+13.52+1.35-0.53×22+97.27=1007.41kNKc=1.301>1.3(可)根据上述计算，隧道洞门结构安全。3 利用fortran程序对衬砌结构进行检算隧道衬砌结构根据结构力学方法(荷载-结构模型)，假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式，按照弹性链杠法原理来计算衬砌结构的内力。3.1围岩压力的计算3.1.1计算公式采用容许应力法，计算双线深埋隧道时围岩压力按松散压力考虑，其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及下表确定。(

20、1) 垂直均布压力q=hh=0.45×2s-1×ww=1+i×(B-5)式中， q围岩垂直均布压力(kPa) 围岩重度(kNm3) i当B>5m时，i取0.1 h围岩压力计算高度(m) s围岩级别。(2) 水平均布压力表3.1 围岩水平均布压力3.1.2计算结果(1) 级围岩 取水平均布压力系数为0.2，围岩重度=22kNm3,可确定深埋隧道衬砌围岩的松散压力为：垂直均布压力因为B=11.22m>5m, 则i=0.1,w=1+i×(B-5)=1+0.1×(11.22-5)=1.6h=0.45×2s-1×w=0.4

21、5×24-1×1.62=5.83mq=h=22×5.83=128.30kNm水平均布压力e=0.2q=0.2×128.30=25.66kNm故可作出级围岩衬砌断面受力图如图所示： 图3.1 级围岩衬砌断面受力图(2) 级围岩 取水平均布压力系数为0.4，围岩重度=18kNm3，可确定深埋隧道衬砌围岩的松散压力为：垂直均布压力因为B=11.36m>5m, 则i=0.1,w=1+i×(B-5)=1+0.1×(11.36-5)=1.64h=0.45×2s-1×w=0.45×25-1×1.64=1

22、1.81mq=h=18×11.81=212.54kNm水平均布压力 e=0.4q=0.4×212.54=85.02kNm故可作出级围岩衬砌断面受力图如图所示:图3.2 级围岩衬砌断面受力图3.2 衬砌结构及围岩结构的理想化隧道衬砌是实现拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杠单元所组成的折线形组合体。由铁路隧道设计规范可知，单线电气化铁路在进行节点划分时，要不少于16个单元，在本设计中，把衬砌划分为28个单元，节点数为29，隧道衬砌单元划分如图所示：图3.3 隧道衬砌单元划分示意图将弹性抗力作用范围内的连续围岩，离散为若干条

23、彼此互不相关的矩形岩柱，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杠支撑于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。弹性支撑的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支撑水平设置。围岩的理想化如图所示： 图3.4 围岩的理想化3.3衬砌内力的确定按照弹性链杠法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。3.3.1 级围岩二衬(1) 数据的输入29,17.5,1.5e6,85.02,212.54,20000.0,25000.0,0.8544.877,8.200,1

24、,0,1,1,0.854 5.026,7.385,1,1,1,1,0.650 5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 5.005,4.197,1,1,1,1,0.500 4.763,3.453,1,1,1,1,0.500 4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 2.880,1.001,0,1,1,1,0.500 2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 1

25、.519,0.259,0,1,1,1,0.500 0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 0.000,0.000,0,1,1,1,0.500 -0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 -1.519,0.259,0,1,1,1,0.500 -2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 -2.880,1.001,0,1,1,1,0.500 -3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 -3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 -4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 -4.763,3.453,1,1,1,1,0.500 -5.005,

26、4.197,1,1,1,1,0.500 -5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 -5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 -5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 -5.026,7.385,1,1,1,1,0.650 -4.877,8.200,1,0,1,1,0.854(2) 部分程序运行结果： NODAL FORCE NO. N Q M 1 1219.031 -1132.622 -1.462 2 1207.794 -382.242 -12.144 3 1188.329 -308.900 -15.593 4 1175.349 -216.993 4.620

27、5 1166.549 -37.271 21.729 6 1157.550 152.456 22.999 7 1147.202 334.774 23.259 8 1134.023 520.762 24.358 9 1113.359 684.417 24.215 10 1080.968 777.456 17.286 11 1036.669 768.539 4.885 12 987.866 651.158 -8.666 13 945.476 384.485 -26.480 14 917.052 15.301 -43.053 15 907.007 -370.479 -50.137 16 917.052

28、 -647.490 -43.053 17 945.476 -789.522 -26.480 18 987.866 -786.642 -8.666 19 1036.669 -696.647 4.885 20 1080.968 -533.068 17.286 21 1113.359 -338.308 24.215 22 1134.023 -151.768 24.358 23 1147.202 26.435 23.259 24 1157.550 198.261 22.999 25 1166.549 305.657 21.729 26 1175.349 277.341 4.620 27 1188.32

29、9 286.954 -15.593 28 1207.794 519.141 -12.144 29 1219.031 12.893 1.462 根据程序运行结果，做出隧道级围岩衬砌结构内力图如下图所示: 图3.5 级围岩结构衬砌内力图(左侧为轴力图,单位kN,右侧为弯矩图，单位kN.m)3.3.2 级围岩二衬(1) 数据的输入：29,21.5,3.6e6,25.66,128.30,20000.0,25000.0,0.7784.839,8.175,1,0,1,1,0.7784.992,7.366,1,1,1,1,0.5675.097,6.556,1,1,1,1,0.4675.153,5.747,1

30、,1,1,1,0.4505.122,4.961,1,1,1,1,0.4504.985,4.193,1,1,1,1,0.4504.746,3.451,1,1,1,1,0.4504.408,2.749,1,1,1,1,0.4503.977,2.098,1,1,1,1,0.4503.463,1.513,1,1,1,1,0.4502.873,1.002,0,1,1,1,0.4502.220,0.576,0,1,1,1,0.4501.516,0.259,0,1,1,1,0.4500.769,0.065,0,1,1,1,0.4500.000,0.000,0,1,1,1,0.450-0.769,0.065,

31、0,1,1,1,0.450-1.516,0.259,0,1,1,1,0.450-2.220,0.576,0,1,1,1,0.450-2.873,1.002,0,1,1,1,0.450-3.463,1.513,1,1,1,1,0.450-3.977,2.098,1,1,1,1,0.450-4.408,2.749,1,1,1,1,0.450-4.746,3.451,1,1,1,1,0.450-4.985,4.193,1,1,1,1,0.450-5.122,4.961,1,1,1,1,0.450-5.153,5.747,1,1,1,1,0.450-5.097,6.556,1,1,1,1,0.467-

32、4.992,7.366,1,1,1,1,0.567-4.839,8.175,1,0,1,1,0.778(2) 部分程序运行结果：NODAL FORCENO. N Q M 1 774.819 -16278.807 -1.334 2 767.642 -3426.718 34.632 3 754.583 -1833.636 63.540 4 745.255 -987.800 99.436 5 737.920 20.405 124.059 6 727.576 979.474 129.204 7 712.036 1842.430 120.988 8 690.447 2498.046 100.271 9

33、661.464 2891.782 68.36310 624.930 2917.920 27.10211 583.023 2609.088 -19.32012 539.830 2014.641 -62.96513 501.328 1102.740 -101.819 14 474.753 25.777 -130.796 15 465.339 -1072.918 -141.606 16 474.753 -1988.782 -130.796 17 501.328 -2645.713 -101.819 18 539.830 -2921.130 -62.965 19 583.023 -2889.508 -

34、19.320 20 624.930 -2533.312 27.102 21 661.464 -1863.270 68.363 22 690.447 -1005.654 100.271 23 712.036 -26.629 120.988 24 727.576 974.450 129.204 25 737.920 1821.337 124.059 26 745.255 2434.511 99.436 27 754.583 3787.594 63.540 28 767.642 8278.427 34.632 29 774.819 -43.684 1.334根据程序运行结果，做出隧道级围岩衬砌结构内

35、力图如下图所示: (左侧为轴力图,单位kN,右侧为弯矩图，单位kN.m) 图3.6 级围岩结构衬砌内力图(左侧为轴力图,单位kN,右侧为弯矩图，单位kN.m)3.4衬砌内力检算3.4.1强度检算方法衬砌结构内力算出后，必须进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应立法进行。拱形隧道属偏心受压构件，其截面强度检算 根据轴力偏心距e0=M/N的大小可分为两种情况：(1) 抗压强度控制(e00.2d)混凝土结构的强度可按下式计算： K=式中， Ra混泥土或砌体的抗压极限强度，可分别按规范中的表或表采用。 K安全系数，按规范表1采用。 N轴向力(MN) b截面的宽度(m) h截面的厚度(

36、m) 构件的纵向弯曲系数：对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，可取=1.0 轴向力的偏心影响系数，按规范表3采用，或按公式计算： =1.000+0.648()-12.569()2+15.444()3(2) 抗拉强度控制(e0>0.2d)混凝土结构的强度可按下式计算： K=式中，R1混凝土的抗拉极限强度，按规范表采用。 e0截面偏心距(m) 其他符号意义同前。3.4.2 强度检算：按照上述混泥土衬砌界面强度检算方法，利用execl表格进行检算，其中，混凝土达到抗压或抗剪极限强度时K=2.0，混凝土达到抗拉极限强度时K=2.4，据此分别作出隧道级围岩和级围岩的检算结果如下：表3.2

37、级围岩检算表表3.3 级围岩检算表4 衬砌及围岩结构的ANSYS有限元分析有限元是一种离散化的数值解法，对于结构力学特性的分析而言，它的理论基础是能量原理，得到的方程组中所含未知数的性质有三种情况：一种是以位移作为未知量的分析法，这种情况称位移法。位移法采用最小位能原理或虚位移原理进行分析；另一种是以应力为未知量的分析法，称作应力法。应力解法常采用最小余能原理进行分析；第三种是以一部分位移和一部分应力作为未知量的分析法，属于位移法、应力法，称为混合法，采用修正的能量原理进行分析。通过上述分析介绍可知，虚位移原理或最小位能原理、最小余能原理是有限元的又一重要理论基础。有限元法的模拟能力强，可以考

38、虑岩土介质的非均质性、各向异性、非连续性和材料与几何非线性等等，且能适用于各种实际的边界条件。有限元法的缺点是需要将整个物理系统离散成有限自由度的计算模型，并进行分片插值，数据量大，耗时长，精度相对较低。有限元法是把要分析的连续体假想地分割成有限个单元所组成的组合体，简称离散化。这些单元仅在顶角处相互联接，称这些联接点为结点。离散化的组合体与真实弹性体的区别在于：组合体中单元与单元之间的联接除了结点之外再无任何关联。但是这种联接要满足变形协调条件，即不能出现裂缝，也不允许发生重叠。显然，单元之间只能通过结点来传递内力。通过结点来传递的内力称为结点力，作用在结点上的荷载称为结点荷载。当连续体受到

39、外力作用发生变形时，组成它的各个单元也将发生变形，因而各个结点要产生不同程度的位移，这种位移称为结点位移。在有限元中，常以结点位移作为基本未知量。并对每个单元根据分块近似的思想，假设一个简单的函数近似地表示单元内位移的分布规律，再利用力学理论中的变分原理或其他方法，建立结点力与位移之间的力学特性关系，得到一组以结点位移为未知量的代数方程，从而求解结点的位移分量。然后利用插值函数确定单元集合体上的场函数。显然，如果单元满足问题的收敛性要求，那么随着缩小单元的尺寸，增加求解区域内单元的数目，解的近似程度将不断改进，近似解最终将收敛于精确解。4.1 级围岩ANSYS分析 根据铁路隧道设计规范中对在五

40、级围岩中深埋隧道覆盖厚度值的规定，级围岩段隧道埋深厚度区40m，左右各取50m，向下取50m的范围的区域建立模型分析内力。图4.1 CAD图 图4.2有限元模型图 图4.3 地层变形图 图4.3 弯矩图 图4.4 轴力图图4.6 剪力图表4.1 级围岩安全系数计算表.4.2 级围岩ANSYS分析 根据铁路隧道设计规范中对在四级围岩中深埋隧道覆盖厚度值的规定，级围岩段隧道埋深厚度区25m，左右各取45m，向下取45m的范围的区域建立模型分析内力。图4.7 CAD图图4.8 有限元模型图 图4.9 地层变形图表4.2 级围岩检算表5 兰青二线二号隧道进口实施性施工组织设计5.1 编制依据及编制范围

41、5.1.1 编制依据(1)兰青二线二号隧道衬砌图洞门图。(2)兰青二线二号隧道工程工期要求。(3)铁道部(4)(5)5.1.2编制范围 兰青二线二号隧道进口段，里程DK6+498 DK6+749,长1251m5.2工程概述5.2.1工程概况6+4987+749251m5.2.2工程地质和水文地质特征：工程地质特征：洞身通过地层为白垩系砂岩夹泥岩，棕红色，钙泥质弱胶结，岩质较软，节理较发育，岩体较破碎，岩石内结构不均匀，风化层3.79.6m，级硬土，0=300KPa，弱风化层，级软石，0=500KPa，出口陡坎顶部分布由上更新统粗砾土，级硬土，0=650KPa，进出口陡坎下分布有薄层第四系全更新

42、统坡积角砾土，级硬土，0=650KPa。洞身上覆盖有较厚的上更新统砂质黄土，级普通土，0=150KPa.工程范围内地层结构简单，断裂褶皱构造不发育，泾河下切强烈，新生代以来构造运动以整体抬升为主，河流阶地发育，隧道范围无断裂和褶皱构造，以水平岩层为主。(4) 防排水设计防排水设计：洞内设置双侧保温水沟，拱墙背后设厚度不小于1.2mm的防水板，板后铺设无纺布缓冲层，拱墙环向墙脚纵向设盲管（沟），墙脚纵向设80mm软式透水管盲沟与环向盲沟联通，通过边墙泄水孔排入洞内侧沟。施工缝设外贴止水带加中埋式止水条（带）构成复合防水构造，变形缝采用由中埋式止水带与外贴式止水带、嵌缝材料构成复合防水构造，纵向施

43、工缝设中埋刚型止水带和外贴式止水带。5.2.3气象资料总体来说气候干燥，降水较少，昼夜温差大，大陆性较强。冬季比较寒冷，春季多沙尘暴，夏季气候相对凉爽。由于该地区部分属于温带大陆性气候，气候特征概括起来就是：冬冷夏热，年温差大，降水集中，四季分明，年降雨量较少，大陆性强。干燥少雨，气候呈极端。气温的年、日较差也越大，夏季高温，冬季寒冷，全年降水少，降水主要集中在夏季。5.2.4 施工环境(1) 交通条件及场地布置施工场地交通较为不便，交通状况较差，便道引入困难结合现场地形,工程规模,工期,地形特点,弃渣场和水源等情况,本着因地制宜,充分利用地形,合理布置,统筹安排的原则进行。合理布置大堆材料、

44、施工备品及回收材料堆放场地的位置。运输便道、场区道路和临时排水设施等，要统一规划，做到合理布局、形成网络。弃渣场地要容量足够，且出渣运输方便。(2) 电力供应该地电力供应较为不便，需额外引入。(3) 水源5.2.5 工程重、难点分析及应对措施5.3 隧道施工严格按照“新奥法”的施工原理进行施工，以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆喷射混凝土为主要支护方法，把理论量测和经验相结合。及时支护，充分利用围岩的自稳性，提高围岩与支护结构的共同作用。施工过程中，执行“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测”的施工原则。及时进行封闭。总之，在施工中，必须遵循的基本原则是“少扰动早喷锚勤量测紧封闭”：

45、(1)围岩是隧道的主要承载单元，要在施工中充分保护和爱护围岩。(2)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩发生可控制的变形。(3)变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。(4)在施工中，必须进行实地量测控制，及时提出可靠的数量足够的量测信息，以指导施工和设计。(5)在选择支护手段时，一般应选择能大面积牢固的与围岩紧密接触的能及时施设和应变能力强的支护手段。(6)要特别注意，隧道施工过程是围岩力学状态不断变化的过程。(7)在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。(8)在隧道施工中，必须建立设计施工检验地质预测量测反馈修正设计一体化施工管理系统，以不断提高和完善

46、隧道施工技术。(1)(2)安设锚杆和钢筋网，必要时可加设钢支撑，喷射混凝土。(3)用推铲机将石渣推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。(4)根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断面时再将临时底拱挖掉。下半断面开挖：(1)用两臂钻孔台车钻眼，装药爆破，装渣直接运至洞外。(2)安设边墙锚杆(必要时)和喷混凝土。(3)用反铲挖掘机开挖水沟，喷底部混凝土，浇筑水沟。5.4 隧道洞口施工洞口开挖前作好天沟等防排水设施，再行开挖边仰坡，洞门土石方应严格按自上而下的开挖顺序，边开挖，边支护，边验收，在洞门部位爆破，应根据实

47、测地形地质条件分析，确定包括钻孔机具、钻孔参数、炸药和雷管参数在内的作业计划，合理确定爆破作业的孔距、排距、爆破孔方向等参数，尽可能减少对边坡的破坏，保证成洞围岩不被破坏。为防止地表水流向洞口，需设置排水天沟，将水排向洞口两侧底部，避免地表水沿洞门边坡漫流。洞门边坡支护采用锚杆和喷射砼进行支护，必要时增加钢筋网喷射砼支护，覆盖层土开挖采用人工自上而下，岩石开挖，采用风钻钻眼，空压站供风，2#岩石安全炸药爆破，塑料导爆管起爆，自上而下分层开挖。尽早修建洞门，以策安全。5.5 5.5.1初期支护 施工准备在喷射砼前28天，把喷射砼场地布置图、机具、操作方法、混合料配合比及外掺剂等，做成详细报告，提

48、交监理工程师，报请批准。 喷射混凝土1)喷射混凝土准备工作在喷射砼前，检查隧道开挖净空尺寸，凿除欠挖部分，对喷射面所有的开裂，崩解破损岩面进行清除和处理；在喷射砼现场备一台备用湿喷机，以备在机械现场故障时即可投入使用。2)喷射混凝土初喷：清理喷射面后，用高压风、水冲洗岩面，然后采用湿喷机进行喷射砼作业，喷射时，喷嘴正对受喷面作均匀顺时针方向螺旋转动，螺旋直径2030cm，以使砼喷射密实。当岩面有较大坑洼时，先喷凹处，然后喷平。初喷厚度，掺速凝剂时达到23cm，喷射时，可插入比喷射砼厚度大5cm铁线，约12m设一根，作施工控制之用。复喷：复喷在初喷终凝、工字钢拱架架立并固定好后进行，如时间超过1

49、小时，受喷面用风、水清洗。其喷射砼方法与初喷时相同。初喷、复喷砼的回弹物均不得重复使用。如受喷面有水时，必须根据试验结果增添外掺剂。喷射砼终凝时，即开始洒水养护，养护时间保持14天以上。锚杆隧道锚杆均采用系统锚杆，锚杆长度L=400cm；环向间距0.75m，纵向间距0.75m，呈梅花形布置。锚杆均在初喷砼后进行打设安装。施工时，锚杆采用风钻钻眼，其眼口圆顺且孔口岩面平整，并尽量使岩面与钻孔方向垂直，眼钻完后用高压风清孔，并将锚杆边旋转边送入眼孔，检查眼孔是否平直畅通，不合格者重新钻眼。在合格的眼孔中插入装好锚头的锚杆，安装止浆塞、垫板、螺母，锚杆安装后外露长度60mm，采用KBY50/70型或

50、性能类似的注浆泵注水泥砂浆，注浆时注意将眼孔中的气体排出，注浆压力控制在0.51.0Mpa，并保证锚固段注浆饱满。钢筋网本隧道钢筋网采用环向、纵向8圆钢，网格20×20cm，全断面(不包括仰拱)设置。在初喷后安装，钢筋网紧贴受喷岩面的起伏铺设。钢筋网的混凝土保护层不小于20mm，且与锚杆连接牢固，在进行喷射作业时不颤动。钢构件支撑本隧道钢构件采用I20a钢支撑，间距60cm或75cm；制作时，先在平滑的地板上放出钢构件1：1大样图，然后根据大样进行钢构件的加工制作。加工前对所用的钢材进行除锈，对锈蚀比较严重的严禁使用。安装时应分片进行，清除安装钢构件部位开挖面的松动岩石和断面内的欠挖

51、部分。然后按测量工定出的位置进行安装，安装时严格按测量放样的位置进行。钢架安装要点：1)安装前分批检查验收加工质量；2)钢拱架的拱脚应有一定的埋置深度，并必须落在原状土上；3)清除干净脚底处浮渣，超挖处加设钢(木)垫块，其中间段接头板用砂子埋住；以防砼堵塞接头板螺栓孔；4)按设计焊接定位系筋及纵向连接，段间连接安设垫片拧坚螺栓；5)严格控制钢拱架的中线及标高尺寸；6)钢拱架与岩面间安设鞍形砼垫块，确保岩面与钢拱架密贴、牢靠、稳固；7)钢拱架要安设垂直，其垂直度允许误差不得大于±2°。5.5.2主洞二次衬砌采用先墙后拱法施工，由于双连拱隧道的常规做法是必须贯通中导并有部分侧导

52、需要开挖，根据施工程序需要，边墙砼最先灌注，开挖后利用全液压衬砌台车施作拱部二次衬砌，台车采用导轨推进方式，由洞口向洞内推进。二次衬砌施工注意事项： (1)坚持使用监控量测指导施工原则组织施工，当围岩变形较大，流变特征明显(喷砼开裂剥落)时必须及时施作整体衬砌，必要时施作仰拱；(2)二次衬砌要在围岩和初期支护基本稳定后施作，变形稳定要符合以下规定：1)隧道周边变形速率有明显减缓趋势；2)水平收敛（拱脚处）速度小于0.15mm/d；3)施作二次衬砌前的总变形量已达到预计变形量的80%；4)初期支护砼表面裂缝不再继续发展。(3)灌注砼时要分层振动，砼拆模时间要符合以下要求：1)承受较大压力的拱墙，

53、在封口砼达到设计强度100%后拆模；2)承受较小压力的拱墙，在封口砼达到设计强度70%后拆模；3)不承受围岩压力的拱墙，砼强度达到5mp后可拆模；4)拱墙部承压大小由量测结果反馈。(4)背后与初期待支护的空隙必须回填密实并按以下要求与衬砌同时施工：1)墙基底，拱脚上1m范围内的超挖，用与边墙同标号的砼灌注；2)其余部分超挖在允许范围内时，用与衬砌同标号砼回填，超过大于规定时，用干砌片石回填。3)为保证成型后，隧道的中线、标高、断面尺寸和净空均符合设计要求，施工，在确保符合设计要求的前提下，将边墙放宽适当宽度，具体由施工时根据具体情况而定。5.5.3超前支护(1) 施工方案 本隧道超前支护措施设以下三种：42超前小导管：级围岩，每环长度4.5m；22超前锚杆：级围岩，每环长度4.5m。(2) 超前小导管超前小导管采用外径42mm，壁厚4mm，长450cm的热轧无缝钢管，钢管前端呈尖锥状；管壁四周钻注浆孔，孔径为8mm，孔间距10cm，呈梅花形布置，尾部30cm不钻注浆孔作为止浆段。钢管与衬砌中线平行，以外插角10o打入拱部围岩；钢管环向间距50cm。超前小导管施工工艺流程：测量放样钻孔清孔钢管插入封口注浆与钢架或锚杆焊接。施工方法：1)测量放样：按设计要求，在掌子面上准确画出本循环需施设的小导管孔位。2)钻孔：小导管在打孔前，按设计要求划出小导管的