某隧道课程设计计算书

安徽省铜汤高速公路要穿越黄山的焦家山，在该山建一隧道。隧道址区属构造剥蚀低山区，海拔105.2m—231.1m,相对高差125.9m。山脊走向35度左右，隧道轴线与山脊走向工作区属亚热带湿润季风气候区，梅雨区40天左右，年平均气温为15.2—17.3度，最高日平均气温为42度，最低日平均气温为一20度。七、八月气温最高，一月气温最低。区内雨量充沛，多年平均年降雨量为1673.5mm,最大为2525.7mm,最小为627.9mm,多地层岩性主要为志留系畈村组粉砂岩(S₂fn)和第四系全新统崩坡积成因碎石土(地震设防烈度：7级(1)确定隧道开挖方式及隧道断面布置图；(2)围岩压力计算；(3)隧道支护设计图；(4)隧道衬砌设计图。(3)《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；(4)《地下结构静力计算》天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室编中国建筑工业本公路设计等级为高速公路双向四车道，由《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)分离式独立双洞间的最小净距为2.0B,B为隧道开挖断面的宽度。因围岩条件较好，选隧道断面形式为直墙式。J=J右=1.00m,检修道高度h=0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道E=Eg=1.00m,隧道纵坡不应小于0.3%,不应大于3%,本处取2%。具体建筑限界图一公路隧道建筑限界(单位：cm)由《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)4.4.6有：上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。本隧道长168m,设置一处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。图二人行横通道的断面建筑限界(单位：mm)故：隧道限界净宽为：11.5m;隧道限界净高：5m;内轮廓形式：单心圆R=6.8m;净高：7m;向外取衬砌厚度0.4m,则：隧道开挖宽度B,=12.5m;隧道开挖高度：H,=7.4m;取两分离式洞口之间左右间距为40m;该段隧道的埋深H=67.087m。洞口的开挖方式见施工组织设计。三、围岩压力计算隧道支护结构的垂直均布压力：B>5m,取i=0.1,o=1+i(B-5)=1+0.1×(12.5-5)=1.75,三、隧道初支查看《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004),则：由8.1.1有：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路应采用复合式衬砌。8.4.1有：复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定：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，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由8.4.2有：复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算。初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表8.4.2-1选用。由表8.4.2-1,对于Ⅲ级围岩，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为8～12cm,拱、墙锚杆长度为2.0～3.0m,间距1.0～1.5m;钢筋网：局部@25×25;二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm。本隧道大部分地段为深埋隧道。深埋隧道外层支护，根据《规范》规定，采用锚喷支护，120mm;钢筋网：局部@25×25。因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计，采用直墙式衬砌，拱顶采用取衬砌中线为计算线，则：隧道计算宽度为12.3m,计算高度为7.2m。顶拱和边墙的厚度均为0.4m,宽度为1.0m,跨度1=12.3m,拱的矢高f=3.7m,垂直均,衬砌选用C30混凝土，其弹性模图三隧道衬砌计算模型(单位：m)2、拱顶的计算(1)几何尺寸ah=1.319×3.5=4.62>2.75(边墙属于长梁)。(2)计算各项特征数值(计算过程参考《地下结构静力计算》一书)(a)拱的单位变位由式(3-18)与附表53,得：(b)拱的载变位由式(3-19)与附表54,得：(c)拱的弹性抗力变位由式(4-8)与附表57,得：(d)墙顶(拱脚)的单位变位边墙属于长梁，按式(4-15)计算墙顶的单位变位。因为边墙属于长梁，且不承受水平荷载，故：(e)左半拱上的荷载引起墙顶处的竖向力、水平力和力矩由于竖向均布荷载qo:由于弹性抗力σ:按式(4-7a)与附表57,得：将以上算出的各项数值代入式(4-4)中，则得：将以上算出得各A值代入式(4-3),得：99.6482x₁+154.1468x₂-829.1解出：代入式(4-6):解得：σ=2.1561q₀(4)求拱顶的内力由于对称关系，将左半拱分为四等段，计算0~4各截面的弯矩M和轴力N,见图410(a),N,=x₂cosφ+qoxsinφ+Vsinφ-Hcosq截面01234坐标尺寸的计算见表2,弯矩M,的计算见表3,轴力N,的计算见表4。表2拱轴线的坐标截面φxy0115°4315”231°2630”34截面V001234表4拱的轴力N截面012343、边墙的计算边墙属于长梁，按式(4-14)进行计算。由于对称，仅取左边墙。边墙的弹性标值α=1.319。墙顶的力矩M₀及水平力Q₀按式(4-10)计算，得：=4.8219+3.7×40.8492-18.3013×7.875-0.7953×2.15将坐标原点取在墙顶，分边墙为四等段，求4～8各截面的弯矩M、轴力N,和弹性抗力σ。由式(4-14):σ,=Ky=2a²M₀Q₃+2aQq=-2×1.319²×1.6634φ₃+2×1.319×27.3456每等段的边墙自重为：故4-8各截面的轴力为：表5边墙的M、N、σ截面X4005678弯矩图和轴力图见下页图所示。以上的计算结果表明：再墙的6、7各截面处其弹性抗力为拉力(对围岩),这是不合理4、二次衬砌设计(1)因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计；(2)衬砌结构防水：本隧道放水采取以下措施：1、复合式衬砌间采用防水夹层；2、混凝土本隧道采用复合式衬砌，设计应用近似解析法结合工程类比法确定衬砌支护参数。但复合式衬砌设计和施工密切相关，应结合施工，通过测量监控取得数据不断修改和完善设计。隧道采用新奥法施工。岭头一号左右线从出口端掘进，岭头二号隧道采用双头掘进。IV级围岩采用台阶法开挖，Ⅱ,Ⅲ级围岩采用全断面开挖。隧道均采用无轨运输，施工时坚持“短进尺，弱爆破，快封闭，勤量测”的原则；首先进行明洞、洞口土石方及边仰坡施工，并施作防排水及坡面防护，洞口土石方采用机械开挖，部分辅以凿岩机钻眼，小炮控制开挖，人工刷整边坡，自卸汽车运输的方法施工。洞身施工，隧道衬砌按仰拱超前，拱墙一次衬砌喷射砼采用湿喷工艺，降低回弹量和粉尘；隧道衬砌采用液压钢模衬砌台车，按仰拱超前，拱墙一次衬砌，砼集中拌和，砼运输车运输至作各业面，泵送砼入模，插入式捣固器与附着式捣固器联合振捣。隧道通风采用压入式风机通风。施工中加强围岩的监控量洞口土石方施工采用人工配合挖掘机分两次开挖，第一次开挖至起拱线位置，待拱顶(a)施工前，按设计进行测量放线，标出起拱线位置及拱脚开挖宽度并用红油漆作出明(b)开挖前按要求施作洞口仰坡截、排水系统，然后用挖掘机从上至下逐层顺坡开挖，(c)洞口开挖成型后，及时施作锚喷及边坡防护，稳定边明洞土石方开挖完成后，绑扎仰拱钢筋，灌注仰拱混凝土，砼达到设计强度后，衬砌台车就位并安装明洞洞身段模型，绑扎边墙及拱部钢筋，砼输送泵一次连续浇注成形。(3)洞身开挖施工方法(a)挂齿进洞方法为保证隧道进洞施工安全，进洞前，安装型钢支架、关模并浇筑套拱混凝土，然后施作超前管棚注浆加固围岩。采用弧形导坑法进洞，用挖掘机为主要开挖机具。进洞后，转构稳定，设超前管棚注浆加固围岩。大管棚采用DP120型跟管钻机钻管孔，将加工好压浆孔钢管随钻头跟进孔内，用丝扣接长钢管，确保管孔位置正确，避免“沉头”和串孔。加快各工序的施工进度，及时封闭，及时成环，喷砼加厚。(b)施工顺序测量布眼→钻上导坑炮眼→上部开挖→上部初期支护→台车钻下导坑炮眼→下部开挖→下部初期支护→防水层施工→仰拱施工→二次衬砌(模筑砼)→管沟施工→路面施工。测量布眼→台车钻眼→全断面开挖→拱墙初期支护→防水层施工→二次衬砌模筑→管(c)洞身开挖本设计包括IV级围岩台阶法上下半断面开挖，Ⅲ级围岩全断面开挖的炮孔布置，装药每次爆破进尺根据围岩状况确定：每次爆破后均对围岩及其稳定性作出评估，其结果AIN级围岩采用短台阶新奥法施工，台阶长度5米。台阶上部钻眼深度1.7m,光面爆破，每次进尺1.5米，台阶下部钻眼1.7m光面爆破，每次进尺1.5米。开挖过程中，初期BⅡ、Ⅲ级围岩采用全断面开挖。开挖预留变形量形监测结果进行调整。炮眼深度每循环2.7m,光面爆破掘进，每次进尺2.5m。爆破设计当循环进尺在2.0m以内时采用二级斜眼复合楔形掏槽，当循环进尺大于2.0m时采用直眼掏槽。隧道边墙及拱部均按“光面爆破”设计，爆破后不得有欠挖，线性采用击发枪导爆管轴向起爆、非电毫秒雷管及导爆索并联孔内微差起爆体系。炸药采用乳化炸药。光面爆破专用炸药构造简图如下图所示。每循环爆破后，对残眼长度、爆碴集中度和块度、周边孔痕迹率、岩面平整度、循环间衔接台阶高度、围岩稳定性以及断面轮廓、超欠挖情况等爆破效果参数进行量测与描述，并根据爆破效果适当调整循环进尺、周边孔、内圈孔间距及抵抗线、掘进孔密集度及炸药用量、掏槽孔布置及掏槽孔深度等爆破设计参数。爆破设计见附件7《爆破设计图》所示。④爆破后找顶选派有施工经验、工作责任心强、体格强壮的人员担任找顶工作，每座隧道每班配不少于2名的找顶工找顶。消除下道工序的施工隐患，并为初期支护加强度提供依据。(4)隧道通风及排水(a)通风通风管使用φ1000负压柔性风管，悬挂于隧道拱腰部位，压入式通风。当隧道施工长度大于500m时，增加1台通风机抽出式通风，通风管使用φ600的胶皮风管悬挂在另一侧(b)防尘施工防尘采用水幕降尘和个人戴防尘口罩相结合，在距掌子面30m外边墙两侧各放一台水幕降尘器，爆破前10min打开阀门，放炮30min后关闭。水幕降尘方案见下图：隧道为上坡掘进时，设距边墙0.5m设临时排水沟，沿纵坡排水，汇入洞外排水系统；下坡掘进时，每隔20～30m设一集水坑(5)超前支护与初期支护(a)超前小导管注浆加固地层①打孔布管：采用凿岩风钻或台车打眼打孔，孔眼长度大于小导管长度。小导管顶部成尖锥状，尾部焊箍，管壁按梅花形布置小孔，尾部置于钢架腹部，增加共同支护能力。②封面：注浆前，喷射砼封闭工作面，以防漏浆。③注浆：采用水泥浆液注浆，在孔口设置止浆塞，浆液配合比由现场试验确定，注浆时先注无水孔，后注有水孔，从拱顶向下注，如遇窜浆或跑浆，则间隔一孔或几孔注浆。(b)中空注浆锚杆施工①隧道开挖后即按设计要求初喷砼后，即进行锚杆钻孔作业。②中空式注浆锚杆采用风钻打眼。打眼时须严格按设计要求控制孔眼位置，间距及外③锚杆孔成孔后即可安装已加工制作好的锚杆。④严格控制好注浆压力和注浆量，并及时施工监测资料和施工现场的实际情况修正参(c)锚杆钢筋网严格按设计要求和围岩类别设置长度和密度足够的锚杆，并在开挖后尽快安设。锚杆钻孔、安设方向与岩面垂直。注浆锚杆安设就位后，用注浆机注入水泥浆。药卷锚杆采用凿岩机械将锚杆和放药卷入孔中。钢筋网的铺设要与开挖面紧贴，挂网前应先初喷一层砼，钢筋网与锚杆电焊牢固，钢筋网挂好后，再复喷砼至设计厚(d)型钢钢架施工钢架在洞口1:1样台上制作焊接成型后运入洞内进行安装。钢架每榀由各单元组成。钢架安装前先对岩面初喷砼后，测设隧道中线，确定标高，然后再测其横向位置，用红油漆作出明显标志，钢架安装方向垂直于隧道中线。钢架安装时，各单元之间采用螺栓通过连接板进行连接，同时为确定钢架与钢架之间的整体稳定性，每榀钢架之间沿环向设置钢筋进行连(e)湿喷砼施工方法①原材料要求细骨料：采用硬质洁净的中砂或粗砂，砂率根据现场试验确定。粗骨料：采用坚硬耐久的碎石，粒径不大于15mm,级配良好。水：采用不含有影响水泥正常凝结、硬化及影响砼耐久性的有害杂质的工程用水。②湿喷砼施工方法A喷射机械安装好后，先注水、通风、清除管道内杂物，同时用高压风吹扫岩面，清B上料保证连续性，校正配料的输出比。C操作顺序：喷射时先开液态速凝剂泵，再开风，后送料，以凝结效果好，回弹量小，D喷射机的工作风压严格控制在0.5～0.75Mpa范围内，从拱脚到边墙脚拱部的风压为0.4～0.65Mpa,边墙的风压为0.3～0.5Mpa。E严格控制喷嘴与岩面的距离和角度。喷嘴与岩面垂直，有钢筋时角度适当放偏，喷嘴与岩面距离控制在0.8～1.2m范围以内。F喷射时自下而上，即先墙脚后墙顶，先拱脚后拱顶，避免死角，料束呈旋转轨迹运动，一圈压半圈，纵向按蛇形，每次蛇形喷射长度为3~4m。(6)隧道二次衬砌(a)正洞施工方法(b)(b)钢筋制作安装拆模台车就位养护灌注砼板板电市整二次衬砌钢筋在1:1的制作样台上，分单元分片制作成形，各单元间预留足够的搭接长度。运至施工现场安装时，将每片钢筋用纵向钢筋联结成一个整体，连接采用绑扎焊接，纵向钢筋应预留一液压衬砌台车示意图台车调整合格定长度以便与下组衬砌钢筋的联接，并设加强连接筋。搭设作业台架，便于边拱钢筋的安(c)砼施工①模板：本合同段隧道每作业面配备一台衬砌台车和一套模板，平移式交错作二次衬砌(每节衬砌长度12m)。③砼的运输：采用3台规格为6m²的搅拌运输车进行砼运输供应；④砼的浇注：采用砼输送泵泵送浇注砼，并备用一台砼输送泵。⑤砼的振捣：选用插入式捣固器和高频附着式振捣器进行砼振捣。(d)衬砌背后注浆为防止二次衬砌与外防水层之间形成空隙，采用在二次衬砌背后压浆的施工措施进行①压浆孔设在拱顶，每5m隧道预留1个注浆孔。②压浆孔底部孔口紧贴外防水层，为确保压浆孔不被堵塞以及不刺破防水层，采用预③二次衬砌砼灌注56天后，从注浆管逐孔压入1:1水泥浆液，充填二次衬砌与外防(e)仰拱施工①仰拱清底：仰拱开挖完成后，将仰拱顶面标高在边墙上标示，根据仰拱设计断面检查实际断面尺寸，利用采用人工配合清除仰拱局部欠挖，检查合格后进行仰拱施工。②仰拱施工：仰拱砼在模型安装后，用砼运输车运至工作面，插入式捣固器振捣，及③填充砼施工；在仰拱砼强度达到设计强度后进行填充砼施工。采用砼运输车运至工作面，插入式捣固器振捣，根据仰拱顶面标高人工找平顶面并拖毛，及时养护。(f)管沟施工隧道管沟随仰拱一次开挖成型外，开挖后及时清帮，并尽快立模灌注砼衬砌。(7)隧隧道正洞的结构防水设计要求“以防为主，防、排、截、堵相结合”的综合治理原则。①防水系统防水系统由防水砼、防水板和施工缝、变形缝处设置的止水条、止水带组成。②排水系统隧道排水系统由环向、纵向排水管(盲沟)组成。③衬砌拱部进行充填压注水泥砂浆，施做二次砌时拱部纵向按每隔5m间距预留压浆孔。(b)防水层施工采用平台作业车作施工平台，先在初期支护壁上钉衬垫，衬垫为梅花型布置，将防水板粘结在衬垫上。防水层与初期支护密贴，但保持一定的松驰度，粘结牢固。初期支护有渗水地段采用在渗水区及其周边一定范围内，花管注浆封堵，或引排至纵向排水管。只有(8)内砼路面施工方法及洞内附属施工路面工程不是整个标段的控制工程，但是整个路面工程的施工质量却是关键环节，特别是洞内的路面砼一定要保证质量。为整个线路运营创造良好条件。①路面整平层施工工艺流程路面整平层施工工艺流程图业W测量放线[检测-不合格②测量放线标高测量与控制：根据安装模型进度，在立模前一天将纵、横缝交叉点打入钢筋桩，钢杆高出路面30cm,用红油漆在钢筋上划出标高标记，作好记录作为复测依据。立模完成后，砼灌注前，应分别用经纬仪拉小白线等方法复测模板顺直度，用水平仪检测模板标高。模板根据路面设计厚度采用28号轻型槽钢加工成型，型钢口必须打磨平整，以保证型钢立面平整，上口平直，拉传力杆直径