土木工程畢業(yè)設計--隧道的主體結構及主要工程項目的施工設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設計對包家山隧道的主體結構及主要工程項目的施工進行了設計，內容主要包括：對隧道平面、縱斷面、橫斷面的設計以滿足經濟、合理、安全、施工容易等要求；在考慮盡量少刷坡和隧道“早進洞、晚出洞”的原則確定洞門位置；根據隧道進出口地形和工程地質條件，結合開挖邊仰坡的穩(wěn)定性及洞口防排水需要，選用經濟、美觀并有利于視線誘導的洞門形式；采用假定

2、抗力圖形法，考慮彈性反力作用，對隧道襯砌結構設計和計算以保證襯砌能夠滿足圍巖壓力的要求；選擇合適隧道施工工藝使之滿足本隧道圍巖節(jié)理發(fā)育、圍巖不穩(wěn)定易發(fā)生變形等要求；在開挖過程中，采用光面爆破技術，并進行科學管理。</p><p>　　關鍵詞：隧道；主體結構；施工；設計</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　T

3、he design design the major structure and the construction of main engineering of Baojiashan tunnel, the content mainly includes: Plane of the tunnel, vertical section of the tunnel, cross section of the tunnel design to

4、meet the needs of the economy, a reasonable, safe, easy construction, etc. Brush as little as possible in considering the slope and tunnel "getting in the tunnel portal as early as possible and getting out the tunne

5、l portal as late as possible" principle to determine the locatio</p><p>　　Key words : tunnel; major structure; construction; design</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　第一章

6、工程概況1</p><p>　　1.1 地理位置1</p><p>　　1.2 地形地貌1</p><p>　　1.3 隧道地質1</p><p>　　1.4 氣候氣象2</p><p>　　1.5 主要技術標準2</p><p>　　1.6 設計依據3</p>&l

7、t;p>　　第二章 總體設計4</p><p>　　2.1 平面設計4</p><p>　　2.2 縱斷面設計4</p><p>　　2.3 橫斷面設計5</p><p>　　2.3.1 建筑限界5</p><p>　　2.3.2 緊急停車帶6</p><p>　　2.3.3

8、橫向通道6</p><p>　　2.3.4 內輪廓設計7</p><p>　　2.4 洞門、明洞設計7</p><p>　　2.4.1 洞口設計7</p><p>　　2.4.2 洞門設計8</p><p>　　2.4.3 明洞設計9</p><p>　　2.5 建筑材料10<

9、;/p><p>　　第三章 圍巖壓力計算11</p><p>　　3.1 埋深類型判斷11</p><p>　　3.2 圍巖壓力計算12</p><p>　　第四章 襯砌設計13</p><p>　　4.1預支護設計13</p><p>　　4.1.1 超前錨桿設計13</p>

10、;<p>　　4.1.2 小導管注漿設計14</p><p>　　4.1.3 管棚設計14</p><p>　　4.2 初期支護設計14</p><p>　　4.2.1 噴射混凝土支護設計15</p><p>　　4.2.2 錨桿支護設計16</p><p>　　4.3 二次襯砌設計20<

11、;/p><p>　　第5章 襯砌結構計算21</p><p>　　5.1 設計基本資料21</p><p>　　5.1.1 巖體特性21</p><p>　　5.1.2 襯砌材料21</p><p>　　5.1.3結構尺寸21</p><p>　　5.2 主動荷載計算21</p&g

12、t;<p>　　5.3 分塊圖繪制22</p><p>　　5.4 半拱軸線長度計算22</p><p>　　5.5 幾何要素計算23</p><p>　　5.5.1 各截面與豎軸的夾角23</p><p>　　5.5.2 各截面的中心坐標23</p><p>　　5.6 單位位移計算24&l

13、t;/p><p>　　5.7 主動荷載位移計算26</p><p>　　5.7.1 襯砌每一塊上的作用力26</p><p>　　5.7.2 主動荷載內力26</p><p>　　5.7.3 主動荷載位移28</p><p>　　5.7.4 墻底位移計算29</p><p>　　5.8 解

14、主動荷載力法方程29</p><p>　　5.9 截面內力計算及校核30</p><p>　　5.10 單位彈性反力變位計算31</p><p>　　5.10.1 各截面彈性反力強度31</p><p>　　5.10.2彈性反力集中力31</p><p>　　5.10.3 彈性反力作用下的結構內力32<

15、;/p><p>　　5.10.4 彈性反力產生的荷載位移32</p><p>　　5.11 解單位彈性反力力法方程33</p><p>　　5.12 最大彈性反力35</p><p>　　5.13多余力計算35</p><p>　　5.14 總內力計算與校核36</p><p>　　5.1

16、4.1 襯砌各截面內力36</p><p>　　5.14.2 校核計算精度36</p><p>　　5.15 內力圖繪制37</p><p>　　5.16 強度驗算38</p><p>　　第六章 洞口、洞身工程施工39</p><p>　　6.1 洞口工程39</p><p>　　

17、6.1.1 整體方案39</p><p>　　6.1.2 洞口施工各項要求39</p><p>　　6.1.3 截水溝施工40</p><p>　　6.1.4 臨時防護40</p><p>　　6.2 洞身工程40</p><p>　　6.2.1 整體方案40</p><p>　　6

18、.2.2 開挖方法41</p><p>　　6.2.3 裝巖運輸41</p><p>　　6.3 鉆爆設計42</p><p>　　6.3.1 爆破施工工藝42</p><p>　　6.3.2 爆破參數(shù)44</p><p>　　6.3.3 爆破設計圖46</p><p>　　6.3.

19、4 質量檢驗標準48</p><p>　　第七章 襯砌支護施工49</p><p>　　7.1 預支護施工49</p><p>　　7.1.1 超前小導管預注漿49</p><p>　　7.1.2 超前錨桿50</p><p>　　7.1.3 超前管棚支護施工50</p><p>　

20、　7.2 初期支護施工51</p><p>　　7.2.1 錨桿51</p><p>　　7.2.2 掛網52</p><p>　　7.2.3 噴射混凝土52</p><p>　　7.2.4 拱架53</p><p>　　7.3 仰拱及二次襯砌施工53</p><p>　　7.3.1

21、 仰拱施工53</p><p>　　7.3.2 二次襯砌施工54</p><p><b>　　第八章 結論56</b></p><p><b>　　參考文獻57</b></p><p><b>　　致謝58</b></p><p><b&

22、gt;　　第一章 工程概況</b></p><p><b>　　1.1 地理位置</b></p><p>　　小河至安康高速公路為國家高速公路規(guī)劃網包頭～茂名線陜西省境內重要組成部分，起點位于旬陽縣小河鎮(zhèn)坪槐村，與西部開發(fā)省際公路通道柞水至小河段相接，終點位于安康市五里鎮(zhèn)尹家營，與擬建的安康至紫陽段高速公路相接。是陜西省規(guī)劃的“米”字型公路主骨架中南北向的

23、重要經濟干線，屬陜西省生產力布局和經濟建設的主軸線之一。</p><p>　　包家山特長隧道位于小康高速公路的咽喉部位，起止里程為ZK151+675～ZK162+850（YK151+650～YK162+845），長約11.2km，劃分為10、11、12三個標段。是最艱巨的工程地段之一。該隧道進口位于旬陽縣桐木溝，出口位于漢濱區(qū)茨溝鎮(zhèn)路家溝口，穿越了南秦嶺山脈的青山和玉皇山兩道山峰，地形崎嶇，地勢險要，山高溝深，植

24、被茂密，地質構造復雜，地層巖性多變，工程施工難度大。</p><p><b>　　1.2 地形地貌</b></p><p>　　包家山隧道位于旬陽縣桐木鄉(xiāng)與漢濱區(qū)茨溝鎮(zhèn)交界的玉皇山分水嶺地帶。隧道橫穿南秦嶺山脈，以少土多石的山區(qū)為主。旬陽縣桐木溝溝床最低，海拔534.8m，玉皇山主峰最高，海拔1371.5 m，區(qū)內海拔一般在500～1500m之間。隧道南口柴家河一帶最

25、低高程為677.4m，向北至分水嶺玉皇山，高程為1361m，相對高差約684.6m；隧道北口桐木鄉(xiāng)一帶最低高程為539.70m左右，向南至青山梁最高高程為1240.2m，相對高差約700.5m；隧道洞身中部有麻坪河通過，地勢相對較低，高程為896.8m，與兩側玉皇山、青山相對高差為464.2m和343.4m。</p><p><b>　　1.3 隧道地質</b></p><

26、;p>　　隧址所在地質構造單元屬于秦嶺褶皺系南秦嶺留壩—白河褶皺帶，隧道穿越的的山嶺位于復式向斜的南翼，地層總體上向北（起點方向）傾斜；區(qū)域主要構造線以北西——南東向延伸，與路線走向大角度交叉。隧道軸線橫穿的主要斷裂是麻坪河斷裂。地層主要是古生界泥盆系中統(tǒng)大楓溝組（D2d）、石家溝組（D2s）和志留系下統(tǒng)梅子埡組（S1m）；區(qū)內地下水賦存的主要形式為構造裂隙水和巖溶水，地下水水質良好，對混凝土無侵蝕性。</p>&l

27、t;p>　　隧道圍巖均為淺變質巖類，根據巖石構造和力學性質不同主要有千枚狀軟質巖類，片狀半堅硬巖類和板狀層狀硬質巖類。其中以片巖、千枚巖為主，由于受區(qū)域構造的影響，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，部分地段糜棱巖化，巖體相對破碎。</p><p>　　由于受區(qū)域構造影響，隧道區(qū)地質構造相對發(fā)育，沿隧道共發(fā)現(xiàn)斷層37條，其中主要斷層有13條；主要的褶皺構造有三組，分別為K151+700～ K152+500地段、K153+10

28、0～ K153+490地段及K161+200～ K161+900地段；已發(fā)現(xiàn)的巖溶異常區(qū)有17處，包家山隧道圍巖級別劃分見表1-1。</p><p>　　表1-1 圍巖級別劃分表</p><p><b>　　1.4 氣候氣象</b></p><p>　　受地勢影響，南秦嶺屬海拔1000m左右的中高山區(qū)，為溫帶半濕潤—濕潤季風氣候，由于受山地垂向

29、變化的影響，氣候差異也較大，區(qū)內氣候為涼亞熱帶山地氣候，1月份平均氣溫0.6℃，7月份平均氣溫 23.7℃，年平均氣溫12.2℃，極端最高氣溫37.4℃，極端最低氣溫-12.6℃。早霜期始于10月下旬，晚霜終于3月下旬，無霜期225天，年降水量800～950mm，雨季一般集中在7月至9月，具春寒、伏旱、夏洪、秋澇的特點。降雪期為11月至翌年2月，積雪厚度一般2～4cm，最大18cm。高山區(qū)氣候陰濕，中低山區(qū)雨量充沛。</p>

30、<p>　　1.5 主要技術標準</p><p>　?。?）公路等級：高速公路</p><p>　?。?）設計行車速度：80km/h</p><p>　　（3）路基凈寬：12.5米</p><p>　?。?）隧道凈寬：凈-10.25米</p><p>　　（5）隧道凈高：凈-5.0m</p>

31、<p>　　（6）設計荷載：公路-Ⅰ級</p><p><b>　　1.6 設計依據</b></p><p>　?。?）《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）；</p><p>　?。?）《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG F60-2009）；</p><p>　?。?）《公路隧道施工技術細則》（JT

32、G/T F60-2009）；</p><p>　　（4）《公路工程技術標準》（JTG B01-2003）；</p><p>　?。?）《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》（GB50086-2001）；</p><p>　?。?）《隧道工程》賀永年 劉志強 主編 中國礦業(yè)大學出版社；</p><p>　　（7）《隧道結構力學計算》 夏永旭 王永東 主

33、編 人民交通出版社。</p><p><b>　　第二章 總體設計</b></p><p><b>　　2.1 平面設計</b></p><p>　　由《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.3.5（P17)知，隧道洞口內外各3s設計速度行程長度范圍的平面線形應一致。對于該隧道3s設計速度行程為66.7m，結合

34、該隧道洞口外公路線形，對洞口處平面線形做如下設計：該隧道上行線進口位于曲線半徑R=1100米的圓曲線上，進口段曲線長度460米；出口位于曲線半徑R=6000米的圓曲線上，出口段曲線長度480米。下行線進口位于曲線半徑R=4000米的圓曲線上，進口段曲線長度100米；出口位于曲線半徑R=1240米的圓曲線上，出口段曲線長度595米。</p><p>　　由《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.3.1（

35、P137）知，隧道平面線形一般希望設計成直線，這主要是基于兩點理由：取直線于通風有利，如果曲線尤其小曲線半徑，通風阻力增大，對自然通風不利，同時會增大機械通風量；其二，如果隧道取較小半徑曲線，通常需設置超高和加寬，這將是施工變得復雜，斷面不統(tǒng)一以及它們的相互過渡都給施工增加了難度。直線隧道通風能力好，測量、襯砌內裝比較簡單，不會產生視距問題，施工方便，因此，工程的施工難度較小、造價低，工程中應優(yōu)先采用。</p><p

36、>　　通過包家山隧道的地質報告了解到包家山隧道處于III、IV、V類圍巖中，圍巖穩(wěn)定性較差，本身施工難度已較大。由于直線隧道方案在施工難度、工程投資和工期上較有優(yōu)勢，通過對隧道處路線平面線形的優(yōu)化，因此，洞內部分能采用直線優(yōu)先采用直線形式。對于由于地質條件限制，而不能采取直線的區(qū)段，在滿足最小圓曲線半徑以及停車視距和上、下行最小間距要求條件下，選用合適的曲線。對于長距離直線線形易產生的視覺疲勞問題，結合終南山隧道及其他既有長大隧道

37、設計為直線線形的經驗，可以在隧道內每隔一定距離設一個特殊燈光段，人為把隧道分成幾截，給司機以出了洞又進洞的感覺，從而消除長距離直線的弊端。</p><p><b>　　2.2 縱斷面設計</b></p><p>　　隧道內的縱坡形式，根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.3.3（P16），可設置單面坡和人字坡兩種。隧道內縱面線應考慮行車安全性，營運通

38、風規(guī)模、施工作業(yè)效率和排水要求。隧道縱坡不應小于0.3%，一般情況下不應大于3%，當受地形等條件限制時，高速公路、一級公路的中、短隧道可適當加大，但不宜大于4%。當采用較大縱坡時，必須對行車安全性、通風設備和營運費用、施工效率的影響等做充分的技術、經濟綜合論證。</p><p>　　根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.3.4（P16），隧道內的縱坡形式，一般宜采用單向坡；地下水發(fā)育的長隧道、特

39、長隧道可采用雙向坡。如果采用雙向坡，其豎曲線半徑應盡量采用較大值，以提高行駛安全性、舒適性。</p><p>　　綜合以上所述，本隧道屬于特長隧道，且本區(qū)域內斷層透水導水較好，麻坪河水潛伏地下，形成巖溶裂隙水，各斷層穿越隧道且與巖溶連通，對隧道有較大影響。所以選擇人字坡可避免施工過程中的逆向排水現(xiàn)象，綜合考慮隧道的地形、地址、圍巖情況及洞口位置和施工的便宜性，將變坡點設置在玉皇山分水嶺附近，以盡可能地避過不良地質

40、段。</p><p>　　最后，得出隧道縱斷面設計方案為：隧道進口設計高程550m，出口設計高程693m；線路縱斷面為人字坡，上、下行線線路最大坡度均為1.95%，上行線變坡點K159+543.256，下行變坡點K159+500；上行線坡度/坡長為+1.949%/7893.256和-0.4%/3301.744，下行線坡度/坡長為+1.95%/7825和-0.4%/3350。</p><p>

41、;<b>　　2.3 橫斷面設計</b></p><p>　　2.3.1 建筑限界</p><p>　　本公路設計等級為高速公路雙向四車道，由《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.3.2（P16）有：高速公路、一級公路的隧道應設計為上、下行分離的獨立雙洞。對于III、IV、V類圍巖，分離式獨立雙洞間的最小凈距分別為2.0B、2.5B、3.5B(B為隧道開

42、挖斷面的寬度)。</p><p>　　圖2-1 隧道建筑限界</p><p>　　本高速公路位于秦嶺山區(qū)，取設計時速為，則建筑限界高度H＝5.0m。且當時，檢修道J的寬度不宜小于0.75m，取，檢修道高度h＝0.5m。設檢修道時，不設余寬，即：C=0。取行車道寬度W=3.75m×2＝7.5m，側向寬度為：，建筑限界頂角寬度為：，，具體建筑限界如圖2-1所示。</p>

43、<p>　　2.3.2 緊急停車帶</p><p>　　本隧道起止里程為ZK151+675～ZK162+850（YK151+650～YK162+845），長約11.2km，為特長隧道，故需設緊急停車帶。以在行車方向的右側設置緊急停車帶。緊急停車帶的設置間距取700m，停車帶的路面橫坡取為水平。緊急停車帶的建筑限界、寬度和長度見圖2.2所示。</p><p>　　圖2-2 緊急停

44、車帶建筑限界、寬度、長度（單位：cm）</p><p>　　2.3.3 橫向通道</p><p>　　由《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）4.4.6(P19）有：上、下行分離式獨立雙洞的公路隧道之間應設置橫向通道。本隧道長11.2km，可每隔750m設一處車行橫通道,在兩個車行橫通道之間設置兩處人行橫通道。行車橫洞與行車方向夾角為60°，兩端與路緣帶順坡，并設置半徑

45、不小于5米的轉彎喇叭口；行人橫洞與行車方向夾角為90°，其底面與檢修道蓋板頂面平齊。橫通道的斷面建筑限界如圖2.3所示。</p><p>　　圖2-3 橫通道的斷面建筑限界（單位：cm)</p><p>　　2.3.4 內輪廓設計</p><p>　　根據建筑限界，利用三心圓，得出各斷面內輪廓如下圖：</p><p>　　圖2-4

46、隧道正常斷面內輪廓圖（單位：cm） 圖2-5 隧道緊急停車帶內輪廓圖（單位：cm）</p><p>　　2.4 洞門、明洞設計</p><p>　　結合隧道進出口地形、地貌、工程地質和水文地質條件，并考慮到施工開挖邊坡的穩(wěn)定性，本著“早進晚出”、“少開挖”的原則，確定隧道進出口位置、明洞形式，洞門形式的選擇力求結構簡單，并與洞口地形、地貌協(xié)調一致。</p><p&

47、gt;　　2.4.1 洞口設計</p><p><b>　?。?）洞口位置選擇</b></p><p>　　由《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70-2004）7.1.1(P31），洞口位置應根據地形、地質條件，同時結合環(huán)境保護、洞外有關工程以及施工條件、營運要求，通過技術、經濟比較確定。</p><p>　　根據包家山隧道實際情況，將隧道進口選

48、擇在青山高程550m處，靠近東側山坡邊緣處。出口選擇在玉皇山高程693m的山脊兩側。</p><p><b>　?。?）洞口形式確定</b></p><p>　　根據洞口所處位置的地形地質條件，進口采用坡面正交型——這是一種隧道軸線與坡面正交的形式，最為理想；出口采用山脊突出部進入型——山脊突出部一般是穩(wěn)定的，但山脊突出部的背后側可能存在斷層。</p>

49、<p>　　隧道進洞口及出洞口見圖2-6及2-7。</p><p>　　圖2-6 隧道進洞口 圖2-7 隧道出洞口</p><p>　　2.4.2 洞門設計</p><p><b>　?。?）設計原則</b></p><p>　　洞門宜與隧道軸線正交，洞門構造及基礎

50、設置應遵循下列規(guī)則：</p><p>　?、俣纯谘銎缕履_至洞門墻背的水平距離不宜小于1.5，洞門端墻與仰坡之間水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于1.0，洞門墻頂高出仰坡不小于0.5。</p><p>　　②洞門墻應根據實際需要設置伸縮縫、沉降縫和泄水孔；洞門墻的厚度可按計算或結合其它工程類比確定。</p><p>　?、鄱撮T墻基礎必須置于穩(wěn)固地基上，應視地形及地質

51、條件，埋置足夠的深度，保證洞門的穩(wěn)定。基底埋入土質地基的深度不應小于1.0，嵌入巖石地基的深度不應小于0.5；基底標高應在最大凍結線以下不小于0.25；地基為凍脹土層時，應進行防凍脹處理?；茁裰蒙疃葢笥趬吀鳒稀⒉刍椎穆裰蒙疃?。</p><p>　?、芩绍浀鼗系幕A，可采取加固基礎措施。</p><p>　　⑤洞門結構應滿足抗震要求。</p><p><

52、;b>　?。?）洞門類型確定</b></p><p>　?、傩】蹈咚僬w設計、施工理念</p><p>　　在保證工程建設質量與進度的同時，小康高速公路管理處將“保護好生態(tài)環(huán)境”作為“第一追求”，將“恢復好生態(tài)環(huán)境”作為施工的“第一原則”，將“科技創(chuàng)新促進生態(tài)環(huán)?！弊鳛榻ㄔO的“第一動力”，將實現(xiàn)“自然環(huán)境原生態(tài)”作為驗收的“第一關口”，明確提出了“零開挖”進洞的施工理念，

53、并確定了不同的進洞方案。隧道洞門設計以綠化美化自然和諧為主、無大型構造物，隧道施工采取“零進洞”，貫徹“無洞門理念”，避免大開挖。</p><p><b>　　②隧道洞門類型確定</b></p><p>　　隧道進口位于淺層滑坡內，地形上陡下緩，而且滑面在洞口附近切入到隧道洞室內，圍巖穩(wěn)定性差。出口處圍巖分級為V級，區(qū)域巖質穩(wěn)定、地形開闊。結合小康高速的整體設計、施工

54、理念中的“零進洞、無洞門”理念，經綜合分析采用融入“無洞門”理念，具有簡潔明朗、有利于隧道洞口的環(huán)保、與周圍景觀十分和諧，給駕駛員以舒適的感覺等特點的削竹式洞門。洞門形式如圖2.8所示。</p><p>　　由于隧道采用明洞出洞，洞門上部無回填土石，荷載較小，且對洞門下部地基進行了土石置換，灰土回填夯實處理加固，地基承載力較好，故明洞洞門按照構造要求設計，不需進行洞門計算及驗算。</p><p

55、>　　圖2-8 削竹式洞門</p><p>　　2.4.3 明洞設計</p><p>　　(1)明洞基本參數(shù)設置</p><p>　　進口位于淺層滑坡內，地形上陡下緩，而且滑面在洞口附近切入到隧道洞室內，圍巖穩(wěn)定性差，隧道上覆地層厚度很薄。但該處地形平緩，地勢開闊，便于施工場地的布置。因此，考慮到支護和施工上的便利，左、右洞洞口段均設置明洞。</p>

56、;<p>　　出口段圍巖級別為V級，雖地形較陡，但為了保持洞口的自然環(huán)境，同時防止洞口仰坡對隧道洞口造成危害，可將隧道延伸至天然地表以外，以明洞方式接長隧道。</p><p>　　由于明洞圍巖級別較差，垂直壓力和側壓力較大，故采用拱式明洞，并加設仰拱，明洞內輪廓線與暗洞內輪廓線一致。襯砌厚度設為30cm。襯砌材料采用鋼筋混凝土結構，C25級混凝土,直徑25mmⅡ級鋼筋。明洞邊墻用5#漿砌片石回填，拱

57、部用挖方土回填，以利于排水。</p><p>　　明洞斷面同隧道斷面，明洞采用全斷面整體式鋼筋混凝土襯砌，考慮到環(huán)境保護的要求，邊、仰坡采用空心植草、錨噴混凝土等防護措施確保安全。斷面如圖2.4所示。</p><p><b>　　(2)明洞長度確定</b></p><p>　　坍落拱高度按下式計算：</p><p>&l

58、t;b>　　(2-1)</b></p><p><b>　　S—圍巖級別；</b></p><p>　　B—隧道寬度(m)；</p><p>　　—以B=5m為基準，B每增減1m時的圍巖壓力增減率，當B<5m，取=0.2；當B>5m，取=0.1；</p><p>　?、龠M口段為IV級圍巖&l

59、t;/p><p><b>　　=5.9256m</b></p><p>　　當埋深時，即為超淺埋隧道。設洞口段x m處埋深為，斜坡坡度為10°～25°，進口段路面縱坡為1.95%，則有</p><p><b>　　17.2021m</b></p><p>　　進口段明洞長度確定為17

60、.2021m。</p><p><b>　　②出口段為V級圍巖</b></p><p><b>　　=11.8512m</b></p><p>　　當埋深時，即為超淺埋隧道。設洞口段x m處埋深為，斜坡坡度為60°～70°，路面縱坡為0.4%，則有</p><p><b&g

61、t;　　4.3198m</b></p><p>　　另設外接明洞2m，故出口明洞總長度確定為6.3198m。</p><p><b>　　2.5 建筑材料</b></p><p>　　根據《公路隧道設計規(guī)范》，所選取的建筑材料如下：</p><p>　?。?）明洞襯砌，鋼筋混凝土二次襯砌及洞內溝管采用C25混

62、凝土，素混凝土二次襯砌采用C20混凝土，初期支護采用C20噴射混凝土，仰拱回填采用C10混凝土。</p><p>　?。?）直徑d<12mm的鋼筋采用I級鋼，直徑d≥12mm的鋼筋及錨桿采用II級鋼；鋼拱架采用20b號及18b號工字鋼；注漿鋼管及長管棚采用熱軋無縫鋼管。</p><p>　?。?）在III～IV類圍巖地段采用ZW-II型藥卷作為錨固劑，超前錨桿采用早強沙漿作為錨固劑。

63、</p><p>　?。?）防水層選用≥400g/m2無紡布與1.2mm厚改性LDPE防水板復合而成。</p><p>　　第三章 圍巖壓力計算</p><p>　　3.1 埋深類型判斷</p><p>　　依據《公路隧道設計規(guī)范》規(guī)定淺埋和深埋隧道的分類，按荷載等效高度值，并結合地質條件、施工方法等因素綜合判定。此處僅以Ⅳ級圍巖為例進行判定

64、。</p><p>　　淺埋和深埋隧道的分類按式（3-1）判定，</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　式中：——淺埋隧道分界深度，m；</p><p>　　——荷載等效高度，按式（3-2）計算：</p><p><b>　?。?-2）</b>&

65、lt;/p><p><b>　　——圍巖重度，；</b></p><p>　　q——深埋隧道的垂直均布壓力()，按式（3-3）計算：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　h——塌落拱高度，m，按式（3-4）計算；</p><p><b>

66、　　（3-4）</b></p><p><b>　　——圍巖級別；</b></p><p>　　——寬度影響系數(shù)，；</p><p>　　——隧道寬度（m）；</p><p>　　——每增減1m時的圍巖壓力增減率，B>5 m時，取=0.1.</p><p><b>　　

67、對IV級圍巖：</b></p><p>　　在礦山法施工條件下，IV-VI級圍巖取，I-III類圍巖取，即=14.814m</p><p>　　根據包家山隧道工程地質橫斷面圖，按式（3-5）、式（3-6）判斷Ⅳ級圍巖區(qū)的隧道最大埋深高度和最小埋深高度， </p><p><b>　?。?-5）</b></p><

68、p><b>　　（3-6）</b></p><p>　　然后，選取兩者的平均值h來加以判斷，</p><p><b>　　青山段：</b></p><p><b>　　=309.444</b></p><p><b>　　玉皇山段：</b></

69、p><p><b>　　=310.994</b></p><p>　　則有：，該隧道為深埋隧道。</p><p>　　3.2 圍巖壓力計算</p><p>　　圍巖壓力計算仍以Ⅳ級圍巖為例進行計算。</p><p>　　由《公路隧道設計規(guī)范》6.2.3（P29），IV-VI級圍巖中深埋隧道的圍巖壓力為

70、松散荷載時，其垂直均布壓力及水平均布壓力可按下列公式計算：</p><p><b>　　考慮公式適用條件：</b></p><p>　　其中：H——隧道開挖高度（m）；B——隧道開挖寬度（m）。</p><p>　　滿足條件，故可以用以下公式計算。</p><p>　　隧道支護結構的垂直均布壓力：</p>

71、<p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中：——垂直均布壓力（）；</p><p><b>　　——圍巖重度（）；</b></p><p><b>　　——圍巖級別；</b>&

72、lt;/p><p>　　——寬度影響系數(shù)，； </p><p>　　——隧道寬度（m）；</p><p>　　i——每增減1m時的圍巖壓力增減率，以B=5m的圍巖垂直均布應力為準，當B<5 m時，取i=0.2；當B>5m時，取i=0.1。</p><p><b>　　取s=4、=23：</b></p>

73、<p><b>　　，</b></p><p><b>　　，</b></p><p><b>　　水平均布圍巖壓力：</b></p><p><b>　　，取。</b></p><p><b>　　第四章 襯砌設計</b&g

74、t;</p><p><b>　　4.1預支護設計</b></p><p>　　預支護指預先設于隧道輪廓線以外一定范圍內的支護或與開挖面后方的支護的共同組成的支護系統(tǒng)，是有效的輔助施工措施?？梢栽谒淼篱_挖后至洞頂支護結構產生支護作用前的時段內，支承臨空的巖體，從而維持開挖面的圍巖穩(wěn)定。</p><p>　　包家山隧道預支護選用超前錨桿，小導管注

75、漿及管棚，詳見表4-1。</p><p>　　表4-1 預支護類型</p><p>　　4.1.1 超前錨桿設計</p><p>　　超前錨桿又稱斜錨桿，是沿隧道縱向在拱上輪廓線外一定范圍內向前上方斜插角，或者沿隧道橫向在拱腳附近以下方傾斜一定外插角的密排沙漿錨桿。前者為拱部超前錨桿，后者稱為邊墻超前錨桿。拱部超前錨桿用支托拱上部臨空面的圍巖，起插板作用。邊墻超前錨

76、桿在我們采用的先拱后墻法開挖邊墻的過程中，將起拱線附近巖體所承受的較大拱部荷載傳遞至深部圍巖，從而提高了施工中的圍巖穩(wěn)定性。</p><p>　　超前錨桿設計錨桿參數(shù)按經驗選?。?lt;/p><p>　　（1）錨桿直徑：III級圍巖為18～22mm，Ⅳ級圍巖為20～24mm。</p><p>　?。?）錨桿長度：一般為3～5m，與鉆孔機具的鉆眼能力和開挖工序循環(huán)進尺相配

77、合，拱部超前錨桿縱向兩排之間應重疊1m以上的水平搭接段。</p><p>　?。?）錨桿間距：III級圍巖為40～60cm，Ⅳ級圍巖為30～50mm。</p><p>　　（4）錨桿外插角： III級圍巖拱部為5°～30°，IV級圍巖拱部10°～20°；邊墻為10°～30°。填充砂漿標號≥200號，并選用早強砂漿。</p&g

78、t;<p>　　4.1.2 小導管注漿設計</p><p>　　小導管是沿隧道縱向在拱上部開挖輪廓線外一定范圍內向前上方傾斜一定角度，或者沿隧道橫向在拱腳附近向下方傾斜一定角度的密排注漿花管。注漿花管的外露端通常支于開挖面后方的格柵鋼架上，共同組成預支護系統(tǒng)。</p><p>　　注漿小導管既能加固洞壁一定范圍內的圍巖，又能支托圍巖其支護剛度和預支護效果均大于超前錨桿。對于我

79、們隧道施工中可能碰到的砂土層、砂卵（礫）石層、斷層破碎帶、軟弱圍巖淺埋段等地段很有幫助。</p><p>　　小導管注漿設計錨桿參數(shù)按經驗選取，</p><p>　?。?）小導管直徑：小導管用φ42～50mm熱軋無縫鋼管加工制成，長度3～5m。</p><p>　　（2）小導管構造：小導管前部應鉆注漿孔?？讖綖?～8mm，孔間距10～20cm，并呈梅花形布置。前端加

80、固成錐形，尾部長度不小于30cm，作為不鉆注漿孔的預留止?jié){段。</p><p>　　小導管注漿參數(shù)按以下選?。簤鹤{泥砂漿水灰比～。當圍巖破碎，巖體止?jié){效果不好時，同樣可以采用水泥—水玻璃雙液注漿。注漿壓力控制在0.5～1.0MPa，必要時在孔口設止?jié){塞；小導管環(huán)向設置間距一般為20～50cm，外插角10°～30°。兩組小導管間縱向水平搭接長度不小于100cm。</p><

81、p>　　4.1.3 管棚設計</p><p>　　管棚是將鋼花管安插在已鉆好的孔中，沿隧道開挖輪廓線外排列形成的鋼管棚，管內注漿，必要時還可加鋼筋籠，并與強有力的型鋼鋼架組合成預支護系統(tǒng)以支承和加固自穩(wěn)能力極低的圍巖，對防止軟弱圍巖的下沉、松弛和坍塌等有顯著的效果。</p><p>　　導管參數(shù)按經驗選取：導管為熱軋無縫鋼管，外徑80～180mm，長度為10～45m，分段安裝，分段長

82、度為4～6m，兩段之間用“V”型對焊或絲扣連接；導管上須鉆注漿孔，孔徑為10～16mm，孔間距為15～20cm，呈梅花型布置。導管的尾部留有不鉆孔的止?jié){段；導管中可以增設鋼筋籠，以提高導管的抗彎能力。與管棚配合使用的鋼架，可采用鋼軌、H型鋼及鋼管的加工而成。</p><p>　　4.2 初期支護設計</p><p>　　初期支護指錨桿噴射混凝土支護，在包家山隧道中采用了鋼筋網和鋼架配合支護

83、。</p><p>　　4.2.1 噴射混凝土支護設計</p><p>　?。?）噴射混凝土支護設計厚度的計算</p><p>　　對于噴層的抗局部沖切破壞或粘結破壞的計算如下，</p><p>　　A.按沖切破壞計算噴層厚度，可按式（4-1）計算，</p><p><b>　?。?-1）</b>

84、</p><p>　　式中，——不穩(wěn)定巖塊重力，kg；</p><p>　　——噴射混凝土設計抗拉強度，MPa；</p><p>　　——不穩(wěn)定巖塊露出面周邊長度，cm；</p><p>　　——安全系數(shù)，取2.5。</p><p>　　根據包家山隧道的具體情況計算，</p><p><b

85、>　　IV類圍巖分布區(qū)：</b></p><p><b>　　cm</b></p><p>　　其中，=272.43MPa，=10MPa，=4.56m，=2.5。</p><p>　　III類圍巖分布區(qū)的情況按構造設計。</p><p>　　B.按粘結破壞計算噴層厚度，可按式（4-2）計算。</p

86、><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：——噴層與巖面間的粘結強度，MPa；</p><p><b>　　其他符號意義同前。</b></p><p>　　同樣根據包家山隧道隧道的具體情況計算，</p><p>　　IV級圍巖分布區(qū)：cm</p&g

87、t;<p>　　其中，=272.43MPa，=30MPa，=4.56m，=2.5。</p><p>　　III級圍巖分布區(qū)的情況按構造設計。</p><p>　　所以得出結論：噴射混凝土與巖石的粘結強度，與巖體強度、巖面粗糙及潔凈程度等有關，一般情況是＞，在硬巖中，粘結強度能滿足要求，當噴層厚度＜100mm時，多為沖切破壞；當噴層厚度≥100mm時，粘結強度較低時，噴層可能為

88、粘結破壞。</p><p>　　（2）鋼筋網噴射混凝土支護設計</p><p>　　包家山隧道施工的特殊地段，必須考慮架設鋼筋網來輔助支護。鋼筋網可提高噴射混凝土的抗剪和粘結強度，有利于抵抗巖石塌落和承受沖擊荷載，能提高噴層的整體性，使其應力分布均勻，從而減少混凝土的收縮和噴層裂縫。在變形大而自穩(wěn)性差的軟弱圍巖的混凝土噴層中，應設置1～2層鋼筋網。當隧道掘進遇到噴層與土砂層一起剝落時，此時

89、可以安設防剝落鋼筋的網眼較密的鋼筋網效果會很好。</p><p>　　鋼筋網噴射混凝土支護設計應符合下列要求：</p><p>　　A、鋼筋網噴射混凝土的厚度不應小于100mm，且不能大于250mm；</p><p>　　B、鋼筋網按構造要求設計，鋼筋直徑一般為4～12mm，我們具體施工時可以參考選用直徑在6～10mm范圍內的鋼筋；</p><p

90、>　　C、鋼筋間距考慮布置在150～300mm范圍之間；</p><p>　　D、鋼筋網保護層厚度不應小于20mm。</p><p>　　4.2.2 錨桿支護設計</p><p>　　錨桿在襯砌中取到的作用有：懸吊作用、組合梁作用、加固作用。</p><p>　　錨桿支護設計參數(shù)計算（錨桿局部加固計算）</p><p

91、>　?。?）錨桿加固拱部圍巖計算，一般按懸吊原理確定錨桿參數(shù)，計算簡圖如圖4-1所示，</p><p>　　圖4-1 錨桿計算圖</p><p>　　A、所需錨桿截面面積按式（4-3）、式（4-4）計算（錨桿將重力為的危巖錨固在穩(wěn)定巖體上，危巖使錨桿產生拉力和剪力，</p><p><b>　?。?-3）</b></p>&

92、lt;p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中，N——危巖使錨桿產生的拉力，按式（4-5）計算：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　Q——危巖使錨桿產生的剪力，按式（4-6）計算：</p><p><b>　?。?-6）</

93、b></p><p>　　——鋼筋抗拉設計強度，MPa；</p><p>　　——鋼筋抗剪設計強度，MPa；</p><p>　　——錨桿與地質結構面的夾角，度；</p><p>　　——錨桿與鉛垂線的夾角，度；</p><p>　　——安全系數(shù)，一般取為2.4。</p><p>　　并且

94、可按式（4-7）直接計算鋼筋直徑d，</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　式中符號意義同前。</b></p><p>　　根據包家山隧7道的具體情況計算，</p><p><b>　　IV級圍巖分布區(qū)：</b></p>&l

95、t;p><b>　　cm</b></p><p><b>　　其中：kN</b></p><p><b>　　kN</b></p><p>　　=340MPa（按II級鋼筋設計強度選用），</p><p>　　=20°，=5°，=272.43kN，0.

96、55，=2.4。</p><p>　　III級圍巖分布區(qū)的情況按構造設計。</p><p>　　B、錨桿長度計算，按式（4-8）計算，</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　式中，——錨桿固端長度，cm，具體按式（4-9）計算，</p><p><b>　　

97、（4-9）</b></p><p>　　其中，——砂漿與鋼筋的粘結力，MPa；</p><p>　　——鋼筋抗拉設計強度，MPa；</p><p>　　——錨桿鋼筋直徑，cm；</p><p>　　——安全系數(shù)，一般取為2.0。</p><p>　　——錨桿外露長度，cm，考慮設置托板、鋼筋網等要求，<

98、;/p><p>　　外露長度按規(guī)定取為15cm，但此時不能超過噴射混</p><p><b>　　凝土的厚度；</b></p><p>　　——錨桿加固圍巖厚度，cm，一般用聲波由現(xiàn)場測定。</p><p>　　具體計算、和的大小，</p><p><b>　　IV級圍巖分布區(qū)：</b

99、></p><p><b>　　①錨桿固端長度：</b></p><p><b>　　cm</b></p><p>　　其中，=3MPa（選用螺紋鋼筋），=340MPa（II級鋼筋抗拉設計強度），=1.35cm，=2.0。</p><p>　?、阱^桿加固圍巖厚度：</p><

100、;p>　　的取值一般由聲波現(xiàn)場測定，我們按IV類圍巖特性并參考選取以往經驗值得到cm。</p><p><b>　　③錨桿外露長度：</b></p><p><b>　　cm</b></p><p>　?、芩訧V級圍巖分布區(qū)內的設計錨桿長度為：</p><p><b>　　m<

101、;/b></p><p>　　III級圍巖分布區(qū)的情況按構造設計。</p><p>　?。?）錨桿對側壁危巖的加固計算,計算簡圖如圖4-2，</p><p>　　圖4-2 錨桿加固側壁危巖計算圖</p><p>　　依據計算示意圖，用錨桿加固側壁巖塊ABC，阻止其沿裂面AB下滑，即可驗算抗滑穩(wěn)定性。</p><p&g

102、t;　　沿裂面AB下滑力，按式（4-10）計算，</p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　抗滑力按式（4-11）計算，</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　當時，巖塊ABC處于穩(wěn)定狀態(tài)。其中，N為錨桿拉力，按計算。當考慮安全系數(shù)K后，錨

103、桿所需面積按式（4-12）計算，</p><p><b>　?。?-12）</b></p><p>　　式中，——裂面的內摩擦角，度；</p><p>　　其他符號意義與前面相同。</p><p>　　根據包家山隧道具體情況計算如下：</p><p><b>　　IV級圍巖分布區(qū)：<

104、;/b></p><p><b>　?、傺亓衙嫦禄椋?lt;/b></p><p><b>　　②抗滑力為：</b></p><p>　　得到，則此時巖塊ABC處于穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　?、郛斂紤]安全系數(shù)后，錨桿所需面積為：</p><p>　　式中，=35

105、76;，其他同前。</p><p>　　4.3 二次襯砌設計</p><p>　　二次襯砌宜采用等厚薄形馬蹄形斷面，在圓、弧、直線間應圓順連接。II類圍巖的二次襯砌不受力或受力不大，根據施工和構造要求確定襯砌厚度，通常采用二次襯砌的最小厚度，一般為30cm。III級及以上圍巖復合式襯砌按承載結構設計，為發(fā)揮圍巖自承作用，允許圍巖與支護襯砌有一定變形，故二次襯砌不宜太厚（不宜大于45cm），

106、一般取為45cm。并且，仰拱襯砌的厚度為60cm。</p><p>　　為保證隧道襯砌、通信信號和供電線路等設施正常使用，隧道襯砌應根據要求采取防水措施。當有地下水時，初期支護和二次襯砌之間可設置塑料板防水層或采用噴涂防水層，也可采用防水混凝土襯砌；當?shù)叵滤r，僅在公布設置防水層。防水層一般采用全斷面不封閉的無壓式，也可用全斷面封閉的有壓式。防水層應在初期支護變形基本穩(wěn)定后、二次襯砌灌注前施作。</p&g

107、t;<p>　　最后，得出包家山隧道襯砌設計參數(shù)，如表4-2所示，</p><p>　　表4-2 襯砌設計參數(shù)</p><p>　　第5章 襯砌結構計算</p><p>　　5.1 設計基本資料</p><p>　　5.1.1 巖體特性</p><p>　　巖體為IV級圍巖，計算摩檫角，巖體重度，圍巖的彈

108、性抗力系數(shù)，基底圍巖彈性反力系數(shù)。</p><p>　　5.1.2 襯砌材料</p><p>　　采用C20混凝土，重度=23，彈性模量=25.5GPa，混凝土襯砌軸心抗壓強度標準值=13.4MPa，混凝土軸心抗拉強度標準值=1.54MPa。</p><p><b>　　5.1.3結構尺寸</b></p><p>　　5

109、43cm 573cm 90°</p><p>　　793cm 823cm 13°</p><p>　　100cm 130cm 59°</p><p>　　B=1146cm，H=850.6cm，=116.9cm，（拱頂厚度）=30cm。<

110、/p><p>　　假設起拱線以下的起拱線為一段圓弧，半徑為，圓心角為。</p><p>　　結構斷面見圖5-1。</p><p><b>　　圖5-1結構斷面圖</b></p><p>　　5.2 主動荷載計算</p><p>　　作用在結構上的荷載形式為勻布豎向荷載q和均布水平向荷載e，其側壓系數(shù)為

111、0.3，即e=0.3q</p><p>　　均布豎向荷載: q==136.2888 (KN)</p><p>　　均布水平向荷載: e=0.3q=40.88664 (KN)</p><p><b>　　5.3 分塊圖繪制</b></p><p>　　因結構對稱，荷載對稱，故取半跨計算，如圖5-2。 </p&g

112、t;<p>　　圖5-2 結構分塊圖</p><p>　　5.4 半拱軸線長度計算</p><p><b>　　此處不計算仰拱。</b></p><p>　　a、由圖可知，水平線以上軸線為一圓弧，半徑為，=558cm，90°，水平線以下軸線為兩圓弧，半徑為、，=808cm、=115cm，13°，。</p&

113、gt;<p>　　b、計算半拱軸線長度S及分塊軸線長度</p><p><b>　　半拱軸線長度:</b></p><p>　　=876.504+183.329+118.421=1178.254cm</p><p>　　分塊長度：=147.28175cm</p><p>　　5.5 幾何要素計算</p

114、><p>　　5.5.1 各截面與豎軸的夾角</p><p>　　===15.1230°</p><p>　　==2=30.2460°</p><p>　　==3=45.3689°</p><p>　　==4=60.4919°</p><p>　　==5=75

115、.6149°</p><p>　　==90.5096°</p><p>　　=+=100.9534°</p><p>　　=++=162.0001°</p><p>　　校核角度：==90+13+59=162°</p><p>　　5.5.2 各截面的中心坐標</

116、p><p>　　計算過程單位為cm。</p><p><b>　　=0,=0</b></p><p><b>　　坐標校核：</b></p><p>　　5.6 單位位移計算</p><p>　　==1.731927</p><p><b>　　

117、===</b></p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　校核：+2+=</b></p><p><b>　　+2+-=</b></p><p>　　

118、滿足精度要求，說明變位計算結果正確。</p><p>　　在誤差允許范圍內，計算過程見5-1、5-2表</p><p>　　表5-1 曲墻拱結構幾何要素及計算過程表</p><p>　　表5-2 曲墻拱結構幾何要素及計算過程表</p><p>　　5.7 主動荷載位移計算</p><p>　　5.7.1 襯砌每一塊上的

119、作用力</p><p><b>　　豎向力：(kN)</b></p><p>　　側向水平力： (kN)</p><p>　　式中——相鄰兩截面之間的襯砌外緣的水平投影。</p><p>　　——相鄰兩截面之間的襯砌外緣的豎直投影。</p><p><b>　　自重力：(kN)</

120、b></p><p>　　以上各集中力均通過相應荷載圖形的形心。</p><p>　　5.7.2 主動荷載內力</p><p>　　分塊上各集中力對下一分點的截面形心的力臂由CAD圖量取，并分別記為、、。單元主動荷載圖示如圖5-3。</p><p>　　圖5-3單元主動荷載圖示</p><p><b>

121、　　彎矩：</b></p><p><b>　　軸力：=（）</b></p><p>　　式中：、——相鄰兩截面中心點的坐標增量：</p><p><b>　　=-</b></p><p><b>　　=-</b></p><p>　　、的計

122、算過程如表5-3、5-4、5-5所示:</p><p>　　表5-3 計算過程表</p><p>　　表5-4 計算過程表</p><p>　　表5-5 計算過程表</p><p><b>　　校核：</b></p><p><b>　　==</b></p>&

123、lt;p><b>　　（）</b></p><p><b>　　== </b></p><p><b>　?。ǎ?lt;/b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　=-41.390835（）</p><p>

124、　　=++=-1400.778413-1479.115825-41.390835 </p><p>　　=-2921.285073（）</p><p><b>　　計算誤差：<5%</b></p><p><b>　　在誤差范圍內。</b></p><p>　　5.7.3 主動荷載位移<

125、/p><p>　　==-0.257805367</p><p>　　===-1.051296686</p><p>　　+=-1.309102053</p><p>　　===-1.309102053</p><p><b>　　校核：+=</b></p><p>　　，計算過

126、程見表5-6。</p><p>　　表5-6 ，計算過程表</p><p>　　5.7.4 墻底位移計算</p><p>　　單位彎矩作用下墻底截面產生的轉角：</p><p><b>　　==</b></p><p>　　主動荷載作用下墻底截面產生的轉角：</p><p>