隧道安全性分析畢業(yè)設計

1、<p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 鐵路隧道發(fā)展概述</p><p>　　中國幅員遼闊，又是多山的國家，山地面積占 2/3 以上，高原起伏，群山連綿，崇山峻嶺密布，水系發(fā)育，江河縱橫，地質復雜。為發(fā)展鐵路建設，需要修建大量隧道，而且勢必修建許多長隧道和特長隧道，因而鐵路隧道建設任務極其艱巨、復雜。</p><

2、;p>　　隧道修建技術是涵蓋多種專業(yè)、交叉性很強的綜合技術。近半個世紀以來，中國鐵路隧道修建技術雖然有很大發(fā)展，但與當代世界鐵路隧道長度不斷增加并向水域發(fā)展的趨勢比較還有一定差距。中國當前鐵路隧道的修建的數量，已列世界前茅，但 10km 以上的隧道（包括貫通的）只有 4 座，既大瑤山、長梁山雙線隧道和秦嶺 I 、 II 線單線隧道。 20km 以上的長大隧道和水下鐵路隧道還是空白。因此，特長和超長隧道的設計理論和施工技術還有待開發(fā)

3、、研究和提高。同時，對于為數眾多的 500m 以下的短隧道施工機械化程度還不高。對于隧道環(huán)境工程、防災技術以及山區(qū)鐵路隧道普遍存在的各種地質災害防治技術也許要研究和加強。隧道建設組織管理水平亟待提高，以適應鐵路隧道高質量高效率建設發(fā)展的需要。</p><p><b>　　1.2 隧道概述</b></p><p>　　蘭青二線2號隧道，全長1251m。隧道起訖里程：DK

4、6+498 ～ DK7+749,全長1251m,為雙線隧道，最大埋深約50m為直線隧道。</p><p>　　1.2 工程地質特征和水文地質特征 </p><p>　　洞身通過地層為白堊系砂巖夾泥巖，棕紅色，鈣質弱膠結，巖質軟弱，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破壞，巖石內結構不均勻。風化層3.7～9.6cm。Ⅲ級硬土，σ0=300kpa。弱風化層，Ⅳ級軟石，σ0=500kpa；出口陡坎頂部分布有上

5、更新統(tǒng)粗礫土，Ⅲ級硬土。σ0=650kpa，進出口陡坎下分布有第四系全更新統(tǒng)坡積角礫土。Ⅲ級硬土。σ0=650kpa，洞身上覆蓋較厚的上更新統(tǒng)砂質黃土。Ⅱ級普通土，σ0=150kpa。勘測期間未見地下水，可不考慮地下水對工程的影響。</p><p>　　2 洞門結構的設計及檢算</p><p>　　洞口是隧道進出的咽喉，又是隧道施工中的主要通道，洞口位置選的是否合理，將對隧道的施工工期、

6、造價、運營安全等有重大的影響。所以在隧道的線路設計中，洞口位置的選擇是一項重要的工作。</p><p>　　2.1 隧道洞門形式的選擇</p><p>　　2.1.1 設計原則</p><p>　　由于隧道洞口所處的地形，地質條件不同，隧道洞門的形式也有所不同。目前，鐵路隧道洞門主要有如下幾種形式：</p><p>　　(1)環(huán)框式洞門：當洞

7、口石質堅硬，且地形陡峻無排水要求時，可僅修建洞口環(huán)框，以起到加固洞口和減少洞口雨后滴水的作用。</p><p>　　(2)端墻式洞門：端墻式洞門是最常見的洞門。它適用于地形開闊，石質較穩(wěn)定的地區(qū)，由端墻和洞門頂排水溝組成。端墻的作用是抵抗山體縱向推力及支持洞口正面上的仰坡。保持其穩(wěn)定。洞門頂排水溝用來將從仰坡流下來的地表雨水匯集后排走。</p><p>　　(3)翼墻式洞門：當洞口地質較差

8、，山體縱向推力較大時，可以在端墻式洞門的單側或雙側設置翼墻。翼墻在正面起到抵抗山體縱向推力，增加洞門的抗滑及抗傾覆能力的作用。兩側面保護路塹邊坡起擋土墻的作用。翼墻頂面與仰坡的延長面相一致，其上設置水溝，將洞門頂水溝匯集的地表水引至路塹側溝內排走。</p><p>　　(4)柱式洞門：當地形較陡，仰坡有下滑的可能，有受地形或地質條件的限制，不能設置翼墻時，可在端墻中部設置2個或4個斷面較大的柱墩，以增加端墻的穩(wěn)定

9、性。</p><p>　　(5)臺階式洞門：當洞門位于傍山側坡地區(qū)，洞門一側較高時，為了提高靠山側仰坡刷坡起坡點，減少仰坡高度，可將端墻頂部改為逐漸升高的臺階形式，以適應地形的特點，減少洞門圬工及仰坡開挖數量，這種洞門也能起到一定的美化作用。</p><p>　　(6)斜交式洞門：當隧道洞口線路與地面等高線斜交時，為了縮短隧道長度，減少挖方數量，可采用平行于等高線與線路成斜交的洞口，一般斜

10、交式洞門與襯砌斜口段應整體砌筑。由于斜交式洞門及襯砌斜口段的受力復雜，施工也不方便，所以只有在十分必要時才采用這種形式的洞門。</p><p>　　2.1.2 洞門的選擇</p><p>　　鑒于本隧道所處地形有邊坡，有仰坡，故該隧道洞門進口和出口均采用翼墻式洞門。</p><p><b>　　2.2 洞門計算</b></p>&

11、lt;p>　　以西寧端(隧道出口)洞門為例，進行洞門結構的檢算。</p><p>　　2.2.1 基本計算數據</p><p>　　隧道進口端圍巖級別為V級，由隧道規(guī)范可以查出：</p><p><b>　　(1)地層特性：</b></p><p>　　邊仰坡坡度1:1.25</p><p>

12、;　　地層容重γ=18kN/m3</p><p>　　計算摩擦角φ=45o</p><p>　　基底摩擦系數f=0.4</p><p>　　基底控制壓應力[σ]=0.3MPa</p><p>　　(2) 建筑材料容重和容許壓力：</p><p>　　頂帽C20混凝土容重γ1=23kN/m3</p><

13、;p>　　端、翼墻水泥砂漿砌片石容重γ2=22kN/m3</p><p>　　100號水泥砂漿砌片石容許壓應力[σa]=1.5MPa</p><p>　　100號水泥砂漿砌片石容許壓應力[σl]=0.2MPa</p><p>　　(3) 檢算端墻和翼墻應力、偏心和穩(wěn)定性要求：</p><p>　　墻身截面壓應力σ≤[σa]</p&

14、gt;<p>　　墻身截面偏心距e≤0.3b（b為端、翼墻厚度）</p><p><b>　　基底壓力σ≤[σ]</b></p><p><b>　　基底偏心ej≤</b></p><p>　　滑動穩(wěn)定性系數Kc≥1.3</p><p>　　傾覆穩(wěn)定性系數K0≥1.5</p>

15、;<p>　　2.2.2 洞門各部分尺寸的擬定</p><p>　　隧道進、出口端采用襯砌斷面加寬值為W=0,軌道類型選用重型(h2=0.80m),各部分尺寸見下圖： </p><p>　　圖2.1 洞門正面圖 </p><p>　　根據洞門圖中所標注的尺寸可知：H=12.70m, Bm=7.36m, h=7.70m, h1=3.15m, h2=0.

16、75m, h3=1.10m, hy=9.56m, ly=9.85m </p><p>　　圖2.2 洞門側視圖</p><p><b>　　2.3 洞門檢算</b></p><p>　　2.3.1翼墻墻身截面偏心、應力驗算</p><p>　　(1)

17、 翼墻墻背主動土壓力E</p><p>　　取距翼墻基底1.0m的截面為驗算截面，計算寬度取0.5m，翼墻計算高度h0為：</p><p>　　hb= hy-(0.1 hy+0.25)÷1.25-1.10</p><p>　　=9.56-(0.1×9.56+0.25)÷1.25-1.10</p><p><

18、b>　　≈7.5m</b></p><p>　　已知：φ=45o，tanα=0.1，tanε=</p><p>　　查得：tanω=0.5273，λ=0.1566</p><p>　　E=×γhb2λ×0.5=0.5×18×7.52×0.1566 ×0.5=39.64kN</p>

19、;<p>　　(2) 傾覆力矩M0</p><p>　　M0=Ehb=×39.64×7.5=99.10kN</p><p>　　(3) 穩(wěn)定力矩My</p><p><b>　　1)墻身自重P</b></p><p>　　圖2.3 翼墻細部尺寸圖 </p><p>

20、;　　P=[0.5×1.0×23-×(0.4+0.5) ×0.3×23+1.0×7.5×22+0.7×(7.5-2.0)×22+1.0×2.1×18]×0.5</p><p>　　=[11.5-3.11+165+84.7+37.8] ×0.5</p><p>　

21、　=5.75-1.56+82.5+42.35+18.9=147.94kN</p><p><b>　　2)穩(wěn)定力矩My</b></p><p>　　My=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]

22、+42.3×5×[1.0+0.35+5.0÷2×0.1]+18.9×[2.10÷2-0.5]</p><p>　　= 7.04-1.93+70.13+67.76+10.40=153.4kN.m</p><p>　　(4) 截面偏心及應力檢算</p><p>　　C== =0.37m</p>&

23、lt;p>　　e=-C=-0.37=0.48 <0.3b=0.51(可)</p><p>　　σmax===266.56kN∕m2≈0.27MPa<[σa]=1.5MPa(可)</p><p>　　(5) 翼墻基底偏心、應力及穩(wěn)定性檢算</p><p>　　1)墻背主動土壓力E</p><p>　　E=γ(hb+1.10)2

24、λ×0.5=×18×8.62×0.1566×0.5=52.12kN</p><p><b>　　2)傾覆力矩M0</b></p><p>　　M0=E(hb+1.10)=×52.12×8.60=149.41kN.m</p><p><b>　　3)穩(wěn)定力矩My<

25、;/b></p><p><b>　　①墻身自重P</b></p><p>　　P=147.94+0.5×(2.1+2.2)×1.0×22=195.24kN</p><p><b>　?、诜€(wěn)定力矩My</b></p><p>　　My=5.75×[0.5

26、+(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</p><p>　　=9.92-

27、2.71+111.38+88.94+19.85+33.40</p><p>　　=260.78kN.m</p><p>　　4)翼墻基底偏心及應力檢算</p><p>　　P′=Pcosα0+Esinα0=195.24×) +52.12×) =194.27+5.18=199.46kN</p><p><b>　　

28、C===0.56m</b></p><p>　　e=-C=-0.56=0.49<==0.53m</p><p>　　σmax===237.45 KN∕m2≈0.24MPa<[σ]=0.3MPa</p><p><b>　　5)穩(wěn)定檢算</b></p><p><b>　?、賰A覆穩(wěn)定系數K

29、0</b></p><p>　　K0===1.75>1.5(可)</p><p><b>　　②滑動穩(wěn)定系數Kc</b></p><p>　　Kc===2.46>1.3(可)</p><p>　　2.3.2 端墻墻身截面偏心及應力檢算</p><p>　　(1)端墻墻背主動

30、土壓力E</p><p>　　端墻計算條帶寬度取0.5m，計算條帶高度為7.4m，計算條帶中線距線路中線為5.68m。</p><p>　　b=0.5+5.68×0.04=0.73m</p><p>　　a=1.2-(0.73-0.5)×1.25-[1.1-0.5-0.3-(0.73-0.35)×0.1]=0.65m</p>

31、<p>　　已知：tanε==0.8,ε=38o40′,tanω=0.6526,λ=0.2235</p><p>　　h0===0.57m</p><p>　　H1=7.40-b-h0=7.40-0.73-0.57=6.10m</p><p>　　H1+ h0=6.10+0.57=6.67m</p><p>　　h4===1.1

32、8m</p><p>　　σ1=γH1λ=18×6.11×0.2235=24.54kN/m2</p><p>　　σ2=γ(h4- h0)λ=18×(1.18-0.56)×0.2235=2.45 kN/m2</p><p>　　σ3=σ2=×2.45=13.85 kN/m2</p><p>　

33、　E=E1+ E1=×(H1+ h0) σ3×0.5+×(H1+ h0- h4)×(σ1-σ3)×0.5</p><p>　　=0.5×6.67×13.85×0.5+0.5×5.49×10.69×0.5</p><p><b>　　=37.76kN</b>&l

34、t;/p><p><b>　　(2)傾覆力矩M0</b></p><p>　　M0=( H1+ h0) E1+( H1+ h0- h4) E2</p><p>　　=×6.67×23.09+×5.49×14.67</p><p>　　=54.32kN.m</p><

35、p><b>　　(3)穩(wěn)定力矩My</b></p><p><b>　　1)墻身自重P</b></p><p>　　圖2.4 端墻尺寸圖</p><p>　　P=[(7.40-0.35)×1.1×22-12×(0.3×0.90×22)-0.18×0.9

36、15;22-12×0.9×0.09×22+0.6×0.35×23-12 ×0.1×0.1×23]×0.5</p><p>　　= [170.61-2.97-3.56-0.89+4.83-0.12]×0.5</p><p>　　=85.31-1.49-1.78-0.45+2.41-0.06&l

37、t;/p><p><b>　　=83.95kN</b></p><p><b>　　2)穩(wěn)定力矩My</b></p><p>　　My≈85.31×[(7.40-0.35)×0.1÷2+1.1÷2]≈76.99kN.m</p><p><b>　　3)偏

38、心應力及檢算</b></p><p><b>　　C===0.27m</b></p><p>　　e=-C=-0.27=0.28<0.3b=0.33m</p><p>　　σmax===199.91KN/m2=0.2MPa<[σ]=1.5MPa(可)</p><p>　　(2) 端墻與翼墻共同作用

39、時的穩(wěn)定性驗算</p><p>　　1)端墻墻背主動土壓力E</p><p>　　端墻總高度為12.7m，端墻與翼墻共同作用時的計算寬度b1為：</p><p>　　b1=Bm-=7.36-=1.93m</p><p>　　b=0.5+(+)×0.05=0.82m</p><p>　　a=1.2-(0.82-

40、0.5)×1.25-[1.1-0.3-0.5-(0.82-0.35)×0.1]=0.55m</p><p>　　h0===0.48m</p><p>　　H1=H-b-h0=12.70-0.82-0.48=11.4m</p><p>　　H1+h0=11.4+0.48=11.88m</p><p><b>　　h

41、4===1.0m</b></p><p>　　σ1=γH1λ=18×11.88×0.2235=47.79kN∕m2</p><p>　　σ2=γ(h4- h0) λ=18×(1.0-0.48)×0.2235=2.09kN∕m2</p><p>　　σ3=σ2=×2.09=24.83kN∕m2</p&

42、gt;<p>　　E=E1+E2=( H1+h0) σ3 b1+( H1+h0- h4)( σ1-σ3) b1</p><p>　　=×11.88×24.83 ×1.93+×10.88×(47.79-24.83)×1.93</p><p>　　=284.66+241.06=525.72kN</p>&l

43、t;p><b>　　2)端墻自重P1</b></p><p>　　P1=(12.70-0.35)×1.1×22×1.93=576.82kN</p><p><b>　　3)翼墻自重P2</b></p><p>　　翼墻采用分段法施工，其自重取距端墻底3m范圍內的翼墻計算</p>

44、;<p>　　圖2.5 洞門剖面圖</p><p>　　圖2.6 端墻細部尺寸圖</p><p><b>　　由圖可知：=</b></p><p><b>　　x==0.17m</b></p><p>　　h1=9.56-(2.0+0.17)=7.39m</p><

45、p>　　l1=3.0+0.1 h1=3.0+0.1×7.39=3.74m</p><p>　　h2= h1-=7.39-=4.40m</p><p>　　A1=(hy+ h2+2.0)×(3.0+0.1 hy)×-×0.1 hy×hy</p><p>　　=(9.56+4.40+2.0)×(3.0+0

46、.1×9.56)×0.5-0.5×0.1×9.56×9.56</p><p>　　=15.96×1.98-4.57=27.03m2</p><p>　　A2=( h1+ h2)×(3.0+0.1 h1)×-×0.1 h12</p><p>　　=(7.39+4.40)×

47、;(3.0+0.1×7.39)×0.5-0.5×0.1×7.392</p><p>　　=11.79×3.74×0.5-2.73=19.31m2</p><p>　　P2=[V1+V2+V3-V4]γ2+V5γ</p><p>　　=[27.03×1.0+19.31×0.7+(0.4+0

48、.5)×1.0×12×3-(0.4+0.5)×0.3×12×(3.0+9.56×0.1)]×22+(27.03-19.31)(0.7-0.22)×18</p><p>　　=[27.03+13.52+1.35-0.53]×22+97.27</p><p>　　=1007.41kN</p

49、><p>　　Kc===1.301>1.3(可)</p><p>　　根據上述計算，隧道洞門結構安全。</p><p>　　3 利用fortran程序對襯砌結構進行檢算</p><p>　　隧道襯砌結構根據結構力學方法(荷載-結構模型)，假設襯砌結構與圍巖全面、緊密地接觸，采用主動荷載加被動荷載(彈性抗力)模式，按照彈性鏈杠法原理來計算襯

50、砌結構的內力。</p><p>　　3.1圍巖壓力的計算</p><p><b>　　3.1.1計算公式</b></p><p>　　采用容許應力法，計算雙線深埋隧道時圍巖壓力按松散壓力考慮，其水平均布壓力的作用標準值可按垂直均布壓力公式及下表確定。</p><p>　　(1) 垂直均布壓力</p><

51、;p><b>　　q=γh</b></p><p>　　h=0.45×2s-1×w</p><p>　　w=1+i×(B-5)</p><p>　　式中， q—圍巖垂直均布壓力(kPa)</p><p>　　γ—圍巖重度(kN∕m3)</p><p>　　

52、i—當B>5m時，i取0.1</p><p>　　h—圍巖壓力計算高度(m)</p><p><b>　　s—圍巖級別。</b></p><p>　　(2) 水平均布壓力</p><p>　　表3.1 圍巖水平均布壓力</p><p><b>　　3.1.2計算結果</b&g

53、t;</p><p>　　(1) Ⅳ級圍巖 </p><p>　　取水平均布壓力系數為0.2，圍巖重度γ=22kN∕m3,可確定深埋隧道襯砌圍巖的松散壓力為：</p><p><b>　　垂直均布壓力</b></p><p>　　因為B=11.22m>5m, 則i=0.1

54、,</p><p>　　w=1+i×(B-5)=1+0.1×(11.22-5)=1.6</p><p>　　h=0.45×2s-1×w=0.45×24-1×1.62=5.83m</p><p>　　q=γh=22×5.83=128.30kN∕m</p><p><b&

55、gt;　　水平均布壓力</b></p><p>　　e=0.2q=0.2×128.30=25.66kN∕m</p><p>　　故可作出Ⅳ級圍巖襯砌斷面受力圖如圖所示：</p><p>　　圖3.1 Ⅳ級圍巖襯砌斷面受力圖</p><p><b>　　(2) Ⅴ級圍巖 </b></p>

56、<p>　　取水平均布壓力系數為0.4，圍巖重度γ=18kN∕m3，可確定深埋隧道襯砌圍巖的松散壓力為：</p><p><b>　　垂直均布壓力</b></p><p>　　因為B=11.36m>5m, 則i=0.1,</p><p>　　w=1+i×(B-5)=1+0.1×(11.36-5)=1.64

57、</p><p>　　h=0.45×2s-1×w=0.45×25-1×1.64=11.81m</p><p>　　q=γh=18×11.81=212.54kN∕m</p><p><b>　　水平均布壓力</b></p><p>　　e=0.4q=0.4×212

58、.54=85.02kN∕m</p><p>　　故可作出Ⅴ級圍巖襯砌斷面受力圖如圖所示:</p><p>　　圖3.2 Ⅴ級圍巖襯砌斷面受力圖</p><p>　　3.2 襯砌結構及圍巖結構的理想化</p><p>　　隧道襯砌是實現拱式結構，軸力和彎矩是主要內力，可將其離散化為一些同時承受彎矩、剪力和軸力的偏心受壓等直杠單元所組成的折線形組

59、合體。由《鐵路隧道設計規(guī)范》可知，單線電氣化鐵路在進行節(jié)點劃分時，要不少于16個單元，在本設計中，把襯砌劃分為28個單元，節(jié)點數為29，隧道襯砌單元劃分如圖所示：</p><p>　　圖3.3 隧道襯砌單元劃分示意圖</p><p>　　將彈性抗力作用范圍內的連續(xù)圍巖，離散為若干條彼此互不相關的矩形巖柱，巖柱具有彈性地基的性質，采用局部變形理論的溫克爾假定，把每個巖柱理想化為一個剛性支座上

60、的彈性鏈杠支撐于襯砌單元的節(jié)點上，它可以軸力的方式把巖柱的作用體現出來。彈性支撐的設置方向應按照襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)來確定，本文為了簡化計算，將彈性支撐水平設置。圍巖的理想化如圖所示：</p><p>　　圖3.4 圍巖的理想化</p><p>　　3.3襯砌內力的確定</p><p>　　按照彈性鏈杠法的基本原理進行襯砌結構的內力計算。本文利用給定的桿系有限元分析

61、程序計算襯砌結構的內力。</p><p>　　3.3.1 Ⅴ級圍巖二襯</p><p><b>　　(1) 數據的輸入</b></p><p>　　29,17.5,1.5e6,85.02,212.54,20000.0,25000.0,0.854</p><p>　　4.877,8.200,1,0,1,1,0.854 &l

62、t;/p><p>　　5.026,7.385,1,1,1,1,0.650 </p><p>　　5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 </p><p>　　5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　5.0

63、05,4.197,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　4.763,3.453,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 &

64、lt;/p><p>　　2.880,1.001,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　1.519,0.259,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　0.

65、000,0.000,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　-0.771,0.065,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　-1.519,0.259,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　-2.225,0.575,0,1,1,1,0.500 </p><p>　　-2.880,1.001,0,1,1,1,0.

66、500 </p><p>　　-3.472,1.512,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-3.990,2.098,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-4.423,2.750,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-4.763,3.453,1,1,1,1,0.500 </p><

67、p>　　-5.005,4.197,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-5.145,4.966,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-5.178,5.754,1,1,1,1,0.500 </p><p>　　-5.126,6.569,1,1,1,1,0.524 </p><p>　　-5.026,7.385,

68、1,1,1,1,0.650 </p><p>　　-4.877,8.200,1,0,1,1,0.854</p><p>　　(2) 部分程序運行結果：</p><p>　　NODAL FORCE </p><p>　　NO. N Q M

69、 </p><p>　　1 1219.031 -1132.622 -1.462 </p><p>　　2 1207.794 -382.242 -12.144 </p><p>　　3 1188.329 -308.900 -15.593 </p><p>　　4

70、 1175.349 -216.993 4.620 </p><p>　　5 1166.549 -37.271 21.729 </p><p>　　6 1157.550 152.456 22.999 </p><p>　　7 1147.202 334.774

71、 23.259 </p><p>　　8 1134.023 520.762 24.358 </p><p>　　9 1113.359 684.417 24.215 </p><p>　　10 1080.968 777.456 17.286 </p><

72、;p>　　11 1036.669 768.539 4.885 </p><p>　　12 987.866 651.158 -8.666 </p><p>　　13 945.476 384.485 -26.480 </p><p>　　14 917.052

73、 15.301 -43.053 </p><p>　　15 907.007 -370.479 -50.137 </p><p>　　16 917.052 -647.490 -43.053 </p><p>　　17 945.476 -789.522 -26.480

74、</p><p>　　18 987.866 -786.642 -8.666 </p><p>　　19 1036.669 -696.647 4.885 </p><p>　　20 1080.968 -533.068 17.286 </p><p>　　21

75、 1113.359 -338.308 24.215 </p><p>　　22 1134.023 -151.768 24.358 </p><p>　　23 1147.202 26.435 23.259 </p><p>　　24 1157.550 198.26

76、1 22.999 </p><p>　　25 1166.549 305.657 21.729 </p><p>　　26 1175.349 277.341 4.620 </p><p>　　27 1188.329 286.954 -15.593 </p>

77、<p>　　28 1207.794 519.141 -12.144 </p><p>　　29 1219.031 12.893 1.462 </p><p>　　根據程序運行結果，做出隧道Ⅴ級圍巖襯砌結構內力圖如下圖所示: </p><p>　　圖3.5 Ⅴ級圍巖結構襯砌內力圖(左側為軸力圖

78、,單位kN,右側為彎矩圖，單位kN.m)</p><p>　　3.3.2 Ⅳ級圍巖二襯</p><p>　　(1) 數據的輸入：</p><p>　　29,21.5,3.6e6,25.66,128.30,20000.0,25000.0,0.778</p><p>　　4.839,8.175,1,0,1,1,0.778</p>&

79、lt;p>　　4.992,7.366,1,1,1,1,0.567</p><p>　　5.097,6.556,1,1,1,1,0.467</p><p>　　5.153,5.747,1,1,1,1,0.450</p><p>　　5.122,4.961,1,1,1,1,0.450</p><p>　　4.985,4.193,1,1,1,

80、1,0.450</p><p>　　4.746,3.451,1,1,1,1,0.450</p><p>　　4.408,2.749,1,1,1,1,0.450</p><p>　　3.977,2.098,1,1,1,1,0.450</p><p>　　3.463,1.513,1,1,1,1,0.450</p><p>

81、　　2.873,1.002,0,1,1,1,0.450</p><p>　　2.220,0.576,0,1,1,1,0.450</p><p>　　1.516,0.259,0,1,1,1,0.450</p><p>　　0.769,0.065,0,1,1,1,0.450</p><p>　　0.000,0.000,0,1,1,1,0.450&

82、lt;/p><p>　　-0.769,0.065,0,1,1,1,0.450</p><p>　　-1.516,0.259,0,1,1,1,0.450</p><p>　　-2.220,0.576,0,1,1,1,0.450</p><p>　　-2.873,1.002,0,1,1,1,0.450</p><p>　　-3

83、.463,1.513,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-3.977,2.098,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-4.408,2.749,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-4.746,3.451,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-4.985,4.193,1,1,1,1,0.450

84、</p><p>　　-5.122,4.961,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-5.153,5.747,1,1,1,1,0.450</p><p>　　-5.097,6.556,1,1,1,1,0.467</p><p>　　-4.992,7.366,1,1,1,1,0.567</p><p>　　-

85、4.839,8.175,1,0,1,1,0.778</p><p>　　(2) 部分程序運行結果：</p><p>　　NODAL FORCE</p><p>　　NO. N Q M</p><p>　　1 774.819 -16278.807 -1.334&l

86、t;/p><p>　　2 767.642 -3426.718 34.632</p><p>　　3 754.583 -1833.636 63.540</p><p>　　4 745.255 -987.800 99.436</p><p>　　5 737

87、.920 20.405 124.059</p><p>　　6 727.576 979.474 129.204</p><p>　　7 712.036 1842.430 120.988</p><p>　　8 690.447 2498.046 100.271&

88、lt;/p><p>　　9 661.464 2891.782 68.363</p><p>　　10 624.930 2917.920 27.102</p><p>　　11 583.023 2609.088 -19.320</p><p>　　12

89、 539.830 2014.641 -62.965</p><p>　　13 501.328 1102.740 -101.819</p><p>　　14 474.753 25.777 -130.796</p><p>　　15 465.339 -1072.918

90、 -141.606</p><p>　　16 474.753 -1988.782 -130.796</p><p>　　17 501.328 -2645.713 -101.819</p><p>　　18 539.830 -2921.130 -62.965</p><p&g

91、t;　　19 583.023 -2889.508 -19.320</p><p>　　20 624.930 -2533.312 27.102</p><p>　　21 661.464 -1863.270 68.363</p><p>　　22 690.447 -1005

92、.654 100.271</p><p>　　23 712.036 -26.629 120.988</p><p>　　24 727.576 974.450 129.204</p><p>　　25 737.920 1821.337 124.059</p>

93、<p>　　26 745.255 2434.511 99.436</p><p>　　27 754.583 3787.594 63.540</p><p>　　28 767.642 8278.427 34.632</p><p>　　29 774.819

94、 -43.684 1.334</p><p>　　根據程序運行結果，做出隧道Ⅳ級圍巖襯砌結構內力圖如下圖所示: (左側為軸力圖,單位kN,右側為彎矩圖，單位kN.m)</p><p>　　圖3.6 Ⅳ級圍巖結構襯砌內力圖(左側為軸力圖,單位kN,右側為彎矩圖，單位kN.m)</p><p><b>　　3.4襯砌內力檢算</b

95、></p><p>　　3.4.1強度檢算方法</p><p>　　襯砌結構內力算出后，必須進行隧道襯砌截面強度檢算，其強度檢算按破損階段法或容許應立法進行。</p><p>　　拱形隧道屬偏心受壓構件，其截面強度檢算 根據軸力偏心距e0=M/N的大小可分為兩種情況：</p><p>　　(1) 抗壓強度控制(e0≤0.2d)</

96、p><p>　　混凝土結構的強度可按下式計算：</p><p><b>　　K=</b></p><p>　　式中， Ra——混泥土或砌體的抗壓極限強度，可分別按規(guī)范中的表5.3.1或表5.3.7采用。 </p><p>　　K——安全系數，按規(guī)范表11.1.1―1采用。</p><p>　　N——軸

97、向力(MN)</p><p>　　b——截面的寬度(m)</p><p>　　h——截面的厚度(m)</p><p>　　φ——構件的縱向彎曲系數：對于隧道襯砌、明洞拱圈及墻背緊密回填的邊墻，可取φ=1.0</p><p>　　α——軸向力的偏心影響系數，按規(guī)范表10.2.1―3采用，或按公式計算：</p><p>　

98、　α=1.000+0.648()-12.569()2+15.444()3</p><p>　　(2) 抗拉強度控制(e0>0.2d)</p><p>　　混凝土結構的強度可按下式計算：</p><p><b>　　K=φ)×N) </b></p><p>　　式中，R1——混凝土的抗拉極限強度，按規(guī)范表5

99、.3.1采用。</p><p>　　e0——截面偏心距(m)</p><p><b>　　其他符號意義同前。</b></p><p>　　3.4.2 強度檢算：</p><p>　　按照上述混泥土襯砌界面強度檢算方法，利用execl表格進行檢算，其中，混凝土達到抗壓或抗剪極限強度時K=2.0，混凝土達到抗拉極限強度時K=

100、2.4，據此分別作出隧道Ⅴ級圍巖和Ⅳ級圍巖的檢算結果如下：</p><p>　　表3.2 Ⅴ級圍巖檢算表</p><p>　　表3.3 Ⅳ級圍巖檢算表</p><p>　　4 襯砌及圍巖結構的ANSYS有限元分析</p><p>　　有限元是一種離散化的數值解法，對于結構力學特性的分析而言，它的理論基礎是能量原理，得到的方程組中所含未知數的

101、性質有三種情況：一種是以位移作為未知量的分析法，這種情況稱位移法。位移法采用最小位能原理或虛位移原理進行分析；另一種是以應力為未知量的分析法，稱作應力法。應力解法常采用最小余能原理進行分析；第三種是以一部分位移和一部分應力作為未知量的分析法，屬于位移法、應力法，稱為混合法，采用修正的能量原理進行分析。通過上述分析介紹可知，虛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論基礎。</p><p>　　有限

102、元法的模擬能力強，可以考慮巖土介質的非均質性、各向異性、非連續(xù)性和材料與幾何非線性等等，且能適用于各種實際的邊界條件。有限元法的缺點是需要將整個物理系統(tǒng)離散成有限自由度的計算模型，并進行分片插值，數據量大，耗時長，精度相對較低。</p><p>　　有限元法是把要分析的連續(xù)體假想地分割成有限個單元所組成的組合體，簡稱離散化。這些單元僅在頂角處相互聯接，稱這些聯接點為結點。離散化的組合體與真實彈性體的區(qū)別在于：組合

103、體中單元與單元之間的聯接除了結點之外再無任何關聯。但是這種聯接要滿足變形協調條件，即不能出現裂縫，也不允許發(fā)生重疊。顯然，單元之間只能通過結點來傳遞內力。通過結點來傳遞的內力稱為結點力，作用在結點上的荷載稱為結點荷載。當連續(xù)體受到外力作用發(fā)生變形時，組成它的各個單元也將發(fā)生變形，因而各個結點要產生不同程度的位移，這種位移稱為結點位移。在有限元中，常以結點位移作為基本未知量。并對每個單元根據分塊近似的思想，假設一個簡單的函數近似地表示單元

104、內位移的分布規(guī)律，再利用力學理論中的變分原理或其他方法，建立結點力與位移之間的力學特性關系，得到一組以結點位移為未知量的代數方程，從而求解結點的位移分量。然后利用插值函數確定單元集合體上的場函數。顯然，如果單元滿足問題的收斂性要求，那么隨著縮小單元的尺寸，增加求解區(qū)域內單元的數目，解的近似程度將不斷改進，近似解最終將收斂于精確解。</p><p>　　4.1 Ⅴ級圍巖ANSYS分析</p><

105、p>　　根據鐵路隧道設計規(guī)范中對在五級圍巖中深埋隧道覆蓋厚度值的規(guī)定，Ⅴ級圍巖段隧道埋深厚度區(qū)40m，左右各取50m，向下取50m的范圍的區(qū)域建立模型分析內力。</p><p><b>　　圖4.1 CAD圖</b></p><p>　　圖4.2有限元模型圖 圖4.3 地層變形圖</p><p>　　圖

106、4.3 彎矩圖 圖4.4 軸力圖</p><p><b>　　圖4.6 剪力圖</b></p><p>　　表4.1 Ⅴ級圍巖安全系數計算表.</p><p>　　4.2 Ⅳ級圍巖ANSYS分析</p><p>　　根據鐵路隧道設計規(guī)范中對在四級圍巖中深埋隧道覆蓋厚度

107、值的規(guī)定，Ⅳ級圍巖段隧道埋深厚度區(qū)25m，左右各取45m，向下取45m的范圍的區(qū)域建立模型分析內力。</p><p><b>　　圖4.7 CAD圖</b></p><p>　　圖4.8 有限元模型圖 圖4.9 地層變形圖</p><p>　　圖4.10 軸力圖

108、 圖4.11 彎矩圖</p><p><b>　　圖4.12 剪力圖</b></p><p>　　表4.2 Ⅳ級圍巖檢算表</p><p>　　5 蘭青二線二號隧道進口實施性施工組織設計</p><p>　　5.1 編制依據及編制范圍</p><p>　　5.1.1 編制依據&

109、lt;/p><p>　　(1)蘭青二線二號隧道襯砌圖﹑洞門圖。</p><p>　　(2)業(yè)主關于蘭青二線二號隧道工程工期要求。</p><p>　　(3)鐵道部現行施工技術規(guī)范、規(guī)則、規(guī)定以及施工定額。</p><p>　　(4)當地氣候環(huán)境及現場踏勘資料。</p><p>　　(5)本單位綜合管理、施工技術和機械裝備水

110、平以及類似工程施工中的 經驗和工法成果</p><p><b>　　5.1.2編制范圍</b></p><p>　　蘭青二線二號隧道進口段，里程DK6+498 ～ DK6+749,長1251m</p><p><b>　　5.2工程概述</b></p><p><b>　　5.2.1工程概

111、況</b></p><p>　　蘭青二線二號隧道起訖里程：DK6+498 ～DK7+749,全長1251m,為雙線隧道，最大埋深約50m.為直線隧道。</p><p>　　表5.1 圍巖分布見下表：</p><p>　　5.2.2工程地質和水文地質特征：</p><p>　　(1) 工程地質特征</p><p&

112、gt;　　工程地質特征：洞身通過地層為白堊系砂巖夾泥巖，棕紅色，鈣泥質弱膠結，巖質較軟，節(jié)理較發(fā)育，巖體較破碎，巖石內結構不均勻，風化層3.7～9.6m，Ⅲ級硬土，σ[0]=300KPa，弱風化層，Ⅳ級軟石，σ[0]=500KPa，出口陡坎頂部分布由上更新統(tǒng)粗礫土，Ⅲ級硬土，σ[0]=650KPa，進出口陡坎下分布有薄層第四系全更新統(tǒng)坡積角礫土，Ⅲ級硬土，σ[0]=650KPa。洞身上覆蓋有較厚的上更新統(tǒng)砂質黃土，Ⅱ級普通土，σ[0]=

113、150KPa.</p><p><b>　　(2) 地質構造</b></p><p>　　工程范圍內地層結構簡單，斷裂褶皺構造不發(fā)育，涇河下切強烈，新生代以來構造運動以整體抬升為主，河流階地發(fā)育，隧道范圍無斷裂和褶皺構造，以水平巖層為主。</p><p><b>　　(3) 水文地質</b></p><

114、p>　　勘察期間未見地下水，故可不考慮地下水對工程的影響。</p><p><b>　　(4) 防排水設計</b></p><p>　　防排水設計：洞內設置雙側保溫水溝，拱墻背后設厚度不小于1.2mm的防水板，板后鋪設無紡布緩沖層，拱墻環(huán)向墻腳縱向設盲管（溝），墻腳縱向設Φ80mm軟式透水管盲溝與環(huán)向盲溝聯通，通過邊墻泄水孔排入洞內側溝。施工縫設外貼止水帶加中埋

115、式止水條（帶）構成復合防水構造，變形縫采用由中埋式止水帶與外貼式止水帶、嵌縫材料構成復合防水構造，縱向施工縫設中埋剛型止水帶和外貼式止水帶。</p><p><b>　　(5) 特殊巖土</b></p><p>　　隧道通過區(qū)泥巖具弱膨脹性。砂巖的膠結能力較弱。圍巖不穩(wěn)定。</p><p><b>　　5.2.3氣象資料</b&

116、gt;</p><p>　　該地區(qū)總體來說氣候干燥，降水較少，晝夜溫差大，大陸性較強。冬季比較寒冷，春季多沙塵暴，夏季氣候相對涼爽。由于該地區(qū)部分屬于溫帶大陸性氣候，氣候特征概括起來就是：冬冷夏熱，年溫差大，降水集中，四季分明，年降雨量較少，大陸性強。干燥少雨，氣候呈極端。氣溫的年、日較差也越大，夏季高溫，冬季寒冷，全年降水少，降水主要集中在夏季。</p><p>　　5.2.4 施工環(huán)境

117、</p><p>　　(1) 交通條件及場地布置</p><p>　　施工場地交通較為不便，交通狀況較差，便道引入困難。結合現場地形,工程規(guī)模,工期,地形特點,棄渣場和水源等情況,本著因地制宜,充分利用地形,合理布置,統(tǒng)籌安排的原則進行。合理布置大堆材料、施工備品及回收材料堆放場地的位置。運輸便道、場區(qū)道路和臨時排水設施等，要統(tǒng)一規(guī)劃，做到合理布局、形成網絡。棄渣場地要容量足夠，且出渣運輸

118、方便。</p><p><b>　　(2) 電力供應</b></p><p>　　該地電力供應較為不便，需額外引入。</p><p><b>　　(3) 水源</b></p><p>　　隧道洞口明渠內長年流水，水質較好，施工用水可就近利用。</p><p>　　5.2.5

119、工程重、難點分析及應對措施</p><p>　　本隧道所處地段圍巖較為破碎，故應采取超前支護手段進行加固，在開挖時，利用光面爆破的爆破方法進行爆破開挖。。隧道開挖方法使用新奧法進行開挖。</p><p>　　5.3 施工總體方案</p><p>　　隧道施工嚴格按照“新奧法”的施工原理進行施工，以控制爆破或機械開挖為主要掘進手段，以錨桿﹑噴射混凝土為主要支護方法，把

120、理論﹑量測和經驗相結合。及時支護，充分利用圍巖的自穩(wěn)性，提高圍巖與支護結構的共同作用。施工過程中，執(zhí)行“短進尺、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測”的施工原則。及時進行封閉。</p><p>　　總之，在施工中，必須遵循的基本原則是“少擾動﹑早噴錨﹑勤量測﹑緊封閉”：</p><p>　　(1)圍巖是隧道的主要承載單元，要在施工中充分保護和愛護圍巖。</p><p>　

121、　(2)為了充分發(fā)揮圍巖的結構作用，應容許圍巖發(fā)生可控制的變形。</p><p>　　(3)變形的控制主要是通過支護阻力(即各種支護結構)的效應達到的。</p><p>　　(4)在施工中，必須進行實地量測控制，及時提出可靠的﹑數量足夠的量測信息，以指導施工和設計。</p><p>　　(5)在選擇支護手段時，一般應選擇能大面積牢固的與圍巖緊密接觸的﹑能及時施設和應

122、變能力強的支護手段。</p><p>　　(6)要特別注意，隧道施工過程是圍巖力學狀態(tài)不斷變化的過程。</p><p>　　(7)在任何情況下，使隧道斷面能在較短時間內閉合是極為重要的。</p><p>　　(8)在隧道施工中，必須建立設計—施工檢驗—地質預測—量測反饋—修正設計—</p><p>　　一體化施工管理系統(tǒng)，以不斷提高和完善隧道

123、施工技術。</p><p>　　根據工程實際情況，安排一支專業(yè)隧道施工隊伍，釆用鉆爆法從隧道進口單口掘進。由于開挖部分的巖性較差，故不采用全斷面開挖法，而采用長臺階開挖法。其開挖的作業(yè)順序為：</p><p><b>　　上半斷面開挖：</b></p><p>　　(1)用兩臂鉆孔臺車鉆眼，裝藥爆破，在地層較軟處利用挖掘機或人工開挖。</

124、p><p>　　(2)安設錨桿和鋼筋網，必要時可加設鋼支撐，噴射混凝土。</p><p>　　(3)用推鏟機將石渣推運到臺階下，再由裝載機裝入車內運至洞外。</p><p>　　(4)根據支護結構形成閉合斷面的時間要求，必要時在開挖上半斷面后，可建筑臨時底拱，形成上半斷面的臨時閉合結構，然后在開挖下半斷面時再將臨時底拱挖掉。</p><p>&l

125、t;b>　　下半斷面開挖：</b></p><p>　　(1)用兩臂鉆孔臺車鉆眼，裝藥爆破，裝渣直接運至洞外。</p><p>　　(2)安設邊墻錨桿(必要時)和噴混凝土。</p><p>　　(3)用反鏟挖掘機開挖水溝，噴底部混凝土，澆筑水溝。</p><p>　　5.4 隧道洞口施工</p><p&g

126、t;　　洞口開挖前作好天溝等防排水設施，再行開挖邊仰坡，洞門土石方應嚴格按自上而下的開挖順序，邊開挖，邊支護，邊驗收，在洞門部位爆破，應根據實測地形地質條件分析，確定包括鉆孔機具、鉆孔參數、炸藥和雷管參數在內的作業(yè)計劃，合理確定爆破作業(yè)的孔距、排距、爆破孔方向等參數，盡可能減少對邊坡的破壞，保證成洞圍巖不被破壞。為防止地表水流向洞口，需設置排水天溝，將水排向洞口兩側底部，避免地表水沿洞門邊坡漫流。洞門邊坡支護采用錨桿和噴射砼進行支護，必