隧道专业毕业设计

1第1章绪论1.1研究背景随着我国社会、经济的高速发展，全社会客运量和货运量都成倍增长。铁路在长途运输中占有明显优势。高速铁路是现代化铁路的重要标志，隧道是关键的基础工程之一。高速铁路的修建为了获得更好的线路线性，为了环保的需要，必然会出现大量的隧道群。目前我国大规模、高标准的铁路建设全面展开，客运专线对隧道的工程质量、耐久性、环境与水土保持、运营管理等提出了更高的要求。近几年来，从引进时速200公里高速列车技术，到自主开发时速350公里、380公里“和谐号”动车组；从京津城际铁路运营到京沪高铁即将开通，中国迅速跨入引领世界的“高铁时代”！而我国多山的特点使得对隧道技术的研究对实现高铁时代具有了更为重要的意义。1.2国内外研究现状高速铁路隧道与常速铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，产生的空气动力学效应对行车、旅客舒适度、列车相关性能和洞口环境的不利影响十分明显，因此，在隧道断面确定的时候必须考虑到空气动力学效应。施工方面，目前各国的高速铁路隧道施工方法仍以新奥法为主，以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。新奥法是按照实际观察到的围岩动态的各项指标来指导开挖隧道的方法。新奥法施工原则可以归纳为充分保护，并利用围岩的自承能力；施工要点为控制爆破、锚杆支护和施工监测；实施方法为设计、施工和监测三位一体的动态模式。隧道的开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。断面开挖方法的选择要注重开挖方法的多样性。如开挖隧道的TBM法、矿山法、不是相互排斥的方法，而是可以选择、可以组合的方法。在选择开挖方法时，一方面要考虑隧道围岩地质条件一方面要考虑坑道范围内岩石的坚硬程度。高速铁路隧道大部分属于大断面隧道，为了减少开挖对围岩的扰动，充分“保护围岩”，同时减小震动，保护隧道附近对震动有较高要求的结构物，选择部分地质件适宜的隧道采用铣挖机、单臂掘进机、液压破碎机、大功率挖掘机等装备开挖，将是一个发展趋势，这种采用非钻爆法施工的工法会逐步完善。同时，国内外铁路隧道施工机械的发展正朝着高速、高精的数控技术发展。国内外隧道施工都充分证实了在高速铁路隧道施工阶段，重视和加强地质超2前预报，最大限度地利用地质理论和先进的地质超前预报技术，预测开挖工作面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工周期、避免事故损失都具有重要意义。随着科学技术的发展，超前地质预报的仪器设备也更加精密。国内外隧道施工期地质超前预报技术方法的发展主要经历了地质法阶段、超前平行导坑阶段、超前水平钻孔阶段、无力探测法阶段。目前应用较广的有TSP超前预报，和地质雷达超前预报法。TSP超前预报系统具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状、及岩石动力参数。地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前平行导坑中应用可对正洞起到超前地质预报的作用。1.3设计内容(1)计算IV级、V级围岩荷载，确定不同的围岩级别条件下衬砌类型，衬砌长度，二衬厚度和计算配筋，进行洞身二衬结构检算，并绘制衬砌结构横剖面图，结构配筋图。(2)按工程类比法确定不同的围岩级别条件下隧道的初支结构及形式。(3)进行隧道总体施工方案设计，包括总体施工部署、进洞方案、洞身不同围岩段开挖方法等。(4)设计具体的施工工艺，包括开挖、出碴、初支、二衬、防水工程、量测及其它相关施工工艺，绘制相应的施工工法步序图，防水结构图，监测布置图以及其它必要附图。1.4隧道总体方案本隧道是以“新奥法”为理念，利用围岩的‘自穏自承’的能力。虽然由于地质情况不太理想导致使用‘钻爆法’往往会出现较大的安全隐患以及一系列安全事故，但是这里的地下水不发育就让很多事故出现的概率降低。要考虑的是开完之后的一些衬砌的风华和雨水的问题。为了防止洞口边坡仰坡坍滑我们决定采用‘削竹式’的洞门，以及明洞形式。连拱式的洞身。削竹式洞门是一种为了高速隧道而经过改造的一种洞门形式，它首先确保了环境，保证了洞门附近的边坡仰拱的稳定。其次好的洞门给你留下美的感受，削竹式洞门能起到修饰周围生态环境的有机结合的作用。最重要的是其独特的造型能够降低“音爆”的效果，并且在车体进洞的之前完美的脱离空气的乱流。是适3用于高速铁路的一种洞门。4第2章卢家山二号隧道概况2.1工程概况卢家山二号隧道线路是一条双线双向的铁路隧道，全长216米。隧道进口里程DK136+155，出口里程DK136+371。本隧道线路应用于高速铁路设计时速250公里。2.2地质概况卢家山二号隧道全程地质较单一，为第四系残积粉质黏土、黄褐色、硬塑、厚度0.5～1m，侏罗系上统白大畈组凝灰岩，紫灰色，全风化～弱风化，地下水不发育。其中，DK136+155～DK136+207是V级围岩段，长52m；DK136+207～DK136+250是IV级围岩段全长43m；DK136+250～DK136+342是III级围岩段，全长92m；DK136+342~DK136+371为V级围岩段，长29m。本隧道工程为本项目重大风险源之一，可能导致的风险有洞边仰坡坍滑、洞内坍方、触电、机械伤害及职业伤害。在施工中采取的措施：严格按照设计要求进行施工，加强施工程管理。制定各种安全技术操作规程，进行超前地质预报工作及施工中的监控量测工作，编制应急救援预案并实施安全演练。2.3工期本工程总工期为140天，冬雨季施工时间按实际情况安排。其他时间按8小时计算。5第3章结构计算根据隧道地质情况，运用工程类比法确定本隧道所有围岩段均采用复合式衬砌，衬砌结构必须满足运营安全要求、防水要求和美观要求。3.1衬砌结构计算原理卢家山二号隧道Ⅳ级围岩、Ⅴ级围岩的二次衬砌结构都采用结构力学方法计算。这种方法又叫作“荷载-结构”法，这种方法是将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法。其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支承来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接考虑。3.2荷载计算公式判断隧道的深埋于浅埋浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。根据《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)荷载等效高度计算值(2~2.5)pqHh式中pH——深浅埋隧道分界的深度qh——等效荷载高度值（qh=q）Ⅳ~Ⅵ级围岩取pH=2.5qh。Ⅴ级及Ⅵ级围岩产生的围岩压力一般为松动压力，Ⅳ级围岩当岩体结构面胶结不好时，也可能产生松动压力。松动压力包括垂直压力和水平压力，为了计算简便，一般均按均布压力计算。垂直压力计算：qh式中——围岩容重；h——隧道埋置深度。表1围岩水平均布压力围岩级别Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布压0＜0.15q（0.15-0.3）q（0.3-0.5）q（0.5-1.0）q6注：H/B＜1.7，式中H为隧道开挖高度，B为隧道开挖宽度；不产生显著偏压力及膨胀力的一般隧道。同时满足这两个条件时方可使用。当隧道为深埋时，采用我国《铁路隧道设计规范》(TB10003-2005)所推荐的单线、双线、及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式式中hq——等效荷载高度值；S——围岩级别，如III级围岩S=3；——围岩的容重；w——宽度影响系数，其值为w=1+i(B-5）其中B——坑道宽度（m）；i——B每增加一米，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B5时取i=0.2，B5m，取i=0.1。我国《铁路隧道设计规范》推荐，当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度qh时（即h＜qh时），围岩垂直均布压力为q=hk式中k——压力缩减系数，其值为B——隧道开挖高度；H——洞顶岩体覆盖厚度。表2各级围岩的及0值围岩级别ⅢⅣⅤⅥ0.90（0.7～0.9）0（0.5～0.7）0（0.3～0.5）0060～7050～6040～5030～40求围岩水平松动压力1qh0.452sqrrw20000(tan1)tantantantantan1tanhKB000tantantan1tan(tantan)tantan7若水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为1eh2eH为侧压力系数，可由式3-1计算若水平压力均布，则3.3荷载计算卢家山二号隧道，进口里程DK136+155，出口里程DK136+371，隧道全长216m。里程DK136+155至DK136+207为V级围岩，总长52m，最大埋深：h=10m。B=12m,此时i=0.1,内摩擦角φ=250粘聚力c=10KPa。qh=0.452S-1[1+i(B-5)]=12.24hqh,所以按超浅埋计算。选取DK136+207里程处断面，h=10m，选取=20kN/m3围岩垂直压力：q=h=20×10=200kN/m2围岩水平压力：e=0.5(H-Z)2tan2（0450.5)Z=2C/tan（0450.5）=1.57围岩水平压力：e=（0.520（10-1.57）2）tan2（0450.5）=（710.649）tan2()=121.52里程DK136+207至DK136+250为IV级围岩，长43m，最大埋深h=16m。qh=0.452S-1[1+i(B-5)]=12.24令pH=2.5qh=30.6h=16pH按浅埋计算选取DK136+250里程处断面，h=16m，选取=23kN/m3121()2eee45280=55，00.8=44O，tan551.428，tan440.966=4.496=0.1543围岩竖向压力：=292.59kN/m2水平方向压力：按梯形分布1eh=56.7824kN/m22eH=43.53kN/m2里程DK136+250至里程DK136+342为III级围岩，长92m，最小埋深16m，最大埋深25mqh=0.452S-1[1+i(B-5)]=12.24pH=（2~2.5）qh=24.48~30.6所以按深埋计算：取=23kN/m3围岩竖向压力：q=qh=2312.24==281.62kN/m2围岩水平压力：e=0.15q=0.15281.62=42.24kN/m2里程DK136+342至DK136+371为V级围岩，长29m，最大埋深17mqh=0.452S-1[1+i(B-5)]=12.24mh2.5qh所以按浅埋计算，选取=20kN/m3选取DK136+342里程处截面，h=17m，0=45，0=0.627=320000(tan1)tantantantantan000tantantan1tan(tantan)tantan2tan()hqrhB20000(tan1)tantantantantan9围岩竖向压力：=292.96kN/m23.4衬砌内力计算在IV、V级围岩段，二次衬砌按主要承载结构设计，计算采用荷载—结构模型，采用有限元ANSYS进行模拟。单元类型为二维梁单元，梁单元宽度为单位宽度，梁的高度按二次衬砌实际厚度考虑。围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况进行调整和优化，围岩弹性抗力系数按规范选值，仅当结构产生朝向围岩方向的位移时添加弹簧单元。计算时，参数选择如表3，计算模型图见图1。表3衬砌及围岩计算参数结构及围岩容重(kN/m³)弹性抗力系数K(MPa/m)弹性模量(GPa)泊松比C30混凝土23——310.2Ⅳ级围岩21.5350————Ⅴ级围岩18.5150————000tantantan1tan(tantan)tantan2tan(