魏家山隧道洞深横断面及IV级围岩衬砌设计 课程设计 精品.docx
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魏家山隧道洞深横断面及IV级围岩衬砌设计课程设计精品
地下工程设计
魏家山隧道洞深横断面及
级围岩衬砌设计
摘要
本次洞深横断面及
级围岩衬砌设计是针对于位于铁山背斜北西翼的魏家山隧道展开的。
魏家山隧道地质构造简单,无断层通过,区域稳定性好,工程地质问题主要是洞口的陡崖分布和石堆情况比较杂乱工序。
隧道内围岩有块石、泥岩、粉砂岩等。
而本工程主要是对隧道的断面尺寸进行设计以及初期支护和二次支护,并且还对施工组织体系进行了简要的分析。
断面尺寸设计时,应充分发挥隧道本身的功能,按照安全、经济的基本原则,综合考虑地形、地质、水文、气象、地震和交通量及其构成,以及营运和施工条件。
衬砌结构按永久性建筑设计,具有规定的强度、稳定性和耐久性,对于国家关于国土管理、环境保护、水土保持等法规的要求都有很好地满足。
对于初期支护和二次支护而言,大都采用工程类比经验方法。
初期支护主要按规范进行设计,而在二次支护中,主要从围岩荷载计算和衬砌内力方面进行校核。
施工组织设计包括了施工方案和施工流程的概述。
关键词:
横断面;衬砌设计。
目录
第一章工程背景1
1.1地质构造1
1.2地层岩性1
1.3主要工程地质问题1
1.4围岩级别划分1
第二章衬砌断面设计4
2.1设计依据4
2.2隧道总体设计原则4
2.3隧道设计技术标准4
2.4参见5
第三章初期支护与二次衬砌设计8
3.1初期支护设计8
3.2二次衬砌设计8
3.2.1围岩荷载计算8
3.2.2衬砌内力计算9
第四章施工组织设计20
4.1施工方案20
4.1.1初期支护20
4.1.2二次支护20
4.2施工方法和流程21
4.3施工监控测量22
第五章总结23
参考文献24
第一章工程背景
1.1地质构造
魏家山隧道位于铁山背斜北西翼,岩层呈单斜状产出,岩层产状276°~313°∠4°~38°。
铁山背斜轴线方位35o,从双河口至宣汉陈家坡圈闭倾伏,两翼倾角NW20o~60o,SE25o~47o。
工作区仅为北东端倾伏部分,倾伏角10o,轴部圆滑,轴向变化小。
背斜核部位于出口外200余米,于线路K101+900处穿过。
隧址区除出口端靠近背斜核部外,地质构造简单,无断层通过,区域稳定性好。
本次勘察对隧址区进行了裂隙调查,主要发育有二组构造裂隙:
①105°~122°∠52~64°,裂面粗糙不平,裂隙宽0.1~0.2cm,间距0.20~0.5m,无充填;②230~293°∠72~84°,平直,裂隙宽0.1~0.3cm,间距0.2~0.6m,有少量岩屑充填。
1.2地层岩性
根据地面工程地质测绘及钻探揭露,隧址区的地层主要为第四系崩坡积层(Q
)及坡残积层(Q4dl+el)粉质粘土、碎块石土,中生界侏罗系中统上沙溪庙组(J2s)及中生界侏罗系中统下沙溪庙组(J2xs)砂泥岩及侏罗系中统新田沟组(J2x)砂泥岩。
1.3主要工程地质问题
隧道进口经过地面调查及访问,未发现滑坡、泥石流等不良地质现象。
但隧道进口位置,为基岩顺层,同时基岩面较陡,因此应特别注意洞口的防护。
隧道出口位置为砂岩陡崖,其陡崖坡脚形成一定厚的的岩堆。
该岩堆块石单个个体较大,且多为架空结构,因此对隧道出口不利。
1.4围岩级别划分
按照《公路隧道设计规范》(JTGD70—2004)规定的围岩分级方法,同时参考《公路工程地质勘察规范》,综合考虑隧道工程地质条件,主要是岩性特征及组合,岩层产状,裂隙发育及风化情况,岩体结构结合钻孔岩芯采取率、Vp、Kv、RQD、BQ和[BQ]指标,岩体物理力学指标及水文地质情况。
隧道围岩级别主要为Ⅴ、Ⅳ级,围岩分级指标、工程地质特征见表1-1和表1-2,长度详见隧道(地质)纵断面设计图。
表1-1围岩基本质量指标[BQ]及围岩分级表
地层
代号
岩石名称
天然密度
天然抗压强度
饱和抗压强度
弹性模量
泊松比
内摩擦角
凝聚力
岩石
坚硬程度
(g/cm3)
(MPa)
(MPa)
(104MPa)
(°)
(MPa)
J2s
粉砂质泥岩(中风化)
2.65
9.98
0.61
0.35
27
0.30
软岩
细砂岩(中风化)
2.60
46.80
29.40
2.24
0.3
33
4.98
较软岩
J2x
泥质粉砂岩(中风化)
2.65
24.20
20.20
1.35
0.3
30
0.45
较软岩
细砂岩(中风化)
2.59
69.82
51.50
2.51
0.25
42
5.79
较硬岩
强风化岩体属极软~较软岩,构造风化裂隙发育,Kv<0.38,〔BQ〕<250,围岩级别属Ⅴ;隧道洞身围岩级别划分根据勘查隧道地质特征、隧道[BQ]指标,以及四川省已建红层区隧道工程经验综合判定属Ⅳ,隧道出口段水量贫乏,J2x厚层砂岩[BQ]>350,判定属Ⅲ级。
表1-2隧道围岩分级表
围岩
级别
地层
代号
岩土名称
主要工程地质特征
开挖后可能出现的问题
Ⅴ
Q4c+dl
块石
呈松散~松软结构。
含少量孔隙水;开挖时围岩易坍塌,冒顶。
J2x
J2s
进口粉砂质泥岩、细砂岩
出口细砂岩
强风化带,岩石属极软~软质岩类,薄~中厚层状构造。
裂隙发育,岩石层间结合较差,岩体较破碎~破碎,以中薄层碎裂结构为主,
中风化带,工程地质特征同Ⅳ围岩段。
隧道出水形式以浸润至滴水状出水为主,局部可能有线状出水。
拱顶围岩易离层产生较大坍塌,土洞段易冒顶,侧壁有时失去稳定。
J2x
J2s
粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、细砂岩夹泥岩
中~微风化带:
软岩~较软岩为主,夹少量较硬岩,中~厚层状构造为主,局部为薄层或巨厚层状构造。
节理较发育,不同岩性层间结合较差,岩体较完整~较破碎,以中厚层状结构为主。
隧道出水形式以点滴状及淋水状出水为主,局部段裂隙贯通可能出现小股状涌水。
拱顶围岩易沿层面坠落,无支护时可产生小~大坍塌,侧壁基本稳定。
J2x
细砂岩
中~微风化带:
较硬岩为主,中~厚层状构造为主,局部为巨厚层状构造。
节理较发育,不同岩性层间结合较差,岩体较完整~较破碎,以中厚层状结构为主。
隧道出水形式以点滴状及淋水状出水为主。
拱顶围岩易沿层面坠落,无支护时可产生小坍塌,侧壁基本稳定。
第二章衬砌断面设计
2.1设计依据
(1)《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004);
(2)《公路隧道施工技术规范》(JTJ042-94);
(3)《地下工程》主编张庆贺同济大学出版社;
(4)《隧道结构力学计算》;
(5)《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出版社;
(6)《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)图书馆或网络搜索。
2.2隧道总体设计原则
(1)隧道设计遵循充分发挥隧道功能,安全、经济的基本原则。
设计中有完整的勘测、调查资料,综合考虑地形、地质、水文、气象、地震和交通量及其构成,以及营运和施工条件,进行了多方案的技术、经济、环保比较,使隧道设计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求。
(2)隧道主体结构按永久性建筑设计,具有规定的强度、稳定性和耐久性;加强了隧道支护衬砌、防排水、路面等主体结构设计与照明、供配电、消防、交通监控等营运设施设计之间的协调,形成合理的综合设计。
(3)隧道设计体现动态设计与信息化施工的思想,制定地质观察和监控量测的总体方案。
(4)隧道设计贯彻国家有关技术经济政策,积极慎重地采用新技术、新材料、新设备、新工艺。
(5)隧道设计符合国家有关国土管理、环境保护、水土保持等法规的要求。
注意节约用地,保护农田及水利设施,尽量保护原有植被,妥善处理弃渣和污水。
2.3隧道设计技术标准
(1)公路等级:
双向四车道高速公路
(2)隧道设计速度:
80km/h
(3)隧道建筑限界见表2-1和图2-1
(4)隧道路面横坡:
单向坡2%(直线段),超高不大于±4%。
(5)隧道内最大纵坡:
±3%;最小纵坡:
±0.3%。
(6)洞内路面设计荷载:
公路-I级。
(7)隧道防水等级:
一级;二次衬砌砼抗渗等级不小于S6。
2.4参见
公路隧道设计规范:
4.4隧道横断面设计
隧道衬砌断面拟定为:
直墙拱结构形式。
本高速公路位于魏家山区,取设计时速为
,则建筑限界高度H=5.0m。
且当
时,检修道J的宽度不宜小于0.75m,取
,检修道高度
余宽
。
取行车道宽度W=3.75m×2=7.5m,侧向宽度为:
,建筑限界顶角宽度为:
隧道路面横坡:
单向坡2%(直线段),超高不大于±4%。
隧道内最大纵坡:
±3%;最小纵坡:
±0.3%,本处取2%。
具体建筑限界见表2-1和图2-1所示。
表2-1隧道建筑限界
项目
净宽(m)
净高(m)
行车道(m)
侧向宽度(m)
检修道(m)
主洞
10.25
5.0
3.75×2
0.5+0.75
0.75×2
紧急停车带
13.00
5.0
/
/
/
车行横通道
4.5
5.0
/
/
/
人行横通道
2.0
2.5
/
/
/
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。
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。
故:
隧道限界净宽为:
10.25m;
其中:
行车道宽度:
W=3.75m×2=7.5m;
侧向宽度为:
;
检修道宽度:
;
隧道限界净高:
5m;
内轮廓形式:
单心圆R=5.53m;
净高:
7.15m;
净宽:
11.06m;
向外取衬砌厚度0.5m,则:
隧道开挖宽度
;隧道开挖高度:
图2-1隧道主洞建筑限界
图2-2隧道内轮廓线
第三章初期支护与二次衬砌设计
目前国内外关于隧道的结构设计,大都采用工程类比经验方法。
3.1初期支护设计
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,锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆,规格F22×2500mm,间距1.0~1.5m,锚喷混凝土厚度120mm;钢筋网:
局部@25×25。
3.2二次衬砌设计
围岩稳定性一般,采用Ⅳ级围岩,二衬作为安全储备,按构造要求设计,采用曲墙式衬砌,拱顶采用单心圆。
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。
3.2.1围岩荷载计算
洞身衬砌结构上的荷载主要考虑永久作用及围岩约束衬砌变形的弹性反力。
作用在洞身衬砌上的永久作用包括结构自重、垂直压力及侧向压力、墙背弹性反力、土压力等,。
在Ⅳ级围岩中,深埋隧道的围岩压力为松动荷载时,
隧道支护结构的垂直均布压力:
其中:
s=4,为安全起见,取
B>5m,取i=0.1,
,
荷载等效高度:
深、浅埋隧道分界深度:
故为深埋隧道。
根据《隧规》规定,水平压的力按表3-1查取:
表3-1水平压力取值参数
围岩级别
Ⅰ~Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
水平均部压力
0
﹤0.15q
(0.15~0.3)q
(0.3~0.5)q
(0.5~1.0)q
水平均布围岩压力:
。
顶拱和边墙的厚度均为0.5m,宽度为1.0m,跨度l=12.06m,拱的矢高f=3.7m,垂直均布压力
,侧向均布压力
衬砌选用C30混凝土,其弹性模量E=31GPa.
3.2.2衬砌内力计算
(1)计算模型
图3-1双线洞身二次衬砌深埋结构计算模型
(2)衬砌结构内力图
图3-2双线洞身二次衬砌深埋结构计算轴力图
图3-3双线洞身二次衬砌深埋结构计算弯矩图
图3-4二次衬砌深埋结构计算剪力图
图3-5二次衬砌深埋结构轴力图(kN)
图3-6二次衬砌深埋结构弯矩图(kN·m)
(3)结构内力计算结果详见表3-2
表3-2单元内力结果计算书
单元
轴力(kN)
弯矩(kN·m)
剪力(kN)
1
-508.79
2.7213
-0.50879
2
-508.77
2.1851
-0.50877
3
-508.75
-0.22185
-0.50875
4
-508.44
-0.45679
-0.50844
5
-507.95
-0.42146
-0.50795
6
-507.3
-0.43469
-0.5073
7
-506.5
-0.56107
-0.5065
8
-505.54
-0.80493
-0.50554
9
-504.39
-0.93485
-0.50439
10
-503.03
-0.51065
-0.50303
11
-501.41
1.1477
-0.50141
12
-499.47
4.7941
-0.49947
13
-497.21
11.102
-0.49721
14
-494.73
19.721
-0.49473
15
-492.29
28.283
-0.49229
16
-490.51
30.818
-0.49051
17
-512.35
16.286
-0.51235
18
-532.02
-11.155
-0.53202
19
-539.9
-30.159
-0.5399
20
-530.18
-35.679
-0.53018
21
-522.7
-20.201
-0.5227
22
-518.05
-6.4285
-0.51805
23
-514.22
1.4781
-0.51422
24
-510.91
5.7185
-0.51091
25
-507.88
8.5489
-0.50788
26
-510.64
11.45
-0.51064
27
-508.66
4.9045
-0.50866
28
-505.49
1.2278
-0.50549
29
-501.29
-0.25305
-0.50129
30
-496.22
-0.35054
-0.49622
31
-490.44
0.27518
-0.49044
32
-484.05
1.0184
-0.48405
33
-477.18
1.6472
-0.47718
34
-470
1.6781
-0.47
35
-462.66
0.56589
-0.46266
36
-455.38
-2.4362
-0.45538
37
-448.23
-7.8224
-0.44823
38
-441.14
-15.426
-0.44114
39
-433.7
-23.525
-0.4337
40
-425.69
-28.419
-0.42569
41
-417.27
-30.48
-0.41727
42
-408.59
-30.154
-0.40859
43
-399.81
-27.758
-0.39981
44
-391.08
-23.692
-0.39108
45
-382.53
-18.375
-0.38253
46
-374.33
-12.098
-0.37433
47
-366.58
-5.2648
-0.36658
48
-359.44
1.842
-0.35944
49
-352.99
8.8691
-0.35299
50
-347.34
15.573
-0.34734
51
-342.59
21.713
-0.34259
52
-338.79
27.079
-0.33879
53
-336.01
31.501
-0.33601
54
-333.94
34.854
-0.33394
55
-333.84
38.145
-0.33384
56
-335.78
34.854
-0.33578
57
-338.43
31.501
-0.33843
58
-342.1
27.079
-0.3421
59
-346.74
21.713
-0.34674
60
-352.26
15.573
-0.35226
61
-358.59
8.8691
-0.35859
62
-365.61
1.842
-0.36561
63
-373.25
-5.2648
-0.37325
64
-381.34
-12.098
-0.38134
65
-389.78
-18.375
-0.38978
66
-398.4
-23.692
-0.3984
67
-407.09
-27.758
-0.40709
68
-415.67
-30.154
-0.41567
69
-424
-30.48
-0.424
70
-431.92
-28.419
-0.43192
71
-439.28
-23.525
-0.43928
72
-446.29
-15.426
-0.44629
73
-453.37
-7.8224
-0.45337
74
-460.59
-2.4362
-0.46059
75
-467.87
0.56589
-0.46787
76
-475
1.6781
-0.475
77
-481.82
1.6472
-0.48182
78
-488.17
1.0184
-0.48817
79
-493.92
0.27518
-0.49392
80
-498.97
-0.35054
-0.49897
81
-503.15
-0.25305
-0.50315
82
-506.3
1.2278
-0.5063
83
-508.28
4.9045
-0.50828
84
-505.53
11.45
-0.50553
85
-508.56
8.5489
-0.50856
86
-511.88
5.7185
-0.51188
87
-515.72
1.4781
-0.51572
88
-520.38
-6.4285
-0.52038
89
-527.9
-20.201
-0.5279
90
-537.86
-35.679
-0.53786
91
-530.41
-30.159
-0.53041
92
-511.32
-11.155
-0.51132
93
-489.84
16.286
-0.48984
94
-491.66
30.818
-0.49166
95
-494.14
28.283
-0.49414
96
-496.67
19.721
-0.49667
97
-498.97
11.102
-0.49897
98
-500.96
4.7941
-0.50096
99
-502.63
1.1477
-0.50263
100
-504.04
-0.51065
-0.50404
101
-505.23
-0.93485
-0.50523
102
-506.24
-0.80493
-0.50624
103
-507.09
-0.56107
-0.50709
104
-507.78
-0.43469
-0.50778
105
-508.31
-0.42146
-0.50831
106
-508.67
-0.45679
-0.50867
107
-508.77
-0.22185
-0.50877
108
-508.78
2.1851
-0.50878
(4)衬砌结构计算按破损阶段进行结构截面强度检算
计算各断面最不利位置的偏心距、安全系数,按破损阶段法验算衬砌截面强度,有:
K=N极限/N(式3-1)
式中,N极限—截面的极限承载力(轴力)
N—截面的实际轴力
K—强度安全系数
对于截面极限承载力N极限的计算,依轴力偏心距
的大小有两种情况:
对混凝土矩形截面构件,当e≤0.20h时,系抗压强度控制承载能力;
N极限=
(式3-2)
当e>0.20h时,系抗拉强度控制承载能力。
抗拉强度控制:
N极限=
(式3-3)
式中,Ra—混凝土抗压极限强度;
Rl—混凝土抗拉极限强度;
b—截面宽度(m);
h—截面高度(m);
a—轴力偏心影响系数;
各计算参数的选取
由《隧规》可得表3-3有:
表3-3混凝土极限强度(MPa)
混凝土强度等级
C15
C20
C25
C30
C40
C50
抗压Ra
12.0
15.5
19.0
22.5
29.5
36.5
弯曲抗压Rv
15.0
19.4
24.2
28.1
36.9
45.6
抗拉Rl
1.4
1.7
2.0
2.2
2.7
3.1
C30混凝土采用Ra和Rl分别取22.5MPa、2.2MPa
截面宽度b=1m,截面高度h=0.35m
轴力偏心影响系数按下式计算:
=1.000+0.648(e0/h)-12.569(e0/h
+15.444(e0/h
(式3-4)
安全系数计算分析结果见表3-3。
表3-4衬砌截面控制点结构检算
位置
混凝土标号
结构
厚度
弯矩(kN•m)
(N·m)
轴力(kN)
(N)
安全
系数
拱顶
C30
50cm
38.145
-333.84
4.21
左拱肩
C30
50cm
-27.758
-399.81
1
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