水利水电工程 技术设计阶段交通运输洞设计大纲范本.docx
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水利水电工程技术设计阶段交通运输洞设计大纲范本
工程技术设计阶段
交通运输洞设计大纲
主编单位:
主编单位总工程师:
参编单位:
主要编写人员:
软件开发单位:
软件编写人员:
勘测设计研究院
年月
目录
1引言4
2设计依据文件和规范4
3基本资料5
4布置9
5洞口及洞脸9
6结构设计11
7结构计算11
8观测设计和运行要求17
9排水设计17
10技术专题研究18
11工程量计算18
12应提供的设计成果19
附录A锚喷支护的理论设计20
附录B锚喷支护安全度验算23
附录C隧洞和斜井的锚喷支护类型和设计参数25
附录D锚喷支护工程实例27
1引言
1.1工程概况
工程位于,是以为主,兼有等综合利用的水利水电枢纽工程。
电站总装机容量MW,年发电量kW·h,电站为厂房,厂房高m,宽m,长m。
本工程初步设计报告于年月审查通过。
1.2编写内容
(1)水电站地下厂房交通运输洞技术设计;
(2)平洞和斜洞(α≤30°);
(3)不包括竖井部分。
2设计依据文件和规范
2.1有关本工程的文件
(1)工程初步设计报告;
(2)工程初步设计报告审批文件;
(3)工程技术设计任务书。
2.2主要设计规范
(1)SDJ20-78水工钢筋混凝土结构设计规范(试行);
(2)JTJ26-89公路隧道设计规范;
(3)SD134-84水工隧洞设计规范;
(4)SDJ10-78水工建筑物抗震设计规范(试行);
(5)GBJ3-88砌体结构设计规范;
(6)JTJ14-86公路柔性路面设计规范;
(7)JTJ12-84公路水泥混凝土路面设计规范;
(8)GBJ86-85锚杆喷射混凝土支护技术规范;
(9)SL47-94水工建筑物岩石基础工程施工技术规范;
(10)TBJ3-85铁路隧道设计规范;
(11)SDJ212-83水工建筑物地下开挖工程施工技术规范。
2.3主要参考资料
(1)水利水电工程地下建筑物设计手册水规总院等编四川科学技术出版社1993年
(2)水工隧洞的设计理论和计算汪胡桢著水利电力出版社1990年
(3)水电站厂房设计顾鹏飞喻远光编水利电力出版社1987年
3基本资料
3.1工程等别与建筑物级别
(1)工程等别为等;
(2)建筑物级别为级。
3.2地震烈度
(1)基本地震烈度为度;
(2)设计地震烈度为度。
3.3洪水标准
设计洪水重现期:
Ts=a;
校核洪水重现期:
Tx=a。
3.4水位和洪水流量
水位和洪水流量,见表1。
表1水位和洪水流量表
项目
单位
Ts
Tx
洪水流量
m3/s
水位
m
3.5气象
(1)月平均气温
表2月平均气温表(年至年)单位:
℃
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
全年
平均气温
(2)绝对最高气温℃;
绝对最低气温℃。
(3)冰冻期:
月~月。
3.6工程地质、水文地质
(1)地下水位及涌水量,见表3。
表3地下水位及涌水量表
桩号
……
地下水位,m
涌水量,m3/(d·m)
……
(2)交通洞沿线断层汇总,见表4。
表4沿线断层汇总表
方位
断层编号
断层产状,(°)
宽度,m
主要特征
走向
倾向
倾角
破碎带
影响带
(3)交通洞岩体裂隙统计,见表5。
表5岩体裂隙统计表
岩性
位置
组号
密度
条/m2
裂隙产状,(°)
裂隙发育特征
走向
倾向
倾角
(4)交通洞围岩物理力学指标,见表6。
表6围岩物理力学指标表
桩号,m
主要岩性
风化类型
岩体类别
容重
kN/m3
干
饱和
饱和吸水率,%
弹性模量Mpa
水平
铅直
变形模量Mpa
水平
铅直
抗压强度Mpa
干
饱和
泊桑比
内摩擦角,(°)
凝聚力,Mpa
岩体纵波速度,m/s
岩体完整性系数
岩体坚固系数
围岩强度Rb·Kv,Mpa
稳定性评价
单位弹性抗力系数,kN/m3
提示:
单位弹性抗力系数是非常重要的一个参数,以下所列的各种岩体的单位弹性抗力系数仅可作为参考之用。
岩石坚硬
程度
代表性岩石
节理间距cm
单位弹性抗力系数
N/cm3
105kN/m3
坚硬
石英岩、花岗岩、流纹岩、安山岩、玄武岩、硅质石灰岩
30以上
10000~20000
100~200
5~30
5000~10000
50~100
5以下
3000~5000
30~50
中等坚硬
砂岩、石灰岩、白云岩、砾岩
30以上
5000~10000
50~100
5~30
3000~5000
30~50
5以下
1000~3000
10~30
较软
砂质岩互层、粘土质页岩、泥灰岩
30以上
2000~5000
20~50
5~30
1000~2000
10~20
5以下
<1000
<10
松软
风化页岩、风化泥灰岩、粘土、黄土、小麓堆积物
<500
<5
3.7材料特性
3.7.1建筑材料
(1)洞门建筑材料,见表7。
表7洞门建筑材料
工程部位
材料种类
混凝土或钢筋混凝土
构件混凝土
片石混凝土
砌体
端墙
顶帽
翼墙和洞口挡土墙
侧沟、截水沟、护坡等
提示:
端墙砌体可选用100#水泥砂浆砌片石、块石镶面或混凝土预制块镶面。
顶帽砌体可选用100#水泥砂浆砌粗料石。
翼墙和洞口挡土墙砌体可选用水泥砂浆砌片石。
(2)衬砌建筑材料,见表8。
表8衬砌建筑材料
工程部位
材料种类
混凝土
片石混凝土
钢筋混凝土
构件混凝土
喷射混凝土
砌体
拱圈
边墙
仰拱
棚洞盖板
仰拱填充
水沟沟身及电缆槽身
提示:
(1)表7~8所述材料种类应根据结构强度和耐久性的要求及其抗冻、抗渗和抗侵蚀性的需要选用;
(2)如果侵蚀性水经常作用时,结构物的混凝土或砂浆均应采用具有抗侵蚀性能的特种水泥;
(3)在严寒及寒冷地区隧道受冻害影响的地段,宜采用整体式混凝土衬砌,且应满足抗冻性要求。
水沟盖板及电缆槽盖板
(3)路面材料。
提示:
交通洞内路面材料一般为混凝土路面,其标号可选用150号或150号以上。
路面材料可参考交通部颁发的《公路柔性路面设计规范》(JTJ014-86)、《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTJ012-84)的有关规定。
(4)其它材料,见表9。
表9其它材料
材料名称
直径
级别
钢筋
锚杆
3.7.2材料性能
(1)建筑材料容重,见表10。
表10建筑材料容重单位:
kN/m3
材料名称
混凝土
片石混凝土
钢筋混凝土
浆砌粗料石
浆砌块石
浆砌片石
喷射混凝土
容重
(2)混凝土的设计强度及弹性模量,见表11、表12。
表11混凝土的设计强度单位:
MPa
强度种类
混凝土标号
轴心抗压
弯曲抗压
抗拉
抗裂
表12混凝土的弹性模量单位:
MPa
混凝土标号
弹性模量
(3)砌体的设计强度,见表13。
表13砌体的设计强度单位:
MPa
强度种类
截面
砌体种类
砂浆标号
抗压强度
直接抗剪
通缝
齿缝
弯曲抗拉
通缝
齿缝
(4)钢筋的强度及弹性模量,见表14。
表14钢筋的设计强度及弹性模量单位:
MPa
钢筋种类
符号
受拉钢筋设计强度
受压钢筋设计强度
弹性模量
(5)喷射混凝土指标,见表15。
表15喷射混凝土设计指标表单位:
MPa
标号
轴心抗压
弯曲抗压
抗拉
弹性模量
粘结力
3.8运输方式及运输构件最大尺寸
(1)运输方式为。
(2)运输构件的最大尺寸:
1)长m;
2)宽m;
3)高m。
提示:
可参照SD134-84第三章“隧洞布置”和JTJ026-89第二章“总体设计”并结合具体工程实际情况进行。
4布置
4.1线路布置
线路布置,见表16。
表16交通运输洞各控制点座标及路面高程
点号
桩号
座标,m
路面高程m
转弯半径m
X
Y
(起点)1
…
(终点)
4.2横断面设计
提示:
横断面设计应根据运输车辆、运输构件尺寸、施工方法及不同地质情况进行复核并以简图方式表示。
5洞口及洞脸
5.1洞口
5.1.1洞口位置
提示:
洞口位置应根据地形、地质、水文条件并考虑边坡及仰坡的稳定,从保证施工和营运安全出发,通过经济、技术比较,综合研究确定。
(1)洞口的边坡及仰坡必须保持稳定,避免大挖大刷、大填;
(2)洞口位置应设在山坡稳定、地质条件较好处;
(3)位于悬崖陡壁下的洞口,一般不宜切削厚山坡;当坡面及岩顶稳定,无落石或坍塌的可能时,可贴壁进洞;要避免在不稳定的悬岩陡壁下进洞,否则应延伸洞口设置明洞,或采取其它措施,以保证安全;
(4)沿沟侧进洞时,应考虑水文情况,结合防排水工程,充分比选后确定洞口位置;
(5)洞口设计应考虑和附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响,并采取防患措施。
5.1.2洞口设施的规定
提示:
(1)洞口边坡、仰坡顶面及其周围,应根据实际情况设置排水沟及截水沟,并和路堑排水系统综合考虑布置;
(2)洞口边坡、仰坡应根据实际情况采取坡面防护措施,做到不留后患、保证安全、经济合理。
(3)当洞口处有落石、泥石流等时,应采取清刷、延伸洞口设置明洞或其它措施。
5.1.3洞口参数的选定
(1)洞口的边坡;设计开挖高度m;
(2)洞口的仰坡;
(3)明洞的长度m;
(4)排水沟及截水沟断面尺寸m×m;
(5)边坡防护措施。
5.2洞脸
5.2.1洞脸形式
提示:
(1)洞口应修建洞脸。
洞脸为交通运输洞对外设施,形式应适用、经济、美观。
有条件时,尽可能在其周围植树绿化,特别是在旅游风景区应与周围环境协调;
(2)如交通运输洞与地下建筑物通风相结合时,应综合考虑通风设施的修建;
(3)洞脸应尽量与隧洞轴线正交。
洞脸的形式为。
5.2.2洞脸构造及基础设置
(1)洞脸墙顶高程m;
(2)洞脸墙伸缩缝间距m;墙厚度m;
(3)洞脸墙基底高程m。
提示:
基底埋入土质地基的深度不应小于1.0m,嵌入岩石地基的深度不应小于0.5m;地基为冻胀土层时,基底标高应在冻结线以下不小于0.25m;墙基底埋设深度应大于墙边各种沟、槽基底埋设的深度。
软弱地基上的基础,当地基强度不足时,可采取扩大、加固基础等措施。
6结构设计
结构设计,见表17。
表17结构设计表
相同断面
断面简图
初选支护型式
灌浆孔布置排距×孔距
灌浆压力
排水布置
起始桩号
终了桩号
衬砌厚度
喷锚厚度
w
提示:
衬砌结构类型和尺寸,应根据使用要求、工程地质条件、围岩类别、埋设位置及施工条件等,通过工程类比和结构计算综合分析确定。
必要时,可通过试验论证确定。
本阶段可用工程类比法确定。
另外应做到:
(1)隧洞进/出口应设置锁口加强衬砌段,其伸入洞内深埋段长度一般不宜小于10m,且不宜小于2~3倍隧洞开挖跨度;
(2)围岩较差段的衬砌应向围岩较好段延伸5m以上。
偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m以上;
(3)设仰拱的隧道,路面下应以浆砌片石或素混凝土回填;
(4)衬砌段之间应根据实际情况设置变形缝;
(5)浅埋地段隧道应采用浅埋衬砌;因地形或地质构造、施工等引起有明显偏压的地段,应采用偏压衬砌或特殊衬砌,并与回填、灌浆相配合。
7结构计算
7.1荷载及其组合
(1)隧道荷载,见表18。
表18隧道荷载表
编号
荷载分类
荷载名称
1
永久荷载
(恒载)
围岩压力
2
结构自重力
3
填土压力
4
混凝土收缩和徐变的影响力
5
围岩弹性抗力
6
可
变
荷
载
基本可
变荷载
公路车辆荷载,人群荷载
7
外水压力
8
回填灌浆压力
9
立交公路车辆荷载及其所产生的冲击力、土压力
10
立交铁路列车活载及其所产生的冲击力、土压力
11
其它可
变荷载
立交渡槽流水压力
12
温度变化的影响力
13
冻胀力
14
偶然荷载
落石冲击力
15
地震力
16
施工荷载
(2)荷载组合,见表19。
表19荷载组合表
部位
荷载组合
基本组合
特殊组合
明洞段
洞口锁口段
断层破碎带
交岔段
提示:
(1)明洞顶回填土压力,当有落石危害需验算冲击力时,只计洞顶实际填土重力和落石冲击力的影响,不计塌方堆积土石重力;
(2)当明洞上方与公路或铁路立交时,应考虑公路车辆荷载或列车活载;
(3)围岩压力应根据施工方法、围岩变形情况以及衬砌修筑时间对围岩压力的影响等因素确定。
如按复合衬砌设计,考虑一期锚喷支护后,围岩已达到基本稳定,然后进行二期混凝土衬砌,故作用在衬砌上的垂直山岩压力参照铁道部经验仅考虑全部垂直山岩压力的50%;
(4)一般情况下,特殊荷载中考虑回填灌浆压力时,不再计入山岩压力;
(5)仅在地质条件较好的地段考虑弹性抗力;
(6)灌浆压力与外水压力不需要叠加。
灌浆压力大于外水压力时,顶拱部位只计灌浆压力,其余部位为外水压力;灌浆压力小于外水压力时,则可不计灌浆压力;
(7)地震对地下结构的破坏作用远比对地面建筑物的破坏作用小。
国内外隧洞规范规定,设计隧洞洞身时可不考虑地震荷载,对隧洞的进出口建筑物,按地面建筑物结构的有关规定执行;(8)考虑围岩抗力时,不计侧向围岩压力及底拱的反力;
(9)不考虑围岩抗力时,可不计温度应力;
(10)可以采取措施防止或减少灌浆压力和温度作用的不利影响。
当其成为衬砌结构的控制因素时,可不考虑或少考虑计算采用值,而用相应的施工技术措施解决。
里端锁口段
7.2荷载计算
提示:
除文中列入有关荷载计算公式外,其余荷载计算公式参见有关规程规范。
(1)围岩压力。
提示:
(1)Ⅰ类围岩,设计衬砌时,可不考虑围岩的松动压力。
(2)Ⅱ、Ⅲ类围岩,围岩压力:
q=(0.1~0.2)γ1·B
式中:
γ1——岩石容重,kN/m3;
B——隧洞的开挖宽度,m;
q——均匀分布的垂直围岩松动压力,kPa。
在隧洞开挖后应根据实际地质情况用块体平衡法或有限单元法进行修正。
(3)Ⅳ、Ⅴ类围岩,根据减压拱理论确定山岩压力。
为了计算简化,常将山岩压力分为垂直压力和水平压力两个分力。
(2)结构自重力。
进行静力计算时,常把衬砌断面分成若干楔块,故实际计算衬砌自重时,按单位长度每一楔块的衬砌自重作为计算单元。
对于非等厚断面圆拱的自重,可近似地按图1所示分成均匀的G1和三角形G2两部分分别计算,各部分自重的数量和作用点较容易确定。
计算公式如下:
G1=γnd0L
(1)
(2)
式中:
d0——拱顶断面厚度,m;
dnG——拱座断面厚度,m;
φn——拱座断面和铅直线的交角;
γn——衬砌材料的容重,kN/m3。
L——见图1示。
(3)填土压力:
设计明洞时,要计算填土压力:
1)拱圈回填土石垂直压力;
2)拱圈回填土石侧压力;
3)边墙回填土石侧压力。
(4)围岩弹性抗力。
(5)外水压力。
(6)回填灌浆压力。
提示:
假定沿衬砌背面均匀分布,并与背面正交。
其压强为灌浆时压力计读数的1%~33.3%,根据具体情况而定。
(7)温度应力。
如果降温时衬砌完全被围岩所束缚,则混凝土内将产生拉应力,其值如下:
σ=-EαΔt(3)
式中:
σ——混凝土衬砌完全不能自由伸长时在降温Δt(℃)时在其内部产生的拉应力;
α——混凝土的线膨胀系数;
E——混凝土在降温时的弹性模量。
(8)地震惯性力。
提示:
参考SDJ10-78第三章第二节第23条计算。
(9)地震动土压力。
提示:
参考SDJ10-78第30条。
(10)受力简图。
综合所有力的计算,得出结构受力简图。
7.3锚喷支护设计
提示:
依据现行国家或部制定的规范,按围岩类别确定支护形式和支护参数。
参见:
GBJ 86-85。
(1)间接工程类比法。
提示:
直接工程类比法是将需设计的工程与已建成并投入运行的工程进行类比,决定支护类型和支护参数。
(2)直接工程类比法。
(3)锚喷支护的理论设计(见附录A)。
(4)交通运输洞最后采用的系统锚喷支护参数。
根据以上工程类比及理论计算,交通运输洞最后采用的系统锚喷支护参数见表20。
表20交通运输洞采用的系统锚喷支护参数表
支护部位
岩
性
围岩
分类
锚喷支护参数
锚杆种类
锚杆直径
mm
锚杆长度
m
锚杆间距
cm
喷混凝土厚度
cm
钢筋网直径
mm
钢筋网格间距
cm
(5)锚喷支护安全度验算(见附录B)。
提示:
一般来讲,锚喷支护系统参数是根据直接或间接工程类比法确定,然后进行验算,随机锚杆的设置要根据实际情况计算。
锚喷支护安全度验算是按照锚杆、喷射混凝土联合支护的原则,即围岩、锚杆、喷射混凝土、钢筋网或其它类型的支护联合共同工作,分别提供抗力,维持围岩的稳定。
锚喷支护安全度验算成果见表21。
表21锚喷支护安全度验算成果表
验算项目
分段编号
喷混凝土厚度,m
锚杆
直径,mm
长度L,m
间距,m
钢筋网
直径,mm
网格间距,cm
围岩最小支护抗力Pimin,Pa
锚喷支护抗力Pi,Pa
安全系数Pi/Pimin
加固深度与松驰范围比值L/(R-R0)
7.4隧洞衬砌内力计算
提示:
隧洞衬砌的内力计算,可参照SD134-84附录五:
圆拱直墙式隧洞衬砌静力计算方法,附录六:
马蹄形隧洞衬砌静力计算方法进行计算。
目前,运用边值数值解法编制的程序已普遍推广应用。
(1)程序由:
水利部及电力部水利水电规划设计总院、水利部天津勘测设计院、新疆水利水电勘测设计院出版。
详见《水利水电工程PC-1500程序集(88版)使用说明》“G-5隧洞衬砌内力计算程序(可用于非对称结构)”、“G-12隧洞衬砌内力及配筋计算通用程序”;
(2)G-5程序采用衬砌边值问题的数值解法,可以计算由直段和圆弧段组成的开敞式或封闭式的各种衬砌结构,可解算衬砌在各主动荷载及其组合作用下的内力和位移;荷载包括各种线性分布荷载;
(3)G-12程序除能计算内力外,还可计算出配筋及裂缝。
另外,由四川科学技术出版社出版,水利水电规划设计总院和水利水电地下建筑物信息网编制的《水利水电工程地下建筑物设计手册》第三章第七节列出了源程序,可供参考。
G-5、G-12程序均已移植为微机程序,联系单位:
水利部天津勘测设计研究院。
输入数据文件(filename.int)请参照上述程序之使用说明。
(4)随着弹塑性理论的发展,非线性、弹粘塑性有限元程序以其模拟准确计算精度高而越来越多地应用在工程实际中,如:
水利水电科学研究院“RUS-1非线性平面有限元程序”;
天津大学水利系“TDS弹塑性、粘弹性平面及空间有限元全过程仿真程序”。
计算成果见表22。
表22交通运输洞钢筋混凝土衬砌内力计算成果表
项目
安全系数
拱顶
拱座
边墙
墙底
弯矩
轴力
剪力
弯矩
轴力
剪力
弯矩
轴力
剪力
弯矩
轴力
剪力
明洞段
基本荷载组合
特殊荷载组合
洞口锁口段
基本荷载组合
特殊荷载组合
破碎带1
基本荷载组合
特殊荷载组合
破碎带2
基本荷载组合
特殊荷载组合
交叉段
基本荷载组合
特殊荷载组合
里端锁口段
基本荷载组合
特殊荷载组合
8观测设计和运行要求
8.1观测项目
8.1.1应力观测
(1)围岩应力观测;
(2)支护结构应力观测;
(3)围岩与支护结构的接触应力观测。
8.1.2变形观测
(1)围岩内部变形(位移与应变)观测;
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