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论文XXX隧道开挖方案设计

本科毕业论文（设计）

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摘要

本设计是根据设计任务书的要求和《公路隧道设计规范》的规定，以及XXX隧道的工程地质及水文地质条件。

提出了三种隧道开挖方案进行技术经济比较，最终确定了隧道洞口段选择分部（环形）预留核心土法，洞身段选择上下两层台阶法作为开挖方案。

详细介绍各开挖施工工序的情况，并简要提出了支护方案。

通过对隧道的工程地质、水文地质、安全、经济、技术等方面的综合比较，该隧道选择单洞双向曲拱隧道作为其结构形式。

为了提高开挖进度，缩短工期，还对各开挖断面相对错开开挖进行了研究。

隧道洞身衬砌设计以新奥法原理为指导，采用复合式衬砌，即以系统锚杆、钢筋网、喷射混凝土、工字型钢架作为初期支护，以模筑钢筋混凝土作为二次衬砌。

关键词：

XXX隧道，单洞双向曲拱结构，隧道开挖方案，复合式衬砌

Abstract

Thedesignisbasedontherequirementsofthedesignplanandthe"tunneldesign"provisions,andtheFanJingShanLinkXXXtunnelengineeringgeologicalandthehydrogeologicalofconditions.Proposedthreetunnelexcavationprogramfortechnicalandeconomiccomparison,finalizedthetunnelentranceselectsegments（circular）setasidethecoreofindigenousholefiguretoselectupanddowntwostepsastheexcavationprogram.Detailedexcavationandconstructionprocess,andoutlinedasupportingprogram.

Throughacomprehensivecomparisonoftunnelengineeringgeology,hydrogeology,security,economic,technicalandotheraspectsofthetunneltoselectthesingle-holetwo-wayarchtunnelaspartofitsstructure.Inordertoimprovetheexcavationprogress,shortentheconstructionperiod,alsostudytherelativestaggertheexcavationforeachexcavationsection.LiningthedesignofthetunnelholebodyasaguidetothenewAustrianlawprinciple,theuseofcompositeliningsystematicbolts,steelmesh,shotcrete,shapedsteelframeastheinitialsupport,moldbuiltofreinforcedconcreteasthesecondarylining.

Keywords:

XXXtunnel,Single-holetwo-wayarchstructure,Tunnelingprogram,compoundlining

第一章工程概况

1.1工程简介

XXX隧道位于贵州省。

洞室净空9.80×8.10m，起讫桩号K11+295～K11+895，长600m；进洞口设计标高+1262.523m，出洞口设计标高+1251.730m;隧道最大埋深约121m，属中隧道。

该隧道属XXX公路隧道，该公路按照国家离XXX政府约15km，未通公路，交通极不便利。

隧道施工现场见下图1.1.

图1.1XXX隧道

第二章工程地质及水文地质条件

2.1地形地貌

2.1.1地形地貌、水文

隧道位于中山深切谷地斜坡地貌区，隧道穿过中山山脊中部。

区内最高标高在K11+479.030处，138.91m，最低标高在出口处+1263.91m，相对高差117m，隧道设计标高+1262.523m～1251.730m，隧道最大埋深121m。

隧道走向与山脊走向约成90°正交。

区内山坡除隧道中部K11+480～K11+650上部一带较缓外，其余坡度较陡，一般28°～50°，植被发育，水土保持较好。

XXX隧道地处亚热带湿润区，多年平均气温17.4℃，多年平均降雨量1049.3mm，平均无霜期295天，最长无霜期315天，干旱为主要灾害性天气，常有霜冻、冰雹、暴雨、大风等袭击。

2.2工程地质

2.2.1地层岩性

该隧道地层由三层构成，根据工程地质测绘、钻探、物探及室内试验结果，其工程地质特征分述如下：

Ⅰ1-0粘土（Qel+dl）:

灰褐-土灰色，松散-稍密，粘土为可塑状，含约10%的碎石，成分主要为粉砂质板岩，粒径2～6mm，该层岩性不稳定，有得部位为含碎石亚粘土，有得部位为块石。

分布于山体表面，地形较平缓处稍厚，钻孔揭露厚度3.0～20.0m。

Ⅱ1-0强风化粉砂质板岩（Ptbnbq2）:

灰黑色，节理裂隙发育。

该层为隧道进口岩体。

Ⅱ1-1中风化粉砂质板岩，凝灰岩（Ptbnbq2）：

灰色，灰黑色，中厚层状。

节理裂隙较发育。

该层为隧道进出口及隧道洞身岩体。

2.2.2地质构造及地震

该隧道区域地址构造部位处于扬子准地台、黔北台隆、遵义断拱、贵阳复杂构造变形区东北缘，属四级构造单元，主要构造形迹展布方向为北北东-北东向。

线路测区内主要初露地层为元古界（Ptbnbq2）、粉砂质板岩与凝灰岩及第四系残坡积粘土（

）。

基岩稍倾向北西，倾角45°为单斜地层，隧道走向与岩层走向呈小角度斜角或平行。

区内断裂构造较发育，北东向区域断层与北北东向逆冲断层为区内断裂构造骨架。

浅部岩石风化裂隙较发育，岩体完整性较差，深部节理裂隙局部较发育，节理裂隙降低了隧道围岩稳定性。

根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），隧道区地震活动较弱，历史上无中强地震记载，地震动峰值加速度为小于0.05g。

地震动反应谱特征周期为0.35s（地震基本烈度小于6度）。

考虑工程的重要性，依据《公路抗震设计规范》（JTJ004-89）的有关规定，建议该隧道按地震基本烈度6度设防，其设计基本地震加速度为a=0.05g，地震动反应谱特征周期为T=0.35s。

2.2.3岩土体工程地质特征及隧道围岩级别划分

根据隧道围岩分级标准《公路隧道设计规范JTJ026-90》，综合钻探资料及地调成果综合判断，本隧道围岩可划分为Ⅳ、Ⅴ级。

隧道围岩具体分级分段情况及围岩性质见下表2.1，各类围岩的物理力学指标见表2.2：

表2.1隧道围岩分级分段划分一览表

里程桩号

围岩

分级

长度（m）

纵波波速（m/s）

工程地质条件

BQ值

水文地质

K11+295～K11+405

Ⅴ

110

顶板厚4.0～70.0m岩性为粘土及强中风化粉砂质板岩夹中风化凝灰岩。

岩石风化较强烈节理裂隙较发育，岩质较软，岩体成破碎结构洞口开挖易坍塌，成洞较困难

150～200

雨季渗水严重，地表水冲刷洞口

K11+405～K11+765

Ⅳ

360

顶板厚64.0～114.0m，岩性为中风化凝灰岩夹粉砂质板岩。

节理裂隙较发育，岩质中硬，局部有弱溶蚀现象，洞身开挖拱部无支护时可产生坍塌。

350

渗水

K11+765～K11+895

Ⅴ

130

顶板厚3.0～64.0m。

岩性为粘土及中风化凝灰岩夹粉砂质板岩，节理裂隙较发育，岩质中硬，局部有溶蚀现象，侧壁基本稳定，洞口开挖拱部无支护时可产生小坍塌

330

雨季渗水严重，地表水冲刷洞口

表2.2各类围岩的物理力学指标

围岩级别

密度ρ（t/m

）

弹性模量E

（GPa）

泊松比

μ

计算摩擦角φ

摩擦系数f

Ⅳ

2.0

5

0.3

45°

0.4

Ⅴ

1.8

1.5

0.4

35°

0.4

2.3水文及水文地质条件

2.3.1地表水

该隧道为越岭隧道，区内地表水不发育，无常年性地表水体，仅见两条季节性冲沟，都与线路近于平行，地表水主要为大气降水形成的地表面流，水量受季节性影响变化较大，其自然排泄畅通。

隧道进出口位于山体斜坡位置，分布标高较高，地表水对隧道施工影响较小。

但应注意暴雨期间地表水对洞口的冲刷破坏作用，宜采用截流、疏排措施。

2.3.2地下水

该隧道地下水主要为表层残坡积黏土中的孔隙水及基岩风化带内的裂隙水和岩溶水，水量大小受裂隙发育程度及季节变化影响，汇水面积0.24km2。

（1）地下水类型及特征

隧道洞身及进、出洞口基本都处于Ptbnbq2地层中，该层基本为灰色凝灰岩夹粉砂质板岩，为弱溶性岩石，普遍有弱溶蚀现象，该层为含水层，含水较丰富。

水文地质条件较简单。

（2）补、排条件及动态特征

区内地下水主要接受大气降水垂直入渗补给，基岩风化裂隙水径流主要受地形地貌控制，总体顺坡向径流。

由于隧道区标高较高，径流条件好。

水位变幅不大。

（3）地下水水质

结合区域地质条件判断，隧道区地表水、地下水对混凝土无腐蚀性。

（4）地下水影响

隧道区基岩大部分为变质类岩石，裂隙水较贫乏，地下水接受大气降水入渗补给。

隧道水文地质条件属较简单类型。

隧道洞室有滴水、渗流现象，地下水对隧道施工影响较小。

2.3.3隧道涌水预测

隧道涌水量的预测长期以来就是产生实践的难题，本次采用裘布依公式法以及地下径流模数法和大气降水渗入系数法进行预测。

裘布依公式法：

隧道走向与地层走向近于平行，采用下式计算隧道涌水量Q：

m3/d

式中：

Q——涌水量，m3/d

B——隧道穿过含水层厚度，m

K——含水层的渗透系数,m/天

H——隧道底板以上含水层厚度，m

h——水位下降曲线在隧道边墙上的高度，设为0

R——隧道排水影响宽度，m

地下径流模数法和大气降水渗入系数法分别计算的涌水量为668m3/d

和400m3/d。

对比三种方法计算结果，其数据基本一致，表明各计参数的选择是合理的。

由于隧道区内地下水动态受降水影响，变化较大，雨季施工时隧道涌水量可能有较大的变幅。

因此综合分析：

隧道在平水期总涌水量为400～668m3/d。

2.4不良地质分析

隧道区内凝灰岩属弱溶性岩，岩溶微发育，降低围岩级别，含水较丰富影响施工，进出口地形坡度较陡，洞口边坡及浅埋段易发生坍塌，需采取相应的支护措施。

隧道Ⅳ级围岩占60%；Ⅴ级围岩占40%，洞身工程地质条件较好，洞口及浅埋段工程地质条件较差。

隧道所穿山体为地表、地下水分水岭部位，地表水系不发育，有利于大气降水的径流排泄，但洞口施工应注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用，宜采取截流、疏排措施。

根据区域地质调查报告，本区地层中无大的有毒有害气体富积，故本隧道不存在有毒有害气体。

2.5工程地质评价

2.5.1场地稳定性评价

隧道区属构造剥蚀中山地貌单元，第四纪以来的新构造运动主要为地壳间歇性抬升，水平方向运动微弱，无区域性活动深大断裂通过；近代无中强震记录，属相对稳定板块。

下伏基岩稳定性较好，适宜拟建隧道的建设。

隧道围岩主要为中风化凝灰岩夹强中风化粉砂质板岩，属较软或中硬-硬岩，水文地质条件简单，围岩较稳定。

2.5.2隧道进出洞口边仰坡稳定性评价

进口处上覆残坡积粘土厚度较厚，厚度在5.0～10.0m左右

山破自然坡度15～50°，冲沟走向与路线走向基本平行。

进口部位形成开挖路堑，建议清除残坡积层后，按强风化层1:

0.75，中风化层1:

0.5，土层1:

1.25放坡，并采取护面措施，注意不能进行大爆破量施工。

洞口岩体裂隙较发育，岩体较破碎，完整性好，围岩分级为Ⅴ级，成洞条件较差，围岩易坍塌，处理不当可能出现大面积坍塌或冒顶。

进口边坡为顺向坡或土质边坡，坡度较陡，边坡较稳定。

粘土处于地下水位以上，透水但含水甚微，基岩含裂隙及岩溶水，透水性较好，地下水对洞口稳定性影响较小；隧道洞口施工应注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用，宜采取截流、疏排措施。

综上所述：

隧道进口位于地形坡度较陡的顺坡或侧向冲沟西侧，上覆残坡积粘土分布厚度较厚，下伏基岩为强-中风化粉砂质板岩夹中风化凝灰岩，岩体裂隙较发育，岩体较破碎，完整性较差，围岩分级为Ⅳ级，成洞条件较差，围岩易坍塌，处理不当可能出现大面积坍塌或冒顶，成洞困难，边坡为顺向破或土质边坡，坡度较陡，边坡较稳定，洞口工程地质条件较差。

出口处上覆粘土厚度10.0～20.0m，出口部位形成开挖路堑，建议清除残坡积层后，按中风化层1:

0.5，土层1:

1.25放坡，并采取护面措施，注意不能进行大爆破量施工。

下伏基岩风化裂隙较发育，岩体较完整，节理裂隙较发育，岩质中硬，局部见溶蚀现象。

此外，出口存在偏压现象。

出口地层中风化凝灰岩夹粉砂质板岩为较硬质岩石，但隧道洞口施工应该注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用，宜采取截流、疏排措施。

综上所述：

隧道出口位于山坡斜坡较陡地段，岩性为粘土及中风化凝灰岩，岩石裂隙较发育，岩体较完整，表层残坡积粘土层厚度较大，围岩分级为Ⅴ级，洞口边坡为切向坡或土质边坡，边坡较稳定，成洞条件较差，围岩易坍塌，处理不当可能出现大面积坍塌及冒顶，成洞较困难，洞口工程地质条件较差。

隧道洞身均为Ptbnbq2中风化凝灰岩夹粉砂质板岩。

节理裂隙微发育，岩质中硬，局部见弱溶蚀现象，围岩分级为Ⅳ级，洞室开挖拱部无支护可能坍塌。

雨季渗水。

隧道洞室围岩有渗水现象，隧道施工时需做好洞内排水工作；支护设计施工时应考虑相应的防渗措施。

洞身局部存在破碎带，应采用地质超前预报，提前做好支护，避免大面积坍塌，突泥或突水事故，保持通风，进行有害气体的监测。

2.5.4隧道施工对环境影响评价

隧道进口距简易村级公路约1km，交通较不便利。

由于隧道出去XXX生态保护区，施工会对保护区植被以及生态环境产生破坏，因此，在施工过程中应注意生态环境、植被的保护与恢复。

隧道区坡陡谷深，地形条件较差，出口段山坡坡面较缓，场地较宽敞，废渣弃土堆物距离较近，施工条件较好；进口段山坡坡面较陡，场地较狭窄，废渣弃土堆物距离较远，施工条件差。

隧道开挖要做好弃土坝的挡墙和排水设计，并注意弃土边坡的稳定性和植被的恢复，防止水土流失和对环境产生破坏。

第三章开挖方案

3.1隧道设计技术参数

3.1.1隧道进出口高程、平、纵线形设计

该隧道根据隧址区地形、地质条件、环境、造价、功能等因素综合确定。

在综合考虑线形指标及工程造价的前提下，通过实地勘察，充分研究了隧道所处的地域的地形地质情况，主要考虑进出口地形条件、隧址区工程地质条件、运营管理设施、场地等因素拟定本隧道方案。

该隧道为整体式隧道，呈东西向展布。

洞室净空9.80×8.10m，起讫桩号K11+295～K11+895，长600m；进洞口设计标高+1262.523m，出洞口设计标高+1251.730m。

隧道最大埋深约121m，隧道平面线形位于东西方向的一条直线上，隧道进口段高程比出口段高程高，纵坡坡度为-1.800％。

3.1.2隧道设计标准

隧道按三级公路标准设计（30km/h），主要技术标准如下：

1、公路等级：

三级（困难路段平面线采用四级标准）；

2、洞内计算行车速度：

30km/h；

3、隧道建筑界限：

图3.1隧道建筑限界

限界净宽：

检修道宽度0.75m+侧向宽度0.5m+行车道宽度2*3.65m+侧向宽度0.5m+检修道宽度0.75m=9.8m

限界净高：

5.0m。

4、设计荷载：

公路—Ⅱ级。

3.2洞身围岩工程特性及围岩级别划分

根据我国工程岩体分级标准（GB50218—94）确定岩体基本质量，国标岩土分级采用了定性、定量两种方法分别确定岩体质量的好坏，相互协调，相互调整，以确定岩石的坚硬程度与岩体的完整性指数，并根据岩体基本质量划分质量等级。

岩体的基本质量指标（BQ）按下式计算：

BQ=90+3Rc+250Kv（3-1）

式中:

BQ——岩体基本质量指标；

Rc——岩石单轴饱和抗压强度（MPa）；

Kv——岩体完整性系数。

公式（3-1）在使用时，应遵循下列限制条件：

1）Rc>90Kv+30时，应以Rc=90Kv+30和Kv值代入公式计算BQ值；

2）Kv>0.04Rc+0.4时，应以Kv=0.04Rc+0.4和Rc值代入公式计算BQ值。

按上述公式所确定的BQ值，根据表3.1、3.2进行岩体基本质量分级。

表3.1岩体基本质量分级

基本质量分级

岩体基本质量的定性特征

岩体基本质量指标（BQ）

Ⅰ

坚硬岩体，岩体完整

>550

Ⅱ

坚硬岩，岩体较完整；

较坚硬岩，岩体完整

550～451

Ⅲ

坚硬岩，岩体较破碎；

较坚硬岩或软硬岩互层，岩体较完整；

较软岩，岩体完整

450～351

表3.1岩体基本质量分级（续）

Ⅳ

坚硬岩，岩体破碎；

较坚硬岩，岩体较破碎—破碎；

较软岩或软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整—较破碎；

软岩，岩体完整—较完整

350～251

Ⅴ

较软岩，岩体破碎；

软岩，岩体较破碎—破碎；

全部极软岩及全部极破碎岩

≤250

表3.2铁道隧道围岩分级

级别

围岩主要工程地质条件

围岩稳定状态（单线）

纵波速度Vp（km/s）

主要工程地质条件

结构特征

Ⅳ

硬质岩石（Rb>30MPa），受地质构造影响严重，节理很发育；层状软弱面（或夹层）已基本被破坏

呈碎石状压碎结构

拱部无支护时，可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定

1.5～3.0

软质岩石（Rb约5～30MPa），受地质构造严重，节理发育

呈块（石）碎（石）状镶嵌结构

土：

1、略具压密或成岩作用的粘性土及砂性土

2、黄土（Q1、Q2）

3、一般钙质、铁质胶结的碎石土、卵石土、大块石土

1和2呈大块状压密结构，3呈巨快状整体结构

表3.2铁道隧道围岩分级（续）

Ⅴ

石质围岩位于挤压强烈的断裂带内，裂隙杂乱，呈石夹土或土夹石状

呈角（砾）碎（石）状松散结构

围岩易坍塌，处理不当易出现大坍塌，侧壁经常小坍塌；浅埋时易出现地表下沉（陷）或塌至地表

1.0～2.0

一般第四系的半干硬至硬塑的粘性土及稍湿至潮湿的一般碎石土、卵石土、圆砾、角砾土及黄土（Q3、Q4）

非粘性土呈松散结构、粘性土及黄土呈松软结构

Ⅵ

较软状粘性土及潮湿的粉细砂等

粘性土呈易蠕动的松软结构，砂性土呈潮湿松散结构

围岩极易坍塌变形，有水时土砂常与水一起涌出，浅埋时易塌至地表

<1.0（饱和状态的土<1.5）

表3.3隧道物理力学指标推荐值

围岩级别

密度ρ（t/m

）

弹性模量E

（GPa）

泊松比

μ

计算摩擦角φ

摩擦系数f

Ⅳ

2.0

5

0.3

45°

0.4

Ⅴ

1.8

1.5

0.4

35°

0.4

根据表3.1、3.2、3.3及地调成果及钻探、声波测试资料分析，并结合室内岩体试验数据，该隧道的围岩级别划分及相关物理力学指标如下：

（1）K11+295～K11+405段，长110m，为隧道的进口。

顶板厚4.0～70.0m岩性为粘土及强中风化粉砂质板岩夹中风化凝灰岩。

岩石风化较强烈节理裂隙较发育，岩质较软，岩体成破碎结构洞口开挖易坍塌，成洞较困难。

本段按Ⅴ级围岩支护，在开挖掘进时建议采用超前多层锚杆，小导管注浆或管棚支护，单侧导坑法开挖，以锚喷加钢筋网的复合式支护。

隧道洞口仰坡，边坡高度和坡度建议值：

岩质（Ⅴ级）边坡开挖高度＜20m，按1:

0.75设计，土质边坡（Ⅴ级）开挖高度＜15m，按1:

1.25设计，残坡积较薄的可以清除，并对洞口边，仰坡硬采取必要的防护措施，如浆砌片石防护或锚喷混凝土、衬砌护坡等。

（2）K11+405～K11+765段，长360m，为隧道中间段。

顶板厚64.0～114.0m，岩性为中风化凝灰岩夹粉砂质板岩。

节理裂隙较发育，岩质中硬，局部有弱溶蚀现象，洞身开挖拱部无支护时可产生坍塌。

本段按Ⅳ级围岩进行支护，开挖掘进时采用超前布设稀疏锚杆，以单侧壁导坑法开挖，第一次锚喷联合初期支护，采用挂网潮喷，第二次筑模现浇混凝土。

（3）K11+765～K11+895段，长130m，为隧道出口段。

顶板厚3.0～64.0m。

岩性为粘土及中风化凝灰岩夹粉砂质板岩，节理裂隙较发育，岩质中硬，局部有溶蚀现象，侧壁基本稳定，洞口开挖拱部无支护时可产生小坍塌。

本段按Ⅴ级围岩进行支护。

隧道进出口段（浅埋段）围岩分级较低，洞顶围岩厚度较小，成洞困难，建议采用明洞设计方案或作路堑处理。

3.3隧道结构形式及断面设计

隧道设计除考虑工程地质、水文地质等相关条件外，同时受线路纵横指标以及三方面组合设计的制约，还需要考虑跨度、埋深、开挖方式、开挖方法和施工经验等条件，并进行安全、经济、技术等方面的综合比较。

因此，合理设计隧道线形及选择隧道形式对适应地形条件，环境保护及工程量和造价上部具有十分重要的意义。

XXX隧道横穿山岭，为三级公路隧道，隧道为整体式隧道，呈东西向展布。

起讫桩号K11+295～K11+895，进洞口设计标高+1262.523m，出洞口设计标高+1251.730m。

全长600m，最大埋深121m。

洞室建筑限界净宽9.8m，净高5m。

隧道进口和出口均位于坡体内，其中进出口段位于山坡斜坡较陡地段，进口自然坡度角15～50°。

进出口段上覆残坡积粘土分布厚度较厚岩性为中风化凝灰岩，岩石裂隙较发育。

围岩为Ⅳ和Ⅴ级，整体稳定性差，成洞条件较差，围岩易坍塌，处理不当可能出现大面积坍塌或冒顶。

根据隧道所处的地质条件、地形条件、隧道设计参数、开挖技术和施工经验等条件，并进行安全、经济、技术等方面的综合比较，综上考虑衬砌内轮廓的形状和尺寸根据围岩级别、结构受力特点以及便于施工等因素，本隧道选用单洞双向曲拱隧道形式。

3.4单洞双向曲拱隧道的特点及亟待解决的问题

根据国内外已建成的单洞双向隧道工程实例及成功经验，它与其他分离式隧道相比有很多优点。

主要有：

地形条件限制少，没有隧道间相互开挖的影响，对环境植被破坏较小，造价低，工期短，便于紧急时交通疏散与管理，可提高日常使用和施工的安全性，具有一定的环境和社会效益。

但是，单洞双向隧道洞身埋深较浅，在施工中出现的问题也比较多。

应注意下列一些问题：

隧道施工严格按照“严控水、管超前、后开挖、短进尺、强支护、弱爆破、快封闭、勤量测”的原则组织施工，应特别注意地表冲沟、陷穴对隧道的影响，要加强调查和处理。

隧道开挖前，首先根据设计图纸完成洞口截水沟、洞口土方及边仰坡防护施工。

洞口土方采用挖掘机配合装载机自上而下分层施工，大型自卸汽车运输，并及时做好坡面防护，开挖一段（台阶）防护一段（台阶）。

洞口明洞采用明挖法施工，