1、地下工程课程设计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
2、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 11.1 地质构造 11.2 地层岩性 11.3 主要工程地质问题 11.4 围岩级别划分 1第二章 衬砌断面设计 42.1设计依据 42.2隧道总体设计原则 42.3隧道设计技术标准 42.4参见 5第三章 初期支护与二次衬砌设计 83.1 初期支护设计 83.2 二次衬砌设计 83.2.1围岩荷载计算 83
3、.2.2衬砌内力计算 9第四章 施工组织设计 204.1施工方案 204.1.1初期支护 204.1.2二次支护 204.2施工方法和流程 214.3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276313438。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NW20o60o，SE25o47o。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
4、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：1051225264，裂面粗糙不平，裂隙宽0.10.2cm，间距0.200.5m，无充填；2302937284，平直，裂隙宽0.10.3cm，间距0.20.6m，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，
5、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（JTG D702004）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、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
6、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)2.659.980.610.35270.30软岩细砂岩(中风化)2.6046.8029.402.240.3334.98较软岩J2x泥质粉砂岩(中风化)2.6524.2020.201.350.3300.45较软岩细砂岩(中风化)2.5969.8251.502.510.25425.79较硬岩强风化岩体属极软较软岩，构造风化裂隙发育，Kv0.38，BQ250，围岩级别属；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
7、四川省已建红层区隧道工程经验综合判定属，隧道出口段水量贫乏，J2x厚层砂岩BQ350，判定属级。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。J2xJ2s 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。J2xJ2s粉砂质泥岩、粉砂岩、泥质粉砂
8、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
9、计规范（JTG D70-2004）；（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（GB 50010-2002） 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
10、）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
11、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H5.0m。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=3.75m27.5m，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%；
12、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)主洞10.255.03.7520.5+0.750.752紧急停车带13.005.0/车行横通道4.55.0/人行横通道2.02.5/ 由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）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=3.75m27.5m；侧向宽度为：；检修道宽度：；隧道限界净高：5m；内轮廓形式：
13、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（JTG D70-2004），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
14、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，对于级围岩，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为812cm，拱、墙锚杆长度为2.03.0m，间距1.01.5m；钢筋网：局部2525；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F222500mm，间距1.01.5m，锚喷混凝土厚度120mm；钢筋网：局部2525。 3.2 二次衬砌设计围岩稳定性一般，采用级围岩，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
