软岩隧道设计与施工.docx
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1、软岩隧道设计与施工Design and Construction of Soft Rock Tunnel毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业毕业设计题目软岩隧道设计与施工指导教师姓名指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩:院长(主任) 签字:年 月 日毕业设计任务书题目软岩隧道设计与施工学生姓名学号班级专业土木工程承担指导任务单位土木工程学院导师姓名导师职称副教授两水隧道斜井工区两水隧道斜井工区教研室主任签字时间 年 月 日毕业设计开题报告题目软岩隧道设计与施工学生姓名学号班级专业一、研究背景两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻,相对高差40
2、0m,隧道最大埋深346m。隧址区总体上山势陡峻,地面起伏较大,基岩裸露,降水量较小,地下水补给来源不足。根据地质调查,隧址内围岩级别主要为级围岩,洞内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞,属轻微溶蚀区,该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中,岩溶对隧道工程有一定影响。隧址处位于武都山字型构造体系前弧,受多期次构造的复合,揉皱及构造节理发育,其展布与区域构造线基本一致,以近东西和北西西向为主。隧道范围内未见区域性大断裂通过,但岩体受构造运动的影响,揉皱、褶皱发育,软弱岩体被切割成块状、碎块状,岩体破碎,完整性差。本设计所选区段为两水隧道斜井工区,隧道洞身里程DK358+894DK360+231,总长
3、为1337m,工程难点是控制隧道的大变形,同时保证工期。二、国内外研究现状1、软弱围岩对隧道失稳的影响:(1)岩体力学性质的影响:软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等,都对围岩的稳定有重要影响;(2)岩体结构及裂隙分布的影响在地质构造运动中形成的结构面,一般情况下,其强度远低于母岩;(3)软岩隧道的失稳, 是隧道开挖引起的应力重分布超出围岩强度或造成围岩过分变形而造成的;(4)地下水的影响。2、软岩隧道失稳破坏特征:(1)变形破坏方式多;(2)变形量大;(3)变形速度高;(4)持续时间长;(5)围岩破坏范围大;(6)各位置破坏不一;(7) 来压快;3、软弱围岩隧道设计理论:
4、(1)隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的,即:隧道 = 围岩 + 支护,围岩与支护共同承担山体的压力;(2)隧道承受的压力具有不确定性;(3)支护体系是控制围岩变形的关键;4、软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理:(1)改善围岩自身受力条件;(2)直接对围岩提供支护力;三、主要研究内容本毕业设计主要有两个方面,一是软岩隧道的结构设计,包括二次衬砌尺寸及材料拟定、荷载计算、内力分析、二次衬砌配筋设计;二是施工组织设计,包括:开挖施工方法、爆破设计、出碴及运输方式、初期支护、二次衬砌、防水层、排水系统、施工通风,隧道施工用高压风高压水及电路设计、施工监控量测设计、施工组织管理、主要分项的施工工
5、艺,软岩隧道所采取的特殊施工控制措施等内容。四、主要研究方法对于隧道结构设计,首先利用设计软件进行建立计算模型,即使用阶段结构安全性检算采用“荷载结构”模式,二衬结构采用弹性平面梁单元模拟,弹性抗力以及隧底地基均采用弹簧单元模拟,组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。荷载计算主要包括松动压力的计算,即采用单线隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式计算。算出荷载以后,要进行配筋,即根据计算出来的内力值进行配筋,根据容许应力法进行配筋设计最后进行强度检算和抗裂检算。对于隧道施工组织设计,本隧道使用分部台阶法进行开挖,在施工之前要进行超前地质预报,探测地层岩性、软弱层及断层构
6、造位置等。弄清地质情况以后进行开挖。利用钻爆法进行开挖,然后进行超前支护与初支护,超前支护使用超前小导管注浆加固地层,初期支护包括锚喷支护,架设钢拱架,钢筋网。然后根据设计参数进行二次衬砌,不间断进行施工监测。五、预期结果本隧道的二衬厚度为60cm,经过计算简算,最终得出的配筋结果为采用522,配筋面积为1900 mm2,在初期支护,采用6m的砂浆锚杆,间距为1.0m0.8m布置。采用工字型钢I20b,每榀间距为0.5m,预留变形量为35cm。隧道爆破采用钻爆法施工。分四个断面分别进行光面爆破,一共布置170个炮眼。炮眼深度掏槽眼为1.2m,周边眼和辅助眼为1.0m,炮孔直径为42mm。周边眼
7、间距为500mm,辅助眼间距为700mm,掏槽眼间距为500mm。隧道采用三台阶开挖,先开挖上部台阶,上部开挖完成后施作上部洞身结构的初期支护。上台阶施工至35m后,开挖中部台阶,接长钢架,施作洞身结构的初期支护及封底,工序与上台阶相同。中台阶开挖1020m后,开挖下部台阶,及时封闭初期支护。出渣方式采用无轨运输,装渣设备采用德国产ITC312H4挖装机1台,装渣时间3-4min/车。施工监测项目包括洞内围岩及支护状态观察,洞内周边位移观测,拱顶下沉量测,支护、衬砌内应力,锚杆内力,围岩内部位移。为了保证供电正常,满足施工需要,配置了3路供电线路,主供电线路为35kV的线路,供电能力为2050
8、kVA,潜在供电能力3950kVA。设置多个泵站,采用两级排水.最大排水能力为7000m3/d,采用150D308多级抽水机,每个泵站安装3台,其中备用1台,单台扬程230m,流量150m3。指导教师签字时 间 年 月 日摘要软岩对隧道施工过程中隧道的稳定性有很大的影响,因此隧道施工过程中的开挖和支护方法很重要,本设计针对软岩和两水隧道本身的特点,采用钻爆法施工,三台阶法开挖断面,从开挖到支护完成的整个过程,充分体现“新奥法”的精髓,以保证隧道本身的稳定性。根据“新奥法”施工的要求,文中进行了以下设计,主要内容包括:隧道衬砌结构设计、隧道二次衬砌的结构计算以及施工组织设计,施工组织过程中又针对
9、开挖和支护方法进行了详细的说明,对施工过程中遇到的不良地质地段,提出了相应措施,同时对隧道的施工辅助作业进行了简要设计。两水隧道的衬砌结构采用复合式衬砌,断面形式为曲墙拱形断面,预留变形量为35cm,初期支护采用锚、喷、网联合支护结构,二次衬砌厚度为60cm,主筋采用522,纵向连接筋采用14,箍筋采用8。关键词:软岩隧道 结构设计 施工组织设计AbstractSoft rock tunnel stability of the tunnel construction process has a great influence, so the tunnel during the construc
10、tion methods of excavation and support is very important for the design of two water tunnels in soft rock and its characteristics, the construction of drilling and blasting method three step method excavation section, from excavation to support the entire process to complete, fully embody the New Au
11、strian Method the essence to ensure the stability of the tunnel itself. According to the New Austrian Method construction requirements, the paper design for the following main contents include: structural design of tunnel lining, tunnel lining structure of the second calculation and construction des
12、ign,construction organization for the process and methods of excavation and support a detailed description of the construction process encountered adverse geological location,the corresponding measures,while supporting the construction of the tunnel design work briefly. Two water tunnel lining struc
13、ture using composite lining,curved wall section in the form of arched cross section,reserved for deformation of 35cm,initial support of bolt, spray,mesh and supporting structure,secondary lining thickness 60cm,with reinforcement 522,longitudinal connecting bars using 14,hoop with 8.Key words:Soft ro
14、ck tunnel construction design construction organization目 录第1章 绪论11.1 选题意义11.2 国内外现状11.2.1 软弱围岩对隧道失稳的影响11.2.2 软岩隧道失稳破坏特征21.2.3 软弱围岩隧道设计理论31.2.4 软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理31.3 主要研究内容及研究方法41.3.1 主要研究内容41.3.2 主要研究方法4第2章 工程概况及工区划分62.1 工程概况62.1.1 隧道概况62.1.2 工程地质和水文地质特征62.2 工区划分及设计区段选定82.3 主要工程特点、难点82.3.1 工程特点82.3
15、.2 工程难点及采取的对策与措施9第3章 结构设计103.1 主要设计依据及技术标准103.1.1 设计依据103.1.2 设计标准103.2 结构计算原理103.3 计算模型113.3.1 计算工况113.3.2 计算荷载113.3.3 计算参数113.3.4 计算模型123.4 内力计算123.5 结构检算14第4章 施工组织设计174.1 施工总体部署174.1.1 施工准备174.1.2 施工组织机构、施工队伍安排及劳动力配备174.1.3 临时工程规划及施工总平面布置184.1.4 施工进度安排204.2 主要施工方法及机械配套204.2.1 斜井的施工方法及技术措施204.2.2
16、正洞的施工方法及技术措施244.2.3 监控量测与数据分析474.3 不良地质地段采取的措施494.4 施工辅助作业524.4.1 施工供风524.4.2 施工供水524.4.3 施工供电524.4.4 施工通风53第5章 结论55参考文献56致谢57附 录58A.1 英文58A.2 译文64B 图纸76第1章 绪论1.1 选题意义我国是世界铁路隧道大国。据统计,截止目前,我国铁路隧道通车运营长度已达到6000km,在建隧道约6600km,规划设计长度约7600km,预计到2020年,我国铁路隧道总长将达20000km左右,位居世界第一。随着我国铁路路网的完善,建设标准的提高,特别是高速铁路和
17、客运专线的大量修建,隧道建设规模和技术水平也踏上了一个新的台阶;然而,软弱围岩隧道坍方、作业人员伤亡等事故却时有发生,隧道建设的安全现状无法与当前的形势相适应。从设计源头上解决当前软弱围岩隧道建设过程中存在的问题,是非常必要和及时的。两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区,地形较为陡峻,相对高差400m,隧道最大埋深346m。隧址区总体上山势陡峻,地面起伏较大,基岩裸露,降水量较小,地下水补给来源不足。根据地质调查,隧址内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞,属轻微溶蚀区,该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中,岩溶对隧道工程有一定影响。隧址处位于武都山字型构造体系前弧,受多期次构造的复合,揉皱及
18、构造节理发育,其展布与区域构造线基本一致,以近东西和北西西向为主。隧道范围内未见区域性大断裂通过,但岩体受构造运动的影响,揉皱、褶皱发育,软弱岩体被切割成块状、碎块状,岩体破碎,完整性差。1.2 国内外现状1.2.1 软弱围岩对隧道失稳的影响软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩。软岩对隧道失稳的影响有:(1)岩体力学性质的影响:软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等,都对围岩的稳定有重要影响。层状软岩的各向异性,使围岩的变形失稳及失稳形态有很强烈的非对称性,软岩的扩容性和塑性明显时会使洞周形成松散破碎区或挤压变形区,软岩的膨胀性会产生挤坏支护或形成
19、严重的底鼓,有明显时间效应的粘土质软岩,则产生粘弹塑性或粘塑性的变形压力。(2)岩体结构及裂隙分布的影响在地质构造运动中形成的结构面,一般情况下,其强度远低于母岩。岩体的强度往往受结构面强度控制。裂隙的分布不同,也对围岩的稳定造成不同的影响,当节理倾角大于30、走向与隧道轴线交角小于40时,危险性较大,而当节理走向与隧道轴线大角度相交,则危险性较小。岩体在节理裂隙切割下形成的不稳定结构块体,是地下工程松动地压的主要来源。(3)软岩隧道的失稳,是隧道开挖引起的应力重分布超出围岩强度或造成围岩过分变形而造成的。地应力主要有自重应力和构造运动产生或残留的应力两种,其对隧道稳定的影响,主要看最大主应力
20、与最小主应力差值,主应力的大小、方向,各主应力构成特征,以及主应力与工程的相对方位、与岩层主要节理组的夹角等。(4) 地下水的影响地下水对软岩隧道稳定影响分为四个方面:对于透水围岩来讲,洞室开挖形成的新自山面使地下水有了排泄通道,在洞周产生了渗压梯度,在围岩内产生了指向洞内的推动力;由于静水压力作用,饱和水部分岩体中有效压应力减小,其应力状态趋于恶化,抗剪强度减小;围岩内的水降低了裂隙面摩擦系数和粘聚力;地下水溶解、搬运矿物颗粒或同矿物成分发生化学作用,使围岩强度进一步恶化。1.2.2 软岩隧道失稳破坏特征软岩隧道失稳,一般表现为松动破坏和变形破坏两种形式。松动破坏是因隧道开挖后,围岩应力重新
21、分布,部分围岩成为脱离母岩的分离块体和松散体,在重力作用下,产生冒落和塌滑运动。变形破坏表现的围岩失稳和破坏现象,往往须经过一段时间后方开始显现,反映了岩体的流变性质。所谓流变性质,是指围岩变形在应力不变情况下不断增长(蠕变),或在变形约束情况下应力随时间降低(松弛),以及围岩强度随时间降低的性质。隧道开挖后,在二次应力作用下围岩发生蠕变或强度降低,当变形最超过围岩的塑变形允许量或强度降低至允许值后,围岩发生破坏,隧道失稳。软岩隧道失稳破坏具有如下特征:(1)变形破坏方式多:变形破坏方式一般有拱顶下沉、坍塌,片帮和底鼓、底围隆破,隧道表现出强烈的整体收敛和破坏。变形破坏形式既有结构面控制型,又
22、有应力控制型,以应力控制型为主。(2)变形量大:拱顶下沉一般大于10cm,有的高达50cm,两帮挤入20cm80cm,底鼓强烈。(3)变形速度高:软岩隧道初期收敛速度达到3cm/d,即使采用常规的锚喷支护,软岩隧道的收敛速度仍可达到2cm/d,而且其变形收敛速度降低缓慢。(4)持续时间长:由于软岩具有强烈的流变性和低强度,软岩隧道掘进后,围岩的应力重分布持续时间长,致使软岩隧道变形破坏持续时间很长,往往长达12年。(5)围岩破坏范围大:由于软岩隧道中围岩的强度与地应力的比值很小,因此,软岩隧道围岩的破坏范围大,特别是当支护不及时或不当时,围岩破坏区的范围可达2.5倍洞径,甚至更大。(6)各位置
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