时速200km及以上铁路隧道设计与施工 .doc

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1、石家庄铁道大学毕业设计时速200km及以上铁路隧道设计与施工 Design and Construction of Railway Tunnel with the Speed of 200km.p.h and Above 2011届 土木工程 学院专 业 土木工程学 号 学生姓名 指导教师 完成日期 2011年 5 月 29日毕业设计成绩单学生姓名学号班级专业土木工程毕业设计题目时速200km及以上铁路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 时速200km及以上铁路隧道设计与施工 专

2、 业土木工程班 级土0701-6学生姓名承担指导任务单位土木工程分院导师姓名导师职称副教授一、工程名称卢家山二号隧道设计与施工二、设计内容1.隧道结构设计检算主要进行不同围岩级别条件下洞身二衬结构检算。要求根据所给断面内轮廓尺寸计算和确定二衬厚度以及相应的配筋，并绘制相应的工程图纸（初支结构及形式可按工程类比确定并绘出相应图纸）。2.隧道施工方案及施工工艺设计(1)隧道总体施工方案设计：总体施工部署、进洞方案、洞身不同围岩段开挖方法、不良地质段辅助工法、主要施工进度指标等。(2)具体施工工艺设计：开挖、出碴、初支、二衬、防水工程、量测及其它相关施工工艺。3.外文翻译应附图：地质纵剖面图，衬砌结

3、构横剖面图，结构配筋图，施工工法步序图，防水结构图，监测布置图及其它必要附图三、基本要求1.通过调研，掌握高速铁路隧道的特点和要求；2.熟悉隧道结构设计检算内容和检算步骤；3.掌握隧道施工的基本方法和工艺要求。四、主要技术指标另见具体资料。五、应收集的资料及参考文献1.铁路隧道设计规范；2.铁路工程设计技术手册隧道铁二院编；3.铁路工程施工技术手册隧道铁二院编；4.混凝土结构设计规范（GBJ10-89）；5.铁路隧道施工规范；6.隧道工程朱永全等编；7.隧道工程设计要点集关宝树编；8. 隧道工程施工要点集关宝树编。六、进度计划第13周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告；第46周：结构

4、设计检算并绘制相应图纸；第79周：施工方案及爆破设计；第1014周：初支、防水及二衬等施工工艺设计、监测设计；第15周：文整，答辩。教研组主任签字时间 2010 年12 月8 日毕业设计开题报告题目时速200km及以上铁路隧道设计与施工一、课题研究背景随着我国社会、经济的高速发展，全社会客运量和货运量都成倍增长。铁路在长途运输中占有明显优势。高速铁路是现代化铁路的重要标志，隧道是关键的基础工程之一。高速铁路的修建为了获得更好的线路线性，为了环保的需要，必然会出现大量的隧道群。目前我国大规模、高标准的铁路建设全面展开，客运专线对隧道的工程质量、耐久性、环境与水土保持、运营管理等提出了更高的要求。

5、近几年来，从引进时速200公里高速列车技术，到自主开发时速350公里、380公里“和谐号”动车组；从京津城际铁路运营到京沪高铁即将开通，中国迅速跨入引领世界的“高铁时代”！而我国多山的特点使得对隧道技术的研究对实现高铁时代具有了更为重要的意义。二、国内外研究现状目前各国的隧道施工方法以新奥法为主，新奥法是以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。新奥法是按照实际观察到的围岩动态的各项指标来指导开挖隧道的方法。新奥法施工原则可以归纳为充分保护，并利用围岩的自承能力；施工要点为控制爆破、锚杆支护和施工监测；实施方法为设计、施工和监测三位一体的动态模

6、式。隧道的开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。断面开挖方法的选择要注重开挖方法的多样性。如开挖隧道的TBM法、矿山法、不是相互排斥的方法，而是可以选择、可以组合的方法。在选择开挖方法时，一方面要考虑隧道围岩地质条件，一方面要考虑坑道范围内岩石的坚硬程度。高速铁路隧道大部分属于大断面隧道，所以开挖时应尽量采用机械化施工，以减少人工劳动强度，加快施工速度。国内外铁路隧道施工机械的发展正朝着高速、高精的数控技术发展。国内外隧道施工都充分证实了在高速铁路隧道施工阶段，重视和加强地质超前预报，最大限度地利用地质理论和先进的地质超前预报技术，预测开挖工作面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工

7、周期、避免事故损失都具有重要意义。随着科学技术的发展，超前地质预报的仪器设备也更加精密。国内外隧道施工期地质超前预报技术方法的发展主要经历了地质法阶段、超前平行导坑阶段、超前水平钻孔阶段、无力探测法阶段。目前应用较广的有TSP超前预报，和地质雷达超前预报法。TSP超前预报系统具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状、及岩石动力参数。地质雷达对隧底、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前平行导坑中应用可对正洞起到超前地质预报的作用。三、本设计主要工作及方法1.熟悉资料，查阅文献。2.对不同级别的围岩，根据工程类比

8、的方法，分别确定其初支结构和形式。3.按“荷载-结构”模式计算衬砌在荷载所用下的内力和变形，采用有限元软件进行数值计算和分析。4.二次衬砌厚度和计算配筋，采用破损阶段法进行二衬结构检算，并绘制横剖面图，结构配筋图。4.根据不同围岩情况，进行施工方法选择。5.施工工艺设计。四、预期目标设计得到不同围岩级别下的隧道衬砌结构。进行二次衬砌的结构强度检算并完成配筋，画出配筋图。完成施工方案和施工工艺的设计。五、进度计划第13周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告；第46周：结构设计检算并绘制相应图纸；第79周：施工方案及爆破设计；第1014周：初支、防水及二衬等施工工艺设计、监测设计；第15周

9、：文整，答辩。指导教师签字时 间 年 月 日摘 要合武线卢家山二号隧道是时速350km的高速铁路隧道。该隧道属于大断面的短隧道。主要设计内容包括：各级围岩荷载计算、利用有限元软件进行二衬的内力计算、开挖方法设计、爆破设计、复合式衬砌设计、防水以及监测等。本设计中采用了新奥法施工，尽量保护围岩，发挥围岩的自承能力。进口和出口段采用明挖法修建拱式明洞；洞身段III级围岩段采用台阶法进行施工，爆破开挖；IV级围岩段采用台阶法预留核心土进行施工，机械开挖； V级围岩段采用了CRD法进行施工，机械开挖，同时采用超前锚杆进行超前预支护。设计中介绍了开挖方法的具体施工流程。施工工艺方面，整个施工过程中进行监

10、控量测，保证施工安全和施工质量。施工期间还采用地质雷达法和超前钻探取芯法进行超前预报，进一步保证了施工的安全进行。此外设计中还给出了初期支护、二次衬砌和防排水施工工艺的措施和方案。关键词：高速铁路隧道 新奥法 结构计算 爆破设计 监控量测 AbstractNo.2 Lujiashan railway tunnel is between Hefei and Wuhan,it is the high-speed rail tunnel as 350km per hour. The tunnel is a large sections tunnel and belong to short tunne

11、l. In this article, main design contents include: calculation of different surrounding rock load , calculation of internal force in the second lining , design of excavation , design of blasting , design of composite linings , design of waterproof and monitoring, etc.NATM is adopted in this design ,

12、with the purpose of try to protect the surrounding rock. Open cut tunnle is built at the entrance and exit of the tunnle by open and cover method. For III levelsurrounding rockmass in this tunnel，steps method is used and blasting excavation；for level IV surrounding rock , three steps reserve core so

13、il is used and mechanical excavation;for V level surrounding rock, CRD method is adopted and mechanical excavation ,meanwhile,advanced bolt is built over the V level surrounding rock .In this article ,the clear method and construction process is introducd. Construction technology is introduced in th

14、e article. During the course of construction , monitoring measurements must conducted From beginning to end ,in order to ensure construction safety and construction quality. During construction period ,Geological radar cooperate advanced drilling core to ensure the safty. In addition, primary suppor

15、t , secondary lining and waterproof and drainage construction craft are introduced. Keywords: High speed Railway tunnel NATM Structure calculation Blasting design Monitoring measurement目 录第1章 绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3本设计主要内容2第2章 卢家山二号隧道概况3第3章 结构计算43.1 二衬结构计算原理43.2荷载计算43.2.1荷载计算公式43.2.2荷载计算63.3衬砌内力

16、计算73.4二次衬砌强度检算及配筋113.4.1强度检算公式113.4.2强度检算及配筋133.5隧道的结构形式以及支护参数14第4章 隧道施工164.1 总体方案164.2 开挖方法和工序164.2.1 明挖法164.2.2 CRD法施工174.2.3台阶法施工194.3爆破设计194.3.1 级围岩段爆破设计194.3.2 级围岩段爆破设计224.3.3钻爆施工254.4 装渣与运输26第5章 施工工艺275.1 超前地质预报275.2 监控量测275.2.1 量测目的275.2.2 监控量测项目275.2.3 监控量测的主要设备285.2.4 监控量测流程285.2.5监控量测测点布置、

17、量测断面295.2.6 围岩压力和两层衬砌间压力量测315.2.7数据分析与反馈315.3超前注浆小导管315.3.1 超前小导管设计参数325.3.2 超前小导管施工325.4初期支护325.4.1 喷射混凝土325.4.2 锚杆345.4.3 钢筋网365.4.4 格栅钢架375.5二次衬砌385.5.1二次衬砌施工概述385.5.2二次衬砌施工准备工作395.5.3混凝土的灌注、养护与拆模405.6 隧道防排水设计405.6.1 洞口防排水405.6.2 洞内防排水40第6章 结论44参考文献45致 谢46附录A 外文翻译资料47A.1英文47A.2译文51附录B 图纸55石家庄铁道大学

18、毕业设计第1章 绪论1.1 研究背景随着我国社会、经济的高速发展，全社会客运量和货运量都成倍增长。铁路在长途运输中占有明显优势。高速铁路是现代化铁路的重要标志，隧道是关键的基础工程之一。高速铁路的修建为了获得更好的线路线性，为了环保的需要，必然会出现大量的隧道群。目前我国大规模、高标准的铁路建设全面展开，客运专线对隧道的工程质量、耐久性、环境与水土保持、运营管理等提出了更高的要求。近几年来，从引进时速200公里高速列车技术，到自主开发时速350公里、380公里“和谐号”动车组；从京津城际铁路运营到京沪高铁即将开通，中国迅速跨入引领世界的“高铁时代”！而我国多山的特点使得对隧道技术的研究对实现高

19、铁时代具有了更为重要的意义。1.2 国内外研究现状高速铁路隧道与常速铁路隧道最大的区别就是当列车以高速通过隧道时，产生的空气动力学效应对行车、旅客舒适度、列车相关性能和洞口环境的不利影响十分明显，因此，在隧道断面确定的时候必须考虑到空气动力学效应。施工方面，目前各国的高速铁路隧道施工方法仍以新奥法为主，以喷射混凝土锚杆作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，充分发挥围岩的自承能力的施工方法。新奥法是按照实际观察到的围岩动态的各项指标来指导开挖隧道的方法。新奥法施工原则可以归纳为充分保护，并利用围岩的自承能力；施工要点为控制爆破、锚杆支护和施工监测；实施方法为设计、施工和监测三位一体的动态模式

20、。隧道的开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。断面开挖方法的选择要注重开挖方法的多样性。如开挖隧道的TBM法、矿山法、不是相互排斥的方法，而是可以选择、可以组合的方法。在选择开挖方法时，一方面要考虑隧道围岩地质条件，一方面要考虑坑道范围内岩石的坚硬程度。高速铁路隧道大部分属于大断面隧道，为了减少开挖对围岩的扰动，充分“保护围岩”，同时减小震动，保护隧道附近对震动有较高要求的结构物，选择部分地质件适宜的隧道采用铣挖机、单臂掘进机、液压破碎机、大功率挖掘机等装备开挖，将是一个发展趋势，这种采用非钻爆法施工的工法会逐步完善。同时，国内外铁路隧道施工机械的发展正朝着高速、高精的数控技术发展。 国内外隧

21、道施工都充分证实了在高速铁路隧道施工阶段，重视和加强地质超前预报，最大限度地利用地质理论和先进的地质超前预报技术，预测开挖工作面前方的地质情况，对于安全施工、提高工效、缩短施工周期、避免事故损失都具有重要意义。随着科学技术的发展，超前地质预报的仪器设备也更加精密。国内外隧道施工期地质超前预报技术方法的发展主要经历了地质法阶段、超前平行导坑阶段、超前水平钻孔阶段、无力探测法阶段。目前应用较广的有TSP超前预报，和地质雷达超前预报法。TSP超前预报系统具有适用范围广、预报距离长、时间短、对施工干扰小、费用少等优点，可推断断层和岩石破碎带等不良地质体的位置、规模、产状、及岩石动力参数。地质雷达对隧底

22、、边墙、隧顶外围岩的不良地质探测效果最好，在超前平行导坑中应用可对正洞起到超前地质预报的作用。1.3本设计主要内容(1) 计算IV级、V级围岩荷载，确定不同的围岩级别条件下衬砌类型，衬砌长度，二衬厚度和计算配筋，进行洞身二衬结构检算，并绘制衬砌结构横剖面图，结构配筋图。(2)按工程类比法确定不同的围岩级别条件下隧道的初支结构及形式。(3)进行隧道总体施工方案设计，包括总体施工部署、进洞方案、洞身不同围岩段开挖方法等。(4)设计具体的施工工艺，包括开挖、出碴、初支、二衬、防水工程、量测及其它相关施工工艺，绘制相应的施工工法步序图，防水结构图，监测布置图以及其它必要附图。 第2章 卢家山二号隧道概

23、况2.1 工程概况合武线卢家山二号隧道进口里程KD136+155，出口里程DK136+371，全长216m。2.2地质概况卢家山二号隧道全程地质较单一，为第四系残积粉质粘土、黄褐色、硬塑、厚度0.51m，侏罗系上统白大畈组凝灰岩，紫灰色，全风化弱风化，地下水不发育。其中，DK136+155DK136+207是V级围岩段，长52m；DK136+207DK136+250是IV级围岩段全长43m；DK136+250DK136+342是III级围岩段，全长92m；DK136+342DK136+371为V级围岩段，长29m。第3章 结构计算根据隧道地质情况，运用工程类比法确定本隧道所有围岩段均采用复合式

24、衬砌，衬砌结构必须满足运营安全要求、防水要求和美观要求。3.1 二衬结构计算原理卢家山二号隧道级围岩、级围岩的二次衬砌结构都采用结构力学方法计算。这种方法又叫作“荷载-结构”法，这种方法是将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法。其设计原理是按围岩分级或由实用公式确定围岩压力，围岩对支护结构变形的约束作用是通过弹性支承来体现的，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支承的约束能力时间接考虑。3.2荷载计算3.2.1荷载计算公式(1)判断深浅埋 式中 深浅埋隧道分界的深度 等效荷载高度值系数22.5在松

25、软的围岩中取高限，而在叫坚硬围岩中去低限。当隧道覆盖层厚度hHp时为深埋，h时为浅埋，h时为超浅埋。（2）当隧道为深埋时，采用我国铁路隧道设计规范所推荐的单线、双线、及多线铁路隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式 式中hq等效荷载高度值； S围岩级别，如III 级围岩S=3； 围岩的容重；w宽度影响系数，其值为w=1+i(B-5）其中B坑道宽度（m）； iB每增加一米，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B5m，取i=0.1。水平均布松动压力e按表3-1中的经验公式计算（一般取平均值）。表3-1 水平均布松动压力围岩级别III IV V均布压力0.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(

26、3)当隧道为浅埋时，分两种情况我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深小于或等于等效荷载高度时（即时），围岩垂直均布压力为 式中围岩容重； 隧道埋置深度。 围岩水平均布压力e按朗金公式计算 e=（q0.5Ht）tan2 （0.5）我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深大于等效高度（即h）时，围岩的垂直均布松动压力计算为：= 式中k压力缩减系数，其值为k=1 (3-1) (3-2) B 隧道开挖高度； H 洞顶岩体覆盖厚度。表3-2 各级围岩的及 值围岩级别0.9（0.70.9）（0.50.7）（0.30.5）6070506040503040求围岩水平松动压力 若水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和

27、底部的水平压力可直接写为 为侧压力系数，可由式 3-1计算 若水平压力均布，则 3.2.2荷载计算卢家山二号隧道，进口里程DK136+155，出口里程DK136+371，隧道全长216m。 (1)里程DK136+155至DK136+207为V级围岩，总长52m，最大埋深：h=9.4m。=0.452S-11+i(B-5)=13.4208mh,所以按超浅埋计算。选取DK136+207里程处断面，h=9.4m，选取=20kN/m3 围岩垂直压力：q=h=209.4=188kN/m2围岩水平压力：e=（q0.5Ht）tan2（） =（188+0.52011.88）tan2( ) =52.637 kN/

28、m2 (2)里程DK136+207至DK136+250为IV级围岩，长43m，最大埋深h=16.5m。=0.452S-1 1+i(B-5)=6.832m令=2.5=17mh=16.5，按浅埋计算选取DK136+250里程处断面，h=16.5m，选取=23 kN/m3 = ，=44O ， ， =4.496 =0.1543 围岩竖向压力： =311.101 kN/m2 水平方向压力： 按梯形分布 =58.21 kN/m2 =43.53 kN/m2(3)里程DK136+250至里程DK136+342为III级围岩，长92m，最小埋深16.5m，最大埋深25.8m =0.452S-1 1+i(B-5)

29、=3.4m =（22.5）=6.8 8.5m所以按深埋计算：取=23 kN/m3围岩竖向压力：q=233.4=72.8 kN/m2围岩水平压力：e=0.15q=0.1572.8=10.92 kN/m2 (4)里程DK136+342至DK136+371为V级围岩，长29m，最大埋深17m=0.452S-1 1+i(B-5)=13.4208mh0.2h 时，由抗拉强度控制承载力，不必检算抗压。混凝土矩形截面的大偏心受压构件（x0.55h0），其截面强度按下列公式计算： 此时，中性轴的位置按下式确定：当轴向力作用于钢筋Ag与Ag的重心之间时，式中的左边第二项取正号，当作用于Ag与Ag重心之外时，则取

30、负号。 如计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区的高度应大于等于2a,如不符合，应按下式计算：式中 N轴向力（MN）; e,e钢筋Ag与Ag的重心到轴向力作用点的距离(m)。 钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件（x0.55h0），其截面强度应按下式计算：。 表3-6 混凝土和砌体结构的强度安全系数材料种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载+ 附加荷载主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0-表3-7 钢筋混凝土结构的强度安全系数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度2

31、.01.7混凝土达到抗拉极限强度2.42.0 表3-8 混凝土极限强度（MPa）强度种类符号混凝土强度等级C15C20C25C30C40C50抗压Ra12.015.519.022.529.536.5弯曲抗压Rw15.019.424.228.136.945.6抗拉Rl1.41.72.02.22.73.13.4.2强度检算及配筋各级围岩二衬结构需检算各节点的安全系数，首先由 或反向解出安全系数K值，同时用得出的K值与规范要求K值进行比较。当Kx K 时，则可以认为是安全的，不用进行配筋验算，可以按最小配筋率配筋，否则需要验算配筋。 （1）IV级围岩配筋根据规范要求受压构件全部纵向配筋最小配筋率可知

32、，单侧纵向钢筋面积不应小于0.2%bh=900mm2。采用对称配筋，取每侧4根钢筋，则单侧的纵向钢筋面积As=As=1256mm2,保护层厚度取40mm，纵向钢筋采用10250，箍筋采用8250。表 3-9 IV级围岩配筋检算表节点号受压区高度X(m)计算弯矩（Nm）配筋后的安全系数10.3142505603.073220.3222348203.374650.3111386905.978经检算，以上配筋量对应的安全系数均能满足规范要求，故可采用上述配筋。配筋图见附图。（2） V级围岩配筋根据规范要求受压构件全部纵向配筋最小配筋率可知，全部纵向钢筋面积不应小于0.2%bh=1000mm2。采用对

33、称配筋，取每侧4根钢筋，则单侧的纵向钢筋面积As=As=1520mm2,保护层厚度取50mm，纵向钢筋采用12250，箍筋采用10250。表 3-10 V级围岩配筋检算表节点号受压区高度X(m)计算弯矩（Nm）配筋后的安全系数10.3341688204.357540.2992191103.806670.2272360604.287经检算，以上配筋量对应的安全系数均能满足规范要求，故可采用上述配筋。配筋图见附图3.5隧道的结构形式以及支护参数本隧道结构形式以及支护参数的选取采用了工程类比的方法。经过查阅相关地质情况的设计资料，选取支护参数如表3-11表3-11 卢家山二号隧道复合式衬砌支护参数表

34、衬砌类型喷射混凝土锚杆钢筋网钢架二次衬砌预留变形量(cm)聚丙烯纤维掺量(kg/m)部位厚度(cm）设置部位长度(m)间距(m) (环纵)网格间距(cm)设置部位规格间距(m)拱墙(cm)仰拱/底板(cm)1.2全环/15拱墙3.01.212525拱部4055/51.2全环/25拱墙3.51.012020拱墙格栅1.0(拱墙)455581.2全环/28拱墙4.01.00.82020拱墙格栅0.8(全环)506010注：表中带者为钢筋混凝土；所有仰拱喷射混凝土中均掺加合成纤维；喷射混凝土强度等级为C25，素混凝土等级为C25，钢筋混凝土强度等级为C30。 第4章 隧道施工4.1 总体方案合武线卢

35、家山二号隧道全程地质较单一，为第四系残积粉质粘土、黄褐色、硬塑、厚度0.51m，侏罗系上统白大畈组凝灰岩，紫灰色，全风化弱风化，地下水不发育。卢家山二号隧道进口里程DK136+155，出口里程DK136+371，全长216m。DK136+155-DK136+170和里程DK136+359-DK136+371段为V级围岩超浅埋段，拟采用明挖法施工,修建拱式明洞；DK136+170- DK136+207和DK136+342-DK136+359为V级围岩段，拟采用CRD法施工，施工采用超前注浆小导管进行预支护；DK136+207- DK136+250为IV级围岩段，拟采用台阶法进行爆破开挖，且采用超

36、前注浆小导管进行预支护；DK136+250-DK136+342为III级围岩段，拟采用台阶法爆破施工。4.2 开挖方法和工序4.2.1 明挖法洞口段施工应按照“早进晚出”的原则优化方案。隧道进口里程DK136+155地面标高为127.87m，内轨轨顶面标高127.08m，里程DK136+155DK136+170修筑拱式明洞。地质条件为第四系坡积粉质粘土，采用明挖法施工。(1)边仰坡施工注意事项有：准确定出洞口的位置，按设计放出边、仰坡及洞脸开挖边线。洞口土石方开挖前，施工洞顶截水沟，拦截地表水。仰坡开挖采用1：0.5坡度放坡，仰坡开挖后及时用锚杆加固并挂双层钢筋网喷射混凝土进行防护。人工配合挖掘机按照审计坡度、尺寸进行洞门及明洞土方开挖。先用挖掘机按照测量放线开始粗刷，预留部分有人工进行修整。喷混凝