马林头隧道设计毕业论文.doc

马林头隧道设计第1章 设计原始资料1.1 技术标准及设计标准规范1.1.1 主要技术标准（1） 隧道按规定的远期交通量设计，采用分离式单向行驶三车道隧道（上、下行分离）。（2） 隧道设计车速，隧道几何线形与净空按100km/h设计，隧道照明设计速度按100km/h设计。1.1.2 主要设计标准规范（1） 公路隧道设计规范JTJ026-90；（2） 公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999；（3） 公路工程技术标准JTJ001-97；（4） 公路工程抗震设计规范JTJ004-89；（5） 锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001；（6） 地下工程防水技术规范GB50108-2001；（7） 隧道围岩级别按公路隧道设计规范JTJ026-90。1.2 工程概况马林头隧道位于温州绕城高速公路北线第4合同段内，为分离式单向行驶三车道隧道（上下行分离）。隧道左洞桩号：K16+115K18+732，长2617m（其中明洞25m，暗洞2592m）；右洞桩号：K16+085K18+725，长2640m（其中明洞25m，暗洞2615m）。暗洞按新奥法施工，明洞按明挖法施工。1.3 隧道工程地质概况马林头隧道地貌以丘陵为主，各隧道段地表均为斜坡地形，坡度大致为10°50°，坡面植被茂盛，局部陡坡地段基岩裸露。隧道拟经过处山岭起伏变化较大，地形条件较为复杂。主要地质以含碎石亚粘土地层、含粘性土地层、角砾凝灰岩、角砾岩地层为主，巨层厚状、块状构造较多，局部碎块石状。地层整体上风化较为严重，节理发育，地层表面为全风化地带，在海拔较低的垭口位置有一定厚度的坡积层。断裂带主要为F8和F9断层，F8断层与隧道走向基本垂直，倾角84°，宽度35m; F9断层与隧道走向交角很小，受断层影响，该处地质裂隙发育，岩体破碎，局部地段水量可能很大。地下水类型主要为基岩裂隙水，水量贫乏。经综合评定，隧道围岩大致为III级、IV级、V级。详细地质情况参见隧道纵断面设计图。 第2章 隧道总体设计2.1 隧道选址综合分析本隧道的地形地质图，根据以下原则对隧道进行选址：（1） 隧道位置应尽可能选择在地质构造简单，节理裂隙不发育，岩性较好，稳定的地层中通过。应注意避免岩层软弱结构面、断层，必须通过时，应使隧道的通过长度最小。（2） 隧道穿越两种岩性迥然不同的岩层接触带时，应避免平行和接近平行，应尽可能垂直或接近垂直方向穿越接触带。（3） 当隧道通过单斜构造时，隧道中线以垂直岩层走向穿越最为有利。当隧道中线与非水平岩层走向一致或斜交角很小时，应力求将隧道置于岩性较好、强度较高的层内。如岩层倾角较大，又有粘着力较差的软弱夹层时，应注意有产生顺层滑动的可能。（4） 当隧道通过褶曲构造时，隧道位置选择在褶曲构造一翼或背斜褶皱中轴处通过较为有利。不宜将隧道置于向斜轴部通过。（5） 越岭隧道首先可以从地形角度选择可能穿越的垭口，拟定该垭口处越岭标高及两侧相应的展线方案。综合考虑工期、经济效益、技术难度等，选择合适的临界标高。（6） 选择隧道的临界标高时，应注意下列因素：要尽可能把隧道埋置于较好的地层中；应使洞口位置处于较好的工程地质、水文地质的地方，便于施工场地布置；隧道长度应考虑施工期限和施工技术条件。根据以上原则，结合本地段的地形地质情况，马林头隧道的选址归结为以下几个方面：选择合适的临界标高，在保证隧道埋深的前提下尽量减少隧道的长度；洞口段中线尽量选择与地形等高线垂直；因F9断裂带与隧道路线走向交角很小，对隧道影响较大，应该避开；具体问题再具体分析。2.2 隧道洞口选择及线形考虑（1） 隧道洞口位置应根据地形、工程地质及水文地质情况，着重考虑隧道仰坡、边坡的稳定，保证施工及运营的安全，并结合洞口有关工程及施工条件，综合研究比选确定。一般情况隧道宜早进洞、晚出洞。（2） 洞口段所在位置为坡积层地质，地形缓和，埋深较浅，应采用有效措施，做好防排水工作，不应采取刷坡清方，以免破坏山体稳定，招致坍方、滑坡病害。必要时宜接长明洞，确保施工和运营安全。（3） 马林头隧道为长隧道，洞口位置选择应结合施工方法综合考虑，则应具有较好的交通条件和外部电源条件。（4） 隧道线路应力求与地形等高线垂直或近似垂直进洞。如不能满足上述要求时，应以大角度斜交进洞为宜。根据上面的分析，结合地质图，本隧道洞口段均位于坡积层上，且坡度较缓，围岩极差，因此应考虑避免大挖大刷，早进洞，晚出洞。综合考虑地形地质以及路线需要， 将仰义端左洞口设在K16+115处，标高设计为PH=29.49m，右洞口设在K16+085处，标高设计为PH=28.89m；北白象端左洞口设在K18+732处，标高设计为PH=64.61m,右洞口设在K18+725处，标高设计为PH=64.60m。综合隧道地址和洞口位置的选择，该隧道的左、右线桩号为：左洞：K16+115K18+732，右洞：K16+085K18+725。左右线平面均设为直线。2.3 纵断面设计本隧道的基本坡道形式设为单坡。坡道形式的选择依据和纵坡坡度的主要控制因素为通风问题和对汽车行驶的利害。隧道的纵坡以不防碍排水的缓坡为宜，坡度过大，对汽车行驶、隧道施工和养护管理都不利。单向通行的隧道设计成单坡对通风是非常有利的，因汽车都是单坡行驶，发动机产生的有害气体少，对通风也很有利。马林头隧道位于温州城区附近，车流量很大，且隧道埋深较大，围岩很差，设置竖井通风施工难度较大；隧道围岩地下水主要以裂隙水为主，水量贫乏，对施工无太大影响；马林头隧道由于路线需要，进出口段高程相差很大，设置人字坡将会使隧道长度增加；鉴于以上原因，该隧道决定采用有变坡点的单坡，坡度设置如下：左洞：K16+115K16+720为2%的上坡，K16+720K18+732为1.2%的上坡，中间竖曲线的指标为： R=7000m,T=28000m,E=0.56m；右洞：K16+085K16+720为2%的上坡，K16+720K18+725为1.2%的上坡，中间竖曲线的指标：R=7000m,T=28000m,E=0.56m。2.4 横断面设计2.4.1 建筑限界马林头隧道的建筑限界按100km/h时速进行设计，建筑限界取值确定如下：图2.1 隧道建筑限界（单位：m）建筑限界横断面宽度如下表： 表2-1 建筑限界设置 （单位：m）设计速度（km/h）车道宽度W侧向宽度检修道J顶角宽度左侧右侧左侧右侧左侧右侧1003x3.750.501.001.001.000.501.002.4.2 紧急停车带马林头隧道为长隧道，所以在行车方向的右侧设置紧急停车带。紧急停车带的设置间距取750m，停车带的路面横坡取为水平。紧急停车带的建筑限界、宽度和长度见下图：2.4.3 横向通道上下行分离独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。人行横通道间距设为500m，车行横通道间距设置为750m，与紧急停车带对应布置。其建筑限界如下： 图2.2 紧急停车带建筑限界、宽度、长度（单位：m） 图2.3 a）人行横通道建筑限界 b）车行通道建筑限界 （单位：m）2.4.4 内轮廓设计根据建筑限界，利用三心圆，得出各断面内轮廓如下图： 图2.4 隧道正常断面内轮廓图 （单位：m）图2.5 隧道紧急停车带内轮廓图（单位：m）图2.6 横向通道内轮廓图 （单位：m）第3章 隧道洞门设计及强度 稳定性验算3.1洞口段地质评价3.1.1 仰义端根据隧道纵断面设计图，仰义端左洞口段隧道地表为斜坡地形，坡度10°25°，坡面植被茂盛。1层褐黄色残积含碎石亚粘土，软塑-硬塑状，碎砾石粒径以530mm为主，土质不均，夹有块石，厚度约为1.00.6m；下伏J3x青灰色晶屑熔结凝灰岩，巨层厚状；2强风化层，厚度为0.51.5m，绿灰色，灰黄色，具原岩结构，节理裂隙发育，岩芯砂砾状、碎块状；3弱风化层，厚度13.025.0m，灰兰色，凝灰结构，块状结构，节理裂隙很发育，岩芯以短柱状为主，柱长一般为1020cm，局部碎块状，RQD=40-60%，Kv=0.73-0.82，u=0.22-0.19，BQ=350。隧道洞口段经过1层含碎石亚粘土、2层含粘性土碎石、2强风化层、3弱风化层晶屑熔结凝灰岩。洞口处主要为1坡积层，洞口上方第四系覆盖层厚度较大，风化强烈，隧道围岩稳定性差，综合评定为级围岩。地下水类型为基岩裂隙水，水量贫乏，雨季时接受上覆残坡层地下水入渗补给，沿节理渗入隧道而出现渗水现象。仰义端右洞口段隧道地形地质类型与左洞基本相似。3.1.2 北白象端 北白象左洞口段隧道地表为斜坡地形，坡度25°35°，破面植被茂盛；基岩出露，为J3x青灰色流纹质晶屑熔结凝会岩，巨层厚状，1全风化层，厚28m，灰黄、褐灰色，湿、可塑状，原岩已风化成砾砂，粘性土状，偶夹有未完全风化碎石；2强风化层，厚212m，黄褐色，湿、密实状，原岩已风化成碎块石状，局部砂砾状，岩芯呈碎石状，偶见有4070mm短柱状；3弱风化层，厚06m，灰兰色，凝灰结构，块状构造，节理裂隙很发育，岩芯以短柱状为主，柱长一般为520cm，局部碎块状，RQD=2050%，岩体呈碎石状压碎结构；隧道设计出口里程在左K18+732.0，隧道洞顶埋深015m，通过1层、2层、3层，围岩稳定性差，综合评定出口段围岩级别为级，地下水类型为基岩裂隙水，水量较贫乏，易沿节理渗入隧道而出现滴水现象。北白象右洞口隧道段地表为斜坡地形，坡度为25°35°，坡面植被茂盛，1层褐黄色残坡积含碎石亚粘土，厚度约为1.03.0m；下伏J3x青灰色流纹质凝灰岩，巨厚层状，2强风化层，厚度0.52.0m，节理极发育，岩石破碎；3弱风化层，厚度5 8.7m，节理发育，岩体呈碎石状亚碎结构；4微风化层，节理较发育，岩体呈大块状砌体结构，属硬质岩，Kv=0.520.81，u=0.250.19，BQ=410。隧道通过3弱风化层，3倍洞径内围岩主要为1层、2、3和4层，围岩稳定性差，综合评定本段隧道围岩为级围岩，地下水类型为基岩裂隙水，水量较贫乏，易沿节理渗入隧道出现滴水现象。3.2 洞门设计3.2.1洞门类型选择3.2.1.1 仰义端仰义端洞口段地表为缓斜坡地形，10°25°，左、右洞进口处均处在坡积层内，围岩级别为级，围岩极差，隧道上覆地层厚度很薄。但该处地形平缓，地势开阔，便于施工场地的布置，且洞口段地下水贫乏，不用设置特殊防排水措施。因此，考虑到支护和施工上的便利，仰义端左、右洞洞口段均设置明洞，左、右洞洞门形式选择为削竹式洞门。削竹式洞门基本参数设置详见削竹式洞门图。 3.2.1.2 北白象端 北白象端洞口段地表为斜坡地形，坡度为25°35°，围岩级别为级，地质状况很差，上覆土层较厚，围岩压力较大。且马林头隧道为绕城高速公路隧道，隧道很长，考虑到隧道的雄伟美观，配合城郊建设，故考虑设置柱式洞门。3.2.2 洞门设计3.2.2.1 削竹式洞门设计削竹式洞门所用材料，截面参数均与明洞一致，详见明洞设计。3.2.2.2 柱式洞门设计（1） 参数设定柱式洞门墙身材料采用M7.5水泥砂浆砌片石，坡度设为1：0.1，墙身厚度取为1.3m；墩柱设置在洞门主墙受力最大的A部分，宽度取为1m，厚度取为1.3m，高度与洞门等高；仰坡坡率设为1:1.5；基础埋深取为1m,衬砌拱顶外缘至洞门顶部的距离取为2.5m,则洞门设计高度H=1+12.1+2.5=15.6m.计算图式如下： （2） 各项物理指标f=0.4 （3） 验算内容 检算主墙B部分的强度和稳定性，由此来确定主墙尺寸；检算端墙与墩柱共同作用部分A，来确定墩柱尺寸。（4） 土压力计算 最危险破裂面与垂直面夹角 （3-1） = = 0.967。 土压力系数按下式计算： （3-2） （5） 检算B部分土压力按下式计算：E= （3-3） 自重按下式计算：G = （3-4） 抗倾覆稳定的验算 （3-5） （3-6） （3-7） 满足抗倾覆要求。 墙身截面偏心验算 （3-8） =偏心距： （3-9） 墙身截面强度验算应力计算： （3-10） =发生了应力重分布，重分布后的最大应力满足墙身截面强度的要求。由以上验算，确定出主墙墙厚为1.3m。 （6）. 检算A部分A部分为端墙与墩柱共同承受荷载的部分，设在洞门结构受荷最不利的位置。为了计算简便，近似把A部分看作是在墙身厚度的基础上再加厚1.3m。.土压力计算由上述部分可知由式（3-3），土压力为：E =由式（3-4），重力为：G=.抗倾覆验算由式（3-5）和（3-6），满足抗倾覆要求。.抗滑动验算地基摩擦系数f=0.4 （3-11） 满足抗滑动要求。 墙身截面偏心及强度验算由式（3-8）和（3-9），偏心距为：满足偏心距要求。又式（3-10），发生了应力重分布，重分布后的最大应力值墙身满足强度要求。 基底合力偏心距及应力验算 （3-12） 基底偏心距按下式计算： （3-13） 满足要求。基底两边缘点的法向应力、 （3-14） （3-15） 均小于基底控制压应力。满足要求。第4章 明洞设计4.1 明洞长度确定仰义端进口段围岩级别为级，坡度平缓，因此有很长的超浅埋段。为了施工上的方便，考虑把超浅埋段设为明洞。坍落拱高度按下式计算： （4-1） = =15.9854m。当埋深时，即为超浅埋隧道。洞口段x m处埋深为，斜坡坡度为10°25°，路面纵坡为2%，则有46.47m明洞长度确定为46m。4.2 明洞设置4.2.1 明洞基本参数设置及配筋由于明洞围岩级别很差，垂直压力和侧压力较大，故采用拱式明洞，并加设仰拱，明洞内轮廓线与暗洞内轮廓线一致。衬砌厚度设为60cm。衬砌材料采用钢筋混凝土结构，C25级混凝土,直径25mm级钢筋。明洞边墙用5#浆砌片石回填，拱部用挖方土回填，最低填土厚度为1.5m，填土坡度设为7°，以利于排水。根据工程类比法，明洞衬砌配筋如下图：图4.1 明洞衬砌配筋图4.2.2 衬砌内力计算由公路隧道设计规范，明洞衬砌结构内力的计算方法采用荷载结构法。（1） 参数选取回填土重度，5#浆砌片石重度，计算内摩擦角砼弹性模量，。（2） 土压力计算 垂直力计算 出于安全考虑，拱圈回填土石厚度采用最厚度最大值，拱圈回填土压力: （4-2） 边墙侧压力计算 （4-3） 为了简化计算，计算边墙底部侧压力当作边墙方向上的均布压力, （4-4） （4-5） 由式（4-3），得出边墙侧压力为：（2） 内力计算取基本结构如下图所式，未知力为、，根据拱顶截面相对变位为0的条件，可以列出如下立法方程式： （4-6）由叠加原理，墙底位移可以表示为，由于墙底无水平位移，故，代入立法方程式得： （4-7）式中、基本结构的单位位移和主动荷载位移 墙底单位转角 基本结构墙底的荷载转角衬砌矢高。 衬砌几何尺寸内轮廓线半径，；内径、所画圆曲线的终点截面与竖轴的夹角；截面厚度。 半拱轴线长度S及分段轴长 （4-8） 图4.2 衬砌内力计算基本结构 图4.3 衬砌内力计算图示 半拱长度。将半拱轴线等分为10段，每段轴长。 各分块截面中心几何要素与竖轴夹角 （4-9） （4-10）由式（4-9），计算各分块截面中心与竖轴线的夹角如下： （4-11） 由式（4-10），另一方面。角度闭合差。各截面中心点坐标计算如下： 位移计算a 单位位移计算单位位移计算如下表，由结构力学求曲梁变位的方法得： （4-12）表4-1 单位位移计算表截面xydI积分系数1/3000 1 000.60.01855.5560055.556119.2300.160 0.9871.35970.10980.60.01855.5566.1000.67068.4254218.4610.317 0.949 2.68420.43620.60.01855.55624.23310.571114.5932327.6910.465 0.886 3.93920.97090.60.01855.55653.93952.369215.8034436.8210.599 0.8015.09221.69990.60.01855.55694.439160.537404.9702546.1520.7210.6936.11322.60450.60.01855.556144.694376.857721.8014655.9490.829 0.560 6.97533.65660.60.01855.556203.144742.8181204.6622769.0300.934 0.3587.60464.86520.60.01855.556270.2891315.0101911.1434882.1050.991 0.1377.94436.18480.60.01855.556343.6002125.0972867.8532995.1830.996 -0.0907.97657.54710.60.01855.556419.2833164.3734058.495410106.2610.960-0.2807.69978.88130.60.01855.556493.4064382.0835424.4491555.5561800.48710032.41414188.944由式（4-12），计算得各单位位移如下：计算精度校核为： （4-13）闭合差。b 载位移计算每一分块上的作用力，竖直力： （4-15）衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由计算图式得：。水平压力： （4-16） 衬砌外缘相邻两截面之间的竖直向投影长度，由计算图式得：，。自重力： （4-17）钢筋混凝土构件重度。由上文计算得，各外力对各分分块截面的力臂可由计算图式量出，根据式（4-15）、（4-16）、（4-17），计算得各分块外力如下表：表4-2 各分块外力及力臂截面集中力（）力臂（m）QGE00000001181.41920.47413.6900.65550.67730.35292176.27220.47442.3140.59040.65540.45343167.26620.47468.4480.51010.61650.54224153.11220.47493.3390.41660.56160.6175136.38620.474116.9850.31230.49230.67586114.51320.474135.6520.19950.40940.7174784.91920.474158.0540.05160.28050.7428846.32020.474171.743-0.11830.13270.733997.72020.474177.966-0.2937-0.02210.682710020.474174.2320-0.17570.6067外荷载在基本结构中产生的内力计算原理如下：弯距： （4-18） 轴力： （4-19）、为相邻两截面中心点的坐标增量，按下式计算：。结合计算图式，计算各分块、如下：表4-3 计算表截面-0000000001118.92013.867-4.8310000137.6182104.07113.4188.099 201.8925.779 267.4071.886 529.707 3104.07113.418-19.185201.89213.690267.4074.468546.167485.32212.622-37.113398.63856.003500.29129.9451211.460563.78711.498-57.590586.377124.452676.09390.7252111.153642.59310.079-79.058759.963217.791775.923197.0133215.820722.8458.382-97.317916.823334.775790.393352.2174486.97484.3825.743-117.4021051.809470.427661.903568.5595844.9629-5.4802.717-126.0421157.202628.481393.101829.3447190.68710-2.267-0.452-121.4971223.995800.22439.4131090.1458439.023表4-4 计算表截面 (Q+G)00 1 0000010.160 0.987201.89213.69032.38413.51218.87220.317 0.949 398.63856.003126.23053.12173.10830.465 0.886 586.377124.452272.490110.198162.29240.599 0.801759.963217.790455.461174.343281.11850.7210.693916.823334.775661.189231.917429.27260.829 0.560 1051.809470.427871.464263.407608.05770.934 0.3581157.202628.4811080.556224.924855.63180.991 0.1371223.995800.2241212.394109.9181102.47690.996 -0.0901252.189978.1901247.069-88.3671335.436100.960-0.2801272.6631152.4231221.751-322.6941544.445基本结构中，主动荷载产生的弯距校核为： （4-20） （4-21） （4-22）从计算表中得出闭合差。c 主动荷载位移计算由结构力学方法得出： （4-23）根据上式，计算主动荷载如下表：表4-5 主动荷载计算表截面积分系数1/30055.5560100011137.61855.5566.1001.10987645.439839.4698484.90842546.16755.55624.2331.436230342.62313235.45243578.076231211.46055.55653.9391.970967303.33565344.808132648.143442111.15355.55694.4392.6999117286.283199374.952316661.235253215.82055.556144.6943.6045178656.644465311.229643967.873464486.97455.556203.1444.6566249276.307911503.7421160780.049275844.96255.556270.2895.8652324720.1361579828.4071904548.543487190.68755.556343.6007.1848399482.6282470720.1582870202.7862续表4-5截面积分系数1/398439.02355.556419.2838.5471468834.6243538341.7884007176.4114109599.62855.556493.4069.8813527757.1374687169.4575214926.59312103057.84411491833.62013594891.470由式（4-23），主动位移计算如下： 计算精度校核如下： （4-24）闭合差为0。d 墙底位移计算单位弯距作用下的转角： （4-25） 主动荷载作用下的转角： （4-26） e 解力法方程衬砌矢高。力法方程系数如下：将各系数代入式（4-7），得出立法方程式如下：解方程得： f.计算各截面内力主动荷载作用下，衬砌内力计算如下： (4-27)计算过程见下表：表4-6 弯距计算表截面00327.9530327.9531137.618327.953113.490303.8252546.167327.953450.860232.64631211.460327.9531003.530120.02342111.153327.9531757.031-26.16953215.820327.9532692.033-195.834续表4-6截面64486.974327.9533779.492-379.52875844.962327.9535028.712-488.29887190.687327.9536392.661-470.07398439.023