铁路隧道施工组织设计毕业论文

                        清华大学毕业设计

毕业题目  铁路隧道施工组织设计 

学 生  *** 

指导教师  ***

专 业 铁道工程技术 

                 2011年6月

开  题  报  告

    专 业铁道工程技术

    设计方向铁路隧道施工组织设计

    姓 名***

   指导教师审查意见:

          审查合格,同意存档。

                         指导教师签字:

     年月日

               马家山隧道施工组织设计

选题的背景与意义

   新中国成立五十年来,特别是改革开放二十多年来,我国铁路交通得到了长足发展,交通基础设施总量达到一定规模,能力有了较大提高,运输市场供求关系发生了重大变化,行业管理体系初步建立,铁路交通对经济和社会发展的适应状况有了较大改善。

   从新世纪开始,我国将进入全面建设小康社会、加快推进社会主义现代化的新的发展阶段。今后五到十年,是我国经济和社会发展的重要时期,是进行经济结构战略性调整的重要时期。为适应国民经济发展和经济结构战略性调整的要求,必须对铁路交通结构进行调整,,全面提升铁路交通行业整体素质,加快铁路交通现代化进程。

二、毕业设计的主要内容

   它主要包括以下内容:

   1.本设计是关于马家山隧道出口 Ⅳ~Ⅴ级围岩施工组织方面的总体设计,隧道位于甘肃省宕昌县哈达铺镇左侧,全长7435m,起讫里程DK239+696~DK247+131,此隧道是特长隧道,其中包括进口,上罗斜井及出口。本毕业生设计包括了施工组织方面的各个部分的资料, 设计中包含了大量的图片资料和表格,更加直观的体现设计中的内容,在实际的施工组织过程中一目了然,便于施工人员参考,此设计完全依照《铁路隧道设计规范》来设计,同时结合了当地的地形、地质和环境,综合各方面的资料来设计,此设计还包含了洞门图、平面图、横纵断面图、炮眼布置图,便于现场的施工人员对工程的施工。 

三、参考文献

 [1] 李德武主编.《隧道》.中国铁道出版社.2004

 [2] 铁道部专业设计院主编.铁路隧道结构物设计计算丛书《洞门》.中国铁道出版社.1990

  四、设计时间安排

  (1)确定题目:2009.3.至2009.7

  (2)现场调研:2009.8至2009.11

  (3)查阅文献:2009.11至2010.1

  (4)资料整理分析:2010.1至2010.3

  (5)编写设计、总结:2010.3至2010.5

  (6)打印、提交、送审设计,准备答辩:2010.5至2010.6 

马家山隧道施工组织设计

摘要

   文章介绍了马家山隧道施工技术创新理论,联系铁路运输市场的现状,探讨了施工技术创新对铁路运输市场机制建立、发展的作用。并且建立铁路运输市场体系的动态规划模型,提出铁路运输市场体系可持续运输的发展目标及其运行框架。利用公路运输市场体系的动态规划模型,根据制定国企改革的原则、方向,文章得出了施工技术创新对铁路运输企业经济增长具有重要影响的结论。并提出铁路运输企业资产经营创新和资产重组创新的策略和方法。

   关键词:科技兰渝;安全兰渝;绿色兰渝;品牌兰渝;

绪论    - 8 -

第一章  隧道位置的选择及纵断面设计    - 10 -

第一节  隧道位置的选择    - 10 -

第二节  隧道纵断面设计    - 10 -

一  坡道形式    - 10 -

二  坡度大小    - 11 -

三  坡段长度    - 13 -

第二章  洞门的选择及稳定性检算.    - 13 -

第一节  洞口位置的选择    - 13 -

一  选择洞口位置的原则- 13 -

二  用作图法确定进洞里程和洞口边、仰坡开挖线    - 16 -

第二节  洞门形式的选择及其检算    - 19 -

一  洞门结构的构造    - 19 -

二  曲线隧道净空加宽    - 20 -

三  检算    - 21 -

第三章  衬砌形式的选择及强度检算    - 33-

第一节  铁路隧道衬砌的形式及适用条件    - 33-

一  隧道衬砌形式    - 33-

二  隧道衬砌的构造要求    - 36 -

第二节  隧道衬砌强度计算    - 37 -

一  概述    - 37 -

二  常用的计算模型    - 38 -

三 衬砌强度计算    - 39 -

第四章  施工组织设计    - 48 -

第一节  施工总原则.    - 48 -

一  新建马家山隧道工程地质说明及工程概况    - 48 -

二  施工原则    - 49 -

第二节  主要工程项目的施工    - 51 -

一  主要工程项目施工方法    - 51 -

二  主要工程项目施工工艺    - 58 -

第三节  施工要求及保证措施    - 62 -

一  施工进度安排    - 62 -

二  质量目标    - 63 -

三  质量标准    - 63 -

四  质量保证措施    - 66 -

五  安全保证措施    - 67 -

5结  论    - 70 -

致谢

主要参考文献

                   绪论

   我国内地大多是山区,地势起伏、山峦纵横,铁路穿越这些地区时,往往会遇到高程障碍。而铁路限坡平缓,无法拔起所需要的高度,同时,限于地形又无法绕避,这时,开挖隧道直接穿山而过最为合理。它既可使线路顺直,避免许多无谓的展线,使线路缩短,又可以减小坡度,使运营条件得以改善,从而提高牵引定数,多拉快跑。所以,在铁路线上,尤其是在山区铁路线上,隧道的方案常为人们所选用,修建的数目也越来越多。我国铁路采用隧道克服山区地形的范例是很多的。例如,川黔线上的凉风垭隧道,在穿越分水岭时,拔起高度小,展线短,线路顺直,造价低,越岭高度降低了96m,线路缩短了14.7km,并避开了不良地质区域。宝成线宝鸡至秦岭一段线路上密集地设有48座隧道,总延长17.1km ,占线路总延长的37.75?。

   隧道工程施工时,首先要把施工地区的地质和水文情况勘查清楚,将勘查到的资料结合工程使用的要求,进行结构设计和施工方法的抉择。然后通过施工设计的指导,有步骤地进行施工,并在施工的过程中,随时进行各种量测,不断有针对性的修正支护结构设计和施工方案,使之跟趋于合理。在隧道建成交付使用后,还要定期检查,并按检查出的问题或病害,做出养护计划,分轻重缓急予以修复或大修,无视工程建筑物时刻处于良好状态,正常发挥它的工作效能。

   隧道建筑是地下作业,共组面狭小,光线暗,空气潮湿,劳动条件差,因此发展机械化施工时改善劳动工人劳动条件,以高劳动生产率的唯一途径。

   目前,我国用钻爆法开挖的铁路隧道最高施工速度,曾达到平均单口月成洞152米。

   铁路隧道全断面一次开挖成型,是近数十年来隧道技术上的一项重要发展。它对加快隧道工程施工进度,使用大象机械化开挖,崛起了极其重要的作用。

   在围岩支护技术方面,大力推广了锚杆--喷射混凝土支护,我国在具有不同地质条件的铁路隧道中,都取得了使用喷锚支护的成功经验,特别是曾在软弱围岩中使用了喷锚支护取代支撑这类传统的临时支护。

   为了配合喷锚支护,换大力推广了光面爆破和预裂爆破技术,不仅能使围岩表面轮廓平整,而且可以减少爆破对围岩的破坏。

   在勘测设计和理论研究方面,曾进行过坑道围岩变形、支护结构的应力和变形以及围岩与衬砌之间的接触应力等的量测工作,为发展和完善隧道力学理论,探讨设计支护系统的正确方法,提供了依据。

   在对围岩的稳定性进行分析时,除了采用有限元法外,对于有遍布节理的块状岩体,还应用了赤平投影的几何理论来分析洞室的稳定性。

   正确的预测隧道的地质情况,是保证高效、安全、机械化正常施工的重要条件,但目前我国地下洞室的地质勘测手段还比较简单、弹性波勘查等地球物理以及超前钻孔等技术刚刚开始使用。

   在采用喷锚支护时,施工的监控技术和控制还在试验阶段,不能用于指导和控制施工,在量测元件、仪表、以及量测信息的分析和控制方面都还不够完善,几代努力改进。其次,是喷射工艺和喷射机械都有待进一步完善。

   在地下工程理论研究上,虽然在应用有限元、赤平投影和工程地质力学等方面,都有了很大进步,但对岩体尤其是裂隙岩体的基本特征,尚未很好的展开,有待进一步努力。

   虽然近几年来隧道工程已经取得了一定的成就和相应的发展,但是还存在许多的问题和缺点。总之,认识事物并改造事物使之为人类服务是我们责无旁贷的责任,只要我们不断地去实践,不停地向前探索,就一定会把隧道建设事业推向前进。

         第一章  隧道位置的选择及纵断面设计

第一节  隧道位置的选择

   隧道工程对线路技术条件、工程造价、施工工期等都起着控制作用。因此,在线路勘测设计中,如何正确地选好隧道线路,是一个十分重要的课题。隧道位置与线路是互为相关的。在一般的情况下,当一段线路的方案比选一旦确定以后,区段上隧道的位置就只能依从于线路的位置大体决定,最多是上、下、左、右很小幅度内作些小的移动而已。但是,如果隧道很长,工程规模很大,投资很多,工期时间很长,技术上也有一定的困难,属于本区段的重点控制工程时,那么这一区段的线路就得依从于所选定的最优位置,然后线路以相应的引线凑到隧道的位置上来。所以,隧道位置的选定是与线路的选定同时考虑的,不可分开考虑。要选择好隧道线路位置,一般来说,主要应对沿线的地形、地质作详尽的了解,充分掌握这两方面的资料,认识它们之间的内在联系,分清主次,统筹研究,处理好近期与远期、隧道工程与其它工程的关系,就可以选择出较为理想的隧道线路位置和恰当的隧道进出口位置。

第二节  隧道纵断面设计

   为了保证隧道内列车能安全平顺地行使,机车能够牵引足够的列车重量,同时考虑将隧道内的水顺利排出洞外以及通风要求等因素,必须对隧道内线路的纵断面进行合理地设计。隧道纵断面设计的主要内容包括选定隧道内线路坡道形式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接等。

一  坡道形式

   隧道处于地层之内,除了地质有变化以外,线路的坡形本来不受什么,用不着采用复杂多变的形式。一般可采用简单的单坡形或不复杂的人字坡形,如图1-1所示。

        (a)单坡形 (b)人字坡形图1-1 坡道形式

   单坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区,因为单坡可以争取高程,拔起或降落一定的高度。此外,单坡隧道两洞口的高程差较大,由此而产生的气压差和热位差也大,能促进洞内的自然通风。单坡道的优点还有施工及测量上都比较方便。它的缺点是在施工阶段,下坡进洞的一端,出于上部的水自然地流向下部开挖工作面,使开挖工作受到干扰,不但需要随时抽水外排,而且影响到电爆破的绝缘质量;此外,运碴时,空车下坡重车上坡,运输效率低。人字行坡道多用于长隧道,尤其时越岭隧道。因为越岭无需争取高程,而垭口两端都是沟谷地带,同是向下的人字形坡道,正好符合地形条件。人字坡的优点是施工时,水自然流向洞外,排水措施相应地简化;重车下坡,空车上坡,运输效率高。它的缺点是列车通过时排出的有害气体聚集在两坡间的顶峰处,尽管用机械通风,有时也排除不干净,长期积累,浓度渐渐增的,使列车司乘人员以及洞内维修人员的健康受到影响。

   两种不同的坡形适用在不同的隧道,设计时应结合隧道所在地段的地形、工程地质与水文地质、线路纵断面、牵引类型、隧道长度、施工条件、运营要求等具体情况全面考虑。对于位于紧坡地段的隧道、要争取高程的区段上的隧道、位于越岭隧道两端展线上的隧道、地下水不大的隧道或是可以单口掘进的短隧道,可以采用单坡形。对于长大隧道、越岭隧道、地下水丰富而抽水设备不足的隧道、出碴量的很大的隧道,设计为人字坡形往往比较有利。

二  坡度大小

   对于线路来说,考虑到运营效率,应具有良好的行车条件,线路的坡度以平坡为最好。但是,天然地形是起伏不定的,为了能适应天然地形的形状以减少工程数量,需要随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但坡度不能太大,若坡度超过了线路最大允许的坡度,机车的牵引能力达不到,不是列车爬不上去,就是必须减轻列车的牵引重量。所以设计坡度时,注意应不超过坡度。如果在平面上有曲线,还需为克服曲线的阻力,再减去一个曲线的当量坡度。即

式中  —设计中允许采用的最大坡度; —按照线路等级规定的最大坡度; —曲线阻力折算的坡度折减量;

   以上讨论的是明线坡度要求,隧道内的行车条件要比明线差,对线路最大坡度的要求更为严格,因此隧道内线路的最大允许坡度要在明线最大坡度上再进行折减。要求坡度折减的原因主要有以下两点:

   (1)列车车轮与钢轨踏面的粘着系数降低—机车的牵引力是由车轮与轨面之间的粘着力来控制的。隧道内空气的相对湿度较露天处所为大,因而钢轨踏面上常凝有一层薄面,使轮轨之间的粘着系数降低了,于是机车的牵引力也随之降低。此外,如果是蒸汽机车牵引,机车喷出的煤烟渣落在轨面上,也会使粘着系数降低。因此,隧道内线路的坡度应比明线坡度有所减小。

   (2)洞内空气阻力增大—列车在隧道内行使,其作用犹如一个活塞,洞内空气将像活塞那样给前进的列车以空气阻力,使列车的牵引力消弱。所以,隧道内的坡度要比明线的坡度为小。  由于上述原因,隧道内线路的最大坡度要比明线最大坡度小。现行《铁路隧道设计规范》规定,位于长大坡道上的隧道长度大于400m的隧道,其坡度不得大于最大坡度按规定折减后的数值,隧道内线路坡度折减是在明线最大坡度上乘以一个小于1的折减系数m。当隧道内有曲线时,要先进行隧道的线路坡度折减,然后再扣除曲线折减。折减按下式进行计算:式中 m隧道内线路的坡度折减系数,m与隧道的长度有关。

   当机车进入隧道时,空气阻力就已增加,粘着系数也已开始减小,机车的牵引能力相应降低,因此不但隧道内的线路应按上述方式予以折减,洞口外一段距离内,也要考虑相应的折减。在上坡进洞前半个远期货物列车长度范围内,按洞内一样予以折减。至于列车出洞,机车已达明线,这就不存在折减问题了。

   另一方面,考虑隧道排水的需要,除了最大坡度的以外,还要最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出,如果隧道坡度设为平坡,那么很长的水沟,按照流水的坡度要求,势必沟槽很深,这是比较难于设置的,有时甚至时不可能的。《铁路隧道设计规范》规定,隧道内线路不得设置为平坡,最小的允许坡度不小于3‰,在最冷月平均气温低于-5℃的地区和地下水发育的隧道宜适当加大坡度。

三  坡段长度

   隧道内的线路坡段也不宜太短,因为坡段太短就意味着变坡点多而密集,列车行驶就不平稳,司机操纵要随时调整。当列车经过变坡点时,受力情况也跟着变化,车辆间会发生相互的冲撞,产生附加力和附加加速度。如果坡段太短,一列车在行驶中,同时跨越两个变坡点,车体、车钩都在同时受到不利的影响,有时会因此发生事故。另外,如果隧道内坡度变化甚多,也将给施工和运营养护增加困难。所以,从行车平稳的要求和照顾施工和养护的方便出发,隧道内坡段长度最好不小于列车的长度,考虑到长远的发展,坡段长度最好不小于远期到发线的长度。对于凸形纵段面的分坡平道,当货物列车以接近计算速度通过时,允许分坡平道长度缩短至200m。坡段长最小为200m。  隧道内线路的坡形单一,但不宜把坡段定得太长,尤其是单坡隧道,坡度已用到了最大限度,如果是一气上大坡,列车就必须用尽机车的全部潜在能力,持续奋进。这样,会使机车疲劳或超负荷。虽然坡度未超,但坡段长了,也会越爬越慢,以至有停车的可能或出现车轮打滑的情况,容易发生事故。在下坡时,由于坡段太长,制动时间过久,机车闸瓦摩擦发热,将使燃油失效,以致刹不住车,发生溜车事故。所以在限坡地段,使机车有一个喘息或缓和的时间。此外,顺坡设排水沟时,如果坡段太长,水沟就难于布置,不是流量太大,就是沟槽太深。有时为此需要设置许多抽水、排水设施,分级分段排水。这就给今后的运营和维修增加了工作量。所以,隧道内线路的坡段不宜太长。

           第二章  洞门的选择及稳定性检算

第一节  洞口位置的选择

一  选择洞口位置的原则

   隧道的位置确定以后,隧道的长度是由它的两端洞口位置来决定的。而隧道的造价大小和施工难度在很大程度上是与其长度密切相关的。一般情况下,隧道进洞以前,总要有一段引线路堑。当路堑深度达到一定程度时就开始进洞。因此,决定洞口位置实质上就是决定从引线路堑转为隧道最适宜的转换点。隧道洞口位置选择恰当,隧道和路堑的安全稳定程度就高,总的造价也最合理。反之,选择得不恰当。就会产生路堑边坡坍塌、崩解,隧道上方的仰坡滚石掉块,危及行车安全。必要时,还得花较多的费用接修明洞。所以,洞口的位置应审慎比较而决定。

   确定隧道洞口位置时,应当结合地形特征、地质和水文地质条件、施工技术、运营条件以及附近相关工程,全面考虑,详细比较决定。而其中最主要的是考虑边坡的稳定和仰坡的安全,其次才是经济因素。过去为了节省投资,从经济方面考虑得多一些,把隧道洞口位置选定在所谓隧道与明堑的等价点上。认为明堑造价一般都是低于隧道造价的。但是每米的明堑造价是随着明堑的挖深增大而显著增大的。当明堑挖深达到某一程度,其每米造价已上升到与每米隧道的施工与运营换算造价相等时,就是明堑转入隧道最经济合理的地方。这样单纯从经济观点来判断的方法,往往定出的隧道偏短,洞口缩在山体以内很深,明堑挖深很大,边坡及仰坡很高。施工时,常易发生塌方。行车后,又常滚石掉块,危及行车。最后不得不再修明洞来接长隧道。与最初愿望相反。节省不了工程费用发到加倍耗费投资,还对施工和运营造成后患。建国以来,这一教训是十分深刻的。例如,宝成线1956年洞口坍方占全线的22.6?,中断行车占全线中断行车时间的59.6?。119座隧道洞口位置都有不同程度的接长,接长的洞身和加建明洞的总长度达到4000m以上。不但工程费用增加很多,而且给运营和维修带来极大的麻烦。

   多年实践的体会,总结出一个指导思想,即“早进晚出”。意思是在决定隧道洞口位置时,为了施工及运营的安全,宁可早一点进洞,晚一点出洞。这样做,虽然隧道长度稍稍长了一些,但却安全可靠得多。从全面观点出发,这样做是值得的、合理的。当然,所谓早和晚都是相对的,并不意味着进洞越早越好,出洞越晚越好。不应当盲目地把隧道定得很长很长,而是应当更着重从安全方面来考虑问题。在一般情况下,这一指导思想是符合实际的。

   通过实践总结出以下几点经验:

   1、洞口应尽可能地设在山体稳定、地质较好地下水不太丰富的地方。避开不良地质,如落石、崩塌、滑坡、岩堆、流砂、泥石流、多年冻土、盐岩、雪崩、冰川等对结构物会造成危害的地方。如遇到不良地质地段,宜早进洞或加接明洞,还可以设柔性刚性网防护,对于有些大型危石或集中落石区,根据具体情况分别采用清除、支顶、锚杆、锚索加固等措施处理,保证隧道运营安全。

   2、洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处,不要与水争路。因为,在一般情况下,垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的一环,常会遇到断层带或褶曲带、古坍方、冲积土等松散地质。此外,地面流水都汇集在沟底,再加上洞口路堑的开挖,破坏了山体原有的平衡,更容易引起塌方,甚至不能进洞。所以,洞口最好放在沟谷一侧,让出沟心,留出泄水的通路。

   3、洞口应尽可能设在线路与地形等高线相垂直的地方,使隧道正面进入山体,洞门结构物不致受到偏侧压力。傍山隧道限于地形,有时无法做到上述要求,只能斜交进洞时,也应使交角不要太小,而且要有相应的补救措施,如采用斜洞门或台阶式洞门。切忌隧道中线与地形等高线平行。《铁路隧道设计规范》规定:当地形等高线与线路中线斜交角在45°~60°之间,地面横坡较陡,地质条件较好(单线Ⅰ~Ⅲ、双线Ⅰ~Ⅱ级围岩)时可采用斜交洞门,其端墙与线路中线的交角不应大于45°。

   4、当线路位于有可能被淹没的河滩上或水库回水影响范围以内时,隧道洞口标高应在洪水位以上,并加上波浪的高度,以防洪水倒灌到隧道中去。 

   5、为了保证洞口的稳定和安全,边坡及仰坡均不宜开挖过高,不宜使山体扰动太甚,也不宜使新开出的暴露面太大。一般情况下,各类围岩中隧道洞口上方的仰坡和路堑的坡控制高度和坡度可参考表2-1。

围岩级别    Ⅰ-Ⅱ    Ⅲ

破率    贴壁    1:0.3    1:0.5    1:0.5    1:0.75

高度(m) <15 <20    25左右 <20    25左右

Ⅳ    Ⅴ-Ⅵ

1:0.75    1:1    1:1.25    1:1.25    1:1.5

<25 <18    20左右 <15 <18

表2-1  洞口边仰坡控制

   6、若洞口附近遇到水沟或水渠横跨线路时,应慎重处理,当线路横沟进洞时,设置桥涵净空不宜太小以免后患。当地行条件不适于设置桥涵时,应结合地形、地质情况、水流大小,经过技术经济比较,采取相应的工程措施,如扩大洞门墙顶水沟,将水引离隧道;利用明洞洞顶做过水渡槽引接;当洞顶水沟流量大,对隧道施工、运营不利时,应结合地形、地质条件,改沟排出。 

   7、若洞口前方岩壁陡立,基岩裸露,此时,最好不刷动原生坡面,不开挖山体。因为山体经过若干年的地质构造运动,内力已经自行调整,达到了稳定的平衡。如不扰动,它是稳定的。一旦挖开,尤其是刷方太甚,原有的平衡遭到破坏,反到会产生移动,出现坍方。所以,天然平衡不宜破坏,尽管纵坡超出了限值,仍以不动为好。此时,可以贴壁进洞,只把洞门墙留出一定的空档,用以档截小量的剥落碎块即可。 

   8、洞口以外必须留有生产活动的场所。隧道洞口一般都在山地沟谷中,地势狭窄,而施工有许多工序是在洞外进行的,需要一定的场地。尤其是隧道不断深入,就不断地出碴,堆卸以后,地面就显得狭小。因此,在选定洞口位置时,要考虑到场地的布置。例如,需要有布置运输便道的位置,弃碴的地点,材料堆放的用地以及生产、生活的房屋面积,都要预先估计到。

   总起来说,选定隧道洞口位置时,首先要按照地质条件控制边坡和仰坡的高度和坡面长度,其次是避开不良地质区域和排水影响,最后才谈得到从经济方面进行比较。

二  用作图法确定进洞里程和洞口边、仰坡开挖线

   当线路的方向确定后,可采用作图法来确定进洞里程和边、仰坡开挖线。

(一) 进洞里程的确定  在洞口地形平面图上用作图法确定进洞里程的具体步骤为:

   1、在洞口地形平面图上找出控制等高线。首先根据表2-1选定仰坡的极限开挖高度H值在隧道纵断面地质图上粗略地拟定进洞位置,在地形图上依照“早出晚进”定出进洞的路基标高225.09,则控制等高线标高为:225.09+12237.09m 。为了在洞口地形平面图上查找方便, 可取整数

H控238m(但要保证开挖高度H在极限范围内)。

   2、在预先选定的洞口附近,以洞门墙宽度B10.86m为距离,作对称于线路中心线的平行线Ⅰ-Ⅰ和Ⅱ-Ⅱ。

   3、以仰坡坡脚至开挖高度控制点的水平距离d 为半径,用分规沿Ⅰ-Ⅰ(或Ⅱ-Ⅱ)线移动,找出与控制等高线相切于a点即控制点的圆心o。其中d值可根据洞门构造图及仰坡坡率m求出,即d=12-hm2.5m,(其中h为路基面至仰坡坡脚的高度,h6.71+6.75+2.54-0.59.5m;H是仰坡的极限开挖高度)。

   4、过o点作线路中心线的垂线oo’。

   5、以洞口里程至仰坡坡脚的的水平距离b(由洞门图查得,或可计算得:

   b2.1+(6.71+2.54)×0.1-0.12.93m为间距,作oo’线的平行线pp’,则pp’线为洞口里程位置。如图2-1所示

               图2-1  洞口里程的确定

   在实际设计中,若有几个控制点时,可根据“早进晚出”的原则,综合考虑洞口附近的地形、工程地质及水文地质情况,经详细比较,才能最后确定洞库位置的最佳方案。

二  绘制隧道洞口边、仰坡开挖线

   为了布置洞顶排水设施和洞口附近其它建筑物,需要定洞口边、仰坡开挖范围,在洞口地形平面图上绘制边、仰坡开挖线(即路堑边坡坡面及洞门仰坡坡面与地面的交线)。

1.绘制仰坡开挖线

   绘制边、仰坡开挖线。洞门位置确定后,可计算仰坡坡脚标高 H路 +h234.59m,去为整数234m,仰坡坡率为m1:1.25,即可计算241至238各等高线距仰坡坡脚的水平投影距离d1、d2…等各值。

   对235m等高线:d1235-234.59×1.250.625m

   对236m等高线:d2236-234.59×1.251.7625m

   对237m等高线:d2237-234.59×1.253.0125m

   在洞门地形图上,作与边墙平行相距为d1的线交235m等高线于①点,作于洞门墙相距为d2的2-2线交236m等高线于②点,…以此类推。

   连接各点,即为仰坡开挖线。

   2.绘制边坡开挖线

   边坡开挖线绘制原理同前,确定边坡坡脚标高为225.09m,(取为225m),边坡坡率为n1.25,可计算不同标高位置的边坡顶至边坡坡脚的水平投影距离 C:

   C1(227-225)×1.252.5m

   C2(229-225)×1.255m

   作I-I线于路堑坡脚平行且相距为c1,交227m等高线于①,作Ⅱ-Ⅱ线于路堑坡脚平行且相距为c2,交229m等高线于②,同理求得其他各点。连接各点,即得边坡开挖线。

图2-2 边、仰坡开挖线

   3.绘制仰坡与边坡交角处开挖线

   洞门开挖方式有两种,甲式开挖于乙式开挖,其刷坡的起坡点不同。采用甲式开挖时,起坡点为翼墙端点;乙式开挖时,起坡点为仰坡坡脚。由此可确定相应起坡点的标高值。

   采用甲式开挖,绘制边仰坡交本隧道角处开挖线方法如下:

  (1)在90o交角范围等分6等份,既有边坡至仰坡的累积度数为:15o、30o、45o、60o、75o、90o。

   当边坡与仰坡的坡率n、m不同时,应圆顺过渡,其等分的坡率k可按下式计算:

    n?边坡坡率  m?仰坡坡率--圆角部分等分角度的累积度数。(右边坡至仰坡)。

  (2)确定等分线与开挖线交角。

   假定30o,mn1.25。则K0.884,可计算不同标高位置的坡顶与仰坡坡脚的水平投影距离r。

        r1(235-225)×0.88417.68

        r2(237-225)×0.8842  以o点为圆心,以r1、r2……为半径,分别交等高线239、240……与a、b、……,连接a、b、……各点所形成的曲线交角度线与i点,即为该等高线与开挖线的交点。边、仰坡开挖线如图2-2所示。

第二节  洞门形式的选择及其计算

一  洞门结构的构造 

   洞门(隧道门的简称,通常也泛指隧道门及明洞门)是隧道洞口用圬工砌筑用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。它联系衬砌和路堑,是整个隧道结构的主要组成部分,也是隧道进出口的标志。对于铁路隧道,隧道的场地就是其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离。

   隧道两端洞口处应设置洞门。洞门的作用有以下几方面:

   1.减小洞口土石方开挖量?洞口段范围内的路堑是依照地质条件以一定的边坡而开挖。当隧道埋深较大时,开挖量就很大。设置隧道洞门,能起到挡土墙的作用,可以减少土石开挖量。

   2.稳定边仰坡?由于边坡上的岩体不断受到风化,坡面松石极易脱落滚下;或边坡太高,边坡难于自身稳定,仰坡上的石块也会沿着坡面向下滚落。有时会堵塞洞口,甚至砸坏线路轨道,对行车造成威胁。修建洞门可以减小引线路堑的边坡高度、缩小正面仰坡的坡面长度,从而使边坡及仰坡得以稳定。因此,洞门对于确保洞内安全和隧道正常运营具有重要的作用。

   3.引离地面流水?地表流水往往汇集在洞口,如不予以排除,将会浸及线路,妨碍行车安全。修建洞门时,洞门上方女儿墙应有一定的高度,并设有排水沟渠,以便把流水引入侧沟排走,保证洞口的正常干燥状态。

   4.装饰洞口?洞口时隧道惟一的外露部分,是隧道的正面外观。修建洞门也可以算是一种装饰。特别是在城市附近、风景区内的隧道,更应配合当地的环境,给予艺术处理进行美化。

   洞门是隧道的咽喉,也是隧道的外露部分,在保证安全的同时,还应根据实际情况,选择适合的洞门形式,并应适当进行洞门美化和环境美化。洞门结构的形式应实用、经济、美观、醒目;洞门墙应根据实际情况设置伸缩缝、沉降缝和汇水孔;洞门墙的厚度可按计算或结合其他已建成隧道洞门用工程类比法确定;洞门墙基础必须埋置在稳定的地基上,应视地形及地质条件,埋置足够的深度,保证洞门的稳定性。基底埋入土质地基的深度应不小于1m,嵌入岩石地基的深度应不小于0.5m,冻胀土层基底应设在冻结线以下不小于0.25m,墙基底埋设的深度应不大于边墙各种沟、槽、管道基底埋设的深度。

   根据丁家营二号隧道所处地段的地质、地形及水文条件,进洞选择耳墙式隧道门比较合适。耳墙式洞门即带耳墙的翼墙式洞门,它是工程实践中总结、提高和发展起来的一种洞门类型。翼墙式洞门洞口开挖范围较窄,可节约土石方,减少圬工量;惟其形式似大涵洞,墙顶虽有水沟,因截水面小作用不大,端墙范围外仰坡坡面汇水只能通过沿翼墙背后的坡面流下,导致坡面长期受水冲刷,易出现沟槽,养护部门不得不将边坡全面铺砌。为改进其不足,后多将翼墙式洞门端墙两侧各接出一个耳墙至边坡内,呈带耳墙的结构,形成耳墙式洞门。这种洞门结构形式对于排泄仰、边坡地表汇水,阻挡洞顶风化剥落体,效果良好,并可大大减少对坡面的冲刷,洞口显得宽敞,结构式样比较美观,而且对于边、仰坡坡度不一致的洞口,设计时亦便于处理。设计这种洞门是因为它适用、经济、美观。

二  曲线隧道净空加宽

(一)加宽原因

   车辆通过曲线时,转向架中心点沿线路运行,而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其向两端曲线外侧偏移,中间镶曲线内侧偏移。由于曲线外轨超高,车辆镶曲线内侧倾斜,使车辆限界上的控制点在水平方向内移动了一个距离。

(二)加宽值的计算

由于本曲线隧道是双线电气化曲线隧道,所以加宽值计算按双线计算。

(1)车辆中间部分向曲线内侧的偏移d内1为:

    d内14050/R1.62cm(其中R是曲线半径,本隧道为2500m)

(2)车辆两端向曲线外侧的偏移d外为:

    d外4400/R1.76cm

(3)外轨超高使车体向曲线内侧偏移d内2为:

    d内22.7E2.7×0.76×1602/250021cm(其中E0.76v2/R)

    对于曲线隧道加宽值的计算:

    内侧加宽:W1d内1+d内222.62cm

    外侧加宽:W2d外1.76cm

    总加宽:WW1+W2 24.4cm  取30cm

    单线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离:

    d1/2(W1-W2)10.45cm

隧道洞门计算

基本计算数据

地层特征

边,仰坡坡度1:1.25配合2类围岩曲墙衬砌;

地层容重18kN/m;

地层计算摩擦角45;

基底摩擦系数地f0.4;

基底控制压应力[]0.3mp

建筑材料容重和容许应力

顶帽150号混凝土容重23kN/M;

端,翼墙水泥沙浆砌片石容重2kN/;

100号水泥沙浆砌片容许压应力[]1.5100号水泥沙浆砌片容许压应力[]0.2;

检算端墙和翼墙应力,偏心,稳定性要求

墙身截面压应力≤[];

墙身截面偏心距e≤0.3b b端,翼墙厚度);

基底应力≤[];

基底偏心e≤

滑动稳定系数?1.3;

倾覆稳定系数?1.5。

二洞门各部尺寸的拟定

本洞门采用的衬砌断面加宽值W30,轨道类型选用重型,开挖方式采用甲式(圆角)开挖,各部尺寸见图1-1,1-2。

翼墙式隧道门的端墙尺寸要求与端墙式隧道门基本相同本洞门端墙厚度为1.1m,基础埋深为1.0m

洞门端墙高度H的拟定端墙高度的拟定同端墙式隧道门的端墙相同,本洞门中,h6.71m,h2.54m,h

0.75m,h1.0m,故端墙高度为:Hh+h+h+h6.71+2.54+0.75+1.011.00m洞门墙宽度B的拟定 h1.761mhH-h-0.511.0-1.761-0.58.74mB3.5+h-h0.1+1.0  3.5+8.71-1.00.1+1.0  5.27m

洞门翼墙尺寸的拟定

翼墙的尺寸主要是根据端墙尺寸和仰坡坡度来确定。翼墙的最高点为端墙面坡和仰坡的交点,见图2-3中的a点。翼墙的厚度由自身强度及构造决定,要满足排水和施工的要求,通常在设计中取为1.0m。

   由于翼墙除支挡边坡外,还要与端墙共同作用,增强端墙的稳定性,翼墙面坡的大小直接影响到端墙和边,仰坡的工程数量,故一般翼墙面坡取为1:0.1。

   当仰坡较缓,翼墙较长时,亦可考虑将翼墙作为变截面台阶形,台阶位置是根据翼墙截面强度和造价考虑的,本洞门墙后设一台,台阶高度为2.0m,见图2-4。

   翼墙计算仰坡坡度的确定,与开挖方法有关,当采用乙式开挖方法时,

当采用甲式开挖时,由于翼墙墙顶的刷方坡度比仰坡坡度要小,而又比水平要大,本计算采用/2。

三,翼墙墙身截面偏心,应力检算

翼墙墙背主动土压力E 取距翼墙基底1.0m的截面为检算截面,计算宽度取0.5m,(图  截面),翼墙计算高度  为;-(0.1  +0.5)1.25-1.0  8.74-(0.18.74+0.5)1.25-1.0  6.m

已知  45, , 根据附录一公式I,可计算求得,  E 18 0.15660.5 31.07kN

倾覆力距  

稳定力距 

墙身自重P(图 1-3)

P 0.51.023-  (0.4+0.5)

0.323+6.140.122+4.0.622+(  0.22.0+20.4)180.5

5.75-1.55+67.54+30.62+1.8+7.2

111.36kN 图1-3

2.稳定力距  5.570.5+6.390.1-1.550.5+6.490.1  +67.540.5+3.070.1+30.621+0.3+2.320.1+

   1.81.0+0.4+2/30.2+7.21.0+0.4+0.2+0.2  6.55-1.78+54.50+46.91+2.88+13.42  122.48kNm

截面偏心,应力检算

   C   0.48m

e- C -0.48 0.32<0.3b0.48可)

1± kN/m <[]MP可) 四 翼墙基底偏心,应力检算

一墙背主动土压力E E   187. 0.15660.5  41.13kN

倾覆力矩 MM  104.74Nm

三稳定力矩M

墙身自重P

P111.36+0.52.0+2.11.00.522133.91kN

2. 稳定力矩M

M 5.75 0.5+6.390.1+0.5-1.550.5+6.490.1+0.5+67.540.5+3.07

   0.1+0.5+30.621+0.3+2.320.1+0.5+1.81.0+0.5+0.4+  0.2+7.2

   0.5+1.0+0.4+0.2+0.2+22.551.0 9.42-2.56+88.27+62.22+3.78+17.02+22.55 200.70kN    m

翼墙基地偏心、应力检算C 0.72me - C -0.720.28m< 0.33m可) kN/<[ ]1.5可)

稳定检算

1. 倾覆稳定系数    (可)

2  滑动稳定系数    (可)

端墙墙身截面偏心 、应力检算

端墙墙背主动土压力E 端墙计算条带计算宽度取0.5m,根据计算,计算条带高度为6.15m,计算条带中线距线路中线为3.65m b0.5+3.650.050.68m A1.2-0.68-0.51.25-[1.1-0.5-0.3-0.68-0.250.1]0.72m 见图  ab 

已知 , 由附录二可查得,6.15-b-  6.15-b-  6.15-0.68-0.634.84m图1-4  图1-5 M184.840.223519.47kN/  181.30-0.630.2235  2.70kN/11.36kN/     15.45+8.4623.91kN

倾覆力矩

   墙身自重(图1-6)

    图1-6

   P[6.15-0.25)1.122-  0.30.8322-0.220.8322-0.83   

     0.08322+0.60.2523-  0.10.123]0.5

     71.39-1.37-2.01-0.38+1.73-0.06

    69.30kN

   稳定力矩:

    60.32-1.77-3.02-0.62+1.37-0.03 56.27kNm

偏心及应力检算 (可) <

端墙与翼墙共同作用时稳定性检算

端墙墙背主动土压力E 端墙总高度为11.00m,端墙与翼墙共同作用时的计算宽度为: 0.66m  11.0-0.73-0.579.7m2.35kN/

E

223.13+183.55

406.48kN

端墙自重(图1-7)

P[11.0-0.25  1.1  22- 0.3  0.87  22-0.21  0.87  22- 0.87  0.1

   0.87  22+0.6  0.25  23- 0.1  0.1  23]  2.03483.39kN

   图1-7 

翼墙自重图 1-7,1-8翼墙的自重与施工的要求有关,当翼墙较短时,一般要求翼墙整体施工,其自重按整个翼墙重量计算;当翼墙较长,整个施工有困难时,可分段施工,此时需考虑最不利情况,即按第一段墙重计算.本设计为分段施工法施工,翼墙自重取距端墙底3m范围内翼墙计算图   图1-8

由图 1-7可知:24.03滑走稳定计算

   一般仅检算抗滑稳定

1.47>1.3(可)

第三章  衬砌形式的选择及强度计算

第一节  铁路隧道衬砌的形式及适用条件

一  隧道衬砌形式

   隧道开挖以后,坑道周围地层原有的平衡遭到破坏,引起坑道的变形甚至崩塌。因此,除了岩体完整而又不易分化的稳定岩层中,可以只开成毛洞以外,其他在所有的地层中的隧道,都需要修建支护结构,即衬砌。支护的方式有:外部支护,即从外部支撑着坑道的围岩(如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等);内部支护,即对围岩进行加固以提高其稳定性(如锚杆支护、压入浆液等);混合支护,即内部与外部支护同时采用的衬砌(如喷锚支护)。从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的形式分为以下4类:

(一)  整体式模筑混凝土衬砌

   它是指就地灌筑混凝土衬砌,也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为:立模灌筑养生拆模。模筑衬砌的特点是:对地质条件的适用性较强,易于按需要成形,整体性好,抗渗性强,并适用于多种施工条件,如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等。

(二)  装配式衬砌

   装配式衬砌是将衬砌分成若干块件,这些构件在现场或工厂预制,然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌,这种衬砌到的特点是:拼装成环立即受力,便于机械化施工,改善劳动条件,节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。

(三)  喷锚支护

   喷射混凝土是以压缩空气为动力,将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状,喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时,可加设锚杆、金属网和钢架,这样构成的一种支护形式,简称为“喷锚支护”。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的支护方法,它与围岩密贴、支护及时、柔性好,同时封闭了围岩壁面,防止分化,并能封闭围岩的张性裂隙和节理,提高围岩的固有强度,控制围岩的变形,它能充分调动围岩本身的自稳能力,从而更好地起到支护作用。另外,喷锚支护有效地利用了洞内净空,提高了作业的安全性和作业效率,并能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖,还能用于整治塌方和隧道衬砌的裂损。喷锚支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土与锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷射钢纤维混凝土支护、喷射钢纤维混凝土锚杆联合支护。

   喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段,适用于各种围岩地质条件,但是若作为永久衬砌,一般考虑在Ⅰ、Ⅱ级围岩良好、完整、稳定、的地段中采用。在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段很难成形,不宜采用喷锚支护作为永久衬砌。地下水发育或大面积淋水地段,喷射混凝土很难成形,且即使成形,其强度与围岩的粘结力无法保证,锚杆与围岩的粘结或锚固力也极难保证,难于发挥喷锚支护所应有的作用。膨胀性围岩和不良地质围岩,如黏土质胶结的砂岩、粉砂岩、泥岩等软岩,开挖后极易风化、潮解,遇水泥化、软化、膨胀,造成较大的围岩压力,稳定性极差,甚至流坍。堆积层、破碎带等不良地质,往往有水,施工时缺乏足够的自稳能力和一定的稳定时间。这样,锚杆无法同膨胀性围岩和有水堆积层、破碎带形成可靠的黏结,喷射混凝土与围岩面也很难形成良好的黏结。因此,喷锚支护就难于阻止围岩的迅速变形和通过喷锚支护形成可靠、稳定的承载圈。不宜采用喷锚支护单独作为永久衬砌的情况有:对衬砌有特殊要求的隧道或地段,如洞口地段,要求衬砌内轮廓很整齐、平整;辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段;有很高的防水要求的隧道;围岩及覆盖太薄,且其上已有建筑物,不能沉落或拆除者等;地下水有侵蚀性,可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀;最冷月平均气温低于-5℃的冻害地段。

(四)  复合式衬砌

   复合式衬砌是与喷锚支护和新奥法施工结合起来进行的。在洞壁表面上先喷射一层混凝土,有时也同时施加锚杆,凝固以后形成一个薄层的柔性之后结构,允许它有限度地产生变形,以至少许的裂纹,把围岩因开挖坑道而引起的形变压力全部吸收或吸入了绝大部分,并把洞壁的位移逐渐地稳定下来,使外衬与围岩共同组成的初期支护体系处于暂时平衡状态。在施工的同时,定期地量测支护变形的信息,把这些信息反馈的施工和结构的设计中去,据以确定内衬的最佳施作时间,以及内衬的适宜厚度。在外衬与内衬之间,敷设一层塑料防水板等为材料的防水层。复合式衬砌既能调动围岩的自承能力。又可以充分发挥结构的承载力。根据铁道科学研究院和隧道工程局共同进行的模型实验和有限元分析,验证结果表明:复合衬砌的极限承载能力比同等厚度的单层模筑混凝土衬砌可以提高20%~30%,并且如能调整好内衬的施作时间,还可以改善结构的受力条件。

1、外衬(亦称初次衬砌)为了使围岩在开挖后的变形得以及早地受到约束,所以外衬多半是使用能达到早强的喷射混凝土和锚杆,使柔性的外衬既能容许围岩有所变形,而又约束它不让它的变形发展太大太快。一般说,外衬的厚度多在5~20cm之间。为此,开挖坑道时,要求采用光面爆破,使洞壁平整光顺,喷层足以覆盖凸点,同时内表面也平整,便于以后铺设防水层。

2、内衬(亦称二次衬