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 | ||||||||
| 题 目 | 时速200km及以上铁路隧道设计与施工 | |||||||||||
| 专 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-）； 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1～3周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告； 第4～6周：结构设计检算并绘制相应图纸； 第7～9周：施工方案及爆破设计； 第10～14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 | ||||||||||
| 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。 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1～3周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告； 第4～6周：结构设计检算并绘制相应图纸； 第7～9周：施工方案及爆破设计； 第10～14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。 | ||||
| 指导教师签字 | 时 间 | 年 月 日 | ||
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
Abstract
No.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 tunnel. 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 , 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 soil 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 the 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 support , secondary lining and waterproof and drainage construction craft are introduced.
High speed Railway tunnel NATM Structure calculation Blasting design
Monitoring measurement
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。
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、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0.5～1m，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+155～DK136+207是V级围岩段，长52m；DK136+207～DK136+250是IV级围岩段全长43m；DK136+250～DK136+342是III级围岩段，全长92m；DK136+342~DK136+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Ⅳ级围岩、Ⅴ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2～2.5在松软的围岩中取高限，而在叫坚硬围岩中去低限。当隧道覆盖层厚度h≧Hp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）；
i——B每增加一米，围岩压力的增减率（以B=5m为基准），当B<5 时取i=0.2，B>5m，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 | IV | V | |
| 均布压力 | <0.15q | (0.15~0.3)q | (0.3~0.5)q |
①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=（q＋0.5Ht）tan2 （－0.5）
②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 | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ |
| 0.9 | （0.7～0.9） | （0.5～0.7） | （0.3～0.5） | |
| 60～70 | 50～60 | 40～50 | 30～40 |
若水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和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-1[1+i(B-5)]=13.4208m
h<,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=（q＋0.5Ht）tan2（）
=（188+0.52011.88）tan2( )
=52.637 kN/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=17m
h=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)]=3.4m
=（2~2.5）=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)]=13.4208m
h<2.5所以按浅埋计算，选取=20kN/m3
选取DK136+342里程处截面，h=17m ，=，
=3
=0.222
围岩竖向压力：
=292.96 kN/m2
围岩水平压力：
按梯形分布=75.48 kN/m2
=128.22 kN/m2
3.3衬砌内力计算
在IV、V级围岩段，二次衬砌按主要承载结构设计，计算采用荷载—结构模型，采用有限元ANSYS进行模拟。单元类型为二维梁单元，梁单元宽度为单位宽度，梁的高度按二次衬砌实际厚度考虑。
围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况进行调整和优化，围岩弹性抗力系数按规范选值，仅当结构产生朝向围岩方向的位移时添加弹簧单元。计算时，参数选择如表3-3，计算模型图见图3-1。
表3-3 衬砌及围岩计算参数
| 结构及围岩 | 容重(kN/m³) | 弹性抗力系数K(MPa/m) | 弹性模量(GPa) | 泊松比 |
| C30混凝土 | 23 | —— | 31 | 0.2 |
| Ⅳ级围岩 | 21.5 | 350 | —— | —— |
| Ⅴ级围岩 | 18.5 | 150 | —— | —— |
图 3-1 计算模型图
（1）里程DK136+207至DK136+250
该段为IV级围岩，浅埋，选取里程DK136+250处横截面进行计算，以下是采用ansys有限元软件得到的轴力图和弯矩图。
图3-2 IV级围岩衬砌轴力图
图3-3 IV级围岩衬砌弯矩图
表3-4 Ⅳ级围岩衬砌部分节点内力
| 节点号 | 节点位置 | 轴力(N) | 弯矩(N*m) |
| 1 | 拱顶 | 1768000 | 250560 |
| 22 | 拱肩 | 2295600 | 234820 |
| 65 | 墙脚 | 1260200 | 138690 |
该段为V级围岩，浅埋，选取里程DK136+342处横截面计算，以下是采用ansys有限元软件得到的轴力图和弯矩图。
图3-4 V级围岩衬砌轴力图
图3-5 V级围岩衬砌弯矩图
表3-5 V级围岩衬砌部分节点内力
| 节点号 | 节点位置 | V级围岩浅埋 | 弯矩（N*m） |
| 1 | 拱顶 | 1813900 | 168820 |
| 54 | 墙脚 | 1917200 | 219110 |
| 67 | 仰拱 | 1446700 | 236060 |
3.4.1强度检算公式
根据《铁路隧道设计规范》，双线高速铁路隧道复合式衬砌，需按照破坏阶段或容许应力法对隧道结构截面进行检算。
①混凝土和砌体矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度按下式进行计算：
式中K——安全系数；
N——轴向力（MN）；
Ra——混凝土或砌体的抗压极限强度（MPa）；
—— 构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，明洞拱圈及墙背回填紧密的边墙，可取=1.0，对于其他构件，应按长细比查得；
——轴向偏心力影响系数，其值查《铁路隧道设计规范》可得；
h——截面的厚度（m）；
b——截面的宽度(m)。
②从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度按下式计算：
式中Rl ——混凝土的抗拉极限强度；
——截面偏心距。
对混凝土矩形构件，按现行《铁路隧道设计规范》规定的安全系数及材料强度数值计算结果表明：当 0.2h 时，由抗压强度控制承载力，不必检算抗裂；当e 0>0.2h 时，由抗拉强度控制承载力，不必检算抗压。
③混凝土矩形截面的大偏心受压构件（x≤0.55h0），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)。
④钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件（x>0.55h0），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 | 2.4 | 2.0 | 2.7 | 2.3 |
| 混凝土达到抗拉极限强度 | 3.6 | 3.0 | -- | -- | |
| 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 | 2.0 | 1.7 |
| 混凝土达到抗拉极限强度 | 2.4 | 2.0 | |
| 强度种类 | 符号 | 混凝土强度等级 | |||||
| C15 | C20 | C25 | C30 | C40 | C50 | ||
| 抗压 | Ra | 12.0 | 15.5 | 19.0 | 22.5 | 29.5 | 36.5 |
| 弯曲抗压 | Rw | 15.0 | 19.4 | 24.2 | 28.1 | 36.9 | 45.6 |
| 抗拉 | Rl | 1.4 | 1.7 | 2.0 | 2.2 | 2.7 | 3.1 |
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，单侧纵向钢筋面积不应小于0.2%×b×h=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Φ10@250，箍筋采用
φ8@250。
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（N·m） | 配筋后的安全系数 |
| 1 | 0.314 | 250560 | 3.073 |
| 22 | 0.322 | 234820 | 3.374 |
| 65 | 0.311 | 138690 | 5.978 |
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%×b×h=1000mm2。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’=1520mm2,保护层厚度取50mm，纵向钢筋采用Φ12@250，箍筋采用
φ10@250。
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（N·m） | 配筋后的安全系数 |
| 1 | 0.334 | 168820 | 4.357 |
| 54 | 0.299 | 219110 | 3.806 |
| 67 | 0.227 | 236060 | 4.287 |
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
| 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/m³) | 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) | ||
| Ⅲ | 1.2 | 全环/15 | 拱墙 | 3.0 | 1.2×1 | 25×25 | 拱部 | — | — | 40 | 55/ | 5 |
| Ⅳ | 1.2 | 全环/25 | 拱墙 | 3.5 | 1.0×1 | 20×20 | 拱墙 | 格栅 | 1.0(拱墙) | 45﹡ | 55﹡ | 8 |
| Ⅴ | 1.2 | 全环/28 | 拱墙 | 4.0 | 1.0×0.8 | 20×20 | 拱墙 | 格栅 | 0.8(全环) | 50﹡ | 60﹡ | 10 |
②所有仰拱喷射混凝土中均掺加合成纤维；
③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0.5～1m，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+155～DK136+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：
①准确定出洞口的位置，按设计放出边、仰坡及洞脸开挖边线。
②洞口土石方开挖前，施工洞顶截水沟，拦截地表水。
③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。
④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。
⑤喷混凝土之前，先用高压风对受喷面进行冲洗，清理干净受喷面的浮土和松散结构。边仰坡施工具体工序见图4-1。
初喷4cm混凝土
放样
铺设第一层钢筋网
施工洞顶截水沟
喷射混凝土
刷坡
铺设第二次钢筋网
清除坡面浮土、浮石
喷混凝土至设计高度
22砂浆锚杆
图4-1 边仰坡施工流程图
(2)仰拱施工和明洞衬砌
设计明洞的轮廓与隧道相一致，但是结构截面的厚度比洞身隧道大。
施工仰拱前，先施作调平层，然后安装钢筋，施工仰拱混凝土。施工计划在仰拱完成后，一次性将边墙和衬砌混凝土浇筑到位，避免形成施工缝，利于防水。
明洞衬砌施工如下：
①衬砌模板安装。采用整体式模板台车浇筑混凝土，台车在工厂内订制加工，施工时根据现场情况再做局部改进，以便于施工、拆模和移动。台车要现场拼装检验合格，将模板准确定位。精确测量安装轨道。
②钢筋安装。模板安装完成后，进行钢筋安装施工，钢筋安装时注意不得污染模板，对模板内的其他杂物应清除干净。注意检查钢筋保护层厚度。
③外模安装。该明洞衬砌外模设计采用木模板。背部横撑采用钢管，在定位后固定，由于高度较高，增加部分斜撑，防止胀模。
④浇筑混凝土。混凝土在搅拌站集中拌和，由混凝土运输罐车运输。采用输送泵灌入，由下至上分层浇筑捣固。
⑤拆模养生。
4.2.2 CRD法施工
卢家山二号隧道V级围岩段采用CRD法进行开挖。该方法是将隧道分侧分层进行开挖，分部封闭成环。每开挖一部均及时施作锚喷支护、安设钢架、施作中隔壁、安装底部临时仰拱。一侧超前的上、中部，待初期支护完成且喷射混凝土达到设计强度70%以上时再开挖隧道的另一侧的上、中部，然后开挖一侧的下部，最后开挖另一侧的下部，左右交替开挖。工艺流程图见图4-2。
1 超前地质预报
2 测量放线
8左侧仰拱开挖
3隧道顶部超前小导管注浆加固
9 右侧仰拱开挖
4左侧上部开挖与初期支护，设置临时仰拱
10拆除中隔壁和临时仰拱
5左侧中部开挖与初期支护，设置临时仰拱
11浇筑仰拱施作二次衬砌
6右侧上部开挖与初期支护，设置临时仰拱
7右侧中部开挖与初期支护，设置临时仰拱
图4-2 CRD法施工工艺流程
各部开挖时，周边轮廓要尽量圆顺以减小应力集中；每部开挖完成后要及时设置临时仰拱，并尽量缩短成环时间；中隔壁和中间临时仰拱在灌注二次衬砌前，应逐段拆除，拆除时应加强量测。
CRD法施工中开挖方式为人工配合机械开挖，2部和4部采用人工配合小型机械，大型机械辅助进行。先开挖边墙处，再开挖中隔壁一侧，预留30cm，采用人工开挖至设计轮廓线。右侧滞后左侧控制在10m以内。每侧上部台阶长度控制在10m，中部台阶控制在10m以内。下部开挖，根据仰拱施工离掌子面的距离不超过30m的原则跟进。
4.2.3台阶法施工
卢家山二号隧道III级围岩段和IV级围岩段均采用采用台阶法施工，爆破开挖。台阶开挖法是将隧道设计断面分两次或三次开挖，其中上台阶超前一定距离后，上下台阶同时并进的施工方法。
卢家山二号隧道III级围岩段地质条件为侏罗系上统大畈组凝灰岩，节理裂隙稍发育，地下水不发育，分三层台阶开挖，因为要实现支护及早封闭，所以采用短台阶法开挖。台阶长度定为12m。IV级围岩段
4.3爆破设计
4.3.1 Ⅲ级围岩段爆破设计
III级围岩段采用钻爆法开挖，为了减少超挖和控制对围岩的扰动，综合研究地址情况、开挖断面大小、开挖进尺快慢、爆破器材性能、钻眼机具和出渣能力等因素，在此基础上进行钻爆设计。
爆破开挖全部选用2号岩石铵梯炸药，药卷直径选用32mm。该药卷每米质量为0.78kg/m。隧道爆破参数及炮眼布置如下
4.3.1.1爆破参数设计
（1）炮眼直径
炮眼直径的大小直接影响钻眼速度、工作面的炮眼数目、单位耗药量、爆落岩石的块度和隧道轮廓的平整性。根据隧道岩性、凿岩设备和工具、炸药性能等进行综合分析，选用炮眼直径42mm.
（2）炮眼数目
炮眼数目主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关。炮眼数目确定的原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能减小炮眼数目。
①上台阶炮眼数
上台阶面积S=53.19m2单位耗药量q取1.2kg/m3 ，装药系数取0.5 。
炮眼总数 = =139.6，所以炮眼数取140个。
掏槽眼设置8个。
周边眼数N周的确定，需先确定周边眼的间距E。周边眼间距E与岩体的抗拉、抗压强度以及炮眼的直径有关。一般情况下，间距E=（10～15）d，d是炮孔直径。软质岩石E宜取大值，此处取E=0.5m。所以取N周1 =35，N底1=26。
辅助眼数=140-35-8-26=71
②中台阶炮眼数
中台阶面积S=65.04 m2，单位耗药量q取0.9 kg/m3，装药系数取0.5 。
炮眼总数 = =150.09，取150个。
周边眼边距E取0.5m，N周2=9.526 0.5=19.05，取20个
底眼数目 N底2=27
辅助眼数=150-20-27=103
③下台阶炮眼数
下台阶面积S=30.28 m2，单位耗药量q取1.0 kg/m3 ，装药系数取0.5。
炮眼总数==77. ，取78个
周边眼边距E取0.5m，N周3=15.590.5=31.18，取31个
辅助眼数=78-31=47
（3）炮眼深度
炮眼深度指炮眼底部到工作面的垂直距离。炮眼深度决定每一循环进尺的工作量，循环时间和次数，对掘进速度的影响很大。考虑该段为III级围岩，围岩为凝灰岩，三个台阶炮眼深度均取3m，掏槽眼深度为取3.2m。
（4）装药量计算
装药量是影响爆破效果的重要因素。本设计采用的方法是，先根据装药量体积公式计算出一个循环的总装药量Q1，然后再按各种不同类型的炮眼进行分配，按装药系数计算单孔装药量及总装药量Q2，将Q1和Q2进行比较，选取更合适的装药量进行装药。
①上台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=1.2×45.36×3×0.93=151.8kg
按装药系数计算：III级围岩掏槽眼装药系数=0.55，辅助眼装药系数=0.45，周边眼装药系数=0.45
8个掏槽眼：单孔装药卷数=0.55×3.20.2=8.8，实际取9卷
单孔装药量=9×0.15=1.35kg
35个周边眼：单孔装药卷数=0.45×30.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
26个底眼：单孔装药卷数=0.45×3.20.2=7.2，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
71个辅助眼：单孔装药卷数=0.45×30.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
Q2=8×1.35+35×1.05+26×1.05+71×1.05=149.4kg
Q1与Q2值基本一致。
②中台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=0.9×65.04×3×0.93=163.31kg
按装药系数计算：III级围岩辅助眼装药系数=0.45，周边眼装药系数=0.45
20个周边眼：单孔装药卷数=0.45×30.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
27个底眼：单孔装药卷数=0.45×3.20.2=7.2，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
103个辅助眼：单孔装药卷数=0.45×30.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
Q2=20×1.05+27×1.05+103×1.05=157.5kg
Q1与Q2值基本一致。
③下台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=1.0×30.28×3×0.93=84.48kg
按装药系数计算：III级围岩辅助眼装药系数=0.45，周边眼装药系数=0.45
31个周边眼：单孔装药卷数=0.45×30.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
47个辅助眼：单孔装药卷数=0.45×3 0.2=6.75，实际取7卷
单孔装药量=7×0.15=1.05kg
Q2=31×1.05+47×1.05=81.9kg
Q1与Q2值基本一致。
（5）光面爆破参数选择
①周边眼间距E与岩体的抗拉、抗压强度以及炮眼的直径有关。一般情况下，间距E=（10～15）d，d是炮孔直径。此处取E=0.5m。
②周边眼炮孔斜率和深度。炮孔斜率选取0.04，深度为3m。
③光爆层厚度及炮眼密集系数。光爆层厚度就是周边眼的最小抵抗线W。通常以周边眼的密集系数K表示，其大小对光面爆破的效果有较大影响。实践表明，K=0.8较为适宜。取W=E/K=0.5/0.8=0.625m。
（6）炮眼布置
隧道内布置炮眼时，必须保证获得良好的爆破效果，并考虑钻眼的效率。需要注意的是，该爆破设计炮眼深度为3m，所以靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角0.04。
炮眼布置图见附图。
4.3.2 Ⅳ级围岩段爆破设计
Ⅳ级围岩段为凝灰岩底层，普世系数f=8~9，采用钻爆法开挖，为了减少超挖和控制对围岩的扰动，综合研究地址情况、开挖断面大小、开挖进尺快慢、爆破器材性能、钻眼机具和出渣能力等因素，在此基础上进行钻爆设计。
爆破开挖全部选用2号岩石铵梯炸药，药卷直径选用32mm。该药卷每米质量为0.78kg/m。隧道爆破参数及炮眼布置如下
4.3.1.1爆破参数设计
（1）炮眼直径
炮眼直径的大小直接影响钻眼速度、工作面的炮眼数目、单位耗药量、爆落岩石的块度和隧道轮廓的平整性。根据隧道岩性、凿岩设备和工具、炸药性能等进行综合分析，选用炮眼直径42mm.
（2）炮眼数目
炮眼数目主要与开挖断面、炮眼直径、岩石性质和炸药性能有关。炮眼数目确定的原则是在保证爆破效果的前提下，尽可能减小炮眼数目。
①上台阶炮眼数
上台阶面积S=47.3m2单位耗药量q取1.1kg/m3 ，装药系数取0.45 。
炮眼总数 = =148.23，所以炮眼数取148个。
掏槽眼设置8个。
周边眼数N周的确定，需先确定周边眼的间距E。周边眼间距E与岩体的抗拉、抗压强度以及炮眼的直径有关。一般情况下，间距E=（10～15）d，d是炮孔直径。硬质岩石E宜取小值，此处取E=0.5m。所以取N周1=35，N底1=27.
辅助眼数=148-8-62=78
②中台阶炮眼数
中台阶面积S=67.82 m2，单位耗药量q取0.8 kg/m3，装药系数取0.45 。
炮眼总数 = =154.57，取155个。
周边眼边距E取0.5m，所以取N周2=20，N底2=27。
辅助眼数=155-47=108
③下台阶炮眼数
下台阶面积S=31.45 m2，单位耗药量q取0.9 kg/m3 ，装药系数取0.45。
炮眼总数= =80. ，取80个
周边眼边距E取0.5m，N周3=32
辅助眼数=80-32=48
（3）炮眼深度
炮眼深度指炮眼底部到工作面的垂直距离。炮眼深度决定每一循环进尺的工作量，循环时间和次数，对掘进速度的影响很大。IV级围岩段循环进尺1.6m，炮眼利用率0.94，所以三个台阶炮眼深度均取1.7，掏槽眼深度和底眼深度取1.9m。
（4）装药量计算
装药量是影响爆破效果的重要因素。本设计采用的方法是，先根据装药量体积公式计算出一个循环的总装药量Q1，然后再按各种不同类型的炮眼进行分配，按装药系数计算单孔装药量及总装药量Q2，将Q1和Q2进行比较，选取更合适的装药量进行装药。
①上台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=1.1×47.3×1.6=83.248kg
按装药系数计算：IV级围岩掏槽眼装药系数=0.5，辅助眼装药系数=0.4，周边眼装药系数=0.4
8个掏槽眼：单孔装药卷数=0.5×1.90.2=4.75，实际取5卷
单孔装药量=5×0.15=0.75kg
35个周边眼：单孔装药卷数=0.4×1.70.2=3.4，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
27个底眼：单孔装药卷数=0.4×1.90.2=3.8，实际取4卷
单孔装药量=4×0.15=0.6kg
78个辅助眼：单孔装药卷数=0.4×1.70.2=3.4，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
Q2=8×0.75+35×0.525+27×0.6+78×0.525=81.525kg
Q1与Q2值基本一致。
②中台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=0.8×67.82×1.6=86.8kg
按装药系数计算：IV级围岩辅助眼装药系数=0.4，周边眼装药系数=0.4
20个周边眼：单孔装药卷数=0.4×1.70.2=3.4，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
118个辅助眼：单孔装药卷数=0.4×1.70.2=3.2，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
27 个底眼：单孔装药卷数=0.4×1.90.2=3.8，实际取4卷
单孔装药量=4×0.15=0.6kg
Q2=20×0.525+118×0.525+27×0.6=88.65kg
Q1与Q2值基本一致。
③下台阶装药量计算
按装药体积公式计算：Q1=qV=0.9×31.45×1.6=45.288kg
按装药系数计算：IV级围岩辅助眼装药系数=0.4，周边眼装药系数=0.4
32个周边眼：单孔装药卷数=0.4×1.70.2=3.4，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
48个辅助眼：单孔装药卷数=0.4×1.7 0.2=6.75，实际取3.5卷
单孔装药量=3.5×0.15=0.525kg
Q2=32×0.525+48×0.525=42kg
Q1与Q2值基本一致。
（5）光面爆破参数选择
①周边眼间距E与岩体的抗拉、抗压强度以及炮眼的直径有关。一般情况下，间距E=（10～15）d，d是炮孔直径。此处取E=0.5m。
②周边眼炮孔斜率和深度。炮孔斜率选取0.04，深度为1.7m。
③光爆层厚度及炮眼密集系数。光爆层厚度就是周边眼的最小抵抗线W。通常以周边眼的密集系数K表示，其大小对光面爆破的效果有较大影响。实践表明，K=0.8较为适宜。取W=E/K=0.5/0.8=0.625m。
（6）炮眼布置
隧道内布置炮眼时，必须保证获得良好的爆破效果，并考虑钻眼的效率。需要注意的是，该爆破设计炮眼深度为1.7m，所以靠近周边眼的内圈辅助眼应与周边眼有相同的倾角0.04。
炮眼布置图见附图。
4.3.3钻爆施工
钻爆施工是把钻爆设计付诸实施的重要环节，包括钻孔、装药、填塞和爆破后可能出现的问题处理等。
（1）钻眼
采用凿岩台车钻眼。为达到良好的爆破效果，施钻前应由专门人员根据设计布孔图现场布置，必须标出掏槽眼和周边眼的位置，严格按照炮眼的设计位置、深度、角度和眼径进行钻眼。如出现偏差，又现场施工技术人员决定取舍，必要时应废弃重钻。钻眼时应注意如下安全事项：
开眼时必须使钎头落在实岩上，如有浮钎，应处理好后再开眼。
不允许在残眼内继续钻眼。
开眼时给风阀门不要突然开大，待钻进一段时间后，再开大阀门。
为避免断钎伤人，推进凿岩机不要用力过猛，更不要横向用力，凿岩时钻工应站稳，应随时提防随时断钎。
一定要把胶皮风管与风钻接牢，并在使用过程中随时注意检查，以防脱落伤人。
缺水或停水时，应立即停止钻眼。
工作面全部炮眼钻完后，要把凿岩机具清理好，并撤至规定的存放地点。
（2） 装药
装药时应注意以下安全事项：
①装药前，应清除炮眼内的泥浆和岩屑。可用钢管输入高压风的方法吹出孔内残渣和泥浆，并仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计要求。 刚刚打好的炮眼热度过高，不得立即装药。如果遇有照明不足，发现流砂、泥流未经妥善处理，或可能有大量溶洞涌水时，严禁装药。
②应严格按照设计的装药量进行充填。
③应使用木质或竹制炮棍装填炸药和填塞炮孔。
④不应投掷起爆药包和炸药，起爆药包装入后应采取有效措施，防止后续药卷直接冲击起爆药包。
⑤装药发生卡塞时，不应拨出或硬拉起爆药包中的导火线，导爆管、导爆索和电雷管导线。
⑥在装药过程中，不应拔出或硬拉起爆药包中的导火索、导爆管、导爆索和电雷管脚线。
（3）填塞
填塞是保证爆破成功的重要环节之一，必须保证足够的填塞长度和填塞质量，禁止无填塞爆破。填塞可采用分层捣实法进行。
（4）起爆
爆破网络必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间起爆，在起爆前后要发布三次信号，即预警信号，起爆信号和解除警戒信号。
（5）爆后检查和处理
隧道开挖爆破后，经通风吹散炮眼，检查确认隧道内空气合格，等待时间超过15min后，方准作业人员进入爆破作业地点。爆后的检查内容主要有：检查有无冒顶、盲炮、危岩、支撑是否破坏，炮烟是否排除等。爆后检查人员发现盲炮及其他险情时，应及时上报或处理。处理前要在现场设危险标识。
4.4 装渣与运输
该隧道为大断面隧道，出渣量大，要采用机械装渣与运输，以减少工人劳动强度，缩短作业时间，但仍需要配少数工人辅助。装渣和运输方式均采用无轨方式。无轨运输不需要铺设复杂的轨道，具有运输速度快、管理工作简单、配套设备少的特点。
第5章 施工工艺
5.1 超前地质预报
为了避免不良地质对施工的影响，施工时，充分利用地质超前预报技术，探明前方的岩溶、涌水等不良地质，以便于提前采取措施，确保施工安全。
本隧道设计采用超前钻探取芯法和地质雷达法相结合进行超前地质预报。超前钻探取芯法主要用于测探断层、突水、涌泥等不良地质，此法比较直观、准确。施工时采用液压钻机超前钻探提取岩芯，通过岩芯和钻进过程中的地质情况分析，即可判定前方不良地质情况。钻探过程中如果出现卡钻、顶钻，岩芯变为断层角砾岩、糜棱岩或断层泥时，或出现钻孔水流失、钻孔往外突水、涌泥时，即可判断为断层。
地质雷达可以用以实现短距离进行超前预报，可以准确探测开挖面前方30m内的地质情况。地质雷达反应的是地下介质的电性分布，将其转化为地质体分布时必须把地质、钻探、地质雷达记录这三方面的资料有机结合起来，以此获得检测对象的整体情况。
5.2 监控量测
5.2.1 量测目的
（1）确保施工安全及结构的长期稳定性；
（2）验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据；
（3）积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据；
（4）通过监控量测了解该工程条件所表现、反应出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程的发展提供借鉴、依据和指导作用。
5.2.2 监控量测项目
监控量测分为必测项目和选测项目。必测项目是隧道工程应进行的日常监控量测项目，是为了在设计施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测。
必测项目有：
（1）洞内、外观察；
（2）地表沉降量测；
（3）净空收敛量测；
（4）拱顶下沉量测。
选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地了解围岩的松弛范围和稳定状态以及喷锚支护的效果，为未开挖区段的设计和施工积累现场资料。根据隧道的地层地质情况，周围环境以及隧道施工方法，本隧道选测项目是围岩压力和两层衬砌间压力。
5.2.3 监控量测的主要设备
表5-1 监控量测设备配置表
| 序号 | 量测项目 | 量测仪器 |
| 1 | 洞内、外观察 | 数码相机和规尺等 |
| 2 | 地表沉降 | 水准仪或全站仪 |
| 3 | 隧道拱顶下沉 | 全站仪 |
| 4 | 隧道净空收敛 | 全站仪 |
| 5 | 围岩压力和衬砌间压力 | 钢弦式压力盒 |
监测数据分析为达到预定的监测目的，要进行科学合理的组织安排，监测需要严格执行。流程图见下图5-1。
分析、研究地质勘查资料
制定监控量测计划
施工
监控量测
数据处理
开挖工作面状态评价
已施工区段的支护加强
安全否
是
否
完成施工
施工方法变更支护加强
图5-1 监控量测流程图
5.2.5监控量测测点布置、量测断面
5.2.5.1地表沉降监测
（1）监测点布置
地表监测点与拱顶下沉、净空收敛监测点设在同一断面上。为掌握地表沉降范围，在与隧道中线垂直的横断面上布置测点，在一个断面上布置13个点，靠近中线位置测点适当加密。在有可能下沉的范围外设置不会下沉的固定测点。测点布置如下图。
图5-2 地表下沉量测测点布置
（2）监测频率
地表沉降量测频率：在量测区间内，当开挖面距量测断面前后距离d<2B时，每天1～2次；当2B 5.2.5.2 洞内监控量测 （1）洞内观察 开挖后及初支后及时采用肉眼观察和地质罗盘仪对开挖面揭示的地址情况进行描述，包括围岩岩性、岩质、断层破碎带、节理裂隙发育程度和方向、有无松散坍塌现象、有无渗漏水等；初期支护状态包括喷层是否产生裂隙、剥离和剪切破坏、钢支撑是否压曲进行观察分析。详细描述、记录、并予以评估，作为支护参数选择的参考及量测等级选择的依据。 （2）洞内监控量测测点布置 根据设计要求，隧道开挖方式有CRD法和三台阶法。三种开挖方式的测点布置方式示意图见附图。 测点应在距开挖面2m的范围内尽快安设，并保证12h内读数一次，最迟不应超过24h。 净空收敛点量测断面间距根据围岩级别、隧道尺寸、埋置深度及工程重要性确定。在卢家上二号隧道中，III级围岩段量测断面间距设40m，IV级围岩段设20m，V级围岩段设10m。 洞内监控量测点不得焊于钢架上，必须单独打孔直接安装与岩体中。同时，由于隧道内作业机械、设备人员较多，为了防止碰撞或损坏监测点，现场应对作业人员进行相关保护的教育，且必须及时对监测点进行标识。标识牌长21cm，宽15cm，红底黄字。 （3）监控量测频率 隧道拱顶下沉及周边收敛量测频率见下表 表5-2 拱顶下沉及周边收敛量测频率表 此项目的目的是为了了解围岩压力的量值，判断围岩和支护的稳定性，分析二次衬砌的稳定性和安全度。 采用钢弦式压力盒量测。围岩量测的测点埋设在拱顶，拱脚和仰拱的中间，其量测断面和支护衬砌间压力以及支护、衬砌应力的测点布置在一个断面上，一边量测结果相互印证。 5.2.7数据分析与反馈 为了真实、及时、准确的反应施工现场信息，在数据采集收集后，应立即对观测数据进行分析处理，同时要注明开挖方法和施工工序以及开挖面距离监控量测点的距离等信息。数据分析采用散点图和回归分析方法。信息反馈应以位移反馈为主，主要依据时态曲线的形态对围岩稳定性、支护结构的工作状态进行判定，并优化设计参数，指导施工。 监控量测信息反馈及工程对策：信息反馈应根据量测数据分析结果对工程安全性进行评价，并提出相应工程对策与建议。施工过程中应进行监控量测数据的实时分析和阶段分析。实时分析指每天根据量测数据及时进行分析，发现安全隐患应分析原因并提交异常报告。阶段分析要按周、月进行阶段分析，总结监控量测数据的变化规律，对施工进行评价，提交阶段分析报告，指导后续施工。 5.3超前注浆小导管 超前支护是保证隧道工程开挖面稳定而采取的超前于开挖的辅助措施。卢家山二号隧道地下水不发育，所以IV级和V级围岩段采用超前小导管进行预支护。 5.3.1 超前小导管设计参数 超前小导管规格：采用直径42mm的无缝钢管制作，长度5m，前端做成尖形，每隔20cm交错钻眼，眼孔直径8mm。 钢管沿开挖轮廓线在拱部120o 范围内布置，环向间距30cm，外插角15o ，注浆材料选用M20水泥砂浆 5.3.2 超前小导管施工 测量放样，在设计孔位上标记，采用风钻孔，将小导管沿孔打入。注浆前先喷射5cm厚混凝土封闭掌子面，先用高压水冲洗清除管内杂物，然后再注浆，注浆由下向上进行。浆液用拌合机拌合。 注浆过程中若出现堵管现象，则应及时清理锚杆、注浆软管和注浆泵。 5.4初期支护 初期支护施作后即成为永久性承载结构的一部分，它与围岩共同构成了永久的隧道结构承载体系。卢家山二号隧道采用格栅钢架、网、锚、喷混凝土联合支护形式。在隧道开挖完成后，先喷射4cm厚度的混凝土封闭开挖面，然后打射锚杆、架立钢架、挂钢筋网，对初喷面进行清理后复喷至设计厚度。 5.4.1 喷射混凝土 喷射混凝土采用湿喷机和喷射混凝土机械手完成。机械手控制喷头可以减少人力劳动强度和减少粉尘危害，且方便灵活。人力直接控制喷头只适用于解决少量和局部喷敷，且一定要注意佩戴防尘面具。喷射混凝土施工工艺流程见图5-3。 混凝土配合比选定 受喷面处理 埋设喷层厚度标钉 混凝土拌和 机具到位、试机 混凝土运输 初喷混凝土 施作锚杆、钢架、挂网 复喷至设计厚度 清理机具 图5-3 喷射混凝土施工流程 （1）准备工作 ①受喷面处理，喷前应对开挖断面尺寸进行检查，清除松动危面，欠挖超标严重的应予处理。用高压水清洗受喷面。 ②采用埋设钢筋头设置控制喷射混凝土厚度的标志。 ③机具设备准备，喷射作业前，对机械设备输料管路和电缆线路等进行全面检查及试运转，并减产速凝剂的泵送及计量装置性能。 （2）混凝土的搅拌运输 混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采用湿喷法进行作业。 聚丙烯纤维混凝土的搅拌时间宜为4~5分钟。搅拌完成后随机取样，如纤维已经均匀分散成单丝，则可以投入使用，如果仍有成束纤维，则至少延长搅拌时间30秒。 运输采用混凝土运输罐车，随运随拌。在运输过程中要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及产生初凝等现象。 （3）喷射混凝土 ①喷射聚丙烯纤维混凝土，应选用经过试验检验的喷射机械。主要问题是防止聚丙烯纤维结团堵管。 ②聚丙烯纤维和基料必须搅拌均匀，避免结团在喷射机拔料盘堵塞或者堵管。 ③喷射混凝土作业要分段（不超过6m）、分部（先下后上）、分块，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用而引起滑动或脱落现象。 ④喷射时喷嘴要垂直于受喷面。对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。 ⑤主要采用机械手进行控制，人工直接控制喷头只用于少量或局部敷射，且一定要佩戴防尘面具。 ⑥喷射完成后应先关主机，再依次关闭计量泵、振动棒和风阀、然后用清水将机内、输送管路内残留物清除干净。 （4）养护 喷射混凝土终凝2h后，应进行喷雾养护，养护时间不小于14d，当气温低于+5摄氏度时，不得洒水养护。 5.4.2 锚杆 卢家山二号隧道初期支护锚杆设计如下：III级围岩段拱部120°范围内采用Φ25中空注浆锚杆，其余部分采用Φ22砂浆锚杆，长度L=3.0m，间距(环1.2m×纵1.0m)；IV级围岩拱部120°范围内采用Φ25中空注浆锚杆，其余部分采用Φ22砂浆锚杆，长度L=3.5m，间距（环1.0m×纵1.0m）；Ⅴ级围岩拱部120°范围内采用Φ25中空注浆锚杆，其余部分采用Φ22砂浆锚杆，长度L=4.0m，间距(环1.0m×纵0.8m)。 (1)砂浆锚杆施工方法：采用锚杆台车钻孔，人工安装锚杆。钻孔完成后利用高压水清孔，清孔后采用后退式注浆，以保证孔内浆液饱满。 施工的技术措施：孔径要与锚杆直径相匹配，锚杆孔径应大于设计的锚杆直径15mm，孔深比锚杆长15cm。孔向应按设计方向钻进，垂直岩面。施工工艺流程见图5-4。 量测锚杆孔定位 钻孔 清孔 补孔 否 验孔 注浆准备 填塞砂浆 锚杆准备 插入锚杆 固定锚杆 孔口处理 不合格 验 收 下道工序 图5-4 砂浆锚杆施工流程 (2)中空锚杆施工方法 ①采用锚杆台车按照设计位置、深度、角度钻孔，然后用高压水清孔。人工安装锚杆。封端用水泥砂浆施工。 ②采用注浆泵注浆施工。浆液水灰比控制在0.5：1，注浆压力0.6MPa，同时考虑岩层的裂隙阻力，根据现场情况试验后确定。 ③检查锚杆孔的方向。锚杆插入长度不得小于设计长度的95%,锚杆抗拔力不小于70kN。 锚杆、垫板、锚固材料应进行规定的试验和检查，在确认质量基础上使用。施工前要选择相同地质条件地点进行拉拔试验，从而确认可以获得足够的锚固力。中空锚杆施工流程见图5-5。 施工准备 锚杆孔位置布置 钻 孔 安装锚杆 浆液配制 注 浆 不合格 质量检查 合格 封 堵 下道工序 图5-5 中空锚杆施工流程 5.4.3 钢筋网 卢家山二号隧道网片采用φ8钢筋绑扎制作。在Ⅲ级围岩段网格间距采用25cm×25cm，只在拱部布设，Ⅳ、Ⅴ级围岩段网格间距采用20cm×20cm，在拱墙位置布设。 钢筋网片预先应按设计格栅拱架间距在洞外加工好备用，锚杆施作好后进行钢筋网的铺装，钢筋网应随高就低紧贴初喷面，用冲击孔打浅孔埋膨胀螺栓，钢筋网固定于螺栓上，并与锚杆尾部焊接。 施工技术措施：使用的钢筋须经试验合格，使用前要除锈，在洞外分片制作，安装时搭接长度不小于10cm；人工铺设，必要时利用风钻气腿顶撑，以便贴近岩面，与锚杆和钢架绑扎连接牢固；钢筋网和钢架绑扎时，应绑在靠近岩面一侧；喷混凝土时，减小喷头至受喷面距离和风压，以减少钢筋网振动，降低回弹。钢筋网喷混凝土保护层厚度不小于4cm。 制成的钢筋网片要轻抬轻放，存放和运输过程中要避免潮湿的环境，防止锈蚀、污染和变形。 5.4.4 格栅钢架 本隧道采用格栅钢架，IV级围岩段格栅钢架间距1.0m，拱墙位置铺设；V级围岩段格栅钢架间距0.8m，全环铺设。 本隧道采用格栅主筋直径22mm，联系钢筋直径12mm，断面形式为正四边形，边长15cm。格栅接头采用螺栓连接板接头，连接板焊于主筋上，通过螺栓将两段钢架连接板紧密连接。格栅的接头是整个结构的薄弱环节，必须加强。 格栅在没有喷射混凝土之前是不能单独承载的，随着混凝土的喷射和硬化，才开始与混凝土共同发挥作用，所以架立格栅后应迅速喷射混凝土，而且必须用喷射混凝土充分填充并与围岩紧密接触，必须让格栅和锚杆连接在一起，尽可能多的于锚杆露头及钢筋网焊接，形成共同的承载体系。 为保证施工质量，架立格栅钢架时，应注意以下几点： (1)格栅必须与锚喷支护联合使用，应保证格栅主筋与围岩之间的混凝土厚度不小于30cm。 (2)两榀格栅之间应设置直径20mm的钢拉杆，沿格栅每1.5m设一根。 (3)接头是格栅的弱点，应尽量减少接头数目。 (4)为防止格栅承载后下沉，格栅下端应设在稳固的地层上，或设在为扩大承压面的钢板、混凝土垫块上。 (5)挖下台阶时，为防止格栅拱脚下沉、变形，根据需要在拱脚下可设纵向托梁，把几排格栅连成整体。 格栅钢架施工流程图见图5-6。 欠挖处理 前期准备，钢拱架、钢筋加工 测量定位 断面检查 不合格 净空检查 钢支撑拼装 架立就位 锚杆锁定、系统锚杆施作 设置纵向连接钢筋、安设钢筋网 喷混凝土固定 结 束 锚杆钻机、砂浆泵等设备就位 图5-6 钢架施工流程 5.5二次衬砌 5.5.1二次衬砌施工概述 卢家山二号隧道二次衬砌III级围岩拱墙采用40cm厚素混凝土，仰拱采用55cm厚素混凝土；IV级围岩段拱墙采用45cm厚钢筋混凝土，仰拱采用55cm厚钢筋混凝土；；V级围岩段拱墙采用50cm厚钢筋混凝土，仰拱采用60cm厚钢筋混凝土。 洞身二次衬砌施工采用仰拱超前，衬砌台车全断面泵送法浇筑拱墙二次衬砌混凝土，洞外设拌合站拌制混凝土，混凝土车运送，泵送混凝土浇筑。 仰拱浇注施工与掘进工作平行进行，依据量测数据分析，应尽早安排施工。仰拱及时施作能大大改善行车条件。对于IV、V、复合式衬砌仰拱地段浇注砼采用大块模板，一次浇注成型。为了满足洞内出碴及运输条件而且保证隧道施工安全，仰拱衬砌工作面距边墙喷锚台车的距离应为20m以上，边墙喷锚台车需滞后中下台阶开挖至少5m以上，浇注前将基底石碴、污物和基坑内积水排除干净，检查合格后浇注混凝土。混凝土由搅拌输送汽车运至工地现场。插入式振捣器振捣。浇注时采用仰拱大样板由仰拱中心向两侧对称进行，仰拱与边墙基础衔接处捣固密实。在仰拱混凝土强度达到设计的70%后，即可施工仰拱填充。二次衬砌施工流程见图5-7。 测量放样 安设软式透水盲沟 配合比选定 混凝土拌和 绑扎钢筋 混凝土运输 衬砌台车就位 模板加固与检查 灌注混凝土 混凝土捣固 拆模与养护 图5-7 二次衬砌施工流程 5.5.2二次衬砌施工准备工作 （1）断面检查：检查开挖断面是否符合设计要求，欠挖部分按规范要求进行修凿。墙脚地基应挖至设计标高，并在灌注前清除虚渣，排除积水，找平支撑面。 （2）放线定位：根据隧道中线和标高及断面设计尺寸，测量确定衬砌立模位置，并放线定位。也就是确定轨道的铺设位置。 （3）立模：根据放线位置，模板台车就位。就位后，要做好各项检查：包括位置、尺寸、方向、标高、坡度、稳定性等。 （4）混凝土制备与运输。 5.5.3混凝土的灌注、养护与拆模 （1）混凝土灌注：混凝土浇筑前，将模板内的杂物和钢筋上的油污清除干净。二次衬砌混凝土浇筑一定要在围岩与支护基本稳定以后施作，此时隧道已经成型。二次衬砌施工要特别注意时间选择要按照先仰拱、后拱墙，即由下到上的顺序连续灌注。在隧道纵向，则需分段进行，分段长度设为9m。 （2）混凝土捣固：混凝土浇筑后，应及时用振动棒捣固，两侧边墙部位采用插入式振动棒振捣。振动棒的移动间距不大于振动器作用半径的1.5倍。 （3）拆模：当混凝土强度达到允许值以后再拆模。拆模时要先拆堵头板。 （4）混凝土养护：若地下条件干燥应注意洒水养护。采用普通硅酸盐水泥拌制的混凝土，其养护时间一般不少于7d。 5.6 隧道防排水设计 高速铁路隧道要求二次衬砌表面无湿渍，不允许渗水。本隧道设计在复合式衬砌中设防水板，用防水混凝土灌注二次衬砌，施工缝及变形缝中都设止水带。每个环节都要认真处理以保证质量，不留后患。 5.6.1 洞口防排水 洞口防排水，要设置截水天沟，设置洞外排水沟，平整洞顶地表并排除地表的积水，而且要定期清理排水沟防止堵塞。 5.6.2 洞内防排水 本隧道地下水不发育。洞内防排水设置了排水盲管，防水混凝土，防水板，和止水带，施工工艺流程见图5-8。 检查初期支护背后压浆及表面情况 割除外露钢筋、锚杆，平整表面 安装环向透水盲管 不合格 隐蔽检查 合格 铺设防水板 材料检验和试验 台架定位 安装施工缝止水带 不合格 隐蔽 检查 合格 下一道工序 图5-8 隧道防水施工流程 5.6.2.1 排水盲管施工 盲管纵向环向连接 捆绑盲管 安装锚栓 钻孔定位 图5-9 排水盲管施工流程 （1）环向排水盲管施作方法 隧道拱墙设直径50mm软式透水管环向盲管，环向盲管每隔10m设置，每隔6m在水沟外侧留泄水孔，并采用三通接盲管与纵向锚杆相连。 （2）纵向排水盲管施作方法 纵向排水盲管沿纵向布设于左、右墙角水沟底上方，为两条直径80mm的软式透水盲管。纵向排水盲管按设计规定划线，以使盲管位置准确合理，盲管安设的坡度与线路坡度一致。 排水管采用钻孔定位，定位孔间距在50cm。将膨胀锚栓打入定位孔或将锚固剂将钢筋头预埋在定位孔中，固定钉安在盲管的两端。用无纺布包住盲管，用扎丝捆好，用卡子卡住盲管，然后固定在膨胀螺栓上。 采用三通与环向透水管、连接盲管相连。 （3）边墙泄水管施作方法 模板架立后开始施作边墙泄水管，在模板对于泄水管的位置开于泄水管直径相同的孔。泄水管一端安在模板的预留孔上，另一端安在纵向排水管上，泄水管与纵向排水管用三通连接时必须有固定措施。 5.6.2.2结构防水板施工 焊接搭接逢 铺设防水板 铺设土工布 基面处理 图5-10 防水板施工流程 （1）施工准备 ①洞外准备：检验防水板质量，用铅笔划焊接线及拱顶分中线，按每循环设计长度截取，对称卷起备用。 ②洞内准备：铺设台架行走轨道；施工时采用两个作业台架，一个用于基面处理，一个用于挂防水板，基面处理超前防水板两个循环。 ③断面量测：测量断面，对隧道净空进行量测检查，对个别欠挖部位进行处理，以满足净空要求；同时准确测放拱顶分中线。 （2）基面处理 ①喷射混凝土基面的表面应平整，两凸出体的高度与间距之比。拱部不大于1/8，其他部分不大于1/6，否则应进行基面处理。 ②将外露的钢筋头、铁丝、锚杆、排水管等尖锐物切除锤平。并用砂浆抹成圆曲面。 ③欠挖超过5cm部分需作处理。 ④检查各种预埋件是否完好。 （3）缓冲垫层的铺设 缓冲材料采用土工布，铺设过程如下： 1将垫层横向中线与隧道中线对齐。 2由拱顶向两侧边墙铺设。 3采用与防水板同材质的80mm的专用塑料垫圈压在衬垫上，使用射钉锚固。 4垫衬逢搭接宽度不小于5cm。 5锚固点应垂直基面并不得超出垫圈平面，锚固点呈梅花形布置。锚固点间距，拱部为0.7m，边墙为1.0m。 （4）防水板铺设 防水板铺设采用无钉铺设法。防水板超前二次衬砌10～20m施工，用自动爬行热焊机进行焊接，铺设采用专用台车进行。 防水板铺设时注意事项有： 1铺设前进行精确放样。 2环向铺设，下部防水板压上部防水板。 3两幅防水板搭接宽度不小于10cm。 4防水板之间的搭接缝采用双焊缝、调温、调速热楔式功能的自动爬行式热合机热熔焊接，细部处理或修补采用手持焊，单条焊缝的有效焊接宽度不小于10mm，焊接严密，不得焊焦焊穿。 5混凝土振捣时，振捣棒不得接触防水板，以防止防水板受到损伤。 6防水板的搭接缝焊接质量检查按充气法检查，将5号注射针与压力表相接，用打气筒进行充气，当压力表达到0.25MPa时停止充气，保持15min，压力下降在10%以内，说明焊缝合格；如压力下降过快，说明有未焊好处。用肥皂水涂在焊缝上，有气泡的地方重新补焊，直到不漏气为止。 5.6.2.3 防水混凝土 隧道衬砌混凝土即是外力的承载结构，也是防水的最后一道防线，因此要求衬砌既要有足够的强度，又要具有一定的抗渗性。 5.6.2.4止水带施工 施工缝、变形缝是防水的薄弱环节，因此必须按规范规定和设计要求认真施作。施工缝、变形缝所使用的止水带材料的品种、规格和性能必须符合设计要求。本隧道施工缝处采用中埋式橡胶止水带，设置在结构厚度1/2处。 中埋式橡胶止水带施工时，先将10mm钢筋卡由待模筑混凝土的一侧向另一侧穿入，卡紧止水带一半，另一半止水带平铺在挡头板内，待模筑混凝土凝固后弯曲10mm钢筋卡套上止水带，模筑下一循环混凝土。 第6章 结论 卢家山二号隧道属于大断面高速铁路隧道，地质概况为第四系坡积粉质粘土、厚0.5~1m，侏罗系上统大畈组凝灰岩、节理裂隙发育，地下水不发育。 使用有限元软件ANSYS建立模型和内力计算，得到隧道各级IV级、V级围岩二衬的轴力和弯矩。根据二次衬砌内力进行配筋计算和强度检算。 整个隧道采用新奥法理念进行施工：少扰动，早支护，勤量测，紧封闭。隧道进口和出口处，采用明挖法，修建拱式明洞。暗挖段中，III级围岩段采用了三台阶法爆破开挖，IV级围岩段采用了台阶法爆破开挖，并用超前小导管预支护；V级围岩段采用了CRD法机械开挖，使用了超前注浆小导管进行预支护。在暗挖段施工中，采用超前钻探取芯法配合地质雷达法进行超前地质预报，进一步保证了安全施工。 隧道的监控量测项目有洞内外观察、地表沉降、隧道拱顶下沉、隧道净空收敛、围岩压力和衬砌间压力监测。监控量测是保证施工安全的重要措施，也是提供设计与施工优化设计的有效办法，设计中给出了监测点的布置。此外在防水措施上本隧道除了利用二次衬砌本身防水功能外，还采用了中隔式橡胶防水带、遇水膨胀止水条、防水板等措施。 参考文献 [1] 朱永全，宋玉香.隧道工程[M].北京：中国铁道出版社，2005. 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Eng Geol 2005;79(1–2):115–26. 致 谢 经过一个学期的忙碌，我的毕业设计终于告一段落，这也意味着大学生活即将结束。在大学阶段，我在学习上和思想上受益非浅，这与各位老师的教导，和同学朋友的关心是分不开的。 在这次毕业设计中，张老师一遍又一遍的为我们审稿，严格把关，循循善诱。从去年毕业论文的选题到现在，我由衷的感谢张素敏老师，只有张老师对我的耐心教导，我才能发现毕业设计中的细节，只有张老师的帮助，我才能顺利完成我的毕业设计。 我还要感谢大学四年来教过我的老师们，感谢陪我度过四年大学时光的同学们，是你们在生活和学习中给了无私的帮助和关怀。 附录A 外文翻译资料 A.1英文 A.2译文 隧道开挖断面的平均变形张量和平均变形椭圆 摘要：太沙基基于图解法理论，引进了用变形椭圆的概念解释和模拟隧道开挖的截面变形，原本假定隧道截面是一个圆。利用这种椭圆变形的概念，可以把隧道截面复杂多变的收敛数据转变为一个正圆向椭圆的变化，进而理解这种模式和这种模式的改变，寻找改变的原因。然而，由于它是一种图解法，对有效数据有一定，这种方法似乎很少被使用。 在这片文章中，我们提出将隧道截面平均变形张量和平均变形椭圆的解析解，表示为变形的，纯粹的数学取线。这种由圆形到椭圆的转变体现了截面开挖后的应力重分布产生的张力，由此，对围岩和支护结构的变形的描述于应力集中模型和测量值。这项技术几乎可以被应用于所有类型的大地及岩土工程监测资料（卷尺，全站仪，激光扫描仪等的测量值）。它仅有的要求就是：a，开挖期间和开挖后段时间内，每个控制截面的平面应变情况要均匀；b，隧道截面的观测值要均匀分布。估计不确定性的允许值，以确认采用平均变形椭圆来描述隧道截面的变形收敛是否合适。在两个案例中强调了这种方法的稳定性和价值性。 关键词：开挖收敛 变形 开挖 测量 应变张量 1、简介： 地下工程开挖过程中，开挖截面的变形表现出“空隙”停止增长的趋势的时候，自重应力就有了重分布。我们经常把这种变形叫做收敛、控制点的位移。通常对空隙经常用伸长计、皮尺和 各种测量仪器来测量。测量的位移可以是相对的量（比如，矿井中顶部的下沉量、底部的隆起量，仅仅用普通的卷尺测量镶嵌板的纯高度变化即可），也可以是绝对的量（也就是，相对于现代大地测量仪所规划的坐标系的位移，或者以开挖工程以外的控制点为参考的位移）。我们经常把测量结果总结在一张图表中来显示控制点的历史位移，尤其是位移的渐变数量和发展位移。 收敛图的基本特征是：为每一个截面都显示了点位移的复杂序列，而且通常都是不一致的。这就明显使得对这种变形模式和这种模式的变化量的识别变得困难，当然也包括为完善开挖而及时做的措施。太沙基首次提出了解决问题的办法。1930年，在芝加哥地铁开挖过程中，太沙基不仅仅切实把对在软岩环境中的地下工程围岩变形采用实时监控的方法作为了一种既安全又有效的方法，而且他在地下工程收敛尺寸的基础上，引用了平均变形椭圆的概念。太沙基把隧道及面的平均变形形象的表示为圆形到椭圆的变化，而且这种方法把开挖周边发生位移的点拟合为一个椭圆。当然这种方法一般也适用于岩土工程。在芝加哥地铁建设中，太沙基利用平均椭圆来先找到水平位移，然后是垂直位移。随着隧道中的水流量的影响，地面的稳固措施的要随之改变。 利用太沙基平均变形椭圆方法计算的基本优点是：它可以让我们识别变形的模式和变形改变的模式，这可是在一项简单的收敛图上无法完成的任务。然而事实上，从芝加哥地铁之后，这一项技术却被忽视了，这原因有二：a，这项技术需要详细的测量数据；b，这只是一种图像化的方式，不兼容主要基于应力计算的隧道分析方法，这个椭圆甚至没有明确的变形与张量。 然而，近年来，随着各种精密仪器的出现和推广，收敛测量时能够详细的记录，太沙基的方法变的可行，因为它只需要较为精确的计算资料。 在这篇文章中，我们试着解决这一挑战，并试着证明，这种方法在理论上和实践中的重要性和性。我们也会给出在地下工程开挖过程中几乎所有类型数据的必要方程式。这个方法的应用和优势在两个案例研究中显得尤为突出。 2、太沙基 图解法 事实上，太沙基在1930年芝加哥地铁的开挖过程中所应用的方法是非常简单和精巧的 ，他把隧道的周边模拟为一圈一圈的圆，并在上面标记上卷尺线用来显示他们的收敛值。然后，用大比例画出径向向量和隧道截面的变形，再连接收敛的标记。这种方法在很多工程领域都照例应用。此外，虽然其中没有明确的说明，但是太沙基确实含蓄的假设均匀应变（即应变在所有平行规划线上相等）和平面应变条件，并使用椭圆最佳的拟合圆的变形形状。这点是非常必要的，因为确定椭圆（收敛结果）的点的数量大于用来定义一个椭圆所需的必要的数量。 这种变形，很明显，并不涉及到任何媒介（即岩体），却涉及到数学上的物质（圆形）。这种方法中就是用这些圆来模拟隧道的周边并描述隧道变形的。 3、介质的变形张量和隧道截面的变形 在多种工程结构中，变形的分析都是基于对一部分变形张量的估计。然而在隧道中，里面的空间却不是介质。尽管如此，隧道周边的变形，可以认作为外径趋向于无穷的圆筒的内表面的变形。这个问题首先被Kirsch采用圆截面周围受二维应力作用的模式解决，后来，Jaeger、Cook、Hoek、Brown、还有Bray还有很多其他人为非均匀应力场和各种形状的隧道问题引入方程，来显示加强应力下的椭圆形式的截面。 然而事实上，隧道的变形显然是一个三维立体的效应，而且往往是在更为复杂的模式下的变形，尤其对于大量的收敛来说。而在实践中，在绝大多数的情况下，可以假设距离隧道掌子面大于2*D（D是隧道的直径）处的平面应变条件（ 其中x是隧道的轴线方向，z是垂直轴）。此外，起初圆截面被认为是以椭圆的形式逐渐变形的。 假设一般情况下圆形隧道都是在均匀介质中的，那么基于这个假设，我们就可以推广使用变形张量来描述隧道截面的变形椭圆。另一种方法，我们可以研究一个数学曲线（圆）的变形，这个数学曲线可以通过张量来描述。 一般情况下，任何一个二维的变形都可以使用一个2*2的矩阵来表示： 其中e11和e22分别表示对应着的横坐标和纵坐标（隧道中叫作y轴和z轴，一般坐标中叫作v轴 和u轴，看下图）的应变张量。另外，e12和e21 通常是相等的，他们表示剪力。这个张量描述了圆向椭圆的转变。这两个椭圆半轴表达了主应变及其主应变的大小。而且他们的方向可以通过下面的方程式计算出来，并且由下图表示出来。 在隧道和其它地下工程的挖掘中，矩阵（1）当中的元素和主应力都是已知的。通常我们所知道的是两点之间距离变化的测量值，或者一些点的坐标改变。通过这样的观察，我们就能够给出一个有关形变张量的圆的变形。 实际上，这就相当于用一个椭圆来拟合圆的变形，也就是类似于太沙基所使用的方法。定义这样的椭圆要求至少三个的观测值，比如说三个点独自的距离的变化。在有额外测量的情况下（例如，五个收敛站坐标测量值），最佳的拟合椭圆是指将所有可用的测量值基于最小二乘法来拟合的那一个。 这种算法是基于一种对结构应力的估计的，这种算法已经成熟，而且实际上这就是首先由太沙基提出的广义的分析方法。这种方法的基本的优势就是，它判断影响地下开挖截面的平均应力，如果应力比较均匀统一，平面应变条件的假设就可以忽略当地应力的影响，而使用于一般应力集中的方法。这种计算过程也可以代替复杂的收敛图表，因为这些复杂的收敛图表不能简单的通过变形椭圆总结出变形的特点和原因。这种方法可以使我们清楚的了解形变的模式，并了解其真正的原因。 文章中记载的位移和变形性分析也应该被看作是工程中变形和位移分析的总趋势。 附录B 图纸 图01 卢家山二号隧道纵断面图 图02-1 卢家山二号隧道Ⅲ级围岩衬砌断面图 图02-2 卢家山二号隧道Ⅳ级围岩衬砌断面图 图02-3 卢家山二号隧道Ⅴ级围岩衬砌断面图 图03-1-1 卢家山二号隧道Ⅳ级围岩衬砌断面图（一） 图03-1-2 卢家山二号隧道Ⅳ级围岩衬砌断面图（二） 图03-2-1 卢家山二号隧道Ⅴ级围岩衬砌断面图（一） 图03-2-2 卢家山二号隧道Ⅴ级围岩衬砌断面图（二） 图04-1 卢家山二号隧道Ⅲ级围岩炮眼布置图 图04-2 卢家山二号隧道Ⅳ级围岩炮眼布置图 图05-1 卢家山二号隧道台阶法监控量测测点布置 图05-2 卢家山二号隧道CRD法监控量测测点布置 图06-1 卢家山二号隧道Ⅲ级围岩台阶法施工步序图 图06-2 卢家山二号隧道Ⅳ级围岩台阶法施工步序图 图06-3 CRD法施工步序图 图07 卢家山二号隧道防排水结构图
5.2.6 围岩压力和两层衬砌间压力量测位移速度（mm/d） 量测频率 ≧5 2次/天 1～5 1次/天 0.5～1 1次/2～3天 <0.5 1次/7天
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