《铁路隧道设计》-毕业设计.docx
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河南理工大学本科毕业设计(论文)
摘要
摘要
山西中南部铁路是山西煤炭外运的有一条重要通道,而南吕梁山隧道是山西中南部铁路中的一条特长隧道,隧道的成功贯通关系着整条铁路通道的顺利通车,南吕梁山隧道的质量与安全更应该符合它在整条铁路通道中的重要性。
南吕梁山隧道南吕梁山隧道位于山西省临汾市境内,隧道线路贯穿于南吕
梁山山脉以东及临汾盆地边缘丘陵区。
并且隧道所在地区的水文地质条件相当复杂,因此,隧道的每一个设计与施工都应该全面考虑。
隧道的洞门采用端墙式洞门,隧道的内轮廓线根据规范要求采用三弧拱曲墙式断面形式,隧道限界采用“隧限—2A”的要求设置。
隧道的开挖方法:
Ⅱ、Ⅲ级围岩采用全断面开挖方法,并且采用光面爆破,这样可以使开挖面平整,防止超挖和欠挖,Ⅳ级围岩采用台阶法施工。
隧道的支护结构:
预支护采用超前锚杆、超前导管、超前管棚支护来保证开挖面的稳定,保证施工安全。
隧道的衬砌结构采用复合衬砌,初期支护采用锚杆、喷射混凝土和钢筋网联合支护,二次衬砌采用摸筑混凝土结构,设计采用结构力学计算方法进行计算,初期和二次支护共同组成隧道的永久支护结构。
这种支护组合不仅利用了衬砌本身的作用,也充分利用了围岩本身的自承载能力,做到了安全、经济的效果。
隧道的通风采用了机械通风,保证了运营期间隧道内空气的流通,也保证了隧道内有害气体浓度复合要求。
隧道的防排水采用防水层、排水沟、盲沟等共同组成隧道的防排水系统。
关键词:
光面爆破;支护结构;结构力学计算方法;锚喷支护;通风;防
排水。
Abstract
RailwaycrossingofcentralandsouthernShanxiProvinceisaimportantchannelofshanxi’scoalslipping.luliangShantunnelisalongrailwaytunnelinRailwaycrossingofcentralandsouthernShanxiProvince.Tunnelthroughthesuccessoftheentireopeningoftherailwaychannelsmooth.SouthluliangShantunnelshouldmeetthequalityandsafetyofitsimportanceintheentirerailcrossing.
SouthluliangShantunnelislocatedintheterritoryoflinfencityofShanxiprovince,tunnellinethroughouttheSouthEastofluliangShanmountainsandbasinedgehills.Andhydro-geologicalconditionsofthelocationofthetunnelisquitecomplex,soeverydesignandconstructionofthetunnelshouldbefullytakenintoaccount.
Theportalofthetunnelend-wallcavedoor,thetunnelofcontourlinesbasedonthespecificationrequiresathree-archcurved-wallsections,gaugeofthetunnel"tunnel-2Alimit"requirementsset.
Tunnelexcavationmethods:
gradeⅱ,ⅲsurroundingrockadoptfullfaceexcavationmethod,andsmooth-surfaceblasting,surfacesothatexcavation,preventionofoverbreakandlessexcavation,constructionofgradeⅳsurroundingrockusingstepmethod.
Thesupportstructureofthetunnel:
pre-supportusingadvancedanchors,advancedcatheter,advancepiperoofingsupporttoensurestabilityinthefaceoftunnelexcavation.Compositeliningoftunnelliningstructure,theinitialsupportingwithboltandshotcreteandsteelmeshsupport,Secondaryliningusedtouchtobuildconcretestructures,thedesigncalculationmethodforcalculatingstructuralmechanics,initialandsecondarysupportmakeupatunnelofpermanentsupportstructure.Supportcombinationinusenotonlytheliningitself,alsoexploitedthecarryingcapacityoftherockitself,sothatitliveuptothesecurity,economicimpact.Tunnelventilationusemechanicalventilation,ensureoperationalduringthe
II
circulationofairinsidethetunnel,alsopromisedthattheconcentrationofharmfulgasinthetunnelcomplexrequirements.Tunnelwaterproofanddrainageofwater-prooflayer,drains,blindditchandothercommoncomponentsoftunnelwaterproofanddrainagesystem.
Keyword:
smoothblasting;supportingstructure;structuralmechanicsmethod;Shotcretesupport;ventilationanddrainage。
河南理工大学本科毕业设计(论文)
目录
目录
第一章绪论 1
1.1选题的目的和意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3毕业设计所采取的研究方法和手段 2
第二章 概述 3
2.1隧道工程简介 3
2.2隧道的种类及其作用 3
2.2.1交通隧道 3
2.2.2水工隧道 4
2.2.3市政隧道 4
2.2.4矿山隧道 4
2.3南吕梁山隧道简介 4
2.4工程资料 4
2.4.1建设工程所在地区自然特征 4
1、地震动参数区划 4
2、气象资料 5
3、工程地质、水文地质特征 5
第三章隧道洞口和断面设计 8
3.1洞门位置的选择 8
3.2洞门形式的选择 8
3.2.1洞门的作用 9
3.2.2洞门形式 9
3.2.3本隧道洞门的设计 9
3.3隧道的横断面设计 13
3.3.1隧道横截面的基本规定 13
3.3.2本隧道横断面设计 15
3.4隧道平纵断面设计 16
3.4.1隧道平面的要求 16
3.4.2隧道纵断面的要求 17
3.5本隧道平纵断面设计 18
第四章隧道开挖方法设计 19
4.1隧道开挖方法的确定 19
4.1.1全断面开挖法 19
4.1.2台阶法 19
4.1.3分部开挖法 19
4.1.4本隧道开挖方法的设计 20
4.2钻爆设计 21
4.2.1施工流程 21
4.2.2爆破方法和超欠挖问题 21
4.3炮眼参数设计 25
第五章 隧道支护结构的设计 34
5.1隧道支护结构的设计计算方法 34
5.1.1概述 34
5.1.2两类计算模型 34
5.2本隧道选用的模型 35
5.3隧道预支护设计 35
5.3.1超前锚杆设计 36
5.3.2小导管注浆设计 37
5.3.3管棚设计 37
5.4初期支护设计 38
5.4.1喷射混凝土支护设计 38
5.4.2钢筋网喷射混凝土支护设计 39
5.4.3锚杆支护设计参数计算(锚杆局部加固计算) 40
5.5Ⅳ级围岩衬砌内力计算 45
5.5.1本隧道采用的衬砌 45
5.5.2拟定衬砌尺寸 45
5.5.3衬砌材料参数 45
5.5.4荷载确定 46
5.5.5半拱轴线长度S及分段轴心线长△S 46
5.5.6计算位移 49
5.5.7解力法方程 59
5.5.8计算主动荷载和被动荷载(σh=1)分别产生的衬砌内力 59
5.5.9最大抗力值的求解 60
5.5.10计算衬砌总内力 61
5.5.11衬砌截面强度检算 62
5.5.12内力图 63
5.6Ⅱ、Ⅲ级围岩二次衬砌设计 64
第六章隧道通风和防排水设计 66
6.1隧道通风设计 66
6.1.1计算条件 66
6.1.2运营通风计算 66
6.2隧道防排水 70
6.2.1防排水的意义 70
6.2.2防水原则 70
6.2.3防水 70
6.3.4排水 71
结论 72
参考文献 73
致谢 74
河南理工大学本科毕业设计(论文)
第一章绪
论
第一章绪论
1.1选题的目的和意义
毕业设计是工科大学生实践教学的一个重要环节,是毕业前的一次综合训练,是对在大学几年所学知识的全面检查。
通过毕业设计可是使我们掌握图和进行铁路隧道施工图设计方面进行一次全面的、系统的训练,为今后从事铁路隧道工程设计工作打下良好的基础。
通过毕业设计,即有助于我们综合运用知识的能力,同时也有助于今后在工作岗位上能很快的适应工作环境。
这次的设计也有很高的现实意义:
山西是我国的重要能源基地,在国家的能源安全战略中具有重要地位,山西中南部的煤炭储量和产量分别占到全省的近三分之二,经济总量约占全国的二分之一,但铁路运力匮乏、矛盾突出,严重制约了当地的发展。
山西省煤炭外运已形成了北、中、南三个大通道。
北线基本上可以满足运煤需求,但中线和南线两线运力一直很紧张。
山西中南部铁路通道建设,对确保国家能源供应,对我国国民经济发展具有重要作用,也能够密切山西、河南、山东三省区域经济协作,加快沿线社会经济发展。
南吕梁山隧道是山西中南部铁路中的一条关键性隧道,本隧道关系到整条铁路贯通的大局,在整个工程中举足轻重。
1.2国内外研究现状
近十多年来,随着我国的高速公路和铁路客运专线的快速发展,隧道的建设
也得到了迅猛发展,隧道设计和建造水平日新月异。
体现在以下几个方面:
1、在隧道施工机械化方面,早已抛弃了原始的人工开凿方法,机械钻孔已有人力持钻进到支腿架钻,20世纪80年代在大瑶山隧道施工中开始应用大型全液压的钻孔台车。
修建衬砌已有砖石垒砌,继而用混凝土就地衬砌,混凝土泵送,又进而采用喷射混凝土的柔性衬砌,目前已普遍推广使用双层复合衬砌。
开挖程序已由小导坑超前,进而采用少分块的大断面开挖,从木支撑、钢
0
木支撑,进而采用锚杆支撑。
施工方法上,从传统矿山法逐步过渡到新奥法,以量测信息指导并调整施工。
20世纪90年代中期,又引进全断面掘进机,用于西康线的秦岭隧道施工中。
而在广州、上海、南京、深圳等城市的地下铁道建造中,已普遍开始使用机械化盾构。
2、在隧道工程的理论方面,分析结构内力的方法,已经从结构力学计算转到以矩阵分析的方式用电子计算机计算,并进一步用有限元方法进行分析,从把地层压力视为外力荷载,到把围岩和支护结构组成统一的受力体的共同作用理论,从过去认为地层岩体是为松散介质,进而考虑岩体的弹性、塑性和黏
性,以及各种性质的转变,拟出各种能进一步体现岩性的模型,进行受力分析。
3、隧道工程发展的近期,除了以交通为目的的隧道以外,隧道的功能也变得相当广泛。
最后应该指出,尽管近年来隧道工程已经取得了一定的成就和相应的发展,但是还存在着许多问题和缺点。
从总体来看,隧道机构还比较粗大厚实,施工环境还很恶劣,工人劳动强度还很大,工程进度不快和工程造价较高。
具体说,截至目前,我们队围岩的性质还没有深入了解,对计算模型的选用和计算理论还不完全符合实际,施工技术水平和管理方法还比较落后,人力物力的消耗和浪费较大,所有这些都需要对到工作者去研究和解决。
1.3毕业设计所采取的研究方法和手段
1、工程类比法:
参考已修建隧道的工程资料,通过类比工程的地质资料,隧道尺寸,支护方法等提出本工程详细设计情况。
2、理论计算法:
运用所学过的知识和规范来计算得出本工程的具体设计数据。
3、CAD法:
这是绘制施工图纸是运用的主要手段。
4、参考文献资料:
主要有各类规范,所学过的教材,以往的论文等
5、设计步骤:
22
(1)隧道洞口位置,隧道断面的选择
(2)隧道的掘进方式,出渣的选择
(3)隧道的支护方式设计
(4)施工图的绘制
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第二章概
述
第二章 概述
2.1隧道工程简介
隧道是一种修建在地下,两端有出入口,供车辆、行人、水流及管线等通过的工程建物。
隧道及地下工程的泛指有两方面的含义:
一方面是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护的一门应用科学和工程技术、是土木工程的一个分支;另一方面也指在岩体或土层中修建的通道和各种类型的地下建筑物。
2.2隧道的种类及其作用
隧道的种类繁多,不同角度有不同的分类方法。
从隧道所处的地质条件来分,可以分为土质隧道和石质隧道;从埋置深度来分,可以分为浅埋隧道和深埋隧道;从隧道所在位置来分,可以分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道。
分类比较明确的还是按照他的用途划分,可以有以下的分类:
2.2.1交通隧道
这是隧道中最多的一种。
他的作用是提供运输的孔道。
其中又可分为如下几种:
(1)铁路隧道
我国内地有许多起势起伏、山峦纵横的山区。
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,无法拔起需要的高度,同时限于地形有无法绕避,这是开挖隧道直接穿山最为理想,它即可使线路顺直,避免许多无谓的展线,缩短线路,又可以减小坡度,试运营条件得以改善,从而提高牵引定数,多拉快跑。
所以,在铁路上,尤其是在山区铁路线上,隧道的方案为人们所选用,修建的数量也越来越多。
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,是跨越分水岭时,拔起高度小、展线短。
(2)公路隧道
(3)地下铁道
(4)水底隧道
(5)人行地道
2.2.2水工隧道
它是水力发电枢纽的一个重要组成部分。
水工隧道有引水隧道,尾水隧道,导流隧道或泄洪隧道,排沙隧道。
2.2.3市政隧道
它是城市中,为安置各种不同市政设施的地下孔道。
由于城市不断发展,工商各业日趋繁荣,人民生活水平逐步提高,对公用事业的要求也越来越高。
许多城市不得不利用地下空间,把他们安置在地下,既不占地面面积,又不致扰乱高空位置和损伤市容的整齐。
市政隧道有给水隧道,污水随到,管路隧道,线路隧道,人防隧道。
2.2.4矿山隧道
在矿山开采中,常设一些隧道,从山体以外通向矿床,其中有运输巷道,给水隧道,通风隧道。
2.3南吕梁山隧道简介
南吕梁山隧道位于山西省临汾市境内,隧道线路贯穿于南吕梁山山脉以东及临汾盆地边缘丘陵区。
隧道进口端位于蒲县境内,出口端位于临汾市尧都区及洪洞县交界处,设计为双洞单线隧道,线间距30m。
左线进口里程DK298+175,出口里程DK321+618,左线全长23443m;右线进口里程DK298+145,出口里程DK321+614.7,右线全长23469.7m。
隧道左线、右线全部位于直线上。
南吕梁山隧道设计为双洞单线隧道,线间距30m。
隧道内设计为单面下坡,左线坡度分别为8‰;右线坡度6.6‰下坡出洞。
隧道最大埋深约55m。
2.4工程资料
2.4.1建设工程所在地区自然特征
1、地震动参数区划
根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》,结合实地调查,隧址区中地震动峰值加速度0.20g、地震动反映谱特征周期值0.35s、地震烈度属Ⅷ度区,工程场区位于地震活动区。
2、气象资料
本区地处中纬度区,属暖温带亚湿润气候区,为大陆性半干旱季风气候。
表2-1气象资料表
多雨年降雨量(mm)
少雨年降雨量(mm)
径流深
(mm)
极端最高气温(℃)
极端最低气温(℃)
800~900
300~400
25~50
41.9
-23.1
3、工程地质、水文地质特征
(1)工程地质特征
①地形地貌
南吕梁山隧道通过的吕梁山地区是以吕梁山脉为主干的构造侵蚀剥蚀基岩山区地貌。
以侵蚀作用为主,剥蚀作用次之,是构造运动上升区,最高海拔为1946m,一般谷岭高差300~500m。
西坡断崖出露,山势陡峭。
东坡大面积覆盖黄土,地势相对平缓。
植被茂密,植物以自然生长的灌木丛林为主。
部分山脊和沟谷两侧有基岩出露。
②地层岩性
隧道通过区域地层岩性主要有黄土、砂岩、页岩、泥岩、灰岩、角砾状白云质泥灰岩及白云质泥灰岩、膏溶角砾岩、页岩夹灰岩、页岩夹砂岩、白云岩与泥灰岩互层等,围岩坚硬程度及完整性变化较大。
③隧道围岩分级
本隧道左线Ⅱ级围岩4538m,Ⅲ级围岩7230m,Ⅳ级围岩8978m,分别占隧道全长23443m的19%、31%、38%。
右线Ⅱ级围岩4538m,Ⅲ级围岩
7230m,Ⅳ级围岩8978m,分别占隧道全长23469.7m的19%、31%、38%。
④地质构造
隧址区西侧以吕粱山坡的紫荆山断裂与鄂尔多斯盆地相接,东侧以霍山断裂与太岳山地接壤,东北为太原盆地,东南为临汾盆地。
区内地质构造复杂,经历过多次构造运动,生成了一系列极其复杂的褶皱和断裂构造。
a断裂
隧道通过紫荆山断裂带、罗云山断裂带及其次生构造。
隧址区发育数条大断裂及次生断裂,主要发育
F1、F34、F3、F4、F5、F7、F8、F10、F11、F14、F15 、F35断层,断层带岩体破碎,稳定性差,影响带岩层揉皱现象发育,有突泥涌水危险。
b褶皱
隧道通过影响较大的褶皱有刘家庄向斜、金山沟向斜、马峪沟向斜、后沟向斜、杨家坡向斜等褶皱构造,褶皱内岩体变形扭曲,次级小构造及节理裂隙、节理密集带发育,隧道围岩整体性较差。
(2)水文地质特征
①水文地质特征
隧道区位于一个受紫荆山断裂和罗云断裂所控制的复式向斜构造带内,主要呈现低中山区水文地质特征。
区内地表径流较弱,大气降水多沿裂隙下渗,为地下水的主要补给源。
此外,吕梁山两侧分布黄土丘陵,呈现出黄土丘陵区水文特征,地面总体以一定的坡度向东西两侧倾斜,冲沟发育,地表径流条件较好,下伏基岩裂隙水、岩溶水。
②地下水类型
隧址区地下水类型划分为三类:
松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水和基岩裂隙水。
隧道区松散岩类含水岩组主要分布在隧道进口端浅埋段进口端浅埋段主要为昕水河上游各支流沟谷河道。
岩溶水含水介质以溶蚀裂隙为主,吕梁山大面积分布的碳酸盐岩层为地下水补给区,以向斜构造为主径流,形成龙子祠泉为
排泄基准的奥陶系水文地质单元。
基岩裂隙水分为两类,一类是三迭、二迭系碎屑岩类基岩裂隙水,另一类为石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩类基岩裂隙水。
在隧道进口段三叠系和二迭系砂岩、页岩含水层水位均较高,埋深均在15m以内。
③地下水对混凝土等建筑材料的侵蚀性
隧址区地表水与地下水均属HCO3-、SO42-、Ca2+、Mg2+、Na+、K+型水。
地表水PH值7.94~8.32,为弱碱性水,地下水6.88,为弱酸性水。
地下水对混凝土的侵蚀类型为硫酸盐侵蚀与CO42-侵蚀,环境水作用等级均为H1。
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第三章隧道洞口和断面设
计
第三章隧道洞口和断面设计
3.1洞口位置选择
洞口是隧道的重要组成部分,一方面它是环境较差的洞身和地表的联系处,施工、运营、养护人员及设备都从这里进入,要求保持安全通畅;另一方面,他处于围岩浅表,受风化等影响,稳定性较差,易出病害。
一次当隧道走向方案确定后,两端洞口仍可在左右前后稍作移动,以求得到最佳位置。
前路穿越山体进洞前,总有一段明堑。
等洞口位置前后移动时,这段明堑可能增长或缩短,亦即隧道长度相应缩短或增长。
根据经验,洞口位置的选择宜采用“早进晚出”的原则。
根据实践经验,在不同提高地形。
地质条件下,确定洞口位置要注意一下一些问题:
1、要避开不良地质地段,如滑坡、崩塌、岩堆、危岩落石、泥石流等处。
2、隧道出口在沟谷内时,洞口要选在沟的一侧,不要置沟底,因为这里往往是地质构造的薄弱环节,而且是天然的过水通道。
3、如果洞口地形为一段平缓的慢坡,那前后移动范围较大,从保护自然平衡和线路排水通畅的角度,一般不宜很长的路堑,适当延长隧道为好。
4、洞口出现在悬崖都比下,如果岩体不稳定,要避开,如果基本稳定,则设计和施工中要保护这种平衡状态,尽量不切削岩体,贴壁进洞或修筑一段明洞,也可设计特殊形式的洞门。
5、早进晚出的原则,具体落实在洞口边、仰坡开挖高度控制上。
6、洞口的线路走向应尽量和该处地形等高线正交,这样可不造成一侧开挖面偏高,也不致衬砌受偏压。
7、洞口最好有一方开阔平缓场地,用作施工基地。
根据以上条件和以往的施工经验南吕梁山的左右两线的出入洞口分别设在:
南吕梁山隧道左线进口里程DK298+175,右线进口里程DK298+150,左线出
口里程DK321+618,右线出口里程DK321+614.7。
3.2洞门形式的选择
3.2.1洞门的作用
洞口是隧道的重要部分,比易出病害,需要做一些结构处理,以保证正常运营,这一组机构称为洞门。
洞门的作用主要有二:
1、支档。
洞口处岩体通常要切出一槽口,线路纵向及侧向的岩坡,可能因而不稳定或上方出现落石。
洞门结构就像挡土墙一样,抵住岩体侧压力并防止滚失落向洞口路线。
2、防水。
隧道内要求尽量干燥,除了洞身衬砌需有完善的排水流的设施外,洞门结构也要将地表水有效引离,不使流入隧道。
3.2.2洞门形式
依据洞口地质和地形条件的不同,洞门也有几种不同的形式:
1、端墙式洞门,当地质状况良好,切削后的岩体基本稳定,侧压力小,可采用这种比较简单的形式。
2
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