公路隧道毕业设计.doc
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公路隧道毕业设计.doc
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本科学生毕业设计
XX山公路隧道设计
系部名称:
专业班级:
学生姓名:
指导教师:
职称:
二○一○年六月
TheGraduationDesignforBachelor'sDegree
DesignoftheXXXXX
HighwayTunnel
Candidate:
Specialty:
Class:
Supervisor:
本科生毕业设计
摘要
本设计为XX山公路隧道设计。
XX山隧道地处XX市境内,为直线型分离式单向行驶二车道长隧道(上、下行分离)。
上下行隧道桩号K10+214.5~K11+214.7(其中明洞86.2m,暗洞914m)全长为1000.2m;隧道最大埋深63.76m,所处围岩等级为Ⅳ、Ⅲ级;隧道纵坡采用单坡坡,坡度为0.91%;该隧道衬砌采用复合式衬砌,断面形式为曲墙拱形断面;洞门为削竹式洞门;明洞与暗洞衬砌形式相同,明洞采用明挖法施工,暗洞采用新奥法施工;隧道的通风和照明设计内容按照行车速度100km/h设计。
本次设计的主要内容包括:
隧道选址、隧道平纵横设计、洞门与明洞设计、衬砌与支护设计、施工方案设计、防排水设计、通风照明设计等。
经验算,该隧道设计合理,方案可行,满足XX公路的服务水平。
关键词:
隧道;衬砌;明洞;洞门;新奥法
ABSTRACT
ThedesignfortheXXXHillHighwayTunnelDesign.ItislocatedXXXX.ItscentralstationnumberisK10+214.5~K11+214.7(whichhiddenhole86.2m,hiddenhole914m)length1000.2m;Maximumdepthofthetunnelis63.76mwheresurroundingrockgradeforⅤ,Ⅳ,Ⅲlevel;Tunnellongitudinalslopewithsingleslope,whichslopewas0.91%;Thetunnelliningwithcompositelining,cross-sectionsongformofarchedwallsections;Portalfortheshadingstyleshed;Opencuttunnelliningandthedarkformsofthesamehole,Myeongdongopen-cutmethodused,theuseofthedarkholeNATMconstruction;tunnelventilationlightingdesignandcontentinaccordancewiththeroadspeed100km/hdesign.
Themainelementsofdesigninclude:
thetunnellocation,verticalandhorizontaltunnelleveldesign,portaldesignandOpencuttunneldesign,liningandsupportthedesign,constructiondesign,drainagedesign,lightingdesign,ventilationdesign,andsoon.
Operatorexperience,thetunneldesignisreasonable,feasible,anditmeetstheXXXXHighwayservicelevels.
Keyword:
Tunnel;lining;Opencuttunnel;Portal;NewAustrianTunnelingMethod
II
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2国内外研究现状 1
1.3设计依据 2
1.3.1设计标准 2
1.3.2技术标准 2
1.3.3建筑材料 2
1.4拟解决的主要问题 3
第2章XX山公路隧道总体设计 4
2.1XX山公路隧道工程地质资料 4
2.1.1地形地貌 4
2.1.2区域稳定性 4
2.1.3地层岩性 4
2.1.4地质构造 4
2.1.5水文地质 4
2.2围岩等级的确定 5
2.3XX山隧道选址 5
2.3.1隧道选址原则 5
2.3.2XX山隧道选址 6
2.4隧道洞口选择及线型设计 6
2.4.1洞口选择和线型设计的原则 6
2.4.2洞口位置的选择 6
2.5隧道纵断面设计 7
2.6隧道横断面设计 7
2.6.1建筑限界 7
2.6.2内轮廓设计 8
2.6.3紧急停车带 10
2.6.4横向通道 11
2.7本章小结 12
第3章洞门设计 13
3.1洞口段地质评价 13
3.2洞门设计 13
3.2.1洞门类型选择 13
3.2.2洞门设计 14
3.2.3洞门建筑材料 14
3.3本章小结 14
第4章明洞设计 15
4.1概述 15
4.2明洞长度确定 15
4.3衬砌结构计算 15
4.3.1明洞的基本参数 15
4.3.2围岩压力计算 15
4.3.3衬砌几何要素 17
4.3.4计算位移 18
4.3.5解力法方程 26
4.3.6计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力 27
4.3.7计算最大抗力值 28
4.3.8计算衬砌总内力 29
4.3.9内力图 29
4.4衬砌验算 30
4.5本章小结 34
第5章衬砌设计 35
5.1概述 35
5.2衬砌结构计算(深埋) 36
5.2.1围岩压力计算 37
5.2.2衬砌几何要素 37
5.2.3计算位移 38
5.2.4解力法方程 47
5.2.5计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力 48
5.2.6计算最大抗力值 48
5.2.7计算衬砌总内力 49
5.2.8内力图 50
5.3断面衬砌验算(深埋) 51
5.4衬砌结构计算(浅埋) 54
5.4.1围岩压力计算 54
5.4.2衬砌几何要素 55
5.4.3计算位移 56
5.4.4解力法方程 65
5.4.5计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力 66
5.4.6计算最大抗力值 66
5.4.7计算衬砌总内力 67
5.4.8内力图 68
5.5断面衬砌验算(浅埋) 69
5.6本章小结 72
第6章通风照明设计 73
6.1通风设计 73
6.1.1隧道内污染的形成 73
6.1.2改善隧道内污染的途径 73
6.1.3隧道通风设计要考虑的主要问题 73
6.1.4通风方式的确定 74
6.2照明设计 74
6.2.1洞外接近段照明 74
6.2.2洞内照明 75
6.2.3照明计算 76
6.2.4应急照明 79
6.3本章小结 80
第7章隧道防排水设计 81
7.1防水设计 81
7.1.1防排水标准 81
7.1.2防水措施 81
7.1.3复合式衬砌防水系统 81
7.1.4二次衬砌防水系统 81
7.2隧道洞内排水 82
7.2.1围岩疏导排水 82
7.2.2路侧边沟排水 82
7.2.3路面结构底部排水 83
7.3洞口与明洞防排水 84
7.3.1洞口防排水 84
7.3.2明洞防排水 84
7.4本章小结 84
第8章施工工艺 86
8.1施工方法 86
8.1.1初期支护设计与施工 86
8.1.2二次衬砌设计与施工 86
8.1.3隧道防水设计与施工 87
8.2辅助施工 87
8.3施工基本要点 87
8.4施工注意事项 88
8.5本章小结 88
结论 89
参考文献 90
致谢 92
第1章绪论
1.1选题的背景及意义
XX——XX公路地处长白山区,森林、矿产、土特产资源丰富。
地上的700多平方公里茂密的森林和肥沃的草原,900余种经济植物和数十种珍贵野生动物.XX风光如画,绚丽多姿,是北疆生态旅游名胜地人参、貂皮、鹿茸被誉为东北三宝。
盛产苹果梨、人参、鹿茸、烟叶及各种山野菜。
地下还有储量大、品种多、质地好的煤炭、石油、天然气、大理石、麦饭石、硅灰石等多种矿产为了使得本地木材和木产品向外运输更方便,同时为了满足该旅游地区及其周边旅游事业的发展,经过交通调查和当地有关部门的论证,需修一条XX公路,该公路需要跨越XX山,拟建一条隧道,减少形成,提高经济效益。
本次毕业设计确定的选题是XX山公路隧道设计,为分离式双向四车道,采用复合式衬砌。
隧道预计全长1000.2m,它的建成将翻XX山的道路缩短约3.5km,行程时间减少1.5小时。
本选题结合生产实际,与土木工程专业培养目标相符合。
能使我把所学过的有关隧道课程的基本理论和专业知识综合应用于实际隧道工程设计中,熟练掌握隧道平纵横设计、洞门计算与设计、衬砌结构计算与设计、施工方案设计、排水防水和通风照明设计,熟练绘制和阅读隧道施工图,掌握隧道设计和施工的方法;通过该隧道毕业设计,综合的培养了我应用各种手段查询资料、获取信息的基本能力和计算机应用能力,以及提高独立思考问题、分析问题和解决问题的能力,使我具有独立解决一条隧道的设计和施工的能力,提高外文翻译能力。
1.2国内外研究现状
二十多年来,中国公路建设蓬勃发展。
截至2007年底,我国公路及隧道建设规模:
公路总里程为358.37万公里,同比增长3.67%;等级公路总里程为253.54万公里,同比增长11.06%;高速公路总里程为5.39万公里,同比增长18.06%;隧道有4673座,总里程为2555.5公里,同比增长38.75%,由此可见隧道的同比增长大于公路的同比增长,表明公路逐渐向大山延伸,环保观念正深入人心,用地将更加节约。
秦岭终南山隧道是我国修建的世界建设规模最大的高速公路隧道(长2×18.02km)于2007年1月试通车,采取竖井送排式纵向通风方式,设置三座换风竖井及地下机房,竖井直径为11.5m,井深661m。
厦门翔安隧道是我国第一座钻爆法开挖的六车道海底公路隧道,工程中遇到大量软弱地层和风化槽(囊),采取了超前预注浆加固、CRD、双侧壁导坑等多种工法,隧道长5960m。
为通风与防灾,采取竖井送排式纵向通风方式,在浅海区域设置二座换风竖井。
厦门万石山地下立交隧道是目前我国第一座大型暗挖地下互通式立交,既有平面分岔结构,又有上下交叉结构。
上海崇明长江隧道为上海长江隧桥工程,全长25.5km,是六车道高速公路,采用“南隧北桥”方案,是世界上最大的隧桥结合工程之一,南侧长江隧道长2×8955m。
目前,我国公路隧道修筑技术已有长足的发展,对围岩动态量测反馈分析技术,组合式通风技术,运营交通简易监控技术,新型防水、排水、堵水技术,围岩稳定技术,支护及衬砌结构技术等都有许多成功实例,其中大部分成果已处于国内领先水平,还有一些成果已达到国际先进水平。
隧道在山岭地区可用做克服地形或高程障碍,改善线形,提高车速,缩短里程,节约燃料,节省时间,减少对植被的破坏,保护生态环境;还可用做克服落石、坍方、雪崩、雪堆等危害。
在城市可减少用地,构成立体交叉,解决交叉路口的拥挤阻塞,疏导交通,保护环境,提高社会综合效益。
在江河、海峡、港湾地区,可不影响水路通航。
修建隧道既能保证路线平顺、行车安全、提高舒适性和节约运费,又能增加隐蔽性、提高防护能力和不受气候影响。
1.3设计依据
1.3.1设计标准
(1)《混凝土结构设计规范》GBJ10-89
(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》JTJ004-2008;
(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)道围岩级别按《公路隧道设计规范》JTJ026-90。
1.3.2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双车道隧道(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。
1.3.3建筑材料
(1)混凝土
衬砌混凝土强度等级为C25;
喷射混凝土强度等级为C20。
(2)普通钢筋
箍筋及构造钢筋采HPB235钢筋;
主筋采用HRB335钢筋。
1.4拟解决的主要问题
(1)衬砌结构计算
(2)隧道洞门位置的选择
第2章XX山公路隧道总体设计
2.1XX山公路隧道工程地质资料
2.1.1地形地貌
XX山地处XX市境内,XX市位于XXXX省东部,XXX南麓,XXXX江的左岸,XXXX山脉横贯XX北部,形成屏障,南部、东部是一望无际的三江平原区。
XX的西北以完达山支脉的老龙背、将军岭为界与宝清县交界;东北以七里沁河为界与饶河县毗邻;西部以白龙山脊为界与密山市接壤;东以乌苏里江和松阿察河为界与俄罗斯联邦隔水相望。
隧道通过地段属于中低山丘,山形陡峭,为构造侵蚀或风化剥蚀地貌,地形复杂,山峰平缓,山坡坡度较小,自然坡度约为8-39°冲沟较浅,水系不发育,山脉大致呈南北走向,地面最大标高543.3m,最低为471.6m,进出口段地形平缓,为风化剥蚀缓坡,隧道区内冲沟有少量流水,植被较为茂密。
隧道最大埋深约为63.76m。
路线起止桩号分别为K10+000~K11+550,上行隧道桩号为K10+214.5~K11+214.7,下行隧道桩号为K10+212~K11+212。
隧道总长1000.2m。
地形连绵起伏,地势高差相差较大。
2.1.2区域稳定性
本地区地震基本烈度为Ⅵ度,隧道区域内无区域深活动断裂,史上也无大的地震灾害记录,地壳基本稳定,按规范规定不设防。
2.1.3地层岩性
XX山公路隧道经区域调查,属于上太古界麻山群,组成该组的主要岩性为与紫苏麻粒岩共生的黑云变粒岩、透辉石榴岩等,总厚度大于6436m。
西麻山组岩性变化较大,在XX地区主要是透辉变粒岩、斜长片麻岩、大理岩居多。
2.1.4地质构造
该地区属处于古亚洲构造域和滨太平洋构造域的接合部位、构造发展多阶段,多旋回、不平衡性明显,地壳活动性较强,因此,地质构造错综复杂。
2.1.5水文地质
XXS省地下水类型主要有松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和基岩裂隙水、冻土层孔隙裂隙水。
境内水系发达,全省共有大小河流1700多条,其中1000km以上的河流70多条,总延伸长度达198000km,主要河流有XXS,松花江,及北源嫩江,乌苏里江。
主要的湖泊有兴凯湖(中俄界河)、镜泊湖、五大连池等。
黑河地区山区以基岩裂隙水为主,山间沟谷、河谷及平原区分布有松散岩类孔隙水,中新生代坳(断)陷盆地分布有第三系、白垩系及上侏罗系的碎屑沉积岩孔隙裂隙水。
主要接受大气降水补给,以泉形式或侧向补给形式排泄。
北纬48°以北为多年冻土区,埋藏有冻结层裂隙水,受大气降水及冻土区外裂隙水深部循环补给。
全市年均降水量为500—550毫米。
2.2围岩等级的确定
根据地质调查、钻探、物探等勘察成果,得隧道沿线地质围岩情况如下表2.1。
表2.1隧道地质围岩分级表
桩号标段
围岩级别
埋深(m)
备注
K10+214.5~K10+265.1
Ⅴ
3~6.07
长50.6m
K10+265.1~K10+415.7
Ⅳ
6.07~26.28
长150.6m
K10+415.7~K10+892.5
Ⅲ
26.28.~52.48
长476.8m
K10+892.5~K11+176.5
Ⅳ
5.67~41.74
长284.0m
K11+176.5~K11+214.7
Ⅴ
0~5.67
长41.1m
6
具体工程地质情况如下:
左洞:
1、在K10+214.5~K10+265.1,K11+176.5~K11+214.7段,碎石土,岩体为散体状结构。
结构面发育无序,主要结构面的结合程度很差,绝大部分张开,有泥质充填,形成许多极破碎岩体与松散结构。
2、在K10+265.1~K10+415.7,K10+892.5~K11+176.5段,强风化大理岩,岩体为碎裂状结构构造影响严重,多数为断层影响带或强风化带。
结构面发育,一般为三组以上。
平均间距0.2—0.4m,大部分微张,部分张开,有泥质充填,形成许多碎块体。
3、在K10+415.7~K10+892.5,段,弱风化大理岩,岩体为碎裂镶嵌结构,构造影响重;结构面发育,一般为三组以上,平均间距0.2—0.4m,以构造节理为主,节理面多数闭合,少数泥质充填,块体间牢固咬合。
本设计左洞与右洞基本相似。
2.3XX山隧道选址
2.3.1隧道选址原则
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。
2.3.2XX山隧道选址
根据隧道选址的原则,结合本地段的地形地质情况,本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。
2.4隧道洞口选择及线型设计
2.4.1洞口选择和线型设计的原则
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、如果是长隧道,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。
如果不满足要求时,应以大角度斜交进洞为宜。
2.4.2洞口位置的选择
根据洞口的选择原则,结合地质图,本隧道洞口段均位于坡积层上,且坡度较缓,围岩较差,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,将上行线入口端洞口设在K10+214.5处,标高设计为PH=467.8m,出口端洞口设在K11+214.7处,标高设计为PH=476.92m;下行线入口端洞口设在K11+212处,标高设计为PH=477.5m,出口端洞口设在K10+212处,标高设计为PH=468.4m。
综合隧道地址和洞口位置的选择,该隧道的上、下行线桩号为:
上行洞,K10+214.5~K11+214.7;下行洞,K10+212~K11+212。
左右线平面均设为直线。
2.5隧道纵断面设计
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行车安全性、环境保护、施工作业效率和排水要求。
隧道的内外纵线形应协调,以满足行车的安全、舒适要求。
根据XX山的地形情况,根据“早进洞晚出洞的”的原则,避免大挖方、大添方,保持自然山形,减少对环境的破坏。
XX山公路隧道是属于长隧道,入口与出口存在一定高度差并考虑到施工作业效率,以及施工技术难度等原因,决定该隧道采用单坡,坡度设置如下:
上行洞:
K10+214.5~K11+214.7为0.91%的上坡;下行洞:
K11+212~K10+212为0.91%的下坡。
2.6隧道横断面设计
2.6.1建筑限界
XX山隧道的建筑限界按100km/h时速进行设计,建筑限界取值确定见图2.1:
图2.1建筑限界图(单位:
cm)
建筑限界横断面宽度见表2.2:
表2.2建筑限界设置(单位:
m)
设计速度
km/h
车道宽度
m
侧向宽度
检修道J
顶角宽度
左侧
右侧
左侧
右侧
左侧
右侧
100
2×3.75
0.50
1.00
0.75
1.00
0.50
1.00
2.6.2内轮廓设计
XX山公路隧道除满足隧道建筑限界的要求外,还考虑到洞内路面、排水、检修道、通风、照明、消防、内装、监控等设施所需要的空间,采用工程类比法结合其他工程实践确定安全、经济、合理的断面形式和尺寸。
隧道内轮廓横断面设计如图2.2所示。
图2.2Ⅳ级围岩隧道内轮廓图(单位:
cm)
XX山公路隧道按一级公路设计,全长1000.2m,为长隧道,因而需要设置紧急停车带,如图2.5所示。
在整个隧道中,设置了两个人行横通道(图2.3所示),一个车行横通道(图2.4所示)。
图2.3人行横通道轮廓图(单位:
mm)
图2.4车行横通道轮廓图(单位:
mm)
图2.5紧急停车带轮廓图(单位:
cm)
2.6.3紧急停车带
XX山公路隧道长为1000.2m属于长隧道,所以行车方向的右侧设置紧急停车带。
紧急停车带的位置在上行线设在K10+711,在下行线设在K10+827.9处。
停车带的路面横坡取为水平。
紧急停车带的建筑限界如图2.6所示,紧急停车带的宽度和长度如图2.7所示。
图2.6紧急停车带建筑限界图(单位:
cm)
图2.7紧急停车带的宽度和长度图(单位:
m)
2.6.4横向通道
上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应该设置横向通道。
车行通道间距设置为750m,与紧急停车带对应布置,其建筑限界如图2.8所示;人行通道间距设置为350m,其建筑限界如图2.9所示。
图2.8车行横通道建
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