学士学位论文--青岛地铁某隧道断面支护设计.doc
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1、山东科技大学学生毕业设计(论文)摘 要随着城市快速经济的增长及人口的高度集中,城市隧道及地下工程的修建日益迫切。但是城市隧道的建设面临一系列的问题,软弱围岩就是其中之一。所以本次设计的主要目的就是解决目前在软弱围岩隧道施工中的各种难题,控制隧道在开挖过程中的变形和围岩松弛,减少施工临时支护,防止坍塌,改善和提高现有技术水平。本设计题目是青岛市地铁一期工程(3号线)中山公园站2号风道支护,主要设计内容有:二次衬砌荷载的计算和配筋,初期支护设计,施工管理,监测方案等。为有效控制隧道工程安全风险,避免或减少坍方事故发生,应以“充分调动围岩的承载能力,有效控制围岩变形和松弛”为设计理念,按新奥法原理进
2、行软弱围岩隧道设计。软弱围岩隧道具有自稳差、易坍塌的工程特点,因此在这类围岩中施工必须根据隧道开挖后可能产生的变形实态,采取相应应对措施,如:采取控制地表面下沉及拱脚下沉的技术;大管棚超前支护等: Pre-grouted big tube canopy 。关键词:软弱围岩隧道;新奥法;变形;施工管理AbstractWith rapid growth of urban economy and concentration of population, it becomes urgent to construct urban tunnel and underground projects. But
3、urban tunnels construction faced a lot of problems; soft rock is just one of them. So the main purpose of this design is to deal with the different problems in construction of tunnels in soft rock, control the deformation and the relaxation of wall rock in tunnel excavation process, reduce the const
4、ruction temporary support, to prevent collapse, improving and enhancing the technical levels of existing. The designed topic is Qingdao subway (line 3) zhong shan park station 2# ventilation tunnel support, the paper includes: lining load calculation; primary support design; reinforcement calculatio
5、n of the secondary lining of tunnel; construction management; the monitoring plan; etc.For effective control of tunnel construction safety risk, avoid or reduce a cave-in occurred, we should use The New Austrian Tunneling Method in design of tunnels in soft rock based on the design methodfully mobil
6、ize the bearing capacity of wall rock, to effectively control its deformation and relaxation. The soft and weak rock tunnel has project characteristics of poor stability and easy collapse. So construction must be based on the tunnel excavation in this type of surrounding rock deformation may be prod
7、uced after the solid state and adopt corresponding technical countermeasures, such as: Take the control of ground surface subsidence and the arch feet sink technical countermeasures and so on; Pre-grouted big tube canopy. Keywords: Tunnels in soft rock; Support in advance; New Austrian Method; Const
8、ruction management目 录第1章 绪论11.1研究目的和意义11.2软弱围岩隧道施工问题21.3研究思路和方法31.4研究内容4第2章 工程概况62.1工程简介62.2自然地理概况62.3工程地质72.4水文地质102.5工程地质条件评价102.6地层物理力学参数11第3章 初期支护设计143.1支护类型143.2.设计方法143.2.设计参数15第4章 二次衬砌受力计算164.1围岩压力164.2荷载确定254.3衬砌断面几何要素264.4位移计算294.5解力法方程364.6最大抗力值的求解364.7拱部各截面弯矩、轴力计算374.8边墙内力和弹性抗力的计算384.9内力图
9、41第5章 二次衬砌的配筋计算425.1最大正弯矩截面435.2最大负弯矩截面45第6章 施工管理496.1综合说明496.2施工组织机构及施工队伍安排51第7章 隧道监测方案637.1编制依据637.2监测目的637.3监测项目647.4监测作业657.5监测管理68第8章 专题设计地铁盾构法隧道70参考文献96附录97致谢1085第1章 绪论1.1 本课题的研究目的和意义1.1.1 研究目的随着城市快速经济的增长及人口的高度集中,城市隧道及地下工程的修建日益迫切。但是城市隧道的建设面临一系列的问题,软弱围岩就是其中之一。所以本次设计的主要目的就是解决目前在软弱围岩隧道施工中的各种难题,控制
10、隧道在开挖过程中的变形和围岩松弛,减少施工临时支护,防止坍塌,改善和提高现有技术水平。1.1.2 理论意义本课题设计中有许多技术难题和不良地质段的施工难题,这些问题的解决可以为我们未来更多的软弱围岩隧道建设提供经验和技术借鉴。重点在于支护方案的选择与支护参数的确定,衬砌结构断面优化与防排水方案,难点在于穿越不良地质段的施工措施和超前预支护方案的确定等。在设计的过程中将加深对自己所学的弹性力学、结构力学、土力学、岩石力学、混凝土设计等课程的理解。同时掌握相关的计算工具和软件(mat lab 、cad、office),培养分析、解决问题的能力,结合工程实际,熟悉相关的国家规范和标准,提高自己的专业
11、素质和能力。1.1.3 实践意义青岛市地铁一期工程(3号线)中山公园站的建成将是中国软弱围岩隧道又一个成功的实践,为以后软弱围岩隧道的施工和重要问题的解决提供了可参考的实际例子,为相关理论的发展提供了实践基础,推动了学科的丰富,促进了施工及其理论的进一步发展01.2 软弱围岩隧道施工主要技术问题隧道软弱围岩就是用通常的初期支护及简易的小导管支护不能控制开挖后的围岩变形,而需要采用“有针对性地控制变形对策”(即所谓的辅助工法)的围岩。隧道开挖后,地应力将重新分布。由于软岩强度较低,对工程扰动极其敏感,在受拉或受压条件下将产生塑性区,使围岩和支护发生变形。一旦施工方法和工程措施不当,将极易发生初期
12、支护变形侵限或者隧道塌方等工程灾害。从隧道开挖后的围岩变形看,在软弱围岩中开挖,经常出现以下力学现象,如:1、拱顶崩塌;2、掌子面失稳;3、底鼓现象严重;4、长时间的持续变形,或变形不收敛;5、初期支护严重变异;6、在富水条件下出现异常涌水,围岩流失等。综上所述,在软弱围岩地质条件下,围岩变形的终极结果是造成现掌子面崩塌、拱部坍塌以及各种异常现象。因此在这类围岩中施工必须根据隧道开挖后可能产生的变形实态,采取相应的技术对策,如:1、采用预支护(加固)方法控制掌子面前方先行位移以及掌子面挤出位移的对策;2、采取控制地表面下沉及拱脚下沉的技术对策;3、采取控制掌子面后方测量位移的对策;4、采取控制
13、地下水的技术对策;5、采取有针对性的观察、测量、前方围岩探查等技术对策。我国铁路隧道施工技术指南(TZ 2042008),规定了特殊岩土和不良地质地段隧道施工的原则,这些隧道包括以下围岩条件下的隧道。1、富水软弱破碎围岩;2、岩溶;3、风积砂和含水砂层;4、膨胀岩;5、瓦斯;6、挤压性围岩等。此外,在围岩强度应力比很小的地质条件下,也常常具有上述的复杂地质特性。1.3 研究的思路和方法软弱围岩隧道的支护问题,在研究思路与方法上要利用工程类比和理论计算相结合的,并且以手算为主,并结合计算机软件进行校核,最后对设计成果加以检验。在研究思路和方法上主要运用以下知识:1.3.1 支护方案的选择针对工程
14、的实际情况,综合考虑围岩性质、支护设备和材料、工程造价以及场地的施工条件等各方面的信息,并且通过典型工程对比,选择合理的支护方案。对于软弱围岩,需进行超前支护。1.3.2 围岩压力的计算通过所给的地质资料和围岩性质,运用合理的理论计算模型和规范对隧道的围岩压力进行计算。采用手算和计算机软件校核的方法,准确计算围岩压力。1.3.3 衬砌受力的计算围岩压力采用荷载结构设计模式计算,这种模式是假定已知地压荷载和地层对结构变形的约束抗力的条件下,按弹性地基上杆件系统的结构力学原理进行衬砌内力计算。此设计中采用力法计算。1.3.4 支护参数的确定支护方案确定以后,必须合理选择支护参数。通过计算和典型工程
15、类比选择合理的支护参数,不仅可以节省支护材料,实现经济施工原则,还可以使隧道断面更加合理,达到良好的支护效果。1.3.5 支护效果验算和数值模拟支护效果的验算是保证工程能顺利进行的一个很重要的方面。支护效果验算不仅是简单的对数据的核算,更是发现问题的很重要步骤。在该阶段,采用数值模拟手段进行验算,不仅可以检验理论解的正确性,而且可以进一步揭示衬砌与围岩之间的受力特性。1.4 本课题的主要研究内容 我的研究课题“青岛市地铁一期工程(3号线)中山公园站2号风道支护设计”,是一个比较完整的实际工程的支护组织施工设计,该课题的主要研究内容分为以下几个方面:1.4.1 隧道围岩压力以及衬砌受力的计算 对
16、隧道而言,围岩压力及衬砌受力的计算是隧道设计中非常重要的问题,因为它直接关系到隧道开挖后初次支护方案的选型、注浆加固圈的厚度,以及具体的支护参数的确定。1.4.2 支护形式的对比和选型 现阶段隧道的支护方案有许多种,目前常用的支护方式有钢拱架支护、锚杆支护、喷射混凝土支护、管棚支护、整体式混凝土支护、复合式支护等形式。1.4.3 初期支护参数的确定 根据计算确定合理的支护参数不仅可以大量节省工程费用,而且能达到良好的支护效果,使隧道在结构设计上更加合理。在该过程我决定采用手算和计算机软件校核相结合的方法确定最优化的支护参数来达到安全支护的目的。1.4.4 经济和安全问题 合理的支护形式、支护参
17、数和支护材料可以节省工程开支,开挖时运用机械设备出渣,自动化施工可以使工程具有经济性,合理进行施工组织安排也可以达到经济施工的目标。施工过程中还应该提前预测不安全因素,并且制定相关预案。同时运用超前地质预报系统,对前方的地质条件进行提前勘测,施工中采用先进的技艺,如先进混凝土的运用、喷锚支护等技艺的运用,也会保证整个隧道施工的安全,从而避免事故的发生。第2章 工程概况2.1 工程简介本工程为中山公园站车站工程,车站起点里程为K3+584.178(右线),终点里程为K3+760.878(右线),全长176.7m,本站埋置深度为1012m,围岩级别为级,采用单拱直墙暗挖断面,大拱脚拱盖法施工、钻爆
18、法开挖,结构采用全包防水。车站位于八大关建筑群及天泰体育场附近,全长均为减震断面。本站设置两座风亭,三座出入口,均为暗挖结构,车站由风道向车站中心施工。本站2号风道综合考虑建筑功能和暗挖车站施工因素,设计为双层暗挖风道。风道风井深约25m,考虑到兼做施工竖井,井口开挖尺寸2.5m11.7m,风道开挖宽度9.7m,高13.5m,采用拱顶直墙断面,复合式衬砌结构。2.2 自然地理概况2.2.1 地理位置及交通概况 中山公园站车站工程位于天泰体育场南侧,香港西路北段,车站范围内有荣成路、韶关路与香港路交汇,交通流量大,车站上方为北舰司操场,车站周围无高大建筑物,车站北侧临近青岛中山公园,有市政管线从
19、香港西路下方通过。2.2.2 地形地貌 本场地地貌形态为剥蚀斜坡,地势较平坦,场地地面标高为14.4016.61m。2.2.3 气候特征 市南区地处北温带季风区域,属温带季风气候;由于海洋环境的直接调节,受来自洋面上东南季风及海流、水团的影响,故又具有显著的海洋性气候特点。空气温润,雨量充沛,温度适中,四季分明。春季气温回升缓慢,较内陆迟1个月;夏季温热多雨,但无酷暑,冬季风大温低,但无严寒,持续时间较长。据2002年测定,最热的7月份,平均气温25.3,秋季天高气爽,降水少,蒸发强;最冷的12月份,平均气温零下1.9。年平均降雨量424.6毫米。 2.2.4 地震烈度及动参数按照国家标准建筑
20、抗震设根据国家标准建筑物抗震设计规范(GB50011-2001)2008版附录A,青岛市区抗震防烈度为6度,设计基本地震加速度值为0.05g,设计地震分组为第二组。2.3 工程地质根据青岛市建委推广的青岛市区第四系层序划分标准地层层序编号,依据野外钻探资料,本区共揭示了6个标准层,划分了13个亚层,地层有新到老、自上而下分述如下:2.3.1 第四系(Q) 第四系(Q)主要有全新统人工填土(Q4ml)、全新统冲洪积层(Q4al+pl)、上更新统冲洪积层(Q3al+pl)组成,描述如下: 1、第四系全新统人工填土(Q4ml) 第层杂填土:杂色,松散,揭露层厚:0.502.50m,平均:1.48m。
21、 第1层素填土:褐色、黄褐色,松散,厚度0.502.90m,平均厚度1.46m。 2、第四系上更新统冲洪积层(Q3al+pl) 第层粉质粘土:黄褐色褐黄色,可塑硬塑状,厚度:1.504.10m,平均:2.79m。 第层含沙粘性土:黄褐色,硬塑状为主,厚度:0.404.60m,平均:2.19m。2.3.2 基岩基岩主要为燕山晚期(53)侵入花岗岩为主,部分燕山晚期(53)侵入脉岩,岩性主要为花岗斑岩,呈脉状穿插其间,与不同岩性接触带见有糜棱岩、碎裂岩,描述如下: 1、燕山晚期花岗岩(53)按风化程度划分为强风化岩带、中风化岩带和微风化岩带,各带(亚带)的工程特征详细描述如下:第上层强风化花岗岩上
22、亚带:浅肉红色黄褐色,结构构造已大部破坏,揭露厚度:1.402.70m。该层岩石坚硬程度为极软岩,岩体完整程度为极破碎,岩体基本质量等级为级。第中层强风化花岗岩中亚带:浅肉红色,结构构造已大部破坏,厚度为:2.209.80m,平均层厚5.73m。该层岩石坚硬程度为极软岩,岩体完整程度为极破碎,岩体基本质量等级为级。第下层强风化花岗岩下亚带:浅肉红肉红色,结构构造已破坏,层厚度为:1.007.20m,平均层厚3.68m。该层岩石坚硬程度为极软岩,岩体完整程度为极破碎,岩体基本质量等级为级。第层花岗岩中风化带:肉红色,粗粒结构,块状结构,节理裂隙发育,以构造、风化裂隙为主,层厚度为:1.7014.
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