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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 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 毕 业 设 计 任 务 书 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（GBJ10-89）；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 13 周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告；第 46 周：结构设计检算并绘制相应图纸；第 79 周：施工方案及爆破设计；第 1014 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 毕业设计开题报告 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 13 周：熟悉资料，查阅文献，外文翻译，写出开题报告；第 46 周：结构设计检算并绘制相应图纸；第 79 周：施工方案及爆破设计；第 1014 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 摘 要 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.Keywords:High speed Railway tunnel NATM Structure calculation Blasting design Monitoring measurement 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 研究背景 1 1.2 国内外研究现状 1 1.3本设计主要内容 2 第 2 章 卢家山二号隧道概况 3 第 3 章 结构计算 4 3.1 二衬结构计算原理 4 3.2荷载计算 4 3.2.1 荷载计算公式 4 3.2.2 荷载计算 6 3.3衬砌内力计算 7 3.4二次衬砌强度检算及配筋 11 3.4.1强度检算公式 11 3.4.2强度检算及配筋 13 3.5隧道的结构形式以及支护参数 14 第 4 章 隧道施工 16 4.1 总体方案 16 4.2 开挖方法和工序 16 4.2.1 明挖法 16 4.2.2 CRD法施工 17 4.2.3 台阶法施工 19 4.3 爆破设计 19 4.3.1 级围岩段爆破设计 19 4.3.2 级围岩段爆破设计 22 4.3.3 钻爆施工 25 4.4 装渣与运输 26 第 5 章 施工工艺 27 5.1 超前地质预报 27 5.2 监控量测 27 5.2.1 量测目的 27 5.2.2 监控量测项目 27 5.2.3 监控量测的主要设备 28 5.2.4 监控量测流程 28 5.2.5 监控量测测点布置、量测断面 29 5.2.6 围岩压力和两层衬砌间压力量测 31 5.2.7数据分析与反馈 31 5.3超前注浆小导管 31 5.3.1 超前小导管设计参数 32 5.3.2 超前小导管施工 32 5.4 初期支护 32 5.4.1 喷射混凝土 32 5.4.2 锚杆 34 5.4.3 钢筋网 36 5.4.4 格栅钢架 37 5.5二次衬砌 38 5.5.1二次衬砌施工概述 38 5.5.2 二次衬砌施工准备工作 39 5.5.3 混凝土的灌注、养护与拆模 40 5.6 隧道防排水设计 40 5.6.1 洞口防排水 40 5.6.2 洞内防排水 40 第 6 章 结论 44 参考文献 45 致 谢 46 附录 A 外文翻译资料 47 A.1英文 47 A.2译文 51 附录B 图纸 55 石家庄铁道大学毕业设计 1 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。石家庄铁道大学毕业设计 2 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。石家庄铁道大学毕业设计 3 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0.51m，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+342DK136+371为 V 级围岩段，长 29m。石家庄铁道大学毕业设计 4 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 卢家山二号隧道级围岩、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 (2 2.5)pqHh 式中pH 深浅埋隧道分界的深度 qh 等效荷载高度值 系数 22.5 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 hHp 时为深埋，qhhpH时为浅埋，hqh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）1qh0.45 2sqrrw 石家庄铁道大学毕业设计 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 B5m，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 III IV V 均布压力 0.15q(0.150.3)q(0.30.5)q(3)当隧道为浅埋时，分两种情况 我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度qh时（即hqh时），围岩垂直均布压力为 qh 式中围岩容重；h隧道埋置深度。围岩水平均布压力 e按朗金公式计算 e=（q0.5Ht）tan2（450.50）我国铁路隧道设计规范推荐，当隧道埋深h大于等效高度qh（即 hqh）时，围岩的垂直均布松动压力q计算为：q=hk 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0 值 围岩级别 0.90（0.70.9）0（0.5 0.7）0（0.3 0.5）0 0 6070 5060 4050 3040 20000(tan1)tantantantantantanhB000tantantan1tan(tantan)tantan石家庄铁道大学毕业设计 6 求围岩水平松动压力 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 1eh 2eH 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。qh=0.452S-11+i(B-5)=13.4208m hqh,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=（q0.5Ht）tan2（0450.5）=（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。qh=0.452S-1 1+i(B-5)=6.832m 令pH=2.5qh=17m h=16.5pH，按浅埋计算 选 取DK136+250里 程 处 断 面，h=16.5m，选 取=23 kN/m3 0=55 ，00.8=44O，tan551.428 ，tan440.966 =4.496 =0.1543 围岩竖向压力：=311.101 kN/m2 水平方向压力：121()2eee45220000(tan1)tantantantantan000tantantan1tan(tantan)tantan2tan()hqr hB石家庄铁道大学毕业设计 7 按梯形分布 1eh=58.21 kN/m2 2eH=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 qh=0.452S-1 1+i(B-5)=3.4m pH=（22.5）qh=6.8 8.5m 所以按深埋计算：取=23 kN/m3 围岩竖向压力：q=qh=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 qh=0.452S-1 1+i(B-5)=13.4208m h0.2h 时，由抗拉强度控制承载力，不必检算抗压。混凝土矩形截面的大偏心受压构件（x0.55h0），其截面强度按下列公式计算：()WgggKNR bxRAA 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)。钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件（x0.55h0），其截面强度应按下式计算：。2000.5()aggKNeR bhR Aha 01.7561lR bhKNeh0()(/2)gggWRA eAeR bx ehx 0()ggKNeR Aha石家庄铁道大学毕业设计 13 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-表 3-7 钢筋混凝土结构的强度安全系数 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 表 3-8 混凝土极限强度（MPa）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 3.4.2 强度检算及配筋 各级围岩二衬结构需检算各节点的安全系数，首先由aKNR bh 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 01.7561lRbhKNeh石家庄铁道大学毕业设计 14 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%bh=900mm2。采用对称配筋，取每侧4根20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10250，箍筋采用 8250。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 经检算，以上配筋量对应的安全系数均能满足规范要求，故可采用上述配筋。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%bh=1000mm2。采用对称配筋，取每侧 4 根22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12250，箍筋采用 10250。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 经检算，以上配筋量对应的安全系数均能满足规范要求，故可采用上述配筋。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 石家庄铁道大学毕业设计 15 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/m)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)1.2 全环/15 拱墙 3.0 1.2 1 25 25 拱部 40 55/5 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 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 注：表中带者为钢筋混凝土；所有仰拱喷射混凝土中均掺加合成纤维；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。石家庄铁道大学毕业设计 16 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 0.51m，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：准确定出洞口的位置，按设计放出边、仰坡及洞脸开挖边线。洞口土石方开挖前，施工洞顶截水沟，拦截地表水。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。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。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。石家庄铁道大学毕业设计 17 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：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。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。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。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。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放样 施工洞顶截水沟 刷坡 清除坡面浮土、浮石 钻孔、安装22 砂浆锚杆 初喷 4cm 混凝土 铺设第一层钢筋网喷射混凝土 铺设第二次钢筋网 喷混凝土至设计高度 石家庄铁道大学毕业设计 18 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。图 4-2 CRD 法施工工艺流程 1 超前地质预报 2 测量放线 3 隧道顶部超前小导管注浆加固 4 左侧上部开挖与初期支护，设置临时仰拱 5 左侧中部开挖与初期支护，设置临时仰拱 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 8 左侧仰拱开挖 9 右侧仰拱开挖 10 拆除中隔壁和临时仰拱 11 浇筑仰拱施作二次衬砌 石家庄铁道大学毕业设计 19 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 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 石家庄铁道大学毕业设计 20 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。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 qSN=1.2 45.370.5 0.78=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=（1015）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 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 qSN=0.9 65.040.5 0.78=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 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qSN=1.0 30.280.5 0.78=77.64，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。石家庄铁道大学毕业设计 21 上台阶装药量计算 按装药体积公式计算：Q1=qV=1.245.36 30.93=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=0.553.20.2=8.8，实际取 9 卷 单孔装药量=90.15=1.35kg 35 个周边眼：单孔装药卷数=0.4530.2=6.75，实际取 7 卷 单孔装药量=70.15=1.05kg 26 个底眼：单孔装药卷数=0.453.20.2=7.2，实际取 7 卷 单孔装药量=70.15=1.05kg 71 个辅助眼：单孔装药卷数=0.4530.2=6.75，实际取 7 卷 单孔装药量=70.15=1.05kg Q2=8 1.35+351.05+261.05+711.05=149.4kg Q1 与 Q2 值基本一致。中台阶装药量计算 按装药体积公式计算：Q1=qV=0.9 65.04 30.93=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=0.4530.2=6.75，实际取 7