1、兰州交通大学随到毕业设计 目录1. 工程概述 31.1.工程概况 31.2.工程地质与水文地质 31.3.岩石物理力学性质特征 51.4.隧道围岩分类 61.5 隧道设计标准与依据 82.隧道总体设计 82.1.隧道设计的一般规定 82.2.隧道线形设计 92.3.隧道横断面设计 93.洞门结构设计 103.1.牛湖山隧道大涌端洞门设计 103.2.牛湖山隧道小桂端洞门设计 164.衬砌结构内力计算与结构设计 224.1.初次衬砌设计 224.2.二次衬砌设计 325. 隧道施工方法与施工组织设计 525.1.施工原则与施工方案 525.2. 隧道施工方案 525.3.施工方法 535.4.施
2、工支护 575.4.施工机械与人员组织 615.5.质量保障体系 635.7. 安全文明施工管理 656.隧道附属设施设计 696.3.隧道内其他辅助设施及建筑物 736.4 电缆槽的设计 757.隧道监控测量设计 757.2.隧道监控测量内容和方法 76参考文献 ： 81谢辞 82牛湖山隧道工程(左线) 结构与施工组织设计1. 工程概述1.1.工程概况牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路，为分离式单向行车双洞隧道。左洞长 1241米, 右洞长 1356 米,标段分别为（K42+145-K43+386） ， （K42+109-K43+465 ） ，隧道纵坡为人字坡，坡度 1.5%，竖曲线半径 R=1
3、7000m，最大埋深约 192 米。隧道根据公路工程技术标准 ，进出口部分的交通组织拟采用划线方式组织车流，以保证交通安全。1.2.工程地质与水文地质1.2.1 地形地貌牛湖山隧道起于惠州澳头镇大涌，止于小桂村，隧道轴线走向 SW200，隧道进出口处交通不便，从大涌至小桂陆路仅有翻越牛湖山的山间崎岖小道，现在一般很少有人走，而大多从海上由澳头港乘船绕过小鹰嘴往返两地。隧道穿越的牛湖山，最大高程 212 米，最低 9 米，高差达 200 余米，为低山重丘区。隧道沿线地表植被十分发育，尤其是进出口近坡脚段，草木繁茂，通视十分因难，主要为杂木、茅草等，山腰至山脊则为人工种植林，主要为松树等。该山为单
4、斜山，自然坡角一般为 1530 ，沿线地貌包括构造侵蚀，沉积和重力等地貌类型，具体分为单斜山、山坡、垭口、剥蚀残丘、冲蚀沟，洪积扇和坍塌堆积等微型地貌单元。1.2.2 地层岩性据地质调查，钻探和物探等勘察工作成果，隧道沿线在部分地段第四系覆盖层较薄，尤其沿侵蚀沟基岩露头较多，地层由新到老分述如下：1.2.2.1 第四系全新统（ ）种植土：暗褐、黄褐色，松软，勘察区内局部分布，厚度约 0.5m。亚粘土：黄、黄褐色、浅棕红色，可塑硬塑状态，分布于冲沟处，厚度2.00m。碎石土：浅紫红色，松散稍密，由砾岩碎块及亚粘土组成，其中砾岩碎块约占60%，少量略具磨圆，亚粘土约占 40%。主要分布于山坡及冲沟
5、两侧，厚度约12m。1.2.2.2.白垩系官草湖组（ ）紫红色砾岩：中厚厚层状，粒径一般为 25cm，多为铁质或硅质胶结，中等磨圆度，强度较大，总厚度较大，呈层状分布，其中常夹有紫红色砂岩、页岩。其产状倾向为北东或北北东，倾角 30左右。紫红色砂岩：铁质胶结，中、粗砂质结构，中厚层状构造，呈夹层分布于紫红色砾岩中，每一夹层厚 23m，强度中等。其产状与砾岩相同，紫红色页岩：厚度较小，铁质胶结，强度低至中等，呈夹层出现，每一夹层厚度一般2m，其产状与砾岩相同。1.2.2.3.晚侏罗系南山村组（ ）沉火山角砾岩：一般为紫红色，角砾状结构，层状构造，硅质胶结，中厚层厚层状。砾石主要成分为石英、岩屑等
6、。岩层倾向以北东、北北东为主，北西次之，倾角 3078 。1.2.2.4.晚侏罗系热水洞组（ ）霏细岩：青灰色，主要位于隧道小桂端下部，岩性较为坚硬完整，岩芯呈长柱状，厚度较大。上述地层经风化作用，自地表向下形成不同风化程度的风化岩：强风化层：浅紫红色，浅灰绿色，节理裂隙极发育，裂隙面呈张开状，浅层填充泥质、铁质，岩石极破碎，岩性软硬不均，广泛分布，一般厚度10m ，出口端山坡上厚度较大，钻孔揭露厚度为 2.10m。弱风化层：浅紫红色、灰绿色，出口端节理裂隙较发育，局部石英脉发育，岩质较硬，该层钻孔揭露最大厚度为 6.90m；进口端岩质软硬不均，节理很发育，岩石较破碎，岩芯呈短柱状，钻孔揭露厚
7、度为 5.00m。微风化层：浅紫红色、浅灰绿色，岩石坚硬完整，岩芯呈短柱状、长柱状，厚度很大。1.2.3.地质构造物探工作资料表明隧道区域存在 5 条规模较小的含水断层，其中与隧道相交影响较大的为 F2、F3 、F4 三条断层。F2 断层走向 EW，倾向 NW，与隧道左、右线分别交于 K42380m 和 K42450m；F3 断层走向 NW，倾向 SW，与隧道左、右线分别交于 K42648m 和 K42620m；F4 断层走向 NW，倾向SW，与隧道左、右线分别交于 K42990m 和 K42+950m。1.2.4.区域地质及地震根据 15 万澳头幅区域地质调查报告和区域地质图分析，该工作区区
8、域主要构造形迹为北东及北西向，其中区域性大断裂北东向的小桂坳断裂在工作区外，只有北西向的海尾断裂穿过隧道工作区，隧道方向与断层走向斜交。据平面工程地质调查及钻孔资料分析，区内无新构造运动形迹。勘察区段地层为单斜构造，岩层产状为 30652578，岩层走向与隧道轴向大角度斜交。根据国家质量技术监督局于 2001 年 2 月 2 日发布的中国地震动参数区划图查得：隧道区地震动反应波谱特征周期值为 0.4S；地震动峰值加速度为 0.1g，参照其附录 D，对应地震基本烈度为 度区。1.2.5.水文地质条件该区水文地质条件较简单，地下水主要为基岩裂隙潜水，有少量第四系孔隙潜水。基岩裂隙潜水赋存于裂隙和层
9、理中，其补给来源主要为大气降水，虽然地表裂隙发育但深部围岩节理发育中等，且多为半闭合状，透水性较差。其导水构造主要为次级断裂构造和节理的交叉复合部位。大涌及小桂两端冲沟中均见有较多地下水出露。其中小桂端冲沟中出露的地下水已被作为生活用水，大涌端冲沟中出露的地下水一直用作生产和灌溉用水。由此表明该区域地下水对混凝土无腐蚀性。1.3.岩石物理力学性质特征在现场钻探取样的基础上，对不同岩性不同深度的样品进行了相关的物理力学性质试验，其物理力学指标详见岩石物理力学性质试验结果表。表 1-1 岩石物理力学性质试验结果表岩石名称 编号 取样位置 取样深度（m） 物理性质试验项目 力学性质试验项目天然容重干
10、容重 吸水率 饱和抗压强度 MPa 弹性模量 103MPa霏细岩 47 ZK2 26.70 26.7 27.2 83.5 60.349 ZK2 31.20 27.1 28.7 87.9 52 ZK2 37.95 27.2 29.2 106.5 续 1-1砾岩 13 ZK1 10.50 25.1 27.2 17.4 15.923 ZK1 17.00 24.7 25.6 17.2 35 ZK1 27.00 27.5 27.7 53.8 砂岩 30 ZK1 24.20 27.9 28.1 27.7 5.331 ZK1 24.50 26.0 27.2 14.7 页岩 39 ZK1 31.50 28.3
11、 29.7 20.0 12.040 ZK1 32.00 27.6 28.8 23.2 41 ZK1 32.80 29.1 29.8 32.0 沉火山角砾岩 44 ZK2 6.20 24.2 24.9 25.4 18.745 ZK2 8.50 24.9 25.0 28.2 46 ZK2 11.30 26.5 27.5 46.8 1.4.隧道围岩分类1.4.1.岩石等级划分：根据野外地质调查结合室内岩石试验成果可知，该隧道地段主要为沉火山角砾岩，其次在隧道大涌、小桂两端分别主要为砾岩夹砂岩、页岩和霏细岩。岩块的饱和抗压极限强度 Rb 多介于 17.2MPa133.6MPa，依岩性和风化程度而异。未
12、风化的霏细岩为 83.5MPa133.6MPa ，其中含微裂隙者稍低，但均属硬质岩类，其围岩为级。具有裂隙的强风化砾岩其强度为17.2MPa17.4MPa，强风化的砂岩饱和强度为 14.7MPa，强风化的页岩则更低，其围岩类别为级；而弱风化的砂岩饱和极限抗压强度为 27.7MPa，未风化的页岩强度为 31.5MPa32.8MPa，其围岩类别为级。而分布广泛的沉火山角砾岩、砾岩等其强度在 50MPa60MPa 左右，其围岩亦属级。因此本隧道围岩大部分地段为级和级。1.4.2.左、右洞大涌端及洞身受地质构造影响轻微，节理裂隙虽较发育，但围岩地质构造变动较小，故围岩受地质构造影响程度的等级为轻微较重
13、，左、右洞小桂端及附近洞身受地质构造影响较重，节理极发育，在小桂坳断裂附近，存在有次级断层，围岩地质构造变动较大，故围岩受地质构造影响程度的等级为较重。1.4.3.隧道左、右线大涌端及近洞身处主要发育两组张性裂隙，平面上呈“X”型，节理宽约 510mm，少量泥质填充，其成因主要为风化型节理，近地表较发育，节理发育程度为较发育；左、右洞小桂端及近洞身处发育节理多于 4 组，呈网格状，多数间距小于 0.50m，微张开状，少量泥质填充，近地表以风化型节理为主，深部则以构造型节理为主，节理发育程度为极发育。1.4.4.左、右洞大涌端及近大涌端洞身砾岩为中厚层状、厚层状，间夹砂岩及页岩；左、右洞小桂端及
14、小桂端洞身沉火山角砾岩与霏细岩为中厚层状、厚层状。1.4.5.根据钻孔揭露及物探资料，隧道左、右洞全线地表均分布有厚度不等的风化岩和残、坡积层，其中低凹平缓处厚达 12m 左右，山坡陡峻处厚 4m 左右。大涌端近洞口段强风化中厚层状砾岩夹砂、页岩厚度 1.02.80m ，弱风化中厚层状砾岩厚度 3.00m 左右；大涌端洞身则主要为微风化中厚层至厚层砾岩；左、右洞小桂端洞口附近分布有全强风化沉火山角砾岩，厚度 8.0m 左右。而小桂端洞身则主要为弱风化的中厚层至厚层状沉火山角砾岩。1.4.6.由前述可知，隧道大部分埋深较大，围岩裂隙发育中等且透水性较弱，地下水量小，对隧道影响小，但在物探推测的
15、F2、F3、F4 三条含水断层与隧道相交处及一些构造裂隙的交叉复合部位，其透水性较强对隧道影响较大。综上所述隧道洞身围岩分布如下：左洞隧道大涌端 K42+145K42+200，右洞K42+109K42+220 附近围岩为紫红色砾岩夹砂岩、页岩，中厚层状，节理裂隙发育，岩石较破碎，围岩类别为级。左洞 K42+200K42+320 和右洞k42+220K42+400 围岩为弱风化砾岩，中厚层状，岩层较完整，但裂隙较发育，且受 F2 推测断层影响围岩类别定为级。左洞 K42+320K42+680 和右洞K42+400K42+620 洞身围岩为完整的微风化沉火山角砾岩，中厚层状至厚层状，岩石完整，围岩
16、稳定性较好，围岩类别为级。左洞 K42+680K42+760 和右洞 K42+620K42+700 洞身围岩为弱风化沉火山角砾岩，中厚层状，构造裂隙发育，且受推测断层 F3 影响，围岩类别为 级。左洞 K42+760K43+020 和右洞 K42+700K43+000 洞身围岩为完整的微风化沉火山角砾岩，中厚层状至厚层状，岩层完整，围岩稳定性较好，围岩类别为级。左洞 K43+020K43+200和右洞 K43+000K43+200 洞身围岩为弱风化沉火山角砾岩，中厚层状，受推测断层 F4 影响，构造裂隙发育，裂隙面大多呈半闭合状。弱风化沉火山角砾岩强度大，抗风化能力强，但岩层较破碎，节理产状陡
17、立，对隧道顶板不利，开挖后易碎落，在掘进过程中易发生掉块，围岩类别为级。左洞K43+200K43+386 和右洞 K43+200K43+465 洞身围岩为强风化霏细岩，中厚层状，各种节理极发育，且厚度较薄，易塌落，围岩类别为级。围岩类别划分详见隧道工程地质纵断面图。1.5 隧道设计标准与依据1.5.1.技术标准隧道净宽：0.75+0.50+23.75+0.75+0.75=10.25m净 高：5.0m设计行车速度：80km/hCO 允许浓度：正常运行 200ppm发生事故时（15min）250ppm1.5.2.设计依据公路隧道设计规范JTG D702004公路隧道通风照明设计规范JTJ 026.
18、11999公路工程技术标准JTG B01-2003公路隧道施工技术规范JTJ 04294公路工程抗震设计规范JTJ 004-89锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50026-2001地下工程防水技术规范GB50108-2001工程建设标准强制性条文(公路工程部分) JTJ 026.11999惠州稔山至深圳白沙沿海公路工程地质勘察报告2004.62.隧道总体设计2.1.隧道设计的一般规定隧道总体设计在隧道设计中非常重要，它直接影响着工程造价，甚至决定着工程的成败。根据公路工程技术标准的规定，牛湖山隧道的远景规划的年限为 20 年。当近期交通量不大时可以分期修建，其优点是可以缓解建设资金，缺点是可能造
19、成一定的浪费。譬如，前期通风应满足单洞双向交通的要求，后期则要满足双洞单向交通的要求，这样在通风设施上会带来一些损失。另外在地形狭窄地带，后期洞的修建对前期洞的干扰比较大。因此，应采取必要的防范措施，避免对前期洞结构的不利影响，并减少对正常交通的干扰。对于洞内设施的分期安装，务必设置好预留件和借口，不得对后期的安装造成困难。2.2.隧道线形设计牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路，起于惠州澳头镇大涌，止于小桂村，隧道轴线走向 SW ，为分离式单向行车双洞公路隧道。隧道纵坡为人字坡，坡度1.5%，竖曲线半径 R=17000m，最大埋深约 192m。左洞 1241m（K42+145-K43+386） ，
20、右洞长 1356m（K42+109-K43+456 ） 。2.3.隧道横断面设计牛湖山隧道设计为时速 80KM 的分离式单向行车双洞公路隧道，设置检修道，根据公路隧道设计规范JTG D70-2004 及相关设计标准的要求在建筑限界内不得有任何部件侵入，隧道的建筑限界和隧道洞身的尺寸如图 2-1 所示:图 2-1 隧道横断面图3.洞门结构设计3.1.牛湖山隧道大涌端洞门设计3.1.1 截面型式的选择根据牛湖山隧道洞门所处的地形、地质条件，及衬砌形式和边坡坡度，考虑到经济、美观等使用要求的因素，参照公路隧道设计规范 （JTG D70-2004） ，大涌端选用端墙式洞门类型。由于隧道两侧受山体纵向推
21、力较大，所以在两侧需加挡土墙以抵抗土压力，洞门的端墙及挡土墙的计算模型为挡土墙结构，根据地面确定墙厚 1.5m 墙身总高为 14.99 米（可由地质纵断面图量得） 。由于墙后岩体的重度，计算内摩擦角= ，基底摩擦系数为 0.50，内聚力 c=0，挡土墙为 C20 毛石混凝土，其标准重度为。另由建筑地基基础设计规范查得：地基承载力设计值f=1000kPa。墙高为 H，墙顶宽为 ，墙底宽为 ，墙基高度为 d，墙面上有土压力的竖直的分量 和水平分量 ，水平分力的作用点距墙面底面的高度 H/3，见图 3-1。图 3-1 挡土墙的受力及计算简图挡土墙的各参数设计如下：墙高为 H=12.28m，墙顶宽为
22、=H/15=12.28/15=0.8186m，取 =1.0m，底座高d=0.4m，现在根据该挡土墙的抗滑稳定性，抗倾覆条件，挡土墙底面应力条件来确定洞门的底面宽度。3.1.2.作用在挡土墙结构上的土压力计算挡土墙的受力及计算简图如图所示，取墙背与竖直线之间的夹角 =0， 为墙背与填土之间的摩擦角取（1/3-2/3），取 = ， 为挡土墙与水平面的夹角，在地质纵断面图上量得 =主动土压力系数为：（3-1）则主动土压力为：取单位长度，则有 。围岩与挡土墙的外摩擦角为 所以， 3.1.3.挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力3.1.3.1 将挡土墙分为两个矩形和一个三角形，其自重分别为： 和 由计算简
23、图知：挡土墙的三部分自重分别为：（3-2） （3-3） （3-4）所以挡土墙的自重为：（3-5）3.1.3.2.作用在挡土墙上竖向力的合力作用在挡土墙上竖向力的合力 等于挡土墙的自重 q 与土压力的竖向分力之和。即：（3-6）3.1.3.挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩之和为：（3-7 ）整理可得：（3-8 ）3.1.4.挡土墙的抗滑稳定性验算挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求：（3-9）式中： 滑动稳定系数；作用与基底上的垂直力之和；墙后主动土压力之和；f基底摩擦系数；满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数，通常取 。则有：整理可得：所以，挡土
24、墙底面宽度 。3.1.5.挡土墙的抗倾覆计算挡土墙在荷载作用下不致绕墙底 o 点倾覆时应满足以下条件：（3-10）式中： 倾覆稳定系数；全部的垂直力对墙趾的稳定力矩；全部水平力对墙趾的倾覆力矩；满足抗倾覆所以条件的安全系数，通常取 。整理可得：所以，挡土墙底面宽度 。3.1.6.挡土墙底面应力条件挡土墙的应力应满足以下条件：（3-11）（3-12）（3-13）式中 ： 基底最大应力；e水平基底偏心距；B水平基底宽度；f地基承载力设计值，f=1000kPa 。则有：则有： 所以，挡土墙底面宽度3.1.7.挡土墙底面宽度的确定挡土墙的底面宽度 必须同时满足抗滑、抗倾覆、基底最大应力的条件，即要求：
25、所以基底底面宽度至少大于 1.81m，由于挡土墙的墙高 H=12.28m，规范规定 =(1/3-2/3)H，取 =5.0m，设计的挡土墙尺寸简图如图 3-2。图 3-2 挡土墙尺寸简图3.2.牛湖山隧道小桂端洞门设计3.2.1 截面型式的选择根据牛湖山隧道洞门所处的地形、地质条件，及衬砌形式和边坡坡度，考虑到经济、美观等使用要求的因素，参照公路隧道设计规范 （JTG D70-2004） ，小桂端也选用端墙式洞门。由于本隧道两侧受山体的纵向推力较大，所以在洞门两侧需加挡土墙以抵抗土压力，洞门的端墙与挡土墙的计算模型为挡土墙结构，根据地面确定墙厚 1.5m墙身总高为 8.0m（由地质纵断面图上量得
26、） 。墙后岩体的重度，计算内摩擦角 ，基底摩擦系数为 0.50，内聚力 ，挡土墙为 C20 毛石混凝土，其标准重度为。另由建筑地基基础设计规范查得：地基承载力设计值 f=1000kPa。挡土墙的详细尺寸如下，见图 3-3：图 3-3 挡土墙及受力计算简图墙高为 H，墙顶宽为 ，墙底宽为 ，墙基高度为 d，墙面上有土压力的竖直的分量 和水平分量 ，水平分力的作用点距墙面底面的高度 H/3。挡土墙的各参数设计如下：墙高为 H=8m，墙顶宽为 =H/15=8/15=0.53m， 取 =1.0m，而底座高 d=0.4m，现在根据该挡土墙的抗滑稳定性，抗倾覆条件，挡土墙底面应力条件来确定洞门的底面宽度。
27、3.2.2.作用在挡土墙结构上的土压力计算挡土墙的受力及计算简图如图说示，取墙背与竖直线之间的夹角 =0， 墙背与填土之间的摩擦角取（1/3-2/3），取 = ， 为挡土墙与水平面的夹角，在地质纵断面图上量得 = ，动土压力系数为：（3-14）则主动土压力为：取单位长度，则有 。围岩与挡土墙的外摩擦角为所以， 3.2.3.挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力3.2.3.1.将挡土墙分为两个矩形和一个三角形，其自重分别为： 由计算简图知：挡土墙的三部分自重分别为：（3-15） （3-16） （3-17）所以挡土墙的自重为：（3-18）3.2.3.2.作用在挡土墙上竖向力的合力作用在挡土墙上竖向力的
28、合力 等于挡土墙的自重 q 与土压力的竖向分力之和。即：（3-19）3.2.3.3 挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩。挡土墙上作用力对墙基脚 o 点的力矩之和为：整理可得：（3-20 ）3.2.4.挡土墙的抗滑稳定性挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求：（3-21）式中： 滑动稳定系数；作用与基底上的垂直力之和；墙后主动土压力之和；f基底摩擦系数；满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数，通常取 。则有： 整理可得： 所以，挡土墙底面宽度 。3.2.5.挡土墙的抗倾覆计算挡土墙在荷载作用下不致绕墙底 o 点倾覆时应满足以下条件：（3-22）式中： 倾覆稳定系数；全部的垂直力对墙趾的稳定
29、力矩；全部水平力对墙趾的倾覆力矩；满足抗倾覆所以条件的安全系数，通常取 。整理可得：所以，挡土墙底面宽度 。3.2.6.挡土墙底面应力条件挡土墙的应力应满足以下条件：（3-23）（3-24）（3-25）式中： 基底最大应力； e水平基底偏心距；B水平基底宽度； f地基承载力设计值，f=1000kPa。 则有： 带入数值整理可得：所以，挡土墙底面宽度3.2.7.挡土墙底面宽度的确定挡土墙的底面宽度 必须同时满足抗滑、抗倾覆、基底最大应力的条件为：所以基底底面宽度至少大于 2.1m，由于挡土墙的墙高 H=8.0m，规范规定 =（1/2-1/3）H 取 =3.5m，挡土墙的尺寸简图如图 3-4。图
30、3-4 挡土墙尺寸简图4.衬砌结构内力计算与结构设计本隧道施工方法采用新奥法施工，新奥法是一种施工理念，强调充分发挥围岩的自我承载能力，与初期支护、二期支护一起作用形成一个整体的隧道承载系统，本隧道的围岩级别主要为、级，根据规范所规定的范围和计算结果确定隧道支护结构的施工参数。计算所选取的断面位处隧道级围岩区域，节理发育较完全，埋深 60 米，岩石坚硬系数 =2，内摩擦角 = ，容重，侧向岩层地基系数，基底岩层地基系数f=0.5。根据工程地质条件，综合考虑经济、施工条件与施工机械等因素，本隧道采用复合式衬砌的支护结构。初期支护采用锚喷支护的结构形式，二次支护体系为钢筋混凝土的曲墙拱结构。4.1.初次衬砌设计根据隧道岩层性质及周围工程地质条件，由工程类比的方法，参照国家标准的锚杆喷射混凝土支护技术规范 （GB 500086-2001） ，初期支护选用 cm 厚的钢筋网喷射混凝土，设置锚杆长为，间距 10.5 米的 25 锚杆，其中钢筋网为6.5 的单层钢筋网。
