某公路隧道Ⅲ级围岩开挖分析与衬砌结构设计.doc

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山东科技大学学士学位论文

学位论文

某公路隧道Ⅲ级围岩开挖分析与衬砌结构设计

李本鹏

学科专业：

交通工程

指导教师：

苏会锋

2010年5月

摘要

以某单洞单向两车道设计车速为60km/h围岩等级为Ⅲ级的公路隧道为研究对象，基于公路隧道开挖常用的下导洞超前全断面法、下台阶法等方法对该隧道进行开挖分析。

根据公路隧道设计规范，用迈达斯GTS软件对隧道建模并模拟不同的开挖方式，研究各种开挖方式对围岩的位移、应力、轴力弯矩的影响，从受力的角度选择在公路隧道Ⅲ级围岩中最适合的开挖方法。

然后，再利用GTS软件对隧道的衬砌进行结构设计，包括隧道的初次衬砌选择，二次衬砌设计、建模和衬砌结构的配筋设计等。

最后，对该Ⅲ级围岩公路隧道的开挖分析及其衬砌的结构设计作最后总结，包含作者对GTS软件应用的总结和对该设计隧道的施工可行性的分析，以及对本次设计的一些感想，附录中是外文文献及作者对其作的中文翻译。

关键词：

公路隧道、Ⅲ级围岩、开挖方法、衬砌设计、结构配筋

Abstract

Takesomehighwaytunnelassubjectinvestigated,thetunnelisdesignedtobeaone-waytwo-lanehighwaytunnelofsinglehole,withdesignspeedof60km/handrockgradeofⅢ.Thedesignisbasedonthecommonlyusedmethodsintunnelexcavation,likefull-facemethodwithaheadunderpilot,downstairsmethodandsoon,tomakeexcavationanalysisforthetunnel.Accordingtotheroadtunneldesignstandard,weuseMidasGTSsoftwaretomodelingandsimulationthetunnelexcavationindifferentwaystostudycircumstancesofthedisplacement,stressandaxialforceoftheroadtunnelundervariousexcavationmethodsandselectthebestexcavationmethodunderthegivenconditions.Then,weusethesoftwareforstructuraldesignofthetunnellining,includinginitialdesignofthetunnellining,modelinganddesignofsecondaryliningandliningstructurereinforcementdesign.

Finally,wemakeafinalsummaryoftheexcavationandthestructuralliningdesignoftheclassⅢrocktunnel,Includingtheauthor’ssummaryoftheGTSsoftwareapplicationsandtheanalysisofthefeasibilityofthedesignedtunnelconstruction,aswellassomeofthisdesignfeelings.TheforeignlanguageliteratureanditsChinesetranslationtranslatedbyauthorareintheappendix.

Keyword：

Highwaytunnel，Ⅲgraderock，Excavationmethod，Liningdesign，Structuralreinforcement

目录

1绪论 1

1.1公路隧道的设计依据及技术标准 1

1.1.1设计依据 1

1.1.2主要技术标准 1

1.2工程概况 3

1.2.1地形、地貌、气象特征 3

1.2.2工程特点 3

1.3工程地质 4

1.3.1地质构造 4

1.3.2水文地质 5

1.4本设计的目的及意义 6

2迈达斯GTS软件运用 7

2.1软件介绍 7

2.1.1本设计中GTS软件的主要特点：

8

2.1.2GTS的适用结构 8

2.2岩土分析建模 9

2.2.1岩土分析 9

2.2.2岩土模型简化 9

3公路隧道开挖分析 10

3.1公路隧道的开挖方法 10

3.2各开挖方法的特点 12

4GTS软件建模及分析 15

4.1下导洞超前全断面法开挖 15

4.1.1建模 15

4.1.2生成分析用数据 19

4.1.3网格划分 23

4.1.4定义施工阶段 24

4.1.5分析及处理分析结果 26

4.2台阶法开挖 32

4.2.1建模、分析过程 32

4.2.2结果分析及处理 33

4.3单侧壁导坑法开挖 38

4.3.1建模、分析过程 38

4.3.2结果分析及处理 39

4.4各种开挖方法比选 45

5衬砌结构设计和计算 50

5.1初次衬砌选择 50

5.2作用在结构上的荷载 51

5.3GTS软件建模与截面检算 52

5.3.1GTS建模分析 52

5.3.2截面检算 56

5.4二次衬砌结构配筋 58

6结论 61

参考文献 63

致谢 64

附录 66

81

1绪论

1.1公路隧道的设计依据及技术标准

1.1.1设计依据

隧道勘测设计按以下标准、规范及规程进行：

（1）《公路工程技术标准》（JTJ001-97）

（2）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）

（3）《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）

（4）《公路路基设计规范》（JTJ013-86）

（5）《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD40-2002）

（6）《公路路线设计规范》（JTJ011-94）

（7）《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）

（8）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）

（9）《公路工程基本建设项目建设文件编制办法》交通部颁布

（10）中华人民共和国工程建设标准强制性条文《公路工程部分》

1.1.2主要技术标准

（1）设计行车速度：

60Km/h

（2）围岩等级：

Ⅲ级围岩

（3）隧道建筑限界：

限界净宽：

10.50m

行车道宽度：

2×3.75m

限界净高：

5.0m

（4）车道数、行驶方向：

双车道、单向行驶

（5）设计荷载

汽车—超20级，挂车—120级

（6）隧道内卫生标准：

A、一氧化碳（CO）允许浓度：

正常营运时为294.6ppm；发生事故时，短时间（20min以内，阻滞段长度不大于1Km）为300ppm

B、烟尘允许浓度：

正常营运时为0.0065m-1；当烟雾浓度达到0.012m-1时采取

交通管制措施，维修时，烟雾浓度不大于0.0035m-1

（7）根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），隧道设计时速为60km/h的设计标准断面为：

图1-1

1.2工程概况

1.2.1地形、地貌、气象特征

云南路西镇一带地势最高，自西镇沿云南路向南、北地势逐渐降低，总体来说，云南路地形起伏大，两头低，中间高，地面标高8.0～35.0米，地貌类型为侵蚀堆积斜坡～剥蚀斜坡。

该地区属华北暖温带沿海湿润季风区大陆性气候。

受海洋环境的影响，空气湿润，气候温和，具有冬暖夏凉，春温秋爽的气候特点，年均气温12.3℃，最高温度38.9℃，最低温度-16℃，历年平均相对湿度74%。

年均降雨量711.20毫米，最大1272.70毫米，最小347.40毫米。

1.2.2工程特点

（1）隧道周边环境

隧道地表为密集建筑区和居民区，隧道在多处与人工结构交汇或上穿、隧道上方管线密集，属于典型的邻近建（构）筑物施工，施工环境复杂。

（2）隧道地质条件

隧道围岩级别Ⅱ～Ⅵ，局部地段围岩级别很低，隧道开挖顶界多埋置于弱风化、微风化岩石中，局部地段充填型构造发育，同时，受构造影响，围岩风化加剧，表现为散体状结构岩体，围岩级别降低，完整程度降低。

在开挖过程中易引起掉块、坍塌等现象，特别是在孔隙透水较强的构造带，围岩坍塌、漏水给隧道正常安全施工造成很大的隐患。

本设计选取的地段位于西藏路，里程桩号为YK1+763—YK1+958，围岩等级为Ⅲ级，洞身和洞顶一倍洞径范围内以强--弱风化花岗岩为主，透水性由中等变弱，可发生掉块或小型塌方。

（3）隧道下坡施工，施工排水量大

隧道下坡的施工，由于围岩渗水和施工用水不能自流排出，施工中必须制订完善的排水方案，采用足够的排水设备不间断地进行排水，施工供电也必须安全、可靠、不间断。

（4）断面，工法

隧道按双车道设计，开挖断面为五心圆仰拱，施工中根据隧道区域地质条件和周边建筑物的分布情况，主要采用下导坑超前全断面法、下台阶法、单侧壁导坑法等。

（5）隧道结构防腐、抗渗要求高

本隧道二衬为C30防腐混凝土，抗渗等级为S10，同时采用具有抗侵蚀的喷射混凝土，并选择ECB防水板材，确保隧道设计使用年限的要求。

1.3工程地质

1.3.1地质构造

该地区断裂构造比较发育，褶皱构造不发育，场区范围内发育的地质构造类型有充填型构造、节理发育带，未揭示断裂构造迹象。

（1）充填型构造

充填型构造指深成相花岗岩岩基形成后，残余岩浆沿岩体中断裂带侵入的细晶岩、细粒花岗岩和煌斑岩。

它们以岩脉形式充填于中粗粒花岗岩岩基中，前者为酸性岩浆侵入而成，后者为中基性岩浆于细粒花岗岩生成后期侵入而。

（2）节理

受构造影响，沿破裂面岩体无明显位移，结构体完整～较完整，基本无“构造岩”的裂隙划分为节理构造。

节理是该地区最普遍的构造，其性质多为压性、压扭性。

（3）构造破碎带

受构造影响，场区岩体风化加剧、形成风化漏洞，表现为散体状结构岩体，围岩级别降低，完整程度降低，围岩基本无自稳能力。

1.3.2水文地质

（1）地下水的腐蚀性

该地区属Ⅱ类环境，根据分析结果，按结晶类、结晶分解复合类腐蚀评价标准，隧道连接线该段沿浅地下水在天然状态对混凝土均无腐蚀性。

（2）岩土体渗透性

场区地下水以基岩裂隙水为主，主要以层状\带状赋存于基岩强风化带、岩脉、构造破碎带旁侧裂隙密集发育带中，由于裂隙发育带成因不同、发育程度的不均匀和富水性的不同，造成其透水性亦不均匀。

（3）影响隧道水文地质条件的潜在因素

西藏路下存有很多干道网，部分干道内蓄积一定储量的地下水，西藏路路段由于地势较高，地下水向低洼处汇集。

1.4本设计的目的及意义

首先，通过学习隧道相关的书籍资料，知道所设计隧道的内力计算原理，接着了解所用软件的操作设计方法。

在熟悉了上述基础知识后，运用MidasGTS岩土隧道软件进行隧道结构的模拟、分析、计算，最后出根据计算结果得出设计