隧道课程设计.docx
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隧道课程设计
HenanPolytechnicUniversity
学院：
土木工程学院
姓名：
贠宝锋
学号：
310707020623
班级：
道路桥梁07-3班
指导老师：
任连伟
日期：
2010年5月22日
目录
一、工程概况3
1.1设计条件3
1.2设计依据、任务及要求3
二、隧道几何设计4
2.1隧道纵断面设计4
2.2隧道横断面设计4
三、隧道结构设计6
3.1洞身衬砌结构6
3.2洞门设计7
四、隧道施工组织设计9
4.1施工准备9
4.2施工方法9
4.3施工通风12
4.4防水排水13
4.5路面工程14
4.6辅助坑道15
一、工程概况
1.1设计条件
川北隧道位于四川北的山岭重丘区，是一条高速公路上一段全长为2714m的隧道。
该隧道的设计桩号为k1+370～k4+084,位于市区北方向，距离市区23km。
该隧道一般地段埋深为100～200m，最大埋深不超过300m，设计纵坡范围为-3.0%～3.0%，定为2.75%。
根据隧道设计条件中所出的地区气候类型及其埋深情况，估计隧道内的平均气温为19℃～20℃。
1.地貌
路线跨越区域为山岭重丘区，相对高差约500m，受构造影响，山势陡峻，山形零乱，沟谷纵横，透视条件十分困难。
2.气候条件
位于川西北的山岭重丘区，属亚热带季风性湿润气候，春暖多雨，夏季干热，秋季凉爽，冬季寒冷，四季分明，严寒期短，暑热期长。
平均降雨量1357.8mm，平均降雨天数154.7天，多集中在4—8月，平均降雪天数10.7天，极端最高气温40.7℃，极端最低气温-13.7℃。
昼夜温差较大，一般在12℃左右，霜冻期一般在25天左右。
3．工程地质、水文地质概况
拟建某隧道围岩类别主要为Ⅲ—Ⅳ类，洞口部位少量为Ⅱ类，区域性地质构造为单斜构造，岩层层理平缓，倾角5°—10°。
1.2设计依据、任务及要求
设计依据：
（1）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；
（2）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）；
（3）《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；
（4）《铁路隧道施工规范》（TBJ204-96；
本设计主要进行一座公路隧道的结构与施工设计即川北隧道
1．确定隧道洞口位置进行隧道的结构计算和设计。
2．按照新奥法原理进行隧道衬砌结构设计。
3．隧道施工方案与施工组织设计。
二、隧道几何设计
2.1隧道纵断面设计
公路隧道的纵断面设计要按照《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定进行，川北隧道在方案的确定时，在1/5000的地形图上，已经将隧道的路线和洞口的位置进行了确定，进口隧道的地面标高位600m，为了减小开挖量，就将进口的设计高度定为600m。
出口的地面标高为680m。
又因为该地区的大致地势是北高南低，并且是南边的地势比较平坦。
所以，就将出口的设计标高定为680m。
而该段隧道有是位于某城市的北方向23km,从总体上考虑，应使该高速公路的总路线的长度最短，从而最大限度地减少工程造价。
节省成本。
平面线形我采用了直线形。
这样，既减少了隧道施工的难度，又节省了工程造价。
在纵断面的确定中我采用了人字形坡，坡度为1%和-1.5%，该坡度可以满足工程技术规范的要求。
即要小于3%的要求。
在K2+750处设变坡点，控制标高为933.8m,半径R=20000m，曲线L=500m,切线长T=250m,外距E=1.56m。
且在起点桩号K1+370处的设计标高为920.00m,在终点桩号K4+084处的设计标高为913.55m。
2.2隧道横断面设计
隧道内轮廓方案的选取除满足建筑限界的要求外，还必须考虑隧道通风、照明、通讯、排水、装饰等其他设施及超高需要的空间，同时衬砌内轮廓的形状和尺寸还要考虑结构受力特点、工程造价及施工方法等诸多因素进行分析比较，本着断面利用率高，衬砌结构受力均匀、合理、安全、经济的原则进行选取。
道路隧道的建筑限界包括：
车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度；隧道限界的规定是为了保证道路隧道中行车安全，在一定宽度、高度的空间范围内任何物件不得侵入的限界。
该公路隧道的建筑限界如图2-1：
图2-1公路隧道的建筑限界
图2-2隧道净空图
在设计隧道横断面时，由于地质条件所限，隧道内一些地区需设置仰拱；
由：
r1+a-r2cosφ2＝5
r2sinφ2-a=b
r1+a/sinφ1=r2
可得：
r1=r2=5.3m,r3=6.9m
隧道净空图如图2-2。
三、隧道结构设计
3.1洞身衬砌结构
川北隧道采用新奥法原理设计,采用复合式衬砌,喷锚支护与混凝土衬砌相结合,是外衬砌为喷锚支护,内衬为整体混凝土衬砌。
它是与新奥法结合,施工时先在洞壁表面上喷射混凝土、安装锚杆,形成柔性支护结构。
它和围岩可有共同的有限度变化,释放围岩因开挖而引起的变形压力,使外衬与围岩共同组成的初步支护体系处于暂时平衡状态,保证施工安全。
内衬整体混凝土是刚性的,在施工中,据围岩变形信息和施工工艺安排,在时间和空间上与外衬相隔一段时间和一段距离施工。
一体现先柔后刚的支护原则。
为防止地下水渗入隧道内,在外衬和内衬之间,铺设一层塑料防水板、土工布或土木复合膜做防排水层。
川北方隧道地质条件较差，如何达到设计参数合理、安全及可靠，就成为了该隧道设计的关键。
本隧道结构参数的选取采用了工程类比与数值分析相结合的方法。
即在目前国内已建成六车道连拱隧道的基础上，结合内轮廓断面形式、施工工序、开挖方法等综合因素进行支护参数的选取。
以下为相关隧道的支护参数：
表1广州白云山隧道支护参数
围岩类型
支护结构名称
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
喷射混凝土厚（cm）
25
20
20
15
锚杆
Φ22
间距（cm）
100×100
100×100
100×100
长度（cm）
300
300
300
钢筋网
Φ620×20
双层
Φ620×20
双层
Φ620×20
双层
Φ620×20
双层
钢拱架
间距75
间距100
仰拱（cm）
50
模筑衬砌厚（cm）
80
45
40
35
表2京株高速公路靠依山隧道支护结构参数表
围岩类型
支护结构名称
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
喷射混凝土厚（cm）
27
25
10
12
锚杆
Φ22
间距（cm）
150×50
100×100
150×70
长度（cm）
Φ42×35cm钢管
Φ22×3.5m
Φ22×3.5m
钢筋网
Φ825×25
双层
Φ625×25
双层
Φ625×25
双层
Φ625×25
双层
钢拱架
间距75
间距100
间距100
仰拱（cm）
50
模筑衬砌厚（cm）
50
50
40
40
由以上隧道支护结构参数为依据，拟定本隧道支护参数表和Ⅲ、Ⅳ类围岩的衬砌结构断面形式；
表3隧道支护结构参数表
围岩类型
支护结构名称
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
喷射混凝土厚（cm）
25
25
10
锚杆
Φ22
间距（cm）
80×80
100×100
100×100
长度（cm）
350
350
300
钢筋网
Φ6.520×20
双层
Φ625×25
双层
Φ625×25
双层
钢拱架
间距75
间距100
间距100
仰拱（cm）
50
模筑衬砌厚（cm）
50
40
3.2洞门设计
隧道洞门形式的选择和隧道洞口的地形，地质条件以及隧道照明需要有关，洞门附近围岩一般比较松碎松软，所以应根据实际情况，选择合适的洞门形式，并对边仰坡进行适当护坡。
方案1：
环框式洞门
用于洞口围岩坚硬完整，节理不发育，且不宜风化，路堑开挖后仰坡稳定，仰坡坡率一般为1：
0.1～1：
0.3，且无较大排水要求的隧道，正交斜交均可采用。
方案2：
端墙式洞门
适用于洞口岩层节理发育，开挖边坡坡面稳定，边仰坡坡率为1：
0.3～1：
0.5的隧道，正交或斜交洞门均可采用。
端墙式洞门施工较为简单，便于引排水。
方案3：
翼墙式洞门
适用与洞口地质条件差，通常为土层，风化破碎岩层，半土半石以及堆积等，山体压力大，仰坡坡率为1：
0.75～1：
1.5的隧道，这种洞门的结构具有较大的稳定性，翼墙支持了洞门主墙，提高了防止滑动和倾倒的能力，节省圬工，洞门顶汇水可有翼墙顶水沟排入路堑侧沟，排水方便。
综上所属我们选中第三种翼墙式如图所示：
图3-1翼墙式洞门
四、隧道施工组织设计
4.1施工准备
隧道施工包括修建隧道的施工方法，施工技术和施工管理。
在隧道施工前，应该做好施工准备和施工测量放样工作，即应做好现场调查研究，核对设计文件和编制隧道施工组织设计的工作。
隧道施工顺序为：
施工准备→洞口排水系统施作→洞前、洞口土石方（成洞面加固、边仰坡防护）→洞门、明洞段施工→洞身开挖、初期支护→滞后开挖面一定距离进行仰拱、铺底和墙脚施工→滞后一定距离与开挖平行作业进行防水层铺设→二次衬砌→隧道贯通二次衬砌完成后进行沟槽施工→洞内基层、路面施工→洞内装饰→防火涂料施工。
隧道施工前必须完成的基本设施：
施工便道，隧道施工用电、生活用电，隧道施工用水、生活用水。
隧道施工通讯，隧道施工、生产、生活用房，隧道进口、洞口外挡护及排水工程，隧道内通风三管两路设置，隧道施工安排总体布置，隧道施工安排总体布置。
4.2施工方法
根据地质水文条件，断面大小及形状，隧道长度，工程的支护形式，埋深，施工技术与设备，工程工期等因素的不同，山岭隧道施工可选择全断面一次性开挖，全断面二次开挖，台阶式开挖，导洞法开挖等施工开挖方法。
根据各个施工方法的特点和当地地质情况川北隧道的具体施工方法：
1.进洞施工方法：
1）、先将洞门及明洞挖出。
开挖时，采用挖掘机按尺寸位置挖出洞门及明洞位置，避免对洞门仰坡及边坡的扰动。
施工过程中加强对仰坡的观测，如东门在开挖过程中有无滑坡迹象，应对仰坡和边坡采取加固措施。
并采取保留核心土的做法，先将明洞和洞门衬砌好，再挖除核心土石方；
2）、挖出洞门及明洞位置后，立即衬砌明洞及洞门；
3）、待明洞及洞门施工完毕后，在向前掘进；
2.掘进开挖方法：
隧道位于Ⅲ类围岩地段，采用短台阶上、下半断面法开挖；Ⅱ类围岩地段及紧急停车带地段，采用台阶分部开挖法，上断面唤醒开挖，保留核心土，上、下断面短进尺一次开挖，或下断面拉中槽挖马口。
实施超前支护、钢架、锚喷等手段；Ⅳ类围岩采取下导洞先拱后墙法施工，施工顺序如图示：
钻孔：
钻孔以全液压凿岩台车为主，辅以自制台车配多台风动凿岩机进行钻空工作；
1、爆破：
采用预裂爆破，并按微震控制爆破设计，塑料导爆管非电起爆。
隧道开挖施工中根据预裂爆破设计，结合现场地质情况进行爆破试验，并不断修正设计参数，以达到最佳爆破效果，成立爆破组业小组，实施定人、定位、定标准的岗位责任制，精细规范实施。
2、其具体技术措施如下：
1）、测量放线：
①、隧道中线测桩之间距，直线上不超过10m，曲线上不超过5m，每50m设一水准点，并在每排炮开炮前准确绘出开挖轮廓线、周边眼、淘槽眼的位置；
②、每次测量放线前，对上次爆破断面进行检查，对数据进行处理。
及时调整爆破参数；
2）、钻孔作业方法步骤：
①、钻眼前，钻工要熟悉炮眼布置图，严格按照钻眼爆破设计实施；
②、定人、定位，对周边眼、淘槽眼由经验丰富的司钻工司钻；
严格控制炮眼间距，误差不得大于5cm，方向相互平行，
③、严禁相互交错，硬岩残眼率达80%以上，中硬岩大70%以上，软岩开轮廓线要圆顺、符合隧道设计轮廓线慈村的要求；
④、严格控制钻孔外插角度，相邻两茬炮之间错台不得大于20cm。
3．隧道装渣运输、衬砌支护施工、混凝土支护施工
1、装渣运输工作：
1）装渣：
需装车的石渣数量可根据开挖的体积乘以开挖后的松散系数而得；人力装渣劳动强度大，进度快慢，本次施工采用机械装渣机装渣，辅以人工装渣。
2）跳车：
调车决定运输工作的效率，开挖面应有调车设备，以加快空车调入；
3）运输：
本隧道采用无轨运输，将废渣运至业主指定弃渣场地，主要设备为汽车，辅以斗车和推车；
2、衬砌支护施工：
1）喷射混凝土;
（1）施工方法：
按湿式喷射混凝土施工法施工；并掺用合适的掺合剂；
在含砂量大的土质地层喷射混凝土，先低压并加大掺合剂的掺如量，喷射一层水泥砂浆，再按常规喷射混凝土；
（2）施工要点：
A.选用普通硅酸盐水泥，细度模数大于2.5的硬质洁净砂或粗砂，粒径5~12mm连续级配碎（卵）石；RC6535BN型钢纤维，掺量35Kg/m3，化验合格的掺和用水；
B.喷射混凝土严格按照设计配合比拌和，配合比及搅拌的均匀性每班检查不小于两次；
C.喷射混凝土前，认真检查隧道断面尺寸，对欠挖部分级所有开裂、破碎、崩解的破损岩石进行清理和处理，清除浮石和墙角虚渣，并用高压水或高压风冲洗岩面，达到清洁干净；
D.喷射混凝土作业采用分段、分块、先墙后拱、自上而下的顺序施工；喷射作业时，喷嘴作反复缓慢的螺旋形运动，螺旋直径约为20~30cm，以保证混凝土的回弹量；
E.喷射混凝土厚度>5cm时，分两层作业。
第二层喷射混凝土如在第一层混凝土终凝1小时后进行，需清洗第一层混凝土面。
两次喷射注意找平岩面，以便于铺设水层；
F.喷射混凝土终凝2小时后，进行喷水养护，养护时间，不少于14天；
G.喷射混凝土开挖时，下次爆破距喷射混凝土完成时间的间隔，不得少于14天；
H.在有水地段，喷射混凝土采取如下措施：
a）当水量不足时，可设导管引排水后再喷射混凝土；当用水量范围较大时，可设树枝状导管后喷射混凝土；当涌水严重时可设置泄水孔，边排水边喷射混凝土；
b）增加用水量，改变配合比，喷混凝土由远及近逐渐向涌水点逼近，然后在涌水点安设导管将水引出，再向导管附近喷射混凝土；
2）锚杆：
采用WTD25型砂浆锚杆，施工程序如图示：
3）挂网：
按设计要求加工钢筋网，随受喷面起伏铺设，同定位锚杆固定牢固，钢筋网与受喷面的间隙以3cm为宜，混凝土护层大于2cm；
4）钢架安装：
（1）钢架安装工艺流程，如下图：
加
隧道混凝土衬砌施工：
加强超前及初期支护强度，勤量测，在确保安全的情况下，尽量采用全断面一次衬砌，配置备用拱架，以备围岩不稳定时采取先拱后墙法施工。
混凝土衬砌根据围岩量测情况采用液压全断面衬砌台车，洞门及进、出口较软弱地质地段，采用定尺寸钢拱架、钢立柱、组合式钢模板混凝土衬砌。
混凝土拌制在进出洞口设置，各设一座自动计量混凝土搅拌站，拌制成品混凝土混合料，混凝土混合料运输采用MR4500混凝土运输车，用HB30-60型液压混凝土输送泵入模灌注，采用插入式振捣器振捣混凝土；
混凝土衬砌台车定位用BJZ型隔爆激光指向仪导向，现场设工程实验室，配置实验技术人员和设备，负责各种原材料及混凝土的实验工作，应确保混凝土衬砌量测无误，断面尺寸和标高准确，混凝土衬砌结构内实、外观美等。
在特殊地质地段分步开挖，可配合采用先拱后墙衬砌。
4.3施工通风
在公路隧道质量检验评定标准中，隧道渗漏水对工程质量评定影响极大。
它直接影响到隧道外观质量、机电通讯设施的正常运行及行车安全，由于排水不畅，地下水压力还会加大隧道衬砌结构受力，影响到隧道衬砌结构的营运安全，对黄土及软岩隧道，它还会改变围岩的力学特性，影响隧道衬砌结构稳定。
隧道施工通风方式应根据坑道掘进长度、施工方法、是否设有辅助坑道、有害气体浓度、机具设备条件等因素确定。
按供风来源，分自然通风和机械通风两类，按风流循环系统，又可分为自然通风、风管式通风、巷道式通风、及风道式通风四种，它们的通风方式及适用范围依据不同的施工方法和相应的规范要求。
施工通风应根据洞内工作的最多人数或同一时间内爆破最大炸药用量所产生的有害气体稀释到允许浓度以下，或洞内最小风速计算而定，以其中最大值选择通风设备。
施工排水及供电照明部分。
由于本隧道长度为2714米，为长隧道，故采用机械式通风。
通风方式采用巷道式通风，其特点为：
通过最前面的横洞，使正洞和平行导坑组成一个风流循环系统，在平行导坑洞口附近安装通风机，将污浊空气由平行导坑抽出，新鲜空气由正洞流入，形成循环风流；
防尘：
本工程拟采用湿式钻孔，爆破后采用喷洒水幕降尘法，可以达到防尘的目的，在实施过程中应注意一下几点：
A）、湿式凿岩标准化；B）、机械通风正常化；
C）、喷雾洒水经常化；D）、个人防护普遍化；
4.4防水排水
隧道在K2+600～K3+200段有水库,所以必须重视排水与防水设施的施工。
为了减少排水,作好防水,在第一次支护与第二次衬砌之间铺设一层PVC复合土工防水板,作为第一道防水措施,防水板铺设范围为自拱部至边墙下部泄水孔,拱部及边墙二次衬砌采用不低于S4的防水混凝土作为第二道防水措施,在局部涌水量大的地段应根据情况而改变。
主要的防排水措施：
一、洞外及洞顶排水
（一）地表排水
（二）洞顶截水沟
（三）明洞顶排水
（四）洞内排水
（五）洞口排水
二、中隔墙顶的防排水措施
（一）防水措施
中隔墙混凝土采用S6级抗渗混凝土，整个中隔墙顶V形汇水区内铺设PVC复合防水板，复合防水板与拱部防水板粘结。
Ⅱ类围岩段初期支护格栅钢架垫板位置使中隔墙顶防水板正好夹在两垫板中间，防水板只在螺栓处被穿破，并在穿破处用细石混凝土掺水玻璃和抗渗剂封堵。
（二）排水措施
沿中隔墙顶两侧各放置纵向直径为100mm的透水软管，纵坡坡度为2%。
隧道纵向每隔5m设置2道竖向泄水管，为内半径为100m的铸铁管，两侧呈对称布置，泄水管与纵向透水管涌三通管相连，竖向泄水管涌90°弯头与检修道下面的横向泄水管相连，并通过横向泄水管引至洞外排水沟。
4.5路面工程
1）隧道混凝土路面施工要点及工艺流程：
1．混凝土路面施工艺要点：
公路隧道内混凝土路面面板厚24cm，施工技术标准高，必须按照设计图纸和监理工程师的指示，在验收合格的基层上铺筑水泥混凝土面板。
路面面层全面开工前，在监理工程师到场时，按批准的施工方案首先施工不小于400m2的试验路段，使用正常的全部设备，从而取得试验数据，对于不妥的地方进行修正，取得监理工程师的批准，再开始全面施工。
采用425号以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐，混凝土的试验强度按设计强度提高10~15%确定最后施工的配合比，钢筋的设置时按设计位置，横向缩缝及胀缝装设Φ25mm传力杆应与中线及路面平行，偏差不应大于5mm，传力杆长度的一半再加5cm，混凝土的拌合和运输，混凝土采取在拌合站拌和，拌和端分别设在隧道进口和出口处，采用HZS25型混凝土搅拌站各一台，并备用2台混凝土搅拌机。
采用钢模板，模板的高度应与混凝土厚度一致，立模的平面位置与高程应符合设计要求，并应支立准确稳固，接头和模板与基层接触的表面应涂刷隔离剂，隧道混凝土路面的摊铺：
采用人工浇灌及摊铺，振捣器振实括平、抹光机抹面，用槽器滚动压纹机压纹防滑，工地备有可调模板，振动式整平板等人工摊铺的设备和机具，混凝土路面接缝施工：
横向施工缝，横向施工缝只应在混凝土作业中断30min时才设置施工缝。
横向缩缝：
横向缩缝应横过路面全宽设置，缩缝的施工方法，采用切缝法，当混凝土强度达到设计强度25~30%时，采用切缝机进行切割。
纵向施工缝：
采用平缝，在混凝土板厚中央设置拉杆，缝槽用填缝料予以填封。
路面检测：
施工后立即检测路面的抗折强度，混凝土板边垂直度、平整度，相邻板高差，纵坡高程、厚度、长度、槽深尺寸等。
外观检查：
混凝土表面不得有脱皮、印痕、裂缝、碎石外露和缺边掉角现象；混凝土路面侧面顺直，曲线圆顺；混凝土路面压槽纹理适宜。
混凝土路面养生：
混凝土板做面施工完毕，应及时洒水养护。
一般可采取草袋在混凝土终凝以后覆盖于混凝土板表面，每天应均匀洒水养护，经常保持草袋潮湿状态，养护期为14~21天，养护期间禁止一切车辆通行。
混凝土路面施工注意事项：
当荫蔽处的温度高于380C时，或者正在下雨时或估计4小时内有雨时，不得铺筑混凝土路面。
公路隧道混凝土路面工程中铺筑温度不应低于100C或高于320C。
当蒸发率的数据高于0.75Kg/m2时，需采取防止水分损失的预防措施。
混凝土摊铺工作一旦开始，混凝土路面铺筑工程不得中断。
如停工时间延续超过30min，时，就得申报一个经监理工程师，批准的施工横缝。
距胀缝、缩缝或薄弱面3m以内不得出现施工横缝。
（2）公路隧道混凝土路面施工工艺流程图：
4.6辅助坑道
由于川北隧道全长2714m，且工期较紧故需要增设辅助坑道，考虑到施工过程中辅助坑道可增加施工工作面，加快施工进度，改善施工条件以及在运营中更加充分的利用辅助坑道的通风作用，通过经济技术比较和论证决定采用竖井作为该隧道的辅助坑道。
综合考虑施工要求、所使用的提升机具大小、通风管道、排水管道设备的尺寸以及作为永久通风道等因素，竖井采用直径为5m的圆形井桶。
辅助坑道施工：
1）辅助坑道的施工与正洞的施工相同，对于洞口整治处理应十分重视，稍有不慎，可能发生事故，在施工中，根据地质情况设支护时，开挖与支护应配合进行，在辅助坑道的岔洞与正洞相连处，因开挖断面及形状变化不大，结构受力条件复杂，故支护应特别加强，以确保安全。
当坑道中有水时，应做好防排水工作，及时做好排水沟，设置集水坑，配置足够数量的抽水设备。
根据实际工程的需求,本隧道的辅助坑道为平行坑道；
2）避车洞的设置：
避车洞的设置是为故障车辆离开干道进行避让，以免发生交通事故，引起混乱，影响通行能力，而专供紧急停车使用的停车位置。
本隧道内每隔700m设置一处，其长度为40m，宽度为3.0m。
如图示：
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