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函谷关隧道工程设计
函谷关隧道工程设计
——Ⅴ级围岩深埋段设计
王晓峰2008级土木工程
内容摘要
函谷关隧道是郑州至西安客运专线上的一条长大隧道，是整个线路上的重要工程。
隧道全长7840m。
该隧道所在地形比较复杂，属于一个多山的地区。
而且大部分位于黄土台塬与黄河二级堆积阶地，高程370～590m，相对高差近220m。
隧道地形起伏较大，自然横坡10~35°。
横向冲沟发育，植被较差，地表多被垦为旱地或果园隧道进口端位于弘浓涧河岸坡上，出口端位于稠桑村附近，有便道相通，交通方便。
本设计为整个函谷关隧道。
该隧道的施工方法采用中隔墙法。
针对深浅埋段衬砌分别采用复合式衬砌和加格栅二次衬砌。
隧道内设双水沟排水，线路设为人字坡，以排除隧道内的各种积水，衬砌中使用隔水层，且以尽可能少破坏原水环境为原则，保证隧道的安全和正常运营。
关键词：
隧道双线客运专线施工支护
§1概述
1.1工程概述
整条线上的重点工程。
左到郑州，右至西安，隧道进洞DK270+440m，出洞DK278+280m，全长7840m。
平面采用直线式，特函谷关隧道是郑西客运专线上的一条较长的隧道，是殊地段采用曲线，最小曲线半径采用5500m.纵断面采用人字坡形式。
限制坡度:
隧道设计按高速铁道规范进行设计，单洞双线形式，技术标准如下：
设计行车速度：
隧道平纵线形和隧道几何尺寸净空断面标准按300/m行车速度设计
机车牵引类型：
电力
线路等级：
客运专线
钢轨类型：
重型
设计坡度：
10
。
1.2工程地质
1.2.1地形地貌
隧道位于黄土台塬与黄河二级堆积阶地，高程370～590m，相对高差近220m。
隧道地形起伏较大，自然横坡10~35°。
横向冲沟发育，植被较差，地表多被垦为旱地或果园。
洞身上乡村便道四通八达，连霍高速公路于该隧道DK270+600～+700、DK277+220～+260地表通过。
隧道进口端位于弘浓涧河岸坡上，出口端位于稠桑村附近，有便道相通，交通方便。
1.2.2地质构造与地震动参数
1．地质构造
测区内堆积层较厚，未见构造形迹。
2．地震动参数
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）（1∶400万），本段地震动峰值加速度为0.15g（Ⅶ），工程应按照规范设防。
1.2.3水文地质特征
地表水为隧道北部的黄河及隧道进出口端的弘浓涧河、沙河，据取河水化验，水质属HCO3-－Ca2+·Mg2+、HCO3-·SO42-－Ca2+·Mg2+型水，对砼无侵蚀性。
未见地下水出露，据调查访问，黄土塬及阶地上村民生活用水采用机井抽取地下水，地下水位埋藏较深，一般位于河谷地表水位附近，本次勘探未揭示地下水位。
隧道洞身位于地下水位以上。
1.2.4不良地质与特殊岩土
不良地质为陷穴、塌滑、人工坑洞：
1、隧道出口端的冲沟，由于受冲刷下切严重，沿冲沟岸边形成较大面积的陷穴群，其中DK278+050右33m陷穴直径15m，深约5m；其余陷穴直径为1～8m，深度1～5m不等，沿冲沟边缘发育。
2、塌滑：
分布于DK271+730～+770洞身段冲沟岸坡，成分为砂质黄土，厚0—15m，轴向N70°E，轴向长约40m，宽20～30m，对隧道无影响。
3、人工坑洞：
测段内窑洞分布较多，一般进深小于8m，洞口宽
2～4m，高2～5m，少量已坍塌，多数仍在使用，由于位于洞身，对隧道影响较小。
§2洞门位置确定及形式选择
2.1洞门位置的选择原则
2.1.1选择动口位置的原则
隧道位置选定后，隧道长度由它的两端洞口位置确定（即隧道长度为其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间距离）。
洞口是隧道进出的咽喉，又是隧道施工中的主要通道。
洞口位置选择是否合理，将对隧道的施工工期、造价、运营安全等有重大的影响。
所以在隧道线路设计中，洞口位置的选择是一项很重要的工作。
根据我国多年实践经验，总结出“早进晚出”的原则。
即在决定隧道洞位置时，为了确保施工、运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞，这样做，虽然隧道修长了一些，却安全可靠。
当然，并不意味进洞越早越好，而是应当从安全等方面比较确定。
理想的洞口位置应选择地质条件良好，地势开阔，施工方便，技术、经济合理之处。
但在实际工程中难以完全满足这些要求。
为此，在选择隧道洞口位置时应主意以下几个原则：
1、洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，不要与水争路。
因为，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱的环节，常会遇到断层带、古坍方、冲积土等不良地质。
此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏了山体原有的平衡，更容易引起坍方，甚至不能进洞。
所以，洞口最好选择在沟谷的一侧，让出沟心作为泄水的通道。
2、洞口应避开不良地质地段，如断层、滑坡、岩堆、岩溶、流砂、盐岩、多年冻土、雪崩、冰川等。
以及避开地表水汇集处。
3、不破坏或少破坏地表坡面。
当隧道线路通过岩壁陡立，基岩裸露处时，最好不刷动或少刷动原生地表。
以保持山体的天然平衡。
此时，洞口位置应根据具体情况，采取贴壁进洞或设置一段明洞，（当山坡上有落石、掉块而难以清除时）；或修建特殊结构洞门，如悬臂式洞门；钢筋混凝土锚杆洞门；洞门桥台联合结构；悬臂式托盘基础洞门；长腿式洞门等。
4、减少洞口路堑段长度，延长隧道提前进洞。
对处于慢坡地形的隧道，其洞口位置变动范围较大。
一般采取延长隧道的办法，以解决路堑弃土及排水的困难。
如工期允许，可根据“土方调配”来确定隧道洞口位置。
5、洞口线路最好与等高线正交。
使隧道正面进入山体，洞口结构物不至于受到偏侧压力。
对于傍山隧道因限于地形，有时无法与等高线正交，只能斜交进洞时，其交角不应太小（不小于45°）。
并根据具体情况，采取斜交洞门、台阶式正交洞门、或修建一段明洞。
6、当线路位于有可能被水淹没的河滩或水库回水影响范围内时，隧道洞口标高应高出洪水位加波浪高度，以防洪水灌入隧道。
7、为了确保洞口的稳定和安全，边坡和仰坡均不宜开挖过高。
过去，从单纯的经济观点出发，把隧道洞口位置选定在所谓隧道与明洞的等价点上。
既开挖每米明堑的造价和每延米隧道的施工与运营换算价相等时的隧道“经济洞口”位置上。
此时，往往隧道定得偏短，明堑开挖过深，边、仰坡很高。
这样，不仅施工时容易发生坍方，行车后边坡也常常滚石掉块，危及行车安全，最后不得不再修建明洞接长隧道。
这不但增加了投资，还对施工和运营造成后患，教训十分深刻。
例如，宝天段隧道共123座，修建明洞接长隧道18座，占隧道总数的42﹪；川黔线隧道共66座，修建明洞接长隧道27座，占隧道总数的41﹪。
8、当洞口附近有水沟或水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，排泄水流。
如水量较
大，上述方法仍不能满足要求时，应修建明洞接长隧道把水流引到洞顶水沟中排走。
9、当洞口地势开阔，有利于施工场地布置时，可利用弃渣有计划、有目的地改造洞口场地，以便布置运输便道，材料堆放场，生产设施用地及生产、生活用房等。
另外在桥遂相连时，应注意防止因痄碴乱堆造成堵塞桥孔或推坏桥梁墩台建筑物。
总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡、仰坡的稳定，结合洞外有关工程即施工难易程度，本着“早进晚出”的指导思想，全面综合地分析确定。
2.1.2进出口洞门位置的确定
针对函谷关隧道的地形，我们在进出洞里程前后一定距离分别做了几个断面进行比选，力求找到合理的洞门位置。
2.2隧道平纵断面设计
2.2.1隧道平面设计
1.隧道平面的要求
规范规定：
“隧道内的线路宜设计为直线，当因地形地质等条件限制必须设置为曲线时，宜采用的曲线半径，并设在洞口附近。
隧道内不宜设置反向曲线。
”
曲线的是线路的薄弱环节，对隧道更是如此。
主要表现在：
（1）曲线隧道的空间，狭长弯曲，空气流通更为不畅，在列车通过时，阻力将会增大。
（2）地下空间本来通风差，采光不良，如设有曲线，则将更加昏暗、潮湿、散发异味，甚至聚集有害气体，在这种环境中从事维修线路的劳动，不仅有损人体健康，而且工作质量难以保证。
另一方面，曲线的存在，使得线路在列车通过后容易变形，恰恰需要更多、更精心的养护形成一对不容易解决的矛盾。
但由于地形的限制，以及长大隧道的设计往往还是要设计一些曲线段来解决这些难题。
但曲线半径也有相应的限制。
函谷关隧道的最小曲线半径规定为：
5500M。
2.隧道平面设计
根据函谷关隧道的地形地质资料，在隧道平面设计上，可采用原始资料所提供的线路走向。
但本设计没有设计曲线段。
也就没有曲线段加宽的计算。
2.2.2隧道纵断面设计
隧道内的坡型有单面坡和人字坡形两种。
单面坡的优点在于可以争取高程，在线路的紧坡地段常常使用，而且由于两洞口有高差，运营期间自然通风条件好。
它的缺点在于采用两端相向施工时一端将为向下开挖，地层含水及施工用水不能自动排出洞外，如果聚集到掌子面前，将严重恶化作业环境，另外出渣时是重车上坡，效率会降低。
人字坡形的优缺点大致相反。
隧道内列车运行条件比露天差，使得它容许的最大坡度，要比明线的限制坡度要小，即必须乘上一个坡度折减系数。
这种差别表现为：
（1）空气阻力增大。
列车进洞，横向空间骤然缩小，空气阻力随之增大，而且随着行车速度的提高，这种增大更加明显。
（2）机车粘着牵引力降低。
隧道内湿度大，钢轨踏面凝成一层水膜，使得轮轨间粘着系数降低，从而也降低了牵引力。
2.3洞门形式的选择
2.3.1洞门的作用
洞门是隧道的主要组成部分。
位于隧道的两端,是隧道的外露部分，俗称出入口。
它一方面起着稳定洞口仰坡坡脚的作用，另外一方面有装饰美化洞口的效果。
现对洞门进行以下几个方面的介绍：
（一）、洞门作用有以下几个方面：
1、减少洞口土石方开挖量。
洞口段范围内的路堑是根据地质条件以一定边坡开挖的，当隧道埋置较深时，开挖量较大，设置隧道洞门可以起到挡土墙的作用，减少洞口土石方开挖量。
2、稳定洞口边、仰坡坡脚的作用。
修建洞门可减小引线路堑的边坡高度，缩小正面仰坡的坡面长度，使洞口边、仰坡得以稳定。
3、引离地表水流。
地表水流往往汇聚在洞口，如不排除，将会侵害线路，妨碍行车安全。
修建洞门可以把水流引人侧沟排走，确保运营安全。
4、装饰洞口。
洞口是隧道唯一外露部分，是隧道的正面外观。
修建洞门可起装饰作用，特别在城市附近、风景区及旅游区内的隧道更应该配合当地环境，给予艺术处理应进行美化。
在少数民族地区修建的隧道时还应该考虑修建具有民族风味的隧道洞门。
2.3.2洞门的形式
根据地形和地质条件不同，一般铁路隧道洞门可以采用端墙式、环框式、翼墙式等形式。
1、环框式
在岩层坚硬，完整不易风化的隧道洞口，路堑开挖后，边、仰坡极为稳定，且无排水要求时，将洞口环框和洞身衬砌用同一种材料整体灌筑而形成环框式洞门。
2、端墙式
端墙式（一字式）洞门是最常见的洞门。
适用于地形开阔，岩石基本稳定的地区。
端墙作用于支护洞口仰坡稳定，并汇集排除仰坡地面水流。
3、当洞口地质较差时，在端墙洞门的一侧或两侧加设挡墙和保持路堑边坡稳定作用；其墙顶一般与边坡的延长面一致，把水沟设置在洞门上面，汇集仰坡及洞顶的地面水排到路堑排水沟。
除上述三种主要形式外，还有考虑地形、地质条件、减少洞门圬工数量、洞门受力状态、控制仰坡高度等等原因，而采用台阶式、柱式、斜交式洞门等形式。
2.3.3洞门的构造
一般隧道洞门是由洞口段衬砌和洞门墙所构成。
洞口段衬砌是指洞口的加强衬砌，该衬砌段长度不得少于5m，且应与洞身衬砌连成整体，洞门墙实际上是挡墙；通常有直立式和后仰式两种。
为有效抵抗墙后推力，洞门墙一般采用后仰式，其墙背坡度不宜缓于1：
0.3。
为防止洞顶石块坍落及减小落石冲击，洞顶仰坡脚至洞门墙背的水平距离b，一般不小于1.5m；洞门墙顶至仰坡坡脚的高度h4，不得小于0.5m；洞门与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱圈外缘的高度h2，不得小于1.0m。
水沟底填土应紧密夯实。
因此，洞门墙总高度H应为：
当洞门设计有翼墙或挡土墙时，要求路堑线路中心沿枕木底部至翼墙（挡）墙边的距离，不小于4.4m。
当隧道埋深较浅，上覆盖岩（土）体较薄，难以采用暗挖法施工时，则应该采用明挖法来开挖隧道。
用这种方法修筑的隧道结构，通常称为明洞。
明洞净空必须满足隧道建筑限界要求，洞门一般作成直力端墙式洞门。
综合以上各种形式洞门的优缺点，再结合函谷关隧道具体的地形，地质条件。
还有就是各个洞门施工的难易程度。
我们综合考虑隧道进出口都采用端墙式洞门。
进出口洞门到其分界断面处均采用修筑挡墙来减小边仰坡的开挖量。
§3施工方法的确定
3.1施工方法的选择
3.1.1施工方法的选择原则
隧道施工过程通常包括：
在地层内挖出土石，形成符合设计要求的坑道；进行必要的临时支撑和最后的永久支护，以控制坑道围岩的变形，保证隧道长期地安全使用。
在施工方法的选择时，我们必须充分考虑地下工程的特点，应该在保证安全的前提下，均衡快速地进行施工的施工方法，力求建成质量高，造价低的隧道建筑物。
隧道施工方法选择时应考虑的因素大致分为以下几点：
1、施工条件
施工条件是决定施工方法的最基本的因素。
它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。
2、围岩条件
围岩条件也就是地质条件，其中包括围岩级别，地下水及不良地质现象等，围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至是决定性的作用。
从施工技术的发展趋势看，地质条件虽然是重要的，但基本施工方法的变化却不显著，全地质型的施工方法和施工机械不断被开发出来就是原因所在。
3.1.2施工方法比选
1、全断面开挖
全断面开挖就是将全部设计断面一次开挖好，接着修建衬砌。
它的主要优点是：
工序少，相互干扰少，便于施工组织和管理；开挖面大，能提高钻爆效果，特别能发挥深眼爆破的优点；空间大，有利于采用大型施工机械设备，实现综合机械化施工。
该法适合在坚硬的、整体性好的稳定岩层中采用。
但有了可靠的支护手段（如刚拱支撑，喷锚支护）在全断面一次开挖中使用，这种方法的使用范围也会更加广泛。
2、正台阶法
正台阶法可以说是全断面一次开挖的变化方案，即在开挖面上分成几个台阶，以便使用轻型凿岩机打眼，而不必使用大型凿岩台车。
该法适用于石质较好，开挖后不需要支撑或可以喷锚支护的隧道。
3、中隔墙法
中隔墙法其实也是台阶法的一个衍生。
不同之处在于开挖的步骤不同。
先开挖左侧洞室，做好初期支护，再开挖右侧洞室做好初期支护，形成整体主要承载结构，再施作防排水措施和浇筑仰拱及回填，拆除中隔墙铺设防水层。
该法适用于级别较高的围岩，开挖断面较大的隧道及其他地下结构。
4、盾构与隧道掘进机
盾构与隧道掘进机是暗挖法修建的大型和综合性的专门机具。
盾构适合用于松软不稳定地层，特别是流砂涌水地段采用盾构法修建隧道是安全有效的方法。
掘进机修建隧道与一般的隧道施工方法比较，它有掘进速度快洞壁匀整，超挖量小，对围岩扰动范围小，操作安全等优点。
但设备昂贵，工程成本投资大。
函谷关隧道处于黄土地层中。
整个隧道在Ⅴ级围岩中穿过。
隧道开挖断面也比较大，最大开挖断面接近
15m。
根据目前我国的隧道施工技术水平和工程造价经济合理的原则。
§4隧道工程量计算
4.1洞内工程量
4.1.1工程开挖量
隧道在工程在开挖过程中经过不同的地址段，由于地质情况的不同，采用不同的衬砌形式，不同围岩区域开挖量也不尽相同。
本隧道全是Ⅴ级围岩。
由下式来计算洞内开挖量：
式中：
V------洞内开挖量
S------开挖面面积
L------隧道长度
在确定隧道长度时要注意，稳定性差的围岩与好级别接触时，一般要延长2﹀3米。
由于该隧道既有深埋又有浅埋，本设计认为埋深小于或等于20m是浅埋，否则为深埋。
其各自的长度、初支喷砼厚度、二次衬砌厚度，见下表：
围岩
初支喷砼厚度
二次衬砌厚度
Ⅴ级深埋
7585m
20cm
60cm
Ⅴ级浅埋
255m
—
60cm
表4-1
因为有两种埋深要分开算它的工程量
1、浅埋隧道开挖工程量
在绘制Ⅴ级浅埋隧道衬砌图时，就算出了在一个断面上开挖量和所用到的各种材料的用量。
见下表：
洞身每一米工程数量表
工程名称
单位
数量
备注
洞身开挖
m3
141.28
含仰拱开挖
二次衬砌
C25砼拱墙
m3
17.27
C25仰拱
m3
5.90
格栅钢架
榀
1
防水层
m3
0.1439
仰拱回填
m3
6.28
C15片石砼
超挖
m3
4.37
超挖回填
m3
4.21
同级砼回填
表4-2
查上面两个表可得：
S=141.28m3
L=665m
那么，Ⅴ级浅埋段隧道工程量V1为：
V1=S×L=665×141.28=93951.2m3
2、深埋隧道开挖工程量
在绘制Ⅴ级浅埋隧道衬砌图时，就算出了在一个断面上开挖量和所用到的各种材料的用量。
见下表：
洞身每一米工程数量表
工程名称
单位
数量
备注
洞身开挖
m3
148.93
含仰拱开挖
初期支护
C20喷砼
m3
5.997
25注浆锚杆
m3
261
二次衬砌
C25砼拱墙
m3
16.88
C25仰拱
m3
6.98
防水层
m3
0.1439
仰拱回填
m3
8.73
C15片石砼
超挖
m3
4.37
超挖回填
m3
4.21
同级砼回填
表4-3
查上面两个表可得：
S=148.93m3
L=7175m
那么，Ⅴ级深埋段隧道工程量V2为：
V2=S×L=7175×148.93=1068572.75m3
4.1.2衬砌支护圬工量
1、模筑混凝土量
a.二次衬砌
两种埋深的围岩均采用同样的二次衬砌厚度，不同之出在于，浅埋围岩没进行初期支护（即喷锚支护），而在二次衬砌之中加入了格栅以加大其强度，从衬砌厚度半径等尺寸上看，两类围岩二次衬砌取值基本一样。
二次衬砌，二次衬砌采用C25混凝土砌筑。
b初期支护
Ⅴ级深埋围岩采用复合式衬砌，用C20喷射混凝土进行喷射。
c、水沟及盖板混凝土量
水沟和盖板采用C20混凝土，由资料查得水沟及盖板混凝土量0.08m3/m。
隧道内实行双水沟布置。
2、钢筋量
a、锚杆钢筋量
工程中使用的是
钢筋作锚杆，锚杆为长度4．5m，间距：
纵向0.8m，横向0.5m，直径0.024m。
隧道施加锚杆断面曲线长L。
m
环向锚杆使用根数
每沿米隧道所需的锚杆数为：
根
根据“钢结构”查得
钢筋重量为3.551
即锚杆使用钢筋量
=4.5×68×7175×3.551=7796398.05kg
b、盖板使用钢筋量
盖板使用
号钢筋，查规范得盖板所使用
钢筋重量为1.8
盖板使用钢筋量
=1.8×2×7842=28231.2kg
c、格栅使用钢筋量
在Ⅴ级浅埋围岩二次衬砌中使用了Ф22的螺纹钢绑扎成的格栅，其钢筋量已在衬砌计算中计算出来，其钢筋量为
=229877.2kg
因此，使用总钢筋量为：
=
+
+
=7796398.05+28231.2+229877.2kg
=8054.5t
4.2整个隧道的工程量
4.2.1总的挖方量计算
总的挖方量包括洞内外的挖方量。
93951.2+1068572.75=1162523.95
注：
在进口洞门处有一小部分填方，在这里没有进行详细的计算。
4.2.2钢筋用量
kg
函谷关隧道（双线）工程量对照表
名称
工程量（m3）（kg）
洞内开挖量
Ⅴ级浅埋
178011.4
Ⅴ级深埋
1068572.75
洞外开挖量
进口
仰坡
2176.76
洞门+边坡
1179.11
出口
仰坡
1547.23
洞门+边坡
4861.94
洞内圬工量
喷射砼
31354.75
谢辞
为期两个半月的毕业设计即将结束。
我们也经过自己努力也做出了自己的设计，心中难免有些激动，虽然只有数十页的设计，但每页每字都是我们的汗水所凝结。
通过本次设计，使我学到了许多课堂乃至以前的实习中所未能学到的知识，从中，我对隧道又有了更深一层的认识。
靠我一个人的努力是无法完成此次设计的，每当遇到问题的时候，通过向老师的请教以及和同学的探讨，一切问题也就迎刃而解了。
在此非常感谢我们的指导老师钟新樵老师对我的耐心指导，以及周围同学的热心帮助，没有你们，我的设计也无法这样按质按量的完成，在这一并表示感谢！
参考文献
1.铁路工程设计手册,《隧道》，中国铁道出版社。
2.《建筑工程定额与预算》教材，化学工业出版社，徐楠主编。
3.《建筑工程投资控制》教材，中国建筑工业出版社，中国建设监理协会编写。
4.《地下结构设计》，中国电力出版社。
5.《地下工程施工》，中国科技出版社。
6.有关隧道设计，施工的规范、规程、规定、图册。
7.《世界隧道》杂志，中铁西南科学研究院主办王健宇主编。
8.《地下工程支护结构》，中国水利水电出版社。
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