元和观一号铁路隧道的设计隧道工程专业毕业设计正文

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1、XX大学毕业设计(论文)目 录绪 论1第一章洞口位置、形式选择及检算2第一节 洞口位置的确定2一、选择洞口位置的原则2二、用作图法确定进洞里程和洞口边、仰坡开挖线3第二节 洞门的选择及其稳定性检算6一、洞门的选择6二、洞门强度及稳定性检算6第二章 隧道衬砌设计及强度检算17第一节 隧道衬砌的类型及建筑材料17一、隧道衬砌的形式17二、隧道衬砌的建筑材料及要求19第二节 隧道衬砌的一般构造要求19一、曲线隧道净空加宽19二、隧道纵断面设计21三、元和观一号隧道防排水措施22四、隧道衬砌的其他构造要求23第三节 隧道衬砌检算24一、衬砌检算模型24二、衬砌结构的选择24三、围岩压力计算24四、衬砌

2、内力计算：25第三章 施工组织设计38第一节 概述38一、隧道概况38二、施工原则38第二节 工程量计算39一、开挖土方量39二、洞门部分工程量39三、衬砌部分工程量40第三节 施工进度、工期和布置40一、工期进度安排40二、施工任务划分41三、施工场地布置42第四节 主要工程项目施工44一、控制测量44二、洞口工程44三、 洞内施工46第五节 施工要求及保证措施48一、质量目标48二、质量标准48三、质量保证措施51结束语55致谢56参考文献57附录I：衬砌内力计算程序附录II：外文文献及翻译附录III：隧道进洞里程图附录IV：襄樊端洞口开挖线附录V：安康端洞口开挖线附录VI：元和观一号隧道

3、纵断面图附录VII：进出口洞门图附录VIII：V级围岩曲墙式衬砌图1绪 论为达到各种不同的使用目的，在山体内或地面下修建的建筑物，统称为“地下工程”。在地下工程中，用以保持地下空间作为运输孔道的，称之为“隧道”。隧道包括的范围很大，且种类繁多，从不同角度来区分就有不同的分类方法。从隧道所处地质条件可将隧道分为土质隧道和石质隧道；从埋置的深度来分，可以分为深埋隧道和浅埋隧道；从隧道所在的位置来分，可将隧道分为山岭隧道、水底隧道和城市隧道；从隧道使用功能即用途的不同可分为交通隧道、水工隧道、市政隧道、和矿山隧道等。本毕业设计主要涉及交通隧道中铁路隧道的设计和施工方法。隧道工程修建时，首先要把施工地

4、区的地质和水文情况勘察清楚，将勘察到的资料结合工程使用的要求，进行结构设计和施工方法的抉择。然后通过施工组织设计的指导，有步骤的进行施工，并在施工的过程中，随时进行各种测量，不断有针对性的修正支护结构设计和施工方案，使之更趋于合理。我国内地大多是山区，地势起伏、山峦纵横，铁路穿越这些地区时，往往会遇到高程障碍。而铁路限坡平缓，无法拔起所需要的高度，同时，限于地形又无法绕避，这时，开挖隧道直接穿山而过最为合理。它既可使线路顺直，避免许多无谓的展线，使线路缩短，又可以减小坡度，使运营条件得以改善，从而提高牵引定数，多拉快跑。所以，在铁路线上，尤其是在山区铁路线上，隧道的方案常为人们所选用，修建的数

5、目也越来越多。本次毕业设计，是我们在毕业前最后的学习机会，是对大学本科学习的一个总结。它对培养我们这些土木工程专业学生的综合素质、工程实践能力和创新能力都起着非常重要的作用。因此，我们要对此次毕业设计给予充分重视。通过毕业设计这一专业环节，培养土木工程专业本科生综合应用所学基础课、专业课和相应技能，解决具体的综合能力和创新能力。本设计为元和观一号隧道，全长101米，坡度为5，V级围岩。设计的主要内容有： 确定洞门位置，隧道长度，洞门类型，洞口开挖范围；洞门结构设计及检算；绘制进出口洞门图和纵断面图；衬砌结构设计及检算；绘制衬砌结构横断面图；施工方案的选择，组织机构设置和施工队伍的分工；临时工程

6、和总体工程进度安排，监控量测和施工控制测量；安全、质量、工期和环境保证等措施。第一章 洞口位置、形式选择及检算第一节 洞口位置的确定一、选择洞口位置的原则隧道位置选定以后，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的距离）。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，即在决定隧道洞口位置时，为了确保施工、运营的安全，宁可早一点进洞，晚一点出洞，这样虽然隧道修长了一些，

7、却较安全可靠。当然，并不是进洞越早越好，而应从安全等多方面比较确定。理想的洞口位置应该选择地质条件良好，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注意以下几个原则：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，洞口最好选在沟谷一测，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、泥石流

8、、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，以保护山体的天然平衡。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。对处于漫坡地形的隧道，其洞门位置变动范围较大。一般应采取延长隧道的方法，以解决路堑弃及排水的困难。如工期允许，可根据“土方调配”来确定隧道洞口位置。5.洞口线路宜与等高线正交。使隧道正面进

9、入山体，洞口结构物不致受到偏侧压力。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，采取斜交进洞、台阶式正交洞门或者修建一段明洞。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以内时，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，边坡及仰坡均不宜开挖过高。过去，从单纯的经济条件出发，把隧道洞口位置选定在所谓的隧道与明洞的等价点上。即开挖每米明堑的造价和每延米隧道的施工与运营换算造价相等时的隧道“经济洞口”位置上。此时，往往隧道定得偏短，明堑挖得过深，边仰坡很高。这样，不仅施工时容易发生坍方，

10、行车后边坡也常常滚石掉块，危机行车安全，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。所以，应根据开挖控制高度及坡度来决定洞口位置。8.当洞口附近遇有水沟和水渠横跨线路时，可设置拉槽开沟的桥梁或涵洞，排泄水流。如水量较大，上述方法不能满足要求时，应修建明洞接长隧道把水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，可利用弃碴有计划、有目的地改造洞口场地，以便布置运输便道，材料堆放场，生产设备用地及生产、生活用房等。另外，在桥梁相连时，应注意防止因弃碴乱堆造成堵塞桥孔或推坏桥墩台建筑物。总之，隧道洞口位置的选择，应根据地形、地质条件，考虑边坡

11、、仰坡的稳定，结合洞外有关工程及施工难易程度，本着“早进晚出”的知道思想，全面综合地分析确定。二、用作图法确定进洞里程和洞口边、仰坡开挖线1、进洞里程的确定在洞口地形平面图上用作图法确定进洞里程的具体步骤为：、在洞口地形平面图上找出控制等高线。根据表1-1选定仰坡的极限开挖高度H=13m，在隧道纵断面图上粗略地拟定安康端洞口里程为ZDK74+605处，定出进洞的路基标高：=55+19881=19884m，则：=+H=198.84+13=211.84m。为了在平面图上查找方便，取整数=211m。可见极限开挖高度H=12.16m在H15m的范围之内。表1-1 洞口边仰坡控制围岩级别坡 率贴壁1：0

12、.31：0.51：0.51：0.751：0.751：11：1.251：1.251：1.5高度m152025左右2025左右151820左右1518 同理，假设襄樊端洞口取在里程为ZDK74+520处，则襄樊端洞口数据（极限开挖高度取15m）为：=198.44m，控制等高线标高：=+H=198.44+15=213.44m。同样取整数：=213m，可见H=14.56m在H15m范围之内。、在预先选定的洞口附近，以洞门墙宽度B=6.96m为距离，作对称于线路中心线的平行线1-1和2-2，如图1.1所示。、以仰坡坡脚至开挖高度控制点的水平距离d 为半径，用分规沿1-1(或2-2）线移动，找出与控制等高

13、线相切于a点(即控制点)的圆心o。其中：d(Hh)m, h为路基面至仰坡坡脚的高度，H是仰坡的极限开挖高度。从标准图中可计算出：h=9.44m.安康端洞口：d=(Hh)m =(12.16-9.44)1.25=3.40m.襄樊端洞口：d=(Hh)m =(14.56-9.44)1.25=6.40m.、过o点作线路中心线的垂线。、以洞口里程至仰坡坡脚的水平距离b=3.10m（由洞门图计算得到）为间距，作线的平行线,则线为安康端洞口里程位置(如图1.1所示)。图1.1 洞口里程的确定示意图在实际设计中，若有几个控制点时，可根据“早进晚出”的原则，综合考虑洞口附近的地形、工程地质及水文地质情况，经详细比

14、较，才能最后确定洞口位置的最佳方案。综上，可以得到进口里程ZDK74+526，出口里程ZDK74+627，故隧道全长101m。2、绘制隧道洞口边、仰坡开挖线洞口里程确定以后，对安康端洞口：仰坡坡脚标高：=+h=198.84+9.44=208m边坡坡脚标高：=198m边坡：=(210-208)1.25=2.50m =(209-208)1.25=1.25m仰坡：=(199-198)1.25=1.25m=(200-198)1.25=2.50m=(201-198)1.25=3.75m=(202-198)1.25=5.00m=(203-198)1.25=6.25m=(204-198)1.25=7.50m

15、=(205-198)1.25=8.75m=(206-198)1.25=10.0m=(207-198)1.25=11.25m洞门地形图上，作与洞门墙平行相距为的1-1线交210m等高线于点，作与洞门墙相距为的2-2线交209m等高线于点，以此类推。连接a, ,即为仰坡开挖线。同理，作与路堑坡脚线平行且相距，交等高线于各点并连接即得边坡开挖线，如图1.2所示。图1.2 绘制边仰坡开挖线示意图襄樊端洞口计算数据：仰坡坡脚标高：=+h=198.44+9.44=208m边坡坡脚标高：=198m 边坡：=(212-208)1.25=5.00m =(211-208)1.25=3.75m 仰坡： =(199-

16、198)1.25=1.25m=(201-198)1.25=2.50m=(202-198)1.25=3.75m=(203-198)1.25=5.00m=(204-198)1.25=6.25m=(205-198)1.25=7.50m=(206-198)1.25=8.75m=(207-198)1.25=10.0m=(200-198)1.25=2.50m 襄樊端洞口边仰坡开挖线绘制过程同上，此处不再赘述。具体边仰坡坡开挖线见附图。第二节 洞门的选择及其稳定性检算一、洞门的选择元和观一号隧道安康端洞口和襄樊端洞口均为V级围岩，故可选翼墙式洞门，其标准尺寸见附图。二、洞门强度及稳定性检算1、洞门强度检算的

17、设计参数安康端和襄樊端洞口附近围岩级别均为V级，可从规范中查得检算数据如下所示：边、仰坡坡度：1：1.25，配合V级围岩曲墙衬砌。地层容重：18 kN/地层计算摩擦角：=45基底摩擦系数：f=0.4基底控制压应力： =0.3 MPa顶帽采用C20混凝土容重：=23 kN/端、翼墙水泥砂浆片石容重：=22 kN/M10号水泥砂浆砌片石容许压应力： =1.5 MPaM10号水泥砂浆砌片石容许拉应力： =0.2 MPa2、翼墙检算、翼墙墙身截面检算I、翼墙墙背主动土压力E取距翼墙基底1.0m的截面为检算截面，计算截面宽度取1.0m（如图1.3所示截面I）。翼墙计算高度： 最危险破裂面与垂直面夹角：

18、（其中45，0.1，0.3508（取由此可得：。图1.3 翼墙检算条带 土压力系数： II、倾覆力矩： III、稳定力矩： P1.0（0.3+0.2）23-（0.4+0.5）0.3/223+（6.64-0.51.022+（6.64-2.0）（1.6-1.0）22+（0.22.0/2+20.4）18 1.011.50-3.10+135.08+61.24+3.60+14.40222.72KN图1.4 翼墙自重计算图式 11.5（0.5+6.390.1+0.5）-3.10（0.5+6.490.1+0.5）+135.08（0.5+3.070.1+0.5）+61.24（1+0.3+2.320.1+0.5

19、）+3.6（1.0+0.5+0.464+2/30.2）+14.4（0.5+1.0+0.464+0.2+0.2） 13.1-3.56+109+93.82+5.76+26.84 244.96IV、偏心、应力检算： m（满足要求） （满足要求）、翼墙基底截面检算 I、墙背主动土压力E II、倾覆力矩 III、稳定力矩 11.5（0.5+6.390.1+0.5）-3.1（0.5+6.490.1+0.5）+135.08（0.5+3.070.1+0.5）+61.24（1+0.3+2.320.1+0.5）+3.6（1.0+0.5+0.464+2/30.2）+14.4（0.5+1.0+0.464+0.2+0.

20、2）+45.101.018.84-5.12+176.54+124.44+7.56+34.04+90.2401.4kNm IV、基底偏心、应力检算 （满足要求） （满足要求）V、稳定检算倾覆稳定系数： （满足要求）滑动稳定系数： （满足要求）3、端墙检算、端墙墙背主动土压力E计算条带取1.5图中截面II所示。端墙计算条宽度取0.5m，据计算，计算带高度为6.12m（也可从图中量取），计算条带中线距线路中线为3.63m。b0.5+3.6350.68ma1.2-(0.68-0.5)1.25-1.1-0.5-0.3-(0.68-0.25)0.10.72m,故 图1.5 端墙、端墙与翼墙共同作用检算条带

21、示意图 0.2235 (a) (b) 图1.6 端墙检算图式 图1.7 端墙墙背应力图、稳定力矩 、倾覆力矩 、偏心、应力检算 （满足要求）4、端墙与翼墙共同作用时稳定性检算、端墙墙背主动土压力E端墙总高度为11.0m端墙与翼墙共同作用时的计算宽度为：a1.2-(0.52-0.5)1.25-1.1-0.3-0.5-(0.72-0.25)0.10.92m图1.8 端、翼墙共同作用墙背应力图(KPa) 、端墙自重P=（11.0-0.25）1.122-1/20.30.8722-0.210.8722-1/20.870.10.8722+0.60.2523-1/20.10.123 1.79=483.39k

22、N、翼墙自重翼墙自重的计算与设计施工要求有关，当翼墙较短时，一般要求与翼墙整体施工，其自重按整个翼墙重量计算，当翼墙较长，整体施工有困难时，可分段施工，此时可考虑最不利情况，即按第一段墙重计算，本检算为分段施工，翼墙自重取距端墙底3m范围内的翼墙计算：图1.9 共同作用下翼墙自重计算示意图由图得： KN、滑走稳定检算一般仅检算抗滑稳定： (满足要求) 第二章 隧道衬砌设计及强度检算第一节 隧道衬砌的类型及建筑材料一、隧道衬砌的形式隧道开挖以后，坑道周围地层原有的平衡遭到破坏，引起坑道的变形甚至崩塌。因此，除了岩体完整而又不易分化的稳定岩层中，可以只开成毛洞以外，其他在所有的地层中的隧道，都需要

23、修建支护结构，即衬砌。支护的方式有：外部支护，即从外部支撑着坑道的围岩（如模筑混凝土整体式衬砌、砖石衬砌、装配式衬砌、喷射混凝土支护等）；内部支护，即对围岩进行加固以提高其稳定性（如锚杆支护、压入浆液等）；混合支护，即内部与外部支护同时采用的衬砌（如喷锚支护）。从衬砌施工工艺方面将隧道衬砌的形式分为以下4类：1、整体式模筑混凝土衬砌它是指就地灌筑混凝土衬砌，也称模筑混凝土衬砌。其工艺流程为：立模灌筑养生拆模。模筑衬砌的特点是：对地质条件的适用性较强，易于按需要成形，整体性好，抗渗性强，并适用于多种施工条件，如可用木模板、钢模板或衬砌模板台车等。2、装配式衬砌装配式衬砌是将衬砌分成若干块件，这些

24、构件在现场或工厂预制，然后运到坑道内用机械将它们拼装成一环接着一环的衬砌，这种衬砌到的特点是：拼装成环立即受力，便于机械化施工，改善劳动条件，节省劳力。目前多在使用盾构法施工的城市地下铁道中采用。3、喷锚支护喷射混凝土是以压缩空气为动力，将掺有速凝剂的混凝土拌和料与水汇合成为浆状，喷射到坑道的岩壁上凝结而成的。当岩壁不够稳定时，可加设锚杆、金属网和钢架，这样构成的一种支护形式，简称为“喷锚支护”。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的支护方法，它与围岩密贴、支护及时、柔性好，同时封闭了围岩壁面，防止分化，并能封闭围岩的张性裂隙和节理，提高围岩的固有强度,控制围岩的变形，它能充分调动围岩本身的自稳能力

25、，从而更好地起到支护作用。另外，喷锚支护有效地利用了洞内净空，提高了作业的安全性和作业效率，并能适应软弱和膨胀性地层中的隧道开挖，还能用于整治塌方和隧道衬砌的裂损。喷锚支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土与锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷射钢纤维混凝土支护、喷射钢纤维混凝土锚杆联合支护。喷锚支护是目前常用的一种围岩支护手段，适用于各种围岩地质条件，但是若作为永久衬砌，一般考虑在、级围岩良好、完整、稳定、的地段中采用。在某些不良地质、大面积涌水地段和特殊地段很难成形，不宜采用喷锚支护作为永久衬砌。地下水发育或大面积淋水地段，喷射混凝土很难成形，

26、且即使成形，其强度与围岩的粘结力无法保证，锚杆与围岩的粘结或锚固力也极难保证，难于发挥喷锚支护所应有的作用。膨胀性围岩和不良地质围岩，如黏土质胶结的砂岩、粉砂岩、泥岩等软岩，开挖后极易风化、潮解，遇水泥化、软化、膨胀，造成较大的围岩压力，稳定性极差，甚至流坍。堆积层、破碎带等不良地质，往往有水，施工时缺乏足够的自稳能力和一定的稳定时间。这样，锚杆无法同膨胀性围岩和有水堆积层、破碎带形成可靠的黏结，喷射混凝土与围岩面也很难形成良好的黏结。因此，喷锚支护就难于阻止围岩的迅速变形和通过喷锚支护形成可靠、稳定的承载圈。不宜采用喷锚支护单独作为永久衬砌的情况有：对衬砌有特殊要求的隧道或地段，如洞口地段，

27、要求衬砌内轮廓很整齐、平整；辅助坑道或其他隧道与主隧道的连接处及附近地段；有很高的防水要求的隧道；围岩及覆盖太薄，且其上已有建筑物，不能沉落或拆除者等；地下水有侵蚀性，可能造成喷射混凝土和锚杆材料的腐蚀；最冷月平均气温低于-5的冻害地段。4、复合式衬砌复合式衬砌不同于单层厚壁的模筑混凝土衬砌，它把衬砌分成两层或两层以上，可以是同一种形式、方法、和材料施工的，也可以是不同形式、方法、时间和材料制作的。目前多数都是外衬和内衬两层。按内外衬的组合情况可以分为：喷锚支护与混凝土衬砌；喷锚支护和喷射混凝土衬砌；可缩性钢拱架（或隔栅钢构拱架）喷射混凝土与混凝土衬砌；装配式衬砌与混凝土衬砌。目前最通用的是外

28、衬是喷锚支护，内衬是整体式混凝土衬砌。复合式衬砌是先在开挖好的洞壁表面喷射一层早强的混凝土（有时也同时施作锚杆、钢筋网或局部钢筋网），凝固后形成薄层柔性支护结构（初期支护）。它可以满足初期支护施作及时、刚度小易变形的要求，且与围岩密贴，从而能保护围岩和加固围岩，促使围岩的应力调整，充分发挥围岩的自承作用。它既能容许围岩有一定的变形，又能限制围岩产生有害变形。其厚度多在520cm之间，一般待初期支护与围岩变形基本稳定后再施作内衬，通常为就地灌筑混凝土衬砌（二次衬砌）。二次衬砌完成后，衬砌内表面光滑平整，可以防止外层风化，装修内壁，增强安全感。为了防止地下水流入或渗入隧道内，可以在外衬和内衬之间设

29、防水层，其材料可采用软聚氯乙烯薄膜、聚氯乙烯片、聚乙烯等防水卷材，或用喷涂乳化沥青及“881”等防水剂。总之，复合式衬砌是一种较为合理的结构形式，适用于多种围岩地质条件，有其广阔的发展前途。二、隧道衬砌的建筑材料及要求修建隧道衬砌的材料，应具有足够的强度和耐久性，在某些环境中，还必须具有抗冻、抗渗和抗侵蚀性。此外，还应满足就地取材、降低造价、施工方便及易于机械化施工等要求。常用的隧道衬砌材料有：混凝土与钢筋混凝土，隧道工程所用的混凝土强度等级不应低于C15，当最冷月平均温度低于-15的地区及受冻害影响的隧道，宜采用整体式混凝土衬砌，混凝土强度等级应适当提高，洞门用混凝土整体灌筑，其强度等级不应

30、低于C20。钢筋混凝土材料主要用在洞门、明洞衬砌级地震区、偏压、通过断层破碎带或淤泥、流沙等不良地质地段的隧道衬砌中，其强度等级对于衬砌段不应低于C20，对于洞门不应低于C15。片石混凝土，为了节省水泥，在岩层较好地段的边墙衬砌可采用片石混凝土。石料和混凝土预制块，用强度等级不低于M10的水泥砂浆砌筑衬砌。喷射混凝土，其强度等级采用C20，所以的水泥应优先采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，也可采用矿渣硅酸盐水泥，必要时可采用特种水泥。锚杆，锚杆的杆体易用20MnSi，也可采用Q235钢筋，缝管式锚杆宜采用16MnSi钢管，亦可采用Q235钢管，锚杆直径宜为1822mm。第二节 隧道衬砌的一般构造

31、要求一、曲线隧道净空加宽1、曲线隧道加宽内侧加宽：2.7(cm)外侧加宽：(cm)总加宽： 2.7(cm)式中 ：曲线外轨超高值，其最大值不超过15cm,且（cm），其中为铁路远期行车速度。在本隧道设计中：R=2000m，=120km/h，可得： =8450/2000+2.75.472=19cm 取20cm。 图2.1 曲线地段隧道加宽平面示意图 图2.2 曲线地段隧道加宽横段面示意图2、曲线隧道中线与线路中线偏移距离从以上计算可知，曲线隧道内外侧加宽值不同，（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，隧道中线应向曲线内侧偏移一个d值。隧道中线与线路中线偏移距离d为：d=(-)=(16.80-2.2

32、0)=7.3 (cm) d取7cm。关于W和d的取值也可直接从规范表中查得。二、隧道纵断面设计为了保证隧道内行车能安全平顺地行驶，机车能够牵引足够的列车重量，同时考虑将隧道内的水顺利排出洞外以及通风要求等因素，必须对隧道内线路的纵断面进行合理设计。隧道纵断面设计的主要内容包括选定隧道内线路的坡道形式、坡度大小、坡段长度和坡段间的衔接。 1、 坡道形式 隧道处于地层之内，除了地质有变化时以外，线路的坡形本来不受什么限制，用不着采用复杂多变的形式。一般可采用简单的单坡形或不复杂的人字坡形，如图2.3所示。单坡多用于线路的紧坡地段或是展线的地区，因为单坡可以争取高程、拔起或降落一定的高度。此外，单坡

33、隧道两洞口的高程差较大，由此产生的气压差和热位差也大，能促进洞内的自然通风。但坡道的优点还有施工及测量上都比较方便。它的缺点是在施工阶段，下坡进洞的一端，出于上部的水自然地流向下部开挖工作面，使开挖工作受到干扰，不但需要随时抽水外排，而且影响到电爆破的绝缘质量；运渣时，空车下坡重车上坡，运输效率低。本设计就采用单坡形式。 图2.3 坡道形式2、坡度大小对于线路来说，考虑到运营效率，应具有良好的行车条件，线路的坡度以平坡为最好。但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，需要随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。但坡度不能太大，若坡度超过了线路最大允许的限制坡度，机车的

34、牵引能力达不到，不是列车爬不上去，就是必须减轻列车的牵引重量。所以设计坡度时，注意应不超过限制坡度(按照线路等级规定的限制最大坡度)。另一方面，考虑到隧道排水的需要，除了最大坡度限制以外，还要限制最小坡度。因为隧道内的水全靠排水沟向外流出，如果隧道坡度设计为平坡，那么很长的水沟，按照流水的坡度要求，势必沟槽很深，这是比较难于设置的，有时甚至是不可能的。铁路隧道设计规范规定，隧道内线路不得设置为平坡，最小的允许坡度应不小于3，在最冷月平均气温低于-5的地区和地下水发育的隧道宜适当加大坡度。3 、坡段长度隧道内线路的坡形单一，但不宜把坡段定得太长，尤其是单坡隧道，列车上坡将会使机车疲劳或超负荷。而

35、在下坡时，由于坡段过长，制动时间过久，将使燃油失效，以致刹车失灵，发生溜车事故。如果隧道很长，又不想改动坡度，可以设置缓坡段，给机车一个缓和时间。这将有利于列车的安全运行。4、坡段联接为了行车平顺，两个相邻坡段坡度的代数差值不宜太大。因为坡差太大会引起车辆间仰俯不一，车钩受到扭力，容易发生断钩。因此在设计坡度时，坡间的代数差要有一定的限制。从安全的观点出发，两坡段间的代数差之不应大于重车方向的限坡值。其中 =-式中 设计中允许采用的最大坡度； 按照线路等级规定的限制最大坡度； 曲线阻力折算的坡度折减量。三、元和观一号隧道防排水措施根据工程原始地质资料，并结合工程实际和铁路隧道设计规范，在隧道中

36、部衬砌内部设双侧排水沟、弹簧软管盲沟（如图2.4所示）。另外，由于隧道所处地区降水相对较多，还必须做好洞顶防排水，有利于防止地表水冲刷边仰坡和隔断地表水对隧道围岩内水的补给。此外，还务必做好洞门的排水，在洞门的端墙、翼墙和边仰坡上设置排水设施，详细情况参看附图VII。为保证隧道衬砌、通信信号、供电线路和轨道等设备正常使用，隧道衬砌应根据要求采取防水措施。可在初期支护和预留变形量之间设置一层PVC防水板。变形缝和施工缝处设置止水带。 图2.4 天沟 图2.5 弹簧软管盲沟四、隧道衬砌的其他构造要求1、隧道洞口段，比隧道中段受力复杂，除了受有横向的竖直与水平荷载以外，还受有纵向的推力荷载。所以，规

37、范规定隧道洞口段应设置加强衬砌，并宜与洞身整体砌筑，其长度应根据地质、地形等条件确定，一般单线隧道洞口应设置不小于5m长的模筑混凝土衬砌。2、围岩较差段的衬砌应向围岩较好地段延伸510m。3、偏压衬砌段延伸至一般衬砌段内5m以上。4、不设仰拱的隧道应做底板，单线隧道其厚度不得小于20cm。5、对衬砌有不良影响的硬软地层分界处，应设置变形缝。6、电力牵引的隧道，其长度大于2000m及位于隧道群地段和车站两端时，为了使接触网有良好的工作和维修条件，应根据需要设置接触网补偿下锚的衬砌段。7、运营通风洞、联络通道等与主隧道连接处的衬砌设计应做加强处理。第三节 隧道衬砌检算一、衬砌检算模型目前采用的地下

38、结构设计方法可以归纳为以下4种设计模型：1、工程类比法：参照过去隧道工程实践经验的经验设计法；2、以现场量测和实验室试验为主的实用设计方法，例如以洞周位移量测值为根据的收敛约束法；3、作用与反作用模型，即荷载结构模型，例如弹性地基圆环计算和弹性地基框架计算等计算法；4、连续介质模型，包括解析法和数值法。数值计算法目前主要是有限单元法。各种设计模型或方法各有其适用的场合，也各有自身的局限性。由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，因此经验设计法往往占据一定的位置。从各国的地下结构设计实践看，目前在设计隧道的结构体系时，主要采用两类计算模型：第一类模型是以支护结构作为承载主体，围岩作为荷载主要来

39、源，同时考虑其对直支护结构的变形起约束作用；第二类模型则相反，是以围岩为承载主体，支护结构则约束和限制围岩向隧道内变形。第一类模型又称为传统的结构力学模型，它将支护结构和围岩分开来考虑，支护结构是承载主体，围岩作为荷载的来源和支护结构的弹性支承。第二类模型又称为现代的岩体力学模型，它是将支护结构与围岩视为一体，作为共同承载的隧道结构体系，故又称为围岩结构模型或复合整体模型。本隧道衬砌内力计算采用结构力学模型。二、衬砌结构的选择元和观一号隧道，围岩级别为V级，所以采用喷锚支护，复合式衬砌。初期支护采用：开挖后打入2.5m长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土。二次衬砌采用筑模台车浇筑而成

40、，厚度为35cm。初期支护：需在拱、墙位置设置锚杆，锚杆长度为2.5m，间距为0.9m，并且在拱墙、仰拱铺设钢筋网，在必要时要铺设钢拱架。二次衬砌：V级围岩二次衬砌35cm,为曲墙式衬砌。三、围岩压力计算计算围岩压力的公式：。式中的为围岩重度；为围岩级别，V级围岩=5； 围岩竖向压力q： 围岩水平压力：四、衬砌内力计算： 图2.4 衬砌单元划分图2.5 围岩压力根据工程类比法采用:初衬20cm厚,二衬35cm厚。本设计采用结构力学的弹性链杆法进行内力计算，运算过程采用FORTRAN语言编写的程序。由铁路隧道设计规范可知，单线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，在本设计中，把V级围岩

41、衬砌划分为22个单元,如图2.4所示。1.衬砌内力计算参数如下所示。表3.1 衬砌计算参数节点数(个)23衬砌容重(kN/)23衬砌弹性模量(GPa)28水平荷载(kN)40.69竖向荷载(kN)135.62水平弹性抗力系数(MPa/m)200竖向弹性抗力系数(MPa/m)200墙角支座宽度(m)0.827表3.2 计算输入数据结点数衬砌x坐标(m)衬砌y坐标(m)弹性支撑约束水平约束竖向约束转角约束衬砌单元厚度（m）12.5018.34510110.82722.5827.73001110.71632.6357.11501110.66142.7326.50001110.51752.8075.8

42、8501110.50062.8635.27001110.41772.8994.65501110.35082.8643.44101110.35092.6632.23401110.350102.0501.03001110.350111.0570.23111110.350120.0000.00011110.35013-1.0570.23111110.35014-2.0501.03001110.35015-2.6632.23401110.35016-2.8643.44101110.35017-2.8994.65501110.35018-2.8635.27001110.41719-2.8075.8850

43、1110.50020-2.7326.50001110.51721-2.6357.11501110.66122-2.5827.73001110.71623-2.5018.34510110.8272、用FORTRAN程序计算衬砌内力如下： 数据输入格式(数据输入.DAT)： 23 23 2.8e10 40.69 135.62 2.0e8 2.0e8 0.827 2.501 8.345 1 0 1 1 0.8272.582 7.730 0 1 1 1 0.7162.635 7.115 0 1 1 1 0.6612.732 6.500 0 1 1 1 0.5172.807 5.885 0 1 1 1

44、0.5002.863 5.270 0 1 1 1 0.4172.899 4.655 0 1 1 1 0.3502.864 3.441 0 1 1 1 0.3502.663 2.234 0 1 1 1 0.3502.050 1.030 0 1 1 1 0.3501.057 0.231 1 1 1 1 0.3500.000 0.000 1 1 1 1 0.350-1.057 0.231 1 1 1 1 0.350-2.050 1.030 0 1 1 1 0.350-2.663 2.234 0 1 1 1 0.350-2.864 3.441 0 1 1 1 0.350-2.899 4.655 0 1

45、 1 1 0.350-2.863 5.270 0 1 1 1 0.417-2.807 5.885 0 1 1 1 0.500-2.732 6.500 0 1 1 1 0.517-2.635 7.115 0 1 1 1 0.661-2.582 7.730 0 1 1 1 0.716-2.501 8.345 1 0 1 1 0.827衬砌内力输出(内力输出.DAT)：1STEP NO. X-DISP. Y-DISP. X-SPRING Y-SPRING R-DISP. 1 .000000 .000003 1 .000003 2 .000000 .000003 0 .000003 3 .000000

46、 .000003 0 .000003 4 .000000 .000003 0 .000003 5 .000000 .000003 0 .000003 6 .000000 .000003 0 .000003 7 .000001 .000003 0 .000003 8 .000001 .000003 0 .000003 9 .000001 .000003 0 .000003 10 .000001 .000004 0 .000004 11 .000000 .000004 1 .000004 12 .000000 .000005 1 .000005 13 .000000 .000004 1 .0000

47、04 14 -.000001 .000004 0 .000004 15 -.000001 .000003 0 .000003 16 -.000001 .000003 0 .000003 17 -.000001 .000003 0 .000003 18 .000000 .000003 0 .000003 19 .000000 .000003 0 .000003 20 .000000 .000003 0 .000003 21 .000000 .000003 0 .000003 22 .000000 .000003 0 .000003 23 .000000 .000003 1 .000003 2ST

48、EP NO. X-DISP. Y-DISP. X-SPRING Y-SPRING R-DISP. 1 .000000 .000003 0 .000003 2 .000000 .000003 1 .000003 3 .000000 .000003 1 .000003 4 .000000 .000003 1 .000003 5 .000000 .000003 1 .000003 6 .000000 .000003 1 .000003 7 .000000 .000003 1 .000003 8 .000000 .000003 1 .000003 9 .000000 .000003 1 .000003

49、 10 .000000 .000003 1 .000003 11 .000000 .000003 1 .000003 12 .000000 .000004 0 .000004 13 .000000 .000003 1 .000003 14 .000000 .000003 1 .000003 15 .000000 .000003 1 .000003 16 .000000 .000003 1 .000003 17 .000000 .000003 1 .000003 18 .000000 .000003 1 .000003 19 .000000 .000003 1 .000003 20 .00000

50、0 .000003 1 .000003 21 .000000 .000003 1 .000003 22 .000000 .000003 1 .000003 23 .000000 .000003 0 .000003 3STEP NO. X-DISP. Y-DISP. X-SPRING Y-SPRING R-DISP. 1 .000000 .000003 0 .000003 2 .000000 .000003 0 .000003 3 .000000 .000003 0 .000003 4 .000000 .000003 0 .000003 5 -.000001 .000003 0 .000003

51、6 -.000001 .000003 0 .000003 7 .000000 .000003 0 .000003 8 .000000 .000003 1 .000003 9 .000000 .000003 1 .000003 10 .000000 .000003 1 .000003 11 .000000 .000003 0 .000003 12 .000000 .000004 0 .000004 13 .000000 .000003 0 .000003 14 .000000 .000003 1 .000003 15 .000000 .000003 1 .000003 16 .000000 .0

52、00003 1 .000003 17 .000000 .000003 0 .000003 18 .000001 .000003 0 .000003 19 .000001 .000003 0 .000003 20 .000000 .000003 0 .000003 21 .000000 .000003 0 .000003 22 .000000 .000003 0 .000003 23 .000000 .000003 0 .000003 4STEP NO. X-DISP. Y-DISP. X-SPRING Y-SPRING R-DISP. 1 .000000 .000003 0 .000003 2 .000000 .000003 0 .000003 3 .000000 .000003 0 .000003 4 -.000001 .000003 0 .000003 5 -.000001 .000003 0 .000003 6 -.000001 .000003 0 .000003 7 -.000001 .000003 0 .000003 8 .000000 .000003 0 .000003 9 .000000 .000003 1 .000003 10 .000000 .000003 1 .000003