【正文】 XXXXXXXXXXXXX畢業(yè)設(shè)計客運專線雙線隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計第1章 緒 論 選題背景及意義自1820年以后，鐵路成為新的運輸手段。1827年在英國、1837年在法國先后開始修建鐵路隧道。隨著鐵路運輸事業(yè)的發(fā)展，隧道也越來越多，先從當(dāng)時經(jīng)濟比較發(fā)達的歐洲各國開始，然后是美國和明治維新后的日本。經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進步要求有更高的交通運輸速度，以加快社會活動節(jié)奏，擴大人際間的交往。由于鐵路在速度和其他技術(shù)、經(jīng)濟指標上的優(yōu)勢，19世紀后半葉至20世紀初，鐵路得到了大的發(fā)展，并促進了社會、經(jīng)濟的進步；凡經(jīng)過鐵路建設(shè)大潮的國家，其經(jīng)濟都得到了長足發(fā)展，并演變?yōu)楫?dāng)今的發(fā)達國家。我國修筑的第一條鐵路隧道是1890年建成的臺灣獅球嶺隧道。限于當(dāng)時我國的局勢和建設(shè)資金短缺等原因，我國并沒有經(jīng)歷鐵路建設(shè)大潮，鐵路建設(shè)也毫無規(guī)劃，而且嚴重滯后。為了改變鐵路的落后、被動局面，根本出路就在于依靠科技進步，大力發(fā)展重載和高速技術(shù)，特別是高速技術(shù)。新中國成立后，特別是隨著我國改革開放的深入，市場經(jīng)濟迅速發(fā)展，人口城市化進程加速，國際交往急劇增加，旅游事業(yè)日趨興旺，誘發(fā)了大量的客運需求。人民生活水平的提高，時間價值觀念的增強，對縮短旅行時間、提高服務(wù)質(zhì)量的愿望也日益強烈，從客觀上提出了發(fā)展高速鐵路客運系統(tǒng)的社會需求?？梢?，既有鐵路已不能滿足人們出行的需求，修建高速鐵路符合我國人民的愿望。進入新世紀后，國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，使得鐵路運輸在數(shù)量和質(zhì)量兩個方面，都面臨著新的更高的挑戰(zhàn)；在2020年前我國全面建設(shè)小康社會中，鐵路肩負著提供運力支持，當(dāng)好先行的重要歷史使命。因此，鐵路必須抓住機遇實現(xiàn)跨越式發(fā)展，走新型工業(yè)化道路。其主攻方向應(yīng)是“擴大路網(wǎng)規(guī)模，完善路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高路網(wǎng)質(zhì)量”。我國幅員遼闊，人口眾多，經(jīng)濟尚不發(fā)達，能源相對緊缺，這就必須發(fā)展運力大、占地省、能耗低、污染輕、安全可靠、的交通運輸工具來解決大量客流和貨流的快速運輸問題。高速鐵路在這些方面具有明顯的優(yōu)勢，可見，修建高速鐵路完全適合我國的國情和運輸發(fā)展的需要。 國內(nèi)外現(xiàn)狀根據(jù)我國的國情和路網(wǎng)現(xiàn)狀，尤其現(xiàn)在我國貨運供需矛盾特別突出的實際情況，即將或已經(jīng)開工的客運專線有些近期為客貨共線鐵路，遠期發(fā)展為客運專線鐵路。在規(guī)劃的“四橫四縱”高速鐵路客運網(wǎng)當(dāng)中必然會出現(xiàn)大量的黃土隧道。特別是自西部大開發(fā)政策實施以來，西部黃土地區(qū)的建設(shè)得到國家重點支持。而黃土隧洞的修建涉及到西部交通、水利、通信等各重大基礎(chǔ)設(shè)施工程。西氣東輸、西電東送，南水北調(diào)等大型工程中所修建的隧洞亦多穿過黃土地層。在黃土地層中開挖坑洞，容易出現(xiàn)坍塌，尤其是一旦滲漏水，圍巖強度會大幅度降低，嚴重時，完全失去自穩(wěn)能力。同時，黃土圍巖開挖后若暴露時間過長，圍巖周壁風(fēng)化作用至內(nèi)部，圍巖體松弛加快，進而發(fā)生坍方等，因此，黃土隧洞的設(shè)計與施工難度較大，遠遠大于修建同類型的巖石隧洞，為確保黃土隧洞施工安全，必須加強對黃土隧洞施工期穩(wěn)定性進行研究。對于隧洞圍巖穩(wěn)定分析(或稱隧洞力學(xué)分析)來說，目前國內(nèi)外有關(guān)學(xué)術(shù)界和工程界多采用常規(guī)連續(xù)介質(zhì)模型，如線性彈性、非線彈性、彈塑性、粘彈塑性、彈脆性介質(zhì)模型等，把問題歸到巖土力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計平均值的計算問題。雖然很多學(xué)者目前在彈塑性和粘彈塑性分析方面做了大量的研究工作，但隧洞工程仍較多采用“線彈分析加經(jīng)驗修正”方法。隧洞支護體系的力學(xué)計算方法，有兩種主要的理論分析方法，即：傳統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)力學(xué)方法”和近代的“巖石力學(xué)方法”，對黃土隧洞而言，至今還沒有一種系統(tǒng)成熟的針對黃土隧洞的計算方法，也沒有形成黃土隧洞的獨立理論體系，但近年來隨著黃土隧洞的大量修建，我國在黃土隧洞方面取得了一些研究成果，并處在世界前列，這些將體現(xiàn)在即將問世的第四代黃土規(guī)范中。黃土是天然地質(zhì)體，經(jīng)歷了漫長的自然歷史過程，也經(jīng)受了地質(zhì)構(gòu)造變動過程，所以圍巖穩(wěn)定和圍巖壓力理論與黃土力學(xué)和黃土土體結(jié)構(gòu)的研究是分不開的。 大斷面黃土隧道的特點(1)隧道設(shè)計斷面大客運專線雙線隧道，由于空氣動力學(xué)效應(yīng)及安全方面的要求，決定了隧道的設(shè)計斷面大，考慮預(yù)留變形量下，按照《時速350km／h客運專線雙線黃土隧道復(fù)合式襯砌》通用參考圖(通隧[200530302)“V級圍巖復(fù)合式加強襯砌斷面”。(2)黃土地質(zhì)圍巖自穩(wěn)能力差、易坍塌由于砂質(zhì)黃土結(jié)構(gòu)相對疏松，其自身強度低，抵抗外力破壞的性能差，洞頂為厚層黃土層時，開挖后應(yīng)力重新組合，自穩(wěn)能力差，遇水土粒間的膠結(jié)作用遭到破壞，凝聚強度大為降低，再加上開挖過程的施工擾動，有可能出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，極易坍塌。(3)黃土具有濕陷性、隧道基底需加固黃土地基尤其是新黃土具有一定的濕陷性，在土體的自重壓力或土的附加壓力與自重壓力共同作用下，一旦受水浸濕，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，承載力急劇降低，隨之產(chǎn)生顯著的附加下沉，從而使建筑物出現(xiàn)裂縫甚至破壞。因此，黃土隧道的基底如遇具有濕陷性黃土地基需采取換填、灰土擠密樁、樹根樁以及注漿等措施進行加固處理。(4)黃土隧道分部開挖進度慢、支護體系復(fù)雜由于斷面大和黃土的特性，大斷面黃土隧道需將斷面分隔成幾個洞室錯臺開挖，～，且可能還要受地基加固處理工序施工的影響，進度非常緩慢；同時為保證施工安全和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，開挖過程中的臨時支護措施和開挖后的初期支護體系相當(dāng)復(fù)雜，施工工序繁雜，施工工藝要求高。 建設(shè)客運專線的意義在繁忙干線建設(shè)客運專線，實現(xiàn)客貨分線運輸，能夠大幅度提高鐵路運輸能力，分流既有線的大部分客車，緩解既有線運能緊張的局面，同時還可以滿足大經(jīng)濟區(qū)、大城市的增量運輸?shù)男枨?，騰出既有線用來發(fā)展貨物重載運輸，適應(yīng)日益增長的運輸需要。(1)繁忙干線建設(shè)客運專線，實現(xiàn)客貨分運，能夠大幅度提高鐵路運輸能力，滿足全面建設(shè)小康社會的運力需要。初步預(yù)測到2020年，鐵路旅客、貨物運輸需求分別達40億人次、40億噸，年均增長速度為7%和4%。建設(shè)客運專線，不僅可以轉(zhuǎn)移既有線上大部分客車，而且還可以滿足增量運輸?shù)男枨螅貏e是能夠騰出既有線能力用于發(fā)展貨物重載運輸，迅速形成高速度、大能力、安全暢通的運輸通道，適應(yīng)日益增長的運輸需要。(2)繁忙干線建設(shè)客運專線，可以提升城市的集聚功能和輻射能力，使大城市更好地發(fā)揮中心城市的作用，同時推動沿線中間地帶現(xiàn)有城市高速發(fā)展和功能升級，增強人、財、物吸納能力，促進新的小城鎮(zhèn)生成和發(fā)展，加快我國城市化的整體進程。(3)繁忙干線建設(shè)客運專線將使鐵路速度和服務(wù)實現(xiàn)質(zhì)的飛躍，提升中國鐵路發(fā)展水平?？瓦\可實現(xiàn)大容量、高速度、高頻率，大大縮短旅行時間，特別是在運輸高峰時期，可以用幾分鐘間隔密集大量發(fā)車，為旅客提供更安全、快捷、方便、舒適的服務(wù)；貨運可實現(xiàn)“大宗物資直達化，高值貨物快速化”，降低鐵路社會成本，滿足旅客貨主越來越高的多層次、多樣化服務(wù)需求。在創(chuàng)造良好社會經(jīng)濟效益同時，鐵路路網(wǎng)運輸效率和投資效益將進一步提高，有利于實現(xiàn)鐵路可持續(xù)發(fā)展。(4)西部地區(qū)建設(shè)客運專線，必將促進西部經(jīng)濟的大發(fā)展，加快西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)達化進程。(5)客運專線在黃土地區(qū)的建設(shè)，必將為以后在黃土地區(qū)修建大斷面黃土隧道提供經(jīng)驗和參考資料。 設(shè)計研究主要內(nèi)容和采用的方法 主要研究內(nèi)容以潼洛川隧道為例，了解黃土隧道客運專線的特點及設(shè)計的方法和步驟，根據(jù)所給的地質(zhì)勘測資料、水文資料和其它的資料，進行隧道選型、結(jié)構(gòu)擬定和檢算，最后進行施工方案及施工工藝設(shè)計并繪制相應(yīng)的施工圖紙。 采用的主要方法在對隧道結(jié)構(gòu)進行計算時，需依據(jù)我國最新出版的《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，并結(jié)合黃土隧道的工程特點，利用圍巖垂直均布松動壓力和水平均布松動壓力公式，計算出隧道開挖后隧道襯砌受載情況。然后，通過Ansys軟件對隧道襯砌結(jié)構(gòu)建立模型、并計算，然后按破損階段法和允許應(yīng)力法檢算隧道襯砌在所加荷載作用下是否滿足強度要求。對不滿足強度要求的隧道襯砌，進行配筋計算。最后進行抗裂檢算。在對隧道施工方案及施工工藝進行設(shè)計時，需依據(jù)我國最新出版的《鐵路隧道施工規(guī)范》和相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并結(jié)合在隧道全長范圍內(nèi)的圍巖性質(zhì)及其所處埋深，來確定隧道的進洞方案、不同襯砌段的開挖方法及各種方法間的轉(zhuǎn)換、不良地質(zhì)輔助工藝、初期支護情況、二次襯砌施工工藝和防水工程施工工藝等。 預(yù)期達到的目標(1)學(xué)習(xí)和了解客運專線黃土隧道設(shè)計的特點和要求；(2)熟悉掌握隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計檢算內(nèi)容和檢算方法，并能夠運用Ansys進行結(jié)構(gòu)檢算；(3)熟悉隧道施工的各種方法，特別是新奧法施工的方法，了解隧道施工過程中各種工藝的基本流程和要求。第2章 工程概況 設(shè)計依據(jù)本設(shè)計的依據(jù)有：《鐵路工程技術(shù)標準》，TB100032005《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》，GBJ1089《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》，《錨桿噴射混凝土支護技術(shù)規(guī)范》，TB102042002~J1《鐵路隧道施工規(guī)范》，TB102022002~J1《鐵路路基施工規(guī)范》，TB101192000《鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范》，《鐵路隧道施工手冊》，《鐵路隧道設(shè)計手冊》。 潼洛川隧道工程概況潼洛川隧道位于潼關(guān)黃土臺塬區(qū)前緣，隧道進口（DK341+）位于潼溝河左岸，岸坡地形較陡，出口端（DK345+）位于黃土塬邊，全長3816m，最大埋深120m，相對高差90～130m。該隧道設(shè)有斜井，斜井位于港口鎮(zhèn)，和線路交于DK343+100m處，斜井長294m。工點北臨西潼高速，并有便道相連，交通較為便利。 工程地質(zhì)與水文地質(zhì) 地形地貌潼洛川隧道位于潼關(guān)I級黃土臺塬區(qū)，塬面地形平坦，高程545～555m；進口位于潼溝河左岸，岸坡地形較陡，相對高差20～70m，沖溝發(fā)育；出口端位于黃土塬邊，地形起伏，沖溝發(fā)育，相對高差15～50m；斜井洞口位于一黃土沖溝，地形起伏，地面高程420m。塬頂為農(nóng)田，多有村莊、道路分布。 工程地質(zhì)特征 地層巖性隧道、斜井區(qū)范圍內(nèi)地層巖性相對簡單，黃土臺塬區(qū)表層為第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，中部為第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、下部為第四系下更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土、黏質(zhì)黃土，底部為第四系下更新統(tǒng)冰湖積粉土、卵石土和礫砂等。潼溝河一級階地主要為沖積砂質(zhì)黃土。 地質(zhì)構(gòu)造隧道通過I級黃土臺塬區(qū)構(gòu)造上為潼關(guān)隆起，為第四系以來活動明顯的斷隆，隆起西界為觀北斷層，東界已出區(qū)外，南端限于山前大斷層，北端已出區(qū)外，據(jù)有關(guān)區(qū)域資料分析，該隆起雖與觀北斷層同時形成，始于中更新世，但當(dāng)時不太顯著，并接受了早更新世早期的沉積，直到早更新世晚期才強烈隆起，使該區(qū)露出水面，接受以風(fēng)積砂質(zhì)黃土為主的堆積。中更新世至晚更新世，隆起上升劇烈，故呈現(xiàn)今日之貌。隧道通過段主要地層為中、下更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土夾古土壤。 隧道進出口工程地質(zhì)條件隧道進口段通過地層為黏質(zhì)黃土、粉土、砂、卵石等地層，不甚均一，施工開挖后應(yīng)及時支護和襯砌，避免產(chǎn)生圍巖失穩(wěn)。出口淺埋偏壓地段應(yīng)加強支護，確保圍巖穩(wěn)定。表層第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土經(jīng)計算后判定，該場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅲ級（嚴重）。 特殊巖土(1)黃土黃土臺塬表層覆蓋第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積砂質(zhì)黃土，厚10～33m。根據(jù)D7Z1D7Z1 D7Z18，D7S81土工試驗資料計算判定，該場地為自重濕陷性場地，濕陷等級為Ⅲ級（嚴重）。(2)膨脹土依據(jù)初測資料及陜西省第二水文地質(zhì)隊NN12兩個深鉆孔資料和定冊鉆孔資料分析，第四系中、下更新統(tǒng)砂質(zhì)黃土中夾有灰黃色、棕紅色古土壤（粉質(zhì)黏土），呈層狀，～，從巖心外觀看具有膨脹巖土的基本特征，風(fēng)化為尖棱狀的小碎塊，在隧道洞身有分布，經(jīng)取樣化驗，自由膨脹率一般在21%～48%，陽離子交換量CEC（NH4）［mmol/kg］：～ mmol/kg，蒙脫石含量M：%～13%，綜合判定為弱膨脹土，設(shè)計時應(yīng)考慮其對工程的影響。 水文地質(zhì)特征潼洛川隧道位于潼關(guān)塬一級臺塬的前緣，秦嶺北麓斷層帶以北到黃河、渭河這一完整水文單元的排泄區(qū)。該水文單元地下水從補給區(qū)到排泄區(qū)運行途徑短，地下水水力坡降大，水平方向地下水的逕流條件良好。隧址區(qū)共布設(shè)勘探鉆孔5個，其中145m深孔一個，依據(jù)揭露地層及地下水情況：，但未揭穿該層。同時對各孔進行水文測試，均未發(fā)現(xiàn)地下水出露。隧道洞身屬貧水區(qū)，地下水位位于隧道開挖斷面底部以下約10m左右，隧道產(chǎn)生長大段落涌水的可能性較小，但不排除隧道遭遇含水透鏡體及底部砂礫石承壓水隔水頂板存在通過“天窗”突水。因而在施工過程中，應(yīng)加強對地下水的觀測，防止突水發(fā)生。隧址區(qū)地下水的補給來源主要為大氣降水、地表逕流及灌溉回歸水，地下水的補、逕、排條件與塬面的形狀、巖土的性質(zhì)、孔洞、地表陷穴、漏斗的發(fā)育程度關(guān)系密切。大氣降水補給地下水補給量的多寡、潛水位變化的幅度，與降水量的大小、歷時長短關(guān)系緊密。地下水屬HCO3（Na＋K）Ca型水。 氣象特征據(jù)潼關(guān)縣氣象站氣象資料顯示：該工點區(qū)屬亞熱帶半干旱氣候區(qū)，；℃，℃，℃； hpa， hpa， hpa；，；，；（主導(dǎo)風(fēng)向 ESE），（主導(dǎo)風(fēng)向 ENE）；年最大積雪深度18cm；最大凍結(jié)深度44cm。 隧道縱斷面隧道縱斷面圖，詳細標明了隧道圍巖級別、隧道襯砌段分級、各段開挖方法及各段水文地質(zhì)條件等，詳見附錄B01。第3章 隧道結(jié)構(gòu)選型及支護參數(shù)擬定 隧道截面選型依據(jù)(1)隧道凈空段橫斷面有效面積應(yīng)滿足消減空氣動力學(xué)效應(yīng)不利影響的要求；(2)滿足最高時速350km的鐵路建筑接近限界要求，雙線隧道還應(yīng)滿足線間距要求；(3)養(yǎng)護、維修和救援空間要求。在滿足以上條件下，從圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)受力及空間利用等角度對斷面形狀和尺寸進行優(yōu)化。 隧道截面選型隧道的大小是根據(jù)限界確定的，限界越大，行車安全度越高，但工程量和工程投資也隨著增加。所以，要確定一個既能保證列車運行安全，又不增大隧道空間的經(jīng)濟、合理的斷面是制定限界的任務(wù)和目的?！跋藿纭笔且环N規(guī)定的輪廓線，這種輪廓線以內(nèi)的空間是保證列車安全運行所必需的空間。建筑限界是行車隧道的最小橫斷面有效內(nèi)輪廓線。在設(shè)計隧道斷面時，除了考慮建筑限界外，必須分別考慮其他誤差、測量誤差、結(jié)構(gòu)變形等因素，以保證竣工后的隧道的有效凈空滿足建筑限界的要求，進而保證列車安全高速運行。隧道截面幾何尺寸包括內(nèi)部凈空尺寸和結(jié)構(gòu)斷面厚度兩部分，它是根據(jù)結(jié)構(gòu)使用要求、限界尺寸、