【正文】 1 第 1 章 緒論 選題 背景 目前，我國(guó)鐵路的營(yíng)運(yùn)里程已居世界第三位和亞洲第一位，其年貨物發(fā)送量和旅客周轉(zhuǎn)量均為世界第一，客貨周轉(zhuǎn)量分別占全社會(huì)的 35%和 53%以上。作為一個(gè)鐵道大國(guó)，根據(jù)鐵道部提出的跨越式發(fā)展思路，我國(guó)理應(yīng)盡快發(fā)展高速鐵路。 而 鐵路作為國(guó)家重要的基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈和大眾化交通工具，具有占地少、能耗低、污染 小 等比較優(yōu)勢(shì)，加快鐵路發(fā)展，符合可持續(xù)發(fā)展的要求鐵路現(xiàn)代化是國(guó)家現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，也是現(xiàn) 代化的基礎(chǔ)性保障條件。 .鐵路的發(fā)展和現(xiàn)代化程度在某種意義上是衡量一個(gè)國(guó)家的現(xiàn)代化和社會(huì)文 明程度的標(biāo)志之一。 我國(guó)以高速鐵路為重點(diǎn)的客運(yùn)專線網(wǎng)為代表的新一輪鐵路建設(shè)是按照世界先進(jìn)水平開展的現(xiàn)代化鐵路網(wǎng)的建設(shè)，它將極大地改變我國(guó)鐵路網(wǎng)建設(shè)的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)和模式。 2021 年 10 月 ，國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過的《綜合交通網(wǎng)中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》，到 2020年的鐵路網(wǎng)規(guī)模將增加到 12 萬(wàn) km 以上，時(shí)速 200km 及以上的客運(yùn)專線將達(dá)到 萬(wàn) km。 經(jīng)過幾年的不懈努力， 我國(guó) 投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路已達(dá)到 6920 營(yíng)業(yè)公里。其中，新建時(shí)速 250～ 350公里的高速鐵路有 4044營(yíng)業(yè)公里；既有線提速達(dá)到時(shí)速 200～ 250公里的高速鐵路有 2876 營(yíng)業(yè)公里。我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程居世界第一位。正在建設(shè)中的高速鐵路有 1 萬(wàn)多公里。 我國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)狀況總體很好。一是設(shè)備質(zhì)量可靠。無(wú)論是線路基礎(chǔ)、通信信號(hào)、牽引供電等固定設(shè)備，還是動(dòng)車組等移動(dòng)設(shè)備，質(zhì)量穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)。二是運(yùn)輸安全穩(wěn)定。高速安全保障體系日趨完善，職工隊(duì)伍素質(zhì)過硬，保持了良好的安全記錄，沒有發(fā)生旅客傷亡事故。三是經(jīng)營(yíng)狀況良好。高速鐵路受到廣大旅客的青睞，市場(chǎng)需求旺盛。目前，全國(guó)鐵路每天開行高速列車 1000 列左右，平均上座率達(dá)到 %。高速鐵路為廣大旅客創(chuàng)造了美好生活的新時(shí)空，贏得了大家的贊 譽(yù)。 并且， 高速鐵路作為現(xiàn)代社會(huì)的一種新的運(yùn)輸方式，具有極為明顯的優(yōu)勢(shì)。在運(yùn)行速度上，目前最高時(shí)速可達(dá) 350 公里，正在建設(shè)的京滬高速鐵路最高時(shí)速將達(dá)到 380 公里，堪稱陸地飛行；在運(yùn)輸能力上，一個(gè)長(zhǎng)編組的列車可以運(yùn)送 1000 多人，每隔 3 分鐘就可以開出一趟列車，運(yùn)力強(qiáng)大；在適應(yīng)自然環(huán)境上，高速列車可以全天候運(yùn)行，基本不受雨雪霧的影響；在列車開行上，采取 “ 公交化 ” 的模式，旅客可以隨到隨走；在節(jié)能環(huán)保上，高速鐵路是綠色交通工具，非常適應(yīng)節(jié)能減排的要求。 我國(guó)鐵路建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)黃金機(jī)遇期。落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，構(gòu)建和諧社會(huì) ，建設(shè)資源節(jié) 2 約型、環(huán)境友好型社會(huì)的戰(zhàn)略任務(wù)，使鐵路的比較優(yōu)勢(shì)更加突出。我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展使鐵路運(yùn)力需求增長(zhǎng)很快。鐵道部提出的 “ 政府主導(dǎo)，多元化投資，市場(chǎng)化運(yùn)作 ” 思路后，各省區(qū)市加快發(fā)展鐵路的積極性空前高漲，鐵道部已與 31 個(gè)省區(qū)市簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，為鐵路建設(shè)營(yíng)造了良好的外部環(huán)境，路地合作正在向廣度和深度發(fā)展；廣泛吸納社會(huì)資金參與鐵路建設(shè)，包括民營(yíng)企業(yè)在內(nèi)的許多企業(yè)積極投資鐵路。 相信 今后幾年，中國(guó)高速鐵路建設(shè)將進(jìn)入全面收獲時(shí)期。到 2021 年，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程將達(dá)到 11 萬(wàn)公里以上，其中新建高速鐵路將達(dá)到 萬(wàn)公里。到 2020 年，我國(guó) “ 四縱四橫 ” 鐵路快速客運(yùn)通道以及三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)將全面建成，我國(guó)將完全進(jìn)入 “ 高鐵時(shí)代 ” 。 客貨共 線鐵路發(fā)展?fàn)顩r 客貨分線鐵路在各國(guó)鐵路發(fā)展的迅猛 。特別是自以日本新干線、法國(guó) TGV為代表的快速鐵路投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，以安全可靠、技術(shù)創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)服務(wù)的優(yōu)勢(shì)為鐵路的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來(lái)了巨大動(dòng)力。快速鐵路的成功，有力地促進(jìn)了國(guó)家經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和社會(huì)進(jìn)步，促進(jìn)了沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)展?？焖勹F路的發(fā)展規(guī)劃，不僅在歐洲、亞洲得到推廣，而且目前在美洲和澳大利亞也在進(jìn)行中。從這 些國(guó)家快速鐵路的發(fā)展史，對(duì)照我國(guó)鐵路建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，可以得到許多重要的啟示。 在我國(guó)，高速鐵路的研究工作起步于 20 世紀(jì) 90 年代，現(xiàn)已為高速鐵路的建設(shè)做了大量的技術(shù)準(zhǔn)備。 《鐵路主要技術(shù)政策》明確指出： 運(yùn)輸緊張的繁忙干線修建四線或多線，實(shí)行客貨分線運(yùn)輸。在大中城市間發(fā)展客運(yùn)專線，在人口稠密地區(qū)發(fā)展城際鐵路，加快形成覆蓋我國(guó)主要城市的快速客運(yùn)網(wǎng)。 在我國(guó)鐵路發(fā)展史上首次明確提出了客貨分線的方向。隨著《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的逐步實(shí)施，武 (漢 )廣 (州 )、鄭 (州 )西 (安 )、京 (北京 )津 (天津 )、石 (家莊 )太 (原 )等客運(yùn)專線先后立項(xiàng)。在這些客運(yùn)專線的建設(shè)中，有必要借鑒國(guó)外客運(yùn)專線建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)，修建我國(guó)高質(zhì)量的客運(yùn)專線。 但是，我國(guó)畢竟沒有高速鐵路修建的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而高速鐵路又是涉及面積廣、科技水平極高的系統(tǒng)工程，因此，我們應(yīng)貫徹“先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、可靠”的技術(shù)方針，開創(chuàng)我國(guó)客運(yùn)專線和高速鐵路事業(yè) 。 設(shè)計(jì) 研究?jī)?nèi)容及采用 方法 本設(shè)計(jì)為鐵路隧道設(shè)計(jì)與施工，所需要解決的問題主要是隧道施工方案 ,施工組織設(shè)計(jì)及施工工藝。 在對(duì)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢算時(shí)，需依據(jù)我國(guó)最新出版的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》， 3 并結(jié)合本 隧道的工 程特點(diǎn)，利用相關(guān)計(jì)算圍巖壓 力公式，計(jì)算出坑道開挖后隧道襯砌受載情況。然后，使用 Ansys 工程軟件對(duì)隧道襯砌建模，計(jì)算并檢驗(yàn)隧道襯砌在所加荷載作用下是否滿足強(qiáng)度要求。對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的隧道襯砌，進(jìn)行配筋計(jì)算。 在對(duì)隧道施工方案及施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需依據(jù)我國(guó) 出版 的《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和《鐵路隧道施工規(guī)范 》，并結(jié)合在隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)不同性質(zhì)圍巖和圍巖所處的位置，來(lái)確定隧道的進(jìn)洞 方案、不同圍巖段的開挖方案、不良地質(zhì)處理方法、初期支護(hù)情況、二次襯砌施工方法、隧道防排水措施和環(huán)保設(shè)計(jì) 等。 4 第 2 章 工程概況 隧 道概況 新建貴廣鐵路下豪一號(hào)隧道隧道全長(zhǎng) 480m，隧道進(jìn)出口里程分別為 DK723+1DK723+620；隧線分界里程分別為： DK723+1 DK723+620，隧道位于廣東省肇慶市四會(huì)市黃田鎮(zhèn)境內(nèi) 。 本隧道位于直線上，隧道內(nèi)為“ V”字坡， DK723+140（進(jìn)口）~ DK723+600 為 ‰ 下坡，隧道內(nèi)坡長(zhǎng)為 460m； DK723+600~ DK723+620（出口）為 3‰ 上坡，隧道內(nèi)坡長(zhǎng)為 20m。隧道內(nèi) DK723+461~ DK723+620 段設(shè)置圓曲線型豎曲線，豎曲線半徑為 25000m。豎曲 線長(zhǎng) l159m，豎曲線 。 隧道地質(zhì)情況 1)地形地貌： 下豪一號(hào)隧道位于丘陵區(qū)，場(chǎng)區(qū)以構(gòu)造剝蝕中低山為主，地形陡峻，植被發(fā)育，山坡自然坡度一般為 30~50176。 。其中，隧道最大埋深為 ，隧道軸線總體走向?yàn)?50176。 。 2)地層巖性： 本隧道洞身穿過地層從新至老為 ：第四系殘坡積（ Q4el+dl）、奧陶系（ Oa）等地層。 a、第四系殘坡積 （ Q4el+dl） 粉質(zhì)粘土 ，棕黃 ~棕紅色，硬塑，層厚 ~2m，由絹云母石英片巖風(fēng)化而成，以粉、粘粒為主，土質(zhì)均勻性差，粘性較弱。 b、奧 陶系（ Oa） 絹云母石英片巖，褐色夾紅褐色 ，全 ~弱風(fēng)化，全風(fēng)化帶層 8~31m；強(qiáng)風(fēng)化層厚4~28m；下為弱風(fēng)化。 3）地質(zhì)構(gòu)造：隧道區(qū)內(nèi)地層單一，為單斜構(gòu)造，未發(fā)現(xiàn)斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造。 4）水文地質(zhì)特征： a、地下水類型及富水性 地下水類型主要為基巖裂隙水，基巖富水性差，地下水弱發(fā)育。 b、地下水地表水對(duì)混凝土的影響 根據(jù)地質(zhì)資料，隧道地下水無(wú)侵蝕性。 5 5）地震動(dòng)參數(shù)：根據(jù) 《 中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖 》 （ GB183062021），隧址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度 ＜ ，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為 。 此外，本隧道炭化環(huán)境等級(jí)為 T2. 隧道縱斷面圖 隧道縱斷面圖，詳細(xì)標(biāo)明了隧道圍巖工程分級(jí)、隧道襯砌段分級(jí)、各段開挖方法及各段水文地質(zhì)條件等，參見附錄。 6 第 3 章 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算 隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算原理 對(duì)隧道 結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)檢算，主要是依據(jù)荷載 結(jié)構(gòu)計(jì)算模式 ，通過對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)建模，計(jì)算得出襯砌結(jié)構(gòu)在荷載作用下的內(nèi)力和位移，利用結(jié)構(gòu)最危險(xiǎn)點(diǎn)的內(nèi)力對(duì)襯砌強(qiáng)度進(jìn)行檢算，對(duì)不滿足強(qiáng)度要求的配筋。 荷載結(jié)構(gòu)法是我國(guó)目前廣泛采用的一種主要的地下結(jié)構(gòu)計(jì)算方法 ， 它是將支護(hù)和圍巖分開考慮，支護(hù)結(jié)構(gòu)是承載主體，地層對(duì) 結(jié)構(gòu)的作用只是產(chǎn)生作用在地下結(jié)構(gòu)上的荷載，以計(jì)算襯砌在荷載作用下產(chǎn)生的內(nèi)力和變形的方法 [2] 。其設(shè)計(jì)原理是按圍巖分級(jí)或?qū)嵱霉酱_定圍巖壓力，圍巖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作用是通過彈性支撐來(lái)體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支撐的約束能力時(shí)間接考慮 。 它以承受巖體松動(dòng)、崩塌而產(chǎn)生的豎向和側(cè)向主動(dòng)壓力為主要特征?？?的來(lái)說(shuō) ， “ 結(jié)構(gòu) —荷載 ” 模型概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，容易被工程師們所接受，至今仍很通用。 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)容 隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要內(nèi)容包 括：擬定隧道結(jié)構(gòu)很斷面尺寸、支護(hù)參數(shù) ；確定圍巖壓力 ；通過建立 荷載 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，求出各級(jí)圍巖襯砌的結(jié)構(gòu)內(nèi)力 ；檢算截面強(qiáng)度，不滿足 規(guī)范 要求予以 結(jié)構(gòu) 配筋。 各 級(jí)圍巖襯砌段 基本情況 表 31 下豪一號(hào) 隧道 各 圍巖 級(jí)別及開挖方法 起訖里程 所使用 襯砌類型 長(zhǎng)度 (m) 所采用的施工方法 DK723+140 DK723+162 Ⅴ 22 明挖法 DK723+162 DK723+202 Ⅴ 40 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法 （四步） DK723+202 DK723+277 Ⅴ 75 三臺(tái)階臨時(shí)仰 拱法 DK723+277 DK723+441 Ⅳ 164 臺(tái)階法 （三步） DK723+441 DK723+561 Ⅴ 120 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法 （三步） DK723+561 DK46+591 Ⅴ 30 三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法 （四步） DK723+591 DK723+601 Ⅴ 10 明挖法 7 DK723+601 DK723+620 Ⅴ 19 明挖法 根據(jù)所給的縱斷面圖紙，可確定出新建貴廣鐵路下豪一號(hào)隧道各級(jí)圍巖襯砌段的位置、長(zhǎng)度、方法和每一段的埋深等，詳情見表 31。 在下豪一號(hào) 隧道全長(zhǎng)范圍內(nèi)，隧道襯砌的 內(nèi)輪廓線是一致的，由于襯砌的厚度，初期支護(hù)的厚度和預(yù)留變形量不同，隧道開挖輪廓線是不同的，坑道的凈跨和凈高 見也不同 。Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖的襯砌形式和襯砌詳細(xì)尺寸見附錄 B 中圖 02，圖 03。 表 32 襯砌凈寬和凈高 (m) 襯砌類型 坑道凈寬 坑道凈高 Ⅳ Ⅴ 荷載計(jì)算 荷載計(jì)算方法 采用荷載結(jié)構(gòu)法原理進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)檢算時(shí)，所需計(jì)算的荷載為由巖體松動(dòng)、崩塌而產(chǎn)生的豎向和水平均布?jí)毫?。豎向和水平均布?jí)毫Φ挠?jì)算，根據(jù)隧道的埋深不同，計(jì) 算公式也不相同。 (1)隧道深、淺埋的判定原則 一般，深、淺埋隧道分界深度至少應(yīng)大于坍方的平均高度且有一定余量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)深度通常為 2~ 倍的坍方平均高度值，即 pq(2 ~ )Hh? (31) 式中， pH —— 深淺埋隧道分界的深度； qh —— 等效荷載高度值。 系數(shù) 2~ 在松軟的圍巖中取高限，而在較堅(jiān)硬圍巖中取低限 。當(dāng)隧道覆蓋層厚度 phH? 時(shí)為深埋， phH? 時(shí)即為淺埋。 因?yàn)樾陆ㄙF廣鐵路一號(hào) 隧道為雙線隧道，等效高度值的計(jì)算公式為 1q 2 Sh ??? ? ? (32) 1 ( 5)iB? ? ? ? (33) 式 中， qh —— 等效荷載高 度值； S —— 圍巖級(jí)別 ； ?—— 寬度影響系數(shù) ； B—— 坑道寬度，以 m 計(jì)； 8 i—— B 每增加 1m 時(shí)，圍巖壓力的增減率 (以 5mB? 為基準(zhǔn) )，當(dāng) 5mB? 時(shí)，取 ? ， 5mB? 時(shí)，取 ? 。 (2)深埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算方法 雙線鐵路隧道豎直均布松動(dòng)壓力公式為 qqh?? (34) 式中， q —— 豎直均布松動(dòng)壓力； ? —— 圍巖容重。 水平均布松動(dòng)壓力 e 可根據(jù)豎直均布松動(dòng)壓力求得，小寨隧道水平均布?jí)毫Φ慕?jīng)驗(yàn)公式見表 33。 表 33 水平均布松動(dòng)壓力經(jīng)驗(yàn)公式 圍巖級(jí)別 Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 水平均布?jí)毫? 0 (3)淺埋隧道圍巖松動(dòng)壓力的計(jì)算方法 2000 0ta n ( ta n 1 )ta n ta n ta n ta n???? ?? ??? ? (35) 000ta n ta nta n [ 1 ta n ( ta n ta n ) ta n ta n ]??? ? ? ? ? ? ??? ? ? ? (36) 圍巖 豎直均布松動(dòng)壓力為 2 ta n()hqh B????? (37) 圍巖水平均布松動(dòng)壓力為 1eh??? (38) 2t()e h H???? (39) 式中