【導(dǎo)讀】口位置、洞門結(jié)構(gòu)、洞身初期支護與二次襯砌的設(shè)計。此次畢業(yè)設(shè)計可使同學(xué)掌握。一般鐵路隧道的設(shè)計流程和主要方法，鍛煉學(xué)生對鐵路隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計能力。綜合分析和解決實際問題的能力。中文摘要、英文摘要；工程概況、設(shè)計意圖、結(jié)構(gòu)計算及施工方法等。隧道縱斷面設(shè)計圖；比例：1：2020；開通貨車，比原計劃提前8個月。途徑浙江省的瑞安、萍陽、蒼南，福建省的福鼎、小時，預(yù)留250公里/小時提速條件。通道沿海鐵路的重要組成部分。溫福鐵路是福建省首條高速鐵路。鐵山隧道進口里程為DK1963+683，出口里程DK1964+750，隧道全長1075米。隧道主要穿越低山區(qū)，具有復(fù)雜環(huán)境條件下隧道工程特點。本隧道采用全封閉防水。次襯砌中的受力與變形進行驗算，并得出驗算結(jié)果。條件、線路條件等，同時也結(jié)合了高速列車隧道空氣動力學(xué)的影響。

　　

【正文】 坡的開挖量較大，刷坡過長，經(jīng)濟上不劃算。且該地段坡度較陡，不利于施工機具的展開和工程機械的作業(yè)，又不符合“早進洞，晚出洞”的原則。 方案三：方案三的開挖高度位于一、二方案之間，開挖量不大，且洞門較一方案穩(wěn)定，避免了“大挖大刷”，經(jīng)濟上也較三方案劃算。故選方案三。 隧道出口的方案比選 方案一：方案一的開挖量是三種方案中最少的，工程量也是最少的，符合“早進洞，晚出洞”的原則，也符合 “宜長不宜短” 的設(shè)計原則 ；但洞門的埋深較淺，洞門不穩(wěn)定。且洞口 W3和 W4的分界處，地質(zhì)條件差。 方案二：洞門的埋深是三種方案中最大的，洞門比較穩(wěn)定。但洞門的邊仰坡的開挖量較大，刷坡過長，經(jīng)濟上不劃算。且該地段坡度較陡，不利于施工機具的展開和工程機械的作業(yè)，又不符合“早進洞，晚出洞”的原則。 方案三：方案三的開挖高度位于一、二方案之間，開挖量不大，且洞門較一方案穩(wěn)定，避免了“大挖大刷”，經(jīng)濟上也較三方案劃算。故選方案三。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 13頁 隧道洞門的設(shè)計 隧道洞門的設(shè)計原則 : 1. 隧道洞口應(yīng)設(shè)置洞門 ,其結(jié)構(gòu)形式有 端墻式 ,柱式 ,翼墻式 ,臺階式 ,選用時應(yīng)根據(jù)洞口的地形 ,地質(zhì)條件和工作特點而定； 2. 當(dāng)線路中線與洞口地形等高線斜交 ,經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較不宜采用正交洞門 ,且圍巖分類在四類及以上時 ,可采用斜交洞門 ,其端墻與線路中線的交角不應(yīng)小于 45 度 . 在松軟地層中 ,不宜采用斜交洞門； 3. 設(shè)置通風(fēng)簾幕的洞門或通風(fēng)道洞門與隧道洞門相連時 ,洞門的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)結(jié)合通風(fēng)設(shè)備和要求一并考慮； 4. 位于城鎮(zhèn) ,風(fēng)景區(qū) ,車站附近的洞門 ,必要時應(yīng)考慮環(huán)境協(xié)調(diào)和建筑美觀的要求； 隧道洞門形式的選擇 ： 洞門的形式很多，從構(gòu)造形式、建 筑材料以及相對位置等可以劃分許多類型。目前，我國公路隧道的洞門形式有：端墻式、翼墻式、臺階式、柱式、削竹式、喇叭口式等。它們的適用條件及特征如表 31： 表 31 各種洞門形式 項目 端墻式 翼墻式 臺階式 柱式 削竹式 喇叭口式 適用的圍巖條件 軸線與坡面基本正交，邊仰坡坡率為 1：~1： 邊仰坡坡率為 1：~1： 邊仰坡坡率為 1： ~1： 邊仰坡坡率為 1： ~1： 洞門周圍地形平緩 地形地質(zhì)條件較好， 洞口周圍開闊；積雪地帶易吹入雪 特征 易于施工 抗滑、抗傾覆性能較好 可減少靠山側(cè)仰坡開挖高度，一般與偏壓襯砌配合使用 洞口受地形限制，無法布置翼墻式洞門 模型板、配筋較費事，耗資較大 模型板、配筋較費事，耗資大 巖腳隧道進出口 屬Ⅴ級圍巖，比較破碎，軟弱，再綜合考慮其他地質(zhì)情況、地形條件、各種洞門形式的適用條件以及經(jīng)濟條件后，該隧道采用端墻式洞門形式。又由于洞門的邊坡刷坡較大，故在洞門兩側(cè)修筑擋土墻。祥圖見 hs— 6。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 14頁 洞門構(gòu)造及基礎(chǔ)設(shè)置應(yīng)遵循下列規(guī)定 ： 1． 洞口仰坡坡腳至洞門墻背的水 平距離不宜小于 ，洞門端墻與仰坡之間水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于 ，洞門墻頂高出仰坡腳不小于 。 2. 洞門墻應(yīng)根據(jù)實際需要設(shè)置伸縮縫、沉降縫和泄水孔；洞門墻的厚度可按計算或結(jié)合其他工程類比確定。 3． 洞門墻基礎(chǔ)必須置于穩(wěn)固地基之上，應(yīng)視地形及地質(zhì)條件，埋置足夠的深度，保證洞門的穩(wěn)定。 基底埋入土質(zhì)地基的深度不應(yīng)小于 ，嵌入巖石地基的深度不應(yīng)小于 ；基底標(biāo)高應(yīng)在最大凍結(jié)線以下不小于 ；地基為凍脹土層時，應(yīng)進行防凍脹處理?；茁裰蒙疃葢?yīng)大于墻邊各種溝、槽基底的埋置 深度。 4． 松軟地基上的基礎(chǔ)，可采取加固基礎(chǔ)措施。 5． 洞門結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足抗震要求。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 15頁 第 4 章 V 級圍巖襯砌結(jié)構(gòu)計算及檢算 襯砌形式確定 依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》之規(guī)定：“鐵路隧道應(yīng)作襯砌，根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、施工條件和使用要求可分別采用噴錨襯砌、整體式襯砌、復(fù)合式襯砌。本隧道是按時速 250km/m 設(shè)計，內(nèi)凈空較大 ,故采用復(fù)合式襯砌 。 襯砌設(shè)計規(guī)定 襯砌設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定： 襯砌斷面宜采用曲邊墻拱形斷面。 1. 隧道圍巖較差地段應(yīng)設(shè)仰拱。仰拱曲率半徑應(yīng)根據(jù)隧道斷面形狀、地質(zhì)條件、地下水、隧道寬度等條件確定。路面與仰拱之間可采用混凝土或片石混凝土填充。當(dāng)隧道邊墻底以下為整體性較好的堅硬巖石時，可不設(shè)仰拱。 2. 隧道洞口段應(yīng)設(shè)加強襯砌。加強襯砌段的長度應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)和環(huán)境條件確定。 3. 圍巖較差地段的襯砌應(yīng)向圍巖較好地段延伸 5～ 10m。 4. 偏壓襯砌段應(yīng)向一般襯砌段延伸，延伸長度應(yīng)根據(jù)偏壓情況確定，一般不小于 10m。 復(fù)合式襯砌 復(fù)合式襯砌是由初期支護和二次襯砌及中間夾防水層組合而成的襯砌形式。復(fù)合式襯砌設(shè)計應(yīng)符合下列規(guī)定： 1．初期支護宜采用錨噴支護，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼 架等支護形式單獨或組合使用。錨桿支護采用全長粘結(jié)錨桿 。 2．二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，襯砌截面宜采用連接圓順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。 3．在確定開挖斷面時，除應(yīng)滿足隧道凈空和結(jié)構(gòu)尺寸外，還應(yīng)考慮圍巖及初期支護的變形，并預(yù)留適當(dāng)?shù)淖冃瘟俊ｎA(yù)留變形量的大小可根據(jù)圍巖級別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護情況等，采用工程類比法預(yù)測。巖腳隧道的圍巖等級為 V 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 16頁 級圍巖，所以預(yù)留變形量設(shè)置為 60mm。 4．復(fù)合式襯砌可采用工程類比法進行設(shè)計，并通過理論分析進行驗算。初期支護及二次襯砌 的支護參數(shù)可參照表 42選用，并應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場圍巖監(jiān)控量測信息對設(shè)計支護參數(shù)進行必要的調(diào)整。 表 41 巖腳 隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計參數(shù) 圍巖級別 初期支護 二次襯砌厚度（ cm） 噴射混凝土厚度（ cm） 錨桿（ m） 鋼筋網(wǎng) 鋼架 拱、墻混凝土 仰拱混凝土 拱部、邊墻 仰拱 位置 長度 間距 Ⅴ 25 — 拱、墻 拱、墻 ＠ 10 10 拱墻 仰拱 45 45 巖腳隧道為 V 級圍巖，故按照上表中 V級圍巖的規(guī)定值進行計算。 本次設(shè)計采用 V級圍巖進行二 次襯砌結(jié)構(gòu)計算及檢算，采用 ANSYS軟件進行計算。 地下結(jié)構(gòu)的計算模型有兩類，一類是以支護結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時考慮其對支護結(jié)構(gòu)的變形約束作用模型，稱為荷載結(jié)構(gòu)模型。另一類，視圍巖為承載主體，支護結(jié)構(gòu)則約束圍巖向隧道內(nèi)變形的模型，稱為地層結(jié)構(gòu)模型。 荷載結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為圍巖對支護結(jié)構(gòu)變形的約束作用是通過彈性支承來體現(xiàn)的，而圍巖的承載能力則在確定圍巖壓力和彈性支承的約束能力時間接地考慮。地層結(jié)構(gòu)模型將支護結(jié)構(gòu)與圍巖視為一個整體，作為共同承載的地下結(jié)構(gòu)體系。它符合當(dāng)前的施工技術(shù)水平，采用快速和早強的支護 技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動壓力的產(chǎn)生，特別適用于新奧法施工的支護結(jié)構(gòu) —— 錨噴支護和復(fù)合式襯砌。但在經(jīng)驗不豐富時采用荷載結(jié)構(gòu)模型，本次設(shè)計采用荷載結(jié)構(gòu)模型計算。 模型理想化 支護結(jié)構(gòu)的理想化 對于復(fù)合式襯砌，當(dāng)噴層較?。ㄈ?5cm 以下）時，可以離散化為桿單元，當(dāng)噴層較厚（如 5cm 以上）時，可以離散化為梁單元；二次襯砌與整體式襯砌相同，離散化為梁單元，噴層和二次襯砌之間用桿單元連接；噴層和二次襯砌底面處理可按整體式隧道襯砌底面處理。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 17頁 圍巖的理想化 對于復(fù)合式襯砌，由 于噴層和二次襯砌之間設(shè)有防水層，因此，它們之間只傳遞法向力，不傳遞摩擦力，因此，噴層和二次襯砌之間的作用可用法向桿單元來模擬。 外荷載理想化 —— 等效節(jié)點荷載 隧道支護結(jié)構(gòu)所承受的外荷載，除了結(jié)構(gòu)的自重外，主要就是圍巖壓力，這里要著重指出的，就是在確定圍巖壓力的大小和分布規(guī)律時，除了根據(jù)圍巖的級別外，還必須根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造、施工方法等多種因素綜合考慮。 由于在有限元分析中，認(rèn)為作用在隧道結(jié)構(gòu)上的外荷載和內(nèi)力都通過節(jié)點進行傳遞。所以隧道結(jié)構(gòu)理想化的另一個重要內(nèi)容，就是將作用在單元中間的荷載，無論是分布荷 載或是集中荷載都應(yīng)置換成作用在單元節(jié)點上的荷載，稱為節(jié)點荷載。在進行有限元分析時，嚴(yán)格的說，應(yīng)按靜力等效的原則進行置換，即節(jié)點荷載所作的虛功應(yīng)等于單元上荷載所做的虛功。但在實際中，也常按簡支分配的原則進行置換。如要將豎向勻布荷載 q置換為節(jié)點荷載，就可按下面的方法進行：節(jié)點荷載等于勻布荷載的集度 q 乘上節(jié)點相鄰兩單元水平投影的一半，再乘上隧道結(jié)構(gòu)的計算寬度 b，平面應(yīng)變問題中， b 常取等于 1。但對拱腳節(jié)點荷載，就只將剩下的半個單元長的分布荷載作為集中力移至拱腳節(jié)點上，而又常略去遷移力時所產(chǎn)生的力矩 。 單元 和節(jié)點編號，邊界條件 單元和節(jié)點編號 在有限元分析中，為了能使計算機自動地有條不紊地進行計算，必須對結(jié)構(gòu)的離散單元和節(jié)點進行編號。單元和節(jié)點的劃分及編號，應(yīng)注意以下幾點； 1．每個節(jié)點都要編號，節(jié)點編號從 1 開始，連續(xù)編號，中間不能間斷。 2．每個單元也要編號，單元編號從 1 開始，連續(xù)編號，中間不能間斷。 3．一個單元內(nèi)不能包含有兩種不同的材料特性。 4．抗力系數(shù)變化點、截面厚度變化點、集中荷載作用點、勻布荷載變化點等都應(yīng)設(shè)置一個節(jié)點。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 18頁 5．與第 i號節(jié)點連接 的彈簧，即為第 i號彈簧單元，與第 j號節(jié)點連接的基底，即為第 j 號基底單元。 邊界條件 無論何種隧道支護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，都有一定的位移邊界條件。所謂邊界條件就是通常所說的結(jié)構(gòu)支承方式。此處用一剛性鏈桿加以約束，模擬圍巖的彈簧都必須正好設(shè)置在相互作用的區(qū)域內(nèi)，彈簧的底座都是固定不動的，以上這些就是隧道支護結(jié)構(gòu)分析時的邊界條件。 荷載計算及二次襯砌計算 深淺埋段的確定 寬度影響系數(shù)： )()5(1 ??????? Biw 荷載等效高度： mh s 151 ?????? ?? ? 淺埋隧道分界深度： mhH p ?? 由此可知：本隧道洞門段的Ⅴ級圍巖屬于淺埋隧道，其余屬于深埋隧道。 V 級圍巖襯砌結(jié)構(gòu)計算： 計算作用在襯砌結(jié)構(gòu)的主動荷載。作用在結(jié)構(gòu)上的荷載形式為均布豎向荷載 q和均布水平側(cè)向荷載 e，其側(cè)壓系數(shù)為 ，即 ? 。 荷載等效高度 k p ah sa 5 3 4 5 ????? 二次襯砌的荷載按全部荷載的 50%考慮： 均布豎向荷載： 25 0 % 2 0 7 . 3 5 4 4 5 0 % 7 5 . 3 4 4 /aq h k N m?? ? ? ? ? ? ? 均布水平側(cè)向荷載 ： /e q kN m?? 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計 第 19頁 計算簡圖 變形圖