【導(dǎo)讀】口位置、洞門(mén)結(jié)構(gòu)、洞身初期支護(hù)與二次襯砌的設(shè)計(jì)。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)可使同學(xué)掌握。一般鐵路隧道的設(shè)計(jì)流程和主要方法，鍛煉學(xué)生對(duì)鐵路隧道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能力。綜合分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。中文摘要、英文摘要；工程概況、設(shè)計(jì)意圖、結(jié)構(gòu)計(jì)算及施工方法等。隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖；比例：1：2020；開(kāi)通貨車，比原計(jì)劃提前8個(gè)月。途徑浙江省的瑞安、萍陽(yáng)、蒼南，福建省的福鼎、小時(shí)，預(yù)留250公里/小時(shí)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(jìn)口里程為DK1963+683，出口里程DK1964+750，隧道全長(zhǎng)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(diǎn)。本隧道采用全封閉防水。次襯砌中的受力與變形進(jìn)行驗(yàn)算，并得出驗(yàn)算結(jié)果。條件、線路條件等，同時(shí)也結(jié)合了高速列車隧道空氣動(dòng)力學(xué)的影響。

　　

【正文】 坡的開(kāi)挖量較大，刷坡過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)上不劃算。且該地段坡度較陡，不利于施工機(jī)具的展開(kāi)和工程機(jī)械的作業(yè)，又不符合“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則。 方案三：方案三的開(kāi)挖高度位于一、二方案之間，開(kāi)挖量不大，且洞門(mén)較一方案穩(wěn)定，避免了“大挖大刷”，經(jīng)濟(jì)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(kāi)挖量是三種方案中最少的，工程量也是最少的，符合“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則，也符合 “宜長(zhǎng)不宜短” 的設(shè)計(jì)原則 ；但洞門(mén)的埋深較淺，洞門(mén)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(mén)的埋深是三種方案中最大的，洞門(mén)比較穩(wěn)定。但洞門(mén)的邊仰坡的開(kāi)挖量較大，刷坡過(guò)長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)上不劃算。且該地段坡度較陡，不利于施工機(jī)具的展開(kāi)和工程機(jī)械的作業(yè)，又不符合“早進(jìn)洞，晚出洞”的原則。 方案三：方案三的開(kāi)挖高度位于一、二方案之間，開(kāi)挖量不大，且洞門(mén)較一方案穩(wěn)定，避免了“大挖大刷”，經(jīng)濟(jì)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(jì) 第 13頁(yè) 隧道洞門(mén)的設(shè)計(jì) 隧道洞門(mén)的設(shè)計(jì)原則 : 1. 隧道洞口應(yīng)設(shè)置洞門(mén) ,其結(jié)構(gòu)形式有 端墻式 ,柱式 ,翼墻式 ,臺(tái)階式 ,選用時(shí)應(yīng)根據(jù)洞口的地形 ,地質(zhì)條件和工作特點(diǎn)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(jì)比較不宜采用正交洞門(mén) ,且圍巖分類在四類及以上時(shí) ,可采用斜交洞門(mén) ,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(mén)； 3. 設(shè)置通風(fēng)簾幕的洞門(mén)或通風(fēng)道洞門(mén)與隧道洞門(mén)相連時(shí) ,洞門(mén)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(mén) ,必要時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境協(xié)調(diào)和建筑美觀的要求； 隧道洞門(mén)形式的選擇 ： 洞門(mén)的形式很多，從構(gòu)造形式、建 筑材料以及相對(duì)位置等可以劃分許多類型。目前，我國(guó)公路隧道的洞門(mén)形式有：端墻式、翼墻式、臺(tái)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(mén)形式 項(xiàng)目 端墻式 翼墻式 臺(tái)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(mén)周圍地形平緩 地形地質(zhì)條件較好， 洞口周圍開(kāi)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(kāi)挖高度，一般與偏壓襯砌配合使用 洞口受地形限制，無(wú)法布置翼墻式洞門(mén) 模型板、配筋較費(fèi)事，耗資較大 模型板、配筋較費(fèi)事，耗資大 巖腳隧道進(jìn)出口 屬Ⅴ級(jí)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(mén)形式的適用條件以及經(jīng)濟(jì)條件后，該隧道采用端墻式洞門(mén)形式。又由于洞門(mén)的邊坡刷坡較大，故在洞門(mén)兩側(cè)修筑擋土墻。祥圖見(jiàn) hs— 6。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14頁(yè) 洞門(mén)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(mén)墻背的水 平距離不宜小于 ，洞門(mén)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(mén)墻頂高出仰坡腳不小于 。 2. 洞門(mén)墻應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置伸縮縫、沉降縫和泄水孔；洞門(mén)墻的厚度可按計(jì)算或結(jié)合其他工程類比確定。 3． 洞門(mén)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(mén)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(shí)，應(yīng)進(jìn)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(mén)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(jì) 第 15頁(yè) 第 4 章 V 級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算及檢算 襯砌形式確定 依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)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(shí)速 250km/m 設(shè)計(jì)，內(nèi)凈空較大 ,故采用復(fù)合式襯砌 。 襯砌設(shè)計(jì)規(guī)定 襯砌設(shè)計(jì)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(jiān)硬巖石時(shí)，可不設(shè)仰拱。 2. 隧道洞口段應(yīng)設(shè)加強(qiáng)襯砌。加強(qiáng)襯砌段的長(zhǎng)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(zhǎng)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(hù)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(jì)應(yīng)符合下列規(guī)定： 1．初期支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，即由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼 架等支護(hù)形式單獨(dú)或組合使用。錨桿支護(hù)采用全長(zhǎng)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(kāi)挖斷面時(shí)，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(hù)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(jí)別、斷面大小、埋置深度、施工方法和支護(hù)情況等，采用工程類比法預(yù)測(cè)。巖腳隧道的圍巖等級(jí)為 V 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16頁(yè) 級(jí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)理論分析進(jìn)行驗(yàn)算。初期支護(hù)及二次襯砌 的支護(hù)參數(shù)可參照表 42選用，并應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖監(jiān)控量測(cè)信息對(duì)設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行必要的調(diào)整。 表 41 巖腳 隧道復(fù)合式襯砌設(shè)計(jì)參數(shù) 圍巖級(jí)別 初期支護(hù) 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(zhǎng)度 間距 Ⅴ 25 — 拱、墻 拱、墻 ＠ 10 10 拱墻 仰拱 45 45 巖腳隧道為 V 級(jí)圍巖，故按照上表中 V級(jí)圍巖的規(guī)定值進(jìn)行計(jì)算。 本次設(shè)計(jì)采用 V級(jí)圍巖進(jìn)行二 次襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算及檢算，采用 ANSYS軟件進(jìn)行計(jì)算。 地下結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型有兩類，一類是以支護(hù)結(jié)構(gòu)作為承載主體，圍巖作為荷載同時(shí)考慮其對(duì)支護(hù)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(hù)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(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的約束作用是通過(guò)彈性支承來(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承的約束能力時(shí)間接地考慮。地層結(jié)構(gòu)模型將支護(hù)結(jié)構(gòu)與圍巖視為一個(gè)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(qiáng)的支護(hù) 技術(shù)可以限制圍巖的變形，從而阻止圍巖松動(dòng)壓力的產(chǎn)生，特別適用于新奧法施工的支護(hù)結(jié)構(gòu) —— 錨噴支護(hù)和復(fù)合式襯砌。但在經(jīng)驗(yàn)不豐富時(shí)采用荷載結(jié)構(gòu)模型，本次設(shè)計(jì)采用荷載結(jié)構(gòu)模型計(jì)算。 模型理想化 支護(hù)結(jié)構(gòu)的理想化 對(duì)于復(fù)合式襯砌，當(dāng)噴層較?。ㄈ?5cm 以下）時(shí)，可以離散化為桿單元，當(dāng)噴層較厚（如 5cm 以上）時(shí)，可以離散化為梁?jiǎn)卧?；二次襯砌與整體式襯砌相同，離散化為梁?jiǎn)卧?，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(jì) 第 17頁(yè) 圍巖的理想化 對(duì)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(lái)模擬。 外荷載理想化 —— 等效節(jié)點(diǎn)荷載 隧道支護(hù)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(shí)，除了根據(jù)圍巖的級(jí)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(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳遞。所以隧道結(jié)構(gòu)理想化的另一個(gè)重要內(nèi)容，就是將作用在單元中間的荷載，無(wú)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(diǎn)上的荷載，稱為節(jié)點(diǎn)荷載。在進(jìn)行有限元分析時(shí)，嚴(yán)格的說(shuō)，應(yīng)按靜力等效的原則進(jìn)行置換，即節(jié)點(diǎn)荷載所作的虛功應(yīng)等于單元上荷載所做的虛功。但在實(shí)際中，也常按簡(jiǎn)支分配的原則進(jìn)行置換。如要將豎向勻布荷載 q置換為節(jié)點(diǎn)荷載，就可按下面的方法進(jìn)行：節(jié)點(diǎn)荷載等于勻布荷載的集度 q 乘上節(jié)點(diǎn)相鄰兩單元水平投影的一半，再乘上隧道結(jié)構(gòu)的計(jì)算寬度 b，平面應(yīng)變問(wèn)題中， b 常取等于 1。但對(duì)拱腳節(jié)點(diǎn)荷載，就只將剩下的半個(gè)單元長(zhǎng)的分布荷載作為集中力移至拱腳節(jié)點(diǎn)上，而又常略去遷移力時(shí)所產(chǎn)生的力矩 。 單元 和節(jié)點(diǎn)編號(hào)，邊界條件 單元和節(jié)點(diǎn)編號(hào) 在有限元分析中，為了能使計(jì)算機(jī)自動(dòng)地有條不紊地進(jìn)行計(jì)算，必須對(duì)結(jié)構(gòu)的離散單元和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)。單元和節(jié)點(diǎn)的劃分及編號(hào)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)； 1．每個(gè)節(jié)點(diǎn)都要編號(hào)，節(jié)點(diǎn)編號(hào)從 1 開(kāi)始，連續(xù)編號(hào)，中間不能間斷。 2．每個(gè)單元也要編號(hào)，單元編號(hào)從 1 開(kāi)始，連續(xù)編號(hào)，中間不能間斷。 3．一個(gè)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(diǎn)、截面厚度變化點(diǎn)、集中荷載作用點(diǎn)、勻布荷載變化點(diǎn)等都應(yīng)設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。 華東交 通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18頁(yè) 5．與第 i號(hào)節(jié)點(diǎn)連接 的彈簧，即為第 i號(hào)彈簧單元，與第 j號(hào)節(jié)點(diǎn)連接的基底，即為第 j 號(hào)基底單元。 邊界條件 無(wú)論何種隧道支護(hù)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(shuō)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(dòng)的，以上這些就是隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)分析時(shí)的邊界條件。 荷載計(jì)算及二次襯砌計(jì)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(mén)段的Ⅴ級(jí)圍巖屬于淺埋隧道，其余屬于深埋隧道。 V 級(jí)圍巖襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算： 計(jì)算作用在襯砌結(jié)構(gòu)的主動(dòng)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(jì) 第 19頁(yè) 計(jì)算簡(jiǎn)圖 變形圖