【正文】 E、NW 高角度節(jié)理、節(jié)理密集帶發(fā)育，它們與緩傾角巖層相交組合將掩體切割成塊狀，且局部節(jié)理面與層面有夾泥，因此邊坡及洞臉的穩(wěn)定成為隧道施工的難點。 洞身的穩(wěn)定 隧道穿越的地段有斷層節(jié)理密集帶數(shù)條，探洞還發(fā)現(xiàn)小型斷層斷裂幾層間夾泥多條，這些構(gòu)造如果與層面節(jié)理面組合或相互結(jié)合，不論在洞頂或邊墻，將巖體切割成大小不等的巖塊，使隧道洞身的穩(wěn)定成為施工的另一難點。 隧洞整個斷面做為防水結(jié)構(gòu) 本結(jié)構(gòu)為水工隧道，因此隧道施工的防水措施顯得尤為重要，為了避免在隧道施工完成以后出現(xiàn)隧道因滲水問題而造成的損失隧道的防水十分重要，因此在隧道施工中對連接縫，沉降縫，伸縮縫進行處理時要注意。 施工支護結(jié)構(gòu) 隧洞進出口為淺埋破碎帶，屬于不穩(wěn)定圍巖，施工支護結(jié)構(gòu)較復雜 ,隧洞施工近洞較困難。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 5 3 隧道斷面設計 設計依據(jù) 工程等級 南水北調(diào)中線工程是一項跨流域調(diào)水的特大工程，擔負著向北京、天津等重要城市供水和沿線農(nóng)田灌溉的重大任務，根據(jù)《水利水電 樞紐工程等級劃分及設計標準》的規(guī)定，和水利部水利委員會的有關(guān)設計大綱規(guī)定：南水北調(diào)中線工程為一等工程。 建筑物級別 根據(jù)《南水北調(diào)中線總干渠工程初步設計大綱》對總干渠建筑物的要求吳莊隧道進口、出口漸變段、隧道洞身、閘門按一級建筑物設計。 總干渠及隧道水利要素 根據(jù)總干渠總體設計，此處設計流量為 160 m3/s，加大流量為 190 m3/s，洞內(nèi)加大水深為 m。隧道進口處總干渠設計水深為 ，相應加大水深為 ，渠底寬為 27m，一級邊坡 1： ，縱向比將 1： 25000。隧道出口出總干設計水深為 ，相應加大水深為 ，渠底寬為 28m，一級邊坡 1： 2，縱向比將 1： 25000。隧道粗糙率為 ，隧道的水頭損失為 。 規(guī)程、規(guī)范 《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》 GBJ1089 《水工隧洞設計規(guī)范》 SD13484 《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》 SDJ2078 《水工混凝土施工規(guī)范》 SD20782 方案選擇隧道布置形式 隧洞凈空斷面形式 經(jīng)過分析，按過水面積占隧洞凈斷面的 80%計算，則每個隧洞凈空斷面積約為 65m2。 隧洞的進出口段為Ⅳ級不穩(wěn)定圍巖，圍巖側(cè)壓力較大，因此考慮采用曲墻圓拱形式的斷面。 設計提供了兩種不同隧道的布置形式：分離式雙洞（如圖 31）和雙聯(lián)拱式（如圖32） 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 6 6010201180135901356020620R1076R510 圖 31 分離式雙洞 601180135906020620R1076R510R510R107611806062090135206049064643801501015 1025 圖 32 雙聯(lián)拱式 兩種方案的比較選擇 方案一為分離式雙洞，為兩斷面大小相等的分離式隧道，兩條隧道中心線間距為 30米。 方案二為兩側(cè)斷面大小相等的雙聯(lián)拱式隧道，中間隔墻厚度為 米。 兩方案的比較如表所示 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 7 表 31 兩方案比較表 隧道方案 分離式雙洞 雙聯(lián)拱式 優(yōu)點 1) 兩條隧道單獨承受壓力，單洞應力圈不疊加，隧道受力簡單 2) 兩單洞可以獨立的施工，互不干擾。 3) 由于隧道斷面較小，施工技術(shù)要求較低，施工工藝簡單，施工進度快 4) 每沿米的模注混凝土兩較少。 5) 當隧道一側(cè)出現(xiàn)問題時，可以在不影響另一側(cè)的情況下進行維修。 1) 施工集中，有利于集中管理。 2) 進出口段土方及圬工量較少。 3) 進出口段不需經(jīng)過漸變段，水頭損失少。 缺點 1) 水流進出口都要經(jīng)過漸變段，導致較多的水頭損失。 2) 進出口段土方開挖量較大， 圬工量大。 3) 施工分散，不便于集中管理。 1) 兩側(cè)隧道共同受力，受力情況復雜。 2) 在進行隧道開挖時，需要先進行中導洞的開挖，修筑中隔墻后才能進行下一步工序，施工方案復雜。 3) 施工斷面較大，施工技術(shù)要求較高，施工工藝復雜。 4) 每沿米的模注混凝土兩較大。 5) 當隧道一側(cè)出現(xiàn)問題時，需要關(guān)閉整個隧道進行維修。 經(jīng)過對兩種不同方案的優(yōu)缺點的綜合比較，設計最終采用方案一：分離式雙洞隧道。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 8 4 隧道結(jié)構(gòu)設計 隧道襯砌設計與檢算 隧道主要支護參數(shù) 根據(jù)工程類比及結(jié)構(gòu)計算初步擬定初期支護和二次混凝土襯砌的參數(shù)。 吳 莊隧道進出口段均為Ⅳ級不穩(wěn)定圍巖，從設計資料來看，巖體的力學性能不是很差，有一定的自穩(wěn)能力，所以不必考慮圍巖的超前支護，如果開挖后地質(zhì)條件變壞或量測到隧道拱頂下沉或地面下沉量較大，再進行超前支護 在隧道設計方案中，在拱頂及邊墻設置φ 6╳ φ 8的鋼筋網(wǎng)，隔柵間距 250╳ 250mm，設1 榀 /米的四邊形隔柵剛架，在剛架的接頭處設置鎖腳錨以固定剛架隔柵剛架在開挖初噴5cm 混凝土后架設，然后補噴 10cm 混凝土包裹剛架直至設計厚度。 二次襯采用 C25 鋼筋混凝土模注整體式襯砌，厚度為 600mm，鋼筋混凝土襯砌的抗?jié)B系數(shù)不低 于 ，標號為 S8，抗蝕系數(shù)不低于 。澆注二次襯砌時要保證與初期支護的密貼不允許出現(xiàn)空洞，否則須進二次填充注漿。模注混凝土施工順序為先墻后拱式施工順序。 隧道襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)的計算 計算工況與荷載的擬訂與計算 本隧道為過水隧道，經(jīng)過分析比較有水時與無水時隧道的受力變化不大，故只對兩種不同的結(jié)構(gòu)進行無水時的結(jié)構(gòu)的計算。 ?圍巖豎直壓力的計算 對于Ⅳ級圍巖，根據(jù)《水工隧道設計規(guī)范》建議的方法進行計算：松動介質(zhì)平衡理論計算圍巖壓力 荷載高度按以下公式進行計算： h=fL2=fH tgBO2 )2/45(2 ??? （ ） 式中： B— — 隧道開挖斷面寬度（ m） H— — 隧道開挖斷面寬度（ m） f— — 巖石堅固系數(shù)，根據(jù)圍巖的類別進行取值； φ —— 巖石的內(nèi)摩擦角，根據(jù)圍巖的類別進行取值； 實際設計所采用的荷載為： q= h （ ） 式中： γ —— 圍巖容重（ KN/m） 如果隧道埋深 h1小于或等于計算得出的塌落拱的高 度 h時，為淺埋隧道，取 q=γ h；如果隧道埋深 h1大于計算得出的塌落拱的高度 h 時，為深埋隧道，取 q= h。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 9 ?圍巖水平荷載 隧道淺埋時，水平荷載按以下公式計算： 在拱頂處： e1=λ q （ ） 在隧道仰拱地面處： e2=λ （ q+γ h） （ ） ?襯砌自重 ?圍巖的彈性抗力 彈性抗力是圍巖抵抗隧道襯砌向圍巖方向變形的能力，其值根據(jù)變形條件確定，按局部變形理論計算： P=kδ （ ） 式中： K—— 圍巖的彈性抗力系數(shù)（ KN/m）采用工程類比法確定，或采用下面的公式估算： k=100k0/R （ ） 式中： R—— 圓形隧道的開挖半徑（ m）對于非圓形隧道，近似取 R=B/2。 B為非圓形隧道的開挖寬度。 k0—— 單位巖石的抗力系數(shù)（ KN/m），即半徑為 1米的圓形隧道的抗力系數(shù)，其值一般可按下面的公式計算： k0= μ?1E （ ） 式中： E—— 巖石的彈性模量（ KN/m2） μ —— 巖石的泊松比 隧道襯砌結(jié)構(gòu)的計算 建立模型 采用《 有限元結(jié)構(gòu)分析程序》進行隧道襯砌結(jié)構(gòu)的分析，將隧道襯砌模擬為置于彈性地基梁上的有限單元桿系進行分析； 1) 方案一：分離式單洞 方案一的計算簡圖如圖 41所示： 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 10 水平荷載e水平荷載e圍巖垂直荷載q 圖 41 分離式單洞計算簡圖 方案一襯砌離 散單元節(jié)點編號如圖 42所示： 圖 42 分離式單洞計算節(jié)點編號 2） 方案二：雙聯(lián)拱式 方案二的計算簡圖如圖 43所示： 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 11 圍 巖 垂 直 荷 載 q水 平 荷 載 e水 平 荷 載 e 圖 43 雙聯(lián)拱式計算簡圖 方案二襯砌離散單元節(jié)點編號如圖 44所示： 圖 44： 雙聯(lián)拱式計算節(jié)點編號 結(jié)果分析 1) 方案一的計算結(jié)果表明在仰拱與邊墻處出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，最大應力出現(xiàn)在邊石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 12 墻和仰 拱的交接處，其次在拱腰處。 2) 方案二的計算結(jié)果表明應力集中表現(xiàn)在兩側(cè)仰拱與邊墻的交界處以及拱角與中間隔墻的交接處。 這兩種情況的軸力與彎距見表 42， 43 截面強度的檢算 對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)按破壞階段的偏心受壓構(gòu)件進行檢算。計算結(jié)果見表。根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》，考慮截面抗拉情況時截面的抗壓和抗拉能力分別滿足以下式子： 抗壓： KN≤)1/6( 0 ?? heRabh? （ ） 抗拉： KN≤)1/6( 0 ?? heRabh?? （ ） 上式中： K—— 抗拉、抗壓安全系數(shù)；Ⅰ級建筑物 K=； N—— 截面軸力； Ra、 Rl—— 分別為襯砌混凝土的設計抗壓與抗拉強度； b、 h—— 分別為襯砌混凝土結(jié)構(gòu)計算的截面寬度與高度； γ —— 截面抵抗距塑性系數(shù)， γ 取 ； e0—— 偏心距， e0=M/N， M為截面彎距； φ —— 混凝土構(gòu)件的縱向彎曲系數(shù)。 上述表中計算結(jié)果表明，只有在應力集中處不能滿足抗拉要求，需要配筋，經(jīng)過計算按構(gòu)造配筋即可滿足要求。配筋率為 %，受力筋為φ 18，沿隧道中線每米 5 根，襯砌厚度方向內(nèi)外分兩層，架立筋為φ 10，箍筋為φ 6，混凝土保護層厚度為 40mm，具體見設計圖紙。 截面抗裂檢算 根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》要求，隧道襯砌截面的抗裂滿足下式： Kf≤ γ RfW0/（ e0W0/A0） （ ） 式中： Kf—— 鋼筋混凝土構(gòu)件的抗裂安全系數(shù)，對于一級結(jié)構(gòu)物取 ； Rf— — 襯砌混凝土的抗裂設計強度； A0— — 鋼筋混凝土截面的換算面積； W0— — 換算截面受拉邊緣的彈性抵抗距， W0=J0/（ hx0）； h— — 截面全高； x0— — 換算截面重心至受壓邊緣的距離； J0— — 換算截面對其重心的慣性距。 經(jīng)過計算最危險截面的抗裂安全系數(shù)為 大于 ，滿足要求。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 13 ?截面裂縫寬度計算 根據(jù)《水工隧洞設計規(guī)范》，鋼筋混凝土截面如果滿足截面抗裂要求，則截面裂縫寬度可不予以檢算。 圖 45 分離式雙洞Ⅳ類圍巖深埋隧道襯砌斷面變形圖 圖 46 分離式雙洞Ⅳ類圍巖深埋隧道襯砌斷面彎距圖 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 14 圖 47 分離式雙洞Ⅳ圍巖深埋隧道襯砌斷面軸力圖 圖 48 雙連拱隧洞Ⅳ圍巖深埋隧道襯砌變形圖 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 15 圖 49 雙連拱隧洞Ⅳ圍巖深埋隧道襯砌斷面軸力圖 圖 410 雙連拱隧洞Ⅳ圍巖深埋隧道襯砌斷面軸力圖 石家莊鐵道學院畢業(yè)設計及施工方案 16 表 41 方案一無水工況深埋隧道抗拉抗壓系數(shù)表 節(jié) 點 彎距 軸力 偏心距 相對偏心距 抗壓能力 抗壓安全系數(shù) 抗拉能力 抗壓安全系數(shù) 號 N m N Ka N Kl 1 2741162 1266033 2 4203915 +07 3 6231021 1727013 4 7751101 1265986 5 7697451 1275715 6 6359010 1664792 7 4818094 3791901 8 3735803 7187504 9 3260017 2494586 10 3252367 24648