文章编号:100020240(2009)0120113206
寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解
收稿日期:2008206203;修订日期:2008209217 基金项目:中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX32SW 2351);国家自然科学基金项目(40730736)资助
作者简介:张耀(1968—
),女,重庆人,兰州交通大学副教授,1998年在四川大学获硕士学位,现为在读博士研究生,主要从事寒区岩土工程方面的科研和力学方面的教学工作.E 2mail :zhangyao @https://www.doczj.com/doc/16407373.html,
张 耀1,2, 何树生1, 李靖波1
(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州730000;
2.兰州交通大学土木工程学院,甘肃兰州730070)
摘 要:在多年冻土地区修建隧道,会影响到多年冻土的热稳定性,目前一般采用在隧道衬砌中设置隔热层的方法来防止冻土围岩融化.根据隧道现场实测的气温资料,考虑正弦曲线规律变化的对流换热边界条件,建立了一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩4层结构的圆形隧道热传导方程.运用微分方程求解方法和贝塞尔特征函数的正交和展开定理,对4个热传导方程进行了求解,得到隧道一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩4层结构温度场的解析解,将计算结果与现场实测结果进行比较,吻合良好.计算结果还表明,在衬砌中铺设厚5cm 、导热系数为0103W ?m -1?℃-1的隔热层可以保证风火山隧道围岩不发生季节性融化.该解析解可用于验证其它数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道进行温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.关键词:寒区隧道;隔热层;解析解;温度场中图分类号:TU445
文献标识码:A
0 引言
在高原多年冻土山区开挖隧道,在夏季隧道围
岩会发生季节性融化,为了使冻土围岩不融化,目前采取的方法是在一次衬砌和二次衬砌之间加防水隔热层.隧道衬砌内铺设防水隔热层以后,围岩的温度状况如何是值得研究的问题.Lai Yuanming 等[1]应用摄动技术考虑相变,推导了圆形隧道围岩的冻结深度;Lai Yuanming 等[2]考虑围岩的热传导和空气与围岩的对流换热,对风火山隧道进行了三维数值非线性温度场分析;Y igit [3]运用摄动法对有限厚度的正弦曲线模型、液相变固相的二维热传导问题进行了近似解析解的求解;张学富等[4]运用有限元法分析了施工对寒区隧道融化圈的影响;何春雄等[5]建立了隧道内空气与围岩对流换热及围岩传热模型,分析了隧道内空气分别为层流和紊流的情况时,隧道内气温及围岩的温度.到目前为止还没有含隔热层复合衬砌的寒区隧道温度场的解析解.本文考虑隧道内实测气温随时间正弦变化的对流换热边界条件,建立隧道一次衬砌、隔热层、二
次衬砌和围岩的热传导方程,运用微分方程的求解
方法对其进行求解,得到这4层材料的圆形寒区隧道温度场的解析解公式,该解析解既可用于工程估算也可用来校核数值计算的结果.
1 问题的数学模型
为了得到完备的解析解,首先将隧道假设成圆形,其次假设传递到围岩时的热量不足以使围岩融化,故没有考虑相变.隧道的计算内径为R 1,保温层内侧半径R 2,保温层外侧半径R 3,隧道外径为R 4,围岩半径取R 5.计算示意图见图1.
该问题的热传导方程[6]为:
λj c j 1r 5r (r 5T j r )=5T j t
R j (1)式中:T j (j =1,2,3,4)分别为一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩的温度;λj 、c j (j =1,2,3,4)分别为一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩的导热系数和体积比热. 边界条件为: 第31卷 第1期2009年2月 冰 川 冻 土 J OU RNAL OF G L ACIOLO GY AND GEOCR YOLO GY Vol.31 No.1 Feb.2009 图1 寒区含隔热层圆形隧道Fig.1 Cross2section of a circular tunnel in cold region with an insulation layer λ 15T1 5r+α(T1-T(t))=0 r=R1, t>0(2) T1=T2, λ15T1 5r=λ2 5T2 5r r=R2, t>0(3) T2=T3, λ25T2 5r=λ3 5T3 5r r=R3, t>0(4) T3=T4, λ35T3 5r=λ4 5T4 5r r=R4, t>0(5) T4=T04, r=R5, t>0(6)式中:α为空气与围岩的对流换热系数;T(t)为隧道内的气温;T04为围岩外边界处的温度. 初始条件为: T j=T0j, R j t=0 j=1,2,3, 4(7) 式中:T0j(j=1,2,3,4)分别是一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩的初始温度. 2 问题的求解 上述数学模型是一个非齐次边界条件的非稳态热传导问题,为了求解该问题,必须对边界条件及微分方程进行处理,将其分解成下面简单的3个问题.前两个问题易于求解,后一个问题的求解要复杂一些,需要用到计算机数值分析来辅助求解.具体形式如下: T j(r ,t)=j(r)T(t)+φj(r)T04+θj(r,t) R j ,4)分别是下列三个子问题的解. 2.1 函数j(r)的求解 函数j(r)(j=1,2,3,4)分别是下列与原问题有相同定义域, 在r=R1处有一非齐次边界条件的稳态热传导问题的解 : λ j c j 1 r 5 5r(r 5 j 5 r)=0 R j< r 1,2,3,4(9) 具有边界条件: λ j 51 5 r+α(1 -1)=0, r=R1 (10) 1=2, λ1 51 5r =λ2 52 5r, r=R2(11) 2=3, λ2 52 5r=λ3 53 5 r, r=R3(12) 3=4, λ3 53 5r=λ4 54 5r, r=R4(13) 4=0, r=R5(14) 对微分方程(9)进行求解,将λ1=λ3=λc,λ2 =λi,λ 4= λf代入结果可得: 1 (r)= ln R3r R2R4 + λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R4 R5 λ c αR1+ln R1R3 R2R4 + λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R4 R5 (15) 2 (r)= ln R3 R4 + λ c λ i ln r R3 + λ c λ f ln R4 R5 λ c αR 1 +ln R1R3 R2R4 + λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R4 R5 (16) 3 (r)= ln r R4 + λ c λ f ln R4 R5 λ c αR 1 +ln R1R3 R2R4 + λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R4 R5 (17) 4 (r)= λ c λ f ln r R5 λ c αR 1 +ln R1R3 R2R4 + λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R4 R5 (18)式中:λc、λi和λf分别为混凝土、隔热层和围岩的导热系数. 2.2 函数φj(r)的求解 函数φj(r)(j=1,2,3,4)分别是下列与原问题有相同定义域,在r=R5处有一非齐次边界条件的稳态热传导问题的解: 411 冰 川 冻 土 31卷 λ j c j 1 r 5 5r(r 5φj 5r)=0 R j λ 15φ1 5r+αφ1=0, r=R1(20) φ 1=φ2, λ1 5φ1 5r=λ2 5φ2 5r, r=R2(21) φ 2=φ3, λ2 5φ2 5r=λ3 5φ3 5r, r=R3(22) φ 3=φ4, λ3 5φ3 r=λ4 5φ4 r, r=R4(23) φ 4=1, r=R5(24) 对微分方程式(19)进行求解,将λ1=λ3=λc,λ 2=λi,λ4=λf代入结果可得: φ 1(r)= - λ c αR1+ln r R1 - λ c αR1+ln R2R4 R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R5 R4 (25) φ 2(r)= - λ c αR1+ln R2 R1 + λ c λ i ln r R2 - λ c αR1+ln R2R4 R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R5 R4 (26) φ 3(r)= - λ c αR1+ln R2r R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 - λ c αR1+ln R2R4 R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R5 R4 (27) φ 4(r)= - λ c αR1+ln R2R4 R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln r R4 - λ c αR1+ln R2R4 R1R3 - λ c λ i ln R2 R3 + λ c λ f ln R5 R4 (28) 2.3 函数θj(r,t)的求解 函数θj(r,t)(j=1,2,3,4)分别是下列与原问题有相同定义域,具有齐次边界条件的非稳态热传导问题的解: λ j c j 1 r 5 r(r 5θj r)= 5θj t R j λ 15θ1 5r+αθ1=0, r=R1, t>0(30) θ 1= θ2, λ1 5θ1 5r=λ2 5θ2 5r r=R2,t>0(31) θ 2= θ3, λ2 5θ2 5r=λ3 5θ3 5r r=R3, t>0(32) θ 3= θ4, λ3 5θ3 5r=λ4 5θ4 5r r=R4, t>0(33) θ 4=0, r=R5, t>0(34) 及初始条件: θ j=T0j R j t=0 j=1,2,3,4(35) 将函数θj(r,t)分离变量为如下形式: θ j (r,t)=ψj(r)Γ(t) j=1,2,3,4(36) 式(36)代入式(29)可导出下列的分离方程: dΓ(t) d t +β2nΓ(t)=0, t>0(37) 1 r ?d d r r dψjn d r + c j λ j β2 n ψ jn=0 R j 将式(36)代入边界条件式(30)～(34),可得: λ 1 5ψ1n 5r+αψ1n=0, r=R1(39) ψ 1n= ψ2n, λ1 5ψ1n 5r=λ2 5ψ2n 5r, r=R2(40) ψ 2n= ψ3n, λ2 5ψ2n r=λ3 5ψ3n r, r=R3(41) ψ 3n= ψ4n, λ3 5ψ3n 5r=λ4 5ψ4n 5r, r=R4(42) ψ 4n=0, r=R5(43) 下标n为有无穷多个不连续的特征值β1<β2< …<βn<…和相应的特征函数ψjn. 方程式(37)的时间变量函数Γ(t)的解为: Γ(t)=e-β2n t(44) 方程式(38)是贝赛尔微分方程,一般解为: ψ jn (r)=A jn J0H jn r+B jn Y0H jn r j=1,2,3,4(45) 式中:A jn,B jn为常系数;J0H jn r和Y0H jn r为 贝塞尔函数;H jn=c j λ j β n,j=1,2,3,4. 将式(44)和式(45)代入式(36)得: θ j (r,t)=∑ ∞ n=1 c n e-β2n tψjn(r) j=1,2,3,4 (46) 式中:c n为常系数,累加号是对上面所有的特征值 β n求和. 由于方程式(38)是贝赛尔微分方程,它的特征 函数ψjn应满足下列正交关系式: 511 1期张 耀等:寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解 ∑4 j =1 ∫ R j+1 R j r ψjn (r )?ψjm (r )d r =0 n ≠m N n n =m (47) 式中:范数N n 定义为: N n = ∑4 j =1 ∫ R j +1 R j r ψ2 jn (r )d r (48) 将式(46)代入初始条件(35)得到: T 0j = ∑ ∞ n =1 c n ψjn (r ) j =1,2,3,4(49) 利用下面的算子: ∫ R j +1 R j r ψjm (r )d r j =1,2,3,4 分别对式(49)的两边进行运算,然后相加得: ∑4 j =1 ∫R j+1 R j r T 0j ψ jm (r )d r = ∑∞ n =1 c n ∑4 j =1 ∫R j +1 R j r ψ jn (r )ψjm (r )d r 根据正交关系式(47),于是系数c n 为: c n = 1 N n ∑4 j =1 ∫R j+1 R j r T 0j ψ jn (r )d r (50) 式(45)中的8个系数可由边界条件式(39)～(43)给出的8个线性齐次方程来求解,这些系数可由其中一个系数(不为零的数)或系数再乘以任意一个常数来表示.结果很复杂,这里不再罗列. 为了求得特征值βn 需要一个附加关系式,即要使8个边界齐次方程有非零解,只有系数行列式为零.由这个条件可得到确定特征值βn 的超越方程,求解超越方程可得βn 值. 将以上3个问题的解答代入式(8),就可以得到二次衬砌、隔热层、一次衬砌和围岩温度的解析解. 3 计算结果与分析 以青藏铁路线风火山隧道为例,隧道的计算内径为315m ,复合衬砌中二次衬砌厚015m ,隔热层厚0105m ,一次衬砌厚013m.钢筋混凝土的比热为21465×106J ?m -3?℃-1,导热系数为11355W ?m -1?℃-1;隔热层材料为聚氨酯泡沫,比热为01072×106J ?m -3 ?℃-1,导热系数为0103W ?m -1?℃-1;隧道D K 1159+046断面围岩的导热系数11825W ?m -1?℃-1,围岩的比热为11617 ×106J ?m -3 ?℃-1;空气与隧道的对流换热系数 α=1510W ?m -2 ?℃-1.二次衬砌的初始温度T 01=10℃,隔热层的初始温度T 02=8℃,一次衬砌的初始温度T 03=5℃,围岩的初始温度T 04=-2 ℃.根据实测气温资料(由中铁西南科学研究院提 供),2004年隧道D K 1159+046断面的气温边界条件为: T (t )=-4.46+8. 56sin 2 π8760t -π2 (51)式中:t 为时间( h ). 将以上参数代入式(15)～(18)计算,可得: 1(r )=1.977-0.764?ln r (52)2 (r )=48.773-34.521?ln r (53)3(r )=1.558-0.764?ln r (54)4 (r )=1.268-0.567?ln r (55) 将以上参数代入式(25)～(28)计算,可得: φ1(r )=-0.977+0.764?ln r (56)φ2(r )=-47.773+34.521?ln r (57)φ3(r )=-0.558+0.764?ln r (58)φ4(r )=-0.268+0.567?ln r (59) 最后可求得二次衬砌、隔热层、一次衬砌和围 岩温度的解析解公式为: T 1(r,t )=(1.977-0.764ln r )-4.46+ 8.56sin 2 π8760t -π2 -2?(-0.977+0.764ln r )+ 1.150e -5.184× 10 -5 t [J 0(0.162r )+2.761Y 0(0.162r )] 3.5≤r ≤ 4.0 (60) T 2(r,t )=(48.773-34.521ln r )-4.46+ 8.56sin 2 π8760t -π2 -2?(-47.773+34.521ln r )+ 1.150e -5.184× 10-5 t [19.617J 0(0.186r )+ 141.230Y 0(0.186r )]4.0≤r ≤4.05 (61) T 3(r,t )=(1.558-0.764ln r )-4.46+ 8.56sin 2 π8760t -π2 -2?(-0.558+0.764ln r )+ 1.150e -5.184× 10-5 t [-1.465J 0(0.162r )+ 2.659Y 0(0.162r )]4.05≤r ≤4.35 (62) T 4(r,t )=(1.268-0.567ln r )-4.46+ 8.56sin 2 π8760t -π2 -2?(-0.268+0.567ln r )+ 1.150e -5.184× 10-5 t [-0.771J 0(0.113r )+ 2.315Y 0(0.113r )]4.35≤r ≤9.35 (63) 计算时间取隧道建成后的第1年,即2004年,代入二次衬砌、隔热层、一次衬砌和围岩的温度解 6 11 冰 川 冻 土 31卷 析解公式(60)～(63)进行计算,可得到温度随时间 或半径的分布值,如图2,3所示 . 根据隧道D K 1159+046断面在2004年的实测 地温资料(由中铁西南科学研究院提供),可以做出实测地温的温度分布图(图4,5) : 图4 2004年衬砌和围岩的温度实测值随时间的分布图 Fig.4 In 2situ observed lining and adjacent rock temperatures changing with time in 2004 对图3与图5、图2与图4进行对比分析可得到以下两点结论: (1)对图3和图5进行对比分析,发现半径4m 至4105m 处,二者的温度曲线都发生了剧烈变 化,这是因为在这里铺设了厚度为0105m 、导热系数为0103W ?m -1?℃-1的隔热层,正是隔热层的作用才使得曲线发生了突变.还可以看出,二者的温度曲线在经过隔热层以后都降到了零度以下,可 见隔热层起到了预先构想的作用,能保证多年冻土围岩不发生季节性融化 . 图5 2004年衬砌和围岩的温度实测值沿半径的分布图 Fig.5 In 2situ observed lining and adjacent rock temperatures changing with radius in 2004 (2)对图2和图4进行对比分析,发现温度曲线的变化趋势是相似的,都近似正弦曲线的规律.解析解公式计算的结果与实测结果很接近,说明推导的温度场解析解公式可用于计算寒区有隔热层隧道及附近围岩的温度场. 4 结语 (1)为了得到完备的解析解,采用了圆形截面 的假设,这与实际断面是有一定差距的,因而解析解的结果与实测值会有一定的差别. (2)假设隔热层起到了隔热的效果,围岩维持原来的热状态;另外也是为了得到完备的解析解,所以在公式推导过程中没有考虑相变.本文的例子正好符合这种情况,所以解析解计算值与实测值吻合较好. (3)推导的解析解可用于验证寒区有隔热层隧道的数值方法计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道进行温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值. 参考文献(R eferences): [1] Lai Yuanming ,Liu Songyu ,Wu Z iwang ,et al.Approximate analytical solution for temperature fields in cold regions circu 2lar tunnels[J ].Cold Regions Science and Technology ,2002,34(1):43-49.[2] Lai Yuanming ,Zhang Xuefu ,Yu Wenbing ,et al .Three 2di 2mensional nonlinear analysis for t he coupled problem of t he heat transfer of t he surrounding rock and t he heat convection between t he air and t he surrounding rock in cold 2region tunnel [J ].Tunnelling and Underground Space Technology ,2005,20(4):323-332.[3] Y igit F.Approximate analytical solution of a two 2dimensional heat conduction problem wit h phase 2change on a sinusoidal mold[J ].Applied Thermal Engineering ,2008,28(10):1196 7111期张 耀等:寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解 -1205,doi:10.1016/j.applt hermaleng.2007.08.001. [4]Zhang Xuefu,Su Xinmin,Lai Yuanming,et al.Analyzing t he effect of tunneling on temperature of permafrost in t he Kunlun Mountains,Tibetan Plateau[J].Journal of G laciolo2 gy and Geocryology,2003,25(6):621-627.[张学富,苏新民,赖远明,等.昆仑山多年冻土隧道施工温度影响分析 [J].冰川冻土,2003,25(6):621-627.] [5]He Chunxiong,Wu Z iwang,Zhu Linlan.Analysis of freeze2 t haw condition in t he surrounding rock wall of t he Dabanshan Tunnel in t he Qilian Mountains[J].Journal of G laciology and Geocryology,2000,22(2):113-120.[何春雄,吴紫旺,朱林楠.祁连山区大坂山隧道围岩的冻融状况分析[J].冰川冻土,2000,22(2):113-120.] [6];zisik M N.Heat Conduction[M].Translated by Yu Changming.Beijing:Higher Education Press,1984.[奥齐西克M N.热传导[M].俞昌铭译.北京:高等教育出版社, 1984.] Analytic Solutions for the T emperature Fields of a Circular Tunnel with Insulation Layer in Cold R egion ZHAN G Yao1,2, H E Shu2sheng1, L I Jing2bo1 (1.S tate Key L aboratory of Frozen S oil Engineering,CA R E ER I,CA S,L anz hou Gansu730000,China; 2.School of Civil Engineering,L anz hou J iaotong Universit y,L anz hou Gansu730070,China) Abstract:The t hermodynamic stability of perma2 f ro st will be influenced when a t unnel built into t he permafro st.In order to keep t he surrounding rock of t unnel fro m t hawing,t he usual measure is to place an insulation layer between t he linings.Ac2 cording to t he in2sit u observed air temperat ures of t he t unnel,taking into account t he convection boundary condition of air temperat ures changed wit h sinusoid,t he governing differential equations of heat conduction of t he first lining,t he insulation layer,t he second lining and t he surrounding rock of t unnel are established.U sing t he solution of dif2 ferential equation and t he ort hogonal and expan2 sion t heorem of Bessel eigenf unction,t he four dif2 ferential equations are solved.The temperat ure an2alytic solutions of t he first lining,he insulation layer,t he second lining and t he surrounding rock of t unnel are https://www.doczj.com/doc/16407373.html,pared t he calculation result s of t he analytic solutions wit h t he in2sit u ob2 served data,it is found t hat t he calculated one is very clo se to t he observed one.The result s also show,suppo se t he insulation material,whose con2 ductio n coefficient is0103W!m-1!℃-1and widt h is5cm,was applied to t he Fenghuo shan t unnel, t he rock surrounding t he t unnel will not occur sea2 sonal t haw.The analytical solutions can be used bot h to verify t he numerical met hod result s,and to calculate t he temperat ure field of a cold region t un2 nel wit h an insulation layer,so t hey are very usef ul for engineers and technicians. K ey w ords:t unnel in cold regions;insulation layer;analytic solution;temperat ure field 811 冰 川 冻 土 31卷 公路隧道新奥法施工技术培训（附简图） 2017.11.15 一、新奥法的基本概念 新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道施工和地下工程设计施工的方法和原则。 新奥法施工方法包括全断面法、台阶法、环形开挖留核心土法、中隔墙法（简称CD法）和交叉中隔墙法（简称CRD法）、双侧壁导坑法。 二、新奥法施工的要点 （一）在隧道的整个支护体系中，围岩是承载结构的一部分，施工中要合理利用围岩的自承能力，保持围岩的稳定； （二）隧道开挖时，应尽可能减轻对隧道围岩的扰动或尽可能不破坏围岩的强度。 （三）允许围岩有一定的变形，初期支护应尽量做成柔性的，以便与围岩紧密接触，共同变形和共同承载，充分围岩的自身承载作用。 （四）洞室开挖后及时施作初期支护，封闭围岩表面，抑制围岩体的早期变形，待围岩稳定后，再进行二次衬砌，但遇软弱围岩特别是洞口段衬砌要紧跟。 （五）隧道的几何形状必须满足在静力学上作为圆筒结构的计算条件，因此,要尽可能使结构做得圆顺(如做成圆形或椭圆形的),不产生突出的拐角,避免产生应力集中现象。同时,尽早使衬砌结构闭合(封底)，以形成承载环； （六）对隧道周边进行位移收敛量测是施工过程中必不可少的一 个重要环节，从现场量测反馈信息及时修改设计和施工方案。 （七）对外层衬砌周围岩体的渗水，要通过足够的“排堵措施”予以解决，如在两层衬砌之间设置中间防水层等。 三、新奥法施工方法 全断面法 （一）全断面法的概念及适用条件 全断面法全称为“全断面一次开挖法”，即按隧道设计断面轮廓一次开挖成型的方法，如图1所示。 全断面法常适用于Ⅰ～Ⅲ级硬岩的石质隧道，可采用深孔爆破施工。 图1 全断面施工方法 1-全断面开挖；2-锚喷支护；3-模筑混凝土 （二）全断面法的优缺点 优点：较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，工序少，干扰少，便于施工组织与管理，采用深孔爆破时，可加快掘进速度，对围岩的震动次数较少，有利于围岩稳定。 缺点：由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大，要求施工单位有较强的开挖、出渣与运输及支护能力，采用深孔爆破时，产生的爆破震动较大，对钻爆设计和控制爆破作业要求较高。 隧道毕业设计开题报告 开题报告是指开题者对科研课题的一种文字说明材料。这是一种新的应用写作文体，这种文字体裁是随着现代科学研究活动计划性的增强和科研选题程序化管理的需要而产生的。以下是的隧道毕业设计开题报告，欢迎阅读。 一、课题的研究背景 随着社会经济的不断发展，对交通运输的要求也越来越大，特别是对于关乎国民经济命脉的铁路更是有着特殊的依赖，总结其原因大致有三点：铁路运输不仅方便快捷，而且运量大，另一方面，以其安全，廉价的特点吸引了大多数的货物运输，最后，在国防建设中，铁路运输是必不可少和重要的环节，比如我们引以为傲的青藏铁路，除了在经济建设上有着不可估量的作用，而且有着极其重要的军事战略地位。然而修铁路就难以避开山岭地带，在山岭地区可利用隧道工程克服地形或高程障碍，改善线形，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间，减少对植被的破坏，保护生态环境；还可克服落石、坍方、雪崩、雪堆等危害，既能保证路线平顺、行车安全、提高舒适性和节约运费，又能增加隐蔽性、提高防护能力和不受气候影响。 我国内地有许多地势起伏、山峦纵横的山区。铁路穿越这些地区时，往往遇到高程障碍。而铁路限坡平缓，无法拔起需要的高度，同时，限于地势无法绕 避，这时开挖隧道直接穿山最为合理，他既可以使线路顺直，避免许多无谓的展线缩短线路，又可以减小坡度，使运营条件得以改 善，从而提高牵引定数，多拉快跑。所以在铁路线上尤其是在山区铁路上，隧道的方案常为人们所选用，修建的数量也越来越多。我国铁路采用隧道克服山区地形的范例很多的，例如，川黔线的凉风垭隧道，使跨越分水岭时，拔起高度小、展线短、线路顺直、造价低;越岭高度降低96M、线路缩短了14.7km，占线路总延长的37.75％。又比如宜万铁路的建设，隧道所占比率达60％。由此可见，隧道在山区铁路线上的作用之巨大。 二、国内外发展状况 人类很早就知道利用自然洞穴作为住处。当社会发展到能制造挖掘的工具时，就出现了人工挖掘的隧道。近代隧道兴起于运河时代，从17世纪起，欧洲陆续修建了许多隧道。 国内外隧道施工中形成了两大理论体系：一种20世纪20年代提出的传统“松弛荷载理论”，其核心内容是稳定的围岩有自稳能力，对隧道不产生荷载，而不稳定的围岩可能产生坍塌，需要用支护结构予以支承围岩体荷载。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并坑坍塌的岩体重力。另一种是20世纪50年代提出的“岩承理论”。其核心内容是隧道围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力，不稳定围岩是具有一个过程的，如在这个过程中提供必要的支护和限制，则围岩仍然能够保持稳定状态。“岩体理论”则是在新奥法的基础上提出来的。 国内外隧道施工多用新奥法施工，新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称,原文是NewAustrianTunnellingMethod简称NATM,新奥 公路隧道毕业设计 榆树坪隧道综合设计 (长安大学公路学院西安 710064 ) 摘要： 本设计按照“新奥法”施工的要求，对某山岭二级公路上的榆树坪隧道进行了综合设计。主要内容包括：路线方案的拟定比选、隧道横纵断面设计、隧道衬砌结构设计、路基路面防排水及管线沟槽设计以及施工组织设计，并进行了隧道二次衬砌的结构计算，IV级围岩隧道施工阶段分析，同时还完成了隧道通风、照明的计算及设计。 关键词： 隧道新奥法防排水衬砌结构 通风照明监控测量结构计算 第一章隧道设计说明书 一、设计概况 榆树坪隧道位于吴旗县，是连接刘河湾，胜利山，贺石湾，洛源桥，榆树坪地区的山岭二级公路区段上重要的通道，该地区为构造剥蚀侵蚀低山地貌，地质地形复杂，拟建隧道经过区域地表地形整体起伏较大，其中最低标高1252.0m,最高标高1512.0m。该隧道拟设计为单洞双向隧道，该隧道为整体一段，入口桩号K0+015，出口桩号 K2+140.87，全长2125.87m，采用双坡，坡度为第一段1.25%，第二段-1.5%。隧道行车道宽度按照设计行车速度60km/m考虑。明洞施工按明挖法施工，暗洞按“新奥法”施工。隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌，并采用高压钠灯光电照明、射流风机机械通风；隧道洞门形式根据地形条件采用入口削竹式，出口端墙式洞门。隧道围岩以较为破碎的白云岩、片麻岩、玄武岩、页岩、变质砂岩为主，围岩级别以Ⅲ，Ⅳ、Ⅴ级为主。 二、隧道主要技术标准 定的远景交通量设计，采用单洞双向隧道 公路等级：山岭重丘二级公路 设计交通量：262辆/h（近期）,540/h（远期） 隧道设计车速：60km/h 隧道建筑限界 根据《公路隧道设计规范》（JTGD70—）规定确定： 行车道： W=2×3.50m 侧向宽度： L L=0.50m 余宽： C= 0.25m 人行道宽： R=1.00m 限界净高： 5.00m 隧道净高： 7.09m 气温的分布规律 下图为某山地气象站一年中每天的日出、日落时间及逐时气温（℃） 变化图。读图，回答1—2题 1. 气温日较差大的月份是 A. 1月 B. 4月 C. 7月 D. 10月 2.该山地 A.冬季受副热带高压带控制 B.因台风暴雨引发的滑坡多 C.基带的景观为热带雨林 D.山顶海拔低于1000米 气温的日变化一般表现为最高值出现在14时左右，最低值出现在日出 前后。右图示意某区域某日某时刻的等温线分布，该日丙地的正午太 阳高度达到一年中最大值。读图回答第3题 3.下列时刻中，最有可能出现该等温线分布状况的是 A．6时 B 9时 C 12时 D. 14时 4.右下图为北京、南京、哈尔滨和海口四城市气温年变化曲线图。根据图中信息判断，北京、南京、哈尔滨和海口四城市对应的气温年变化曲线分别是 A．甲、丁、丙、乙 B．甲、乙、丙、丁 C．丙、乙、丁、甲 D．丙、丁、甲、乙 下图为“大陆和海洋气温年较差、日较差的纬度分布图”。读图回答5—6题。 5.图中反映大陆气温年较差和海洋气温日较差的曲线分别是 A.甲和乙 B.乙和丙 C.丙和丁 D.甲和丁 6.曲线丙在南、北纬30°附近达最大值的原因是 A.纬度低，太阳辐射量大 B.地势高，空气稀薄 C.多为副热带高气压控制，天气晴朗 D.距海洋远，大陆性强，昼夜温差大 气温垂直递减率是指空气温度在垂直方向上随高度升高而降低的数值，读某地春季某日气温垂直递减率（℃/100米）时空变化图，回答7—9题 7．当天该地几乎没有对流运动发生的时段是 A．9～1 7时B．18～次日7时 C．17～次日9时D．19～次日6时 8．发生大气逆温现象的最大高度约为 A．100米B．200米C．400米D．500米 9．如果该地位于华北地区，这天 A．大气环境质量好B．不容易有沙尘暴形成 C．较有可能阴雨天气D．能见度高，行车方便 右图是“某地某日垂直温度变化(℃/100米)时空分布图”。读图，完成10—12题。 10.该日此地发生大气逆温现象的时段是 A．8∶00～16∶30 B．17∶00～23∶00 C．16∶30～7∶00 D．23∶00～5∶00 11.发生大气逆温现象的最大高度约为 A．500米B．100米C．350米D．150米 12.当某地大气发生逆温现象时 A．空气对流更加显著B．抑制污染物向上扩散 C．有利于成云致雨D．减少大气中臭氧的含量 焚风效应是由山地引发的一种局地范围内的空气运动形式。一般发生在背风坡地区，使气温比迎风坡异常变高。其成因是湿绝热垂直递减率和干绝热垂直递减率的不同。(湿绝热垂直递减率是有水汽凝结时的空气垂直递减率；干绝热垂直递减率是无水汽凝结时的空气垂直递减率)读下图回答14—15题 薛家沟高速公路隧道综合设计 1.隧道选题的目的和意义 毕业设计是实现本科培养目标要求的重要阶段，是基础理论学习深化与升华的重要环节，是学生毕业及学位资格认证的重要依据。其目的是：掌握公路隧道施工技术、施工组织设计以及隧道结构构件验算的方法；巩固、深化、拓宽所学过的基础课程、专业基础课和专业课知识，提高综合运用这些知识独立进行分析和解决实际问题的能力，提升自己的专业技术素质。 2.本设计的主要内容 设计主要内容为公路隧道综合设计，具体包括资料整理分析与开题报告的撰写、路线方案比选、平纵横断面设计、洞门及明洞设计、衬砌结构设计、防排水设计、通风照明设计，编制设计文件和绘制图纸等。 3.设计采用的方法 3.1设计总说明 薛家沟公路隧道位于陕西省延安市延川县，薛家沟公路隧道全长1231m，为长隧道。隧道为上、下行分离式隧道，行车道宽度均按设计行车速度80km/h 考虑，内设紧急停车带1处，人行横通道2处和车行横通道1处。隧道围岩黄土、板岩、石灰岩为主，围岩级别主要为Ⅳ和Ⅴ级。隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌，土质围岩较差区段采用超前小导管注浆、岩质围岩段采用超前锚杆预支护、进出口采用超前大管棚等方法处理。灯具布置出中间段采用中央侧偏布置外，其余采用双排布置，高压钠灯光电照明。 3.2隧道主要技术标准 本隧道采用分离式双向四车道隧道。 公路等级：高速公路； 设计交通量：近期21000辆/日（2025年），远期34000辆/日（2035年）； 隧道设计车速：80km/h； 隧道建筑限界 隧道净宽：10.25m ( 3.75×2+0.75+0.5+0.75+0.75)； 隧道净高： 5.0m。 隧道内卫生标准 CO允许浓度：144.225ppm； 山岭隧道结构设计结构设计 第一章总则 对某区间隧道进行结构检算，求出力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下： 1.1设计条件 隧道拱顶埋深为5 m；隧道围岩等级为III级，围岩重度为28kN/m3，围岩的摩擦角φ=60o，似摩擦角φ*=68o，围岩侧压力系数取为0.3。；采用暗挖法施工，隧道断面型式为6心圆马蹄形结构。 结构尺寸如图所示： 图 1 隧道尺寸示意图 1.2设计原则 山岭地区的地下工程是包括铁路、公路、水工隧道和地下储库等位于山岭部的地下建筑物。 对于公路隧道而言，主体规划设计主要考虑4个方面的问题： （1）隧道（里面、平面）线型的选择，需要考虑地表条件、地层条件、地下水条件和既有临近建筑及设施； （2）隧道施工对地层的影响，需要分析地层的变形、荷载和稳定性特征，还需要考虑地下水和地层的渗透性； （3）隧道断面、主体及附属结构形式的选择，需要考虑地层的变形和刚度、衬砌的变形和刚度，以及两者之间的相互作用； （4）隧道防水方案，选择全封闭方案、部分封闭部分排水方案或其他防排水方案。 隧道施工方法的规划设计主要涉及3个方面的问题： （1）地层的开挖与出渣，需要考虑地层结构和岩石硬度的变化，还要计入地下水的作用； （2）地层稳定性的维持，需要考虑地层的自稳特征和站立时间，对注浆或冻结等地层处理方法的适应性； （3）地下水，包括流量与流向，流砂或管涌的可能性，以及处理方法。 公路隧道结构设计应按照相关的行业规执行。如《建筑结构荷载规》（GBJ 50009-2001）、《人民防空工程设计规》（GB 50225-95）、《公路隧道设计规》（JTG D70-2004）、《锚杆喷射混凝土支护技术规》（GB 50086-2001）、《混凝土结构设计规》（GB 50010-2002）、《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）、《钢结构设计规》（GBJ 50017-2003）、《地下工程防水设计规》（GB 50108-2001）、《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）等。 土木与建筑工程学院2015届毕业设计文件设计题目：天台山公路隧道设计 专 业：土木工程（岩土）班 级： 11-3 班 学生姓名：臧浩然学号：20117181 指导教师：刘振平院长： 武鹤 黑龙江工程学院土木与建筑工程学院 二〇一五年六月 目 录 图 表 名 称 图 号 备 注 设计总说明 I 共2页 上行先平纵缩图 S1-1 共5页 下行线平纵缩图 S1-2 隧道平面布置图（一） S1-3 隧道平面布置图（二） S1-4 隧道平面布置图（三） S1-5 隧道上行线纵断面缩图 S2 共1页 隧道上行线纵断面布置图（一） S3-1 共3页 隧道上行线纵断面布置图（二） S3-2 隧道上行线纵断面布置图（三） S3-3 隧道下行线纵断面缩图 S4 共1页 隧道下行线纵断面布置图（一） S5-1 共3页 隧道下行线纵断面布置图（二） S5-2 隧道下行线纵断面布置图（三） S5-3 Ⅲ级围岩隧道标准横断面图 S6 共1页 Ⅲ级围岩衬砌配筋图（一） S7-1 共2页 Ⅲ级围岩衬砌配筋图（二） S7-2 Ⅲ级围岩支护与衬砌构造图 S8 共1页 Ⅳ、Ⅴ级围岩标准横断面图 S9 共1页 Ⅳ级围岩衬砌配筋图（一） S10-1 共4页 图 表 名 称 图 号 备 注 Ⅳ级围岩衬砌配筋图（二） S10-2 Ⅴ级围岩衬砌配筋图（一） S10-3 Ⅴ级围岩衬砌配筋图（一） S10-4 共4页 Ⅳ、Ⅴ级围岩支护与衬砌构造图 S11 共1页 标准横断面图 S12 共1页 紧急停车带横断面和平面图 S13 共1页 人、车横向通道横断面图 S14 共1页 翼墙式洞门立面图 S15 共1页 翼墙式洞门侧面图 S16 共1页 翼墙式洞门平面图 S17 共1页 射流机安装位置图 S18 共1页 射流机平面布置图 S19 共1页 照明灯具安装位置图 S20 共1页 照明灯具平面布置图 S21 共1页 Ⅲ级围岩施工方案图 S22 共1页 Ⅳ级围岩施工方案图 S23 共1页 Ⅴ级围岩施工方案图 S24 共1页 隧道工程课程设计新编 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】 隧道工程课程设计说明书The structural design of the Tunnel 作者姓名： 专业、班级：道桥班 学号： 指导教师： 设计时间： 目录 隧道工程课程设计 一．课程设计题目 某高速铁路隧道V 级围岩段衬砌结构设计(设计时速350Km/h,隧道埋深127m ，单洞双线) 二．隧道的建筑限界 隧道的建筑限界 根据《铁路隧道设计规范》TB10003-2005有关条文规定，隧道的建筑限界高度H 取，行车道宽度取2?，如图所示 三．隧道的衬砌断面 拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Ec=×107kPa ，重度γh=23kN/m3，衬砌厚度取50cm ，如图所示。 四．荷载确定 围岩压力计算 计算围岩竖向均布压力：10.452s q γω-=? 式中：s ——围岩类别，此处s=5； γ——围岩容重，此处γ=22KN/m3； ω——跨度影响系数 毛洞跨度8.5B m =B = 5,0.1B m i >=，此处1(5)10.1(8.55) 1.35i B ω=+-=+?-= 所以有：40.452 1.359.72h m =??= 因是松软围岩，故m H 127m 3.24h 5.2p <== 所以此隧道为深埋隧道。 围岩竖向均布压力10.452s q γω-=?=×1-52×22×= 围岩水平压力 围岩水平均布压力：()m 106.92)KN/~(64.1550.0~30.0e ==q 取其平均值 m KN q e /54.85=?=λ 深埋隧道荷载计算 (1)作用在支护结构上的垂直压力 由于 q p h H H <<，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成β角的斜直 线，如图所示。EFGH 岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB 和ECA ）下沉，整个岩土体ABDC 下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC 或BD 是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c ，并采用了计算摩擦角c ?；另一滑面FH 或EG 则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。 该滑面的摩擦系数θ为度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角0 40c ?=。 深埋隧道荷载计算简图 如上图所示，隧道上覆岩体EFGH 的重力为W ，两侧三棱岩体FDB 或ECA 的重力为1W ，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F ，当EFHG 下沉，两侧受到阻力T 或' T ，作用于HG 面上的垂直压力总值 Q 浅 为： ' 22sin Q W T W T =-=-浅(2-4) 其中，三棱体自重为： 112 tan h W h γβ = (2-5) 式中：h 为坑道底部到地面的距离(m)； β为破裂面与水平的交角(°)。 由图据正弦定理可得 1sin()sin[90()] T W β?β?θ-= ?--+ (2-6) 由于GC 、HD 与EG 、EF 相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH 及EG 面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H 代替h ，有： tan tan c β?=+ (2-7) 隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书 1 设计原则及有关技术指标 1.1主要构件设计使用年限为100年。根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，采取有效措施，保证结构强度、刚度，满足结构耐久性要求。 1.2 根据工程地质和水文地质条件，结合周围地面建筑物、地下构筑物状况，通过对技术、经济、环保及使用功能的综合比较，合理选择结构形式。 1.3结构设计应满足施工、运营、环境保护、防灾等要求。 1.4 结构的净空尺寸除应满足建筑限界要求外，尚应考虑施工误差、测量误差、结构变形和沉陷等因素。 1.5 断面形状和衬砌形式应根据工程地质及水文地质、埋深、施工方法等条件，从地层稳定、结构受力合理和环境保护等方面综合确定。 1.6隧道结构按结构“破损阶段”法，以材料极限强度进行设计。 1.7 施工引起的地层沉降应控制在环境条件允许的范围内。 1.8 隧道建设应尽量考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响。 1.9设计中除参照本指导书外，尚应符合《铁路隧道设计规范》或《地铁设计规范》等相关国家现行的有关强制性标准的规定。 1.10隧道主体工程等级为一级、防水等级为二级，耐火等级为一级。 1.11隧道结构的抗震等级按二级考虑，按抗震烈度8度设防。 1.12 结构设计在满足强度、刚度和稳定性的基础上，应根据地下水水位和地下水腐蚀性等情况，满足防水和防腐蚀设计的要求。当结构处于有腐蚀性地下水时应采取抗侵蚀措施，混凝土抗侵蚀系数不低于0.8。 1.13 在永久荷载基本荷载组合作用下，应按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响进行结构构件裂缝验算。二类环境混凝土构件的裂缝宽度(迎土面)应不大于0.2mm，一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm。当计及地震、人防或其它偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。 1.14 混凝土和钢筋混凝土结构中用混凝土的极限强度应按表1-1采用。区间隧道衬砌采用钢筋混凝土时其混凝土强度不应低于C30。 表1-1 混凝土的极限强度(MPa) 说明 1 设计依据以及总体原则 1.1 设计依据和技术标准 1.1.1 设计依据: 1）勘察设计合同及相关批复文件 《高整公路公路工程勘察设计合同文件》（第三合同）； A省交通厅桂交基建函[2010]564号文《关于高整公路公路初步设计的批复》的要求； A省环境保护文件《关于高整公路公路工程环境影响报告书的批复》桂环管字(2009)268号。 1.1.2 执行的交通部颁布的有关技术标准、规范、规程等： ⑴《公路工程技术指标》（JTG B01—2003）； ⑵《公路路线设计规范》（JTG D20—2006）； ⑶《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）； ⑷《公路隧道交通工程设计规范》 (JTG/T D71－2004)； ⑸《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ 026.1—1999）； ⑹《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086—2001）； ⑺《地下工程防水技术规范》（GB 50108—2008）； ⑻《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）； ⑼《公路隧道施工技术细则》（JTG/T F60—2009）； ⑽《工程岩体分级标准》（GB 50218—94）； ⑾《公路勘测规范》（JTG C10—2007）； ⑿《公路工程地质勘察规范》（JTJ 064—98）； ⒀《爆破安全规程》(GB 6722-2003)； ⒁《公路工程抗震设计规范》（JTJ 004—89）； ⒂《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》 (JTG D62－2004)； ⒃《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTJ D63—2007）； ⒄《公路沥青路面设计规范》TJG D50-2006； ⒅《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)； ⒆《公路项目安全性评价指南》 (JTG/T B05-2004）； ⒇《公路建设项目环境影响评价规范》 (JTG B03-2006)。1.1.3 技术标准 ⑴隧道设计行车速度100公里/小时；路基宽度26m； ⑵隧道设计为高速公路双洞单向交通行车两车道分离式隧道； ⑶隧道长度超过100米，设置照明；若L·N≥2×106设置机械通风，否则自然通风； ⑷隧道设计交通量：2033年交通量32562辆/日（小车）； ⑸隧道建筑限界净宽：10.75m 净高 5m ⑹ CO设计浓度正常行驶时δco=250ppm 交通堵塞时δco=300ppm(20min) ⑺烟雾设计浓度正常行驶时K=0.0065m-1 事故时 K=0.009m-1 ⑻火灾时，隧道内换气风速为 2.5m/s 1.2 总体原则 遵守现行的有关规范、规程，借鉴、参考国内外类似工程的成功经验，根据隧道所处的总体线形、地形、地质条件，结合施工、运营、管理等情况，遵循“安全、经济、合理、环保”的原则进行设计。 2 初步设计（或技术设计）批复意见以及相关咨询意见的执行情况： 本合同段施工图技术标准按初设批复意见执行，结合新民交投集团有限公司、中交第二公路勘察设计研究院有限公司及新民公路学会对本项目初步设计的审查意见，根据地形、地质条件优化隧道平纵面线形，合理确定轴线、洞口位置和类型，对洞口段支护参数进行了进一步优化调整： 2.1隧道地质勘探工作 根据初步设计批复意见以及相关咨询意见，加强了隧道地质勘探工作，增设了部分钻孔，加大了勘探力度，重点加强对断裂破碎带等不良地质的勘察，通过相关工程试验，取得了可靠的围岩物理力学特性，并对围岩的稳定性作了综合分析评价。 2.2隧道线形优化 根据初步设计批复及相关咨询意见，对本合同段隧道平纵面线形进行了优化。 2.3隧道洞口 根据初步设计批复意见以及相关咨询意见，对隧道的洞口方案进行了合理的方案比较，隧道洞口采用削竹式及端墙式洞门。 中南大学隧道工程课程设计 一、原始资料 （一）地质及水文条件 长坞岭隧道穿越地段岩层为石灰岩，地下水不发育。其地貌为一丘陵区，海拔约为450米。详细地质资料示于隧道地质纵断面图中。 （二）路线条件 隧道系一级公路隧道，设计行车速度为80公里/小时,洞门外路堑底宽度约为11米，洞口附近路面标高：进口，190.00～210.00米；出口，190.00～200.00米。 线路坡度及平、纵面见附图。 （三）施工条件 具有一般常用的施工机具及设备,交通方便,原材料供应正常,工期不受控制。附CAD电子图： 1. 洞口附近地形平面图； 2. 隧道地质纵断面图。 二、设计任务及要求 （一）确定隧道进、出口洞门位置，定出隧道长度；（二）在地形平面图上绘制隧道进口、出口边坡及仰坡开挖线； （三）确定洞身支护结构类型及相应长度，并绘制Ⅲ级围岩地段复合式衬砌横断面图一张； （四）按所给定的地质资料及技术条件选择适当的施工方法，并绘制施工方案横断面分块图及纵断面工序展开图；（五）将设计选定的有关数据分别填入隧道纵断面总布置图的相应栏中，并写出设计说明书一份。 二、设计步骤 （一）确定隧道内轮廓与建筑限界 2.1.1 确定内轮廓线 隧道系一级公路隧道，设计行车速度为80公里/小时,根据《公路隧道设计规范》4.4.3，选用v=80km/h的标准断面。 该标准断面拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。 几何尺寸如下表： V=80km/h标准断面示意图： 2.1.2 确定建筑限界 参考公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.4.1有以下规定 （1）建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取 5 .0m，故这里取H=5.0m； （2）当设置检修道或人行道时，不设余宽； （3）隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡，这里取横坡为1.5%； （4）当路面采用单面破时，建筑限界底边线与路面重合。 公路隧道设计与施工新法 公路隧道在交通基础设施的建设中，起到越来越重要的作用，同时在城市建设中，以节约土地和保护环境为宗旨，城市道路隧道也日渐兴起。总体上，公路隧道已由由陆地走向水下、由山区走向城市。我国的公路隧道设计技术日渐成熟，在世界上我国的隧道设计技术也有重大的影响能力。从而我国的公路施工技术也在不断进步，这方面的技术人员也在逐年增加。 关键詞：公路隧道公路施工 1、概述 成都作为我国西南地区的科技、金融、交通通讯的中心地带，是西部地区的重要城市。成都的地势是西高东低从中部地区向南西两面倾斜。主要地形有山丘和山地为主，所以道路就比较复杂，不像平原地区一样修建公路的技术简单。在平原地区修建公路比较简单，但是成都因为独特的地势地貌，其中有高山阻挡，所以就要修建隧道，成都的公路隧道修建起来技术难度大，需要消费大量资金以及人力物力。 2、我国公路隧道建设的现状 公路作为每个国家国民经济的重要命脉，其特有的灵活和优越性，发挥着别的运输方式不可替代的作用。公路隧道是公路工程的重要组成部分之一，目前随着我国社会主义市场经济的高速发展，西部大开发战略的实施，隧道公路已从沿海地区向西南、西北山岭区延伸，公路隧道建筑规模也越来越大，原来的两车道隧道已远远不能满足日渐增长的行车要求，隧道规模越大技术也相应变得比较复杂，因此，与过去一般公路隧道在设计、施工和运营管理方面均有非场大的差别，这给我们公路隧道设计者的是机遇同样也是一个巨大的挑战，公路隧道技术同时也挑战我们的管理观念、以及我们的技术水平和管理水平。面临这些挑战，我国的公路工程技术人员一方面总结自己的经验，同时学习学习国外经验，也取得了很多成绩，即在隧道勘察设计、公路施工设计以及公路运营管理方面的水平都有了不少卓越的成就。 3、隧道施工方法 3.1 矿山法 山岭隧道的常规施工方法又称为矿山法，因最早应用于采矿坑道而得名。在矿山法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。从隧道工程的发展趋势来看，钻爆法仍将是今后山岭隧道最常用的开挖方法。在矿山法中，坑道开挖后的支护方法，大致可以分为钢木构件支撑（传统矿山法）和锚杆喷射混凝土支护（新奥法）两类。作为施工方法，人们习惯上将采用钻爆开挖加钢木构件支撑的施工方法称为“传统的矿山法”；而将采用钻爆开挖加锚喷支护的 隧道工程课程设计 姓名：张业 学号：2013104213 班级：20131042班 指导老师：刘敬辉 日期：2016年7月1号 word完美格式 设计说明书目录 一、原始资料 二、设计任务及要求 三、设计步骤 四、施工方法的选择 五、参考文献 word完美格式 一、原始资料 (一) 地质及水文地质条件 风门凹隧道穿过山地丘陵，按小净距隧道设置。隧道区地层岩性主要由第四系坡积亚粘土及老虎坳组砂岩层组成，具体如下： a、覆盖层：主要为坡积亚粘土（ Q d l），为隧道区表土层，黄色，略带红色，稍湿， 硬可塑～硬塑，含少量砂砾及碎石，表层含少量植物根系，坡积成因。层厚不均匀，最薄处为1 . 1 0 m 见于ZK144号孔，最厚处为4.00m见于ZK143号孔，地层编号为9。做标贯试验1次，实测24击。其主 要的物理力学指标为：含水率=21.5%，天然密度2.06g/cm3，直剪凝聚力= 2 3 . 7 k P a，内摩擦角=24.7°。 b、基底：按风化层分为全~微风化岩层。 1）、全风化砂岩（ Qe l）：黄色为主，局部夹褐色等杂色，岩芯已风化呈亚粘土状，含少量砂砾，矿物基本已完全风化，难辨原岩结构，稍湿，硬塑～坚硬土状。主要见于Z K 1 4 3号钻孔一带，层厚为9 . 0 m。地层编号为1 3 - 1 - 6。做标贯试验3次：实测击数最大值=46、最小值=39、平均值=42。直剪凝聚力=30kPa，内摩擦角=31°，压缩模量=1 0MP a，容许承载力［σ0］ = 2 8 0 k P a 。 word完美格式 2）、强风化砂岩（ D 2 l）：黄色，褐色，岩芯呈半岩半土状，矿物大部分已风化，略可辨原岩结构，夹少量弱风化碎块，底部分含量变大，岩质软，手捏易散，遇水易软化。广泛分布，层厚1 0 . 4 ~ 2 6 . 0 m。地层编号为1 5 - 2 - 6 。 3）、弱风化粉砂岩（ D2 l）：灰色、褐色，、岩芯十分破碎，节理裂隙发育，取芯困难，钻进容易。见于Z K 1 4 4号钻孔，揭示厚度2 3 . 5 m。地层编号为1 5 - 3 - 4。岩石完整性系数KV＝ 0.29。 4）、弱风化砂岩（ D2 l）：褐黄色，夹红色，黑色等杂色，岩芯呈碎石、碎块状，裂隙很发育，钻进较慢，岩质较硬，敲击声稍沉，略有回弹，局部岩质坚硬，风化程度低，较新鲜，接近微风化，破碎较上部完整，钻进缓慢，锤击声清脆，震手，有回弹感。层厚极不均匀，最薄处为3.7 0 m见于ZK 144号孔，最厚处为1 5 . 0 0 m 见于ZK143号孔，平均厚度为9 . 3 5 m。地层编号为1 5 - 3 - 6 。 5）、微风化泥质粉砂岩（ D2 l）：灰白色，泥质结构，手摸有滑腻感，指甲可刻动，钻进较易，岩石较完整，呈短柱-长柱状，锤击易碎，节理裂隙较发育，呈闭合状。见于Z K 1 4 4号钻孔一带，厚度为3 . 6 0 m。地层编号为1 5 - 4 - 4 。 6）、微风化砂岩（ D2 l）：灰白、灰黄色， 30 m以上岩芯十分破碎，岩芯呈碎块状，岩质坚硬，较word完美格式 天恒山隧道毕业设计 摘要 随着科技的不断进步，现代隧道无论是从结构计算，还是从施工方法都较以前有了较大的飞跃。本设计课题为公路隧道，注重的是结构计算，重点研究新奥法施工。 公路隧道近些年在高等级公路中应用广泛。因为其在山岭地区可用做克服地形或高程障碍，改善线形，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间，减少对植被的破坏，保护生态环境；还可用做克服落石、坍方、雪崩、雪堆等危害。在城市可减少用地，构成立体交叉，解决交叉路口的拥挤阻塞，疏导交通，保护环境，提高社会综合效益。在江河、海峡、港湾地区，可不影响水路通航。 新奥法施工隧道的主要特点是：通过多种量测手段，对开挖后隧道围岩进行动态监测，并以此知道隧道支护结构的设计与施工。其核心目的是为了“保护围岩，调动和发挥围岩的自承能力”。 关键词隧道；新奥法；围岩压力 目录 摘要I Abstract II 第1章绪论 1 1.1 概述 1 隧道及其分类1 隧道的作用及其优点 1 隧道工程及其发展 1 新奥法施工 2 1.2 目的和意义 2 第2章设计要求 4 2.1 技术要求 4 主要技术标准4 材料 5 设计规范 5 2.2 设计基本资料 5 第3章初步设计 6 3.1 围岩分类 6 3.2 隧道平面布置 6 隧道平面布置方案比选 6 隧道平面线形7 隧道纵坡 7 3.3 隧道净空断面 7 第4章结构内力计算9 4.1 荷载确定9 计算垂直均布压力：9 划分浅埋和深埋隧道的分界：9 4.2 衬砌几何要素 11 衬砌几何尺寸11 半拱轴线长度及分段轴长 12 各分块接缝（截面）中心几何要素12 4.3 计算位移13 单位位移 13 主动荷载引起的位移15 单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 24 墙底（弹性地基上的刚性梁）位移33 4.4 解力法方程33 4.5 主动荷载及被动荷载（）产生的衬砌内力36 4.6 最大抗力值的求解38 4.7 计算衬砌总内力40 4.8 衬砌截面强度验、检算44 第5章衬砌结构及附属设施45 5.1 衬砌结构方案 45 明洞45 暗洞衬砌结构45 衬砌支护参数46 二次衬砌 48 5.2 洞门48 5.3 隧道防排水49 防水工程 49 总体设计概况 2.2.1 隧道总体设计原则 1) 在地形、地貌、地质、社会人文和环境等调查的基础上，综合比选隧道各轴线方案的走向、平纵线、洞口位置等，提出推荐方案。 2) 地质条件很差时，特长隧道的位置应控制路线走向，以避开不良地质地段；长隧道的位置亦应尽可能避开不良地质地段，并与路线走向综合考虑；中、短隧道可服从路线走向。 3) 根据公路等级和设计速度确定车道贺建筑限界。在满足隧道功能和结构受力良好的前提下，确定经济合理的断面内轮廓。 4) 隧道内外平、纵线形应协调，以满足行车的安全、舒适要求。 5) 根据隧道长度，交通量及其构成、交通方向以及环境保护要求等，选择合理的通风方式，确定通风、照明、交通监控等机电设施的设置规模。必要时特长隧道应作防灾专项设计。 6) 应结合公路等级、隧道长度、施工方法、工期和营运要求，对隧道内外防排水系统、消防给水系统、辅助同代、弃渣处理、管理、交通工程设施、环境保护等作综合考虑。 7) 当隧道与相邻建筑物互有影响时，应在设计与施工中采取必要的措施。 2.2.2 设计依据 本设计依据JTGD70－2004《公路隧道设计规范》，JTJ001－88《公路工程技术规范》，GBJ86－85《锚喷混凝土支护技术规范》，《公路隧道通风照明设计规范》等进行设计计算。 2.2.3 平纵面线型设计 2.2. 3.1 隧道平面线型设计 本隧道为分离式中隧道，平纵方案主要由线路方案控制，隧道位置根据地形、地质条件、环境、造价、功能等因素确定，在综合确定线型指标和造价的前提下， 通过实地勘察，充分研究隧道所处地域的地形、地质情况，主要考虑隧道进出口地形条件、隧址区工程地质条件，营运管理设施布置场地等因素拟定隧道方案。 2.3.3.2 隧道纵面线型设计 隧道纵断面设计综合了隧道长度、主要施工方向、通风、排水、洞口位置以及隧道进出口接线等因素。平、纵指标概况见表2-1 表2-1 大桥头隧道平、纵指标概况一览表 名称隧道长（m）屯溪端景德镇端左右线间距长（m） 纵坡（%）／坡长（m） 桩号高程洞门型式桩号 高程洞门型式 左线560K85+287185.620端墙式 K85+847194.527削竹式 17～301.9／890, 1.5／1160 右线522ZK85+301183.516端墙式ZK85+823194.394削竹式2.7/635 1.5/985 详细资料见路基设计表及隧道平、纵面设计及其他有关图纸 2.2.3 隧道横断面设计 2.2. 3.1 建筑限界 净宽10.25m=0.75m左侧检修道+0.5m左侧侧向宽度+2×3.75m行车道+0.75m 右侧侧向宽度+0.75右侧检修道。 净高5.0m 2.2. 3.2 内轮廓设计 隧道内轮廓除满足建筑限界要求外，还考虑了通风、照明、监控、通讯、营运、管理等附属设施所需空间，并结合衬砌结构受力要求而拟定。隧道内各种附属设 第一章总则 对某区间隧道进行结构检算，求出内力，并进行配筋计算。具体设计基本资料如下： 1.1设计条件 隧道拱顶埋深为5 m；隧道围岩等级为III级，围岩重度为28kN/m3，围岩的内摩擦角φ=60o，似摩擦角φ*=68o，围岩侧压力系数取为0.3。；采用暗挖法施工，隧道断面型式为6心圆马蹄形结构。 结构尺寸如图所示： 图 1 隧道尺寸示意图 1.2设计原则 山岭地区的地下工程是包括铁路、公路、水工隧道和地下储库等位于山岭内部的地下建筑物。 对于公路隧道而言，主体规划设计主要考虑4个方面的问题： （1）隧道（里面、平面）线型的选择，需要考虑地表条件、地层条件、地下水条件和既有临近建筑及设施； （2）隧道施工对地层的影响，需要分析地层的变形、荷载和稳定性特征，还需要考虑地下水和地层的渗透性； （3）隧道断面、主体及附属结构形式的选择，需要考虑地层的变形和刚度、衬砌的变形和刚度，以及两者之间的相互作用； （4）隧道防水方案，选择全封闭方案、部分封闭部分排水方案或其他防排水方案。 隧道施工方法的规划设计主要涉及3个方面的问题： （1）地层的开挖与出渣，需要考虑地层结构和岩石硬度的变化，还要计入地下水的作用； （2）地层稳定性的维持，需要考虑地层的自稳特征和站立时间，对注浆或冻结等地层处理方法的适应性； （3）地下水，包括流量与流向，流砂或管涌的可能性，以及处理方法。 公路隧道结构设计应按照相关的行业规范执行。如《建筑结构荷载规范》（GBJ 50009-2001）、《人民防空工程设计规范》（GB 50225-95）、《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）、《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001）、《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2002）、《型钢混凝土组合结构技术规程》（JGJ 138-2001）、《钢结构设计规范》（GBJ 50017-2003）、《地下工程防水设计规范》（GB 50108-2001）、《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）等。 隧道新奥法施工方案 1.概述 为了确保隧道新奥法施工的质量并符合环保及职业健康安全等要求，编制本方案 2.适用范围 适用于承建采用“新奥法”施工的隧道工程。 3.参照文件 1)| 2)《施工承包合同书》 3)**高速公路**合同段《隧道施工图设计文件》 4)《公路工程质量检验评定标准》（JTG F80/1-2004） 5)《公路工程施工安全技术规程》（JTJ076-95） 6)《公路隧道施工技术规范》(JTJ042-94) 7)《公路工程质量检验评定标准》(JTJ071-98) 8)《公路隧道设计规范》(JTJ026-90) 9)《中华人民共和国环境保护法》《中华人民共和国安全生产法》《总体施工组织设 计》 4.% 5.职责和权限 5.1.现场主管技术人员负责施工作业的技术、环保和职业健康安全交底以及现场管理 工作。 5.2.质量工程师负责该项目的质量管理工作。 5.3.安全员负责该项目的环境保护及职业健康安全监督管理工作。 5.4.现场作业人员认真负责该项目的施工作业，遵守操作规程，对不符合质量、环保 及危及生命安全的违章安排有权拒绝作业。 6.围岩分类及主要施工方法 6.1.围岩分类 根据围岩主要工程地质条件和岩石质量指标、岩体弹性波纵波速度及岩体完整性系数可将围岩分为I、II、III、IV、V和VI共六种类别，各类围岩类别的主要工程地质特征和各项指标分别见表1、表2。 " 表1 围岩类别 测试 参数指标 VI V VI III II…I RQD（%）＞9585~9575~8550~7525~50＜25 ！ VP（km/s）＞~~~~＜I~~~~~＜ 表2 类别 围岩主要工程地质条件 主要工程地质条件结构特征和完整状态 VI 硬质岩石（Rb>60Mpa）,受地质构造影响轻微，节理 不发育，无软弱面（或夹层）；，层间结合良好。 呈巨块状整体结构 V 硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响较重，节理 较发育，有少量软弱面（或夹层）和贯通微张节理， 但其产状及组合关系不致产生滑动；层状岩层为中层 或厚层，层间结合一般，很少有分离现象，或为硬质 岩石偶夹软质岩石 【 呈大块状砌体结构 软质岩石（Rb≈30Mpa）受地质影响较微，节理 不发育；层状岩层为厚层，层间结合良好。 呈巨块状整体结构 IV 硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响较重，节理 发育，有层状软弱面（或夹层），但其产状及组合关系 尚不致产生滑动；层状岩层为薄层或中层，层间结合 差，多有分离现象，或为硬、软质岩石互层。 呈块（石）碎（石）状镶 嵌结构 ` 软质岩石（Rb=5以上~30Mpa），受地质构造影响较重， 节理较发育；层状岩层为薄层、中层或厚层，层间结 合一般。 呈大块状砌体结构 III 硬质岩石（Rb>30Mpa），受地质构造影响很严重，节 理很发育，层状软弱面（或夹层）已基本破坏 呈碎石状压碎结构 文章编号:0451-0712(2000)05-0040-06 大跨度山岭隧道结构设计方法 ——结构承载能力法 郭小红 (中交第二公路勘察设计研究院 武汉市 430052) [摘要] 新奥法是现阶段隧道设计施工的首选方法,但是由于它只提出一些比较合理的原则与概念,在实际应用时,特别是在结构设计过程中很难把握,如作为结构一部分的围岩怎样参与作用,怎样对复合衬砌参数进行分析计算,如何将结构设计与新奥法的灵魂——监控量测统一起来等等。作为对大跨度山岭隧道设计方法的一种探索,本文指出:了解隧道各部分结构的承载能力是做好新奥法设计与施工的关键,并从结构承载能力与新奥法设计、结构承载能力与新奥法施工以及结构承载能力计算方法等方面对这种设计方法作了比较全面的阐述。 关键词 隧道 结构设计 新奥法 承载能力 文献标识码:B 概述 新奥法是应用现代岩体力学理论和充分总结已有地下工程经验的成果,其基本原则可归纳为如下几点: (1)将围岩视为支护结构的一部分,充分利用围岩的自身承载能力; (2)根据量测结果确定支护参数及支护施作时间; (3)开挖断面要圆顺,开挖步骤要少,以尽量减少对周边岩体的扰动破坏; (4)控制洞室周边变形,以减少松散荷载,同时又容许洞室周边围岩有限的变形,以减少周边变形荷载; (5)衬砌必须是薄而柔性的结构。 从根本上讲新奥法并不是一种拿来即可用的理论,它只是提出了一些有关隧道设计与施工的合理原则,是一种隧道设计与施工的“新”概念。基于新奥法,设计人员要求将其基本原则贯穿到隧道结构设计中去,施工技术人员要能领会设计意图,遵照其原则进行施工,这要求设计和施工双方应有较高的技术素质。 公路隧道由于跨度大,防水要求高,一般均应用新奥法原理采用复合衬砌,这是因为现阶段隧道设计工程师已对其优越性取得共识,如喷锚初期支护能充分发挥围岩的自身承载能力,节约支护成本;先期施作的初期支护不仅为敷设防水层提供了较好界面,而且为保证二次衬砌质量提供了良好的施工条件;在监测指导下施工更加安全合理等等,特别是处于软弱围岩地段的大跨度公路隧道,更有必要应用新奥法原理来指导设计与施工。但是现今大多数隧道支护参数的拟定一般还是以经验类比为主,只是对处于软弱围岩地段的初期支护钢拱架与二次衬砌辅以必要的强度验算。尽管在隧道设计上遵循了一些新奥法的基本原则,但是由于新奥法先天性的理论不足,在实际应用时很难把握,如作为结构一部分的围岩如何发挥作用,怎样对复合衬砌参数进行分析计算,如何将结构设计与施工过程中的监控量测统一起来等等,因此这种设计方法的缺陷是很明显的: (1)大跨度公路隧道结构设计不宜盲目应用“经验类比法”。应用经验类比法进行隧道结构设计必须具备一些条件,如地质条件相差不大,隧道跨度相近,施工方法相似等等。对于公路隧道来说,一方面近几年才开始大规模建设,很多经验还未进行及时 公路 2000年5月 第5期 H IGHWA Y M ay12000 N o15公路隧道新奥法施工技术培训(附简图)
2020年隧道毕业设计开题报告
公路隧道毕业设计
(完整版)气温的分布规律
高速公路隧道综合设计
山岭隧道结构设计结构设计
公路隧道毕业设计图纸
隧道工程课程设计新编完整版
隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书2
隧道设计说明
隧道工程课程设计计算书——优秀
公路隧道设计与施工新法
隧道工程课程设计报告书
天恒山隧道毕业设计
高速公路隧道设计
参考——山岭隧道结构设计计算书
隧道新奥法施工方案
大跨度山岭隧道结构设计方法_结构承载能力法
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