毕业设计(论文)_大跨公路隧道—水口山隧道结构与施工设计(含全套CAD图纸)
目录
摘 要 ................................................................................................................................. - 1 - Abstract .................................................................................................................................... - 2 - 第1章 绪论 ............................................................................................................................. - 1 -
1.1隧道工程的基本概念 ......................................................................................... - 1 - 1.2我国隧道工程的发展简况 ................................................................................. - 1 - 1.3隧道工程的特点 ................................................................................................. - 2 -
第2章 设计任务 ..................................................................................................................... - 3 -
2.1设计任务及要求 ................................................................................................. - 3 - 2.2 设计原始资料 .................................................................................................... - 3 -
2.2.1主要技术指标 ..................................................................................... - 3 - 2.2.2 设计所需的工程地质资料 .............................................................. - 4 -
2.3 设计进度安排 .................................................................................................... - 4 -
第3章 隧道横断面设计及优化 ............................................................................................ - 5 -
3.1 隧道建筑限界的确定 ........................................................................................ - 5 -
3.1.1 隧道建筑限界的定义 ........................................................................ - 5 - 3.1.2 隧道建筑限界的组成及规范规定[1] ................................................. - 5 - 3.1.3 水口山隧道建筑限界的确定 ............................................................ - 8 -
3.2 隧道横断面优化设计 ........................................................................................ - 9 -
3.2.1概述 ..................................................................................................... - 9 - 3.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素 ................................................ - 9 - 3.2.3 不设置仰拱的隧道内轮廓优化 ...................................................... - 10 - 3.2.4 有仰拱的隧道内轮廓优化设计 ...................................................... - 14 -
第4章 隧道二次衬砌内力检算与分析 .............................................................................. - 17 -
4.1隧道衬砌断面厚度 ........................................................................................... - 17 - 4.2 隧道衬砌力学分析 .......................................................................................... - 17 -
4.2.1结构承受的荷载 ............................................................................... - 17 - 4.2.2 围岩压力的含义及分类 .................................................................. - 17 - 4.2.3 围岩压力的确定 .............................................................................. - 18 -
4.3结构内力计算与分析 ....................................................................................... - 20 -
4.3.1计算原理 ........................................................................................... - 20 - 4.3.2内力计算与检算 ............................................................................... - 20 -
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4.3.3衬砌内力计算结果分析 ................................................................... - 27 -
第5章 隧道支护结构设计................................................................................................. - 30 -
5.1 支护结构总体设计 .......................................................................................... - 30 - 5.2暗洞洞身支护结构设计 ................................................................................... - 31 -
5.2.1复合式衬砌的一般规定[1] ................................................................ - 31 - 5.2.2支护设计参数的工程实例 ............................................................... - 33 - 5.2.3初期支护设计 ................................................................................... - 38 - 5.2.4 预留变形量 ...................................................................................... - 40 - 5.2.5二次衬砌设计 ................................................................................... - 40 -
5.3明洞衬砌设计 ................................................................................................... - 45 - 5.4 水口山隧道支护参数统计表 .......................................................................... - 46 - 5.5 工程量计算 ...................................................................................................... - 48 -
5.5.1 Ⅲ级围岩浅埋段工程量计算 ........................................................ - 48 - 5.5.2 Ⅲ级围岩深埋段工程量计算 ........................................................ - 48 - 5.5.3 Ⅱ级围岩深埋段衬砌工程量计算 .................................................. - 49 -
第6章 洞门位置的确定与洞门结构设计 .......................................................................... - 51 -
6.1 概述 .................................................................................................................. - 51 - 6.2 隧道洞门形式设计 .......................................................................................... - 51 - 6.3 隧道进出洞口位置的确定 .............................................................................. - 53 - 6.4 隧道进出口洞门各部尺寸拟订 ...................................................................... - - 6.5 洞门边仰坡开挖线 .......................................................................................... - - 6.6洞口主要工程量计算 ....................................................................................... - 56 - 6.7 隧道出口洞门检算 .......................................................................................... - 56 -
第7章 隧道施工组织设计................................................................................................... - 61 -
7.1隧道施工组织概述 ........................................................................................... - 61 - 7.2 施工方案比选 ................................................................................................ - 61 -
7.2.1 明洞段施工方法比选及施工 .......................................................... - 61 - 7.2.2 暗洞施工方案比选 .......................................................................... - 63 -
7.3 暗洞施工方法设计 ........................................................................................ - - 7.4 辅助施工措施设计 .......................................................................................... - -
7.4.1 辅助施工措施概述 .......................................................................... - - 7.4.2 地表砂浆锚杆设计 .......................................................................... - 66 -
7.5 钻爆设计 .......................................................................................................... - 67 -
7.5.1 钻爆开挖的要求 ............................................................................ - 67 -
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7.5.2钻孔机具和爆破材料选择 ............................................................... - 67 - 7.5.3爆破参数 ........................................................................................... - 68 - 7.5.4炮眼布置 ........................................................................................... - 72 - 7.5.5 单眼装药量计算 .............................................................................. - 73 -
7.6 施工进度计划 .................................................................................................. - 74 -
7.6.1 Ⅲ级围岩段上台阶开挖计划进度 .................................................. - 74 - 7.6.2 Ⅱ级围岩段上台阶开挖计划进度 .................................................. - 76 - 7.6.3 Ⅲ级围岩段下台阶开挖计划进度 .................................................. - 77 - 7.6.4 Ⅱ级围岩段下台阶开挖计划进度 .................................................. - 78 - 7.6.5施工总工期的确定 ........................................................................... - 80 -
7.7资源供应编制 ................................................................................................... - 80 -
7.7.1 每洞口劳动力配备 .......................................................................... - 80 - 7.7.2 材料机械需要量计算 ...................................................................... - 81 -
第8章 监控量测 ................................................................................................................... - 84 -
8.1 概 述 .......................................................................................................... - 84 -
8.1.1监控量测的目的 ............................................................................... - 84 - 8.1.2监控量测的内容及方法 ................................................................... - 84 -
8.2 监控量测设计 ................................................................................................ - 86 - 8.3 监控量测资料分析与应用 ............................................................................ - 87 -
第9章 隧道附属设施设计................................................................................................... - -
9.1防排水系统设计 ............................................................................................... - -
9.1.1 隧道防水 .......................................................................................... - - 9.1.2 隧道排水 .......................................................................................... - 90 - 9.1.3 水口山隧道防排水设计 .................................................................. - 90 -
9.2电缆槽设计 ....................................................................................................... - 93 - 9.3 行车道道路面设计 .......................................................................................... - 93 - 9.4 隧道通风设计 .................................................................................................. - 94 -
9.4.1 隧道通风类型 .................................................................................. - 94 - 9.4.2 水口山隧道通风设计 ...................................................................... - 95 -
9.5 隧道照明设计 .................................................................................................. - 95 -
9.5.1 概述 .................................................................................................. - 95 - 9.5.2 照明区段设计 .................................................................................. - 96 -
9.6 行人、行车横洞 .............................................................................................. - 97 -
结束语 ..................................................................................................................................... - 98 -
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参考文献 ................................................................................................................................. - 99 - 附录A 横断面优化程序 ................................................................................................... - 100 - 附录B 衬砌配筋计算程序 ............................................................................................... - 103 - 附录C 英语翻译 ............................................................................................................... - 106 -
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摘 要
本设计的题目是“大跨公路隧道—水口山隧道结构与施工设计”，公路等级为高速公路，设计时速为80km/h，隧道全长288.5米,按三车道设计。设计主要内容如下：隧道横断面的设计与优化；隧道衬砌结构的设计，包括初期支护、二次衬砌的设计；运用直刚法计算程序对二次衬砌进行分析检算；隧道洞门位置的确定与洞门结构设计；隧道施工组织设计，包括洞身开挖方法设计，辅助施工措施的设计，施工进度计划编制等；隧道通风、照明等附属设施设计；隧道施工监控量测设计等。隧道衬砌结构采用复合式衬砌，初期支护采用钢筋网、锚喷混凝土联合支护，二次衬砌采用模注混凝土支护。隧道进口洞门采用端墙式洞门，暗洞洞口里程为YK3+711.5，暗洞洞口处接20m长的明洞。隧道采用新奥法施工；洞身开挖采用台阶法，采用光面爆破，以减小对围岩的扰动，并配合监控量测，及时反馈，进行动态设计与施工。
关键词：高速公路；隧道；衬砌；洞门；施工方法；新奥法；施工组织
全套设计CAD图纸，联系 1533706
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Abstract
This design is entitled \"The Design Of Structure And Construction of Shuikoushan Highway Tunnel\" . Shuikoushan Tunnel consists of two separate three-lane highway tunnels .The grade of the highway is freeway , the design speed is 80 km / h, and the tunnel full-length is 288.5 m. The design contains the following key elements: the design and optimization of tunnel cross-section; the design of tunnel lining, including the primary support and the secondary lining inner force check using direct stiffness method; Determination the location of the tunnel portal part and design the structure of portal part; tunnel construction design, including excavation method and assisting construction measures design, construction progress of plans and so on. Composite lining is used to the tunnel lining structure, and mesh reinforcement combined with anchor spray cement concrete is used to the primary support , and the secondary support uses the formworked concrete lining. The types of the tunnel portal part have adopted end wall, inlet mileage for YK135 +575 and outlet mileage for YK136 +930,and the entrance includes open cut tunnel length for 20 meters .The New Austrian Tunneling Method is applied to the construction of the tunnel .The open cut tunnel is excavated without any protection The excavation of the tunnel body uses bench method combined with entire section method .In the course of the tunnel construction,Smooth Blasting is applied tunnel blasting for the purpose of reducing the disturbance of the rock.
Keywords：highway , tunnel design , lining , the tunnel portal part , the method of the
construction , NATM , construction organization
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第1章 绪论
1.1隧道工程的基本概念
隧道(tunnel)是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的工程的建筑物。隧道及地下工程(tunnel and underground engineering)有两方面的含义，一方面是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护，是一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支；另一个方面也指在岩体或土体中修建的通道和各种类型的地下建筑物。
在修建隧道时，一般先在地层内挖出具有一定形状的“坑道”，如圆形、矩形、马蹄形等，由于地层被开挖后，容易变形、塌落或有水涌如，所以除了在极为稳定的地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，或称之为衬砌，以保证使用安全。衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费有稳固。
以交通为用途的隧道，其两端将自地面引入。隧道端部外露面，一般将修筑为保护洞口和排放水流的挡土墙式结构，称为“洞门”，此外，为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物：如为工作人员在隧道内进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的“避车洞”；为了保证车辆正常运行而设置的照明设施；为了排除隧道内渗入的地下水而设置的防水设备及排水设施；为了净化隧道内车辆所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统等。
1.2我国隧道工程的发展简况
随着我国国民经济持续快速的增长，对交通运输不断提出更新、更高的要求，极大地促进了公路等交通基础设施的建设和发展。公路建设中高速公路和高等级公路己成为主流，并正在由东部沿海地区向西部内陆地区发展，由平原地区向山岭重丘区延伸。东部沿海地区的浙江、福建、广东以及西部地区的四川、云南等省区己经形成初步的高速公路网络，总长约30,000km的“五纵七横”国道主干网正逐步实现。随着国家“中西部地区大开发战略”的不断深入，公路将迎来新一轮的建设高峰。
我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地和丘陵。在山区和丘陵地区的交通线路建设中，为了满足行车的需要，达到克服高差、缩短里程、改善线形指标以及保护生态环境等方面的要求，隧道的选择和修建日益引起人们的重视，数量越来越多，规模也越来越大，往往成为整条线路工期和造价的关键工程。
由于公路隧道的广泛应用其形式多种多样，有连拱隧道，小间距隧道。其洞门也有多种型式，现在经常采用削竹式洞门。隧道的施工方法也多种多样，根据不同的地形、地质条件、施工条件与经济条件等而选择，最常采用的方法为新奥法。新奥法、盾构法、TBM、沉管法等先
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中南大学毕业设计（论文） 进技术在我国的成功应用，促使隧道的修建正逐渐向长距离、大断面的方向发展。据不完全统计，目前我国已建成1700余座公路隧道，总长度已超过600km，其中建成3,000m以上的公路隧道己有30余座。 1.3隧道工程的特点
公路隧道工程和一般的公路工程、桥梁工程相比，有其自身的特点，建设管理较为复杂，难度更大。其主要特点是：
a.不可预见因素多
公路隧道属于地下工程，围岩地质变化对施工影响极大。地质的不可见性是隧道施工的主要特点。施工前往往不可能对地质情况准确掌握，对围岩的变化、地下水、溶洞、泥石流、涌沙及瓦斯地层等不良地质无法预见。
b.工程风险性大
由于隧道地质的变化无法事先准确预报，所以施工过程中塌方事故发生几率较大，施工过程中的安全隐患较多，工程风险性大。因此，国际隧道协会（ITA）曾经提出：地质风险由业主承担，施工风险由承包商承担。
c.隐蔽工程多
隧道是底下工程，由于隧道结构的特点和工程的时效性，绝大部分的后一道工序都是在前一道工序的基础上立即进行，隐蔽部分较多。如果内在质量出现问题，事后很难发现，并且也很难采取措施补救。
d.施工时效性强
由于隧道施工中围岩多变，地质水文条件复杂，并且大多不可预见。所以，一旦出现意外情况，必须当机立断及时变更，进行现场处治，工程时效性较强。
e.施工空间狭小
隧道施工是在一个狭小的空间中进行，开挖、支护、防排水、衬砌、附属设施预埋件、路面等施工工序多，时效性强。施工过程中的水、电、风、气管线复杂，相互干扰大，施工管理难度较大。
f．施工环境恶劣
由于隧道施工是在一个半封闭的空间内进行，开挖和施工过程污染很大，加之施工危险性大，所以施工环境比较恶劣。
g.运营管理复杂
公路隧道的运营管理远远大于道路和桥梁，因为它不仅涉及到交通控制、通风控制、照明控制，检测维修，而其防灾救灾特别是防火救灾更是一个十分复杂而困难的内容。
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第2章 设计任务
2.1设计任务及要求
2.1.1 设计者应根据给定的原始资料，在规定的期限内完成以下毕业设计任务：
(1) 确定隧道洞口位置，进行洞口的结构计算和设计； (2) 按照新奥法原理进行隧道衬砌结构设计； (3) 隧道纵断面总体设计；
(4) 隧道施工方案与施工组织设计； (5) 隧道各种附属建筑物和设施的设计； (6) 隧道衬砌分析和计算； (7) 大跨隧道监控量测设计。 2.1.2 完成设计以后应提交以下成果：
(1) 隧道衬砌荷载结构计算说明，计算结果及其分析； (2) 隧道设计图纸6－7张及其设计说明书一份； (3) 有关专题论述内容。
以上内容视学生的情况可作必要的调整。 2.2 设计原始资料 2.2.1主要技术指标
(1) 公路等级：高速公路 (2) 日交通量:32000辆 (3) 车道数目：三车道 (4) 设计荷载：汽—超20 (5) 验算荷载：挂—120 (6) 地震设防烈度：7度 (7) 隧道设计时速：80km/h (8) 进口设计高程：402.000
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中南大学毕业设计（论文） 2.2.2 设计所需的工程地质资料：
(1) 隧道地区地形平面图1张； (2) 隧道地区地质纵断面图1张； (3) 隧道进口附近地形平面图1； (4) 隧道出口附近地形平面图1张。 2.3 设计进度安排
1.熟悉设计资料,直刚法电算程序教学,上机操作、修改调试隧道结构的电算程序（2月 21日～3月6日）
2.确定洞口位置，进行洞门结构的设计（3月7～20日） 3.毕业实习（3月21～4月10日）
4.隧道衬砌结构断面尺寸优化设计 （4月11～17日）
5.衬砌结构内力计算与分析、隧道衬砌结构设计（4月18日～4月24日） 6.隧道纵断面设计（4月25日～5月1日） 7.隧道施工方案与施工组织 （5月2～11日） 8.隧道附属设备与建筑物设计（5月12～15日） 9.编写毕业设计说明书、毕业答辩（5月23～6月5日）
中间穿插进行英文专业文献的翻译，具体根据自己的实际条件把握进度。
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第3章 隧道横断面设计及优化
3.1 隧道建筑限界的确定 3.1.1 隧道建筑限界的定义
隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行于安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。在设计的时候，应充分研究各种车道与公路之间所处的空间关系，任何部件（包括隧道本身的通风、照明、安全、监控及内部装修等附属设施）均不得侵入隧道限界之内。隧道建筑限界是决定隧道净空尺寸的依据，对设计、施工、运营来说都很重要，而且隧道是永久性的建筑，一旦建成，就很难改动。因此，隧道建筑限界的确定，对隧道的设计来说至关重要。 3.1.2 隧道建筑限界的组成及规范规定[1]
公路隧道建筑限界由行车道宽度（W）、路缘带（S）、侧向宽度（L）、人行道（R）或检修道（J）等组成。当设置人行道时，含余宽（C）。
各级公路隧道建筑限界一般规定如图3-1所示。
图3-1 公路隧道建筑限界示意图(单位：cm)[1]
其中：H-建筑限界高度,高速公路、一、二级公路取5.0m，三、四级公路取4.5m；W-行车道高度；LL-左侧向宽度；LR-右侧向宽度；C-余宽；J-检修道；R-人行道宽度；h-检修道或人行道高度；EL-建筑限界左顶角宽度，EL= LL；E R-建筑限界右顶角宽度，当LR≤1m时，ER= LR，当LR>1m时，ER=1m。
在建筑限界内不得有任何部件入侵，隧道建筑限界的基本宽度按下表3-1取值，并符合以下规定[1]：
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1.建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m。 2.当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。
3. 隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡。坡度应根据隧道长度，平、纵线形等因素综合分析确定，一般可采取1.5%～2.0%。
4.当路面采用单面坡时，建筑限界底边线与路面重合；当采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处
表3-1 公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度（m）[1]
侧向宽度 车道宽度W 左右侧侧LL余宽C 检修道J 隧道建筑净宽 不设公路等计级 速度 人行设设人行设人行道道左右检R 侧 侧 修L R 道 道 检修道 高速公路一级公路 120 3.750.1.×2 75 25 0.0.75 75 11 13.750.1 0.0.10. - 6 -
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0×2 0 5 75 75 5 83.750.0.0 ×2 5 75 0.0.10.75 75 25 0.0.9.775 75 5 63.500.0.0 ×2 5 75 83.750.0.0 ×2 75 75 1 11 二级公63.500.0.2 路三级0 ×级公路 0 ×2 5 5 公路四43.500.0.25 25 1 0.75 10 9 33.250.0.0.0 ×2 60km/h
时的余宽）。
25 25 25 7.5 注：1） 三车道隧道除增加车道数外，其它宽度同表；增加车道的宽度不得小于3.5m。
2） 连拱隧道的左侧可不设检修道或人行道，但应设50cm（120km/h与100km/h时）或25cm（80km/h与
3） 设计速度120km/h时，两侧检修道宽度均不宜小于1.0m；设计速度100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1.0m。
高速公路及一级公路隧道内应设检修道。其他等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道宜双侧设置；检修道或人行道的宽度按表3-1规定选取；检修道或人行道的高度可按20～80cm取值。一般来说，除开其它因素，单按设计车速考虑，步道高度的取值，可参照表3-2。
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表3-2步道高度h[1]
设计速度（km/h） 120 100 80 60 40~20 25或20 h（cm） 80~60~40~30~60 40 30 25 注：在设计速度一定的条件下，可按隧道长短等因素取值
3.1.3 水口山隧道建筑限界的确定
本设计为高速公路隧道，双侧设计检修道或人行道，为了保证行车的安全，再加设余宽。 根据设计原始资料，水口山隧道为公路山岭隧道，高速公路标准，三车道，设计行车速度为80km/h，根据《公路隧道设计规范》，参考表3-1可确定隧道建筑限界取值为：
车道宽度：W=3×3.75=11.25m 侧向宽度：LL＝0.50m，LR＝0.75m 检修道宽：J＝0.75m
步道高度：hL＝0.3m，hR＝0.3m
顶角宽度：EL＝LL＝0.50m，ER＝LR＝0.75m 余 宽：C=0.25m
隧道内横向采用单面坡，坡度为3%。
根据以上尺寸，得到水口山隧道建筑限界图，如图3-2所示。
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图3-2 水口山隧道建筑限界图（单位：cm）
长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车。双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交错设置。不设检修道、人行道的隧道，可不设紧急停车带，但应按500m间距交错设置行人避车洞。根据原始资料，水口山隧道长约300m为短隧道，因此不用设置紧急停车带。 3.2 隧道横断面优化设计 3.2.1概述
公路隧道横断面设计，除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路面、排水、检修道、通风、照明、消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施工方法确定出安全、经济、合理的断面形式和尺寸。
山岭隧道衬砌的断面形式根据围岩压力的性质和目前的一些施工方法，通常采用圆拱直墙式或曲墙式、全断面圆形或接近圆形等形式。目前山岭隧道大多采用三心圆或单心圆的拱形断面，偶尔也有采用四心圆或五心圆的情况。
隧道断面应具有适应应力流和变形的合理形状，同时要适应围岩条件、净空要求。水口山隧道的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，按照规范推荐，采用五心圆断面设计。 3.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素
这里所指的隧道横断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的大小和形状。公路隧道不仅要提供汽车行驶的空间，还要满足舒适行使、交通安全、防灾等服务的空间。
在隧道断面形状设计时需要考虑的因素有以下几点[3]：
1. 须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵入限界以内，应考虑通风、 照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量；
2. 施工方法，确定断面形式及尺寸有利于隧道的稳定；
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3. 从经济观点出发，内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量和圬工量最省； 4. 尽量平顺圆滑，以使结构受力及围岩稳定均处于有利条件； 5. 结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下所决定的压力线。
规范规定：隧道断面越大，围岩自稳能力越差，围岩变形也越大。所以，Ⅳ~Ⅳ级围岩两车道隧道、Ⅲ级围岩三车道以上隧道宜采用有仰拱的衬砌断面形式。依照规范规定，再结合工程类比法可以确定：水口山隧道Ⅱ级围岩段和Ⅲ级围岩深埋段，不需要设置仰拱；Ⅲ级围岩浅埋段，需要设置仰拱。
以下对设置仰拱与不设置仰拱的衬砌内轮廓分别进行讨论。 3.2.3 不设置仰拱的隧道内轮廓优化 1. 基本参数及其意义
三心圆内轮廓线参数，如图3-3所示，有R1、R2、R3、θ1、θ2、θ3、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，一共有22个。
各参数的意义如下：
R1、R2、R3 ——拱顶、两侧曲边墙圆弧对应的半径； θ1、θ2、θ3 ——拱圈、两侧曲边墙圆弧对应的圆心角；
A1、A2 ——起拱线上、下的曲边墙圆弧对应的圆心到隧道中线的距离； H1、H2、H3 ——分别为路面、步道顶部、拱顶对应的圆心到起拱线的距离； d0 —— 道路中线和隧道中线的距离；
d1~d8——内轮廓线到建筑限界变化点的水平距离； HH——人行道高度；
H——建筑限界高度，这里取500cm。
图3-3 三心圆内轮廓线图
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中南大学毕业设计（论文） 2. 基本几何方程
上述这些参数并不是完全的，他们存在以下的几何关系：
SB1w/2JLRd0
（3-1）
SB2w/2JLld0
（3-2）
HH31cos1R1（3-3）
221（3-4） R2HH1sin(2)（3-5）
A1R1R2cos(2)（3-6）
R3H1HH2SB1A1d82（3-7）
A2=R3-R2-A1 （3-8）
3sin1H1HHR3（3-9）
d1=
（3-10）
d2=R22250HHH12SB2A1 d3=R22400H12SB2JA1 d4=R22HH12SB2JELA1
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R32H1HH2SB2A2 （3-11）
（3-12）
（3-13）
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d6=R22400H1SB1JA1 （3-14）
2 d7=
（3-15）
3. 变量
挑选出X作为变量：
R22250HHH1SB1A1
2 Xd0，d5，d8，H1，H2 （3-16）
T相应的开挖面积可表示为：
SX2S1S2S3S4 （3-17)
S1111R1R1(H1H3)(H1H3)22 （3-18） 1 2R2R2 （3-19）
2
S2 S3 S4 R111 3R3R3tan(3)A2A2 （3-20）
221 （R3cos(3)A2)(H1A2tan(3)) （3-21）
2HH32SB1JERd52 （3-22）
4. 约束条件 （1）变量的范围
将d2固定为一个值，取： d8=20cm，d0=13
0H3300cm ； H3H1400cm； 5d5149cm （2）建筑限界约束条件
设ii1，2，3，4，为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值，为最小富余量。根据公路隧道设计规范为5cm，但是考虑到施工的时候可能存在着偏差取
=10cm；i取为15cm。
（3）求解各参数
利用fortran9.0编写一个程序，根据（3-18）、（3-19）、（3-20)、（3-21)、（3-22)求出内轮廓所包含的面积S；再通过循环变量H1、H3和d0，重复计算各参数和S的值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值Sii1，2，3，，n，其中面积最小者Smin即为所求最佳解。编写的程序见附录A。
- 12 -
中南大学毕业设计（论文） 5.输入参数，运行程序，得出输出结果如下：
*************** input data
***************
W=1125 LR=75 LL=50 J=75
C=25 H=500 HH=30 ER=75
EL=50 D0=13 D8=20
**************** results
*******************
A1=163 A2=1
H1=132 H2=102 H3= 0 H4=295 R1= 796 R2= 586 R3= 913
FAI1=51.57度 FAI2=39.43度 FAI3= 6.91
度
D0= 13 D1= 18 D2= 5 D3= 34
D4= 19 D5=150 D6= 35
D7= 6 D8= 20
最小开挖面积SMIN= 950553.70
6.作出内轮廓图
根据输出结果，可画出不设仰拱隧道内轮廓线，如图3-4所示。结合工程实践的要求， 对数据进行取整，内轮廓的数据以下图为准。
图3-4 不设仰拱的隧道内轮廓图（单位：cm）
- 13 -
中南大学毕业设计（论文） 3.2.4 有仰拱的隧道内轮廓优化设计 1. 基本参数及其意义
水口山隧道的Ⅲ级围岩段和洞口段需要设置仰拱，根据公路隧道设计规范的推荐，采用八心圆，描述四心圆的参数比较多，如图3-5有：R1、R2、R3、R4、R5、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8。
内轮廓参数的意义：
R1、R2、R3、R4、R5 ——拱顶圆弧、两侧曲边墙圆弧、连接曲边墙和仰拱的圆弧、仰
拱圆弧对应的半径；
θ1、θ2、θ3、θ4、θ5 ——拱顶圆弧、两侧曲边墙圆弧、连接曲边墙和仰拱的圆弧、仰 拱圆弧对应的圆心角；
A1、A2 ——起拱线上、下的曲边墙圆弧对应的圆心到隧道中线的距离； H1、H2、H3 ——分别为路面、步道顶部、拱顶对应的圆心到起拱线的距离； d0 —— 道路中线和隧道中线的距离；
d1~d8——内轮廓线到建筑限界变化点的水平距离； HH——人行道高度；
H——建筑限界高度，这里取500cm。
图3-5 带仰拱内轮廓线图
2. 基本参数的确定
为了使得隧道在纵断面上保持一致，有仰拱的横断面的基本参数应该与没有仰拱的区段的横断面保持一致。因此可将R1、R2、R3、θ1、θ2、θ3、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8取的与没有仰拱的内轮廓线的值一样。从而只需要确定θ4、θ5、H2、R4、R5参数的值。
- 14 -
中南大学毕业设计（论文）
这些基本几何关系： 52 34 （3-23）
R5变量为：
sin45A2 R3R4R4 （3-24）sin5cos(3)X4 ，R4（3-25）
则隧道内轮廓起拱线以下的面积为：
T
S2S5S6S7 （3-26） S511 3R3R3A2A2tan(3) （3-27）
221 S64R4R4
2（3-28） S711A2 5R5R5R3R4sin(4)R5R4 （3-29）22cos(3)利用fortran9.0编写一个程序，根据（3-26）、（3-27）、（2-28）、（3-29）求出内轮廓所包含的面积S；在通过循环变量R4和4，重复计算各参数和S的值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值Sii1，2，3，，n，其中面积最小者Smin即为所求最佳解。编写的程序见附录A。输入数据，得出结果如下：
10.82440度
最小开挖面积SSMIN=: 286600.60
R4= 201 R5= 3915
FAI4= 73.26559度 FAI5=
通过以上的计算结果，可画出带仰拱的衬砌内轮廓，如图3-6。结合工程实践的要求，对数据进行取整，内轮廓的数据以下图为准。
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图3-6 带仰拱衬砌内轮廓图（单位：cm）
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第4章 隧道二次衬砌内力检算与分析
4.1隧道衬砌断面厚度
隧道开挖后，由于破坏了周围围岩体的原始平衡状态，使周围岩体的应力重新分布，并发生应力集中现象，围岩产生变形，导致松动、掉块或崩塌。为了使围岩稳定，确保安全，隧道必须有足够强度的支护结构，即隧道衬砌。高速公路隧道采用了复合式衬砌。在进行力学检算之前，首先确定模筑混凝土二次衬砌的厚度。
根据《公路隧道设计规范》[1]中三车道隧道复合衬砌设计参数可初步设计水口山隧道的二次衬砌厚度：
Ⅱ级围岩：40cm Ⅲ级围岩深埋段：45cm Ⅲ级围岩浅埋段：50cm 4.2 隧道衬砌力学分析 4.2.1结构承受的荷载
衬砌内力按荷载—结构法来计算，在对内力计算前，首先得计算结构承受的荷载，隧道结构受的荷载主要类型有主动荷载和被动荷载。其中主动荷载包括（1）主要荷载，如围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下静水压力等；（2）附加荷载，如温度压力、灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力以及地震力等。被动荷载是指围岩的弹性抗力，它只产生被衬砌压缩的围岩周边上。
在本设计中，只计算围岩压力和结构自重，在衬砌内力计算与分析中按“永久荷载+基本可变荷载”取安全系数，来考虑其他荷载因素对结构内力产生的影响。 4.2.2 围岩压力的含义及分类
围岩压力是指引起地下开挖空间岩体和支护变形或破坏的作用力。从狭义来理解，围岩压力是围岩作用在支护结构上的压力，分为以下四类：
1）松动压力：由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力 2）形变压力：由于围岩变形受到与之紧贴的支护结构的抑制，而使围岩与支护结构共同 变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。除了与围岩应力状态有关外，还与支 护时间和支护刚度有关。
3）膨胀压力：当岩体具有吸水崩解的特征时，由于围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。
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4）冲击压力：它通常是由“岩爆”引起的。当围岩中积累了大量的弹性变形能后，在开挖 时，隧道由于围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能回突然释放，引起岩块抛射产 生压力。 4.2.3 围岩压力的确定
确定围岩压力常用的方法有：现场实地测量法、理式计算法和统计法。统计法是目前常用的方法，本设计采用的统计法。具体到不同的隧道埋深和明暗洞情况下，计算又不同：深埋隧道在开挖过程中，围岩可以形成自然拱，围岩本身分担部分荷载；浅埋隧道由于覆土层小，不能形成自然拱，在没有支护结构时，上覆土会踏落比较大的高度，围岩压力相对较大；明洞拱圈为回填土，侧压力比较大。深埋、浅埋和明洞的结构荷载计算采取不同的计算方法。
1.暗挖隧道浅深埋情况的确定
浅埋和深埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。按荷载等效高度的判定公式为[3]：
Hp(2~2.5)hq (4-1)
式中： Hp——浅埋隧道分界深度（m）
hq——荷载等效高度（m）按下式计算：
hq0.452s1 (4-2) 其中： S——围岩级别；
ω——宽度影响系数，1i(B1)； B——隧道宽度；
i——以B=5m的围岩垂直均布压力为准，B每增减1m时的围岩压力增减率，
当B<5m时，取i=0.2；B>5m时，取i=0.1。
在矿山法施工的条件下，Ⅳ～Ⅵ级围岩取：
HP2.5hq
(4-3)
Ⅰ~Ⅲ级围岩取：
HP2.0hq (4-4) 2.围岩垂直均布压力的计算
（1）当隧道覆盖层厚度HHp时为深埋
- 18 -
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围岩垂直均布压力为：
qrhq (4-5)
式中 ： r——围岩容重，kN/m3； hq——天然拱高度，m。 （2）当隧道覆盖层厚度HHp且Hhq时
围岩垂直均布压力为：
qrh1K （4-6）
式中： r——围岩容重，kN/m3；
K——压力缩减系数，且K1 B——隧道开挖宽度； h1——洞顶岩体高度； λ——侧压力系数，且λtanβtanφ0；
1tanβtanφ0tanθtanφ0tanθtanβh1λtanθ； B φ0——岩体的计算摩擦角； θ——岩体的内摩擦角； β——tanβtanφ0（3）当隧道覆盖层厚度hhq时
qrh （4-7）
式中： r——围岩容重，kN/m3； h——隧道埋置深度，m。
对于水口山隧道设计，采用新奥法（属于矿山法）施工，取HP2.5hq。 3.水口山隧道深浅埋判断
（1）Ⅲ级围岩段（YK3+700～YK3+800及YK3+900～YK3+960）
B=16.5m
10.1(16.55)2.15m hq0.452312.153.87m
Hp2.0hq2.53.877.74m 结合地质纵断面图，可得出Ⅲ级围岩段的深浅埋情况： 浅埋段：里程为K3+700～K3+752；K3+948～K3+960
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tanφ21tanφ0
tanφ0tanθ0中南大学毕业设计（论文）
深埋段：里程为K3+752～K3+800；K3+900～K3+948 （2）Ⅱ级围岩（YK3+800～YK3+900）
B=16.5m
10.1(16.55)2.15m hq0.452212.151.94m Hp2.5hq2.51.943.88m
结合地质纵断面图，可得出Ⅱ级围岩段全长都为深埋。
4.3结构内力计算与分析 4.3.1计算原理
结构内力计算通常采用荷载-结构法，认为隧道开挖后地层作用主要是对衬砌结构产生荷载，而支护结构是承载体系，围岩压力按照一定比例系数传递到二次衬砌上。荷载-结构法本质是结构力学的矩阵位移法，也称直接刚度法。
本设计采用直接刚度法（ 简称“直刚法” ）计算程序（采用fortran计算机语言）对模筑混凝土衬砌结构进行内力分析和强度检算。其基本原理是：以结构节点位移为基本未知量，连接在同一节点各单元的节点位移应该相等,并等于该点的结构节点位移(变形协调条件)；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡(静力平衡条件)。首先进行单元分析，找到单元节点力和单元节点位移的关系——单元刚度矩阵，而后进行整体分析，将每一个节点有共同位移的个单元刚度矩阵元素简单地叠加起来，建立以节点静力平衡为条件的结构刚度方程，在利用边界条件，有结构刚度方程中解出未知的结构各节点的位移，也就是解结构刚度方程，然后在根据变形协调条件，求得汇交于该节点各单元节点位移，进而求出单元节点力——衬砌内力。 4.3.2内力计算与检算
基底围岩过于松软时，有先做仰拱稳定坑道底部，然后再建边墙的施工方法，这时应考虑仰拱对隧道衬砌结构内力的影响。如果仰拱在边墙之后修建，一般不需要计算仰拱的作用。但若遇到在隧道竣工后，围岩压力增长仍较显著的地层，则亦需考虑仰拱对结构内力的影响。水口山隧道的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，地质条件良好，在施工的时候，完全可以先修筑边墙和拱顶，然后再修筑仰拱，所以下面的计算都不考虑仰拱的作用。
复合是衬砌的二次衬砌用于Ⅰ～Ⅲ级围岩时，由于初期支护作为永久结构已经可以使围岩保持稳定，因而二次衬砌可按构造要求选定厚度，不必进行验算。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，二次衬砌应按承载结构进行力学分析，计算原理和方法与同类围岩中的初期支护相同。然而，
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中南大学毕业设计（论文）
由于以往有对其采用荷载结构法计算的经验，因而对其也可以采用荷载结构法计算。水口山隧道全线的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，地质条件良好，按照规范要求，隧道的二次衬砌可按构造要求选定厚度，不必进行验算。
隧道洞口段一般埋置较浅，地质条件差，受环境影响较大，岩石易风化，围岩长期稳定性较洞内差，衬砌的受力情况也较洞内不利，有时候还要承受仰坡方向的纵向推力，因此，洞口段要加强衬砌。加强衬砌的设计通常是将洞口围岩级别降低一级考虑。加强段长度应根据洞口地形条件、地质条件、埋深、隧道跨度确定，一般不小于1倍洞跨。所以在水口山隧道暗洞洞口加强段长度取为1.5×B=1.5×16.5=24.75m≈25m。Ⅲ级围岩段的浅埋段为：里程为K3+700～K3+752；K3+948～K3+960，明暗交界处的里程为K3+731.5，731.5+25=756m，即暗洞口需要加强段的里程为：K3+731.5～K3+755.5，刚好在Ⅲ级围岩段的浅埋段。综上可知：水口山隧道的Ⅲ级围岩浅埋段要进行二次衬砌的计算。输入文件、输出文件、内力图和位移图如下：
1. Ⅲ级围岩段浅埋段衬砌（K3+731.5～K3+725） （1）输入文件
30 1 8 1 0 1 1 1 1
-7.153 10.143 -7.382 9.440 0.5 0.5 1 2 1 2
-7.737 6.887 9.13 0.5 0.5 1 4 1 2
-6.377 3.045 5.86 0.5 0.5 1 8 2 2
7.96 51.09 38.91 0.5 0.5 500 29*500 500 30*2.95e4
4 0.022 0.025 0.25 14.98 0.4 0 23 4 12.0 0
0 0 0 1 2.0 19.0 17.1 7 23 3.6 2.4 2.7 2.5 2.5
（2）输出结果中的检算部分
********** the check **********
jd e pe sigma psigma .2996E-02 .1250E+00 .22E+01 .2500E+01 node e pe k pk 1 no .165E+00 .150E+00 .150E+01 .360E+01 no
- 21 -
中南大学毕业设计（论文）
2 .111E+00 .150E+00 .444E+01 .360E+01 3 .553E-01 .150E+00 .681E+01 .240E+01 4 .142E-01 .150E+00 .790E+01 .240E+01 5 .871E-02 .150E+00 .822E+01 .240E+01 6 .625E-01 .150E+00 .704E+01 .240E+01 7 .163E+00 .225E+00 .170E+01 .360E+01 no 8 .203E+00 .225E+00 .117E+01 .360E+01 no 9 .197E+00 .225E+00 .130E+01 .360E+01 no 10 .150E+00 .225E+00 .233E+01 11 .710E-01 .225E+00 .836E+01 12 .276E-01 .225E+00 .102E+02 13 .129E+00 .225E+00 .385E+01 14 .216E+00 .225E+00 .138E+01 15 no .277E+00 .225E+00 .947E+00 16 no .284E+00 .225E+00 .916E+00 17 no .253E+00 .225E+00 .106E+01 18 .182E+00 .225E+00 .176E+01 19 .866E-01 .225E+00 .797E+01 20 .155E-01 .225E+00 .966E+01 21 .107E+00 .225E+00 .611E+01 22 .175E+00 .225E+00 .149E+01 23 .210E+00 .225E+00 .101E+01 24 .180E+00 .225E+00 .126E+01 25 .685E-01 .225E+00 .612E+01 26 .834E-03 .225E+00 .749E+01 27 .5E-01 .225E+00 .609E+01 28 .116E+00 .225E+00 .342E+01 29 .168E+00 .225E+00 .131E+01 jd e pe sigma .3075E-02 .1250E+00 .2491E+01 （3）图形输出
a. 单元划分及荷载：沿衬砌中线划为30个单元
- 22 -
.360E+01 no .240E+01 .240E+01 .360E+01 .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 no .240E+01 .240E+01 .360E+01 .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 no .240E+01 .240E+01 .240E+01 .360E+01 no .360E+01 no psigma .2500E+01
中南大学毕业设计（论文）
图4-1 Ⅲ级围岩浅埋段衬砌单元划分
b. 轴力图
图4-2 Ⅲ级围岩浅埋段衬砌轴力图（单位：MN）
c. 弯矩图
图4-3 Ⅲ级围岩浅埋段衬砌弯矩图（单位：MN·m）
d. 位移图
- 23 -
中南大学毕业设计（论文）
图4-4 Ⅲ级围岩浅埋段衬砌位移图（单位：m） 2.
Ⅲ级围岩段深埋段衬砌（K3+752～K3+756.5）
（1）输入文件
30 1 8 1 0 1 1 1 1
-7.153 10.143 -7.382 9.440 0.5 0.5 1 2 1 2
-7.737 6.887 9.13 0.5 0.5 1 4 1 2
-6.377 3.045 5.86 0.5 0.5 1 8 2 2
7.96 51.09 38.91 0.5 0.5 500 29*500 500 30*2.95e4
4 0.022 0.025 0.25 14.98 0.4 1 23 33 0 0
0 0 0 1 2.0 19.0 0 7 23 3.6 2.4 2.7 2.5 2.5
（2）输出结果中的检算部分
********** the check **********
jd e pe sigma psigma .2772E-02 .1250E+00 .8733E+00 .2500E+01 node e pe k pk 1 no .159E+00 .150E+00 .422E+01 .360E+01 2 .110E+00 .150E+00 .123E+02 .360E+01
- 24 -
中南大学毕业设计（论文）
3 .600E-01 .150E+00 .181E+02 .240E+01 4 .875E-02 .150E+00 .222E+02 .240E+01 5 .449E-01 .150E+00 .205E+02 .240E+01 6 .141E+00 .150E+00 .657E+01 .360E+01 7 .208E+00 .225E+00 .317E+01 .360E+01 no 8 .201E+00 .225E+00 .357E+01 .360E+01 no 9 .155E+00 .225E+00 .624E+01 .360E+01 10 .784E-01 .225E+00 .235E+02 .240E+01 11 .165E-01 .225E+00 .309E+02 12 .116E+00 .225E+00 .162E+02 13 .202E+00 .225E+00 .456E+01 14 no .261E+00 .225E+00 .312E+01 15 no .287E+00 .225E+00 .272E+01 16 no .261E+00 .225E+00 .312E+01 17 .202E+00 .225E+00 .456E+01 18 .116E+00 .225E+00 .162E+02 19 .165E-01 .225E+00 .309E+02 20 .784E-01 .225E+00 .235E+02 21 .155E+00 .225E+00 .623E+01 22 .201E+00 .225E+00 .357E+01 23 .208E+00 .225E+00 .317E+01 24 .141E+00 .225E+00 .657E+01 25 .449E-01 .225E+00 .205E+02 26 .875E-02 .225E+00 .222E+02 27 .600E-01 .225E+00 .181E+02 28 .110E+00 .225E+00 .123E+02 29 .159E+00 .225E+00 .422E+01
（3）图形输出
a. 单元划分及荷载：沿衬砌中线划为30个单元
- 25 -
.240E+01 .360E+01 .360E+01 .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 .360E+01 .240E+01 .240E+01 .360E+01 .360E+01 no .360E+01 no .360E+01 .240E+01 .240E+01 .240E+01 .360E+01 .360E+01 中南大学毕业设计（论文）
b. 轴力图 c.弯矩图
图4-5 Ⅲ级围岩深埋段衬砌单元划分
图4-6 Ⅲ级围岩深埋段衬砌轴力图（单位：MN）
- 26 -
中南大学毕业设计（论文）
图4-7 Ⅲ级围岩深埋段衬砌弯矩图（单位：MN·m）
d.位移图
图4-8 Ⅲ级围岩深埋段衬砌位移图（单位：m）
4.3.3衬砌内力计算结果分析
1. 根据以上内力和位移结果，做出分析如下：
内力最大值和位移最大值及它们所在位置的节点号如表4-2所示：
表4-2 衬砌内力及位移计算结果分析
围岩及埋 深情况
轴力轴力弯矩弯矩位移位移最大最大最大最大最大最大值值节值值节值值节(MN) 点号 (MN·点号 (cm) 点号 - 27 -
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m) Ⅲ级围岩浅埋 Ⅲ级围岩深埋
通过上表可以知道：
(1) Ⅲ级围岩浅埋的内力值比Ⅲ级围岩深埋的内力值都要大，再加上浅埋段的地质情况没有深埋地段的地质情况好，所以在三级围岩的浅埋段，做衬砌设计的时候需要加强；
(2) 内力值和位移分布情况具有一定的规则性。Ⅲ级围岩浅埋段、Ⅲ级围岩深埋段的轴力最大值均位于两侧边墙脚附近，弯矩最大值均位于起拱线上面的曲边墙和拱圈相交附近，位移最大值均位于拱顶位置。
(3) 不设置仰拱的Ⅲ级围岩，所受的轴力最大值为墙脚部分，弯矩与位移最大值均出现在拱顶的部分。从一定程度上可以看出，在荷载比较大的情况下，起拱线下的曲边墙承受较大的轴力，拱顶则承受较大的弯矩会发生较大的位移，起拱线下的曲边墙和拱顶处是最薄弱环节，在设计中需要加强，在施工过程中要注意处理。 2. 偏心和强度检算通过率如下表4-3所示：
表4-3 偏心和强度检算通过情况统计
1.319 29 -0.239 23 -0.01166 -0.0424 15 0.458 2 -0.77 7 15 围岩及埋深情偏心检算况 Ⅲ级围岩浅埋 Ⅲ级围岩深埋
强度检算通过率% 51.6 77.4 通过率% 87.1 87.1 通过上表，按素混凝土进行内力检算时，存在部分截面检算不符合要求的情况，但是做为三车道跨度结构而言，素混凝土结构较难达到检算要求的，并且耐久性也不足，由上表可以看出Ⅲ级围岩浅埋段强度检算的通过率最低，因此在后续章节中将对Ⅲ级围岩浅埋段做配
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中南大学毕业设计（论文） 筋。
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中南大学毕业设计（论文）
第5章 隧道支护结构设计
5.1 支护结构总体设计
隧道围岩开挖后，洞室周围原有地层平衡遭到破坏，引起坑道的变形甚至崩塌。为了保护围岩稳定，确保行车安全，采用支护结构来保持围岩稳定。暗洞采用复合式衬砌，明挖段采用整体式模筑衬砌的支护结构形式，本章就它们做出详细和具体分析，最终定出水口山隧道合理的支护结构体系。
水口山隧道沿走向围岩级别有Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ级，根据第4章分析，Ⅲ级围岩段隧道有浅埋和深埋两种情况，Ⅱ围岩只有深埋一种情况。Ⅲ级围岩浅埋段相对于Ⅲ级围岩深埋段要做加强处理，除了设置仰拱以外，还应该加强初期支护。Ⅱ围岩全段采用同一种衬砌参数。另外在进口处接了一段20m长的明洞。根据较好的围岩衬砌向较差的围岩衬砌延伸5m，可以得出水口山隧道沿线的衬砌布置如表5-1所示。
表 5-1 水口山隧道衬砌布置明细表
里程 YK3+711.5～YK3+731.5 YK3+731.5～YK3+747 YK3+747～YK3+795 YK3+795～YK135+905 YK3+905～衬砌级别 长度(m) 明洞（ S1） Ⅲ浅埋（S3a） Ⅲ深埋（S3b） Ⅱ(S2) 110 48 15.5 20 Ⅲ深埋48
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YK3+953 YK3+953～YK4+000 5.2暗洞洞身支护结构设计
（S3b） Ⅲ浅埋（S3a） 47 本设计隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土等为初期支护，并辅以钢拱架、注浆小导管、超前锚杆等支护措施，充分发挥围岩的自承能力，在监控量测信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌。以下各个支护参数都是根据规范[1]，再结合根据工程类比法，参照了毛栗冲隧道、龙洞隧道的工程实例来取值。 5.2.1复合式衬砌的一般规定[1]
复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应符合下列规定：
（1）初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，并应符合钢筋、锚杆使用的一般规定。
（2）二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。二次衬砌应符合表5-2的规定：
（3）在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑围岩和初期支护的变形，并预留适当的变形量。预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等，采用工程类比法预测。当无预测值时可参照表5-3选用，并应根据现场监控量测结果进行调整。
表5-2 三车道隧道复合式衬砌的设计参数[1]
围 岩 级 别
初期支护 喷射混凝土厚度(cm) - 31 -
二次衬砌厚度(cm) 拱、仰拱 锚杆(m) 钢筋网 钢架 墙 混凝混土 中南大学毕业设计（论文）
拱部、仰边墙 Ⅰ 8 — 局部 局部 2.5 — 2.5～3.5 3.01.0拱、墙～～@25×25 3.5 1.5 拱、墙 — 局部 — 局部 — 位长度 间距 凝土 拱 置 30 — Ⅱ 8～10 10— 40 — Ⅲ ～15 — 拱、墙 45 45 50，15Ⅳ ～20 — 拱、墙 3.00.8拱、墙拱、～～@20×20 墙 仰拱 4.0 1.0 钢筋混凝土 50
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中南大学毕业设计（论文）
60，20Ⅴ ～30 — 拱、墙 3.50.5～～5.0 1.0 拱、墙（双层） @20×20 拱、墙 仰拱 钢筋混凝土 Ⅵ 级别 Ⅰ 隧道 — 通过检算、计算确定 表5-3 预留变形量表[1]
60，钢筋混凝土 隧道 — 级别 Ⅳ 隧道 隧道 围岩两车道三车道围岩两车道三车道50～80 80～120 Ⅱ — 10～50 Ⅴ 80～120 100～150 Ⅲ 20～50 50～80 Ⅵ 现场量测确定 5.2.2支护设计参数的工程实例
本隧道的初期支护是通过工程类比法来设计的，表5-4和表5-5为列举工程实例的具体的参数：
表5-4 毛栗冲隧道复合式衬砌部分支护参数表
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初期支护 预喷锚杆衬砌类型 射（c钢钢拱架 留变形量（cm） 二次衬砌（C25） 砼拱砼仰墙（c拱（c砼m） 筋(c纵×m) 环 网 m） m） 70S1(明洞) / / / / Φ22单层格栅 （纵距120） 单层- 34 -
70/ （配（配筋） 筋） 120S3a（Ⅲ级围岩破碎段） ×22 120 .0m) S3b（Ⅲ级围岩完整段）
8 45 45 (L=3Φ8 22 120×Φ22格栅 5 45 / 中南大学毕业设计（论文）
120 Φ8 （纵(L=3.0m) 100S4a（Ⅳ级洞口及浅埋段） ×24 100 .5m) 100S4b（Ⅳ级围岩深埋段） ×24 100 .5m) S5a（Ⅴ洞口浅埋级断层 破碎带） S5b（Ⅴ级洞口深埋段）
距120） I18工单层字钢（纵距100） I18工单层字钢（纵距100） 双层Φ8 双层- 35 -
505012 （配（配筋） 筋） (L=3Φ8 505010 （配（配筋） 筋） (L=3Φ8 75×28 100 (L=4.0m) 26 75×100 I22b工字钢（纵距75） I22b工字13 606015 （配（配筋） 筋） 5050（配（配中南大学毕业设计（论文）
(L=4Φ8 钢（纵.0m) 距75） 筋） 筋） 表5-5 龙洞隧道复合式衬砌部分支护参数表
初期支护 预喷锚杆衬砌类型 射（c钢砼m） 筋(c纵×网 m) 环 钢拱架 留变形量（cm） S1a(洞口正常明洞) 二次衬砌（C25） 砼拱砼仰墙拱（c（cm） m） 70/ / / / / 70（配（配筋） 筋） 7070S1b(洞口偏压明洞) / / / / / （配（配筋） 筋） S3a（Ⅲ级围22 120
单Φ228 45 45 - 36 -
中南大学毕业设计（论文）
岩破碎段） ×层格栅 120 Φ8 （纵(L=3.0m) 120S3b（Ⅲ级围岩完整段） ×单22 120 层.0m) 100S4a（Ⅳ级洞段） ×单口及浅埋24 100 层.5m) 100S4b（Ⅳ级围岩深埋段） ×单24 100 层.5m)
距120） Φ22格栅 （纵5 45 / (L=3Φ8 距120） I18工字钢5050（纵12 （配（配筋） 筋） 100） I18工字钢5050（纵10 （配（配筋） 筋） 100） - 37 -
(L=3Φ8 距(L=3Φ8 距中南大学毕业设计（论文）
S5a（Ⅴ洞口浅埋级断层 破碎带） 28 75×100 (L=4.0m) 75×双层Φ8 I22b工字钢（纵距75） I22b工字钢（纵距75） 606015 （配（配筋） 筋） S5b（Ⅴ级洞口深埋段） 26 100 (L=4.0m) 双层Φ8 505013 （配（配筋） 筋） 5.2.3初期支护设计 1. 锚杆
(1) 锚杆的种类及选择
隧道中长采用的锚杆种类有：全场粘结型锚杆、端头锚固型锚杆、摩擦型锚杆、预应力锚杆。另外根据锚杆布置方式的不同可以分为局部锚杆和系统锚杆。其中局部锚杆主要用于坚硬而裂隙发育或有潜在龟裂及节理的围岩中，其重点是坚固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区。系统锚杆主要用于破碎和软弱围岩，对围岩起个整体加固作用。对于局部破碎、软弱围岩部位或可能出现过大变形的部位，应加设长锚杆。 (2) 锚杆设计参数
本隧道采用全长粘结型锚杆锚杆，锚杆按系统锚杆布置。锚杆的直径和长度等设计参数应根据现场实验及相关的理式，并且结合工程类比方法来确定。设计参数如下：
a、锚杆类型： Ⅲ级围岩浅埋段和深埋段，都采用Ф22早强水泥砂浆锚杆；Ⅱ级围
岩地段采用Ф20早强水泥砂浆锚杆。
b、锚杆长度： 可以按L=（1/3～1/5）B（B为隧道开挖宽度 ）取值，结合工程类
比法确定，Ⅲ级围岩浅埋段取4.0m，Ⅲ级围岩深埋段取3.5m，Ⅱ级围岩段取3.0m。
c、布置方式： 均采用矩形型布置；
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d、布置间距： 可以按0.5L～0.7L进行取值，结合工程类比法确定，Ⅲ级围岩浅埋
取0.8×0.8m，Ⅲ级围岩深埋段取1.2×1.2m，Ⅱ级围岩段取1.5×1.5m。.
e、钢筋和砂浆型号：采用HPB235的钢筋，采用早强砂浆M20。
2. 钢筋网 (1) 设计规定
喷射混凝土内布设钢筋网，有利于提高喷射混凝土的抗剪和抗弯强度，提高喷射混凝土的抗冲切能力、抗弯曲能力，提高喷射混凝土的整体稳定性，减少喷射混凝土的收缩裂纹，防止局部掉块。钢筋网设计应符合以下规定[1]：
a、钢筋网网格应矩形布置，网格间距为150mm～300mm； b、钢筋网钢筋的搭接长度应不小于30d（d为钢筋直径）；
c、钢筋网喷射混凝土保护层厚度不小于20mm，当采用双层钢筋网时，两层钢筋网之间 的间距应不小于60mm；
d、钢筋网应配合锚杆一起使用，钢筋网应锚杆绑扎连接或焊接。 (2) 设计参数
a、钢筋型号：HPB235； b、直径： 8mm；
c、布置方式：单层，网格按矩形布置；
d、网格间距：Ⅲ级围岩浅埋段和Ⅲ级围岩深埋段，都取20cm×20cm，Ⅱ级围岩段采用
局部挂钢筋，网格间距取25cm×25cm； e、钢筋的搭接长度：各级围岩均取200mm。 3. 喷射混凝土
开挖围岩后要立即喷射混凝土到一定厚度，以确保初期支护工作人员的安全施工。然后施做系统锚杆，将钢筋网焊接到锚杆托板上，立钢架后，再喷射混凝土直到保证钢架保护层厚度的要求。这样才可以围岩稳定，保护钢筋网和钢筋，以防止被锈蚀。
本隧道初期支护均采用C20喷射混凝土，喷射混凝土的厚度根据公路隧道设计，喷射混凝土厚度不应小于50mm，对于三车道以上的大断面隧道，喷射混凝土不宜大于300mm。在Ⅲ级围岩浅埋段和深埋段，喷射混凝土厚度都取220mm；Ⅱ级围岩段，喷射混凝土厚度取120mm。 4. 钢拱架
对于岩性不好的围岩，其自稳时间很短，为了抑制围岩过大的变形需要增强支护抗力时，可采用钢架喷射混凝土作为初期支护。设计参数如下：
a、钢架型号：Ⅲ级围岩段采用φ22格栅拱架，Ⅱ级围岩段，不布置钢架；
b、钢架纵向间距：为了保证锚杆和钢架不重叠，各自发挥作用，钢架和锚杆的纵向间距
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中南大学毕业设计（论文） 宜相同，便于相间布置。Ⅲ级围岩段格栅拱架纵距间距取0.8m；
c、钢架连接筋：HPB235，φ20，连接筋环向间距为1m，内外交错布置； 5.2.4 预留变形量
本隧道设计考虑预留变形量数值为：Ⅲ级围岩浅埋段取8cm，Ⅲ级围岩深埋段取5cm，Ⅱ级围岩取3cm，施工中应根据实际情况进行调整。 5.2.5二次衬砌设计 1. 二次衬砌厚度
二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。Ⅲ级别围岩浅埋段需要加强，取为50cm，Ⅲ级围岩深埋段取45cm，Ⅱ级围岩取40cm。 2. Ⅲ级围岩洞口浅埋段二衬配筋
根据第4章中素混凝土衬砌结构的内力检算结果可以看出，在Ⅲ级围岩浅埋段所受的围岩压力大，产生的内力也大，检算的通过率只有51.6%，为了保证衬砌结构安全，必须进行配筋。其余部分不需要配筋。 (1)配筋原理[1]
隧道衬砌结构属于偏心受压矩形构件，根据偏心受压钢筋混凝土结构设计原理进行配筋。
，采用试算法，假设受拉区和受压区一定钢筋分别为As和As检算钢筋混凝土结构的强度和裂缝是否符合要求，直到衬砌每个截面都符合要求为至，最后得到各截面的钢筋情况。详细的配筋计算方法可参考《公隧规》。
因为衬砌各截面内力不同，按受力要求各截面所需配筋量不同，为了施工时铺设钢筋方便，以及整个衬砌结构受拉（或受压）边并不是都是位于衬砌内侧或外侧，拱顶内侧受拉，而边墙等其他截面可能是外侧受拉，完全按受力要求配筋会给施工带来很大麻烦，因此为了满足衬砌结构每个截面受力配筋要求，在围岩级别相同段，按所需钢筋量最多的截面对整体衬砌的每个截面进行配筋。 (2)编制配筋程序
隧道衬砌结构截面有几十个，如果采用手工计算，显然很麻烦，因此采用编制程序来配
，整个衬砌结置钢筋。根据以上配筋原理，程序假设衬砌结构内侧和外侧钢筋分别为As和As构受拉（或受压）边并不是都是位于衬砌内侧或外侧，拱顶内侧受拉，而边墙等其他截面可
都为受压钢筋，因此 能是外侧受拉，也就是说并不是所有截面试算中的As都为受拉钢筋，As为了便于设计和施工，可采用对称配筋。
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中南大学毕业设计（论文） 衬砌配筋具体程序及其解释详见附录B。 (3)衬砌结构配筋参数及结果[4] 1）计算参数
受力钢筋：HRB335，抗拉计算强度标准值Rg=335Mpa(d=8～25mm)
抗压强度设计值fy=268MPa；
钢筋直径：受拉和受压钢筋均采用Φ20，即d=d=20mm=0.02m； 钢筋弹性模量：Es=210e3Mpa；
C25混凝土：弯曲抗压极限强度标准值Rw=23.75Mpa，极限抗压强度强度
Ra=9.0Mpa，轴心抗压强度设计值fc=16.7Mpa；
C25混凝土弹性模量：Ec=2.8Gpa； 保护层厚度：c=40mm； 安全系数： K=2.0；
钢筋混凝土构件的纵向弯曲系数：=1.0； 允许裂缝宽度：W=0.2mm=0.0002m；
纵向受拉钢筋表面特征系数：γ=0.7（螺纹钢筋）； 构件受力特征系数：=2.1（受弯和偏心受压构件）。 钢筋安全系数参照下表5-6取值：
表5-6 钢筋混凝土结构的强度安全系数[2]
荷载组合破坏原因 钢筋达到计算强度或 混凝土达到抗压 或抗剪极限永久荷载+基本可变荷载 永久荷载+基本可变荷载+其他可变荷载 2．0 1．7
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中南大学毕业设计（论文）
强度 混凝土达到抗压 极限强度 2）采用配筋程序计算配筋
a. 输入文件：
HRB335 C25
2.0 19 24.2 335 29.5e3 210e3 1.0 12.5 268 2.0 0.0002 0.7 2.1 0.040 1.0 0.02 0.02 0.002 30
0.5 1.08780800 -.00325929 0.5 1.19365200 .19674240 0.5 1.17534900 .13076210 0.5 1.100900 .038687 0.5 1.15055800 .01638825 0.5 1.124400 -.00980230 0.5 1.09637500 -.068471 0.5 1.07265200 -.17524160 0.5 1.03465500 -.21047200 0.5 .972670 -.19477270 0.5 .94163190 -.14105970 0.5 .446700 -.06348342 0.5 .85245730 .02349818 0.5 .81963040 .10614110 0.5 .79946350 .17247090 0.5 .793660 .22005530 0.5 .79280630 .22530930 0.5 .80722970 .20436240 0.5 .83736370 .152880 0.5 .88178620 .07639184 0.5 .93786320 -.014957 0.5 1.00195500 -.10736910
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2．4 2．0 中南大学毕业设计（论文）
0.5 1.06968400 -.18725370 0.5 1.13625500 -.23843960 0.5 1.19415600 -.216510 0.5 1.23237900 -.08447787 0.5 1.26530400 .00105581 0.5 1.28370100 .075626 0.5 1.29716300 .15073490 0.5 1.31781000 .22133400 0.5 1.20095700 -.00369260
b. 输出结果：
钢筋型号: HRB335 混凝土强度等级: C25 配筋参数(单位mm):
c= 40.000 b=1000.000 d= 20.000 d1= 20.000
*************************************************************** j= 0 h=500.0 Ass(j)= .0 Ass1(j)= .0
*************************************************************** j= 1 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 2 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 3 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 4 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 5 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 6 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 7 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 8 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j= 9 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=10 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
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中南大学毕业设计（论文）
*************************************************************** j=11 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=12 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=13 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=14 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=15 h=500.0 Ass(j)= 1332.8 Ass1(j)= 1332.8
*************************************************************** j=16 h=500.0 Ass(j)= 1381.6 Ass1(j)= 1381.6
*************************************************************** j=17 h=500.0 Ass(j)= 1183.2 Ass1(j)= 1183.2
*************************************************************** j=18 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=19 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=20 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=21 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=22 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=23 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=24 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=25 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=26 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=27 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=28 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** j=29 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
***************************************************************
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中南大学毕业设计（论文）
j=30 h=500.0 Ass(j)= 1000.0 Ass1(j)= 1000.0
*************************************************************** maxAs= 1381.6 maxAs1= 1381.6
Ⅲ级围岩浅埋段二次衬砌的配筋结果为：衬砌内侧和外侧钢筋面积为As=1381.6mm2。最后配筋为沿隧道纵向每延米衬砌受拉和受压钢筋均取为4根HRBΦ22，则
=1520mm2 ，间隔25cm。纵向连接构造钢筋选择HPB235Φ10，环向间距内侧为30As=As厘米。水平构造筋选择HRBΦ12。具体布置见“衬砌配筋设计图”。 5.3明洞衬砌设计
明洞衬砌设计应符合以下的基本规定：
1、拱形明洞应考虑偏压，拱形明洞外边墙宜适当加厚。当地形条件允许时，可以考虑 反压回填，设反压墙平衡偏压荷载，减小或消除偏压； 2、拱形明洞边墙侧压较大及地层松软时，宜设置仰拱； 3、明洞宜采用钢筋混凝土结构；
4、明洞基础宜置于稳固的地基上，明洞基础底标高不宜高于隧道侧沟沟底标高或路基 标高；
5、当基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上，当基础位于软弱地基上，可采用仰拱， 整体式钢筋混凝土底板也可采用桩基，扩大基础，基础加深和地基加固处理等措施； 6、洞顶回填，拱背处理应根据明洞设置的目的、作用以及地形条件、山坡病害而定， 回填土石，厚度不宜小于1.5m，填土表面设置一定的排水坡度。
本设计明洞采用拱式模筑混凝土明洞，拱圈部分与边墙部分采用80cm厚C25混凝土；设置仰拱，仰拱部分厚度取为80m。外侧防水层采用复合防水层：300g/m2无纺布、1.2mm防水卷材。明洞衬砌结构见图5-1所示。
图5-1 明洞衬砌构造图（单位：cm)
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中南大学毕业设计（论文） 5.4 水口山隧道支护参数统计表
表5-7 水口山隧道复合式衬砌支护参数表
初期支护（C20) 预喷锚杆衬砌类型 射（c钢砼m） (cm) 纵 筋钢拱架 留变形量（cm） 二次衬砌（C25） 砼拱砼仰墙（c拱（c纵×网 m） m） 70S1(明洞) / / / / Φ22单层格栅 （纵5070/ （配（配筋） 筋） 80×S3a（Ⅲ级围岩浅埋段） 22 80 (L=4.0m) 508 （配（配筋） 筋） Φ8 距120） - 46 -
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120S3b（Ⅲ级围岩深埋段） ×22 120 .5m) 150S2（Ⅱ级围岩深埋段） ×12 150 .0) 120S3b（Ⅲ级围岩深埋段） ×22 120 .5m) 80×S3a（Ⅲ级围岩浅埋段） 22 80 (L=4.0m)
Φ22单层格栅 （纵5 45 / (L=3Φ8 距120） 单层/ 3 40 40 (L=3Φ8 Φ22单层格栅 （纵5 45 / (L=3Φ8 距120） 单层Φ8 Φ22格栅 （纵距50508 （配（配筋） 筋） - 47 -
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120） 5.5 工程量计算
5.5.1 Ⅲ级围岩浅埋段工程量计算
1.开挖土石方（取每延米计算）
12V挖60.50.220.08216.78153.33m3
22.C25混凝土 拱圈及边墙V11260.56220.5218.6m3 22仰拱V0.514.987.63m3
3.C20喷射混凝土
1122V60.50.220.08（60.5）2（0.220.08）28.50m3
223.C15片石混凝土仰拱回填（以开挖面的2.5%计）
V0.025153.3314.69m3
4.φ22中空注浆锚杆 L=31×4.0×1.2=150m
5.锚杆注浆 10.221244.5m3 26.φ8钢筋网：
60.73.1120.395227.77Kg
0.27.复合防水层
300g/m2无纺布：60.50.220.0830.0m2 EVA防水卷材：60.50.220.0830.0m2 5.5.2 Ⅲ级围岩深埋段工程量计算
1.开挖土石方（取每延米计算）
12V挖60.450.220.05116.78147.45m3
2
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5.拱圈及边墙C25混凝土
112V60.456210.45217.4m3
226.C20喷射混凝土 1122V60.450.220.05（60.45）1（0.220.08）25.5m3
223.C20混凝土整平层 V=11.25×0.12=1.35 7.φ22中空注浆锚杆 L=29×3.5×1.2=138m
5.锚杆注浆 10.221383.7m3 26.φ8钢筋网：
60.73.1120.395240.4m
0.2 7.复合防水层
300g/m2无纺布：60.450.220.0530.0m2 EVA防水卷材：60.450.220.0530.0m2 5.5.3 Ⅱ级围岩深埋段衬砌工程量计算
1.开挖土石方（取每延米计算）
12V挖60.40.120.03116.78129.45m3
28.拱圈及边墙C25混凝土 112V60.46210.4215.5m3
229.C20喷射混凝土
1122V60.40.120.03（60.4）1（0.120.03）24.5m3
223.C20混凝土整平层 V=11.25×0.12=1.35 10.φ20中空注浆锚杆 L=16×3×1.2=75m
5.锚杆注浆
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10.182751.8m3 26.φ8钢筋网：
60.73.1120.395120.4m
0.27.复合防水层
300g/m2无纺布：60.50.220.0830.0m2 EVA防水卷材：60.50.220.0830.0m2
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第6章 洞门位置的确定与洞门结构设计
6.1 概述
洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌和洞外路堑的支护结构，应保证洞内附近的边坡和仰坡的稳定。洞门也是标志隧道的建筑物，与隧道规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调。隧道洞门具有支挡洞口正面仰坡和路堑边坡、保持仰坡和边坡稳定的作用；具有防止仰坡上方小量的滚石、滑坍、碎落、雪崩、风吹雪等自然灾害对路面危害的作用；将坡面水引离隧道的作用；具有改善洞口环境，美化洞口环境的作用。隧道洞门应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡和仰坡的稳定。洞口位置应茛据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、运营要求，通过经济、技术比较确定。 6.2 隧道洞门形式设计
洞门的形式很多，从构造形式、建筑材料以及相对位置可以划分许多类型。目前，我国公路隧道数量不是很多，故洞门形式一般比较简单，有端墙式、翼墙式、柱式、台阶式、削竹式、喇叭口等。各洞门特征见 表 6-1 。
表6-1 隧道洞门的特征[1]
项目 端墙式 翼墙式 台阶式 柱式 削竹式 喇叭口式 地形、适轴线与用 坡面基边仰坡边仰坡边仰坡的本正坡率为坡率为坡率为1:0.5～1:0.5～洞门周围地形平缓 地质条件较围交，边1:0.75条 为好，洞口周围开阔； 岩仰坡率～1:1.5 1:1.25 1:0.75
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件 1:0.3～1:0.5 积雪地带易吹入雪 可减少靠山侧仰坡开洞口受地形，无法布置翼墙式洞门 模型模型特 易于施征 工 抗滑抗挖高板、配板、配筋较费筋较费事，耗事，耗资较大 资大 倾覆性度，一好 般与偏压衬砌配合使用 壁面面壁面面壁面面积大，积大，积大，景 观 两侧需两侧需两侧需降低其降低其降低其亮度亮度亮度较为雄伟 对车辆修饰周行驶的边的景影响观，使小；最洞门与适合洞之协调 口周围地形 (修凿(修凿(修凿打毛壁打毛壁打毛壁
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面)；有面)；有面)；有重量重量重量感，行感，行感，行车易感车易感车易感到压抑 到压抑 到压抑 洞门形式应美观醒目，这是因为洞门的造价只占隧道总造价的较小部分，隧道的标志在洞门，洞门美观合理与否直接影响对隧道工程的评价。特别是位于城镇、风景区附近的隧道，行人及旅游者多，车辆也多，设计一个好的洞门，将给人留下没的感受。
水口山隧道进口洞门处为Ⅲ级围岩，洞口存在偏压，综合考虑，采用端墙式端门。 6.3 隧道进出洞口位置的确定
洞口位置的确定通与洞门结构形式、边仰坡开挖方式、洞口附近地形、地质及水文地质等条件有关。洞口轴线与坡面斜交时，洞口覆盖层厚不应小于2-3米，其边、仰坡应采取喷锚支护加固。在工程上常采用戴帽子法确定暗洞位置，在里程为K3+731，K3+731.5，K3+732的位置作出洞门地形线。见图6-1。
图6-1 洞门上覆土厚度
根据地质纵断面图与地质平面图，采用戴帽子法可以确定暗洞最终的里程为：YK3+731.5。
进口段处在一个小山脊的地方，小山脊的两侧是两条大山沟，大山沟的水忘洞口段汇集，
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对洞口段很不利。为了解决这个问题，在明暗交界处往外接一段长20m的明洞，这样隧道的洞门就不会处于两侧山沟水流汇集的不利位置了。 6.4 隧道进出口洞门各部尺寸拟订
由于进洞口的围岩条件好，具有较好的自稳能力，暗洞进洞可采用贴壁进洞。为了减少刷坡的范围，选择仰坡率为1：0.1，为了保证安全，在仰坡上采取锚喷加固，锚杆为22号砂浆锚杆，长度为3.0m，横纵间距为1.0m；喷射混凝土采用C20，厚10cm。进洞口位置的各部尺寸见图6-2所示。
图6-2 隧道进口洞门剖面基本尺寸（单位：cm)
6.5 洞门边仰坡开挖线
所谓边仰坡开挖线是指洞门地段边仰坡面与地表面的交线。其原理：地形平面图是用来表示所测范围内地形、地物各处的标高和地表自然坡度的情况的。同理，洞口边仰坡面的平面位置和陡坡也可用等高线的形式在平面图上表示。边仰坡开挖线就是地形平面图上规则图（边坡、仰坡面等）与不规则图（地表面）的交线[12]。 6.5.1 进洞口开挖线绘制
进洞口处由于接长了一段20m长的明洞，因此开挖范围包括了：路边坡，明洞边坡，仰坡开挖范围的绘制。 1.路基边坡的绘制
路基面的高程为402m,边坡率取为1：0.5则： 对于414m的等高线：C1(414402)0.56m 对于415m的等高线：C2(415402)0.56.5m
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中南大学毕业设计（论文） 对于416m的等高线：C3(416402)0.57m
然后在图中按比例作出与坡脚平行且相距为4.5m的1－1线，交411m等高于①点，同理作2－2线与边坡坡脚平行且相距为交412m等高线于②点，此重复得到③点。用平滑的曲线连接①、②、③点，即可到路堑边坡开挖线。 2.明洞开挖范围的绘制
明洞基地的标高为402m,明洞开挖线的两边的边坡取为1：0.3。路基坡坡率与明洞临时边坡坡率不同时，采用坡率逐渐变化的方法进行过渡。路基边坡坡率1：n＝1：5，明洞边坡坡率1：m＝1：0.3，则可以起坡点为圆心，每隔18°作一射线，则放射线的坡率相应为1：0.5，1：0.45，1：0.4，1：0.35，1：0.3，然后用前述方法作出过渡处的开挖线。则： （1）明洞左侧边坡的开挖范围
对于412m的等高线：C1(412402)0.33m 对于413m的等高线：C2(413402)0.33.3m 对于414m的等高线：C3(414402)0.354.2m 对于415m的等高线：C4(415402)0.45.2m 对于416m的等高线：C5(416402)0.456.3m 对于417m的等高线：C6(417402)0.57.5m
同理将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到明洞左侧边坡的开挖范围。 （2）右侧边坡的开挖范围
左侧边坡开挖高度较小。因此可以直接刷到与地面线相交，则： 对于412m的等高线：C1(412402)0.33m 对于413m的等高线：C2(413402)0.353.85m 对于414m的等高线：C3(414402)0.44.8m 对于415m的等高线：C4(415402)0.455.85m 对于416m的等高线：C5(416402)0.57m
同理将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到明洞右侧边坡的开挖范围。 3.明暗交界处仰坡开挖线的绘制
仰坡坡脚的高程412.8m，仰坡率为：1：0.3 ，则： 对于415m的等高线：d1(415412.8)0.30.66m 对于416m的等高线：d2(416412.18)0.30.96m 对于417m的等高线：d3(417412.8)0.31.26m 对于418m的等高线：d4(418412.18)0.31.56m
将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到仰坡的开挖范围，对于部分地方要回填。 4.将上面所得的各点用圆滑的弧线连接起来，即可得到进洞口的开挖图，如图6-3：
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图6-3 进洞口开挖范围图
6.6洞口主要工程量计算 1.洞门开挖土石方
取两个断面，在图上绘出横断面图，根据两个断面面积的平均值作为洞口的平均开挖面积，乘以其开挖长度即可得粗略的开挖土石方：
V16.5811.48200.62284m3
2.C20混凝土洞门
（16.58×11.48-153.33）×0.5=18.5 3.M7.5浆砌片石截水天沟
0.95×0.6×0.3×3×120×1.2=73.9m3 4.回填土
30.1223.8326.1323.83（3.1）（3.2）2203097.52m3 225.洞顶防落网 S=88m2
6.7 隧道出口洞门检算
1.确定基本计算数据及计算条带
洞门计算参数应按照现场试验资料采用，当缺乏试验资料时，可参照表6-2选取。
表6-2 洞门计算参数
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仰坡计算摩容重γ基地摩擦基地控制压系数f 应力（Mpa） 坡率 擦角 （KN/m3） 0.6 0.5 0.8 0.6 1:0.5 1:0.75 1:1.0 1：1.25 70° 60° 25 24 50° 43°~ 45° 20 18 0.4 0.4 0.4~ 0.35 0.3~ 0.25 1:1.5 38°~ 40°
17 0.34~ 0.4 0.25 洞门材料采用C20混凝土，容重23KN/m3，容许压应力σ=7800KPa，容许拉应力σ=430KPa。 洞门位置的围岩为Ⅲ级围岩，依照规范，其仰坡坡率可取为1:0.5。虽然洞门上方的仰坡填土坡率大于该值，但是洞门计算的计算参数取值，还是参照1:0.5的坡率取。 计算摩擦角：=70°
地层容重： 25KN/m3
基底摩擦系数： f0.6 基底控制压应力： 800kPa
端墙式洞门取1m宽作为“检算条带”，将洞门简化成图6-4所示，进行计算：
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图6-4计算简化示意图（单位：cm）
2.库仑土压力计算
（1）土体破裂角ω的计算:
tan2tantan(1tan2)(tantan)(tantan)(1tantan) tan 2tan(1tan)tan(1tantan) 将=70°，ε=4°， α=6°代入上式得： tan0.232 进而求得13.08
（2）侧压力系数的计算:
(tantan)(1tantan)
tan()(1tantan) 代入数据得：λ=0.01558 （3）a、H的取值
参考简化图6-3，仰坡坡脚和端墙的距离:a=0 倾覆力矩端墙计算高度:H＝12.31m （4）h'的计算
h'a0
tantan （5）主动土压力E的计算
1E[H2h0(h'h0)]b0.5250.01558[12.3120]10.617.71KN
2 3.洞门检算
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中南大学毕业设计（论文） （1）倾覆稳定K0的检算 墙身自重N的计算：
NHBb12.3710.523142.255KN 稳定力矩My的计算：
MyN0.87123.76KNm 倾覆力矩M0的计算：
M0Ee17.7112.31/371.67KNm
倾覆稳定系数： K0MMyo123.761.71.5满足要求。 72.67（2）抗滑动Kc的检算
KcNfE142.2550.64.821.3满足要求。
17.71（3）基底合力偏心距e的检算
cMyNM0123.7672.670.359m
142.255 eB0.5c0.3590.109mB/40.125m满足要求。 22（4）基底压应力的检算 eminB(16e142.25560.109)(1)-88.25KPa[a]800KPa B0.50.5 满足要求。
（5）墙身截面偏心距eb的检算（取墙趾截面为检算面）
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中南大学毕业设计（论文） ① 偏心距
M142.2550.6217.7112.3130.109m0.3B0.30.50.15m N142.255 ② 应力
eb max max6ebN142.25560.109(1)(1)656.65KPa[a]11000KPa bb0.50.56ebN142.25560.109(1-)(1-)88.25KPa[]4300KPa
bb0.50.5从以上检算结果来看，抗倾覆、抗滑动、基底偏心距、基底应力、截面偏心矩、截面压应力六个检算项目都满足要求，因此洞门是安全的。
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第7章 隧道施工组织设计
7.1隧道施工组织概述
隧道施工组织设计是指导隧道施工的基本技术和经济文件。它是根据交通行业施工文件的要求，工程的性质，现场的具体条件，施工的技术装备和施工力量等，确定合理的施工方法和施工进度，对于整个工程的施工过程作出科学的较全面的规划和布置，并制定隧道工程所需的投资、材料、机具，设备劳动力等供应计划，从而指导隧道施工安全、有序、快速的进行。
施工组织设计的内容主要包括：施工方案、施工进度、人机材（人力、机械和材料）需要量、现场平面布置。这四项内容有机地联系在一起 ，互相促进互相制约。这四项内容以施工进度为主，先保证隧道工程的工期要求，施工方案是根本，资源需要量是保证施工进度和施工方案实施的必要条件，也是决定施工现场平面布置的重要因素。
本设计隧道属于山岭隧道，采用新奥法施工，其具体的施工组织设计内容为： 1.确定合理的施工方案及相关辅助施工措施； 2.施工进度安排及资源编制； 3.交接桩工作； 4.现场监控量测。 7.2 施工方案比选
7.2.1 明洞段施工方法比选及施工 1.明洞段工程概况
本隧道明洞段起讫里程：YK3+711.5～YK3+731.5，总长20m，断面形式为五心圆拱形结构，到里程YK3+731.5时进入明暗分界里程后暗挖进洞。 2.施工方法比选
隧道明洞段，设计最大深度为14.6m，埋深较小，且隧道进口位置特殊，两侧为山沟，土石方开挖量不多，周围环境对施工范围的较小，可以采用放坡开挖法，放坡开挖机械化程度高，施工速度快，质量也易得到保证。常用的隧道明洞施工方法 有“先墙后拱法”和“先拱后墙法”。
先墙后拱法，优点：衬砌整体性好，施工空间大，有利于施工； 缺点：土方开挖量大，刷坡较高。 先拱后墙法，优点：土石方开挖量较小，则刷坡较小；
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缺点：衬砌整体性差，施工空间小，防水层施工不方便。 3.明洞段施工
明洞段为Ⅲ级围岩，其地质概况为：全风化砾岩，风化成卵石状，成分以石英和燧石为主，饱和单轴抗压强度为24.8~38.9MPa，属于中硬岩。这对明洞段的开挖造成了一定的困难，若能用开挖工具进行开挖的部分就采用开挖工具开挖，而开挖不了的部分，则采用爆破开挖。 （1）采用开挖工具开挖 ①边坡加固
由于本隧道的设计明洞开挖较小，开挖最深处约为14.6m，为了施工的方便，采用先墙后拱的方法，开挖边坡的坡率取为1：0.3，在边坡开挖的同时，对边坡采取锚杆支护稳定边坡，具体参数为：Φ22的普通砂浆锚杆，锚杆长3米，间距为200cm×200cm，呈矩形布置，如图7-1所示：
图7-1 明洞临时边坡支护图
②施工顺序
开挖的时候分四层开挖，每层厚度约为4m，由于地质条件比较好，正面坡体可为直立坡，详见图7-2，方便施工。
图7-2 明洞开挖顺序图
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施工步骤：
1. 上部台阶开挖；
2. 中间两个台阶的开挖，在开挖的同时，对边坡进行加固，进行喷锚支护； 3. 下部台阶开挖；
4. 检查基底地质情况、土质与承载力是否与设计相符，如承载力不足可采用基 底加固措施措施，清除软土、泥浆及浮碴，浇筑素混凝土垫层；
5. 按设计厚度施工仰拱，施作仰拱与侧墙的连接部分，做好底部防水措施； 6. 排水沟及仰拱的填充； 7. 曲边墙及拱圈的施作； 8. 对曲边墙及拱圈施作防水层。
（2）爆破开挖
该部分的爆破对技术的要求不高，采用2号岩石硝铵炸药，药卷外径采用φ40，日开挖进度为1m，则炮眼深度L=1.0/0.90=1.1m，装药方式采用反向装药，炮眼分布如图7-3所示：
图7-3 明洞炮眼分布图
明洞炮眼分布图表示的是在里程为K731.5的地方的炮眼分布图，该处的开挖断面最大，其他地方的炮眼分布图，可参考该图布置。爆破顺序为从上往下爆破，这样不会发生崩塌事故，爆破厚的碎块也会较均匀，方便后续施工。单眼用药量q=1.1×1×2×1.1×1=2.42Kg/m。 7.2.2 暗洞施工方案比选
水口山隧道为三车道的大跨度结构，隧道总长约为300m，属于短隧道，并且全段为Ⅱ和Ⅲ级围岩，地质条件较好，综合考虑，全段可以采用半断面法开挖。该方法先将上台阶挖通，再开挖下台阶，一次开挖的断面较小，有利于开挖面的稳定，并且只要配备中型钻孔台车即可充分发挥施工效率，可以降低施工成本。
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中南大学毕业设计（论文） 7.3 暗洞施工方法设计 1.所选施工方法的优点
水口山隧道全线采用半断面施工，既能保证施工安全，也能保证工期效率，还能降低施工成本，一举三得。但是台阶法施工的地表沉降会比较大，所以在施工过程中要做好监控量测，反馈数据，发现不利情况，及时对设计进行更改，保证施工安全进行。 2.施工顺序
台阶法施工将断面分成上下两个断面开挖，先开挖上台阶，等上台阶开挖完成后，在进行下台阶的施工，如图7-4所示。
图7-4长台阶法开挖示意图
开挖工序：1.上台阶开挖；2.上台阶初级支护；3.上台阶二衬；
4.下台阶开挖；5.下台阶初期支护；6.下台阶二衬；
7.施作仰拱（Ⅲ级浅埋仰拱）。
具体施工方法采用大断面光面爆破法进行爆破；出完渣后进行初期支护，初期支护采用锚秆钢筋网喷混凝土支护。整个隧道实行“钻爆、出碴、喷锚、衬砌”机械化一条龙作业。 7.4 辅助施工措施设计 7.4.1 辅助施工措施概述
隧道进出口开挖，由于覆土层比较薄，地质条件比较差，以及开挖洞内软弱围岩开挖，如果施工不当，易引起土体坍塌，造成施工危险，影响施工进度，为了保证施工的顺利进行，采取辅助施工措施来作超前预支护，加固周边围岩。
常用的辅助施工措施有[3]：超前锚杆、管棚、超前注浆小导管、预注浆加固地层和地表注浆锚喷预加固等措施。是否采用辅助施工措施，应根据隧道所处的工程地质条件和水文地质条件、隧道长度、埋置深度、施工机械、工期和经济等方面考虑决定。各辅助工程措施的
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适用条件如表7-1所示。使用时，可结合隧道所处的围岩条件、施工方法、进度要求、配套机械、工期等进行比选，有时可采取几种方法综合处理。
表7-1 辅助工程措施及其适用条件
辅助工程措施 地超前导管法 管棚法 适用条件 Ⅴ级和Ⅵ级围岩，无自稳能力，或浅埋隧道及其地面有荷载 Ⅴ级围岩，自稳能力低 层超前钻孔注浆Ⅴ级和Ⅵ级软弱围岩地段、断层破碎稳法 定措施 超前锚杆法 带地段、水下隧道或富水围岩地段、坍方或者涌水事故处理地段以及其它不良地质地段 Ⅳ-Ⅴ级围岩，开挖数小时内可能剥落或局部坍塌 拱脚导管锚固Ⅴ级围岩，自稳能力低 法 地表锚杆与注Ⅴ级围岩浅埋地段和埋深≤50m的浆加固法 墙式遮挡法 隧道 浅埋隧道，且隧道的上方两侧（或一侧）地面有建筑物
注浆止水法 地下水丰富且排水时挟带泥沙引起- 65 -
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涌开挖而失稳，或排水后对其他用水影响较大的地段 水超前钻孔排水开挖面前方有高压地下水或者有充处法 理分补给源的涌水，且排放地下水不会影响围岩稳定及隧道周围环境条件 措超前导洞排水同上 施 法 井点降水法 渗透系数为0.6-80m/d的匀质砂土及亚粘土地段 深井降水法
水口山隧道入口段埋深≤50m，该段可采用地表砂浆锚杆来稳定地层。其他部分的地质条件较好，初次支护基本就可以稳定围岩，所以不用采取辅助工程措施。 7.4.2 地表砂浆锚杆设计
在浅埋洞口地段，由于覆盖层较薄，可能会形成边挖边塌的局面，使得进洞困难；在偏压洞口段 ，往往一侧边坡开挖过高，形成不稳定的边坡，危及施工和运营。在这样的情况下，采用地表锚喷加固是比较合适的。地表锚喷设计应遵循下列原则：
（1）锚杆应该垂直地表设置，根据地形以及主结构面具体情况也可以倾斜设置。 （2）锚杆宜采用HRB335钢筋，直径16-22mm，由单根钢筋或者多根钢筋并焊组成，间 距宜为1.0-1.5m，呈梅花形布置。
（3）锚孔直径应大于杆体直径30mm，充填不得低于M20的水泥砂浆。
（4）锚杆长度可根据隧道覆盖层厚度确定，一般取为地面至隧道拱部外边缘之间的距 离。
（5）加固宽度可按1-2倍隧道宽度考虑。
依照规范，并且结合工程类比法，水口山隧道采用直径20mm的HRB335钢筋，地面至
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覆盖较浅的匀质砂土及亚粘土地段 中南大学毕业设计（论文）
隧道拱部外边缘之间的距离约为3.4m,锚杆的长度取为3.0m，锚杆的加固宽度取为1.5×B=1.5×16.5=24.75m，取为25m，间距取为1.0m，呈梅花形布置，锚孔直径取为20+30=50mm，
在洞口上方陡坎加固和仰坡加固，沿坡面喷射厚5cm的C20混凝土。详细见图6-2所示。 7.5 钻爆设计
7.5.1 钻爆开挖的要求
开挖土体采用钻爆技术，是新奥法施工的一项关键工作，占整个隧道施工工程量的比重较大，造价约占20%-40%，同时钻爆施工是控制隧道工期的关键工序，对于保证开挖速度、保证围岩稳定和支护安全有重要意义，因此对钻爆开挖作业提出如下要求：
1.按设计要求开挖出端面（包括形状、尺寸、表面平整度及超欠挖等要求）； 2.石碴块度（石碴大小）运中，抛掷范围相对集中，便于装碴运输； 3.钻眼工作量少，掘进速度快，少占作业循环时间，并尽量节省爆破器材； 4.爆破在充分发挥其能力的前提下，减小对围岩震动破坏，以保证围岩稳定； 5.减少对施工用机具设备及支护结构的破坏，减少周围环境的破坏。 7.5.2钻孔机具和爆破材料选择 1.钻孔机具
目前在隧道开挖爆破中，广泛采用的钻孔机具为凿岩机和钻孔台车，其工作原理都是用镶嵌在钻头体前端的凿刃反复冲击并转动破碎岩石成孔。钻孔台车可以同时进行多孔凿岩，以缩短钻孔时间，加快掘进速度，宜用于大断面或全断面隧道开挖中使用。本隧道采用“半断面法”开挖，再考虑经济效益，采用凿岩机。 2.爆破材料
爆破材料是指炸药和起爆、传爆材料，起爆、传爆材料主要包括雷管、导火索、导爆等能提供和传递起爆能量，使炸药发生爆炸的材料。 （1）炸药选择
炸药的性能主要取决于所含化学成份，主要性能有敏感度、爆速、爆力、猛度殉爆距离、爆炸稳定性和临界直径，最佳密度，管道效应和安定性。隧道爆破中使用的炸药，应该是爆炸力大、使用安全、产生油毒气体少的炸药。目前工程用炸药一般以某种或几种单质炸药为主要成分，另加一些外加剂混合而成。常用的炸药类型有铵锑炸药、浆状炸药、乳化炸药和油炸药。本设计采用2号岩石硝铵炸药。
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中南大学毕业设计（论文）
我国通常将隧道爆破用的成药卷使用，标准药卷规格为外径32mm，装药净重为150g，长度200mm。另外常用的药卷直径型号还有22mm，25mm，35mm，40mm等，长度为165～500mm，可按爆破设计的装药结构和用药量来选择使用。用于光面爆破的炸药，有爆速低、猛度小、密度小的要求，通常制成小直径药卷。水口山隧道的辅助眼和掏槽眼采用标准药卷，外径32mm，线装药密度0.78kg/m。周边眼采用φ25mm的小直径药卷，线装药密度0.15kg/m。 （2）起爆、传爆材料
起爆传爆材料作用在于在装药以外的安全距离处通过发爆（点火，通电或激发）和传递，使安在药包或药卷中的雷管起爆，并引发药包或药卷爆炸，从而爆破岩石，常用的起爆传爆系统有：导火索和火雷管，电雷管，及塑料导爆管与非电雷管分别组成的系统。
根据程类比法，为实现微差爆破（20ms-400ms），本设计采用非电毫秒雷管。 7.5.3爆破参数 1.炮眼直径
炮眼直径大小对凿岩速度，炮眼数目，炸药单耗量，隧道壁的平整程度和石碴块度等有影响。炮眼直径应与药卷直径的大小相匹配，以免发生管道效应，导致药卷拒爆。当炮眼直径和药卷直径较大时，则可以减少炮眼数目，使炸药相对集中，但炮眼直径过大，则凿岩速度减慢；炸药相对集中，则石渣块度较大及洞壁平整度不好，并且对围岩爆破扰动较严重。
常采用不耦合系数来控制两者关系，不耦合系数D/，且要求药卷直径不小于炸药的临界直径。实际爆破设计时，对掏槽眼及辅助眼应采用较小的值，以提高炸药的爆破效率；对周边眼则可采用较大的值，以减小对围岩的破坏。
① Ⅱ级围岩，掏槽眼及辅助眼,取=1.2；周边眼,取=1.4；因此有： 掏槽眼及辅助眼炮眼直径：D1.23238.4mm； 周边眼炮眼直径：D1.42535mm 为方便施工，将炮眼的直径都取为：35mm。
② Ⅲ级围岩，掏槽眼及辅助眼,取=1.5；周边眼,取=2.0；因此有： 掏槽眼及辅助眼炮眼直径：D1.23248mm； 周边眼炮眼直径：D22550mm。 为方便施工，将炮眼的直径都取为：48mm。 2.循环进尺的选定
根据设计隧道的地质资料，并结合施工组织设计，分上、下台阶确定循环进尺（Ⅱ、 Ⅲ级围岩采用相同的循环进尺。）：
上台阶循环进尺：2.0m； 下台阶循环进尺：2.5m。
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中南大学毕业设计（论文） 3.炮眼深度
炮眼深度是指炮眼底到开挖作业面的垂直距离，合理的炮眼深度，对提高掘进速度和炮眼利用率都有较大的影响。计算方法是根据每一循环所要求的进尺数及实际利用的炮眼利用率来确定，计算公式为：
Ll/
(7-1)
式中 l——每掘进循环的计划进尺数；
η——炮眼利用率，一般不低于85%，本设计取90%。 则：
上台阶：L=2.0/0.90=2.2m，取2.2m，而考虑到掏槽眼和底部炮眼比其他掘进眼深15-20cm，因此掏槽眼和底部炮眼深度取2.2+0.15=2.35m；
下台阶：L=3.0/0.90=3.3m，取3.3m，而考虑到掏槽眼和底部炮眼比其他掘进眼深15-20cm，因此掏槽眼和周边炮眼深度取3.2+0.15=3.35m。 4.掏槽眼布置
通常的隧道开挖爆破，就是将开挖断面的不同种类炮眼分区布置和分区顺序起爆，逐步开挖扩大槽口，共同完成一个循环进尺的爆破掘进。其中掏槽眼最先起爆，为临近炮眼和爆破创造临点面，掏槽眼质量的好坏，直接影响整个隧道爆破的成败。根据施工方法，开挖断面大小，围岩状况和凿岩机具的不同，掏眼方式分为斜眼掏槽和直眼掏槽。
由于直眼不受围岩软硬和开挖断面大小的，可以钻深眼，长短钻杆配合可实现多台凿岩机同时作业，爆破碴石集中，便于快速出渣，有利于加快掘进速度，不易打坏支撑，排架及其他设备。结合工程类比法，本设计采用直眼掏槽方式，掏槽方式采用螺旋形掏槽，临空孔直径取为250mm，掏槽眼形式如图7-5所示：
图7-5 掏槽眼布置图
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中南大学毕业设计（论文） 5.炮眼数量
是指在一定开挖面上钻炮眼的数量，它直接影响凿岩的工作量，过多或者过少都会降低爆破的效果和掘进速度。三种炮眼数量最多的就是辅助眼，所以这里主要计算辅助眼的数目，用来估算炮眼的总数目。且要求理论计算的炮眼数目应与炮眼布置后得到的实际布置数目相差不大。
其计算公式为[3]：
NQksqar
(7-2)
k—爆破单位岩体岩石的炸药平均消耗量，简称炸药的单耗量（kg/m3），取为1.1kg/m3；
s—开挖断面面积；本设计Ⅲ级围岩上台阶面积为77.74㎡，下台阶为42.79㎡；Ⅱ级围岩上台阶面积为77.74㎡，下台阶为28.24㎡
α—装药系数，即装药长度与炮眼睛全长的比值，随围岩、炮眼的类别不同而不同，
一般取0.5-0.8；Ⅱ级围岩取0.7，Ⅲ级围岩取0.6。
r—每延米药卷的炸药重量，kg/m。 （1）Ⅱ级围岩段：
上台阶炮眼数目:N1.177.74156
0.70.78 下台阶炮眼数目:N1.128.2457
0.70.78 （2）Ⅲ级围岩：
上台阶炮眼数目:N1.177.74182
0.60.78 下台阶炮眼数目:N1.142.79101
0.60.78 6.周边眼的控制爆破 (1)周边炮眼间距
如图7-6所示，在不耦合装药的前提下，光面爆破应满足炮孔内静压力合理必须小于爆破岩体的极限抗压强度，而大于岩体的极限抗拉强度的条件。周边炮眼间距：
由： EcdKid (7-3)
l 其中Ki=10-16。
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中南大学毕业设计（论文） EE 图 7-6光面爆破周边眼布置 根据工程类比的办法，本设计周边眼间距E的取值为：Ⅱ级围岩E=55cm；Ⅲ级围岩E=50cm。 (2)光面层厚度及炮眼密集系数 光面层厚度就是周边炮眼爆破的那一部分岩层，即周边炮眼的最小抵抗线W。周边眼密集系数k是周边炮眼间距E与最小抵抗线W的比值。实践表明，光面爆破以k=0.8左右为宜，光面层厚度一般取50-90cm。
在本设计中取k=0.8，则：
Ⅱ级围岩：W=E/k=55/0.8=68.75cm,取70cm； Ⅲ级围岩：W=E/k=50/0.8=62.5m,取65cm。 (3)周边眼的布置
炮眼的布置受地质条件、断面大小、炸药性能等因素的影响。周边眼应严格按照设计要求来布置，断面拐角处应布置炮眼。为了满足钻机钻眼需要和减少超欠挖，周边眼设计位置应考虑3%～5%的外插斜率。并应使前后来两排的衔接台阶高度（即锯齿形的齿高）最小为佳，此高度一般要求为10cm左右，最大也不应大于15cm。一般地，对于松软岩层，眼底应落在设计轮廓线上，对于中硬岩及硬岩，眼底应落在设计轮廓线以外10～15cm，底板眼一般都落在设计轮廓线以外。
对于本设计而言，周边眼外插角取4%，对于坚硬岩层，周边眼眼底落在设计轮廓线下10cm，底板眼眼底落在设计轮廓线以外10cm，详见图7-7所示。 7.辅助眼炮眼间距
炮眼间距是指同一排（或同一段号）两炮眼之间的距离，通常应大于抵抗线，小于炮眼的深度，有经验公式：a1.11.8W，本隧道：
Ⅱ级围岩：a1.47098cm，取100cm； Ⅲ级围岩：a1.46591cm，取90cm； 8.装药结构
装药结构是指继爆炸药和起爆炸药卷在炮眼中的布置型式。按起爆药卷在炮眼中位置和其中雷管的聚能穴的方向可以分为正向装药和反向装药，按其连续性则可分为连续装药和间
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中南大学毕业设计（论文）
隔装药。掏槽眼和辅助眼多采用大直径药卷孔底连续装药，周边眼可采用小直径药卷连续装药或大直径药卷间隔装药。
周边眼采用小直径药卷（φ25）空气间隔装药结构，其余炮眼采用标准药卷（φ32）连续装药结构。 7.5.4炮眼布置
炮眼布置应按以下原则进行布置：
a）将算出炮眼数目均匀或大致均匀的分布于开挖面上；
b）掏槽眼一般布置在开挖面偏下部，其深度应比其他掘进眼深15～20cm，为了得 到平整的开挖面，除了掏槽眼和底部炮眼外的所有掘进眼眼底应落在同一个平面上， 底部炮眼深度一般与掏槽眼相同或略小；
c）掏槽眼槽口尺寸一般在1.0～2.5m2之间，要与循环进尺断面大小和掏槽方式相协调； d）辅助眼应由内向外逐层布置，逐层起爆，逐步接近开挖断面轮廓形状； e）严格按照设计位置布置周边眼；
f）当炮眼深度超过2.5m时，靠近周边眼的内圈炮眼与周边眼有相同的斜率。对于本设 计因为炮眼深度大于2.5m，所以要考虑；靠近周边眼的内圈炮眼与周边眼取相同的 斜率4%。
g）当岩层层理明显时，炮眼方向应尽量垂直于层理面，如节理发育，则炮眼位置应避开 节理，以防卡钻和影响爆破。
根据上述原则，并结合本隧道的各爆破参数，可得炮眼布置图，如图7-7所示：
（a） Ⅱ级围岩施工掏炮眼布置
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（b）Ⅲ级围岩施工炮眼布置
图7-7 炮眼布置
7.5.5 单眼装药量计算
周边眼的装药量，通常用线装药密度，即每米长炮眼的装药数量来表示。通常根据围岩条件、炸药品种、孔距和光面层厚度等因素综合考虑确定，一般控制在0.04-0.4kg/m。结合工程实例，本设计取为0.15kg/m。其他眼用药量计算公式：q=k·a·W·L·λ
其中：q为炮孔用药量，kg；k为炸药单耗，取1.1kg/m³；a为炮孔间距，m，参照图7-7；W为最小抵抗线，m，参照图7-7；L为孔深，m；λ为隧道炮孔部位参数（参照表7-2）。.
表7-2 炮孔部位参数表
炮孔部位 λ (1)Ⅱ级围岩
掏槽眼 1.5～3 扩槽眼 1.0～2.0 辅助眼 0.8～1.2 内圈眼 底板眼 0.5～0.8 1.5～2.0 ① 上台阶，炮孔部位参数为：
掏槽眼：2.5；扩槽眼：1.5，辅助眼：1.0，故：
掏槽眼q1=0.7×0.62×0.37×2.35×2.5=0.94kg（0.62为掏槽眼1与2间的距离） 掏槽眼q2=0.7×1.2×0.6×2.35×2.5=2.96kg
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扩槽眼q3=q4=0.7×1.0×1.0×2.2×1.5=2.31kg 辅助眼q5=q6=q7=q8=0.7×1.0×1.0×2.2×1.0=1.kg 周边眼q9=0.15×2.35=0.35kg ②下台阶，炮孔部位参数为： 辅助眼：1.0，底板眼：1.5，故：
辅助眼q11=0.7×1.0×1.0×3.3×1.0=2.31kg 底板眼q12=0.7×0.55×1.0×3.35×1.5=1.93kg 周边眼q10=0.15×2.35=0.35kg (2)Ⅲ级围岩
① 上台阶，炮孔部位参数为：
掏槽眼：2.3，扩槽眼：1.2，辅助眼：1.0，故：
掏槽眼q1=0.7×0.62×0.37×2.35×2.3=0.87kg（0.62为掏槽眼1与2间的距离） 掏槽眼q2=0.7×1.12×0.56×2.35×2.3=2.37kg 扩槽眼q3=q4=0.7×0.9×0.9×2.2×1.2=1.50kg
辅助眼q5=q6=q7=q8=q9=0.7×0.9×0.9×2.2×1.0=1.25kg 周边眼q10=0.15×2.35=0.35kg ②下台阶，炮孔部位参数为： 辅助眼：1.0，底板眼：1.5，故：
辅助眼q11=0.7×0.9×0.9×3.3×1.0=1.87kg
辅助眼q12=q13=q14=0.7×0.9×0.9×3.3×1.0=1.87kg 底板眼q16=0.7×0.5×0.65×3.35×1.5=1.15kg 周边眼q15=0.15×2.35=0.35kg 7.6 施工进度计划
一个隧道开挖作业循环的施工工序主要包括测量放线、超前支护、钻眼、装药放炮、通风排烟、找顶（清理危石）、装渣运渣和支护等八道施工工序。设计说明给定的施工工期为：12个月，水口山隧道长度为268.5m，长度较短，可以先将上台阶挖通，再进行下台阶的施工。计划八个月竣工，上台阶用5个月，则每个月上台阶应该掘进的长度为：268.5÷5=53.7m，每天应该掘进的长度为：53.7÷30=1.79m≈2.0m；下台阶用三个月，则每个月下台阶应该掘进的长度为：268.5÷3=.5m，每天应该掘进的长度为：.5÷30=2.98m≈3.0m。 7.6.1 Ⅲ级围岩段上台阶开挖计划进度 1. 循环进尺计算
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采用一班一循环制，一个循环12h，计划每日循环进尺2.0m，，则月进度60m。 2. 十二小时施工循环时间分配计算 （1）测量时间t1
测量放线时间根据工程类比法，取1h 。
（2）钻眼时间t2
NL1742.22 t21.073(h)
m15600.4 L——炮眼长度；
N——上台阶炮眼数目，根据前面计算取174个；
m——风钻台数，按开挖面积每2～5m2 布置1台考虑，由于工期不很紧张，这里 取为15台；
σ ——凿岩机利用率，取0.7—0.8，这里取0.8。
考虑到这样算出的t1是纯钻眼时间，未考虑钻机就位、出钻、换钻杆等辅助作业时 间，故应修正之，其修正系数依照工程类比得出C1=1.3，则：
t2= t2×1.3=1.073×1.3=1.6 (h)≈1.5 (h)
（3）装药起爆时间t3
总共有174个炮眼，假设每给两个炮眼装药，需要的时间为1分钟，三个人同时工作，则需要174÷6=29分钟，再加上起爆准备工作时间，所以可以取t3=1.0(h) （4）通风排烟时间t4
依照工程类比法，通风排烟时间取为： t4=1.0 (h) （5）清理危石时间t5
依照工程类比法，找顶时间取为：t5=0.5 (h)
（6）装渣运渣时间t6
SsinL0.977.741.00.92.04.19(h)4.5(h) t630 其中 ——炮眼利用率，0.75~0.95，这里取为0.9；
——装渣与钻眼平行作业折减率，取0.8~1.0，如平行程度高，
取0.9；
——装渣生产率，取为35%；
S——开挖面积，由前面计算 可知取77.74㎡ ；
L——循环进度。 （7）支护时间，则：
综上所述，可得到Ⅲ级围岩开挖循环时间如表7-2所示：
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依照工程类比法，支护时间取为：t7=2.5 (h)
中南大学毕业设计（论文）
表7-2 Ⅲ级围岩上台阶开挖作业循环时间
序号 1 2 3 4 5 6 7 3. 总的开挖天数
工序名称 测量 钻孔 装药爆破 通风排烟 清理危石 出渣 支护 时间（h） 1 1.5 1.0 1.0 0.5 4.5 2.5 Ⅲ级围岩段衬砌总长为：L=68.5+100=168.5m，则总的开挖工天：
168.585天 T2.0 7.6.2 Ⅱ级围岩段上台阶开挖计划进度 1. 循环进尺计算
采用一班一循环制，一个循环11h，计划每日循环进尺2.0m，，则月进度60m。 2. 十一小时施工循环时间分配计算 （1）测量时间t1
测量放线时间根据工程类比法，取1h 。
（2）钻眼时间t2
NL2002.22 t21.23(h)
m15600.4考虑到这样算出的t1是纯钻眼时间，未考虑钻机就位、出钻、换钻杆等辅助作业时间，故应修正之，其修正系数依照工程类比得出C1=1.3，则：
t2= t2×1.3=1.23×1.3=1.599(h)≈1.5(h)
（3）装药起爆时间t3
总共有200个炮眼，假设每给两个炮眼装药，需要的时间为1分钟，四个工人同时作业，则需要200÷8=25分钟，再加上起爆准备工作时间，所以可以取t3=1.0(h) （4）通风排烟时间t4
依照工程类比法，通风排烟时间取为： t4=1.0 (h) （5）清理危石时间t5
依照工程类比法，找顶时间取为：t5=0.5 (h)
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中南大学毕业设计（论文）
（6）装渣运渣时间t6
SsinL0.977.741.00.92.04.20(h)4.0(h) t630（7）支护时间，则：
综上所述，可得到Ⅲ级围岩开挖循环时间如表7-3所示：
表7-3 Ⅱ级围岩上台阶开挖作业循环时间
依照工程类比法，支护时间取为：t7=2.5 (h)
序号 1 2 3 4 5 6 7
3. 总的开挖天数
工序名称 测量 钻孔 装药爆破 通风排烟 清理危石 出渣 支护 时间（h） 1 1.5 1.0 1.0 0.5 4.5 2.5 Ⅱ级围岩段衬砌总长为：L=100m，则总的开挖工天：
10050天 T2.07.6.3 Ⅲ级围岩段下台阶开挖计划进度 1. 循环进尺计算
采用一班一循环制，一个循环10h，计划每日循环进尺3.0m，，则月进度90m。 由于在进行下台阶施工时，上台阶二次衬砌早已经施工完毕，故这里可以不计算找顶（清除危石）的时间。 2. 十小时施工循环时间分配计算 （1）测量时间t1
测量放线时间根据工程类比法，取1h 。 （2）钻眼时间t2
NL1153.331.59(h) t2m10600.4 考虑到这样算出的t1是纯钻眼时间，未考虑钻机就位、出钻、换钻杆等辅助作业时 间，故应修正之，其修正系数依照工程类比得出C1=1.3，则：
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中南大学毕业设计（论文）
t2= t2×1.3=1.59×1.3=2.07 (h)≈2.0 (h)
（3）装药起爆时间t3
总共有115个炮眼，假设每给两个炮眼装药，需要的时间为1分钟，两个工人作业， 则需要115÷4=28.75分钟，再加上起爆准备工作时间，所以可以取t3=1.0(h) （4）通风排烟时间t4
依照工程类比法，通风排烟时间取为： t4=1.0 (h)
（5）装渣运渣时间t5
SsinL0.942.791.00.93.03.47(h)3.5(h) t530 （6）支护时间，则：
综上所述，可得到Ⅲ级围岩开挖循环时间如表7-4所示：
表7-4 Ⅲ级围岩下台阶开挖作业循环时间
依照工程类比法，支护时间取为：t6=1.5 (h)
序号 1 2 3 4 5 6 3. 总的开挖天数
工序名称 测量 钻孔 装药爆破 通风排烟 出渣 支护 时间（h） 1 2.0 1.0 1.0 3.5 1.5 Ⅲ级围岩段衬砌总长为：L=68.5+100=168.5m，则总的开挖工天：
168.557天 T3.07.6.4 Ⅱ级围岩段下台阶开挖计划进度 1. 循环进尺计算
Ⅱ级围岩段，采用一班一循环制，一个循环8h，计划每日循环进尺3.0m，，则月进度90m。 由于在进行下台阶施工时，上台阶二次衬砌早已经施工完毕，故这里可以不计算找顶（清除危石）的时间。 2. 八小时施工循环时间分配计算 （1）测量时间t1
测量放线时间根据工程类比法，取1h 。
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中南大学毕业设计（论文） （2）钻眼时间t2
NL713.33 t21.40(h)
m7600.4考虑到这样算出的t1是纯钻眼时间，未考虑钻机就位、出钻、换钻杆等辅助作业时 间，故应修正之，其修正系数依照工程类比得出C1=1.3，则：
t2= t2×1.3=1.40×1.3=1.83 (h)≈2.0 (h)
（3）装药放炮时间t3
总共有71个炮眼，假设每给两个炮眼装药，需要的时间为1分钟，两个工人同时作业，则需要71÷4=17.75分钟，再加上起爆准备工作时间，所以可以取t3=1.0(h) （4）通风排烟时间t4
依照工程类比法，通风排烟时间取为： t4=0.5 (h)
（5）装渣运渣时间t5
SsinL0.928.241.00.93.02.28(h)2.5(h) t530 其中 ——炮眼利用率，0.75~0.95，这里取为0.9；
——装渣与钻眼平行作业折减率，取0.8~1.0，如平行程度高，取0.9； ——装渣生产率，取为80%；
S——开挖面积，由前面计算 可知取28.24㎡ ； L——循环进度。 （6）支护时间，则：
综上所述，可得到Ⅲ级围岩开挖循环时间如表7-5所示：
表7-5 Ⅱ级围岩下台阶开挖作业循环时间
依照工程类比法，支护时间取为：t6=1.0 (h)
序号 1 2 3 4 5 6
3. 总的开挖天数
工序名称 测量 钻孔 装药爆破 通风排烟 出渣 支护 时间（h） 1 2.0 1.0 0.5 2.5 1.0 Ⅱ级围岩段衬砌总长为：L=100m，则总的开挖工天：
10034天 T3.0
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中南大学毕业设计（论文） 7.6.5施工总工期的确定
由于工期不紧张，所以水口山隧道可以只从一个面开挖，则从开挖到最后贯通历时85+50+57+34=226天。考虑其他的施工时间：进场准备时间1个月，防水层的设置落后洞身开挖10天，路面工程落后二次衬砌10天，附属设施落后路面工程16天。
T总22630101016292(天) 7.7资源供应编制 7.7.1 每洞口劳动力配备
1.每端洞口需配备的总劳动力人数M总（以Ⅲ级围岩段施工为例）
Ⅲ级围岩月进度为20m,隧道长度为288.5m，表中双口成洞进度70m，则单口为35m,单口总劳动力人数为360人。故Ⅲ级围岩每延米成洞劳动力人数：M总2.配备各工种总数
非生产人员按总人数的12～14%计算，生产工人的实际出勤率按85～95%计算。则每端洞口实际配备总人数：M实总206260人。
0.880.9036020206人。 35根据工程类比法，最后确定水口山隧道劳动力安排表:
7-8 水口山隧道线隧道每一洞口劳动力安排表
人员及组别 管理人掘 进
人数 1 1 1 1 2 26 30 22 12 20 工 作 内 容 施工现场、调度室、全面管理、负责全队政治思想工作，后勤主管技术工作，并兼职环保 配合技术主管搞好技术工作 安全、质量检查 钻孔、装药、起爆、打管棚 装碴运碴、扒碴、机械排险 锚杆、喷砼、挂网、注浆 机械维修 格栅钢架加工、安装 - 80 -
队长 技术副队长工程师 安全员 钻爆工 出碴工 喷锚工 机修工 钢筋工 中南大学毕业设计（论文）
班 调杂工 调度长 调度员 衬 砼拌合工 砼输送工 砼工 砌 防水工 杂工 保电工 供风、水工 运输工 障合 计
7.7.2 材料机械需要量计算
18 2 3 6 12 38 11 15 4 10 15 26扒碴、物料倒运、洞内掘进辅洞内、洞外各工序协调 洞内开挖、出碴、衬砌各工序拌合砼、拌合机械维修 运输砼、运输车保养维修、输台车移位、立端头模、捣固、安装透水管、引排水、铺设防洞外物料倒运、衬砌辅助工作 电气设备安装、维修 高压送风、供水、通风、管路运料、砂、石、钢材、水泥等 根据隧道工程数量，材料消耗定额，施工进度安排，分洞口计算所需钢材、木材、水泥、砂石等主要材料，以及拱架、高压风管，通风管等周转（备配）材料，并分季（月）编制材料、备品供应计划。由于设计资料有限，除了混凝土和钢材可以根据成果图来编制外，其他材料无法做出计算。根据施工方法确定机械类型，按照工程数量，施工进度安排和机械台班定额计算机械需要量，并考虑一定备用机械。
采用工程类比，指定每一个洞口施工机具的配备情况如下表7-9所示。
表7-9机械需要量
序 号 1 2
机械品种 需要量 序 机械品号 14 15 种 需要量 空气压缩 4机 台 潜水泵 5台 抽水机 4台 风动凿岩20台 - 81 -
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机 3 4 5 6 钻钎机 电瓶车 充电机 混凝土搅拌机 混凝土捣固机 砂浆拌合机 风动压浆机 电动压浆机 喷混凝土机 卷扬机 通风机 5台 2台 2台 2台 16 17 18 19 低压变压器 斗车 平车 平移调车器 3台 20辆 8辆 2台 7 5台 20 碎石机 2台 8 2台 21 磨砂机 2台 9 3台 22 电焊机 1台 10 2台 23 氧焊机 1台 11 12 13
4台 4台 2台 24 25 26 钻床 砂轮 钻杆对1台 1台 1台 - 82 -
中南大学毕业设计（论文）
焊机
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第8章 监控量测
8.1 概 述
监控量测是在施工过程中，使用各种仪器设备和量侧元件，对地表沉降，围岩与支护结构的变形、应力、应变进行量测，据此来判断隧道开挖对地表环境的影响范围和程度，围岩稳定性和支护的工作状态，是指导施工的重要手段。 8.1.1监控量测的目的
通过监控量测可以达到以下目的：
1. 为设计和修正支护结构形式和参数提供依据。
进行隧道设计，必须依靠工程地质调查和试验来提供必要的依据和信息，但是由于岩体地质情况的千差万别，存在很大不可预见性，使得工程地质调查和试验取得的数据很难反映岩体的真实性，所以在施工过程中，通过围岩与支护的变形与应力测试数据，可对原设计予以修正，或为重新计算和设计提供依据。 2. 正确选择开挖方法和支护施作时间。
通过分析量测数据，可以确定符合具体工程要求和地质条件的施工方法和支护结构的施作措施，以充分利用围岩自承能力，然后通过量测分析，再确定适宜的二次支护时间；在侧压力较大的地层中，利用量测数据，可以确定最佳的仰拱施作时间。 3. 为隧道施工和长期使用提供安全信息。
通过对围岩稳定性与支护可靠性的量测监控和分析评价，可以发现施工中掩藏的不安全因素和隧道有可能失稳的区段或局部薄弱的部位，从而及时采取相应的加固措施。
此外，监控量测为研究新奥法力学机理和设计理论提供了重要途径。通过施工现场量测，人们才能深入系统地研究围岩和支护结构共同作用的力学机制，才可能认识不同条件、不同类型岩体的变形破坏机理。 8.1.2监控量测的内容及方法
现场监控量测应根据隧道的地质地形条件、支护类型和参数，施工方法以及有关条件制定计划。计划的内容有：量测项目及方法、量测仪器的选定、测点布置、数据处理及量测人员的组织等。
监控量测项目分为必测项目和选测项目[3]。它们的量测方法如表8-1所示：
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表8-1监控量测项目及方法一览表[1]
项对目 应围岩 Ⅴ级围岩 Ⅴ、Ⅳ级围岩 必 测 项 Ⅴ目 、Ⅳ级围岩 Ⅴ级围岩 Ⅴ、选 Ⅳ测 级项 围目 岩 Ⅴ级
方法名布超前地质预与工称 具 置 报、量测间隔时间 超围岩及前估计前地地质雷方不良在需要地段质地质处 的20m一次 达 预报 地岩质性、结及构面开挖后支产状及初期每次爆破后护及支支护后进行 状护裂进行 态缝观观察 察 水Ⅳ级 爆破后24小平20-40m时内进行 收/个Ⅴ0-11836>敛各种级8m -3-990m 及类型20-30m6m 0m 拱的收/天 顶敛计 111-2下次次1次次/沉///月 天 测天 天 量 仰拱开挖后12小时内进行 仰16-1-3>3拱水平Ⅴ级1-1530个个隆仪、水20-30m天 天 月 月 起准尺 一个 111-21-3量次次次/次/测 //2月 月 天 天 爆破后24小时内进行 围洞内每一类岩钻孔围岩选0-18-36->内安装一断1836m 90m 90m 部多点面，每m 位杆式断面1-111次移位移3-11个2次/次/周 量次天 /2计 测点 测 /天 天 锚各类每一类锚杆施作后杆电测围岩选开始 - 85 -
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围内岩 力量测 锚杆、一组，锚杆每组测力3-5根 计及拉拨计 应变片及支柱压力计 表面应力解除法 每20-30 钢支撑选一每段钢支撑均量测 每一类围岩选一组，每组3-5个测点 每一类围岩选一组，每组2-5个断面每断面7-11个测点 钢Ⅴ支级撑围内岩 力监测 喷Ⅴ混、凝Ⅳ土级应围力岩 量测 二Ⅴ次、衬Ⅳ砌级压围力岩 测量
8.2 监控量测设计
0-18-36->1836m 90m 90m m 1-111次2次/次/周 次天 /2/天 天 钢支撑施作后开始 0-18-36->1836m 90m 90m m 1-111次2次/次/周 次天 /2/天 天 二次衬砌施作前进行 二次衬砌施作后进行 1-16-1-3>31530个个天 天 月 月 111-21-3次次次/次///2周 月 天 天
各类型压力盒 本隧道围岩条件比较好，除了要做洞内观察、周边相对位移、拱顶沉降量这些必选项目的量测外，只需要做地表沉降量测即可。 1.洞内观察
隧道开挖后，观察与描述工程地质与水文地质，观察开挖工作面附近初期支护（锚杆、喷射混凝土和钢架）结构状况以及裂缝情况，并且判断围岩、隧道的稳定性和支护参数检验。
每次爆破后都进行观测，地质无明显变化时可一天进行一次，观测后作好记录。
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中南大学毕业设计（论文） 2.周边相对位移和拱顶沉降
周边相对位移与拱顶沉降统称收敛。是隧道内各种量测中最重要的项目。根据量测结果判定拱顶及周边围岩的稳定性、初期支护及施工的合理性、灌注二次衬砌的时间。
拱顶沉降与周边相对位移量测原则上设在同一断面上进行，量测测点的间距如下表8-2所示。
表8-2 周边相对位移、拱顶下沉的测点间距（单位：m）
围围岩级别 间距（m） Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ 20～20～10～100 50 20 5～10 根据上表可得本隧道测点断面间距：
（1）里程为：YK3+731.5—YK3+752、YK3+948—YK3+960的地段为Ⅲ级围岩浅埋段，测点间距取20m；
（2）里程为：YK3+752—YK3+800、YK3+900—YK3+948的地段为Ⅲ级围岩深埋段，测点间距取30；
（3）里程为：YK3+800—YK3+900的地段为Ⅱ级围岩浅埋段，测点间距取40m。 水口山隧道的围岩条件好，自稳能力强，收敛量测的基线，在Ⅲ级围岩浅埋段布置2条，Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩深埋段布置1条。具体如下图所示：
图8-1 洞内收敛量测基线布置图
8.3 监控量测资料分析与应用
监控量测得到的数据，必须进行相应的处理，然后利用处理后的数据显示出的相应信息来指导施工，更改施工方法或设计参数，保证施工的安全进行。具体的数据处理与分析方法
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中南大学毕业设计（论文） 可参考彭立敏主编的《隧道工程》一书。
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第9章 隧道附属设施设计
9.1防排水系统设计
在隧道修建过程中，防排水是最重要的一个环节之一，它对于隧道的整体稳定性和营运设备的正常使用和行车安全有至关重要的作用。隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完善通畅的防排水系统。 9.1.1 隧道防水 1.隧道防水的规定：
（1）隧道首先要重视防止地表水的下渗，其措施为填平、铺砌、勾补、抹面等。对于坑 穴、钻孔等均应填实封闭。
（2）围岩破碎、涌水易坍地段，应直接向围岩内预加浆。当涌水量大时，应采用化学浆 液。向衬砌背后压浆时，应防止因压浆而堵塞衬砌背后的排水措施。
（3）隧道衬砌防水，首先采取引排措施，然后敷设衬砌内、外防水层；也可修建复合式 衬砌，采用夹层防水层。
（4）混凝土应满足抗渗要求，寒冷地区冻害地段和严寒地区所采用混凝土的抗渗标号不 宜低于S4。
（5）施工缝、变形缝等处的防渗应采取专门的防水措施。 2.防水层
内外之间的防水层，可用聚异丁烯等防水材料或用喷涂乳化沥青等防水剂，在喷层表面有凹凸不平时，应事先用砂浆敷面，做成找平层，以便岩层壁与防水层密贴。防水层接缝处，一般用热气焊接，或采用电焊接，亦可以用适当的溶剂做溶液焊接，用以保证防水的质量。 3.“三缝”防水
“三缝”是防水最薄弱的环节，也就是经常出现渗漏的地方，在隧道防水处时，除注意全面的防水措施外，还应该考虑接缝的局部防水处理。
（1）施工缝的防水处理：对于平接式施工缝，在浇灌第二层混凝土前用钢丝刷将底层刷 毛或在第一层浇灌4-5小时后，用高压水将混凝土表面冲洗，直至露出表面石子为 止，然后在按⊥型施工缝方法刷水泥浆及铺设水泥砂浆。
（2）沉降缝、伸缩缝的防水处理：沉降缝一般设在软硬地层分界地段，以防不同地基沉 陷而引起衬砌变形、开裂；伸缩缝是适应衬砌混凝土因温度变化而伸缩变形的一种 现象，防水可用沥青麻筋填塞。
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中南大学毕业设计（论文） 9.1.2 隧道排水 1.洞内排水
洞内一般应设置纵向排水沟、横向排水坡或横向排水暗(盲)沟等排水设施。排水沟应符合下列规定：
（1）水沟坡度应该与路线坡度一致，一般排水坡不小于0.5%，困难地段不小于0.3%， 路面横向排水坡不应小于1.0%，横向排水暗(盲)沟的坡度则不应小于2%。
（2）隧道内应设置双侧水沟。有仰拱的隧道或需设置深埋水均的隧道宜设置中心水沟。 水沟的侧面应设置足够的进水孔。
（3）水沟横断面应根据水力计算确定。必要时，水沟应设置沉沙井、检查井，并铺设盖 板，其位置、结构构造应考虑便于清理和检查。 2.洞外排水
洞外排水应根据地形、地质、气象情况，结合农田水利情况全面策划，综合治理，因地制宜的设置疏水、截水、引水设施。 3.洞口防排水
（1）隧道、辅助坑道的洞口(包括边仰坡)应设置截水沟和排水沟；洞口边坡、仰坡应采 取防护措施，防止地表水的下渗和冲刷。
（2）洞口外路堑为上坡时，可在洞口外设置反向排水边沟和截流涵洞，防止洞外水流入 隧道内。
（3）靠围岩的边墙顶、边墙后，宜设置纵向和竖向盲沟，将水引至边墙底泄水孔排出。 明洞侧沟应防止地面水侧向流入。 9.1.3 水口山隧道防排水设计
防排水设计的总的设计思路为：1.洞外水就近排走，绝不能流入洞内；2.洞内外及时快捷地排到洞外。 1.隧道洞内防排水设计
本隧道进洞口处位于一山沟处，在雨季会有雨水往洞口汇集，地理位置很不利，对明洞段和浅埋段的防排水要求较高。考虑上述原因，在初次衬砌与二次衬砌之间设置由防水板与无纺布组成的复合防水层，在初期支护完成后，在混凝土表面纵、环向通铺指标为300gm2的无纺布，再铺环向1.2mm厚的防水板卷材，接缝搭接长度为0.1m。
水沟组合方式有：设置双侧水沟，不设中心排水沟；设置中心排水沟，也设置边沟。路面为单面坡，边沟可单侧设置，双面破应两侧设置。路侧边沟采用开口式明沟和暗沟两种
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中南大学毕业设计（论文）
形式。开口式明沟便于清洗，不易淤积，不需要设沉砂池，采用预制，施工速度快。缺点是预制块间的接缝不易保证不漏水。本隧道设计采用开口式明沟，一侧布置，明沟尺寸如图9-1：
图9-1 边沟尺寸
在隧道中间设置排水沟，衬砌背后的地下水经横向导管通过中心水沟排出。横向排水沟坡度取为2%，纵向间距按25m设置。横向导水管两端采用三通连接，如图9-2所示：
9-2排水沟构造形式
排水沟、边沟、墙背纵向排水沟一起组合成一个联通的隧道内部排水系统，保证隧道内部的顺利排水，排水系统示意图见图9-3所示。
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中南大学毕业设计（论文）
图9-3 排水沟纵向距离
二次衬砌施工缝、伸缩缝、沉降缝等是防渗漏水的薄弱环节，应采用可靠的防水措施，除按施工规范要求处理外，还应进行精心的设计，采用合适的防水材料和构造形式。二次衬砌的施工缝、沉降缝的主要构造如图9-4所示。
图9-4 二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式 2.隧道洞口防排水设计
在明洞回填层顶面洞门墙背设排水沟，在洞门或者明洞槽边、仰开挖线5m以外设置截
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中南大学毕业设计（论文） 水沟。具体布置可参照洞门剖面与平面图。 9.2电缆槽设计
通讯、信号与电力等电缆通过隧道时，应设置当电缆通过隧道时，应在隧道内设置电缆槽。电缆槽的布设应满足下列规定：
1)通讯、信号电缆可设在一个电缆槽内，也可分设，但必须和电力电缆分槽布设。当电 力电缆沿隧道边墙或顶板架设时，应有必要的防护措施。
2)通讯、信号电缆的弯曲半径一般不小于1.2m，电力电缆槽的弯曲半径通常为电缆外径 的6～30倍。
3)电缆槽底有高低差时，纵向应顺坡连续。
4)电缆槽一般应与边沟一并考虑，并在适当地点预留引进或引出电缆的孔穴和检修洞。 当电缆槽单独设置时，应设盖板，盖板顶面应与人行道或边沟盖板平齐。
公路隧道的照明和通风标准壁铁路隧道的要高，因此电缆槽需要的空间通常比较大，并且应按电力电缆（又称“强电”）和通讯电缆（又称“弱电”）分别放置在隧道的两侧。
此外，公路隧道还应设置消防管道的位置，这类管道通常与通讯电缆一起放置在隧道的一侧。本隧道内的电缆槽为双侧设置，具体尺寸在参照标准的同时，结合隧道限界条件设置，如图9-5所示。
图9-5 通讯电缆沟、电力电缆沟细部尺寸图
9.3 行车道道路面设计
规范建议：一级公路、高速公路隧道路面，从技术性、适用性等角度，建议推广下面层为水泥混凝土而上面层为沥青的复合路面。水口山隧道为高速公路隧道，隧道路面采用规范推荐的这种“下面层为水泥混凝土而上面层为沥青的复合路面”路面结构型式。
路面工程详图见图9-6所示:
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（a）设仰拱的路面结构
（b）不设仰拱的路面结构
图9-6 隧道路面结构详图
9.4 隧道通风设计 9.4.1 隧道通风类型
公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量。此外还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件，在充分考虑各种条件后，才能定出既有效又经济的通风方式。如同铁路隧道一样，公路隧道的通风方式也分为自然通风和机械通风两种，但其机械通风方式比铁路隧道要多。按行车道空间的空气流动方式，将公路隧道的通风方式归纳如下：
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中南大学毕业设计（论文）
9.4.2 水口山隧道通风设计
在选择通风方式时，首先应确定隧道内所需的通风量，然后论证自然通风能否满足要求，如果不能，则应当采用机械通风。公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量。此外，还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件，在充分考虑了各种条件之后，才可能定出既有效又经济的通风方式。
从世界各国的隧道实例来看，长度在200m以下，甚至200~500m的对向交通隧道，在一定的交通量以下，可以考虑用自然通风。我国《公路隧道通风与照明设计规范》规定，宜设置机械通风的条件为：
双向交通隧道： L×N≥6×105 （9-1） 单向交通隧道： L×N≥2×106 （9-2） 式中：L——隧道长度（m）
N——设计交通流量（辆/h）。
武阳右线隧道长度为L=288.5m，设计交通流量为32000辆/天，故： L×N=288.5×32000÷24=384667＜2×106 所以本隧道采用自然通风即可满足要求。 9.5 隧道照明设计 9.5.1 概述
高速公路和一、二级公路长度超过100m的隧道，应设置昼夜不断的照明，而对于能通视、交通量较小、行人密度不大的短隧道可不设白天的照明。隧道照明主要是为了便于工作人员对隧道及其设备进行检查、养护维修以及洞内人员行走与躲避车辆而设置的。
水口山隧道全长288.5m，为高速公路隧道，需要设置昼夜照明，以满足必要的运营需要。
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中南大学毕业设计（论文） 9.5.2 照明区段设计
照明区段的合理设置和照明光度的合理设计关系到司机在行车过程中的安全。因而，为解决各种视觉效应（如“黑洞效应”、“适应的滞后效应”、“白洞效应”等），隧道照明可分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段五个区段[2]。 1.入口段 （1）入口段长度
指进入隧道洞口的第一段，设置此段的目的是使司机的视力开始适应隧道内的照明光线。入口段照明长度可按下式计算：
Dth1.Dsh1.5tan10
（9-3）
式中：Dth——入口段照明长度，m；
Ds——照明停车视距，m；取106m； h——洞口内净空高度，m；取8.08m。
则： Dth=1.×106-（8.08-1.5）/tan10°=125.9m，取126m。
（2）入口段亮度
照明亮度：Lth=k·L20(S)
式中：Lth——入口段亮度（cdm2）；
k——入口段亮度折减系数，按规范选取为0.039； L20(S)——洞外亮度（cdm2），取3000cdm2。
则：Lth=k·L20(S)=0.039×3000=117cdm2 2.过渡段 （1）过渡段长度
过渡段是介入入口段和中间段之间的照明区段，其任务是解决从入口段的高亮度到中间段的低亮度之间的剧烈变化（可差数十倍）给司机造成的不适应现象，使司机能有充分的适应时间。过渡段由Dtr1，Dtr2，Dtr2三个照明段组成，对于行车速度为80Km/h的隧道，过渡段三个照明段得长度分别为72m,m,133m。水口山隧道的过渡段总长取30m，则有：
72 Dtr1=5012.24m
72133 Dtr2=
5015.14m
72133
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Dtr3=（2）过渡段照明亮度
过渡段照明分三段TR1、TR2、TR3组成，与之对应的长度和亮度如下表9-1所示：
表9-1 过渡段照明
1335022.62m
72133分段 TR1 TR2 TR3 3.中间段
亮度（cdthm2） 长度（m） 12.24 15.14 22.62 0.3L=35.1 0.1L=11.7 th0.035L=4.1th0 司机已基本适应洞内的照明亮度，中间段的基本任务就是保证行车照明。中间段长度取为Din=50m，照明亮度取为Lin=3.00cdm2 4.出口段
在单向交通隧道中，应设置出口段照明；出口段长度宜取60m，亮度可取中间段亮度的5倍，5×3.00=15cdm2。 9.6 行人、行车横洞
行车方向分离的双洞公路隧道，当长度超过400m时，宜设置行人横洞，长度超过800m时，宜设置行车横洞，以供巡查、维修、救援及车辆转换方向用。水口山隧道全长288.5m，可不设置行人横洞和行车横洞。
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结束语
毕业设计结束，这也意味着我的大学生涯终于要告一段落了。我的毕业设计题目《水口山隧道结构与施工设计》，在张运良老师的指导下，在我自己的努力下，我基本完成了设计任务。在这里，我首先要感谢张老师的辛苦指导，一次次在百忙中抽出时间来指导我们的设计，给我解决不懂的问题。
通过本次设计，高速公路隧道的结构的基本情况，在特定的情况下，进行了隧道方案设计工作；根据新颁布的规范要求，结合本设计的实际情况，自己推导出了两车道内轮廓线的优化方法，并编制程序确定了合理的内轮廓线；熟练地掌握衬砌内力计算和检算程序，通过不断的熟练和操作，最终对衬砌内力结果做出了详细分析；采取工程类比的方法，参考了大量的工程实例，对洞身初期支护进行了详细设计，并通过衬砌配筋程序，对衬砌结构进行钢筋配置；结合工程的实例，参考铁路隧道洞门的标准图，确定了洞门的结构形式与洞门的具体位置；在进行多种方案比选的基础上，结合本设计的围岩条件差地质复杂的具体情况，采用台阶法与全断面法相交替的方进行施工，熟悉了整个施工流程；通过参考相关资料和工程类比，对隧道的附属设施和监控量测做出了设计；在设计的过程中，阅读、翻译了相关专业的英语文献，学到了更多的信息资料，也提高了专业英语水平。
毕业设计是一个自我提升的过程，不仅使我各方面的综合能力得到了提高，以前所学的知识得到了巩固，更重要的是，培养了严谨认真的态度；也使我意识到自己在专业知识上的不足和缺乏系统性，工程设计中的一个微小的失误，一次不经意的马虎，都可能导致设计的全面失败，将会导致不可想象的后果。因此，严谨、仔细的作风是必不可少的。另外通过毕业设计，增强了对Fortran语言和AutoCAD制图的应用能力以及发现问题后如何去解决问题的能力，还使得我学会了通过网络、图书馆等查阅资料的能力，这都为我以后的学习与工作打下了良好的基础。
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中南大学毕业设计（论文）
参考文献
[1] 公路隧道设计规范[M].北京：中华人民共和国交通出版社.2004 [2] 公路隧道施工技术规范[M].北京：人民交通出版社.1995
[3] 彭立敏、刘小兵主编.交通隧道工程[M].长沙：中南大学出版社.2003 [4] 吴焕通、崔永军主编.隧道施工及组织管理指南[M].北京：人民交通出版社.2004 [5] 交通部重庆公路科学研究所主编.公路隧道通风照明设计规范[M].北京：人民交 通出版社.2000
[6] 夏明耀、曾进伦主编.地下工程设计施工手册[M].中国建筑工业出版社.1999 [7] 郑 颖人主编.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京：中国铁道出社.1988 [8] 铁路工程设计技术手册<隧道>.中国铁道出版社.1988 [9] 关宝树主编.隧道工程设计要点集.人民交通出版社.2003 [10] 关宝树主编.隧道工程施工要点集.人民交通出版社.2002 [11] 刘武成主编.土木工程施工组织学[M].北京：中国铁道出版社.2003 [12] 翟可.公路隧道洞门设计探讨[J].隧道建设.2000.增刊
[13] 谭洪河、廖建军.高速公路隧道工程建设技术现状与问题探索[J].西部交通科技.2007 [14] 侯正虎.公路隧道施工方法与技术措施[J].西部探矿工程.2001，72（5）：58～59
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中南大学毕业设计（论文）
附录A 横断面优化程序
一、不带仰拱的优化程序
PARAMETER(PI=3.1415926)
INTEGER H1,H2,H3,H4,W,LR,LL,J,C,H,HH,ER,EL,D0,D5,D8
REAL A1,A2,D1,D2,D3,D4,D6,D7,R1,R2,R3,FAI1,FAI2,FAI3,S,SMIN OPEN(1,FILE='input data.dat',STATUS='UNKNOWN') OPEN(2,FILE='out put.txt',STATUS='UNKNOWN') READ(1,*)W,LR,LL,J,C,H,HH EL=LL IF(LR.LE.100)THEN ER=LR ELSE ER=100 ENDIF
WRITE(2,11)
11 FORMAT(1X,'***************',2X,'input data',2X,'***************') 12 WRITE(2,12) W,LR,LL,J,C,H,HH,ER,EL
FORMAT(1X,'W=',I4,3X,'LR=',I2,3X,'LL=',I2,3X,'J=',I2,3X,'C=',I2,3X,'H=',I3,3X,'HH=',I2,3X,'ER=',I2,3X,'EL=',I2)
SMIN=1.0E10
PRINT*,'请输入控制点D0值,D0=' READ*,D0
PRINT*,'请输入控制点D8值，D8=' READ*,D8
WRITE(2,13)INT(D0) 13 FORMAT(1X,'D0=',I2) WRITE(2,15)INT(D8) 15 FORMAT(1X,'D8=',I2) SB1=W/2+LR+C+J-D0 SB2=W/2+LL+C+J+D0 DO D5=5,149 DO H3=0,300 DO H1=H3,400 H2=H1-HH
IF(H2.LE.100) CYCLE R1=SQRT((H-H3)**2+(SB1-J-ER+D5)**2) IF(R1.EQ.0) CYCLE FAI1=ACOS((H-H3)/R1) FAI2=PI/2-FAI1
IF(SIN(FAI2).EQ.0) CYCLE R2=(H-H1)/SIN(FAI2)
IF(R1.LE.R2.OR.R1.EQ.0.OR.R2.EQ.0) CYCLE A1=(R1-R2)*COS(FAI2) H4=H3+R1-H
R3=SQRT((H1-HH)**2+(SB1+A1+D8)**2)
IF(R3.LE.R1.OR.R3.EQ.0) CYCLE A2=R3-R2-A1
FAI3=ASIN((H1-HH)/R3)
D1=SQRT(R3*R3-(H1-HH)**2)-(SB2+A2) IF(D1.LT.5.OR.D1.GT.150) CYCLE
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中南大学毕业设计（论文）
D2=SQRT(R2*R2-(250+HH-H1)**2)-(SB2-A1) IF(D2.LT.5.OR.D2.GT.150) CYCLE D3=SQRT(R2*R2-(400-H1)**2)-(SB2-A1-J) IF(D3.LT.5.OR.D3.GT.150) CYCLE
D4=SQRT(R2*R2-(H-H1)**2)-(SB2-EL-J-A1) IF(D4.LT.5.OR.D4.GT.150) CYCLE D6=SQRT(R2*R2-(400-H1)**2)-(SB1-A1-J) IF(D6.LT.5.OR.D6.GT.150) CYCLE
D7=SQRT(R2*R2-(250+HH-H1)**2)-(SB1-A1) IF(D7.LT.5.OR.D7.GT.150) CYCLE S1=0.5*FAI1*R1*R1-0.5*(H1-H3)*(H1-H3)*TAN(FAI1) IF(S1.LE.0) CYCLE S2=0.5*FAI2*R2*R2 S3=0.5*FAI3*R3*R3-0.5*A2*A2*TAN(FAI3) IF(S3.LE.0) CYCLE S4=0.5*(R3*COS(FAI3)-A2)*(H1-A2*TAN(FAI3)) IF(S4.LE.0) CYCLE S=2*(S1+S2+S3+S4) IF(S.LE.SMIN)THEN SMIN=S FD1=D1 FD2=D2 FD3=D3 FD4=D4 FD6=D6 FD7=D7 FR1=R1 FR2=R2 FR3=R3 FFAI1=(FAI1/3.1415926)*180 FFAI2=(FAI2/3.1415926)*180 FFAI3=(FAI3/3.1415926)*180 FH1=H1 FH2=H2 FH3=H3 FH4=H4 FA1=A1 FA2=A2 ENDIF END DO END DO END DO WRITE(2,16)
16 FORMAT(1x,'****************',2x,'results',2x,'*******************') WRITE(2,17)INT(FA1+0.5),INT(FA2+0.5) 17 FORMAT(1X,'A1=',I3,3X,'A2=',I3)
WRITE(2,18)INT(FH1+0.5),INT(FH2+0.5),INT(FH3+0.5),INT(FH4+0.5)
二、带仰拱的优化程序
PARAMETER(PI=3.1415926)
OPEN(2,FILE='out put.txt',STATUS='UNKNOWN') FFAI3=6.91*PI/180 FR3=913
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中南大学毕业设计（论文）
FA2=1
WRITE(2,*)'下面是以上面的计算结果为基础，计算带仰拱的内轮廓线'
SSMIN=1.0E10
DO FAI4=0.0,PI/2,0.01
DO R4=50.0,200.0,1.0 FAI5=PI/2-FFAI3-FAI4 IF(FAI5.LE.0)
CYCLE
R5=SIN(PI-FAI4-FAI5)*(FR3-R4-FA2/COS(FFAI3))/SIN(FAI5)+R4 IF(R5.LE.2000.OR.R5.GE.4000) CYCLE
S5=0.5*FFAI3*FR3*FR3-0.5*FA2*FA2*TAN(FFAI3)
S6=0.5*FAI4*R4*R4
S7=0.5*FAI5*R5*R5-0.5*(FR3-FA2/COS(FFAI3)-R4)*SIN(FAI4)*(R5-R4)
SS=2*(S5+S6+S7) IF(SS.LE.SSMIN)THEN SSMIN=SS
FR5=R5
FFAI4=(FAI4/PI)*180 FFAI5=(FAI5/PI)*180
ENDIF 51
END DO END DO
WRITE(2,51)SSMIN
FORMAT(1X,'最小开挖面积SSMIN=:',F13.2)
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中南大学毕业设计（论文）
附录B 衬砌配筋计算程序
! ********************************************** ! ! 衬砌结构配筋程序 !
! ********************************************** ! As-受拉区钢筋面积/m2 ! As1-受压区钢筋面积/m2
! 该处采用对称配筋，故有：As=As1 ! AK-安全系数
! Rw-混凝土弯曲抗压极限强度标准值/M.Pa ! Ra-混凝土弯曲抗压极限强度/MPa ! N、NN（j）-轴力/MN ! M、MM（j）-弯矩/MN.m
! b-截面宽度（沿隧道走向取单位长度1m） ! x-混凝土受压区高度/m ! Rg-钢筋的抗拉或抗压计算强度标准值/MPa ! As-受拉区钢筋的截面面积/m2 ! As1-受压区钢筋的截面面积/m2 ! y1-形心轴到受拉区边缘的距离/m
! e-轴力作用点到到受拉钢筋重心的距离/m ! e1-轴力作用点到到受压钢筋重心的距离/m ! h0-受压区边缘到受拉钢筋重心的距离/m
! a-受拉钢筋重心到受拉区混凝土边缘的距离/m ! a1-受压钢筋重心到受压区混凝土边缘的距离/m ! e0-偏心距/m
! h-截面高度（即衬砌厚度）/m ! Ec-混凝土的受压弹性模量/MPa ! Es-钢筋的弹性模量 /MPa ! Wmax-最大裂缝宽度/m ! W-裂缝宽度允许值/m ! afai-构件受力特征系数
! csa-裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数 ! fctk-混凝土抗拉强度标准值/MPa ! rte- 纵向受力钢筋配筋率
! Ace-有效受拉混凝土截面面积/m2 ! r-纵向受拉钢筋表面特征系数 ! c-钢筋保护层厚度/m
! sigma-纵向受拉钢筋的应力/MPa ! d-受拉区钢筋直径/m ! d1-受压区钢筋直径/m ! fai-纵向弯曲系数
! px-偏心情况，px=1，为大偏心；px=2，为小偏心 ! p最小配筋率
dimension hh(60),Ass(60),Ass1(60)
real(8) MM(60),NN(60),M,N,As,As1,maxAs,maxAs1 integer px
Character filename*20,xinghao*10,hunningtuqiangdudengji*10 open(1,file='input.txt',status='unknown')
write(*,*)'Please input the result computed file name' read(*,*)filename
open(2,file=filename,status='unknown') read(1,*)xinghao,hunningtuqiangdudengji write(2,*)'钢筋型号:'
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中南大学毕业设计（论文）
write(2,*)xinghao
write(2,*)'混凝土强度等级:'
write(2,*)hunningtuqiangdudengji
read(1,*)AK,Ra,Rw,Rg,Ec,Es,fai,fc,fy1,fctk,W,r,afai read(1,*)c,b,d,d1
write(2,*)'配筋参数(单位mm):'
write(2,100)1000*c,1000*b,1000*d,1000*d1
100 format(1x,'c=',f8.3,4x,'b=',f8.3,4x,'d=',f8.3,4x,'d1=',f8.3) read(1,*)p
write(2,*)'***************************************************************' read(1,*)i maxAs=0
maxAs1=maxAs
do j=0,i
read(1,*) hh(j),NN(j),MM(j) if(MM(j).lt.0)then MM(j)=-MM(j) end if
As=p*b*h-0.0000008 As1=As h=hh(j)
M=MM(j) N=NN(j) e0=M/N a=c+d/2 a1=c+d1/2 h0=h-a
e=e0+(h/2-c-d/2) e1=e0-(h/2-c-d1/2)
30 As=As+0.0000008 ! /*计算受压区混凝土高度*/ if(e0.le.(h/2-a1))then
x=sqrt((e-h0)**2+2*Rg*(As*e+As*e1)/(Rw*b))-(e-h0) else
x=sqrt((e-h0)**2+2*Rg*(As*e-As*e1)/(Rw*b))-(e-h0) endif ! /*判断大小偏心情况*/ if(x.le.(0.55*h0))then px=1 else
px=2 end if
! /*检算截面强度*/ if(px.eq.1)then if(x.ge.(2*a1))then
if((AK*N).gt.(Rw*b*x+Rg*(As-As)))goto 30 else
if((AK*N*e1).gt.(Rg*As*(h0-a1)))goto 30 endif else
if((AK*N*e).gt.(0.5*Ra*b*h0**2+Rg*As*(h0-a1)))goto 30 if(e0.le.(h/2-a1))then if((AK*N*e1).gt.(0.5*Ra*b*h0**2+Rg*As*(h0-a)))goto 30 endif endif ! /*检算按轴心受压构件考虑时的截面强度*/ AA=b*h
if(N.gt.(0.9*fai*(fc*AA+fy1*(As+As))))goto 30
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中南大学毕业设计（论文）
! /*检算受拉边缘混凝土裂缝宽度*/ if(e0.le.(0.55*h0)) goto 40 Ace=0.5*b*h rta=As/Ace
if(rta.lt.0.01)rta=0.01
z=(0.87-0.12*(h0/e)**2)*h0 if(z.gt.(0.87*h0))z=0.87*h0 if(As.eq.0)then csa=0.4 else sigma=N*(e-z)/(As*z) csa=1.1-0.65*fctk*(rta*sigma) endif if(csa.gt.1.0)csa=1.0 if(csa.lt.0.4)csa=0.4
Wmax=afai*csa*r*(2.7*c+0.1*d/rta)*sigma/Es if(Wmax.gt.W)goto 30 40 Ass(j)=As*1000000 Ass1(j)=Ass(j)
write(2,200)j,1000*h,Ass(j),Ass1(j)
200 format(1x,'j=',i2,4x,'h=',f5.1,4x,'Ass(j)=',f8.1,5x,'Ass1(j)=',f8.1)
write(2,*)'***************************************************************' if(Ass(j).gt.maxAs) maxAs=Ass(j) end do
write(2,*)'***************************************************************' write(2,300)maxAs,maxAs
300 format(1x,'maxAs=',f8.1,5x,'maxAs1=',f8.1) close(1) close(2) end
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附录C 英语翻译
基于Hoek–Brown 破坏准则洞穴和隧道坍塌机理的极限分析
M. Fraldi F. Guarracino
摘要
对隧道和天然洞穴的坍塌状况进行可靠的预测至今仍然是岩石力学最困难的任务之一。通过参考Hoek–Brown破坏准则，利用塑性理论和变分法经典工具，可以得到一个准确的解决方法。所得到的公式很简单，并且跟经验方法和数值分析比较非常有用。本文还提出并且讨论了一些使用广泛的软件包的的范例。
1. 引言
洞穴顶部的坍塌与否是一个发生在隧道、天然洞穴和煤矿中涉及岩土工程的实际问题。普遍认为，这个问题十分的复杂，岩石稳定性在很大程度上被原位岩石力学性能的不确定性和岩石表面存在的裂缝、破碎面所影响。因此，自从太沙基的几个理论被提出来进行安全度评估，由于它们的简单性，这些经验方法一直被广泛的使用。然而，得到的结果因人而异，并且它们的适用性很大程度上依赖于设计者的判断和专业技能。有限元分析，也经常采用来评估这类问题的安全度，但是在建模和结果验证上出现麻烦。因此，研究一个健全的、可以评估哪种岩石材料不会破碎并且垂直下落的力学手段会是极其有用的。一般说来，洞穴安全度分析对于执业工程师来说，是很有用的。
目前的工作从李普曼提出的经典方法上转移了，尽管该方法十分简单，并在多方法评估中被广泛地使用了几十年。该文用Hoek–Brown破坏准则代替Mohr–Coulomb屈服准则，并且更重要的是，通过塑性理论结合变分法经典工具，可得到一种解决方法。事实上，自从基于李普曼方法的程序的缺点集中在，很难找到一个有用的坍塌荷载的下限值，人们开始致力于研究一种严谨的变分程序。该程序通过一种运动学手段，可以直接分析坍塌荷载的最小值。由于塑性上限理论和在考虑的结构的内部，这种运动学手段被认为可以解出这类亟待解决的问题的有效坍塌荷载。从本质上来说，这个方法被建议用来弥补理想的连续可塑性与为
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中南大学毕业设计（论文）
物理分离和开挖洞室顶部、天然洞穴材料的重力作用区域所做的实用设计之间的差别。这个程序的优点在于它的必要的计算极其简单，这些计算能给这些亟待解决的参数一个富有意义的物理学的解释，并且也对后续三元计算分析提供了首次验证。另外，目前实用的大多数方法注重研究塑性变形的开始（强度比或者其他的塑性指标），而不是坍塌过程的分析。这很可能被误导，因为在弹性分析和有限元分析中，首先屈服的地方和实际的坍塌机理不相符合是经常发生的。在这个方面，尽管推荐的方法的基本假设被简单化，但是它对全部的坍塌机理
进行指导。
2. Hoek–Brown准则的选择
当前，Hoek–Brown准则由于它对硬岩的强大实用性而被广泛传播，由于没有合适的替代方案，Hoek–Brown准则也应用于破碎岩体。Hoek–Brown准则最开始被研究是为了解决地下开挖工程中的参数问题。在1980年初，由于没有合适的方法似乎可以用来评估岩体强度，并且几乎所有的有关土体和岩体的公式和软件是根据莫尔—库仑准则写的，人们致力于研究一个能根据地质信息而缩放的无量纲方程。事实上，起初的Hoek–Brown方程既不是新的也不是唯一的，它是一个早在1993年就被用来描述混凝土失效的恒等方程。然而，Hoek和Brown的重要贡献是将方程和岩体的实际特性联系起来。在这些准则的发展过程中，Hoek–Brown准则很早就被认可了。为了有实用效果，这些准则需要的参数通过简单的野外地质观察就可得到。为了这个特定目的，一种将岩石分级的思想被讨论，自从Bieniawski 的岩体质量分级（RMR）方法在1974年首次出版，并且在岩石力学界受到了广泛的欢迎后，该想法决定用这个分级方法作为地质参数的基本工具。
最初的准则是为地下开挖工程的狭窄条件而特别研究的。在过去的二十年中，可以作为这些原始关系的基础的资料，来自于巴布几内亚Bougain-ville 矿井的岩体样本实验，并且通过实验验证得到了有意义的确认。
必须指出，这个偏袒硬岩的准则是基于这样的一个假设，即岩体破坏是由众多节理面分割成的单个岩块的滑移和旋转所决定的。从而认为完整岩体的破坏在整个破坏过程中不起作用，并且假定节理是没有规则的，不存在什么优先破裂面，所以可以认为岩体是各向同性的。
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中南大学毕业设计（论文）
由于这个原因，目前的研究表明，使用Hoek–Brown准则在极限分析程序中研究岩体性质是最好的办法。
3. 极限分析和变分逼近法
分析在岩块中隧道和天然洞穴顶部稳定性的基本思路在于确定可能从洞穴顶部坍塌的岩块的形状和尺寸（如图一所示）。和往常一样，这个问题将被视为平面问题，并且将会取整个洞穴横断面作参考。但为了使程序更容易被理解，取矩形洞室作为参考。一个解决不同形状的洞穴的方法，比如圆形洞穴，可以通过同样的方法得到，只不过需要更多的复杂的数学计算，这也将是进一步研究的方向。
原则上，解决方法可以通过Greenberg最小原则，同时参考研究材料彼此间相对移动的库仑型机理而得到。通过参考莫尔—库仑屈服准则和关联流动法则，一种库仑机理开始被设计出来研究多边形块体。然而，通过采纳Hoek–Brown准则，该准则很快就指出：坍塌岩块再也不需要是多边形的，并且坍塌区域的最有效的形状成为了一个未知的问题。
图一 坍塌块体示意
为了克服这个这个困难，本文提出了一个方法，借助于变积分并且假设坍塌岩块的形状可以通过欧拉方程结合最大塑性损耗原则计算得到。
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中南大学毕业设计（论文）
在这个规定下，通过使外功比率和沿着机动许可速度场的能量的内部损耗的比率相等，可以得到坍塌岩体的有效形状。也就是说是满足速度限界、应变率与速度之间的兼容性。根据Greenberg最小原则（也就是上限和极限分析的运动学理论），最小化待求问题的结果函数，可以得到有效的坍塌机理。事实上，所有需要的条件都得到了满足，即：①材料的行为是理想塑性的；②屈服面是凸的，通过关联流动法则中的屈服方程可以得到塑性变形比例； ③在坍塌开始发生的过程中，岩体的几何形状变化可以不考虑（看作刚塑体）。
必须指出，如果一方面，对于一些岩体力学的问题，非关联流动法则更加适合是正确的，那么另一方面，为了得到塑性的数学理论，关于极限领域的流体的变化必须通过分析详细说明。这个分析定理不适用于基于这类问题的Hoek–Brown准则，至少在现在的文献中是这样。此外通过非关联流动法则得到的边界是罕见的，而不是极限分析中的边界理论，并且它和时下的主流方法观点不一致。此外，在第6部分中提到的有限元分析表明：对这个被研究的问题来说，这个参数的不容易得到正确的结果。
因此，将Hoek–Brown变形准则画在莫尔σn—τn 平面坐标系中，如图2所示，单位向量n垂直于破坏面，
这里，A和B分别表示表征岩体特性的无量纲参数，σc和σt分别是破坏时的压应力和拉应力。
图2 莫尔σn—τn 平面坐标系中的Hoek–Brown变形准则
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中南大学毕业设计（论文）
系数A的简单的力学解释可使Hoek–Brown准则和莫尔—库仑准则相一致时而得到，即：
这里，φ是岩体的内摩擦角，c是岩体的粘聚力。
在标准材料（也就是遵从关联流动法则的材料）组成的结构中，通过假设塑性位势 Hoek–Brown屈服曲线一致，不失一般性，考虑τn 为正的半平面，从而有：
所以这个塑性应变率可以写成下面的形式：
和
这里λ是一个纯量参数。
由于当前的工作范围是研究重力场下岩体坍塌，人们主要关注可容许的竖向速度场u， 假设该速度沿Y轴的方向，如图1所示。方程y=f(x) 表示在x-y笛卡尔参考坐标系中的坍塌岩体曲线上的任何一个单元。
通过一个纯粹的几何关系的推理，并且参考图1，塑性应变率可以写成：
。
这里w是这个塑性分离区的厚度，一个点表示对时间和横坐标x的微分，即：
为了保证兼容性，在方程（4）和方程（5）中的塑性应变率的分量必须相等，从他们中的第二个方程可以得到：
所以，通过考虑这个结果，从第一个方程中可以得到法向应力的方程，该方程中包含Hoek
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中南大学毕业设计（论文） –Brown力学参数和这个未知的分离曲线的导数f '(x)，也就是：
在坍塌即将发生的时候，在破裂面上的内力的损耗密度Di可以用下式表达：
。
而破裂面每单位长度外荷载的功率We为：
ρ为岩体容重（如图3所示）。
。
图3 静态坍塌模式
借助Greenberg最小化原则，在整个可容许的分离曲线y=f(x)的函数定义域上，通过求总损耗的最小值可以得到有效的坍塌机理。认为落石关于Y轴对称，即将发生坍塌的总损耗可以算出来：
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中南大学毕业设计（论文）
这里，ds1f'(x)2dx是分离曲线f(x)上的单元长度，S是曲线f(x)总长的一半，L
(x)，x的表达式如下： 是曲线的水平投影长度，也就是洞穴宽度的一半。f(x)，f’
将在积分区间[0，L]上求极值。这个问题是变分法的经典问题之一，也就是在规定的条件下，找到一个函数，y=f(x)，使积分式（11）为一个常数。值得强调的是，塑性区的纯量参数λ和单元厚度w在计算过程中都会自然的减少。因此，不同于其他的方法，他们的方面不需要另外的假设。
总损耗的第一个变分方程可以写成下面的形式：
通过方程（12）可以得到
所以，利用方程（13），对眼前的问题使用Euler-Lagarange方程可以得到最清楚形式如下：
这里，
V代表所有可以容许的重力速度场的作用空间。
方程（15）是一个含有未知函数f(x)的复杂的非线性二阶微分方程。第一次积分的结果为：
并且方程（18）的再次积分可以得到分离曲线f(x)的最终解的形式：
这里，
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中南大学毕业设计（论文）
h表示一个积分常量，它可能有特殊的几何意义，也就是坍塌岩块的最高尺寸。 将方程（18）和方程（19）代入方程（12）中，可以得到：
这里，
并且利用方程（11）、（21）和（22），可以得到总损耗的具体形式：
在这里，L还是不知道。然而，由于它的几何意义，L无疑和h有关系，也和其他的亟待解决的力学参数有关系。
事实上，L表示曲线f(x)和平面y=0的交点的值，令表达式（19）等于0并且考虑结果为正值，可以得到：
将这个结果代入方程（23），有：
从纯粹的数学角度考虑，利用方程（25），仅有一对值（L，h）满足条件：
表示了可能坍塌机制。然而，为了成为实际物理问题的答案，这些值必须满足方程（1）和方程（2）中的应力分量必须满足破裂面上的平衡方程。这些方程式在局部坐标系（n,s）中可以写成：
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中南大学毕业设计（论文）
这里n和s分别表示曲线y=f(x)的法线和切线方向（如图3所示）。然而cotf'(x)，
bbn，bs是体积力向量。
T值得提醒的是，虽然方程（27）的第二个式子保证了沿曲线y=f(x)的切线方向的平衡，方程（27）的第一个式子保证了曲线y=f(x)的法线方向的平衡，但是在塑性区的厚度w方向，应力分布是未知的。
-sin的分然而，将方程（8）和（9）代入方程（1），并且利用单位法向量ncos，T量，可以发现在曲线y=f(x)的切线方向的平衡总是满足的，即：
这里nn，n。
xyT在另一方面，问题的对称性能很容易的用来满足在（x=0,y=-h）处的平衡条件。事实上，由于分离曲线y=f(x)被假定为关于Y轴对称，x=0的对称平面上的应力平衡要求在该面上不存在剪应力分量，也就是：
因此，利用应力分量之间的关系有：
并且考虑cotf'(x)，所以有：
结合QB(1B)11
(1B)/B,从方程（30）可以得到：
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将方程（32）代入方程（25），可以导出：
所以可以得到：
因此，破裂面的表达式可写成：
从而可以用计算机计算单元长度坍塌块的总自重P,表示成：
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