隧道開(kāi)挖及支護(hù)施工方案設(shè)計(jì)

前言本次設(shè)計(jì)主要針對(duì)偏壓?jiǎn)栴}，根據(jù)寨山隧道的工程地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。隧道設(shè)計(jì)為雙向六車道隧道，左線隧道起訖里程Z2K182+037~Z2K183+305，隧道長(zhǎng)度為1278m，右線隧道起訖里程K182+085~K183+340，隧道長(zhǎng)度為1265m，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km/h。根據(jù)隧道交通條件、隧道長(zhǎng)度等條件來(lái)進(jìn)行隧道的總體設(shè)計(jì)。采用工程類比法對(duì)該隧道在偏壓情況下不同圍巖的襯砌結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算不同圍巖在偏壓狀態(tài)下的圍巖壓力、并進(jìn)行截面的強(qiáng)度驗(yàn)算，襯砌截面的強(qiáng)度驗(yàn)算等內(nèi)容。最后，再補(bǔ)充一下隧道的開(kāi)挖方法。這一次論文的主要是對(duì)寨山隧道偏壓情況進(jìn)行探討和研究，偏壓對(duì)于隧道的破壞非常嚴(yán)重，會(huì)出現(xiàn)隧道開(kāi)裂等情況，因此本論文對(duì)于建設(shè)偏壓隧道提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

第1章設(shè)計(jì)原始資料1.1工程概況寨山隧道是一個(gè)分離式隧道，也是兩洞隧道，位于重慶市市張家拔頭村。隧道的埋深最大為146米，左側(cè)線路的起訖樁號(hào)為Z2K182+037~Z2K183+305，長(zhǎng)度為1278米;右側(cè)線路的起訖樁號(hào)為K182+085~K183+340，長(zhǎng)度為1265米。隧道在右側(cè)線路洞口處存在偏壓?jiǎn)栴}。寨山隧道為不良地質(zhì)隧道，是重點(diǎn)和難點(diǎn)工程。1.2隧道工程地質(zhì)概況1.2.1地形地貌隧道所在的區(qū)域?qū)儆谥猩降孛矃^(qū)，受到構(gòu)造侵蝕的影響小，沖溝的發(fā)育比較完善。隧道進(jìn)口坡度為30°～35°、隧道出口地形坡度為25°～35°，隧道進(jìn)口與隧道出口的地形相對(duì)較平緩，都與斜坡相交，相交的角度將近于90°，由于地形的原因隧道進(jìn)口的植被發(fā)育較好，雜草和灌木叢非常多。而隧道出口的植被發(fā)育較差，只有少量雜草和灌木。隧道區(qū)過(guò)斷層較薄，基底展布良好，巖性以泥砂和泥巖為主。1.2.2工程、水文地質(zhì)（1）地表水：擬建隧道范圍沒(méi)有地表水體，地表水主要為山體周圍的池塘水，主要由大氣降水和山體裂隙水補(bǔ)給。（2）松散巖類孔隙水(潛水)：分布于山體坡腳兩側(cè)殘積土層中，一般富含水分，其主要補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水的滲入。排水方式主要為自然蒸發(fā)和植物蒸騰，向附近的地表水體和下部的基巖裂隙水排放，地下水位的高程隨地形起伏而改變，沒(méi)有潛水位。（3）基巖裂隙水：水賦存于強(qiáng)風(fēng)化層和中風(fēng)化巖層裂隙之中。基巖裂隙水主要補(bǔ)給源為大氣降水、地表水及地下徑流，基巖裂隙水流向受地勢(shì)影響，流往山體地勢(shì)低處。本次勘察期間未揭示到地下水。根據(jù)計(jì)算泥巖滲透系數(shù)K=0.08m/d，屬弱透水層。隧址區(qū)地下水主要受地貌形態(tài)、巖性及節(jié)理發(fā)育程度控制，隧址區(qū)巖性單一。第2章寨山隧道總體設(shè)計(jì)2.1隧道洞口選擇結(jié)合工程和相關(guān)條件，隧道洞口的位置必須根據(jù)地形、水文地質(zhì)條件和工程地質(zhì)條件來(lái)進(jìn)行選擇。針對(duì)寨山隧道的偏壓?jiǎn)栴}，只有楚雄端的洞口存在偏壓?jiǎn)栴}。故隧道楚雄端洞口位置為坡面斜交型，采用端墻式洞門。2.2縱斷面設(shè)計(jì)寨山隧道采用分離式雙洞布置，隧道縱斷面為單坡，右線起止里程樁號(hào)為K182+085~K183+340，右洞縱坡為-2.800%，坡長(zhǎng)為1770m，隧道長(zhǎng)為1255m，；左線起止里程樁號(hào)為Z2K182+037~Z2K183+305，左洞縱坡為2.747%，坡長(zhǎng)為1720m。隧道長(zhǎng)為1268m，平曲線半徑為4000m。2.3橫斷面設(shè)計(jì)2.3.1建筑限界寨山隧道按照100km/h時(shí)速來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)建筑限界的數(shù)值，如表2.1所示：表2.1建筑限界設(shè)計(jì)值項(xiàng)目?jī)魧挘╩）凈高（m）行車道（m）側(cè)向?qū)挾龋╩）檢修道（m）主洞14.553.75×30.75+1.00.75+0.75車行橫通道4.55///人性橫通道22.5///寨山隧道建筑限界圖如圖2.1。圖2.1隧道建筑限界圖2.3.2隧道緊急停車帶和橫通道設(shè)計(jì)對(duì)于雙向六車道隧道，《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定3車道的長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道行車方向的右側(cè)宜設(shè)置緊急停車帶，但是在寨山隧道里加上緊急停車帶的話，可能會(huì)由于圍巖軟弱導(dǎo)致坍塌；再者對(duì)于高速公路長(zhǎng)、特長(zhǎng)隧道，交通工程分級(jí)一般為A級(jí)（最高級(jí)別），交通工程設(shè)施、管理機(jī)構(gòu)及專業(yè)人員配置齊全，且均進(jìn)行交通工程專項(xiàng)設(shè)計(jì)，能滿足緊急情況下的救援要求。設(shè)計(jì)所在合同段隧道長(zhǎng)度均未超過(guò)3000m，故本隧道不設(shè)置緊急停車帶。為方便防災(zāi)救援，左、右線隧道之間設(shè)置車行橫通道及人行橫通道，隧道的橫向通道設(shè)置按照“2人+1車”基本原則進(jìn)行布設(shè)。人行橫通道內(nèi)輪廓圖與車行橫通道內(nèi)輪廓圖如圖2.2、2.3所示。圖2.2人行橫通道內(nèi)輪廓圖圖2.3車行橫通道內(nèi)輪廓圖2.3.3內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)寨山隧道內(nèi)輪廓為三心圓曲邊墻結(jié)構(gòu)，內(nèi)輪廓總寬度為15.367m。拱部采用半徑為8.65m的圓弧，邊墻采用半徑為5.35m圓弧。仰拱采用半徑為25m的圓弧，仰拱與側(cè)墻之間采用半徑為1.5m的圓弧相連。單洞不設(shè)仰拱凈空斷面面積98.8㎡，設(shè)仰拱凈空斷面面積123.61㎡。內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖如圖2.4所示：圖2.4內(nèi)輪廓圖第3章大山灣偏壓隧道洞門設(shè)計(jì)及強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗(yàn)算3.1隧道洞口段地質(zhì)評(píng)價(jià)3.1.1進(jìn)口端隧道進(jìn)洞方向基本垂直地形線、地形坡度35°～40°，該邊坡為反向坡，巖層層面對(duì)邊坡影響小，巖體結(jié)構(gòu)面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響小。隧道進(jìn)口位于沖溝兩側(cè)，沖溝為山洪匯集區(qū)，建議在隧道進(jìn)口邊坡頂部設(shè)置截、排水溝，防止山洪淹沒(méi)隧道進(jìn)口和地表水浸入坡體，對(duì)邊坡進(jìn)行必要的錨桿或錨噴支護(hù)，保證施工安全。3.1.2出口端隧道出洞方向基本垂直地形線、25°～35°的地形坡度，該邊坡為順向坡，呈下降趨勢(shì)，但巖層傾角大于邊坡傾角，巖層面對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。因此，開(kāi)挖后洞口邊坡沿地表層面易發(fā)生滑塌，建議在隧道出口邊坡頂部設(shè)置截、排水溝，防止山洪淹沒(méi)隧道出口和地表水浸入邊坡體。建議對(duì)邊坡進(jìn)行必要的錨桿或錨噴支護(hù)，保證施工安全。3.2偏壓隧道洞門設(shè)計(jì)洞門形式的選擇，應(yīng)嚴(yán)格遵循“早進(jìn)晚出”的原則，要考慮使用功能和協(xié)調(diào)美觀的地形和結(jié)構(gòu)安全等，依據(jù)地形地貌的特點(diǎn)、坡體穩(wěn)定情況進(jìn)行擬定，同時(shí)兼顧左、右洞協(xié)調(diào)美觀以及適當(dāng)考慮裝飾方案等，力求以安全為導(dǎo)向、簡(jiǎn)潔明快、進(jìn)洞自然順暢。選用經(jīng)濟(jì)、美觀、和諧、自然有利于行車視線誘導(dǎo)的洞門形式。隧道洞口邊坡較陡或存在偏壓等情況，采用端墻式洞門，困難地段采用擋（翼）墻式。仰坡永久防護(hù)和洞口邊坡應(yīng)采用錨桿框架植草或三維網(wǎng)植草保護(hù)；樹(shù)木或植草的種植，均結(jié)合每種洞門形式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和周圍地形地貌進(jìn)行綠化。在隧道頂部截水溝兩側(cè)種植天然低矮的灌木和草進(jìn)行遮掩，以減少人工痕跡的影響。綜合考慮之下，楚雄端洞口為端墻式洞門，大理端洞口為削竹式洞門。洞門端墻應(yīng)按擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)槠渚哂械挚惯吰峦翂毫Α⒀銎碌哪芰?。?）參數(shù)設(shè)定端墻式洞門地面坡角：53.13°，墻面傾角：5.71°。洞門設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3.2，洞門側(cè)視圖如圖3.1所示，其他已知參數(shù)見(jiàn)表3.1所示：表3.1洞門已知參數(shù)表（單位：m）基礎(chǔ)埋深墻高H正墻斜度墻厚B墻背與土體外摩擦角洞口仰坡坡角到洞門墻背水平距離a1.511.210:011.240°1.5表3.2洞門設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)仰坡坡度計(jì)算摩擦角φ（°）重度γ（kN/m2）基底摩擦系數(shù)基底控制壓應(yīng)力（MPa）01:0.7560240.50.6圖3.1洞門側(cè)視圖3.3明洞設(shè)計(jì)3.3.1明洞長(zhǎng)度確定寨山隧道左線楚雄起點(diǎn)段的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)。坍落拱高度計(jì)算：3.3.2明洞基本參數(shù)設(shè)置明洞結(jié)構(gòu)要求其基底承載力不小于250kPa；存在明顯偏壓?jiǎn)栴}的地段，因此平衡側(cè)向壓力要設(shè)置偏壓式明洞。明洞內(nèi)輪廓線與暗洞內(nèi)輪廓線是相同的。采用厚度為70cm、C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，填土坡度設(shè)為7°。3.3.3襯砌內(nèi)力計(jì)算根據(jù)所學(xué)知識(shí)可知，用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算明洞襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。（1）參數(shù)選取M10漿砌片石重度為γ2=23kN/m2，計(jì)算內(nèi)摩擦角為φ2=50°，回填土重度為γ1，彈性抗力系數(shù)為K=2.5×10（2）土壓力計(jì)算垂直力計(jì)算拱圈回填土石厚度采用厚度的最大值：邊墻側(cè)壓力計(jì)算側(cè)壓力系數(shù)：邊墻計(jì)算點(diǎn)換算高度：則邊墻側(cè)壓力為：為了簡(jiǎn)化計(jì)算，把邊墻側(cè)壓力當(dāng)作均布?jí)毫M(jìn)行計(jì)算。（3）內(nèi)力計(jì)算取基本結(jié)構(gòu)如圖3.2所示，未知力為X1p、X由疊加原理，墻底位移βap可以表示為帶入力法方程得：①計(jì)算半拱軸長(zhǎng)度通過(guò)CAD測(cè)量得，半拱軸長(zhǎng)度S=13.41m，共分為10塊，所以分段軸長(zhǎng)?S=1.341m。②繪制分塊圖根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)和外荷載分布以及分塊數(shù)，繪制襯砌內(nèi)力計(jì)算圖示如圖3.3所示：③各分塊截面中心幾何要素通過(guò)CAD測(cè)量得各分塊中心的幾何要素如表3.3所示：④基本結(jié)構(gòu)的單位位移δ單位位移計(jì)算如表3.4所示，根據(jù)位移法可知，在單位力作用下曲梁的變位計(jì)算基本公式為：⑤主動(dòng)荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的變位?X1p、A.外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力bi、?B.主動(dòng)荷載位移計(jì)算由結(jié)構(gòu)力學(xué)方法得出：因?yàn)槊鞫磦?cè)墻位移較小，所以忽略彈性抗力對(duì)襯砌內(nèi)力的影響。⑥繪制內(nèi)力圖將計(jì)算結(jié)果繪制成彎矩與軸力圖，如圖3.4所示：3.3.4襯砌驗(yàn)算第4章寨山隧道開(kāi)挖及施工設(shè)計(jì)大山灣偏壓隧道楚雄端洞口段地形為淺埋或淺埋偏壓地形，采用超前管棚支護(hù)的施工方案進(jìn)洞，采用進(jìn)出口雙口掘進(jìn)的方式。開(kāi)挖至管棚位置時(shí)，預(yù)留核心土施做管棚的套拱，然后施工管棚，施工完后經(jīng)驗(yàn)收合格，進(jìn)行暗洞開(kāi)挖施工，嚴(yán)格控制進(jìn)尺，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行支護(hù)。襯砌完暗洞，在條件具備的情況下，及時(shí)施工明洞及洞門。4.1主要施工方法隧道采取“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、襯砌緊跟”的施工方法；圍巖較差地段（以偏壓為主），Ⅳ級(jí)圍巖宜小于80m，Ⅴ級(jí)圍巖宜小于60m。初期支護(hù)的施工采用自上而下先拱部后邊墻的順序，二次襯砌采用模筑臺(tái)車整體施工，洞口范圍內(nèi)的襯砌與洞門結(jié)構(gòu)整體澆筑。大山灣偏壓隧道采用鉆爆法施工，洞身施工要求光面爆破。施工過(guò)程中包括很多種針對(duì)偏壓隧道的開(kāi)挖方法，比如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、CRD法、弧形導(dǎo)坑留核心土法、三臺(tái)階法等等。4.1.1雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于淺埋隧道圍巖條件特別差時(shí)，還適用于跨度大的隧道。在大山灣偏壓隧道中，Ⅴ級(jí)圍巖洞口小凈距圍巖較差地段、斷層破碎帶和巖層接觸帶等地段圍巖條件較差，故采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。4.1.2CRD法CRD法是在開(kāi)挖單側(cè)壁導(dǎo)坑時(shí)采用臺(tái)階法。單側(cè)壁導(dǎo)坑法（CD法）適用于圍巖較差、跨度大、地表沉陷難于控制時(shí)采用。在大山灣偏壓隧道中，Ⅴ級(jí)圍巖洞口淺埋偏壓和其他加強(qiáng)地段采用此法開(kāi)挖，4.1.3弧形導(dǎo)坑留核心土法采用弧形導(dǎo)坑留核心土法對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖深埋地段、Ⅳ級(jí)圍巖淺埋地段施工?；⌒螌?dǎo)坑留核心土法，適用于一般土質(zhì)或偏壓、易坍塌的軟弱圍巖地段。在寨山隧道里留核心土法能夠更有效地對(duì)偏壓地段進(jìn)行開(kāi)挖。留核心土法施工流程圖如圖5.1所示：圖5.1留核心土法施工流程圖4.1.4三臺(tái)階法Ⅳ級(jí)硬巖深埋地段采用三臺(tái)階法施工。臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)監(jiān)控量測(cè)情況選擇，施工中必須保證系統(tǒng)錨桿的施工質(zhì)量，注意上半斷面鎖腳錨桿的施工質(zhì)量。二次襯砌一般可根據(jù)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果在圍巖及初期支護(hù)變形穩(wěn)定后施做。臺(tái)階法施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工，圍巖條件很差時(shí)，落底長(zhǎng)度應(yīng)控制在1榀左右。采用留核心土開(kāi)挖及臺(tái)階法開(kāi)挖時(shí)，分部施工安鋼架時(shí)，拱部與邊墻鋼支撐連接處、拱腳底板處各設(shè)兩根錨管鎖腳，鎖腳錨管和拱架與鋼板應(yīng)可靠焊接。鋼架拱腳必須放在牢固的基礎(chǔ)上，需要時(shí)應(yīng)設(shè)置墊塊。三臺(tái)階法施工流程斷面圖如圖5.2所示圖5.2三臺(tái)階法施工流程斷面圖4.2洞口淺埋偏壓地段施工大山灣偏壓隧道洞口段地形為淺埋或淺埋偏壓地形，存在殘坡積土或覆蓋層厚，大山灣偏壓隧道部分穿越斷層，隧道受斷裂帶的影響洞口地質(zhì)條件較差、缺乏自穩(wěn)能力等問(wèn)題；為了順利進(jìn)洞，采用超前大管棚作為支護(hù)措施。超前大管棚設(shè)置于隧道洞口淺埋圍巖較差段和直接進(jìn)洞存在困難的地段，用熱軋無(wú)縫鋼管，在超前管棚注漿結(jié)束后方可進(jìn)行開(kāi)挖進(jìn)洞。進(jìn)洞前在隧道洞口增加管棚剛度，管棚施做前應(yīng)配以管棚套拱。超前大管棚的施工流程圖如圖5.3：圖5.3超前大管棚施工流程圖4.3洞內(nèi)超前中管棚支護(hù)施工適用于部分Ⅴ級(jí)圍巖斷層破碎帶或部分巖性接觸帶等段落水比較大地段，采用長(zhǎng)1500cm的Φ76mm自進(jìn)式超前管棚，環(huán)向間距40cm，外插角約12°，縱向搭接長(zhǎng)度不小于300cm。為增加圍巖的穩(wěn)定性，通過(guò)管棚注水泥—水玻璃雙液漿。為加強(qiáng)洞內(nèi)管棚注漿效果，在管棚間內(nèi)插小導(dǎo)管進(jìn)行補(bǔ)漿處理。4.4施工注意事項(xiàng)（1）同時(shí)應(yīng)做好洞口范圍的排水，以確保洞口的安全和穩(wěn)定。（2）隧道施工期間尤其是洞口施工，需要特別加強(qiáng)施工組織，確保洞口下方行人和行車的安全。（3）靠近掌子面的放置應(yīng)急逃生管道，管道采用內(nèi)徑Φ900鋼管，壁厚不小于10mm，每處長(zhǎng)度按100m控制，鋼管在隧道內(nèi)塌方時(shí)可作為被困人員的逃生通道、輸送給養(yǎng)、實(shí)施救援的通道。（4）隧道施工時(shí)應(yīng)注意施工現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境清潔，嚴(yán)格遵守施工的環(huán)境指標(biāo)，避免黃土飛揚(yáng)，漫天沙礫。（5）隧道仰拱施工前，要將隧道中的垃圾，臟水、其他無(wú)關(guān)的物品清除，保證仰拱在施工時(shí)不會(huì)受到外來(lái)因素的影響（6）對(duì)于軟弱圍巖和存在的偏壓?jiǎn)栴}區(qū)，初步支護(hù)應(yīng)及時(shí)完成，開(kāi)挖后封閉成環(huán)，并應(yīng)分別在8h和12h范圍內(nèi)完成鋼框架的開(kāi)挖、施工和倒拱射出，倒拱與土方之間的距離應(yīng)盡可能縮短。（7）考慮到施工技術(shù)和施工方法等因素，全面確定封閉位置一次支撐與工作人員之間的距離以及二次襯砌與工作人員之間的距離。保證人員的絕對(duì)安全。（8）二次襯砌距掌子面的距離應(yīng)根據(jù)掌子面情況,綜合考慮施工機(jī)械、施工方法等因素綜合確定。（9）復(fù)合飾面段施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)圖紙的要求進(jìn)行監(jiān)測(cè)和測(cè)量，并根據(jù)監(jiān)測(cè)和測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，以確定放置二次飾面的時(shí)機(jī)，并調(diào)整輔助參數(shù)。（10）鋼架結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)要求安裝。而鋼框架之間的縱向加固應(yīng)按時(shí)完成，并牢固連接。每個(gè)施工過(guò)程都應(yīng)注意相互保護(hù)，嚴(yán)格按照操作程序操作。

結(jié)論結(jié)合大山灣偏壓隧道的水文條件和工程地質(zhì)的情況以及交通量的情況，特別是針對(duì)偏壓?jiǎn)栴}進(jìn)行了設(shè)計(jì)：隧道的總體設(shè)計(jì)：包括隧道洞口設(shè)計(jì)、縱斷面以及橫斷面的設(shè)計(jì)，并繪制建筑限界圖、縱斷面圖、橫斷面圖、橫向通道圖以及隧道的總體內(nèi)輪廓圖；偏壓隧道洞門設(shè)計(jì)：包括根據(jù)洞口段的水文、地質(zhì)情況，針對(duì)偏壓?jiǎn)栴}選擇了端墻式洞門，并進(jìn)行了洞門的穩(wěn)定性和強(qiáng)度驗(yàn)算；隧道明洞設(shè)計(jì)：包括了根據(jù)工程資料和計(jì)算的比較確定了明洞的長(zhǎng)度和明洞基本參數(shù)的選取。根據(jù)基本參數(shù)計(jì)算出明洞的圍巖壓力及用荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算明洞的襯砌內(nèi)力并進(jìn)行襯砌驗(yàn)算；隧道襯砌設(shè)計(jì)：根據(jù)寨山隧道存在偏壓?jiǎn)栴}的情況，選取斷面參數(shù)后