隧道设计本科毕业设计 京沪高速铁路客运专线张夏隧道设计.doc

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1、# # 大 学 本科毕业设计（论文）京沪高速铁路客运专线张夏隧道设计#大学土木工程学院院 系 土木工程学院 专 业 地下工程 年 级 2005级 姓 名 # 题 目 京沪高速铁路客运专线张夏隧道设计 指导教师 # 评 语 指导教师 (签章)评 阅 人 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章)毕 业 设 计 任 务 书班 级 土木2005-04班 学生姓名 # 学号 20050112 发题日期：2009年 4 月 8 日 完成日期：2009年 6 月 10 日题 目 京沪高速铁路客运专线张夏隧道设计 1、 本论文的目的、意义 本次毕业设计，结合京沪高速张夏隧道地形地质条件，

2、进行隧道洞口位置 、洞门结构、洞身初期支护与二次衬砌的设计。此次毕业设计可使同学掌握一般铁路隧道的设计流程和主要方法，锻炼学生对铁路隧道结构的设计能力。通过毕业设计的全过程，使学生具备初步直接参加大型隧道工程的设计能力，并具有一定得综合分析和解决实际问题的能力。 2、学生应完成的任务 （1） 隧道设计说明书，主要包括： 中文摘要（不少于500字）、英文摘要（要求与中文摘要对应）； 目录；前言； 工程概况、设计意图、结构计算及施工方法等。 结论 参考文献 （2）隧道设计图纸 隧道横断面设计图；比例：1：2001：500 隧道纵断面设计图；比例：1：2000； 隧道进口设计图（平面图、正面图和侧面

3、图） 比例：1：2001：500 隧道出口设计图（平面图、正面图和侧面图） 比例：1：2001：500 隧道衬砌结构图 比例：1：2001：500 结构内力图 配筋图 隧道优化施工方法图 隧道优化施工组织图 （3）毕业设计指导日志、实习日志及实习报告、外文翻译 （4）其他未尽事宜、按学校文件办理 （5）设计说明书及论文要求用计算机打印 （6） 设计图纸要求：一般用CAD绘制。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 12 周）第一部分 原始资料的阅读、整理，理解基本要求 （4月7日4月19日）第二部分 隧道衬砌内轮廓的拟定及洞口位置选择；（4月20日4月26日） 第三部分 隧道洞门设计； （4月2

4、7日5月10日） 第四部分 隧道衬砌设计 （5月10日5月24日）第五部分 出口段结构配筋设计 （5月25日6月7日） 第六部分 隧道附属工程设计、施工组织设计 （6月8日6月10日） 第七部分 设计说明书及图纸检查、修改、输出 （6月11日6月12日） 评阅及答辩 备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 日 京沪高速铁路客运专线张夏隧道设计摘要京沪高速铁路是国内投资规模最大、技术含量最高的一项工程,也是我国第一条具有世界先进水平的高速铁路,正线全长约1318公里,与既有京沪铁路的走向大体并行,全线为新建双线,设计时速350公里,初期运营时速300公里,共设置24个客运车站。该项工

5、程预5年左右完成,2010年投入运营。京沪高速铁路建成后,与既有京沪铁路实现客货分流。新建的高速铁路为客运专线,既有的京沪铁路为货运主线。届时,北京至上海高速列车全程运行时间只需5小 时,比目前京沪间特快列车缩短9小时左右,年输送旅客单方向可达8000余万人,大大释放既有京沪铁路的能力,使既有京沪线单向年货运能力达1.3亿吨以 上,使其成为大能力货运通道,从而满足京沪通道客货运输需求,从根本上解决京沪通道运输能力紧张的状况,真正实现“人便其行、货畅其流”。张夏隧道进口里程为DK427+980，出口里程DK428+672，隧道全长692米。隧道主要穿越低山区，具有复杂环境条件下隧道工程特点。 根

6、据该工程特殊地质情况与大断面张夏隧道的特点，对隧道VI、V级围岩下的支护结构、各种围岩条件下的施工方法、监测、洞门等进行设计。本隧道采用全封闭防水型衬砌结构，利用ANSYS软件，根据隧道埋深与地质的情况，得出隧道在山岭段二次衬砌中的受力与变形进行验算，并得出验算结果。高速铁路与一般铁路的最大区别是要考虑到空气动力学效应，因此在衬砌的拟定上，不仅考虑了机车车辆类型、行车条件、线路条件等，同时也结合了高速列车隧道空气动力学的影响。关键词：高速铁路隧道；结构验算；有限元分析。 Part Of The Tunnel Design Of In Beijng-Shanghai High-Speed Rai

7、l Passenger Line In Zhangxia,ABSTRACTBeijng-Shanghai High-Speed Rail Passenger Line is the largest and the highest technological content of a project, but also Chinas first world-class high-speed railway. The whole line of it is about 1318 kilometers, with the existing Beijing-Shanghai railway paral

8、lel to the general, across the board for the new two-lane, the design speed 350kilometers, the initial period operation speed 300 kilometers, altogether establishes 24 passenger stations. After the completion of the Beijing-Shanghai high-speed railway, with already has the Beijing to Shanghai railro

9、ad realization passengers and cargo to diverge. By then, the Beijing-Shanghai high-speed train running the whole time just five hours, than at present between the Beijing-Shanghai express train about nine hours shorter, in a one-way passenger transport up to 8,000 million, a significant release of b

10、oth the capacity of the Beijing-Shanghai Railway, so that the existing Beijing-Shanghai line of one-way cargo capacity was 130 million tons more than the ability to become a major freight routes, the Beijing-Shanghai route to meet passenger and freight transport demand, a fundamental solution to the

11、 Beijing-Shanghai-channel transport capacity of the state of tension, real people by their deeds, smooth flow of goods. This in the domestic construction milestone, technical standards, the highest standards of green - green-wide passengerBeijng-Shanghai High-Speed Rail Passenger Line .The import mi

12、leage of Zhangxia tunnel is DK427+980, export mileage isDK428 +672, and the total length of this tunnel is 672 meters. This tunnel pass through low-relief terrain. This project characteistics has the complex environment. According to the special geological conditions and engineering large section of

13、 the Liuyang River Tunnel features, many things had been designed, such as the rock-supporting structure under the IV- V of the tunnel, the construction methods in all kinds of rock under the conditions, monitoring and so on. The tunnel was closed by the whole structure of water-resistant lining. Ac

14、cording to the depth and geological condition of the tunnel, the forces and deformations of the 2nd lining for the obtained tunnel had been calculated, by the using of ANSYS software. High-speed railway with the greatest difference between conventional rail is to take into account the aerodynamic ef

15、fects, and therefore the formulation of the lining, not only takes into account the type of rolling stock, road conditions, route conditions, as well as a combination of high-speed train tunnel aerodynamic effects of .Key words: high-speed railway tunnel; structure checking calculation; numerical an

16、alyses with the finite element method; 目录第章 绪论及隧道概况11.1工程概况11.1.1隧道工程位置11.1.2隧道建设规模11.2工程地质和水文地质特征21.2.1地层岩性21.2.2.地质构造31.2.3.土石工程分级31.2.4.地震31.2.5.土壤最大冻结深度0.5m。31.2.6.水文地质特征31.3隧道围岩分级41.4各段岩土工程条件评价及工程措施建议51.4.1隧道进口明挖段评价51.4.2隧道洞身段5第章 张夏隧道总体设计72.1设计依据及范围72.1.1设计采用的标准、规范及规程72.1.2设计范围72.2总体线位72.3隧道纵坡7

17、2.4隧道建设规模72.5轨道类型72.6主要技术标准与设计原则82.6.1主要技术标准82.6.2隧道建筑限界及衬砌内轮廓82.7主体设计原则102.8隧道洞门设计102.9主体地建工程设计112.9.1暗挖隧道段设计112.9.2明挖法暗埋段及引道段设计122.10防排水设计172.10.1隧道防排水设计方案182.10.2隧道防排水设计原则182.10.3截堵水措施182.10.4排水措施182.11监控量测182.12溶洞的处理方案及施工报警设计192.13施工阶段超前地质预测预报192.14耐久性设计192.14.1耐久性设计原则202.14.2隧道结构耐久性设计20第3章 隧道洞门

18、结构设计233.1 洞口位置选择233.1.1隧道进口位置选择233.1.2隧道出口位置选择233.2 洞门选择233.2.1洞门拟设计233.2.2洞门建筑材料253.3洞门结构验算263.3.1洞门荷载的计算263.3.2洞门结构验算27第4章 施工方案设计304.1浅埋暗挖段304.1.1浅埋暗挖段V级围岩地层304.1.2浅埋暗挖段VI级围岩地层324.1.3盖挖法施工（本隧道可以根据实际情况采取此法）344.2张夏隧道洞口的施工方法344.3通风364.4防尘364.5排水364.6超前支护与初期支护374.6.1超前小导管注浆加固地层374.6.2中空注浆锚杆施工374.6.3锚杆

19、钢筋网374.6.4型钢钢架施工374.6.5大管棚施工工序384.6.6湿喷砼施工方法394.7隧道二次衬砌394.7.1正洞施工方法394.7.2钢筋制作安装394.7.3砼施工404.7.4衬砌背后注浆404.7.5仰拱施工404.7.6管沟施工414.8隧道防水施工414.8.1概述414.8.2防水层施工414.9内砼路面施工方法及洞内附属施工414.9.1水泥砼路面整平层施工414.9.2水泥砼路面面层施工424.9.3接缝434.9.4施工缝434.9.5填缝434.9.6洞内附属工程43第5章 防排水方案445.1 设计说明445.2各种施工缝防水措施455.2.1.暗挖法地下

20、工程防水设计455.2.2.明挖法地下防水475.3防水层485.4防水板49第6章 支护设计与计算496.1支护设计506.2隧道衬砌结构验算506.2.1基本原理506.2.2主动荷载结构模型7516.2.3隧道初砌承受的荷载及分类516.3计算建模536.3.1围岩弹簧模型的选取和讨论536.3.2二次衬砌模型的选取和讨论546.3.3作用在衬砌上的荷载计算556.4牛顿-拉普森法求解(nropt)626.5结果输出626.6隧道配筋计算656.6.1 V级超浅埋段即出口段配筋计算656.6.2 V级浅埋段配筋计算686.6.3 V级深埋段配筋计算716.6.4 IV级浅埋段配筋计算74

21、6.6.5 IV级深段配筋计算766.7 隧道长期安全性评价78第7章 监控量测817.1隧道监测的目的817.2隧道监控量测项目选择817.3量测方法827.4量测频率86参考文献89结束语90致谢91附录一 实习报告92附录二 外文翻译96第章 绪论及隧道概况1.1工程概况京沪高速铁路跨越河北、山东、安徽、江苏等四省，联络北京、天津、上海等三大直辖市，经行济南、徐州、南京等大城市；全长约1318km较1463km的既有线缩短155km。全线共设车站24个，平均站间距离约55km。初期最高速度，高速列车以250km/h300km/h，中速列车采用160km/h。远期高速列车的最高速度为350

22、km/h，并逐渐减少中速列车的开行数量，直至全跑高速列车。1.1.1隧道工程位置张夏隧道进口里程为DK427+980，出口里程DK428+672，全长692m。低山区，地形起伏较大，进口处山坡坡度约10，出口坡度约为15，洞内有4.5下坡，隧道位于R=7000m的曲线上，隧道洞身植被较少。1.1.2隧道建设规模张夏隧道工程范围1020m，暗洞段长692m，全隧道共设置四座竖井，隧道建设规模见下表1-1表1-1 张夏隧道建设规模表类别里程长度（m）备注起始里程终止里程隧道建筑长度DK427+980DK429+0001020隧道长度DK427+980DK428+672692分段情况进口明挖暗埋段D

23、K427+980DK427+99515洞身暗挖段DK427+995DK428+657662出口明挖暗埋段DK428+657DK428+67215出口引道敞开段DK428+672DK430+0003281.2工程地质和水文地质特征1.2.1地层岩性隧道区除局部表覆第四系上更新统坡洪积层（），主要有分布于山顶古滑移体堆积层及其底部少量压碎岩体，以及分布于洞身的寒武系下统（1）的粉砂岩夹页岩，灰岩、泥灰岩、页岩等，各地层分布、厚度详见纵断面图。现将各地层岩性简述如下：（1）第四系上更新统坡洪积层（ ）新黄土：褐黄色，坚硬，具大孔隙，含少量角砾。粉质黏土：黄褐色，坚硬，含碎石及页岩碎片。碎石土：浅褐黄

24、色、黄褐色、淡黄色，中密，稍湿，成份以灰岩为主，少量页岩，一般粒径2060mm，最大100mm，充填粉质黏土，局部为页岩碎片，局部含灰岩块石。(2）古滑移体堆积物灰岩块石，物质来源为寒武系中统（2）鲕状灰岩、泥质条带灰岩，局部夹灰绿色泥灰岩薄层，呈松散至半胶结的岩石块体，张节理发育，最大间距可达2m,局部节理裂隙充填方解石晶体，块体粒径巨大，产状凌乱，局部呈假岩层状（DK428+610附近为17032、35027），结合钻探及物探结果，最大厚度约48m。具溶蚀现象，局部为溶洞，最大可达2.1m，多为全填充，充填黏土含碎石，个别为空洞。压碎岩：灰褐色，压碎结构，呈碎石夹土状，碎石成分为石灰岩，一

25、般粒径2060mm，最大100mm，古滑移体下推时携带或堆积挤压形成。（3）寒武系下统（1）页岩：猪肝色，强风化弱风化，页理发育。粉砂岩夹页岩：紫红色，薄中层状，局部夹薄层泥灰岩，全风化弱风化。页岩夹泥灰岩：紫红色，夹灰黄色及灰绿色条纹，强风化弱风化。粉砂质灰岩：紫红色，浅红色，夹灰黄色条纹，细粒砂状结构，块状构造，中厚层状，弱风化，局部夹薄层泥灰岩。 泥灰岩：灰黄色，泥质结构，层理发育，弱风化，局部夹薄层灰岩。灰岩：青灰色，弱风化，隐晶结构、局部泥质结构。1.2.2.地质构造隧道区地处鲁中隆断区的泰山凸起地带，该区为下古生界盖层出露区，中生代长期处于隆起状态，主要发育不同方向的脆性断裂。新生

26、代构造活动较强烈，主要表现为上隆遭受强烈剥蚀，又加上地质条件的差异性，使本区寒武系张夏组石灰岩产生了众多重力式滑移体，成为本区新构造运动行迹的一个重要特征。隧道通过的滑移体据推测在上更新世之前形成，兼具滑坡与崩塌的特征，其垂直落距大，滑移距离短，无明显的滑面。根据济南及张夏地区区域地质特点，结合本次勘察钻探及物探成果以及调绘情况综合考虑，该滑移体现处于稳定状态。1.2.3.土石工程分级 新黄土、粉质黏土 ； 碎石土、压碎岩 块石土 ； 灰岩、鲕状灰岩（弱风化） 粉砂岩夹页岩（全、强风化） （弱风化） 粉砂质灰岩 （弱风化） 泥灰岩夹页岩（弱风化） 泥灰岩 （弱风化） 1.2.4.地震根据中国地

27、震动参数区划图（GB18306-2001）附录A中国地震动峰值加速度区划图，本场地地震动峰值加速度为0.05g(地震基本烈度为度）。1.2.5.土壤最大冻结深度0.5m。1.2.6.水文地质特征 隧道内少量基岩裂隙水。1.3隧道围岩分级根据铁路工程地质勘察规范（GB100122001）附录E，在白垩系全风化段，弹性波速在2000m/s以下。弱风化完整段，砂质泥岩弹性波速一般在20002600m/s之间，围岩等级为VIV级。完整砂岩层弹性波速个别达到30003500m/s，个别钻孔的泥质砂岩弹性波速接近3000m/s。整个区域内岩层强度较低，地层以软质类岩层为主。隧道通过弱风化软岩岩体，岩体较完

28、整，隧道围岩基本分级一般为IV级，隧道通过全强风化软岩岩体以及高阶地土层时，围岩分级一般为低至V级，隧道通过河漫滩土层时，围岩分级一般低至VI级。综合考虑隧道场址岩土层的岩性特征与分布特征，以及地下水和洞身埋深，隧道基本分级主要见表1-3表1-3隧道围岩基本分级表围岩分级主要工程地质特征结构特征和完整状态围岩开挖后的稳定状态VI欠压实稍压实人工填土，软塑性可塑性的冲洪积成因粘土及砂土、软土、碎石土、地下水丰富，遇水软化，崩解的残积土及溶洞充填物粘性土上呈松软状，饱水砂土、碎石上呈松散稍密、中密状围岩开挖后的稳定状态V硬塑性土层、全强风化岩及风化谷、遇水软化崩解，溶洞岩溶呈块石、碎石状，泥质胶结

29、，胶结差，或为溶洞，易输钱化崩解或突水、突泥、涌水围岩易坍塌，处理不当会出现大坍塌，侧壁经常小坍塌，或大量突水突泥IV碎屑岩弱风化带，岩石完整。呈中至厚层状，大部分为较软岩，但岩体完整拱部无支护时 可产生较大的坍塌，侧壁有时失去稳定 ，有水时，易风化、软化崩解隧道围岩分级表起讫里程围岩级别长度（m）DK427+980DK428+03050DK428+030DK428+120IV90DK428+120DK428+370250DK428+370DK428+610IV240DK428+610DK428+660551.4各段岩土工程条件评价及工程措施建议张夏隧道工程设计范围 DK427+980DK42

30、8+672，长692m。张夏隧道主要通过地层为寒武系下统（1）的粉砂岩夹页岩，灰岩、泥灰岩、页岩等，兼具滑坡与崩塌的特征，其垂直落距大，滑移距离短，无明显的滑面，自稳能力相对较差，隧道设计及施工时应充分考虑。1.4.1隧道进口明挖段评价DK427+980DK427+995为一丘间小山坡，地面高程为143.189144.670米，地面起伏不平。开挖地层主要有人工填土、残坡积粉质粘土、粉砂岩夹页岩、泥灰岩泥、灰岩。围岩筹等级为V级，岩土施工筹等级为IIIIV级。隧道进口地处地层为残坡积层以及含粉砂岩夹页岩、泥灰岩泥、灰岩全强风化层，多为软岩，由于软岩强风化层易软化崩解、易风化，工程性质相对较差，暗

31、挖易塌，明挖应采取的支护措施 ，应加强支护，防止发生边坡坍塌和人工填土滑坡，此外，由于土体及全风化层属可压缩地层，设计中应加强地基变形计算，不能满足要求进行地基处理。进口建议边仰坡坡率为1：1.51：1.75，边仰坡控制高度6米，设计时应尽量降低边仰坡高度，放缓边坡坡坡率。基槽开挖应加强排水工作，以防雨水办公浸泡软坑壁及坑内岩上，以防基坑壁坍塌。1.4.2隧道洞身段根据物探资料：DK428+221往小里程方向为粉砂岩与页岩为主，大里程方向以石灰岩为主，与砂岩泥灰岩呈顺层接触。里程DK128+130推测为砂砾岩与泥质砂岩分界线。DK428+442 DK428+645岩性单一，主要为石灰岩，夹杂泥

32、灰岩。综合分析钻探、物探、测井及水文地质试验资料，特别须注意的地段有： DK428+120DK428+370段，围岩破碎, 隧道洞身稳定性差，洞内施工放小炮，防止洞顶掉块、突水、冒泥，应加强排水和加固措施。隧道洞身经过的地层绝大部分为软岩或极软岩，易风化、易软化崩解，开挖后应及时支护。第章 张夏隧道总体设计2.1设计依据及范围2.1.1设计采用的标准、规范及规程1、铁路隧道设计规范2、铁路隧道防排水技术规范3、混凝土结构设计规范4、锚杆喷射混凝土支护规范5、新建时速300350公里客运专线铁路设计暂行规定（铁建设【2004】47号）6、时速350公里客运专线铁路双线隧道复合式衬砌（通隧【200

33、5】0301）7、地下工程防水技术规范（GB50108）8、客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准（铁建设【2005】160号）2.1.2设计范围张夏隧道工程设计范围 DK427+980DK428+672，长692m。2.2总体线位隧道位于R=7000m的曲线上，隧道洞身植被较少。2.3隧道纵坡张夏隧道经过地区为低山区，地形起伏较大，进口处山坡坡度约为10，出口坡度约为15，洞内有4.5下坡。2.4隧道建设规模隧道工程范围1020m，暗洞段长692m，全隧道共设置三座竖井，隧道建设规模见第一章节。2.5轨道类型隧道采用双式无碴轨道，轨道高度49.7cm.2.6主要技术标准与设计原则2.6.1

34、主要技术标准1.铁路等级：客运专线；2.正线数目：双线；3.最小曲线半径：一般9000m，困难7000m；4.正线线间距：5m5.最大坡度:206.到发线有效长度：700m7.牵引种类：电力；8.列车运行方式：自动控制；9.行车指挥方式：综合调度集中；2.6.2隧道建筑限界及衬砌内轮廓1、隧道建筑限界本隧道按京沪高速铁路设计暂行规定（铁建设【2004】157号）执行，建筑限界下图2.1所示。 图2.1 隧道建筑限界图(cm)2、隧道衬砌内轮廓为满足隧道缓解空气动力学效应的要求，隧道轨面以上(或救援通道底面以上)有效面积保持100,双线隧道净空有效面积100.19，内设双侧救援通道，救援通道宽1.5m、高2.2m,工程技术作业空间0.3m。隧道内线间距5m。隧道底部结构按无砟道床设计。隧道断面均采用曲墙带仰拱形式，级围岩设置钢筋混凝土底板，级以下围岩设置仰拱，仰拱与边墙采用圆顺连接，仰拱矢跨比一般不小于112，连接部半径为1.6m