中南大学隧道工程课程设计.doc

铁路山岭隧道课程设计指示书.隧道教研室.(注：可供公路隧道设计者参考，基本方法一样。)一、原始资料(一)地质及水文地质条件沙口坳隧道穿越地段岩层为石灰岩，地下水不发育。其地貌为一丘陵区，海拔约为150米。(详细地质资料示于隧道地质纵断面图中)。(二)线路条件本隧道系Ⅰ级干线改造工程，单线电力（或非电力）牵引，远期最高行车速度为160公里/小时,外轨最大超高值为15厘米,线路上部构造为次重型，碎石道床,内轨顶面标高与路基面标高之间的高差为Δ=70厘米，线路坡度及平、纵面见附图，洞门外路堑底宽度约为11米，洞口附近内轨顶面标高：进口：52.00米出口:50.00米(三)施工条件具有一般常用的施工机具及设备,交通方便,原材料供应正常,工期不受控制。附：(1)1:500的洞口附近地形平面图二张；(2)隧道地质纵断面图(附有纵断面总布置图)一张。二、设计任务及要求(一)确定隧道进、出口洞门位置，定出隧道长度；(二)在1:500的地形平面图上绘制隧道进口、出口边坡及仰坡开挖线；(三)确定洞身支护结构类型及相应长度，并绘制Ⅳ类围岩地段复合式衬砌横断面图一张(比例1:50)；(四)布置避车洞位置；(五) 按所给定的地质资料及技术条件选择适当的施工方法，并绘制施工方案横断面分块图及纵断面工序展开图；(六)将设计选定的有关数据分别填入隧道纵断面总布置图的相应栏中，并写出设计说明书一份。三、应完成的设计文件所有的图纸均应按工程制图要求绘制，应有图框和图标。最后交出设计文件及图纸如下：(一)标明了洞门位置及边、仰坡开挖线的1:500洞口附近地形平面图两张，图名为“沙口坳隧道进口洞门位置布置图”和“沙口坳隧道出口洞门位置布置图”；(二)参照标准图绘制的1:50衬砌横断面图一张，图名为“Ⅳ类围岩衬砌结构图”；(三)隧道纵断面总布置图一张，图名为“沙口坳隧道纵断面布置图”；(四)设计说明书一份，主要内容有：1.原始资料①地质及水文地质条件；②线路条件；③施工条件等。2．设计任务及要求3.设计步骤①确定洞口位置及绘制边仰坡开挖线的过程应列出有关参数如b、c、d等值的计算，详细表述清楚各开挖面的开挖过程；②洞门及洞身支护结构的选择，标明各分段里程、不同加宽的里程；③大小避车洞的布置；④施工方案比选：包括施工方法的横断面分块图及纵断面工序展开图。四、设计步骤(一)隧道洞门位置的确定洞门位置的确定与洞门结构形式、边仰坡开挖方式、洞口附近地形、地质及水文地质条件有关。通常采用先在1:500的洞口地形平面图上用作图法初步确定洞门位置,然后在实地加以核对和修正。为了保证施工及运营的安全,《隧规》提出了“ 在一般情况下，隧道宜早进洞，晚出洞”的原则。即尽量避免开挖深路堑，以确保洞口边、仰坡稳定。为此《隧道设计手册》在《铁路工程技术规范》的基础上，列出了各种不同地质条件下洞口边、仰坡的允许开挖高度及坡率（见表1）供设计时使用。表1隧道洞口边仰坡的允许开挖高度及坡率围岩分类边仰坡坡率边仰坡开挖最大高度（m）说明Ⅵ≤0.3201.边仰坡的最大开挖高度，指洞口的垂直等高线的控制断面2。.软岩坡面宜加设防护3.本表未考虑地下水对坡面稳定的影响因素4.本表不包括其它特种土类.Ⅴ硬岩1:0.3～1:0.518～20软岩1:0.5～1:0.7516～18Ⅳ硬岩1:0.5～1:0.7516软岩1:0.75～1:114～16Ⅲ硬岩1:0.75～1:112～14软岩1:1～1:1.2512土质1:1～1:1.2510～12Ⅱ1:1.25～1:1.510Ⅰ〈1:1.5<10注：①最大设计开挖高度系从路基面算起；②本表仍按“围岩分类”，当采用“围岩分级”时，应注意将表中类别数字颠倒过来。最常见的洞门结构形式有端墙式和翼墙式两大类。在开挖方式上，由于边坡与仰坡的连接方式不同，翼墙式有甲、乙两种边、仰坡开挖方式，而端墙式只有乙式开挖一种(参见图1、图2，详见专隧0011标准图)。作图之前，先根据围岩类别在表1中选择适当的边仰坡坡率和最大设计开挖高度，并在有关标准图中根据围岩类别、牵引类型选择适当的洞门结构型式及开挖方式，以洞口附近的路基标高加上最大设计开挖高度在地形平面图上找出控制等高线（即边仰坡刷坡不宜逾越的高度），然后根据洞门结构的几何尺寸按几何关系作图，定出洞门位置。为了说明具体作法，下面将甲、乙两种方式确定洞门位置的方法分别加以叙述。 Ⅰ、甲式开挖（参见图1）甲式开挖后的边、仰坡范围由六个面组成：即一个仰坡面，两个边坡面，两个边仰坡的弧形联接面和一个路基面构成。在确定洞门位置时，可以近似将洞口路基面视为一个水平基准面。其具体步骤如下：1．根据选定的洞门结构型式查得洞门墙顶半宽Bm及翼墙端点至洞门里程的距离C值（见图1）；2．计算H路基＝H轨顶－Δ注：在标准图中Δ是用h2表示。H控制＝H路基＋H设计d＝H设计×m式中：H路基——路基面设计标高；H轨顶——内轨顶面标高；H设计——最大设计开挖高度；H控制——控制等高线标高;Δ——由轨顶面至路基面的垂直距离；1：m——边、仰坡坡率；d——边坡坡脚至等高线上控制点a的水平距离；b——洞门位置至仰坡坡脚水平距离(可由标准图中查得)；3．在1：500地形平面图上找出数值为H控制的等高线；4．沿线路中心线两侧作宽度为路堑底宽度之半的两根平行线Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ；5．以d为半径，沿Ⅰ－Ⅰ（或Ⅱ－Ⅱ）线移动，找出与控制等高线相切的点a 后，在Ⅰ－Ⅰ线（或Ⅱ－Ⅱ线）上标出圆心O点；6．从O点向洞内方向移动C的距离得一点P，过P点作线路中心线的垂线PP′，则PP′即为甲式开挖时的洞门位置；7．按比例在1：500地形平面图上绘出洞门结构平面示意图。Ⅱ、乙式开挖（参见图2）乙式开挖范围比较复杂，由10个面组成，即一个仰坡面、二个弧形联接面、两个洞门墙顶的边坡面、两个不同路基宽度联接面、二个边坡面和一个路基面，其具体步骤如下：1．根据选定的洞门结构型式找出洞门墙顶半宽度Bm，仰坡脚至洞门起点的水平距离b以及仰坡脚至路基面的垂直距离h顶沟（见图2）；2．计算H路基=H轨顶－ΔH控制＝H路基＋H设计d＝(H设计－h顶沟)×m式中：d—仰坡脚至控制等高线上的控制点a的水平距离，其他符号意义同上；3．在1：500地形平面图上找出数据为H控制的等高线；4．沿线路中心线两侧作宽为洞门墙顶宽度之半（即Bm)的两根平行线 Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ；5．以d为半径沿Ⅰ—Ⅰ线（或Ⅱ—Ⅱ线），找出与控制等高线相切的点a，并在Ⅰ—Ⅰ（或Ⅱ—Ⅱ）线上标出圆心O点；6．从O点向路堑方向移动b的距离，得一点P，过P点作线路中心线的垂线PP′，则PP′即为乙式开挖时洞门位置；7．按比例在1：500地形平面图上绘出洞门结构平面示意图，并标出洞门里程及其轨顶面标高。当进出口洞门位置确定以后，隧道起、终点里程之差即为隧道长度。注意隧道起、终点的里程系按隧道洞门墙外表面与线路内轨顶面的交点计算。(二)绘制隧道洞口边、仰坡开挖线所谓边仰坡开挖线是指洞口地段边仰坡面与地表面的交线（参见图3、图4）。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。作边仰坡开挖线就是要在地形平面图找出规则图（边坡、仰坡面等）与不规则图（地表面）的交线。下面举例加以说明。1．仰坡开挖线（见图3）设某隧道进口仰坡坡脚标高为55.1m，仰坡坡率为1：0.75，为了求得仰坡与地表面的交线，先计算仰坡的等高线距仰坡坡脚的水平距离d1、d2、d3……等。对于60m等高线d1=(60－55.1)×m=4.9×0.75=3.67m对于58m等高线d2=(58－55.1)×m=2.9×0.75=2.17m 然后在图中按比例作与洞门墙平行且相距为d1的1－1线，交60m等高线于①点，作2－2线与洞门墙相距为d2交58m等高线于②点，以此类推，用虚线连接a、①、②、……各点即为仰坡开挖线。2．绘制边坡开挖线的方法(参见图3)其原理同前，若边坡坡脚标高为46m，边坡坡率1：n＝1：0.5，则不同标高位置的边坡顶点至边坡坡脚的水平投影距离为：C1＝(48－46)×n＝1.0mC2＝(50－46)×n＝2.0m3．绘制仰坡与边坡交角处开挖线的方法。其原理同前，但是应注意当洞门开挖方法不同时，其刷坡起算点不同，即采用甲式开挖时，起坡点为翼墙端点G，而采用乙式开挖时，起坡点为仰坡坡脚K(参见图4)。当仰坡坡率与边坡坡率不同时，采用坡率逐渐变化的方法进行过渡。如若边坡坡率1：n＝1：0.75，仰坡坡率1：m＝1：1，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1：0.8，1：0.85，1：0.90，1：0.95，1：1，然后用前述方法作出交角处的开挖线。(三)确定洞身衬砌结构类型及长度并绘制1:50的衬砌横断面图1．确定洞身衬砌结构类型及长度 隧道通过地段的地质情况常有变化，应按其不同围岩类别选用不同类型的衬砌。在两类衬砌连接处，围岩较差地段的衬砌断面应向围岩较好地段作适当的延伸，一般延伸长度为5～10m。隧道洞口地段由于覆盖层较薄，地质条件差，衬砌结构设计应慎重从事，通常都予以加强，一般隧道应在洞口位置设置不小于5m长的加强衬砌，衬砌加强地段的衬砌断面视地形地质实际情况，可选用低一级甚至两级围岩类别的衬砌断面。对于曲线地段的衬砌断面都要加宽，加宽计算详见教材。应注意的是，计算后的数值应取为10的整倍数，以方便现场制模。各类围岩相应的衬砌断面，可查阅相应的标准图，并将选用的衬砌断面的标准图号、加宽值、长度，分别逐段填入总布置图中，各段长度一般应取米的整数。2．绘制复合式衬砌断面图绘制Ⅳ类围岩地段复合式衬砌横断面图一张，比例1：50。(四)避车洞平面位置的布置隧道避车洞的大小和尺寸，及其衬砌结构均有标准图可查用，设计时不必详细列出。但设计总布置图中应明确表示其所在位置。表示如下：隧道中线说明：小避车洞仅用其中线（图中短线）表示，大避车洞用小矩形表示。避车洞布置的原则：隧道长度小于300m时，可不设大避车洞；隧道长度300～400m时，可在隧道中间设一个大避车洞，。路堑两侧沟外无平台时，应与隧道一起考虑布置大避车洞。洞内铺设碎石道床时，大避车洞的一侧间距为300m，并必须在两侧边墙上交错布置。在大避车洞之间，还必须设置小避车洞，其一侧间距为60m，也必须在两侧边墙上交错布置。避车洞位置应避开不同衬砌的交接处，不同加宽断面接头处以及不同围岩分界处，一般应离开3～5m。(五)施工方法的选择本隧道要求采用新奥法施工。隧道施工方法是否恰当，直接影响施工安全、进度、质量和造价等，应根据隧道所处的地形、工程地质及水文地质、工期、断面大小、施工技术设备和水平加以综合考虑。 本课程设计要求同学们按所给工程条件，经过适当的施工方案比选，选择合理的施工方法，在说明书中绘出其横断面分块图和纵断面工序展开图，分析其优缺点及注明施工注意事项，并将施工方法标注在隧道纵断面总布置图中。参考文献和图纸1．隧道教材；2．铁道部第二勘测设计院，铁路工程设计技术手册——隧道分册，中国铁道出版社；3．有关标准图：⑴专隧(01)0013,单线电化铁路隧道门；⑵专隧(01)0014,单线电化铁路隧道复合式衬砌。