隧道工程-毕业设计.doc

石家庄铁道大学毕业设计风化蚀变围岩隧道设计与施工DesignandConstructionofTunnelinWeatheringAlterationSurroundingRock2013届土木工程学院专业土木工程学号学生姓名刘奎指导教师朱永全完成日期2013年6月3日 毕业设计成绩单学生姓名刘奎学号班级土0901-1专业土木工程毕业设计题目风化蚀变围岩隧道设计与施工指导教师姓名朱永全指导教师职称教授评定成绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任)签字：年月日 毕业设计任务书题　目风化蚀变围岩隧道设计与施工学生姓名刘奎学号班级土0901-1专业土木工程承担指导任务单位土木工程学院导师姓名朱永全导师职称教授一、主要内容1.设计依据及原则：包括设计应遵循的主要规范规程及主要原则。2.工程概况：包括本工程的设计范围、工程地质、水文地质概述、地面环境等。3.开展对贵广天平山隧道的设计：包括结构选型、衬砌形式、支护和衬砌设计。4.所选部分结构设计检算：包括计算荷载的确定、计算模型的建立、衬砌结构计算、结构配筋计算。5.施工方法设计：包括整体施工方法确定、主要施工工艺方法、施工组织、结构防水施工监控量测等。应附图：地质纵剖面图、衬砌断面图、配筋图、炮眼布置图等。6.外文翻译，隧道相关文献翻译。二、基本要求1.通过文献、资料阅读，掌握软弱围岩隧道结构设计方法。2.熟悉衬砌结构设计计算方法及配筋计算方法。3.掌握隧道施工方法，了解施工工艺。三、应收集的资料及参考文献1.《隧道设计规范》；2.《隧道施工规范》；3.《混凝土结构设计规范》（GBJ10-89）；4.《隧道设计手册》；5.《隧道施工手册》；6.《隧道工程设计要点集》关宝树编；7.地下铁道设计、施工相关资料、文献。五、进度计划第1周熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图；第2周写出开题报告；第3～5周支护结构设计；第6～9周隧道衬砌结构设计检算；第10～12周施工方案及爆破设计；第13周初支、防水及二衬等施工工艺设计；第14～15周监控量测设计，外文翻译；第16周文整，答辩；教研室主任签字时　间　　年　月日 毕业设计开题报告题　目风化蚀变围岩隧道设计与施工学生姓名刘奎学号班级土0901-1专业土木工程1、研究背景软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。软岩结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包括沉积层面、软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触方式，微空隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征，古生代和部分中生代软岩由于长期上覆岩体的压实作用及经常性的构造运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使颗粒间形成胶结连结。同时由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成密实有序的长带状和链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于10%，单轴抗压强度相对较高，多数为20-30MPa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒间密实性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构较疏松，吸水率为10%-70%，单轴抗压强度一般为5~20MPa，如南水北调中线工程邯郸地区的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常不稳定，它与砂岩互层或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混杂堆积，成岩程度低，岩石中常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙脱石、伊利石混层矿物密集分布，造成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达69%~78%，抗压强度均小于5MPa。软弱围岩对隧道失稳的影响：(1)岩体力学性质的影响：软岩的力学特性如各向异性、塑性、扩容性、膨胀性、流变性等，都对围岩的稳定有重要影响；(2)岩体结构及裂隙分布的影响在地质构造运动中形成的结构面，一般情况下，其强度远低于母岩；(3)软岩隧道的失稳，是隧道开挖引起的应力重分布超出围岩强度或造成围岩过分变形而造成的；(4)地下水的影响。软岩隧道失稳破坏特征：(1)变形破坏方式多；(2)变形量大；(3)变形速度高；(4)持续时间长；(5)围岩破坏范围大；(6)各位置破坏不一；(7)来压快； 软弱围岩隧道设计理论：(1)隧道是由围岩和多种支护结构两部分组成的，即：隧道=围岩+支护，围岩与支护共同承担山体的压力；(2)隧道承受的压力具有不确定性；(3)支护体系是控制围岩变形的关键；软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理：(1)改善围岩自身受力条件；(2)直接对围岩提供支护力。软岩在世界上分布非常广泛，泥岩与页岩就占地球表面所有岩石的50%左右。它与工程建设息息相关，特别是对大坝、遂洞、边坡的稳定性起控制作用，如丹江口、葛洲坝、铜街子、小浪底、恒仁、上犹江、朱庄等大型水电工程坝基都存在软岩类的软弱夹层，其中葛洲坝工程是一个典型，坝基下埋藏产状近水平的软弱夹层有50多层，为探明软弱夹层成因类型和分布规律，采用小口径钻孔、大口径钻孔、平洞、探井、钻孔彩色电视与地球物理勘探以及现场地应力测量等方法；达开水库输水隧道软岩引起的坍方占坍方量的70%；四川中江县马鞍山遂洞粘土岩膨胀导致变形与垮坍；贵州各地区边坡滑动灾害中由软弱层引起约占60%。在世界沙上有关水工建筑物事故的统计中，由于软岩的存在而引发的，可以举出如下一些较突出的实例：美国圣佛兰西斯坝，因粘土胶结的沙砾岩被水浸润软化而引起滑动；美国俄亥河26号坝，沿坝基下5cm厚的页岩层发生滑动；美国奥斯丁重力圬工坝，沿石灰岩内的页岩夹层而滑动；法国布泽坝，沿坝基龟裂的红色砂岩上的粘土层发生滑动；印度的堤格拉坝，在砂页岩互层中发生滑动等等。因此，探讨软岩的成因类型与空间展布规律、物质成分与结构特征、软岩与围岩的接触形态、地质时代与强度的关系都是研究软岩特殊工程性质和优化工程治理的致关重要问题。本设计所研究的贵广天平山隧道就是以软岩大变形为特点的。2、国内外研究现状近些年，在国内外相继出现了大量的隧道软岩大变形工程实例，并且在治理这些问题中取得了很多经验。日本的岩手隧道，长25.8km，采用新奥法施工。地质条件为凝灰岩及泥岩互层，单轴抗压强度为2~6MPa。施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的，上断面的净空位移100~400mm，最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm，拱顶下沉为10~100mm。日本惠那山隧道，长8.635km，围岩以花岗岩为主，其中断层破碎带较多，局部为粘土，岩体节理发育、破碎，岩石的抗压强度为1.7~3.0MPa，隧道埋深为400~450m，原始地应力为10~11MPa。施工时产生了大变形，在地质最差的地段，拱顶下沉达到930mm，边墙收敛达到1120mm，有600cm2 面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空。最后采用9.0m和13.5m的长锚杆，并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后，结构才得以基本稳定。陶恩隧道长6400m，开挖断面面积90-105m2，位于显著变质的岩带内，如片岩、千枚岩等，主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石，抗压强度R=0.4-1.7MPa，洞内无地下水活动，隧道埋深为600-1000m，原始地应力为16.0-27.0MPa，侧压力系数近似为1.0，围岩强度比为0.05-0.06。陶恩隧道采用台阶法施工，在设计时，由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验，采用的初期支护参数较小，导致拱顶发生1.2m的位移。而后把锚杆改为6m，并初次采用纵向伸缩缝，缝宽20cm，间隔3m，支撑也是可缩的，并在隧道底部增加了隧底锚杆，喷射混凝土厚度保持25cm不变。上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用，但已完成段，其洞壁已严重侵入二次衬砌净空，只能采取扩挖的办法处理，增加了施工的难度，同时又具有一定的危险性。此时的净空收敛大约是20-25cm。要再大时，要增打9m以上长度的锚杆。奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m，开挖断面面积90-103m2，岩石主要为千枚岩、片麻岩，局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩，岩石强度为1.2~1.9MPa，隧道的埋深平均为350m，最大埋深为740m，原始地应力为13.0MPa，围岩强度比为0.1~0.2。隧道采用自上而下的分布开挖法，先开挖弧形导坑，施作初期支护，然后再开挖台阶(分左、右两次分别进行)，最后检底。由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的，该隧道设计时的初期支护就比较强，喷射混凝土厚20~25cm，锚杆长6.0m，同时安设了可缩刚架。但是由于岩层产状不利，锚杆的长度仍不够，施工中支护产生了很大变形，拱顶下沉量达到15~35cm，最大水平收敛达70cm，变形速度达11.5cm/d，后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法，才是变形得到了控制，变形速度降为5.0cm/d，变形收敛时间为100~150d。家竹箐隧道隧道全长4990m。隧道位于盘关向斜东翼，属单斜构造，岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW。由于距向斜轴部较远，故皱褶、断层不发育，只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1，其破碎带宽15～20m。隧道横穿家竹箐煤田。隧道南段为玄武岩，北段为灰岩，北段为灰岩，中部3890m为砂、泥岩及为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层。隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后，在接近最大埋深(404m)的煤系地层地段，由于高地应力的作用，锚喷支护相继发生严重变形。在一般地段，拱顶下沉为50-80cm，侧壁内移50-60cm，底部隆起50-80cm；在变形最严重地段，拱顶下沉达到240cm，底部隆起达到80-100cm，侧壁内移达到160cm。为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状，加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤ 提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱。大变形得到迅速整治，衬砌施工后，结构完好，未出现任何开裂现象，经预埋的应力、应变计测试，有足够的安全储备。木寨岭隧道全长1710m，穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩及硅质砂板岩。存在的主要构造体系是山字型构造体系。属地应力集中区，隧道穿越区为沟谷侧，原始地应力难以释放。隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩，局部泥化软弱，呈灰黑色，围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重，大部分地段围岩较破碎，洞身渗涌水频繁，部分地段呈股流。隧道在高地应力大变形地段，严重处拱顶累计下沉达155cm。经研究主要采取的处理措施有：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架及临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆，超前支护小导管，拱脚两侧增设小导管锁脚。导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网，与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段及开挖后变形较大的地段，除施作长的自进式锚杆外，再采用小导管进行双液注浆。在我国，随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多地触及到软岩（高应力软岩）工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究，摸清它发生、发展的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法是十分必要的。3、进行的主要工作本毕业设计主要有两个方面：一是软岩隧道的结构设计，包括二次衬砌尺寸及材料拟定、荷载计算、内力分析、二次衬砌配筋设计；二是施工组织设计，包括：开挖施工方法、爆破设计、出碴及运输方式、初期支护、二次衬砌、防水层、排水系统、施工通风、施工监控量测设计、施工组织管理、主要分项的施工工艺等内容。4、采取的方法对于隧道结构设计，首先利用ANSYS软件进行建立计算模型，即使用阶段结构安全性检算，采用“荷载—结构”模式，二衬结构采用弹性平面梁单元模拟，弹性抗力以及隧道底部地基均采用弹簧单元模拟，组合荷载根据不同作用方向分别转换成等效节点力施加在相应的单元结点上。荷载计算主要包括松动压力的计算，即采用单线隧道按破坏阶段设计时垂直压力公式计算。利用容许应力法进行配筋设计，即根据计算出来的内力值进行配筋。对于隧道施工组织设计，本隧道使用分部台阶法进行开挖，在施工之前要进行超前地质预报，探测地层岩性、软弱层及断层构造位置等。弄清地质情况以后进行开挖。利用钻爆法进行开挖，然后进行超前支护与初支护，超前支护使用超前小导管注浆加固地层，初期支护包括锚喷支护，架设格栅钢拱架，钢筋网。然后根据设计参数进行二次衬砌，不间断进行施工监测。 5、预期结果设计中通过对结构所受的荷载，进行ANSYS建模，来计算出某点所受的轴力和弯矩，然后通过计算出来的内力进行衬砌结构的配筋设计。隧道施工组织设计中，初期支护包括锚喷支护，架设格栅钢架，钢筋网，以及二次衬砌要及时施做，采用无轨运输方式进行出渣，利用斜井进行通风，排水，二次衬砌及时跟上。完成隧道结构设计；完成隧道施工组织设计；完成设计图：地质纵剖面图，衬砌结构横剖面图，计算模型及计算结果图，炮眼布置图、配筋图等；完成外文翻译等相关文档和完整的设计报告书。6、进度计划第1周熟悉资料，查阅文献，弄清设计意图；第2周写出开题报告；第3～5周支护结构设计；第6～9周隧道衬砌结构设计检算；第10～12周施工方案及爆破设计；第13周初支、防水及二衬等施工工艺设计；第14～15周防水设计、监控量测设计，外文翻译；第16周文整，答辩。指导教师签字时间年月日 摘要新建贵阳至广州铁路天平山隧道研究段（DK372+800～DK374+165），全长1365m，为双线单洞隧道，设计时速250km，预留进一步提速条件。本隧设置0#、1#、2#、3#、4#斜井，12个工作面，是贵广铁路的控制性工程之一。该隧道地下水发育，工程地质复杂。本隧道段的主要工程地质问题是高地应力下炭质页岩等软岩变形。首先，根据隧道的工程概况拟定相关参数对隧道各级各段进行深浅埋判断，在此基础上进行围岩压力计算，通过ANSYS软件建模对各围岩段衬砌强度进行结构检算，再对衬砌配筋进行计算，之后进行检算。其次，根据该隧道研究段的两种围岩等级进行施工方案的选择和设计，提出施工方案。施工方法的选择：Ⅳ级围岩采用三台阶法，Ⅴ级围岩同样采用三台阶法。然后对小导管、锚杆、钢筋网、钢架和喷射混凝土的施工要点及注意事项进行详细阐述。再对初期支护和二次衬砌进行施工方法设计。最后再对该天平山隧道的防排水工艺以及监控量测进行设计。从设计、开挖到支护完成的整个过程，充分体现了“新奥法”的精髓，以保证隧道本身的稳定性。关键词：天平山隧道软岩变形结构计算隧道施工监控量测 AbstractThetestsectionofTianPingshanTunnelinthenewlybuiltGuiyang-GuangzhouRailwayis1365mlong,whichisatunnelhastwolaneswithonetube.Andtheprojectedspeedis250km，inwhichtheconditionofspeedinguphasbeenreserved.Thetunnelsetsupinclinedshaftsincluded0#，1#，2#，3#and4#andtwelveworkingfaces，whichisoneofthedominantengineeringinGuiyang-GuangzhouRailway.Thegroundwaterunderthetunnelisdevelopedandtheengineeringgeologyiscomplex.Mainengineeringgeologicalproblemofthistunnelsectionisthedeformationofsoftrockincludesmacker.Firstly，Iwillformulateparametersaccordingtotheprojectprofilestojudgetheburieddepthofalllevels.AndonthisbaseIwillmakecalculationsofsurroundingrockpressureandmakestructurecheckingofeachsectionofsurroundingrock’sliningstrengththroughANSYSmodeling.ThenIwillmakecalculationsaboutliningreinforcementandcheckagain.Secondly，Iwillselectanddesignaconstructionschemefromthetwolevelsofthesurroundingrockintunnel’stestsectionthenpresenttheconstructionscheme.Selectionsofconstructionmethods:theⅣlevelusesthree-step-methodandtheⅤlevelalsousesthree-step-method.ThenIwilldescribethekeypointsofconstructionandprecautionsofsmallpipe，rockbolt，steelfabric，steelframeandsprayedconcrete.Finally，IwilldesignthewaterproofinganddrainagesystemandmonitoringmeasurementofTianPingshanTunnel.Throughthewholeprocessofdesignation，excavationandsupportingtocomplete，itfullyembodiestheessenceof“newAustriantunnelingmethod”toguaranteethestabilityofthetunnelitself.Keywords:TianPingshantunnelsSoftrockdeformationStructuralcalculationTunnelingconstructionMonitoringmeasuring 目录第1章绪论11.1研究背景及国内外现状11.2主要设计内容2第2章工程概况32.1工程概况32.2地质概况32.2.1地质岩性32.2.2地质构造和水文特征42.2.3地应力42.2.4工程面临的问题52.2.5施工方法62.2.6不良地质特点分析6第3章结构设计83.1主要设计依据及技术标准83.1.1设计依据83.1.2设计标准83.2结构计算原理83.3衬砌内力计算113.4二次衬砌强度检算及配筋163.4.1强度检算公式163.4.2强度检算及配筋183.4.3最大裂缝宽度检算193.5隧道的结构形式以及支护参数20第4章隧道施工方案224.1总体方案224.2开挖方法和工序224.3不同围岩段的开挖方法244.3.1Ⅳ级围岩段开挖方法25 4.3.2Ⅴ级围岩段开挖方法264.4大变形分级控制264.5爆破设计274.5.1Ⅳ级围岩爆破设计274.5.3Ⅴ级围岩爆破设计314.5.4钻爆施工354.6装渣与运输37第5章隧道施工工艺385.1超前地质预报385.2小导管注浆施工工艺385.3大管棚注浆施工工艺405.4初期支护415.4.1喷射混凝土415.4.2锚杆435.4.3钢筋网465.4.4格栅钢架475.5二次衬砌485.5.1二次衬砌施工概述485.5.2二次衬砌施工准备工作495.5.3二次衬砌混凝土495.5.4二次衬砌模板台车505.5.5二次衬砌施工要点515.6防排水工程施工工艺535.6.1隧道衬砌排水535.6.2采用防水混凝土535.6.3施工缝和变形缝防水535.6.4初期支护和二次衬砌之间防水545.6.5洞内排沟施工55第6章隧道施工现场监控量测566.1监测目的566.2量测项目及测点布置566.3监控量测流程586.4量测方法58 6.5量测频率596.6监控量测数据分析与反馈596.7监控量测的主要设备596.8监控量测工作各单位职责60第7章结论与展望617.1结论617.2展望62参考文献63致谢64附录A外文资料翻译65A.1英文65A.2译文76附录B图纸82 第1章绪论1.1研究背景及国内外现状软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的复杂岩石力学介质。软岩结构主要是指沉积岩中的泥质岩以及岩体中各种特定形态的地质界面。它包括沉积层面、软弱夹层、节理层、不连续裂隙面、颗粒与粒团的排列与接触方式，微空隙与微裂隙等。这些结构特征有着自身的独特形成过程和客观的发展历史。它是地质历史发展的产物，反映了成岩地址环境和原始应力条件以及各种外力的改造作用。不同时代类型的软岩，具有不同的结构、构造特征，古生代和部分中生代软岩由于长期上覆岩体的压实作用及经常性的构造运动影响，使矿物颗粒在接触处产生重结晶而使颗粒间形成胶结连结。同时由于成岩时间长，构造变动频繁，使矿物定向排列形成密实有序的长带状和链状微结构，岩块吸水率较低，一般小于10%，单轴抗压强度相对较高，多数为20-30MPa。新生代和部分中生代软岩，由于成岩时间较短，颗粒间密实性差，颗粒间常以各自的水化膜相互重叠而形成水胶连结，其微结构以无序的蜂窝状结构为特征从胶结程度来看，以中等胶结和弱胶结为主，因而结构较疏松，吸水率为10%-70%，单轴抗压强度一般为5~20MPa，如南水北调中线工程邯郸地区的上第三系相沉积的泥岩，其岩性在水平方向和垂直方向常不稳定，它与砂岩互层或呈透镜状夹层分布，有些泥岩碎硝颗粒与泥质物混杂堆积，成岩程度低，岩石中常有较多的粒间孔隙，碎硝颗粒间蒙脱石与蒙脱石、伊利石混层矿物密集分布，造成其结构强度的不稳定，尤其是干湿交替条件下发生膨胀崩解破坏。岩块吸水率达69%~78%，抗压强度均小于5MPa。随着西部大开发的深入，西部水电建设的发展，必将越来越多地触及到软岩（高应力软岩）工程问题。及时开展软岩工程问题的试验研究，摸清它发生、发展的规律，提出相应的、切实有效地预测、防范及解决方法是十分必要的。贵广铁路天平山隧道是贵广铁路第三长、大、高风险隧道。该隧道由广西龙胜境内进入，沿桂北第一山脉天平山主峰纵向穿越，在广西临桂县五通镇布厄村结束，全长14.005km，隧道最大埋深775m，进口、出口均有200多米的浅埋偏压段，该隧道地质条件复杂，Ⅳ、Ⅴ级围岩比重大，有可能产生大变形、坍塌等地质灾害，为Ⅰ级风险隧道。围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主，主要为碳质页岩，围岩破碎，地下水发育， 稳定性差，开挖后局部掉块严重，支护后易产生较大、持续时间较长的挤压变形，安全风险高，施工难度较大，且交通条件极度恶劣，是铁道部和贵广铁路公司确立的“软岩隧道大变形科研技术”重要研究课题。1.2主要设计内容本设计针对天平山隧道的研究段（DK372+800～DK374+165）进行研究。主要设计内容：(1)计算Ⅳ级、Ⅴ级围岩荷载，确定在这两种围岩级别条件下衬砌类型，衬砌长度，二衬厚度和计算配筋，进行洞身二衬结构检算，并绘制衬砌结构横剖面图，结构配筋图。(2)按工程类比法确定在这两种围岩级别条件下隧道的初支结构及形式。(3)进行隧道总体施工方案设计，包括总体施工部署、进洞方案、洞身在这两种围岩段的开挖方法等。(4)设计具体的施工工艺，包括开挖、出碴、初支、二衬、防水工程、量测及其它相关施工工艺，绘制相应的施工工法步序图，监测布置图以及其它必要附图。 第2章工程概况2.1工程概况该隧道的研究段（DK372+800～DK374+165），全长1365m，为双线单洞隧道，设计时速250km，预留进一步提速条件。本设计段隧围岩以Ⅳ、Ⅴ级为主，主要为碳质页岩，围岩破碎，地下水发育，稳定性差，开挖后局部掉块严重，支护后易产生较大、持续时间较长的挤压变形，安全风险较高，施工难度较大，且交通条件恶劣。隧道洞身穿过奥陶系、寒武系地层，以砂岩、页岩为主，局部段落为页岩夹炭质页岩，砂岩裂隙发育，且洞身段穿越四条区域性大断层，地下水发育，人文干扰较大，工程地质复杂。本隧的主要工程地质问题是高地应力下炭质页岩等软岩变形。2.2地质概况2.2.1地质岩性本隧道的地质岩性：①炭质页岩：粘土岩的一种。成分复杂，除粘土矿物（如高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等）外，还含有许多碎屑矿物（如石英、长石、云母等）和自生矿物（如铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等），具页状或薄片状层理。它是由粘土在地壳运动中挤压而形成的一种沉积岩，是固结较弱的粘土经过挤压、脱水、重结晶和胶结作用而形成的。由于它层理分明、易剥离而称为页岩。页岩一般为褐色、灰色或黑色，硬度不高，用硬物击打易裂成碎片。炭质页岩含有大量已碳化的有机质，常见于煤系地层的顶底板。②砂岩：砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂粒含量大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的，石英和长石是组成地壳最常见的成分。砂岩的颜色和成分有关，可以是任何颜色，最常见的是棕色、黄色、红色、灰色和白色。有的砂岩可以抵御风化，但又容易切割，所以经常被用于做建筑材料和铺路材料。例如石英砂岩中的颗粒比较均匀坚硬，所以砂岩也被经常用来做磨削工具。砂岩由于透水性较好，表面含水层可以过滤掉污染物，比其他石材如石灰石更能抵御污染。 页岩夹炭质页岩、砂岩及灰岩(Єb1）：深灰，灰黑色，薄至中厚层状，节理发育，具少量页岩同生角砾。岩质软，遇水易软化，稳定性差。强风化层厚3～12m，属Ⅳ级软石，弱风化层属Ⅳ级软石。页岩夹炭质页岩及透镜状灰岩(Єq3）：浅灰，灰黑色，薄至中厚层状，节理发育，岩质总体较软，遇水易软化，稳定性差。强风化层厚3～12m，属Ⅳ级软石，弱风化层属于属Ⅳ级软石。岩层的物理力学指标见表2-1。表2-1岩层的物理力学指标岩土名称风化程度密度ρ(g/cm3)抗压强度(MPa)内摩擦角φ(°)基本承载力σ(kPa)边坡率临时永久页岩夹砂岩、炭质页岩及灰岩(Єb1）W32.2454001:0.751：1W22.428.8535001:0.51:0.75页岩夹炭质页岩及透镜状灰岩(Єq3）W32.2454001:0.751：1W22.428.8535001:0.51:0.752.2.2地质构造和水文特征该研究段隧道位于天平山隧道中间地段，地形切割比较厉害，地表植被发育；根据地质资料，该段岩性主要为页岩夹炭质页岩及透镜状灰岩；段内多发育次级断层构造，岩体完整性差，多处为节理密集带及复式褶皱，围岩节理、裂隙极发育，岩体软弱、含水性较好。段内宇庙4号及上宇庙5号向斜为地下水的储藏提供有利条件，核部地下水含量丰富，隧道洞身位于向斜南西翼，与向斜轴向平行行进，并靠近向斜核部；开挖过程中，在断层带及节理密集带、向斜核部附近有中等涌水现象，局部可能出现较大的涌水现象；洞身地下水对砼侵蚀等级为H1。2.2.3地应力根据埋深基本相同的DZ-天平山-深-4孔地应力测试资料（见表2-2）来看，在测量深度域内水平主应力值大致随孔深增加而减小；结果显示，三个方向的主应力之间的大小关系为：sH>sv>sh，随着深度的增加，垂直主应力值逐渐变大，最大水平主应力值逐渐减小，最后最大水平主应力将小于垂直主应力。印模结果表明DZ-天平山隧道-深-4孔附近最大水平主应力的优势方向位于N57° W左右，应力随深度变化较有规律，测孔附近应力场分布较为均衡。钻孔附近最大水平主应力优势方向与线路中线约以锐角8º相交，因此隧道轴线方向选择比较合理。表2-2天平山隧道DZ-天平山-深-4孔各深度测段sH、sh、sV值汇总深度(m)sH(MPa)sh(MPa)sV(MPa)456.97~457.8218.2113.4312.09471.84~472.6917.9911.1012.48496.51~497.3615.1410.7213.14508.93~509.7815.4210.2413.47522.10~522.9514.2910.2213.81按钻孔不同深度主应力测试值分布及其线性回归公式大致推测天平山隧道DZ-天平山-深-4孔附近开挖隧道位置处s横、s纵、值以及隧洞轴线横截面上的最大切向应力σmxs值见表2-3：表2-3DZ-天平山隧道-深-4孔在拟开挖洞轴线位置各应力值估测值表sH(MPa)sh(MPa)sV(MPa)s横(MPa)s纵(MPa)(MPa)sqmax(MPa)12.448.5714.558.6512.360.53335.00根据地应力及岩石抗压强度分析，洞身基岩为以页岩、炭质页岩为主的软质岩，埋深大，可能存在塑性变形问题。2.2.4工程面临的问题炭质页岩属软弱围岩，尤其是厚层炭质页岩、构造发育、岩体破碎、富含地下水时，因围岩强度低、开挖后风化快、透水性弱、亲水性强，浸水后容易产生较大的塑性变形甚至流变，在施工中可能引起较大的挤压性变形。当隧道开挖前处在高围压状态时尚具有较高的强度和稳定性，当围压降低、围岩应力差增大时，结构面张开或滑移，围岩整体强度和模量降低，表现出显著的结构流变的特点。对炭质页岩的变形控制是本隧道面临的一大技术难题。 2.2.5施工方法以往隧道施工时，若围岩变形较大，初期支护不能承受围岩压力时，只能通过拆除已施作的初期支护，扩挖断面后重新施作初期支护，这需要耗费大量的时间，给工期带来更大的压力，且拆除已施作的支护，极有可能发生塌方等安全事故。为此，本隧设置试验段，通过加大预留变形量，预留补强空间的方法来避免变形过大时必须拆除已施作的支护，并设置不同的支护措施，进行实验，比较分析，找出围岩及支护变形规律，得出安全经济的支护形式，指导后续类似地质情况施工。采用的隧道施工方法：进口位于陡崖边，左侧洞身露出地表，基岩为砂岩与页岩互层，岩体较破碎，节理密集，进口仰坡存在不利结构面（节理顺层），左侧沟谷冲刷严重。按“早进洞、晚出洞”的原则，根据地形地质条件，控制边仰坡开挖高度，采用翼墙式洞门。洞口位置的确定及洞门型式的选择：洞口定于DK366+862。由于洞口为Ⅴ级围岩，底层条件较差，采用上半断面长台阶法进洞施工，上半断面先进50米后，拉中槽落底，在保证掩体稳定的条件下，尽兴变强扩大及底部开挖，上部开挖进尺控制在1.5m并严格控制爆破药量，施工支护采用超前锚杆与系统锚杆相结合，挂网喷射混凝土。拱部安设1.0m的钢拱架，早施做混凝土衬砌，确保稳定和安全。在隧道的研究段，即软岩区段，Ⅳ围岩段采用三台阶法，Ⅴ级围岩段采用三台阶法。各工序及时紧跟，施作精细到位，质量过关，排除施工不力造成大变形的因素。并注意拱脚及墙脚的稳定措施，仰拱封闭距离等。2.2.6不良地质特点分析软弱围岩工程地质特点有：(1)岩体破碎松散、粘结力差：一般为土层、岩体全风化层、挤压破碎带等构成的围岩，由于结构破碎松散，岩体间的粘结力差，开挖洞室后，仅靠颗粒间的摩擦效应和微弱胶结作用成拱，这类岩体极不稳定，尤其是在浅埋地段容易发生坍塌冒顶。(2)围岩强度低、遇水易软化：一般以页岩、泥岩、片岩、炭质岩、千枚岩等为代表的软质岩地层，由于其强度低、稳定性差，开挖暴露后易风化、遇水易软化，尤其是深埋地段受高应力影响容易发生塑性变形，造成洞室内挤。(3) 岩体结构面软弱、易滑塌：主要是存在于受结构面切割影响严重的块状岩体中，由于结构面的粘结强度较低，开挖后周边岩体极易沿结构面产生松弛、滑移和坠落等变形破坏现象。软弱围岩的变形与破坏特征：软弱围岩的工程地质性质决定了它在隧道工程中的变形特征，即开挖后自稳能力差，表现出“自稳时间短、易坍塌”的特征。由于隧道的开挖，使先前支撑隧道洞身围岩被移走，洞壁临空；造成围岩应力进行重新调整，围岩与洞壁均向隧道净空方向变形。这种变形由三部分组成：一是，隧道正前方掌子面的水平位移，表现为掌子面的水平鼓出；二是，掌子面前方围岩下沉，浅埋隧道表现为地表下沉，形成沉降槽；三是，刚开挖的隧道洞壁出现收敛变形，表现为拱顶下沉和边墙内移；若对这种变形不进行控制，则可能发生隧道坍方。 第3章结构设计3.1主要设计依据及技术标准3.1.1设计依据(1)《铁路隧道设计规范》(TB10003-2001)(2)《铁路隧道工程施工技术指南》(TZ204-2008)(3)《新建铁路工程测量规范》(TB10101-99)(4)《铁路隧道喷锚构筑法技术规则》(TBJ108-92)(5)《铁路喷射混凝土技术施工规范》(6)《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)(7)《铁路隧道防排水设计规范》3.1.2设计标准铁路等级：Ⅰ级；正线数目：双线；牵引种类：电力；牵引定数：4000t；限制坡度：单机6‰，双机13‰；隧道建筑限界：“kh-250桥隧建筑限界”；闭塞类型：自动闭塞；设计行车速度：250km/h。隧道内轨道按重型轨道标准设计，预留特重型轨道条件。钢轨采用70kg/m，高强耐磨钢轨，一次铺设超长无缝线路。3.2结构计算原理对隧道结构进行设计检算，主要是依据容许应力法原理，通过对衬砌结构建模，计算得出衬砌结构在荷载作用下的内力和位移，利用结构危险点的内力对衬砌强度进行检算，对不满足强度要求的进行配筋。 隧道衬砌结构检算的主要内容为：根据具体的工程对象，弄清隧道结构的几何参数和地质参数，包括结构的几何参数、弹簧的弹性常数、上覆土的深度和容重、地面荷载、混凝土材料的容重和弹性模量以及土体的侧压力系数等参数；然后建立几何模型，划分单元并加上弹簧单元，加上自重和约束条件，加上荷载并进行求解；接下来对计算的结构进行分析，重点考察结构变形图，根据弹簧单元只能受压的性质重新修改模型并重新求解，这一步要反复进行直到得出最终结果；最后对计算结构进行分析，绘出结构的轴力图、弯矩图，并导出内力数据，根据分析的结果，按照相应的规范进行强度和变形的验算，如果不满足设计要求，进行配筋计算。根据隧道地质情况，运用工程类比法确定本隧道Ⅳ、Ⅴ围岩段均采用复合式衬砌，衬砌结构必须满足运营安全要求、防水要求和美观要求。依据天平山隧道研究段的纵断面图，在围岩级别和地质条件不同的2个地段选取衬砌进行设计计算。围岩分级见表3-1。表3-1隧道围岩分级起讫里程长度（m）围岩级别DK372+800～DK373+215415ⅣDK373+215～DK373+27560ⅤDK373+275～DK373+725450ⅣDK373+725～DK373+80075ⅤDK373+800～DK374+165365Ⅳ计算参数及荷载计算：Ⅳ级围岩：喷射混凝土采用的是C25，厚度为25cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱部厚度为0.45m，仰拱厚度0.55m，另外仰拱用C20混凝土填充，宽度B为1422cm，H=1198cm，围岩重度为21.5kN/m3，二次衬砌混凝土的密度为2500kg/m3，其弹性模量为31.5GPa，泊松比为0.2，沿隧道纵向取单位长度1m的隧道模型，弹性反力系数为350MPa/m。Ⅴ级围岩：喷射混凝土采用的是C25，厚度为28cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱部厚度为0.5m，仰拱厚度0.6m，另外仰拱用C20混凝土填充，宽度B为1438cm，H=1224cm，围岩重度为18.5kN/m3，二次衬砌混凝土的密度为2500kg/m3，其弹性模量为31.5GPa，泊松比为0.2，沿隧道纵向取单位长度1m的隧道模型，弹性反力系数为150MPa/m。(1)深、浅埋判定依据一般，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量，根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即(3-1)式中，Hp——深浅埋隧道分界的深度(m)；hq——等效荷载高度值(m)。 系数2~2.5在较坚硬围岩中取低限，结合隧道地质状况取值。当隧道覆盖层厚度hHp时为深埋，hHp时为浅埋。(3-2)(3-3)式中，hq——等效荷载高度值；S——围岩级别；——宽度影响系数；B——坑道宽度，以m计；——B每增加1m时，围岩压力的增减率(以B=5m为基准)，当B<5m时，取，B>5m时，取。所以：深埋隧道，埋深对围岩压力没有影响，因此任意选取截面进行计算。（2)围岩压力的计算围岩压力的计算包括垂直和水平压力的计算，随隧道的埋深不同，计算公式也不相同。通过查阅《铁路隧道设计规范》得到各级围岩的计算参数。a.深埋隧道围岩松动压力的计算方法双线铁路隧道垂直均布松动压力公式为：(3-4)式中，——竖直均布松动压力(kN/m²)；——围岩容重(kN/m³)。b.当隧道为浅埋时，分两种情况①我国《铁路隧道设计规范》推荐，当隧道埋深小于或等于等效荷载高度时（即＜时），围岩垂直均布压力为(3-5)式中，——围岩容重(kN/m³)；——隧道埋置深度(m)。围岩水平均布压力e按朗金公式计算e=（q＋0.5Ht）tan2（－0.5）(3-6)②我国《铁路隧道设计规范》推荐，当隧道埋深大于等效高度（即h﹥hq）时，围岩的垂直均布松动压力计算为：=(3-7)　　式中，k——压力缩减系数，其值为k=1－　　　　(3-8)(3-9) (3-10)　B——隧道开挖高度(m)；H——洞顶岩体覆盖厚度(m)。水平围岩压力计算公式见表3-2。表3-2水平均布松动压力围岩级别ⅣⅤ均布压力0.225q0.4q⑴Ⅳ围岩选取断面位置：DK373+872.5埋深H=425.2665m因为此断面位于围岭大队，浅部人文干扰较大；洞身主要处于页岩夹炭质页岩地层中，该段电阻率值较高，推测为页岩夹灰岩透镜体的综合反映，断面属于危险断面，所以选为计算截面。e=0.225qe=35665.92Nm检算：h=425.2665m﹥(2～2.5)×Hq属于深埋由深埋隧道公式得：垂直压力：q=.2(N/m2)水平压力：e=35665.92(N/m2)⑵Ⅴ级围岩选取断面位置：DK373+260H=438.71m因为该段位于天平山隧道中间地段，地形切割比较厉害，且存在断层，属于危险截面，所以选为计算截面。e=0.4qe=.64Nm检算：h=438.71m﹥(2～2.5)×Hq属于深埋由深埋隧道公式得：垂直压力：q=.6(N/m2)水平压力：e=.64(N/m2)3.3衬砌内力计算 在Ⅳ、Ⅴ级围岩段，二次衬砌按主要承载结构设计，计算采用荷载—结构模型，采用有限元ANSYS进行模拟。单元类型为二维梁单元，梁单元宽度为单位宽度，梁的高度按二次衬砌实际厚度考虑。围岩抗力采用弹簧单元模拟，弹簧施加范围及数量根据试算中结构的变形情况进行调整和优化，围岩弹性抗力系数按规范选值，仅当结构产生朝向围岩方向的位移时添加弹簧单元。Ⅳ级围岩衬砌内力计算图示见图3-1、3-2、3-3、3-4，Ⅳ级围岩衬砌内力计算值见表3-3。图3-1Ⅳ级围岩衬砌节点编号图 图3-2Ⅳ级围岩衬砌计算模型图图3-3Ⅳ级围岩深埋衬砌弯矩图(N·m)图3-4Ⅳ级围岩深埋衬砌轴力图(N） 表3-3Ⅳ级围岩衬砌部分节点内力节点号节点位置轴力（N）弯矩(N∙m)8拱脚6.95E+051.27E+0514墙角1.06E+061.22E+0530拱腰1.16E+061.49E+0542拱顶8.60E+051.68E+05Ⅴ级围岩衬砌内力计算图示见图3-5、3-6、3-7、3-8，Ⅴ级围岩衬砌内力计算值见表3-4。图3-5Ⅴ级围岩衬砌节点编号图 图3-6Ⅴ级围岩衬砌计算模型图图3-7Ⅴ级围岩深埋衬砌弯矩图(N·m)图3-8Ⅴ级围岩深埋衬砌轴力图(N） 表3-4V级围岩衬砌部分节点内力节点号节点位置轴力（N）弯矩(N∙m)7拱脚1.24E+062.30E+0514墙角1.69E+062.25E+0531拱腰1.76E+062.00E+0542拱顶1.42E+062.39E+053.4二次衬砌强度检算及配筋根据《铁路隧道规范》，采用容许应力法进行配筋计算。计算围岩衬砌若需要配筋均采用两侧钢筋对称布置。即，，即截面两侧用相同数量和钢号的配筋。3.4.1强度检算公式根据《铁路隧道设计规范》，双线高速铁路隧道复合式衬砌，需按照破坏阶段或容许应力法对隧道结构截面进行检算。①混凝土和砌体矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度按下式进行计算：（3-11）式中，K——安全系数；N——轴向力（MN）；Ra——混凝土或砌体的抗压极限强度（MPa）；——构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，明洞拱圈及墙背回填紧密的边墙，可取=1.0，对于其他构件，应按长细比查得；——轴向偏心力影响系数，其值查《铁路隧道设计规范》可得；h——截面的厚度（m）；b——截面的宽度(m)。②从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度按下式计算：（3-12）式中，Rl——混凝土的抗拉极限强度；——截面偏心距(m)。对混凝土矩形构件，按现行《铁路隧道设计规范》规定的安全系数及材料强度数值计算结果表明：当0.2h时，由抗压强度控制承载力，不必检算抗裂；当>0.2h时，由抗拉强度控制承载力，不必检算抗压。 ③钢筋混凝土矩形截面的大偏心受压构件（x≤0.55h0），其截面强度按下列公式计算：（3-13）此时，中性轴的位置按下式确定：（3-14）当轴向力作用于钢筋Ag与Ag’的重心之间时，式中的左边第二项取正号，当作用于Ag与Ag’重心之外时，则取负号。如计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区的高度应大于等于2a’，如不符合，应按下式计算：（3-15）式中，N——轴向力（MN）；e，e’——钢筋Ag与Ag的重心到轴向力作用点的距离(m)。④钢筋混凝土矩形截面的小偏心受压构件（x>0.55h0），其截面强度应按下式计算：(3-16)式中，——钢筋的重心到几面最近边缘的距离（m）。当轴向力作用于钢筋与的重心之间，尚应符合下式要求：（3-17）混凝土和砌体结构强度安全系数参考表3-5。表3-5混凝土和砌体结构的强度安全系数材料种类混凝土砌体荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因混凝土或砌体达到抗压极限强度2.42.02.72.3混凝土达到抗拉极限强度3.63.0---- 钢筋混凝土结构的强度安全系数参考表3-6。表3-6钢筋混凝土结构的强度安全系数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载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强度2.01.7混凝土达到抗拉极限强度2.42.03.4.2强度检算及配筋Ⅳ级围岩配筋：根据计算得出，安全系数K均满足要求，可按照构造配筋。所以按规范要求受压构件全部纵向配筋最小配筋率可知，单侧纵向钢筋面积不应小于0.2%×b×h0=900mm2、仰拱为1100mm2。采用对称配筋，取每侧4根钢筋4Φ20，则单侧的纵向钢筋面积As=As’=1256mm2，保护层厚度取50mm，纵向钢筋采用Φ12@250，箍筋采用Φ10@250。参考混凝土和钢筋的强度数据见表3-7。表3-7混凝土强度和钢筋强度混凝土等级抗拉强度(R1/MPa)抗压极限强度(Ra/MPa)弯曲抗压极限强度(Rw/MPa)钢筋等级计算强度（Rg/MPa）C352.52632.5HPB335360围岩级别危险点轴力(N)弯矩（N•M）AsX0.55ho偏心K配筋Ⅳ深埋86.95E+051.27E+0512563.40E-010.275小15.54Φ20141.06E+061.22E+0512563.60E-010.22小9.59301.16E+061.49E+0512563.39E-010.22小8.41428.60E+051.68E+0512562.27E-010.22大8.22表3-8配筋结果表Ⅳ级围岩衬砌结构的钢筋混凝土中的钢筋采用4Φ20，配筋图见附图03-1、03-2。 根据工程类比经验，该隧道初期支护采用锚喷支护，混凝土采用C25，钢筋网间距为20m×20m，钢筋直径为6cm，拱部锚杆采用Φ22组合中空锚杆，长度L=3.5m，边墙锚杆采用Φ22全螺纹砂浆锚杆，长度L=3.5m，二次衬砌混凝土采用C35，钢筋直径为Φ20，仰拱填充采用C20混凝土。配筋结果表见表3-8。Ⅴ级围岩配筋：经配筋计算及检算得，配筋后K符合安全系数的要求。采用对称配筋，取每侧4根4Φ22钢筋，则单侧的纵向钢筋面积As=As’=1520mm2，保护层厚度取50mm，纵向钢筋采用Φ12@250，箍筋采用Φ10@250。参考混凝土和钢筋的强度数据见表3-9。表3-9混凝土强度和钢筋强度混凝土等级抗拉强度(R1/MPa)抗压极限强度(Ra/MPa)弯曲抗压极限强度(Rw/MPa)钢筋等级计算强度（Rg/MPa）C352.52632.5HPB335360围岩级别危险点轴力(N)弯矩（N•M）AsX0.55ho偏心K配筋Ⅴ级深埋71.24E+062.30E+0512502.87E-010.303大7.55E+004Φ22141.69E+062.25E+0512502.82E-010.248小5.07E+00311.76E+062.00E+0512503.15E-010.248小5.17E+00421.42E+062.39E+0512502.23E-010.248大5.13E+00表3-10配筋结果表Ⅴ级围岩衬砌结构的钢筋混凝土中的钢筋采用4Φ22，配筋图见附图03-3、03-4。根据工程类比经验，该隧道初期支护采用锚喷支护，混凝土采用C25，钢筋网间距为20m×20m，钢筋直径为8cm，拱墙所有区域采用Φ25组合式中空注浆锚杆，长度L=4m，二次衬砌混凝土采用C35，钢筋直径为Φ22，仰拱填充采用C20混凝土。配筋结果表见表3-10。经检算，以上Ⅳ级、Ⅴ级围岩衬砌结构配筋量对应的安全系数均能满足规范要求，故可采用上述配筋。3.4.3最大裂缝宽度检算(3-18) 式中，Eg——钢筋的弹性模量；——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；——混凝土的极限抗拉强度；——纵向受拉钢筋应力；——平均裂缝间距(cm)；——纵向受拉钢筋的直径(cm)；——纵向受拉钢筋配筋率；——对螺纹钢筋，取；由规范查得，若e0=M／N＜0.55h0，则无需进行裂缝验算，经计算（见表3-11），所有点e0都小于0.55h0。所以无需进行裂缝验算。表3-11裂缝检算对比表Ⅳ级截面e00.55hoⅤ级截面e00.55ho81.82E-010.27571.86E-010.303141.16E-010.22141.33E-010.248301.28E-010.22311.14E-010.248421.95E-010.22421.69E-010.2483.5隧道的结构形式以及支护参数本隧道结构形式以及支护参数的选取采用了工程类比的方法。经过查阅相关地质情况的设计资料，选取支护参数如表3-12。表3-12天平山隧道复合式衬砌支护参数表衬砌类型喷射混凝土锚杆钢筋网钢架二次衬砌预留变形量(cm)聚丙烯纤维掺量(kg/m³)部位厚度(cm）设置部位长度(m)间距(m)(环×纵)网格间距(cm)设置部位规格间距(m)拱墙(cm)仰拱/底板(cm)Ⅳ1.2全环/25拱墙3.51.2×1.220×20拱墙格栅1.0(拱墙)45﹡55﹡25Ⅴ1.2全环/28拱墙4.01.2×1.020×20拱墙格栅0.8(全环)50﹡60﹡30注：①表中带﹡者为钢筋混凝土；②所有仰拱喷射混凝土中均掺加合成纤维； ③喷射混凝土强度等级为C25，素混凝土等级为C25，钢筋混凝土强度等级为C35。 第4章隧道施工方案4.1总体方案根据隧道围岩情况和现场工程地质条件，决定采用钻爆法开挖。由于隧道是特长隧道，所以采用双向开挖的方法以减少工期。进出口段采用明挖法施工，进口位于陡崖边，左侧洞身露出地表，基岩为砂岩与页岩互层，岩体较破碎，节理密集，进口仰坡存在不利结构面（节理顺层），左侧沟谷冲刷严重。按“早进洞、晚出洞”的原则，根据地形地质条件，控制边仰坡开挖高度，采用翼墙式洞门。洞口位置的确定及洞门型式的选择：洞口定于DK366+862。由于洞口为Ⅴ级围岩，底层条件较差，采用上半断面长台阶法进洞施工，上半断面先进50米后，拉中槽落底，在保证岩体稳定的条件下，尽兴变强扩大及底部开挖，上部开挖进尺控制在1.5米并严格控制爆破药量，施工支护采用超前锚杆与系统锚杆相结合，挂网喷射混凝土。拱部安设1.0米的钢拱架，早施做混凝土衬砌，确保稳定和安全。Ⅳ级围岩采用三台阶法施工，Ⅴ级围岩采用三台阶法进行施工。并采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架等初期支护。Ⅳ、Ⅴ级围岩地段采用小导管注浆超前支护，局部危险地段施做超前大管棚。Ⅳ、Ⅴ级围岩均采用C25喷射混凝土，喷层厚度为25cm、28cm。在拱墙设钢筋网，钢筋型号Ⅳ级为Φ6、Ⅴ级为Φ8。同时，在Ⅳ级、Ⅴ级围岩地段架设格栅钢拱架，钢筋保护层厚度均为5cm。由于隧道所处地段推测有地下水发育，当施工遇到地下水灾害时，可按地下水对隧道的不同影响及施工条件，采取引流加固、清除、注浆等不同措施或综合治理。施工中遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的原则。施工中进行超前地质预报，采用TSP，地质雷达、超前钻孔相结合的探测技术取得围岩地质参数，施工中注意进行监控量测，通过数据分析和处理及时反馈信息，以指导设计和施工。4.2开挖方法和工序进洞方案：在隧道工程建设中，需根据地形、地质、水文条件，并结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、运营要求，来确定隧道洞口位置，同时还需以“早进洞、晚出洞”为原则。 根据本隧道的特点，并结合路基及进出口地形地貌、工程地质、水文条件，在充分考虑隧道进出口综合排水的情况下，尽量减少洞口的开挖并考虑施工开挖边仰坡的稳定性，本着“早进晚出”的原则，确定隧道进出口位置。洞门型式的选择力求结构简洁，并与洞口的地质条件一致。处于隧道进口端的主要岩性为砂岩页岩互层，夹炭质页岩，岩体易破碎、风化后非常软弱，施工中需加强支护。结合两端洞口处地形、地势和地质情况，进出口洞门采用翼墙式洞门，对边仰坡进行绿化和防护。除此之外，施工中要防止塌方和涌水。隧道洞口处于Ⅴ级围岩，进口位于陡崖边，左侧洞身露出地表，基岩为砂岩与页岩互层，岩体较破碎，节理密集，进口仰坡存在不利结构面（节理顺层），左侧沟谷冲刷严重。所以采用三台阶法开挖，即用三台阶法进洞。在隧道进洞后，为保证隧道洞口段稳定，隧道洞门应尽早施作。但是，考虑到隧道洞门的施作不应对隧道洞身施工造成影响，由经验可得，一般在隧道进洞掘进100m左右后，施作洞门。明洞开挖后的边仰坡采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网防护，明洞洞身两侧回填M10浆砌片石，其上回填碎石土，表层为种植土层，并进行绿化。洞口回填的原则是尽可能的消除人工开挖痕迹，使洞口融入自然。洞口施工中应尽量减小扰动周围岩体，尽早做好洞口边仰坡的防护和隧道洞门，确保洞口安全。隧道洞口明洞按荷载结构法原理进行设计，将明洞上部回填土作为荷载。采用C35钢筋混凝土结构，明洞设置钢筋混凝土仰拱。隧道进、出口及软弱围岩段隧道开挖前设计了超前支护措施。Ⅴ级围岩洞口以超前锚杆与超前小导管预支护作为辅助施工措施。为便于进洞、保护原有自然环境，维护边、仰坡的稳定，设计时隧道进出口端均采用明洞衬砌。(1)边仰坡施工注意事项有：①准确定出洞口的位置，按设计放出边、仰坡及洞脸开挖边线。②洞口土石方开挖前，施工洞顶截水沟，拦截地表水。③仰坡开挖采用1：0.5坡度放坡，仰坡开挖后及时用锚杆加固并挂双层钢筋网喷射混凝土进行防护。④人工配合挖掘机按照审计坡度、尺寸进行洞门及明洞土方开挖。先用挖掘机按照测量放线开始粗刷，预留部分有人工进行修整。⑤喷混凝土之前，先用高压风对受喷面进行冲洗，清理干净受喷面的浮土和松散结构。(2)仰拱施工和明洞衬砌设计明洞的轮廓与隧道相一致，但是结构截面的厚度比洞身隧道大。 施工仰拱前，先施作调平层，然后安装钢筋，施工仰拱混凝土。施工计划在仰拱完成后，一次性将边墙和衬砌混凝土浇筑到位，避免形成施工缝，利于防水。明洞衬砌施工如下：①衬砌模板安装。采用整体式模板台车浇筑混凝土，台车在工厂内订制加工，施工时根据现场情况再做局部改进，以便于施工、拆模和移动。台车要现场拼装检验合格，将模板准确定位。精确测量安装轨道。②钢筋安装。模板安装完成后，进行钢筋安装施工，钢筋安装时注意不得污染模板，对模板内的其他杂物应清除干净。注意检查钢筋保护层厚度。③外模安装。该明洞衬砌外模设计采用木模板。背部横撑采用钢管，在定位后固定，由于高度较高，增加部分斜撑，防止胀模。④浇筑混凝土。混凝土在搅拌站集中拌和，由混凝土运输罐车运输。采用输送泵灌入，由下至上分层浇筑捣固。⑤拆模养生。4.3不同围岩段的开挖方法隧道施工方法应根据地质条件、断面大小、结构形式、机械配置、周围环境的需要、综合经济效益等因素而确定。总体上讲，隧道开挖的基本原则是：在保证围岩稳定或减少对围岩扰动的前提下，选择恰当的开挖方法和掘进方法，并应尽量提高掘进速度。下面对不同级别围岩的开挖方法设计如下：在该隧道试验研究段内，Ⅳ级、Ⅴ级围岩居多，起讫里程为DK372+800～DK374+165，全长1365m。洞身基岩为砂岩(部分为长石石英砂岩)、页岩互层，页岩质软，遇水易被软化，砂岩为泥质结构，岩质较坚硬；受附近区域性断层影响，段内多发育次级断层构造，岩体完整性差，节理裂隙发育，多处为节理密集带及复式褶皱；根据钻孔及物探揭示，段内岩体较破碎，同时上宇庙4号及上宇庙5号向斜为地下水的储藏提供有利条件，核部地下水含量丰富，隧道洞身位于向斜南西翼，与向斜轴向平行行进，并靠近向斜核部；开挖过程中，在断层带及节理密集带、向斜核部附近有中等涌水现象，局部可能出现较大的涌水现象；该地层内夹有炭质页岩，局部可能会有少量瓦斯聚集；隧道洞身埋深大于400m地段页岩围岩存在塑性变形问题；洞身地下水对砼侵蚀等级为H1；所以可以断定本段隧道工程地质条件较差。总的来讲，Ⅳ级、Ⅴ级围岩的性质较差，基于尽早封闭围岩的考虑，此段采用三台阶法较为合适。一般，在地质条件较差的围岩段施工时，如不及时使初期支护封闭形成整体工作，恐怕不利于上台阶开挖部分的稳定，采用三台阶法开挖，台阶长度较短，刚好能够使上、中、 下台阶初期支护及时地封闭成环，有利于控制围岩变形。同时，在上台阶开挖时，应采用小药量的松动爆破，尽量减少对围岩的扰动。所以采用三台阶开挖法，并采用长管棚加固掌子面，由钻孔台车钻眼爆破。4.3.1Ⅳ级围岩段开挖方法采用三台阶法进行施工，台阶长4.5m，上、中、下台阶高度均为3m，隧道循环进尺为1.8m。开挖后立即进行架立型钢钢架、挂网锚喷初期支护作业，尽早封闭成环。开挖工序见图4-1、4-2。图4-1Ⅳ级围岩开挖工序图（一）图4-2Ⅳ级围岩开挖工序图（二） 4.3.2Ⅴ级围岩段开挖方法采用三台阶法进行施工，台阶长4.5m，上、中、下台阶高度分别为4m、3m、3m，隧道循环进尺为1.35m。开挖后立即进行架立型钢钢架、挂网锚喷初期支护作业，尽早封闭成环。开挖工序见图4-3、4-4。图4-3Ⅴ级围岩开挖工序图（一）图4-4Ⅴ级围岩开挖工序图（二）4.4大变形分级控制大变形分级基准：对于天平山双线大断面隧道，按如表4-1相对变形进行大变形分级。 表4-1天平山隧道量测变形分级分级指标常规变形（cm）大变形的等级ⅠⅡⅢ墙腰水平收敛＜2020~3030~40＞40拱顶下沉＜2020~2525~35＞35围岩及支护特征开挖后洞壁围岩位移较小，可稳定；一般支护无开裂或局部开裂开挖后洞壁围岩位移较大，持续时间较长；一般支护开裂或破损较严重开挖后围岩位移大，持续时间长；一般支护开裂或破损严重开挖后围岩位移很大，持续时间很长；一般支护开裂或破损很严重4.5爆破设计4.5.1Ⅳ级围岩爆破设计根据本隧道围岩的特点，围岩采用钻孔台车钻孔。结合本隧道地质情况，由于含有地下水，故采用直径φ32mm二号岩石乳化炸药。雷管采用国产的Ⅱ型系列非电毫秒雷管。按光面爆破设计，进行爆眼布置。布置时，辅助炮眼由内向外逐层布置，周边眼沿隧道设计轮廓线布置。起爆采用延时毫秒雷管隔段起爆。即掏槽眼最先起爆，后续依次为辅助眼起爆，最后周边眼起爆。按光面爆破设计，进行爆眼布置。布置时，辅助炮眼由内向外逐层布置，周边眼沿隧道设计轮廓线布置。起爆采用延时毫秒雷管隔段起爆。即掏槽眼最先起爆，后续依次为辅助眼起爆，最后周边眼起爆。计算爆破参数：采用三台阶法开挖，分上、中、下两个台阶和落底三部分。上台阶高度定为3m，面积为25.62m2，周长为26.35m；中台阶高度为3m，面积为41.78m2，周长为34.01m；下台阶高度为3m，面积为46.13m2，周长为36.4m；落底部分高度为2.98m，面积为54.39m2，周长为35.27m。(1)上台阶①计算炮眼数N爆破断面面积S=25.62m2由面积S查表得单位炸药消耗量q=1.2kg/m3，结合实际工程经验确定各炮眼的装药系数为：掏槽眼=0.5，辅助眼=0.4，周边眼=0.4。综合考虑各炮眼的装药系数取τ=0.43，2号岩石铵梯炸药每延米质量γ=0.78。所以N=1.2×25.62／0.43×0.78=91.66个实际取92个炮眼。 ②每循环炮眼深度本工程月掘进循环计划进尺为200m，每月施工28d，采用4班循环掘进平行作业，本设计取炮眼利用率为η=0.90，则每循环炮眼深度为。L=200／28×4×0.90=1.98m实际取炮眼深度为2.0m，每循环进尺L1=2.0×0.90=1.8m。③炮孔直径选用2号岩石铵梯炸药，药卷直径为32mm，长度为200mm，每卷质量为0.15kg。炮孔过小不利于装填药卷；炮孔过大会降低爆破效果和钻眼速度。根据施工实际的经验，确定炮孔直径为42mm。④炮眼间距和排距a.掏槽眼根据本隧道的特点，采用直眼掏槽，共布置6个装药掏槽眼和1个空掏槽眼。眼深在每循环炮眼深度的基础上加深0.2故取深度为2.2m。b.周边眼根据本隧道的实际情况，光爆孔间距取为400mm，最小抵抗线为500mm，光爆孔密集系数为0.8，周边眼依隧道周边总长度计算周边眼个数为N=26.4/0.4=65.875个实际取66个周边眼。c.辅助眼为了减小钻眼工作量，加快施工速度，辅助眼的间距应该适当加大，为20个。⑤装药量a.根据装药量公式计算一个循环总装药量：Q=qv=1.2×25.62×2×0.9=55.34kg由于其中q为2号岩石铵梯炸药的单位耗药量，应换算为2号岩石乳化炸药的装药量。2号岩石乳化炸药的换算系数为e=1.1。则一个循环的2号岩石乳化炸药总装药量为55.34×1.1=60.87kg。b.按装药系数计算单孔装药量以及总装药量：6个掏槽眼单孔装药卷数=0.5×2.2÷0.2=5.5卷取6卷单孔装药量=6×0.15=0.9kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.9×1.1=0.99kg单孔装药卷数=1.155÷0.15=6.6卷取7卷66个周边眼 单孔装药卷数=0.4×2÷0.2=4卷取4卷单孔装药量=4×0.15=0.0.6kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.6×1.1=0.66kg单孔装药卷数=0.66÷0.15=4.4卷取5卷20个辅助眼单孔药卷数量0.4×2÷0.2=4卷取4卷单孔装药量=4×0.15=0.6kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.6×1.1=0.66kg单孔装药卷数=0.66÷0.15=4.4卷取5卷由以上数据计算每循环进尺总的装药量：Q=6×1+66×0.675+20×0.675=64.05kg此值略大于体积公式计算的总药量，按此值装填炸药。炮眼布置如图4-5所示。图4-5Ⅳ级围岩上台阶炮眼布置图(2)中台阶由于上台阶爆破开挖创造了临空面，只布置辅助眼和周边眼。N=1.2×41.78／0.43×0.78=149.48个实际取150个。周边眼N=34.01／0.4-32=53.025个取54个辅助眼N=96个炮眼布置如图4-6所示。 图4-6Ⅳ级围岩中台阶炮眼布置图(3)下台阶N=1.2×46.13／0.43×0.78=165.04个实际取165个，周边眼N=36.4／0.4-39=52个取52个辅助眼N=113个炮眼布置如图4-7所示。图4-7Ⅳ级围岩下台阶炮眼布置图(4)落底N=1.2×54.39／0.43×0.78=194.59个实际取195个，周边眼N=35.27／0.4-40=48.175个取49个辅助眼N=146个炮眼布置如图4-8所示。图4-8Ⅳ级围岩落底炮眼布置图 经过调整的具体炮眼布置图见附图04-1。经过调整的炮眼数量和装药量见表4-2。表4-2Ⅳ级围岩爆破参数表炮眼名称炮孔长度（m）炮孔数量(个)单孔装药量（kg）总装药量（kg）上台阶掏槽眼2.2616周边眼2660.67544.55辅助眼2200.67513.5小计9264.05中台阶周边眼2540.67536.45辅助眼2960.67564.8小计150101.25下台阶周边眼2520.67535.1辅助眼21130.67576.275小计165111.375落底周边眼2490.67533.075辅助眼21460.67598.55小计195131.625全断面总计602408.34.5.3Ⅴ级围岩爆破设计根据本隧道围岩的特点，围岩采用钻孔台车钻孔。结合本隧道地质情况，由于含有地下水，故采用直径φ32mm二号岩石乳化炸药。雷管采用国产的Ⅱ型系列非电毫秒雷管。按光面爆破设计，进行爆眼布置。布置时，辅助炮眼由内向外逐层布置，周边眼沿隧道设计轮廓线布置。起爆采用延时毫秒雷管隔段起爆。即掏槽眼最先起爆，后续依次为辅助眼起爆，最后周边眼起爆。计算爆破参数：采用三台阶法开挖，分上、中、下两个台阶和落底三部分。上台阶高度定为4m，面积为36.88m2，周长为28.86m；中台阶高度为3m，面积为41.59m2，周长为33.49m；下台阶高度为3m，面积为42.39m2，周长为34.16m；落底部分高度为2.24m，面积为22.61m2，周长为28.99m。(1)上台阶①计算炮眼数N 爆破断面面积S=36.88m2由面积S查表得单位炸药消耗量q=1.2kg/m3结合实际工程经验确定各炮眼的装药系数为：掏槽眼=0.5，辅助眼=0.4，周边眼=0.4。综合考虑各炮眼的装药系数取τ=0.43，2号岩石铵梯炸药每延米质量γ=0.78。所以N=1.2×36.88／0.43×0.78=131.94个实际取132个炮眼。②每循环炮眼深度本工程月掘进循环计划进尺为150m，每月施工28d，采用4班循环掘进平行作业，本设计取炮眼利用率为η=0.90，则每循环炮眼深度为：L=150／28×4×0.90=1.48m实际取炮眼深度为1.5m，每循环进尺L1=1.5×0.9=1.35m。③炮孔直径选用2号岩石铵梯炸药，药卷直径为32mm，长度为200mm，每卷质量为0.15kg。炮孔过小不利于装填药卷；炮孔过大会降低爆破效果和钻眼速度。根据施工实际的经验，确定炮孔直径为42mm。④炮眼间距和排距a掏槽眼根据本隧道的特点，采用直眼掏槽，共布置4个装药掏槽眼和1个空掏槽眼。眼深在每循环炮眼深度的基础上加深0.2故取深度为1.7m。b周边眼根据本隧道的实际情况，光爆孔间距取为400mm，最小抵抗线为500mm，光爆孔密集系数为0.8，周边眼依隧道周边总长度计算周边眼个数为N=28.86／0.4=72.15个实际取73个周边眼。c辅助眼为了减小钻眼工作量，加快施工速度，辅助眼的间距应该适当加大，为40个。⑤装药量a根据装药量公式计算一个循环总装药量为Q=qv=1.2×36.88×1.5×0.9=59.75kg由于其中q为2号岩石铵梯炸药的单位耗药量，应换算为2号岩石乳化炸药的装药量。2号岩石乳化炸药的换算系数为e=1.1。则一个循环的2号岩石乳化炸药总装药量为59.75×1.1=65.7kg。b按装药系数计算单孔装药量以及总装药量4个掏槽眼单孔装药卷数=0.5×1.7÷0.2=4.25卷取4卷 单孔装药量=4×0.15=0.65kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.65×1.1=0.715kg单孔装药卷数=0.715÷0.15=4.8卷取5卷73个周边眼单孔装药卷数=0.4×1.5÷0.2=3卷单孔装药量=3×0.15=0.45kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.45×1.1=0.495kg单孔装药卷数=0.495÷0.15=3.3卷取4卷40个辅助眼单孔药卷数量0.4×1.5÷0.2=3卷取3卷单孔装药量=3×0.15=0.45kg换算为2号岩石乳化炸药：单孔装药量=0.45×1.1=0.495kg单孔装药卷数=0.495÷0.15=3.3卷取4卷由以上数据计算每循环进尺总的装药量为Q=4×0.75+73×0.5+40×0.5=59.5kg此值略小于体积公式计算的总药量，按此值进行装填炸药。炮眼布置如图4-9所示。图4-9Ⅴ级围岩上台阶炮眼布置图(2)中台阶由于上台阶爆破开挖创造了临空面，只布置辅助眼和周边眼。N=1.2×41.59／0.43×0.78=148.8个实际取149个。 周边眼N=33.49／0.4-33=50.725个取51个辅助眼为98个炮眼布置如图4-10所示。图4-10Ⅴ级围岩中台阶炮眼布置图(3)下台阶N=1.2×42.39／0.43×0.78=151.66个实际取152个。周边眼N=34.16／0.4-37=48.4个取49个辅助眼为103个炮眼布置如图4-11所示。图4-11Ⅴ级围岩下台阶炮眼布置图(4)落底N=1.2×22.61／0.43×0.78=80.89个实际取81个。周边眼N=28.99／0.4-40=32.475个取33个辅助眼为48个炮眼布置如图4-12所示。 图4-12Ⅴ级围岩落底炮眼布置图经过调整的具体炮眼布置图见附图04-2。经过调整的炮眼数量和装药量见表4-3。表4-3Ⅴ级围岩爆破参数表炮眼名称炮孔长度（m）炮孔数量(个)单孔装药量（kg）总装药量（kg）上台阶掏槽眼1.740.753周边眼1.5730.536.5辅助眼1.5400.520小计11759.5中台阶周边眼1.5510.525.5辅助眼1.5980.549小计14974.5下台阶周边眼1.5490.524.5辅助眼1.51030.551.5小计15276落底周边眼1.5330.516.5辅助眼1.5480.524小计8140.5全断面总计499250.54.5.4钻爆施工钻爆施工是把钻爆设计付诸实施的重要环节，包括钻孔、装药、填塞和爆破后可能出现的问题处理等。（1）钻眼 采用凿岩台车钻眼。为达到良好的爆破效果，施钻前应由专门人员根据设计布孔图现场布置，必须标出掏槽眼和周边眼的位置，严格按照炮眼的设计位置、深度、角度和眼径进行钻眼。如出现偏差，又现场施工技术人员决定取舍，必要时应废弃重钻。钻眼时应注意如下安全事项：开眼时必须使钎头落在实岩上，如有浮钎，应处理好后再开眼。不允许在残眼内继续钻眼。开眼时给风阀门不要突然开大，待钻进一段时间后，再开大阀门。为避免断钎伤人，推进凿岩机不要用力过猛，更不要横向用力，凿岩时钻工应站稳，应随时提防随时断钎。一定要把胶皮风管与风钻接牢，并在使用过程中随时注意检查，以防脱落伤人。缺水或停水时，应立即停止钻眼。工作面全部炮眼钻完后，要把凿岩机具清理好，并撤至规定的存放地点。（2）装药装药时应注意以下安全事项：①装药前，应清除炮眼内的泥浆和岩屑。可用钢管输入高压风的方法吹出孔内残渣和泥浆，并仔细检查炮眼的位置、深度、角度是否满足设计要求。刚刚打好的炮眼热度过高，不得立即装药。如果遇有照明不足，发现流砂、泥流未经妥善处理，或可能有大量溶洞涌水时，严禁装药。②应严格按照设计的装药量进行充填。③应使用木质或竹制炮棍装填炸药和填塞炮孔。④不应投掷起爆药包和炸药，起爆药包装入后应采取有效措施，防止后续药卷直接冲击起爆药包。⑤装药发生卡塞时，不应拨出或硬拉起爆药包中的导火线，导爆管、导爆索和电雷管导线。⑥在装药过程中，不应拔出或硬拉起爆药包中的导火索、导爆管、导爆索和电雷管脚线。（3）填塞填塞是保证爆破成功的重要环节之一，必须保证足够的填塞长度和填塞质量，禁止无填塞爆破。填塞可采用分层捣实法进行。（4）起爆爆破网络必须保证每个药卷按设计的起爆顺序和起爆时间起爆，在起爆前后要发布三次信号，即预警信号，起爆信号和解除警戒信号。（5）爆后检查和处理 隧道开挖爆破后，经通风吹散炮眼，检查确认隧道内空气合格，等待时间超过15min后，方准作业人员进入爆破作业地点。爆后的检查内容主要有：检查有无冒顶、盲炮、危岩、支撑是否破坏，炮烟是否排除等。爆后检查人员发现盲炮及其他险情时，应及时上报或处理。处理前要在现场设危险标识。4.6装渣与运输该隧道为大断面隧道，出渣量大，要采用机械装渣与运输，以减少工人劳动强度，缩短作业时间，但仍需要配少数工人辅助。装渣和运输方式均采用无轨方式。无轨运输不需要铺设复杂的轨道，具有运输速度快、管理工作简单、配套设备少的特点。 第5章隧道施工工艺5.1超前地质预报由于该天平山隧道的地质条件较差，为了避免不良地质对施工的影响，施工时，充分利用地质超前预报技术，探明前方的岩溶、涌水等不良地质，以便于提前采取措施，确保施工安全。天平山隧道设计采用超前钻探取芯法和地质雷达法相结合进行超前地质预报。超前钻探取芯法主要用于测探断层、突水、涌泥等不良地质，此法比较直观、准确。施工时采用液压钻机超前钻探提取岩芯，通过岩芯和钻进过程中的地质情况分析，即可判定前方不良地质情况。钻探过程中如果出现卡钻、顶钻，岩芯变为断层角砾岩、糜棱岩或断层泥时，或出现钻孔水流失、钻孔往外突水、涌泥时，即可判断为断层。地质雷达可以用以实现短距离进行超前预报，可以准确探测开挖面前方30m内的地质情况。地质雷达反应的是地下介质的电性分布，将其转化为地质体分布时必须把地质、钻探、地质雷达记录这三方面的资料有机结合起来，以此获得检测本隧道研究段的整体情况。5.2小导管注浆施工工艺小导管注浆施工工序包括：小导管制作，施作面处理，钻孔，安装小导管，注浆材料配制与压浆，注浆效果检查。主要的施工要点如下：(1)小导管在钻孔安装前，对开挖面及5m范围内的坑道喷射5~10m后的混凝土封闭；(2)小导管钻孔直径应大于管径20mm，钻孔孔位应按照设计要求定出，外插角与设计的保持一致，即为15°；(3)小导管安装时应外露一定长度，以便连接注浆管，并用塑胶泥将导管周围孔隙封堵密实；(4)注浆时，要严格控制压浆量和注浆压力，防止压裂开挖面，每根小导管达到规定注浆量或孔口压力已达到规定压力值时，应停止注浆；(5)注浆结束后，应做一定数量的钻孔，检查注浆效果，未达到要求，应进行补注。 注浆小导管加工图如图5-1。图5-1注浆小导管加工图小导管施工工艺流程如图5-喷混凝土封闭开挖面沿周边布孔插入小导管注浆洞室开挖小导管加工浆液准备钻孔图5-2超前小导管施工工艺框图2所示。 5.3大管棚注浆施工工艺隧道需施做Φ108超前大管棚，纵向间距0.6m，大管棚超前支护方法是在隧道开挖前；沿隧道开挖外轮廓的周边上，以一定的间隔，沿洞轴线一定的外插角钻孔、插入钢管，再从插入的钢管内压注水泥浆，水泥浆通过岩体的孔隙向周围充填，使岩体固结。钢管和围岩一体化，构成棚架体系。其工作原理为：(1)通过管棚注浆，使拱部预先形成加固的保护环，而保护环发挥“承载拱”的作用，承受拱上部的地面荷载和岩层重量，使内部围岩仅承受拱部围岩形变压力，从而创造了理想的开挖条件；(2)当超前管棚沿隧道开挖周边轮廓密布时，加固环的变形变小，传递给隧道支护结构的上部荷载大大减小，同时通过环形固结层与管棚，将拱部围岩的形变应力传递给支撑拱架。(3)管棚施工工艺流程：整平钻机工作基地、设备进场→设备安装、调试、定位、定角度→钻孔→清孔→装入钢管、堵孔→高压注浆→开挖进洞。管棚施工工艺流程如图5-3所示。图5-3管棚施工工艺流程图 5.4初期支护隧道初期支护是指隧道开挖后，立即施作的刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层，它是为了控制围岩应力和变形，增加结构安全度和方便施工。初期支护一般由喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢架等及其它们的组合组成，它是现代隧道工程中最常用的支护形式和方法。隧道开挖必须及时支护，以保证施工安全。同时，隧道支护应采用喷锚支护，根据围岩特点、断面大小和使用条件等选择喷射混凝土、锚杆、钢筋网和格栅钢架等单一或组合的支护形式。隧道在溶洞处采用超前注浆小导管。隧道各级围岩的支护基本形式都为喷锚支护，依据各级围岩的工程力学性质不同，采用的具体形式也不相同。就喷射混凝土、锚杆、钢筋网、格栅钢拱架的施工工艺分别介绍如下。5.4.1喷射混凝土喷射混凝土采用湿喷机和喷射混凝土机械手完成。机械手控制喷头可以减少人力劳动强度和减少粉尘危害，且方便灵活。人力直接控制喷头只适用于解决少量和局部喷敷，且一定要注意佩戴防尘面具。喷射混凝土施工工艺流程见图5-4。隧道各种级别围岩喷射混凝土的基本情况见表5-1。表5-1喷射混凝土类型和厚度围岩形式喷射混凝土类型喷层厚度(cm)Ⅳ级C2525Ⅴ级C2528 混凝土配合比选定受喷面处理埋设喷层厚度标钉混凝土拌和机具到位、试机混凝土运输初喷混凝土施作锚杆、钢架、挂网复喷至设计厚度清理机具图5-4喷射混凝土施工流程（1）准备工作①受喷面处理，喷前应对开挖断面尺寸进行检查，清除松动危面，欠挖超标严重的应予处理。用高压水清洗受喷面。②采用埋设钢筋头设置控制喷射混凝土厚度的标志。③机具设备准备，喷射作业前，对机械设备输料管路和电缆线路等进行全面检查及试运转，并减产速凝剂的泵送及计量装置性能。（2）混凝土的搅拌运输混凝土在洞外拌和站集中拌和，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采用湿喷法进行作业。聚丙烯纤维混凝土的搅拌时间宜为4~5分钟。搅拌完成后随机取样，如纤维已经均匀分散成单丝，则可以投入使用，如果仍有成束纤维，则至少延长搅拌时间30秒。 运输采用混凝土运输罐车，随运随拌。在运输过程中要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及产生初凝等现象。（3）喷射混凝土①喷射聚丙烯纤维混凝土，应选用经过试验检验的喷射机械。主要问题是防止聚丙烯纤维结团堵管。②聚丙烯纤维和基料必须搅拌均匀，避免结团在喷射机拔料盘堵塞或者堵管。③喷射混凝土作业要分段（不超过6m）、分部（先下后上）、分块，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用而引起滑动或脱落现象。④喷射时喷嘴要垂直于受喷面。对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。⑤主要采用机械手进行控制，人工直接控制喷头只用于少量或局部敷射，且一定要佩戴防尘面具。⑥喷射完成后应先关主机，再依次关闭计量泵、振动棒和风阀、然后用清水将机内、输送管路内残留物清除干净。（4）养护喷射混凝土终凝2h后，应进行喷雾养护，养护时间不小于14d，当气温低于+5摄氏度时，不得洒水养护。5.4.2锚杆天平山隧道初期支护锚杆设计如下：Ⅳ级围岩拱部120°范围内采用Φ25中空注浆锚杆，其余部分采用Φ22砂浆锚杆，长度L=3.5m，间距（环1.2m×纵1.2m）；Ⅴ级围岩在拱墙所有区域均采用Φ25中空注浆锚杆，长度L=4.0m，间距(环1.2m×纵1.0m)。表5-2各种围岩锚杆设计参数围岩形式区域锚杆类型锚杆长度(m)环向间距(m)径向间距(m)Ⅳ级拱部180°Φ25组合式中空注浆锚杆3.51.21.2其余区域Φ22砂浆锚杆Ⅴ级拱墙Φ25组合式中空注浆锚杆4.01.21.0 注浆使用的砂浆的配合比为：砂灰比为1∶1(重量比)，水灰比为0.4，应采用中细砂，粒径不应大于2.5mm。(1)砂浆锚杆施工方法：采用锚杆台车钻孔，人工安装锚杆。钻孔完成后利用高压水清孔，清孔后采用后退式注浆，以保证孔内浆液饱满。施工的技术措施：孔径要与锚杆直径相匹配，锚杆孔径应大于设计的锚杆直径15mm，孔深比锚杆长15cm。孔向应按设计方向钻进，垂直岩面。施工工艺流程见图5-5。量测锚杆孔定位钻孔清孔补孔否验孔注浆准备填塞砂浆锚杆准备插入锚杆固定锚杆孔口处理不合格验收下道工序图5-5砂浆锚杆施工流程 (2)中空锚杆施工方法①采用锚杆台车按照设计位置、深度、角度钻孔，然后用高压水清孔。人工安装锚杆。封端用水泥砂浆施工。②采用注浆泵注浆施工。浆液水灰比控制在0.5：1，注浆压力0.6MPa，同时考虑岩层的裂隙阻力，根据现场情况试验后确定。③检查锚杆孔的方向。锚杆插入长度不得小于设计长度的95%，锚杆抗拔力不小于70kN。锚杆、垫板、锚固材料应进行规定的试验和检查，在确认质量基础上使用。施工前要选择相同地质条件地点进行拉拔试验，从而确认可以获得足够的锚固力。中空锚杆施工流程见图5-6。施工准备锚杆孔位置布置钻孔安装锚杆浆液配制注浆不合格质量检查合格封堵下道工序图5-6中空锚杆施工流程图 5.4.3钢筋网天平山隧道网片采用Φ8钢筋绑扎制作。在Ⅳ级围岩段网格间距采用20cm×20cm，在拱墙位置布设，Ⅴ级围岩段网格间距采用20cm×20cm，在拱墙位置布设。岩面上挂设钢筋网，然后再喷射混凝土，将其与锚杆和钢拱架等构成联合支护体系。隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩段设计的钢筋网的基本情况见表5-3。表5-3钢筋网工艺基本情况围岩形式布置范围钢筋型号网格间距(cm)纵向钢筋环向钢筋Ⅳ级拱墙Φ6Φ620×20Ⅴ级拱墙Φ8Φ820×20钢筋网片预先应按设计格栅钢拱架间距在洞外加工好备用，锚杆施作好后进行钢筋网的铺装，钢筋网应随高就低紧贴初喷面，用冲击孔打浅孔埋膨胀螺栓，钢筋网固定于螺栓上，并与锚杆尾部焊接。施工技术措施：使用的钢筋须经试验合格，使用前要除锈，在洞外分片制作，安装时搭接长度不小于10cm；人工铺设，必要时利用风钻气腿顶撑，以便贴近岩面，与锚杆和钢架绑扎连接牢固；钢筋网和钢架绑扎时，应绑在靠近岩面一侧；喷混凝土时，减小喷头至受喷面距离和风压，以减少钢筋网振动，降低回弹。钢筋网喷混凝土保护层厚度不小于4cm。制成的钢筋网片要轻抬轻放，存放和运输过程中要避免潮湿的环境，防止锈蚀、污染和变形。钢筋网施作主要包括：首先制作钢筋网片，然后对岩面进行处理，拼装网片并进行钢筋网的铺设，铺设完毕后喷射混凝土覆盖。在此工艺流程中，应注意如下一些施工要点：①钢筋网使用的钢筋应冷拉调直，钢筋表面不得有裂纹、油污、颗粒或片状锈蚀；②为了便于挂网安装，钢筋网先在洞外加工成长宽为150cm的钢筋网片，运送进洞后，焊接成整体即可；③钢筋网应在初喷混凝土后铺设，初喷混凝土厚度不得小于2cm，并且铺设需沿着岩面的实际起伏形状，并与受喷面的间隙不大于3cm；④钢筋网与锚杆之间应尽可能多的连接； ⑤挂网完毕后，喷射混凝土应缩短喷头至受喷面之间的距离，并适当调整喷射角度，使钢筋网背面混凝土密实；⑥喷射完毕后，钢筋保护层厚度不得小于4cm，本隧道设置为5cm。5.4.4格栅钢架在围岩软弱破碎严重且自稳能力差的地段，坑道开挖后，一般需架设整体刚度大，能提供较大早期支护强度的格栅钢架，以阻止围岩的过度变形和承受早期松弛荷载。格栅钢拱架是由钢筋焊接而成的构架，是隧道及地下工程中有发展前景的支撑形式，且其应用的范围也越来越广泛，成为在软弱地层中重要的支护手段之一。本隧道采用格栅钢架，Ⅳ级围岩段格栅钢架间距1.0m，拱墙位置铺设；Ⅴ级围岩段格栅钢架间距0.8m，全环铺设。本隧道采用格栅主筋直径为22mm，联系钢筋直径为12mm，断面形式为正四边形，边长15cm。格栅接头采用螺栓连接板接头，连接板焊于主筋上，通过螺栓将两段钢架连接板紧密连接。格栅的接头是整个结构的薄弱环节，必须加强。格栅在没有喷射混凝土之前是不能单独承载的，随着混凝土的喷射和硬化，才开始与混凝土共同发挥作用，所以架立格栅后应迅速喷射混凝土，而且必须用喷射混凝土充分填充并与围岩紧密接触，必须让格栅和锚杆连接在一起，尽可能多的于锚杆露头及钢筋网焊接，形成共同的承载体系。为保证施工质量，架立格栅钢架时，应注意以下几点：(1)格栅必须与锚喷支护联合使用，应保证格栅主筋与围岩之间的混凝土厚度不小于30cm。(2)两榀格栅之间应设置直径20mm的钢拉杆，沿格栅每1.5m设一根。(3)接头是格栅的弱点，应尽量减少接头数目。(4)为防止格栅承载后下沉，格栅下端应设在稳固的地层上，或设在为扩大承压面的钢板、混凝土垫块上。(5)挖下台阶时，为防止格栅拱脚下沉、变形，根据需要在拱脚下可设纵向托梁，把几排格栅连成整体。 格栅钢架施工流程图见图5-7。欠挖处理前期准备，格栅拱架、钢筋加工测量定位断面检查不合格净空检查钢支撑拼装架立就位锚杆锁定、系统锚杆施作设置纵向连接钢筋、安设钢筋网喷混凝土固定结束锚杆钻机、砂浆泵等设备就位图5-7格栅钢架施工流程5.5二次衬砌5.5.1二次衬砌施工概述考虑到隧道投入使用后的服务年限很长久，设计时一般要采用混凝土或钢筋混凝土内层衬砌，以保证隧道在服务过程中的稳定、耐久、减少阻力和美观等，称为二次衬砌。二次衬砌是为了保证隧道稳定和安全，作为安全储备的工程措施，它施做需满足设计强度、防水和耐久性要求，并且还应达到结构密实，表面光滑，曲线圆顺。对二次衬砌的施作一般规定为：(1)深埋隧道二次衬砌施作一般情况下应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行。(2)浅埋隧道应及早施作二次衬砌，且二次衬砌应予以加强。 (3)围岩及初期支护变形过大或变形不收敛，又难以及时补强时，可提前施作二次衬砌，且二次衬砌应予以加强。二次衬砌的施作顺序为：先施作仰拱，然后再墙、拱，由下到上连续浇注。天平山隧道二次衬砌：Ⅳ级围岩段拱墙采用45cm厚钢筋混凝土，仰拱采用55cm厚钢筋混凝土；Ⅴ级围岩段拱墙采用50cm厚钢筋混凝土，仰拱采用60cm厚钢筋混凝土。洞身二次衬砌施工采用仰拱超前，衬砌台车全断面泵送法浇筑拱墙二次衬砌混凝土，洞外设拌合站拌制混凝土，混凝土车运送，泵送混凝土浇筑。仰拱浇注施工与掘进工作平行进行，依据量测数据分析，应尽早安排施工。仰拱及时施作能大大改善行车条件。对于复合式衬砌仰拱地段浇注砼采用大块模板，一次浇注成型。为了满足洞内出碴及运输条件而且保证隧道施工安全，仰拱衬砌工作面距边墙喷锚台车的距离应为20m以上，边墙喷锚台车需滞后中下台阶开挖至少5m以上，浇注前将基底石碴、污物和基坑内积水排除干净，检查合格后浇注混凝土。混凝土由搅拌输送汽车运至工地现场。插入式振捣器振捣。浇注时采用仰拱大样板由仰拱中心向两侧对称进行，仰拱与边墙基础衔接处捣固密实。在仰拱混凝土强度达到设计的70%后，即可施工仰拱填充。5.5.2二次衬砌施工准备工作断面检查：检查开挖断面是否符合设计要求，欠挖部分按规范要求进行修凿。墙脚地基应挖至设计标高，并在灌注前清除虚渣，排除积水，找平支撑面。放线定位：根据隧道中线和标高及断面设计尺寸，测量确定衬砌立模位置，并放线定位。也就是确定轨道的铺设位置。立模：根据放线位置，模板台车就位。就位后，要做好各项检查：包括位置、尺寸、方向、标高、坡度、稳定性等。混凝土制备与运输。5.5.3二次衬砌混凝土混凝土是二次衬砌中主要组成部分，其性质直接关系到二次衬砌的使用性、可靠性和耐久性，在隧道施工过程中，应严格控制混凝土的性能。本隧道二次衬砌混凝土材料应满足：(1)所使用的水泥应符合国家现行质量标准，现买现用，避免水泥堆放时间过长。(2)粗、细骨料都应选用级配合理、粒形良好、质地均匀坚固的砂石，而且其膨胀系数要小，对酸性有一定的抵抗能力。(3)外加剂和拌和用水都必须符合现行的国家标准。 在客运专线隧道的施工过程中，为使隧道衬砌达到“无滴、无漏、无渗”的防水标准，必须加强衬砌混凝土的自防水能力。自防水能力的提高，主要是依靠增强混凝土的密实性和抗渗性来实现。这就要求混凝土在施作过程中应遵循：(1)衬砌的浇注应采取整体灌注，并做到不间歇施工。(2)混凝土必须分层振捣，捣固应密实，一般以混凝土泛浆和不冒气泡为标准，避免漏振、欠振和超振。(3)混凝土灌注完成后，应养护充分。混凝土的灌注、养护与拆模：(1)混凝土灌注：混凝土浇筑前，将模板内的杂物和钢筋上的油污清除干净。二次衬砌混凝土浇筑一定要在围岩与支护基本稳定以后施作，此时隧道已经成型。二次衬砌施工要特别注意时间选择要按照先仰拱、后拱墙，即由下到上的顺序连续灌注。在隧道纵向，则需分段进行，分段长度设为9m。(2)混凝土捣固：混凝土浇筑后，应及时用振动棒捣固，两侧边墙部位采用插入式振动棒振捣。振动棒的移动间距不大于振动器作用半径的1.5倍。(3)拆模：当混凝土强度达到允许值以后再拆模。拆模时要先拆堵头板。(4)混凝土养护：若地下条件干燥应注意洒水养护。采用普通硅酸盐水泥拌制的混凝土，其养护时间一般不少于7d。5.5.4二次衬砌模板台车天平山隧道在研究段范围内，隧道净空面积一定，为方便施工和提高施工速度，可在各级围岩段中使用整体移动式模板台车进行混凝土浇注。台车的组成结构设计 ：　　台车主要由台车主体、行走装置、密封装置、与二衬台车连接装置、加温、加湿系统、检测系统等组成。 　(1)台车主体设计。台车主体分为固定部分和可伸缩部分，以适应不同的二衬养护长度。固定部分为台车两端的3.5m独立台架，由型钢制成，其上固定环面支架。可伸缩部分由环面支架及连接环面支架的剪刀撑组成，计为模块，通过调整其数量，可组装任意长度。可伸缩支架展开最大长度3.5m，最小长度约为0.5m。固定部分和可伸缩部分下面均安装滚轮，在轨道上行走。 　(2)行走装置设计。采用双驱动动力装置，采用2台2.2kW电机驱动固定台架在轨道上行走，传动方式为链传动。走行速度为3.05m/min。适用钢轨为P50，下垫枕木高度为200mm。 　(3) 密封装置设计：其密封装置分为端面径向密封和环面纵向密封。可满足不平整度小于±100mm的洞壁密封，该装置隔热隔湿。①端面径向密封采用气囊密封。气囊固定在台架环面支架上，工作时，通过鼓风系统填充气囊，气囊膨胀后与衬砌面紧密帖合。考虑到气囊若过长，会拖到地面，造成不便，故在端面第一平台处，设置伸缩杆装置，防水布分别固定在第一平台支撑与伸缩杆装置上，通过伸缩杆的拉伸，实现防水布的开合与折叠，实现了端面径向的完全密封；②环面纵向密封采用防水布密封。防水布固定在环面支架上，沿衬砌内轮廓面铺开，端头与气囊衔接。使混凝土表面形成一个表面由防水布覆盖，两端气囊密封的密封空间。 　(4)与二衬台车尾部连接设计。采用连接支架与伸缩圆管的方式。连接支架与二衬台车面板为等距圆弧，与二衬台车面板裙边直接螺栓连接。伸缩圆管位于养护台车前端，用于悬挂防水布，工作时，各圆管伸出，将防水布直接挂装在连接支架上即可。 　(5)加温加湿系统设计。两端台架底部两侧各装设节能型电加热蒸汽发生器一台（共4台），用于增加温度和湿度。蒸汽发生器工作时产生蒸汽，通过管道进入密封空间，对混凝土进行养护。 　(6)密封空间内设置温度湿度感应探头，能监测到环境温度及湿度，及时反应到蒸汽发生器的显示屏上，同时根据设置的养护温度湿度自行调节，保持温度为20℃，湿度不低于95%。 5.5.5二次衬砌施工要点(1)二次衬砌施作过程中，仰拱应超前，超前距离保持在3倍以上二次衬砌循环作业长度，仰拱施工前，将隧道底部的虚碴、杂物、泥浆、积水等清除干净，仰拱整体浇注，一次成形，在浇注仰拱时，其上架设型钢栈桥，避免对隧道其他部分施工造成影响，仰拱填充应在仰拱混凝土终凝后浇注。(2)模板台车位置的确定应满足在仪器的校正下，模板台车外轮廓与设计净空相吻合，校正完成后，锁定台车。(3)灌注前，应清除防水层表面的灰粉并洒水润湿，在钢筋混凝土二次衬砌段，必须保证钢筋安放位置与设计位置一致(钢筋的纵向间距为0.33m，钢筋中心距衬砌近边的距离为65cm)。(4)混凝土在洞外搅拌站搅拌至接近拌和状态时，利用混凝土搅拌车运送至现场，运送时间要尽可能的短，不要使混凝土材料分离、空气量变化和坍落度下降等，若材料有明显的离析，应充分搅拌后在灌注。 (5)灌注时，应采取全圆整体浇注，注意对称灌筑，两侧同时或交替进行，防止未凝混凝土对模板产生偏压而使衬砌尺寸不符合要求，同时应特别注意施工缝和变形缝处混凝土的灌注，保证预留缝的防水安全。(6)捣固采用插入式振动器，分层灌注，分层捣固，灌注一层，振捣一层，同一位置振捣时间为10~30s，振捣完毕后，振动器应垂直拔出。(7)混凝土灌注完毕后，应及时对混凝土进行养护，混凝土内部养护温度不超过60℃，在干燥地段，还需进行洒水，养护的时间不低于14d，若是在冬季施工，还应注意防冻保温。二次衬砌施工流程见图5-8。测量放样安设软式透水盲沟配合比选定绑扎钢筋混凝土拌和衬砌台车就位混凝土运输模板加固与检查灌注混凝土混凝土捣固拆模与养护 图5-8二次衬砌施工流程5.6防排水工程施工工艺隧道工程的防排水，应采用“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，采取切实可靠的施工措施，达到防水可靠，排水通畅，经济合理的目的。对地表水和地下水应做妥善处理，使洞外形成一个完整的防排水系统。天平山隧道为客运专线双线隧道，防水等级应达到国家标准《地下工程防水技术规范》规定的一级防水标准，在施工的过程中，应特别重视隧道结构的防水，精心组织施工，确保隧道在规定的使用年限内防水安全。5.6.1隧道衬砌排水客运专线隧道的防排水等级高，首先必须做好衬砌背后的排水系统，使围岩中的裂隙水顺利地排出。在本隧道的研究段范围内，设置排水盲沟引导衬砌背后的围岩渗漏水排出，盲沟设置在初期支护和二次衬砌之间，采用软式透水管，管径为50mm，沿线路长度方向8m设一道。5.6.2采用防水混凝土防水混凝土的关键是提高混凝土的密实度，同时防止混凝土的开裂，特别是贯通开裂。通过调整配合比，掺加外加剂、掺合料配置而成。混凝土宜采用普通硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。石子最大粒径不宜大于40mm，泵送时其最大粒径应为输送管径的1/4；吸水率不应大于1.5%；不得使用碱活性骨料。砂宜采用中砂。拌制混凝土所用水应符合《混凝土拌和用水标准》的规定。5.6.3施工缝和变形缝防水隧道二次衬砌在浇注过程中，不可避免地留下一些施工缝，因结构的需要还得预留一定的变形缝。施工缝和变形缝都为防水工程中的薄弱环节，隧道工程中的施工防水应以施工缝和变形缝的防水为重点。在施工过程中，应尽量少留施工缝，在条件允许的条件下，宜使施工缝和变形缝相结合。 该隧道内施工缝主要包括水平施工缝和环向施工缝，水平施工缝即为台车浇筑混凝土与仰拱混凝土的接缝，环向施工缝即为台车浇筑的两相邻混凝土的接缝。两种施工缝的防水都设计为中埋式止水带，中埋止水带选用钢板止水带，钢板止水带布置在衬砌沿厚度方向的中央，长度不应小于200mm，变形缝的宽度一般为20~30mm，防水设计时，可以将中埋式止水带与遇水膨胀橡胶条嵌缝材料复合使用，其中中埋止水带的长度设置为700mm，在施工缝和变形缝的施工过程中，应使中埋式止水带位置准确，固定牢靠，并使嵌缝密实，确保施工缝和变形缝的防水安全可靠。5.6.4初期支护和二次衬砌之间防水初期支护和二次衬砌之间安设土工布和PVC防水板防水，防水板铺设采用无钉铺挂的工艺铺设。(1)初期支护表面处理：在防水层铺设前，先仔细检查喷射混凝土表面是否平整和钢筋头露出，对表面凹凸不平和空洞处用喷射混凝土补平，对外露的钢筋头用电焊切除并用锤铆平，抹砂浆补平。处理完毕后方可进行防水卷材的铺设。(2)防水层的铺设铺设时先搭设防水板铺设作业平台，先将土工布用热融衬垫贴于喷射混凝土表面，用射枪钉上水泥钉将其锚固，水泥钉长度不得小于50mm，平均拱顶3～4点/m2，边墙2～3点/m2。土工布铺设后，再将PVC防水板用热熔焊接机专用熔接器热熔焊接于热融衬垫上，两者粘结剥离强度不得小于防水板的抗拉强度。防水层悬挂铺设时，土工布紧贴在喷射混凝土表面，PVC板应与土工布密贴，悬挂良好。悬挂时由拱顶中央向两侧对称进行。(3)防水板的焊接质量的检验防水板焊缝采用真空加压检测来检查焊接质量。防水板焊接后，封闭焊缝的一端，从另一端开口处充气并施加气压，在0.2MPa压力作用下，5分钟不得小于0.16MPa，说明焊缝合格。否则，焊缝为不合格，应拆除重新焊接。(4)防水板铺设的注意事项①铺设前准备工作主要是对初期支护进行平整处理，包括喷射混凝土扫平和锚杆切断与盖冒；②铺设前还需检查塑料板有无断裂、变形等缺陷，保证材料符合设计质量要求；③防水板一般在初期支护基本稳定并验收合格后进行铺设，并且超前二次衬砌灌注处应大于20m；④防水板铺设应使用专用台车铺设，铺设时应采用无钉铺设工艺，松紧应适度并留有余量，保证防水板全部面积均能抵到围岩；⑤铺设应尽量减少接头，接头处应焊接紧密，不得焊焦焊穿，单条焊缝的有效焊接宽度不应小于10mm，两幅防水板的搭接长度不应小于100mm；⑥环向铺设时，应先拱后墙，下部防水板应压在上部防水板；⑦防水板安装完毕后，需对防水板的铺设质量进行检查，由于天平山 隧道为铁路客运专线隧道，防水等级为Ⅰ级，除了保证防水板与喷射混凝土密贴，无划破、扯破、扎破等破损现象，焊缝无漏焊、假焊、焊焦等现象外，防水板还应进行压气试验，检查是否漏气现象；⑧防水板安装完毕后，还应注意在绑扎或焊接钢筋，混凝土浇注时，采用措施避免对防水板造成损伤。5.6.5 洞内排沟施工洞内防排水是隧道工程施工的关键。防排水原则为以防为主，防排结合，综合治理。施工采用防、截、堵、排相结合的方式。(1)洞内采用排水沟：墙脚衬砌与初支之间设纵向波纹管及袋装砂砾、纵向设置透水管，横向设置波纹管，通过横向波纹管将水导人仰拱上方中心水沟，然后排出洞外。裂隙水发育段每5m设置两道扁形塑料滤水管，设置在初支外缘以及初支、二衬之间，其余地段衬砌每20m设一道环向透水盲沟，环向透水盲沟均与墙脚盲沟连通，Ⅳ、Ⅴ级围岩段每隔6m设一道横向排水管，将水引入中心水沟。纵向、横向、环向排水管均采用三通管连通，确保水流通畅。明洞防排水采用在墙脚外侧设置砂砾盲沟，盲沟底部设置纵向排水管，沿衬砌外侧全断面设置防水层，并在明洞顶及仰坡外侧设置完善的排水系统，使地表水能顺利排出洞口进入边沟。(2)环向排水：洞身开挖后，根据喷射表面的渗漏情况，在渗漏段每隔0.5～1m全环向埋设弹簧排水管。埋置时必须紧贴岩面或初支面，并与隧道底部的纵向排水沟相连通。在二次衬砌每环施工缝之间安置全环橡胶止水带。 第6章隧道施工现场监控量测6.1监测目的为了解正在施工或已运营的隧道围岩的岩石力学性质和支护结构的受力状态，保证施工安全和工程安全，采用各种量测仪器对围岩和支护结构所进行的量测工作。现场监控量测是隧道工程现代化施工管理的重要组成部分，通过监控量测，我们可以掌握围岩力学形态的变化和规律，支护结构的工作状态。从而指导施工，预报险情，确保安全，同时还能为隧道设计与施工积累技术材料，为今后隧道工程的设计与施工提供计算数据和对比指标。（1）确保施工安全及结构的长期稳定性；（2）验证支护结构效果，确认支护参数和施工方法的准确性或为调整支护参数和施工方法提供依据；（3）积累量测数据，为信息化设计与施工提供依据；（4）通过监控量测了解该工程条件所表现、反应出来的一些地下工程规律和特点，为今后类似工程的发展提供借鉴、依据和指导作用。6.2量测项目及测点布置Ⅳ级和Ⅴ级围岩都需要监测拱顶下沉、周边位移。其中周边位移可用收敛计量测，拱顶下沉和地表下沉可用水准仪、水准尺及钢尺进行量测。监控量测分为必测项目和选测项目。必测项目是隧道工程应进行的日常监控量测项目，是为了在设计施工中确保围岩稳定、判断支护结构工作状态、指导设计施工的经常性量测。必测项目有：洞内、外观察；地表沉降量测；净空收敛量测；拱顶下沉量测。选测项目是对一些有特殊意义和具有代表性的区段进行补充测试，以求更深入地了解围岩的松弛范围和稳定状态以及喷锚支护的效果，为未开挖区段的设计和施工积累现场资料。根据隧道的地层地质情况，周围环境以及隧道施工方法，本隧道选测项目是围岩压力和两层衬砌间压力。洞内变形测点布置如图6-1、6-2所示。 图6-1Ⅳ级围岩三台阶监测布设图图6-2Ⅴ级围岩三台阶监测布设图 6.3监控量测流程隧道洞内施工监控量测流程如图6-3所示。图6-3监控量测设计流程图6.4量测方法支护应力、围岩及支护变形(位移)现场测试包括试验段收敛位移、掌子面内部位移、围岩压力、衬砌接触压力、喷混凝土应力、钢架应力、锚杆轴力、二衬混凝土应力等。①收敛位移监测方法结合收敛仪和断面仪进行监测，每天量测一次，直至变形基本稳定为止。②围岩压力及接触压力监测方法采用振弦式双膜压力盒，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。③钢架应力监测方法采用外贴振弦式应变计，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。④支护混凝土应力监测方法采用埋入式混凝土应变计，频率接收仪进行监测，每天量测一次，直至压力基本稳定为止。 6.5量测频率天平山隧道量测频率根据位移速度来测定，量测频率见表6-1。表6-1量测频率位移速度(mm/d)量测频率≥52次/d1～51次/d0.5～11次/2～3d0.2～0.51次/3d＜0.21次/7d6.6监控量测数据分析与反馈为了真实、及时、准确的反应施工现场信息，在数据采集收集后，应立即对观测数据进行分析处理，同时要注明开挖方法和施工工序以及开挖面距离监控量测点的距离等信息。数据分析采用散点图和回归分析方法。信息反馈应以位移反馈为主，主要依据时态曲线的形态对围岩稳定性、支护结构的工作状态进行判定，并优化设计参数，指导施工。监控量测信息反馈及工程对策：信息反馈应根据量测数据分析结果对工程安全性进行评价，并提出相应工程对策与建议。施工过程中应进行监控量测数据的实时分析和阶段分析。实时分析指每天根据量测数据及时进行分析，发现安全隐患应分析原因并提交异常报告。阶段分析要按周、月进行阶段分析，总结监控量测数据的变化规律，对施工进行评价，提交阶段分析报告，指导后续施工。6.7监控量测的主要设备监控量测设备见表6-2。表6-2监控量测设备配置表序号量测项目量测仪器1洞内、外观察数码相机和规尺等2地表沉降水准仪或全站仪3隧道拱顶下沉全站仪4隧道净空收敛全站仪5围岩压力和衬砌间压力钢弦式压力盒 6.8监控量测工作各单位职责设计设计应将监控量测、超前预报方案纳入设计文件，根据工程地质条件、埋深、洞外环境、施工方案等明确监测项目、监测频率、监测及资料整理分析要求，提出变形控制基准及信息反馈要求。施工施工单位，在编制施工组织时必须将监控量测工作列入施工流程，并由专业队伍来实施。监理监理单位应做到每天检查监控量测记录和报告。建设建设管理单位应严格审查监控量测实施计划，当监控量测数据出现异常时，应及时签发预警通知或暂停施工。信息化设计是从设计角度出发防止软弱围岩隧道坍方的最有效手段。信息化设计的基础是：监控量测、超前预报。监控量测是确保软弱围岩隧道施工安全的“哨兵”，是隧道施工不可缺少的一道工序。通过监测动态信息，及时评价围岩及支护结构体系的稳定性状态，用以指导设计、施工，确保施工安全。 第7章结论与展望7.1结论本篇毕业设计以天平山隧道为例，着重介绍了软岩隧道的结构设计检算和隧道施工方案及施工工艺，得出如下结论：本天平山隧道研究段属于大断面高速铁路隧道，地下水发育，工程地质复杂。使用有限元软件ANSYS建立模型和内力计算，得到隧道Ⅳ级、Ⅴ级围岩二衬的轴力和弯矩。根据二次衬砌内力进行配筋计算和强度检算。各级围岩衬砌结构的初支情况：Ⅳ级围岩：喷射混凝土采用的是C25，厚度为25cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱部厚度为0.45m，仰拱厚度0.55m，另外仰拱用C20混凝土填充。拱部180°范围内采用Φ25组合式中空注浆锚杆，除拱部180°的其余区域采用Φ22砂浆锚杆，锚杆长度3.5m，环向间距1.2m，径向间距1..2m。拱部采用Φ6钢筋网，网格间距20cm×20cm。Ⅴ级围岩：喷射混凝土采用的是C25，厚度为28cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，拱部厚度为0.5m，仰拱厚度0.6m，另外仰拱用C20混凝土填充，拱墙所有区域采用Φ25组合式中空注浆锚杆，锚杆长度4.0m，环向间距1.2m，径向间距1.0m。拱墙部采用Φ8钢筋网，网格间距20cm×20cm。最终得出的配筋结果为：Ⅳ级浅埋配4Φ20，Ⅴ级浅埋配4Φ22。各级围岩衬砌结构的二衬情况：本隧道Ⅳ级围岩采用三台阶法开挖，Ⅴ级围岩采用三台阶法开挖。本隧道采用光面爆破，炮眼直径均为42mm，均采用φ32mm二号岩石乳化炸药。出渣方式采用机械装渣与运输，装渣和运输方式均采用无轨方式。隧道的监控量测项目有洞内外观察、地表沉降、隧道拱顶下沉、隧道净空收敛、围岩压力和衬砌间压力监测。监控量测是保证施工安全的重要措施，也是提供设计与施工优化设计的有效办法，设计中给出了监测点的布置。此外在防水措施上本隧道除了利用二次衬砌本身防水功能外，还采用了中隔式橡胶防水带、遇水膨胀止水条、防水板等措施。 7.2展望在我国，对于铁路客运专线隧道在遇到软岩地质时的研究还尚未成熟，关于以软岩大变形为特点的山岭隧道的设计和施工仍是一个较新的领域，一方面须借鉴国外发达国家的成熟经验，另一方面须依靠我国其他铁路隧道建设的成功范例。广大的铁路建设工作者应潜心研究，并结合我国实际，开创客运专线和高速铁路建设的新事业，为我国铁路建设新局面贡献自己的力量。 参考文献[1]朱永全，宋玉香．隧道工程[M]．北京：中国铁道出版社，2005．52~238[2]JTGD70—2004，铁路隧道设计规范[S]．[3]张朝晖．ANSYS8.0结构分析及实例[M]．北京：机械工业出版社，2005．1~50[4]JTGD70—2004，铁路隧道设计规范条文说明[S]．[5]叶见曙.结构设计原理[M].第二版.北京：人民交通出版社，2005.[6]于书翰，杜漠远．隧道施工[M]．北京：人民交通出版社，1999．46~75[7]王海亮．工程爆破[M]．北京：中国铁道出版社，2009．93~109[8]JTJ042—94，铁路隧道施工规范[S]．[9]池建斌，路清献等.计算机辅助制图[M].北京:兵器工业出版社，2003.[10]吴焕通，崔永军．隧道施工及组织管理指南[M]．北京：人民交通出版社，2004．116~253[11]关宝树．隧道工程施工·要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003．150~167[12]朱永全，宋玉香.地下铁道[M].北京：中国铁道出版社，2006.[13]Abdul-Khalek，I.S.，Kittelson，D.B.，Graskow，B.R.，Wei，Q.，andBrear，F(1998).DieselExhaustParticleSize:MeasurementIssuesandTrends，SAEPaper，SAEInternational，Warrendale，PA.[14]Abdul-Khalek，I.，Kittelson，D.，andBrear，F.(1999).TheInfluenceofDilution，ConditionsonDieselExhaustParticleSizeDistributionMeasurements，SAEPaper1999-01-1142，SAEInternational，Warrendale，PA. 致谢这一学期以来，在朱永全老师耐心指导下，我们经过紧张的毕业设计工作，终于顺利地完成了整个毕业设计任务。在此过程中，我较全面地了解了隧道工程建设的整个过程，并熟悉了隧道在建设过程中遇到的各种问题及处理方法。同时，此过程也增强了我查阅、整理资料的能力和综合运用所学知识、独立分析和解决实际问题的能力。可以说，在这一学期，我每天都在进步，这段时间所学到的知识会让即将前往英国继续深造的我受益匪浅，也会对以后的工作或者学习都有极其深远的影响。这一切的得来，都离不开朱老师对我的悉心帮助。此外，设计过程中有许多困难和疑惑，除了向朱老师求助，我也曾向很多老师以及研究生学长请教，对你们表示深切的感谢。当然，还要感谢和我同一设计小组的几位同学，是你们在我平时设计中和我一起探讨问题，并指出我设计上的误区，使我能及时的发现问题把设计顺利的进行下去，没有你们的帮助我不可能这样顺利地结稿，在此表示深深的谢意。我还要感谢大学四年来教过我的老师们，以及陪我度过四年大学时光的同学们，是你们在生活和学习中给了无私的帮助和关怀。 附录A外文资料翻译A.1英文 A.2译文排气颗粒大小分布在塔斯卡洛拉山隧道的测量摘要：在1999年五月，道路上的颗粒大小分布情况在塔斯卡罗拉上面的宾夕法尼亚收费公路山隧道上测量。数据用扫描的流动性颗粒筛选器获得。尺寸分布的成核模型包括大部分颗粒数浓度基准峰值为直径范围从11至17纳米的颗粒。这一观察结果与先前的计算和测量是一致的，表明可以预计，巨大数量的超细气溶胶颗粒接近繁忙的高速公路。实验提供了四个案例学习，即隧道入口的数据可以用来纠正在出口处获得的数据，以便在隧道内的颗粒生产量的估计。排气颗粒产率估计每车公里：结果需要提醒的是，测量受环境稀释的影响。这四个案例研究的核模尺寸变化与环境温度成反比。超细颗粒分布的轻型车的贡献显然被重型车辆的贡献所主导。介绍：许多最近的研究已经定义了燃烧源所产生的亚微米颗粒的特点，包括汽油和柴油发动机。这些研究再度被部分的忧虑所推动，超细颗粒可能存在特殊的健康危险（例如，见讨论莱蒂等人（2000年））。移动源的排放量，特别是柴油车尾气，是有利益关系的，因为他们预期的超微粒子的含量中可能含有大量的有害化合物如多环芳烃（PAHs）。实验室测功机的汽油和柴油发动机的研究大大的对移动源排放量和颗粒大小和浓度的条件来决定的理解作出了贡献。然而，实验室的研究相对于以模拟真实世界的驾驶条件下的车辆类型以及它们的混合物的能力是有限的。以往的研究表明公路隧道研究在克服一些测功机试验的局限性的优势。（例如，Pierson和Brachaczek（1983年））。本文介绍了1999年5月的的塔斯卡洛拉山隧道粒度分布在宾夕法尼亚大道上进行的测量。塔斯卡洛拉山隧道包含2个独立的孔，每个含2车道，是1623m长。此工作进行了从宾夕法尼亚收费公路（76号州际公路）通过塔斯卡罗拉山到宾夕法尼亚州中南部。该隧道是几乎和是在海拔305m。隧道的限速是55英里，但实际速度分布，确定本研究用雷达测速仪。隧道通风完全是靠交通“活塞效应”隧道内风速风速计测量。本研究利用东行孔，交通西风盛行风相同的方向移动的。我们部署了扫描的移动粒度仪（SMPSWangFlagan（1990年））在塔斯卡洛拉山隧道实验。该SMPS利用静电分类（EC；TSI公司，圣保罗，明尼苏达州）来完成微粒的“筛选”，根据电迁移率的颗粒和有效地在从约0.01到0.4微米的尺寸的流动等效直径运行。一旦颗粒是由EC的离散化的大小，来计算顺序的SMPS的第二部分是一个冷凝粒子计数器（CPC； TSI公司，圣保罗，明尼苏达州）。卡片编程计算器通过光学检测丁醇液滴在高饱和度的过程中对他们成长来计数颗粒。该仪器可以在这项研究中的粒度分布扫描进行60或90秒的扫描时间运行，以尽快捕捉大小分布信息。SMPS测量的目的是：1．测量的气溶胶在各环境背景下的粒径分布；2．测量的气溶胶在隧道入口的粒度分布；3．测量新鲜柴油和测量的粒度分布，在隧道的出口处火花点火的排气颗粒。SMPS仪器需要线路功率，但在移动车中建立起来，这种安排允许仪器中使用的以下3个位置，其中线的功率在以下可用：1．在隧道的西端，服务直接在东行的道路；2．在隧道的西端，东行和西行车道中位数之间的区域；3．在隧道的东端，靠近右东行线的边缘。大小分布结果：本文将利用一下术语常规：（1）“积累模式”：常见的用法，这个词适用于颗粒约0.1和1之间，移动1米直径。源研究者（如，1996年Baumgard和Johnson）将这个词应用到0.042-1.01米（42-1000纳米）的大小间隔，我们按照自己的惯例，除非另有说明。（2）“核模式”这个术语是用来描述0.0075-0.0421米（7.5-42nm）的大小间隔（例如，Baumgard和Johnson，1996年）。在入口网站的大小分布测量：SMPS测量的主要目的是评估刚发射的移动源东隧道出口附近进行测量气溶胶。为了做到这一点，隧道入口和出口测量交替尽可能经常这样可以减去从东端测量气溶胶，气溶胶进入隧道的西端。入口和出口测量时段在表1总结。隧道入口的测量是在2个站点。1999年5月19日的测量采取隧道的西端的分隔带上设置了开关电源。1999年5月21日和22日采取的测量立即在的服务道路隧道入口东行（隧道入口南侧）上实施。收费公路在西端的塔斯卡罗拉隧道，位于底部两旁树木林立的浅切口。塔斯卡罗拉山立即上升高于隧道入口。在实验过程中，光性和变风旋流在隧道入口的气流是可能的。SMPS扫描在隧道入口获得的概要示于表2。当秤上的这些数字，第二个模式是不容易辨别，其峰值直径没有说明。5月19日拍摄扫描的平均在图1中所示。从5月21日和22日的平均SMPS数据如图2所示。平均值的计算通过在每个尺寸容器浓度差的值之和的算术和有助于SMPS扫描的数量所区分。对于所有的5月19日的例子，成核模式的峰在10〜30 nm的范围内。积分浓度变化的主要原因是成核模式的相对大小。浓度足够低，凝血过程会很慢。在这些分布的粒子数浓度占主导地位的是他们的晶核模式。数据在西隧道入口服务之路网站在5月21日的2个周期所获得，交替测量在隧道出口。期间采取1400年至1613年期间的数据表明：在40和44nm之间的尺寸分布峰值模式的存在下，而核模态和一个较大的积累模式订单中的贡献者的颗粒群（图2）。40-44纳米模式观察期间有一个间歇性的，在测量现场的东风下坡面流。.我们推测，这种模式是非移动源产地环境背景气溶胶。在购买入口计量期间，1944年至2002年，积累模式，峰值在67和120nm的观察到（图2）。当SMPS扫描轻西风微风时，数据也得到上周六（5月22日）早上在西部服务的道路入口（HD）重型柴油馏分是最小的（图2）。在这种情况下，有一个峰值在一个非常大的直径，约150〜160nm的积累模式里。大小分布在塔斯卡洛拉山山隧道：总结入口数据：塔斯卡洛拉在隧道入口的一些普通特点的数据显示总结在表2。高峰在10-30纳米范围内的成核模式几乎总是存在的，它的相对大小是这些例子中确定这些整体范围内的数浓度的主要因素。集成的浓度范围从10000立方厘米或更小的低值到28000立方厘米。选定的情况下还表明，第二个和第三个模式进行观察，峰值直径40-160纳米不等。最大粒径在5月22日的第二模式观察，是用轻西风测得的。出口点的大小分布测量：SMPS测量的测量值在塔斯卡洛拉山隧道出口站点获得，并总结了5个周期期间在表1。包含SMPS的移动面包车停在靠近东行隧道出口的南缘。SMPS采样进气口位于3米隧道入口的墙的东区东部，以及2米南部的白线边缘的南部通道。数据在2156年至2237年美国东部时间5月18日期间的高清柴油高流量（高清百分比64.5％）的出口处获得（图3）。这组数据对应获得的数据从0103至0141的5月19日，允许改正气溶胶分布进入隧道隧道入口。图3显示了在2233年获得的数据，即用一个集成的粒子浓度为立方厘米的粒子。在这条隧道的出口的测量过程中，这种扫描代表了获得的最高的粒子浓度。核模态峰值直径为14.8纳米的计数中位数为16.7纳米的直径（CMD）。这些实施例表明，成核模式的贡献是最大的，因为在这些粒度分布的粒子数浓度的核模态的峰值直径小于4纳米或更低的CMD。图4中所示的信道，信道的平均值5SMPS是在隧道出口从2156年至2237年5月18日扫描获取的。在5月20日获得隧道出口数据高清分数为78.6％。2016年至2144年5月19日获得的隧道入口的数据为从0020到0128，为出口数据集提供了一个隧道入口气溶胶的校正。分布于美国东部时间的0104具有一个集成的浓度为94123立方厘米，CMD为20.5nm，模式（图5）的双峰形核。0108（图5）发起的一个子相继扫描立方厘米，峰值核模直径为17.2nm，16.6 nm的一个CMD有一个集成的浓度。隧道出口5月20日从0104到0121的数据的平均值示于图6是相似的大小和浓度在2156年至2237年5月18日（图4）获得的数据集。如图5中所示的双峰功能是不寻常的，但SMPS仪器直接从周围的空气中获得样本，通常以60秒完成扫描。因此，仪器没有从一个恒定的粒子群取样，而是分布在扫描的过程中，可能已经改变。在大约30秒的大小分布的成核模式部分扫描总共60秒，因而成核模式的双峰的功能可能简单地反映在气雾剂的变化发生，即在一个时间间隔为30秒或更少。两个例子在下一个出口测量期间，1725年至1901年5月20日（HD分数为30.8％）的粒度分布，如图7所示。从1746具有广泛的核模分布的指示，有可能是一个额外的模式，上面的直径小于10nm的峰值。本次发行可能代表两个或多个独立的对于直径小于30纳米的核模式。从1754展示的分布较窄的核模式，CMD的峰值为18纳米与17纳米，这是与许多之前讨论的隧道出口SMPS分布类似。通过以下方式从1725年至1754年获得的5个平均出口EDT的分布的在分布图8中所示。5月21日，星期五下午，高清分数降低相对较早时期已被描述期间为比较隧道的出口和入口数据提供了一个机会。从1719年至1800年美国东部时间在隧道出口现场获得了SMPS数据。从SMPS的粒度分布数据扫描在1719开始，在图9所示。对于这种测量，集成的粒子浓度70700立方厘米，核模态的峰值直径为11.1nm，CMD为13.0纳米，为1725年测得（图9），集成的浓度立方厘米，核模态的峰值直径为12.9纳米，CMD为13.6纳米。4SMPS扫描在此测量期间获得的平均，如图10中所示。隧道出口于5月18日和20日获得的数据相比，这段时间的数据往往表现出较小的核模态峰值的的直径和积累的模式高峰直径在50-70纳米范围内。5月22日（星期六）期间高清比例低（15.2％），研究气溶胶在隧道出口被提供了另一种机会。SMPS的数据，获得从1201至1221的EDT，例子分布示于图11中。在1201核模式峰在11.1nm的（CMD13.8纳米）和1218的峰值在14.9nm以及CMD15.3nm。图12显示了获得5月22日从1201到1221之间平均6SMPS的扫描值。核模态的峰值直径和在5月21日获得的数据相似，但积累模式的5月22日的数据显示，从约100到200nm的宽峰而不是在5月21日的时间间隔为50至70纳米的一个小高峰。隧道出口数据的总结：表3中总结了塔斯卡洛拉隧道出口数据。一些有用的共同特性可以被识别。核模态峰值直径为11至25纳米，而CMD中从13到21纳米范围内。再次，成核模式的相对大小的主要因素是确定在这些实施例中的集成数浓度的范围内。集成的浓度范围从43000立方厘米到立方厘米的高值。与在隧道入口总结于表2的粒度分布数据相比，在隧道出口的数据的最明显的区别是：（1）更高的浓度和（2）显性核模浓度积累模式更大。 出口网站大小分布纠正了预计进口大小分布的数据。分别在塔斯卡洛拉山隧道的入口和出口测量的具有代表性的数据示于表2和表3。烟雾进入隧道出现非移动源的背景颗粒和根据在进气口的气流模式进行不同比例的稀释移动源衍生的颗粒组成。我们已经确定了4例在隧道的入口和出口的数据作为密切匹配时间为SMPS的工具的移动，从一端的其他隧道将允许。这4例总结于表4。在隧道出口的平均粒径分布从2256至2237在美国东部时间5月18日（第1种情况）获得，有和没有入口的平均粒径分布为0103-0141。5月19日，在图13中示出。这种修正在2个周期相隔2.5-4.0H顺序使用数据。减法的入口的数据在这种情况下，不改变出口分布非常多。成核模式的峰值直径为16纳米，是不变的。他的浓度降低了。积累模式已经被衰减在50-100纳米的间隔。综合出口平均分布浓度已减少约17％，主要由于入口校正。案例1和另外3例的主要特征参数总结于表5。总结和结论：获得了亚微米的粒度分布数据，1999年5月18-22日，在宾夕法尼亚收费公路的的塔斯卡洛拉山隧道在使用开关电源。该SMPS测量进行了在隧道入口附近的2个部位，与1个网站，非常接近到出口；涉及隧道东行孔中的所有站点。进口和出口相结合的网站允许在隧道的流量的贡献估计，除了由于从进入隧道的环境气溶胶分布的作用原因。对四个入口校正后的粒度分布案例研究也进行了分析。对于这些情况，其中包括高清柴油车辆的分数变化从13％至79％不等，亚微米粒子在隧道产率被计算。参数N/V时，估计为平均质量粒径的倒数。具体结论包括以下内容：1．重大超细颗粒物的浓度接近路边观察，在这个尺寸范围内的气溶胶粒子可能对人类健康的影响。2．例1和例2中，其中的HD级分分别为65％和79％，表现出成核模式的峰值直径和CMD中大约彼此相等的，分别在16和17处。3．情况3和4，其中的HD级分分别为13％和15％，表现出核模态的峰值直径分别为11和13处，而这两个CMD中13纳米。4．核模态峰值直径与4个案例研究不同环境空气的温度成反比。5．对所有HD馏分的价值而言，在成核模式被发现的大多数的塔斯卡洛拉隧道中产生的颗粒的总浓度的级分在核模式中高达96％。6．亚微米颗粒生产速度在塔斯卡罗拉隧道估计的范围在1013英镑的低HD分数的情况下从5.2到5.4颗粒每公里，到在1014英镑的HD高分数的情况下的从2.1至3.1颗粒每公里。这些值是小于其他一些公布的估计数，但周围空气稀释可能是差异的原因。7．在 SMPS数据对比的4个案例研究表明，轻型车的超细颗粒分布的贡献是难以分离和鉴定的，因为它出现的高清颗粒的贡献是占主导地位的。 附录B图纸图01天平山隧道纵断面图（局部）图02-1Ⅳ级围岩衬砌断面图图02-2Ⅴ级围岩衬砌断面图图03-1Ⅳ级围岩配筋图（一）图03-2Ⅳ级围岩配筋图（二）图03-3Ⅴ级围岩配筋图（一）图03-4Ⅴ级围岩配筋图（二）图04-1Ⅳ级围岩炮眼布置图图04-2Ⅴ级围岩炮眼布置图