黄土隧道毕业设计

第1章 绪 论

1.1 选题背景及意义

自1820年以后，铁路成为新的运输手段。1827年在英国、1837年在法国先后开始修建铁路隧道。随着铁路运输事业的发展，隧道也越来越多，先从当时经济比较发达的欧洲各国开始，然后是美国和明治维新后的日本。经济的发展、社会的进步要求有更高的交通运输速度，以加快社会活动节奏，扩大人际间的交往。由于铁路在速度和其他技术、经济指标上的优势，19世纪后半叶至20世纪初，铁路得到了大的发展，并促进了社会、经济的进步；凡经过铁路建设大潮的国家，其经济都得到了长足发展，并演变为当今的发达国家。

我国修筑的第一条铁路隧道是10年建成的狮球岭隧道。限于当时我国的局势和建设资金短缺等原因，我国并没有经历铁路建设大潮，铁路建设也毫无规划，而且严重滞后。为了改变铁路的落后、被动局面，根本出路就在于依靠科技进步，大力发展重载和高速技术，特别是高速技术。新中国成立后，特别是随着我国改革开放的深入，市场经济迅速发展，人口城市化进程加速，国际交往急剧增加，旅游事业日趋兴旺，诱发了大量的客运需求。人民生活水平的提高，时间价值观念的增强，对缩短旅行时间、提高服务质量的愿望也日益强烈，从客观上提出了发展高速铁路客运系统的社会需求。可见，既有铁路已不能满足人们出行的需求，修建高速铁路符合我国人民的愿望。

进入新世纪后，国民经济的持续快速发展，使得铁路运输在数量和质量两个方面，都面临着新的更高的挑战；在2020年前我国全面建设小康社会中，铁路肩负着提供运力支持，当好先行的重要历史使命。因此，铁路必须抓住机遇实现跨越式发展，走新型工业化道路。其主攻方向应是“扩大路网规模，完善路网结构，提高路网质量”。我国幅员辽阔，人口众多，经济尚不发达，能源相对紧缺，这就必须发展运力大、占地省、能耗低、污染轻、安全可靠、的交通运输工具来解决大量客流和货流的快速运输问题。高速铁路在这些方面具有明显的优势，可见，修建高速铁路完全适合我国的国情和运输发展的需要。

1.2 国内外现状

根据我国的国情和路网现状，尤其现在我国货运供需矛盾特别突出的实际情况，

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即将或已经开工的客运专线有些近期为客货共线铁路，远期发展为客运专线铁路。在规划的“四横四纵”高速铁路客运网当中必然会出现大量的黄土隧道。特别是自西部大开发实施以来，西部黄土地区的建设得到国家重点支持。而黄土隧洞的修建涉及到西部交通、水利、通信等各重大基础设施工程。西气东输、西电东送，南水北调等大型工程中所修建的隧洞亦多穿过黄土地层。在黄土地层中开挖坑洞，容易出现坍塌，尤其是一旦渗漏水，围岩强度会大幅度降低，严重时，完全失去自稳能力。同时，黄土围岩开挖后若暴露时间过长，围岩周壁风化作用至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍方等，因此，黄土隧洞的设计与施工难度较大，远远大于修建同类型的岩石隧洞，为确保黄土隧洞施工安全，必须加强对黄土隧洞施工期稳定性进行研究。

对于隧洞围岩稳定分析(或称隧洞力学分析)来说，目前国内外有关学术界和工程界多采用常规连续介质模型，如线性弹性、非线弹性、弹塑性、粘弹塑性、弹脆性介质模型等，把问题归到岩土力学参数统计平均值的计算问题。虽然很多学者目前在弹塑性和粘弹塑性分析方面做了大量的研究工作，但隧洞工程仍较多采用“线弹分析加经验修正”方法。隧洞支护体系的力学计算方法，有两种主要的理论分析方法，即：传统的“结构力学方法”和近代的“岩石力学方法”，对黄土隧洞而言，至今还没有一种系统成熟的针对黄土隧洞的计算方法，也没有形成黄土隧洞的理论体系，但近年来随着黄土隧洞的大量修建，我国在黄土隧洞方面取得了一些研究成果，并处在世界前列，这些将体现在即将问世的黄土规范中。黄土是天然地质体，经历了漫长的自然历史过程，也经受了地质构造变动过程，所以围岩稳定和围岩压力理论与黄土力学和黄土土体结构的研究是分不开的。

1.3 大断面黄土隧道的特点

(1)隧道设计断面大

客运专线双线隧道，由于空气动力学效应及安全方面的要求，决定了隧道的设计断面大，考虑预留变形量下，按照《时速350km／h客运专线双线黄土隧道复合式衬砌》通用参考图(通隧[200530302)“V级围岩复合式加强衬砌断面”开挖设计面积达163.53m2，开挖跨度达15.2m。

(2)黄土地质围岩自稳能力差、易坍塌

由于砂质黄土结构相对疏松，其自身强度低，抵抗外力破坏的性能差，洞顶为厚层黄土层时，开挖后应力重新组合，自稳能力差，遇水土粒间的胶结作用遭到破坏，凝聚强度大为降低，再加上开挖过程的施工扰动，有可能出现围岩失稳现象，极易坍塌。

(3)黄土具有湿陷性、隧道基底需加固

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黄土地基尤其是新黄土具有一定的湿陷性，在土体的自重压力或土的附加压力与自重压力共同作用下，一旦受水浸湿，土的结构迅速破坏，承载力急剧降低，随之产生显著的附加下沉，从而使建筑物出现裂缝甚至破坏。因此，黄土隧道的基底如遇具有湿陷性黄土地基需采取换填、灰土挤密桩、树根桩以及注浆等措施进行加固处理。

(4)黄土隧道分部开挖进度慢、支护体系复杂

由于断面大和黄土的特性，大断面黄土隧道需将断面分隔成几个洞室错台开挖，一般每循环进尺为0.5～1.5m，且可能还要受地基加固处理工序施工的影响，进度非常缓慢；同时为保证施工安全和结构的稳固性，开挖过程中的临时支护措施和开挖后的初期支护体系相当复杂，施工工序繁杂，施工工艺要求高。

1.4 建设客运专线的意义

在繁忙干线建设客运专线，实现客货分线运输，能够大幅度提高铁路运输能力，分流既有线的大部分客车，缓解既有线运能紧张的局面，同时还可以满足大经济区、大城市的增量运输的需求，腾出既有线用来发展货物重载运输，适应日益增长的运输需要。

(1)繁忙干线建设客运专线，实现客货分运，能够大幅度提高铁路运输能力，满足全面建设小康社会的运力需要。初步预测到2020年，铁路旅客、货物运输需求分别达40亿人次、40亿吨，年均增长速度为7%和4%。建设客运专线，不仅可以转移既有线上大部分客车，而且还可以满足增量运输的需求，特别是能够腾出既有线能力用于发展货物重载运输，迅速形成高速度、大能力、安全畅通的运输通道，适应日益增长的运输需要。

(2)繁忙干线建设客运专线，可以提升城市的集聚功能和辐射能力，使大城市更好地发挥中心城市的作用，同时推动沿线中间地带现有城市高速发展和功能升级，增强人、财、物吸纳能力，促进新的小城镇生成和发展，加快我国城市化的整体进程。

(3)繁忙干线建设客运专线将使铁路速度和服务实现质的飞跃，提升中国铁路发展水平。客运可实现大容量、高速度、高频率，大大缩短旅行时间，特别是在运输高峰时期，可以用几分钟间隔密集大量发车，为旅客提供更安全、快捷、方便、舒适的服务；货运可实现“大宗物资直达化，高值货物快速化”，降低铁路社会成本，满足旅客货主越来越高的多层次、多样化服务需求。在创造良好社会经济效益同时，铁路路网运输效率和投资效益将进一步提高，有利于实现铁路可持续发展。

(4)西部地区建设客运专线，必将促进西部经济的大发展，加快西部地区的经济发达化进程。

(5)客运专线在黄土地区的建设，必将为以后在黄土地区修建大断面黄土隧道提

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供经验和参考资料。

1.5 设计研究主要内容和采用的方法

1.5.1 主要研究内容

以潼洛川隧道为例，了解黄土隧道客运专线的特点及设计的方法和步骤，根据所给的地质勘测资料、水文资料和其它的资料，进行隧道选型、结构拟定和检算，最后进行施工方案及施工工艺设计并绘制相应的施工图纸。

1.5.2 采用的主要方法

在对隧道结构进行计算时，需依据我国最新出版的《铁路隧道设计规范》，并结合黄土隧道的工程特点，利用围岩垂直均布松动压力和水平均布松动压力公式，计算出隧道开挖后隧道衬砌受载情况。然后，通过Ansys软件对隧道衬砌结构建立模型、并计算，然后按破损阶段法和允许应力法检算隧道衬砌在所加荷载作用下是否满足强度要求。对不满足强度要求的隧道衬砌，进行配筋计算。最后进行抗裂检算。

在对隧道施工方案及施工工艺进行设计时，需依据我国最新出版的《铁路隧道施工规范》和相关规范规定，并结合在隧道全长范围内的围岩性质及其所处埋深，来确定隧道的进洞方案、不同衬砌段的开挖方法及各种方法间的转换、不良地质辅助工艺、初期支护情况、二次衬砌施工工艺和防水工程施工工艺等。

1.5.3 预期达到的目标

(1)学习和了解客运专线黄土隧道设计的特点和要求；

(2)熟悉掌握隧道结构设计检算内容和检算方法，并能够运用Ansys进行结构检算；

(3)熟悉隧道施工的各种方法，特别是新奥法施工的方法，了解隧道施工过程中各种工艺的基本流程和要求。

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第2章 工程概况

2.1 设计依据

本设计的依据有：《铁路工程技术标准》，TB10003-2005《铁路隧道设计规范》，GBJ10-《混凝土结构设计规范》，《锚杆喷射混凝土支护技术规范》，TB10204-2002~J1《铁路隧道施工规范》，TB10202-2002~J1《铁路路基施工规范》，TB10119-2000《铁路隧道防排水技术规范》，《铁路隧道施工手册》，《铁路隧道设计手册》。

2.2 潼洛川隧道工程概况

潼洛川隧道位于潼关黄土台塬区前缘，隧道进口（DK341+304.0m）位于潼沟河左岸，岸坡地形较陡，出口端（DK345+120.0m）位于黄土塬边，全长3816m，最大埋深120m，相对高差90～130m。该隧道设有斜井，斜井位于港口镇，和线路交于DK343+100m处，斜井长294m。

工点北临西潼高速，并有便道相连，交通较为便利。

2.3 工程地质与水文地质

2.3.1 地形地貌

潼洛川隧道位于潼关I级黄土台塬区，塬面地形平坦，高程545～555m；进口位于潼沟河左岸，岸坡地形较陡，相对高差20～70m，冲沟发育；出口端位于黄土塬边，地形起伏，冲沟发育，相对高差15～50m；斜井洞口位于一黄土冲沟，地形起伏，地面高程420m。塬顶为农田，多有村庄、道路分布。

2.3.2 工程地质特征

2.3.2.1 地层岩性

隧道、斜井区范围内地层岩性相对简单，黄土台塬区表层为第四系上更新统风积砂质黄土，中部为第四系中更新统风积砂质黄土、下部为第四系下更新统风积砂质黄土、黏质黄土，底部为第四系下更新统冰湖积粉土、卵石土和砾砂等。潼沟河一级阶

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地主要为冲积砂质黄土。 2.3.2.2 地质构造

隧道通过I级黄土台塬区构造上为潼关隆起，为第四系以来活动明显的断隆，隆起西界为观北断层，东界已出区外，南端限于山前大断层，北端已出区外，据有关区域资料分析，该隆起虽与观北断层同时形成，始于中更新世，但当时不太显著，并接受了早更新世早期的沉积，直到早更新世晚期才强烈隆起，使该区露出水面，接受以风积砂质黄土为主的堆积。中更新世至晚更新世，隆起上升剧烈，故呈现今日之貌。隧道通过段主要地层为中、下更新统风积砂质黄土夹古土壤。 2.3.2.3 隧道进出口工程地质条件

隧道进口段通过地层为黏质黄土、粉土、砂、卵石等地层，不甚均一，施工开挖后应及时支护和衬砌，避免产生围岩失稳。

出口浅埋偏压地段应加强支护，确保围岩稳定。表层第四系上更新统风积砂质黄土经计算后判定，该场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级（严重），湿陷性土层厚度18.0m。 2.3.2.4 特殊岩土

(1)黄土

黄土台塬表层覆盖第四系上更新统风积砂质黄土，厚10～33m。根据D7Z-15、D7Z-17、 D7Z-18，D7S-8-1土工试验资料计算判定，该场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级（严重），湿陷性土层厚度18.0m。

(2)膨胀土

依据初测资料及陕西省第二水文地质队N8、N12两个深钻孔资料和定册钻孔资料分析，第四系中、下更新统砂质黄土中夹有灰黄色、棕红色古土壤（粉质黏土），呈层状，厚度0.2～9.3m不等，从岩心外观看具有膨胀岩土的基本特征，风化为尖棱状的小碎块，在隧道洞身有分布，经取样化验，自由膨胀率一般在21%～48%，阳离子交换量CEC（NH4-）［mmol/kg］：.7～159.1 mmol/kg，蒙脱石含量M：6.33%～13%，综合判定为弱膨胀土，设计时应考虑其对工程的影响。

2.3.3 水文地质特征

潼洛川隧道位于潼关塬一级台塬的前缘，秦岭北麓断层带以北到黄河、渭河这一完整水文单元的排泄区。该水文单元地下水从补给区到排泄区运行途径短，地下水水力坡降大，水平方向地下水的迳流条件良好。

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隧址区共布设勘探钻孔5个，其中145m深孔一个，依据揭露地层及地下水情况：仅在深孔高程365.5m以下出露冰湖相卵砾石土，但未揭穿该层。同时对各孔进行水文测试，均未发现地下水出露。

隧道洞身属贫水区，地下水位位于隧道开挖断面底部以下约10m左右，隧道产生长大段落涌水的可能性较小，但不排除隧道遭遇含水透镜体及底部砂砾石承压水隔水顶板存在通过“天窗”突水。因而在施工过程中，应加强对地下水的观测，防止突水发生。

隧址区地下水的补给来源主要为大气降水、地表迳流及灌溉回归水，地下水的补、迳、排条件与塬面的形状、岩土的性质、孔洞、地表陷穴、漏斗的发育程度关系密切。大气降水补给地下水补给量的多寡、潜水位变化的幅度，与降水量的大小、历时长短关系紧密。地下水属HCO3-（Na＋K）·Ca型水。

2.4 气象特征

据潼关县气象站气象资料显示：该工点区属亚热带半干旱气候区，年平均气压952.0hpa；年平均气温13.2℃，极端最高气温42.7℃，极端最低气温-18.2℃；年平均绝对湿度11.4 hpa，日最大绝对湿度37.3 hpa，日最小绝对湿度0.2 hpa；年平均降水量608.9mm，年最大降水量1000.4mm，年最小降水量319.7mm；年平均蒸发量1872.6mm，年最大蒸发量22.2mm；平均风速3.0m/s（主导风向 ESE），最大定时风速22.0m/s（主导风向 ENE）；年最大积雪深度18cm；最大冻结深度44cm。

2.5 隧道纵断面

隧道纵断面图，详细标明了隧道围岩级别、隧道衬砌段分级、各段开挖方法及各段水文地质条件等，详见附录B-01。

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第3章 隧道结构选型及支护参数拟定

3.1 隧道截面选型依据

(1)隧道净空段横断面有效面积应满足消减空气动力学效应不利影响的要求； (2)满足最高时速350km的铁路建筑接近限界要求，双线隧道还应满足线间距要求；

(3)养护、维修和救援空间要求。

在满足以上条件下，从围岩稳定、结构受力及空间利用等角度对断面形状和尺寸进行优化。

3.2 隧道截面选型

隧道的大小是根据限界确定的，限界越大，行车安全度越高，但工程量和工程投资也随着增加。所以，要确定一个既能保证列车运行安全，又不增大隧道空间的经济、合理的断面是制定限界的任务和目的。

“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证列车安全运行所必需的空间。

建筑限界是行车隧道的最小横断面有效内轮廓线。在设计隧道断面时，除了考虑建筑限界外，必须分别考虑其他误差、测量误差、结构变形等因素，以保证竣工后的隧道的有效净空满足建筑限界的要求，进而保证列车安全高速运行。

隧道截面几何尺寸包括内部净空尺寸和结构断面厚度两部分，它是根据结构使用要求、限界尺寸、施工方法及工程地质水文地质条件而确定的。

3.2.1 隧道净空的确定

隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。铁路隧道净空是根据“隧道建筑限界”确定的，而“隧道建筑限界”是根据“基本建筑限界”制定的，“基本建筑限界”又是根据“机车车辆限界”制定的。

3.2.2 隧道衬砌断面的拟定

隧道的净空限界确定以后就可以据此进行隧道衬砌断面的初步拟定。初步拟定结构形状和尺寸可采取经验类比法。需要考虑三方面因素：隧道净空形状、隧道轴线、

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截面厚度等因素。

(1)内轮廓

衬砌的内轮廓必须符合隧道建筑净空限界。结构的任何部位都不应侵入限界以内，同时又应尽量减少隧道的断面积，使土石方开挖量和圬工量最少。因此，内轮廓线应紧贴着限界，但又不能随着限界曲折，而是平顺圆滑，是结构受力合理。

(2)结构轴线

以混凝土为材料的隧道衬砌是一种受压构件，结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下的压力线。当衬砌受径向分布的水压时，轴线以圆形最好；主要承受竖向压力或同时承受不大的水平侧压力时，衬砌拱部轴线宜采用单心圆弧或三心圆弧线，墙部可采用直线；当承受竖向压力和较大水平侧压力时，结构轴线宜采用多段圆弧连接而成，近似圆形，以减少土石开挖量；当有底鼓压力时，底部还宜有凸向下方的仰拱。

(3)截面厚度

衬砌各截面的厚度是结构轴线确定以后的重点设计内容，要求设计的截面的厚度具有足够的强度。截面厚度随所处地质条件和水文地质条件不同而有较大变化，并且与隧道的跨径，荷载大小，衬砌材料以及施工条件等有关。拱圈可以采取等截面，采取在仰拱部分加厚20～50％的变截面。

3.3 隧道衬砌参数的拟定

3.3.1 地层参数

(1)地层参数主要靠地质勘察确定，依据《潼洛川隧道工程地质勘察报告》选择地层参数如表3-1。

表3-1 地层参数

围岩级别 Ⅴ级围岩 Ⅳ级围岩

容重/ kN·m-3 15.190 17.052

弹性反力系数K/ MPa·m-1

100 200

岩体 摩擦角（°）

27 44

岩体

似摩擦角（°）

45

55

(2)深埋隧道围岩水平均布松动压力e的经验公式取值如表3-2

表3-2 水平均布松动压力经验公式

围岩级别 水平均布压力

Ⅰ～Ⅱ 0

Ⅲ <0.15q

Ⅳ (0.15～0.3)q

Ⅴ (0.3～0.5)q

Ⅵ (0.5～1.0)q

在荷载计算中取值如表3-3

表3-3 水平均布松动压力取值

围岩级别 水平均布压力

Ⅴ级围岩(深埋)

0.5q 9

Ⅳ级围岩(浅埋)

0.25q

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(3)围岩分级基本情况如表3-4

表3-4 潼洛川隧道各围岩段情况

起讫里程

DK341+345～DK345+870 DK344+870～DK344+876 DK344+876～DK345+014 DK345+014～DK345+093 DK345+093～DK345+106 DK345+106～DK345+120

围岩级别 Ⅳ V V V V(明洞) V(洞门)

长度/m 4525 6 38 79 13 14

埋深h /m H≤161.58 H≤42.48 H≤36.36m H≤14.54m H≤2.34m

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3.3.2 初期支护参数拟定

潼洛川隧道为黄土隧道。在黄土地层中开挖坑洞，容易出现坍塌，尤其是一旦渗漏水，围岩强度会大幅度降低，严重时，完全失去自稳能力。同时，黄土围岩开挖后若暴露时间过长，围岩周壁风化作用至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍方等。为此，在该黄土隧道开挖后，应及时喷射混凝土、施作锚杆、架立钢拱架、挂钢筋网等初期支护。

初期支护参数有：锚杆类型、直径、长度、间距；喷射混凝土强度、厚度；钢拱架钢筋直径、间距；钢筋网直径和网格尺寸等以及二次衬砌的各项设计参数；混凝土强度、厚度等。

3.3.2.1 初期支护参数的确定

初期支护参数的确定按以下顺序进行：

(1)采用工程类比法初步选定尺寸,如无类比资料可参照《铁路隧道设计规范》制定；

(2)根据隧道具体情况，综合研究，对初步选定的设计参数进行修正；

(3)对于有异常围岩压力和会产生超常位移的围岩，或断面形状特殊的衬砌结构，用工程类比法有困难时，则可采用解析法或数值法进行内力分析和截面设计，但在进行分析时应对边界条件和围岩参数的选取慎重研究；

(4)由于围岩特性复杂多变，在隧道开挖前一般很难准确搞清楚，故需要在施工中根据围岩的变化情况和监测到的围岩动态信息，对初步拟定的设计参数进行修正。 3.3.2.2 隧道衬砌断面参数

在隧道全长范围内，隧道洞身衬砌的采用Ⅴ级复合式衬砌和Ⅳ级复合式衬砌，他们的内外轮廓线不一致；明洞段衬砌的内外轮廓线则与洞身Ⅴ级复合式衬砌一样，隧道的净宽和净高见表3-5，各种衬砌形式和衬砌详细尺寸见附录B-02和B-03。

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XXXXXXXXXXXXX毕业设计 表3-5 隧道衬砌净宽和净高(m)

衬砌类型及里程 明洞段衬砌

（DK345+093～DK345+120）

Ⅴ级复合式衬砌段

（DK344+870～DK345+093）

Ⅳ级复合式衬砌段

（DK341+345～DK345+870）

隧道净宽 14.50 14.50 14.30

隧道净高 12.48 12.48 11.08

3.3.2.3 隧道初期支护参数

隧道初期支护参数如表3-6、3-7所示。

表3-6 潼洛川隧道排水型复合式衬砌设计参数

初期支护

围岩级别 Ⅳ Ⅴ

喷射混凝土 部位/厚度 /cm 全环/26 全环/35

钢筋网 网格间距 /cm 20×20 20×20

设置部位 拱墙 拱墙

锚杆 间距 /m 1×1 1×1

设置部位

钢架 规格

间距/m 0.8 0.6

二次衬砌 拱墙/cm 50 60

仰拱/cm 60 70

预留变形量/cm 10 10

拱墙 I[20a] 拱墙 I25a

表3-7 衬砌结构混凝土参数

围岩级别 Ⅳ Ⅴ

喷射混凝土 C25 混凝土 C25 混凝土

拱部、边墙、仰拱填充、

仰拱 槽身 C35防水钢筋混凝土 C35防水钢筋混凝土

C25 混凝土 C25 混凝土

无碴轨道基础垫层 C30 混凝土 C30 混凝土

踏步 C25 混凝土 C25 混凝土

水沟及电缆槽盖板 C25钢筋混凝土 C25钢筋混凝土

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第4章 隧道衬砌结构检算

4.1 隧道结构检算原理

隧道衬砌结构检算主要是依据荷载结构法原理，通过Ansys建立隧道衬砌结构荷载模型，按破损阶段法计算隧道荷载，再由Ansys计算得出衬砌结构在荷载作用下的内力，用结构危险点的内力(弯矩和轴力)对衬砌强度进行检算，找出隧道的最不利位置，对不满足要求的进行配筋，并进行结构抗裂检算。

荷载结构法是目前广泛采用的一种主要的地下结构计算方法，又称为“荷载－结构”模型。它是将支护和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，地层对结构的作用只是产生作用在地下结构上的荷载，以计算衬砌在荷载作用下产生的内力和变形的方法。其设计原理是按围岩分级和实用公式确定围岩压力，并通过弹性支撑来体现围岩对支护结构变形的约束作用，而围岩的承载能力则在确定围岩压力和弹性支撑的约束能力时间接考虑。它适用于围岩因过分变形而发生的松弛和崩塌，以及支护结构主动承担围岩“压力”的情况。

在围岩与支护结构相互作用的处理上采用主动荷载加被动荷载（弹性抗力）模式，此模式认为围岩不仅对支护结构施加主动荷载，而且由于围岩与支护结构之间的相互作用，还对支护结构施加被动的约束反力。所以，支护结构在主动荷载和约束反力同时作用下进行工作。这种模式能适用于各种类型的围岩。

4.2 隧道衬砌结构荷载计算

隧道衬砌结构计算的整个思路为：首先根据隧道纵断面的几何尺寸确定隧道埋深，计算出作用在衬砌结构上的荷载；再通过Ansys软件建立结构荷载模型，进行受力分析，求出截面的内力；再检算截面强度，不满足要求者予以配筋，最后进行结构裂缝宽度检算。

4.2.1 隧道衬砌基本情况

根据隧道纵断面图计算确定出隧道衬砌类型及其相应的起始里程、长度和埋深等，见表4-1。

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XXXXXXXXXXXXX毕业设计 表4-1 隧道衬砌情况

起讫里程

DK345+106～DK345+120 DK345+093～DK345+106 DK345+014～DK345+093 DK344+870～DK345+014 DK341+345～DK345+870

所使用 衬砌类型 洞门 明洞

V级复合式（超浅埋） V级复合式（浅埋）

Ⅳ级复合式

长度

/m 14 13 79 38 4525

埋深h /m — H≤2.34m H≤14.54m H≤36.36m H≤161.58m

4.2.2 荷载计算

4.2.2.1 荷载计算原理

采用荷载结构法原理进行隧道结构检算时，所需计算的荷载为由岩体松动、崩塌而产生的竖向和水平均布压力。竖向和水平均布压力的计算，根据隧道的埋深不同，选择不同的计算公式。

(1)隧道深、浅埋的判定原则

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：

Hp(2~2.5)hq (4-1)

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在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限。该隧道为黄土隧道，地质情况为Ⅳ、Ⅴ级围岩，故取2.5。当隧道覆盖层厚度hHp时为深埋，hHp时即为浅埋。

潼洛川隧道为双线隧道，等效高度值按式(4-2)和式(4-3)计算：

hq0.452S1 (4-2) 1i(B5) (4-3)

式中，hq――等效荷载高度值(m)；

S――围岩级别；

――宽度影响系数；

B――隧道宽度(m)；

i――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i0.2，B5m时，取i0.1。

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(2)深埋隧道围岩松动压力的计算方法(hHp) 双线铁路隧道竖直均布松动压力按式（4-4)计算：

qhq (4-4)

式中，q――竖直均布松动压力(kN/m)；

γ――围岩容重(kN/m3)。

水平均布松动压力e可根据竖直均布松动压力由经验公式求得。水平均布压力的经验公式见表4-2。

表4-2 水平均布松动压力经验公式

围岩级别 水平均布压力

Ⅰ～Ⅱ 0

Ⅲ <0.15q

Ⅳ (0.15～0.3)q

Ⅴ (0.3～0.5)q

Ⅵ (0.5～1.0)q

(3)浅埋隧道围岩松动压力的计算方法 ①超浅埋隧道 (hhq)

围岩竖直均布松动压力按公式(4-5)计算：

qh (4-5)

式中，q――竖直均布松动压力(kN/m)；

――围岩容重(kN/m3)。

围岩水平均布松动压力按下列公式计算：

tan0(tan201)tantan0 (4-6)

tan0tantantan0 (4-7)

tan[1tan(tan0tan)tan0tan]e1h (4-8) e2(hHt) (4-9)

式中，――产生最大推力时的破裂角（°）；

； 0――围岩计算摩擦角（°）

――围岩两侧摩擦角，超浅埋时取0； ――侧压力系数；

h――洞顶至地面高度(m)；

Ht――隧道净高(m)； B——隧道跨度(m)。

14

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②浅埋隧道 (hqhHp)

tan0(tan201)tantan0 (4-10)

tan0tantantan0 (4-11)

tan[1tan(tan0tan)tan0tan]围岩竖直均布松动压力按式(4-12)计算：

q(hh2tanB) (4-12)

围岩水平均布松动压力按公式(4-13)和公式(4-14)计算：

e1h (4-13) e2(hHt) (4-14)

式中，――产生最大推力时的破裂角(°)；

0――围岩计算摩擦角(°)；

――围岩两侧摩擦角(°)；

――侧压力系数；

h――洞顶地面高度(m)；

Ht――隧道净高(m)； B——隧道跨度(m)。 4.2.2.2 荷载计算结果

出口段(DK341+345~ DK345+120)黄土隧道衬砌荷载计算最不利结果见下表4-3。

表4-3 出口段(DK341+345~ DK345+120)隧道衬砌荷载计算结果 里程

DK345+014～DK345+093 DK344+870～DK345+014 DK341+345～DK345+870

最大埋深/m 14.54 36.36 161.58

深/浅埋情况 V级超浅埋 V级浅埋 Ⅳ级深埋

垂直荷载/kN·m-1 220.92 405.80 121.67

水平均布或梯形荷载/kN·m-1 48.08和91.65 120.20和163.77

30.42

4.2.3 建模并求解模型内力

4.2.3.1 Ansys操作流程图

Ansys操作流程图见图4-1。

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更改路径和工作名 定义单元类型 网格划分 求解模型 图4-1 Ansys操作流程图

定义实常数 定义材料参数 设置约束 建立模型 定义截面特性 荷载加载 输出结果 4.2.3.2 结果输出

利用ANSYS建立模型后，根据计算出的最大的垂直围岩压力和水平围岩压力进行加载，加载后输出模型变形图，弯矩图和轴力图。

（1）DK345+014～DK345+093 V级超浅埋复合式衬砌内力计算的模型 (图4-2)、变形图(图4-3)、弯矩图(图4-4)和轴力图(图4-5)

图4-2 V级超浅埋复合式衬砌计算模型

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图4-3 V级超浅埋复合式衬砌变形图

图4-4 V级超浅埋复合式衬砌弯矩图

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图4-5 V级超浅埋复合式衬砌轴力图

（2）DK344+876～DK345+014 V级浅埋复合式衬砌内力计算的模型图(图4-6)、变形图(图4-7)、弯矩图(图4-8)和轴力图(图4-9)

图4-6 V级浅埋复合式衬砌计算模型

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图4-7 V级浅埋复合式衬砌变形图

图4-8 V级浅埋复合式衬砌弯矩图

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图4-9 V级浅埋复合式衬砌轴力图

（3）DK341+345～DK345+870 Ⅳ级深埋复合式衬砌内力计算的模型图(图4-10)、变形图(图4-11)、弯矩图(图4-12)和轴力图(图4-13)

图4-10 Ⅳ级深埋复合式衬砌计算模型

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图4-11 Ⅳ级深埋复合式衬砌变形图

图4-12 Ⅳ级深埋复合式衬砌弯矩图

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图4-13 Ⅳ级深埋复合式衬砌轴力图

4.3 衬砌结构强度检算

4.3.1 衬砌结构强度检算原理

当e00.2h时，由抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当e00.2h时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。

（1）抗压强度检算按公式(4-15)计算：

KNRabh

式中， K――安全系数；

Ra ——混凝土或砌体的抗压极限强度（MPa）； ――构件纵向弯曲系数；

(4-15)

――轴向力偏心系数；

b――截面宽度(mm)；

h――截面高度(mm)。

（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检算按公式(4-16)计算：

KN(1.75R1bh/(6e0/h1)) (4-16)

式中，R1——混凝土的抗拉极限强度（MPa）；

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e0——截面偏心距； 其他符号意义同前(4-15)。

4.3.2 衬砌截面检算结果

（1）DK345+014～DK345+093 V级超浅埋复合式衬砌内力检算结果见表4-4

表4-4 V级超浅埋复合式衬砌内力检算结果

项目 弯矩/N·m 轴力/N 偏心矩e0/m

e0/h Abs(e0/h) 与0.2比较

α KN值/N 极限值/N 检算结果

拱顶 -2.73E+05 -1.29E+06 2.13E-01 3.55E-01 0.35456054 >0.2 0.338050663 -4.63E+06 2235304.348 抗拉不合格

拱肩 2.21E+05 -1.77E+06 -1.25E-01 -2.08E-01 0.20834985 >0.2 0.729076345 -6.36E+06 1119950.678 抗拉不合格

边墙 -10087 -1.37E+06 7.35E-03 1.23E-02 0.01225519 <0.2 1 -3.29E+06 15600000 抗压合格

拱脚 45196 -7.42E+05 -6.09E-02 -8.70E-02 0.08702752 <0.2 0.971378455 -1.78E+06 17679088 抗压合格

仰拱 -52709 -7.07E+05 7.45E-02 1.06E-01 0.109531 <0.2 0.9451131 -1.70E+06 17201073 抗压合格

（2）DK344+876～DK345+014 V级浅埋复合式衬砌内力检算结果见表4-5

表4-5 V级浅埋复合式衬砌内力检算结果

项目 弯矩/N·m 轴力/N 偏心矩e0/m

e0/h Abs(e0/h) 与0.2比较

α KN值/N 极限值/N 检算结果

拱顶 -4.51E+05 -2.36E+06 1.91E-01 3.19E-01 0.3191238 >0.2 0.428688577 -8.48E+06 2754872.651 抗拉不合格

拱肩 3.62E+05 -3.13E+06 -1.15E-01 -1.92E-01 0.19249718 <0.2 0.76915409 -7.52E+06 11998804 抗压合格

边墙 -17888 -2.43E+06 7.37E-03 1.23E-02 0.01228757 <0.2 1 -5.82E+06 15600000 抗压合格

拱脚 86835 -1.33E+06 -6.52E-02 -9.32E-02 0.0931726 <0.2 0.963754462 -3.20E+06 17540331 抗压合格

仰拱

-93405

-1.26E+06 7.39E-02 1.06E-01 0.10558294 <0.2 0.9479379 -3.03E+06 17225925 抗压合格

（3）DK341+345～DK345+870 Ⅳ级深埋复合式衬砌内力检算结果见表4-6

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表4-6 Ⅳ级深埋复合式衬砌内力检算结果

项目 弯矩/N·m 轴力/N 偏心矩e0/m

e0/h Abs(e0/h) 与0.2比较

α KN值/N 极限值/N 检算结果

拱顶 -93779 -7.72E+05 1.21E-0 2.43E-01 0.24285011 >0.2 0.63729 -2.78E+06 4594173.833 抗拉合格

拱肩 58409 -1.02E+06 -5.71E-02 -1.14E-01 0.11426978 <0.2 0.932969848 -2.45E+06 12128608 抗压合格

边墙 3169.2 -7.43E+05 -4.26E-03 -8.53E-03 0.0085299 <0.2 1 -1.78E+06 13000000 抗压合格

拱脚 18.4 -3.21E+05 -2.78E-02 -4.63E-02 0.0462779 <0.2 1 -7.71E+05 15600000 抗压合格

仰拱 -4671.7 -2.82E+05 1.66E-02 2.76E-02 0.02759682 <0.2 1 -6.77E+05 15600000 抗压合格

4.4 衬砌截面配筋

4.4.1 衬砌截面配筋步骤

衬砌结构配筋按对称配筋。偏心受压构件截面配筋步骤归纳如下：

(1)根据结构图形可得出截面尺寸b,h；以及混凝土保护层厚度as和as'，计算h0和0.55h0。

(2) 根据截面内力，计算偏心距e0=M/N，确定附加偏心距ea (20mm或h/30的较大值)，进而计算初始偏心距eie0+ea

'(3)根据大偏心受压构件截面强度计算公式 KNRwbxRg(AgAg)计算x值

(4)比较x值与0.55h0大小,判断大小偏心受压 (5)若为大偏心受压,则需进一步比较x与2as'的大小。

''①若x满足2as,那么依据下面公式计算钢筋面积Ag

'KNeRWbx(h0x/2)RgAg(h0a')

②若x值不满足条件x2as'，那么依据下面公式计算钢筋面积Ag

KNe'RgAg(h0a')

'(6)若为小偏心受压，则按下面的公式计算钢筋面积Ag

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2'KNe'0.5Rabh0RgAg(h0a')

'(7)将计算所得的Ag和Ag,根据截面构件要求(满足最小配筋率)确定钢筋的直径和

根数，并绘制出截面配筋图。 式中，ei――初始偏心距(mm)；

N――轴力(N)；

b――矩形截面的宽度；

h0――截面有效高度(mm)； x――混凝土受压区的高度(m)；

as，as'――受拉、压取保护层厚度(mm)；

'――受拉、压区纵向钢筋面积(mm)； Ag，Ag2Rg――钢筋的抗拉或抗压计算强度(MPa)； Rw――混凝土弯曲抗压极限强度(MPa)；

'a,a’――自钢筋Ag或Ag的重心分别至截面最近边缘的距离(m)； '的重心分至轴向力作用点的距离(m)。 e,e'――钢筋Ag或Ag4.4.2 衬砌截面的配筋

（1）因为Ⅳ级深埋复合式衬砌的衬砌检算都合格，所以不需要配筋。 （2）衬砌配筋结果见表4-7。

表4-7 衬砌配筋结果

项目

里程

截面尺寸B×H/mm2

弯矩/N·m 轴力/N 偏心距e0 钢筋类型 Rw

x=2.4N/(Rw*b) 0.55*h。 判断大小偏心

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V级超浅埋复合式衬砌 DK345+014～DK345+093

1000×600 -2.73E+05 -1.29E+06 2.13E-01 HRB335 32.5 0.094914462 3.03E-01 大偏心

V级浅埋复合式衬砌 DK344+876～DK345+014

1000×600 -4.51E+05 -2.36E+06 1.91E-01 HRB335 32.5 0.174011077 3.03E-01 大偏心

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续表4-7

项目 2as

是否符合x>=2*as'

e' e

钢筋面积Ag' 钢筋面积Ag 配筋

V级超浅埋复合式衬砌

0.1 不符合 1.73E-02 4.83E-01 — -3.55E+02 5φ18

V级浅埋复合式衬砌

0.1 符合 3.85E-02 4.61E-01 -5.73E+01 — 5φ18

'因为算得的Ag，Ag都小于零,即需要按最小配筋率配筋。

所以，按最小配筋率配筋为:As=As'=0.002bh=0.002×1000×600=1200mm2 因此每侧配置5φ18钢筋 (As=As'=1272mm2 )

4.5 衬砌结构裂缝宽度检算

4.5.1 裂缝宽度检算原理

隧道衬砌结构属于偏心受压构件，当e00.55h0时，可不检算裂缝宽度；当

e00.55h0时最大裂缝宽度fmax由公式(3-22)和公式(3-23)计算：

fmax2.0lfg/Eg (3-22)

lf(60.06d/) (3-23)

式中， Eg――为钢筋的弹性模量；

0.235Rfbh21-)，当0.4时， ——裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数；1.2（M取=0.4；1.0时，=1.0；

M――永久荷载和可变荷载作用下的弯矩；

b――矩形截面的宽度；

Rf――混凝土的极限抗拉强度； h――截面高度；

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g——纵向受拉钢筋应力，可取gAg——纵向受拉钢筋的截面面积； h0——截面的有效高度，h0ha；

M；

0.87Agh0lf――平均裂缝间距； d――纵向受拉钢筋的直径；

u——纵向受拉钢筋配筋率uAgbh0

――与纵向受拉钢筋的表面形状有关的系数：对螺纹钢筋，取γ=0.7；对光面钢筋，取γ=1.0；对冷拔低炭钢丝，取γ=1.25；

隧道衬砌结构最大裂缝宽度fmax小于0.02mm表明抗裂检算合格。如果fmax大于0.02mm，则需要增加受拉钢筋的截面积或者在保证衬砌结构的条件下采用多根相对较小的钢筋，直至抗裂检算合格为止。

4.5.2 衬砌结构裂缝宽度的检算

因为算得的e0都满足条件e00.55h0，所以不需要进行裂缝宽度检算。

4.6 小结

通过对隧道荷载的计算，和运用Ansys软件建立结构荷载模型并求解内力，以及按照规范要求和一些经验公式对衬砌结构的强度和裂缝宽度情况进行的检算得出隧道最终配筋情况如表4-8所示。

表4-8 隧道衬砌最终配筋结果

里程 配筋 示意图

DK345+014～DK345+093

5φ18 见图4-14

DK344+876～DK345+014

5φ18 见图4-14

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518a50

550 600

a

50as

5181000

aa

图4-14 隧道衬砌配筋图

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第5章 施工方案设计

5.1 施工总体方案

(1)潼洛川隧道为复合式衬砌设计，采用新奥法（NATM）进行施工。施工过程中采用超前预报系统进行地质超前勘探，并采用多种支护手段加固围岩。洞身采用分部法开挖，严格控制进尺，及时施作初期支护的方法进行施工，并且做到“管超前，短开挖，禁爆破，强支护，勤量测，早封闭”。明洞采用短段落，分台阶，敞开式开挖，并做到“开挖一段，灌注一段，回填一段”，避免全面敞开式开挖。总体实施掘进，支护，衬砌三条机械化作业线。通风采用大功率通风机、大口径软管、压入式长大隧道供风技术。

(2)超前支护采用液压钻孔台车施作长大管棚及超前锚杆；初期支护采用锚杆钻机施作砂浆锚杆；喷射混凝土采用转体式喷射机进行湿喷作业；钢筋网和型钢拱架由机械运输，机械配合下人工架立。

(3)隧道施工采用全站仪放样定线，并采用机械开挖(人工配合)。出碴采用装碴机装碴，有轨运输结合无轨运输施工。

(4)衬砌混凝土采用混凝土自动计量拌和楼，混凝土搅拌运输车，混凝土输送泵、整体移动式模板台车完成全断面衬砌一次成型。

(5) 路面混凝土和洞内喷涂施工采用集中时间、机械化流水作业，一次施工，一次成优。

5.2 隧道工程施工

5.2.1 洞口段工程

潼洛川隧道洞口段27m采用明挖法施工，其中洞口长14m，明洞长13m。由于地势比较开阔，最大埋深处为8.63m，埋深浅，且地下水位较深，故敞口放坡开挖是最合理的选择。隧道穿越黄土地层，所以放坡开挖面采用半放坡法，以保证基坑的稳定。

5.2.1.1 施工方案

根据黄土地质多年的施工经验及潼洛川隧道出口位置的具体情况，经过经济性、安全性、可行性综合分析比较后，决定进洞前先完成地表排水系统，采用分层开挖，

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分层支护，自上而下，边挖边护的洞口加固处理方法。洞口仰坡、明洞边坡采用锚、网喷混凝土加固技术；开挖结束立即对基底加固处理，同时做好浇注衬砌的准备工作。衬砌浇注采取先仰拱再边墙和拱圈的顺序，并施作防排水系统。待衬砌混凝土强度达到设计要求后，进行拱顶回填。最后再修筑洞顶排水设施完成明洞施工。

明洞挖方在满足机械开挖的条件下，使用机械开挖，装载机配合自卸车装运弃砟至指定弃砟位置，人工辅助修坡。不能直接使用机械开挖的人工开挖机械辅助装运弃方。进洞采用先施作超前大管棚，短进尺，快循环，早封闭的施工方案。 5.2.1.2 明洞施工流程图

开挖放线 开挖机械准备 护坡及排水处理 开 挖 基底加固处理 衬砌准备 衬砌施作 防排水处理 拱顶回填 洞顶排水设施 图5-1 明洞施工流程图

5.2.1.3 施工方法

(1)首先对隧道明洞开挖放样以后，对其边、仰坡适当刷坡，然后开挖并施作洞

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口边仰坡截水沟，以截排地表水，截水天沟距边仰坡开挖边缘不小于5m，沟底纵坡不小于3‰。排水沟与路基排水系统相衔接。

(2)开挖洞口顶部及明挖部分土石方，开挖土石方均自上而下进行，能使用机械直接作业的，均采用机械开挖，人工配合。开挖形成的坡面按设计要求及时采用锚、网喷混凝土加固技术进行封闭防护，避免长时间暴露，造成坡面坍塌。

(3)开挖结束立即对基底加固处理，同时做好浇注衬砌的准备工作。

(4)与暗挖段相接处首先沿开挖轮廓线打超前大管棚（长30.0m），大管棚外插角2°,环向间距0.5m，并外露1m以便于与钢拱架相连接。

(5)用CRD法开挖暗洞4m，完成支护体系。

(6)定位放线，组装台车，绑扎钢筋，浇注明洞及暗洞钢筋混凝土。浇注混凝土选用C35混凝土，明洞段采取先仰拱再边墙和拱圈的顺序进行浇注，并施作防排水系统。

(7)待衬砌混凝土强度达到设计强度的70%后拆模，施作明洞防水层，两侧对称回填，且使回填深度2.0m，回填土坡度2%。

(8)拱顶回填要按照设计坡度（1：5）进行，所采用的土石要满足设计要求，并分层夯实，并在最顶层铺设50cm厚的粘土隔水层。

(9)修筑洞顶排水设施完成明洞施工。

5.2.2 进洞施工

(1)进洞措施。进洞前先施做拱部φ108 mm大管棚超前注浆支护，钢管长度30m，管棚外插角2°，环向间距0.5m，并外露1m以便于与钢拱架相连接。在管棚支护下进行弧导开挖，环形开挖，预留核心土以稳定掌子面，每次进尺35cm，快速支立钢架，钢架间距采用33cm，采用型钢弯制，3榀／1 rn，与管棚钢管焊联。支护进尺距离一般不超过80 cm，立即立模灌注混凝土形成混凝土套拱。

(2)上弧导开挖进尺4m，最大进尺不大于6 m便停止掘进，支护每循环进尺控制在60cm，下步剩余土方采用大型机械进行双侧交错开挖支护，支立钢架后及时在其节点处施作4根φ42锁脚锚杆，长度为4m，其尾端与型钢焊联，同时在边墙打入的径向锚杆也与钢架焊联。每侧开挖完成后迅速挂设钢筋网喷射混凝土，开挖进尺控制在80cm内。暗洞开挖4m后(应控制在6m内)即进行洞身衬砌。

5.2.3 洞门施工

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

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左右后，施作洞门。

从潼洛川黄土隧道的纵断面图可以看出：隧道出口段埋深很浅，最深处仅为2.34m，洞门高程甚至比洞门设计高程低。即便黄土地质围岩级别为Ⅴ级，但考虑到该段为明挖法施工，隧道埋深很浅，所受的山体纵向推力很小，两侧路堑边坡的高程比洞顶设计高程还小，所以设计中选用端墙式洞门。又因为它是明挖施工，路堑边坡接近对称，仅防止边坡有少量坍塌，所以洞门为路堑式对称型。端墙施工过程如下：

(1)放样： 端墙坡度为1：0时，端墙基底里程与洞口里程一致。在灌注洞门前，根据洞口里程中线桩放十字线，定出端墙在平面上的位置；端墙有坡度时，洞口里程以端墙斜面与轨顶面交点处算起，故：端墙基底里程=洞口里程Hn,上式中，进口端用（－）号，出口端用（+）号。见图5-2所示

(2)圬工砌筑

①洞门端墙基础应置于稳定的底层上，虚碴、杂物、积水和泥化的软层，应清除干净。

②洞门端墙如连接洞外挡护墙，宜配合施工。

③洞门端墙顶水沟，如砌筑在回填土上，应将填土紧密夯实。

④洞门端墙的砌筑与墙后回填应两侧同时进行，墙被与岩壁间空隙不大时，应用与墙身相同标号圬工回填；空隙较大时，一般可用浆砌片石回填，在岩层无侧压力时，才允许用干砌片石回填，并要求回填夯实。

⑤洞门拱、墙与洞内相邻的拱、墙衬砌，应同时施工连成整体；如系接长洞门，则按设计要求采取加强措施，确保与已成的拱墙连接良好。

⑥端墙采用浆砌片石，当砌至帽石下约0.5m时，须校核一次水平，以便配料使帽石标高符合设计要求。

轨顶水平

h h H

b1 轨顶水平

图5-2 端墙施工放样图

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端墙顶水平

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⑦采用就地灌注混凝土端墙时，其模板和支撑应有足够的强度、刚度及稳定性，并应根据端墙设计坡度架立好支撑。支柱架设必须牢靠，使其在灌注过程中移动及局部变形。墙被超挖部分，随灌随回填。

5.2.4 正洞洞身施工

5.2.4.1 开挖方法

隧道开挖作业根据不同围岩类别分别采取不同的开挖方法。如表5-1：

表5-1 不同级别围岩的开挖方法

序号 1

2 3

里程

DK345+093~DK345+120 DK344+870~DK345+093 DK341+345~DK344+870

长度/m 27 233 3145

围岩类别 Ⅴ Ⅴ Ⅳ

开挖方法 明挖法 CRD法 弧形导坑法

(1)明挖法

明挖法是当隧道埋深较浅时的一种施工方法，它可将地面挖开，形成露天的基坑，然后在基坑中修筑隧道衬砌结构，敷设外贴式防水层，最后用土回填。明洞以及隧道洞口段不能采用暗挖法施工时均可采用明挖法施工。

其优点在于：施工方法简单，且技术成熟；施工作业面多；施工速度快，可根据需要分段同时作业；便于机械和大量的劳动力投入；工程造价低。不足之处在于：施工受外界环境影响较大；破坏环境生态；影响交通；容易带来尘土和噪声污染。

明挖法又可分为敞口明挖和有围护结构的明挖。敞口明挖适用于地面开阔，周围建筑稀少，地质条件好，土质稳定且基坑周围无较大荷载的情况。一般采用大型土方开挖机械施工和深井泵及轻型井点降水。而有围护结构的明挖适用于施工场地狭窄，土质自立性较差，地层松软，地下水丰富的情况。采用这种方法可以较好地控制基坑周围的变形和位移，同时可以满足基坑开挖深度大的要求。

(2)交叉中隔壁(CRD)法

交叉中隔壁法适用于Ⅴ~Ⅵ级围岩浅埋的多线或多线隧道。采用自上而下分为二至三步开挖中隔壁墙的一侧，及时支护并封闭临时仰拱，待完成①部和②部后，即开始另一侧③部和④部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。

施工要求：各部开挖时，周边轮廓应尽量连顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；后一侧开挖应及时形成全断面封闭；左右两侧纵向间距一般为30~50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形；设置临时仰拱，步步成环；自上而下，交叉进行；中隔壁及交叉临时支护，在灌注二次衬砌时，应逐段拆除。

(3)弧形导坑法

环形开挖预留核心土法常用于Ⅵ级围岩单线和Ⅴ~Ⅵ级围岩双线隧道掘进。施工

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顺序为：人工或单臂掘进机开挖环形拱部，预留核心土，架立钢支撑，挂钢丝网，喷射混凝土。在拱部初期支护保护下，开挖核心土和下半部，随即接长边墙钢支撑，挂网喷射混凝土，并进行封底。根据围岩变形，适时施作二次衬砌。

施工要求：环形开挖尺寸一般为0.5~2.0m；开挖后应及时施作锚喷支护、钢架支撑，每两榀钢架之间采用连续钢筋连接，并加锁脚锚杆；当围岩地质条件较差，自稳时间较短时，开挖前在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护。

环形开挖预留核心土法具有施工开挖工作面稳定性好，施工较安全，但施工干扰大、工效低等特点。在土质及软弱围岩中使用较多，如在大秦线军都山隧道黄土段等隧道施工中均有应用。 5.2.4.2 开挖作业

按照大断面黄土隧道各级围岩的地质特性，采取的开挖方案为：Ⅳ级围岩采用弧形导坑法开挖、V级围岩采用CRD法(中壁法或交叉中壁法)开挖。黄土隧道主要采用挖掘机等机械辅以人工配合进行开挖，墙脚、拱脚预留30cm人工开挖，严禁超挖。

(1) Ⅳ级围岩采用弧形导坑法(环形开挖预留核心土法)进行开挖。

按照该开挖方法将整个断面分成上、中、下以及底部4个部分分台阶错台开挖，上、中部采用预留核心土法环形开挖，上部超前中部4m，中部超前下部4m，下部超前底部6m，逐级掘进开挖，上、中部环形部分开挖采用小型挖掘机配合人工开挖，核心土及中下部采用大型挖掘机配合人工开挖。为方便机械作业，上部台阶开挖高度为3.9m，中、下部台阶开挖高度为3.6m，底部开挖高度为1.7m。

Ⅳ级围岩开挖前一般采用φ22中空注浆锚杆进行超前支护，拱部开挖后及时采用I20a型钢拱架、φ22系统锚杆、φ8钢筋网(20cm×20cm)及喷射微纤维C25混凝土进行联合支护，为确保型钢拱架安装牢固，各部拱架两侧底脚向外扩挖，以使型钢拱架坐落在稳固的围岩上，避免下一台阶开挖时拱架底脚悬空，并采用φ42锁脚锚管(每个拱脚2根)进行锁定，确保钢架安装牢固，起到有效的支护效果。Ⅳ级围岩开挖顺序如图5-3所示。

施工顺序：

1)施作拱部超前支护，环形开挖①部，及时施作拱部初期支护，并打设拱脚锁脚锚管。

2)继续开挖①部核心土及②部环形部分(预留核心土)，及时施作边墙初期支护，接长型钢拱架，并打设锁脚锚管。

3)继续开挖②部核心土及③部，及时施作边墙初期支护，接长型钢拱架，并打设锁脚锚管。

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③ ④ ② ①

图5-3 Ⅳ级围岩开挖施工工序示意图

4)开挖④部，封闭初期支护。

5)施作仰拱二衬，然后进行隧底填充。

Ⅳ级围岩上、中部循环进尺控制在0.8m，下部和底部视围岩地质情况可适当加大进尺。

(2)V级围岩开挖

V级围岩采用CRD法。CRD法开挖方法由于设置两道临时横支撑和一道临时竖支撑，因此将整个断面分隔成6个部分。左侧各部为先行导坑，右侧拖后左侧各部分导坑6m分台阶错台掘进开挖。上部开挖高度为6.4m，中部开挖高度为5.0m，底部开挖高度为1.78m；上部底部宽7.52m，中部底部宽6.9m。

V级围岩开挖前，洞口段采用φ108注浆大管棚施作超前支护体系，洞身地段无特殊地质情况时采用φ42砂浆锚杆进行超前支护；初期支护采用I25a型钢拱架、φ22系统锚杆、φ8钢筋网(20cm×20cm)及喷射微纤维C25混凝土进行联合支护，拱架安装方法同Ⅳ级围岩相同。为确保施工安全，尽最大限度的开挖后的围岩变形，加设临时支护体系，采用I25a型钢施作两道横支撑和一道中隔壁竖支撑，必要时对中隔壁喷射混凝土进行临时封闭。V级围岩开挖顺序如图5-4所示。

施工顺序：

1)施作左侧先行导坑①部拱部超前支护，开挖左侧①部先行导坑，及时施作初期

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支护和临时支护，打设拱脚锁脚锚管。

①

③

②

④

⑤

⑥

图5-4 V级围岩开挖施工工序示意图

2)继续开挖左侧②部，及时施作初期支护和临时支护，打设拱脚锁脚锚管。 3)施作右侧③部拱部超前支护，开挖右侧③部环形部分，及时施作初期支护和临时支护，打设拱脚锁脚锚管。

4)继续开挖右侧④部部分，及时施作初期支护和临时支护，打设拱脚锁脚锚管。 5)开挖左侧⑤部剩余土体，施做初期支护及临时支护，打设锁脚锚管，封闭初期支护。

6)开挖右侧⑥部剩余土体，施做初期支护及临时支护，打设锁脚锚管，封闭初期支护。

7)拆除部分临时支护，先施作仰拱二衬，然后施工隧底填充。 8)拆除剩余临时支护，施作拱墙二衬，封闭结构。

根据CRD法各部断面尺寸主要采用小型挖掘机辅以人工进行开挖，该挖掘机外型尺寸以及各项工作参数均满足CRD法开挖各分部断面净空尺寸。为满足该设备作业空间以及考虑临时支护体系的影响，上、中部导坑长度控制在12m左右，下部导坑控制在9m，底部适时跟进作业。左、右侧各部分掘进和支护作业交错平行作业，避免相互干扰。

CRD法开挖仰拱在左右部底部全部开挖完成后整体施作。上、中部开挖循环进

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尺控制在0.6m，下部适时跟进。

(3)开挖施工中应注意的几个问题

①由于黄土地质的特殊性，施工过程中必须加强对施工用水的管理，避免施工废水对隧道基底或墙脚浸泡，导致围岩失稳。

②施工前需对山体地表的陷穴、人为坑洞、墓穴等进行调查，并采取措施进行处理。

③洞口存在偏压时，需进行重新配重处理，以保证洞门及洞口段的稳定。 ④施工过程中，需加强超前地质预报预测工作，及时反馈信息，调整和完善设计参数和施工方案。

⑤为满足铺设无碴轨道要求，需对隧道基底工后沉降进行监测，并及时调整施工方案。

⑥为满足铺设无碴轨道要求，必须加强对桥隧、路隧过渡段的处理和监控，确保满足要求。

⑦加强对隧道围岩的监控量测，采取有效的塌方预测、预防和控制手段，确保隧道不塌方。

⑧加强隧道防排水系统的施工监控，确保洞内排水通畅。 5.2.4.3 施工工法转换

在此隧道的开挖过程中，开挖方式存在着CRD法向弧形导坑法的转换。下面这种转换介绍如下：

CRD法是采用自上而下分为二至三步开挖中隔壁墙的一侧，及时支护并封闭临时仰拱，待完成①部和②部后，即开始另一侧③部和④部开挖及支护，形成左右两侧开挖及支护相互交叉的情形。

当需要从CRD法向弧形导坑法的转换时, 首先进行CRD法两侧开挖面间距的调整，使滞后的一侧尽量跟上先行的一侧，做到两侧开挖面刚好在需要转化的设计里程平齐，然后再进行上部弧导的开挖，进行弧形导坑法法开挖，这样就完成了从CRD法到弧形导坑法的转换。

5.3 超前支护

5.3.1 超前锚杆

在拱部140°范围内采用超前锚杆支护，超前锚杆与钢架配合使用。超前锚杆采用3.5m长φ22mm中空注浆锚杆，环向3根/ m。纵向相邻两排锚杆的水平搭接长度

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不小于1.5m。详见附录图B-06，施工工艺见下章。

5.3.2 超前大管棚

混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖廓线以外拱部140°范围内施作，钢管长度30m，管棚外插角2°，环向间距0.5m，断面尺寸为1.0 m×1.0 m，护拱内埋设钢支撑，钢支撑与管棚孔口管连接成整体。

5.4 初期支护

(1)Ⅳ级围岩复合式衬砌

边墙、仰拱喷射26cm厚C25混凝土，拱部喷射26cm厚C25混凝土，喷层掺加聚丙烯微纤维；拱部、边墙设系统锚杆，拱部锚杆采用长2.5m的φ22药包锚杆，边墙采用长3.5m的20MnSiφ22砂浆锚杆，环、纵向间距都为1×1m；拱墙设钢筋网，网眼尺寸20×20cm，钢筋直径环、纵向均为φ8；施工工艺见下章。

(2)Ⅴ级围岩复合式衬砌

边墙、仰拱喷射35cm厚C25混凝土，拱部喷射35cm厚C25混凝土，喷层掺加聚丙烯微纤维；拱部、边墙设系统锚杆，拱部锚杆采用长2.5m的φ22药包锚杆，边墙采用长4m的φ22砂浆锚杆，环、纵向间距都为1×1m；拱墙设钢筋网，网眼尺寸20×20cm，钢筋直径环、纵向均为φ8；施工工艺见下章。

5.5 防排水设计

(1)隧道二次衬砌采用防水混凝土，抗渗等级不低于P8级。 (2)隧道拱墙初期支护和二次衬砌之间设置EVA排水防水系统。 (3)施工缝和变形缝防水见下章。

5.6 二次衬砌施工

各级围岩分别选用相应的衬砌截面；拱部、边墙、仰拱混凝土采用C35防水钢筋混凝土；仰拱填充、沟槽身采用C25混凝土；无碴轨道基础垫层C30混凝土；踏步C25混凝土；水沟及电缆槽盖板C25钢筋混凝土。施工工艺见下章。

5.7 装碴运输

将开挖的石碴迅速装车运出洞外，是提高隧道掘进速度的重要环节。该项作业往

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往占全部开挖作业时间的50%左右，控制着隧道的施工速度。因此，在正确选择并准备足够的装碴运输方案，维修好线路，减少相互干扰，提高装碴效率是加快隧道施工速度，尤其是加快长大隧道施工速度的关键。

该黄土隧道为双线隧道，断面大，隧道长，故弃碴量大，因此需要选择场地比较宽阔的弃碴地点。因为潼洛川隧道出口附近场地较开阔，而且起伏不大，因此可以用来作为弃碴场。此外，开挖出来的黄土不仅可以平整施工场地，还可以合理地扩大施工场地面积，方便施工。

潼洛川隧道全长3816m，我做的是出口的那一半，为加快出碴速度，出碴采用机械装碴，靠近洞口500m段采用无轨运输，再往里则采用有轨运输。为了保护环境，决定在弃碴坡脚设置浆砌片石挡碴墙，碴顶设置截水天沟，并做好碴场排水系统，防止弃碴流失。同时，还应做好碴场绿化。

5.7.1 碴量计算

出碴量应为开挖后的虚碴体积,可按下式计算：

ZRLS (5-1)

式中 Z—单循环开挖后石碴量(m3);

R—岩体松胀系数; Δ—超挖系数; L—设计循环进尺(m); S—开挖断面面积(m2)。

这里Ⅳ、Ⅴ级围岩衬砌开挖面面积均按170m2计，Ⅳ级围岩地区每循环开挖进尺设计为0.8m，岩体松胀系数取为1.25，超挖系数取1.10，那么它的每循环的出碴量为Z=1.25×1.10×0.8×170=187m3；Ⅴ级围岩的每循环开挖进尺0.6m,那么它的每循环的出碴量为Z=1.25×1.10×0.6×170=140.25m3。

5.7.2 装碴方式

装碴的方式有人工装碴和机械装碴。人工装碴劳动强度大、施工速度慢。机械装碴的速度快，还可缩短作业时间，故本隧道施工中选择机械装碴，并配少数人工辅助。

5.7.3 装运碴作业线

5.7.3.1 装碴设备

装碴运输设备配备的是否合理是整个设备配套中的重点，装碴机械选择的是否合

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理将是制约整个工程施工进度的关键，所以选择的装碴机械必须具备：装碴效率高，性能稳定，坚实耐用。具备上述特点的有代表性的设备有德国生产的ITC312和日本产的KL-41CN，KL-41CN同ITC312相比，除共同具有装碴效率高(250m3/h)、生产性能稳定、坚实耐用的特点外，还具有价格低，其价格几乎是ITC312的一半，所以装碴机械选用日本产KL-41CN，考虑到国产LWL-150挖掘装碴机也具备一定的装碴能力，可以做为备用，为此，装载机械选用1台KL-41CN和1台LWL-150装载机。

隧道出口端500m采用无轨运输。扒碴、装碴采用挖掘机，清碴、辅助装碴采用装载机。出碴运输采用轮胎式自卸汽车；洞外弃碴场配装载机整平。洞内车辆调头利用扩挖避车洞或梯车洞解决,一般420m设一处。

表5-2主要机具设备配备表 挖掘装载机

装碴

运输

挖掘装载机 轮胎式自卸汽车

KL41-CN LWL-150

履带式250m3/h 履带式150m3/h 15T

2台 2台 3台

5.7.3.2 运输设备

(1)有轨运输 ①牵引

机车和矿车应统一考虑，选择大容量矿车必然要选择大功率机车，二者必须匹配。采用CDXT-12直流变交流蓄电池机车，该机型牵引力大，制动力强，维修简单，可靠性强,可牵引2台搭接矿车,粘重≥12T，最小曲线半径12m。每台车设1付电瓶组备用，选用CKKF-200/290可控硅整流充电机充电。

牵引力计算:坡度2‰，16m3梭矿两台搭接，12T蓄电池机车可以拖动2节16m3梭矿。

②运输

采用搭接式16m3梭矿，两车为一组，轨距900mm。16m3梭矿尺寸12840×1580×2490mm，载重32t，理论最大时速15Km，功率2×15kW。

(2)无轨运输

无轨运输本隧道采用15t轮胎式自卸汽车。 5.7.3.3 线路铺设

线路铺设质量的高低将直接影响出碴的快慢，线路铺设按以下标准和要求考虑： 钢轨类型：可按公式q=10+2.5P检算，q为轨型(kg/m)，P为轴重(t)，DSF-16梭矿满载加上自重轴重将达到10t，同时考虑材料来源的广泛性，钢轨采用43kg/m轨。

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道岔型号：为满足DSF-16搭接式梭矿最小转弯半径的要求，单开道岔可以选用6#道岔，渡线道岔必须选用9#道岔。

轨距：轨距采用900mm。

道床：洞内石碴坚硬时，洞内石碴可直接作为道碴，洞内石质松软地段，用河卵石或坚硬石碴换填，并做好排水工作，为保持线路稳定，道床厚度不小于40cm。

枕木：枕木尺寸15cm×15cm×150cm，1440根/km。

(1)洞内线路铺设。为解决出碴与进料，同时满足90min左右将一个循环碴出完的要求，洞内线路按双线铺设，为给两侧留出足够多的空间，线间距采用200cm。当KL-41CN装完两股道上的矿车后，第三列车仍未到达掌子面，即KL-41CN出现空等时，在掌子面铺设渡线道岔，等掌子面处的渡线道岔铺设完后，后面的渡线道岔即可拆除，渡线道岔距掌子面的距离一般不要超过600m。

(2)洞外线路铺设。洞外铺设5条线路，3条卸碴，1条充电房专用，另1条通向拌合站。为缩短调车时间，用于调车的两组道岔之间的距离稍大于一台电瓶车的长度加上两节梭矿的长度，一般不大于40m。 5.7.3.4 装运碴设备数量的确定

(1)有轨运输 ①已知条件：

KL-41CN挖掘装载机的生产能力为250m3/h。

牵引选用JXK-12型电瓶车，矿车选用DSF-16(16m3)搭接式梭式矿车，两节组成一列。

列车正常行驶速度12km/h，过道岔5km/h，装满一列车碴用时12min，卸车10min。 ②KL-41CN挖掘装载机生产能力的校核。KL-41CN挖掘装载机生产能力标称为250m3/h，由于其它工序干扰不能连续装碴，KL-41CN的装碴能力按标称的75%计算，即AS=250×75%=175m3/h。则装碴所需时间为：187/175=1.07(时)，只有65min。选用1台KL-41CN挖掘装载机即可满足装碴要求，考虑到备用及以后正洞需要，所以共需2台KL-41CN挖掘装载机(1台备用)。

③DSF-16矿车数量的确定。矿车有效容积为16 m3，两节组成一列则有效容积为32 m3，装满系数按0.8计算，则NC=Z/(0.8VC)=187/(0.8×32)=7.3列，即8列车，16节矿车。

式中，Z——每循环出碴量；

VC——每列车的有效容积。

一个循环需用时为（32/175）×8+(2/12)×60×2=107.8min

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按25％备用共需DSF-16搭接式16×125%=20节，相应需配备JXK-12电瓶车10台。

(2)无轨运输

一般来说,一辆15t轮胎式自卸汽车的装载量为8方，那么一个循环需要280.5/8=35.1辆，即36量汽车。在洞内一般正线平均运行速度8km/h，最大20km/h，过道岔速度5km/h。所以按运输距离最大处计算，一辆车的运行时间为((500/1000)/8)×60=3.75min,装碴需要2.7分钟，卸碴需要3min,所以来回需要3.75×2+3=10.5min；那么要尽快运完弃碴，需选用双线运输；结束大约用时2.7×34+3.75×2=99.3min。

5.8 通风与防尘

5.8.1 通风

隧道通风的目的是供给洞内足够的新鲜空气，稀释并排除有害气体和降低粉尘浓度，以改善劳动条件，保障作业人员的身体健康。

施工通风方式应根据隧道的长度、掘进隧道的断面大小、施工方法和设备条件等诸多因素来确定。在施工中，有自然通风和机械通风两类。但是自然通风是利用洞内外的温差或气压差来实现通风的一种方式，仅适用于短直隧道；所以本隧道施工通风采用压入式通风技术，采用压入式管道通风。通风管采用PVC软管，通风软管直径为1000mm，每节长20m。出口配置1台湘潭平安电气公司的ZWS系列ZWS-4隧道风机，该通风机电机功率为4kw，通风量为9000m3/min。通风机安装在距洞口20m以外的钢架上。 5.8.1.1 通风量计算

(1)按洞内允许最小风速计算

Q60vS (5-2)

式中，v——洞内允许最小风速(m/s)，全断面开挖时为0.15m/s，其他隧道为0.25m/s； S——隧道断面积(m2)。

则通风量Q=60×0.25×170=2550(m3/min) (2)漏风计算

通风机的供风量，除满足上述计算的需要风量外，还应考虑漏失的风量，即

Q供P*Q (5-3)

式中，Q——前述计算结果；

P——漏风系数。

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因为选用的为优质管路，在良好管理的条件下，每百米漏风率一般可控制在2%以下，其漏风系数可由送风距离及每百米距离及每百米漏风率计算而得。

8则Q供（12%）*Q2987.73(m3/min)

5.8.1.2 通风系统的管理

现场配置专职通风工班，负责风机和通风管路的安装、维修管理。管理内容和要求：

(1)对责任区内的通风管道及设施经常检查，发现破损、爆裂、泄漏、脱挂、弯曲、褶皱、接头松开等要及时处理。

(2)定期测试通风量、风速，并作好记录。检查通风设备的供风能力和动力损耗，检查风管有无损伤，损伤的要及时修补。

(3)定期测试粉尘和有害气体浓度，并作好记录，发现超标及时反映处理。 (4)随着掘进工作面的推进，及时停机接长风管，使工作处在风流作用的范围内。

5.8.2 防尘

在隧道施工中，由于钻眼、开挖、装碴、喷混凝土等原因，在洞内浮游着大量的粉尘，这些粉尘对施工人员的身体健康危害极大。特别是粒径小于10μm的粉尘，极易被人吸入，或沉附于支气管中，或吸入肺泡，隧道施工人员常见的矽肺病就是因此而形成的，此病极难治愈，病情严重时会使肺功能完全丧失而死亡。

目前，在隧道施工采取的防尘措施是综合性的，就是湿式凿岩、机械通风、喷雾洒水和个人防护相结合，综合防尘。该隧道是黄土隧道，对水很敏感，所以凿岩的时候不适于湿式钻眼，但可采用干式凿岩孔口捕尘，其效果也较好。喷雾是防止产生过大粉尘的有效措施，它采取单一水力作用喷雾器，无需高压风，只需一定的水压即可喷雾，且这种喷雾器便于安装，使用方便，可安装于装碴机上，故适合于装碴作业时使用。洒水是降低粉尘浓度的简单而有效的措施，即使在通风较好的情况下，洒水降尘仍然需要。因为单纯加强通风，还会吹干湿润的粉尘而重新飞扬。对碴堆洒水必须分层湿透，一般每吨岩石洒水的耗水量大致为10~20L，如果岩石湿度较大，水量可适当减少。

5.9 隧道水沟和电缆沟施工

5.9.1 施工方法

水沟、电缆槽施工在二衬施工完成后及时进行施工，采用人工立模、绑扎钢筋、

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人工浇筑混凝土的方法；水沟、电缆沟盖板采用集中预制的方法，混凝土由混凝土拌合站集中预制，人工铲入模内施工。

5.9.2 施工要求

(1)防排水结构物的断面形状、尺寸、位置和埋设深度符合设计要求。 (2)水沟坡面整齐平顺，水沟及检查井盖板平稳无翘曲。

(3)隧道盲沟、有管渗沟及渗水滤层上方的回填，满足路基施工要求。墙背沟、管内清除杂物，防止堵塞水路。

(4)设在衬砌背后的隧底的纵横向排水设施，其纵横向坡应平顺，并配合其它作业同时施工。

5.10 隧道路面工程施工

隧道洞内无碴轨道基础30cm，两侧向中间排水，坡度2%。中间排水设置φ160mm半圆沟槽排水。每日施工结束或浇灌混凝土过程中因故中断浇筑时，设置横向施工缝。

面层采用一次浇筑到设计厚度。混凝土采用集中拌合站搅拌，汽车运输，人工摊铺，插入式振动棒震捣，振动梁整平。洞内无碴轨道基础分两幅浇筑，两幅路面之间设纵向施工缝。

施工注意事项:混凝土严格按设计配料施工，大小碎石分开堆放。混凝土浇筑24h后，要及时洒水养护。

5.11 隧道洞口基底加固施工

由于客运专线对线下部分的基底和工后沉降有严格的要求，特别是无碴轨道对下部的要求更是极其严格。因此明洞开挖完成后，要求对黄土隧道底部进行加固处理。

隧道出口表层第四系上更新统风积砂质黄土经计算后判定，该场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级（严重），湿陷性土层厚度18.0m。为了增加路基承载力，消除黄土的湿陷性，减少沉降量，满足客运专线铁路对工后沉降的严格要求，基底处理采用水泥土挤密桩方法处理。桩径0.5m，桩长18m，梅花形布置，桩间距仰拱底部1.2 m×1.2 m、边墙底部1.0 m×1.0 m（一般仰拱底部应力小于边墙底部应力）。水泥土挤密桩施工可采用锤击式沉管法造孔及成桩。

水泥土挤密桩施工工艺如图5-5所示。

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清理平整场地 竖起桩管对准桩位 打桩至设计 拔起桩管，管内填料落入 桩管内装满填料 再用桩管夯实 再次拔起桩管，管内填料落入 桩管内装满填料 夯实，完成桩体 图5-5 水泥土挤密桩施工工艺示意图

施工前，先清理平整场地，准确放线标定桩孔位置，确定桩顶标高，拟定成孔顺序并编号。成孔顺序应先周边后中间，同排宜间隔1~2孔跳孔施工。有条件时，施工前应先在现场作原位成孔试验，核定各项技术参数。

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第6章 隧道施工工艺

6.1 超前预支护

在本隧道的围岩中，均是黄土，施工中的开挖方法不能保证开挖面和开挖后的隧道的稳定，所以要对围岩进行预加固。为保证开挖工作面稳定，防止开挖时出现坍塌，该隧道采取了下面两种超前预支护措施。

6.1.1 超前锚杆施工

超前锚杆与钢架配合使用。锚杆采用3.5m长φ22mm中空注浆锚杆，按设计布置于拱顶140°范围，以外插角10°打入围岩，纵向相邻两排锚杆的水平搭接长度不小于1.5m。

其施工步骤为：

①沿开挖面周边布置锚杆孔；

②按布置的锚杆眼位置钻孔，孔径为40mm，孔深按设计； ③用高压风将孔内的砂石吹出； ④注入砂浆，插入锚杆；

⑤将锚杆尾部与钢拱架焊接牢固。 施作超前锚杆支护时应注意的问题：

①锚杆施工前应检查锚杆材料是否符合要求，锚固是否牢固； ②钻孔应圆而直，钻孔方向应尽量与岩层主要结构面垂直；

③开挖时要注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端应尽可能多的与系统锚杆及钢筋网焊连。

④开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。

⑤开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数。

6.1.2 超前大管棚施工

(1)管棚安设在隧道顶部轮廓线外0.5 m处，与型钢钢架组合成预支护系统。它在加固地层中的作用主要表现在：一是提高地层的刚度和水平承载能力，二是将地面沉降曲线呈现不均匀的正态分布变为平均的正态分布，它对防止软弱围岩下沉、松弛和

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坍塌等有显著的效果。

(2)大管棚设计参数：

大管棚设置范围为拱部140°，钢管外径108 mm，壁厚6 mm，长30m，管棚外插角2°，环向间距0.5m，断面尺寸为1.0 m×1.0 m，注浆材料：1：1水泥浆。

(3)施工工艺：

①护拱施工。混凝土护拱作为长管棚的导向墙，在开挖廓线以外拱部140°范围内施作，断面尺寸为1.0 m×1.0 m，护拱内埋设钢支撑，钢支撑与管棚孔口管连接成整体。施工实践证明，确保护拱基础稳定，对减少洞口段管棚沉降有显著效果，因而必须重视护拱的施工质量。

②导向管定位。确定导向管在工字钢架上的平面位置、倾角、外插角，并将其焊接在工字钢架上，防止浇筑混凝土时产生位移。

③钻孔。钻头的直径一般比管棚钢管直径大20～30 mm，采用4127 mm；对于黄土隧道，为了防止黄土遇水湿陷，宜采用干钻法钻孔。

④清孔验孔。

⑤安装管棚钢管。相邻钢管接头至少错开1m，同一横断面内的接头数不大于50%。

⑥注浆。注浆初压0.5～1.0 MPa，终压2 MPa，保持压力15 min后停止注浆；注浆量一般为钻孔圆柱体的1.5倍，确保钻孔周围岩体与钢管周围孔隙充填饱满。

⑦堵孔止浆。 (4)施工注意事项：

①两组管棚间的纵向搭接长度不小于1.5m；钢拱架常采用工字钢拱架。 ②钢拱架应安装稳固，其垂直度允许误差为2°，中线及高程允许误差为5cm。 ③钻孔平面误差不撒于15cm，角度误差不大于0.5，钢管不得侵入开挖轮廓线。 ④第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向前插入。要打一眼，装一管，由上而下顺序安装。

⑤长钢管应用6m的管节逐段接长，打入一节，再连接后一节，连接头应采用厚壁管箍，上瞒丝扣，丝扣长度不小于15cm；为保证受力的均匀性，钢管接头应纵向错开。

⑥当需要增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻10～15mm孔若干，以利排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。

⑦钻孔时如出现卡钻或坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。

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大管棚制作 施工准备 浆液配合比选定 测量布孔 钻机就位、固定 双液注浆机 封端止浆 结束 图6-1 大管棚施工工艺流程图

效果检查 大管棚注浆 钻孔、分节顶入钢管 6.2 初期支护施工工艺

隧道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，是现代隧道工程中最常用的支护形式和方法。潼洛川隧道各级围岩的支护基本形式都为喷锚支护。喷锚支护在黄土隧道中能起到良好的加固作用，能有效地约束土体的变形，提高土体承载力，是初期支护或临时支护的有效支护手段。另外，初喷对于早期的围岩稳定，充分发挥围岩的自拱作用也是有一定的效果的。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。

6.2.1 初期支护

我们将根据本隧道的施工支护的要求，按照新奥法施工原理，在施工过程中施作初喷混凝土、工字钢支撑、钢筋网、锚杆、复喷混凝土等支护形式。现就喷射混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架的施工工艺分别介绍如下：

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6.2.1.1 锚杆施工

系统锚杆布置为：拱部120°范围内采用φ22药包锚杆，长度为2.5m，间距1×1 m；边墙φ22砂浆锚杆，长度4m，间距1×1 m，梅花形布置；锚杆均应布置垫板、螺母。锚杆眼采用简易钻孔台架钻孔。

φ22砂浆锚杆和φ22药包锚杆，施工工艺为：A在岩面上标出锚杆位置；B钻孔；C清除孔内粉尘；D插入锚杆；E安装止浆塞、垫板、螺母；F连接注浆泵注浆，注浆压力控制在0.5～1.0Mpa之间。药包锚杆施工工艺见图6-2和普通砂浆锚杆施工工艺见图6-3，锚杆布置见图6-4。

锚杆施工要求：

①锚杆安设后不得随意敲击，其端部3天内不得悬挂重物。 ②锚杆材料、类型、规格、质量及性能符合设计和规范要求。

③锚杆孔位准确，孔位允许偏差为150mm，钻孔要圆直，钻孔方向尽量与岩层结构面垂直。

④按规范规定进行锚杆抗拔力试验，对锚杆拉拔力达不到设计要求的，要分析原因，报监理工程师，并进行补打锚杆。

潼洛川隧道所使用的锚杆分为药包锚杆和普通砂浆锚杆，它们施作的流程分别为：对于药包锚杆，首先应钻孔，然后安装锚杆，并加上止浆塞，再是浆液配制和注浆，最后则安置垫板和锚头；对于普通砂浆锚杆，首先钻孔，然后就为注浆，注浆完毕后，安装锚杆，最后安置锚杆垫板和锚头。在两种形式锚杆的安装过程中，还应注意如下一些施工要点：

(1)锚杆应按设计要求的尺寸截取，并整直、除锈和除油；

(2)锚杆孔位应按设计要求定出位置，允许偏差为150mm，钻孔应与围岩壁面直，锚杆深度误差不大于50mm，锚杆的直径应大于杆体直径15mm，杆孔的深度应大于锚杆设计长度10mm；

(3)锚杆所使用的砂浆应拌和均匀，随拌随用，严防石块、杂物混入；

(4)普通砂浆锚杆注浆时，注浆管应插至距孔底50～100mm，随砂浆的注入缓慢均匀地拔出，注浆管拔出后，应立即插入锚杆，杆体插入孔内长度不应小于设计规定的95%，杆体插入后，若孔口无砂浆溢出，应及时补注，当水泥浆体达到一定强度后，需给锚杆设置垫板和锚头，垫板尺寸为

；

(5)药包锚杆插入时，应预留一定的长度用于连接注浆管，止浆塞用于填堵锚杆和孔壁的空隙，注浆完毕，待水泥浆体达到一定强度后，也应给锚杆设置垫板和锚头。

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图6-2 药包锚杆施工工艺

结束 安置垫板和锚头 注浆设备就位 注浆 浆液制备 安止浆塞 插入锚杆 锚杆制作 钻孔

结束 图6-3 普通砂浆锚杆施工工艺

安止浆塞、垫板 锚杆制作 插入锚杆 装锚头 注浆 浆液制备 钻孔 注浆设备就位

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图6-4 锚杆布置示意图

6.2.1.2 钢架安装施工

隧道各分部开挖完成初喷混凝土后，及时安装分单元钢架，采用与定位锚杆、径向锚杆以及双侧锁脚锚管固定，纵向采用φ22钢筋连接，钢架之间铺挂钢筋网，然后复喷混凝土到设计厚度。

(1)拱架安装与复喷混凝土

在工作面开挖初喷完成后进行钢架安装，根据测设的位置，各节钢架用螺栓连接，做到连接板密贴；为增强钢架的整体稳定性，将钢架与锚杆焊接在一起。在安设钢架过程中，当钢架和初喷层之间有较大问隙时，每隔2 m用混凝土预制块楔紧，钢架背后用喷混凝土填充密实。架立钢架后尽快进行喷混凝土作业，以使钢架与喷混凝土共同受力。

(2)防止钢架下沉的措施

①钢架与系统锚杆固定在一起，两榀钢架之间纵向连接采用钢筋，环向间距1 m。 ②采用2根L=4.0 m的φ42锁脚锚管锁定钢架，加强对钢架的锁脚固定措施，以防止钢架下沉或两底脚回收；必要时，在拱部钢架底脚增设连接纵梁，纵梁采用I20a型钢，与钢架底脚采用焊接连接，以增加钢架底脚的承力面积。

③钢架安装完成后，及时进行喷射混凝土，喷射时分层、分段进行，用喷射混凝土将钢架覆盖，保护层厚度不小于40 mm。

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6.2.1.3 钢筋网施工

在以上工艺流程基础上，钢筋网施工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；钢筋网片采用I级φ8钢筋焊制，在钢筋加工场内集中加工。钢筋网片尺寸根据拱架间距和网片之间搭接长度综合考虑确定，本隧道选用钢筋网间距为20×20cm。

(2)按图纸规定的位置挂设钢筋网片，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，并且钢筋片随初喷面的起伏铺设，绑扎固定于先期施工的系统锚杆之上，再把钢筋片焊接成网，网片搭接长度为1～2个网格；使钢筋网与锚杆或型钢钢架牢固连接。钢筋网布置见图6-6。

(3)挂设钢筋网时，保证钢筋和初喷层之间保持不大于30 mm的间隙。 (4)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。

(5)喷射完毕后，钢筋保护层厚度不得小于4cm。 初喷 砼湿喷机就位 混合料运输 施工准备 搅拌站混合料加水拌和 结束 养护 喷射砼 钢筋网制作 挂钢筋网 喷射机内加液体速凝剂 高压空气推动 喷头处加水 图6-5 钢筋网喷混凝土施工工艺流程图

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图6-6 φ8钢筋网布置示意图

6.2.1.4 混凝土喷射施工

为提高喷射混凝土效果，减少回弹量以及粉尘对人体的危害，喷射砼全部采用湿喷机施喷，湿喷混凝土施工工艺见图6-7。在喷射混凝土之前，用水或风将受喷面粉尘和杂物清除干净。

喷射混凝土的配比设计为：干集料中水泥和砂石重量比为1:4，砂率为50%，水灰比为0.45，若加入聚丙烯微纤维，微纤维体积掺入量为1.2kg/m3。

湿喷混凝土施工要点：

①拌料时严格按设计配合比拌和，配合比及拌和的均匀性每班检查不少于两次； ②喷射混凝土前，认真检查隧道断面尺寸，对欠挖部分及所有开裂、破碎的岩石进行清理，清除浮石和虚碴，并用高压水或高压风冲洗岩面，达到清洁干净；

③施喷时分段、分片由下而上进行。分部法开挖拱部喷混凝土，先拱脚、后拱顶，如岩面凹凸不平时，先喷凹处找平。喷嘴缓慢呈螺旋形均匀移动，螺旋直径20～30cm，一圈压半圈，行与行之间搭接2～3cm，同时掌握风压、水压及喷射距离，减少混凝土的回弹量，喷射距离一般为0.8～1.2m，且垂直于岩面；

④喷射混凝土分次进行，初喷厚度3～5cm，复喷每次5～6cm，直至设计厚度。两次喷射时间间隔15～30分钟；

⑤喷射混凝土终凝2小时后，进行喷水养护，养护时间不少于7天；

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⑥开挖时，下次开挖距喷射混凝土完成时间的间隔不少于4小时；

⑦涌水地段先用塑料管将水引出，并根据实际情况调整混凝土配合比，增加水泥用量，再喷射混凝土。

细骨料 粗骨料 湿式 水泥 水 外加剂 压缩空气 搅拌机 喷射机 速凝剂

图6-7 湿喷混凝土施工工艺流程图

6.3 仰拱及二次衬砌

6.3.1 仰拱施工

为保证施工安全，仰拱混凝土应及时施作，支护尽早闭合成环，整体受力，确保支护结构稳定。在隧道正洞Ⅳ、Ⅴ级围岩中，待喷锚支护全断面施作完成后，根据围岩收敛量测结果，拆除临时支护，开挖并灌筑仰拱及填充混凝土，一次灌筑仰拱混凝土长度6～8m。 6.3.1.1 施工方法

为保证施工质量，仰拱混凝土进行全幅整体浇筑，同时解决出碴、进料运输与仰拱施工干扰及仰拱混凝土在未达到要求强度之前承受荷载的问题，采用仰拱栈桥施工。移动栈桥仰拱示意图见图6-6所示。

开挖出碴区仰拱施工区仰拱已施工区图6-8 移动栈桥示意图

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6.3.1.2 仰拱和底板施工应符合下列要求：

①施工前，应将隧底虚碴、杂物、泥浆、积水等清除，并用高压风将隧底吹洗干净，超挖应采用同级混凝土回填。

②仰拱超前拱墙二次衬砌，其超前距离保持3倍以上衬砌循环作业长度。 ③底板、仰拱的整体浇筑采用防干扰作业平台保证作业空间；仰拱成型采用浮放模板支架。

④仰拱、底板混凝土整体浇筑，一次成型。

⑤填充混凝土在仰拱混凝土终凝后浇筑，不得同时浇筑。仰拱拱座与墙基同时浇筑，排水侧沟与边墙同时浇筑。

⑥仰拱施工缝和变形缝作防水处理。 ⑦膨胀岩性地段，开挖后及时施作仰拱。

⑧填充混凝土强度达到5MPa后允许行人通行，填充混凝土强度达到设计强度的100％后允许车辆通行。衬砌作业采用10m长液压全断面整体钢模台车、混凝土输送泵和混凝土输送车等机械化施工模式。

衬砌台车下留有一定空间以利于车辆的通行，以保证衬砌施工的同时，其他工序的施工能正常进行。衬砌台车采用I24号工字钢加工制作而成，拱架采用工字钢或轻型钢轨制作，模板采用大块组合钢模板并与拱架焊接牢固。衬砌台车模板长10m。台车就位后，依靠台车的伸缩装置，调整拱架，使拱架断面形式符合衬砌断面形式，并确保其位置正确。砼浇灌完成，强度达到拆模条件时，收缩拱架，使模板脱离混凝土，然后行走台车，达到新的位置，灌筑下一段混凝土。

6.3.2 二次衬砌施工

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，它施作需满足设计强度、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。 6.3.2.1 二次衬砌施工的时间控制

根据围岩和支护量测的变化规律，确定二次衬砌和仰拱的施作时间。对二次衬砌的施作时间一般规定为：

(1)监控量测各测试项目所显示的位移率明显减缓并已基本稳定； (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。

在初期支护基本稳定的条件下：严格清除锚杆及钢筋网露头，被喷混凝土使其表

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面平整圆顺，凹凸量不得超过5cm，然后铺设无纺土工布，1.5mm厚聚氯乙烯防水板与喷层密贴，防水板间采用专用熔接器扣焊焊接，搭接长度不得小于100mm。当上述条件满足时，则要尽快施作二次衬砌。二次衬砌施作前，应做好防排水的施工，当防排水系统经检查符合要求后，方可进行二次衬砌的施工。

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。 6.3.2.2 各级围岩段衬砌基本情况

在隧道工程施工过程中，二次衬砌的厚度，衬砌所使用混凝土型号和是否需要配筋都依据衬砌所在位置的围岩性质不同而不同。具体情况见第三章表3-6和表3-7。 6.3.2.3 二次衬砌施工及工艺流程

(1)立模

①根据测量的隧道中线及标高，铺设台车运行轨道。台车运行轨道中心与隧道中心线一致，其误差不得大于3cm。

②将钢模台车运行到待浇混凝土地段，调整就位。

③调整基脚千斤顶使其支顶于垫木和木楔上。然后安装并固定基脚模板。 ④安装并固定挡头板和接缝模板。 (2)钢筋制作及安装

①所有钢筋的截断及弯曲均在工地现场内进行。

②钢筋要按图示的形状尺寸（见附录）进行弯曲。所有钢筋均采用冷弯。 ③所有钢筋要准确安设，当浇筑混凝土时，用支承将钢筋牢牢固定。钢筋要可靠地系紧在一起，不允许在浇注混凝土时安设或插入钢筋。

④钢筋安装加工时不得损坏防水卷材，如防水板出现划破，需立即进行补焊。 (3)灌筑混凝土

①混凝土灌筑采用泵送浇筑的方法进行施工，且应对称分层连续进行。混凝土浇筑方法在施工前报监理工程师批准。

②采用插入式振动棒进行振捣，台车整体模板周壁有规律的布设浇灌窗口（30cm×30cm），用于混凝土输送泵的泵管及插入式振动棒的伸入，窗口在混凝土浇筑到该标高之前，予以关闭，然后使用上一层窗口进行施工。

③混凝土施工前，检查防排水系统、模板、钢筋及预埋件的位置和保护层的尺寸，经检查合格后方可浇筑混凝土。

④在浇筑开始之前，先泵送一部分水泥砂浆，以润滑管道。而后将最先泵出的混凝土废弃。泵送混凝土作业，要使混凝土连续不断的输出，且不产生气泡。

⑤混凝土泵机开始工作后，中途不得停机，如非停机不可，停机时间一般不超过

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施工准备

拆模 图6-9 二次模筑钢筋混凝土施工工艺流程图

养护 混凝土振捣 灌注混凝土 砼输送泵 预埋件加工 安装模板 砼专用罐车运输 绑扎钢筋，安装预埋件 砼拌和站制备砼 钢筋加工 测量放样 防水层施工 30min，炎热气候不能超过10min。停机时间内要每隔一定时间泵动几次，防止混凝土凝结堵塞管道。

⑥当混凝土面超过拱顶时，泵管出口埋设在混凝土面以下，以保证能填满、填实拱顶所有空间。

⑦整体式衬砌必需一次浇筑完毕，中途不得停顿，整体式衬砌内不允许存在水平或倾斜的施工缝。

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；

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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。

6.4 防排水设计

隧道结构防排水采用防、截、排、堵相结合，因地制宜，综合治理的原则。防水以施工缝变形缝为重点，洞身采用防水混凝土结构自防水；喷射混凝土与模筑混凝土之间设无纺布+防水板(与混凝土有粘接性)；拱墙环向设φ50mm透水管，间距10m；墙脚纵向设φ100mm透水管与环向透水管三通联接，纵向透水管每隔5~10m设置进水孔与隧道侧沟连通,将衬砌背后水流汇入侧沟。侧沟水每隔10m，采用φ100mmPVC管引入中心排水沟。检查井不大于30m设置一处。全隧纵，环向施工缝均涂抹混凝土界面剂并加设中埋式橡胶止水带,拱墙部分环向施工缝内缘采用聚硫密封胶嵌缝。变形缝拱墙仰拱部位设中埋式止水带沥青木丝板塞缝、聚硫密封胶。

6.4.1 洞口防排水

隧道施工前必须先做好洞顶、洞口和隧道周围地表的防排水工作：

(1)平整洞顶地表，排除积水。所有坑洼、陷穴、探坑、钻孔等，应用不透水土壤填实；湿陷性陷穴等特殊地段应按设计认真处理；

(2)整理隧道周围流水沟渠，必要时以圬工铺砌，防止下渗，并使水流畅通；洞顶设有高压水池时，必须防渗漏、防溢；

(3)洞口边、仰坡顶外天沟应确保截水引流；路堑纵坡向隧道内为下坡时应在洞口设置盲沟，路基边坡应挖成反坡排水，向隧道内为上坡时，洞内外水沟联结，一般采用直角拐弯，由于水沟盖板标高不同，需在接头处设置隔板挡碴防止堵塞，边沟断面应视洞内外排水量大小结合纵坡确定；

(4)洞门外挡、翼墙终端外2m范围内水沟，应根据地质情况加以抹面或铺砌，墙身应设泄水孔，孔后设反滤层，最下排泄水孔下部设隔水层；

(5)隧道洞口、辅助隧道口或井口的排水系统必须尽早完成并应妥善处理出水口，防止冲刷废碴危害农田、水利。

6.4.2 洞身防排水

6.4.2.1 施工中的防排水

从潼洛川隧道的地质条件来看，无地下水。施工中的防排水主要是施工用水，应

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结合工程量及地质条件，采取在距底角50cm处设置临时排水沟。 6.4.2.2 结构防排水

(1)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40 mm，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。

(2)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。

潼洛川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，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（拱墙部分环向施工缝内缘采用聚硫密封胶嵌缝）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。

(3)EVA防水板的施工

防水板采用无钉铺设工艺，其作业顺序和要点如下： 1)防水板铺设作业程序：

①防水板采用简易自制台车铺挂，台车长6 m。防水板预先在洞外根据设计宽度，进行粘结拼装成大块防水板，粘结要牢固，粘接处要进行至少6次压实。

②防水板在二衬前进行施工，铺挂采用无钉吊带铺挂，以保证防水板的整体完整。铺挂时，根据防水板背后的吊带位置，在初期支护上划线作标记。然后用电钻钻孔，安装膨胀木螺钉，在木螺钉上安装吊环。木螺钉的安装位置要考虑防水板的预留量。

③将防水卷材沿环向从衬砌顶端由上往下进行铺设，边铺设边将防水板背后的吊环固定在木螺钉上，吊带与吊环之间连接紧密牢固。

④每环防水卷材搭接宽度为10cm，搭接处采用自行走式热合机进行双缝焊接，

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焊缝严密，平整。

⑤每次铺设的防水板伸出衬砌段外50cm，以保证与下一组防水板有足够的搭接宽度，也便于操作。衬砌混凝土施工中要注意保护好防水板，防止损坏拉伤，尤其是有钢筋地段，焊接钢筋时需对防水板加以保护，以防止烤焦、损坏。

2)防水板施工要点：

①喷射混凝土表面整平，凹凸不平面的跨深比不大于1/6，对钢筋等尖锐的突出物要割除磨平，以免扎破防水层。

②防水卷材采用背吊法施工，每个吊点挂接牢固，同时在锚固点上另外敷设一块防水板与挂设的防水板粘结。

③防水卷材之间搭接宽度为10cm，并采用自动行走式热合机进行双缝焊接，用钢筋或木条压住接缝，焊缝要进行气密性检查，充气压力为0.15MPa并保持恒压时间不小于2min，焊缝强度不得低于母体强度。

3)排水管的施工

①通过横向引水管将水引入中心排水管，中心排水管的安装在仰拱填充施工前进行，安装时，先在仰拱中心位置抹上一层砂浆作为管节的基础，管节的搭接长度为20cm。

②横向引水管每10m设一道，因此在中心排水管管节预制时注意预留横向引水管与中心排水管的衔接孔位。排水管在预制场集中预制，按2m一节进行预制，预制模板采用定型模板。

③排水管施工时注意不得有被堵塞的现象，确保盲沟排水畅通。 4)橡胶止水带的施工

本隧洞口变形缝埋设中埋式橡胶止水带。

①止水带安装位置采用事先加工好的与衬砌断面一致的圆环形木板进行定位。定位木板厚7.6cm，安放在端头模板内侧。定位木板外表面浸涂沥青防水层，并作为沉降缝的填缝料，永久安设在沉降缝中。

②首先将止水带用定位钢筋固定在设计位置，然后安设定位模板，止水带的伸缝环卡在定位木板的，一半在待浇筑的衬砌断面内，另一半弯起紧贴在定位模板外侧。

③止水带、定位模板安装完成后，开始安装加固端头模板。 ④浇筑衬砌砼。

⑤拆除端头模板，移走衬砌台车，在下一衬砌断面调整衬砌台车，使其就位准确。 ⑥将贴在定位模板外侧的止水带整平，拉直，用定位钢筋固定。 ⑦浇筑沉降缝另一侧的衬砌混凝土。

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第7章 施工监控量测

隧道监控量测是现代化隧道喷锚施工的重要组成部分，是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一。在隧道施工过程中，对围岩和支护系统的稳定状态进行监测，为喷锚支护和二次混凝土衬砌的参数调整提供依据，把量测的数据经整理和分析得到信息及时反馈到设计和施工中，进一步优化设计和施工方案，以达到安全、经济、快速施工的目的，围岩量测是施工管理中的一个重要环节，是施工安全和质量的保障。监控量测流程见图7-1。

不安全(信息反馈) 图7-1 监控量测流程图

设计 施工 监控量测 数据处理分析 安全(信息反馈)

7.1 监控量测目的

(1)掌握围岩力学形态的变化和规律。

(2)掌握支护结构的工作状态，评价围岩和支护体系的稳定性、安全性。 (3)为理论分析、数据分析提供计算数据与对比指标，验证、修改设计参数。 (4)为隧道工程设计与施工积累经验，为围岩稳定性理论研究提供基础数据。 (5)及时预报围岩险情，以便采取措施，防止事故发生。 (6)指导安全施工，修正施工参数或施工工序。 (7)对隧道未来性态做出预测。

7.2 监控项目与内容

7.2.1 检测项目

潼洛川隧道跨度大，洞口段浅埋，洞身段多为深埋，局部浅埋，且为黄土地层。因此监测项目确定为，必测项目：地质及支护状态观察、周边相对位移、拱顶下沉；选测项目：混凝土及钢架应力、围岩压力及两层支护间的压力、锚杆内力及抗拔力等。

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隧道监控量测的必测项目以及所采用的仪器和量测周期见表7-1。

表7-1 隧道监控量测必测项目及量测周期

序号 1 2 3

项目名称 地质观察 拱顶下沉 周边位移

量测仪器 地质罗盘 水准仪和钢尺 收敛计

量测周期

1-15天

16-30天

1-3月

3月以后

每次开挖后进行

1-2次/天 1次/2天 1-2次/周 1-3次/月 1-2次/天 1次/2天 1-2次/周 1-3次/月

7.2.2 测点布置

该隧道的拱顶下沉和周边相对位移量测测线布置 (如图7-2和7-3所示)。

图7-2 Ⅳ级围岩测点布置示意图

周边相对位移量测点 洞顶监控量测

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拱顶下沉量测点

图7-3 Ⅴ级围岩测点布置示意图

测周点边相对位移量周边相对位移量测点 7.3 量测方法

(1)围岩地质和支护状况的观察及描述

配合量测工作对代表性断面的地质描述应详细准确，如实反映情况。一般包括对以下内容的描述：

①代表性测试断面的位置、形状、尺寸及编号。 ②岩石名称、结构、颜色。

③层理、片理、节理裂隙、断层等各种软弱面的产状、宽度、延伸情况、连续性、间距等；各结构面的成因类型、力学属性、粗糙程度、充填物质成分和泥化、软化情况。

④岩石软硬程度及破碎程度。

⑤岩体风化程度、特点、抗风化能力。

⑥地质断面展示图或纵横剖面图，必要时应附彩色照片 (2)拱顶下沉

在隧道拱顶倒置一个水准尺，由已知高程的临时或永久水准点(通常借用隧道高程控制点)，使用较高精度的水准仪，就可以观测出隧道拱顶及其随时间的变化情况。隧道底鼓也用此方法观测。通常这个值是绝对位移值。拱顶点是隧道周边上的一个特殊点，其位移情况具有较强的代表性。拱顶下沉量测示意图见下图7-4。

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隧道高程控制点A

图7-4 拱顶下沉量测示意图

水准仪 视线 测点B 测点C (3)周边相对位移

围岩向隧道方向的位移是围岩动态的最显著表现，最能反映出围岩(或围岩加支护)的稳定性。隧道周边其他各点，一般均用收敛计量测其中两点之间的相对位移值，来反映围岩位移动态。量测注意事项：

①开挖后应尽快埋设测点，并在12小时内测取初读数。 ②测点(量测断面)应尽可能靠近开挖面，一般在2m内。

③读数应在重锤稳定或张力调节器指针稳定指示规定张力值时读取。 ④当相对位移值较大时，要注意消除换孔误差。 ⑤量测周期应按表7-1的要求而定。

⑥整个量测过程中，应做好详细记录，并随时检查有无误差。 (4)围岩内部位移

围岩内部各点的位移同隧道周边位移一样也是围岩动态的表现。它不仅反映了围岩内部的松弛程度，而且更能反映围岩松弛范围的大小。在实际测量工作中，先是向围岩钻孔，然后用位移计量测钻孔内各点相对于孔口一点的位移。

测试方法同周边位移测试方法一致。

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7.4 结果分析与反馈方法

(1)地质预报

地质预报就是根据地质素描来预测开挖面前方围岩的地质状况，以便选择适当的施工方案调整各项施工措施。包括：

在洞内直观评价当前已暴露围岩的稳定状态，检验和修正初步的围岩分类； 根据修正的围岩分类，检验初步设计的支护参数是否合理，如不恰当，则应修正； 直观检验初期支护的实际工作状态；

根据当前围岩的地质特征，推断前方一定范围内围岩的地质特征，进行地质预报，防范不良地质突然出现；

根据地质预报，并结合对已做初期支护实际工作状态的评价，预先确定下一循环的支护参数和施工措施；

配合量测工作进行测试位置选取和量测成果的分析。 (2)净空位移分析与反馈

一般而言，隧道开挖后，若围岩位移量小，持续时间短。其稳定性就好；若位移量大，持续时间长，其稳定性就差。如果位移值超过允许值不多，且初期支护中的喷射混凝土未出现明显开裂，一般可不予补强。如果位移与上述情况相反，则应采取处理措施，如在支护参数方面，可以增强锚杆，加钢筋网喷混凝土、加钢支撑、增设临时仰拱等；施工措施方面，可以缩短从开挖到支护的时间，提前打锚杆，提前设仰拱，缩短开挖台阶长度和台阶数，增设超前支护等。

(3)围岩内位移及松动区分析与反馈

与净空位移同理，如果实测围岩的松动区超过了允许的最大松动区，则表明围岩已出现松动破坏，此时必须加强支护或调整施工措施以控制松动范围。如加强锚杆等，一般要求锚杆长度大于松动区范围。如果与以上情形相反，甚至锚杆后段的拉应力很小或出现压应力时，则可适当缩短锚杆长度或缩小锚杆直径或减小锚杆数量等。

(4)围岩压力分析与反馈

由围岩压力分布曲线可知道围岩压力的大小及分布状况。围岩压力的大小与围岩位移量及支护刚度密切相关。围岩压力大，即作用于初期支护的压力大。这可能有两中情况：一是围岩压力大但变形量大，这表明支护时机，尤其是支护的封底时间可能过早或支护刚度太大，可作适当调整，让围岩释放较多的应力。另一种情况是围岩压力大且变形量也很大，此时应加强支护，围岩变形，控制围岩压力的增长。当测得的围岩压力很小但变形量很大时，则应考虑可能会出现。

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第8章 结论和展望

8.1 结论

本篇毕业设计以郑西客运专线潼洛川隧道为例，着重介绍了隧道结构设计检算和隧道施工方案及施工工艺，得出如下结论：

(1)对于350km/h客运专线黄土隧道在了解的基础上，学习了黄土隧道的特点以及它与普通线路和客运专线的一些区别。

(2)隧道结构的设计检算，如今较常用的方法为“荷载—结构”法。通过Ansys有限元分析软件建立“荷载—结构”模型，采用破损阶段法原理对隧道衬砌结构进行检算、配筋，思路清晰，计算简便，易于掌握。

(3) 在隧道洞口施工过程中，采用了灰土挤密桩方法对隧道底部进行了加固处理，防止由于黄土遇水产生基底和工后沉降。开挖过程中采用分层开挖，分层支护，自上而下，边挖边护的洞口加固处理方法。浇注过程中采取先仰拱再边墙和拱圈的顺序，并施作防排水系统。

(4)对于隧道洞身施工，针对隧道的不同地质条件，选择在Ⅳ级围岩中采用弧形导坑法进行开挖，超前支护类型采用锚杆超前支护；Ⅴ级围岩中采用CRD法的开挖方法，超前支护采用大管棚超前支护和锚杆超前支护。

(5) 初期支护完成后，要及时监测开挖后隧道的周边位移和拱顶的下沉。初期支护稳定后，基面处理，施作隧道仰拱和隧底填充，待初期支护收敛后，一次性灌注拱墙二次衬砌。监控量测是新奥法施工中主要的一部分，应随时根据反馈的量测信息，及时采取措施，修正施工方案及支护手段，保证安全施工。

(6)隧道喷射混凝土施工采用湿喷工艺，喷射混凝土质量容易控制，且施工时粉尘小，工作环境有所改善。在拱顶混凝土中掺入聚丙烯微纤维，能很好的改善混凝土的性能。减少了混凝土的早期塑性收缩裂纹并能阻止它发展，从而提高了混凝土的抗裂性。聚丙烯纤维还能推迟混凝土表面的劣化，提高耐久性。随着高性能混凝土的广泛使用，聚丙烯纤维将具有广阔的应用前景。

(7) 隧道衬砌采用防水钢筋混凝土，初期支护和二衬之间布设EVA复合防水板、无纺布，明洞外贴PVC防水卷材；拱墙设置环向透水盲管，拱脚设置纵向透水盲管，盲管通过三通接头与边墙泄水孔连通；施工缝设置中埋式橡胶止水带，并涂刷混凝土界面剂等等防水措施。

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8.2 展望

随着科学技术的进步，铁路事业蒸蒸日上，行车速度也在日新月异。伴随着西部大开战略和铁道部规划的四纵四横路网的建设，必将出现大量的黄土隧道。因此，在我国研究黄土隧道是十分必要的，而且也是十分有潜力的。在对黄土隧道的研究过程中，我们一方面要借鉴发达国家的成功经验；另一方面还要总结我国在隧道领域取得的经验和教训，努力探讨研究为隧道的发展作出贡献。

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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． [2] TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S]． [3] TB10204-2002，铁路隧道施工规范[S]．

[4] 关宝树．隧道工程设计要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003． [5] 关宝树．隧道工程施工要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[6] 铁道部第二勘察设计院．铁路工程设计技术手册·隧道[M]．北京：中国铁道出版社，1995． [7] 铁道部第二工程局．铁路工程施工技术手册·隧道[M]．北京：中国铁道出版社，1995． [8] 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. [9] 沈浦生．混凝土结构设计原理[M]．北京：高等教育通出版社，2005. [10] 李忠，曲力群，于箫．工程地质概论[M]．北京：中国铁道出版社，2005. [11] 池建斌等．计算机辅助制图[M]．北京：兵器工业出版社，2003.

[12] 赵勇，唐国荣，倪光斌，武赞．我国高速铁路隧道主要技术标准和关键技术[J]．铁道究，

2006，6：25～33.

[13] 计然．黄土隧道的初期支护[J]．铁道建筑，1999，11：15～16.

[14] 张雪才．湿陷性黄土地区客运专线选线及线路设计[J]．铁道工程学报，2006，5：25～29. [15] 程刚．大断面黄土隧道施工技术研究[J]．隧道标准设计，2005，3：30～31. [16] 温桂安，王德仙．大跨度黄土隧道施工技术[J]．铁道建筑技术，2002，3：35～37. [17] 王新东．郑西铁路客运专线秦东隧道施工方法设计[J]．科技交流，2007， 2：54～58. [18] H. Kimura, T. Itoh, M. Iwata, K. Fujimoto．Application of new urban tunneling method

in Baikoh tunnel excavation [J]．Tunnelling and Underground Space Technology，2005，20．151～158.

[19] Toshihiro Asakura, Yoshiyuki Kojima．Tunnel maintenance in Japan [J]．Tunnelling

and Underground Space Technology，2003，18．161–169.

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致 谢

三个多月的毕业设计很快就结束了，在朱老师和地下工程专业其他老师的耐心指导下，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。在设计中，我特别要感谢朱老师对我的悉心指导和耐心帮助，我每遇到难点他都会耐心的给我讲解，而且还给我拓展很多实用的相关方面的东西，平时他也会很乐意的和我们聊天，给我们介绍专业知识和以后工作生活中的经验。另外我们组的组员也给了我很大帮助，在老师和同学们的帮助下我顺利的完成了这次设计任务。在此，我对给予过我指导和帮助的各位老师表示深深的感谢和崇高的敬意；向对我给予帮助的同学们表示真诚的谢意。

我很感谢这次设计，它不仅让我巩固了专业课知识、提高了完成工作的能力，培养了积极努力和团结合作的团队精神，更为将来的工作与发展奠定了良好的基础。

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附 录

附录A 外文翻译

（1）英文原文 （2）英文翻译

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考虑不同岩石条件和施工效果系统数值模拟岩石隧道稳定性

摘要：本文概述了岩石隧道稳定性分析的施工过程力学原则，并提出了采用有限元方法数值模拟和预估各种岩体特性及开挖与支护条件下的隧道周围岩石的变形和破坏。基于数值模拟，得到了一系列岩体响应和变形的预测曲线，这些数据是地区用来指导岩石隧道设计和施工建设的基础。

1 导言：

这是普遍公认的，关乎一个隧道成功设计和建造的主要因素包括：地质环境，岩体参数，覆盖层厚度，地应力，隧道的大小和形状及隧道周围地区的其他工程因素。依据软岩情况，合理选择开挖和支护方法是一个关乎掘进成败的头等大事。

目前，岩体质量分级经验方法，如Q和rmr系统，一般都应用在实现岩石隧道的支护结构设计。为满足具体应用和当地地质，在不同的国家和地区已发展形成了类似的岩体分类系统。然而，这些岩体分类方法，不能够对一个特定的岩体进行定量描述并且也不能预测围岩和支护系统之间的相互作用关系，因此他们没有对支护的建设及支护结构的性能给出定量描述，如屋顶沉降，隧道收敛和应力分布。

因此，有必要制定一项预测隧道变形系统，特别是在软岩地区的隧道，要依据岩石隧道施工过程（包括开挖和支护）中的原则。

2 施工过程力学原则

周围岩体一般说来是非线性的材料。岩石的开挖和支护是一个长期的过程，这些岩体要重复经历加载和卸载的作用。这种非线性作用过程影响岩石的稳定性。为了研究隧道的稳定性就需要了解这种作用效应。

因此，一些学者（朱等人，1995年）基于过去几年的研究指导，提出了一个新的概念，称之为施工过程力学（CPM）。CPM原则可以概述如下：

a、岩体的稳定性不仅与自然因素有关而且还与人造工程因素有关。

b、在一个复杂的岩体中的建筑活动是作用于周围岩体的非线性力学过程，这些岩石的稳定性与应力路径或应力历史有关。在施工前应进行分析以选出若干最优施工方案。

c、应根据具体的岩石特性和相关工程项目情况，更加客观的选择合理的开挖和

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支护措施，以尽可能地降低不利的影响和潜在的风险。

d、在施工过程中应系统而有效地观察和监测岩体的响应，以判断、确定合理的施工方案并及时作出必要的工程调整。

e、值得强调的是要注意勘察、设计、施工和科研研究的紧密结合，而且允许施工方案的适当调整。

为了说明CPM方法的应用，有限元方法（FEM）的数值模拟在已贯彻落实在了岩石隧道的开挖和支护文件中。由于有限元的适应能力，可以综合考虑自然和工程因素，例如：二维和三维的问题及围岩的大变形、小变形问题。数值模拟考虑了各种因素，包括深度、力学性能、掌子面尺寸、开挖和支护方式。该数值模拟是要获得隧道掌子面周围岩体的变形、塑性区的尺寸和应力分布，从而建立一个数据库文件。为此编制成功了一个特殊的计算机程序，它可以对围岩大变形进行分析，并在恶劣环境中计算。

3 数值模拟

3.1 简要说明有限元模型

有限元程序，EP-3D和EPL-3D，是用于小变形和大变形的弹塑性分析。EP-3D和EPL-3D的主要特点是：

a、能用德鲁克-普拉格或莫尔-库仑屈服准则对大、小弹塑性变形进行分析。 b、用螺栓柱和柱单元可以反映岩石和锚杆间的相互作用。 c、能够模拟施工过程包括开挖和支护。

d、用弱平面元件和接头元件能够模拟不连续性（如：断裂和主要连接点）的影响。

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表1显示了围岩的力学性能指标。一般情况下，在，在掘进过程中遇到的砂岩，根据岩石的单轴抗压强度可以分为硬、中等硬，软，以及断裂带四类。既然岩石也有挤压特性，表2给出了各种类别岩石的挤压比。表3总结了通过有限元计算得到的模型的情况。

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3.2 域的计算和模拟开挖

计算范围涵盖沿隧道纵轴x方向160米，沿垂直于隧道（水平面）y方向60米和沿z垂直方向130米。这被介绍的有八个节点的三维各向同性单元，用网格划分为7200个节点和6048个单元。

开挖是用气体元件的方法模拟。两种类型的开挖序列模式：一种是单导洞单台阶模式，另一种则是单导洞多台阶模式，如表1中所示。单台阶模式中每个开挖断面的进尺深度是D/3(D是隧道跨度和高度的平均值)；而在多台阶模式中每个开挖断面的进尺深度是D/4 (下图)。应该指出的是多台阶开挖模式比单台阶开挖模式需要花费一段较长的时间才能完成隧道掌子面。这种时间延迟对完成隧道掌子面和应用混凝土衬砌有着重大影响（穆萨和瓦格纳，1997年），如下图所示。从工程实践估计采用多台阶法开挖所用的时间大约是用单台阶法所用时间的两倍。

柱元件被用来模拟锚杆及周围灌浆和岩石。该锚杆岩石柱的力学性能是通过使用等效刚度计算出锚杆和临近材料的综合性能。

爆破影响的降低是通过降低弹性模量和受爆破影响的围岩的强度指标。10米和15米的大跨度隧道受爆破影响的范围分别是靠近隧道壁1.0米和1.5米。这种影响范围的减少是根据经验和现场实践。较大的隧道段通常采用了大量的炸药，因此，通过在岩石周围制造裂缝，在比例上造成了较大的破坏区。对于这些岩石（从软岩到硬岩），受爆破影响而降低的岩体强度被指定为：80％的初始杨氏模量、内聚力和内摩擦角；而在岩石破裂带地区则是80％的初始杨氏模量，内聚力和内摩擦角则保持不变。

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4 数值模拟结果综述

采用数值模拟法，可以研究隧道洞顶的沉降、仰拱的沉降、边墙的收敛和围岩的塑性区域、隧道的纵向变形、塑性区域的发展速度及混凝土衬砌的破坏分布。

4.1 隧道洞顶的沉降位移

需要注意的是较差的岩石质量和较厚的覆盖层、更宽的跨度及更大的沉降位移。对模型A、B、C、D、G、H组，如表3所示，当岩石是中硬，覆盖层厚度大约是100米厚的情况下，隧道直径洞顶沉降比率大约是0.2-0.5 ％ 。但是当覆盖层深度达到100米时，这个比例是1.5-2 ％ ；在软弱围岩地带，这个比例甚至可以高达3.5-5％，如图表2所示。

多台阶开挖方法造成的洞顶沉降位移大于单台阶开挖造成的洞顶沉降位移。在正常情况下多台阶开挖会引起较小变形，往往多阶段的开挖和支护是控制变形的手段。然而，对于在开挖过程中不支护，在掌子面完成后才支护这种情况，从隧道掌子面的开挖到完成，多台阶开挖较单台阶开挖用的时间长，因此多台阶开挖岩体经历了相当长时间的变形。在模型A、B组的情况下，建成一个10米跨度的隧道，多台阶法开挖造成的洞顶沉降位移比单台阶法开挖造成的洞顶沉降位移要大20％ 。如果隧道的跨度是15米，那么前者比后者约大30％ 。其中最大的接近70％，相当于近10厘米的位移。

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考虑了爆破不利影响的沉降位移比没考虑爆破影响的大。对于一个10米跨度的隧道，从模型组A到G洞顶沉降位移将承受大约20％的增量；而对于一个15跨度的隧道，这个位移增量将提高到30％。

关于高地应力，大多数情况下要求洞顶沉降位移更小。然而，在某些情况下，高地应力会引起支护的破坏和结构的不稳定。举例来说，如图所示，在模型组A和E中，软岩侧压力系数为K = 1.5 ，它的洞顶沉降位移比同条件K = 1.0的软岩大60％。

4.2 仰拱的沉降

这条规则控制仰拱的沉降和洞顶位移沉降。在这里研究的情况是，由于相对较高的地应力与低岩石强度，这些变形和破坏是由应力控制的。通常情况下，仰拱是不允许有完美的拱应力重分布，所以拱应力集中也更加明显。因此应力产生的仰拱变形大于拱顶变形。这是观察数值模拟的结果。

对于中硬岩，关于模型组A、B、C、D、G，随着大跨度隧道覆盖层埋深从100-500米，仰拱比率从0.2％增至5％；并且如果岩石是软岩，这个比率可以高达8％ 。

4.3 侧壁的收敛和围岩的塑性区

各种因素，除了初始地应力，边墙收敛和洞顶沉降的塑性区显示了类似的效果。对于中硬岩石，大跨度隧道边墙收敛比率与洞顶沉降类似。

对于模型组A、B、C、D的情况，由多台阶开挖引起的侧墙收敛比单台阶开挖的大30％-50％ 。在模型组A、G中，10米跨度的隧道，考虑爆破影响的边墙收敛比不考虑爆破效应的约大30％ 。15米跨度的隧道，考虑爆破效应的边墙收敛将增大约46％ 。正如4.1节所述，大变形的原因就是多台阶开挖所用的时间较长。

对模型组A、C，15米跨度隧道的最大边墙收敛量比10米跨度的收敛量约大50％ 。

对于模型组A、E的情况，软岩若具有较高水平原始应力（K=1.5），相比于正常的原始应力的K=1.0，将会产生46％的边墙收敛增量。

围岩的塑性区随着上面提到的因素数量级的增大而更大。建在软岩地区有很大覆盖层厚度的隧道，15米跨度的塑性区厚度是10米跨度塑性区的两倍多。图表3列出了跨度15米埋深150米的断裂带隧道，模型组C的隧道纵剖面周围的塑性区。如果水平初始应力很高，洞顶和仰拱的塑性区会增大而侧墙周围的塑性区会减小。爆破效果对仰拱塑性区增量有很大影响。

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4.4 隧道的纵向变形和塑性区的发展比率

如果岩石质量较好或者覆盖层厚度相对较浅，纵向变形的发展或塑性区在相对较短的时间可以稳定。大多数情况下，大约推进三个循环就可以达到稳定。

在岩石质量较差或覆盖层厚度较厚的情况下，大约需要4-6个循环才能使上面岩石变形或塑性区的发展达到稳定。

4.5 衬砌混凝土的裂缝分布

模型组A，在某些情况下，衬砌混凝土会出现拉伸裂缝。裂缝大多出现在隧道仰拱衬砌。在某些情况下，这些拉伸裂缝一般发生在衬砌顶部周围。但是在模型B的情况下，混凝土衬砌的情况才会更好。

对于15米大跨度的C组模型隧道，它的拉伸裂缝比10米跨度的隧道明显更糟糕。在某些情况下，整个衬砌都处在拉伸裂缝状态。相较于C组模型，D组（多台阶）在一定程度稍好。

这也在一定程度上显示了多台阶开挖法造成的混凝土衬砌拉伸裂缝较单台阶开挖法造成的混凝土衬砌拉伸裂缝小。这一监测与在4.1和4.3节中的监测一致。多台阶开挖法的衬砌制作较单台阶法稍晚。因此在衬砌制作之前，围岩经历了很多的变形

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和应力再分布。所以，衬砌经历了较小的应力这导致了少开裂。

5 设计和施工的启示：

数值模拟和计算表明：不同的施工方法对隧道稳定性和变形有重大影响。因此，CPM数值分析应当在施工前进行，以选择最优施工方案，特别是软弱岩石条件下。

关于软弱和软岩隧道（作为数值模拟的研究模型）的稳定性，从掌子面开挖到初期支护完成的这段时间非常重要。这段时间越长导致的变形就越大。在研究的这些隧道的情况中，单台阶开挖方法较多台阶开挖法好，因为前者从开挖到完成掌子面所用的时间较短，所以能尽早做好衬砌。

软岩中的大深度和高应力隧道，通常会因为几何设计和应力集中而产生仰拱的大沉降。仰拱衬砌可能产生大范围裂缝。因此，衬砌的这个部位应特别加强。

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附录B 施工图纸

图号 01 02 03 04 05 06 07

图名

潼洛川隧道纵断面图 Ⅳ级围岩复合式衬砌断面图 V级围岩复合式衬砌断面图 V级围岩隧道衬砌钢筋配置图 路堑式明洞衬砌断面图

超前支护图 潼洛川隧道防排水图