本科毕业设计--贵州思剑高速公路帽子坡隧道右线初步设计.doc
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1、贵州思剑高速公路帽子坡隧道右线初步设计1设计资料1.1 概述1.1.1 隧道概况帽子坡隧道位于黔东南州镇远县境内,是贵州思剑高速公路上的一项控制性工程。隧道采用的是分离式的双洞设计,依照双向四车道高速公路标准。其中左洞全长大约1300米,右洞全长1400米。该隧道右洞桩号为C1K1100+300至C1K1101+700。该隧道地质条件恶劣、围岩差、变化大。隧道自开挖,曾遇到级围岩、套拱下沉、无法进洞、地质断层、浅埋段等施工难题。1.1.2 地形地貌帽子坡隧道处于贵州省东部山区,属黔动东南州。该段表现为中山、低山形态。由于明显受到岩性构造的控制,呈沟谷发育且地形起伏比较大。地表的植物大多数是松木
2、和杂木从。该隧道地质情况较为恶劣,地质构造主要为强风化砂质板岩、砂岩、泥夹层及断裂带。岩质乱、岩体破碎,呈中、薄层状结构。1.1.3 水文地质该路段地下水主要是碳酸岩岩溶水和基岩裂隙水。孔隙水相对较少。由水的动力性质、区内岩层的特性和地下水的存储空间等可以把地下水分为四类。分别为:基岩裂隙水、碳酸岩岩溶地下水、空隙潜水和构造裂隙水。因此在雨天施工时,隧道内部会有少量地下水。1.1.4 地震由中国地震动参数区规划图(GB18306-2001)可得到,场地区地震动反应谱特征周期为0.35s,动峰的加速度小于0.05g。对应地震基本烈度小于VI度。1.2 围岩级别分段划分及工程特性帽子坡岩石由于受到
3、风化比较严重,呈风化裂隙发育。围岩的稳定性受到地下水的影响。根据强风化带纵波的速度可以判断围岩是级。根据弱风化带纵波的速度可以得到围岩是级,该围岩的岩体比较破碎。根据围岩岩体是否完整来判断围岩级别是否是级。若岩体破碎,则该处岩体级别是级。碎裂砂岩和碎裂长石石英构成了断裂带岩石。断裂岩中呈现出经挤压造成的牵引小褶曲。其特点是:带内呈节理裂隙发育,地下水较为活跃和岩石破碎。断裂岩的位置是由从上向下推测得到。变化范围很大。在具体施工时,不能采用设计工程地质纵断面图来进行施工。使用的衬砌结构要由开挖显示的断层位置和性质来确定。表1-1 围岩结构类型1.3 采用的技术标准规范(1)公路隧道施工规范 (J
4、TJF60-2009)(2)公路隧道通风照明设计规范 (JTJ026.1-1999)(3)公路隧道设计规范 (JTGD70-2004)(4)公路工程技术标准 (JTGBO1-2003)(5)公路工程抗震设计规范 (JTJ004-89)(6)锚杆喷射混凝土支护技术规范 (GB50086-2001)(7)地下工程防水技术规范 (GB50108-2001)(8)混凝土结构设计规范 (GB50010-2002)2 隧道总体设计2.1 隧道位置的选择2.1.1 隧道洞口位置选择隧道洞口位置的选择要考虑多种因素。如:地理条件、洞口所处地势、隧道周围的环境以及其他相关施工。隧道洞口施工不能仅仅考虑经济问题。
5、对于隧道勘测设计来说,洞口位置的选择是关键。洞口位置没有选好会造成很多影响。如:工期、造价和施工等。对于危机施工和营运安全的问题,一定要好好对待。因此应慎重考虑洞口的边坡和仰坡的稳定性。隧道右洞所处的地形环境比较优越,洞口位置的确定只需根据“早进晚出”的规则。即进口桩号为C1K1100+300,出口桩号为C1K1101+700。2.1.2 隧道洞身位置选择隧道位置的选择也比较重要,尽量避开不稳定的地层。若实在避免不了,那么务必采取有保障的施工。思剑高速帽子坡隧道右线设计长为1400m,进口桩号是C1K1100+300,出口桩号是C1K1101+700。洞口的设计要保证隧道坡面与轴线垂直。2.2
6、 隧道几何设计2.2.1 隧道线路平面设计隧道中心线越直越好,其决定着隧道平面的好坏。设计过程中应尽量避免曲线。但是由于思剑高速帽子坡隧道进出口高度相差太大,因此隧道中心线只能采用曲线的形式。2.2.2 隧道线路纵断面设计纵断面是指隧道的中心线向垂直面作投影。本设计中的坡度设计尤为重要。隧道中的坡道分为两种:单坡和人字坡。一般对于单方向的隧道,采用单坡。因为单坡有利于通风。当汽车的运行处于下坡时,燃油少,减少有害气体的排放。但是下坡的坡度也不能大于3%,要不然会给施工带来不必要的麻烦。2.3 隧道洞身设计2.3.1 隧道横断面设计2.3.1.1 隧道建筑限界的确定帽子坡隧道右线是单向双车道隧道
7、,限制时速为100km/h,建筑限界取值可为如下:那么隧道的宽度是:3.752+0.752+0.5+1.0=10.5m根据规范可以得到,横向坡度选择1.5%2.0%。本设计中选取i=2%,向右侧倾斜。由上述可得:建筑限界设计如图2.1 所示:图2.1 隧道建筑限界图(单位:cm)由规范可知,隧道里面都要设计紧急停车的地方。由公路隧道设计规范,可以得到紧急停车的地方额外建筑限界的设计图。如图2.2所示:(a)(b)图2.2 紧急停车带的建筑限界、宽度和长度(单位:cm)(a) 宽度构成及建筑限界 (b) 长度 该隧道为上下行分离独立双洞的设计。由规范可以得到横向人行、车行通道断面建筑限界的设计图
8、。如图2.3所示:图2.3 横向人行、车行通道断面图(单位:cm)2.3.2 隧道内轮廓线的确定本隧道围岩条件相对较差。通过将公路隧道施工规范与具体施工情况相结合。该隧道的内轮廓线是根据三心圆法来实现的。由隧道工程得到的参考值,可以画出隧道内轮廓线。如图2.4所示:(a) 级级围岩内隧道内轮廓图(b) 级围岩内轮廓图(单位:cm)图2.4 隧道内轮廓线由于紧急停车带处于五级围岩,由规范可以得到下列数值:R1=570cm,R2=820cm,R3=150cm,R4=1800cm,R5=747cm,H1=162.4cm,H2=200cm,H2=151.5cm。隧道紧急停车带横断面的图如图2.5所示:
9、图2.5 紧急停车带段横断面图(单位:cm)3隧道洞门设计3.1 隧道洞门结构3.1.1 概述洞门是一座隧道的出入口,是一座隧道的外在体现。在很多时候,洞门所处的地质环境往往都比较的差,这就意味着,我们要在更加差的环境下制造出更加牢固的结构。因为,在一些关键时候,隧道口就相当于生命关口。在进行洞门设计的时候,我们要特别注意做好坡顶的防排水设计,这是在实际情况中,被强调的较多的地方。同时,也要注意坡顶松散土石的滑落,在做好结构设计的同时,也应注意到一些细节的地方。洞门类型的选择与隧道入口处的地质情况有关联,在进行隧道设计时,我们应该选择最合理的洞门形式。我们一直都在提倡人与自然和谐发展,因此,我
10、们也应该尽可能在少破坏原有环境下,做到与周边景致协调。3.2 隧道洞门设计与验算3.2.1 隧道洞门设计本隧道洞口入口段隧道入口为V级围岩,强弱风化砂质页岩,岩质较软,岩体较破碎,呈中、薄层状结构,因此选用翼墙式洞门。仰坡坡率1:1.25。洞门厚度B=1.4m。翼墙厚度1.4m。3.2.2 洞门稳定性及强度验算翼墙式洞门应检算以下三点(如图):图3.1 洞门验算条带示意图1、翼墙处条带“”,靠近洞门处,宽1m。2、端墙最易损坏处条带“”。3、端墙与翼墙一起作用的条带“”。3.2.2.1条带“”的验算(挡土墙偏心、强度和稳定性)A 压力计算(1) 各项系数:=45 ,=38.7,=18KN/,f
11、=0.4,=5.7 , H=6.38m, B=1.4m, .(2) 土压力系数计算 土压力系数:(3) 土压力计算根据公路隧道设计规范可取土压力计算模式不确定性系数为=0.6,KNKNB、稳定性及强度验算a.倾覆稳定性验算:ZG=6.38 (洞门倾覆稳定性满足要求)b.滑动稳定性验算: (滑动稳定性满足要求)基底应力及合力偏心距的验算: (偏心距满足要求)c.基底应力验算: (满足规范要求)3.2.2.2 条带“”的检算(截面偏心、强度)(1) 土压力计算由图可知H=7.22m,又=0.224. b=0.5m,B=1.4m,得KNKN(2) 墙身截面偏心验算: (满足墙身截面偏心的要求)(3)
12、 墙应力验算 因为出现负值 (满足规范要求)3.2.2.3 条带“”的验算(滑动稳定性)已知:=0.224,A 土压力计算对于端墙对于翼墙所以B 稳定性及强度验算a.倾覆稳定性的验算满足倾覆性要求。b.滑动稳定性验算 (满足滑动稳定性)c.基底合力的偏心距及压应力的验算 偏心距:满足基底合力偏心距要求.基底压力:有,d.墙身截面偏心的验算 满足墙身截面偏心要求。通过验算可知,设计的翼墙式洞门合格、可用。4 防排水设计4.1 水对隧道的危害隧道受水的危害很大,隧道的积水越久水对隧道的腐蚀就越大。这样就会损坏隧道的结构稳定性。在气温比较低的地方,隧道里面若有积水就容易冷冻结冰。由于热胀冷缩的原理会
13、导致隧道结构受损坏。隧道进水在气温比较低的情况下,还会导致路面结冰,给行车带来不便,易发生交通事故。除此之外,还会给隧道侧壁和拱部的墙壁带来侵蚀,使隧道里的设施器材的功能和寿命减短。因此,隧道防排水设计是隧道施工中非常重要的设计环节。4.2 隧道防排水要求及原则隧道防排水要求可根据地下工程防水设计规范(GB50108-2001)总结如下:(1) 隧道的侧壁、顶部、设施区域和行车道不渗水。(2) 隧道内有冻害地段的隧道衬砌里面无积水。排水沟内不结冰。(3) 隧道两边不能有积水,顶部不能滴水影响行车安全。隧道内部的服务通道也不能漏水。(4) 若隧道内积水减少,渗入地下,给附近居民的日常生活带来不便
14、。此时应该对隧道内的渗水进行围堵。在做好排水措施的前提下,也要保护好周围的环境。隧道内排水要按照水的性质去分别排放。这样才会避免排水设施受到阻碍,是排水设施畅通无阻。以此来避免洞内积水。隧道的防排水设计应该因地制宜。施工过程中要按照防、排、截和堵的原则进行。隧道内外的防排水系统要畅通无阻,将地表水和地下水排出隧道。这样就给隧道的内部设施带来保障,给行车带来安全。4.3 隧道内防排水设计帽子坡隧道地下水并不多。但是由于存在断层,容易出现突水。针对该隧道所处的实际情况,采取防排水设计的原则是:(1) 隧道外面以排水为主。(2) 隧道内的水采用防和排。(3) 对于断层内的突水采用截和堵。(4) 对地
15、下和地表水也采用合理的方法应对。最终使隧道内外的排水系统连成一个畅通的排水体系。为了防止排水系统出现阻塞的情况,可以将清洁的水和污水分别排放。这样就可以保证整个排水系统畅通无阻。隧道内无积水,可以增加隧道内的各种设施的功能和寿命。还可以给行车带来方便。4.3.1 排水沟本隧道采用的防排水设计是中心排水沟。如图4.1所示:图4.1 防排水图由于隧道内的积水掺杂着泥沙和其他物质,因此要在隧道内设置沉砂池。每个沉砂池的间距为50米。检查井的间距要大于等于250m。隧道的中心水沟检查井的设计如图4.2 所示:图4.2 中央排水沟检查井4.3.2 盲沟隧道内应该设置盲沟,盲沟的设置成环向。盲沟间的距离由
16、隧道内水量的多少来确定,一般间距为410m。盲沟之间纵横相连,最终将地下水和地表水汇聚到隧道排水沟一并排出。4.3.3 二次衬砌排水二次衬砌施工中造成的一些缝隙,也会给防排水带来一定的麻烦。因此,要设计相对可靠的防排水体系。要想设计可靠的防排水系统,不仅仅是按照施工规范上的要求。在施工的过程中,要采用防水效果好的材料。4.4 隧道洞外防排水设计隧道口外的地表水会冲刷隧道洞口和隧道两边的侧坡。为了避免这样的情况发生,可以从规范上得到解决方法。根据规范的要求可知:(1) 在隧道的洞口和侧坡设计与地理环境相应的排水设施。(2) 在隧道的两侧分别开挖排水沟,最终将水引入天然排水沟。(3) 在隧道口和两
17、侧铺砌砂石,然后用水泥砂浆将砂石固定。5 隧道通风照明设计5.1 通风设计5.1.1隧道基本参数 道路等级:高速公路,分离式单向双车道(只计算右洞坡度2%)计算行车速度:Vt = 100km/h 空气密度: = 1.2 / 隧道断面积: Ar = 80.52 隧道当量直径:Dr = 10.3 m 设计交通量为:18000辆/高峰日 交通组成:汽油车小型客车 15%小型货车 18%中型货车 24%柴油车中型货车 24%大型客车 13% 大型货车 6% 隧道内平均气温: Tm =20 5.1.2 CO排放量(1) 取CO基准排放量为: =0.01/辆.(2) 取分CO的车况系数为: =1.0(3)
18、 当Vt= 80 km/h 时,由 i = 2% = 1.2 = 0.75 具体如表5-1所示:表5-1考虑各工况车速系数工况车速 100 80 60 402010 1.4 1.2 1.0 1.01.00.8 0.6 0.75 1.0 1.5 3.06.0(4) 平均海拔高度: h=()=972m(5) 海拔修正系数: =0.000556h+0.777778=1.32(6) 交通量组成 :单洞高峰每小时交通量为1200(辆中型车/高峰小时)。可得:汽油车小型客车 180小型货车 216中型货车 288柴油车中型货车 288大型客车 156大型货车 72由公式: = (5.1)其中:() 当=1
19、00km/h时,CO排放量为 : = = (5.2) 同理可得其它速度工况下CO量为:表5-2各工况车速下CO量 ()10080604020101.221.311.452.184.366.98(7) CO最大排放量:又上表知,=10km/h时 CO量最大,为: (5.3)(8) 稀释CO的需风量1) 根据规范,取CO设计浓度为 = 250ppm 交通阻塞时为300ppm。2) 设计温度 T = 273+20 = 293 K3) 大气压计算式: (5.4)其中:;。4) 稀释CO的需风量为: () (5.5)5.1.3烟雾排放量(1) 取烟雾基准排放量为 =2.5/辆.(2) 考虑烟雾的车况系数
20、为 = 1.0(3) 各工况速度的修正系数,车密度系数如下表所示5-3考虑烟雾的各工况车速系数工况车速1008060402010 2.62.62.21.450.850.85 0.60.7511.536(4) 拔修正系数为 = 1.0(5) 由计算式: (5.6)其中: 当=100km/h时,烟雾排放量: =0.882/s (5.7)同理可算得,其它各工况车速下烟雾排放量,如下表:表5-4稀释烟雾各车速需风量(/s)10080604020100.8821.1021.2441.2301.4252.851(6) 当=10km/h时,烟雾产生最多,(7) 稀释烟雾的需风量:1) 取烟雾设计浓度为3.6
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