学年第一学期期末隧道工程答案模板.doc

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- 第一学期期末《隧道工程》大作业
1、 阐述道路隧道衬砌的基本类型及其适应条件。(15分)
答: 四种: ①直墙式衬砌。常见于岩石地层、 垂直围岩压力为主要计算荷载, 水平围岩压力很小时。一般适用于Ш、 Ⅱ级围岩, 有时Ⅳ级。 
② 曲墙式衬砌。一般在Ⅳ级以下围岩中, 且水平压力较大的情况。 
③ 圆形或近似圆形衬砌。适于膨胀性围岩的山岭隧道, 盾构法施工的水底隧道。
④ 矩形断面衬砌。沉管法施工的水下隧道、 明挖法施工的隧道。

2、 阐述公路净空和建筑限界的含义以及隧道衬砌断面的拟定过程。(15分)
答: 公路净空: 是公路的路面以上的高度,一般是按公路的等级来规定的,高速、 一级公路的净空为5米,其它公路为4.5米。
建筑限界: 指为保证各种交通的正常运行与安全, 而规定的与交通线路中心线垂直的极限横断面轮廓, 是根据行车车辆、 道路附属设备以及其它服务系统所需空间制定的。在此轮廓内, 除行车车辆及与行车车辆有相互作用的设备外, 不允许有任何设施及障碍物侵入。
隧道衬砌断面的拟定过程: 拟定衬砌结构尺寸, 需考虑三个方面因素: 第一是选定净空形状, 也就是选定结构的内轮廓; 第二是选定计算结构轴线; 第三是选定各个截面的厚度。
( 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, 同时又应尽量减小坑道的断面积, 使土石开挖量和圬工砌筑量最少。( 2) 结构轴线: 隧道衬砌结构的轴线接近于压力线, 使各个截面上主要承受压力, 而极小断面承受很小的拉力, 从而充分地利用混凝土材料的性能。( 3) 截面厚度: 衬砌各截面的厚度应具有足够的强度。

3、 试述围岩、 围岩分类的方法、 围岩稳定性影响因素及中国隧道围岩分类结果。(20分)
答: 围岩: 指隧道开挖以后其周围产生应力重分布范围内的岩体。岩或者是指隧道开挖以后对其稳定性产生影响的那部分岩体( 土体) 。
围岩分类的方法: 主要是针对支护工程的需要而对相应的地质进行的分类。
( 1) 公路隧道围岩的分类方法; ( 2) 以岩体构造、 岩性特征为代表的分类方法; ( 3) 与地质勘测手段相联系的分类方法; ( 4) 组合多种因素的分类方法; ( 5) 以坑道稳定性为指标的分类方法。
围岩稳定性影响因素: ( 1) 围岩的完整状态; ( 2) 结构面的性质; ( 3) 结构面的组合状态; ( 4) 初始应力状态; ( 5) 岩石的本身强度; ( 6) 地下水的影响; ( 7) 人为因素.
中国隧道围岩分类结果:

4、 试述隧道施工预支护和初期支护的主要方法种类、 适用条件和特点。(25分)
要求涵盖超前锚杆、 管棚、 注浆加固( 小导管注浆、 超前深孔帷幕注浆水平旋喷注浆) 、 锚喷支护。
答: 隧道施工预支护的种类:
(一)超前锚杆、 小钢管
超前锚杆主要适用于地下水较少的软弱破碎围岩的隧道工程中, 如土砂质地层、 弱膨胀性地层、 流变性较小的地层、 裂隙发育的岩体、 断层破碎带、 浅理无显著偏压的隧道等, 也适宜于采用中小型机械施工。
超前锚杆宜采用早强砂浆锚杆, 锚杆可用不小于ø22的螺纹钢筋。其超前量、 环向间距、 外插角等参数应视具体的施工条件而定。
(二)管棚
管棚主要适用于围岩压力来得快、 来得大, 用于对围岩变形及地表下沉有较严格限制要求的软弱破碎围岩隧道工程中。如土砂质地层、 强膨胀性地层、 强流变性地层、 裂隙发育的岩体、 断层破碎带、 浅埋有显著偏压等围岩的隧道中。另外, 在一般无胶结的土及砂质围岩中, 可采用插板封闭较为有效;在地下水较多时, 则可利用钢管注浆堵水和加固围岩。
短管棚(长度小于l0m的小钢管)一次超前量小, 基本上与开挖作业交替进行, 占用循环时间较大, 但钻孔安装或顶入安装较容易。
长管棚(长度为10~45m, 直径较粗的钢管)一次超前量大, 单次钻孔或打入长钢管的作业时间较长, 但减少了安装钢管的次数, 减少了与开挖作业之间的干扰。
(三)超前小导管注浆
超前小导管注浆是在开挖掘进前, 先用喷混凝土将开挖面和5m范围内的坑道封闭, 然后沿坑道周边打入带孔的纵向小导管并经过小导管向围岩注浆, 待浆液硬化后, 在坑道周围形成了一个加固圈, 在此加固圈的防护下即可安全地进行开挖。
超前小导管注浆不但适用于一般软弱破碎围岩, 也适用于地下水丰富的松软围岩。但超前小导管注浆对围岩加固的范围和强度是有限的, 在围岩条件特别差而变形又严格控制的隧道施工中, 超前小导管注浆常常作为一项主要的辅助措施, 与管棚结合起来加固围岩。
(四)预注浆加固围岩
预注浆方法是在掌子面前方的围岩中将浆液注入, 从而提高了地层的强度、 稳定性和抗渗性, 形成了较大范围的筒状封闭加固区, 然后在其范围内进行开挖作业。
预注浆一般可超前开挖面30~50m, 能够形成有相当厚度的和较长区段的筒状加固区, 从而使得堵水的效果更好, 也使得注浆作业的次数减少, 它更适用于有压地下水及地下水丰富的地层中, 也更适用于采用大中型机械化施工。
隧道施工初期支护的种类:
(一)喷射混凝土
喷射混凝土是用压力喷枪喷射混凝土的施工法。常见于灌筑隧道内衬、 墙壁、 顶棚等薄壁结构或其它结构的衬里以及钢结构的保护层。喷射混凝土的工艺流程有干喷、 潮喷、 湿喷和混合喷。
(二)锚杆
锚杆是用钢筋或其它高抗拉性能的材料制作的一种杆状构件。按照锚固形式可划分为全长粘结型、 端头锚固型、 摩擦型和预应力型四种。锚杆对地下工程的稳定性起着重要的作用, 特别是在节理裂隙岩体中, 锚杆对岩体的加固作用十分明显, 具有结构简单、 施工方便、 成本低和对工程适应性强等特点。
 (三)钢支撑
钢支撑具有承载能力大的特点, 常常见于软弱破碎或土质隧道中, 并与锚杆、 喷混凝土等共同使用。钢支撑按其材料的组成可分为钢拱架和格栅钢架。
(四)锚喷支护
锚喷支护是当前一般采用的一种围岩支护手段。包括锚杆支护、 喷射混凝土支护、 喷射混凝土锚杆联合支护、 喷射混凝土钢筋网联合支护、 喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、 喷钢纤维混凝土支护、 喷钢纤维混凝土锚杆联合支护, 以及上述几种类型加设型钢(或钢拱架)而成的联合支护。

5、 计算: 某道路隧道, Ⅲ级围岩, 开挖尺寸: 高7.6米, 宽9.9米, 矿山法施工, γ为22KN/m3, 埋深10米。( 15分)
( 1) 判断该隧道属深埋还是浅埋;
( 2) 求作用在支护结构上的竖向和水平围岩压力。
答: 坑道高度与跨度之比为: Ht/Bt = 7.6/9.9 = 0.77 < 1.7 
且为矿山法施工, 先假设隧道为深埋隧道, 则垂直围岩压力值可按如下公式计算:
q = 0.45 x 2 s -1 γ ω 
因Bt = 9.9m  故 i=0.1 
ω = 1+ i (Bt - 5) =1+0.1(9.9 - 5) = 1.49 
将s = 3, γ=22 KN/m3, ω＝ 1.49 代入上边的垂直围岩压力值计算公式,
可得: q ＝ 59 KN /m2 
等效荷载高度: hq = q/γ =59/22=2.68m 
深、 浅埋隧道的分界深度: Hp = (2～2.5) hq=5.36～6.70m 
因隧道埋深为10米, 大于Hp, 故本隧道为深埋隧道, 垂直围岩压力即为以上计算值。
q ＝ 59 KN/m2 
因围岩为Ⅲ级, 则水平均布围岩压力e为:
e ＝ (0～1/6) q =0～9.8 KN/m2 

6、 分析: 某公路隧道采用新奥法施工, 在开挖过程中对不同类别围岩的变形进行了长期监测, 得到其中三个典型断面的拱顶下沉—时间曲线如下图。试据此曲线分析各断面的变形发展趋势并指出应采取的必要措施。(10分)

答: 曲线1: 本截面围岩变形充分, 且能较长时间保持稳定, 说明本截面的围岩应力及变形已充分释放, 此时可施作喷射混凝土, 以封闭裂隙, 防止围岩风化, 确保围岩安全, 必要时可增设锚杆。  
曲线2: 本截面围岩较1截面的质量稍差, 变形稍大, 开挖后应及时打入锚杆, 约束围岩的过大变形, 充分发挥围岩的承载力, 待变形发展完成并能较长时间维持稳定, 即可施作喷射混凝土。  
曲线3: 本截面围岩较差, 开挖后应及时打入锚杆并及时初喷混凝土, 约束围岩的过大变形, 由于围岩的变形经历一段时间发展后有变大趋势, 此时应根据变形监测情况适时补充锚杆, 并施作内层二次衬砌, 确保围岩稳定, 必要时能够施作仰拱来调控围岩变形。