软岩隧道设计与施工.docx

软岩隧道设计与施工

Design and Construction of
Soft Rock Tunnel

毕业设计成绩单
学生姓名

学号

班级

专业

毕业设计题目
软岩隧道设计与施工
指导教师姓名

指导教师职称
副教授

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
软岩隧道设计与施工
学生姓名

学号

班级

专业
土木工程
承担指导任务单位
土木工程学院
导师
姓名

导师
职称
副教授
两水隧道斜井工区两水隧道斜井工区
教研室主任签字

时　间
　　 年　 月 日

毕业设计开题报告
题　目
软岩隧道设计与施工
学生姓名

学号

班级

专业

一、研究背景
两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，地形较为陡峻，相对高差400m，隧道最大埋深346m。隧址区总体上山势陡峻，地面起伏较大，基岩裸露，降水量较小，地下水补给来源不足。根据地质调查，隧址内围岩级别主要为Ⅴ级围岩，洞内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞，属轻微溶蚀区，该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中，岩溶对隧道工程有一定影响。隧址处位于武都山字型构造体系前弧，受多期次构造的复合，揉皱及构造节理发育，其展布与区域构造线基本一致，以近东西和北西西向为主。隧道范围内未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块状，岩体破碎，完整性差。
本设计所选区段为两水隧道斜井工区，隧道洞身里程DK358+894~DK360+231，总长为1337m，工程难点是控制隧道的大变形，同时保证工期。
二、国内外研究现状
1、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。
2、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；
3、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；
4、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；
三、主要研究内容
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，隧道施工用高压风高压水及电路设计、施工监控量测设计、施工组织管理、主要分项的施工工艺，软岩隧道所采取的特殊施工控制措施等内容。
四、主要研究方法
对于隧道结构设计，首先利用设计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，弹性抗力以及隧底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。算出荷载以后，要进行配筋，即根据计算出来的内力值进行配筋，根据容许应力法进行配筋设计最后进行强度检算和抗裂检算。
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。
五、预期结果
本隧道的二衬厚度为60cm，经过计算简算，最终得出的配筋结果为采用5Φ22，配筋面积为1900 mm2，在初期支护，采用6m的砂浆锚杆，间距为1.0m×0.8m布置。采用工字型钢I20b，每榀间距为0.5m，预留变形量为35cm。
隧道爆破采用钻爆法施工。分四个断面分别进行光面爆破，一共布置170个炮眼。炮眼深度掏槽眼为1.2m，周边眼和辅助眼为1.0m，炮孔直径为42mm。周边眼间距为500mm，辅助眼间距为700mm，掏槽眼间距为500mm。
隧道采用三台阶开挖，先开挖上部台阶，上部开挖完成后施作上部洞身结构的初期支护。上台阶施工至3～5m后，开挖中部台阶，接长钢架，施作洞身结构的初期支护及封底，工序与上台阶相同。中台阶开挖10～20m后，开挖下部台阶，及时封闭初期支护。
出渣方式采用无轨运输，装渣设备采用德国产ITC312H4挖装机1台，装渣时间3-4min/车。
施工监测项目包括洞内围岩及支护状态观察，洞内周边位移观测，拱顶下沉量测，支护、衬砌内应力，锚杆内力，围岩内部位移。
为了保证供电正常，满足施工需要，配置了3路供电线路，主供电线路为35kV的线路，供电能力为2050kVA，潜在供电能力3950kVA。
设置多个泵站，采用两级排水.最大排水能力为7000m3/d，采用150D30×8多级抽水机，每个泵站安装3台，其中备用1台，单台扬程230m，流量150m3。
指导教师签字

时 间
　　 年　 月 日
摘要
软岩对隧道施工过程中隧道的稳定性有很大的影响，因此隧道施工过程中的开挖和支护方法很重要，本设计针对软岩和两水隧道本身的特点，采用钻爆法施工，三台阶法开挖断面，从开挖到支护完成的整个过程，充分体现“新奥法”的精髓，以保证隧道本身的稳定性。
根据“新奥法”施工的要求，文中进行了以下设计，主要内容包括：隧道衬砌结构设计、隧道二次衬砌的结构计算以及施工组织设计，施工组织过程中又针对开挖和支护方法进行了详细的说明，对施工过程中遇到的不良地质地段，提出了相应措施，同时对隧道的施工辅助作业进行了简要设计。
两水隧道的衬砌结构采用复合式衬砌，断面形式为曲墙拱形断面，预留变形量为35cm，初期支护采用锚、喷、网联合支护结构，二次衬砌厚度为60cm，主筋采用5Φ22，纵向连接筋采用Φ14，箍筋采用Φ8。
关键词：软岩隧道 结构设计 施工组织设计
Abstract
Soft rock tunnel stability of the tunnel construction process has a great influence, so the tunnel during the construction methods of excavation and support is very important for the design of two water tunnels in soft rock and its characteristics, the construction of drilling and blasting method three step method excavation section, from excavation to support the entire process to complete, fully embody the "New Austrian Method" the essence to ensure the stability of the tunnel itself.
According to the "New Austrian Method" construction requirements, the paper design for the following main contents include: structural design of tunnel lining, tunnel lining structure of the second calculation and construction design,construction organization for the process and methods of excavation and support a detailed description of the construction process encountered adverse geological location,the corresponding measures,while supporting the construction of the tunnel design work briefly.
Two water tunnel lining structure using composite lining,curved wall section in the form of arched cross section,reserved for deformation of 35cm,initial support of bolt， spray,mesh and supporting structure,secondary lining thickness 60cm,with reinforcement 5Φ22,longitudinal connecting bars using Φ14,hoop with Φ8.

Key words：Soft rock tunnel construction design construction organization
目 录
第1章 绪论 1
1.1 选题意义 1
1.2 国内外现状 1
1.2.1 软弱围岩对隧道失稳的影响 1
1.2.2 软岩隧道失稳破坏特征 2
1.2.3 软弱围岩隧道设计理论 3
1.2.4 软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理 3
1.3 主要研究内容及研究方法 4
1.3.1 主要研究内容 4
1.3.2 主要研究方法 4
第2章 工程概况及工区划分 6
2.1 工程概况 6
2.1.1 隧道概况 6
2.1.2 工程地质和水文地质特征 6
2.2 工区划分及设计区段选定 8
2.3 主要工程特点、难点 8
2.3.1 工程特点 8
2.3.2 工程难点及采取的对策与措施 9
第3章 结构设计 10
3.1 主要设计依据及技术标准 10
3.1.1 设计依据 10
3.1.2 设计标准 10
3.2 结构计算原理 10
3.3 计算模型 11
3.3.1 计算工况 11
3.3.2 计算荷载 11
3.3.3 计算参数 11
3.3.4 计算模型 12
3.4 内力计算 12
3.5 结构检算 14
第4章 施工组织设计 17
4.1 施工总体部署 17
4.1.1 施工准备 17
4.1.2 施工组织机构、施工队伍安排及劳动力配备 17
4.1.3 临时工程规划及施工总平面布置 18
4.1.4 施工进度安排 20
4.2 主要施工方法及机械配套 20
4.2.1 斜井的施工方法及技术措施 20
4.2.2 正洞的施工方法及技术措施 24
4.2.3 监控量测与数据分析 47
4.3 不良地质地段采取的措施 49
4.4 施工辅助作业 52
4.4.1 施工供风 52
4.4.2 施工供水 52
4.4.3 施工供电 52
4.4.4 施工通风 53
第5章 结论 55
参考文献 56
致谢 57
附 录 58
A.1 英文 58
A.2 译文 64
B 图纸 76

第1章 绪论
1.1 选题意义
我国是世界铁路隧道大国。据统计，截止目前，我国铁路隧道通车运营长度已达到6000km，在建隧道约6600km，规划设计长度约7600km，预计到2020年，我国铁路隧道总长将达20000km左右，位居世界第一。
随着我国铁路路网的完善，建设标准的提高，特别是高速铁路和客运专线的大量修建，隧道建设规模和技术水平也踏上了一个新的台阶;然而，软弱围岩隧道坍方、作业人员伤亡等事故却时有发生，隧道建设的安全现状无法与当前的形势相适应。从设计源头上解决当前软弱围岩隧道建设过程中存在的问题，是非常必要和及时的。
两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，地形较为陡峻，相对高差400m，隧道最大埋深346m。隧址区总体上山势陡峻，地面起伏较大，基岩裸露，降水量较小，地下水补给来源不足。根据地质调查，隧址内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞，属轻微溶蚀区，该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中，岩溶对隧道工程有一定影响。隧址处位于武都山字型构造体系前弧，受多期次构造的复合，揉皱及构造节理发育，其展布与区域构造线基本一致，以近东西和北西西向为主。隧道范围内未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块状，岩体破碎，完整性差。
1.2 国内外现状

1.2.1 软弱围岩对隧道失稳的影响
软弱围岩一般是指岩质软弱、承载力低、节理裂隙发育、结构破碎的围岩。软岩对隧道失稳的影响有：
(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。层状软岩的各向异性，使围岩的变形失稳及失稳形态有很强烈的非对称性，软岩的扩容性和塑性明显时会使洞周形成松散破碎区或挤压变形区，软岩的膨胀性会产生挤坏支护或形成严重的底鼓，有明显时间效应的粘土质软岩，则产生粘弹—塑性或粘塑性的变形压力。
(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。岩体的强度往往受结构面强度控制。裂隙的分布不同，也对围岩的稳定造成不同的影响，当节理倾角大于30°、走向与隧道轴线交角小于40°时，危险性较大，而当节理走向与隧道轴线大角度相交，则危险性较小。岩体在节理裂隙切割下形成的不稳定结构块体，是地下工程松动地压的主要来源。
(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。地应力主要有自重应力和构造运动产生或残留的应力两种，其对隧道稳定的影响，主要看最大主应力与最小主应力差值，主应力的大小、方向，各主应力构成特征，以及主应力与工程的相对方位、与岩层主要节理组的夹角等。
(4) 地下水的影响地下水对软岩隧道稳定影响分为四个方面：①对于透水围岩来讲，洞室开挖形成的新自山面使地下水有了排泄通道，在洞周产生了渗压梯度，在围岩内产生了指向洞内的推动力；②由于静水压力作用，饱和水部分岩体中有效压应力减小，其应力状态趋于恶化，抗剪强度减小；③围岩内的水降低了裂隙面摩擦系数和粘聚力；④地下水溶解、搬运矿物颗粒或同矿物成分发生化学作用，使围岩强度进一步恶化。
1.2.2 软岩隧道失稳破坏特征
软岩隧道失稳，一般表现为松动破坏和变形破坏两种形式。松动破坏是因隧道开挖后，围岩应力重新分布，部分围岩成为脱离母岩的分离块体和松散体，在重力作用下，产生冒落和塌滑运动。变形破坏表现的围岩失稳和破坏现象，往往须经过一段时间后方开始显现，反映了岩体的流变性质。所谓流变性质，是指围岩变形在应力不变情况下不断增长(蠕变)，或在变形约束情况下应力随时间降低(松弛)，以及围岩强度随时间降低的性质。隧道开挖后，在二次应力作用下围岩发生蠕变或强度降低，当变形最超过围岩的塑变形允许量或强度降低至允许值后，围岩发生破坏，隧道失稳。软岩隧道失稳破坏具有如下特征：
(1)变形破坏方式多：变形破坏方式一般有拱顶下沉、坍塌，片帮和底鼓、底围隆破，隧道表现出强烈的整体收敛和破坏。变形破坏形式既有结构面控制型，又有应力控制型，以应力控制型为主。
(2)变形量大：拱顶下沉一般大于10cm，有的高达50cm，两帮挤入20cm~80cm，底鼓强烈。
(3)变形速度高：软岩隧道初期收敛速度达到3cm/d，即使采用常规的锚喷支护，软岩隧道的收敛速度仍可达到2cm/d，而且其变形收敛速度降低缓慢。
(4)持续时间长：由于软岩具有强烈的流变性和低强度，软岩隧道掘进后，围岩的应力重分布持续时间长，致使软岩隧道变形破坏持续时间很长，往往长达1~2年。
(5)围岩破坏范围大：由于软岩隧道中围岩的强度与地应力的比值很小，因此，软岩隧道围岩的破坏范围大，特别是当支护不及时或不当时，围岩破坏区的范围可达2.5倍洞径，甚至更大。
(6)各位置破坏不一：在隧道周边不同部位，变形破坏程度不同，这反映了软岩隧道所处的地应力强度因方向而异和软岩具有强烈的各向异性。变形破坏在方向上的差异性往往导致支护结构受力不均，支护结构中产生巨大的弯矩，这对支护结构稳定是非常不利的。
(7) 来压快：软岩隧道变形收敛速度高，在很短时间内，围岩即与支护结构接触，产生压力。围岩与支护结构相互作用后，围岩的变形破坏并不立即停止，而是继续下去。这是因为软岩具有流变性，在围岩流变过程中，围岩的强度降低。因此，地压随时间而逐步增长。
1.2.3 软弱围岩隧道设计理论
在隧道工程的设计与施工中，除了了解软弱围岩隧道“自稳差、易坍塌”的工程特点，还必须清楚地认识到隧道不同于地面建筑物的3个主要特点：
(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。
为有效控制隧道工程安全风险，避免或减少坍方事故发生，应以“充分调动围岩的承载能力，有效控制围岩变形和松弛”为设计理念，按新奥法原理进行软弱围岩隧道设计。
1.2.4 软岩隧道支护方法现状及其支护作用机理
软岩隧道当前支护方法分为改善围岩自身受力条件和对围岩直接提供支护力两种：
(1)改善围岩自身受力条件：①注浆。分为注水泥浆、水泥—水玻璃浆、化学注浆。其目的是充填裂隙，提高围岩完整性、连续性、增加围岩的整体强度。②锚杆支护。锚杆支护的目的是消除岩体结构效应，在围岩内形成组合拱，同时锚杆对围岩施加压力，使处于二向应力状态的围岩保持三向应力状态。③喷射混凝土支护。喷射混凝土改变围岩表面受力状态，增加围岩表面抗力，防止松动块掉落，喷射混凝土的柔性支护使围岩在不出现有害的塑性变形下，释放围岩压力，喷射混凝土还可将围岩压力均匀的传递给钢拱架、锚杆，使支护结构受力均匀。④挂钢筋网。主要是提高喷层的承载力，承受剪力和拉力。
(2)直接对围岩提供支护力：①超前支护。一般采用超前管棚或锚杆，在隧道开挖前，沿隧道轴向支护，对开挖后产生的松动圈提供支护力，防止松动块塌落，恶化了围岩的受力状态。②格栅钢拱架。钢拱架主要是对松动压力和围岩过分变性的形变压力提供支护。③钢筋混凝土二次衬砌。其作用同格栅钢拱架，并对隧道稳定提供安全储备。
以上儿种支护是相辅相成的。其中，喷射混凝土既能改善围岩受力条件，也提供支护力，可缩性钢拱架既对围岩提供了支护力，也可控制围岩变形，释放部分围岩应力。
1.3 主要研究内容及研究方法

1.3.1 主要研究内容
对于本毕业设计主要有两个方面，一是软岩隧道的结构设计，包括二次衬砌厚度的确定，以及采用何种混凝土衬砌，并且进行荷载计算、内力分析和二次衬砌配筋设计。其中主要包括假设喷射混凝土的类型，厚度，锚杆长度，采用砂浆锚杆，锚杆的直径，锚杆间距，并且锚杆是否设置钢垫板，垫板的尺寸。在拱部，边墙部位都要进行布置，钢拱架采用钢的种类，标号，间距，采用的钢筋网网格间距；二是施工组织设计，包括：采用分步台阶法开挖施工方法，钻爆法施工，采用光面爆破设计，采用挖掘装载机进行除渣，初期支护根据地质条件不同而不同，主要采用锚喷网为主的支护方式，进行二次衬砌仰拱要紧跟开挖面，之后再施工边墙和拱圈，为了防水，可以进行注浆防水，初期支护喷射混凝土防水，二次衬砌防水层防水，排水系统主要是在隧道内安装抽水泵进行排水。隧道施工用高压风高压水及电路，施工监控量测主要包括洞内围岩及支护状态观察；洞内周边位移观测；地表下沉量测；进行科学的施工组织管理；主要分项的施工工艺包括打锚杆，喷射混凝土，铺钢筋网，架设钢拱架；软岩隧道特殊施工段可以进行超前地质预报，然后进行强支护，弱爆破进行施工。
1.3.2 主要研究方法
对于隧道结构设计，首先利用设计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，弹性抗力以及隧底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。算出荷载以后，要进行配筋，即根据计算出来的内力值进行配筋，根据容许应力法进行配筋设计最后进行强度检算和抗裂检算。
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。
第2章 工程概况及工区划分
2.1 工程概况

2.1.1 隧道概况
两水隧道位于甘肃省武都区白龙江左岸中山区，地形较为陡峻，相对高差400m，隧道最大埋深346m。进口端位于武都区附近212国道边，出口位于武都区北峪河右岸斜坡，省道307在此通过，另山顶为油橄榄种植园，有便道通达，该隧道交通便利。隧道起讫里程为DK357+082~DK362+095，全长4933.346m，隧道进口至洞身中部附近位于直线上，其他部分位于R-3504.525m的曲线上。洞身设有短链(DK357+120.346=DK357+200)，短链长度为79.654m。
2.1.2 工程地质和水文地质特征
(1)工程地质特征
隧道洞身涉及地层主要为志留系中、上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩、灰岩等，其主要岩性特征如下：
①千枚岩夹板岩(S2+3ph+Sl)为隧道通过主要地层，以千枚岩为主，局部夹有板岩，青灰、灰黑色为主，鳞片变晶结构，片状构造，具丝绢光泽，受构造影响岩体破碎，Ⅳ级软石，σ0＝600kPa；风化层厚4～6m，Ⅲ级硬土，σ0＝450kPa。节理发育，薄层、薄片状岩层被切割成碎块状，岩体破碎，完整性差。
②炭质千枚岩夹板岩(S2+3cph+Sl)：为隧道通过主要地层，以炭质千枚岩为主，局部夹有板岩，深灰、灰黑色为主，含炭质，鳞片变晶结构，片状构造，具丝绢光泽，污手，受构造影响岩体破碎，Ⅳ级软石，σ0＝500kPa；风化层厚4～6m，Ⅲ级硬土，σ0＝300kPa。岩体受构造影响，褶皱发育，薄片、薄层状岩层被节理切割成碎块状，岩体极破碎，完整性差。
③灰岩(S2+3Ls ): 多出露于隧道洞身上部的基岩陡坎处，洞身也有可能以夹层存在，地表局部大片出露。灰色、灰白色，隐晶质结构，中层状构造，岩体节理较发育，Ⅴ级次坚石，σ0＝1000kPa，风化层厚0.5～1m，Ⅳ级软石，σ0＝700kPa。
隧道洞身通过的志留系中、上统千枚岩、炭质千枚岩，岩质较软，受构造影响严重，岩层产状多变，总体主导岩层产状：N10°～75°W/30°～65°S。
(2)地质构造
隧址处位于武都山字型构造体系前弧，受多期次构造的复合，揉皱及构造节理发育，其展布与区域构造线基本一致，以近东西和北西西向为主。隧道范围内未见区域性大断裂通过，但岩体受构造运动的影响，揉皱、褶皱发育，软弱岩体被切割成块状、碎块状，岩体破碎，完整性差。主要节理产状:
J1：N55°W／70°N，d=0.1～0.3m，l=2～5m，较平直，微张；
J2：N60°E／40°N，d=0.1～0.2m，l=2～5m，较平直，微张；
J3：N30°E／60°N，d=0.3～0.5m，l=0.5～1.0m，较平直，微张；
J4：N30°W／65°N，d=0.01～0.02m，l=0.5～1m，较平直，微张；
J5：N25°E／75°S，d=0.03～0.05m，l=0.5～1m，较平直，微张。
(3)水文地质特征
隧址区总体上山势陡峻，地面起伏较大，基岩裸露，降水量较小，地下水补给来源不足。根据现场调查，虽然洞身基岩节理裂隙较发育，岩体破碎，除个别沟谷有零星季节性泉水出露外，隧道所在区域支沟均无水，结合区域资料综合分析，围岩的富水程度为弱富水区，对圬工不具氯盐和硫酸盐化学侵蚀性。隧道可能出现突水地段主要位于浅埋的支沟谷底，岩性接触带及延伸长大的节理、裂隙密集带，预测隧道最大总涌水量为7008m3/d。
(4)不良地质及特殊岩土
根据地质调查，隧址内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞，属轻微溶蚀区，该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中，岩溶对隧道工程有一定影响。
(5)地震动参数及气象资料
①地震动参数
根据《建筑抗震设计规范》GB50011－2001、《中国地震动参数区划图》GB18306－2001，该工程所属区地震动峰值加速度为0.2g，动反应谱特征周期为0.45s，相当于地震基本烈度八度。
②气象资料
据武都县气象站气象资料显示：隧道区内属半干旱大陆性气候，雨量集中，蒸发量远大于降雨量，温差变化大，多风。年平均气温14.6℃，极端最高温度38.6℃，极端最低温度-8.6℃，最冷月平均3.3℃；年平均降雨量471.9mm，年平均蒸发量1897.5mm，平均相对湿度58%，最大风速19m/s，年平均八级以上大风日数10.4天 ，最大积雪厚度11cm，最大季节冻土深度13cm。
(6)洞口位置的确定及洞门型式的选择
①兰州端洞口：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，兰州端洞口定于DK357+082，采用单压明洞门，明暗分界里程DK357+090附近。
②重庆端洞口：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重庆端洞口定于DK362+095，采用偏压式明洞洞门，明暗分界里程DK362+090附近。
③为确保隧道进洞安全，进、出口进暗洞前设置一环φ108大管棚，管棚环向间距40cm，长度L-30m。
(7)衬砌支护设计
①隧道内轮廓按旅客列车行车速度目标值200km/h设计，建筑限界满足双层集装箱运输要求，隧道轨面以上净空横断面积为87.13m2。
②隧道按喷锚构筑法技术要求设计，隧道均采用曲墙带仰拱复合式衬砌，初期支护采用喷锚支护。
2.2 工区划分及设计区段选定
本设计所选区段包含斜井，其位于里程DK359+300处线路右侧，斜井长372m，平面交角60°28'25"，洞口高程1069.60m。隧道洞身里程DK358+894~DK360+231，总长为1337m，洞身涉及地层主要为志留系中、上统千枚岩夹板岩、炭质千枚岩夹板岩、灰岩等，围岩级别全部为Ⅴ级，根据地质调查，隧址内灰岩有轻微溶蚀裂缝及少量的溶蚀坑洞，属轻微溶蚀区，该隧道灰岩主要以夹层存在于千枚岩中，岩溶对隧道工程有一定影响。斜井工区主要工程数量表如表2-1所示
表2-1 斜井工区主要工程数量表
项目
材料
数量
单位
开挖量
土
204000
m3
喷混凝土
C25
17742
m3
钢筋网
φ8
156937
kg
钢架
I[20b]
1883271
kg
中空锚杆
φ22
152418
根
砂浆锚杆
φ22全螺纹
136374
根
拱墙及仰拱钢筋混凝土
C35
32653
m3
仰拱填充混凝土
C20
11057
m3
侧沟沟身混凝土
C25
1955.64
m3

2.3 主要工程特点、难点

2.3.1 工程特点
(1)本隧道设计为无轨运输，通风、排烟困难。
(2)隧道排水困难。
(3)工程质量标准高，设计速度200km/h以上。
2.3.2 工程难点及采取的对策与措施
本节简单列述工程难点及采取的对策与措施，详细内容见表2-2
表2-2 工程难点及采取的对策与措施
工程难点
拟采取的对策与措施
控制隧道大变形
(1) 采用短开挖、加密支撑措施，防止围岩变形过大二导致坍塌。
(2) 适当加大预留变形量，防止初期支护变形侵限。
(3) 加强临时支护——喷、锚、压浆、钢拱架等，以加固地层。
(4) 支护机构组成及施工顺序按“先柔后刚，先放后抗”的原则。
(5) 提高混凝土的强度，必要时可以采用钢筋混凝土内衬，或在衬砌中掺加钢纤维。
隧道快速施工
(1)出碴根据设计采用无轨方式，加强通风，各作业线均配备高效率机械化施工，精心组织。
(2)加强监控量测。不良地段稳扎稳打，地质良好段加快施工进度。
(3)洞内外采用有线、无线通讯方式，及时将掌子面附近的情况报告调度室，提高施工调度的效率。
(4)采用激光断面仪修正光爆参数，控制超欠挖。

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)《铁路工程不良地质勘察规范》(TB10027-2001)
(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)软岩隧道设计说明，衬砌横断面、配筋及钢架图，两水隧道纵断面出图，两水隧道灰崖子斜井纵断面图，内轮廓图
(6)《铁路隧道施工规范》(TB10204-2002)
(7)《铁路隧道工程质量检验评定标准》(TB10417-98)
(8)《铁路砼与砌体工程施工规范》(TB10210-2001)
3.1.2 设计标准
隧道内轮廓按旅客列车行车速度目标值200km/h设计，建筑限界满足双层集装箱运输要求，隧道轨面以上净空横断面积为87.13m2。
3.2 结构计算原理
隧道结构按结构“破损阶段”法，以材料极限强度进行设计。
隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的安全系数。按所采用的施工方法检算施工阶段强度时，安全系数可采用表列“主要荷载+附加荷载”栏内数值乘以折减系数0.9。.
计算隧道整体式衬砌及明洞时，应考虑围岩对衬砌变形的约束作用。
喷锚衬砌和复合式衬砌的初期支护，直接按工程类比法确定衬砌设计参数；施工期间应通过监控量测进行修正。对地质，大跨度，多跨度和有特殊要求的隧道，除采用工程类比法外，还应结合数值解法或近似解法进行分析确定。计算复合式衬砌时，初期支护应按主要承载结构计算。二次衬砌在Ⅳ-Ⅵ级围岩，应按承载结构设计。
隧道的混凝土偏心受压构件，其轴向力的偏心距不宜大于截面厚度的0.45倍。
3.3 计算模型

3.3.1 计算工况
两水隧道斜井工区地质主要为Ⅴ级围岩，里程DK358+894~DK360+231，总长为1337m，都属于深埋隧道。
3.3.2 计算荷载
垂直松动压力：

式中 hq——等效荷载高度值；
S——围岩级别，如Ⅲ级围岩S=3；
——围岩的容重；
——宽度影响系数，；
其中 B——坑道宽度，以m计；
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。
w=1+0.1×(14.06-5)=1.906
hq=0.45×16×1.906=13.7232kN·m
q =18kN/m3×13.7232kN·m=247.0176kN/m2
地层侧向压力：
e=0.4×247.0176=98.80704 kN/m2
3.3.3 计算参数
Ⅴ级围岩：喷射混凝土采用的是C25，厚度为30cm，二次衬砌采用C35钢筋混凝土，厚度为0.6m，另外仰拱用C20混凝土填充，宽度B为14.06m，围岩重度为18kN/m3，侧压力系数为0.4，二次衬砌混凝土的密度为2400kg/m3，其弹性模量为31.5GPa，泊松比为0.35，取单位长度1m的隧道模型，弹性反力系数为150MPa/m。

3.3.4 计算模型
采用“荷载——结构”模型时，作用在初期支护上的荷载有永久荷载的地层压力、结构自重及地层被动压力，可变荷载的地面车辆荷载及其动力作用，不计水压力、偶然荷载等其它荷载。
初期支护结构按弹性支撑链杆图式计算，将计算断面划分为直梁等分单元，拱部90°~ 120°(自动试算确定)范围不设弹性链杆，侧边加水平链杆，底边加竖直链杆。对于墙脚为圆角形支护，圆角处各节点同时采用水平链杆和竖直链杆。
3.4 内力计算
Ⅴ级围岩二衬结构计算模型如图3-1所示：

图3-1 Ⅴ级围岩二衬结构计算模型

Ⅴ级围岩二衬弯矩如图3-2所示：

图3-2 Ⅴ级围岩二衬结构弯矩图(kN·m)
Ⅴ级围岩二衬结构轴力如图3-3所示：

图3-3 Ⅴ级围岩二衬结构轴力图(kN)

3.5 结构检算
Ⅴ级围岩拱顶：
垂直压力：q = 247.0176kN/m2
水平压力：e = 98.80704kN/m2
仰拱弯矩最大处：
弯矩设计值：M=120kN∙m; 轴力设计值：N=1510kN
由配筋计算截面为矩形，b=1000mm、h=600mm，混凝土为C35，钢筋采用HRB335。即：a=50mm，Rw =32.5MPa，Rg=360MPa，Ra=26MPa，Rl=2.5MPa。
由
(3-2)
得h0= 600-50=550mm
由
(3-3)
得e0=79.64mm
受压强度检算：由
(3-4)
得 Ra=26×106Pa，故有Ra≥=8.54×106 成立，所以受压强度符合标准。
受拉强度检算：由
(3-5)
得 Rl=2.5×106Pa，故Rl≥KN /(1.75×b×h)=2.4×1510×1000×(6×79.64/600-1)/(1.75×1×0.6) 成立，故不需要配筋
假设为大偏心构件：
求受压区高度x：
(3-6)
由于采用对称配筋，所以，则由