简述通渝公路隧道工程设计
目录
1 工程概况
2 工程地质条件简述
2.1 岩溶及岩溶水
2.2 高地应力及岩爆
2.3 软弱围岩及大变形
2.4 煤层及瓦斯
3 总体设计隧道平面设计
4 隧道结构设计
5 特殊地质地段设计
5.1 岩溶及岩溶水
5.2 高地应力及岩爆
5.3 煤层及瓦斯
5.4 软弱围岩及大变形
6 洞口设计
7 防排水设计
8 隧道路面设计
9 隧道通风系统
10 隧道照明系统
11 隧道消防系统
12 供配电系统
13 结论
关键词:公路隧道;设计;高地应力;岩爆;岩溶;煤层瓦斯
代写工程硕士论文
1 工程概况
在2004年重庆市属的所有地级市、县,到重庆主城的时间不超过8小时,打通距重庆市区最远的城口人民出山的省道202线城(口)黔(江)路燕子河至大进段,此段工程规模最大的构筑物是位于城口与开县交界地区的满月(地名)隧道,它是城口通往重庆的控制性工程,所以被亲切地命名为“通渝隧道”。它是“8小时重庆”工程的重要组成部分。通渝隧道位于城口与开县交界的雪宝山地区,处于四川盆地边缘,北距城口县98 km、南距开县110 km。隧道起于城口县咸宜乡青龙村,至开县满月乡甘泉村。隧道为单洞二车道双向行驶公路隧道。隧道全长为4279m。
2 工程地质条件简述
通渝隧道位于四川盆地边缘的雪宝山区,属强烈切割的溶蚀高中山地形。山岭走向及其间呈平行展布的槽谷走向与构造线基本一致,即呈北西西—南东东向,地势总趋势又呈东北高,西南低。区内最高点标高2176.3m,最低点标高1110.4m,相对高差1065.9m,属高中山地貌,山高坡陡。石灰岩分布区具岩溶地貌。隧址区属亚热带季风气候,四季分明,夏秋季节水量充沛,春冬云雾多,湿度大,年最高气温42℃,年最低气温-4.5℃。区内冬春季节常有降雪,最大积雪深度达1•2m。通渝隧道自北而南穿越八台山~大宁厂向斜(主体构造)和甘泉背斜。进口位于八台山~大宁厂向斜北翼(亦为杨溪河背斜南翼)志留系纱帽组(S2s),向南穿越地层依次为二叠系、三叠系大冶组(主向斜轴部地层)、二叠系、志留系、奥陶系、寒武系三游洞组(甘泉背斜轴部地层)、奥陶系,出口为甘泉背斜南翼奥陶系宝塔组(O2b),除志留系为页岩、少量粉砂岩及奥陶系部分为泥、页岩外,其余地层主要为石灰岩及泥质灰岩、白云岩等。区域构造较复杂。构造裂隙较发育。隧道不良地质现象主要有:
2.1 岩溶及岩溶水
隧址区岩层主要为石灰岩,占隧道围岩的70%左右,岩溶发育,特别是地表浅部溶蚀洼地、落水洞、漏斗成片出现再加上隧址区地质构造又主要为一向斜,给地下水的汇集创造了极好的条件,一方面由于岩溶溶蚀作用破坏了岩体的完整性而形成岩溶,另一方面汇集的地下水形成岩溶水使隧道施工的难度增大,施工时易出现突水、突泥现象。
2.2 高地应力及岩爆
区内部分岩石的单轴抗压强度已接近80MPa,故埋深超过800 m或850 m的部分极硬岩在局部有可能发生岩爆。隧道埋深800~1200m的深段长度达1285m,占隧道长度的30%,重点是呈连续厚层状的志留系砂岩和二叠系石灰岩,尤以石灰岩中所夹燧石条带为最,因其硬度、脆度大,更具岩爆可能。
2.3 软弱围岩及大变形
通渝隧道将穿越志留系页、泥岩夹泥质砂岩、粉砂岩,厚度大,分布连续,属极软岩、软质岩、硬质岩相间组合。其中一段洞轴线从一山脊通过,隧道埋深440~610m,两侧有平行展布的横向沟谷,谷底离设计路面高差300~500m,推断地应力有一定释放,局部将产生轻微塑性变形。另一段处于隧址区最高山岭之下,隧道埋深达610~1030m,计算的最大水平主应力为21~32MPa,局部可能产生中等或严重塑性变形。另外,主向斜南翼梁山组(P11)和吴家坪组第一段(P2w1)埋藏深度大,最大水平主应力达29.89~34.45MPa,而两组段所夹煤层及铝土岩、粘土岩等软弱岩层力学性能差,故该段可能产生较严重的塑性变形。
2.4 煤层及瓦斯
通渝隧道穿越吴家坪组第一段(P2W1)和梁山组(P11)二个含煤岩系。上述二段、组地层依次含C1、C2两层煤:C1位于P2W1中上部,厚0~1.59m,无夹矸,煤层顶底板依次为灰色砂屑灰岩、深灰色砂质泥岩,煤层底板之下为厚灰白色粘土岩(软弱夹层);C2位于Pll中部,厚0~2.00m,无夹矸。以上两层煤均含瓦斯,C1、C2煤层瓦斯总涌出量依次为2.98m3/min、2.65m3/min,穿越C1、C2煤层时空气中的瓦斯浓度依次为1.47%、1.31%,均大于0.5%,隧道穿越煤层前应采取相关措施。该两煤层均无人开采。
3 总体设计隧道平面设计
为直线隧道;隧道纵断面设计为人字坡,隧道进口段设计纵坡为0.6%,里程由小到大为上坡;隧道出口段设计纵坡为-0.6%,里程由小到大为下坡;变坡点设置凸向竖曲线。隧道内轮廓设计为曲墙半圆拱(马蹄型),路面横坡设计为人字坡,坡比2%。隧道内交错设五处紧急停车带,紧急停车带长40 m,较一般段加宽3.0 m,净空为三心圆拱。 在隧道路线前进方向左侧设贯通避难通道,避难通道进口部分设半径为22 m的圆曲线,其余部分避难通道为直线通道,避难通道轴线与隧道轴线平行,两轴线距离为22 m,避难通道全长4303•84m。隧道与避难通道间设9条联络通道,联络通道与隧道及避难通道均成90°直交。
4 隧道结构设计
通渝隧道道路等级为山岭重丘二级公路;设计车速为40km/h;隧道限界净宽为9•9(2×3.75+2×0.75)m;限界净高为5•0 m;设计交通量为3749辆/日(中型车);隧道内CO允许浓度:正常营运时250PPm,发生事故时短时间(20min)内为300PPm;隧道烟尘允许浓度为0•0075m-1。图2 隧道建筑限界及内轮廓图隧道按新奥法设计,采用复合式衬砌,初期支护以喷射混凝土、锚杆和钢筋网为主要手段,局部辅以格栅拱加强。二次衬砌采用C25整体式现浇素混凝土,个别地段如风机吊挂加强段采用钢筋混凝土。隧道洞室开挖要求尽量采用全断面开挖,软弱围岩段采用分部开挖,Ⅱ型衬砌段及Ⅲ型衬砌破碎带以超前锚杆预支护作为辅助施工措施,爆破作业时要求采用光面爆破或预裂爆破等控制爆破技术。喷射混凝土标号为C20,锚杆采用Φ22药包锚杆,锚杆露头加设150×150×8 mm的钢垫板;钢筋网采用Φ6.5钢筋,Ⅲ类围岩以下衬砌段初期支护中采用格栅拱加强,格栅拱用Φ22钢筋和Φ10钢筋加工而成。隧道二次衬砌采用C25素混凝土或钢筋混凝土,要求施工时应采用全断面模板台车施作,机械泵送;在地下水丰富隧道段模注混凝土拌和时建议添加混凝土膨胀剂,增加模注混凝土的密实度,提高防水效果。明洞衬砌为C25钢筋混凝土。要求隧道施工过程中应加强新奥法监测,进行以下量测工作:超前地质预报、围岩地质衬砌支护观测、地表沉降观测、周边收敛观测、拱顶下沉观测等必测项目量测。掌握围岩变化情况,保证施工安全。避难通道及联络通道按新奥法设计,采用复合式衬砌,初期支护以喷射混凝土、锚杆为主要手段,避难通道软弱围岩段和不良地质段二次衬砌采用C25整体式现浇素混凝土,Ⅳ类围以上隧道段不设二次衬砌。
5 特殊地质地段设计
5.1 岩溶及岩溶水
在石灰岩地段进行隧道开挖施工时,首先采用超前地质预报,分段对溶洞的发育状况进行探测预报,并利用超前探测钻孔进行验证,根据探测结果采用相应的施工措施。并时刻作好突水等紧急情况的处治准备。对于超前探孔中单孔流量大于3 L/s,或掌子面总流量小于10 L/s的岩溶,应根据岩溶的具体位置,预留5~8 m围岩段,进行局部超前注浆堵水;对于掌子面总流量大于10 L/s的岩溶或超前60%以上探孔均出水的围岩段,应预留8~10 m围岩段进行注浆堵水,如该岩溶与上部岩溶或地表有水力联系的,则溶洞水无法在衬砌之前排干,均采用全封闭衬砌,如该岩溶与上部岩溶或地表无水力联系,可采用常规复合式衬砌结构,在隧道墙背加密排水盲沟,将水排入侧埋式排水沟。对于位于开挖轮廓线外一倍洞跨内的岩溶,采用封堵、加固措施:首先清除溶洞内松散充填物,采用喷、锚、网及钢筋束对溶洞壁进行封闭加固,然后在隧道开挖范围外采用浆砌片石回填。对于隧道开挖影响范围外的岩溶原则上可以不作处理,但应视具体情况谨慎决定。
5.2 高地应力及岩爆
针对K21+200~320Ⅳ类围岩段埋深超过1000 m,可能有高地应力而发生岩爆现象,设计时采取挂网喷锚等加强措施。施工时每循环进尺控制在2~2.5 m,采用全断面开挖,一次成型,以减少围岩应力平衡的多次破坏,控制光面爆破效果,减少围岩表面应力集中现象,在掌子面和隧道洞壁定期(每天二次)喷洒水或采用打孔高压注水,以弱化围岩。必要时可采用超前钻孔应力解除法,形成局部应力释放区。
5.3 煤层及瓦斯
隧道穿越煤层及瓦斯围岩段时,首先作瓦斯预抽放,特别是龙马溪段,然后采用双排超前锚杆预注浆封闭煤层瓦斯,避免瓦斯泄漏和煤层自燃。隧道开挖时加强通风,对煤层瓦斯浓度作监测,并做好应急措施。该段初期支护采用喷射混凝土、锚杆和钢筋网支护,以格栅拱作为加强措施,以超前锚杆作为辅助施工措施。喷射混凝土采用C30高强喷射混凝土,增加喷射混凝土的密实度;二次衬砌采用C25模注混凝土,其中掺加水泥用量10%的气密剂,增加模注混凝土的气密性。
5.4 软弱围岩及大变形
针对软弱围岩段可能发生大变形,采用了增大预留变形量和喷射混凝土、锚杆和钢筋网复合衬砌手段。该段施工时采用分部开挖方法,初期支护及时封闭支护,喷射混凝土分2~3次施工,体现早支护、柔支护的思想。加强监控量测,利用反馈信息指导施工,并对设计参数进行优化。
6 洞口设计
洞口设计的原则是结合洞口工程地质及环境地质条件,尽量使洞口简洁、美观、自然,与环境浑然一体。隧道进口洞门设计由于进口段自然坡度较大,地形条件复杂,紧邻扬溪河,洞口采用端墙式洞门,为保证隧道进口安全,靠扬溪河侧设挡土墙,洞口侧墙及洞门端墙均采用M10浆砌块石砌筑,条石镶面。隧道出口洞门设计由于出口地形较缓、开阔,洞口采用削竹拱翼式洞门,明洞长度18 m,边坡及仰坡均采用植草护坡。避难通道进口洞门位于隧道进口左侧挡墙中,其洞门墙即为隧道左侧挡墙。避难通道出口洞门位于隧道出口右侧,其洞门采用简易端墙式。
7 防排水设计
通渝隧道为山岭隧道,根据地勘资料,隧道最大涌水量为68865 m3/d,地下水量极大。隧道防排水是按“以排为主、防排结合”的原则进行设计的。洞身衬砌防水是在喷射混凝土和二次衬砌之间设防水板和无纺布作为防水层。沉降缝及施工缝均作防水处理,沉降缝中设沥青木丝板夹橡胶止水带,施工缝中设膨胀止水条。在煤层瓦斯段,施工缝中设橡胶止水带,并涂混凝土密封剂。衬砌排水是在喷射混凝土与防水层之间设纵、环向盲沟。纵向盲沟设在边墙基脚部位,标高稍高于侧沟沟底,在隧道两侧均布设;环向盲沟沿拱背布设,并下伸与纵向盲沟联通;在路面垫层下靠近电缆沟处设两道Φ400侧埋式排水沟,在纵向盲沟与Φ400侧埋式排水沟之间设排水管将纵、环向盲沟中的水排人侧埋式排水沟中,进出口段落通过Φ400侧埋式排水沟直接排出洞外。隧道涌水量较大的隧道段,Φ400侧埋式排水沟中汇集的地下水先排人联络通道排水沟,再通过避难通道中排水沟排出洞外。路面排水是在路缘内设Φ50泻水孔将路面水排入电缆沟内,通过沟内排水小沟将水排出洞外。
8 隧道路面设计
隧道路面为混凝土路面,宽度为7.5m,面层为C35混凝土,厚度22cm,垫层为16cm厚C15混凝土。
9 隧道通风系统
根据通渝隧道为单洞双向行车,且设置了避难通道和联络通道的特点,参照设计规范和其它相似工程,经过多方案比选,本着“因地制宜、安全经济”的原则,最后确定了采用全射流纵向通风方案。由于通渝隧道为单洞双向行车,事故概率较大,车速较慢,阻滞工况的发生不可避免,如按阻滞工况设计隧道通风,其所需风量较大,建议采用监控措施在阻滞工况发生时限制进洞车辆,使其排队长度不大于1 km。本通风系统的交通阻滞控制工况定为20 km/h。CO烟雾的基准排放量分别按每年1%和1.5%折减,经计算,隧道近期以隧道换气所需风量最大,远期以稀释所需风量最大,最后确定隧道需风量近期Qreq为267. 1m3/s,远期为300m3/s。隧道通风系统采用分期实施方案,近期(2004年)需设置900型风机15组30台,远期2014年增加至21组42台。
10 隧道照明系统
通渝隧道由于是单洞双向行车,各照明分段两洞口对称布置,洞外亮度设为3500cd/m2,过渡段3的亮度经计算小于中间段亮度,采用中间段照明的亮度值。各照明段长度与亮度值见表1。照明按白天、阴雨天及傍晚、夜间和深夜四级控制。隧道各照明段与亮度表表1照明分段长度(m)亮度(cd)灯具布置方式入口段12 38•5对称过渡段1 30 11•6对称过渡段2 42 3•9对称中间段4080 1•5交错避难通道内照明设计按建筑过道考虑,采用150W高压钠灯,间距30m,设于拱顶部,洞内照度为64Lx,由洞外变电所UPS电源供电。
11 隧道消防系统
通渝隧道为特长单洞双向行车隧道,交通量不大,危险等级按中危险级设计,根据《公路隧道设计规范》,参照现行《建筑设计防火规范》,隧道设计以配置灭火器和泡沫消火栓消防灭火系统,以隧道左侧设贯通避难通道作为防灾系统。在隧道前进方向左侧设净宽2.5m净高2.8m的避难通道,避难通道全隧道贯通,避难通道与主洞隧道之间设间隔400m左右设联络通道,联络通道中部均设置防火封闭门,正常情况下封闭门关闭,紧急情况时可开启,以备人员逃生。沿桩号增加方向右侧隧道壁上间距50 m设一个消防设备洞,每一个消防设备洞设干粉灭火器和泡沫灭火器各两具。消防水源取隧道城口端洞口杨溪河地面水为消防水源,杨溪河坝蓄水约200m3供消防用水。河边设有一消防水泵房,水泵房内设两台水泵将水泵送到高位消防水池内。
12 供配电系统
通渝隧道用电负荷等级按隧道照明隧道风机均为一级负荷考虑。变电所设置宜靠近负荷中心。采用l0kV外部电源供电,根据隧道风机及照明负荷在洞内分布范围广,特别是风机,功率大,数量多,大部分距洞口距离远,按变电所宜靠近负荷中心这一原则,本隧道供配电设计设4个变电所,一是在隧道进出口洞外各设一座10/0.4kV变电所,即进口变电所和出口变电所;二是在距进出洞口840m左右的主洞与避难洞的联络道中设一座10/0.4kV变电所,即洞内一号变电所和二号变电所。进、出口变电所分别承担隧道部分风机和隧道1/2范围内的照明负荷的供电(由于隧道内行车速度低,照明负荷较小,因此隧道照明负荷由洞外变电所供电);洞内一号、二号变电所分别承担隧道另一部分风机的供电。为避免洞内突然停电而发生撞车事故,进、出口变电所均设一台UPS不间断电源,供隧道和变电所内应急照明用电。接地是利用隧道内的排水管、锚杆及二次衬砌内的钢筋等作为接地极,采用-40×5接地线与之可靠焊接作为隧道接地网,隧道内的所有金属构件、设备外壳均需可靠接地。
13 结论
通渝隧道道路等级为山岭重丘二级公路;设计车速为40 km/h;是我国目前埋深最大(1200m)、工程质条件最为复杂(高地应力、岩爆、岩溶、煤层瓦斯)的单洞双向行驶的公路隧道。我们的体会是:(1)在隧道结构设计中,针对其不良地质条件,采取了相应的处理措施,在施工中加强隧道新奥法监控量测,及时反馈信息,根据反馈信息调整完善设计;(2)为隧道运营消防设计,应结合隧道通风、供配电统一考虑,在设计中体现了以人为本的思想,重点在人员逃生;(3)地方公路建设还有不尽人意的地方,须在设计中发挥设计人员的主观能动性。在地方公路隧道建设资金短缺情况下,在满足相关规范前提下保证地方公路建设的经济性也是设计人员应考虑的一项因素。
摘 要:通渝隧道目前是重庆最长(4279m)、国内埋深最大(1200m)、工程地质条件最复杂(高地应力、岩爆、岩溶、煤层瓦斯)的单洞双向行驶的长大公路隧道。本文以隧道设计为例,详细介绍了隧道在各种不良地质条件下土建结构设计上的措施,以及防灾、机电附属工程设计。