绪论
思考题
1.什么是隧道?
2.隧道的种类有哪些?
3.隧道设计包括的内容有哪些?
4.和地面结构相比,隧道工程有哪些特点?
5.试从隧道的广泛用途上论述学习、研究与发展隧道技术的重要意义。
6.你认为隧道工程需要解决的难题有哪些?
第二章
思考题
1、隧道工程地质调查与勘测的内容有哪些?
2、施工地质超前预报的内容有哪些?
3、简述岩石与岩体的区别。
4、岩体的工程性质有哪些?
5、围岩的定义,围岩分级的目的?
6、围岩分级的基本因素有哪些?
7、影响围岩稳定性的主要因素有哪些?
8、简述我国铁路隧道设计规范的围岩分级方法。
第三章
思考题:
1、影响隧道位置选择的因素有哪些?
2、越岭隧道与河谷隧道有何区别?它们在位置的选择上采取什么原则?
3、地质条件对隧道位置选择有哪些影响?
4、隧道洞口位置的选择遵循哪些原则?确定洞口位置考虑哪些因素?
5、什么是隧道净空?
6、铁路隧道的横断面是根据什么设计的?
7、简述曲线铁路隧道加宽的原因和方法。
8、曲线铁路隧道和直线隧道衔接的方法是什么?向直线方向延长13m和22m的理由是
什么?
9、公路隧道建筑限界包含哪些内容?
10、隧道衬砌断面设计的原则是什么?
计算题
1、某隧道位于半径R=800m的圆曲线上,通过三级围岩地段,设计为直墙式衬砌,曲线加宽
40cm,中线偏移值d=12.5cm,外轨超高值E=9.5cm,隧道竣工后,测得DK23+15、DK23+20、DK23+25各起拱线处内外侧宽值如表1所示,试按隧限—2A计算各点侵限情况。
2、某单线铁路隧道位于圆曲线半径R=1000m ,缓和曲线长Lc=100m 的曲线上,曲线全长L=309.44m ,隧道进口桩号DK27+844,出口DK28+344,ZH 点桩号DK27+958,设计最高行车速度为120km/h 。
试计算隧道加宽值W ,中线偏移值d ,并绘图说明隧道断面的变化位置、线路中线和隧道中线的关系。 1.解:
cm cm E 155.9<=,cm W W d 5.122/)(21=-=,曲线加宽cm W W W 40213=+= 则:内侧加宽1W =32.5cm ,外侧加宽2W =7.5cm 。
由“隧限—2A ”的图3-4-2(教材)所示:隧道起拱线处曲线半径为2.44m 。 则对该隧道,不侵限的条件为:
外侧:2.44+7.5/100=2.515m ;内侧:2.44+32.5/100=2.765m 因此:DK23+15、DK23+20、DK23+25外侧都不侵限; DK23+15内侧不侵限,DK23+20、DK23+25内侧侵限。
2.解:
外轨超高值为:cm cm R V E 1594.101000
12076.076.02
2<=?=?= 内侧加宽值为:cm E R W 6.3394.107.2100040507.240501=?+=+=
外侧加宽值为:cm R W 4.41000
4400
44002===
总加宽值为:cm W W W 0.384.46.33213=+=+= 中线偏移值为:cm W W d 6.142)4.46.33(2/)(21=-=-= 则分段里程:
总d 与偏d 断面:ZH 点DK27+948~+993
2/总d 与2/偏d 断面: DK27+993~出口DK28+344 示意图如下:
第四章
习题:
1、隧道衬砌的类型及适用条件?
2、洞门有何作用,有哪些洞门形式,适用于什么地质条件?
3、什么是明洞?试述明洞的结构类型、受力特点和适用条件?
4、如何做好隧道的防水与排水?
5、避车洞布置的原则是什么?其底面标高是如何确定的?
6、高速铁路隧道出口设置缓冲结构的原因是什么?有哪些相应的工程措施?
7、某单线曲线隧道,设计行车速度160km/h,位于II级围岩内,采用直墙式衬砌,衬砌厚度为40cm,加宽值W=30cm,中线偏距d=10cm,线路上部建筑为次重型,试查表确定其主要尺寸,并绘制衬砌施工断面图。
7.见教材图4-1-4,设计参数见表4-1-1
第五章作业1
1. 某公路隧道进口30米处围岩是IV级,容重25kN/m3,开挖断面宽度12米,净高为8m,隧道上覆岩体厚度8米,试计算并判断该处隧道属深埋还是浅埋?
2. Ⅲ级围岩中的一直墙型隧道,埋深26m,围岩容重γ=22KN/m3,计算内摩擦角φ=320,隧道宽6m,高8m。试按浅埋隧道确定围岩压力。
3. 某隧道埋深为30m,围岩为Ⅴ级,净宽为12m,净高为10m,围岩天然容重20KN/m3,试计算该隧道围岩压力。
4. 沙性土质隧道,埋深h=40m,围岩容重γ=20KN/m3,内摩擦角φ=280,隧道宽6m,高8m,试确定围岩压力。
5. 某隧道内空净宽
6.4m,净高8m,Ⅳ级围岩。已知:围岩容重γ=20KN/m3,围岩似摩擦角φ=530,摩擦角θ=300,试求埋深为3m、7m、15m处的围岩压力。
6.一直墙型隧道建于软弱破碎岩体中,埋深40m,围岩岩石容重γ=23KN/m3,内摩檫角φ=360,岩石抗压强度R b=8Mpa,隧道宽6m,高8m,使用泰沙基理论和普氏理论确定围岩压力。
7. 一直墙形隧道建于软弱破碎岩体中,埋深50m ,围岩容重γ=24KN/m 3,φ=360
,岩体抗压强度R b =12Mpa ,隧道宽6m ,高8m ,试确定围岩压力。
答案:
1. 某公路隧道进口30米处围岩是IV 级,容重25kN/m 3
,开挖断面宽度12米,净高为8m ,隧道上覆岩体厚度8米,试计算并判断该处隧道属深埋还是浅埋? 解:7.1)512(1.01=-+=ω
1537.125845.0245.014=???=???=-ωγq Kpa
m q
h q 12.625
153
==
=
γ
m h H q q )()3.15~24.1212.65.2~2()5.2~2(=?==>8m
属于浅埋隧道。
2. Ⅲ级围岩中的一直墙型隧道,埋深26m ,围岩容重γ=22KN/m 3,计算内摩擦角φ=320
,隧道宽6m ,高8m ,试确定隧道围岩压力。 解:1.1)56(1.01=-+=ω
56.431.122445.0245.013=???=???=-ωγq Kpa
m q
h q 0.222
56
.43==
=
γ
m h H q q )()5~425.2~2()5.2~2(=?==<26m
属于深埋隧道。
56.431.122445.0245.013=???=???=-ωγq Kpa
q e 15.0==6.5 Kpa
3. 某隧道埋深为30m ,围岩为Ⅴ级,净宽为12m ,净高为10m ,围岩天然容重20KN/m 3
,试计算该隧道围岩压力。 解:7.1)512(1.01=-+=ω
8.2447.1201645.0245.015=???=???=-ωγq Kpa
m q
h q 24.1220
8
.244==
=
γ
m h H q q )()6.30~5.2424.125.2~2()5.2~2(=?==
属于深埋隧道。
8.2447.1201645.0245.015=???=???=-ωγq Kpa
8.2445.0~3.05.0~3.0?==)()(q e =73.44~122.4 Kpa
4. 沙性土质隧道,埋深h=40m ,围岩容重γ=20KN/m 3
,内摩擦角φ=280
,隧道宽6m ,高8m ,试确定围岩压力。
解:此时令侧压力系数1=λ,上覆土体产生围岩压力,则隧道顶部垂直压力:
??
????-+=
)22845tan(8628tan 40
00
Pv =812KPa 水平压力:
)2
2845(tan 8120
2
1-=e =294KPa
)2
2845(tan )820812(0
2
2-?+=e =351 KPa
5. 某隧道内空净宽
6.4m ,净高8m ,Ⅳ级围岩。已知:围岩容重γ=20KN/m 3
,围岩似摩擦角φ=530
,摩擦角θ=300
,试求埋深为3m 、7m 、15m 处的围岩压力。 解:①求自然拱高度;②判断深浅埋分界;③分别按浅或深埋隧道求围岩压力。 结果(小数点后四舍五入):
14.1)54.6(1.01=-+=ω
08.8214.120845.0245.014=???=???=-ωγq KPa
m q
h q 104.420
08
.82==
=
γ
m h H q q )()26.10~208.8104.45.2~2()5.2~2(=?==
埋深3m 时,属于浅埋。 q=h γ=60KPa , e=)2
45(tan )21
(002φγ-+
t H q =15.67KPa ; 埋深7m 时,属于浅埋。θ
φφφφβtan tan tan )1(tan tan tan 00
020-++==3.5378
[]
θφθφββφβλtan tan tan (tan tan 1tan tan tan 000
+-+-=
=0.1414
)tan 1(B
h h q θ
λγ-
==143.67 KPa λγh e =1=19.8KPa
λγH e =2=42.42 KPa
埋深15m 时,属于深埋。q h q γ==82.1KPa ,e=(12.3~24.6)KPa
6.一直墙型隧道建于软弱破碎岩体中,埋深40m ,围岩岩石容重γ=23KN/m 3
,内摩擦角φ
=360
,岩石抗压强度R b =8Mpa ,隧道宽6m ,高8m ,使用泰沙基理论和普氏理论确定围岩压力。 解:
(1)泰沙基理论计算: 确定自然平衡拱的半跨:
m H B a t 08.7)2
45tan(83)245tan(20001=-+=-+=
φ?
确定自然平衡拱的宽度:m a b 74.9tan 1
1==
?
隧道的垂直压力为:12.134474.9323221=???==ab p γ KPa 水平侧压力为:)2
45(tan )2(21021?
γ-+=
h b e =82.2 KPa (2)普氏理论计算:
确定自然平衡拱的跨度:
m H B B t t 16.14)2
3645tan(826)245tan(20
1=-?+=-+=?
平衡拱高度为:m f b h kb 85.810
/82/16.14===
隧道的垂直压力为:55.20385.823=?==h q γKpa
水平压力 )2
3645(tan 55.2030
2
1-=e =52.94 Kpa )2
3645(tan )82355.203(0
2
2-?+=e =100.8 Kpa 7. 一直墙形隧道建于软弱破碎岩体中,埋深50m ,围岩容重γ=24KN/m 3,φ=360
,岩体抗压强度R b =12Mpa ,隧道宽6m ,高8m ,试确定围岩压力。
解:岩石坚固性系数kb f =12/10=1.2,
m H B a t 08.7)2
45tan(83)245tan(20001=-+=-+=
φ?
压力拱高h 为2
.11a
h ==5.9m
隧道顶部垂直压力h q γ==24×5.9=141.6 Kpa
)2
3645(tan 6.1410
2
1-=e =36.76 Kpa
)2
3645(tan )8246.141(00
2
2-?+=e =86.6 Kpa
第5章 作业3
1. 隧道结构的受力特点?隧道结构体系的概念?
2. 试绘出半衬砌拱圈的弯矩图和轴力图的大致形状。
3. 什么是围岩弹性抗力?计算模型中有哪几种处理方式?温氏假定与它有什么关系?
4. 已知作用在衬砌基底面上的轴力N=870KN ,弯矩M=43.5KN.m,墙底厚度h=0.6m ,围岩抗力系数为150MPa/m 。试求墙底中心的下沉量及墙底发生的转角。
5. 一对称等厚平拱,衬砌厚度为50 cm ,已知内力如下图示,墙底抗力系数K d =350 MPa/m,请求出墙底中心水平位移、垂直位移以及墙底截面转角(注:图中1、2、3为截面编号)。
4.解:运用温氏假定解之。
①2/14506.0780m KN h N ===
σ,mm k 67.91015014503
1=?==σδ ②2
22max /7256.05.4366m KN h M =?==σ,mm k 83.4101507253
max 2
=?==σδ ③墙底中心下沉量21δδδ+==9.67+4.83=14.5mm
墙底转角rad h 32
101.162
/6.083
.42
/-?==
=
δ?
5.解:求墙底中心水平位移: 在轴力N 作用下: 墙底中心应力2/5745
.0287m KN h N ===
中σ 由温氏假定:mm k
64.110350574
3
=?=
=
σ
δ中
则:墙底中心水平位移=mm 82.060cos 64.10
=? 墙底中心垂直位移=mm 42.160sin 64.10
=? 在弯矩M 作用下: 墙底边缘应力2
22/3605
.01566m KN h M =?==
边σ 由温氏假定:边缘垂直于墙底面的位移mm k
03.110
350360
3
=?=
=边
边σδ
墙底截面转角rad h 331012.42
/5.01003.12/--?=?==
边
δ? 第六章 作业
1. 隧道施工方法的种类和选择依据。
2. 采用台阶法施工时,影响台阶长度的主要因素是什么?环形开挖留核心土法是如何稳定开挖工作面的?
3. 比较新奥法和隧道围岩变形控制分析工法。
4. 某隧道位于软弱破碎地层中,采用长台阶法施工。施工过程中发现洞室周边位移加速度等于零,因而断定围岩变形已经稳定。指出错误,并改正之。
5. 新奥法施工时,隧道开挖后,为了调动围岩的承载能力,不宜立即喷射混凝土,而应经量测后,再施喷。为了隧道的稳定,复合式衬砌应在锚喷支护完毕后立即修筑内层模筑混凝土衬砌。指出错误,并改正之。
4. 应该是: ①改为短台阶法;②并未稳定。
5. 应该是:①立即喷射混凝土;②经监控量测,围岩基本稳定后,再修筑内层模筑混凝土衬砌。
第七章 作业
1.某隧道在开挖过程中用多点位移计
对拱顶围岩内部位移进行了量测,不同时刻各点的位移值不同,结果绘于右图。试据此图判断拱顶围岩的松动范围;如用锚杆加固,其长度如何确定?
2.某隧道在钢支撑架设时,在同一架钢支撑上安装了三支液压测力计(图a ),测得各测力计的压力——时间关系曲线,如图b 。试据此分析该断面的压力特征,并说明加强初期支护时应采取的措施。
图a 图b
3. 已知一座深埋圆形隧道,开挖直径10m ,拱顶以上岩层覆盖厚度495m ,围岩容重γ=20KN/m 3
,弹性模量E=104
MPa ,粘结力C=1.5MPa ,围岩内摩擦角φ=300
,侧压力系数λ=1,泊松比μ=0.2。
试问:① 开挖后不支护状态下,围岩是否出现塑性区?
② 如果出现,问塑性区半径是多少?
③ 假定支护阻力P i =8.5MPa ,问洞室周边位移是多少?
4. 某公路隧道,对量测数据进行回归分析后,知位移时态曲线方程为
。已知隧道极限相对位移值为144mm ,开挖6天后洞周实测相对位移值
为64mm 。试从位移值、位移速度、位移加速度三方面判断开挖6天后的隧道稳定性。
5. 某铁路隧道,位移时态曲线方程为)1ln(32.612t u ++=。若以位移速度小于0.2mm/日为隧道稳定的判断准则,试从位移速度和位移加速度这两方面判断隧道能否稳定?需要多长时间才能稳定?是否需要采取加强措施?
1.解:由图可见,在距岩面3m 处,位移随时间变化不大,围岩的松动范围应该在该处附近。如用锚杆加固,锚杆长度应该超过围岩松动范围,锚杆长度应采用3.5~4m 为宜。
2.解:该段地层断面I 和断面III 明显压力不对称,存在偏压现象;应在隧道断面III 所在侧加强支护,以防止偏压造成的隧道受力不均,使隧道稳定性变差。
3.解:①m H c 5005495=+=,计算出MPa H c 205002022=??=γ; 由C R b ?-=
?
?
sin 1cos 2,求得MPa R b 2.5=
Θ b c R H >γ2,∴洞周出现塑性区。
②由??
ξsin 1sin 1-+=
,()()1
1
01212-??
????++-=ξξσξb b z p R R R R ,
或φ
φ
φφγφsin 2sin 10cot cot )
sin 1(-??
????+-=C C H R R c p (教材5-4-13式),得m R p 78.7=
③由1=λ,c z H P γσ==0, )1(2/μ+=E G
???
?????-???
??--=-11221
02020ξξσa r R Gr r Gr r u b z p
或}
2
sin 1sin 20sin 1sin 20001cot 1R R R R P R R C P E u p p i p φφ
φφφμ--???? ??-??
????????
?????-???? ??-+=(教材5-4-16式)
得m u 022.00=
4.解:将t=0,代入)1ln(1320++=t u ,得先期位移mm u 200=。 ①求第6天施工实测相对位移:
mm mm u u u 144846420*0<=+=+= (稳定 )
②位移速度t u +=
113', 第6天时d mm d mm t u /0.1)/(86.16113
113'>=+=+= (不稳定) ③位移加速度0)1(13
''2
<+-=
t u (稳定)
结论:隧道不稳定。 5.解:
①位移速度t
u +=
132
.6',令2.0'=u ,解得 t=30.6天≈31天 (要31天后才能稳定) ②位移加速度0)
1(32
.6''2
<+-=
t u (稳定) ③隧道稳定,不需要采取加强措施。