隧道工程设计：开题报告(含文献综述)

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毕业设计(论文)开题报告

学 生 姓 名： 专 业： 设计(论文)题目：

指 导 教 师:

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学 号：

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城市地下空间工程 徐州九里山隧道设计

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告

1.结合毕业设计课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左 右的文献综述

文 献 综 述

1 前言

随着社会的快速发展，城市化的区域越来越广，隧道在其中扮演着不可或缺的角色。隧道是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通行的工程构筑物[1]。它不仅是城市之间交流的联系通道，也是人们生活发展的基础之一。然而应社会发展的需求，隧道建设安全性和耐久性的增强加大了隧道设计的难度。隧道设计需要在隧道选线、纵断面设计、横断面设计、辅助坑道设计、洞门设计、开挖方法和衬砌类型的选择等设计中设计出最优方案，以此来达到提高作用效率、保护生态环境、充分利用地下空间、提高隐蔽性和防护性能、降低能耗等有利于社会可持续发展的目的。由于特殊地形、地质条件的影响，隧道在通车后会出现结构开裂、渗漏、排水不畅等问题，甚至在施工中就回你发生坍塌事故。而隧道中环向空间小、通道复杂，四周受围岩压力大，遇到事故时，无法及时处理会造成人身安全和经济问题。因此需要充分的了解隧道设计中所存在的具体问题，在实践中完善并发展，以此保证隧道工程建设的质量安全。

2 研究现状

2. 1 设计理论

我国自改革开放后修建的隧道占总数的百分之九十六[2]，其主要原因是我国在二十世纪七十年代引入新奥法，并得到迅速推广，由此加快了隧道的建设路程。隧道的结构设计理论起源于由1672年Kasper Weinde首先在匈牙利使用爆破法对矿山岩石巷道进行爆破[3]，至今经历了如下几个阶段：古典压力理论、弹塑性力学理论、新奥法理论、能量支护理论等。

古典压力理论认为在支护结构上覆盖的重力是其压力的来源，其代表有Haim理论、Rankine理论和金尼克理论、Terzaghi理论和普氏理论，但这种理论没有考虑围岩自身的承载能力，近几十年逐渐被怀疑。弹塑性力学理论由岩土和结构材料的弹塑性性质引出，其代表有Clough与Schimdt[4]将弹性和完全塑性连续体结合，Verruijt与Brooker[5]研究总结Sagaseta，将隧道开挖模拟不断的完善，逐渐掌握地表沉降隆起的分布规律等。

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新奥法理论最早由Rabcewicz应用于奥地利阿尔卑斯山深埋硬岩隧道建设，采用柔性支护旨在充分利用“拱效应”[6]，即地层的自承能力，在实践中发展为我国既全面又科学的“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的十八字诀[7]。能量支护理论由Salamon提出，但该理论尚不成熟，难用于指导实践。为解决隧道开挖和支护的稳定性问题，日本山地宏和樱井春辅提出了应变控制理论；于学馥等在1981年提出了“轴变理论”和“优系开挖控制理论”[8]；陆家辉通过对新奥法支护理论进行总结，提出了“联合支护基础”理论，注重“先柔后刚、先挖后让、柔让适度、稳定支护”[9]；郑雨天提出了锚喷-弧板支护理论，认为联合支护理论先柔后刚的支护形式为“钢筋混凝土弧板”[10]；He提出关键部位耦合组合支护理论，认为巷道破坏主要由于支护结构与围岩在强度、刚度上不耦合造成的[11]。

古典压力理论针对于埋置深度较浅的隧道依旧有可取之处，弹塑性力学理论结合软件开发可以很好的作为地表沉降的基础理论，新奥法理论和能量支护理论可以在实践中摸索，相互结合利用以达到减少能耗和材耗的目的。隧道的开挖和支护的稳定性理论多种多样，但缺少锚杆的作用机理、锚网支护的稳定性判断的规律性，并且支护参数缺乏具体性和针对性，有待规范。

2. 2 设计模型

目前隧道衬砌结构的设计模型有“荷载-结构模型”和“地层-结构模型”。其中荷载-结构模型可以以概率论数理统计为基础的可靠度分析方法应用到隧道结构设计中。而地层-结构模型既可以采用复变函数积分变换法、复变函数法、分离变量法、变分法等对围岩应力变形进行计算求解[12]，也可以使用有限元法(FEM)、边界单元法(BEM)、离散单元法(DEM)、拉格朗日单元法以及块体理论等计算求解，或是上述几种方法的耦合分析[13]。

2. 3 设计方法

隧道的设计方法主要有荷载-结构法、地层-结构法、工程类比法、信息反馈法、综合设计法和针对地震荷载的动力设计法6种类型[14]。

工程类比法是汇集过去的工程施工实例给出其稳定性，用于今后的设计中[15]。信息反馈法通过监控量测，将现场监控得到的信息及时、准确地反馈给施工和设计部门，实现隧道的动态管理，使开挖方式及支护结构的设计更符合现场实际情况。综合设计法是以工

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程比为主，结构计算为辅的设计方法。动力设计法即抗震设计法，该设计方法应用于需要考虑地震影响的隧道设计，主要计算方法有等效静荷载法、响应变形法和平面有限元整体动力计算法[16]。

2. 4 设计参数

针对围岩的抗力系数K，钱令希提出了基于弹性理论的抗力系数计算公式[17]，蔡晓鸿在不同计算模型的基础上得出了有压隧道围岩抗力系数的计算公式[18]。针对释放荷载参数的选取，于学馥等提出了采用释放系数模拟隧道的施工过程[19] ；孙钧等论述了采用释放荷载模拟隧道开挖的有限元计算步骤，并对隧道开挖面的空间效应进行了分析，采用广义虚拟支撑力法模拟开挖面的时空效应，进行了二维粘弹塑性分析[20]；朱维申等利用洞壁径向位移释放系数反映开挖面径向虚拟支撑力的释放[21]；杨广安等研究了围岩物理参数对应力释放的影响[22]。

总的来说中国是建设大国，但不是理论强国，比如我国隧道设计是以工程类比的经验法为主，理论计算为辅；而国外则比较强调理论计算，需要以准确的基础数据与系统的理论计算为支撑，这是进行设计工作的前提，前期设计阶段时间比较长，如果光靠经验设计，而不通过计算验证，是很难通过业主审批的[23]。我们设计模型和设计方法等理论基础和依据大多数是来自于国外，需要取其精华去其糟粕，许多数值软件也受制于国外，这一局面需要努力打破。

3 存在的问题

虽然改革开放后隧道设计有了巨大的进步，但是依旧存在一些问题，主要有以下几方面：

1. 勘察和设计的脱节

隧道工程勘察设计一般是作为整体招标的，但是中标单位会将勘察任务再进行分包或者由本单位的专业现场勘查人员进行勘查，这样会出现勘察和设计人员沟通不便，认识出现偏差的问题。因为实际设计人员对工程实地情况缺乏必要的了解和认识，最终会导致现场的勘察情形在设计中得不到真实体现，违背了科学合理的原则[24]。

2. 设计人员对施工工艺和施工水平缺乏了解

部分设计人员过多依赖设计标准图和通用图，对施工单位的施工工艺和施工水平缺乏必要了解，导致设计出的方案可操作性、安全性和经济性等较差，在施工过程难以顺

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利实现。

3. 设计规范要求及实际操作脱节

隧道设计中规范和操作不符的问题现象比较常见，比如在设计规范要求是隧道位置需要选择在稳定的地层，避免穿越工程地质以及水文地质复杂的地段。然而在具体的设计当中，隧道洞口的位置常常服从整体线路平纵横向定位，对洞口位置地形以及地质条件设计施工影响没有充分的考虑，这就需要采用提高支护等级的方式达到结构受力平衡。这样的问题出现会增加技术难度以及风险和成本[25]。

4. 建设周期和资金限制

建设周期和成本的强制压缩，出现了一批“边立项， 边设计， 边施工”的“三边”工程，严重违背了国家规范和国际FIDIC条款建设程序的要求。其后果就是：项目前期调查和论证不充分，可行性研究流于形式，勘察设计考虑不周全，给设计、施工和运营带来诸多不良影响，而且这种影响往往难以消除或补救。还可能会导致违背设计意图，强行压缩工期，进一步增加了施工和运营过程中的安全风险[26]。

5. 工字钢架使用普遍， 较少使用格栅钢架

目前隧道初期支护中大量使用工字钢架等型钢钢架，而较少使用格栅钢架。主要原因在于型钢钢架加工方便，将节省施工单位大量的人工作业，即使设计了格栅钢架，施工现场要求变更的意愿也很强烈。应该说型钢钢架和格栅钢架各有优缺点，但从衬砌结构长期安全性的角度，宜优先采用与喷混凝土结合好、耐久性好的格栅钢架[27]。

6. 隧道支护结构的耐久性设计还没有形成共识

隧道耐久性设计与隧道衬砌设计方案息息相关，耐久性设计应根据不同的设计方法进行针对性设计，目前常用的设计方法有三种：①初支作为主要的受力结构，承担荷载，二衬作为安全储备，满足构造要求即可；②初支与二衬根据一定的比例分担荷载；③初支承担施工阶段全部荷载，二衬承担运营阶段的荷载。对于第②种设计方法，隧道的荷载是由初支和二衬按照一定的分配比例共同承担，但是对于初支和二衬的荷载分担比例，规范中并没有明确的规定，在实际的工程计算中，也没有统一的标准，具有较大的主观性[28]。

7. 最佳覆盖层的选取

覆盖层的厚度决定隧道的长度，是影响经济的重要因素。覆盖层厚度越小，隧道越短，作用在隧道上的静水压力越小，但涌水和坍塌的危险性越大[29]，Eisenstein曾对英法海

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峡隧道的服务隧道的覆盖层与渗入水量的关系进行过研究[30]，它表明在一定覆盖厚度下，渗入水量的增加会趋向一个极限值，因此，存在一个最佳的覆盖层厚度问题。

参考文献

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2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）

一、研究或解决的问题

九里山隧道位于徐州市鼓楼区马洪路上。该工程建设完成后，将会大大缓解中山北路和天齐路交通压力，同时也是鼓楼区打通九里办事处与主城区的重要城市通道。隧道（双向六车道、隧道长200m）通过II类围岩，埋深H=50m，隧道围岩天然容重γ=24 kN/m3，计算摩擦角ф=30°，变形模量E=1. 5GPa，采用矿山法施工。要求按高速公路设计速度100km/h。 二、研究途径

本工程隧道设计方案的设计计算，严格按照现行的《公路隧道设计规范》JTG D70-2014和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG D62-2014中的有关隧道设计要求进行。

1、研究所通过位置的地形及地质图，分析清楚隧道所处地层的围岩类别； 2、熟悉隧道总体设计在规范里面的规定；

3、进行隧道横断面设计：①确定隧道限界在规范里面的规定，拟定限界尺寸；②进行横断面优化设计，选择几种不同的隧道横断面，计算横断面面积，结合具体地质情况，选择最优横断面。

4、进行二次衬砌内力检算及分析：①掌握规范中关于二次衬砌厚度的规定，选择衬砌厚度；②进行衬砌力学分析，分析隧道结构物承受的荷载，并结合隧道所通过地层的地质条件，进行围岩压力的手动计算；③采用专门的隧道计算分析软件，针对不同地质情况的隧道断面，进行隧道结构计算和分析，得到各种内力图。

5、隧道支护结构设计：①掌握有关隧道支护结构总体设计的原则；②进行新奥法施工设计（根据规范设计锚杆及进行布置，确定喷层设计，进行钢拱架设计）；③进行二次衬砌设计，具体根据内力图进行配筋。

6、根据规范规定确定洞门及洞门结构设计：①洞门的形式确定；②洞门的位置确定；③洞门挡墙的尺寸拟定及验算。

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2.本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）

7、附属设施设计：①防排水设计；②电缆槽设计；③路面设计；④通风照明设计。 8、施工组织设计：①施工方法及辅助施工方法设计；②施工监测。 9、利用CAD绘制设计图。 10、撰写报告。

11、外文翻译：翻译与本专业有关的原英文资料，符合院系的毕业设计规范要求。 三、工作进度计划

起迄日期 1月05日～2月28日 3月01日～3月08日 3月11日～3月14日 3月15日～4月06日 4月07日～4月14日 4月15日～5月26日 5月27日～5月31日 6月01日～6月04日

工作内容

查阅文献，外文翻译，撰写开题报告 完善外文翻译，完成开题报告

开题答辩

建筑设计、绘制建筑施工图，结构初步设计

中期检查

结构设计，绘制结构施工图 文档排版、出图、整理成果 毕业设计（论文）成果上交

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指导教师意见：

1．对“文献综述”的评语：

该生通过大量搜集和查阅文献资料，对隧道的发展现状、存在的问题、发展趋势进行了综合分析和归纳整理，语言简洁，层次清楚，达到了毕业设计“文献综述要求”。

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对论文结果的预测

本课题有一定深度和广度，内容适中，工作量合理，设计方法恰当。预计该毕业设计应该能够达到预期水平，故此同意该生开题。

指导教师：

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所在专业审查意见：

同意开题！

负责人：

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