1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）
毕业设计（论文）开题报告
一、选题背景与目的
二十一世纪以来，随着中国城市化进程的不断深入，城市人口的增加给城市交通带来的压力日渐明显。城市地下交通作为改善城市交通现状的有效渠道，得到了许多大中城市的青睐。中国的城市地铁也因此迎来了高速发展的黄金时期。
在地铁建设过程中，隧道建设是最重要的环节之一。本次毕业设计取材于无锡地铁三号线吴桥区间段暗挖隧道结构。对于一名交通工程的学生而言，本次课程设计既是对大学所学知识的一次考察和检验，也是我们学以致用，理论与实践相结合的极佳舞台。区间隧道的设计需要顾及各个方面的因素，如何将隧道处地形地貌气象水文综合考虑，如何将经济使用美观融于设计之中，是放在我们面前的挑战。
二、隧道施工方法
（1）地铁隧道施工方法回顾
选择地铁区间隧道施工方案时要考虑如下因素：1、工程地质条件；2、水文条件；3、地形地貌；4、沿线环境要求；5、施工单位技术水平（包括施工设备条件）；6、施工进度要求；7、经济条件等因素。一般情况下，在施工图设计阶段设计院已经确定了基本施工方案和要求的基本施工设备。
在沿海地区，地质条件往往是饱和软地层，一般选择盾构法、顶管法、明挖法（但因其对环境影响太大，干扰城市正常持续和居民生活，而不常采用）；
山区城市地质条件往往为岩石，因此采用新奥法施工方案为多。
根据隧道穿越地层的不同情况和目前隧道施工方法的发展，隧道施工方法可按以下方式分类：
1.山岭隧道：矿山法（钻爆法）和掘进机法（TBM），其中矿山法又分为传统矿山法和新奥法。
2.浅埋及软土隧道：明挖法，盖挖法，浅埋暗挖法和盾构法。
3.水底隧道：沉埋法和盾构法。
施工方法 | 环境场地要求 | 应用举例 | 优点 | 缺点 | 关键技术 |
明挖法 | 城市郊区场地开阔区域；软岩和土体； | 北京、天津地铁 | 进度快、工作面大、便于机械和大量劳动力投入 | 破坏环境生态，影响交通，产生尘土和噪音污染 | 1、有效井点降水系统；2、可靠的支撑系统；3大型土方机械、混凝土搅拌及运输机械。 |
矿山法（新奥法） | 岩石或坚硬土体 | 青岛、重庆地铁 | 地面干扰小，造价低 | 进度慢、劳动强度高，风险大 | 1、多臂钻孔台车；2、自动装药引爆装置；3、光面爆破、喷锚支护，监控量测数据反馈指导设计和施工 |
软土暗挖法 | 埋深较浅对土体进行冻结、注浆、深层搅拌桩加固 | 京、哈尔滨地铁 | 地面干扰小，造价低，便于土法上马 | 机械化程度低，劳动强度高，环境恶略、风险大 | 1、发展可靠的深层地基处理技术；2、小型灵活的地下开挖机械；3、可靠的临时支护措施和机具 |
盾构和顶管法 | 软弱地层、深埋隧道 | 北京、上海和广州 | 地面影响小、机械化程度高、安全、劳动强度低、进度快 | 机械设备复杂、价格昂贵、工艺烦琐、需要专业施工队伍 | 1、开发适用不同地质条件、自动更换刀盘的气压、土压泥水平盾构和顶管；2、超迁探测排障技术；3、自动导向、中途对接异型盾构 |
沉管法 | 跨越江河湖海、软地基 | 上海、广 州、宁波过江隧道 | 造价低、速度快、隧道断面大封锁江河水面，需要专门的驳运、下沉、 对接设备 | 属于水下作业，风险大 | 1、大型涵管制作几驳运技术；2、地下定位对接、防水技术 |
凿岩机法（TBM法） | 坚硬岩石地质 | 广州 | 速度快、机械化程度高、安全、无地面干扰 | 造价高、使用技术复杂，刀具易磨损 | 1、开发国产高性能凿岩机；2、改进高强合金刀具；3、完善后配套系统；4、超前不良地质探测系统。 |
连续沉井法 | 软弱地层、地域空旷 | 造价低、速度快 | 对环境影响大、泥浆污染、地面下沉 | 1、不均匀沉降的监测设备；2、泥浆或水力减少摩擦措施；3、控制突沉或倾斜方法；4、排除孤石障碍设备 |
（2）浅谈暗挖法施工
1、浅埋暗挖法原理
新奥法是六十年代奥地利专家L.V.Rab-cewiz总结前人在隧道工程中所积累的经验后提出的一套有关隧道设计、施工的新技术，该方法核心是利用围岩支护隧道从而使围岩本身形成一个支承环。从这一点出发，为了充分调动围岩的自承能力，控制围岩的变形，根据不同的情况，有时候要强调限制，有些时侯需要强调释放。
根据新奥法的基本原理，浅埋暗挖法以管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测作为施工的控制要点。该法的核心是利用围岩支护隧道使围岩本身形成支承环，并且采用多种辅助施工工法，施行超前支护，从而调动部分围岩的自承能力，以确保在施工过程中以及建成运营后，地表和地中的下沉量小于邻近建筑结构和管线所规定的限值。
开挖方式有正台阶法、单侧壁导洞法、中隔墙法、双侧壁导洞法等。在实际工程中根据地质条件、隧道断面构成和形式，以及周围环境条件的限制等，选择合适的施工方法。
2、浅埋暗挖施工技术
第一，大管棚超前支护施工方法。大管棚超前支护是在拟开挖地铁隧道的外轮廓周边上，以一定的外插角沿洞轴钻孔，以一定的间距，安装惯性矩大的钢管，然后进行注浆固结的一种预支护措施，它是在不破坏地表的情况下进行铺设各种地下管线的技术。它的工作原理是：①通过施行管棚注浆，预先使拱顶形成加固的保护环。②若沿隧道开挖轮廓周边的超前管棚较密时，隧道支护结构所承受的上部荷载会大大减小。大管棚施工的主要工序：开挖支护的掌子面→搭建钻孔的平台→安装钻机→施行安装管棚钢管→钻注浆孔→验孔→注浆操作→结束。大管棚超前支护的作用很明显，在初期支护前围岩变形的43％左右由管棚承担，且长管棚支护加小导管注浆对于开挖扰动范围内岩土体将起到加固的作用，在其防护下，有效控制了开挖产生的地中及地表位移、应力。
第二，全断面帷幕注浆施工。（1）注浆孔成孔。由设计计算出注浆孔的精确位置，以及各注浆孔的角度和长度，施作注浆孔的顺序应为：先上后下，先外后内，且在每完成一个注浆孔时应及时退出钻机，然后安装注浆管。完成注浆管安装后，对工作面进行二次封闭后再注浆（2）注浆。注浆大多采用后退式分段注浆，在对每一根管操作后退式分段注浆之前，要对所有注浆管进行填充加固。且为了确保注浆的时侯不产生裂纹和隆起，还要对工作面施行网喷混凝土做封闭处理。
第三，隧道开挖支护施工方法。为防止施工时破坏地下的管线，开始施工之前，要详细探测施工区域地质情况和地下管线，弄清楚地下管线的精确位置以及是否有障碍物。隧道开挖支护施工的时候，要严格按照中导坑法组织施工，具体施工次序是：首先开挖及支护双向隧道的中导洞，其次施作隧道中隔墙，恢复中导坑的横撑，然后分先后开挖及支护两侧导洞，最后进行两侧导洞二衬施工。
3、浅埋暗挖施工技术的安全控制要点
第一，防止土石方的坍塌。在施工过程中，施工单位要积极的做好地质超前预报，定时查看并做好记录和汇报工作；要认真研究地铁施工地段的地质剖面详图及地质勘察报告，制定详细周全的施工方案，确保施工过程中不出现坍塌事故。要做好掌子面量测工作，及时预测围岩体的变化趋势。
第二，防止模板倒塌事故发生。模板工程的安装、拆除作业的施工，应严格按照国家相关规范要求并按专项施工方案和规定的操作流程操作，模板及其支撑材料的材质要满足施工刚度、强度，保证在荷载作用下各部分尺寸、形状和位置的正确性。支撑模板的基础应坚实并有足够的支撑面积，以免模版在受力后基础产生变形或下沉。为防止模版倾覆，在安装模板及其支撑系统工程中，必须设置临时固定设施。只有在确保模板固定牢靠的前提下，才能进行下一道工序，做到保质又保量。
第三，防止触电事故的发生。施工现场的用电必须统一规划，详细设计，要制定临时用电施工方案及触电事故发生时的应急预案。要做好施工现场的用电安全提示标识，提高施工人员的安全用电意识并做好现场的宣传工作。地铁施工现场必须采用TNS系统，并且要设置专用的保护零线，不能采用4 1的电缆方式。配电系统要设置总配电箱、分配电箱和开关箱。
4、浅埋暗挖施工地层变形机理及控制方法
隧道开挖以后必然会造成应力的集中，从而造成地层的压缩变形进而增大地表的下沉，并且在没有得到有效的支护措施前，隧道周围的土体将向开挖的空间移动。一般情况下，拱顶的沉降往往大于地表的沉降，但是根据一些资料显示，地铁施工过程中，对于浅埋软弱地层，特别是富水含砂地层会产生较大的地表沉降。由于富水砂层的存在使砂层不稳定、松散，从而导致地表下沉。地表下沉量的大小还与隧道的施工工艺、支护参数及施工方法有关系，在含砂地层条件下通常还会受到地层失砂、失水等因素的影响。另外，孔隙水的流失以及地层的超固结也会导致地表大变形的产生。
控制地层变形及地表下沉的原则是增大支护的刚度并减少暴露的时间。在施工过程中应及时支护并控制地下水的流失以减小地表的沉降；要重视初期支护，以及上半台阶的周边的小导管注浆的有效作用。应采取综合治理的措施控制地表的沉降，采取注浆堵漏可以降低地层的固结沉降，而加固地层可以减小地层的压缩变形，地层的整体下沉可通过增加初期支护刚度并及时形成封闭结构得到控制。另外，增加土体完整性、减小流水流砂以或选择合理的施工方案同样可以有效地控制地层变形和地表下沉。
三、隧道结构设计计算
（1）设计原则
a.安全可靠经济合理施工方便
b.选用与特点相近的规范和设计方法
c.结构净空尺寸的要求
d..减少对环境的影响
e.极限状态设计法，分项系数
f.按最不利组合进行结构验算
g.防水防腐蚀等要求
（2）盾构隧道设计方法
表5-1
国家 | 计算模型 | 计算土压力、水压力 | 地基反力系数 |
澳大利亚 | 全周弹簧模型 | σv＝全覆土荷载 σH＝λσv 静水压力 | 由平板荷载试验或量测结果的逆分析得到，切线方向或地层完全结合或把摩擦力作为上限结合 |
日本 | 梁弹簧模型 | σv＝全覆土荷载 σH＝λσv (砂质土按水土分解，粘性土按水土合算考虑) | 根据土的工程性质确定k值大小 |
比利时 | Schulze-Duddeck模型，由FEM校核 | Schulze-Duddeck法确定 | 无 |
德国 | 覆土深≤2D，部分地层弹簧模型；覆土深≥2D，全周地层弹簧模型 | σv＝全覆土荷载 σH＝λσv(λ=0.5) | k=Ev/R,Es为地层模量，R为隧道半径 |
部分地层弹簧模型：Schulze-Duddeck法，不考虑切线方向的荷载 | σv＝全覆土荷载 σH＝λσv(λ=0.5) | 无 | |
法国 | 全周地层弹簧模型或FEM | σv＝全覆土荷载(覆土深≤D) Terzaghi公式(覆土深≥D)σH＝λσv | |
西班牙 | 考虑地层与结构相互作用的Buqera法 | 忽视粘结力的Terzaghi公式λ＝1.0 | 只考虑半径方向 |
英国 | 全周地层弹簧模型；MuirWood法 | 根据类似条件下的量测结果 | |
初期垂直荷载及初期水平荷载，初期荷载是全土荷载 | 由三轴试验或应力计测得的应力应变关系得出，不考虑摩擦力 | ||
美国 | 弹性地基圆环 | σv＝全覆土荷载 σH＝λσv 水压 λ＝0.4～0.5 | 无 |
σv＝全覆土荷载 σH＝λσv 水压 | 由室内实验求出，不考虑摩擦力 |
参考文献
1、GB50157-2003，地铁设计规范[S].
2、TB10003-2005，铁路隧道设计规范[S].
3、GB50086-2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].
4、GB50108-2008，地下工程防水技术规范[S].
5、中华人民共和国国家标准，盾构掘进隧道工程施工及验收规范2011年.
6、王立志，谈城市地铁区间隧道施工方法[J]，山西建筑，2012年10月.
7、范欢，区间盾构隧道拓展地铁车站暗挖法施工过程力学分析[J]，北京交通大学，2008年.
8、洪开荣关于地铁盾构隧道几个问题的探讨[J]，隧道建设，2003年.
9、GB50010-2010，混凝土结构设计规范[S].
10、GB50021-2009，岩土工程勘察规范[S].
11、李红岩，地铁区间隧道设计计算模型的分析探讨[J]，维普网，2007年.
12、谢少权土地层中浅埋暗挖交通隧道施工技术[J]，隧道建设，2004年.
2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
一、无锡地铁3号线工程简介
3号线呈西北-东南走向，北起惠山城际站，经惠山区、北塘区、崇安区、新区，至新区硕放街道。线路大致沿前圻路、洛神路、显山路、钱藕路、惠钱路、盛岸路、通惠路、兴源路、锡沪路、江海路、长江路、珠江路、新梅路、锡兴路、薛典路敷设。
3号线线路全长约49.1km，其中高架线长约14.1km，过渡段长约1.3km，地下线长约33.7km；共设30座车站，包括5座换乘站，其中高架站8座，地下站22座。最大站间距为机场站至硕放站区间，为4.32km；最小站间距为三院站至无锡火车站区间，为1.05km。3号线共设停车场两座，分别位于洛社和钱桥附近，设置，车辆段一座，位于机场附近。
地铁3号线吴桥站～三院站区间，地铁三号线线路出吴桥站后以R－400m的半径进入通惠中路即金太湖国际城地下室，沿通惠中路下布置，以R－600m的半径进入兴源路后到达三院站。
本区间根据地面情况和地层情况，暂推荐采用盾构法施工。
地铁3号线在该区段的相关工程特征表
序号 | 项目 | 工程特征描述 |
1 | 线路别 | 无锡地铁3号线 |
2 | 所在工点 | 吴桥站～三院站区间 |
3 | 站间距 | 1109m |
4 | 敷设方式 | 地下 |
5 | 拟采用工法 | 盾构法 |
6 | 拟采用结构形式 | 圆形管片拼装式隧道 |
7 | 拟采用结构尺寸 | Φ6.2m，厚0.35m |
8 | 隧道洞顶到地面埋深 | 约9.3～13.0m |
9 | 线路纵坡 | 先以20下坡和6再以4和20上坡 |
10 | 线路平面曲线 | R400m |
11 | 线间距 | 13m |
二、设计原则
（1）隧道设计应有完整的勘测、调查资料，针对地形、地质、水文、气象、地震等条件，考虑营运和施工条件，进行多方案的技术、经济比较，使确定的方案条例安全、经济、适用的原则。
（2）主体结构物应按永久建筑设计，具有规定的强度、稳定性和耐久性，且符合美观和环境要求。
（3）隧道设计必须符合国家有关土地管理、环境保护、水土保持等法规的要求，并应注意节约用地，尽量保护原有植被，妥善处理废土方。
（4）地震区隧道的设计，还应符合交通部颁发的公路工程抗震设计规范要求。
（5）应重视因修建隧道形成的环境地质问题，进行合理的优化设计，使其对环境的破坏程度最低，成本最小。
三、本课题的理论意义
毕业设计是我们把所学的理论知识与实践相结合的综合练习，是我们离开学校取得学位证的最后个环节，也是我们在大学本科阶段的一个极其重要环节。通过本次的毕业设计可以培养和提高以下能力：
⑴熟悉相关工程设计中常用的设计规范和技术标准，并能正确的运用各种设计标准图集以及相关的设计资料。
⑵综合运用所学的基础理论知识和专业知识，正确的解决工程设计的各种实际问题，了解工程设计人员实际设计工作内容、初步掌握工程设计的基本方法，并能再设计中正确的考虑影响设计的各项因素。
⑶熟练的运用相关计算软件和绘图软件，提高绘制施工图的技法，所绘工程图纸应符合国家建筑制图的统一标准，并能正确清晰的表达设计意图。
⑷学会使用现代化的计算工具、数据处理手段和计算绘图方法。在计算工程中将理论知识与实际运用结合起来，培养实际运用操作设计软件的能力。
四、工作安排
1.2015年3月15号至2015年4月1号
开题和调研报告，熟悉毕业设计任务，收集资料，做好毕业设计的准备工作。
2.2015年4月至5月
区间隧道结构设计方案比选，结构设计计算，隧道结构设计的计算机校验。
3.2015年6月
设计图件绘制，编写报告，准备答辩。
