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        巖溶地區(qū)高速公路總體設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        2023-08-17 10:33:10宋新剛
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2023年14期

        1 引言

        喀斯特是一種在我國西南部廣泛存在的地形。 溶洞、天坑等地質(zhì)現(xiàn)象是喀斯特地貌的重要特點(diǎn)。 溶洞滲漏強(qiáng)烈,成土速度緩慢,侵蝕力強(qiáng),植被易受損害,形成強(qiáng)烈的溶洞地區(qū)生態(tài)脆弱特性,因此,巖溶地貌對(duì)高速公路的建設(shè)提出了巨大挑戰(zhàn)。

        2 項(xiàng)目地質(zhì)概況

        曲靖至百色高速公路羅平至八大河段,全長約35 km,沿線多以橋梁、隧道跨越溝谷及斜坡凹地、巖溶洼地地段,地形呈波浪形起伏,一般溝谷內(nèi)發(fā)育褐黃、灰黃色硬塑狀粉質(zhì)黏土、碎石等,路線處于碳酸鹽巖區(qū),對(duì)橋梁基礎(chǔ)及隧道圍巖的穩(wěn)定性不利。 綜合鉆探結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料可知,路線現(xiàn)狀下不良地質(zhì)以巖溶、滑坡為主,巖溶發(fā)育,絕大部分集中分布在K56+700~K63+700 段,表現(xiàn)為溶溝、溶槽、巖溶洼地、溶洞等,這些不良地質(zhì)均不利于工程建設(shè)的順利進(jìn)行,因此在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮巖溶地區(qū)地質(zhì)條件的特殊性,深化設(shè)計(jì),保證設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行。

        3 工程建設(shè)條件

        3.1 地震

        根據(jù)相關(guān)區(qū)域地質(zhì)資料顯示: 擬建路線通過區(qū)域處于多構(gòu)造體系的復(fù)合部位, 斷裂構(gòu)造復(fù)雜, 且有強(qiáng)烈的繼承性活動(dòng),形成了區(qū)內(nèi)較為頻繁的地震活動(dòng),但震級(jí)不高。

        3.2 地形、地貌

        3.2.1 峰叢洼地地貌

        羅平盆地以東均發(fā)育有峰林谷地地形,峰體的形態(tài)、規(guī)模與峰叢的峰體相似,洼地相通或形成溶蝕谷地,其間為紅色黏土層覆蓋,溶斗和溶井、地下暗河發(fā)育良好,地下水位一般不深,地下水的運(yùn)動(dòng)形式以水平方向徑流為主。

        3.2.2 侵蝕深切山地地貌

        主要分布在南盤江兩側(cè),出露巖性以碎屑巖為主,塑造山地的主要作用為水流侵蝕和搬運(yùn)。 地表河流、溝谷高度發(fā)育,切割密度很大,地形支離破碎。 侵蝕方向以下切為主,水流一般都很大,谷地橫剖面層。

        3.3 巖溶

        根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、物探、鉆探資料揭示,本項(xiàng)目路線范圍內(nèi)巖溶極發(fā)育,表現(xiàn)為溶溝、溶槽、石芽、巖溶洼地、巖溶漏斗、溶洞、地下暗河等。 特別是C2 線K57+400~K63+500 段溶洞、地下暗河極發(fā)育,對(duì)路線影響極大。

        4 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)思路

        4.1 路線設(shè)計(jì)

        項(xiàng)目大水井至芭蕉菁路段位于山區(qū)、溝谷區(qū),屬峰叢洼地地貌,地形較復(fù)雜,沿線分布有萬峰山風(fēng)景保護(hù)區(qū)、800 kV 高壓輸電線路等控制因素,總體設(shè)計(jì)以橋隧為主。 路線布設(shè)充分考慮工程規(guī)模、地質(zhì)條件、隧道進(jìn)出口地形、橋位布設(shè)條件及萬峰山風(fēng)景區(qū)范圍等因素,共對(duì)C1~C8 共8 個(gè)路線方案進(jìn)行了研究,如圖1 所示。

        圖1 大水井至芭蕉菁段路線方案比較平面圖

        在對(duì)C1~C8 方案研究后,放棄了受巖溶漏斗洪水位影響隧道縱坡大于3%的C3 方案、 侵入萬峰山風(fēng)景保護(hù)區(qū)核心區(qū)的C4 方案, 終點(diǎn)標(biāo)高與兩省接線協(xié)議不符的C5、C6、C7、C8方案。 選擇路線偏工程可行性研究推薦方案西側(cè),以長隧道形式通過該路段的C1 線方案與總體設(shè)計(jì)以長隧道為主以及在工程可行性研究推薦方案基礎(chǔ)上優(yōu)化后形成C2 線方案進(jìn)行分析比較[1-3]。

        C1 線方案:路線起點(diǎn)位于新溝村東側(cè),于K56+179 設(shè)大水井互通,路線穿越牛角山鞍部后設(shè)折白隧道(長度4 924 m)穿過山脊至大坡山東側(cè),路線沿山坡一路降坡,設(shè)多依河大橋跨越Z046 縣道、053 鄉(xiāng)道及山坳至芭蕉箐。C1 線長8.381 km。C2 線方案:路線起點(diǎn)同C1 線,于C2K56+603 處設(shè)置大水井互通,路線一路向南設(shè)花房隧道(長度378 m)、大白巖隧道(長度278 m)穿過山體,設(shè)栗樹坡大橋、板臺(tái)口大橋跨越山谷及山間溶洞區(qū)域;路線轉(zhuǎn)向南偏西方向設(shè)歇場(chǎng)隧道(長度2 557 m)穿越山體至大坡山東側(cè)后與C1 線共線至芭蕉箐。C2 線長9.0 km。

        1)建設(shè)條件。 兩方案所經(jīng)區(qū)域除大水井互通段為巖溶平原,其余地段均為峰叢洼地地貌,地形較復(fù)雜。 路線范圍內(nèi)地形起伏較大,局部山高坡陡。 兩方案相距不遠(yuǎn),工程地質(zhì)條件基本一致,路線區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)主要為巖溶漏斗。 路線內(nèi)上覆主要為第四系粉質(zhì)黏土,下伏多為灰?guī)r,總體而言,區(qū)域工程地質(zhì)條件一般,二者相當(dāng)。 C1 線局部隧道從巖溶漏斗邊緣下方穿過, 施工期受降雨影響較大,C2 線局部區(qū)域穿過巖溶漏斗區(qū),路線設(shè)計(jì)標(biāo)高受淹沒區(qū)洪水位標(biāo)高影響較大。 沿線均有地方道路,施工進(jìn)場(chǎng)條件稍好。

        2)與原有公路、農(nóng)田水利等干擾情況。 兩線位穿越楚穗800 kV 高壓輸電線路段均滿足相關(guān)電力要求。C2 線需兩次上跨水電站輸水隧道,路線設(shè)計(jì)標(biāo)高受隧洞標(biāo)高控制。

        3)與風(fēng)景區(qū)范圍等已有規(guī)劃的關(guān)系。 C1 線采用長隧道方案通過萬峰山景區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū), 路線完全避開景區(qū)緩沖區(qū)和核心區(qū),滿足風(fēng)景保護(hù)區(qū)相關(guān)要求。 C2 線部分路段采用橋梁方式穿過萬峰山景區(qū)緩沖區(qū),無法滿足《曲靖市林業(yè)局關(guān)于準(zhǔn)予在羅平萬峰山市級(jí)自然保護(hù)區(qū)實(shí)驗(yàn)區(qū)建設(shè)高速公路的行政許可決定》(曲市林[2016]156 號(hào))中相關(guān)規(guī)定。

        4)工程規(guī)模。 C1 線橋梁長度2 540 m,隧道長度4 924 m,其中,隧道最大長度4 924 m;C2 線橋梁長度4 550 m,隧道長度3 213 m,其中隧道最大長度2 557 m。 從主要工程數(shù)量看,C1 線比C2 線橋梁減少2 010 m,隧道增加1 711 m,特別是隧道最大長度4 924 m,建造成本和營運(yùn)成本均比C2 線高。

        綜上所述, 本路段兩個(gè)方案建設(shè)條件和地質(zhì)情況相差無幾,C2 方案主要以橋梁+ 短隧道方式通過,C1 方案主要以橋梁+ 長隧道方案通過,C2 方案建造成本和運(yùn)營維護(hù)成本較C1 方案略微節(jié)省,但路線穿過萬峰山景區(qū)緩沖區(qū),縱坡限制條件較多,C1 方案隧道長度4 924 m,施工工期長,建造成本及運(yùn)營成本略高,但完全避開萬峰山風(fēng)景區(qū)緩沖區(qū),符合相關(guān)部門要求。 綜合考慮,選擇C1 線方案為推薦方案。

        4.2 縱面設(shè)計(jì)

        項(xiàng)目路線全長約35 km, 起點(diǎn)馬鞍山樞紐處設(shè)計(jì)高程1 491.73 m,終點(diǎn)設(shè)計(jì)高程848.38 m,高差643.35 m,平均縱坡約1.8%,最大縱坡4.0%/3 處,最短坡長400 m/1 處,豎曲線半徑均大于80 km/h 計(jì)算行車速度所對(duì)應(yīng)的視覺所需的最小豎曲線半徑。

        本項(xiàng)目起點(diǎn)至K44+800 段縱坡較為平緩,K44+800~K56+700 段平均縱坡為2.217%,坡長11.9km。 縱面指標(biāo)滿足JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》和設(shè)計(jì)細(xì)則的要求。本項(xiàng)目K56+150~K70+000 段一路降坡, 平均縱坡為-2.67%,坡長13.85 km,高差369.95 m,縱面指標(biāo)滿足JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)連續(xù)長、陡下坡的平均坡度與連續(xù)坡長的規(guī)定。

        4.3 巖溶路基設(shè)計(jì)

        1)填方路堤。 (1)基底基巖缺乏平整性,可見局部存在溶槽、石林等,直接于該處建設(shè)時(shí)可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不平整、不密實(shí)等問題,為此以爆破整平的方法處理基底,要求處理后的殘留高差不大于50 cm。 (2)基底存在土洞,分兩種情況考慮,覆土小于3 m 時(shí)安排開挖回填,覆土超過3 m 時(shí)進(jìn)行鋼花管注漿,利用漿液將土洞填充至密實(shí)的狀態(tài)。 (3)基底存在溶洞時(shí),首先確定溶洞頂板厚度與路基跨越長度的比值, 再根據(jù)比值采取相應(yīng)的處理措施。

        2)挖方路塹。 (1)挖方邊坡存在露出的溶洞,為維持邊坡的穩(wěn)定性,采取漿砌片石封堵的處理方法。 (2)對(duì)于基底產(chǎn)生的開口溶洞,分小于2 m 和大于2 m 兩種情況考慮,前者用鋼筋混凝土蓋板封蓋嚴(yán)密,后者填充片石同時(shí)用漿砌片石封口。

        3)開挖后基底存在溶洞時(shí),首先確定溶洞頂板厚度與路基跨越長度的比值,再根據(jù)比值采取相應(yīng)的處理措施[4]。

        5 巖溶隧道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

        1)隧道開挖面外發(fā)育深度<2.0 m 的溶洞及僅存在少量地下水的施工段,或是發(fā)育溶洞但分布在邊墻處,針對(duì)此類地質(zhì)路段的處治宜采取回填的方法。 (1)溶洞在邊墻發(fā)育:回填厚度不少于1.5 m 的漿砌片石,按2 m 的間距依次設(shè)置HDPE透水管,連通至側(cè)水溝。 (2)溶洞在拱腰上發(fā)育:回填施工采用泵送C15 混凝土的方法,根據(jù)溶洞的尺寸,四周設(shè)錨桿,間距取1.2 m×1.2 m,錨桿入巖深度至少為1.0 m,以免二襯在泵送混凝土?xí)r受到過強(qiáng)的壓力作用。 回填后,完成鋼筋網(wǎng)初期支護(hù)及其他的防護(hù)工作。 (3)溶洞在基礎(chǔ)及路面下發(fā)育:回填M7.5號(hào)砂漿片石,按2 m 的間距依次設(shè)置HDPE 透水管。

        2)拱腰以上開挖面外發(fā)育深度超過2.0 m、寬度小于隧道開挖面的溶洞,按如下方法處理:(1)溶洞存在填充物但能夠被有效清除, 或溶洞無填充物: 泵送厚度不少于100 cm 的C25 混凝土,按1.2 m×1.2 m 的間距、入巖深度不少于1.5 m 的要求打設(shè)錨桿。 隨后,組織噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)初期支護(hù)等工作。 (2)溶洞內(nèi)有填充物:以30 cm 的環(huán)向間距布設(shè)φ42 mm×4 mm 超前小導(dǎo)管,開挖預(yù)裂爆破,按50 cm 的間距設(shè)工字鋼;鋼架基腳部位適當(dāng)擴(kuò)挖,目的在于擴(kuò)大基礎(chǔ),維持基礎(chǔ)的穩(wěn)定性;施作鎖腳錨桿、鋪設(shè)鋼筋網(wǎng),必要時(shí)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)(主要視溶洞發(fā)育情況而定);為加強(qiáng)排水,預(yù)埋φ100 mmHDPE透水管。

        3)基礎(chǔ)及路面下方分布大型溶洞時(shí),以跨越的方法加以處理。 (1)溶洞發(fā)育相對(duì)較寬:設(shè)樁基或擴(kuò)大基礎(chǔ),以鋼筋混凝土梁的形式進(jìn)行跨越,為減小水對(duì)工程的影響,部分地段的水流量較大時(shí),為促進(jìn)排水而設(shè)置涵管或其他的過水通道。 (2)溶洞在某方向?qū)挾容^窄: 設(shè)置高度為50~100 cm 的鋼筋混凝土梁,實(shí)現(xiàn)跨越。 排水方面,采取預(yù)埋φ100 mmHDPE 透水管的方法,部分地段的水流量較大,為促進(jìn)排水而設(shè)置涵管或其他的過水通道。

        4)橋梁設(shè)計(jì)。 (1)主梁設(shè)計(jì)。 鋼箱組合梁采用單箱雙室斷面,主梁40 m、梁高200 cm,主梁30 m、梁高160 cm,其中,橋面板厚32 cm。鋼箱頂?shù)装鍣M向平行,腹板高度相同,橫坡由柱高及墊石調(diào)整。 鋼主梁采用Q345D 槽形直腹板鋼梁,混凝土橋面板和鋼主梁通過剪力釘連接。 主梁之間采用橫隔板加強(qiáng)橫向聯(lián)系, 中間每隔3 m 設(shè)置一道橫隔板, 支點(diǎn)附近適當(dāng)加密,支點(diǎn)設(shè)置支點(diǎn)隔板。 主梁下翼緣厚度變化,墩中支點(diǎn)范圍采用20 mm 鋼板,其余采用14 mm 鋼板。上翼緣厚度變化,墩中支點(diǎn)范圍采用28 mm 鋼板,其余采用20 mm 鋼板。 腹板厚度均采用14 mm 鋼板。 (2)橋面板設(shè)計(jì)。 橋面板主梁范圍采用等厚度形式,總厚度32 cm,其中預(yù)制板厚度8 cm,翼緣懸臂采用變厚度,翼緣端部厚18 cm,翼緣根部厚32 cm,梁端伸縮縫處采用等厚度。 橋面板混凝土采用C50 混凝土。

        6 結(jié)語

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