计
(长安大学公路学院 西安 710064 )
摘要：
本设计按照“新奥法”施工的要求，对某山岭二级公路上的榆树坪隧道进行了综合设计。主要内容包括：路线方案的拟定比选、隧道横纵断面设计、隧道衬砌结构设计、路基路面防排水及管线沟槽设计以及施工组织设计，并进行了隧道二次衬砌的结构计算，IV级围岩隧道施工阶段分析，同时还完成了隧道通风、照明的计算及设计。
关键词：
隧道 新奥法 防排水 衬砌结构
通风 照明 监控测量 结构计算
第一章 隧道设计说明书
一、 设计概况
榆树坪隧道位于吴旗县，是连接刘河湾，胜利山，贺石湾，洛源桥，榆树坪地
区的山岭二级公路区段上重要的通道，该地区为构造剥蚀侵蚀低山地貌，地质地形复杂，拟建隧道经过区域地表地形整体起伏较大，其中最低标高1252.0m,最高标高1512.0m。该隧道拟设计为单洞双向隧道，该隧道为整体一段，入口桩号K0+015，出口桩号K2+140.87，全长2125.87m，采用双坡，坡度为第一段1.25%，第二段-1.5%。隧道行车道宽度按照设计行车速度60km/m考虑。明洞施工按明挖法施工，暗洞按“新奥法”施工。隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌，并采用高压钠灯光电照明、射流风机机械通风；隧道洞门形式根据地形条件采用入口削竹式，出口端墙式洞门。隧道围岩以较为破碎的白云岩、片麻岩、玄武岩、页岩、变质砂岩为主，围岩级别以Ⅲ，Ⅳ、Ⅴ级为主。
二、 隧道主要技术标准
定的远景交通量设计，采用单洞双向隧道
公路等级：山岭重丘二级公路
设计交通量：262辆/h（近期）,540/h（远期）
隧道设计车速：60km/h
隧道建筑限界
根据《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）规定确定：
行 车 道： W=2×3.50m
侧向宽度： LL=0.50m
余 宽： C= 0.25m
人行道宽： R=1.00m
限界净高： 5.00m
隧道净高： 7.09m
检修道高： 0.25m
三、 隧道设计标准规范
《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）
《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）
《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1—1999）
《公路隧道勘测技术规范》（JTJ063－85）
《公路工程技术标准》（JTJ001—97）
四、 隧道工程水文、地质
（一）自然地理概况
1. 地形地貌
隧道地处北大巴山加里东褶皱带，该褶皱束位于北大巴山加里东褶皱带的北部，山脉大致呈西北——东南走向，该处主峰胜利山海拔1512.0m,山脊呈南北走向，南侧山坡陡峭，坡度一般在40°左右，局部达到55°，北侧山坡平缓，坡度一般在20°左右。地貌上属于有变质岩、沉积岩组成的低山地貌。
2. 气象水文
该地区属暖温带半湿润季风气候地带。具有温暖、雨量适中、四季分明、雨热同季。年平均气温13℃，≥0℃积温4826.7℃，持续期长达299天；≥10℃积温4224.6℃，持续期长达204天；≥20℃积温2488.0℃，持续期长达98天，无霜期212
天。多年平均降水量为833.3mm，主要集中在夏秋两季，为537.9mm，占全年降水量的72.6%。年平均风速1.9米/秒，最大风速17米/秒。雨季主要集中在夏季，占全年降水量65%左右。山区地质情况较为复杂，植被丰富，以高大乔木、灌木为主，自然景观优美，野生动植物种类繁多。隧道所处地区属于洛河水系，区内有川道。
（二）地质构造特征
1. 地层岩性
1) 强风化砂质板岩：灰至灰黑色，变余结构，板状构造，矿物成分以砂质、绢云
母为主，岩石较软手掰不易断，节理裂隙发育，岩芯多呈短柱状至长柱状。
2) 玄武岩 灰黑至灰色，主要矿物成分为斜长石和辉石呈隐晶质细粒或斑状结构
气孔或杏仁状构造，致密性坚硬、脆性，强度很高。
3) 大理岩 由灰石岩或白云岩经重结晶变质而成，等力变晶结构，块状构造。主
要矿物成分为方解石，遇稀盐酸强烈起泡，长呈白色，浅红色淡绿色，深灰色。
4) 白云岩 主要矿物为白云石，也有方解石和粘土矿物，结晶结构硬度较高稳定
性较石灰岩好。
5) 片麻岩 具有典型的片麻状构造变晶或变余结构，一般晶粒粗大，主要矿物为
适应和长石，还有云母，角闪石，辉石等。颜色视深色矿物含量多少而定，其强度较高。
6) 页岩 由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主。大部分有明显的薄层理，成叶
片状，易风化，强度低与水作用易于软化而丧失稳定性。
7) 砂岩 砂质结构由50%以上粒径介于0.05―0.2mm的砂粒胶结而成粘土含量小
于25%，结构疏松强度和稳定性不高。
8) 闪长岩 灰黑至黑，主要矿物成分为斜长石、辉石和角闪石，呈斑状结构，块
状构造或条带构造，致密性坚硬、脆性，强度很高。
2. 构造特征
隧道地处北大巴山加里东褶皱带，该褶皱束位于北大巴山加里东褶皱带的北部。隧址区位于高坪——老县街复向斜，有断层通过，隧道进出口段斜坡岩层产状为186o59o，隧道出口岩层产状为180o54o，节理及发育。
3. 断层
隧道区内断层较发育，已查明断层2条，以北东向断层为主，次为近西向，亦见南北向断层。断层性质以压纽性、压性、扭性为主，个别为张性、张扭性。断层多期活动的特点，早期以压性、压纽性、扭性为主，且规模较大，晚期以张性为主，规模小。对隧道有影响的断层没有。
4. 地震活动及地壳稳定性概略分析
勘查区位于扬子板块西北缘，根据板块运动的观点，其构造运动微弱，故勘查区在大地构造位置上属稳定地段。
勘查区属华南地震区秦巴地震亚区汉中地震带，虽断裂构造发育但活动性断裂不甚发育，地震活动微弱，属弱地震活动区。该地震带多为3级以下弱震，4级以上地震自公元前1177年至980年间共发生8次，主要分布在汉中市区（3次），新集（1次），略阳（1次）阳县（1次）等处，最大震级为5.5级，发生于1636年，震中位于汉中市区。根据国家地震局资料，勘查区的地震基本烈度为Ⅵ度预测未来最大震级为5级，因此，可以认为勘查区为相对稳定区。
（三）水文地质条件
榆树坪隧道全长2125.87m，最大埋深约为357m，属于深埋长隧道。根据地表调查，隧道区主要接受大气降雨垂直补给，总体水量较丰富。地下水主要接受大
气降雨的垂直补给，按照隧道用水分类标准，进出口V级围岩范围内，由于岩体极破碎，雨水会沿裂隙下渗，出现淋雨状，当岩体较完整时，出水状态属于渗滴涌水。
本次涌水量估算方法采取极限状态下(多年日最大降水量)降水入渗法：
Q2.74aFP进行计算。
（四）不良地质现象
据地面调查，隧道区无崩塌、滑坡、泥石流、危岩等不良地质现象，场地天然稳定性良好。
（五）隧道围岩类别
1. 隧道围岩级别划分依据和原则
隧道围岩类别主要依据岩石弹性波速度，岩石饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合岩石风化程度、完整性、坚硬程度、节理发育程度、断层及地下水影响程度等进行综合分类。
依据上述实际资料在确定隧道围岩级别时，制定以下原则：
1) 以交通部行业标准《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）提供数据为围岩级别划
分标准。
2) 遇断层破碎带，围堰类别较同类岩石降低1--2级，影响带推至洞底以上40—80m
与断层交界处。
3) 为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层情况分段进行评价。
未有钻孔控制段，参照勘查区同类岩石已有资料进行类比分类
2. 隧道围岩级别划分
按上述围岩级别划分原则，将隧道围岩级别划分汇入下表。
围岩级别划分总表
围岩级别 Ⅲ级 Ⅴ级 Ⅳ级 总长 隧道名称 （米） （米） （米） （米） 南古庄沟隧道（—） 715.9 282.99 971.57 2125.87 各类围岩比例（%）(一) 33.68% 13.31% 45.7% 100% （六）隧道稳定性评价
1. 洞室稳定性评价
在工程地质测绘和勘探的基础上，综合分析评价认为隧道进口段为极不稳定地段；整体强度很低，多呈弹塑性变形，稳定性很差，进出口基岩浅埋段，岩石风化强烈，稳定性差，为易失稳段；其余洞段，岩石较破碎，岩体呈碎石块状或块（石）碎（石）状镶嵌结构，风化中等，岩石较软，整体强度较低，稳定性较差。
综合分析诸影响因素，隧道多数地段为III、Ⅳ级围岩，洞室处于较稳定状态，少数地段为V级围岩，洞室稳定性较差。隧道洞室底部地基，除洞口段稳定性较差外，其余地段均处于稳定状态。
2. 洞口斜坡稳定性评价
影响洞门斜坡稳性的主要因素是地层岩性，结构面与斜坡坡面产状的组合关系及水文地质条件等。
按组成斜坡的岩性，进出口斜坡均属土体斜坡，现对其稳定性评价如下：洞口
斜坡均属碎石土类斜坡。岩性为含粘粉质碎块石，洞门附近该层厚约3-5m。土体较松散，未见地下水出露，粘粉质含量低，基本不具粘聚力，内摩擦角370左右，极易坍塌至地表，洞门不稳定。据计算与综合分析，该类土边坡，当边坡角下于土的内摩擦角370时，处于稳定状态。
五、 方案比选
（一）方案介绍
方案一：采用沿河方案设计，线路全长4414.79m，不设隧道，沿洛河经川道，陈子沟，漩水川，吴旗镇到达榆树坪。
方案二：采用两条短隧道，经庙台到达榆树坪。道路全长3437.98m，第一条隧道长155.90m，第二条隧道长914.18，第一条隧道属于短隧道，第二条隧道属于中隧道，两条隧道采用46.8m长桥梁链接。
方案三：采用刘河湾至榆树坪航空线进行路线布置，线路全长3121.7m,路线采用2125.87m隧道，为长隧道。。
（二）比选
根据地形地质条件，施工量，施工难易程度，经济意义，环境保护将三个方案进行比较并确定方案。
（三）地形地质条件
方案一，地形较为平坦，地质情况比较单一，多为沿河河岸河滩地形。
方案二和方案三，地质地形情况基本相同，懂采用隧道架桥通过不良地质和复杂地形。
（四）施工量
方案1：线路总长4414.79米，多为平原路堤构造。
方案2：线路总长4379.8米，其中隧道1070.8米，隧道围岩等级分别为V级、IV级，围岩强度较差。
方案3：线路总长3121.7米，其中隧道2125.87米，隧道围岩等级为V级、IV级、III级。
（五）施工难度
方案1：线路较长，道路线性较差，其中要穿越吴起镇、漩水川等人员比较密集的居民区，施工难度较大，施工过程的场地布置困难，施工期间占用原有道路，将造成市区内交通拥堵等状况。
方案2：线路较短，隧道标高较高，在K1+073处地面高程远小于隧道标高，需采用高架桥通过，再经K1+120修建914.18m的隧道，隧址处多为强风化岩层，围岩强度较差且次方案隧道处于浅埋段的长度大大增长，施工难度较大，且与方案三相比线路长度增加1258m增加近40%线路长度。
方案3：为两点间最短线路，选线近似于航空线路，为单条隧道通过，隧道大多处于深埋区段，围岩稳定性较好。隧道以外展线较短，线路几何条件较好，有利于形成安全，施工难度较低。
（六）营运及养护费用
方案1：线路全长4414.79m,全线无隧道，多为跨线桥和立交桥设计，道路养护费用较低。
方案2：两条隧道共长1070m，营运及养护费用稍低，但道路养护费用较高。
方案3：隧道全长2125.87m，隧道运营成本较高，但综合交通量和道路全段养护费
用，与方案2基本持平。
（七）对周边居民带来的经济效应
方案1：对洛河沿岸和川道沿岸的漩水川，陈子沟，甜水沟附近的地区带来经济效益，特别是方便吴起县政府和周边居民出行。
方案2：对贺石湾、洛源桥周边经济影响较大。
方案3：除影响方案2所述地区经济外，还使刘河湾至贺石湾、洛源桥、榆树坪地区的距离大大缩短，降低了商品运输成本，使两地居民出行更加方便快捷安全，使山中的矿产运输加工成本降低，大大增加吴旗县地区矿产总量，带动区域。
（八）环境保护
方案1：无开挖，对山体破坏最小，但是公路离居民区较近噪声污染较严重，公路线性较差，尾气污染较大。
方案2：开挖较少，对山体破坏较小。但因其浅埋段较长，会对山体进行刷坡，山坡植被破坏较严重。且因其为两段隧道，故在隧道进出口处对山岭原有自然环境的破坏比较严重。
方案3：开挖较大，但因其多为深埋隧道，故对山体破坏较小，对山中自然生态环境影响较小。线路笔直，有利于行车安全，减少尾气排放。
（九）综述：
方案1和其他两个方案差别较大，施工量最少，施工周期最短。但出于线形和环境因素方面因素，方案1不做考虑。方案2与方案3相类似，但是方案2的线线形较方案3相比较差，方案2与方案3总体运营和养护费用持平。方案2施工难度较大，浅埋段隧道施工难度较大，道路展线较长，不利于行车。方案3大大缩短两地距离降低矿产运营成本，有效带动区域经济发展。且环境方面，方案3尾气对山林原始生态环境影响较小。故综合以上因素采用方案3进行线路的总体布置和设计。
六、 隧道设计概要
（一）隧道洞口设计
结合隧道进出口地形、地貌、工程地质和水文条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工营运条件，并考虑到施工开挖边仰坡的稳定性，本着“早进晚出”、 “少开挖”的原则，确定隧道洞口位置、明洞型式，洞门型式的选择力求结构简单，并与洞口地形、地貌协调一致。隧道进口洞门采用削竹式洞门，出口洞门采用端墙
式洞门，并进行了必要的装饰，明洞采用全断面整体式钢筋混凝土衬砌。洞口地段边、仰坡根据实际情况采取一定的加固防护措施，暗洞进出洞口仰坡面采用锚喷混凝土临时防护措施，确保进洞安全。
（二）隧道横断面设计
榆树坪隧道的建设标准为：山岭二级公路。根据《公路隧道设计规范》的规定，按单洞双向隧道设计，其行车道宽度3.50*2m,隧道的有效净宽10.0m,有效净高5.0m。在满足上述净空限界标准的前提下，根据电缆槽和检修道的设置对空间的需求及照明、衬砌结构受力的合理性和开挖面积最小等条件，经过对各种衬砌内轮廓形式和参数的优化，最后选择了净宽10.51m,有效净宽10.0m,净高7.0869m,有效净高5.0米的圆拱形式。隧道内轮廓通过对单心圆、扁平三心圆和三心圆几种断面形式进行综合比较，结合隧道衬砌结构受力特征以及工程造价等因素，采用拱顶R-525cm、侧墙R-764cm的三心圆形式。横断面采用复合式衬砌。路面采用人字双坡设计，路面两侧侧均设设纵向排水沟，路基中心设中心排水沟。隧道右侧检修道沟槽设电力电缆槽，左侧设通讯信号电缆槽。
（三）洞门设计
为保证营运安全，并与环境协调，根据隧道进出口地形和工程地质条件，结合开挖边仰坡的稳定性和路堑支挡及排水条件，进口设置削竹式洞门，出口设置端墙
式洞门并修饰周围景观使洞门与之协调，洞门与隧道轴线正交，洞门结构应该满足抗震要求。
（四）衬砌结构设计
榆树坪隧道采用“新奥法”原理设计，衬砌形式为：以锚喷混凝土作为初期支护，内层用模注混凝土作为二次衬砌的复合式衬砌结构，两层衬砌之间设置防水层，对于软弱围岩及断层破碎带采取适当的预支护措施，保证开挖面的稳定和初期支护的施作。根据该隧道的工程地质及水文地质条件，采用工程类比法的方法拟定了各类围岩（深、浅埋）的衬砌参数，同时根据各类围岩的物理力学指标，采用有限元法验算衬砌结构强度，并根据结果修正初拟的衬砌参数，最后确定了本隧道的各类围岩的衬砌参数见下表。
各类围岩的衬砌参数表
在隧道进出口浅埋段，根据围岩类别、破碎程度及地下水情况分别采用了不同形式的预支护措施，使浅埋围岩在隧道开挖后及时形成压力拱，确保开挖后的裸洞具有一定的自稳时间以利初期支护的施作，同时具有止水的作用。施工时应先进行水泥单浆液的现场注浆试验，试验用水泥单浆液添加5%（重量比）水玻璃，如注浆效果良好能够达到固结围岩、堵水之目的，可以改用上述试验的水泥浆液注浆，否则，按设计用的水泥、水玻璃双液进行现场注浆试验，注浆参数根据现场试验结
果按实际情况调整，以利施工。无论采用何种浆液，注浆结束标准必须满足设计图要求。
明洞衬砌结构为整体式钢筋混凝土结构。明洞结构计算方法采用荷载结构模型，根据作用在支护结构上的荷载按弹性地基上的拱形平面杆系结构计算结构内力，并以此来进行截面设计和配筋设计。
（五）防排水设计
隧道防排水应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合处置”的原则，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全。隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。对于高速公路隧道防排水应该满足下列要求：
1、拱部、边墙、路面、设备箱等不渗水。
2、有冻害地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。
沿隧道全长在道路中心线以下设置中心排水沟，道路一边设置开口式排水侧沟。洞内复合式衬砌段采用橡塑防水板防水，土工布、第三代软式透水管和塑料排水板等排水。明洞段采用橡塑防水板、土工布及粘土隔水层防水。干砌片石盲沟及
软式透水管排水。工作缝、伸缩缝、沉降缝处均加设橡胶止水带，洞内二次衬砌后墙底部设置纵向排水管，与衬砌内的环向排水管相连，并通过横向排水管与中央排水沟相通。洞门上方设截排水沟，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞内外排水系统。
处于单坡标高的洞门端，洞门外1m的地方均设路基横向截水沟，防止洞外路基路面水顺坡流入洞室。
（六）路面及内装饰设计
隧道内采用35#水泥混凝土路面，路面厚24cm。路面下设15cm厚10#素混凝土整平层。
隧道内装饰：根据土建设计要求，隧道洞身内的涂装工程采用SD型高温隔热防火涂料。该涂料是根据隧道施工的特殊要求，借鉴国外隧道防火涂料技术，针对公路隧道混凝土结构的防火要求，以无机绝热材料为主要成分的隔热型公路隧道专用防火涂料。而无机防火涂料可持续保护隧道混凝土结构，使其在规定的耐火时间内与热隔绝。
（七）紧急停车带设计
对于长隧道在隧道行车方向右急停车带设计侧应每隔500-750m设置紧急停车带一处，宽3.5m。长4.0m。
（八）检修道设计
为了便于行人因需要徒步穿过以及洞内设施的维修养护，隧道内设置检修道，为防止汽车冲上人行道，并避免隧道维修养护人员在其上行走不至于因其与路面高差过大而产生不安全感，以及考虑到洞内发生事故时便与人员疏散，同时结合缆线槽设置的要求，设计检修道高度为25cm，宽度为25cm。
（九）现场监控量测
现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一。通过施工现场监测可以掌握围岩和支护在施工过程中的力学动态及稳定程度，保障施工安全，为评价和修改初期支护参数，力学分析及二次衬砌施作时间提供信息。
根据本次项目中隧道具体条件，建议施工中进行以下量测项目：
1. 围岩初始应力场测试
在隧道开挖过程中选择有代表性的地段采用钻孔应力解除法进行地应力测试，
分析对支护衬砌结构的影响，以修改预设计和指导施工。
2. 隧道变形量测
通过洞内收敛量测来监控洞室稳定情况和评价隧道变形特征。该项目为主要量测项目，包括净空收敛量测、拱顶下沉量测、围岩内部位移量测。
3. 应力-应变量测
采用应力、应变盒、测力计等监测钢拱架、格栅支撑、锚杆和衬砌受力变形情况，进而检验和评价支护效果。
4. 围岩稳定性和支护效果分析
通过对量测数据的整理和回归分析，找出其内在的规律，对围岩稳定性和支护效果进行评价，然后采用位移反分析法，反求围岩初始应力场合围岩综合物理力学参数，与实测结果进行对比、验证。
（十）通风照明
1. 通风
榆树坪隧道为单洞双向隧道，长度2125.87米。入口桩号K0+015,K0+015至K0+916.79坡度为1.25%,K0+916.79至K2+1411坡度为-1.5%，出口桩号K2+126.第一段平均海拔1321.57米, 第二段平均海拔1319.72米,设计行车速度60km/h,设计高峰小时交通量540辆/小时,大型车混入率19% ,通风段面积58.016㎡,当量直径7.818m。
通风控制：
（1）正常状态：CO≤275ppm;烟雾浓度VI≤0.0075m-1(透过率47.5%);
（2）阻滞状态：20min内CO≤300ppm；
（3）火灾发生时风机采用紧急状况进行排烟，洞内纵向风速3.04m/s。
在综合考虑隧道所处的自然条件、交通量、车辆状况、工程造价、维修保养费以及车辆行驶的活塞风作用下，通过计算确定在设计行车速度状态下，需要机械通风。确定通风量时，还应在设计行车速度以下各工况车速按20km/h为一档分别进行计算，并考虑交通阻滞状态，取其较大者作为设计需风量。据此需风量在进行详细的通风计算，确定风机数量。
因此，依据交通量、交通特征、自然地理条件、工程条件、经济和技术条件最
后经计算确定此隧道的需风量为176.126 m3/s，采用1000mm直径的射流风机，共需要8台，分4组布设。注意安装风机时，风机的任何部位不得侵入建筑限界以内。
2. 照明
为有效解决隧道进出口的“黑洞”“白框”效应，使行车更加安全、舒适，根据《公路隧道设计规范》对于长度大于100米的隧道应该设置照明系统。隧道照明应该综合考虑环境条件、交通状况、土建结构设计、供电条件、建设及营运费用等。本隧道照明系统包括入口段照明、过渡段照明、中间段照明、接近段减光设施、应急照明、洞外引导照明等六个部分。隧道各段长度及所需亮度、灯具布置列如下表：
隧道照明布置表
灯具瓦数区段 (W) 光通量（lm） 间距长度（m） （m） 灯具盏数 入口段 南口 过渡Tr1段 400 40000 3.5 40.05 11组22盏 250 28000 4.5 44 10组10盏 段 Tr2段 150 16000 10.5 67 6组6盏 中间段及基本 150 照明 16000 22 2126（总） 97组97盏 入口段 北口 Tr1段 400 40000 3 40.5 14组28盏 250 28000 3.5 44 13组13盏 过渡段 Tr2段 150 16000 9 67 8组8盏 （十一）环境保护
隧道设计时考虑了环境保护因素，尽可能避免因人为的因素而导致新的山体病害的产生，减少对工程附近的建筑、居民生活、生产和环境的不良影响，为此，在环境保护设计中主要考虑了以下方面：
1. 采用合理的爆破技术减少粉尘污染主要有：
1) 水封爆破——即在炮眼底部装入炸药后，用木塞或黄泥封严(最好用专用封口
器)，封口后向孔内注水，再进行爆破。炸药爆炸时所形成的高温高压隧道使水
迅速汽化，然后冷凝形成微小水滴，微小的水滴和粉尘碰撞结合并使粉尘沉降而不致飞扬。
2) 水炮泥-——是将水装入塑料袋内放到炮眼中来代替部分炮泥。炸药应有防水
性，在放入时应加小心勿使搞破，再在其上用黄泥封堵，其灭尘作用与\"水封爆破\"基本相同。
3) 水幕降尘——其原理是以高压水经喷头雾化成微小水滴而射到空气中，当它与
尘粒接触，这些尘粒即附着于水滴上，或与被湿润的尘粒碰撞，而凝聚成较大的颗粒，从而加速沉降，达到降尘的目的。
此外，在隧道路面上定期洒水和对岩面不时加以冲洗，可防止车辆运行时或爆破冲击波而造成积尘二次飞扬。
4) 在洞内对施工机械如空气压缩机、混凝土拌和机、送风机等加设隔音罩、隔音
墙等设施；在爆破方面要规定放炮时间，增设隔音门；采取特殊爆破方式，同时进行周密的爆破管理。当隧道通过对振动有严格要求的结构物或地区时，应采取低振动的爆破方法，必要时还可采取隧道掘进机施工，以减小振动。
5) 对废料的处理与利用。隧道施工时产生的废渣，应作妥善放置，不能随便堆放，
以免阻塞河道造成水土流失或占用当地农田。对优质石碴可加以利用，如防护
用的片石、路面骨料和混凝土集料可分类堆放，以便充分利用，有条件时也可利用荒沟，在其中筑坝填入废碴，变荒沟成良田，增加耕地。
6) 隧道建设中所需的石材，在选择料场时，应远离隧位，采取集中料场取料，切
忌随意布置小料场。对山坡及其植被不要肆意破坏，否则既影响环境面貌，也容易引发坍方、滑坡等不良灾害。
7) 在隧道竣工通车后，在已被破坏的地方加栽树木和种植花草等，达到保护生态、
恢复原貌的目的。
8) 结合隧道工程实际情况，设置人工景点，供人休息和欣赏，美化环境。
（十二）施工方法及施工注意事项
1．施工方法
1) 明洞施工方案：
采用明挖法，开挖时需要时刻注意边坡、仰坡稳定性，并根据实际施工情况及时进行锚喷混凝土封闭坡面。开挖到暗洞进洞时，按进出口相应围岩类别初期支护措施安全进洞。明洞采用就地模筑全断面钢筋混凝土衬砌，明洞回填时，拱脚以下
均采用7.5号浆砌片石回填，其上对称回填土石并分层夯实，层厚不得小于50cm，明洞回填到原地面进行绿化。
2) 暗洞施工方案：
采用新奥法，具体为暗洞Ⅴ级围岩采用台阶分步开挖，即环形开挖中心留核心土法，每环进尺寸控制在0.5-1.0米为宜，台阶长度不小于6米，采用光面爆破或机械开挖，及时进行初期支护封闭围岩。下半断面应采用拉中心槽，两侧留足台阶土，马口跳槽开挖落地，马口长度不宜大于2米，应及时完成初期支护。Ⅲ,Ⅳ级围岩采用正台阶开挖法，Ⅲ,Ⅳ级围岩紧急停车带采用台阶分步开挖，最终全断面模筑二次混凝土衬砌。
3) 围岩监控量测：
隧道施工中，掌子面开挖成型后，必须立即喷射不小于5cm 厚的混凝土及时封闭围岩，紧跟监控量测，否则工作人员不得进入掌子面作业。只有通过对围岩进行监控量测，才能正确地掌握围岩与支护之间的收敛动态，客观的评价围岩的稳定性，进一步了解围岩的弹朔性区域，裂隙发育程度，从而达到调整初期支护参数计指导设计和施工的目的。
2．施工中注意事项
1) 隧道施工必须严格执行 《公路隧道施工技术规范》（JTJ0425-94）的各项规定
要求。
2) 隧道应该遵循“早进洞、晚出洞”原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡稳定；
3) 复合式衬砌施工时，严格执行围岩的监控量测程序，初期支护必须跟上，并且
以围岩的监控量测信息指导设计与施工；
4) 施工中时刻注意：若围岩级别划分与实际不符合时，应及时提出，以便设计施
工密切配合，妥善处理，避免冒顶和塌方；
5) 初期支护钢支撑和ps 格构梁尽可能与围岩密贴，与锁脚锚杆焊接成整体，超
挖时必须用喷射混凝土充填密实；
6) 初期支护中，根据围岩量测结果，分成2-4层喷射混凝土，在先期喷射混凝土
表面发现有束流地下水处，采用弹簧排水管贴面排水，并在软管外周喷射混凝土及时密封，使其与隧道衬砌墙角纵向排水管连通，要求初期支护完成后，表面无渗漏，才能进行防水层的施工；
7) 隧道运营期间的监控照明等设施，施工中必须做好预埋件的埋设工作；
8) 隧道施工必须按照《公路公程施工安全技术规范》（JTJ076-95）执行，要求安
全施工，避免伤亡和设备受损。
9) 隧道施工时，首先施作洞门工程和明洞工程，包括截排水沟，洞门边仰坡防护
工程，洞门工程和明洞回填工程等，待其完成后，方可进洞。且明洞和洞门工程施工时尽可能避开雨季。
10) 隧道进出口埋深浅，覆盖层薄，地质条件差，明洞可以视实际开挖边仰坡稳定
情况酌情调整；
11) 在明洞拉槽开挖前应结合路基情况事先做好排水工作，洞口环形截水沟应先期
完成。
12) 当明洞结构基础一侧在基岩上，另一侧在土层上时，为防止不均匀沉降，土层
区段的明洞基础，路基床均应挖至基岩面，且基岩面应挖成台阶形，再砌筑浆砌片基础石后，方可做明洞结构及路基基层。
13) 明洞应落在稳固基础上，明洞基础底标高不宜高于隧道侧沟沟底标高或路面基
层标高。当基岩埋深较浅时，基础可以设置在基岩上；当基础位于软弱地基上时，采用仰拱整体式钢筋混凝土底板。如遇基础不稳，应进行处理，具体方法，视实际情况确定，明洞基础承载力要求400kpa。
14) 对于Ⅴ类围岩采用管棚或小导管注浆预支护地区段，在初期支护完成后，为防
止过大变形，并从安全的角度出发应及时施作二次衬砌。
15) 初期支护与二次衬砌间超挖部分的处理：在允许超挖范围内，采用同级混凝土
回填。超挖大于允许值时，在起拱线和墙基于以上1米范围用同级混凝土回填，其余超挖部分可用同级混凝土浆砌片石回填。初期支护与二次衬砌之间的孔隙应压注水泥砂浆填满。
（十三）监控系统及防灾系统
1．系统概况
南古庄沟公路隧道属长隧道，在重点保证运营安全的前提下，本着“实用、可靠、经济”的原则，考虑设置监控系统及防灾系统。
该公路隧道按其长度和交通状况，交通工程等级为A级。设置八个 监控系统及防灾系统：
（1）交通监视和控制系统；
（2）通讯系统；
（3）环境检测系统；
（4）运营通风系统；
（5）照明系统；
（6）报警、消防系统；
（7）供电系统；
（8）中央控制系统。
2．交通监视控制系统
系统由中控室的交通监控计算机、闭路电视系统、可变情报板、可变限速标志、视频车辆检测器、入口信号灯及车道表示器等组成。
闭路电视系统：洞内摄像机间距160m，洞口各设一台，以及与其相关的显示及传输、控制系统。视频车辆检测器摄像头与CCTV系统合用。
交通信号灯或车道表示器：洞内250m,洞口各一道。
可变情报板：洞内3000m，洞口各一道。
可变限速标志：洞内1000m，洞口各一道。
洞口各设一道超高监测系统。
3．通信系统
系统由紧急电话、电视监控、广播和无线通信组成。
紧急电话系统：洞内250m一处，设于前进方向右侧。
有线广播系统：间距160m，设于前进方向左侧。
无线通信：由四信道基站、光中继器、天线、光传输设备等组成。
4．环境检测系统
CO检测仪：间距500m。VI检测仪：间距500m。
风速风向测定仪：间距1500m。
5． 通风系统
6．????针对隧道的交通量、交通特征、自然地理条件、工程条件、经济和技术条件，综合比选后采用射流风机纵向式通风。通风设计按单洞双向行车考虑。
通风控制：（1）正常状态：CO≤250ppm;烟雾浓度VI≤0.0075m-1(透过率47.5%);
（2）阻滞状态：20min内CO≤300ppm；
（3）火灾发生时风机采用紧急状况进行排烟，洞内纵向风速2.5m/s。
7．照明系统
依据《公路隧道通风照明设计规范》确定入口段、过渡段、中间段的灯间距。在隧道拱部两侧对称布置灯具。
照明控制：（1）在洞口及隧道照明引入段各设一台亮度检测仪；
（2）按晴天（或白天）、阴天（或早、晚）、夜晚三种天候控制；
（3）应急照明：由设置在箱变中的UPS电源供电，开亮诱导明灯。
8．通报、报警系统
（1）手动报警按钮：50m一处，设于消防栓箱上；
（2）自动报警装置：设于消防栓箱上；
（3）火灾检测器：贯穿全隧道的感温光纤电缆；
（4）紧急电话：50m一处；
（5）交通信号灯、情报板：按有关上述规定设置。
9． 消防系统
（1）灭火器：50m一处，2个一组，设于消防栓箱中；
（2）消防栓箱：50m一处，既能喷水，也能喷泡沫；
10．救援系统
（1）洞口均设隧道管理所消防队，消防车2辆（其中一辆为干粉消防车），救援车一辆；
（2）地方专业消防队。
11．供电系统
供电电源：均由110kv变电站出线，用35kv架空线路分别供至两洞口，在两端洞口各设35/10kv变电所向隧道供电。隧道两端洞口电源互为备用（单回路供电）。本隧道照明、通信、信号、监控、报警、监测、消防、通风等电力负荷均为一级负荷。洞口及洞内风机房变配电设施均设置防雷接地设施。
12．中央控制系统
本系统主要由综合控制台、模拟显示屏幕、监视器柜、中心计算机网络构成。实施中心控制的项目有：通风控制、照明、交通流检测与控制、环境检测、光强检测、闭路电视、紧急电话、无线广播、无线通信、火灾报警等。 各系统的启动、运行与停止的控制装置集中设置于管理所内。监控中心计算机网络由双中心计算通过以太网工作站、模拟显示屏幕操作站、通信工作站组成。
第二章 二次衬砌内力计算
一、 基本资料
刘河湾至榆树坪二级公路榆树坪隧道，结构断面图如图1所示。围岩类别为V级，容重19.8kN/m3,围岩的弹性抗力系K0.15106kN/m2，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量为Eh2.6107kPa，容重h= 23kNm3。
路面道中中线轴90.0°隧R1.7=59R2=8.00R3=15.00线18.16° 图1 衬砌结构断面图
19.5961°二、 荷载确定
1．根据式，围岩竖向均布压力：
式中：s——围岩类别，此处s=5
——围岩容重，此处19.8kN/m3；
——跨度影响系数，1i(lm5)，毛洞跨度lm11.820.0611.93,其中0.06m为一侧平均超挖量，lm5~15m时，i0.1，此处
10.1(11.935)1.693.
所以，有：
此处超挖回填层忽略不计。
2．围岩水平均布压力：
三、 衬砌几何要素
1．衬砌几何尺寸
内轮廓线半径r15.25m；r27.64；
内径r1、r2所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角190o,218.161o；
拱顶截面厚度d00.45m;
墙底截面厚度dn0.45m.
此处墙底截面为自内轮廓半径r2的圆心向内轮廓墙底做连线并延长至与外轮廓相交，其交点到内轮廓墙底间的连线。
外轮廓线半径：
拱轴线半径：
拱轴线各段圆弧中心角：
2．半拱轴线长度S及分段轴长S
分段轴线长度：
半拱线长度：
将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：
3．各分块接缝（截面）中心几何要素
1) 与竖直轴夹角i
另一方面，81290o19.58613o109.59613o
角度闭合差0。
（因墙底面水平，计算衬砌内力时用890o）
2) 接缝中心点坐标计算
由图2上直接量出xi,yi
图2 衬砌计算图
四、 计算位移
1．单位位移
用辛普生法近似计算，按计算列表进行。单位位移的计算见附表1。
单位位移值计算如下：
单位位移计算表截面012345678α0.0000014.4839428.9678943.4518357.9357872.4197286.90367101.36260113.66900sinαcosαx0.000001.000000.000000.250110.968221.395560.484320.874892.702420.687740.725953.837500.847450.530874.728640.953290.302045.319220.998540.054015.571680.98040-0.197025.502030.91588-0.401455.18304y0.000000.177340.698091.529142.617673.894495.278436.685498.05760 d0.650000.650000.650000.650000.650000.650000.650000.650000.650001/I43.6959543.6959543.6959543.6959543.6959543.6959543.6959543.6959543.69595y/I0.000007.7490130.5034966.81705114.38145170.17328230.64616292.12902352.08444y2/I0.000001.3742121.29403102.17237299.41258662.737541217.450421953.026902836.95523(1+y)21.000001.386132.883496.3965313.0875223.9560039.4187359.0668282.04010附表1(1+y)2/I积分系数1/343.69595160.568184125.996962279.502434571.8714321046.7800541722.4386922580.9808843584.820061 计算精度校核为：
闭合差0。
bd3注：1、I—截面惯性矩，I，b取单位长度。
12 2、不考虑轴力的影响。
2．载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移
1) 每一楔块上的作用力
竖向力：
式中：bi--衬砌外缘相邻两个截面之间的水平投影长度，由图2量得：
bi5.97123B5.705m（校核） 2 水平压力： Eiehi
式中：hi--衬砌外缘相邻两截面之间的竖直线投影长度，由图2量得：
hi8.38260mH8.38260m（校核）
自重力： Gidi1diSh 2式中：di--接缝i的衬砌截面厚度。
注:计算G8时，应使第8个楔块的面积乘以h。
作用在各楔块上的力均列入附表2，各集中力均通过相应图形的形心。
2) 外荷载在基本结构中产生的内力
楔块上各集中力对下一接缝的力臂由图2中量得，分别记为aq,ae,ag。
内力按下式计算（见图三）。
弯矩：
00 图3 内力Mip计算图示 ,Nip轴力：
式中：xi,yi--相邻两接缝中心点的坐标增
值，按下式计算：
00的计算见附表2、附表3及附表4。 Mip,Nip基本结构中，主动荷载产生弯矩的校核为：
0另一方面，从附表2中得到M8p5413.9823
闭合差5391.74015413.9823100%0.4%
5413.983) 主动荷载位移（计算过程见附表5）
主动荷载位移计算表截面012345678Mp00.000-253.094-962.687-1987.655-3085.069-4101.225-4866.186-5287.466-5413.9821/I43.69643.69643.69643.69643.69643.69643.69643.69643.696∑y/I0.0007.74930.50366.817114.381170.173230.646292.129352.0841+y1.0001.1771.6982.5293.6184.8946.2787.6859.058Mp0/I0.000-11059.204-42065.543-86852.462-134805.038-179206.901-212632.596-231040.832-236569.096-1134231.67155Mp0y/IMp0(1+y)/I0.0000.000-1961.233-13020.437-29365.328-71430.871-132809.236-219661.698-352874.728-487679.766-697918.848-877125.749-1122367.017-1334999.613-1544622.168-1775663.000-1906178.925-2142748.020-5788097.48279-6922329.15434附表5积分系数1/3142424241计算过程见附表5. 计算精度校核
闭合差0。
3．载位移—单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移
1) 各接缝处的抗力强度
抗力上零点假定在接缝3，343.45183ob；
最大抗力值假定在接缝6，686.90367oh；
最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：
查附表1，算得：
最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：
式中：y'i--所考察截面外缘点到h点的垂直距离；
y'h--墙角外缘点到h点的垂直距离。
由图1中量得：
则：
按比例将所求得的抗力绘于图1上。
2) 各楔块上抗力集中力R'i
按下式近似计算：
式中：Si外--楔快i外缘长度，可通过量取夹角，用弧长公式求得，R'i的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。
3) 抗力集中力与摩擦力的合力R'i
按下式计算：
式中：--围岩与衬砌间的摩擦系数，此处取=0.2。
则：
其作用方向与抗力集中力R'i的夹角arctan11.3099o。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移的方向相反，其方向向上。画图时，也可取切向：径向=1：5的比例求出合力Ri的方向。Ri的作用即为R'i与衬砌外缘的交点。
将Ri的方向线延长，使之交于竖直轴，量取夹角k，将Ri分解为水平与竖直两个分力：
以上计算列入附表6.
4) 计算单位抗力及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力
弯矩：Mi0_Rjrji
轴力：Ni0_siniRVcosiRH
式中：rji--力Rj至接缝中心点ki的力臂，由图1量得。
计算见附表7，8。
5) 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移
计算见附表9。
校核为：
闭合差0。
4．墙底（弹性地基上的刚性梁）位移
单位弯矩作用下的转角：
主动荷载作用下的转角：
单位抗力及相应摩擦力作用下的转角：
五、 解力法方程
衬砌矢高
计算力法方程的系数为：
以上将单位抗力及相应摩擦力产生的位移乘以h，即为被动荷载的载位移。
求解方程为：
式中：X1p832.14868,X12.87320
以上解得的X1,X2值应代入原方程，校核计算是否正确，此处从略。
六、 计算主动荷载和被动荷载（
h1）分别产生的衬砌内力
计算公式为：
计算过程列入附表10，11。
七、 最大抗力值的求解
首先求出最大抗力方向内的位移。
考虑到接缝5的径向位移与水平方向有一定得偏离，因此修正后有：
计算过程列入附表12，位移值为：
最大抗力值为：
八、 计算衬砌总内力
按下式计算衬砌总内力：
计算过程列入附表13。
计算精度的校核为以下内容：
根据拱顶切开点的相对转角和相对水平位移应为零的条件来检查：
式中：
闭合差：
式中：
闭合差：
九、 衬砌截面强度检算
检算几个控制截面：
1．拱顶（截面0）
又有：
式中：Ra--混凝土极端限抗压强度，取1.4104KPa。
2．截面7
3．墙底（截面8）偏心检查
其他各截面偏心距均小于0.45d
十、 内力图
将内力计算结果按比列绘制成弯矩图M与轴力图N，如图4所示。
1035.2841085.8411221.481-177.83981-13.246481398.281-186.95279157.22676226.72461-130.38392-73.94033-46.30261.96945 图4 衬砌内力图
第三章 IV级围岩隧道施工阶段分析
一、 运行GTS
1) 打开GTS程序；
2) 点击文件>新建 打开新项目；
3) 弹出项目设定对话框
4) 在项目名称里输入‘VI级围岩施工阶段分析’
1547.2171625.9971626.4151606.7791593.0705) 将模型类型设定为‘2D’
6) 将分析约束设定为‘X-Z平面’
7) 重力方向自动指为‘Z’
8) 其它的直接使用程序设定的默认值点击确认
二、 生成分析用数据
1. 属性
生成围岩属性
1) 在主菜单中选择模型〉特性〉属性;
2) 在属性对话框中选择添加按钮中的‘平面’；
3) 在添加/修改平面属性对话框中确认号制定为‘1’；
4) 在名称里输入‘IV级围岩’；
5) 在单元类型里确认是否制定为‘平面应变’；
6) 为生成材料点击材料右侧的添加；
7) 在添加/修改岩土材料对话框中确认号指定为‘1’；
8) 在名称里输入‘IV级围岩’；
9) 点击颜色按钮到设定颜色；
10) 在材料参数的弹性模型（E）里输入‘2400000’；11) 泊松比（v）里输入‘0.33’；
12) 容重(Y)里输入‘21’；
13) 容重（饱和）里输入‘21’；
14) 粘聚力（C）里输入‘300’；
15) 摩擦角（Φ）里输入‘30’；
16) 初始应力参数中K。输入‘1.5’；
17) 将模型类型指定为‘摩尔-库伦’；
18) 确认排水参数指定为‘排水’；
19) 点击确认按钮；
20) 在添加/修改平面属性对话框中确认材料指定为‘IV级围岩’；
21) 点击适用；
22) 点击添加；在属性对话框中确认是否生成了‘IV级围岩’属性。如图1、2。
图1 图2
生成喷射混凝土属性
23) 点击属性对话框中添加按钮中的‘线’；
24) 在添加/修改线属性对话框中确认号指定为‘2’；
25) 在名称里输入‘C20喷射混凝土’；
26) 将单元类型指定为‘梁’；
27) 为了生成材料点击材料右侧的添加；
28) 在添加/修改结构材料对话框中确定号指定为‘2’；
29) 在名称里输入‘C20喷射混凝土’；
30) 点击颜色按钮设定颜色；
31) 在弹性模量（E）里输入‘’；
32) 泊松比处输入‘0.2’；
33) 重量密度处输入‘23’；
34) 点击确认；
35) 为生成特性点击特性右侧的添加按钮；
36) 在添加/修改 特性对话框中确认号制定为‘1’；
37) 在名称里输入‘喷混’；
38) 点击颜色右边的按钮设定颜色；
39) 确认类型制定为‘梁’；
40) 勾选对话框下端的截面库；
41) 点击截面库按钮；
42) 在截面库对话框中确认指定号为‘方形’；
43) 在H里输入‘0.22’；
44) 在B里输入‘1’；
45) 确认偏移是否制定为‘中--中’；
46) 在截面库对话框中点击确认按钮；
47) 在添加/修改特性对话框中确认特性里输入了特征值；；
48) 在添加/修改特性对话框里点击确认按钮；
49) 在添加/修改线属性对话框里点击适用按钮；如图3、4、5、6。
图3 图4 生成锚杆属性
50) 在添加/修改线属性对话框中确认号制定为‘3’；
51) 在名称里输入‘锚杆’；
52) 将单元类型制定为‘桁架’；
53) 为生成材料点击材料右侧的添加；
54) 在添加/修改结构材料对话框里确认号制定为‘3’；图4
图5
55) 在名称里输入‘锚杆’；
56) 点击颜色按钮设定颜色；
57) 在弹性模量（E）里输入‘’；
58) 泊松比处输入‘0.3’；
59) 重量密度处输入‘78.5’；
60) 点击确认；
61) 为生成特性点击特性右侧的添加按钮；
62) 在添加/修改 特性对话框中确认号制定为‘2’；
63) 在名称里输入‘锚杆’；
64) 点击颜色右边的按钮设定颜色；
65) 确认类型制定为‘桁架/植入式桁架’；
66) 勾选对话框下端的截面库；
67) 点击截面库按钮；
68) 在截面库对话框中确认指定号为‘圆形’；
69) 在D里输入‘0.22’；
70) 确认偏移是否制定为‘中--中’；
71) 在截面库对话框中点击确认按钮；
72) 在添加/修改特性对话框中确认特性里输入了特征值；
73) 在添加/修改特性对话框里点击确认按钮；
74) 在添加/修改线属性对话框里点击适用按钮；如图7、8、9、10。
图7 图9 生成二次衬砌混凝土属性
75) 点击属性对话框中添加按钮中的‘线’；
76) 在添加/修改线属性对话框中确认号指定为‘4’；77) 在名称里输入‘C25钢筋混凝土’；
78) 将单元类型指定为‘梁’；
79) 为了生成材料点击材料右侧的添加；
8
10
图 图
80) 在添加/修改结构材料对话框中确定号指定为‘4’；
81) 在名称里输入‘C25钢筋混凝土’；
82) 点击颜色按钮设定颜色；
83) 在弹性模量（E）里输入‘’；
84) 泊松比处输入‘0.2’；
85) 重量密度处输入‘23’；
86) 点击确认；
87) 为生成特性点击特性右侧的添加按钮；
88) 在添加/修改 特性对话框中确认号制定为‘3’；
89) 在名称里输入‘浇筑混凝土’；
90) 点击颜色右边的按钮设定颜色；
91) 确认类型制定为‘梁’；
92) 勾选对话框下端的截面库；
93) 点击截面库按钮；
94) 在截面库对话框中确认指定号为‘方形’；
95) 在H里输入‘0.4’；
96) 在B里输入‘1’；
97) 确认偏移是否制定为‘中--中’；
98) 在截面库对话框中点击确认按钮；
99) 在添加/修改特性对话框中确认特性里输入了特征值；；
100) 在添加/修改特性对话框里点击确认按钮；
101) 在添加/修改线属性对话框里点击适用按钮；如图11、12、13、14。
图11 图12
图13 图14
三、 二维几何建模
1) 主菜单里选择几何>曲线>在工作平面上建立>二维隧道（线组）；
2) 隧道类型选择‘三心圆仰拱’；
3) R1处输入5.25+0.4+0.22+0.08=5.95；
4) A1处输入90；
5) R2处输入7.64+0.4+0.08=8.12；
6) A2处输入16.07；
7) 勾选包含锚杆，锚杆数量26，长度3m；
8) 取消勾选生成线组；
9) 点击确认；
10) 确认在模型工作目录树的几何>曲线里确认生成4个‘隧道截面’曲线；
11) 主菜单里选择几何>曲线>在工作平面上建立>二维多段线组生成围岩几何模
型；如图14、15。
图14 图15
形状颜色，检查重复输入
1) 在主菜单里选择几何〉形状颜色；
2) 选择对象形状状态下通过点击选择工具条里的已显示按钮选择所有的线；
3) 形状类型里勾选线；
4) 颜色类型指定为‘随机颜色’；
5) 点击确认按钮；
6) 在主菜单里选择几何〉检查〉检查重复输入；
7) 确认勾选了仅显示形状选项；
8) 确认误差指定为‘le-006’；
9) 勾选检查重复线/线组；
10) 点击适用；
11) 确认窗口里没有任何标记为红色的线；
12) 点击取消关闭对话框；
生成多段线
1) 在动态缩放工具条里点击缩放窗口；
2) 放大显示两个隧道部分；
3) 在主菜单中选择几何〉曲线〉在工作平面上建立〉二维多段线（线组）；
4) 在捕捉工具条里点击顶点捕捉；
5) 捕捉到A点后点击鼠标左键；
6) 沿着顺时针方向点击锚杆的各终点，直到B点以画多线段；
7) 确认未勾选闭合；
8) 确认未勾选生成面；
9) 点击鼠标右键完成多线段；
10) 点击取消。
交叉分割，删除短线
1) 在动态视图工具条里通过点击缩放全部使在模型窗口中显示所有的线；
2) 在主菜单里选择几何〉曲线〉交叉分割；
3) 在选择工具条里通过点击已显示选择所有的线；
4) 点击适用；
5) 点击取消；
6) 在主菜单里选择几何〉删除〉删除面/线；
7) 将对话框上的小面改为‘短线；’
8) 选择检查对象的线状态下通过点击选择工具条里的已显示选择所有的线；
9) 确认长度指定为‘0.1’；
10) 点击查看；
11) 在模型窗口中确认标记为红色的边；
12) 在删除面/线对话框中的选择信息中确认已选中该线；
13) 确认短位置后点击取消来关闭对话框；
14) 在动态视图工具条里点击缩放窗口；
15) 放大显示两个隧道部分；
16) 在主菜单里选择几何〉曲线〉合并线；
17) 选择线状态下选择用四边形标记的包含EdgeA,edgeB在内的所有线；
18) 确认误差里指定为‘0.0001’；
19) 点击确认；
四、 生成二维网络
显隐网格播种信息，网格尺寸控制
1) 在选择工具条里通过点击已显示选择所有的线来进行指定。需选中整个隧道部
分；
2) 在主菜单里选择网络〉网格尺寸控制〉显隐网络播种信息；
3) 在显示网络种子对话框中指定‘显示网格种子’；
4) 点击确认按钮；
5) 在主菜单里选择网络〉网格尺寸控制〉线；
6) 选择线状态下选择构成隧道的侧面墙及天棚的线以及在前面利用多段线生成
的所有线；
7) 在播种方法指定为‘分割数量’；
8) 在分割数量里输入‘2’；
9) 点击预览按钮确认是否正常的指定了单元的尺寸；
10) 点击适用按钮；
11) 在选择工具条里点击多段线选择；
12) 选择线状态下在模型窗口通过画多段线来选择锚杆；
13) 确认播种方法是否指定为‘分割数量’；
14) 在分割数量里输入‘4’；
15) 点击预览按钮确认是否正常的指定了单元的尺寸；
16) 点击适用按钮；
17) 在选择工具条里点击拾取/窗口选择；
18) 请选择线状态下选择构成隧道的线中没有指定网络尺寸控制的所有线；
19) 将播种方法指定为‘单元长度’；
20) 在节点间隔里输入‘1’；
21) 点击确认按钮；
22) 在选择工具条里点击已显示按钮选择所有的线，需选中全部的隧道部分；
23) 在主菜单里选择网络〉网格尺寸控制〉显隐网络播种信息；
24) 在显隐网络播种信息对话框指定‘隐藏网络播种信息’；
25) 点击确认,如图16。
图16
自动划分网络—平面
1) 在视图工具条里点击前视图；
2) 在主菜单里选择网络〉自动划分网络〉平面；
3) 在选择工具条里点击多边形；
4) 请选择线状态下通过画多段线选择线；
5) 确认网络划分方法指定为‘循环网格法’；
6) 确认类型指定为‘四边形’；
7) 确认勾选生成偏移单元；
8) 勾选划分内部区域；
9) 在网格尺寸的单元尺寸处输入‘5’；
10) 在属性里输入‘1’；指定‘IV级围岩’；
11) 在网格组里删除自动网格后输入‘IV级围岩’；
12) 确认勾选添加到网络组；
13) 确认未勾选独立注册各面网格；
14) 确认勾选合并节点；
15) 确认未勾选生成高次单元；
16) 点击适用；如图17。
图17
网格组
1) 选择工作目录树的网格；
2) 展开网格组下拉菜单；
3) 在工作目录树的网络〉网格组里点击鼠标右键调出关联菜单；
4) 选择新网格组；
5) 在名称栏里删除新网格组，输入‘上侧’后按回车键；
6) 在工作目录树的网格〉网格组里点击鼠标右键调出关联菜单；
7) 选择新网格组；
8) 在名称栏里删除新网格组，输入‘下侧’后按回车键；
9) 在工作目录树的网格〉网格组〉‘IV级围岩，上侧，下侧’，点击鼠标右键调出
关联菜单选择仅显示；
10) 在工作目录树的网格〉网格组〉‘IV级围岩’，点击鼠标右键调出关联菜单；
11) 选择缩小；
12) 在工作目录树的网格〉网格组〉上侧，点击鼠标右键调出关联菜单；
13) 在关联菜单里选择网格组〉项的添加排除；
14) 确认指定为单元、包含；
15) 在选择工具条里点击多边形；
16) 选择单元状态下画多边形选择单元；
17) 确认勾选从其他网格组排除；
18) 点击确认。
19) 对于下侧重复12到18的步骤将单元注册到网格组下侧中；如图18、19。
图18 图19
析取单元
1) 在工作目录树的网络〉网格组里点击鼠标右键调出关联菜单；
2) 选择隐藏全部；
3) 主菜单里选择模型〉单元〉析取单元；
4) 选择拱部线；
5) 属性里输入2，C20喷射混凝土；
6) 在网格组里删除‘除析取单元’后输入‘上侧喷混’；
7) 点击适用；
8) 选择侧墙线；
9) 属性里输入2，C20喷射混凝土；
10) 在网格组里删除‘除析取单元’后输入‘下侧喷混’；
11) 点击适用；
12) 选择拱部锚杆线；
13) 在属性里输入3，指定为‘锚杆’；
14) 输入‘上侧锚杆’；
15) 点击适用；
16) 选择侧墙锚杆线；
17) 在属性里输入3，指定为‘锚杆’；
18) 输入‘下侧锚杆’；
19) 选择拱部、侧墙和仰拱
20) 属性里输入4，‘C25钢筋混凝土’；
21) 在网格组里输入‘二次衬砌’；
22) 点击确认；如图20、21、22、23、24。 图20 21
图
图22 图23
图24
五、 分析
支承
1) 在工作目录树中选择网格>网格组；
2) 调出关联菜单，选择显示全部；
3) 选择前视图；
4) 选择开关GCS三角标；
5) 在主菜单里选择模型>边界>支承；
6) 输入‘永久支承’；
7) 确认类型为‘节点’；
8) 选择两侧围岩边界；
9) 模式里确认指定为‘添加’；
10) DOF里勾选‘UX’；
11) DOF里取消勾选‘UX’，勾选‘UZ’；
12) 点击确认；如图25。
图25
修改单元属性
1) 在主菜单里选择模型>边界>修改单元属性；
2) 在边界组里输入‘上侧喷混硬化’；
3) 选择工作目录树中网格>网格组>上侧喷混；
4) 在属性号里输入2，指定为‘C20喷射混凝土’；
5) 在边界组里输入‘下侧喷混硬化’；
6) 选择‘下侧喷混’属性指定为‘C20喷设混凝土’；
7) 点击适用；
8) 在边界组里输入‘二衬混凝土硬化’；
9) 选择‘二次衬砌’属性指定为‘C25钢筋混凝土’；
10) 点击确认；
自重
1) 在主菜单里选择模型>荷载>自重；
2) 在荷载组里输入‘自重’；
3) 在自重系数的Z里输入‘-1’；
4) 点击确认。
定义施工阶段
1) 在工作目录树里点击几何；
2) 点击鼠标右键调出关联菜单选择隐藏全部；
3) 在主菜单里选择模型>施工阶段>定义施工阶段；
4) 点击新建；
5) 在阶段名称里输入新阶段‘新阶段#1-last step’；
6) 确认阶段类型指定为‘施工’；
7) 在组数据的目录树里选择单元>‘IV级围岩’、‘下侧’、据；
8) 将显示单元指定为‘激活’；
9) 在组数据的目录树里选择边界>‘永久支撑’；
10) 拖动选中的边界组到激活数据；
‘上侧’拖动至激活数
11) 在组数据的目录树里选择荷载>‘自重’；
12) 拖动选中的荷载组到激活数据；
13) 勾选位移清零选项；
14) 点击保存；
15) 点击新建输入‘新阶段#2-last step’；
16) 勾选位移清零；
17) 点击新建输入‘新阶段#3-last step’；
18) 在组数据的目录树里选择单元>‘上侧’；
19) 拖动选中的网格组到钝化数据；
20) 点击LDF；
21) 在开挖边界荷载释放系数对话框里分别输入，0.5、0.25、0.25的释放荷载系；
22) 点击确认。
23) 点击保存；
24) 点击新建输入‘新阶段#4-last step’；
25) 在组数据的目录树里选择单元>‘上侧喷混’，‘上侧锚杆’拖动至激活数据；
26) 点击保存；
27) 点击新建输入‘新阶段#5-last step’；
28) 在组数据的目录树里选择单元>‘上侧喷混硬化’拖动至激活数据；
29) 点击保存；
30) 点击新建输入‘新阶段#6-last step’；
31) 在组数据的目录树里选择单元>‘下侧’拖动至钝化数据；
32) 点击保存点击LDF；
33) 在开挖边界荷载释放系数对话框里分别输入，0.5、0.25、0.25的释放荷载系数；
34) 点击保存；
35) 点击新建输入‘新阶段#7-last step’在组数据的目录树里选择单元>‘下侧喷
混’，‘下侧锚杆’拖动至激活数据；
36) 点击保存；
37) 点击新建输入‘新阶段#8-last step’；
38) 在组数据的目录树里选择单元>‘下侧喷混硬化’拖动至激活数据；
39) 点击保存；
40) 点击新建输入‘新阶段#9-last step’在组数据的目录树里选择单元>‘二次衬砌’
拖动至激活数据；
41) 点击保存；
42) 点击新建输入‘新阶段#10-last step’；
43) 在组数据的目录树里选择单元>‘二衬混凝土硬化’拖动至激活数据；
44) 点击保存；如图26、27、28、29、30、31、32、33、34、35。
图26 图27
图28 图29
图30 图31
图32 图33
图34 图35
分析工况
1) 在主菜单里选择分析>分析工况；
2) 在分析工况对话框里点击添加；
3) 在添加/修改分析控制对话框中名称处输入‘IV围岩施工阶段分析’；
4) 在描述里输入‘地层结构模型分析隧道施工阶段’；
5) 将分析类型指定为‘施工阶段’；
6) 点击分析控制按钮；
7) 在分析控制对话框里确认是否选择了施工阶段表单；
8) 确认最后计算阶段为‘最后阶段’；
9) 勾选应力分析初始阶段；
10) 确认应力分析初始阶段为‘阶段一’；
11) 勾选K。条件；
12) 在初始水位里输入‘-100’；
13) 点击确认；
14) 在分析工况对话框中点击关闭；如图36。
图36
分析
1) 在主菜单里选择分析>分析；
六、 分析及处理分析结果
1) 选择工作目录树的边界；
2) 点击鼠标的右侧调出关联菜单选择隐藏全部；
3) 选择工作目录树的荷载；
4) 点击鼠标右键调出关联菜单选择隐藏全部；
5) 选择工作目录树的几何；
6) 点击鼠标右键调出关联菜单选择隐藏全部；
7) 不进行任何选择的状态下在模型窗口点击鼠标右键调出关联菜单；
8) 选择关闭所有三角标；
9) 不进行任何选择的状态下在模型窗口点击鼠标右键调出关联菜单；
10) 选择开关栅格；
位移等值线
（在分析结果中输入位移云图。先确认X方向位移）
1) 在工作目录树里选择后处理表单；
2) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#1-last
step >Displacement>‘DX’；
3) 在表单工具条里选择后处理数据表单；
4) 点击标记为‘新阶段#1-last step’的结果组按钮右侧的 ↓按钮；
5) 移动结果组按钮来查看各施工阶段的DX变化；
6) 点击关闭；
7) 点击↓按钮左侧的结果组按钮将结果组指定为‘新阶段#1-last step’；
8) 点击后处理数据表单靠右的适用；如图37、38、39、40、41、42、43、44、45、
46。
图37
图38
图39
图40
图41
图42
图43
图44
图45
图46
（确认Z方向位移。变形形状也一起画出来）
9) 点击后处理数据工具条右侧的实时按钮；
10) 将后处理数据工具条的等值线数据指定为‘DZ’；
11) 将指定为‘DX’的后处理数据工具条的变形数据指定为‘DZ’；
12) 点击变形数据左侧的网格形状按钮选择‘变形+未变形’；
13) 在特性窗口里选择‘变形’选项；
14) 在特性窗口里将实际位移指定为‘True’；
15) 在系数里输入‘100’；
16) 在特性窗口里点击适用；如图47、48、49、50、51、52、53、54、55、56。
图47
图48
图49
图50
图51
图52
图53
图54
图55
图56
锚杆轴力图
在分析结果中查看锚杆轴力。由于锚杆是桁架单元所以查看桁架Fx；
1) 在后处理数据工具条里点击变形数据左侧的网格形状按钮；
2) 选择为变形；
3) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#10-last step >1D
Element Force>‘Truss FX’；
4) 在特性窗口里点击适用；如图57。
图57
喷射混凝土轴力图
（在分析结果中查看喷射混凝土轴力。由于喷射混凝土是梁单元所以查看梁FX）
1) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#10-last step >1D
Element Force>‘Beam FX’；如图58。
图58
喷射混凝土弯矩图
（在分析结果中查喷射混凝土弯矩。查看Beam MY）
2) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#10-last step >1D
Element Force>‘Beam MY’
3) 在特性窗口里选择‘内力图’选项
4) 在系数里输入‘1’
5) 在特性窗口里点击适用按钮；如图59。
图59
应力等值线
（在分析结果中查看岩土应力云图。先查看Sxx。）
1) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#10-last
step >Plane-Strain>Stresses>‘LO-Plstrn SXX’；
2) 在特性窗口里选择‘等值线’选项；
3) 在段数里输入‘18’；
4) 在特性窗口点击适用按钮；
5) 在表单工具条里选择后处理模式表单；
6) 在后处理模式工具条里点击状态切换按钮；
7) 点击结果数值；
8) 在特性窗口里选择‘数值’；
9) 将数值颜色指定为黑色；
10) 将最小/最大类型指定为‘绝对值最大’；
11) 在特性窗口里点击适用；如图60。
图60
（在分析结果中查看岩土应力值。查看Szz。）
12) 在工作目录树里双击CS：IV级围岩施工阶段分析>新阶段#10-last
step >Plane-Strain>Stresses>‘LO-Plstrn SZZ’；
13) 在特性窗口里选择‘数值’；
14) 将最小/最大类型指定为‘最小/最大；
15) 在特性窗口里点击适用；如图61。
图61
第四章 隧道通风计算
一、隧道需风量计算
1．隧道通风的基本参数：
道路等级： 二级公路，单洞双向二车道；
计算行车速度： v60km/h16.667m/s;
空气密度: 1.20kg/m3;
隧道坡度： i11.25%,L1901.79m;i21.5%,L21224.08m
隧道的断面面积： Ar58.016m2；
隧道的轮廓周长： S29.682m；
隧道当量直径： Dr4Ar58.01647.818m S29.682高峰小时交通量：
近期（2017年，为通车年）：2180辆/h；
远期（2027年，做10年考虑）：4500辆/h；
上下行比例为55：45，高峰小时流量系数为0.12
交通组成
汽油车：小型客车34%，小型货车23.4%，中型货车16%；(73.4%)
柴油车：中型货车11%， 大型客车8%， 大型货车7.6%；(26.6%)
隧道内平均气温： tm200C;
2．确定CO排放量
（1）取CO基准排放量为（按每年1.5%递减）(1995年qCO0.01m3/辆•km):
2017-1995qco近0.01（1-1.5%）0.00717m3/辆；
（2）考虑CO的车况系数：1.0；
（3）依据规范，分别考虑工况车速60 km/h,40 km/h,20 km/h,10 km/h（阻滞）。
不同工况下的速度修正系数fiv和车密度修正系数fd如表4-1所示。
不同工况车速fiv、fd值 表4-1
工况车速（km/h） 60 40 20 10 i1=1.25% 1.0 1.0 1.0 0.8 i2=-1.5% 1.0 1.0 0.8 0.8 1 1.5 3 6 （4）考虑CO的海拔高度修正系数：
第一段平均海拔高度:H1(1318.71324.44)/21321.57m，fh11.51198；
第二段平均海拔高度:H1(1324.441315)/21319.72m, fh11.51096.
（5）考虑CO的车型系数如表4-2所示。
考虑CO的车型系数 表4-2
汽油车 车型 各种柴油车 小客车 旅行、轻型货车 中型货车 拖挂、大型货车 1.0 1.0 2.5 5.0 7.0 （6）交通量分解：
2022年：设计小时交通量：218012%262辆/h；
汽油车：小型客车89辆/h，小型货车61辆/h,中型货车42辆/h；
柴油车：中型货车29辆/h, 大型客车21辆/h,大型货车20辆/h；
2032年：设计小时交通量：2500012%540辆/h；
汽油车：小型客车184辆/h，小型货车126辆/h,中型货车86辆/h；
柴油车：中型货车60辆/h, 大型客车43辆/h,大型货车41辆/h；
（7）计算各工况车速下隧道CO排放量:
vt60km/h时，
同样可以计算其他各工况下CO排放量如表5-3所示：
各工况车速下CO排放量（单位：10-2m3/s） 表4-3
工况车速 60 40 20 10 近期CO排放0.377 量 0.566 0.997 1.812 远期CO排放0.668 量 1.002 1.764 3.205 注：交通阻滞时按最长1000m计算，两端分别计算后取最大值。
（8）最大CO排放量：由上述计算可以看出，在工况车速为10km/h时，CO排放量最大；
3．稀释CO的需风量
（1）根据规范，取CO设计浓度为：250ppm。
（2）隧道设计温度tm200C;，换算为绝对温度T27320293K。
（3）隧址大气压无实测值，按下式计算：
式中：Po——标准大气压，101325Pa；
g——重力加速度，9.81m/s2；
h——隧址平均海拔高度：隧道平均海拔高度为1320.645m；
R——空气气体常数，287J/kg•K。
计算可得：
（4）稀释CO的需风量为：
4．烟雾排放量
（1）取烟雾基准排放量（按每年1.5%递减）为（1995年qVI2.5m3/辆•km）：
2027-1995（1-1.5%）1.54m3/辆•km； qVI远2.5（2）考虑烟雾的车况系数为：1.0；
（3）依据规范，分别考虑工况车速60km/h,40km/h,20km/h, 10km/h (阻滞)；
不同工况下的速度修正系数fiv(VI)、车密度修正系数fd如表4-5所示。
不同工况车速fiv(VI)、fd值 表4-5
工况车速（km/h） 60 40 20 10 i1=1.25% 1.6375 1.1875 0.7525 0.7525 i2=-1.5% 0.65 0.625 0.45 0.45 1 1.5 3 6 （4）柴油车交通量（计算过程同CO）如下：
2017年：
柴油车：中型货车29辆/h, 大型客车21辆/h,大型货车20辆/h；
2027年：
柴油车：中型货车60辆/h, 大型客车43辆/h,大型货车41辆/h；
（5）考虑烟雾的海拔高度修正系数：
第一段平均海拔高度：H1(1318.71324.44)/21321.57m， fh11.2765；
第二段平均海拔高度：H2(1324.441315)/21319.72m, fh21.2759；
（6）考虑烟雾车型系数如表4-6所示。
考虑烟雾的车型系数fm(VI) 附表4-6
柴油车 轻型货车 中型货车 重型货车、大型客车、托挂车 集装箱车 0.4 1.0 1.5 3-4 （7）计算各工况下隧道烟雾排放量：
当vt60km/h时，得：
同样可以计算其他工况车速下烟雾排放量如表5-7所示。
各工况车速下烟雾排放量（单位：m3/s） 表4-7
工况车速 60 40 20 10 烟雾排放量（近期） 0.158 0.193 0.259 0.517 烟雾排放量（远期） 0.279 0.340 0.457 0.914 注：交通阻滞时按最长1000m计算，两端分别计算后取最大值。
（2）最大烟雾排放量：由上述计算可以看出，隧道在工况车速为10km/h时，烟雾排放量最大；
5．稀释烟雾的需风量
（1）根据规范，取烟雾设计浓度为K0.0075m1，则烟雾稀释系数C0.0075。
（2）稀释烟雾的需风量为：
6．稀释空气内异味的需风量
取每小时换气次数为5次，则有：
7．考虑火灾时排烟的需风量
取火灾排烟风速为Vr3m/s，则需风量为：
8．结论
综合以上计算可知：
隧道需风量由稀释空气内异味的需风量决定，为：
按照设计规范，长度>1500m的双向行车隧道应采用竖井集中排风式通风，采用竖井集中排风法试算如下：
二、双向交通隧道集中排风方式通风计算
1．计算条件
隧道长度： L2125m,(Lrl1100m,Lrr1025m)
车速： vt60km/h16.67m/s
交通量： N近262辆/h，N远540辆/h（上下行比例55:45）
所需通风量： Qreq近Qreq远176.126m3/s
大型车混入率： r119%
竖井高度： Ls136.88m
隧道断面： 隧道当量直径： 竖井的摩擦损失系数： 汇流及弯曲损失系数： 竖井的面积： 竖井的当量直径： 隧道壁面摩擦损失系数：隧道汇流损失系数： A2r58.016m
Dr7.818m
s0.015
s3.0
As38.48m2
Ds7m
r0.025
r0.6
2．通风计算
（1）竖井右侧区段计算
风流从右洞口以vrr流动到竖井底，需要克服的阻力Por按式PorPrrPtr计算（洞口等效压差的基准点为右洞口，因而Pnr0）。
空气在隧道内流动受到的摩擦阻力及入口损失为：
取vrr远vrr近1.504m/s,则车辆行驶产生的交通风压力为：
故得：Por近Prr近Pt近2.441.50420.5734.95Pa
(2)竖井左侧区段计算
风流从右洞口以vrl流动到竖井底，需要克服的阻力Pol按式
PolPrlPtlPnl计算
空气在隧道内流动受到的摩擦阻力及入口损失为：
取vrl远vrl近1.528m/s，则车辆行驶产生的交通风压为：
左洞口的自然风压力为左侧段的动力： Pnl10Pa
故得： Pol近Prl近Ptl近Pnl近2.471.528210.42-106.19Pa
（3）竖井吸出风量
为保证所需通风量，竖井底压力必须取左右两侧隧道段压差值中绝对值较大者确定，故取Po近6.19Pa，Po远10.16Pa。因此，右侧曲段的风速按下式计算：
解得：vrr近1.65m/s
解得：vrr远1.91m/s
竖井通风量Qs为：
竖井风速为：vs近Qs近184.374.79m/s As38.48（4）竖井排风式通风所需风压值
竖井风机所需风压为竖井底压力加上空气在竖井中流动的压力损失，采用以上结果及公式：
Ps(1ss•Ls)••vs2和PPoPs计算如下： Ds2P近59.16.1965.29Pa，P远69.1210.1679.28Pa
结论：由计算结果可知，通风所需竖井风速和风压远远小于竖井可提供的风速和风压，故采用竖井集中排风通风增加隧道施工和运营成本。若采用射流风机通风可达到要求，当采用射流风机通风方式进行通风设计，计算结果如下。
三、双向交通隧道射流风机纵向通风计算
1．计算条件
隧道长度： Lr2125.87m
隧道断面积： Ar58.016m2
断面当量直径： Dr7.818m
设计交通量： N近262辆/h
N近540辆/h；
大型车混入率： r119%;
计算行车速度： vt60km/h16.67m/s
需风量： Qrep(VI远）Qrep(VI近）176.126m3/s；
隧道设计风速： vr远vr近Qreq近Ar3.04m/s
隧址空气密度： 1.20kg/m3;
上行方向交通量： k55%
2． 隧道内所需升压力
隧道内所需的升压力由以下三项决定：
（1）空气在隧道内流动受到的摩擦阻力及出入口损失为：
（2）隧道两洞口等效压差
由于无实测资料，引起隧道自然风流的两洞口等效压差取：
（3）交通风产生的风压力：
汽车等效抗阻面积：
Am(1r1)•Acs•csr1•Ac1•c1(10.19)2.130.50.195.371.01.883m2隧道内与风流方向同向的车辆数：
根据上述计算，采用可逆转射流风机，可充分利用交通风产生的风压，两洞口
存在的等效压差由于较不稳定，应作为阻力计算，因此隧道内所需要的升压力为：
P近Pr近Pn近Pt近47.631013.4671.09PaP远Pr远Pn远Pt远47.631027.8175.44Pa
3．隧道所需1000型射流风机台数
1000型射流风机每台的升压力Pj计算：
代入得：
故：
总结：经计算知射流风机纵向通风可达到通风要求，故采用射流风机纵向通风方案
进行通风设计。
若按每组2台布置，近期可布置3组，远期可再布置1组，有一定安全储备。
一、基本资料
公路等级： 隧道设计车速：设计交通量： 路面类型： 设计纵坡： 路面宽度： 第五章 照明计算
山岭二级公路 双向二车道
60km/h
近期 262辆/h
远期 540辆/h
水凝混凝土路面
1.25%,1.5%
W8.00m
维护系数： M0.7
利用系数： 0.31
灯具安置高度5.5米，双侧对称布置。
二、接近段
长度Ds54.75m,Ds54.5m，洞外亮度L20(S)3500cd/m2（南口），
L20(S)4000cd/m2（北口）。
三、基本照明计算
由规范可知，隧道的照明由基本照明和加强照明两部分组成，基本照明按中间段照明考虑，加强照明用功率较大的灯具加强照明。
根据规范，中间段亮度：
近期 Lin1.5cd/m2,Eav13Lin19.5lx;
远期 Lin1.69cd/m2,Eav13Lin21.97lx;
因为，路面平均照度公式为：
式中：N——灯具布置系数，交错布置取1；
——利用系数，由灯具的利用系数曲线图查得取0.35；
W——隧道路面宽度（m）；
S——灯具间距（m）；
M——灯具的养护系数，取0.7；
——灯具的额定光通量；
； 16000（150W高压钠灯）
近期： S••M•NW•Eav25.12m,（取25.0m）；
远期： S••M•NW•Eav22.30m,（取22.0m）；
四、加强照明计算
1．入口段
（1）入口段亮度：
2近期Lthk•L20(S)0.015350052.5cd/m (南口）
Lthk•L20(S)0.015400060.0cd/m2 （北口）
远期Lthk•L20(S)0.01634350057.19cd/m2 （南口）
Lthk•L20(S)0.01634400065.36cd/m2 （北口）
式中：k——入口段亮度折减系数，此处近期取0.015，远期取0.01634。
（2）入口段平均照度计算
取水泥混凝土路面平均亮度与平均照度间的换算关系为：13lx/cd•m2；
所以：
隧道入口段平均照度为：
近期Eav13Lth682.5lx(南口），Eav13Lth780lx（北口）；
远期Eav13Lth743.47lx（南口），Eav13Lth849.68lx（北口）
（5）入口段长度计算
Dth1.154Dsh1.5（取40.5m）（南口） 40.50 （h=5.5m）tan10 Dth1.154Dsh1.5（取40.5m）（北口） 40.20 （h=5.5m）
tan10 (4)入口段加强照明布灯间距计算
加强照明平均照度：
''13Lth19.5663lx（南口）13Lth19.5760.5lx（北口）近期 Eav Eav
''13Lth21.97721.5lx（南口） Eav13Lth21.97827.7lx(北 远期 Eav口）
加强照明平均照度：45000（400W高压钠灯）；
则有：（取N=2,对称布置）
近期S••M•NW•Eav4.16m(南，取4m)S••M•NW•Eav3.62m(北，取3.5m)
远期S••M•NW•Eav3.82m(南，取3.5m)S••M•NW•Eav3.34m(北，取3m）
2．过渡段计算
（1）各过渡段的亮度和长度计算
因为，
入口段亮度： 南口： 近期 Lth52.5cd/m2； 远期 Lth60.0cd/m2
北口： 远期 Lth57.2cd/m2； 远期 Lth65.4cd/m2
则：南口：
过渡段I的亮度： 近期Ltr10.3Lth15.75cd/m2； 远期Ltr118cd/m2
过渡段II的亮度： 近期Ltr20.1Lth5.25cd/m2； 远期Ltr26cd/m2
过渡段III的亮度： 近期Ltr30.035Lth1.84cd/m2；远期Ltr32.1cd/m2
过渡段I、II、III的长度分别为：
北口：
过渡段I的亮度： 近期Ltr10.3Lth17.16cd/m2； 远期
Ltr119.62cd/m2
过渡段II的亮度： 近期Ltr20.1Lth5.72cd/m2； 远期Ltr26.54cd/m2
过渡段III的亮度： 近期Ltr30.035Lth2.0cd/m2；远期Ltr32.289cd/m2
过渡段I、II、III的长度分别为：
（3）各过渡段平均照度计算
南口：
近期 Eav113Ltr1204.75lx,Eav213Ltr268.25lx,Eav313Ltr323.92lx
远期 Eav113Ltr1234lx,Eav213Ltr278lx,Eav313Ltr327.3lx
北口：
近期 Eav113Ltr1223.08lx,Eav213Ltr274.36lx,Eav313Ltr326lx
远期 Eav113Ltr1255.06lx,Eav213Ltr285.02lx,Eav313Ltr329.757lx
（3）各过渡段加强照明灯具布置
加强照明平均照度：
南口： 近期
' Eav313Ltr332.58.58lx（不需要加强）
远期
' Eav313Ltr332.55.2lx（不需要加强）
北口： 近期
' Eav313Ltr332.56.5lx （不需要加强）
远期
' Eav313Ltr332.52.743lx（不需要加强）
过渡段I加强照明灯具布置：
南口：
过渡段I加强照明灯具布置：（取N=1,交错布置）
近期S1••M•NW•Eav4.978m，（4.5m）；远期S14.255m（取4.5m）
128000（250W的高压钠灯）；
过渡段II加强照明灯具布置：（取N=1,交错布置）
近期S1••M•NW•Eav13.706m，（取13.5m）；远期S110.769m（取10.5m）
216000（150W高压钠灯）；
北口：
过渡段I加强照明灯具布置：（取N=1,交错布置）
近期S1••M•NW•Eav4.499m，（取4.45m）；远期S13.853m（取3.5m）
128000（250W的高压钠灯）；
过渡段II加强照明灯具布置：（取N=1,交错布置）
近期S1••M•NW•Eav11.706m，（取11.5m）；远期S19.330m（取9m）
216000（150W高压钠灯）；
3．中间段计算
因为中间段照明与基本段照明相同，所以：
； 16000（150W高压钠灯）
近期： S••M•NW•Eav25.12m,（取25.0m）；
远期： S••M•NW•Eav22.30m,（取22.0m）；
4．出口段计算
近期 Lout5Lin7.5cd/m2,Eout97.5lx
远期 Lout5Lin8.45cd/m2,Eout109.85lx
所以：（取N=1,交错布置）
近期 Sout••M•NW•Eout8.79m,（取8.5m）
远期 Sout••M•NW•Eout7.81m,（取7.5m）;
；出口段的长度取60。 28000（250W的高压钠灯）
五、结论
根据上面计算可计算得：（按远期布置）
基本照明时：需要布置150W的高压钠灯97组（间距22m，全长布置）。
加强照明时：
入口段： 南口需布置400W的高压钠灯11组（间距3.5m，布置40.05m）；
北口需布置400W的高压钠灯12组（间距3m，布置40.05m）。
过渡段Ⅰ：南口需布置250W的高压钠灯10组（间距4.5m，布置44m）；
北口需布置250W的高压钠灯13组（间距3.5m，布置44m）；
过渡段II：南口需布置150W的高压钠灯6组（间距10.5m，布置67m）；
北口需布置150W的高压钠灯7组（间距9m，布置67m）；
出口段： 照明需布置250W的高压钠灯8组 （间距7.5m，布置60m）。
因为入口照明亮度为849.68lx，北口作为出口的照明亮度为109.85lx,故北口也应作为入口段进行加强照明，故灯具最终布置应按下表：
灯具瓦数区段 (W) 光通量（lm） 间距长度（m） （m） 灯具盏数 入口段 400 40000 3.5 40.05 11组22盏 南口 过渡段 Tr2段 150 16000 10.5 67 6组6盏 Tr1段 250 28000 4.5 44 10组10盏 中间段及基本 150 照明 16000 22 2126（总） 97组97盏 入口段 北口 Tr1段 400 40000 3 40.5 14组28盏 250 28000 3.5 44 13组13盏 过渡段 Tr2段 150 16000 9 67 8组8盏 调查污水管道结构恶化趋势的概率模型
一、 概况 .......................................................................................................................................... 128
二、 文献综述 ................................................................................................................................. 129
一、 污水管道状态评估 ....................................................................................................... 130
二、 序数回归模型 ................................................................................................................ 132
三、 问题陈述和所提出模型的审查 ........................................................................................ 133
一、 问题描述 ......................................................................................................................... 133
模型描述 ............................................................................................................................. 133
二、 假设 .................................................................................................................................. 135
三、 相互作用 ......................................................................................................................... 135
四、 估计 .................................................................................................................................. 136
五、 模型验证 ......................................................................................................................... 136
为序数回归分析检查基本假设,即线性和序类型假设 .......................................... 137
选择竞争模型 .................................................................................................................... 137
检查比例优势的假设. ..................................................................................................... 137
检查选择模型的整体配合 ............................................................................................. 137
检查模型的性能 ............................................................................................................... 138
六、 与模型估计和验证有关的重要注意事项 .............................................................. 138
四、 案例研究 ................................................................................................................................. 139
一、 尼亚加拉瀑布市管道状态评估数据 ....................................................................... 139
二、 线性和序类型假设验证 .............................................................................................. 141
三、 参数估计 ......................................................................................................................... 143
四、 模型验证 ......................................................................................................................... 145
五、 模型解释 ......................................................................................................................... 146
五、 结论 .......................................................................................................................................... 148
摘要：
加拿大的基础设施正在老化和恶化，新的立法要求市政部门估计未来系统运行的经营及资本开支并且发展财务上的可持续性计划。目前，污水管道恶化没有得到很好的理解并且现实的恶化模型需要得到开发。
本文演示了污水管道开挖目测的状态评估数据如何被用来了解污水管道的性能。阐述了一个新的基于累计分对数基础上有关污水管道恶化的有序回归模型。该模型被提出使用广义线性模型制定，并考虑到解释变量之间的互动效应。新模型通过尼亚加拉大瀑布市的钢筋混凝土（RC）和陶土管（VC）的高质量污水状况评估数据收集网络展示和验证。
通过建立这种新的模式，演示尼亚加拉大瀑布市RC和VC管道服役至110年的劣化行为。RC管恶化被发现是取决于服役年龄，而VC管道恶化是不取决于年龄。这一发现违反其他表明VC恶化与年龄有关的恶化模型的研究结论。RC管道的使用寿命估计为约75年，而VC管道被发现如果安装没有结构性损伤，使用寿命是不确定的。累积分对数模型可以用来确定污水管道的使用寿命，预计未来条件状态，估计网络的维护和修复支出。如果逼真的污水管网的未来维护和经营预算将来被开发用于整个生命周期的资产运作，并满足新的监管报告要求，后者将成为关键。需要进一步的研究来验证这种新方法是否适用于其他网络和RC及VC以外的其他管材的恶化模型。
一、概况 加拿大埋市政供水和污水管网已超过或接近其50-75年设计寿命的占了很大比例。因此，这种老龄化和恶化的基础设施需要更新或更换。加拿大的市政的基础设施赤字的估计为440亿美元（2002年TD经济学，）至超过1250亿美元（米尔扎，2007年）的总市政基础设施建设短缺。市政基础设施赤字是按需要修复，和防止现有市属基础设施恶化的追加投资总额的估计。米尔扎（2007）报告说，现有的供水和污水处理的基础设施建设资金缺口为310亿美元，而要满足新的要求则需要额外的566亿美元。该大小和范围的基础设施的问题对于市政部门，地方政府来说，相当于加拿大的基础设施的巨大衰减产生了严重的多米诺骨牌效应——更高的成本维修，恢复，操作和维修;低效和脆弱性增加，并增加公众安全环境的威胁那样巨大。米尔扎（2007）指出，“没有维护或递延维护，到2065年，市政基础设施赤字可能会接近2万亿美元。相反，定期维护和良好的科学管理，不断加剧的基础设施恶化和产生的基础设施赤字可以控制在可控的水平。”
2006年，加拿大特许会计师公共部门会计委员会（PSAB）研究所发表的声明PS3150要求所有加拿大市政当局和公用事业，从2009年1月开始，报告其有形资本资产以及他们的财务报表（OMBI，2007年折旧）。PSAB要求之一是运行系统的未来运营和资本支出的估计。在美国，政府会计准则委员会（GASB）34号声明，在澳大利亚，澳大利亚会计研究基金会准则第27号（见联邦公路管理局，2000年，
霍华德2001年），指定类似的会计惯例。为了满足这些特定的会计做法，对资产的行为方式和随着时间推移的恶化的了解势在必行。
目前加拿大政府指导方针表明，在资产恶化意识有限或没有的情况下，各种民用基础设施资产和污水管道的使用寿命范围从40至75岁（环境部，2007年按年龄中点估计的年龄值计算，2002年）。资产恶化意识的缺乏使加拿大市政当局有关资本开支的时间和数量做出未经证实的假设成为必要，使他们能够遵守与PSAB和其他政府的监管要求。这些未经证实的假设，很可能会导致未来资产的营运及资本需求的过高或过低估计。为了估计现实的未来生命周期的资产运营和维护金融需求，理解资产恶化行为很重要，并且现实的恶化模型被发展和应用于对未来的预测中。
本文将介绍非开挖污水条件评估方法和协议。此外，还讨论民用工程的有序回归模型及其应用序数回归模型。基于累积对数的序数回归模型，随着预测污水基础设施的恶化程序的假设和估计，被开发和描述。使用尼亚加拉大瀑布市的污水收集系统管道条件的评估数据证明新的恶化模型，并且展现了假设验证程序，参数估计值的测定，验证和模型解释。本文最后还对结果和恶化模型的局限性进行了讨论。
二、文献综述 回顾目前的有关污水管道状态评估行业惯例，采用序数回归模型对恶化模型的建模将在下面的章节进行阐述。
一、污水管道状态评估 污水管道当前状态评估是下埋基础设施管理过程的一个重要组成部分。非开挖条件的评估技术，如远程控制闭路电视（CCTV）和最新的下水道扫描器和评估技术（SSET）相机，被用于目测室内污水管道。这些相机所提供的信息是确定是否或者可用什么非开挖施工方法来修复，翻新或更换变质的埋地管道非的关键。 对于先进的埋基础设施资产管理来说发展现实管道恶化模型也是必要的——也就是说，将正确的资产固定在正确的时间，来优化有限的资源。操作员远程移动管线下的摄像机并通过使用缺陷条件下的编码系统进行编码完成管线勘测工作。在北美，两个污水管道缺陷条件分类系统大部分都是使用：（1）下水道条件分类手册（MSCC），由英国水研究中心开发的第三版缺陷编码系统（WRC，1993年）和（2）由国家下水道服务公司协会（NASSCO）和WRC（NASSCO，2006特霍西尔，2005）开发的管道评估和认证程序（PACP）。
下水道条件分类手册，首次出版于1980年，在英国和世界其他许多地方成为国家标准。WRC分别在1994年和2004年，出版第三和第四个版本的MSCC。在1994年，北美的管道勘察协会（NAAPI）通过WRC出版的 MSCC第三版并且开发了远程闭路电视监视系统来营和评审认证计划。在2002年NASSCO发表PACP，以满足美国的需求。WRC还出版了污水恢复手册（SRM），描述了污水管网的改造决策的过程，被英国和加拿大采用。SRM的第一版于1986年出版，第四版出版于
2001年（WRC，2001年）。
第一个版本的SRM于1986年出版，第四版出版于2001年(WRC, 2001)。SRM，基于废水管道的类型和严重程度，通过对MSCC缺陷分派分数来决定废水管道的结构和操作性能。这些分数会被转化为内部条件等级1—5级，1是最好的或可接受的，5是最差的或崩溃状态。自1994年以来在英国和加拿大，SRM方法的继续使用确定了这个方法作为管道实时条件状态的一个可接受的良好的方法。SRM的一般原则同时也形成了欧洲标准（EN752-5 -建筑外排水和排污系统）的基础：第五部分修复。这进一步验证了SRM的方法。NASSCO PACP手册包含一个管道的条件评级方案,从1到5不等。与WRC的 SRM不同，PACP手册没有详细的决策过程。目前，在北美，有限公司公布的数据存在验证PACP缺陷评分评级系统。
2004年加拿大安大略省的财政部，完成了一个调查(PricewaterhouseCoopers, 2003)，调查了市政水和废水系统资产管理实践情况。调查发现，这个省的17%的市民不执行条件评估检查，其余的则进行，33%没有记录审查结果。调查还发现，大城市(超过50000居民)具有典型的更好的资产管理实践和方法，范围从“不修复它,如果它不破”策略到使用计算密集型和复杂的软件工具。这个调查表明，加拿大居民资产管理的当前现状最类似于北美。
二、序数回归模型 序数变量是一个有自然排序类别的分类变量类型,但是,类别之间的距离是未知的(Agresti,2002)。序数回归模型被广泛应用于响应变量是答案或序数的社会和生命科学数据分析中。这些模型是二元分对数和概率模型多歧响应案件的扩展，在公开发表的土木工程文献中一般被称为计量经济模型。分对数和概率模型之间的差异在误差项的分布中。概率模型的情况下，误差是正态分布的，而在分对数模型的情况下，误差成逻辑分布。Agresti (2002) 、McCullagh 和 Nelder (1989) 提供这些模型的大量细节。Clogg Shihadeh（1994）为序数据讨论了形成“反应函数”的多种方式，导致不同的有序分对数模型的发展.至目前为止，应用有序回归模型解决土木工程问题是有限的，虽然遇到的输入数据主要是有序的。例如，联邦公路管理局（1995）桥面，上部结构和下部结构的检查指定十个条件等级，从0（没有条件）到9（良好的条件）。同样，路面状况指数（值介于0和100之间基于多个路面隐患的指标）通常被离散分为八个等级，有序类别从代表失效状态的1到代表良好状态的8(Madanat et al., 1995)。Baik（2003）回顾有序回归模型在民用基础设施的恶化和发展中的应用发现，只有有序的概率模型，用于模拟路面和桥梁的恶化。Madanat（1995）等人和Baik（2006）等人使用有序概率模型分别模拟桥梁和污水管道的恶化。
三、问题陈述和所提出模型的审查 一、问题描述 污水管道的内部条件等级（ICG）数值是任意的。因此，与其预测的任意值相比，问题在于重列预测污水管道处于五个等级中的哪一级，而不是取决于其他协调变量，例如管道的材料和年龄。
Davies et al（2001）报道，混凝土下水道管比粘土下水道管更可能处在一个较低的ICG（结构较合理）。他们还认为，这一发现可能是在测试样品方面陶管明显比混凝土管道年老的原因。本文调查陶土管道比钢筋混凝土管道更可能处在一个较高的ICG（结构较差）的假设。
模型描述
序回归模型与累积分对数基于广义线性模型(GLM)公式描述如下。让指数j = 1、2、...,J代表J命令响应基于累积概率的概率模型可以被定义为P(Y = J | x)。一个回归模型为顺序响应,Y,基于累积概率可以指定为(Agresti,2002):
p(Yj|x)(x)F(j'jx) (1)
式中，F（.）表示的是标准的累积分布函数（CDF），即在这种情况下的逻辑，μj
代表（J-1）的分割点（也被称为阈值）相对应的响应变量的有序类别的。这是广义线性模型（GLM）公式化，F（.）为逆联接函数。这一对数几率转换称为分对数，
F1[(x)]logit[P(Yj|x)]j'jx是标准逻辑CDF的反函数。式（1）可以写为：（2）
这一次序逻辑回归在式(2)给出，可以在累积概率中表示为:
P(Yj|x)ej'jxj'jx1e（3）
在这种参数下,一个正斜率(即β > 0)意味着更大的预测值“x”与更高的水平的Y相关。即,当β>0时，在高阶类别的概率随想的增大而增大。对J顺序依赖类别,将有(J - 1)跨连续响应类别为每个累积概率预测。最后一类人总是有一个累积概率等于1,因为所有的元素将会处于或低于最后一类。对不同反应类别，(J-1)分对数将有不同的阈值μj;然而,β’有或没有可能跨越不同的类别相同。当β’被限制跨越对应值时，得到比例优势模型。当β’允许跨越不同类别,获得一个没有约束的累积分对数模型。部分比例优势模型将有一些约束,并且,无约束的β’跨越一个或多个值的对应类别。分数或瓦尔德测试可以用来验证比例优势的假设(long,1997)。
二、假设 在序数回归分析中有两个基本假设:
1.连续预测是线性相关的分对数反应变量。如果确定他们不是线性的,则正确的规模/连续变量的参数形式必须被确定。Bender和Grouven(1998)指出,这是最基本的要求,甚至应在开始一个顺序分析前检查。
2.结果变量必须为每个预测排序(Boorah,2001; Harrell,2001)。根据Long(1997),事实是,在一个给定的环境下，一个反应变量可以被写在一个有序时样，因为一个变量可能是有序或无序的，故其并不足以运用序数技术。
三、相互作用 对于多变量的分析,一个独立的变量对因变量的影响可能因为第三变量的值而不同。这就是所谓的相互作用。例如,年龄对于一个管道处于某个条件等级的概率的影响可以随管道材料类型的不同而变化。以创建一个因所生产的管道年龄和管材导致的一个高阶项，将管道年龄和材料类型的互相影响添加在模型中，来检查这个可能性，称作龄期/材料。
四、估计 使用式(2),在某一类别的概率j = 1、2、...,J在累积概率之间的区别中给出,如:P(Yj|x)P(Yj|x)P(Yj1|x) (4)
似然函数给出如下
LP(Yj|x)ij（5）
i1j1nc如果Y=j，则Cij=1，否则为零。
因此,对于每个J,式(5)显示了当Y = J时所有观察的结果,给出如下对数似然函数:
logLi1ncj1Jijlog[F(jjx)F(j1jx)]（6）
牛顿或费舍尔得分算法被用来计算模型参数βj和μj 的极大似然估计值。
五、 模型验证 模型验证和理由需要以下步骤:
为序数回归分析检查基本假设,即线性和序类型假设
四分位数(或十分位数)和部分多项式分析可以结合分对数，被用于检查线性连续预测因子(Bender and Grouven, 1998; Hosmer and Lemeshow, 1999,2000).为了核实反映变量的序类型, Harrell (2001)它涉及在每个对应类别与相应类别相对的情况内的预测平均值的细节。一个单调递增或递减趋势证实了序类型的假设。
选择竞争模型
选择竞争模型，要比较竞争模型的异常统计数值。两个模型之间的异常行为的差异为似然比统计量,G2,拥有空卡方分布(Agresti,2002)。这也被称为异常分析(AOD),概括了用于多元正态回归的方差分析(ANOVA)。
检查比例优势的假设.
分数测试或瓦尔德测试可以用来测试比例优势的假设。（long,1997;Hosmer,Lemeshow,2000)。
检查选择模型的整体配合
整体模型拟合的测试评估所选择的模型是否提高在空（拦截）模型的预测。可以应
用似然比卡方检验达到这个目的(long,1997)。
检查模型的性能
皮尔森和异常拟合优度测试可以用来比较从虚拟模型的来的预测频率计数来观测频率(Agresti,2002)。
六、与模型估计和验证有关的重要注意事项 列联表与低和零cell数,以及,在大量的cell中的高数导致稀疏表(Agresti,2002)或数据稀疏(Hosmer和Lemeshow,2000)。当在模型中有大量变量时，数据稀疏也会发生(Hosmer和Lemeshow,2000)。分析时，应注意稀疏数据的分析，因为稀疏对模型估计和拟合优度试验有深度的影响。例如,在某些情况下,迭代估计算法可能无法收敛,或者模型的参数估计结果为或中的某一个，(Agresti,2002)。Agresti(2002)指出:(1)采样零很常见在应急表;(2)对于多项式响应变量来说，计数为0是容许的结果(如本文的内部条件等级);(3)低或零计数并不总是影响分析;(4)抽样分布拟合优度统计，如似然比卡方,X2似然比异常,G2,在稀疏表的情况下可以远离卡方近似,替代近似,如,有限正常的X2和正常的G2在统计报告中被提出;(5)X2和G2的在比较嵌套模型中是有效的,即使数据稀疏其变化也是相当小的。一个稀疏数据分析的指标问题是过大的估计标准误差(Hosmer and Lemeshow,2000)。 Agresti(2002)建议使用贝叶斯和随机效应模型来处理有问题的稀疏数据。
四、案例研究 该拟建模型被作者应用于尼亚加拉大瀑布市污水管线的状态评估数据收集。用下水道扫描仪和评价技术进行条件调查。已证明SSET对传统闭路电视管道检测技术的优势包括以下能力:调查完成后完整的缺陷评级,测量管道缺陷随时间而变化;和更准确的代码管道缺陷。Chae等人(2003)和Knight等人(2009)提出关于SSET相对于闭路电视勘察调查的优势的一个不错的讨论。
一、尼亚加拉瀑布市管道状态评估数据 为使高质量SSET管道状态评估数据库被成熟应用于尼亚加拉大瀑布市废水网络,如图1的数据收集和数据分析程序被实施。承包商提供一个由北美管道协会的检查员(NAAPI)认证的操作员按照下水道条件分类第3版手册（WRC，1993）完成所有SSET管线调查工作、并编码所有管道缺陷。使用NAAPI注册的尼亚加拉大瀑布市人事部门,第二质量保证(QA)和质量控制(QC)检查是执行所有的承包商提供的数据。
尼亚加拉大瀑布市管道质量检测数据被传送到滑铁卢大学，储存在两个地理上分散的数据服务器,使用RAID 5技术备份,以确保数据安全性、可用性和无痕恢复。使用一个滑铁卢大学定制的软件应用程序,尼亚加拉大瀑布市QA / QC数据被上传到名为WatBAMS数据库管理系统(滑铁卢——埋资产管理系统)。软件导入实用程序
包含进一步的QA / QC协议来确保只有每个管道段调查的高质量的数据被上传到WatBAMS数据库。使用WatBAMS程序例程,每个管道段按照污水修复手册第四版方法分析，来确定相应的内部条件等级(ICG)。WatBAMS还允许上传和集成尼亚加拉大瀑布市ＧＩＳ和资产数据库,包含每个管道段的属性——资产ID、位置、施工日期和材料类型等。
尼亚加拉瀑布市污水收集网络由大约400公里的管道组成,有大约5500个各种管材料与年龄,范围从100年的不到20年平均年龄47岁的管段组成。图2显示,35%的管网由钢筋混凝土(RC),17%聚氯乙烯,10%陶土(VC),10%石棉水泥(AC),和25%的管网没有分配管材料。钢筋混凝土和陶管道的平均年龄分别为42和65年。回顾SSET调查和缺陷报告，发现陶管有开放和替换接头并通过在陶管上打孔连接安装。因此,有个人让进入陶管的连接处产生孔和裂缝。发现钢筋混凝土管道一般情况良好,除了一些替换接头处和结构缺陷,如裂缝、裂隙和破碎的片段。没有系统中的管道和样品恢复或更换,因此,没有的观测结果被审查。
在下面几节中,大约12%(45公里)尼亚加拉瀑布市的污水收集网络数据是用来证明该模型开发过程如图3。表1以应急表的形式给出观测数据——那就是,表格单元包含对应变量的频率计数,内部条件等级(ICG)。表1显示了在每个协调小组中取样管的平均年龄,以及,管道频率数据按材料、年龄、和协调小组。它指出,钢筋混凝土管道在样品中的平均年龄－与陶管不同－随协调小组的增加而增加（参见表1)。这提供
了第一个在钢筋混凝土与年龄相关的恶化迹象。一些表格中的单元格有较低或零计数。它是强调单元格与零计数是取样为零 -即,当更多的数据可用时，在这些单元中的观察成为可能，而不是在观测处结构零不可能。对于污水管道、低计数出现在协调小组4和5的新管道中是有可能的。类似地,可以在协调小组1 - 3老管道有较少的观察次数。低,零计数在模型估计和模型拟合的隐含意义已经在３.７节中被讨论。
模型构建过程包括用对应分对数和对应变量的序类型检查连续预测的线性。如果线性假设是不符合，则连续预测的正确的参数形式需要被确定。如果响应没有按照顺序，则备选模型,例如多项分对数可以被考虑。一旦线性和序类型假设是符合的,模型参数的估计被确定并且他们的统计数据被核查。然后比例优势的假设被检查并且使用拟合优度进行测试进行模型验证。解释结果和结论紧随其后。
二、线性和序类型假设验证 使用四分位数(本德和Grouven,1998;Hosmer和Lemeshow,2000)和部分多项式分析(Hosmer和Lemeshow,2000)验证年龄变量在分对数中的线性。有五个条件等级(类别),将有四个累积分对数,即案例I:类别1 vs类别2 - 5组合;案例II:类别1和2结合vs类别3、4和5组合;案例III:类别1 - 3组合vs类别4和5组合;案例IV:类别1 - 4组合 vs别5。这个四分位数分析四个累积分对数中的三个,即,例I,II,IV,揭示了年龄变量在分对数中的线性,然而这个关系对于案例III来说是非线性的。非线性和其中的一个线性案例在表2，图4，图4a中被给出，表中的细节绘出了案例II显示了分对数系数和年龄四
分位数之间的线性关系;然而在图4 b(案例III3)显示的关系不是线性的。因此,年龄变量的正确的参数形式需要被确定。
执行部分多项式分析(FPA)，以找出年龄预测值正确的参数形式,。FPA的结果如表3所示,显示对于模型M1来讲异常统计是最低(为245.5)。模型M1是包含年龄和年龄条件最好的拟合非线性变换。模型M1与线性模型(也显示在表3)比较,似然比检验统计量G2(即线性模型的异常减去模型M1的异常)= 1.197。显着性水平,为三自由度假定值是公共关系Pr(x2(3)1.197)0.754。因为假定值大于0.05,所以模型M1不是明显不同于线性模型。对三累积分对数进行类似分析发现线性假设在分对数中对于年龄是合理的。
由Harrell(2001)提出的一个简单的图解技术被用来验证的对应变量的序类型,即对于连续预测的内部条件等级(ICG),年龄。它涉及在每个ICG类别对立于相应的条件等级内的年龄平均值的细节。从单调增加的趋势来看，很明显,响应变量,协调小组,以顺序的方式作用年龄。在图5,平均年龄值对于等级1和2是有区别的,所以这两个被合并。图5还显示了图(虚线)为X的期望值,即，年龄、有条件在某一条件等级,Y = j,前提是比例优势假设为真。因为虚线在图5显示与实线大约一样的趋势,因此,对于年龄而言比例优势的假设被认为是相当合理的.
三、参数估计 一旦线性和序类型假设被验证,一系列顺序模型将被拟合在系统包容、分析材料、年龄变量，及年龄×材料相互作用。研究结果在表一中显示，其中模型1只包含管道材料预测因子;模型2包含管年龄和材料两个预测因子,模型3包含预测因素有,管道年龄和材料以及年龄×料所代表的两个预测因子之间的相互作用。(J-1)减少点的估计值μj，只显示在模型3中。行为的变化(或似然比检验)统计,G2,连同相应的假定值也在表4中被提出用来比较模型。
材料预测估计从模型1中的-1.853变化到模型2中的-1.064,发生了74.2%的变化。当年龄被添加到模型中时，管道材料在参数估计中的明显变化表现出年龄与在各种内部条件等级中概率的明显联系。陶管和钢筋混凝土管在样品中的平均年龄,分别为67和37岁。这种管道材料平均年龄的差异同样有助于模型1和2中材料预测参数值的变化。当模型2和模型1进行比较时，,似然比检验统计量,G2为25.31与假定值< 0.0001。因为假定值小于0.05,所以在异常中的变化是明显的,因此,模型2比模型1好。
为两个管材料确定年龄在响应变量中的影响(即在一定条件等级下的概率),模型3除了年龄和材料预测因子之外还包含年龄×材料相互作用项。在模型3中,有趣的是,注意到当p = 0.223大于通常公认统计数据水平的0.05时，年龄系数2变得不明显。使用公式(2),模型3可以被估计为:
ˆ)]ˆ(Yj|material,age,ˆ,logit[P(7)
ˆˆˆˆmaterialagematerialagej123一个虚拟/指标变量,在陶土(VC)中等于0和在钢筋混凝土(RC)中等于1，被用于
ˆage。这个年龄系ˆj材料的预测。因此,对于陶土管道,右边的公式(7)可归纳为:2ˆ0.008,正如上面所讨论的没有意义。数对于陶土管因此,对于陶土管而言年龄是2与响应变量是没有关系的。对于钢筋混凝土管道,右边的公式(7)变成
ˆ(ˆˆ)age。对于钢筋混凝土管的年龄参数估计ˆj了:123ˆˆ.008.046.055。用对比的方法(Hosmer ，Lemeshow,1999),（其结果在为:23ˆˆ)的意义，是十分重要的。因此,瓦尔德统计,z = 6.50与假定值< 0.0001）,测验(23对于钢筋混凝土管道而言年龄与响应有关。当模型3与模型2进行比较时,似然比检验统计量G2 = 18.26与假定值< 0.0001。因为假定值小于0.05,模型3被确定在统计学意义上优于模型2。
用于尼亚加拉大瀑布市数据的模型是一个比例优势模型,即对于每个分对数来说，它是一个完全约束模型和假设相同的效果,β,。使用（受限模型适合的无效假设状态和无约束模型的)近似的似然试验(Agresti,2002;long,1997)，测试比例优势假设,。似然比检验统计量,G2 = 3.85与假设值 = 0.2785,这在零假设中是不可能的。因此,我们不能拒绝零假设,并且比例优势假设是可信的。因此,针对每个预测，只有一个估计系数，并且其相互影响可以跨越整个累积分对数。
四、模型验证 验证,预测结果的与所观察到的结果的匹配程度,也就是模型如何描述数据(Hosmer和Lemeshow、1999、2000)进行如下说明:
1.第一个测试,似然比卡方(LR卡方)将假设模型比作空或只拦截模型(Long,1997;O'Connel,2006)。LR 卡方统计量提供一个零假设的整体测试,所有变量的
2所有的β系数在模型中都是0。对提出的模型,LRx3110.390 （假设值<0.0001)。
因为pvalue小于0.05，这一点意义重大。因此,拥有预测功能的模型表现优于只有拦截作用的模型。
2.其次,利用从虚拟模型预测的频率与观察到的频率进行比较来检查模型的性能。为了这个目的,两个措施, Pearson和异常拟合优度,被计算,结果见表5。两个手段观察到的显着性都很大(即> 0.05),因此,看来该拟建模型与数据的吻合程度良好。此外,表6给出了RC和VC管道的预测/期望和观测结果的频率，以及标准Pearson残差下的年龄。没有一个残差大于2的绝对价值,证实该模型与观测数据匹配良好。该模型预测的频率也密切符合观察到的频率,因此该模型演示了一个良好的代表尼亚加拉瀑布市的污水收集系统状态评估数据。
较小的标准差在我们的分析中(见表4)表明与参数估计没有问题(即估计算法收敛并且参数估计是稳定的)。X2和G2统计数据被用来比较嵌套模型,即比较选定的
模型(模型3)和空模型,并在相互竞争的模型(模型1 - 3)中选择最佳拟合模型。表6显示预测数匹配观察计数,并且没有皮尔森残差大于±2。因此,模型预测在尼亚加拉大瀑布市VC和RC废水管道协调小组中表现良好。
五、模型解释 问题被制定，用来确定污水管道在给出协调变量和其可能相互作用的特定内部情况等级的概率。为了达到这个目的,依据结果的概率进行了如下解释:
ˆx)F(ˆx) (8) ˆ(Yj|x)F(ˆj1ˆj1Pjj具体来说,关键是比较VC污水管和RC污水管在协调小组1-5中的预测概率来确定其是否随年龄变化。重要相互作用项,材料×年龄表明年龄的影响因管道材料的不同而不同。
对于钢筋混凝土管道、年龄与老化有关。图6显示了年龄处于五个协调小组之一的预测概率。最低和最高的概率响应类别(即协调小组= 1和协调小组= 5)是年龄的单调函数,然而,中间类别的概率(即协调小组= 2 - 4)是单峰或单峰值函数。因此,年龄对于等级1中的影响是负的即,管道处于可接受条件下的概率是随年龄减少的。另一方面,年龄对于处在等级5的影响是正的,即,管道处于等级5的概率随年龄增加。处于中间等级的预测概率先随年龄增加，在年龄的某一临界值后，随年龄递减。例
如,对于钢筋混凝土管道,处于协调小组=3的概率首先增加，直到年龄约55年后开始降低。这是因为随着年龄的增长,进入条件3的比离开条件3进入更差分类的个体多，而发生的。因此,在条件3的概率增加。随着年龄的增加超过55年,案例进入条件3小于案例离开,因此概率减少。根据我们的分析,处于5级的概率(崩溃或即将崩溃)根据尼亚加拉大瀑布市污水收集系统的样本数据，对RC管道来说，在大约75年时，超过在更低等级的概率。
对于VC管道,年龄与处在某一协调小组的概率是没有关系的。这一点在图7中显示，图7也比较了RC和VC管道的概率预测——注意对于每一个协调小组，VC管的年龄在预测概率中是毫无改变的。它还确定,与RC管相比，VC管道处在更高等级的概率有轻微上涨。然而,在年龄大约超过75岁后，RC管道处于等级5的概率超过VC管道。
与RC管道相比，VC管道处在较差条件等级中的概率稍高。这一发现并不能归因于VC管道的老龄化。与RC管相比VC管处在条件较差等级中的概率较高可以归咎于：1)少的安装实践;(2)他们的寿命工程中过度加载;及/或(3)间隙接头和缺陷连接处渗入和渗出所引起的土壤流失。在系统中大多数已检查VC管道发现有开放和置换接头，其是较少的安装实践导致的结果。VC管道侧面连接也发现有导致裂缝、裂隙和孔洞的瑕疵。
五、结论 需要更好的恶化模型来理解污水管线的性能,并针对他们的条件进行未来预测。对污水管道的一个新的累积分对数模恶化型被开发应用到尼亚加拉大瀑布市污水收集系统。该模型在预测污水管线处于五个内部等级（ICGs）中的哪一级方面，提供了有价值的信息。它是强调,本文得出的结论是基于我们从尼亚加拉大瀑布市污水收集系统得到的状态评估数据的样本分析。管道条件数据是由NAAPI认证的操作员和分析师使用下水道扫描仪和评价技术(SSET)和按照第三版发表的下水道条件分类手册的缺陷编码得到的。管道的条件是使用第四版发表的污水处理手册（使用由作者开发的定制专用软件WatBAMS应用而得）得到的缺陷的评估分数，进行评估。
钢筋混凝土管道的恶化被发现与年龄相关。因为钢筋混凝土管道容易遭受国内污水中，除了其他反应主体，还有硫化氢和水分的腐蚀，,物质损失和恶化随着时间发生。因此,对于RC管道，在某一协调小组的概率与年龄相关的发现被认为是合理的。基于我们的分析,根据尼亚加拉大瀑布市污水管线数据，钢筋混凝土管道的使用寿命大约是75年。VC管道被发现,只要安装完好，不受安装损坏或过度的载荷，可以无限期使用。作者认为，这无限的使用寿命大于当前假定的80年的使用寿命。
累计分对数模型被建立用来准确地预测RC和VC管道恶化。这个模型可以用来确定污水管道使用寿命,预测未来条件状态,和未来的恢复和维护的需求。该模型也
可以用来开发现实未来的维护和整个生命周期中资产的操作预算并满足监管报告要求。在其他网络中，需要进一步的研究来验证累积分对数模型，和模拟除了RC和VC之外的其他管材的恶化。
鸣谢：
本文的研究是由加拿大水网络(文化学视角看)和自然科学和工程加拿大研究委员会(NSERC)。正在进行的研究伙伴包括的在滑铁卢大学促进非开挖技术中心,尼亚加拉大瀑布市,和Pipeflo承包公司。感激他们的援助。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容