(毕业论文)小净距隧道设计说明.pdf

2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 1 第 1 章 绪 论 第 1 章 绪 论 1.1 选题背景及意义 我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地或重丘。公路建设中，过去的普 遍做法是盘山绕行或切坡深挖。据统计资料，汽车翻越山岭平均时速不足 30km不到 经济时速的一半汽车的机械损坏和轮胎磨损极为严重，低等级道路的汽油耗量比高 等级公路多 2050；而且，劈山筑路会造成许多高边坡，在南方雨量充沛地区，它严 重破坏自然景观，造成塌方滑坡和水土流失。因此，为了根除道路病害保护自然环境， 在山区高等级公路建设中必须重视隧道方案，并努力提高公路隧道工程科学技术水 平。 1.2 小净距隧道定义 公路隧道设计规范(jtg d702004)(以下简称规范)第 11.1.1 条中指 出小净距隧道是指隧道间的中间岩柱厚度小于规范中表 4.3.2(见表 1-1)建议的 特殊隧道布置形式，宜用于洞口地形狭窄或有特殊要求的中、短隧道，也可用于长或 特长隧道洞口局部地段。独立双洞的最小净距： 表 1-1 独立双洞的最小净距 围岩级别 最小净距 b0 . 1 b5 . 1 b0 . 2b5 . 2 注：b隧道开挖断面的面积 严格地说，双洞最小净距小于正常使用规定范围的隧道都统称为小净距隧道。由 此可见，它是介于连拱隧道与分离式隧道之间的一种特殊的隧道结构形式。如果修建 连拱隧道，第一，其对地质条件要求苛刻，、级围岩很难修建；第二，施工难度 高，建设周期长；第三，连拱隧道的建设成本高。如果修建独立双洞，接线难，路线 布线的自由度低。大断面小净距隧道作为一种新型的结构型式，它具有了独立双洞和 连拱隧道两者优点的结合。因此，小净距隧道成为高等级公路建设中的必然。采用小 净距隧道这种特殊结构形式的隧道数量在近几年增加很快。目前，已有多条高速公路 建设中均出现了小净距隧道。如安徽六潜高速公路中的板河隧道、太阳河隧道、花园 河隧道等，有的虽非整条隧道采用小净距，但在洞口段也采用了小净距设计，如湘渝 高速公路鹰嘴岩隧道等。 1.3 小净距隧道开挖方法 邱顺：青山小净距隧道 2 小净距隧道的各类施工方法，其原则是尽可能保证中夹岩柱范围内不出现塑性区 过大或连通现象而影响中夹岩岩体的稳定性。通过大量工程实践，已摸索出一些较为 成功的单项施工工法或组合施工工法，其中三种较为有效方法的特点总结如下： (1)双洞侧壁导坑法。适用于、级围岩及长隧道净距较小的洞口段围岩施工， 主要是为防止大面积开挖会出现围岩变形过大而导致失稳现象的发生。侧壁导坑法已 在金旗山隧道、董家山隧道、招宝山隧道等实践工程中得到充分运用，取得了良好的 效果。 (2)上下台阶与侧壁导坑组合法。、级围岩多选用该施工方法，主要考虑 围岩较为稳定，在先行洞中采用上下台阶法，减少了施工工序。后行洞采用侧壁导 坑法，便于对中夹岩的加固。在后行洞已有较好临空面基础上，爆破效果理想并可 确保中夹岩的稳定。 (3)上下台阶法与超前导洞预留光爆层。适用于级以上围岩。因为围岩的自稳 能力增强，同时由于超前导洞临空面的存在，预留光爆层的二次爆破震动大大降低。 1.4 设计研究主要采用的方法 在对隧道结构进行计算时，需依据jtg d70-2004 公路隧道设计规范，并结合 小净距隧道的工程特点，利用围岩垂直均布松动压力和水平均布松动压力公式，计算 出隧道开挖后隧道衬砌受载情况。然后，通过 anscs 软件对隧道衬砌结构建立模型、 并计算，然后按破损阶段法和允许应力法检算隧道衬砌在所加荷载作用下是否满足强 度要求。对不满足强度要求的隧道衬砌，进行配筋计算。最后进行抗裂检算.在对隧 道施工方案及施工工艺进行设计时，需依据jtg d70-2004 公路隧道设计规范和相 关规范规定，并结合在隧道全长范围内的围岩性质及其所处埋深，来确定隧道的进洞 方案、不同衬砌段的开挖方法及各种方法间的转换、不良地质辅助工艺、初期支护情 况、中岩柱加固、二次衬砌施工工艺、防水工程施工工艺和施工监测等。 1.5 毕业设计预期达到的目标 （1)学习和了解小净距公路隧道设计的特点和要求； （2)熟悉掌握隧道结构设计检算方法，并能够运用 anscs 进行结构检算； （3)熟悉隧道施工的各种方法，特别是新奥法施工的方法，了解隧道施工过程中 各种工艺的基本流程和要求。 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 3 第 2 章 概 况 第 2 章 概 况 2.1 设计依据及设计原则 本设计对隧道的设计内容主要包括从地质、地形、经济、环保的方面对路线的方 案确定；对隧道平面、纵断面、横断面的设计以满足经济、合理、安全、施工容易等 要求；对隧道衬砌结构设计和计算以保证衬砌能够满足围岩压力的要求；在排水设计 遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则下，使隧道内防水可靠， 排水通畅，保证运营期间隧道内不渗不漏，基本干燥；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及洞口防排水需要，选用经济、美观并有利于视线 诱导的洞门形式；在考虑尽量少刷坡和隧道“早进洞、晚出洞”的原则确定洞门位置； 选择合适隧道施工方案使之满足本隧道围岩节理发育、 围岩不稳定易发生变形等要求； 隧道通风的设计和计算。 2.2 设计依据及技术标准 2.2.1 设计依据 2.2.1 设计依据 隧道勘测设计按以下标准、规范及规程进行： （1）公路工程技术标准（jtg b01-2003），交通部颁发； （2）公路隧道设计规范（jtg d70-2004）交通部颁发； （3）公路隧道通风照明设计规范（jtg d70-2004）交通部颁发； （4）公路路线设计规范 （jtg d20-2006）交通部颁发； （5）公路路基设计规范 （jtg d30-2004）交通部颁发 （6）公路水泥混凝土路面设计规范（jtg d40-2002）交通部颁发； （7）公路工程抗震设计规范（jtj004-89）交通部颁发； （8）公路工程施工技术设计规范（jtgf60-2009 交通部颁发）； (9）地下工程防水技术规范（gb50108-2001）； (10）公路隧道交通工程设计规范（jtf/t d71-2004）交通部颁发; （11）公路基本建工程概算、预算编制办法（jtg b06-2007）交通部颁发； （12）中华人民共和国工程建设标准强制性条文公路工程部分。 2.2.2 主要技术标准 2.2.2 主要技术标准 （1）公路等级: 高速公路 邱顺：青山小净距隧道 4 (2）洞内设计车速:80km/h，单洞双车道单向行车； (3)隧道建筑限界 净宽：10.25；行车道宽度:2x3.75m；净高：5m； (4)设计荷载：公路i 级 2.3 工程概况 （1）地理位置、地形地貌（1）地理位置、地形地貌 青山隧道位于重庆市万盛区丛林镇永胜村境内， 隧道进口位于省道 s303 线西侧约 100 m，出口位于省道 s303 线西侧约 200m，有乡村小道与洞口相通，进出口均无公路 直接相接，交通不便。隧道穿赽的孝子河东侧岸坡顶部一脊状山脉，受地质构造控制， 最高点高程 668.90m，最低点标高 391.7 m，隧道区相对高差 227.2 m。 （2）气象、水文（2）气象、水文 本地区属亚热带温湿季风气候区，气候温和湿润，湿度大，降水量较多，蒸发量 较大，气温日变化小等特征。510 月为雨季，降雨量占全年的 80%，最低温度-810 ，113 月为枯季，最高温度 44；多年平均气温 17.5，多年年平均降水量 1225.20mm. 隧道区地表水系孝子河， 地表水系多呈树枝状， 次有羽毛状， 河谷多呈深峡之 “v” 弄谷，坡降较大，水流湍急，阶地不发育的特点。 （3）隧道规模（3）隧道规模 青山隧道工洞长 796.5m， 右洞长 799.91m， 属于中长隧道； 隧道净距 13.4320m， 为小净距+分离式组合隧道。见表 2-1 表 2-1 隧道平面设计一览表 隧道名称 起止桩号 隧道长度（m）备注 青山隧道左洞 lk9+600lk10+403 803 青山隧道右洞 k9+603k10+402 799 小净距+分离式组合隧道 2.4 工程地质 2.4.1 地层岩性 2.4.1 地层岩性 隧址区主要出露地层为寒武系和奥陶系，在隧道所经过地层以奥陶系为主。主要 为灰白和深灰色厚层白云岩、灰质白云岩，下部灰岩夹层较多，白云质含量相对较少； 含白云石，层理很不发育，风化面灰黑色，表面呈“刀砍状”，而且极粗糙，颗粒一 般较粗，局部粗大者似糖粒状等为其特征。各处岩性稳定；局部为灰、灰黑色薄层瘤 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 5 状泥质灰岩，厚度约在 700m。 2.4.2 地质构造 2.4.2 地质构造 （1）断层 隧址区所处四级构造单元为石台穹褶断束。石台穹褶断束是沿江拱断褶带南部的 次级单元，南以江南深断裂与皖南陷褶断带相接。大致位于宣城，南陵、青阳、石台 及东至一带，呈北东向带状展布。 隧址区所处地层为奥陶系仑山组白云岩和灰质白云岩，岩石物理属性较脆，区内 主要构造形式为断层及节理破裂构造， 其中主要发育了 nww、 nw、 ne、 nne 向四组断层。 隧址区断层规模都不大，对隧道工程的影响有限。断层主要性质如下： 近 ew 向断层 该组断层多呈 270290展布，多数倾向北东，倾角中等，该组断层平行于区 域构造线方位，早期显示为逆断层性质，后期断层性质主要表现为右行平移。 nw 向断层 该套断层走向多为 290330，以向 ne 倾斜居多，本组断层性质以右行平移 性质为主。 ne 向断层 该组断层主要走向为 6080，其中三组倾向南东，两组倾向北西，倾角多为 高角度在 7585之间，该组断层切割了早期先存的断层多以左行平移为主。 nne 向断层 nne 向断层走向为 1035，倾角较陡（75至近直立），野外研究发现该套 断层多切割了前期近东西向断层，该方向断层形成时代最晚。 （2）节理、裂隙 隧址区发育了以 nw nww； ne 和 nne 为主的三组节理裂隙， 这些节理与区内所形 成的各组断层方位吻合。此外，还发现在断层旁侧形成了派生节理。根据野外对节理 的充填和切割关系的系统统计分析，在该区发育有多期节理，其中，nww 或近东西向 节理平行区内构造线方位，形成时代相对最早；其次为 ne 向节理，而在区内所发育的 nne 及近南北向节理形成最晚。 2.5 隧道工程地质评价 根据公路工程地质勘察规范、公路隧道设计规范规定的围岩分级方法， 隧道洞室围岩级别划分，主要按以下顺序进行： 邱顺：青山小净距隧道 6 （1） 根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体 基本质量指标 bq，综合进行初步分级。 （2） 对围岩进行详细定级时， 应在岩体基本质量分级基础上考虑修正因素的影响， 修正岩体基本质量指标值。 （3）按修正后的岩体基本质量指标bq，结合岩体的定性特征综合评判、确定围 岩的详细分级。 根据地勘报告提供的各类岩组的物理力学参数、岩体结构、结构面发育特征及各 项定性、定量成果资料分析，将全隧道围岩划分为、级两种围岩级别，洞身工程 地质评价详见地勘报告及隧道地质纵断面图。 2.6 隧道围岩稳定性评价 （1）隧道洞口稳定性评价 （1）隧道洞口稳定性评价 老城区端洞口段位于西坑村冲沟的南侧山坡下，地面自然坡度 1520下缓上 陡， 坡面岩石大多出露良好， 风化裂隙发育， 岩石大多新鲜或呈微风化状， 局部有 0.5m 厚的坡积层，无断层通过。主要结构面为岩层产状 1015，另外发育有两组主要 节理 5/e58、45/es40，结构面走向与洞轴夹角 1540，由于节理与轴 线大角度相交但节理裂隙发育，岩层产状与轴线及坡面小角度相交对洞口的稳定带来 不利的影响。综合计算修正的围岩基本质量指标bq=248.5，按公路隧道设计规范 围岩级别属于级。 开发区端洞口段位于永丰村杵岭冲沟的南侧山坡下，地面自然坡度 30，坡面岩 石出露较差，植被发育，岩石破碎，岩石为硬质岩石，碎石状镶嵌结构，受构造影响 严重，节理裂隙发育，中等透水性，未见断层通过。主要结构面为岩层产状 015 ，主要节理裂隙产状 273/ne15,280/ne85，节理与轴线及坡面小角度 相交，其倾角很缓或很陡，但是由于岩体破碎，整体性差。综合计算修正的围岩基本 质量指标bq=218.5，按公路隧道设计规范围岩级别为级。 （2）隧道洞身围岩稳定性评价（2）隧道洞身围岩稳定性评价 隧道围岩为仑山组下段(o1l)灰白和深灰色厚层白云岩、 灰质白云岩， 下部灰岩夹 层较多，白云质含量相对较少，隧道洞口、洞身段围岩稳定性均较差。 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 7 第 3 章 总体设计 第 3 章 总体设计 3.1 隧道选址 此次隧道位置的选择满足公路隧道设计规范的要求，主要根据了路线总体规 划、交通运输条件及周边环境和地形变化条件确定的，遵循了以下原则：考虑选择 在地质构造简单，岩性较好的稳固地层中通过，尽量避免了通过断层、崩塌、滑坡、 溶洞、陷穴以及偏压显著、地下水丰富、富煤区和高瓦斯地带等地质不良地段；重 视洞口位置的选定，洞口的中线宜与地形等高线接近垂直，或要尽量以大角度斜交进 洞，尽量避免与等高线平行进洞；洞口位置应避开峭壁、沟谷、山凹的中心，尽量在 凸出的山坡附近进洞。遵循“早进洞、晚出洞”的原则，避免了大挖大刷，确保边 坡及仰坡的稳定。 本隧道按分类属于中长隧道， 根据地形图和各种资料进行技术、 经济的比较之后， 最后确定出一条路线。隧道洞口位置是根据地形、地质、水文条件，结合环境、洞外 有关工程、施工条件、运营等要求，通过经济、技术比较确定的。 3.2 隧道平、纵面设计 3.2.1 隧道平面线形设计 3.2.1 隧道平面线形设计 隧道的平面线形布设的选择主要根据地质、 地形、 路线走向等因素的影响确定的， 平面布置服从了路线总体走向，在综合考虑线形指标及工程造价的前提下，主要考虑 了隧道所处地域的地形，隧址区工程地质条件，隧道进、出口条件、营运管理设施场 地等因素。 本隧道按小净距+分离式的组合设计,路基设计线间距 13.4320m,进口处于 r-1125m 和 1045.73 的平曲线上，洞身及出口段处于直线上。 3.2.1 隧道纵断面设计 3.2.1 隧道纵断面设计 （1）方案比选 隧道纵面线型设计及隧道两端接线条件综合考虑了地形、地质条件、排水施工。 本隧道为中长隧道，纵坡设计服从路线总体布置，设计为 2.6%的单向上坡。 表 3-1 隧道纵断面线型设计方案一 隧道名称 进口桩号 设计标高（m）出口桩号 设计标高（m） 纵坡/坡长（%） 青山隧道左洞 lk9+606.00 548.24 lk10+403 569.00 +2.6/797.00 青山隧道右洞 k9+603.00 548.34 k10+402 568.00 +2.6/799.00 邱顺：青山小净距隧道 8 优点：此路线高程较低，两端展现长度降低，运营条件较好，线路通过能力较高。 缺点：隧道长度较长，施工难度增大，施工工期长。 表 3-2 隧道纵断面线型设计方案二 隧道名称 进口桩号 设计标高（m）出口桩号 设计标高（m） 纵坡/坡长（%） 青山隧道左洞 lk9+630.00 549.03 lk10+381 568.76 +2.6/751.00 青山隧道右洞 k9+630.05 548.04 k10+380 568.35 +2.6/799.91 优点：此路线进洞较晚，出洞较早，缩短了隧道长度，降低了造价并缩短了施工 工期。 缺点：此路线进出口涉及到围岩的开挖以及边坡稳定性的维护，考虑到进口处为 级，出口为围岩，稳定性较差，施工难度也随之增大，并且不利于遵循尽量减少 对岩体扰动的原则。 表 3-3 隧道纵断面线型设计方案三 隧道名称 进口桩号 设计标高（m）出口桩号 设计标高（m） 纵坡/坡长（%） 青山隧道左洞 lk9+590.00 548.00 lk10+420 569.80 +2.6/830.00 青山隧道右洞 k9+585.00 547.90 k10+420 569.90 +2.6/835.00 优点：此路线高程较低，隧道施工难度下降，运营条件相对较好。 缺点：此路线进洞较早，出洞较早晚，增加了隧道长度，增加了工程造价并加长 了施工工期。 （2）方案确定 综合以上三种方案，考虑到隧道长度、主要施工方向、通风、排水、洞口位置及 隧道进、出口接线、运营条件和线路通过能力等因素。最后选择方案一为最终设计方 案。（见表 3-4） 表 3-4 隧道纵断面设计最终方案 隧道名称 进口桩号 设计标高（m）出口桩号 设计标高（m） 纵坡/坡长（%） 青山隧道左洞 lk9+606.00 548.24 lk10+403 569.00 +2.6/797.00 青山隧道右洞 k9+603.00 548.34 k10+402 568.00 +2.6/799.00 33 隧道内净空断面设计 3.3.1 建筑限界3.3.1 建筑限界 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 9 本隧道的建筑限界满足汽车行驶的需要，充分考虑了汽车行驶的安全、快捷舒适 和防灾等因素。在建筑限界内不得有任何部件（包括通风、照明、安全、监控和内装 饰等附属设施）侵入； 公路隧道建筑限界如图 3-1 所示，建筑限界见表 3-5： 图 3-1 公路隧道建筑限界图 表 3-5 隧道建筑限界 s 净宽(m) 净高(m) 行车道(m)侧向宽度左(m) 侧向宽度右(m) 检修道(m) 主洞 10.25 5 3.752 0.5 0.75 0.752 说明：高 5m 拟定为三心圆曲墙结构，隧道内轮廓拱顶净高 7.05m，净宽 10.54m， 内净空与建筑限界之间的净空满足照明、消防、交通工程等营运管理设施所需空间， 并预留了内装饰层净空。 3.3.2 内轮廓设计 3.3.2 内轮廓设计 方案一：采用曲墙式五心圆（图 3-2） 方案二：直墙式（图 3-3） 方案三：圆形（图 3-4） 图 3-2 曲墙式五心圆 图 3-3 直墙式 图 3-4 圆形 圆形内轮廓虽然受力较好，但是开挖量太大，工程造价高，工程延长等，不适合 选此形式设计； 直墙式内轮廓虽然开挖量较少， 但是受力很差， 适用于一般不产生较大的侧压力， 不需要设仰拱的围岩中，此线中围岩等级低，完整性差，不适合选此方案； 曲墙式五心圆受力较好，开挖量也适中，经过对比选择方案一曲强式五心圆，故 邱顺：青山小净距隧道 10 选此方案一。 本隧道内轮廓设计除了符合隧道建筑限界的要求外， 也满足洞内路面、 排水设施、 装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装空间，同时为 衬砌变形及施工误差预留了适当的富裕量， 使确定的断面形式及尺寸符合安全、 经济、 合理的原则。 3.3.3 洞口位置选择 3.3.3 洞口位置选择 本隧道洞口选择结合了隧道进出口地形、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，确定的隧道洞口位置。 3.3.4 洞门设计 （ 3.3.4 洞门设计 （1）洞门设计原则：）洞门设计原则：本隧道洞口的选择根据地形、地质水文等条件，着重考 虑仰坡及边坡的稳定，同时结合洞外有关工程及施工条件、运营要求，同时也满足有 关规范的要求。考虑了以下主要原则：建筑与结构相结合的原则；洞门形式与洞 口地形相协调的原则；外墙装饰与相邻建筑物相协调的原则；环境与意境相结合 的原则。 （2）洞门方案比较：）洞门方案比较： 方案一：翼墙式（八字式）洞门 方案一：翼墙式（八字式）洞门 图 3-5 翼墙式（八字式）洞门 优点：此形式泂门适用于洞口地质较差（iv 级及以上围岩） ，山体纵向推力较大的 情况。翼墙在正面起到抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑及抗倾覆能力的作用。两 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 11 侧面保护路堑边坡，起挡土墙作用。翼墙顶面与仰坡的延长面相一致，其上设置水沟， 将洞门顶水沟汇集的地表水引至路堑侧沟内排走。 缺点：对于本随道洞门开挖量大，对自然景观破坏严重。 方案二：柱式洞门 方案二：柱式洞门 图 3-6 柱式洞门 优点：柱式洞门比较美观，适用于城市附近、风景区或长大隧道的洞口。当地形 较陡，仰坡有下滑的可能性，又受地形或地质条件限制，不能设置翼墙时，可在端墙 中部设置较大的柱墩，以增加端墙的稳定性。 缺点：柱式洞门工程量较翼墙式洞门大，造价较高，施工也较为复杂。 方案三：削竹式洞门方案三：削竹式洞门 图 3-7 削竹式洞门 优点：削竹式洞门是联系洞内衬砌与洞口外路堑的支护结构，保证了洞门附近的 边坡和仰坡的稳定。在景观上能起到修饰周围景观的作用，真正做到洞门与周围生态 环境有机结合。 （3）洞门方案确定： ）洞门方案确定： 邱顺：青山小净距隧道 12 三个方案综合比较见表 3-6 所示，最后确定出设计方案。 表 3-6 三个方案综合比较 项目 方案一（翼墙） 方案二（柱式） 方案三（削竹+明洞） 工程造价 较高 高 较高 景观美观 较好 较好 好 受地质影响 小 大 小 施工难度 较大 复杂 较小 施工工期 较短 短 较长 综上所述，比较可得方案一、二都各有优点，但缺点相当明显。由于隧道进出口 段的地质状况的限制，进出口岩石均风化比较严重，无滑坡、坍塌等不良地质现象， 现状较为稳定，而开挖后边、仰坡稳定性均较差，所以隧道进出口均采用接长明洞的 方式，设计为削竹式洞门，并且也很美观。故选第三个方案（削竹式+长明洞）作为 最终的方案。 3.4 明洞设计 隧道进口左右线均采用削竹式明洞，进口左洞明洞长 18.15m ,右洞明洞长 44.09 m，采用钢筋混凝土衬砌，隧道出口左右均采用削竹式明洞，左右明洞均长 12.85m. 明洞采用明挖施工，宜避开雨季施工，尤其在明洞施工前，应作好洞口截水排水系统。 3.5 洞身结构设计 本隧道进口受地形和桥梁构造物控制，设置小净距渐变为分离式隧道的组合式隧 道。 本次隧道设计取路基设计线 l=20m 作为小净距隧道与分离式隧道的分界点。 在小 净距隧道段，当路基设计线间距 l20m 时，设计为 xf 型衬砌。 进口段为小净距隧道，出口为分离式隧道，根据洞口段的地质情况，洞口采用加 强衬砌，喷、锚、网和工字钢架作为施工临时支护，小净距和分离式级围岩、级 围岩均采用超前小导管作为施工辅助措施，以确保洞口段稳固安全。 洞身段按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，初期支护以喷、锚、网为主，二 次衬砌为模筑混凝土。 洞口段支护参数见表 3-7；洞身一般段支护参数 3-8；瓦斯段支护参数 3-9 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 13 表 3-7 洞口段支护参数 项目 级围岩 级围岩 衬砌类型 xf/a f/a xf/a f/a c20 砼 20cm 20cm 24cm 24cm 钢筋网 2525 cm 2525 cm 2020 cm 2020 cm 初 期 支 护 锚杆 砂浆锚杆，100 100cm，l=3m 砂浆锚杆，100 100cm，l=3m 砂浆锚杆，70 100cm，l=3m 砂浆锚杆，80 100cm，l=3m 二次衬砌 50cm(钢砼) 45cm(钢砼) 55cm(钢砼) 50cm(钢砼) 仰拱 50cm(钢砼) 45cm(钢砼) 55cm(钢砼) 50cm(钢砼) 初支加劲措施 14 工字钢100 cm14 工字钢100 cm18 工字钢100 cm 18 工字钢100 cm 铺助措施 超前小导管 超前小导管 超前小导管 超前小导管 表 3-8 洞身一般段支护参数 表 3-9 瓦斯段支护参数 项目 级围岩 级围岩 衬砌类型 f/ xf/f f/f c20 砼 10cm 20cm 15cm 钢筋网 2525 cm 2525 cm 2525 cm 初 期 支 护 锚杆 22 砂浆锚杆，100 100cm，l=2.5m 22 砂浆锚杆，100 100cm，l=3m 22 砂浆锚杆，120 120cm，l=3m 二次衬砌 35cm(钢砼) 40cm(素砼) 35cm(素砼) 仰拱 无 40cm(素砼) 无 初支加劲措施 无 钢格栅拱 无 铺助措施 无 超前锚杆 无 项目 级围岩 衬砌类型 vwa vwf c20 砼 24cm 22cm 钢筋 网 2020 cm 2020 cm 初 期 支 护 锚杆 22 砂浆锚杆，80100cm，l=3.5m22 砂浆锚杆，100100cm，l=3.5m 二次衬砌 60cm 45cm 仰拱 60cm 45cm 初支加劲措施 184 工字钢80 cm 钢格栅拱100 cm 铺助措施 超前小导管 超前小导管 邱顺：青山小净距隧道 14 第 4 章 隧道衬砌结构计算 第 4 章 隧道衬砌结构计算 4.1 计算原理 对隧道结构进行设计检算，主要是依据荷载结构法原理，通过 ansys 对衬砌结 构建模，按破损阶段法计算隧道荷载，得出衬砌结构在荷载作用下的内力和位移，利 用结构最危险点的内力对衬砌强度进行检算，对不满足强度要求的进行配筋和验算， 并进行结构抗裂检算。 从隧道纵断面图中确定隧道进口段各级围岩衬砌段的起始里程、所属围岩级别、 长度和埋深等，见表 4-1。 表 4-1 隧道各围岩段情况 起讫里程 围岩级别 长度/m 最小埋深/m最大埋深/m 左线 lk9+606.5+680 73.5 0 27 左线 lk9+680+970 290 27 43 左线 lk9+970lk10+230 260 30 50 左线 lk10+230+350 120 40 70 左线 lk10+350+400 50 0 32 右线 k9+602+730 128 0 30 右线 k9+730+930 200 23 38 右线 k9+930k10+100 170 23 65 右线 k10+100k10+170 70 65 90 右线 k10+170k10+360 190 30 70 右线 k10+360k10+402 42 0 30 4.1.1 深浅埋隧道分界深度计算原理 4.1.1 深浅埋隧道分界深度计算原理 一般，深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量，根据经 验，这个深度通常为 22.5 倍的坍方平均高度值，即： pq (2 2.5)hh = (4-1) 式中， p h深浅埋隧道分界的深度(m)； q h等效荷载高度值(m)。 系数 22.5 在松软的围岩中取高限，而在较坚硬围岩中取低限。该隧道地质情况 为、级围岩，故取 2.5。当隧道覆盖层厚度 p hh时为深埋， p hh0.5 时，取 i=0.1。 4.1.2 深埋隧道围岩松动压力的计算方法(4.1.2 深埋隧道围岩松动压力的计算方法( p hh ) ) 竖直均布松动压力按式(4-4)计算： q qh= (4-4) 式中，q竖直均布松动压力(kn/m)；围岩容重( 3 kn/m )。 水平均布松动压力 e 可根据竖直均布松动压力由经验公式求得。水平均布压力的 经验公式见表 4-2。 表 4-2 水平均布松动压力经验公式 围岩级别 水平均布压力 0 0.15q (0.150.3)q (0.30.5)q (0.51.0)q (3)浅埋隧道围岩松动压力的计算方法 超浅埋隧道 ( q hh) 围岩竖直均布松动压力按公式(4-5)计算： qh= (4-5) 式中，q竖直均布松动压力(kn/m)；围岩容重( 3 kn/m)。 围岩水平均布松动压力按下列公式计算： 2 00 0 0 tan(tan1) tantan tantan + =+ (4-6) 0 00 tantan tan1tan(tantan )tantan = + (4-7) 1 eh = (4-8) 2t ()ehh=+ (4-9) 式中，产生最大推力时的破裂角()； 0 围岩计算摩擦角()； 围岩两侧摩擦角，超浅埋时取 0； 侧压力系数； h洞顶至地面高度(m)； t h 隧道净高(m)； 邱顺：青山小净距隧道 16 b隧道跨度(m)。 浅埋隧道( qp hhh14.4m，则全为深埋隧道。 （3） 级围岩 mh52.116 . 1245. 0 15 = 查规范附录 a，表 a.0.4-1，取 3 /20mkn= ，则： 2 /4 .23052.1120mknq= mhq52.11= mhp8 .2852.115 . 2= 在级围岩段的包括浅埋和深埋；隧道进口段由浅埋到深埋，出口段由深埋到浅 埋。 4.2.2 各级围岩主动荷载计算 4.2.2 各级围岩主动荷载计算 深埋围岩的荷载模型如图： 图 4-1 深埋隧道荷载模型 （1） 级围岩深埋 mh88. 26 . 1245. 0 13 = 查规范附录 a，表 a.0.4-1，取 3 /25mkn=，则： 竖向荷载： 2 25 2.8872/qhkn m=； 侧向荷载：按规范表 6.2.3 取值计算： 邱顺：青山小净距隧道 18 mknqe/8 .107215. 015. 0= （2） 级围岩深埋 mh76. 56 . 1245. 0 14 = 查规范附录 a，表 a.0.4-1，取 3 23/kn m=，则： 竖向荷载： 2 23 5.76132.48/qkn m=； 侧向荷载：按规范表 6.2.3 取值计算： 0.30.3 132.4839.74/eqkn m=； （3） 级围岩深埋 mh52.116 . 1245. 0 15 = 查规范附录 a，表 a.0.4-1，取 3 /20mkn=，则： 竖向荷载： 2 /4 .23052.1120mknq=； 侧向荷载：按规范表 6.2.3 取值计算： mknqe/2 .1154 .2305 . 05 . 0= 有挟持力浅埋围岩的荷载模型如图 有挟持力浅埋围岩的荷载模型如图 图 4-2 有挟持力浅埋隧道荷载模型 （4） 级围岩挟持力浅埋 取围岩计算摩擦角 40= c ； 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 19 取滑面摩擦角 205 . 0= c 则侧压力系数： () tgtg tgtg tgtg c cc c + += 1 2 () 2040 40140 40 2 tgtg tgtg tg + += 9542. 1= () tgtgtgtgtgtg tgtg cc c + = 1 () 204020409542. 119542. 1 409542. 1 tgtgtgtg tg + =2554. 0= 竖向均布荷载： 1 1 h qhtg b = = 202554. 0 11 8 .28 18 .2820tg mkn /8 .435= 水平荷载 1 20 28.8 0.2554147.11/ehkn m = 2 ()20 (28.87) 0.2554182.87/ t ehhkn m=+=+= 邱顺：青山小净距隧道 20 4.3 计算结果 内力计算主要是通过 ansys 有限元软件完成，首先对隧道结构建立衬砌模型，然 后进行荷载加载，最后导出计算结果。通过 ansys 软件对衬砌结构进行力学计算的全 过程为：首先，依照截面尺寸，利用结构荷载模式对衬砌结构建立模型；然后依据计 算得出的竖直和水平均布压力对模型加载，并进行计算；最后，查看计算结果，同时 输出内力图。 4.3.1 深浅埋的情况 4.3.1 深浅埋的情况 深浅埋的情况及各围岩段的物理力学指标情况见表 4-3。 4-3 深浅埋判断情况 起讫里程 围岩 级别 深浅埋判定 重度 /knm-3 左线 lk9+606.5+680 浅埋-深埋20 左线 lk9+680+970 深埋 23 左线 lk9+970 深埋 20 左线 lk10+230+350 深埋 25 左线 lk10+350+400 深埋 20 右线 k9+602+730 深埋 20 右线 k9+730+930 深埋 23 右线 k9+930k10+100 深埋 20 右线 k10+100k10+170 深埋 23 右线 k10+170k10+360 深埋 25 右线 k10+360k10+402 深埋-浅埋 20 对表 4-3 中的隧道左右线每个级别围岩取断面，按照以上荷载计算方法，计算得 出衬砌结构所受荷载，详见表 4-4。 表 4-4 隧道各级别围岩荷载计算结果 类型 围岩 级别 垂直荷载 /knm-1 侧向荷载（水平均布或梯形） /knm-1 72 10.8 132.48 39.74 深 埋 230.4 115.2 浅埋 435.8 147.11 和 182.87 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 21 4.3.2 建模步骤 4.3.2 建模步骤 定义材料特性和界面性质 二次衬砌皆采用 c25 钢筋混凝土，由规范可得：重度 3 /25mkn=，弹性模量 gpaec5 .29=，泊松比2 . 0=。 截面面积：ab h= 截面惯性矩： 3 12 x bh i = 其中：h截面高度； b计算长度，取 1m。 建立几何模型 采用二次衬砌的中轴线作为模型的轮廓线。 划分网格 计算节点荷载 i 节点的等效节点荷载列阵为： ()()()() 12 12 22 1212 73 20 73 20 11 3232 6060 ji xi yiji i jiji ee yy f qq fxx m yyeexxqq + + = + j 节点的等效节点荷载列阵为： ()()()() 12 12 22 1212 37 20 37 20 11 2323 6060 ji xi yiji i jiji ee yy f qq fxx m yyeexxqq + + = + 图 4-3 计算弹簧 弹簧刚度系数：kk l b= 其中k弹性抗力系数； l单元长度。 加载荷载和弹簧 邱顺：青山小净距隧道 22 弹簧方向均采用径向。f、f、d 衬砌在拱脚处加 x 方向约束，在仰拱中点 加 y 方向约束。 求解计算、修改弹簧、显示最终计算结果 计算后，逐步去掉受拉弹簧，当最后计算结果中没有受拉弹簧后，即为最后计算 结果。 4.3.3 建模计算 4.3.3 建模计算 （1）f/a 型衬砌 围岩特性： 重 度 3 /23mkn=，弹性模量gpaec6=， 泊 松 比35. 0=， 弹性抗力系数mmpak/500= 竖向均布荷载： 2 /48.13276. 523mknq= 横向均布荷载：mknqe/74.3948.1323 . 03 . 0= 二次衬砌采用 45cm，带仰拱。 a.建立 ansys 模型，去掉受拉弹簧后最终模型 a.建立 ansys 模型，去掉受拉弹簧后最终模型 图 4-4 f/a 衬砌模型去掉受拉弹簧后最终模型 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 23 b.轴力图轴力图 图 4-5 f/a 衬砌模型轴力图 表 4-5 f/a 衬砌模型各单元轴力值（单位：n） elem smis1 elem smis1 elem smis1 elem smis1 elem smis1 1 -9.93e+05 16 -7.97e+0531-6.91e+0546-9.68e+05 61 -8.88e+05 2 -9.87e+05 17 -7.70e+0532-7.15e+0547-9.72e+05 62 -8.88e+05 3 -9.81e+05 18 -7.43e+0533-7.40e+0548-9.77e+05 63 -8.87e+05 4 -9.76e+05 19 -7.17e+0534-7.67e+0549-9.83e+05 64 -8.88e+05 5 -9.72e+05 20 -6.93e+0535-7.94e+0550-9.89e+05 65 -8.88e+05 6 -9.69e+05 21 -6.71e+0536-8.20e+0551-1.13e+06 66 -8.88e+05 7 -9.62e+05 22 -6.53e+0537-8.44e+0552-1.01e+06 67 -8.87e+05 8 -9.51e+05 23 -6.39e+0538-8.65e+0553-9.12e+05 68 -8.86e+05 9 -9.38e+05 24 -6.29e+0539-8.84e+0554-8.81e+05 69 -8.84e+05 10 -9.23e+05 25 -6.24e+0540-9.02e+0555-8.80e+05 70 -8.82e+05 11 -9.06e+05 26 -6.24e+0541-9.18e+0556-8.81e+05 71 -8.81e+05 12 -8.88e+05 27 -6.29e+0542-9.33e+0557-8.83e+05 72 -8.82e+05 13 -8.69e+05 28 -6.38e+0543-9.46e+0558-8.85e+05 73 -9.14e+05 14 -8.48e+05 29 -6.52e+0544-9.57e+0559-8.87e+05 74 -1.02e+06 15 -8.23e+05 30 -6.70e+0545-9.64e+0560-8.88e+05 75 -1.14e+06 邱顺：青山小净距隧道 24 c.剪力图剪力图 图 4-12 图 4-6 f/a 衬砌模型剪力图 表 4-6 f/a 衬砌模型各单元减力值（单位：n） elem smis2 elem smis2 elemsmis2 elemsmis2 elem smis2 1 26051 16 32570 31-58754461342461 6493.5 2 15893 17 48328 32-59005471979.862 31802 3 6988.4 18 58535 33-5433048-7388.263 -2746.4 4 -2227.9 19 63418 34-4435649-1644264 -37290 5 -13519 20 63347 35-2885650-2674565 -11976 6 -18098 21 58830 36-7758.251-2.21e+0566 8423.9 7 -13903 22 50496 3718851525994.767 24266 8 -13843 23 39077 3847377531.66e+0568 34596 9 -18834 24 25388 3950724541.23e+0569 35166 10 -28334 25 10307 4041997552699170 17226 11 -39877 26 -5253.5 413008756-2262171 -32358 12 -48251 27 -20366 422020857-4058772 -1.29e+05 13 -44567 28 -34117 431482758-4003773 -1.71e+05 14 -15720 29 -45628 441449059-2972474 -9870.3 15 11191 30 -54085 451828260-1389675 2.19e+05 2012 届岩土与地下结构工程专业毕业设计 25 d.弯矩图弯矩图 图 4-7 f/a 衬砌模型弯矩图 表 4-7 f/a 衬砌模型各单元弯矩值（单位：n m ）