史家山隧道与城市轨道交通工程方向结构设计毕业论文.doc

二O一一届土木工程专业（隧道与城市轨道交通工程方向）毕业设计设计说明书史家山隧道与城市轨道交通工程方向结构设计毕业论文第1章 绪 论1. 隧道及其分类隧道通常是指作用地下的工程建筑物，一般可分为两大类：一类是修建在岩层中的，称为岩石隧道；一类是修建在土层中的，称为软土隧道。埋深较浅的隧道，一般采用明挖法施工，埋深较深的隧道一般采用暗挖法施工。2. 隧道的作用及其优点隧道在山岭中不仅可以用作克服地形或高程障碍，改善线型，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省材料，减少对植被的破坏，保护生态环境。还可用作克服落石、坍方、雪崩雪堆等危害。在城市可减少用地，构成立体交叉，解决交叉路口的拥挤堵塞，疏导交通，保护环境，提高社会综合效益。在江河、海峡、港湾地区，可不影响水路通航。修建隧道既能保证线路平顺、行车安全、提高舒适性和节约运费，又能增加隐蔽性、提高防护能力和不受气候的影响。3. 隧道工程及其发展近代隧道兴起于运河时代，从十七世纪起，欧洲陆续修建了许多运河隧道。其中法国兰葵达克（Languedoc）运河隧道，建于1666年1681年，长157m，它可能是最早用火药开凿的公路隧道。1830年前后，铁路成为新的运输手段。随着铁路运输事业的发展，隧道也越来越多，18951906年已出现了长约19.73km穿越阿尔卑斯山的最大铁路隧道。目前最长的铁路隧道已达53.85km。较为完善的水底隧道建于1927年，位于纽约哈德逊河底（Holland隧道。现在世界）上的长大道路隧道（2km以上）和长大水底隧道（0.52.0km）将近白条。最长的隧道位于瑞士中部卢塞恩湖南侧的圣哥达（St Gotthard）汽车专用隧道，全长16.3km。隧道施工与地面建筑物施工不同，其空间有限，工作面狭小、光线暗，劳动条件差，给施工增加了难度。隧道工程的施工条件是极其恶劣的，体力劳动强度和施工难度都相当大。为了减轻劳动强度，人们曾经做过不懈的努力。古代一直使用“火焚法”和铁锤钢纤等原始工具进行开挖，直到上个世纪才开始采用钻爆法作业，至今大约有一百多年的历史。在此期间发明了凿岩机。经过将近一个世纪的努力，发展成今天的高效率大型多头摇臂钻机，工人们已从繁重的体力劳动中解放出来了。和钻爆法完全不同的还有两种开挖法：一种是用于软土地层的盾构机，发明与1818年，经过一个半世纪的不断改进，已经从手工式盾构发展到机械化乃至全机械化盾构，能广泛用于各种复杂的软土地层的掘进。另一种是用于中等坚硬岩石地层的岩石隧道掘进机。目前，已经发展成大断面的带有激光导向和随机支护装置的先进的掘进机，机械化程度大大提高，加上辅助的通风除尘装置，使工作环境得到很大的改善。目前应用高压水的射流破岩技术已经过关，它能以很快的速度在花岗岩中打出炮眼，再在隧道周边用高压水切槽，然后爆破炮眼。优点是减少超挖，可以开凿任意断面形状的隧道，保护围岩，降低支护成本，并能增加自由面以降低炸药消耗和炮眼数量。但消耗功率较大，设备成本较高，技术上还未达到成熟的程度。4. 新奥法施工新奥法是本世纪四十年代开始发展起来的，它是以喷射混凝土和锚杆为主要支护手段的一种方法。这种方法把隧道的衬砌支护与围岩看作是相互作用的整体，既发挥围岩的自承能力，又使支护起到加固围岩的作用。在确保隧道稳定的基础上，使设计更加经济、合理。目前这种方法还处于经验设计阶段，需在实施过程中根据现场量测数据加以修正。新奥法与传统的矿山法相比，更能结合实际地质条件。随着理论上的日益完善，将会在地下工程中得到更加广泛的应用。5. 目的和意义立题的目的：毕业设计是对大学四年学习知识的检验和考察，通过这次毕业设计使学生对本专业的知识有更深一步的了解，和更深一步的掌握，以便在以后的学习工作中能够灵活的运用所学的专业知识。立题的意义：毕业设计是大学四年以来最重要的一项学习内容，是对四年所学知识的总结和运用。通过大学四年的学习，在课程设计的基础上，运用学过的基础理论和专业知识，结合工程实际，参考国家有关规范、标准、工程设计图集及其他参考资料，独立地完成所要求的设计任务。同时系统地掌握设计计算步骤、方法，培养我们分析、解决问题的能力，为以后的走上工作岗位，从事有关设计、施工等具体实践工作奠定基础。第2章 隧道的技术标准和设计依据的规范、标准2.1 隧道的技术标准(1) 公路等级：山岭重丘二级公路(2) 设计日车流量： 近期16700辆/日、中期28500辆/日、远期38700辆/日，高峰小时交通量按日交 通量的10计算 交通组成： 汽油车：小轿车20、小型客车15、小型货车15、中型货车15 柴油车：中型货车15、大型客车10、大型货车10(3) 计算行车速度:隧道几何线形与净空及接线部分按设计车速60Km/h设计， 隧道照明设计则按设计车速80Km/h进行设计。(4) 隧道净宽度：10.0m。(5) 隧道建筑限界高度：5.0m，检修道净高：2.5m。(6) 设计基准期：根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004），隧道主体结构按永久性建筑设计。隧道主体结构满足100年使用年限。(7) 隧道内卫生标准：CO允许浓度:正常行驶时为150ppm 交通阻塞时为300ppm(20分钟内)烟雾允许浓度: 正常营运时0.0075m-1 交通阻滞时0.0075 m-12.2 设计依据的规范、标注1) 国家标准道路工程制图标准（GBJ50162-92）锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086-2001)建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）地下工程防水技术规范（GBJ108-87）2) 交通部规范工程建设标准强制性条文（公路工程部分）（建标200299号）公路工程技术标准（JTGB01-2003）公路工程名词术语（JTJ200-87）公路线路设计规范（JTJ011-94）公路排水设计技术规范（JTJ081-96）公路隧道通风照明设计规范（JTJ026.1-1999）公路隧道设计规范（JTJD70-2004）公路隧道施工技术规范（JTJ042-94）公路水泥混凝土路面设计规范(JTG D40-2002)此外，设计满足公路隧道设计强制性规范。第3章 工程概况3.1 工程规模本工程路线起点（K0+000）位于象山县丹城镇殡仪馆前的交叉路口，与象山县丹城镇规划中的立交相连接。为满足立交接线的需要，本工程的起点设计标高在原初步设计的基础上抬高了6米。接线全长为783.84米，隧道(K0+418K1+329)长911米。它与目前的嘭姆岭隧道一起构成连接线的上下行线，靠丹城一侧为本工程隧道进口。地形、地貌复杂。在进、出口段覆盖层较厚，隧道进口段地势低，地面起伏大。3.2 自然地理条件史家山隧道所在地区属于亚热带季风气候区，属海洋性季风气候，四季分明，夏无酷暑、冬无严寒，热量充足，雨量充沛，最高温度达38.7，最低温度曾达-8.8，年平均气温为16.03。年平均降雨量1500mm，降水多集中在3-7月上旬和8月下旬至9月两期，年平均湿度为80%左右，该地区风向季节性变化明显，冬季多西北风，夏季多南风和东南偏南风，春秋两季风向变化不定，年平均风速5米/秒，最大风速出现在台风期。3.3 区域地质构造史家山隧道位于丹城镇西侧，本隧道轴线从龙角山和彭姆岭间穿过。隧道设计全长911米，隧道经过的山体，大多坡积物覆盖，厚度一般在15米以内，局部基岩裸露。穿过两种不同的岩性地区，进口段为闪长岩，长约280米；出口段为金玻屑凝灰岩，长约630米。接触带在桩号K0+700附近，K0+418K0+455段，地表覆盖洪坡积层厚57米。隧道底为强风化石英闪长岩，为类围岩区。K0+455K0+480段洞身为全强风化岩，属类围岩区。其间三条断裂带，一条接触带K1+270K1+310段，洞身位于强风化岩，洞底为微风化岩，属类围岩区，K1+310K1+329段，洞身位于强风化岩区，属类围岩区。隧道范围内地下水主要为第四纪松散孔隙水和基岩裂隙水。水量随降雨变化，地下水位则随季节变化。3.4 洞身稳定性评价 (1) 隧道围岩的分类及分布 根据公路隧道勘测规程JTJ063-85附录三中有关分类标准，隧道围岩初步分类及分布见表4。 (2) 洞身稳定性 类围岩稳定性差，拱部不支护易产生较大坍塌。 类围岩稳定性较差，拱部不支护可产生较大坍塌。 类围岩总体稳定性较好，只是在局部节理裂隙较发育处，可产生掉块及小坍塌。第4章 隧道总体设计4.1 隧道平纵面线形设计4.1.1 史家山隧道方案比选考虑史家山隧道与象山县丹城镇规划中的立交相连接，根据隧道中心线经过地质条件，施工组织难度、技术、经济，以及与桥、路、线型衔接。道路沿线的地形地貌、现状道路等各种控制因素，提出以下三个线路平面方案进行比选： 左线方案：本工程路线起点位于象山县丹城镇殡仪馆前的交叉路口，隧道穿过龙角山，线型为曲线。缺点：隧道与山体不够正交，隧道较长。 中线方案：隧道与象山县丹城镇规划中的立交相连接。与目前的嘭姆岭隧道一起构成连接线的上下行线，隧道轴线从龙角山和彭姆岭间低垭口穿过。垭口两侧具有良好的展线横坡。优点：隧道与山体基本正交，同时隧道长度最短。 右线方案：右线方案穿过嘭姆岭，其中已有建成的嘭姆岭隧道，两隧道一起连成双洞。从技术上讲，上述三个方案都是基本可行的。经全线综合评价，中线方案的服务功能好，越岭隧道方案最短，符合总体规划要求，可实施性最强，本次设计考虑为推荐方案。4.1.2 平面设计隧道是线路的一个组成部分，因此其平面线形主要由路线方案控制，通过实地初堪，充分研究了隧道所处地域的地质情况，隧道施工及两端接线条件、经济投资以及隧道内的运营和养护条件等因素综合设计。隧道平面线形设计：在满足平面线型布设要求前提下，优先采用直线隧道方案。本项目隧道设计采用了直线隧道方案，隧道平面线型为直线。4.1.3 纵断面设计1. 总体线形纵面线形设计综合考虑了地形、地质条件、通风、排水、施工及隧道两端的接线条件，隧道洞身纵断面设计为：进口路面设计标高：27.92m，地面标高：49.94m；出口路面设计标高：52.89m，地面标高：71.56m。2. 洞口位置的确定洞口位置应根据地形、地质、水文等条件着重考虑边坡及仰坡的稳定，隧道工作者在实践中提出确定隧道位置、宜“早进洞、晚出洞”。宁可让隧道稍长些，避免开挖高边坡路堑，这也有利于保护自然环境。当然“早进晚出”并不是说盲目地把隧道定得越长越好，而是应当更着重地从安全和环保方面来考虑问题。在一般情况下，这一指导思想是符合实际。根据我国实践经验，在不同地形、地质条件下，确定隧道洞门位置时应考虑以下原则： 要避开不良地质地段，如滑坡、崩塌、岩堆、危岩落石、泥石流等处。 当洞口位于沟谷内时，应尽量避免设置在汇水区的中央，洞口要选在沟的一侧。 位于悬崖陡壁下的洞口，一般不宜切削原山坡，当坡面及岩顶稳定，无危石存在，可贴壁进洞。否则应延伸洞口设置明洞。 漫坡浅埋段洞口位置，应结合路堑地质、少占农田、弃碴、填方利用、排水条件及有利施工等因素综合分析确定。 早进晚出的原则，具体落实在洞口边、仰坡开挖高度的控制上。 洞口的线路走向应尽量和该处地形等高线正交，这样可不造成一侧开挖面畸高同时应注意避免另侧岩壁过薄致产生偏压危害。 洞口最好有一方开阔平缓场所，用作施工基地。如果桥隧相连，洞口位置还要考虑相关工程的需要。1) 进洞口位置比选图4.1 进口方案比选图(单位：m)进口处围岩属于级，地形属于陡坡，埋深较浅，地面高程49.94米。由于地形较陡，这是方案选择时应该考虑的主要因素之一，所以综合考虑成洞条件较好的地段和开挖量较少的地方进洞。 史家山隧道进口洞门位置方案比选表 表4.1方案洞口地质挖方结构施工造价环保效果综合（一）K0+398风化厚度大埋深浅，不利于洞口稳定挖方小，围岩本身埋深浅，受扰动影响大，不稳定安全性好较复杂高刷坡小，对原有植被破坏小，好一般（二）CK0+418埋深适当，对洞口稳定较有利挖方适中，对围岩扰动不大，有利于洞口稳定。与等高线基本正交，安全较性好容易中刷坡一般，对原有植被有一定破坏，中较好（三）CK0+468埋深大，围岩较好大，对山体稳定破坏较严重安全性好较难高刷坡大，严重破坏植被,差较差综合以上比较结果可以看出，方案二即洞口位置为K0+418处为最佳方案。该处地面标高49.94米，设计标高27.92米，故作为本设计最终洞门位置。 2) 出口洞门位置比选出洞口山体较为陡峭，洞口轴线与地面等高线斜交，围岩属于级，前后出洞对工程开挖量影响较大，考虑隧道施工、运营和安全因素，尽量减少附近地表建筑的影响。方案一埋深不够，需要回填，且增加了隧道的长度，加大了投入，施工难度大。方案三埋深相对较大，导致开挖土石方量增加，破坏山体植被，不利于环保；且在K1+270K1+310段有一条断裂带，围岩较差。图4.2 出口方案比选图(单位：m)综合考虑方案二相对更加经济合理，既减少了开挖量维护生态平衡，也缩短了隧道长度降低建筑费用，减小施工难度。故选择二号方案出洞，即出洞桩号K1+329。出洞口桩号为K1+329，地面标高为71.56米，地面设计标高52.89米,作为本设计最终洞门位置。 史家山隧道出口洞门位置方案比选表 表4.2方案洞口地质挖方结构施工造价环保效果综合（一）CK30+000埋深浅，穿过强风化层，不利于洞口稳定挖方小，埋深浅，受扰动影响大，不稳定较安全较难低刷坡小，对原有植被破坏小，环保效果好较差（二）CK30+020埋深适当，对洞口稳定有利挖方适中，对围岩扰动不大，有利于洞口稳定安全容易中刷坡一般，对原有植被有一定破坏，环保效果中较好（三）CK30+030埋深大，稳定性好挖方过大，对山体稳定破坏较严重安全较难高刷坡大，严重破坏植被,环保效果差较差4.2 隧道建筑限界与内轮廓设计4.2.1 隧道建筑限界公路隧道横断面设计内容包括以下两个方面：其一是公路等级确定隧道建筑限界，其二就是确定净空断面大小及隧道内轮廓形状和几何尺寸。所谓隧道建筑限界是为保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何部件侵入的空间限界。各级公路隧道建筑限界基本宽度应按表4.3执行，并符合以下规定： 建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m. 当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。 隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡。坡度应根据隧道长度，平、纵线形等因素综合分析确定，一般可采用1.5%2.0。 当路面采用单面坡时，建筑限界底边线与路面重合；当采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处。对于高速公路和一级公路隧道内应设置检修道。其它等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道宜双侧设置；检修道或人行道的宽度按表4.3规定选取。检修道或人行道的高度可按2080cm取值，并综合考虑以下因素： 检修人员步行时的安全； 紧急情况时，驾乘人员拿取消防设备方便； 满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度（单位：m） 表4.3公路等级设计速度（km/h）车道宽度wM向宽度L余宽c人行道R检修道J隧道建筑限界净宽左侧右侧设检修道设人行道不设检修道、人行道左侧LL右侧LR高速公路一级公路1203.75 20.751.250.750.7511.001003.75 x 20.501.000.750.7510.50803.75x20.500.750.750.7510.25603.50 x 20.500.750.750.759.75二级公路三级公路四级公路803.75x20.750.751.0011.00603.50x20.500.501.0010.00403.50 x 20.250.250.759.00303.25x20.250.250.257.50203.00 x 20.250.250.257.00现拟定限界如图4.3所示：图4.3 隧道限界图(单位：cm)4.2.2 内轮廓设计在进行净空断面大小、隧道内轮廓形状和几何尺寸设计时除应符合隧道建筑限界的规定外，还应综合考虑洞内路面、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。并根据围岩性质、围岩变形、施工方法等因素产生的预留富裕量，来确定的内轮廓形状及尺寸；以达到安全、经济、合理的目的。现拟定三个方案进行比选：方案一：在顶板以上设置大断面通风管道的断面，侧墙为曲墙，其尺寸如图4.4所示，适用于长度很长、需要通风面积很大的隧道，本隧道为长911米的中长隧道，设置大断面通风不经济且增大了开挖量，故不是本隧道的优选方案。方案二：适应于围岩情况一般的例如、级围岩，有一定侧压力，有偏压是需加带仰拱以使衬砌断面闭合，并过渡圆滑，适合受力特点。本方案断面利用率高、经济性好。为本隧道优先采用方案。具体尺寸如图4.5所示。方案三：侧墙为直墙，具体尺寸见图4.6。适用于无明显断层和围岩结构完整的地质条件，如、级完整围岩，不能抵抗较大侧压力，一般也不设置仰拱。另外，本方案开挖对围岩要求高。史家山隧道围岩等级主要为、级，故不选用此方案。图4.4 方案一：内轮廓图(单位：cm)图4.5 方案二：内轮廓图(单位：cm)图4.6 方案三：内轮廓图(单位：cm)隧道内轮廓比选 表4.4 方案隧道净空（m2）结构受力经济性通风条件断面利用率综合比较一95.43较好中等较好较低较差二71.78好较高较好较高好三59.77较差好好高一般史家山隧道所处围岩较差，级围岩分布在洞口段，其他洞身段为、级围岩，其中，级围岩所占比例最大。根据隧道衬砌尽可能采用一种断面形式的需要，综合选取方案二为比选结果，对于洞身级围岩地段采用不带仰拱的衬砌断面，洞口、级围岩采用带仰拱衬砌断面，保证断面形式尽可能圆顺，减少衬砌围岩中产生较大的应力集中，并通过不同的衬砌参数来满足各自受力要求，同时满足了经济性要求。第5章 隧道结构设计5.1 隧道洞门设计5.1.1 隧道洞门的选择隧道洞门是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑装饰的支挡结构物。洞门的作用在于支挡洞口正面仰被和路堑边坡，拦截仰坡上方的小量剥落、掉块、保持边仰坡的稳定，并将坡面汇水引离隧道，保证洞口路线的安全。洞门还是隧道唯一的外露部分，对它进行适当的建筑艺术处理，可起到美化环境的作用。1. 隧道洞门的类型及适用条件隧道洞门的形式很多，从构造形式上大致可分为：端墙式、翼墙式、台阶式、柱式、削竹式、喇叭口式等。各种洞门的形式及特点见表5.1。 常见隧道门形式及适用条件表 表5.1基本形式适用条件及特点例 图端墙式端墙式洞门俗称一字式洞门，适用于自然山坡陡峻，洞口地形开阔，岩层较为坚硬完整，山体压力很小，开挖坡度1:0.31:0.5的洞口地段。这种洞门具有结构简单、工程量小、施工简便的优点，在岩层较好时使用最为经济。唯洞门顶排水条件稍差，若横向山坡一侧较低时，宜开挖沟槽横向引排。柱式柱式洞门是从端墙式洞门发展而来的。当岩层有较大主动侧压力时；如采用端墙式洞门则过于安全、浪费圬工；为此，区别受力大小，设计成横向不等厚、最厚部位即呈柱形的柱式洞门。柱式洞门运用于洞口地形较陡，有较大侧压力的地段，或洞口处地位狭窄，设置翼墙无良好基础时，其仰坡开挖坡度为l:0.5l:0.75。此外在城市、风景区，采用柱式洞门较为雄伟美观。翼墙式翼墙式洞门是在端墙式洞门的两侧或一侧加设翼墙(挡墙)而成。翼墙起支撑端墙及保持路堑边坡稳定的作用同时对减少洞口开挖高度和压缩端墙宽度均为有利。由于翼墙与端墙很大一部分面积相接触，设计时考虑其共同作用，可节省大量圬工，且能增加洞门的抗滑和抗倾覆稳定性。因此，当地质条件较差，仰、边坡较缓时，通常均采用翼墙式洞门。台阶式傍山隧道洞口，地而横坡较陡，为了适应地形，减少开挖，多采用如图右所示的台阶式洞门。亦称偏压隧道门。它在靠山侧通常用设置挡墙，以降低边坡开挖高度，并压缩端墙宽度。低山坡一侧，如地质饺差，地面较高，也可采用矮挡墙。选用台阶式洞门时，通常需要根据洞口地形地质条件，与采用明洞作技术经济比较。2. 隧道洞门的构造要求(1) 洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m,(2) 洞门墙应根据实际需要设置仲缩缝、沉降缝和泄水孔；洞门墙的厚度可按计算或结合其它工程类比确定。(3) 洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地形及地质条件，埋置足够的深度，保证洞门的稳定。(4) 松软地基上的基础，可采取加固基础措施。(5) 洞门结构应满足抗震要求。本隧道进出口路线地形较为陡峭，采用端墙式洞门，能满足结构安全的要求。5.1.2 隧道洞门结构设计1. 计算假设及相关规定洞门的端墙和翼墙均可视为墙背承受土压力的挡土墙结构，根据挡土墙理论设计。 本端墙式洞门按计算挡土墙的方法分别核算各不同墙高截面的稳定性和强度，以此决定端墙的厚度和尺寸。为简化洞门墙的计算方法和便于施工，只检算端墙最大受力部位的稳定性和强度，据此确定整个端墙的厚度和尺寸，这样虽增加了一些圬工量，但从施工观点看，却是合理的。由于洞门端墙紧靠衬砌，又嵌入边坡内，故其受力条件较挡土墙为好。此有利因素可作为安全储备在计算中是不予考虑的。洞门翼墙与端墙一样，也可采用分条方法取条带计算。由于翼墙与端墙是整体作用的；故在计算端墙时，应考虑翼墙对端墙的支撑作用。计算时先检算翼墙本身的稳定性和强度，然后再检算端墙最大受力部位的强度及其与翼墙一起的滑动稳定。在计算翼墙时，翼墙与端墙连结面的抗剪作用是不考虑的。按挡土墙结构计算洞门墙时，设计是按极限状态验算其强度，并验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时依据表5.2的规定，并应符合公路路基设计规范、公路砖石及混凝土桥涵设计规范、公路桥涵地基与基础设计规范的有关规定。洞门墙的主要检算规定表 表5.2墙身截面荷载效应值Sd结构抗力效应值Rd（按极限状态计算）墙身截面荷载效应值Sd结构抗力效应值Rd（按极限状态计算）墙身截面偏心距e0.3倍截面厚度滑动稳定安全系数KO1.3基底应力地基容许承载倾覆稳定安全系数Ko1.6基底偏心距e岩石地基H/5B/4；土质地基B/6（B为墙底厚度）洞门设计计算参数数按现场试验资料采用。缺乏的试验资料，参照表5.3选用。洞门设计计算参数数表 表5.3仰坡坡率计算摩擦角(O)重度(kN/m3)基底摩擦系数f基底控制压应力(MPa)1:0.570250.600.801:0.7560240.500.601:150200.400.400.351:1.254345180.400.300.2s1:1.53840170.350.400.252. 洞门结构计算1) 计算数据 地质特征：级围岩，端墙背后采用粗颗粒土回填。地层容重=19 kN/m3地层计算摩擦角=60基底摩擦系数=0.50基底设计控制压应力=0.60 MPa、建筑材料容重：C25钢筋混凝土容重r=25 kN/m33. 洞门主要验算洞门结构按挡土墙计算允许应力，并验算绕墙趾倾覆及基底滑动的稳定性。验算符合下列标准：墙身截面荷载效应Sd 结构抗力效应值Rd墙身截面偏心距e 0.3截面宽度基底应力 地基允许承载力基底偏心距E 岩石基底B/4，土质B/6滑动稳定系数Kc 1.3 倾覆稳定系数K0 1.61) 计算及基本数据 墙厚1.5m，墙背倾角=5.71，仰坡坡角=53.13，围岩计算摩擦角=60，基底摩擦系数f=0.5, tan =0.1, tan=1.33, tan=1.7322) 土压力计算最危险破裂面与垂直面之间的夹角 =0.402 (=21.90) (5.1)2/（0.402-0.1）6.62 m (5.2)=0.08 (5.3)=2.67 m (5.4)=70.47 kN(每延米) (5.5)3) 端墙稳定性、强度验算由于土压力和冻胀力不同时考虑，这里我们考虑土压力的计算。端墙自重量：G=121.5125=450 kN（每延米）抗倾覆稳定性力臂：y1 1.0+tan5.7112=1.10 my212=4.0 m土压力大小：E =70.47 kN验算：KO= (5.6)=1.76 1.6 （满足）4) 抗滑稳定性验算：全墙稳定力系对墙趾的总力矩：MYG(B/2+0.5Htan) (5.7) = 450（1.5/2+0.5120.1）=607.5 kN.m全墙倾覆力系对墙趾的总力矩：M0EH/3 (5.8) =70.4712/3=281.88 kN.m总竖向荷载：N=Gcos+EXsin (5.9) =450cos5.71+70.47sin5.71=454.78kNKc= (5.10)=1.96 1.3 （满足）5) 基底偏心距验算：N对脚趾的力臂：C=（MY-M0）/N=0.716 (5.11)e=B/2-C (5.12)e=1.8/2-0.716=0.184B/4=0.45 （满足）各项指标都达到标准，设计尺寸合理，受力符合要求，尺寸建议按以上数据取值。综上计算，出口洞门端墙设计符合标准。洞门设计图详见附图SJ-16和SJ-17。5.2 隧道衬砌结构设计5.2.1 衬砌结构形式的选择公路隧道衬砌结构类型大体上分为以下各种类型:1) 厚拱薄墙衬砌 拱脚较厚、边墙较薄的衬砌称为厚拱薄墙衬砌。对坚硬完整水平压力较小的洞室可采用厚拱薄墙衬砌，如图5.1所示。2) 直墙拱形衬砌由拱圈、竖直边墙和底板(或仰拱)组成，是最为普遍采用的种结构型式。如图5.2所示。3) 曲墙拱形衬砌由拱圈、曲墙和底扳(或仰拱组成，如图5.3所示。围岩具有较大的垂直压力和水平压力时，可采用曲墙拱形衬砌。遇洞室底部地层软弱或为膨胀性地层时，应采用底部结构为仰拱的曲墙拱形衬砌，将整个衬砌围成封闭形式，以加大结构的整体刚度。图5.1 厚拱薄墙衬砌 图5.2 直墙拱衬砌 图5.3 曲墙拱衬砌 4) 喷锚衬砌 由喷混凝土、钢筋网喷混凝土、锚杆喷混凝土或锚杆钢筋网喷混凝土、钢纤维喷混凝土等构成的衬砌。有时作为初期支护与混凝土衬砌形成复合式衬砌，如图5.4所示。5) 复合式衬砌图5.4 喷锚衬砌 图5.5 复合式衬砌分两次修筑、中间加没薄膜防水层的衬砌称为复合式讨砌，如图5.5所示。复合式衬砌的外层常为锚喷支护，内层常为混凝土整体式衬砌。本隧道衬砌设计根据新奥法原理，选用复合衬砌，初期支护采用锚喷支护，使围岩和支护结构形成共同承载结构，以合理利用围岩承载能力。通过现场监控量测确定二次衬砌的支护时机。5.2.2 支护结构参数确定本设计支护参数按工程类比结合本隧道工程地质条件拟定，再通过有限元方法对所拟定的支护参数进行验算，以确定参数的安全性及可行性。衬砌支护参数见表5.4。衬砌支护参数总表 表5.4 项目 衬砌类型 初 期 支 护 二次衬砌仰 拱（cm）喷射混凝土锚杆钢筋网刚架混凝土规格厚度(cm)位置规格长度（m）间距（cm）规格厚度(cm)洞口加强段C2525拱墙、仰拱25中空注浆锚杆3.58080梅花形布置2020拱、墙拱墙C256060级围岩段C2525拱墙、仰拱25中空注浆锚杆3.58080梅花形布置2020拱、墙拱墙、仰拱C254545IV级围岩段C2022拱墙25中空注浆锚杆3100100梅花形布置2525拱、墙拱墙C253535级围岩段C2010拱墙25中空注浆锚杆2.5100100梅花形布置2525局部C2535史家山隧道全隧共设置衬砌结构类型如下：A：锚杆长350厘米，间距80厘米，喷砼厚25厘米，模筑砼厚45厘米。适用于类围岩。B:锚杆长350厘米，间距80厘米，喷砼厚25厘米，模筑砼厚60厘米。适用于类围岩洞口加强段。C：锚杆长300厘米，间距100厘米，喷砼厚22厘米，模筑砼厚35厘米。适用于类围岩。D：锚杆长250厘米，间距100厘米，喷砼厚10厘米，模筑砼厚35厘米。适用于类围岩。5.2.3 衬砌内力及配筋计算1. 衬砌设计根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规定，由于岩土体介质通常具有明显的不确定特征，岩土工程问题分析中经验常起主导作用，规范中规定级围岩中复合衬砌的初期支护主要按工程类比法设计，即参照已往工程实例确定支护参数。经验表明，级围岩具有较强的自支撑能力，对其施作薄层喷射混凝土和少量锚杆后即可保持稳定，因而不必计算；、级围岩则在根据经验选定支护参数后仍需进行检验计算。所以，、级围岩段衬砌在选定支护参数后，需要进行验算，并通过计算配筋。2. 支护参数根据规范规定，级围岩初期支护选择为22cm厚C25喷射混凝土，拱墙铺设8钢筋网，间距25cm25cm，拱部、侧墙均设置RD25-5型中空螺旋注浆锚杆（外径25mm，壁厚5mm），L=3.0m，间距100cm100cm，拱、墙设置格栅钢拱架，钢拱架采用15cm高格栅钢拱架，间距1m；防水层为1.2mm厚EVA防水卷材，400g/m2无纺土工布；二次衬砌为35cm厚C25钢筋混凝土；预留变形8cm。级围岩段初期支护选择为25cm厚C25喷射混凝土，拱、墙铺设8钢筋网，间距20cm20cm，墙拱部、侧墙均设置RD25-5型中空螺旋注浆锚杆（外径25mm，壁厚5mm），L=3.5m，间距80cm80cm，拱、墙设置钢拱架，钢拱架采用I18工字钢，间距0.8m；防水层为1.2mm厚EVA防水卷材，400g/m2无纺土工布；二次衬砌为60cm厚C25钢筋混凝土；预留变形10cm。3. 衬砌内力计算(1) 设计基本资料本隧道设计单洞双向两车道隧道方案，隧道平面线型为直线，隧道纵断面采用2.733%的单面坡。隧道最大埋深约65m，最小埋深约12m。本计算书验算断面类型为级围岩复合式衬砌和V级围岩复合式（加强）衬砌，如下图5.65.7所示。图5.6 级围岩段（加强）衬砌断面图（单位：cm）图5.7 级围岩段（加强）衬砌断面图（单位：cm）a. 岩体特性级围岩：隧道埋深为深埋；埋深，计算摩擦角，岩体重度，围岩的弹性反力系数。基底围岩弹性反力系数。级围岩：隧道埋深为浅埋；埋深，计算摩擦角，岩体重度，围岩的弹性反力系数。基底围岩弹性反力系数。b.衬砌材料采用C25钢筋混凝土，重度，弹性模量。混凝土衬砌轴心抗压强度标准值，混凝土轴心抗拉强度标准值。混凝土极限抗压强度，极限抗拉强度。c.结构尺寸,，,隧道断面加宽。(2) 结构计算采用MIDAS/GTS有限元分析软件对史家山隧道级围岩复合式衬砌和级围岩复合式衬砌进行结构计算，隧道计算模型采用荷载结构法。边界条件采用一定刚度的弹簧（只能受压）模拟地层对结构变形的约束作用。本隧道的地下水主要为第四纪松散孔隙水和基岩裂隙水。水量随降雨变化，地下水位则随季节变化。针对本隧道的水文地质情况和岩性特点，分别采用相应的防排水原则：主要采用“以排为主，防、排、截、堵相结合，综合治理”的原则。地下结构设计，应根据结构型式、受力条件、地下水情况等因素，对结构整体可能出现的最不利组合进行计算。本次计算主要考虑了结构自重、地层压力等永久荷载。1) 荷载计算 结构自重：为沿衬砌横断面分布的竖向荷载； 竖向地层压力：暗挖隧道按围岩等级、覆盖层厚度、开挖毛洞宽度判别隧道是浅埋或深埋，分别按浅埋或深埋计算竖向地层压力。 水平地层压力：暗挖隧道按围岩等级、覆盖层厚度、开挖毛洞宽度判别隧道是浅埋或深埋，分别按浅埋或深埋计算水平地层压力。 侧向地层抗力和地基反力：根据结构型式及其在荷载作用下的变形、结构的刚度、施工方法及加固措施合理确定。2) 计算模型采用主动荷载加地层弹性约束模型按平面杆系有限元法进行计算。地层与结构的共同作用采用地层弹簧模拟，二衬的内力计算模型如下图5.85.9所示。3) 验算衬砌截面形式验算衬砌截面形式见表5.5。(3) 计算参数隧道二次衬砌采用钢筋混凝土结构，混凝土标号为C25，钢筋为HRB335。根据公路隧道设计规范可以得到，弹性模量=29.5GPa；钢筋混凝土材料重度=25。图5.8 深埋隧道荷载结构计算模型图5.9 浅埋隧道荷载结构计算模型验算衬砌截面形式 表5.5围岩级别类型衬砌厚度配筋拱墙（mm）仰拱（mm）正洞（深埋）35035020250正洞（浅埋）60060022250根据计算可以得到作用在隧道结构上的荷载，列于表5.6中。按照公路隧道设计规范（JTG D70-2004）条文说明9.2.5条中的表9-1(详见附录)考虑二衬承受围岩压力的比例如下：IV级围岩40%，V级围岩60%。对表5.6的围岩压力进行折减得到作用于二衬的围岩压力如表5.7。永久荷载表 5.6围岩等级类型水压力（MPa）围岩压力竖向荷载q1(KPa)侧向荷载E1(KPa)侧向荷载E2(KPa)正洞（深埋）128.4628.9028.90正洞（浅埋）243.4363.74102.82作用于二衬的永久荷载 表5.7围岩等级类型水压力（MPa）围岩压力竖向荷载q1(KPa)侧向荷载E1(KPa)侧向荷载E2(KPa)正洞（深埋）51.38411.5611.56正洞（浅埋）146.05838.24461.69(4) 级围岩复合式衬砌计算1) 衬砌内力图5.10 弯矩图（单位：KNm）图5.11 轴力图（单位：KN） 级围岩复合式衬砌内力值 表5.8构件计算内力弯距（kNm）轴力（kN）内侧外侧拱顶34.4238.4拱腰25.39385.18墙脚29.99434.11仰拱11.4409.642) 衬砌验算 拱顶又，可得 (5.13) 拱腰又，可得， (5.14) 墙角偏心检查各截面位置均满足安全系数K2，偏心距均小于，其他截面均小于0.55，不用验算裂缝宽度。级围岩复合式衬砌设计满足结构容许应力和抗裂要求，设计方案是合理的。(5) 级围岩复合式衬砌计算1) 衬砌内力图5.12 弯矩图（单位：KNm）图5.13 轴力图（单位：KN） 级围岩复合式衬砌内力值 表5.9构件计算内力弯距（kNm）轴力（kN）内侧外侧拱顶155.63583.08拱腰123.75953.55墙脚143.701077.05仰拱95.771015.302) 衬砌验算 拱顶又，可得 拱腰又，可得 墙角偏心检查各截面位置均满足安全系数K2，偏心距均小于，其他截面均小于0.55，不用验算裂缝宽度。V级围岩复合式衬砌设计满足结构容许应力和抗裂要求，设计方案是合理的。(6) 级围岩段衬砌设计根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规定，由于岩土体介质通常具有明显的不确定特征，岩土工程问题分析中经验长起主导作用，规范中规定级围岩中复合衬砌的初期支护主要按工程类比法设计，即参照已往工程实例确定支护参数。经验表明，级围岩具有较强的自支撑能力，对其施作薄层喷射混凝土和少量锚杆后即可保持稳定，因而不必计算；、级围岩则在根据经验选定支护参数后仍需进行检验计算。所以，级围岩段衬砌在选定支护参数后，只需要进行构造配筋即可。1) 支护参数根据规范规定，级围岩段初期支护选择为10cm厚C25喷射混凝土，拱、铺设8钢筋网，间距25cm25cm，局部设置锚杆；防水层为1.2mm厚EVA防水卷材，400g/无纺布；二次衬砌为35cm厚C25钢筋混凝土。2) 配筋计算根据规范规定，最小配筋率为0.2%，所以级围岩段：，选用514，间距250mm，。配筋图如图5.14所示。图5.14 级围岩配筋图(单位：mm)4. 配筋计算(1) 级围岩配筋计算根据内力图可得：最大正弯矩为M=39.19kNm，轴力为N=434.11kN；最大负弯矩为 M=34.40kNm，轴力为N=238.40kN；1) 按结构承受的最大正弯矩配筋计算 矩形截面的配筋计算：M=39.19，N=434.11b