隧道翼墙式洞门计算全解

1、 第四章 洞门设计 4.1洞门设计步骤 规范关于洞口的一般规定 1.洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、营运要求，通过经济、技术比较确定。 2.隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。 3.洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟及截水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。 4.洞门设计应与自然环境相协调。 4.1.1确定洞门位置洞口位置的确定应符合下列要求 1.洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。 2.洞口位置应设于山坡稳定、地质条件较好处。 3.位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。 4.跨沟

2、或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。 5.漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。 6.洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。 7.洞门宜与隧道轴线正交；地质条件较好； 做好防护；设置明洞。 洞口地质条件 洞口入口端位于山体斜坡下部，斜坡自然坡度约45左右，隧道轴线与地形等高线在右洞为大角度相交，位置较好，围岩上部为覆盖层为碎石质，厚度为0.6m-1.7m，下部为砂质板岩，全风化岩石厚为0-2.0m强风化岩厚为0-6.4m,砂质板岩与变质砂岩中风化厚度为8.1-15.8m;为软岩,薄层状结构,岩体

3、破碎,软岩互层,主要结构面为层面及节理裂隙面,结构面的不利组合对围岩有影响;地下水以基岩裂隙水为主,围岩为弱透水,可产生点滴状出水,局部可产生线状出水;围岩稳定性差。 4.1.2确定洞门类型 洞门类型及适用条件 洞门的形式很多，从构造形式、建筑材料以及相对位置等可以划分许多类型。目前，我国公路隧道的洞门形式有: 端墙式洞门 翼墙式洞门 环框式洞门 台阶 遮光棚式洞门等。 柱式洞门 式洞门端墙式洞门 适用于岩质稳定的级以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门型式 翼墙式洞门 适用于地质较差的级以下围岩，以及需要开挖路堑的地方。翼墙式洞门由端墙及翼墙组成。翼墙是为了增加端墙的稳定性，同时对路堑边

4、坡也起支撑作用。其顶面一般均设置水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内 环框式洞门 当洞口岩层坚硬、整体性好（I级围岩）、节理不发育，路堑开挖后仰坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用 台阶式洞门 当洞门傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时，为减小仰坡高度及外露长度，可以将端墙顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石方开挖量。 遮光棚式洞门 当洞外需要设置遮光棚时，其入口通常外伸很远。遮光构造物有开放式和封闭式之分，前者遮光板之间是透空的，后者则用透光材料将前者透空部分封闭。但由于透光材料上面容易沾染尘垢油污，养护困难，所以很少使用后者。形状上又有喇叭式与棚式之分 洞

5、门形式的选择 按分类，隧道右线属长隧道，基本服从于路线走向，路线与地形等高线基本正交，洞门按受力结构设计。洞门形式结合实际地形、地质情况选定。根据洞门所处地段的地形地貌及工程地质条件，遵从“早进洞，晚出洞”的设计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，因此本隧道使用翼墙式洞门（带挡土墙）,使用翼墙式洞门。 4.1.3 洞门构造要求 按公路隧道设计规范（JTG-2004）,洞门构造要求为： (1)洞门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伸缩缝、沉降缝和泄水

6、孔；洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定。 (3)洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够深度，保证洞门的稳定。基底埋入土质地基的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。基底埋置深度应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。 松软地基上的基础，可采取加固基础措施。洞门结构应满足抗震要求。(4)4.1.4 验算满足条件 采用挡墙式洞门时，洞门墙可视为挡土墙，按极限状态验算，并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时应符合表3.1和表3.2（公路隧道设计规范JTG-2004）的规定，并应符合公路路基设计规范、公路砖石及

7、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。 表4.1 洞门设计计算参数 仰坡计算摩擦重基地摩擦系基底控制压应力3o（Mpa） 率 （ ） f （kN/m0.80 25 1:0.5 70 0.60 0.60 60 24 0.50 1:0.75 0.40-0.35 1:1 50 20 0.40 0.30-0.25 18 43-45 1:1.25 0.40 0.25 38-40 17 0.35-0.40 1:1.5 表4.2 洞门墙主要验算规定 墙身界面荷结构抗力效应值Rd墙身截面荷载结构抗力效应值Sd（按极限状态计算） 效应值载效应值Sd Sd （按极限状态计算） 滑动稳定安全墙身

8、截面偏Kc 倍截面厚度心距e 1.3 系数0.3倾覆稳定安全基底应力 系数Ko 1.6 地基容许承载力 岩石地基B/5-B/4；基底偏心距 e 土质地基 B/6 4.2龙洞翼墙式洞门结构设计计算 4.2.1计算参数 计算参数如下： (1)边、仰坡坡度1:1.25； (2)仰坡坡脚=39，tan=0.8，=9； (3)地层容重=18KN/m3; (4)地层计算摩擦角=45； (5)基底摩擦系数0.4； (6)基底控制应力【】=0.3Mpa 4.2.2建筑材料的容重和容许应力 （1）墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为Mu100，水泥砂浆的 。M10强度等级为3。t=22KN/ m =2

9、.2Mpaa）容许压应力【（2】，重度 洞门各部尺寸的拟定4.2.3 根据公路隧道设计规范（JTG-2004），结合洞门所处地段的工程地质条件，拟定洞门翼墙的高度：H=13.35m；其中基底埋入地基的深度为1.59m，洞门翼墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度1.8m，洞门翼墙与仰坡间的的水沟深度为0.5m，洞门墙顶高出仰坡坡脚1.05m，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为2.5m，墙厚2.48m，设计仰坡为1:1.25,具体见图纸。 4.3洞门验算 4.3.1洞门土压力计算 根据公路隧道设计规范（JTG-2004），洞门土压力计算图示具体见图3.2。 图3.2 洞门土压力计算简图 最

10、危险滑裂面与垂直面之间的夹角： 22?)?)(tantan?tantan?tantantan?(1?tan)(1)(tan?tantanw? 2?)tantan?(1tan?)tan?(1tan?围岩计算摩擦角:; 式中 洞门后仰坡坡脚； 洞门墙面倾角 代入数值可得：2o2ooooooo)39tan9tan)(1)(tan45?tan39tan)(tan45tan945?tan9tan39?(1?tantan45?tano22ooo)93945tan(1tan39?(1tan?45tan)?tan?0.6799o?34.21? 根据公路隧道设计规范（JTG2004），土压力为； 12?b)?h

11、(E?hHh 002?)tan?tantan)(1(tan? ? ?)tan?tan)(1tan(?tanaa?h由三角关系得： ?h o?tantan1?tantan?; ）土压力（KN式中: E3?）KN/m 地层重度（ 侧压力系数； 墙背土体破裂角； b洞门墙计算条带宽度（m），取b=1.0m； 土压力计算模式不确定系数，可取=0.6。 把数据代入各式，得： oooo)39tan9?tan9tan)(1(tan34.21?0.1928 ooootan(34.21?39)(1?tan34.21tan39)2.5?4.7937h?m oo9tan?34.21tano39tan2.5?h?2.

12、3223m ooo399tan1?tan洞门土压力E： 12?bh)(hE?H?h oo212?2.3223?(4.7937?2.3223)?13.35?1.0?0.618?0.1928 2KN191.4783?)?191.4783?cos(34.21?9?)?178.EE?cos(?7604kNx?)?191.4783?sin(34.21?E?sin(?9?)?68.6197kN?E y22Oo?30?45? 式中：墙背摩擦角 33 抗倾覆验算4.3.2 翼墙计算图示如图3.3所示，挡土墙在荷载作用下应绕O点产生倾覆时应满足下式： ?My?1.6k? ?0M0式中: K倾覆稳定系数，； 1.

13、6k?00?M全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩； y?M全部水平力对墙趾O点的稳定力矩； 0 图3.3 墙身计算简图 由图3.3可知： 墙身重量G：G?13.35?2.48?18?1.0?595.9440KN H13.35?4.45mZ?对墙趾的力臂：E x x33?对墙趾的力臂： yo?/3?tan93.1848m)/3?2.48?13.35Z?B?(Htan? yo?9tan?13.35?Htan?2.48B G对墙趾的力臂：Z?2.2972m G22?M?G?Z?E?Z?595.940?2.2972?68.6197?3.1848yGyy ?1587.5529KN?M?M?E?Z?178.7

14、604?4.45x0x ?795.4837KN?M代入上式得： ?My1587.4837?1.9957K?1.6 0795.4837?M0故抗倾覆稳定性满足要求。 4.3.3抗滑动验算 对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性： ?N?f?1.3K? ?cE 滑动稳定系数: K式中c?N 作用于基底上的垂直力之和；?EE 墙后主动土压力之和，取=E ；xf=0.4 基底摩擦系数，取 f 由图3.3得：(G?E)(595.9440?68.6197)y ?1.4870?K1.3 c178.7604Ex 故抗滑稳定性满足要求。 4.3.4基底合力偏心矩验算 ?N，其对墙趾的力臂为Z，合力偏心矩为 设作

15、用于基底的合力法向分力为Ne，则： ?MM?G?Z?E?Z?E?Z0yxxyGy?Z? nG?E?Ny 1587.5529?795.4837?1.1919m 595.9440?68.6197B2.48?Z?1.1919?0.0481?0e? n22 合力在中心线的右侧。B 0.41330.0481?e? 6 计算结果满足要求。?N6e(595.9440?68.6197)6?0.0409299.1767maxKpa?)(1?(1?)? 236.7617minKpaB2.48B2.48?，计算结果满足要求。 Mpa?0.3?299.1767Kpamax 4.3.5墙身截面偏心矩及强度验算 （1）墙

16、身截面偏心矩e M e?0.3B N 式中： M计算截面以上各力对截面形心力矩的代数之后； N作用于截面以上垂直力之后。2.4813.3513.35HHB?68.6197?(?)?EM?(?)?E?178.7604 yx232322m?312.6534KN?N?G?E?595.9440?68.6197?664.5637KN y将数据代入墙身偏心矩E的公式，可得： M312.6534e?0.4705?0.3B?0.744，计算结果满足要求。 N664.5637? ）应力（2?N6e?)?(1? BB?N6e664.56376?0.4705?2.2?Mpa)(1?572.9771kpa?(1)? aB2.482.48B满足要求