隧勘课设 定稿

1、第一章 方案比选说明1.1概述大平至沈家坪二级公路属于山区公路，线路要求从大平出发中途经梁家院抵达沈家坪。路线整体呈东北西南走向；地势上，西低东高，中间的梁家院地势较低为两山之间的河谷地带。如采用盘上绕行，公路从大平出发一路需翻山越岭，填挖工作量较大，对环境的影响也较大，运营过程中车辆行驶耗费时间增加也会造成能源消耗的增加，而且盘山公路因为其历程长所面临的地形复杂，地质状况复杂，施工中面临的的问题也将增加，行车安全性也会降低。故而，采用隧道方案跨越高程障碍，同时起到优化线形，和缩短公路里程的作用。由于所给地形图的比例尺过小，在此不考虑洞口外公路的平面线形，仅考虑其纵断面线形，以满足隧道洞口标高

2、的要求。线路的使用功能要求其必须通过梁家院，故而梁家院自然就与路线的起讫点（大平和沈家坪）一起成为路线的控制点。而梁家院地处处河谷，可用场地有限，耕地民居散布，影响展线的因素众多，成为主要的控制点。根据路线纵断面线形及隧道洞口对地形地质条件的要求分析：起点大平处的洞口位置定在北沟的起点，终点沈家坪处海拔较高，故将隧道出口选在地势较缓，海拔相对较低的沟谷出。梁家院地处河谷，地势相对开阔，隧道洞口的可选性相对较好。综合以上因素，确定了三种方案（见平面图），如下：AK1:延北沟展线至预定的隧道进口处，以长隧道穿越群山至梁家院西南较开阔的沟谷处，以公路沿河展线经梁家院至梁家院东北的预定隧道入口，以长隧

3、道穿越之沈家坪东侧沟谷出口，两隧道总长，设涵洞一处，三处圆曲线，曲线半径交大；AK2: 延北沟展线至方案一的隧道进口处附近（东北），与路桥相接经张家院到梁家院再到梁家院后的隧道入口，以隧道穿至沈家坪东侧的开阔谷地，梁隧道总长，修建桥梁一处，涵洞一处，设圆曲线一处，曲线半径满足规范要求；AK3: 绕山展线至水道沟以隧道穿至崖上西沟南的开阔谷地，以隧道穿至崖上西沟南的开阔谷地以公路连接在张家院处与方案二的后半部分汇合，最终到达沈家坪东侧的开阔谷地，两隧道总长，修建涵洞两处，设圆曲线三处，曲线半径满足规范要求。1.2方案比选有平面图观察可知：三方案的北段相差不大，其主要区别在于南段大平至梁家院的隧道

4、修建方案，故在方案必选时主要征对此段的隧道方案进行。此路段隧道主要几何参数如下表：方案名称进口位置高程（m）出口位置及高程（m）隧道长度（km）洞内纵坡（%）AK1134013801.922.1AK2137014101.592.50AK3136013801.711.2现在从线性指标、工程数量、施工难度、隧道功能、营运及养护费用、环境保护等方面比较，确定推荐方案。项目方案一方案二方案三线性指标隧道长1920米，营运及养护费用较低。隧道长1590米。沿线填挖方量较大，圆曲线半径较大，行车舒适。隧道长1710米。沿线填挖方量较大，圆曲线半径较小，行车不舒适。工程数量三方案中隧道最长的方案，隧道施工工

5、作量也最大三方案中隧道最短的方案，隧道工程量也最少，但洞外绕行路线相应增长，工作量有所增加隧道工程量居中，洞外傍山展线挖方量交大施工难度隧道岁最长，但隧道以外的公路修建中，展线最方便填挖方数量不大。隧道长度短，而且隧址离建成公路较近，施工材料运输方便。线路最短，虽洞外绕行线有所增长，但整体良好，且隧址离建成公路较近，施工材料运输方便。隧道工程量较小，但洞外挖方量巨大，且无现成公路可用，不利于施工营运及养护费用隧道长，营运及养护费用较大。隧道短运营养护费用低隧道较短运营养护费用较低环境保护填挖方量较少，没有大刷大挖，对保持边坡、仰坡较好，对有生态环境的破坏少。填挖方量较大，对原有生态环境有一定影

6、响填挖方量巨大，对原有生态环境的破坏较大。经济效益隧道出口距离村庄较远，对周边经济发展作用有限隧道出口靠近村庄线路进过对可带动周围经济发展隧道出口靠近村庄线路进过对可带动周围经济发展工程病害填挖方量较少，没有大刷大挖，对保持边坡、仰坡稳定较好。填挖方工程量较大，破坏原有的应力平衡，部分地段会出现的水文地质病害，需加强防护。填挖方工程量大，破坏原有的应力平衡，会产生一系列的水文地质病害，运营养护困难。综合考虑各因素，最终将方案二作为推荐方案。第二章 设计总说明2.1.隧道设计概述梁家院公路隧道是大平沈家坪二级公路修建中的重要工程，起点桩号为K0+970，终点桩号为 K2+560,总长约为1590

7、公里。单洞双向隧道，行车道宽度均按设计行车速度40Km/h考虑；隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌；隧道洞门型式主要采用、销竹式洞门和端墙式洞门。隧道围岩级别以 、级为主。该隧道对克服地形障碍，改善线形，提高车速，缩短里程，节约燃料，节省时间，提高行车的舒适性，减少对植被的破坏以及保护生态环境起到了重要作用。2.2技术标准公路等级： 二级路设计行车速度： 40km/h。隧道建筑限界净宽： 9m ( 3.75×2+0.25×2+0.75×2)隧道建筑限界净高： 5.0m2.3隧道建设区工程水文地质2.3.1区域地形、地貌（根据地形等高线图）本项目位于陕西省西安

8、市蓝田县，总体地势特征为西低东高，地形陡峭，相对高差在400m左右。该区位于秦岭山脉北麓，地貌地形复杂，沟谷散布。该隧道大致与秦岭山脉平行，横穿支脉，地形崎岖，地势险要，山高谷深，植被茂密。区内海拔一般在12001700之间。隧道西口大平一带最低高程为1240m，向东至海拔约为1300m的崖上西沟，隧道洞身中部通过的最高高程为1700m，在出口地势相对较低。河谷呈“U”字形，坡体陡峭，项目所在地围岩等级主要是级、级、级。2.4横断面设计 2.4.1建筑限界根据公路隧道设计规范，隧道高度5米，行车道宽度3.75米，双车道布置，净宽9米，其中左侧向宽度为0.25m，右侧向宽度为0.25m，左侧人行

9、道宽度为0.75m，右侧人行道宽度为0.75m，路面坡度采用2%；车行横通道高5.0m，并且同时考虑了下列因素：（1）检修人员步行时的安全；（2）紧急情况下，驾乘人员拿取消防设备方便；（3）满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。2.4.2隧道内轮廓隧道内轮廓设计除应满足隧道建筑限界的规定以外，还应满足洞内路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、运营管理等设施提供安装空间，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合安全、经济、合理的原则。本隧道采用公路隧道设计规范v=40km/h情况下的标准断面，断面为单心圆，r=5.10m，断面周长为29.07m

10、，面积为54.85m2。图2.1 隧道建筑限界及内轮廓图2.5隧道衬砌结构设计2.5.1围岩分级隧道围岩级别划分主要依据岩体弹性波速度、岩样饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合围岩分化程度、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（JTG D70-2004）提供数据为围岩级别划分标准。（2）遇断层破碎带，围岩级别较同类岩石降低1-2等级，影响带推至洞底以上40-80米与断层交界处。（3）为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层和构造情况分段划分评价。（4）未有钻孔控制段，参

11、照勘测区同类岩石已有资料进行类比分级。2.5.2衬砌设计隧道衬砌结构设计根据结构的受力和不同的断面尺寸特点，隧道均按新奥法原理进行设计，设计中考虑充分发挥围岩自身承载能力，采用柔性支护的复合式衬砌结构设计，即以锚杆、钢筋网、喷射混凝土、钢拱架等为初期支护，使其与衬砌达到共同受力。复合式衬砌按新奥法原理设计和施工，依据隧道围岩级别的不同，分别采用不同类型的初期支护和二次衬砌。复合式衬砌结构设计根据隧道大部分为、级围岩或浅埋地段，由于、级围岩变形大，自稳能力差，很容易引起地表变形、开裂，因此初期支护设计采用锚杆、大管棚或小导管、钢拱架和喷射混凝土联合支护，及时、强行的控制围岩较大变形的发展，同时尽

12、快的施作二次衬砌，使二次衬砌和初期支护共同受力。特别强调的是在施工中应加强围岩的监控量测，并根据监控量测结果及时修正各级围岩设计支护参数。各级围岩衬砌结构主要支护参数如下表：主要支护参数表围岩级别喷射混凝土厚度(cm)径向锚杆钢筋网二次衬砌厚度（cm）预留变形量（cm）直径(mm)长度（m）间距（m）直径（mm）间距（cm）25223.51.06.5204513IV15223.01.26.520356.512222.51.56.525353.5隧道衬砌断面设计除考虑到通风、照明、排水、监控等营运附属设施所需空间，并考虑到围岩收敛变形及施工等必要的预留量，内轮廓采用单心圆。二次衬砌断面全部采用等

13、截面，衬砌参数系按工程类比为主并辅以结构计算分析综合确定。2.6洞门设计2.6.1洞口位置选择（1）洞门部分在地质上通常是不稳定的。应考虑避开滑坡、崩塌、泥石流等不良地质地段。（2）要遵循“早进洞晚出洞”的原则，选择洞口位置。（3）为使洞口段衬砌结构受力条件较好，应使隧道中线与地形等高线正交，正交洞口的边、仰坡开挖较小而且均衡。（4）隧道在洞口附近考虑施工场地、弃渣场地以及便道的位置，对组织施工时的难易程度和进度有很大影响。2.6.2洞门形式选择隧道洞门形式的选择和隧道洞口的地形，地质条件以及隧道照明需要有关，洞门附近围岩一般比较松碎松软，所以应根据实际情况，选择合适的洞门形式，并对边仰坡进行

14、适当护坡。洞门是隧道的咽喉，也是外露部分，要适当进行洞门和动口环境的美化和协调。山岭隧道常用的洞门形式主要有端墙式、翼墙式、台阶式、柱式、削竹式和喇叭口式。综合山体稳定以及美观等因素，本隧道南侧入口由于偏压采用端墙式洞门，北侧入口山体比较稳定采用削竹式洞门。2.7纵断面设计综合考虑，隧道长度及隧道进出口高差将隧道纵坡设为2.5的单向坡，具体方案见附图。第三章 二次衬砌结构计算3.1基本参数 大平沈家坪二级公路隧道，设计速度40km/h，,结构断面如附图所示,荷载按松散压力的42%计。其他参数如下： 1、围岩级别：V级； 2、围岩容重：; 3、围岩弹性抗力系数： ；4、 衬砌材料为C25混凝土，

15、弹性模量,容重。3.2荷载确定 1、围岩垂直均布压力 按矿山法施工的隧道围岩荷载为： 考虑到初期支护承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围岩压力进行折减，对本隧道按照42%折减，取为98kN/m2。 2、围岩水平均布压力： 3.3衬砌几何要素3.3.1.隧道几何尺寸内轮廓半径r1=5.10m顶部单心圆弧圆心角为194°（圆弧端点与竖直方向的夹角未97°）衬砌为等截面，拱顶截面厚度d0=0.45m;墙底截面厚度dn=0.45m。则拱轴线半径：3.3.2.半拱轴线长度S及分段轴长S拱轴线长度：半拱轴线长度为：将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：3.3.3.各分块接

16、缝（截面）中心几何要素与竖直轴夹角i （2）接缝中心点坐标计算竖直面处截面中心坐标： ； 。3.4计算位移 3.4.1单位位移：（单位：m） 用辛普生法近似计算,按计算列表进行。单位位移计算见附表 单位位移值计算如下： 图31 二次衬砌结构计算图计算精度校核为： 闭合差0； 单位位移计算表 表3.1 截面sincosxydI1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I积分系数1/30001000.450.0076 131.6872 0.0000 0.0000 131.6872 1 112.1250 0.2100450.9776921.11510.30880.450.0076 131.6872 40.6

17、650 12.5574 225.5746 4 224.2500 0.4107190.9117622.18830.435070.450.0076 131.6872 57.2932 24.9265 271.2001 2 336.3750 0.5930680.8051533.1681.19960.450.0076 131.6872 157.9720 189.5032 637.1345 4 448.5000 0.7489560.662624.00821.95330.450.0076 131.6872 257.2247 502.4370 1148.5736 2 560.6250 0.8714280.49

18、05244.66842.87580.450.0076 131.6872 378.7062 1089.0832 1978.1828 4 672.7500 0.955020.2965425.11463.91130.450.0076 131.6872 515.0683 2014.5867 3176.4106 2 784.8750 0.9960020.0893295.32995.02140.450.0076 131.6872 661.2543 3320.4224 4774.6183 4 896.5915 0.99339-0.114795.30946.1130.450.0076 131.6872 805

19、.0041 4920.9902 6662.6856 1 1053.4979 2472.8555 9483.7185 15482.9275 注：1.I-截面惯性矩, ,b 取单位长度。2.不考虑周丽的影响。3.4.2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衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，水平压力：式中: hi衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度自重力：式中：di接缝i的衬砌截面厚度。(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附表2-5量得，分别记为 内力按下式计算（见附图31） 弯矩： 轴力：式中： 、 -相邻两接缝中心点的坐标

20、增值，按下式计算： 、的计算见附表3.2，3.3。载位移计算表 表3.2截面qbihiQEGaqaeagQaq加Gag加Eae098.0000 000012.0898 000000198.0000 1.15760.1089113.4448 4.2688812.0898 0.53630.56510.0461-60.8404 -0.5573 -2.4123 298.0000 1.11160.3508108.9368 13.7513612.0898 0.51740.53720.1592-56.3639 -1.9247 -7.3872 398.0000 1.01490.588799.4602 23.0

21、770412.0898 0.4723 0.4820.2618-46.9751 -3.1651 -11.1231 498.0000 0.87150.78285.4070 30.654412.0898 0.40450.4010.3628-34.5471 -4.3862 -12.2924 598.0000 0.68860.952567.4828 37.33812.0898 0.31590.31450.4451-21.3178 -5.3812 -11.7428 698.0000 0.46931.074145.9914 42.1047212.0898 0.21160.19510.4997-9.7318

22、-6.0413 -8.2146 798.0000 0.23151.177822.6870 46.1697612.0898 0.09960.08050.5212-2.2596 -6.3012 -3.7167 898.0000 01.1110.0000 43.551212.0898 -0.0205-0.03980.53610.0000 -6.4813 1.7333 续（Mi,P）：截面i-1(Q+G)i-1Exyxii-1(Q+G)yii-1EM0ip000000001001.11510.308800-63.8101 2125.5346 4.2689 1.07320.12627-134.7237

23、-0.5390 -264.7487 3246.5612 18.0202 0.97970.76453-241.5560 -13.7770 -581.3450 4358.1112 41.0973 0.84020.7537-300.8850 -30.9750 -964.4308 5455.6080 71.7517 0.66020.9225-300.7924 -66.1909 -1369.8559 6535.1806 109.0897 0.44621.0355-238.7976 -112.9624 -1745.6036 7593.2618 151.1944 0.21531.1101-127.7293

24、-167.8409 -2053.4512 8628.0386 197.3642 -0.02051.091612.8748 -215.4427 -2260.7672 载位移计算表 表3.3截面sincos(Q+G)EN0px8-xi+agiG(x8-xi+agi)0010000010.2100 0.9777 125.5346 4.2689 22.1943 4.320652.2352 20.4107 0.9118 246.5612 18.0202 84.8372 3.360540.6278 30.5931 0.8052 358.1112 41.0973 179.2946 2.483430.0238

25、 40.7490 0.6626 455.6080 71.7517 293.6861 1.744221.0870 50.8714 0.4905 535.1806 109.0897 412.8603 1.166314.1003 60.9550 0.2965 593.2618 151.1944 521.7414 0.77479.3660 70.9960 0.0893 628.0386 197.3642 607.8975 0.58097.0230 80.9934 0.0000 640.1284 240.9154 635.8970 0.61637.4509 15.0469181.914（3）主动荷载位移

26、主动荷载位移计算结果见表3.4。 主动荷载位移计算表 表3.4截面Mp01/Iy/I1+yMp0/IMp0y/IMp0(1+y)/I积分系数1/300131.68720100011-63.8101 131.6872 40.6650 1.3088 -8402.9801 -2594.8403 -10997.8204 42-264.7487 131.6872 57.2932 1.4351 -34864.0292 -15168.2932 -50032.3223 23-581.3450 131.6872 157.9720 2.1996 -76555.7252 -91836.2480 -168391.97

27、32 44-964.4308 131.6872 257.2247 2.9533 -127003.2348 -248075.4185 -375078.6532 25-1369.8559 131.6872 378.7062 3.8758 -180392.5502 -518772.8958 -699165.4460 46-1745.6036 131.6872 515.0683 4.9113 -229873.7198 -899105.0801 -1128978.7999 27-2053.4512 131.6872 661.2543 6.0214 -270413.3298 -1357853.4942 -

28、1628266.8240 48-2260.7672 131.6872 805.0041 7.1130 -297714.1930 -1819926.8616 -2117641.0546 1-1074751.5005 -4009618.1193 -5084369.6198 则 计算精度核算闭合差 0。3.4.3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3，3=36.3750°=b;最大抗力值假定接缝5，5=60.6250°=h；最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算： 最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算： 式中：-所考察截面外缘

29、点到h点的垂直距离； -墙脚外缘到h点的垂直距离。 （2）各楔块上抗力集中力 按下式近似计算： 式中： -楔块i 外缘长度。该集中力方向垂直于衬砌表面并通过抗力图形的形心，形心通过辅助软件求得（MASSPROP）；（3）抗力集中力与摩擦力的合力Ri 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的夹角。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的比例求出合力的方向。的作用点即为与衬砌外缘的交点。将的方向线延长，使之交于竖直轴，量取夹角，将分解为水平与竖直两个分力： 弹性抗力及摩擦力计算表 表.截面()1/2(

30、i-1+i)()S外()R()ksinkcosk() ()40.51320.25661.1644 0.2988 0.3047 56.0850.8299 0.5580 0.2529 0.1700 51.00000.75661.1644 0.8810 0.8984 68.54250.9307 0.3658 0.8362 0.3287 60.77250.886251.1644 1.0319 1.0524 77.69980.9770 0.2130 1.0282 0.2242 70.55160.662051.1644 0.7709 0.7862 90.89040.9999 -0.0155 0.7861

31、-0.0122 80.00000.27581.1644 0.3211 0.3275 98.22480.9897 -0.1431 0.3241 -0.0469 （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：轴力： 式中：-力至接缝中心点的力臂 计算表 表3.6截面R4R5R6R7R8（h）r4iRr4ir5iRr5ir6iRr6ir7iRr7ir8iRr8i40.3785-0.1153 -0.1153 51.0047-0.3061 0.5384-0.4837 -0.7899 62.6208-0.7986 1.6686-1.4991 0.6263-0.6591 -2.9568 73

32、.6507-1.1124 2.7796-2.4973 1.7564-1.8484 0.6011-0.4726 -5.9306 84.5391-1.3831 3.7863-3.4017 2.8171-2.9647 1.7266-1.3574 0.8007-0.2622 -9.3691 计算表 表3.7截面（h）（h）（h）448.50.7490 0.6626 0.1700 0.1273 0.2529 0.1676 -0.0402 560.6250.8714 0.4905 0.4987 0.4346 1.0890 0.5342 -0.0996 672.750.9550 0.2965 0.7229

33、0.6903 2.1173 0.6279 0.0625 784.8750.9960 0.0893 0.7106 0.7078 2.9033 0.2593 0.4485 896.59150.9934 0.0000 0.6638 0.6594 3.2274 0.0000 0.6594 （5） 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移 单位抗力及摩擦力产生的载位移计算表 表3.8截面（h）1/Iy/I积分系数4-0.1153 131.6872 257.2247 2.9533-15.1875 -29.6657 -44.8531 25-0.7899 131.6872 378.7062 3.8758-104.01

34、32 -299.1211 -403.1343 46-2.9568 131.6872 515.0683 4.9113-389.3724 -1522.9521 -1912.3245 27-5.9306 131.6872 661.2543 6.0214-780.9881 -3921.6534 -4702.6415 48-9.3691 131.6872 805.0041 7.113-1233.7901 -7542.1590 -8775.9491 1-1860.9716 -9176.8309 -11037.8024 校核为： 闭合差03.4.4墙底（弹性地基上的刚性梁）位移单位弯矩作用下的转角：主动何在

35、作用下的转角：单位抗力及相应摩擦力作用下的转角：3.5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： =344.7787+1.8727从而： 3.6计算主动何在和被动荷载（h=1）分别产生的衬砌内力计算公式为： 主被动荷载作用下衬砌弯矩计算表 表3.9截面X1pX2pX2p*yMp（h）X1X2X2*yM（h）（h）(h)00155.8417344.77870155.84170-2.10461.87270-2.10461-63.8101155.8417344.7787106.4677198.49930-2.10461

36、.87270.5783-1.52632-264.7487155.8417344.7787150.002941.09590-2.10461.87270.8148-1.28993-581.345155.8417344.7787413.5966-11.90670-2.10461.87272.24650.14194-964.4308155.8417344.7787673.4563-135.1328-0.1153-2.10461.87273.6581.4385-1369.8559155.8417344.7787991.5147-222.4995-0.7899-2.10461.87275.38562.49

37、116-1745.6036155.8417344.77871348.5331-241.2287-2.9568-2.10461.87277.32482.26337-2053.4512155.8417344.77871731.272-166.3375-5.9306-2.10461.87279.40371.36848-2260.7672155.8417344.77872107.63252.707-9.3691-2.10461.872711.4479-0.0258主被动荷载作用下衬砌轴力计算 表3.10截面X2pcosNpX2cosN00344.7787344.778701.87271.8727122

38、.1943337.0873359.281601.83091.8309284.8372314.3562399.193301.70751.70753179.2946277.5995456.894101.50781.50784293.6861228.4573522.1434-0.04021.24091.20075412.8603169.1221581.9824-0.09960.91860.8196521.7414102.2412623.98270.06250.55530.61787607.897530.7987638.69620.44850.16730.61578635.8970635.8970.659400.65943.7最大抗力值得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的偏离，因此修正后有：最大抗力位移修