后坡隧道综合设计毕业设计

兰州理工大学毕业设计（论文）PAGEIXPAGE74兰州理工大学毕业设计（论文）后坡隧道综合设计毕业设计摘要随着科技的不断进步，现代隧道无论是从结构计算，还是从施工方法都较以前有了较大的飞跃。本毕业设计为高速公路隧道，注重的是结构的设计与计算。本设计根据设计任务书的要求和参考公路隧道设计规范及其他各规范，对某山岭高速公路上的后坡隧道进行了综合设计。主要内容包括：根据地质条件、水文条件等多方面的因素进行洞门设计、隧道横、纵断面设计、隧道衬砌结构设计、防排水及管线沟槽设计以及施工组织设计，并进行了初期支护结构计算与隧道二次衬砌的结构计算，同时还完成了隧道通风、照明的计算及设计。关键词：公路隧道，毕业设计，衬砌结构，通风照明

ABSTRACTWiththeprogressofscienceandtechnology,moderntunneleitherfromthestructurecalculationorfromtheconstructionmethodisusedtohaveagreaterleapforward.Thisgraduationdesignforhighwaytunnel,attentionisfocusedonthedesignandcalculationofstructure.Accordingtothedesignrequirementsofthetaskandthereferencecodefordesignofroadtunnelandotherspecifications,thecomprehensivedesignoftheslopeofamountainhighwaytunnel.Themaincontentsinclude:accordingtothegeologicalconditions,hydrologicalconditionsandmanyotherfactors,tunnelportaldesignofhorizontalandverticalsectiondesign,tunnelliningstructuredesign,subgradeandpavementdrainagetrenchandpipelinedesignandconstructionorganizationdesign,calculationandinitialsupportingstructuretwocalculationofliningandtunnelstructure,butalsocompletecalculationanddesignofventilation,lighting,tunnel.Keywords:highwaytunnel,graduationdesign,liningstructure,ventilationandlighting

目录TOC\o"1-3"\u前言 1第1章设计背景资料 21.1采用的技术标准及设计标准规范 21.1.1主要技术标准 21.1.2主要设计标准规范 21.2工程概况 21.3工程地质概况 2第2章总体设计 32.1选址考虑 32.2洞口选址及线型考虑 32.3纵断面设计 42.4横断面设计 42.4.1建筑限界 42.4.2紧急停车带及横向通道 42.4.3内轮廓设计 4第3章洞口设计 63.1洞口段地质评价 63.2洞口设计 63.2.1洞门类型选择 63.2.2洞口设计 6第4章隧道防排水 74.1防排水要求 74.2防排水原则 74.3后坡隧道的防排水措施 74.3.1洞外防排水 74.3.2洞内防排水 8第5章初期支护计算 95.1确定计算参数 95.2计算隧道周边设计支护阻力与径向位移 95.3计算初期支护能提供的总支护阻力和允许隧道洞壁产生的总径向位移 105.4初期支护总阻力和位移的校核 12第6章二次衬砌内力计算 136.1基本资料 136.2荷载确定 136.2.1围岩竖向均布压力 136.2.2围岩水平均布压力: 146.3衬砌几何要素 146.3.1衬砌几何尺寸 146.3.2半拱轴线长度 146.3.3各分块接缝中心几何要素 156.4主动荷载作用下的衬砌压力计算 166.4.1单位位移 166.4.2主动荷载在基本结构中引起的位移 196.4.3弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 236.4.4墙底位移 266.5解力法方程 266.6计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力 276.7最大抗力值的求解 286.8计算衬砌总内力 296.9衬砌截面强度验算 316.10内力图 32第7章隧道通风照明设计 337.1隧道通风设计 337.1.1基本条件 337.1.2车辆组成 337.1.3需风量计算（按80km/h计算） 337.1.4需风量计算（按60km/h计算） 357.1.5需风量计算（按40km/h计算） 357.1.6需风量计算（按20km/h计算） 367.1.7通风设计计算 377.1.8交通阻滞状态下的通风设计计算 417.2隧道照明设计 437.2.1基本参数 437.2.2基本指标 437.2.3照明设计 44第8章施工方案设计 478.1施工准备 478.2辅助施工方法 478.2.1大管棚超前注浆支护 478.2.2超前小导管注浆支护 488.3施工设计 488.3.1总体方案与部署 488.3.2洞口施工 488.3.3隧道内施工 49参考文献 53附录1 54附录2 61致谢 73前言毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。本次毕业设计所选题目是：后坡隧道综合设计，设计要求为：设计行车速度100km/h，双洞单行。本设计将分为外文翻译、地质平面图、纵断面图设计、建筑限界及内轮廓设计、各级围岩衬砌结构设计与计算、防排水设计、洞门及明洞设计、通风、照明设计及计算等方面。按学校毕业设计条例及教研室实施细则整理毕业设计成果，做好毕业答辩准备工作。设计全过程将充分考虑安全、经济、适用三要素，隧道设计注意与周围环境的协调，功能区组合合理。考虑隧道自身特点，着力体现现代化隧道集实用与建筑之美。结构设计要求结构布置合理，构件设计经济合理。具体设计内容将按照规范在说明书和设计图中详细体现。毕业设计三个多月的时间里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算，加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解。巩固了专业知识、提高了综合分析、解决问题的能力。由于自己水平有限，难免有不妥和疏忽之处，敬请各位老师批评指正。二零一三年六月

第1章设计背景资料1.1采用的技术标准及设计标准规范1.1.1主要技术标准（1）隧道采用分离式单向行驶两车道隧道（上、下行分离）。（2）隧道设计车速为100km/h。1.1.2主要设计标准规范（1）《公路工程技术标准》（JTGB01-2003）（2）《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）（3）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）（4）《公路隧道通风照明设计规范》（JTJ026.1-1999）1.2工程概况后坡隧道为分离式长隧道，上行线隧道进口桩号K126+025,出口桩号K127+685，隧道设计高程为1003.34～1030.68m，主洞内路面宽度为9.00m，拱顶高7.35m，全长1660m,隧道纵坡为单坡，i=1.8%,L=1660m。1.3工程地质概况后坡隧道属浅埋松软黄土和软胶结岩石型隧道，隧址区揭露的地层岩性从上到下一次为：一般新黄土→饱和黄土→一般新黄土→老黄土→泥岩。隧址区节理裂隙较发育，线密度较疏，组合后尚不至于形成不良结构面，故对洞室稳定性影响有限。隧道上行线：K126+025～K126+110段围岩级别为Ⅴ级，该段围岩长85m,一般新黄土，局部老黄土，富含第四纪孔隙水，多呈饱和状，为易蠕动的松软结构，围岩极易坍塌变形，受大气降水和黄土层孔隙水的影响，有渗水或滴水现象。K126+110～K127+375段围岩级别为Ⅳ级，该段围岩长1265m，深一般新黄土和老黄土，少量泥岩，节理裂隙极发育，呈松散结构，围岩易坍塌，侧壁可能发生小坍塌，受大气降水影响，局部有渗水现象。K127+375～K127+685段围岩级别为Ⅴ级，该段围岩长310m,一般新黄土，局部老黄土，在影响厚度范围内存在老黄土的段落受大气降水及地表黄土层空隙水影响，局部有渗水、滴水现象。第2章总体设计2.1选址考虑隧道总体设计应遵循以下原则：（1）在地形、地貌、地质、气象、社会人文和环境等调查基础上，综合必选隧道各轴线方案的走向、平纵线形、洞口位置等，提出推荐方案。地质条件很差时，特长隧道的位置应控制路线走向，以避开不良地质地段；长隧道位置亦应尽可能避开不良地质地段，并与路线走向综合考虑；中、短隧道可服从路线走向。（2）根据公路等级和设计速度确定车道数和建筑界限。在满足隧道功能和结构受力良好的前提下，确定经济合理的断面内轮廓。隧道内外、纵线形应协调，以满足行车的安全、舒适要求。（3）根据隧道长度、交通量及其构成、交通方向及环保要求等，选择合理的通风方式，确定通风、照明、交通监控等机电设施的设置规模。（4）应结合公路等级、隧道长度、施工方法、工期和运营要求，对隧道内外防排水系统、消防给水系统、辅助通道、弃渣处理、管理设施、交通工程设施、环境保护等做综合考虑。（5）当隧道与相邻建筑物互有影响时，应在设计与施工中采取必要的措施。后坡隧道位置选择包括洞身位置和洞口位置的选择两项，主要以地形、地质为主等进行综合考虑，宜首先排除显著不良地质地段，按地形条件拟定隧道及接线方案，在进行深入的地址调查，综合各方面因素，选定隧道位置。2.2洞口选址及线型考虑（1）隧道洞口位置应根据地形、工程地质及水文地质情况，着重考虑隧道仰坡、边坡的稳定，保证施工及运营的安全，并结合洞口有关工程及施工条件，综合研究比选确定。一般情况隧道宜早进洞、晚出洞。根据工程地质调绘及钻探资料，隧道上行线进口位于黄土斜坡上，洞口前缘及两侧发育有黄土冲沟，黄土斜坡地表多为田坎，坡形较完整，坡度54°～63°，风积黄土层厚21.5～25.8m；上行线出口位于黄土缓坡上，地形相对较平坦，地表为农田，坡度约，25°～28°风积黄土层厚度21.5～25.8m。两侧洞口段均未发现滑坡等不良地质现象，土体现处于稳定状态，但是必须切实解决好防排水及边仰坡防护问题，洞口应避免大量开挖，防止造成较大面积的土体失稳。隧址区地表覆盖层以上由风积黄土、饱和黄土、一般新黄土、下伏老黄土和泥岩为主。由于地层形成时代较新，故受地质构造变动影响较小，节理较发育。岩土体受风化作用、胶结程度等自身结构构造影响，力学性质上呈强度低，硬度小，成岩作用差，岩体整体性较好的特点。该地区地下水资源匮乏且地下水对混凝土无腐蚀性。因此，后坡隧道根据上述分析，并结合地质图，隧道为小曲率隧道，详细情况请参见本隧道毕业设计相关图纸。2.3纵断面设计本隧道的基本坡道形式设为单坡。坡道形式的选择依据和纵坡坡度的主要控制因素为通风问题。隧道的纵坡以不防碍排水的缓坡为宜，坡度过大，对汽车行驶、隧道施工和养护管理都不利。单向通行的隧道设计成单坡对通风是非常有利的，因汽车都是单坡行驶，发动机产生的有害气体少，对通风有利。因此，隧道纵坡整体设计为单坡,i=1.8%，L=1660m。2.4横断面设计2.4.1建筑限界后坡隧道的建筑限界按100km/h时速设计，建筑限界取值如下：表2.1建筑限界设置（单位：m）设计速度（km/h）车道宽度W硬路肩宽度检修道宽度净宽净高左侧右侧左侧右侧10.505.010023.750.501.000.750.752.4.2紧急停车带及横向通道紧急停车带及横向通道横断面均采用《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）设计速度v=100km/h的标准断面。紧急停车带拱顶部采用R=747cm圆弧，拱下部采用R=543cm圆弧，侧墙采用R=820cm大半径圆弧，仰拱半径为1800cm，仰拱与侧墙间采用R=150cm小半径圆弧连接。紧急停车带路面宽度为11.50m，拱顶高792cm。紧急停车带宽度包括右侧硬路肩为3.5m，紧急停车带建筑限界净宽13.00m，净高5.0m。横向通道包括行车横洞及人行横洞。行车横洞断面按单心圆直墙式衬砌设计，建筑限界净宽4.5m，净高5.0m。人行横洞断面按单心圆直墙式衬砌设计，建筑限界净宽2.0m，净高2.5m。2.4.3内轮廓设计隧道主洞横断面采用《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）设计速度v=100km/h的标准断面。主洞拱部采用R=570cm单心半圆，侧墙采用R=820cm大半径圆弧，仰拱半径为1500cm，仰拱与侧墙间采用R=100cm小半径圆弧连接。主洞内路面宽度为9.00cm，拱顶高7.35m。图2.1隧道内轮廓及建筑限界设计图

第3章洞口设计3.1洞口段地质评价根据工程地质调查及钻探资料得知：隧道上行线进口洞口位于黄土斜坡上，洞口前缘及两侧发育有黄土冲沟，黄土斜坡地表多为田坎，坡形较完整，坡度约54～63°，风积黄土层厚21.5～25.8米，钻孔深度范围内未见有地下水，其土石等级属Ⅰ～Ⅱ类，洞口开挖时建议边仰坡率为1：0.75～1.25。隧道上行线出洞口位于黄土缓坡上，地形相对较平坦，地表为农田，坡度约25°～28°，风积黄土层厚21.5～25.8米，钻孔深度范围内未见有地下水，其土石等级属Ⅰ～Ⅱ类，洞口开挖时建议边仰坡率为1：0.75～1.25。隧道两端洞口应同时切实解决好防排水及边仰坡防护问题。两侧洞口段未发现滑坡等不良地质现象，土体现处于稳定状态，洞口应避免大量开挖，防止造成较大面积的土体失稳。3.2洞口设计3.2.1洞门类型选择根据地质评价本隧道进口端围岩较松软，应避免大挖大刷，故采用削竹式洞门；出口端围岩地质较稳定，故洞口拟采用端墙式洞门。3.2.2洞口设计在洞口工程设计中，将洞口工程作为一项重要的景观设计，同时满足安全功能与景观功能，从而实现隧道景观与自然景观的有机结合。根据洞口地形、地质、水文地质等条件，着重考虑边、仰坡的稳定，同时贯彻“早进洞、晚出洞”的原则，确定洞门位置和形式，使其与周围环境协调一致。后坡隧道进口洞门为削竹式洞门，出口端洞门为端墙式洞门。隧道洞口工程设计始终坚持“保护生态、保护环境”的设计理念，隧道洞口开挖避免了大挖大刷，较好地控制了隧道仰坡高度，隧道边坡及仰坡主要采用菱形框架内种草的绿色护面。端墙地基均采用水泥稳定砂砾换填，地基承载力不小于250kPa。菱形框架护脚地基均采用60cm厚水泥石灰稳定土换填，地基承载力不小于200kPa。隧道洞门端墙及帽石采用粗料石饰板贴面，明洞拱圈外缘采用汉白玉饰面。在隧道进出口上下行线间设了回车匝道,以确保隧道运营管理安全、方便。第4章隧道防排水4.1防排水要求水对隧道的危害是多方面的，漏水的长期作用可能造成隧道的侵蚀破坏，危害隧道的结构耐久性；寒冷地区，尤其是严寒地区，隧道衬砌渗水反复的冻融循环在衬砌的内部造成衬砌混凝土冻胀开裂破坏；隧道漏水还将使隧道拱部和侧墙产生冰凌侵入净空；隧道滴水将使路面结冰，降低轮胎与路面的附着力，恶化隧道的营运条件，危及行车安全；隧道渗漏水还将极大地降低隧道内各种设施的使用功能和寿命。因此，隧道的防排水环节至关重要，不容忽视。一般规定：（1）拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水；（2）有冻害地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结；（3）车行横通道、人行横通道等服务通道拱部不滴水，边墙不淌水。当隧道内渗水引起地表水减少，影响居民生产、生活用水时，应对围岩采取堵水措施，减少地下水的渗漏，同时应注意保护自然环境。高速公路隧道的防水要求，隧道采用复合式衬砌时，在初期支护与二次衬砌之间应设置防水板及无纺布。要求：①无纺布密度不小于300g/m2；②防水板应采用易于焊接的防水卷材，厚度不小于1.0mm，接缝搭接长度不小于100mm。二次衬砌应满足抗渗要求。排水要求：隧道洞内宜按地下水和运营清洗污水、消防污水分离排放的原则设置纵向排水系统，应能保证排水畅通，避免洞内积水。4.2防排水原则隧道防排水应根据“防、排、截、堵结合，综合治理”的原则，采取切实可靠的设计、施工措施，达到防水可靠、排水畅通、经济合理、不留后患的目的。隧道防排水工作，应结合水文地质条件、施工技术水平、材料来源和成本等，因地制宜，选择适宜的方法，以满足保证使用期内结构和设备的“正常使用和行车安全”的目的。4.3后坡隧道的防排水措施4.3.1洞外防排水隧道洞口均设置截水沟、排水沟疏导地表水，洞顶排水沟距边、仰坡开挖线距离不小于2m。各级碎落台均设10cm厚C15混凝土压顶，明洞回填顶面设置1m厚粘土隔水层，下设一层JFM-1加筋复合土工膜。排水构造物开挖基坑后，对基底进行夯实,压实度不小于90%。排水设施每隔10ｍ或地质变化处设一道沥青麻絮沉降缝。排水设施底部均铺设一层JFM-1加筋复合土工膜，其搭接长度不小于50cm。排水构造物纵坡大于10％时，每隔4m设一道底宽1m的防滑坎。施工时根据实际地形合理布置，且应设置在原状土上。施工时做好周围陷穴、冲沟等不良地质的处理，确保排水构造物安全、稳定。使隧道排水与路基排水形成一个完善的排水系统，以确保安全、畅通。4.3.2洞内防排水洞内防排水设施主要有：隧道暗埋段完成一次衬砌或初期支护后，模注衬砌外全断面铺设1mm厚EVA复合防水板，Ⅳ级围岩衬砌施工缝处设遇水膨胀止水条，Ⅴ、Ⅵ级围岩衬砌施工缝处设橡胶止水带。衬砌墙脚外侧设纵向波纹管及碎石集水场、仰拱内设置纵向透水管、仰拱下设置横向波纹管，通过横向波纹管将水导入仰拱下中心水沟，然后排出洞外。仰拱内横向排水管在Ⅴ、Ⅵ级围岩间距为5ｍ，Ⅳ级围岩间距为10ｍ。仰拱下横向排水管在Ⅵ级围岩间距为5m，在Ⅴ级围岩间距为10m,在Ⅳ级围岩间距为30m。裂隙水发育段每5m设一道环向透水盲沟，其余地段衬砌每20m设一道环向透水盲沟，环向透水盲沟均与墙脚盲沟连通，纵、环向排水管以及纵、横向排水管均采用三通连接。明洞防排水采用在墙脚外侧设置砂砾盲沟，盲沟底部设置纵向排水管，沿衬砌外侧全断面设置防水层，并在明洞顶及仰坡外侧设置完善的排水系统，使地表水能顺利排出洞口进入边沟。隧道洞内中心水沟与路面同坡，每间隔50m设一检查井，以备检查清淤，正洞与行车横洞交叉处增设一检查井。施工时应严格控制盖板顶标高与路面标高保持一致。隧道路缘边沟每隔100m设一处路缘沉沙井，以便清理洞内边沟淤泥。隧道紧急停车带中心水沟底比主洞中心水沟底低67cm,其水沟底坡度须做适当调整与主洞中心水沟顺接。隧道在离洞门50m范围内每隔10ｍ处及衬砌结构变化处设一道沉降缝，橡胶止水带设于隧道沉降缝处。隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩衬砌施工缝设302型橡胶止水带，Ⅳ级围岩衬砌施工缝设22遇水膨胀止水条。

第5章初期支护计算后坡公路隧道，围岩级别为Ⅵ级，采用复合式衬砌，下面用收敛—约束法对其初期支护进行验算。5.1确定计算参数（1）按工程类比法确定的支护参数围岩级别喷层厚度（cm）锚杆钢筋网二次衬砌厚度（cm）直径（mm）长度(m)间距直径（mm）间距Ⅵ25224.0850表5.1支护参数表（2）隧道几何尺寸及围岩计算参数围岩级别隧道当量半径a（cm）埋深H(m)容重γ(kN/m3)粘结力C/Cr(MPa)内摩擦角(度)变形模量E(MPa)泊松比μ初始应力P0(MPa)Ⅵ651120160.2/0.120/12.510000.451.92表5.2隧道几何尺寸及围岩计算参数注：①表中初始应力②表中隧道当量半径a为将隧道视为圆形式圆的半径。此隧道的开挖高度F=1052cm,开挖宽度B=1302cm，所以a=651cm.（3）初期支护材料的力学性能C25喷射混凝土极限抗压强度Rcs取12.5MPa（喷射混凝土抗压强度龄期为3天）；C25喷射混凝土塑性极限应变；砂浆与围岩之间的抗剪强度；Ⅵ级围岩单轴极限抗压强度R=20MPa。5.2计算隧道周边设计支护阻力与径向位移对于Ⅵ级围岩，其径向松弛主要在距洞壁4m深的范围内，隧道围岩发生松弛时，其等代圆的计算当量半径（塑性区的塑性半径）可用下列公式计算式中：W—为隧道围岩松弛范围，对Ⅵ级围岩400cm;其余同前。利用如下公式可求得和值见表5.3。式中：Rp--塑性区半径，cm;a--隧道当量半径，cm;P0--隧道围岩的自重应力，kN/m2;Pi--隧道的设计支护阻力，即隧道围岩开挖后达到弹塑性应力平衡时，必须在洞壁上施加的径向支护力，MPa;、、、--隧道围岩在弹性状态和塑性状态的凝聚力（MPa）和内摩擦角（度）。--隧道设计位移，即隧道围岩开挖后达到弹塑性应力平衡时，产生的塑性径向位移，cm；E，--隧道围岩的弹性模量和泊松比；表5.3和计算表65111061.6990.4582.701查《公路隧道实际规范》可知，Ⅵ级围岩，H=120m时允许洞周水平相对收敛值为，即隧道周边径向位移，由此可见，上表中数据符合规范要求。5.3计算初期支护能提供的总支护阻力和允许隧道洞壁产生的总径向位移（1）喷射混凝土层的支护阻力和允许洞壁产生的径向位移的计算施工中，喷层单层厚度拟按5--6cm施作，需喷5层，每层5cm。利用下列公式可得表5.4中计算结果。式中：、——第i喷层的半径和厚度，cm；——喷射混凝土的极限抗压强度；——喷射混凝土的极限应变，一般取0.3%；表5.4和计算表项目分层0.09630.09710.09780.09870.09941.9231.9081.8931.8781.863（2）砂浆锚杆所提供的支护阻力和锚杆允许洞壁产生的径向位移的计算利用下列公式可得表5.5中计算结果式中：—砂浆锚杆所提供的支护阻力，MPa；—砂浆与围岩的抗剪强度；—锚杆孔的直径，cm;—锚杆的计算长度，取洞壁至承载环边缘的距离，这里取；e、i—锚杆纵，横向间距，cm；式中：——锚杆约束后围岩的塑性区半径，cm;可用下式计算表5.5和计算表65135010951.6820.1794.4971.5902.907注：①表中L表示锚杆的实际长度；②表中表示锚杆纵横向平均间距；③表中表示锚杆的计算长度；（3）初期支护提供的总支护阻力和允许隧道洞壁产生的总径向位移的计算5.4初期支护总阻力和位移的校核由以上计算可知，，，显然，；同时，显然，。由此可知，确定的支护参数（见表5.1）符合设计规范要求。

第6章二次衬砌内力计算6.1基本资料后坡公路隧道，结构断面如图所示，围岩级别为Ⅵ级，容重为，围岩的弹性抗力系数，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量为，容重。图6.1衬砌结构断面图6.2荷载确定6.2.1围岩竖向均布压力式中:S—围岩类别，此处s=1—围岩容重，此处取—跨度影响系数，故围岩压力折减系数取0.5所以有：6.2.2围岩水平均布压力:Ⅵ级围岩，按0.5～1.0折减，这里取0.86.3衬砌几何要素6.3.1衬砌几何尺寸内轮廓线半径：，内径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角：，截面厚度：外轮廓线半径：，拱轴线半径：，拱轴线各段圆弧中心角：，6.3.2半拱轴线长度分段轴线长度：半拱轴线长度：将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：图6.2衬砌结构计算图示6.3.3各分块接缝中心几何要素（1）与竖直轴夹角EMBEDEquation.3EMBEDEquation.3另一方面：角度闭合差：2）接缝中心点坐标计算6.4主动荷载作用下的衬砌压力计算6.4.1单位位移用辛普生法近似计算，单位位移计算列如表6.1单位位移值计算如下：计算精度校核为：闭合差：。表6.1单位位移计算表截面αsinαcosαxydI1/Iy/Iy²/I(1+y)²/I积分系数00.000.001.000.000.000.50.010496.150.000.0096.151113.770.240.971.410496.1516.442.81131.854227.540.460.892.750.670.50.010496.1564.8143.68269.452341.300.660.753.931.480.50.010496.15142.31210.62591.384455.070.820.574.882.540.50.010496.15244.52621.811207.002568.840.930.365.553.800.50.010496.15365.581389.922217.234682.610.990.135.9010496.15498.462584.023677.102794.291.00-0.085.936.580.50.010496.15632.884165.655527.5748103.980.97-0.245.707.990.50.010496.15768.466141.547774.621∑865.382733.4615160.0621492.37注：1、I—截面惯性矩，，b取单位长度2、不考虑轴力影响。6.4.2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：衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由图6.2量得水平压力：式中：为衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图6.2量得自重力：式中：—接缝的衬砌截面厚度。注:计算G8时，应使第8个楔块的面积乘以作用在各楔块上的力均列入表6.2,集中力均通过相应图形的形心。兰州理工大学毕业设计（论文）表6.2载位移计算表截面集中力力臂QGE00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0001293.93317.86310.5240.6700.6880.330-196.935-12.290-3.4730.0000.0001.4160.1710.0000.000-212.6982279.61917.86331.2680.5790.6560.703-161.899-11.718-21.981311.79610.5241.3350.503-416.248-5.294-829.8383246.35517.86350.1380.4470.5920.603-110.121-10.575-30.233609.27841.7921.1760.806-716.511-33.684-1730.9624199.18117.86365.8630.2900.4420.690-57.762-7.895-45.445873.49691.9300.9511.063-830.695-97.722-2770.4825142.33017.86378.4430.1040.3100.741-14.802-5.538-58.1261090.540157.7930.6711.259-731.752-198.661-3779.362676.00317.86385.519-0.0590.1500.7434.484-2.679-63.5411250.733236.2360.3521.382-440.258-326.478-4607.83478.69917.86388.785-0.228-0.0140.7101.9830.250-63.0371344.599321.7550.0251.398-33.615-449.813-5152.06680.00017.86385.3980.000-0.1490.7060.0002.662-60.2911371.161410.540-0.2271.410311.254-578.861-5477.303兰州理工大学毕业设计（论文）（2)外荷载在基本结构中产生的内力内力按下式计算弯矩：轴力：式中：，为相邻两接缝中心点的坐标增值，按下式计算：计算结果见表6.2和6.3。截面00.0001.0000.0000.0000.0000.0000.00010.2380.971311.79610.52474.20710.21963.98920.4620.887609.27841.792281.48637.070244.41730.6600.751873.49691.930576.50769.039507.46840.8200.5731090.540157.793894.24390.415803.82750.9330.3611250.733236.2361166.93485.2811081.65360.9920.1291344.599321.7551333.84241.5061292.33670.997-0.0751371.161410.5401367.048-30.7911397.83880.970-0.2411389.024495.9381347.353-119.5211466.874表6.3载位移计算表基本结构中，主动荷载产生弯矩的校核为：另一方面，从表6.2中得到闭合差：（3）主动荷载位移计算过程见表6.4截面(1+y)积分系数00.00096.1540.0001.0000.0000.0000.00011-212.69896.15416.4421.171-20451.731-3497.246-23948.97742-829.83896.15464.8081.674-79792.115-53779.886-133572.00123-1730.96296.154142.3082.480-166438.654-246329.208-412767.86244-2770.49296.154244.5193.543-266393.462-677438.573-943832.03425-3779.36296.154365.5774.802-363400.192-1381647.531-1745047.72346-4607.83496.154498.4626.184-443060.962-229682898627-5152.06696.154632.8857.582-495390.962-3260663.309-3756054.27048-5477.30396.154768.4628.992-526663.750-4209096.690-4735760.4401∑-2361591.827-12129280.467-14490872.294表6.4主动荷载位移计算表主动位移计算如下：计算精度校核：闭合差：6.4.3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处，；最大抗力值假定在接缝5处，；最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：查表6.1算得：，，最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：式中：为所考察截面外缘点到h点的垂直距离；为墙脚外缘点到h点的垂直距离，由图6.2中量得：则：（2)各楔块上抗力集中力：按下式近似计算：式中：为楔块i的外缘长度，可通过量取夹角，用弧长公式求得，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按下式计算：式中：为围岩于衬砌间的摩擦系数，此处则：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：计算见表6.5截面R30.0000.0000.0000.0000.0000.0001.0000.0000.00040.5430.2721.4740.41760.8310.8730.4870.3640.20351.0000.7721.4801.18173.3430.9580.2871.1310.33960.8920.9461.4671.43685.1490.9960.0851.4310.12170.5500.7211.4711.22396.8440.993-0.1191.214-0.14680.0000.2751.4290.559103.9760.970-0.2420.542-0.135表6.5弹性抗力及摩擦力计算表（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：为力至接缝中心点的力臂，由图6.2上量得。计算结果见表6.6、6.7。表6.6计算表截面40.385-0.161-0.16151.806-0.7530.568-0.671-1.42463.172-1.3231.986-2.3460.660-0.948-4.61774.399-1.8343.339-3.9432.077-2.9830.723-0.884-9.64585.408-2.2554.500-5.3153.422-4.9152.139-2.6150.977-0.546-15.644截面α455.0700.8200.5730.2030.1660.3640.209-0.042568.8380.9330.3610.5420.5061.4950.540-0.034682.6060.9920.1290.6630.6582.9260.3770.280794.2880.997-0.0750.5170.5154.141-0.3110.8268103.9820.970-0.2410.3820.3714.683-1.1291.499表6.7计算表（5）单位抗力及相应摩擦力产生的载位移：计算结果见表6.8。校核为：闭合差：表6.8单位抗力及摩擦力产生的载位移计算表截面1/Iy/I(1+y)积分系数4-0.16196.154244.5203.543-15.481-39.368-54.84825-1.42496.154365.5784.802-136.923-520.582-657.50646-4.61796.154498.4626.184-443.943-2301.401-2745.34427-9.64596.154632.8867.582-927.405-6104.182-7031.58748-15.64696.154768.4638.992-1504.233-12021.832-13526.0651∑-3027.986-20987.364-24015.3506.4.4墙底位移单位位移作用下的转角：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：6.5解力法方程衬砌矢高：计算力法方程系数为：以上将单位抗力及相应摩擦力产生的位移乘以,即为被动荷载的载位移。求解方程为：式中：式中：6.6计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力计算公式为：计算过程见附表6.9和表6.10。截面00.000644.7260.000644.7260.000-2.9400.000-2.9401-212.689644.726103.560535.5970.000-2.9400.397-2.5432-829.838644.726408.182223.0700.000-2.9401.564-1.3763-1730.962644.726896.306-189.9300.000-2.9403.4340.4944-2770.482644.7261540.071-585.685-0.161-2.9405.9002.7995-3779.362644.7262302.537-832.099-1.424-2.9408.8214.4576-4607.834644.7263139.493-823.615-4.617-2.94012.0274.4707-5152.066644.7263986.138-521.202-9.645-2.94015.2702.6858-5477.303644.7264840.0517.474-15.644-2.94018.541-0.043表6.9主、被动荷载作用下衬砌弯矩计算表截面00.000605.612605.6120.0002.3202.320163.989588.049652.0380.0002.2532.2532244.417537.178781.5950.0002.0582.0583504.468454.815959.2830.0001.7421.7424803.827347.0161150.843-0.0421.3291.28751081.653218.6261300.279-0.0340.8380.80461292.33678.1241370.4600.2800.2990.57971397.838-45.4211352.4170.826-0.1740.65281466.874-145.9521320.9221.499-0.5590.940表6.10主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表6.7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的偏离，因此修正后有：计算过程列入表6.11。位移值为：最大抗力值为：截面积分系数061992.984-282.6933.802235697.324-1074.7981151499.794-244.5203.631186995.752-887.8514221449.073-132.3083.12867092.700-413.85923-18262.52947.5002.322-42405.593110.29544-56315.955269.1351.259-70901.788338.84125-80009.647428.5580.0000.0000.00046-79193.877429.808-1.382109445.938-593.99527-50115.657258.173-2.780139321.527-717.72248718.655-4.135-4.190-3011.16417.3241∑622234.695-3221.765表6.11最大抗力位移修正计算表6.8计算衬砌总内力按下式计算衬砌总内力：计算过程列入表6.12截面eM/IMy/I积分系数0644.726-531.326113.400605.612403.0121008.6240.11210903.8640.00011535.597-459.57976.018652.038407.1691059.2070.0727309.4351249.91342233.070-248.675-15.605781.595371.9281153.523-0.014-1500.483-1011.32623-189.93089.277-100.653959.283314.8191274.102-0.079-9678.189-12323.71944-585.685505.844-79.8411150.843232.5911383.434-0.058-7677.032-16522.69125-832.099805.482-26.6171300.279145.3011445.580-0.018-2559.331-9730.57746-823.615807.832-15.7831370.460104.6391475.099-0.011-1517.599-7867.23127-521.202485.241-35.9611352.417117.8311470.248-0.024-3457.794-22759.20048-7.8957.4740.4211320.922169.8801490.802-0.0003-28.558-228.2361∑-8205.686-68493.586表6.12衬砌总内力计算表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为零的条件来检查式中：闭合差：式中：闭合差：6.9衬砌截面强度验算（1）拱顶（截面0）（2）截面7式中：——式中混凝土的极限抗压强度，取。（3）墙底（截面8）偏心检查其他各截面偏心距均小于。6.10内力图将内力计算结果按比例绘制成弯矩图与轴力图，如图6.3所示。图6.3衬砌结构内力图

第7章隧道通风照明设计7.1隧道通风设计7.1.1基本条件(1)道路等级：高速公路(2)交通方式：单向双车道（计算上行线）(3)设计行车速度：80km/h(4)隧道高度：7.35m(5)隧道坡度及坡长：上行线：i=1.8%,L=1660m(6)平均海拔高度：H=1083.62m(7)隧道断面：Ar=62.8863m(8)当量直径：Dr=7.84m(9）设计气温：7.4℃(10)设计高峰时交通量：1600辆/h7.1.2车辆组成(1）柴油车：320辆（其中：轻型车80辆；中型货车224辆；重型货车12辆；集装箱车4辆）(2）小客车：280辆(3）轻型货车：80辆(4）中型货车：80辆(5）大型客车、拖挂：40辆7.1.3需风量计算（按80km/h计算）(1）CO排放量计算式中:—CO基准排放量，取0.01（m3/辆·km）；L—隧道长度（m或km）,此处L=1660m；fa—考虑CO的车况修正系数，查表得：fa＝1.0；fd—车密度修正系数，查表得：＝0.75；fm—考虑CO的车型修正系数；Nm—相应车型的设计交通量（辆/h）；n—车型类别数。(2)稀释CO的新风量查表得CO设计浓度δ＝250ppm；隧道所在地设计气压为：隧道所在地平均气温：式中：Qreq(CO)—稀释隧道内CO所需新风量（m3/s）；p0—标准大气压(KPa)，即海平面大气压，取101.325kPa；p—隧道所在地设计气压kPa）；T0—标准气温（K）取273K；(3)烟雾排放量式中：QVI—隧道内烟雾排放量（m2/s）；L—隧道长度（m），此处L＝1660m；qVI—烟雾基准排放量（m2/辆·km），可取2.5m2fa(VI)—考虑烟雾的车况修正系数，查表得：1.0；fd(VI)—车密度修正系数，查表得：0.75；fh(VI)—考虑烟雾的海拔高度修正系数，按下式计算；式中：H—海拔高度（m）；fiv(VI)—考虑烟雾的纵坡－车速修正系数，查表及线性内插得：2.6；fm(VI)—考虑烟雾的车型影响系数；Nm—相应车型的设计交通量（辆/h）；nD—柴油车车型类别数。(4）稀释烟雾的新风量烟雾设计浓度取0.007m－1，则有：式中：Qreq(VI)—稀释隧道内烟雾的新风量（m2/s）；K—烟雾设计浓度（m-1）。7.1.4需风量计算（按60km/h计算）(1)CO排放量计算(2)稀释CO的新风量(3）烟雾的排放量(4)稀释烟雾的新风量烟雾设计浓度取0.0075m－1，则有：7.1.5需风量计算（按40km/h计算）(1)CO排放量计算(2)稀释CO的新风量(3)烟雾排放量(4)稀释烟雾的新风量烟雾设计浓度取0.009m－1，则有：7.1.6需风量计算（按20km/h计算）(1)CO排放量计算(2)稀释CO的新风量(3)烟雾排放量(4)稀释烟雾的新风量烟雾设计浓度取0.0095m－1，则有：7.1.7通风设计计算大型车混入率；设计行车速度80km/h=22.22m/s；自然风引起的洞内风速vn取2.5m/s；隧道长度L＝1660m。1)三种工况车速下自然风风阻ΔPm计算结果一样，故：式中：ΔPm—洞口间的自然风阻力（N/m2）；ζe—隧道入口阻力系数，按0.6取值；λr—隧道墙面摩阻损失系数，按0.02取值，其它通道按规范取值；L—隧道长度（m）；Dr—隧道断面当量直径（m）；vn—自然风引起的隧道内平均风速，可取2～3m/s；ρ—空气密度（＝1.20kg/m3）。2）工况车速为80km/h时(1)通风阻抗Δpr；Qreq＝max{Qreq(CO)、Qreq(VI)}＝max{110.07、260.72}＝260.72m3/s则隧道内设计风速为：那么，通风阻抗ΔPr为：式中：vr—洞内设计风速（m/s）；2）交通风风阻ΔPt；式中：ΔPt—交通风风力（N/m2）；n—隧道内与vr同向的车辆数（辆），：vr—洞内设计风速（m/s）；vt—与vr同向的工况车速（m/s））；Ar—隧道净空断面积（m2）；Am—汽车等效阻抗面积（m2），式中：ACS—小型车正面投影面积（m2），可取2.13m2；ξCS—小型车空气阻力系数，可取0.5；AC1—大型车正面投影面积（m2），可取5.37m2ξC1—大型车空气阻力系数，可取1.0；r1—大型车混入率。综上：则不需要机械通风。3）工况车速为60km/h时(1）通风阻抗Δpr；Qreq＝max{Qreq(CO)、Qreq(VI)}＝max{121.90、274.4}＝274.4m3/s则隧道内设计风速为：那么，通风阻抗ΔPr为：(2）交通风风阻ΔPt；式中：ΔPt—交通风风力（N/m2）；n—隧道内与vr同向的车辆数（辆），：vr—洞内设计风速（m/s）；vt—与vr同向的工况车速（m/s））；—隧道净空断面积（m2）；—汽车等效阻抗面积（m2），其中：ACS—小型车正面投影面积（m2），可取2.13m2；ξCS—小型车空气阻力系数，可取0.5；AC1—大型车正面投影面积（m2），可取5.37m2ξC1—大型车空气阻力系数，可取1.0；r1—大型车混入率。综上：则不需要机械通风。4）工况车速为40km/h时(1）通风阻抗Δpr；Qreq＝max{Qreq(CO)、Qreq(VI)}＝max{183.10、268.23}＝268.23m3/s则隧道内设计风速为：那么，通风阻抗ΔPr为：(2）交通风风阻ΔPt；式中：ΔPt—交通风风力（N/m2）；n—隧道内与vr同向的车辆数（辆），：vr—洞内设计风速（m/s）；vt—与vr同向的工况车速（m/s））；Ar—隧道净空断面积（m2）；Am—汽车等效阻抗面积（m2），式中：ACS—小型车正面投影面积（m2），可取2.13m2；ξCS—小型车空气阻力系数，可取0.5；AC1—大型车正面投影面积（m2），可取5.37m2ξC1—大型车空气阻力系数，可取1.0；r1—大型车混入率。综上：故需机械通风选用900型通风机。其中则则所需通风机的台数为：故所需12台900型通风机7.1.8交通阻滞状态下的通风设计计算交通阻滞工况下，取阻滞段的长度为1Km，CO设计浓度该状态下工况车速为10km/h，设计行车速度为10km/h。1）CO的排放量2）稀释CO的新风量：3）通风设计计算由以上计算知，隧道内设计风速为：(1)自然风风阻ΔPm(2)通风阻抗ΔPr(3)交通风风阻ΔPt车辆数n：其中车速为10km/h,则为2.77m/s综上：隧道所需升压为：则需要机械通风。4）风机选型及配置风机选用900型通风机，其参数为,vj=25m/s,射流风机每台的升压力ΔPj计算为：式中：vj—射流通风机出口的吹出风速（m/s）；Aj—射流通风机出口的面积（m2）；η—射流通风机安装位置摩阻损失折减系数，此处取0.91。则所需通风机的台数为：7.2隧道照明设计7.2.1基本参数后坡隧道照明设计的参数与通风的参数相同，具体参数请见通风设计。7.2.2基本指标(1)入口段亮度：式中：k=0.035，L20=4000cd/m2则入口段长度：其中：接近段长度取100m，h=7m则(2)过渡段亮度：过渡段分三个阶段进行计算：第一段：第二段：第三段：故过渡段亮度为：过渡段长度查表按设计车速取值，得：(3)中间段亮度：查表及线性内插得：路面亮度均匀度：路面中线亮度纵向均匀度：(4)出口段亮度取22.5,长度取60m。7.2.3照明设计1）中间段中间段长度=总长-以上几段长度=1660-79-70-89-133-60=1229m表7.1中间段亮度说明表光源高压钠灯路面类型水泥砼路面功率100W路宽8.75光通量8180灯具安装方式对称布置高度5m倾角10，间距8m养护系数0.7中间段亮度：中间段的平均水平照度为：式中：N—灯具为对称布置时取2；η—利用系数，取0.4；M—养护系数取0.7；S—间距，为8m；W—路宽，为9.00m则则中间段平均段亮度则满足照明要求2）入口段前述计算长度取80m入口段照明由基本照明和加强照明组成，基本照明应按中间段考虑，加强照明可由功率大的灯具构成，灯具参数如下表：表7.2灯具参数表功率400W间距1m光通量40000lm入口段平均水平照度为：则平均亮度为：那么入口段总的平均亮度为;则满足照明要求。3)过渡段(1)过渡段一：灯具功率可取400W，光通量为40000lm，灯具布置间距为4.5m则则>满足此段照明要求。(2)过度段二：灯具功率取250W，光通量为23750lm，布置间距为8m则则>满足此段照明要求。(3)过度段三：灯具功率取100W，光通量为23750lm，布置间距为8m则则>满足此段照明要求。4)出口段灯具功率取250W，光通量为23750lm，布置间距为5m则则>满足出口段照明要求综上所述，满足照明要求。

第8章施工方案设计8.1施工准备后坡隧道进洞口地势较高，不利于布置施工场地，职工住处、配电房、压风机房、混凝土搅拌站、钢筋车间等生产房屋隧道布设不方便。因此，作业队进驻施工场地后，必须做好现场调查，将其建在距离施工洞口不远的地方，且选址时注意方便运输，以及环境保护。此外，作业队进驻施工场地后，还要做好以下施工前准备工作：(1)隧道施工用电由附近乡镇高压电引接，接线长约3.5km，在隧道出口安装两台630kVA变压器，另外配备四台315kW发电机以作备用。(2)施工用水：根据现场条件，后坡隧道出口附近有可供水源的天然河流葫芦河，可从河流处引水，并在施工现场设两个蓄水池。(3)施工用风：在隧道出口设供风站一处，内设电动空压机2台。(4)三管两线布置：综合施工现场实际情况，将高压风管、高压水管、通风管布置在洞口右侧，动力线和照明线布置在左侧。照明线面成洞地段采用220V，掌子面附近采用36V安全电压。(5)砼工厂：在隧道进口设4台JS500强制式拌合机，混凝土由混凝土输送泵输送。(6)必须做好临时交通便道，便于同外界交通，以及各种材料的运输。8.2辅助施工方法 隧道施工过程中，可能会遇到开挖工作面不能自稳，或地表沉陷过大等情况，为了确保隧道工程顺利进行和施工安全，必须采取一定的工程措施对地层进行预支护或预加固，称之为辅助施工措施。预支护措施有预留核心土、喷射混凝土封闭开挖面、超前锚杆、管棚及临时仰拱封底。预加固措施有预注浆加固地层和地表喷锚加固等。而兼有预支护和预加固双重作用的有超前小导管注浆等。辅助措施的选用，应视围岩条件、涌水状况、施工方法、环境要求等因素综合而定，可以单独使用一种措施，也可以几种联合使用。一般在设计阶段应对辅助施工措施有初步考虑，并在设计图中表示出来。在施工阶段往往还要根据开挖的具体情况予以修改，或是加强，或是减弱甚至取消。后坡隧道施工结合地质情况主要采用大管棚超前注浆支护和超前小导管注浆支护。8.2.1大管棚超前注浆支护在隧道开挖之前，沿隧道开挖断面外轮廓，以一定间隔与隧道平行钻孔、插入钢管，再向插入的钢管内压注充填水泥或砂浆，来增加钢管外周围岩的抗剪强度，并使钢管与围岩一体化，形成由管棚和围岩构成的棚架体系。8.2.2超前小导管注浆支护超前小导管注浆也是一种广泛使用的辅助施工措施，它往往与钢拱架一起设置。小导管注浆属于渗入性注浆，虽然钢筋本身的支护能力不如管棚，但其注浆加固地层的效果要比管棚好。超前小导管注浆支护刚度和预支护效果均大于超前锚杆。在开挖掘进之前，先用喷射混凝土将开挖面和5m范围内的隧道围岩壁面封闭，然后沿拱部周边一定范围打入小导管，导管的外插角设置为15°，小导管插入钻孔之后外露长度为20cm，以便连接注浆管。两组小导管的前后纵向搭接长度为1m。小导管采用42mm的无缝钢管，管壁钻有梅花形布置的注浆孔，其孔径为Ф6mm，间距为350mm。注浆以后应进行效果检查，可以用地质钻取注浆后的岩芯检查，也可以用声波探测仪测量岩体声波速度，判断注浆效果。检查结果如为达到要求应进行补孔注浆，如已达到设计要求，可进行开挖。8.3施工设计8.3.1总体方案与部署(1)由于后坡隧道属浅埋松软黄土和弱胶结岩石型隧道，所以不得采用爆破开挖的方法，以免破坏土体结构稳定。并且在不同地质段采用不同的开挖的方法。(2)隧道Ⅵ级围岩段及Ⅴ级围岩黄土段采用矿山法双侧壁导坑法先墙后拱施工；Ⅴ级围岩泥岩段采用新奥法上弧导坑留核心土法先拱后墙施工；Ⅳ级围岩段采用新奥法上下台阶法先拱后墙施工。(3)初期支护要紧跟开挖面，开挖后立即对围岩进行初喷、打设锚杆、挂钢筋网