隧道综合项目工程专业课程设计模板

本科生课程设计课程名称隧道工程学部理工农学部

目录TOC\o"1-3"\h\u3728第一部分隧道主体结构设计任务书 120621一．课程设计题目 12985二．适用专业、班级、时间 130032三．课程设计目标及任务 119675四．设计方法和步骤 56248五．时间及进度安排 520514六．提议参考资料 526368第二部分隧道主体结构计算书 61812.1建筑限界 639312.1.1通常要求 6112702.1.2隧道总体设计标准 6103332.1.3隧道设计技术标准 6306562.1.4隧道建筑限界图 7189592.2内轮廓图确定 8104082.3隧道洞口设计 919182.3.1洞门形式选择 9188272.3.2洞门结构要求 9154682.3.3验算满足条件 10313932.3.4洞门结构设计计算 10301202.4早期支护设计 14135842.4.1支护形式选择及参数确定 14125562.4.2Ⅲ级围岩早期支护设计 15275052.4.3早期支护设计及验算 17231442.5二次衬砌计算 25305932.6施工组织设计 26217432.6.1编制说明 2616412.6.2工程概况

2673902.6.3工程特点、难点及施工方法 27682.6.4施工总体布署

27111202.6.5施工组织机构

2832722.6.6施工组织步骤 2922364附图 3097881、建筑限界图、内轮廓图 30323752、洞口立面图 30299883、洞口侧面图 30269284、复合式衬砌断面部署图 30第一部分隧道主体结构设计任务书一．课程设计题目隧道主体结构设计二．适用专业、班级、时间张家界学院学院建筑工程专业三．课程设计目标及任务（一）设计目标：经过本设计掌握：建筑限界和内轮廓图；隧道洞口设计；隧道洞身设计及二次衬砌验算；④施工组织设计。（二）设计任务：1.设计资料（1）隧道总体概况已知隧道为山岭两车道公路隧道，示意简图图1.1所表示。整个隧道原本分为左右线，而且左右线全部为相向施工，但此次课程设计只要求设计单洞单向施工抵达贯通位置情况，只要求设计主洞通常断面，不要求设计紧急停车带和横洞等隶属洞室。隧道采取新奥法理念施工，隧道采取复合式衬砌，设计使用年限为1。图1.1隧道示意图表1.1不一样围岩等级文中简写表示意义围岩情况描述Ⅲ级Ⅲ级围岩砂岩，岩体较完整，块状结构Ⅳ级Ⅳ级围岩页岩，岩体局部破碎，层状结构Ⅴ级Ⅴ级围岩砾岩，岩体破碎，泥质胶结表1.2围岩计算参数围岩等级重度（kN/m3）弹性抗力系数（MPa/m）变形模量（GPa）泊松比内摩擦角（°）粘聚力（MPa）Ⅲ级围岩251200200.3501.5Ⅳ级围岩2350060.35390.7Ⅴ级围岩2020020.45270.2表1.3不一样设计行车速度文中简写表示意义速A设计行车速度为100km/h速B设计行车速度为80km/h速C设计行车速度为60km/h表1.4不一样隧道设计长度文中简写表示意义长A表示隧道设计长度1500m长B表示隧道设计长度2500m长C表示隧道设计长度3500m注：洞口段可选为40m长(2)隧道洞口段依据规范设计洞门并对洞门挡土墙进行验算。洞门挡土墙倾斜度和嵌入基底深度依据规范选定。图1.2埋深示意图表1.5不一样洞口段埋深文中简写洞口段埋深（m)洞口A2.5洞口B3.5洞口C4.5(3)隧道洞身段依据围岩等级和隧道洞身段埋深计算围岩压力，依据《公路隧道设计规范》185页荷载分担百分比表，确定早期支护和二次衬砌荷载分担百分比。依据规范选定早期支护和二次衬砌设计参数。表1.6不一样洞身段埋深文中简写隧道洞身段埋深（开挖轮廓线拱顶至地表距离）洞身A15m洞身B30m洞身C50m洞身D70m洞身E90m洞身F120m(4)验算二次衬砌强度现在数值模拟软件已经广泛应用于隧道设计中，确定二次衬砌设计参数后，最好用某一个数值模拟软件计算二次衬砌内力，深入验算二次衬砌全部截面强度。因为此次课程设计时间短，没有足够时间学习数值模拟软件，所以下面假定已经计算出了二次衬砌内力（二次衬砌设计参数和荷载不一样，计算出来内力也不一样），同学们根据图中指定截面，验算二次衬砌在这一截面强度，目标是掌握计算原理和思绪。图1.3二次衬砌验算指定截面(注：你设计二次衬砌可能有仰拱也可能无仰拱，但不影响这里验算)表1.7不一样截面二次衬砌内力文中简称轴力(kN)剪力(kN)弯矩(kN×m)截面A-2506-64-43截面B-208614526截面C-2823-5110(5)施工组织设计施工组织设计包含施工方法、各工序施作时机、人员配置、关键材料、机械设备、进度计划等。每个人隧道围岩等级、隧道埋深和隧道长度等不一样，所以制订隧道施工组织设计也应不一样。2.设计工作及要求每个人针正确工程情况全部有不一样之处（详见下表），自己只做自己对应工况，不要剽窃她人设计。表1.8设计分组情况一览表学号设计工况1，16，31，46Ⅲ级速C长A洞口A洞身A截面A2，17，32，47Ⅳ级速B长C洞口B洞身B截面B3，18，33，48Ⅴ级速A长C洞口C洞身C截面A4，19，34，49Ⅲ级速C长A洞口A洞身D截面C5，20，35，50Ⅴ级速B长B洞口C洞身E截面B6，21，36，51Ⅳ级速C长C洞口B洞身F截面C7，22，37，52Ⅳ级速A长B洞口B洞身B截面A8，23，38，53Ⅲ级速A长A洞口A洞身C截面A9，24，39，54Ⅴ级速B长A洞口C洞身D截面B10，25，40，55Ⅳ级速C长C洞口B洞身E截面C11，26，41，56Ⅴ级速A长B洞口C洞身F截面A12，27，42，57Ⅲ级速C长A洞口A洞身A截面C13，28，43，58Ⅴ级速B长B洞口C洞身C截面B14，29，44，59Ⅲ级速C长C洞口A洞身A截面C15，30，45，60Ⅳ级速B长B洞口B洞身B截面B每位同学均应依据上表分组名单和对应设计时速完成本设计，应完成设计工作包含：（1）依据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑限界图及内轮廓图。（2）设计隧道洞门（如采取端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡土墙，绘制隧道洞门立面图和侧面图。（3）计算隧道洞身段围岩压力，依据《公路隧道设计规范》185页荷载分担百分比表，确定洞身段早期支护和二次衬砌荷载分担百分比。依据规范选定洞身段早期支护和二次衬砌设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面部署图。（4）验算指定截面二次衬砌强度，假如强度不合格，指出应采取方法。（5）编制施工组织设计，内容既包含进洞方法和超前支护方法，也包含洞身段施工方法、各工序施作时机、人员配置、关键材料、机械设备、进度计划等。3.图纸要求采取3号图纸，百分比自行确定。4.应提交设计结果应提交给指导老师设计结果包含：（1）设计说明书一份，包含前述应完成设计工作各项内容，内容具体充实，能表现出设计具体过程，写明设计参数选择依据，尤其要具体写明洞门挡土墙验算、围岩压力计算、二次衬砌截面强度验算等计算过程。（2）设计图纸一套，包含前述应完成设计工作各项图纸，要求线条清楚、整齐美观，符合相关制图规范及百分比要求。图纸首先采取计算机CAD绘制，然后一律采取A3图纸打印出来上交。四．设计方法和步骤（1）依据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑限界图及内轮廓图。（2）设计隧道洞门（如采取端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡土墙，绘制隧道洞门立面图和侧面图。（3）计算隧道洞身段围岩压力，依据《公路隧道设计规范》185页荷载分担百分比表，确定洞身段早期支护和二次衬砌荷载分担百分比。依据规范选定洞身段早期支护和二次衬砌设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面部署图。（4）验算指定截面二次衬砌强度，假如强度不合格，指出应采取方法。（5）编制施工组织设计，内容既包含进洞方法和超前支护方法，也包含洞身段施工方法、各工序施作时机、人员配置、关键材料、机械设备、进度计划等。五．时间及进度安排1.部署设计内容及准备相关参考书、设计规范：0.5天

2.建筑限界和内轮廓图：0.5天

3.洞口设计：1天

4.洞身设计：1天

5.二次衬砌验算及施工组织设计：1.5天

6.完成设计说明书及相关图纸：0.5天六．提议参考资料1.《隧道工程》，陈秋南.北京：机械工业出版社，.2.《公路隧道设计细则JTG/TD70-》，中国交通运输部，北京：人民交通出版社，.3.《公路隧道设计规范JTGD70-》，中国交通部，北京：人民交通出版社，.4.《公路隧道施工技术规范JTGF60-》，中国交通运输部，北京：人民交通出版社，.5.《铁路工程设计技术手册-隧道》，北京：中国铁道出版社，1995.6．《交通隧道工程》，彭立敏.长沙：中南大学出版社，.

第二部分隧道主体结构计算书2.1建筑限界2.1.1通常要求隧道设计应满足公路交通计划要求，其建筑限界、断面净空、隧道主体结构和通风、照明等设施，应按《公路工程技术标准》进行设计。当近期交通量不大时，可采取一次设计分期修建。2.1.2隧道总体设计标准（1）隧道设计遵照充足发挥隧道功效，安全、经济建设隧道基础标准。设计中有完整勘测、调查资料，综合考虑地形、地质、水文、气象和交通量及其组成，和营运和施工条件，进行多方案技术、经济、环境保护比较，使隧道设计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术优异要求。（2）隧道主体结构按永久性建筑设计，含有要求强度、稳定性和耐久性；加强隧道支护衬砌、防排水、路面等主体结构设计和通风、照明、供配电、消防、交通监控等营运设施设计之间协调，形成合理综合设计。对相关技术问题开展专题设计和研究。（3）隧道土建设计表现动态设计和信息化施工思想，制订地质观察和监控量测总体方案。（4）隧道设计落实国家相关技术经济政策，主动慎重地采取新技术、新材料、新设备。（5）隧道设计必需符合国家相关国土管理、环境保护、水土保持等法规要求。注意节省用地，保护农田及水利设施，尽可能保护原有植被，妥善处理弃渣和污水。2.1.3隧道设计技术标准（1）公路等级：一级公路。（2）隧道设计速度：60km/h。（3）隧道建筑限界标准见表2.1。（4）隧道纵坡不应小于0.3%，通常情况不应大于3%，对于受地形限制中、短隧道可合适加大，不宜大于4%。本隧道为短隧道。（7）设计荷载：公路－I级。

2.1.4隧道建筑限界图可确定限界参数如表2.1所表示：设计速度（km/h）车道宽度W侧向宽度L检修道J左侧右侧左侧右侧6020.500.750.750.75表2.1建筑限界设置(单位：m)隧道建筑限界净宽：9.75m，净高：4.5m。因为本隧道为两车道短隧道，所以本隧道不设置紧急停车带和横向通道。建筑限界图1.1。图2.1隧道建筑限界

2.2内轮廓图确定依据《公路隧道设计规范》（JTGD70-）要求，隧道内轮廓拱部为单心半圆=514cm，侧墙为大半径圆弧=764cm，仰拱圆弧半径=1500cm，仰拱和侧墙间用一个小半径圆弧连接=100cm。两车道60km/h标准内轮廓图图2.2。图2.2隧道内轮廓图

2.3隧道洞口设计2.3.1洞门形式选择隧道进口在Ⅲ级围岩中，结合洞口排水要求，遵从“早进洞，晚出洞”设计标准，并考虑洞门实用、经济、美观等原因，综合考虑，该隧道进口洞门采取“端墙式洞门”。端墙式洞门简图见图2.3.1。图2.3.1端墙式洞门简图2.3.2洞门结构要求（3）洞门墙基础必需置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够深度，确保洞门稳定。基底埋入土质地基深度大于1.0m，嵌入岩石地基深度大于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下大于0.25m。基底埋置深度应大于墙边多种沟、槽基底埋置深度。（4）松软地基上基础，可采取扩大基础方法。2.3.3验算满足条件采取挡墙式洞门时，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－）要求，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》、《公路桥涵地基和基础设计规范》相关要求。2.3.4洞门结构设计计算1、计算参数确定（1）边、仰坡坡度1：0.1；（2）仰坡坡率1：0.5；（3）地层容重；（4）地层计算摩擦角；（5）基底摩擦系数0.6；（6）基底控制应力。2、建筑材料容重和许可应力（1）墙端材料为水泥砂浆片石砌体，片石强度等级为Mu100，水泥砂浆强度等级为M10。（2）许可压应力，重度。3、洞门各部尺寸确定端墙式洞门正墙斜度取1：0.1，仰坡坡率取1：0.5，设端墙厚度为B=2.0m，设基础埋深为1.8m(其中基底采取阶梯状扩大基础，其中上层阶梯为0.3m。下层阶梯为0.7m，基底宽度为)，预留变形量为0.05m，衬砌厚度为0.5m，其中衬砌拱顶到截水沟沟底距离为1.1m，截水沟厚度为0.2m，截水沟沟底到仰坡坡底距离为0.5m，仰坡坡脚到洞门墙背水平距离为a=2m，设墙H=12m。本隧道取条带宽度b=1m。图2.2洞门侧视图1、洞门土压力计算边坡坡率1:0.5，查表 最危险破裂面和垂直面夹角：（3.2）==0.266故：土压力系数按下式计算：（3.3）洞门土压力按下式计算：（3.4）δ为墙背摩擦角墙体自重按下式计算:（3.5）2、洞门抗倾覆验算依据公式（3.6）（3.7）（3.8）故：满足抗倾覆要求。3、洞门抗滑移验算（3.9）故满足抗滑动要求。4、基底协力偏心矩验算和基底承载力验算设作用于基底协力法向分力为，其对墙址力臂为，协力偏心距为e，则：（3.10）满足计算要求（3.11）可得：符合地基承载力要求。5、墙身截面偏心矩验算及强度验算墙身偏心矩：（3.12）式中：——计算截面以上各力对截面型心力矩代数和；——作用于截面以上垂直力之和。将数据代入墙身偏心矩公式，得可：所以计算结果满足要求。应力：所以计算结果满足要求。经验算，翼墙验算也满足要求。2.4早期支护设计2.4.1支护形式选择及参数确定隧道洞口处围岩为Ⅲ级围岩，隧道洞身围岩为Ⅲ级围岩，隧道采取复合式衬砌支护，即由早期支护、二次衬砌和中间防水层组合而成衬砌形式进行支护。同时还采取大管棚、小导管等预支护方法。其中早期支护采取喷射混凝土、钢筋网、钢拱架支护。依据《公路隧道设计规范》（JTGD70-）相关要求，二车道复合式衬砌在Ⅲ级围岩条件下。早期支护采取喷锚支护方法，早期衬砌厚度10cm，二次衬砌厚度35cm；锚杆采取中空注浆锚杆，锚杆直径为20mm，长度为300cm，钢筋网直径为10mm。二次支护为模筑混凝土，混凝土强度等级为C35，厚度为10cm。2.4.2Ⅲ级围岩早期支护设计1、隧道深浅埋确定：深埋和浅埋隧道分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等原因综合判定。在Ⅲ级围岩条件下:式中：深浅埋隧道分界深度；荷载等效高度，。已知在Ⅲ级围岩下，隧道宽度为，围岩容重为，则围岩坍塌高度为：式中：围岩等级；围岩重度；隧道宽度；每增减时围岩压力增减率，当m时取。荷载等效高度：故分界深度：埋深，小于，属浅埋隧道。2、隧道围岩压力确实定Ⅲ级围岩围岩压力计算：依据《公路隧道设计规范》（JTGD70-），Ⅲ级围岩物理力学指标值：重度，弹性抗力系数，变形模量，泊松比，计算摩擦角，内摩擦角，粘聚力。图2.4.1浅埋隧道围岩压力计算隧道埋深H=2.5m，小于等效荷载高度，荷载视为均布垂直压力，按下式计算： （4.1）式中：q——垂直均布压力（）;——隧道上覆围岩重度（）；H——隧道埋深（m），指坑顶至地面距离。图2.4.2浅埋隧道支护结构上荷载侧向压力e按均布考虑时其值为：(4.2)其中：2.4.3早期支护设计及验算本隧道处于Ⅲ级围岩中，开挖半径为5.64m(R1=5.14m，预留变形量50mm，早期衬砌厚度10cm，二次衬砌厚度35cm)，现以Ⅲ级围岩取最大埋深1.5m处计算：支护材料取喷射混凝土采取C25，厚度为10cm，钢筋网选择HPB235钢筋，钢筋直径10mm，网格间距25×25cm。锚杆为全长粘结型，长度3m，直径20mm，间距1m×1m，选择HRB335，带垫板，其尺寸为150mm×150mm×6mm。钢支撑选择工字钢，每榀间距1m。采取剪切滑移破坏法计算：图2.4.3剪切滑移破坏法示意图1、喷混凝土提供支护抗力P1值（为围岩内摩擦角）其中，为剪切滑移面和最小主应力轨迹线成角，a、均见图2.4.1，b为剪切区高度。为加固带高度，取l为形成加固带时锚杆有效长度，t为锚杆横向间距（见图4.3），则有：(4.5)得：将全部数据代入式得：计算时可换算成对应喷混凝土支护抗力，即(4.6)式中:——每米隧道钢材当量面积，此处取35.58cm2；得：代入式中，得：2、锚杆提供支护抗力P3值锚杆受力破坏有两种情况：（1）锚杆体本身强度不足而被拉断。这种情况下锚杆提供平均径向支护抗力：(4.7)式中F——锚杆断面积；——锚杆抗拉强度；e、t——锚杆纵向及横向间距。则锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆和孔壁之间粘结力不足而破坏。这种情况下锚杆提供平均径向支护抗力：(4.8)式中S——为锚杆抗拔力，即锚杆锚固力，；D——钻孔直径，在此设计中取D=60mm；L——锚固段长度；——孔壁和注浆体之间极限粘结强度，砂岩取=0.85MPa则代入式中得取其中最小值，则取锚杆提供平均径向支护抗力。因为在范围内锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则：3、围岩本身提供支护抗力P4值剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上抗滑力，其水平方向分力在剪切区高度b/2上抗滑力P4为式中——剪切滑移体长度，其值为=8.64——分别为沿滑移面剪切应力和垂直于滑移面正应力，它们按摩尔包络线为直线时假定求出（见图）：由图4.3可知将式中值代入上式，得图2.4.4包络线图式中为围岩物理力学指标，径向主应力值随剪切滑移面上位置而改变，难以确定，所以假定等于各支护结构所提供径向支护抗力之和，即式中——喷混凝土层提供支护抗力——钢支撑提供径向支护抗力——锚杆提供径向支护力则将值代入式得将代入式得将以上数据代入式得将代入式中，得4、最小支护抗力值Pmin按重力平衡条件求解。塑性区岩体，随塑性径向位移增加而形成松散区。松散区岩体因为重力作用而形成松散压力，为保持坑道稳定，用支护力和它平衡（图4.5）。当处于受力极限平衡状态时，所求得支护抗力即为。确定路径有：①由现场实测塑性区半径r求（按重力平衡条件求）；②依据坑道周围许可位移值求；③实地量测形变压力作为；④依据围岩特征曲线求。图2.4.5开挖支护后坑道受力示意图当滑移体处于受力极限平衡状态时，选择①路径求得：则式中——为围岩重度，此处Ⅲ级围岩，取=25KN/;——为初始应力，设处于均质岩体中，则——则得：得：即，设计支护满足要求。可得出Ⅲ级围岩条件下早期支护，见下表：表2.4.1各级围岩早期支护参数表围岩等级喷混凝土钢筋网锚杆钢架设置部位/厚度（cm）网格间距（cm）（环×纵）设置部位长度（m）间距（环×纵）（m）规格每榀间距（m）Ⅲ拱墙、仰拱1025×25拱墙3.01×1I20a工字钢1.0（全环）

2.5二次衬砌计算

Ⅲ级围岩中，采取复合式衬砌，早期支护根据工程类比法设计，二次衬砌采取荷载结构法计十算，依据《公路设计施工规范》，其中Ⅲ级围岩中二次衬砌为完全贮备，所以不需要进行计算。图2.5.1《公路设计施工规范》

2.6施工组织设计2.6.1编制说明1、编制依据1.《隧道工程》，陈秋南.北京：机械工业出版社，.2.《公路隧道设计细则JTG/TD70-》，中国交通运输部，北京：人民交通出版社，.3.《公路隧道设计规范JTGD70-》，中国交通部，北京：人民交通出版社，.4.《公路隧道施工技术规范JTGF60-》，中国交通运输部，北京：人民交通出版社，.5.《铁路工程设计技术手册-隧道》，北京：中国铁道出版社，1995.6．《交通隧道工程》，彭立敏.长沙：中南大学出版社，.2、编制标准（1）资源节省和环境保护标准。

（2）符合性标准，满足建设工期和工程质量标准，符合施工要求。

（3）标准化管理标准。

（4）科学、经济、合理标准。

（5）引进、创新、发展标准。

（6）“六位一体”管理标准。

（7）指导性纲领和动态控制相结合标准。

2.6.2工程概况

1、基础概况

隧道长1500m，为两车道一级公路隧道；Ⅲ级围岩线路长1500m占隧道总长100%。

2、关键设计技术标准

公路等级：I级。

设计速度目标值:60km/h。3、洞身施工隧道进洞应采取超前锚杆对围岩岩体进行超前预支护，在超前锚杆支护下再开挖进洞，Ⅲ级围岩要求用交叉中隔壁法法施工，开挖后应立即进行支护，隧道施工时应确保锚杆及喷身混凝土施工质量。隧道采取喷锚早期支护，早期支护和二次衬砌之间拱墙铺设防水卷材，二次