隧道工程实践设计

《隧道工程》课程设计

一目日勺和任务

课程设计是专业课教学计划中日勺重要环节。通过该教学环节使学生对所学曰勺理

论知识有更深的认识与提高，并应用于实际工程设计，巩固本课程所学知识，提

高学生分析问题和处理问题日勺能力。

二设计规定

①必须按照设计任务书的规定完毕所有规定内容，严格遵守国家颁布的有关技术

规范和规程。

②设计图件采用计算机或铅笔绘制，规定线条清晰，整洁美观，符合有关建筑制

图规范。

③阐明书一律用碳素墨水抄写公正，文句通顺，简要扼要，文中计量单位一律采

用国标。

三设计资料

船溪隧道进口位于新晃县杉木塘村，出口位于新晃县兴隆乡龙马田村。本隧道

所处路段为双向四车道高速公路，隧道建筑限界按80km/h行车速度确定。为分

离式单向行车双线隧道。隧道左线起汽桩号为2K69+840~2K71+770,全长1930m,

右线汽桩号为YK69+870、YK71+835,全长1965nb按隧道分类左、右线均属长隧

道；左线隧道位于R=3000m的圆曲线内，右线隧道位于R=35000m的圆曲线内。

左右线均不设置超高。左线位于1.1%的上坡与0.66%时下坡，竖曲线半径R=3500m

照曲线上，右线位于1.1%日勺上坡与0.66%时下坡，烧曲线半径R=35000ni日勺竖曲

线上。

隧址位于湖南省新晃县波洲镇与兴隆乡境内，属于低山区地貌，地形起伏较大,

隧道穿越二道冲沟，隧道最大埋深约188nb隧道进口及出口山体坡度较大，约

40°~50。，隧道进口及洞身上坡上遍及杉树、灌木，出口山坡植被较少。

根据国家质量技术监督局于2001年2月2日公布的《中国地震动参数区划图》

查得：隧道区地震动反应谱特性周期为0.35s；地震动峰值加速度不不小于

0.05g,参照其附录D。地震基本烈度不不小于VI度，由于勘察场地地形起伏较

大，应考虑地形对地震动参数I为放大作用。

该勘察区属亚热带季风气候区，气候温和湿润，雨量充沛。12月至翌年1月

为枯水期，降水量最小，从2月份起见增。『8月为雨水期，降水量最大，大气

降水是当地区地下水及地表水重要补给来源。

根据当地水文工程经验,本区地表水及地下水对碎无侵蚀性，防护等级为常规。

综上所述，隧道去水文地质条件较简朴。

四设计任务

①根据资材规定设计80km/h行车速度日勺公路隧道日勺建筑限界和设置紧急停车带

的建筑限界并画出有关图。

②试设计80km/h行车速度Fl勺原则断面并画出有关图。

③当隧道开挖通过的是III级围岩时，试设计计算喷射混凝土的厚度和锚杆的布置

并画出一种断面口勺有关图。

④隧道出口洞门是端墙式洞门，端墙高出隧道拱顶2m,试设计

该洞门并进行有关验算，并画出有关图。

五参照资料

①《公路隧道设计规范》JTGD70-2023

②《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1T999

③《公路工程技术原则》JTJ001-97

④《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89

⑤《锚喷混凝土支护技术规范》GBJ86-85

⑥《地下工程放水技术规范》GB50108-2023

⑦覃仁辉，《隧道工程》，2023,重庆大学出版社。

⑧彭立敏，《交通隧道工程》，2023,中南大学出版社。

⑨陈秋南，《隧道工程》，2023,机械工业出版社。

六计算设计

I建筑限界

隧道建筑限界是为了保证隧道内多种交通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障碍物日勺空间限界。

隧道建筑限界由行车道宽度肌侧向宽度L,人行道R或检修道等构成。如图

所示。

西1350离

图中W：行车道宽度，按《公路工程技术原则》有关条文规定。

S：行车道两侧路缘带宽度

C：余宽。当计算行车速度不小于或等于100km/h时为0.5m,计算行车速度不不

小于100km/h,为0.25m

H：净高。汽车专用公路，一般二级公路为5m,三、四级公路为4.5m

E：建筑限界顶角宽度。当LWlm时,E=L；当L>lm时，E=lm；

L：侧向宽度

J：检修路宽度

h：检修路高度

其中检修道功能如下：

①便于养护人员、司机处理紧急事故，而不影响交通。

②检修道日勺路缘石可以阻挡车辆爬车道是检修人员的安全限界。

③检修道路缘石可以作为驾驶员的行驶方向，比车道边线更能吸引驾员H勺注意

力，有助于行车安全。

④检修道下部空间可以用来安装管线等附属设施。

检修道高度h按表3-1取值。

设计速度

<km/h>120100806040-20

h<cm>80-6060-4040-3030-2525或20

注：在设计速度一定的条件下，可按隧道长短取值。

在建筑限界内不得有任何部件入侵，隧道建筑限界啊基本宽度应按有关规定取

值，并符合如下规定。

①当设置检修道或人行道时，不设余宽。当不设置人行道或检修道时，应设置

不少于25cmH勺余宽

②隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单向坡面；当隧道为双向交通时,

应取双面坡，坡度一般可取1.5%〜2.0%

③隧道纵坡设计日勺重要原因是通风问题，一般采用“人字坡”。一般把纵坡中控

制在2%如下为好。本隧道设计纵坡值为1.1%〜0.66%,均在2%之下，符合规

范规定。

高速公路及一级公路隧道内应设检修道。汽车专用公路隧道只在左侧设检修

道。检修道或人行道的高度可按20、80cm取值，并综合考虑如下原因：

1.检修人员步行时的安全

2.紧急状况时，驾车人员拿取消防设备以便

3.满足其下放置电缆，给水管等日勺空间尺寸规定

H隧道日勺建筑限界确实定

本设计中隧道设计规定为80km/h高速公路，根据原始资料，本隧道为山隧道,

高速公路原则单向两车道，设计车速为80km/h,根据《公路隧道设计规范》，确

定欧J建筑限界取值如下。

行车道宽度：W：W=2X3.75=7.5m

路缘带宽度:S：S=0.5m

余宽:C=Om

侧向宽度L：L=S+C=0.5m

检修道宽度J：J=0.75m

检修道高度h：h=0.3m

顶角宽度E：E—L—0.5m

隧道建筑限界高度H：H=5.0m

隧道建筑限界净宽：9.75m+0.25m=10.00m

隧道建筑限界示意图如下，隧道内横向采用单向坡坡度为1.6%。

紧急停车带

由于该隧道为长隧道，因此在隧道中应设紧急停车带，由《公路隧道设计规范》

(JTGD70-2023)规定，紧急停车带时间距不适宜不小于750m,包括右侧向宽度

在内紧急停车带宽为3.5%有效长为30m,过渡段长度为5m。

50105050

隧道衬砌原则内轮廓设计

根据《公路隧道设计规范》(JTGD70-2023)规定，隧道日勺内轮廓线原则拱部为单

心半圆为二550cm,侧墙为大半径弧&=780cm。仰类圆弧半径尺:1600cm,仰拱与

侧墙同用一种半径圆弧连接&二105cm,两车道80km/hH勺原则断面图如下:

0,

o

V

W6

I9P

L

in佐厚度与锚杆布置的设计

设计原始资料规定：当隧道开挖通过的是山级围岩时，设计喷射混凝土日勺厚度和

锚杆的布置，因此根据《公路隧道设计规范》(J7G-2023)查得

III级围岩隧道的宽度与高度II确实定可按下式进行计算。

B=2r+2d+2e=2X5.5+2X0.45+2X0.04=11.98m

H=Hi+r+d+e=l.61+5.5+0.45+0.04=7.60m

式：r.——拱部圆弧半径

d——衬砌厚度值为0.45

c——预留变形取0.04

H.——路面至起拱线向高度

①判断隧道深、浅埋

in级围岩深埋和浅埋日勺分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件，施工措

施等原因综合判断，按等效荷载高度计算公路如下：

HP=(2-2.5)Kg

式中乩：隧道深浅埋的边界高度

Hg：等效荷载高度：hg=g/h

q:垂直均布压力:KN/m3

在矿山法施工条件下，IV—VI级围岩取H『2hg,I—IH级围岩取H/2.5hg,

因此本隧道取H,=2.5hg«

又由于q=0.45X2sl*r*w

式中：S：围岩级别S=3

r:围岩重度。r=24KN/m3

w:宽度影响系数。W=l+i(B-5)

B：隧道宽度，前面己算出B=11.98m

i以B=5m为基础，B每增长Ini时，围岩压力增减率，当BV5ni时，取iR.2,

当B>5m时，取i=0.1,由于B为11.98m,因此i取0.1

将数据代入式q=0.45*2'*r*\v得

q=0.45X23-1X24X[l+0.1(11.98-5)]=0.0733KN/m2

hq=q/r=73.3/24=3.056m

Hp=2.5hq=2.5X3.056=7.64m

原始设计中提到本隧道最大埋深为188m,远不小于乩因此本隧道中既有浅埋

乂有深埋段。

②设计参数确实定

由上节可知，III级围岩压力p=q梁=0.0733MPa,考虑到在初期支护时会碰到多

种偶尔原因，如地震日勺影响，温度的变化，雨季时地下水日勺影响，取p=2.DMPa

并根据《公路隧道设计规范》(JTGD70-2023)表A0.4-1得

c=i.OMPa,^=45,E=1.2xlO4MPa,u=0.28

设计时为了简化计算，将隧道当作圆形洞室。如下图:

根据隧道内轮廓和建筑限界，设阿==5.99〃?“=5.5〃2,〃=8.79m,锚

杆时间距i=L2,e=1.2,锚杆日勺直径采用HRB335级中20钢筋。

A,=3.142X10」nf,弹性模量Ea=2.1X10Wa,抗拉强度M=268MPa,抗剪强

度乙二335MPa,安全系数K=0.6,喷层混凝土采用C20,u=0.2,弹性模量Ec=2.8

X10'MPa,无锚杆时的围岩位移ULO.002,有锚杆时H勺围岩位移

U；=0.5u=0.0001

③计算根据以上设定H勺计算参数和前面已算出口勺数据已知:

夕二夕尸45°C产Ct^^=1.0+335X3.124X107(1.2X1.2)=1.073

ei

由公式得

21k°22x8为X5.99：%00。3m

P=

记+^4.8362+7.3632

—=——-——二一--[2xsin45°+l88cos45°J=0.39X103MPa

4G4E/2(\+u)2xl(XX)0

F

剪切刚度：Gc二“@

2(l+uJ

Kc=阻二^~年1——=387.04169MPa

r0[(l—2u)宿+白

又因查规范得公式

MR：

Q・k(

4Gvc'o

PT

4

2GMg

PL«方)i

ror\4G“

R“="0+Gctan@（l-sin。）^l-sin^,

2s,n

IPi+P.+Gctan仪幻.^pj（i+sin/）^

巧I-sinr.

通过计算得R；=3.7809,将R；；代入Pj、几、。的计算公式中求得:

p=0.17539MPa,p（=0.000266MPa,Q'=0.000383MPa

因此洞壁位移

M（R；y_0.39x10-3x3.7809

必=一=0.00023//?

4G%5.99

①锚杆H勺设计与计算

为了锚杆充足发挥作用，应使锚杆应力尽量靠近锚杆的抗拉强度，并有一定

的长度

4

锚杆日勺抗拉安全系数K,应在1-1.5之间

~等5

按本措施计算，锚杆有一种最佳长度，这一段长度将使喷层受力最小，为了

防止锚杆和围岩一起坍落，锚杆H勺长度必须不小于松动区日勺厚度，并且有一

定的安全度，即规定〃＞凡

,,R=彳（尸+G（tan@）（l-sin@）J-sin]

°[〃,+P0+G（tan例）（1+sin/）]2sin四

代入数据得%=5.014m

=8.79>^=5.014满足规定

锚杆间距应满足下列规定

<1

-2口一2

I?

——=0.43<0.5

r-rQ8.79-5.99

i1.2

=0.43<0.5满足规定

rc-r{}8.79-5.99

因此用长度为5.014mH勺锚杆间距i,e都为1.2mH勺这一锚杆设计方案符合设计

规定。

②喷层日勺设计与计算

喷层除了作为构造起到承重作用外，还要向围岩提供足够的反力，维护围岩日勺稳

定性。为了验证围岩日勺稳定，需要计算最小抗力Pmm以及围岩的稳定性安全系数

匕,松动区内滑体重力G为

2G=rb（R-V.）=Pmnb

根据《公路隧道设计规范》可查得公式

乙\/i•\l-sin-

p_「任［c〃+O（tan例）（lsina）丫。）

'—凡+G（tang）（l+sin。）

代入数据到公式得：Pmin=0.0482MPa

又由于&2=旦

Pmin

规定鼠时数值应在2-4.5之间

='=四型=3.6满足规定

Anin0.0482

作为喷层的强度校核，规定喷层内壁切向力不不小于喷层混凝土抗压强度，按壁

厚筒理论有:

za?p.

式中。=区；Rh为喷层混凝土抗压强度设计值。

r为喷层混凝土内壁半径。

,2

5)=p.二一=2A251MPa<Rh=llMPa

a~-1

满足规定。喷层厚度t

式中勺为喷层的安全系数取L2

t=k.r,[.1一1]=1.2x5.99x[/〔-l]=0.1272bn<0.13m满足规

EPF

定

因此喷层混凝土厚约为12.7cm,符合设计规定，详细日勺锚杆布置图见图纸。

③洞门验算

根据设计资料本隧道使用的端墙门（带挡土墙），符合洞门设计的试验，经济

美观等，端墙式洞门简图如下:

1.洞门口勺构造规定

按《公路隧道设计规范》洞门构造规定

（1）洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离k适宜不不小于1.5m,洞门墙顶

高出仰坡脚不不不小于0.5m

（2）洞门墙根据实际需要设置伸缩缝，沉缝和泄水孔。洞门墙的厚度可按

计算式结合其他工程类比确定。

（3）软土地基上H勺基础，可采用加固基础措施，洞门构造应满足抗震规定。

2.验算满足规定条件

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「付稳定性，验算时应符合表3-1和表

3-2（《公路隧道设计规范》）的规定，并应符合《公路路基设计规范》《公

路桥涵地基与基础设计规范》FI勺有关规定。

洞门墙设计参照表

容重

基底控制应力

仰坡坡率计算摩擦角叭）7（加廿）

基底摩擦系数f（MPa）

1:0.570250.60.8

1:0.7560240.50.6

1:150200.4

1:1.2543-45180.4

1:1.538-40170.25

洞门重要验算规定表

墙身截面荷载W构造抗力墙身截面W构造抗力

效应值Sd效应值Rd荷载效应值效应值&（按极限状态计算;

滑动稳定安全系数

墙身截面偏心距eW0.3倍截面厚度kc21.3

倾覆稳定安全系数

基底应力。W地基容许载力k021.6

岩石地基W

B/5-B/4

土质地基WB/6（B：

基底偏心距。墙底高度）

3.计算参数

根据以上两表，并杳得有美规范，设计计算参数如下:

①边、仰坡坡度：1:0.5

②仰坡坡角£二63,tan£=1.96,。二5

③地层容重y=24KN/"P

④地层计算摩擦角中=65

⑤基底摩擦系数：0.5

⑥基底控制压力［cr］=0.7MR/

4.建筑材料的容亘和容许应力

①端墙式的J材料为水泥砂浆片石砌体，片石H勺强度等级为M80,水泥砂浆的

强度等级为M20

②容许压应力［b(J=2.2MRz,重度％=22KN/加3

5.洞门各部尺寸确定。

根据《公路隧道设计规范》，结合洞门所处地段日勺工程地质条件，确定洞

门端墙高度：12m,基中基底埋入地基的深度为1.70m,墙厚为1.20m,

设计仰坡为1：0.5

6.洞门土压力计算

根据《公路隧道设计规范》，洞门土压力计算图示如下:

最危险滑裂面与垂直面之间的I夹角

ttan2O+tana+iane-Jq+tan2^)(tan(/>-tan£：)(1-tanatanE)

tans(\+tan2。)-tan。(1-tanatane)

式中：。一一围岩计算摩擦角

6'一一洞门后仰坡坡角

。一一洞门墙角倾角

代入权值“二65',£=63°,«=5°,可得

tan<w=0.3534

NCD=arctan0.3534=20.2495

根据《公路隋道设计规范》十一压力为

广1..,..1(tanfy-tana)(l-tanatans)

E=；〃[“-+4(z"一4X)]14,A,=~—-------------—

2tan(694-C>)(1-tano)tan

式中：E：土压力(KN)

y：地层重度(KN/m)

2：侧压力系数

墙背土体破裂角

〃：洞门墙计算条带宽度(m),取b=lm

J：土压力计算模式不确定系数，可取4=0.6

把数据代入得

,(tan20.417-tan5)(1-tan5tan63)„,a

X=-----------------------------------=U.U7U2,n=------------=oo

tan(20.417+65)(1-tan20.417tan63)tan69-tana

洞门士压力E：

E=g以=74.3175KN；

Ex=Ecosd=Ecos(35-5)=64.0363KN；

Ev=Esina=Esin(35-5)=5O.6333K7V。

I79

式中：d——墙背摩擦角取

7.抗倾覆验算

端墙计算简图如图所示，挡土墙在荷载作用下应不致墙脚0点

产生倾覆时应满足下式：

YMX

瓯"6

式中心；倾覆稳定系数即，1.6

ZM、：所有垂直力对墙趾0