隧道设计

隧道工程课程设计

学院：水利与环境学院 专业：道路桥梁与渡河工程二班 姓名：郭朋 学号：20080460211 指导教师：郭成超

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目录

一、设计资料…………………………………………………………………..3

二、隧道断面布…………………………………………………………………6 1．

纵断面设计……………………………………………………………….6

2. 横断面设计……………………………………………………………………6

三、围岩压力计算………………………………………………………………8

四、隧道初支……………………………………………………………………9 五、曲墙衬砌计算………………………………………………………………10 1、已知资料…………………………………………………………………….10 2、拱顶的计算…………………………………………………………………11 3、边墙的计算…………………………………………………………………15 4、二次衬砌…………………………………………………………………….17

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一、设计资料

1、工程概况：

某隧道进出口附近有G209国道，位于卢氏县和灵宝市交界处，交通条件便利，洞轴走向方向角约165°。隧道总体走向呈南北曲线展布。采用分离式隧道，其中：左线起讫桩号ZK39+321~ ZK39+568，长247米，左线起讫桩号为YK39+313~ YK39+515，长202米。采用灯光照明，自然通风，属短隧道。 2、工程地质条件 （1）地形地貌

隧道整体属于中低山地貌区、斜坡、冲沟地形，隧道轴线地面标高792~875m之间，相对高差约83m，隧道洞室最大埋深70m。隧道进、出口处总体为斜（陡）坡地形，进口处自然坡度角为35~45°，出口处自然坡度角约为45~50°，局部略陡。

进口处为斜坡地形，出露基岩为强~中风化流纹斑岩，植被发育，主要为杂草及小灌木丛为主，进口下方为修建G209国道的弃方。

出口处基岩裸露，为强~中风化流纹斑岩，植被发育，多为小灌木丛。出口处为G209国道。 （2）地质构造

隧址区未发现对隧道方案有明显影响的褶皱和断裂发育。浅部岩石风化裂隙发育，岩石性较差，深部节理裂隙较发育。节理裂隙降低了隧道围岩的稳定性。 （3）底层岩性

据工程地质调绘及钻孔显示，隧道围岩主要为中元古界熊耳群马家河组（Pt2m）和许山组（Pt2x）的流纹斑岩组成，地层岩性特征如下：流纹斑岩：灰绿、紫红色，斑状结构，呈强~微风化状，岩体极破碎~破碎，根据地质调查显示，隧道区岩层受构造影响，小的次级断层及褶皱、节理裂隙发育，是较硬岩，分布于整个隧道区。 （4）岩石强度

隧址山体岩层属于较硬岩石工程地质岩组，中风化流纹斑岩饱和单轴抗压强度Rc=57MPa，属于较硬岩。 （5）岩体的完整性

隧址地层年代为中元古界老地层，主要为硬质岩，岩体坚硬性脆，经历长期的构造运动和风化剥蚀作用后，岩体裂隙很发育~较发育，裂隙面大多倾角较大，贯穿性较好，

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多成张开、微张状。愈接近地表，风化裂隙和构造裂隙愈发育，无充填或少量粘土或碎石充填，掩饰的完整性厚道破坏。山体内岩体的结构为层状、块状结构。根据洞口节理裂隙统计，岩体完整性系数Kv=0.13~0.30，为破碎岩体。 3、气象水文地质条件 （1）气象

灵宝市位于暖温带半干旱性季风气候区，四季分明，降水量、蒸发量、气温等气象要素年内、年际变化明。据灵宝市气象站1956-2000年气象资料：多年平均气温13.6℃，元月最冷，平均气温-1.0℃；七月最热，平均气温26.1℃。历年最高气温42.7℃，最低气温-16.2℃。无霜期年平均215天，最短无霜期199 天。

卢氏县跨亚热带、暖温带两个气候带，均具有性季风气候的共同特点，季节性变化明显，温度低，日照时数少，无霜期短，气候因素垂直变化大，年平均日照时数2118.0小时，平均日照率为47.7%.年平均气温12.6℃，元月最冷，平均气温-1.5℃；七月最热，平均气温25.6℃，极端最高为42.1℃。卢氏盆地无霜期平均为184天，年平均降水量为90~99 气象部门提供的（十年）资料为630mm。 （2）地表水

隧道进、出口位于分水岭的下方，四周山体汇水区域较大，仅沿斜披在大气降雨时有一定的地表面流。隧道进出口位于山体斜坡位置，应注意暴雨期间地表面流对洞口的冲刷破坏作用，宜采用截流、疏排措施。 （3）地下水

在隧道设计标高范围内基岩裂隙水总体不甚发育，暂时性地表水体大部分顺冲沟或斜坡坡面向外排泄，地下水不甚发育。 4、抗震设计参数及地震效应

根据国家地震局2001年8月1日颁布实施的《中国地震参数区划分》

（GB18306-2001)、《建筑抗争设计规范》（GB50011-2001)等资料，设计本地震加速度值为0.15g，设计地震分组为第二组，设计特征周期为0.25s，相当于地震基本烈度7度。按照《公路隧道设计规范》（JTJ004-）并结合区域构造较差的特点，高速公路隧道应提高1度设防。

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5、区域稳定性评价

隧址区属构造剥蚀中低山地貌单元，无区域性深大断裂通过，近代无强震记录，属相对稳定地块。下伏基岩属较硬岩类，稳定性一般，适宜拟建隧道的建设。 6、不良地质现象

地质调会资料显示，隧道进出口地形较陡，岩体较破碎，在隧道施工时可能产生浅层的岩石崩塌，需采取相应的支护措施。 7、设计标准

设计等级：高速公路分离式单向双车道隧道； 地震设防烈度：7级 设计速度：80km/h 设计荷载：公路Ⅰ级 8、计算断面资料

桩号：YK39+460.00； 地面高程：852.52m； 设计高程：798.204m； 围岩类别：V级； 复合式衬砌类型：S5b；

工程地质条件及评价：该段隧道通过微风化粉砂岩地段，节理裂隙不发育，埋置较深，围岩稳定性较好。

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二、隧道断面布置

本公路设计等级为高速公路单向双车道，由《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）4.3.2有：高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的双洞。对于IV类围岩，分离式双洞间的最小净距为2.5B，B为隧道开挖断面的宽度。

本隧道入口处桩号为：ZK39+321，出口处桩号为：ZK39+568，全长247米，为短隧道，不需设紧急停车带。 1.纵断面设计

隧道纵断面设计综合考虑隧道长度、主要施工方法、通风、排水、洞口位置及隧道进、出口接线等因素。

公路隧道内的纵坡形式，可设置单面坡和人字坡两种。隧道内纵面线应考虑行车安全性，营运通风规模、施工作业效率和排水要求。公路隧道纵坡不应小于0。3%，以利于排水。一般情况下不应大于3%，当采用较大纵坡时，必须对行车安全性、通风设备和营运费用、施工效率的影响等做充分的技术、经济综合论证。

综合以上所述，本隧道属于短隧道，所以选择单向坡对运行通风、排水有利。但在施工中，由于水量较不均匀，在施工中充分考虑设计要求，以求达到更好的施工效率，设计隧道纵坡为2.2%。 2.横断面设计 公路隧道建筑限界：

本高速公路位于山区，取设计时速为Vk80km/h，则建筑限界高度H＝5.0m。且当

Vk80km/h时，检修道J的宽度不宜小于1.00m，取J左J右1.00m，检修道高度h＝

0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道宽度W=3.75m×2＝7.5m，侧向宽度为：LLLR1.00m，建筑限界顶角宽度为：ELER1.00m，隧道路面横坡设为单向坡且取2％。具体建筑限界见图一所示。

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图一 公路隧道建筑限界（单位：cm）

由《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）4.4.6有：上、下行分离式双洞的公路隧道之间应设置横向通道。本隧道长247m，设置一处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。

图二 人行横通道的断面建筑限界（单位：mm）

故：隧道限界净宽为：11.5m；

其中：行车道宽度：W=3.75m×2＝7.5m； 侧向宽度为：LLLR1.00m； 检修道宽度：J左J右1.00m； 隧道限界净高：5m；

内轮廓形式：单心圆R=6.8m； 净高：7m； 净宽：11.7m；

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向外取衬砌厚度0.4m，则：隧道开挖宽度Bt12.5m；隧道开挖高度：Ht7.4m； 取两分离式洞口之间左右间距为40m；该段隧道的埋深H＝29.397m。

三、围岩压力计算

根据公路隧道设计规范的有关计算公式及已知围岩参数代入公式：

Ht.4B7t12.50.5921.7

隧道支护结构的垂直均布压力：

qh h0.452s1

其中：s=4， 为安全起见，取 20KNm3 ，

B>5m,取i＝0.1，1i(B5)10.1（12.55）＝1.75，

qh0.452s10.4542.51.75＝7.875tm2，

荷载等效高度：hq7.875q2.53.15m；

深、浅埋隧道分界深度：Hp2.5hq2.53.15＝7.875mH67.087m，

故为深埋隧道。

水平均布围岩压力：e0.15q，取e0.107.875＝0.7875ttm20.79m2。

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四、隧道初支

查看《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004），则：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路应采用复合式衬砌。

复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定：

1、初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。

2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。

由8.4.2有：复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算。初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表8.4.2-1选用。

由表8.4.2-1，对于Ⅲ级围岩，有：

初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为8～12cm，拱、墙锚杆长度为2.0～3.0m，间距1.0～1.5m；钢筋网：局部@25×25；

二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm。

本隧道大部分地段为深埋隧道。深埋隧道外层支护，根据《规范》规定，采用锚喷支护，锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆，规格22×2500mm，间距1.0～1.5m，锚喷混凝土厚度120mm；钢筋网：局部@25×25。

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五．曲墙衬砌计算 1、已知资料

公路等级 山岭重丘高速公路 围岩级别 Ⅴ级 围岩容重 γS=20KN/m3 弹性抗力系数 K=0.18×106KN/m 变形模量 E=1.5GPa 衬砌材料 C25喷射混凝土 材料容重 γh=22 KN/m3

变形模量 Eh=25GPa

二衬厚度 d=0.45m

由于直墙式衬砌仅适用于Ⅰ-Ⅲ级围岩，而本设计中设计对象为Ⅴ级围岩， 因此采用曲墙式方案进行衬砌设计。

顶拱和边墙的厚度均为0.4m，宽度为1.0m，跨度l＝12.3m，拱的矢高f＝3.7m，垂直均布压力q7.875tm2，侧向均布压力e＝0.79t3m2，衬砌选用C30混凝土，其弹性模

量E=31GPa，围岩弹性抗力系数K200103t

m。

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图三 隧道衬砌计算模型（单位：m） 2．、拱顶的计算 （1）几何尺寸

R=6.8m，Qn6253，sinQn＝0.02，cosQn＝0.4556， EJ＝10o'60.4123 ＝0.165310，

5边墙的弹性标值：4K4EJ42105540.165310＝1.319

h＝1.3193.5＝4.622.h＝1.3193.5＝4.622.（边墙属于长梁）。 （边墙属于长梁）。

（2）计算各项特征数值（计算过程参考《地下结构静力计算》一书） （a）拱的单位变位

由式（3-18）与附表53，得：

1126.80.16531051.0996＝90.469210－5，

12＝2126.8326.8250.1653100.2086＝116.704910－5，

220.16531050.0696＝2.784810－5；

（b）拱的载变位

由式（3-19）与附表54，得：

1p

26.8350.1653100.1738q0661.201210－5q0，

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6.842p20.16531050.0559q01446.120910－5q0；

（c）拱的弹性抗力变位

由式（4-8）与附表57，得：

26.83－510.16531050.0014n5.326110n，

26.841p0.16531050.0007n18.108810－5n；

（d）墙顶（拱脚）的单位变位

边墙属于长梁，按式（4-15）计算墙顶的单位变位。

31.319142105＝4.5510－5，

251＝21.31922105＝1.739810－，

21.3192＝31910－521051.；

因为边墙属于长梁，且不承受水平荷载，故：

33nene0。

（e）左半拱上的荷载引起墙顶处的竖向力、水平力和力矩 由于竖向均布荷载q0：

2V006.05q0np6.05q0；Q0np0；Mnp＝218.3013q0，

由于弹性抗力：按式（4-7a）与附表57，得：

V0n0.08846.8n＝0.6011n，

Q0n0.13586.8n＝0.9234n，

M00.01726.82nn＝0.7953n；

将以上算出的各项数值代入式（4-4）中，则得：

A1190.469224.5510－5＝99.8210－5，

A12A21116.704921.73983.74.5510－5＝154.146810－5，

A2.784821.31943.71.739823.724.598510－5＝418.832410－522＝ 12

A1P661.2012q05.3261n218.3013q00.7953n20.9234n1.739810＝829.18q014.4734n1055A2P＝1446.1209q018.1088n218.3013q00.7953n1.739820.9234n1.3191023.718.3013q00.7953n4.5523.70.9234n1.739810＝2131.3563q062.2636n10555（3）求解多余力x1和x2

将以上算出得各A值代入式（4-3），得：

99.82x1154.1468x2829.18q014.4734n0， 154.1468x1418.8324x22131.3563q062.6236n0，

解出：

x11.0431q00.1998n， x24.7049q00.2237n；

下面求弹性抗力n。

由式（4-2）的第二式求出墙顶（拱脚）的水平位移0为

01.0431q00.1998n1.73984.7049q00.2231n1.3191.73983.71018.3013q00.7953n1.73980.9234n1.31910＝6.4666q01.2188n10555代入式（4-6）：

n2106.4666q01.2188n100.02

55解得：n2.1561q0

因此，得多余力x1和x2如下：

x11.6542q00.0827n1.04310.19982.1561q00.6123q04.8219tm， x25.7622q00.2732n4.70490.22372.1561q05.1872q040.8492t；

（4）求拱顶的内力

由于对称关系，将左半拱分为四等段，计算0～4各截面的弯矩M和轴力N，见图4-10（a），按下式计算：

Mix1x2y

q0x22Mi；

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Nix2cosq0xsinVisinHicos

式中Mi、Vi、Hi按式（4-7）与附表57计算，结果见表1所示。 表1 Mi、Vi、Hi数值表

截面 Vi Hi Mi 0 93.1200 27.2742 108.4028 1 42.2070 24.9958 38.3153 2 8.7717 20.4460 7.5025 3 0.1947 19.6906 0.1877 4 10.1581 30.4419 13.2841

坐标尺寸的计算见表2，弯矩Mi的计算见表3，轴力Ni 的计算见表4。

表2拱轴线的坐标

截面  sin cos x y 0 00000'00\" 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 1 1504315'\" 0.2710 0.9626 1.8428 0.2543 2 31026'30\" 0.5216 0.8532 3.5469 0.9982 3 47009'45\" 0.7333 0.6799 4.98 2.1767 4 62053'00\" 0.01 0.4558 6.0527 3.7006

表3拱的弯矩Mi

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截面 0 1 2 3 4 x1 y x2y q0x22 Mi Mi(tm) 4.8219 4.8219 4.8219 4.8219 4.8219 0 0.0000 0.0000 0.2543 10.3880 13.3714 0.9982 40.7757 49.5357 2.1767 88.9165 97.9027 3.7006 151.1665 144.2510

表4 拱的轴力Ni

108.4028 38.3153 7.5025 0.1877 13.2841 4.8219 -497.11 -326.0443 75.3638 -1760.2633 截面 0 1 2 3 4

Vi Hi Visin Hicos q0xsin x2cos Ni(t) 93.1200 42.2070 8.7717 0.1947 10.1581 27.2742 24.9958 20.4460 19.6906 30.4419 0.0000 11.4381 4.5753 0.1428 9.0417 27.2742 24.0609 17.4446 13.3877 13.8754 0.0000 3.9328 14.5692 28.7952 42.4266 40.8492 39.3214 34.8525 27.7734 18.6191 13.5750 30.6313 36.5525 43.3236 56.2120 3.边墙的计算

边墙属于长梁，按式（4-14）进行计算。由于对称，仅取左边墙。 边墙的弹性标值1.319。

墙顶的力矩M0及水平力Q0按式（4-10）计算，得：

M0x1fx2MnpMn4.82193.740.849218.30137.8750.79532.15617.875 ＝1.6624tm00Q0x2QnpQn40.849200.79532.15617.87527.3456t

00墙顶的竖向力V0为：

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V0VnpVn6.057.8750.60112.15617.87557.85t

00将坐标原点取在墙顶，分边墙为四等段，求4～8各截面的弯矩Mi、轴力Ni和弹性抗力

i。

由式（4-14）：

MiM07Q0281.6634727.34561.319281.6624720.73218

iKy2M052Q0621.3191.6634521.31927.34566＝-5.7878572.13776每等段的边墙自重为：

Nd3.540.42.3＝0.805

故4-8各截面的轴力为：

NiV0Nd＝202.541+Nd

函数5~8可从附表3查出，计算结果见表5。

表5 边墙的Mi、Ni、i

截面 4 5 6 7 8 x x 5 6 7 8 Mitm Nit itm 0 0.875 1.750 2.625 3.500 0 1.2 2.3 3.5 4.6 1.0000 -0.1716 -0.1416 -0.0177 0.00 1.0000 0.1092 -0.0668 -0.0283 -0.0011 1.0000 0.39 0.0080 -0.03 -0.0111 1.0000 19.0697 202.5140 0.2807 5.1713 203.3190 0.0748 1.5375 204.1240 -0.0106 -0.1551 204.9290 -0.0100 -0.18 205.7340 66.3499 8.8706 -3.9992 -1.9391 -0.1309 以上的计算结果表明：再墙的6、7各截面处其弹性抗力为拉力（对围岩），这是不合理的但是由于数值较小故计算结果仍然可用。

根据假定，墙下端不能产生水平位移，故该处的弹性抗力应等于零，而计算结果不为零，这是由于计算误差所致。

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4.二次衬砌

（1）因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计；

（2）衬砌结构防水：本隧道放水采取以下措施：1、复合式衬砌间采用防水夹层；2、混凝土满足抗渗要求，采用砼抗渗标号为S6；3、施工缝变型缝等处的放渗采取专门的防水措施。

本隧道采用复合式衬砌，设计应用近似解析法结合工程类比法确定衬砌支护参数。但复合式衬砌设计和施工密切相关，应结合施工，通过测量监控取得数据不断修改和完善设计。

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五、设计依据

本设计严格按照交通部颁布的行业规范、规程及《工程建设标准强制性条文》（公路工程部分）。

《公路工程技术标准》（JTG B01-2003)； 《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004)；

《公路隧道通风照明技术规范》（JTJ F60-2009)； 《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D70-2002)； 《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006)； 《公路工程抗震设计规范》（JTJ2004-2008)； 《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008)； 《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB 50086-2001)； 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002)；

《公路建设项目环境影响评价规范》（JTG B03-2006)； 《公路环境保护设计规范》（JTJ/006 -98)； 《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006)； 《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；

《地下结构静力计算》天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室编 中国建筑工业出版社。

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