隧道设计衬砌计算范例(结构力学方法)

1.1项目概述川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县和甘孜泸定县交界处的二郎山段。东距成都260公里，西距康定县97公里。陡峭雄伟的山脉、复杂的地质条件、恶劣的气候环境、频繁的自然灾害、原有公路陡峭陡峭的山坡以及连续不断的交通事故，使其成为川藏线的第一咽喉灾害，严重影响了川藏线的运输能力，制约了川藏民族地区的经济发展。二郎山隧道工程从天全县龙潭溪川藏公路K2734 560 (K256 560)折返，沿龙潭溪两侧缓坡延长线进入隧道，穿过二郎山北支山干海子山，离开泸定县河套村左岸隧道，穿过河套村延长线至K2768 600 (K265 216)，与原川藏公路相接，全长8166公里。二郎山隧道长4176米，比托隧道长104米。改造后运营里程可缩短2514公里，达到三级公路标准，满足川藏线二郎山段全天候行车要求。1.2工程地质条件1.2.1地形二郎山位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘分水岭地带。它属于龙门山深挖高中。隧道的中部相对较高。隧道场区地形与地层岩性和构造条件密切相关。由于该区地层为软硬相间的层状地层，构造为向西倾斜的单斜构造，地形呈现东陡西缓的单斜山特征。隧道轴线穿过一座大山，东西两侧发育的冲沟主要受构造裂隙分布方向控制。主沟的龙潭溪、平河和直沟形成了一个羽状或树枝状的“V”型沟，沟内断面对称且不对称。纵坡直陡，坡度大，局部受岩性构造影响，形成陡崖落差。1.2.2水文气象学二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区和青藏高原大陆干冷气候区的交界处。由于山的阻隔，二郎山东西两侧的气候有很大的差异。东坡多雨，而西坡干燥多风，故称“康雨”。全年分为早季和雨季。夏季和秋季受东太平洋季风和南印度洋季风的控制，降雨量特别集中。冬春季节，受青藏高原寒冷气候的影响，风多雨少，气候寒冷。根据呼定县和天全县21年(1960-1980年)的气候资料，多年平均气温分别为16.6和15.1，呼定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8毫米和1730.0毫米，多年平均蒸发量分别为1578.6和924.2毫米，8级以上大风日数分别为14天和3天，故呼定有较多和较少的大风日数据调查，二郎山东坡季节性冰冻线海拔约2200米，雪线海拔约1900米，降雪时限为11月初至次年4月，西坡季节性冰冻线海拔约2600-2800米，雪线海拔约2300-2500米。二郎山东西两侧属于清衣江和绵江支流大渡河。东坡龙胆河是青衣江支流天泉河的发源地，盘古西坡是大渡河的支流。本区西沟由大气降水(雨、雪)和地下水提供，主要是大气降水。因此，它在一般山区沟壑河流中也具有“易涨易落”的特点。1.2.3地质条件隧道穿过的地层主要是志留纪和泥盆纪浅海-滨海碳酸盐和碎屑岩。出口端上覆地层为崩积层、黄灰色、黑灰色块石土或块石砾石土，其中通过水压致裂法对7个钻孔的地应力测量，得出隧道最大水平主应力(max)的总方向为N 74W，与隧道轴线的夹角约为31。隧道现场区域的地应力场具有以下分布特征：(1)位于海拔2200 m处，是山地应力和构造应力的分界线，分界线以上的垂直应力(Rv)占主导地位；分界线以下的水平主应力值明显增大并占主导地位，隧道顶板位于分界线正下方。(2)水平地应力(Hmax，hmin)在垂直方向上的分布随着深度的增加而增加，在横向上从隧道两端向山内逐渐增加，即隧道中部的地应力最大，Hmax=54.37兆帕。(3)在同一深度，硬岩应力值高，软岩应力值低。二郎山隧道(主洞)长4176米，以二、三类围岩为主，长3004米，占71.93%；四级围岩长821 m，占19.66%；类围岩长351 m，占8.41%。2隧道设计2.1设计标准设计行车速度为：40公里/小时(三级公路)；隧道施工限界：隧道净宽9.0 m (7.5 m 20.75 m)，高度限制5 m设计荷载：辆汽车-20级，拖车-100；设计小时交通量为33，360，441辆/小时；驾驶模式：单孔双向驾驶；卫生标准：正常运行时一氧化碳的允许浓度为15010- 6，在短时间内(15分钟)为25010- 6，用于阻塞和救灾。允许的烟气浓度为0.009 m-1。2.2平面线形和纵断面设计2.2.1平面对齐隧道平面线形应根据地质、地形、走向、通风等因素确定。直线便于施工；曲线段的施工非常困难，除了测量之外，例如，在模板平台上施工曲线段非常困难，特别是当它过高时。根据地形、地貌、工程地质和水文地质条件、地应力的大小和方向以及隧道场地的经济性，确定隧道轴线位置。同时，还考虑了两个终端之间的连接，隧道的平面线形确定为直线。隧道设计里程K259 036 K263 212，长度4 176 m，入口标高2 180.31 m，出口标高2 182.01 m2.2.2剖面设计隧道纵断面线形应考虑交通安全、运营通风规模、施工运营效率和排水要求。隧道的纵向坡度不应小于0.3%，一般不应大于3%；受地形等跳警限制，高速公路和一级公路的中、短隧道可适当扩大，但不应超过4%；短于100米的隧道纵坡可与公路隧道外的路线指数相同。隧道内的纵坡一般为单向坡度。双向边坡可用于地下水发育的长隧道和特长隧道。纵坡变化的凸竖曲线和凹竖曲线的最小半径和最小长度应符合规范(公路隧道设计规范 JTGD70-2004，表4.3.4)。二郎山隧道为特长隧道，纵向坡度为“人”型，入口侧坡度为0.5% (2000 m长)，出口侧坡度为0.41% (2176 m长)。2.3横截面设计建筑净空隧道断面设计主要是隧道净空设计。隧道净空是指由隧道衬砌内轮廓线围成的空间。隧道净空根据“建筑净空”确定。“间隙”是定义的轮廓线。该轮廓线内的空间是保证车辆安全运行所必需的，是建筑物不能侵入的一种间隙。公路隧道施工限界包括车道、路肩、边缘线、人行道等的宽度。和人行道的净高。下图显示了公路隧道施工限界横断面的组成宽度。根据公路工程技术标准，隧道施工限界采用净宽9.0 m，高4.5m，经比选，确定隧道内轮廓采用单宽二郎山隧道应设置紧急停车区，两个方向交替布置。紧急停车区之间的距离为700米，有效长度为30米，横向坡度为1%。紧急停车区的建筑净空、宽度和长度见图2-3.2。图2-3.1建筑业(单位：厘米)a)宽度组成和建筑净空(单位：厘米)b)长度(厘米)图2-3.2紧急停车带的建筑界限、宽度和长度2.3.3内轮廓设计隧道内轮廓的设计应满足隧道内路面、排水设施和装饰的要求，并提供通风、照明、消防、监控和运行管理等设施的安装控制。同时，考虑受围岩变形和施工方法影响的预留余量，确保确定的断面形式和尺寸符合安全、经济、合理的原则。二郎山隧道内轮廓采用单中心圆形方案，半径R1=4.8m，R2=1m，R3=9.6m，1=108，2=67，3=12，四、五类围岩设置仰拱，内轮廓如图2-3.3所示。a)一般内部轮廓线包括紧急停车区的轮廓线图2-3.3内轮廓线(单位：米)3.门户设计公路隧道设计规范 (JTGD70-2004)对门户有以下规定：1.入口的位置应根据地形和地质条件，结合环境保护、入口外相关工程、施工条件和运行要求，通过经济技术比较确定。2.隧道应遵循“进隧道早，出隧道晚”的原则，不允许大挖大刷，以保证边坡和后坡的稳定；3.根据情况在洞口边坡和仰坡顶面及其周围设置排水沟，并与路基排水系统结合布置。3.1门户位置的选择公路隧道设计规范 (JTGD70-2004)规定，孔位置的确定应满足以下要求：1.洞口和后坡的坡度必须稳定。如果条件允许，他们应该坚持住，进入洞穴。当条件限制时，边坡和后坡的最大设计开挖高度可按表2-4.1控制。表2-4.1入口边缘和上坡的控制高度围岩分类一至二三四边坡和后坡的坡度比坚持1:0.31:0.51:0.51:0.751:0.751:11:1.251:1.51:1.25高度(m)15202520251518201518注：设计开挖高度从路基边缘开始计算。2.洞口应位于地质条件稳定、有利的山坡上。3.陡峭的悬崖下的洞不适合切割原始山坡；必须避免在不稳定的悬崖和陡峭的墙壁下进入洞穴。4.穿越沟渠或沿沟渠进洞时，应考虑水文条件，并结合防排水工程充分进行比选。5.越顶段入口位置应根据隧道外的切割地质、炉渣处理、排水和施工因素综合分析确定。6.洞口设计应考虑与附近地面建筑物和地下埋藏物的相互作用，必要时采取预防措施。7.洞口的边坡和后坡应根据实际情况进行加固和保护，有条件时优先采用绿化护坡。8.当洞口出现塌方、落石和泥石流时，采取清理、扩大洞口、设置明洞或围护结构等措施。应该被带走。3.2门户表单的选择标准洞口形式的选择应满足地形和地质的需要，同时考虑施工方法和施工需要。一般地形等高线与线路中心线的斜交角为45。65 .其间，地面横坡较陡，地质条件较好，无落石、块石现象时，可选择斜巷。当倾斜角大于65时。当地面具有陡峭的横向坡度或地形一侧凸起时，可考虑阶梯形入口。Whe二郎山隧道采用复合式衬砌支护，初期支护采用喷锚支护，喷锚支护由喷锚支护、锚杆、钢筋网、钢架等支护形式组合而成，并根据不同围岩级别进行不同组合。螺栓支撑采用全长粘结螺栓。采用工程类比法，结合公路隧道设计规范 (JTG D70-2004)，采用C20级混凝土作为初期支护喷射混凝土材料，支护参数值见表2-5.1。表4-1.1初始支持参数围岩等级喷射混凝土的厚度(厘米)锚杆(m)钢筋网加固钢拱拱墙仰拱位置长度间隔杆材料二8当地的2.21.5 22砂浆(筒)锚杆三10拱门、墙壁2.41.5 22砂浆(筒)锚杆当地的6.5 25x25四15拱门、墙壁3.01.0 25空心灌浆锚杆拱门、墙壁6.5 25x25拱门、墙壁格栅钢架18IV20拱门、墙壁4.01.0 25空心灌浆锚杆墙拱(双层)6.5 25x25拱形、墙壁、仰拱格栅钢架18I4.2二次衬砌二次衬砌采用现浇模板建造钢筋混凝土、C25级混凝土和HRB335级钢。用荷载结构法计算和校核衬砌内力。二次衬砌的厚度设置见表2-5.2。表4-1.2二次衬砌混凝土厚度(单位：厘米)围岩等级拱和墙的混凝土厚度仰拱混凝土厚度二30三35四3535V45454.3围岩衬砌内力计算规范 (JTGD70-2004)规定，在一、五类围岩中，复合衬砌的初期支护主要采用工程类比法设计。、类围岩的支护参数应通过设计确定，计算方法为地层结构法。因此，以四级围岩为计算对象。4.3.1建议的衬里尺寸图2-5.1四围岩衬砌建议图内轮廓线半径和外轮廓线半径为m，C25防腐钢筋混凝土拱墙为35cm，预留变形为5cm，C20喷射混凝土防腐