牛湖山隧道工程左线结构与施工组织设计

1、目录1. 工程概述31.1.工程概况31.2.工程地质与水文地质31.3.岩石物理力学性质特征51.4.隧道围岩分类61.5隧道设计标准与依据82.隧道总体设计82.1.隧道设计的一般规定82.2.隧道线形设计92.3.隧道横断面设计93.洞门结构设计103.1.牛湖山隧道大涌端洞门设计103.2.牛湖山隧道小桂端洞门设计164.衬砌结构内力计算与结构设计224.1.初次衬砌设计224.2.二次衬砌设计325. 隧道施工方法与施工组织设计525.1.施工原则与施工方案525.2. 隧道施工方案525.3.施工方法535.4.施工支护575.4.施工机械与人员组织615.5.质量保障体系635.

2、7. 安全文明施工管理656.隧道附属设施设计696.3.隧道内其他辅助设施及建筑物736.4 电缆槽的设计757.隧道监控测量设计757.2.隧道监控测量内容和方法76参考文献：81谢辞82牛湖山隧道工程(左线)结构与施工组织设计1. 工程概述1.1.工程概况 牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路，为分离式单向行车双洞隧道。左洞长1241米, 右洞长1356米,标段分别为（K42+145-K43+386），（K42+109-K43+465），隧道纵坡为人字坡，坡度1.5%，竖曲线半径R=17000m，最大埋深约192米。隧道根据公路工程技术标准，进出口部分的交通组织拟采用划线方式组织车流，以保证交

3、通安全。1.2.工程地质与水文地质地形地貌牛湖山隧道起于惠州澳头镇大涌，止于小桂村，隧道轴线走向SW200°，隧道进出口处交通不便，从大涌至小桂陆路仅有翻越牛湖山的山间崎岖小道，现在一般很少有人走，而大多从海上由澳头港乘船绕过小鹰嘴往返两地。隧道穿越的牛湖山，最大高程212米，最低9米，高差达200余米，为低山重丘区。隧道沿线地表植被十分发育，尤其是进出口近坡脚段，草木繁茂，通视十分因难，主要为杂木、茅草等，山腰至山脊则为人工种植林，主要为松树等。该山为单斜山，自然坡角一般为15°30°，沿线地貌包括构造侵蚀，沉积和重力等地貌类型，具体分为单斜山、山坡、垭口、剥蚀

4、残丘、冲蚀沟，洪积扇和坍塌堆积等微型地貌单元。地层岩性据地质调查，钻探和物探等勘察工作成果，隧道沿线在部分地段第四系覆盖层较薄，尤其沿侵蚀沟基岩露头较多，地层由新到老分述如下：第四系全新统（）种植土：暗褐、黄褐色，松软，勘察区内局部分布，厚度约0.5m。亚粘土：黄、黄褐色、浅棕红色，可塑硬塑状态，分布于冲沟处，厚度2.00m。碎石土：浅紫红色，松散稍密，由砾岩碎块及亚粘土组成，其中砾岩碎块约占60%，少量略具磨圆，亚粘土约占40%。主要分布于山坡及冲沟两侧，厚度约12m。1.2.2.2.白垩系官草湖组（）紫红色砾岩：中厚厚层状，粒径一般为25cm，多为铁质或硅质胶结，中等磨圆度，强度较大，总厚

5、度较大，呈层状分布，其中常夹有紫红色砂岩、页岩。其产状倾向为北东或北北东，倾角30°左右。紫红色砂岩：铁质胶结，中、粗砂质结构，中厚层状构造，呈夹层分布于紫红色砾岩中，每一夹层厚23m，强度中等。其产状与砾岩相同，紫红色页岩：厚度较小，铁质胶结，强度低至中等，呈夹层出现，每一夹层厚度一般2m，其产状与砾岩相同。1.2.2.3.晚侏罗系南山村组（）沉火山角砾岩：一般为紫红色，角砾状结构，层状构造，硅质胶结，中厚层厚层状。砾石主要成分为石英、岩屑等。岩层倾向以北东、北北东为主，北西次之，倾角30°78°。1.2.2.4.晚侏罗系热水洞组（）霏细岩：青灰色，主要位于隧道

6、小桂端下部，岩性较为坚硬完整，岩芯呈长柱状，厚度较大。上述地层经风化作用，自地表向下形成不同风化程度的风化岩：强风化层：浅紫红色，浅灰绿色，节理裂隙极发育，裂隙面呈张开状，浅层填充泥质、铁质，岩石极破碎，岩性软硬不均，广泛分布，一般厚度10m，出口端山坡上厚度较大，钻孔揭露厚度为2.10m。弱风化层：浅紫红色、灰绿色，出口端节理裂隙较发育，局部石英脉发育，岩质较硬，该层钻孔揭露最大厚度为6.90m；进口端岩质软硬不均，节理很发育，岩石较破碎，岩芯呈短柱状，钻孔揭露厚度为5.00m。微风化层：浅紫红色、浅灰绿色，岩石坚硬完整，岩芯呈短柱状、长柱状，厚度很大。1.2.3.地质构造物探工作资料表明隧

7、道区域存在5条规模较小的含水断层，其中与隧道相交影响较大的为F2、F3、F4三条断层。F2断层走向EW，倾向NW，与隧道左、右线分别交于K42380m和K42450m；F3断层走向NW，倾向SW，与隧道左、右线分别交于K42648m和K42620m；F4断层走向NW，倾向SW，与隧道左、右线分别交于K42990m和K42+950m。1.2.4.区域地质及地震根据15万澳头幅区域地质调查报告和区域地质图分析，该工作区区域主要构造形迹为北东及北西向，其中区域性大断裂北东向的小桂坳断裂在工作区外，只有北西向的海尾断裂穿过隧道工作区，隧道方向与断层走向斜交。据平面工程地质调查及钻孔资料分析，区内无新构

8、造运动形迹。勘察区段地层为单斜构造，岩层产状为30°65°25°78°，岩层走向与隧道轴向大角度斜交。根据国家质量技术监督局于2001年2月2日发布的中国地震动参数区划图查得：隧道区地震动反应波谱特征周期值为0.4S；地震动峰值加速度为0.1g，参照其附录D，对应地震基本烈度为度区。1.2.5.水文地质条件该区水文地质条件较简单，地下水主要为基岩裂隙潜水，有少量第四系孔隙潜水。基岩裂隙潜水赋存于裂隙和层理中，其补给来源主要为大气降水，虽然地表裂隙发育但深部围岩节理发育中等，且多为半闭合状，透水性较差。其导水构造主要为次级断裂构造和节理的交叉复合部位。大涌

9、及小桂两端冲沟中均见有较多地下水出露。其中小桂端冲沟中出露的地下水已被作为生活用水，大涌端冲沟中出露的地下水一直用作生产和灌溉用水。由此表明该区域地下水对混凝土无腐蚀性。1.3.岩石物理力学性质特征在现场钻探取样的基础上，对不同岩性不同深度的样品进行了相关的物理力学性质试验，其物理力学指标详见岩石物理力学性质试验结果表。表1-1 岩石物理力学性质试验结果表岩石名称编号取样位置取样深度（m）物理性质试验项目力学性质试验项目天然容重干容重吸水率饱和抗压强度MPa弹性模量103MPa霏细岩47ZK226.7026.727.283.560.349ZK231.2027.128.787.952ZK237.

10、9527.229.2106.5续1-1砾岩13ZK110.5025.127.217.415.923ZK117.0024.725.617.235ZK127.0027.527.753.8砂岩30ZK124.2027.928.127.75.331ZK124.5026.027.214.7页岩39ZK131.5028.329.720.012.040ZK132.0027.628.823.241ZK132.8029.129.832.0沉火山角砾岩44ZK26.2024.224.925.418.745ZK28.5024.925.028.246ZK211.3026.527.546.81.4.隧道围岩分类.岩石等

11、级划分：根据野外地质调查结合室内岩石试验成果可知，该隧道地段主要为沉火山角砾岩，其次在隧道大涌、小桂两端分别主要为砾岩夹砂岩、页岩和霏细岩。岩块的饱和抗压极限强度Rb多介于17.2MPa133.6MPa，依岩性和风化程度而异。未风化的霏细岩为83.5MPa133.6MPa，其中含微裂隙者稍低，但均属硬质岩类，其围岩为级。具有裂隙的强风化砾岩其强度为17.2MPa17.4MPa，强风化的砂岩饱和强度为14.7MPa，强风化的页岩则更低，其围岩类别为级；而弱风化的砂岩饱和极限抗压强度为27.7MPa，未风化的页岩强度为31.5MPa32.8MPa，其围岩类别为级。而分布广泛的沉火山角砾岩、砾岩等其

12、强度在50MPa60MPa左右，其围岩亦属级。因此本隧道围岩大部分地段为级和级。1.4.2.左、右洞大涌端及洞身受地质构造影响轻微，节理裂隙虽较发育，但围岩地质构造变动较小，故围岩受地质构造影响程度的等级为轻微较重，左、右洞小桂端及附近洞身受地质构造影响较重，节理极发育，在小桂坳断裂附近，存在有次级断层，围岩地质构造变动较大，故围岩受地质构造影响程度的等级为较重。1.4.3.隧道左、右线大涌端及近洞身处主要发育两组张性裂隙，平面上呈“X”型，节理宽约510mm，少量泥质填充，其成因主要为风化型节理，近地表较发育，节理发育程度为较发育；左、右洞小桂端及近洞身处发育节理多于4组，呈网格状，多数间距

13、小于0.50m，微张开状，少量泥质填充，近地表以风化型节理为主，深部则以构造型节理为主，节理发育程度为极发育。1.4.4.左、右洞大涌端及近大涌端洞身砾岩为中厚层状、厚层状，间夹砂岩及页岩；左、右洞小桂端及小桂端洞身沉火山角砾岩与霏细岩为中厚层状、厚层状。1.4.5.根据钻孔揭露及物探资料，隧道左、右洞全线地表均分布有厚度不等的风化岩和残、坡积层，其中低凹平缓处厚达12m左右，山坡陡峻处厚4m左右。大涌端近洞口段强风化中厚层状砾岩夹砂、页岩厚度1.02.80m，弱风化中厚层状砾岩厚度3.00m左右；大涌端洞身则主要为微风化中厚层至厚层砾岩；左、右洞小桂端洞口附近分布有全强风化沉火山角砾岩，厚度

14、8.0m左右。而小桂端洞身则主要为弱风化的中厚层至厚层状沉火山角砾岩。1.4.6.由前述可知，隧道大部分埋深较大，围岩裂隙发育中等且透水性较弱，地下水量小，对隧道影响小，但在物探推测的F2、F3、F4三条含水断层与隧道相交处及一些构造裂隙的交叉复合部位，其透水性较强对隧道影响较大。综上所述隧道洞身围岩分布如下：左洞隧道大涌端K42+145K42+200，右洞K42+109K42+220附近围岩为紫红色砾岩夹砂岩、页岩，中厚层状，节理裂隙发育，岩石较破碎，围岩类别为级。左洞K42+200K42+320和右洞k42+220K42+400围岩为弱风化砾岩，中厚层状，岩层较完整，但裂隙较发育，且受F2

15、推测断层影响围岩类别定为级。左洞K42+320K42+680和右洞K42+400K42+620洞身围岩为完整的微风化沉火山角砾岩，中厚层状至厚层状，岩石完整，围岩稳定性较好，围岩类别为级。左洞K42+680K42+760和右洞K42+620K42+700洞身围岩为弱风化沉火山角砾岩，中厚层状，构造裂隙发育，且受推测断层F3影响，围岩类别为级。左洞K42+760K43+020和右洞K42+700K43+000洞身围岩为完整的微风化沉火山角砾岩，中厚层状至厚层状，岩层完整，围岩稳定性较好，围岩类别为级。左洞K43+020K43+200和右洞K43+000K43+200洞身围岩为弱风化沉火山角砾岩，

16、中厚层状，受推测断层F4影响，构造裂隙发育，裂隙面大多呈半闭合状。弱风化沉火山角砾岩强度大，抗风化能力强，但岩层较破碎，节理产状陡立，对隧道顶板不利，开挖后易碎落，在掘进过程中易发生掉块，围岩类别为级。左洞K43+200K43+386和右洞K43+200K43+465洞身围岩为强风化霏细岩，中厚层状，各种节理极发育，且厚度较薄，易塌落，围岩类别为级。围岩类别划分详见隧道工程地质纵断面图。1.5隧道设计标准与依据1.5.1.技术标准隧道净宽：0.75+0.50+2×3.75+0.75+0.75=10.25m净 高：5.0m设计行车速度：80km/hCO允许浓度：正常运行 200ppm发

17、生事故时（15min）250ppm1.5.2.设计依据公路隧道设计规范JTG D702004公路隧道通风照明设计规范JTJ 026.11999公路工程技术标准JTG B01-2003公路隧道施工技术规范JTJ 04294公路工程抗震设计规范JTJ 004-89锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50026-2001地下工程防水技术规范GB50108-2001工程建设标准强制性条文(公路工程部分) JTJ 026.11999惠州稔山至深圳白沙沿海公路工程地质勘察报告2004.62.隧道总体设计2.1.隧道设计的一般规定隧道总体设计在隧道设计中非常重要，它直接影响着工程造价，甚至决定着工程的成败。根据公

18、路工程技术标准的规定，牛湖山隧道的远景规划的年限为20年。当近期交通量不大时可以分期修建，其优点是可以缓解建设资金，缺点是可能造成一定的浪费。譬如，前期通风应满足单洞双向交通的要求，后期则要满足双洞单向交通的要求，这样在通风设施上会带来一些损失。另外在地形狭窄地带，后期洞的修建对前期洞的干扰比较大。因此，应采取必要的防范措施，避免对前期洞结构的不利影响，并减少对正常交通的干扰。对于洞内设施的分期安装，务必设置好预留件和借口，不得对后期的安装造成困难。2.2.隧道线形设计 牛湖山隧道位于惠深沿海高速公路，起于惠州澳头镇大涌，止于小桂村，隧道轴线走向SW为分离式单向行车双洞公路隧道。隧道纵坡为人字

19、坡，坡度1.5%，竖曲线半径R=17000m，最大埋深约192m。左洞1241m（K42+145-K43+386），右洞长1356m（K42+109-K43+456）。2.3.隧道横断面设计牛湖山隧道设计为时速80KM的分离式单向行车双洞公路隧道，设置检修道，根据公路隧道设计规范JTG D70-2004及相关设计标准的要求在建筑限界内不得有任何部件侵入，隧道的建筑限界和隧道洞身的尺寸如图2-1所示:图2-1 隧道横断面图3.洞门结构设计3.1.牛湖山隧道大涌端洞门设计 截面型式的选择根据牛湖山隧道洞门所处的地形、地质条件，及衬砌形式和边坡坡度，考虑到经济、美观等使用要求的因素，参照公路隧道设计

20、规范（JTG D70-2004），大涌端选用端墙式洞门类型。由于隧道两侧受山体纵向推力较大，所以在两侧需加挡土墙以抵抗土压力，洞门的端墙及挡土墙的计算模型为挡土墙结构，根据地面确定墙厚1.5m墙身总高为14.99米（可由地质纵断面图量得）。由于墙后岩体的重度，计算内摩擦角=，基底摩擦系数为0.50，内聚力c=0，挡土墙为C20毛石混凝土，其标准重度为。另由建筑地基基础设计规范查得：地基承载力设计值f=1000kPa。墙高为H，墙顶宽为，墙底宽为，墙基高度为d，墙面上有土压力的竖直的分量和水平分量，水平分力的作用点距墙面底面的高度H/3，见图3-1。图3-1 挡土墙的受力及计算简图 挡土墙的各参

21、数设计如下：墙高为H=12.28m，墙顶宽为=H/15=12.28/15=0.8186m，取=1.0m，底座高d=0.4m，现在根据该挡土墙的抗滑稳定性，抗倾覆条件，挡土墙底面应力条件来确定洞门的底面宽度。3.1.2.作用在挡土墙结构上的土压力计算挡土墙的受力及计算简图如图所示，取墙背与竖直线之间的夹角=0，为墙背与填土之间的摩擦角取（1/3-2/3），取=，为挡土墙与水平面的夹角，在地质纵断面图上量得=主动土压力系数为： （3-1）则主动土压力为：取单位长度，则有。围岩与挡土墙的外摩擦角为所以， 3.1.3.挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力3.1.3.1将挡土墙分为两个矩形和一个三角形，其

22、自重分别为：和由计算简图知：挡土墙的三部分自重分别为： （3-2） （3-3） （3-4）所以挡土墙的自重为： （3-5） 3.1.3.2.作用在挡土墙上竖向力的合力作用在挡土墙上竖向力的合力等于挡土墙的自重q与土压力的竖向分力之和。即： （3-6）3.1.3.挡土墙上作用力对墙基脚o点的力矩挡土墙上作用力对墙基脚o点的力矩之和为： （3-7） 整理可得： （3-8）3.1.4.挡土墙的抗滑稳定性验算挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求： （3-9）式中：滑动稳定系数； 作用与基底上的垂直力之和； 墙后主动土压力之和； f基底摩擦系数； 满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数，通常取。则

23、有：整理可得：所以，挡土墙底面宽度。3.1.5.挡土墙的抗倾覆计算挡土墙在荷载作用下不致绕墙底o点倾覆时应满足以下条件： （3-10）式中：倾覆稳定系数；全部的垂直力对墙趾的稳定力矩；全部水平力对墙趾的倾覆力矩； 满足抗倾覆所以条件的安全系数，通常取。 整理可得：所以，挡土墙底面宽度。3.1.6.挡土墙底面应力条件挡土墙的应力应满足以下条件： （3-11） （3-12） （3-13）式中 ：基底最大应力； e水平基底偏心距； B水平基底宽度； f地基承载力设计值，f=1000kPa。则有： 则有： 所以，挡土墙底面宽度3.1.7.挡土墙底面宽度的确定挡土墙的底面宽度必须同时满足抗滑、抗倾覆、基

24、底最大应力的条件，即要求：所以基底底面宽度至少大于1.81m，由于挡土墙的墙高H=12.28m，规范规定=(1/3-2/3)H，取=5.0m， 设计的挡土墙尺寸简图如图3-2。图3-2 挡土墙尺寸简图 3.2.牛湖山隧道小桂端洞门设计截面型式的选择根据牛湖山隧道洞门所处的地形、地质条件，及衬砌形式和边坡坡度，考虑到经济、美观等使用要求的因素，参照公路隧道设计规范（JTG D70-2004），小桂端也选用端墙式洞门。由于本隧道两侧受山体的纵向推力较大，所以在洞门两侧需加挡土墙以抵抗土压力，洞门的端墙与挡土墙的计算模型为挡土墙结构，根据地面确定墙厚1.5m墙身总高为8.0m（由地质纵断面图上量得）

25、。墙后岩体的重度，计算内摩擦角，基底摩擦系数为0.50，内聚力，挡土墙为C20毛石混凝土，其标准重度为。另由建筑地基基础设计规范查得：地基承载力设计值f=1000kPa。挡土墙的详细尺寸如下，见图3-3：图3-3 挡土墙及受力计算简图 墙高为H，墙顶宽为，墙底宽为，墙基高度为d，墙面上有土压力的竖直的分量和水平分量，水平分力的作用点距墙面底面的高度H/3。挡土墙的各参数设计如下：墙高为H=8m，墙顶宽为=H/15=8/15=0.53m， 取=1.0m，而底座高d=0.4m，现在根据该挡土墙的抗滑稳定性，抗倾覆条件，挡土墙底面应力条件来确定洞门的底面宽度。3.2.2.作用在挡土墙结构上的土压力计

26、算挡土墙的受力及计算简图如图说示，取墙背与竖直线之间的夹角=0，墙背与填土之间的摩擦角取（1/3-2/3），取=，为挡土墙与水平面的夹角，在地质纵断面图上量得=，动土压力系数为： （3-14）则主动土压力为：取单位长度，则有。围岩与挡土墙的外摩擦角为所以， 3.2.3.挡土墙的自重和作用在墙上的竖向合力.将挡土墙分为两个矩形和一个三角形，其自重分别为：由计算简图知：挡土墙的三部分自重分别为： （3-15） （3-16） （3-17）所以挡土墙的自重为： （3-18） 3.2.3.2.作用在挡土墙上竖向力的合力作用在挡土墙上竖向力的合力等于挡土墙的自重q与土压力的竖向分力之和。即： （3-19）

27、挡土墙上作用力对墙基脚o点的力矩。挡土墙上作用力对墙基脚o点的力矩之和为： 整理可得： （3-20）3.2.4.挡土墙的抗滑稳定性挡土墙的抗滑稳定性应满足以下要求： （3-21）式中：滑动稳定系数；作用与基底上的垂直力之和；墙后主动土压力之和； f基底摩擦系数；满足抗滑稳定性条件所要求的最小抗滑稳定性安全系数，通常取。则有： 整理可得： 所以，挡土墙底面宽度。3.2.5.挡土墙的抗倾覆计算挡土墙在荷载作用下不致绕墙底o点倾覆时应满足以下条件： （3-22）式中：倾覆稳定系数； 全部的垂直力对墙趾的稳定力矩； 全部水平力对墙趾的倾覆力矩； 满足抗倾覆所以条件的安全系数，通常取。 整理可得： 所以

28、，挡土墙底面宽度。3.2.6.挡土墙底面应力条件挡土墙的应力应满足以下条件： （3-23） （3-24） （3-25）式中：基底最大应力； e水平基底偏心距； B水平基底宽度； f地基承载力设计值，f=1000kPa。 则有： 带入数值整理可得： 所以，挡土墙底面宽度3.2.7.挡土墙底面宽度的确定挡土墙的底面宽度必须同时满足抗滑、抗倾覆、基底最大应力的条件为：所以基底底面宽度至少大于2.1m，由于挡土墙的墙高H=8.0m，规范规定=（1/2-1/3）H取=3.5m，挡土墙的尺寸简图如图3-4。图3-4 挡土墙尺寸简图4.衬砌结构内力计算与结构设计本隧道施工方法采用新奥法施工，新奥法是一种施工

29、理念，强调充分发挥围岩的自我承载能力，与初期支护、二期支护一起作用形成一个整体的隧道承载系统，本隧道的围岩级别主要为、级，根据规范所规定的范围和计算结果确定隧道支护结构的施工参数。计算所选取的断面位处隧道级围岩区域，节理发育较完全，埋深60米，岩石坚硬系数=2，内摩擦角=，容重，侧向岩层地基系数，基底岩层地基系数f=0.5。根据工程地质条件，综合考虑经济、施工条件与施工机械等因素，本隧道采用复合式衬砌的支护结构。初期支护采用锚喷支护的结构形式，二次支护体系为钢筋混凝土的曲墙拱结构。4.1.初次衬砌设计 根据隧道岩层性质及周围工程地质条件，由工程类比的方法，参照国家标准的锚杆喷射混凝土支护技术规

30、范（GB 500086-2001），初期支护选用cm厚的钢筋网喷射混凝土，设置锚杆长为，间距1×0.5米的25锚杆，其中钢筋网为6.5的单层钢筋网。设计参数的确定如果隧道按深埋埋隧道计算则有而隧道，其中a为隧道的半跨，隧道属于深埋隧道，围岩的竖向均匀压力q按下式计算： （4-1）式中：s围岩的级别，根据地质条件围岩属于级，取 s=4； 围岩的容重，根据地质条件围岩取24； 宽度影响系数，=1+i(B-5)； B隧道的宽度，取B=11.56m； i以B=5为基准，B每增减1m时的围岩压力的增减率，当B5m时取i=0.2，当B5m时，取i=0.1。代入数据有：考虑到在初期支护时有各种偶然

31、的因素，如地震的影响，温差的变化，雨季时水的影响等，其有关计算参数如下：， ，无锚杆时隧道的位移，有锚杆时隧道的位移，设计时为了简化计算，将隧道看成是圆形洞室，锚杆之间的, ,安全系数，锚杆的弹性模量为，抗剪切强度,围岩的单轴抗压强度，围岩的弹性抗力系数。4.1.2.确定围岩塑性区加锚后的c，值4.1.3.计算设计时若采用点式锚杆可看成锚杆两端有集中力，假设集中力分布于锚固区锚杆内外两端两个同心圆上，如图4-1所示。图4-1 隧道锚杆简化分布力计算图 由此在洞壁上产生的支护附加抗力，而在锚杆内边分布力为，其中：为锚杆内端半径，平衡方程及塑性方程为： （4-2） （4-3）由上面两式得： （4-

32、4）当时，得积分常数： （4-5）将（4-4）代入（4-3）式得： （4-6）全锚杆内端点的径向应力为，并位于塑性区内，则弹塑性区内，则弹性、塑性界面上有： （4-7）式中：有锚杆时的塑性区半径。由此得： （4-8）此外，由（4-5）并考虑锚杆内端分布力，则有： （4-9）由（4-7）、（4-8）两式得有锚杆时的塑性区半径为： （4-10）当锚杆内端位于塑性区之内时，且在松动区之外时，有锚杆时的最大松动半径为： （4-11）有锚杆时洞壁位移及围岩位移为： （4-12） （4-13）对于点式锚杆，可按锚杆与围岩的共同变形理论获得锚杆的轴力与内外移： （4-14） （4-15） （4-16）式中：

33、锚杆的外端位移，为锚杆的内端位移；锚固前洞壁的位移值，分别为锚弹性模量与一根锚杆的横截面的面积。由于锚杆是集中荷载，其围岩变位实际上是不均匀的，在加锚杆的洞壁处位移量最小，如果锚杆设有托板，则锚端还会有局部承压变形，因此在计算锚杆拉力时应乘以一个小于1的安全系数，即： （4-16）其中：k与岩质和锚杆间距有关，岩质差时取4/51/2则取k=2/3，由此可求得。对于一般围岩可以认为锚杆与围岩具有共同的位移，而略去围岩与锚杆间的相对变形，显然，锚杆轴力沿全长是不均匀的，锚杆中存在一中性点，该点的剪应力为0，两端锚杆受有不同方向的剪力，中性点上锚杆拉应力即轴力最大，在锚杆两端为0，见图4-2所示。图

34、4-2 锚杆内力分布图 考虑锚杆上任意一点的位移为： （4-17）当（中性点半径），锚杆的轴力为： （4-18）当时， Q=0有： （4-19） （4-20）当时，其轴力为： （4-21）当时，则有：式中：锚杆最大轴力处的中性点半径，为简化计算可用等效力来代替Q，由此可将按两种锚杆轴力图的面积等效，求得： （4-22） 由此可得： （4-23）而又：代入所有的数据得：则有：由弹性力学中的厚壁筒理论有： （4-24）而又有： （4-25）则有：而松动区的半径为： （4-26）代入数据得：将，的计算所得的式子代入试算可得：将=5.5087m代入，的表达式可求得： 4.1.4.锚杆的设计为让锚杆充分

35、发挥作用，应使锚杆应力尽量接近锚杆的抗拉强度，并有一定的安全系数，锚杆的长度要大于松动的半径，则设锚杆的长度，取锚杆的长度为2.5m有：满足要求。4.1.5. 围岩的稳定性安全度验算喷层除作为结构要起到承载作用外，还要求向围岩提供足够的反力，以维持围岩的稳定性，为了验证围岩的稳定，需要计算最小的抗力以及围岩的稳定性安全系数，松动区内滑体的重力G为：而由： （4-27）联立，试算可得： 则有安全系数。4.1.6.验算喷层的厚度t作为喷层的强度校核要求喷层内壁切向应力小于喷层混泥土抗压强度，按厚壁筒理论有：式中： ;喷混泥土的抗压强度，喷混泥土内壁半径;=10喷层混泥土内壁的安全系数，由此可算喷层

36、的厚度t取： （4-28）所以取喷层的厚度t=15cm图4-3 锚杆设计图4.2.二次衬砌设计荷载确定竖向均布压力：此处围岩的围岩级别为级，此处超挖回填层重忽略不计。 式中：s围岩的级别，根据地质条件围岩属于级，取 s=4； 围岩的容重，根据地质条件围岩取24； 宽度影响系数，=1+i(B-5)； B隧道的宽度，取B=11.56m； i以B=5为基准，B每增减1m时的围岩压力的增减率； 当B5m时取i=0.2，当B5m时，取i=0.1。代入数据有：围岩水平均布压力：4.2.2.衬砌几何要素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；拱顶截面厚度； 外轮廓线半径：拱轴

37、线半径： 拱轴线各段圆弧中心角： ，4.2.2.2.半拱轴线长度S及分段轴长S分段轴线长度：半拱轴线长度为：将半拱轴线等分为8段，每段轴长为：4.2.2.3.各分块接缝（截面）中心几何要素 与竖直轴夹角 角度较核：角度闭合差。（注：因墙底面水平，计算衬砌内力时用）接缝中心点坐标计算：两侧墙圆弧圆心之间的距离,1.5%的坡度对应的角为。 图4-4 衬砌结构计算图示 4.2.3.计算位移4.2.3.1.单位位移用辛普生法近似计算，按表2进行。计算精度较核为：表4-1 单位位移计算表闭合差。4.2.4.载位移主动荷载在基本结构中引起的位移截面(度)sincosxydI1/IY/IY/IY(1+Y)(

38、1+Y)/2积分系数1/30001000.30.003279.88300279.8831113.8320.2390.9711.340.1620.30.003279.88345.49377.394378.2654227.6640.4640.8852.6020.6400.30.003279.883179.336114.9753.4662341.4960.6620.7493.7131.4060.30.003279.883393.764553.91621.394455.3280.8220.5684.6092.4160.30.003279.883676.34216343266.952569.1610.9

39、340.3555.2383.6110.30.003279.8831010.6736495950.884682.9930.9920.1225.5634.9210.30.003279.8831377.386778.9813.142794.7200.996-0.085.5776.2720.30.003279.8831755.4111009.14800.64890105.3547.6050.30.003279.8832128.511618720724.212239.066472.023137546558.64.2.4.1.每一楔块上的作用力 竖向力： （4-29）其中：衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影

40、长度，由图4-4量得：， ，闭合差=水平力： （4-30）其中：衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图4-4量得：， （校核）自重力： （4-31） 其中：接缝i的衬砌厚度。作用在各楔块上的力列入表4-2中，各集中力均通过相应图形的形心。4.2.4.2.外荷载在基本结构中产生的内力楔块上各集中力对下一接缝的力臂由图4-4中量得，记为。内力计算按下式计算。弯矩： （4-30）轴力： （4-31） （4-33） （4-34）图4-5 内力计算图示内力计算见表4-2及表4-3。截面sincos(Q+G)E(Q+G)sinEcos0010000010.23910.971209.5696.03914

41、50.10375.8640144.239720.46430.8857407.58823.8063189.24021.0848168.15530.66260.749583.17552.2709386.39839.1506347.24840.82240.5689726.75189.7823597.70351.0739546.62950.93460.3557830.593134.164776.25947.7278728.53260.99250.122889.281182.843882.64022.3039860.33670.9966-0.082921.433232.795918.307-19.156

42、937.464810931.852282.745931.8520931.852表4-3 载位移计算表 基本结构中，主动荷载产生弯矩的校核为： 从表4-3中查得：闭合差4.2.4.3主动荷载位移 计算过程见表4-4。 截面1/Iy/Iy1+y/Iy/I (1+y)/I积分系数1/300279.883400100011-137.80279.883445.49370.162541.16254-38568.9-6269.19-4483842-526.72279.8834179.3360.640751.64075-147421-94460.6-24188223-1095.7279.8834393.764

43、1.406882.40688-306671-431452-73812344-1743.2279.8834676.3422.416513.41651-487902-1179022-166692425-2357.6279.88341010.673.611074.61107-659865-2382819-304268446-2837.0279.88341377.384.921275.92127-794038-3907682-470172027-3107.0279.88341755.416.271967.27196-869610-5454164-632377548-3239.1279.88342128

44、.517.604998.60499-906577-6894515-78010921-3754719-16785221-20539939表4-4 主动荷载位移计算表 计算精度校核： 闭合差。 4.2.5.载位移：单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移4.2.5.1.各接缝处的抗力强度抗力上零点假定在接缝3，；最大抗力值假定在接缝5，；最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算： （4-35）查表4-4代入数据可得： 最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算： （4-36）式中：所考察截面外缘点到h点的垂直距离； 墙脚外缘点到h点的垂直距离。由图4-4中量得：则： ，4.2.5.2.各楔块上抗力集中力各楔块上抗力集中力按下式近似计算：式中：楔块i外缘长度，是先量取夹角再利用弧长公式算出；的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心4.2.5.3.抗力集中力与摩擦力的合力按下式计算： （4-37） 式中：围岩与衬砌间的摩擦系数，此处取0.2。作用方向与抗力集中力的夹角。作用点为与衬砌外缘交点。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： （4-38）