铁路隧道工程新型隧道洞口设计及计算讲义156页（PPT 图文并茂）_ppt

1、客运专线隧道洞门及洞口景观设计 铁路隧道新型隧道门的研究铁道部建设司工程建设标准设计科研项目建技科字（2001）第1号铁路隧道新型隧道门的研究一、前 言二、新型隧道洞口段建筑形式研究 三、三维模型试验研究 四、数值分析研究五、切削式隧道门设计方法研究 六、现场试验研究七、新型隧道洞口完成后的效果 八、模型试验、数值计算和现场测试结果的比较 九、斜切式隧道洞口的特点 十、研究结论 汇报提要前 言第一章研究技术路线 一、前 言建筑风格归类 铁路隧道门在建筑风格上应该是： 封闭式拱形门类建筑 一、前 言1、城门楼式 中式：朴素、平淡、简洁。 天安门 西安城门楼一、前 言欧式：装饰性线条（条纹）较多

2、法国凯旋门 印度泰姬陵 一、前 言香妃墓 杰弗逊纪念碑 一、前 言2、拱形建筑（门、窗） 门 窗一、前 言3、传统挡土墙式隧道门 铁路隧道门 公路隧道门一、前 言优点：建筑元素多可作文章多壮观。 如秦岭隧道、二郎山隧道秦岭隧道一、前 言二郎山隧道门一、前 言缺点： 建筑规模大，边仰坡、天沟开挖造成植被破坏，且对山体稳定不利不利于环保，对不装修的显得也不美观，千篇一律。一、前 言 社会的可持续发展战略，人们对环境美学要求的日益提高，迫切需要我们革新隧道洞门及洞口的设计理念，应该从传统的 “温饱型”设计（只满足洞门基本功能要求）向新型的“小康型”设计（不仅满足基本功能，同时强调环境景观要求）转变。

3、 一、前 言新型（切削式）隧道洞门由环框式洞门演变而来，也因环保、景观及美学艺术应运而生。一、前 言直削 一、前 言正削 一、前 言倒削 一、前 言 艺术化处理（变异型）一、前 言一、前 言一、前 言一、前 言一、前 言优点：建筑形式简约，装饰性建筑可繁可简，环保、美观大方、自然。施工时刷坡少，尽可能的不破坏植被，有利于防止水土流失；而且能与周边环境很好的融为一体，体现可持续发展思想及与周围环境相协调的美学原则。一、前 言传统挡土墙式隧道门主要作用是挡土，维护洞口山体稳定，大多不做更多装饰性建筑设计，个别重要工点做些，公路做些。 这样做的原因是：传统挡土墙式隧道门是建立在原来的隧道修建技术基础

4、之上的，洞门必须开挖边、仰坡，创造一定埋深才能暗挖进洞，随之洞顶植被被砍伐，边、仰坡刷坡以外一定区域又要修天沟（洞顶排水沟），造成局部环境破坏，随着现代隧道技术的发展及环保、景观等要求的提高，这种传统的挡土墙式隧道门显然已不能适应发展的需要，随之而产生了以洞身延出斜切式为代表的现代式洞门建筑。 一、前 言4、现代式隧道门 现代式隧道门一、前 言 由于铁路对景观的要求比公路低，因此我们主张铁路隧道门的设计应本着简洁大方，美观实用，保护洞口环境的原则，以不刷坡或少刷坡施作的洞身延出口部斜切式洞门为主要建筑形式。除个别需要的工点外，不做更多的建筑修饰，体现自然美的原则。 一、前 言铁路隧道新型洞门建

5、筑形式研究第二章景观要素 自然景观与人工景观的协调（造园艺术）（1）自然景观地形 植被有无、植被组成发育程度、秃山岩石形态等。地貌（2）人工景观 当地人文建筑文化（建筑符号）西安古城墙建筑、藏式建筑隧道孔数单洞、双洞及多洞、双连及多连拱相关工程洞口相连工程，如桥隧相连、路隧相连、洞口设风机及辅助用房、双线水平之间未有开阔地带可造园，双线高低、前后、错落等。装饰材料（材质）条纹、色彩、光线（照明）等。铭牌形式墙顶嵌入式、侧墙嵌入式、洞身侧壁镶嵌式、洞口架立式、洞口山体刻字、洞口建筑雕刻小品（孤石）。 根据切削方式的不同及一些功能上的要求，新型隧道洞门的基本类型包括：直切,正切,倒切,弧形挡墙几种

6、,又根据洞门与山体的相交关系分为正交和斜交两种情况。 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 基本类型组合单线单洞单线双洞双线单洞其他正交斜交正交斜交正交斜交正交斜交直削正削倒削弧型挡墙二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究基本造型设计二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究直切 正切 倒切 弧形挡墙洞身延出式（突（凸）出式）切削形式二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究曲线正切曲线倒切排水设计1、加沿型二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 直沿型 斜沿型 斜沿型2、喇叭口型二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 正切直线渐变型喇叭口 正切直线渐变型喇叭口 正切曲线渐变型喇叭口 正切曲线渐变型喇叭口3. 倒削渐变型式二、铁路隧道

7、新型洞门建筑形式研究渐变型渐变型直线型曲线型洞门铭牌设置二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究赣龙铁路新型隧道门三维动画计算机模拟二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究国内外隧道洞门数据库系统开发及应用 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究1.数据库编制的目的 隧道洞口数据库系统主要用于初级阶段的规划中的隧道洞口景观的纸面研究。数据库编制最基本的作用是为了今后的实用设计提供一些参考实例，通过数据库的图形赝本没比较不同的设计手法的景观效果，同时，对不成功的景观设计起到防止的效果。同时，通过数据库对隧道洞口景观设计样本进行汇集和统计，扩大了设计人员的景观体验，总结出一定的设计规则，力图以现代的、科学的手段研究景观

8、实践，这就是编制数据库的目的。 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究2.数据库设计 从数据库应用系统和开发的全过程考虑，数据库及其应用系统设计分为6个阶段：1、需求分析；2、概念结构设计；3、逻辑结构设计；4、物理结构设计；5、数据库实施；6、数据库运行和维护。二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究隧道洞门数据库系统数据库说明：数据库内容、功能数据库录入与删除：录入与删除数据库数据查询按切削型式查询：对应按切削型式查询，打开其查询窗体按洞口型式查询：对应按洞口型式查询，打开其查询窗体按线型查询：对应按线型查询，打开线型查询窗体关闭窗体：宏命令按国家查询：对应按国家查询，打开国家查询窗体按用途查询：对应按

9、用途查询，打开用途查询窗体自定义查询：对应建立查询按其它型式查询：对应按其它型式查询，打开其查询窗体报表关闭详细设计 数据库结构 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究表的设计:表主要是隧道洞门信息表数据库信息表 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究窗体的设计：包括11个窗体 主窗体 数据库说明窗体 数据库查询窗体 按国家查询结果窗体 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 按洞口型式查询结果窗体 按用途查询结果窗体 按切削型式查询结果窗体 按线型查询结果窗体 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 按其它型式查询结果窗体 自定义查询窗体 数据库录入删除窗体 窗体列表 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究3.数据库的查

10、询和基本应用 从数据库编制的目的，结合设计的具体实践可见，在不同的设计阶段中都可以帮助数据库的帮助。数据库的研究和开发是以计算机的知识对设计经验的总结，在前人的经验中可获得对审美图式的深层理解，而这种审美图示也是人们心中关于洞口之美的理想模式，对设计具有理论和实际双重的指导意义。 数据库的应用主要包括隧道洞门研究和设计实践的指导作用。 首先，数据库为景观理论的研究提供了大量的生动的，现实的隧道洞门样本，是隧道洞门理论研究中经验学派的研究基础，也为隧道洞门评价提供了大量的样本。 其次，数据库对日常的设计工作提供了现实的指导作用，数据库实际应用主要表现在查询。按照限定的条件等都可以进行查询，筛选出

11、具有指导意义的作品。从查询的图片中，可分析出满足特定条件的一类洞口设计的设计规律和环境的协调程度，甚至包括不足之处，从而指导新的洞口设计。 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究 4、数据库演示 二、铁路隧道新型洞门建筑形式研究铁路隧道新型洞门三维模型试验研究第三章试验目的: 通过模型试验确定洞门结构的受力特征，并与数值分析和现场测试结果相比较找出结构受力规律，为结构设计提供依据。 三、室内三维模型试验研究 试验内容: 试验主要研究各种工况下（见表1）洞口段结构在围岩重力场（自重应力场）作用下洞口段围岩压力及结构内力的分布情况；根据洞口段结构与山体相交关系分二种情况进行试验：一是做正交洞口段试验 (

12、线路中线与洞口交角为90)；二是做斜交洞口段试验 (线路中线与洞口的交角为60和45)。整个试验按单线、双线共做以下10组试验：单线正切式三种、单线反切式三种、双线正切式三种，且每组做4种不同的坡度:1:1.5，1:1.25，1:1，1:0.75。另外，双线带弧形挡墙做正交形式洞口段试验，坡度(1:1.5和1:1.25)两种。对于每组试验均重复行进了三次。为保证试验数据的正确性，试验结果统计及分析中用3法去掉有明显大偏差的数据。 三、室内三维模型试验研究 试验内容:情 况工 况洞门形式与线路中线夹角（）备 注单线铁路隧道洞口一正切式正交90 每种工况进行以下四种坡度的试验:1:1.5；1:1.

13、25；1:1；1:0.75二正切式斜交60三正切式斜交45四倒切式正交90五倒切式斜交60六倒切式斜交45双线铁路隧道洞口七正切式正交90 八正切式斜交60九正切式斜交45十弧形挡墙正交90进行坡度1:1.5；1:1.25的试验表1 试验工况 三、室内三维模型试验研究 主要试验仪器及其设备: 液压式万能试验机WE-50、应变控制式直剪仪、电子天平、万用表、兆欧表、直流电桥QJ-23、YJ-26型静态电阻应变仪、P10R-18型预调平衡箱、7V-13多点应变数据采集仪。 三、室内三维模型试验研究 试验参数: 表2 空间模型各种参数相似比表3 相似材料力学参数指标 名 称相似比名 称相似比几何相似

14、比Cl30容重相似比C1应力相似比C30弹性模量相似比CE30粘聚力相似比Cc30内摩擦角相似比C1应变相似比C1位移相似比Cu30类别（kN/m3）E(MPa)（）c(kPa)级围岩原型18.7180025.81800.40模型18.76027.46.00.40实测18.729.76.9衬砌原型23.028000模型23.0933.3实测23.3933.3三、室内三维模型试验研究 表4 试验域取值 单位:m类 别隧道横向影响范围隧道纵向影响范围仰拱以下围岩厚度原 型105307.5模 型3.510.25三、室内三维模型试验研究 试验量测测点布置图: 单线正切式洞口段压力盒及其结构应变布置分布

15、图 单线倒切式洞口段压力盒及其结构应变布置分布图 三、室内三维模型试验研究 双线正切式洞口段压力盒及其结构应变布置分布图 三、室内三维模型试验研究 弧形挡墙式洞口段压力盒及其结构应变布置分布图三、室内三维模型试验研究 试验工作情况:模型试验工作照片(1) 照片1（模型上应变片和压力盒） 照片2（应变片粘贴）照片3（单线正切斜交试验） 照片4（单线倒切斜交试验）三、室内三维模型试验研究 试验工作情况:模型试验工作照片(2) 照片5（单线正切正交试验） 照片6 （单线正切斜交试验） 照片7（单线正切正交试验） 照片8（单线正切斜交试验）三、室内三维模型试验研究 数据处理（以单线正切正交90为例 ）

16、:洞口段单线正切正交90横断面围岩压力分布图（MPa） 三、室内三维模型试验研究 (a)仰拱 （b）拱顶 (c)左拱腰 （d）右拱腰 洞口段单线正切正交90围岩压力沿纵向分布图（MPa） 三、室内三维模型试验研究 洞口段单线正切正交90时横向内力图（轴力：kN；弯矩:kN.m）三、室内三维模型试验研究 洞口段单线正切正交90时横向内力沿纵向分布图 (a)仰拱轴力 （b）仰拱弯矩 (c)拱顶轴力 （d）拱顶弯矩 三、室内三维模型试验研究 单线正切正交90纵向内力沿隧道纵向分布（轴力：kN；弯矩:kN.m） (a)仰拱纵向轴力 （b）仰拱纵向弯矩 (c)右拱腰纵向轴力 （d）右拱腰纵向弯矩 三、室

17、内三维模型试验研究 (a) 拱顶纵向轴力 （b）拱顶纵向弯矩 单线正切正交90纵向内力沿隧道纵向分布（轴力：kN；弯矩:kN.m）三、室内三维模型试验研究 三维模型试验结论： 隧道洞门结构附近处在浅埋状态，围岩压力分布从进洞开始后逐渐增大，其大小与其上的覆土厚度有关，围岩压力的最大值发生在结构仰拱底部位，这主要是由覆土厚度和结构自重决定。 洞门结构的内力大小分布，除了与结构自身的刚度有关外，与外荷载的分布有关。洞门正交时最大弯距值也发生在结构底部仰拱部位。 隧道洞门结构斜交时，其受力将由于外荷载的偏压而改变。弯矩值的较大值发生在靠近山体侧（右腰）拱腰部。洞门与线路中线交角越小，偏压造成的内力分

18、布变化越明显。 三、室内三维模型试验研究 铁路隧道新型洞门数值分析研究第四章 为了确定新型隧道门的结构受力变形状态和整体的稳定性，并与三维模型试验的结果进行对比分析。因此，对设计的新型隧道门进行三维数值计算，采用的计算软件为大型有限元（FEM）计算程序ANSYS5.6。 四、数值分析研究 计算工况: 考虑与三维模型试验和现场测试结果进行比较，计算均采用模型试验和现场施工相对应工况，采用三维有限元模型进行计算分析。四、数值分析研究 计算模型 : 整体计算模型和单元网格划分衬砌网格划分 四、数值分析研究 12344321衬砌典型断面布置图 典型断面上位置示意图 四、数值分析研究 计算结果: 典型断

19、面1横向弯矩（Nm） 典型断面1横向轴力（N） 典型断面2横向弯矩（Nm） 典型断面2横向轴力（N） 四、数值分析研究 计算结果: 典型断面3横向弯矩（Nm） 典型断面3横向轴力（N） 典型断面4横向弯矩（Nm） 典型断面4横向轴力（N） 四、数值分析研究 计算结果: 衬砌横向弯矩（Nm） 衬砌纵向弯矩（Nm） 衬砌横向轴力（N） 衬砌纵向轴力（N） 四、数值分析研究 衬砌仰拱横向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌仰拱纵向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌仰拱横向轴力沿纵向分布（N） 衬砌仰拱纵向轴力沿纵向分布（N） 四、数值分析研究 衬砌边墙横向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌边墙纵向弯矩沿纵向分布（Nm）

20、 衬砌边墙横向轴力沿纵向分布（N） 衬砌边墙纵向轴力沿纵向分布（N） 四、数值分析研究 衬砌拱腰横向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌拱腰纵向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌拱腰横向轴力沿纵向分布（N） 衬砌拱腰纵向轴力沿纵向分布（N） 四、数值分析研究 衬砌拱顶横向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌拱顶纵向弯矩沿纵向分布（Nm） 衬砌拱顶横向轴力沿纵向分布（N） 衬砌拱顶纵向轴力沿纵向分布（N） 四、数值分析研究 衬砌仰拱围岩压力纵向分布（Pa） 衬砌拱腰围岩压力纵向分布（Pa） 衬砌拱顶围岩压力纵向分布（Pa） 衬砌边墙围岩压力纵向分布（Pa）四、数值分析研究 典型断面围岩压力分布图（MPa） 四、数值分

21、析研究 工况一：计算结果分析 ：（1）衬砌横向轴力全部受压，衬砌纵向轴力在洞口一定范围内处于受压状态，而在洞身地段纵向轴力全部受拉， 而其最大值均出现在仰拱。 （2）衬砌的横向最大正弯矩出现在仰拱的洞身部位，最大负弯矩出现在拱顶的洞口端。（3）作用在衬砌上的最大围岩压力在仰拱部位。（4）当采用正切式洞门时，洞口一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。（5）衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸2025m后，基本上趋于稳定，也就是说，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段取2025m作为整体考虑较为合理，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面

22、受力，还要考虑纵向受力，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。（6）在隧道洞身地段，横向上仰拱处于受压状态，而纵向上处于受拉状态，所以在结构设计中，应考虑洞身地段的纵向配筋设计。四、数值分析研究 工况二：计算结果分析 ：（1）衬砌横向轴力全部受压， 衬砌纵向轴力也全部受压。（2）衬砌的横向最大正弯矩出现在仰拱的洞身部位，最大负弯矩出现在拱顶的洞口端，衬砌的纵向弯矩跟其横向弯矩相比，值都很小，最大值出现在围岩与衬砌的交界处。（3）作用在衬砌上的最大围岩压力在仰拱部位。（4）当采用正切式洞门时，洞口一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著

23、的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。（5）衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸2025m后，基本上趋于稳定，也就是说，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段取2025m作为整体考虑较为合理，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。（6）在隧道洞身地段，横向上仰拱处于受压状态，同时纵向上也处于受压状态，从计算结果可知，纵向上轴力值远小于横向轴力，横向弯矩是纵向弯矩的46倍，而且纵向结构内力的绝对数值都很小，故在结构设计中可不必考虑纵向内力的影响，按平面应变问题进行结

24、构设计。四、数值分析研究 洞口段三维数值分析结论 通过对单线铁路隧道正切式、倒切式洞门、双线铁路隧道正切式、弧形挡墙式洞口段的三维数值仿真分析，经过对计算结果的分析和比较，得出以下一些结论。（1）不管是单线还是双线铁路隧道，当采用正切式、反切式及弧形挡墙式洞口时，洞口段一定范围内衬砌结构的受力特征与洞身衬砌有显著的差别，呈空间分布，所以对洞口段衬砌结构必须进行特殊设计。（2）对于单线铁路隧道，当采用正切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸2025m后，基本上趋于稳定；当采用倒切式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸1622m后，基本上趋于稳定。对于双线铁路隧道，采用正切式及弧形挡

25、墙式洞口时，衬砌结构的内力变化从洞口向洞内延伸2530m后，基本上趋于稳定。所以，在进行洞口段衬砌结构设计时，洞口段一定范围必须作为整体进行，此段要考虑空间效应，即不仅要考虑横截面受力，还要考虑纵向受力，与模型试验结果相吻合。基于上述计算结果，同时考虑施工因素的影响，建议单线正切式洞门段取25m，单线倒切式洞门段取22m，双线正切式及弧形挡墙式洞门段取30m，进行整体结构设计，而再往洞内延伸，则可按传统上的平面应变问题处理，这样既保证结构的安全性，也提高了工程的经济性。（3）由数值计算结果得知，工况一衬砌结构上对应位置的轴力、弯矩值比工况二都要大一些。在工况一中，衬砌结构的上覆土体相当于明挖回

26、填加载的；而在工况二中，衬砌结构是在暗挖条件下加载的，由此可以看出，在相同的埋深条件下，明挖回填作用在衬砌上的荷载比暗挖条件下的要大，对结构受力不利。所以，在条件允许的情况下，建议尽量采用暗挖法进行隧道洞口段施工。确实由于环境限制，不得不采用明挖法进行隧道洞口段施工时，此时作用在衬砌仰拱上的纵向轴力在洞口一定范围内呈受压状态，而在洞身段呈受拉状态，特别是在双线隧道中，受拉值非常大，此时必须对仰拱进行受拉配筋设计。四、数值分析研究 切削式隧道洞口段结构设计方法研究第五章研究内容和基本思路 以本课题研究的几种正交的基本洞门型式的洞口段结构为对象，以级围岩条件为基础，研究新型铁路隧道洞门洞口段的简化

27、计算方法。由于洞口段多处于浅埋地段，实际上又多采用明挖施工，而且又考虑到明挖法荷载大于暗挖法，因此以下研究基于明挖法。（1）分别按规范公式和数值分析计算比较，倾斜地势条件下，明挖和暗挖，深埋和浅埋的拱顶压力关系，确定其合理的拱顶压力公式或压力曲线；（2）研究横向计算简化模式。通过确定三维计算中一个或几个控制横断面，给出荷载大小及压力分布图式，最后给出一个或几个内力计算图式；研究并确定各压力分布图式中的拱顶荷载q与h的关系，确定各计算图式的拱顶荷载的Kq值；（3）研究纵向受力特征，确定纵向简化计算模式及荷载的具体计算方法。 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 1.拱顶压力计算方法的研究 考察一

28、理想化的山体，两侧对称，山脚下为平地，取如图1平面应变模型，考察在自重作用下的初始地应场，山体的主应力等值线如图2所示，对如图1中的山体中心点埋深为100m的水平线处的竖向压力与埋深的关系见图3，该图表明，在靠近山脚处，竖向压力大于h，而靠近山里处则小于h。山里的压力部分向山脚处转移。这是地形对自重应力场分布产生的影响，这时主应力将发生偏转，不再是半无限体（平坦地形）的情形，很重要的一点是零埋深处压力不为零，这是以往我们没有注意到的。 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 10005002001000图1 理想对称山体网格剖分图 图2 山体竖向压力等值线五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 图

29、3 山体顶下100m水平线处竖向压力及h与埋深关系图五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 各种公式、计算所得的单线隧道拱顶竖向压力埋深关系曲线 各种公式、计算所得的双线隧道拱顶竖向压力埋深关系曲线 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 结 论 当需要简化结构计算为平面计算时，必须对按平面计算得到荷载加以修正。从几组拱顶竖向压力曲线来看，三维计算结果具有比较合理的结果，相对又偏于安全，因此建议采用三维计算得到的拱顶压力曲线。五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 2.横向计算简化模式研究 计算图式的确定 严格来说，洞口段结构具有明显的空间效应，应按三维计算。但为方便设计中的计算工作，取如图的洞口段

30、中的一段封闭衬砌环，并把该段的所有外力示于图中。 单元衬砌环的受力示意图 计算图式 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 拱顶压力q=Kqh中Kq值的确定 经多组压力埋深关系比较，由于三维计算所得压力值较为合理，我们选定明挖法施工三维计算所得压力曲线作为我们的压力曲线。在洞口前端大于h，随埋深增加，在后段小于h，Kq值可根据埋深由图中直接查得。由于曲线形态与指数函数比较接近，为方便计算，因此用指数函数进行回归，回归曲线见下图，从图中可见两函数回归较好，因此Kq值也可根据埋深由回归函数确定。单线隧道： 双线隧道： 三维计算所得的隧道拱顶竖向压力与h比值随埋深关系曲线 (注：本图只限于级围岩，地形

31、坡度1：1.5的情形。)五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 3.纵向简化计算模式的研究 纵向简化计算模式 梁截面 纵向弹性地基梁简化计算图式 三维计算所得的隧道纵向剪切力与h比值随埋深关系曲线 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 纵向简化计算模式对混合法施工工况的适用性 在原各工况计算中，洞口段长度一般都大于30m，并且按一种施工模式施工。根据本课题的研究，为保持新型洞口结构整体稳定，我们建议洞口段应具有一定的长度，并且建议长度为2530m。 对切削式隧道门，国内的通常施工方法是口部较短的一段按明洞法施工，而后进行暗挖施工。如按本课题的建议，以单线铁路隧道为例，取整体设防长度25m，假定明

32、挖段15m，暗挖段10m，按课题组提出的简化计算模式（混合工法），控制点位于明暗交接处，按该内力进行结构设计，只需按构造进行配筋。 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 4.切削式隧道洞口段结构设计总结切削式隧道洞口段结构按以下方法设计。（1）切削式隧道洞口段结构设计有条件的应采用三维数值分析方法，如果条件不具备的话，应采用简化计算方法。（2）切削式隧道洞口段结构简化设计方法包括横向和纵向两部分：a.横向 不考虑悬臂段，洞口仅按洞口段控制截面配筋； 以拱顶压力为基准，根据基本压力图式确定截面上其他部位的压力大小。 横向简化公式拱顶压力按q=Kqh确定，其中Kq按下式或下图确定。 单线隧道： 双

33、线隧道： 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 三维计算所得的隧道拱顶竖向压力与h比值随埋深关系曲线（注：图16只限于级围岩，地形坡度1：1.5的情形。）b.纵向 洞口段结构前部为压弯，后部为拉弯受力，控制点在仰拱及衬砌下半部，控制断面在洞口段后段； 在横向受压，纵向受拉双向受力状态下，将出现较大剪应力，因此洞口较宜出现斜裂缝。 纵向简化公式纵向简化计算按下图的简化计算模式，将隧道洞口段看成纵向箱梁，受水平弹簧和竖向弹簧约束，尾部作用弹性铰合弹性水平约束。五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 纵向弹性地基梁简化计算图式 作用的荷载有自重，竖向压力Qh，切向压力，其中竖向压力、切向力和弹簧系数的

34、计算方法如下。式中：为比例常数，一般可取0.3； Lp为结构环向周长； K为弹性地基系数可由试验或规范确定； le(i)、le(i+1)为相邻单元的长度; u为泊松比可由试验或规范确定确定； Kt的确定与Kq的确定类似； f为围岩和结构摩擦系数。 E为混凝土弹性模量； It，At分别为隧道断面的惯性矩合面积。 单线隧道： 双线隧道： 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 5.新型洞门设计说明 a、正切式洞门主要适用于以下地形条件：（1）线路中线与地形等高线为正交；（2）地面坡率一般在1:2.51:0.5之间；（3）地表植被较好，无落石等不良地质情况；（4）隧道出洞后无深路堑，路堑边坡无挡墙防护

35、，或者隧道出洞后即接近路基填挖平衡点；（5）洞口处汇水面积较小，洞口上坡面无需作截水沟。b倒切式洞门主要适用于以下地形条件：（1）线路中线与地形等高线为正交；（2）地面坡度较陡，坡率一般大于1:0.5；（3）洞口仰坡存在落石的可能性；（4）隧道出洞后无深路堑，路堑边坡无挡墙防护，或者隧道出洞后即接近路基填挖平衡点；（5）洞口处汇水面积较小，洞口上坡面无需作截水沟。C、弧型挡墙式洞门主要适用于以下地形条件：（1）路中线与地形等高线正交或斜交角度大于70；（2）道出洞后为深路堑，路堑两侧边坡为挡墙防护，洞门弧型挡墙有条件与路堑两侧挡墙顺接。几种新型洞门适用的地形条件五、切削式隧道洞口段结构设计方法

36、研究 根据目前施工的技术条件，我们建议一般情况下隧道洞口施工可采用以下两种施工方法： a.不破坏洞口边仰坡的暗挖进洞施工法 对于大部分洞口边仰坡稳定的隧道均可以采用这种方法进行施工。如果隧道洞口段围岩较好，为、级围岩，为不破坏洞口的原始地貌，在第一次进洞爆破开挖炮眼布置时，周边炮眼应当加密至间距30cm左右，并且应减少每个炮眼的装药量，必要时可以在隧道开挖轮廓线上预留一圈空炮眼，以减少爆破对洞口坡面稳定性的影响。如果隧道洞口段为、级围岩，坡面稳定且植被较好时，更应该想办法在施工进洞时减少对地表的破坏。施工时，在清理出洞口开挖面后，根据围岩稳定性和地下水发育情况，应先在开挖轮廓线外施作二环超前锚

37、杆或超前注浆小导管进行预加固，锚杆或小导管的环向间距应在30cm左右，内外环的间距在50cm左右，然后采用人工或机械进行开挖，以减少对洞口围岩的扰动。 削式洞门是将隧道洞口段2030米作为一个整体来看待的，衬砌时若能一次衬砌完成是最好的，但目前的施工工艺还难以达到，在进行分段衬砌时，段与段间应作好钢筋的连接和防水处理。b.洞口段明挖施工后回填覆土恢复植被的施工方法 有些隧道洞口段为、级围岩，拱顶覆盖层很薄或围岩稳定性很差，暗挖的施工方法很难开挖进洞时，可以对洞口十几米进行明挖，待施工顺利进入暗洞后，再施作洞口段的混凝土衬砌，然后回填土与未开挖的地表顺坡，并人工种植植被。由于部分衬砌是明挖后施工

38、，施工场地开阔，施工操作方便，对于有些洞口建筑型式较为特殊的隧道不失为一种简单易行的施工方法。隧道洞口的施工工法 五、切削式隧道洞口段结构设计方法研究 铁路隧道新型洞门现场试验研究第六章六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 现场测试方案: 现场测试工点 现场测试选择单线隧道洞口2座，包括岭子脑隧道进口（正切）和仙娘庙一号进口（倒切）；双线隧道洞口2座，包括河坑进口（半圆柱型弧形挡墙）和森坑二号出口（正切）。 测试项目和使用仪器 （1）围岩压力及接触压力测试：使用压力盒测试围岩压力，压力盒埋设在二衬混凝土与围岩接触面上；喷混凝土与模筑混凝土之间的接触压力，也使用压力盒测试，将压力盒埋设在喷混凝土与模

39、筑混凝土之间。 （2）二衬内力（钢筋应力和模筑混凝土应变）测试：用钢筋计测试钢筋应力；用混凝土应变计测试模筑混凝土应变 。 测试断面的位置及仪器布置 岭子脑隧道进口测试断面布置图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 测试断面的位置及仪器布置 仙娘庙1号隧道进口测试断面图布置图六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 测试断面的位置及仪器布置 河坑隧道进口测试断面布置图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 测试断面的位置及仪器布置 森坑2号隧道出口测试断面图布置图六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 现场量测照片六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 压力盒压力：X（ffFFA）K

40、混凝土应变：X=（FF ffA）K 钢筋应力：X（ffFFA）K 测试数据处理 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 岭子脑隧道进口断面上围岩压力分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 岭子脑隧道进口围岩压力沿隧道纵向分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 森坑二号隧道出口断面上围岩压力分布图 森坑二号隧道出口围岩压力沿隧道纵向分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 河坑隧道进口断面上围岩压力分布图 河坑隧道进口围岩压力沿隧道纵向分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 衬砌结构内力测试结果与处理 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 岭子脑隧道进口衬砌结构纵向

41、轴力沿隧道纵向上的分布图六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 岭子脑隧道进口衬砌结构纵向弯矩沿隧道纵向上的分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 仙娘庙一号隧道进口衬砌结构环向轴力、弯矩图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 森坑二号隧道出口衬砌结构环向轴力、弯矩图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 河坑隧道进口衬砌结构环向轴力、弯矩图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 河坑隧道进口衬砌结构纵向弯矩沿隧道纵向分布图 河坑隧道进口衬砌结构纵向轴力沿隧道纵向分布图 六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 基本结论(1) 隧道门洞口段衬砌结构处于复杂的三维受力状态，不仅存在 横向轴力、弯矩，也存在纵向轴力、弯

42、矩，衬砌结构受力特征类似壳体结构的受力特征。洞口段衬砌结构按壳体结构来设计比较合理，与模型试验和三维数值分析结论比较吻合。(2) 隧道洞口附近处在浅埋状态，围岩压力分布和衬砌内力从进 洞开始后逐渐增大，其大小与随其上覆盖层厚度增加而增大。围岩压力的最大值发生在结构仰拱部位。(3) 最大环向轴力发生在边墙部位，最大纵向轴力发生在拱脚部位；环向最大正弯矩值发生在边墙部位，环向最大负弯矩值发生在拱脚部位；最大纵向正弯矩值发生在仰拱和拱顶部位，最大纵向负弯矩值发生在拱脚部位。六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 基本结论(续)(4)从现场试验与三维模型试验和有限元数值分析的对比来看：现场测试得到的围岩压力

43、和衬砌内力值要小于三维模型试验和有限元数值分析的结果，这是因为现场洞口段是在围岩基本稳定后才施做二衬，或者洞口回填施工时先开槽做好洞口段结构后再回填，回填量小所导致的。三维模型试验和有限元数值分析的结果比较接近。六、铁路隧道新型洞门现场试验研究 铁路隧道新型隧道洞门完成后的效果第七章七、铁路隧道新型隧道门完成后的效果 桃园三号隧道出口（单线圆弧正切）近景仙娘庙一号隧道进口（单线倒切）左侧面 仙娘庙一号隧道进口（单线倒切）正面 仙娘庙一号隧道进口（单线倒切）右侧面仙娘庙一号隧道出口（单线倒切）远景 仙娘庙一号隧道出口（单线倒切）左侧面 仙娘庙一号隧道出口（单线倒切）正面 小河背一号隧道出口（单线

44、斜交正切）正面 七、铁路隧道新型隧道门完成后的效果 小河背二号隧道进口（单线斜交正切）正面 小河背二号隧道进口左侧面 森坑二号隧道进口（双线圆弧正切）左侧 森坑二号隧道出口（双线圆弧正切）右侧面近景 七、铁路隧道新型隧道门完成后的效果 河坑隧道进口（双线弧形挡墙）左侧面 河坑隧道进口（双线弧形挡墙）正面 七、铁路隧道新型隧道门完成后的效果 室内三维模型试验、数值计算和现场测试结果的比较分析第八章 （1）单双线围岩压力的分布规律相似：洞门正交时围岩压力基本上呈对称分布，全部为压力，仰拱位置围岩压力值最大，从洞口向洞内延伸，开始部分（2030米左右）围岩压力逐渐增加。洞门斜交时，围岩压力呈现明显的

45、偏压现象，在靠近山体一侧的拱腰位置产生最大的围岩压力。但从数值上看，室内三维模型试验的结果最大，三维数值分析的结果居中，现场测试结果最小。模型试验结果比计算分析结果大，但不存在数量级的差别，相差范围在12倍之内。现场测试结果明显小于模型试验和数值计算结果，也不存在数量级的差别，现场测试结果大约是数值计算结果的20%70%左右。八、室内三维模型试验、数值计算和现场测试结果的比较分析 （2）单双线衬砌结构受力特征相似，三种方式得到围岩压力和结构内力数值有区别，分析其中的原因，认为是模型试验时底板上的围岩厚度较薄，并且在完全做好衬砌结构后，回填土的原因导致测试结果比计算结果大；而现场洞口施工，不是把

46、洞口全部开挖再回填，而是在洞口局部开槽，做好结构再回填，回填量很小，洞口边仰坡非开挖回填部分已经稳定，因此现场测试的数据最小。分析认为出现这样的结果是合理的，因为得到的规律是相似的，只是在数值上有些差别，因此，在洞口设计时通过三维模型试验或三维数值计算确定结构的荷载荷受力是偏于保守的，是可行的。 八、室内三维模型试验、数值计算和现场测试结果的比较分析 （3）由模型试验、数值分析、现场测试还发现：洞口段衬砌结构不仅存在横向轴力和弯矩还存在纵向轴力和弯矩，纵向轴力和弯矩数值与横向轴力和弯矩相当，洞口段的衬砌结构应看成三维壳体结构，因此在洞口段结构设计时要适当考虑洞口段的纵向效应。 （4）倒切洞门洞

47、口仰拱底结构内力较大，说明倒切洞门有前倾的趋势，应对基底围岩进行加强处理。 八、室内三维模型试验、数值计算和现场测试结果的比较分析 斜切式隧道洞口的特点第九章九、斜切式隧道洞口特点 斜切式隧道洞口，取消了原来隧道门用墙来挡土的理念，斜切式隧道洞口用延伸出的洞口段衬砌来维持洞口仰坡的围岩的稳定。斜切式隧道洞口结构形式简洁，设计方便。在洞口汇水面积不大或少雨地区。可以通过洞口结构的处理取消原来洞口仰、边坡处天沟和洞顶水沟，减少了洞口的圬工量。（1）建筑形式上的特点九、斜切式隧道洞口特点 洞口结构实际上是洞身衬砌延出做适当的处理，洞口部分是一整体的洞口段结构，满足了隧道洞口的基本功能要求同时可以使洞口结构简单，没