2020年度大学隧道毕业设计模板

大学隧道毕业设计

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摘要

本设计围绕会何家寨隧道右线而进行，本隧道为高速公路隧

道中隧道，隧道长646m,设计为单向双车道，设计车速为

80km/h,建筑限界净宽为10.25m。衬砌采用三心圆曲墙式结构，

支护结构和围岩共同承载，并充发挥出围岩的自承能力。新奥法

作为隧道结构设计的核心，合同段隧道围岩条件较复杂，有IIL

IV、V级三种级别的围岩，在IV、V围岩段均采用有初支、防水

层、二衬组成的复合式衬砌。初期支护为喷锚支护，采用锚杆、

喷射混凝土、钢筋网、钢拱架共同作用，二次衬砌采用模筑碎。

洞门设计严格按照《公路隧道设计规范》（GTJ-）中的相关规定

进行相关验算，采用翼墙式洞门；初支根据《公路隧道设计规

范》（GTJ-）、《隧道工程》和相关工程实例进行设计；二次衬

砌利用理正岩土6.0版软件算出相关数据，并进行配筋计算；同

时，根据相关参考资料和工程实例进行了隧道施工组织设计、防

排水设计和监控量测的设计，绘制了相应的图纸。

关键词：复合式衬砌；翼墙式洞门；中隧道；新奥法；曲墙

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ABSTRACT

Thisdesignwillaroundthehejiazaitunnelrightline,Thisisa

mediumlengthofhighwaytunnel,Tunnellengthof646m,This

designisUnidi-rectionaldoublelane,Adesignspeedof80

km/h.Constructionboundaryclearwidthis10.25m.LininguseThree

heartgardenCurvedwall,supportstructuresandRockSharedLoad.and

MakefulluseofRockLoadbearing.NewAustrianTunnellingMethod

isTunnelstructuredesigncore,Tunnelhasacomplicatedsurrounding

rockcondition,haveHI、IV、Vcountryrock,Initialsupport>water

barrierandsecondaryliningformCompoundliningoftheIII、IV

countryroc.InitialsupportforboltsupportShotcrete,Thetwoliningis

Buildingconcrete.tunnelportaiswingwalltunnelportal.Instrict

accordancewiththeportaldesignat《Codeforhighwaytunnel

design》(GTJ-),Initialsupportaccordingto《Codeforhighway

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tunneldesign》(GTJ-)design.twoliningutilizationofLiZheng

rockandsoil6.0design.Atthesametime,Accordingtotherelevant

informationandengineeringexamplesConstructionorganization

designandwaterproofdrainageandMonitoringmeasurement.

Keywords：compositelining;wingwalltunnelportal;Midd!e

tunnel;NATM;Curvedwall

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目录

第一章隧道工程概况......................................0

1.1工程概况..........................................0

1.2工程地质..........................................0

第二章隧道总体设计......................................2

2.1一般规定与设计原则................................2

2.1.1一般规定.....................................2

2.1.2设计原则.....................................3

2.2主要技术标准及执行规范............................3

2.2.1技术标准.....................................3

2.2.2执行规范.....................................4

2.3设计依据..........................................4

2.4隧道平面及纵断面设计..............................5

2.5隧道横断面设计....................................6

2.5.1隧道建筑限界.................................6

2.5.2隧道衬砌内轮廓线设计........................7

2.6支护形式的选择....................................7

2.6.1洞门衬砌设计.................................8

2.6.2洞身衬砌设计.................................8

第三章洞门设计与计算....................................9

3.1洞口地质条件......................................9

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3.1.1怀仁端洞口...................................9

3.1.2赤水段洞口...................................9

3.2洞门类型的选择...................................10

3.3洞门各部的尺寸拟定...............................10

3.4计算参数.........................................12

3.5建筑材料的容许应力与容重.........................12

3.6洞门稳定性验算...................................12

361计算洞门前一延米的平均高度..................12

3.6.2土压力计算..................................12

3.6.3翼墙稳定性验算..............................15

3.6.4主洞端墙验算................................17

3.6.5主洞与翼墙共同作用的..........错误!未定义书签。

第四章隧道初期支护设计与计算..........................20

4.1概述..............................................20

4.2初期支护的设计...................................20

4.3V级围岩初期支护机构计算........................21

4.3.1喷混凝土提供的支护抗力P1值.................22

4.3.2钢支撑提供的支护抗力尸2值...................24

4.3.3锚杆提供的支护抗力尸3值.....................24

4.3.4围岩本身提供的支护抗力巴值.................26

4.3.5最小支护抗力值Pmin.....................................................28

第五章隧道二次衬砌设计................................32

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5.1概述.............................................32

5.2隧道深浅埋确定...................................33

5.2.1计算断面参数确定............................33

5.2.2深浅埋判定计算..............................33

5.3隧道围岩压力确定.................................35

5.3.1V级围岩压力计算............................35

532IV级围岩压力计算............................37

5.3.3HI级围岩压力计算............................37

5.4V级围岩二次衬砌理正岩土软件验算（电算）........37

5.4.1V级围岩二衬计算条件........................38

5.4.2V级围岩二衬内力配筋结果...................40

5.4.3V级围岩二衬内力配筋计算...................41

5.4.4V级围岩二衬裂缝计算........................44

5.5IV级围岩二衬衬砌理正岩土软件验算（电算）.......50

5.5.1IV级围岩二衬计算条件........................51

5.5.2IV级围岩配筋结果...........................53

5.5.3V级围岩二衬内力配筋计算....................54

5.5.4V级围岩二衬裂缝计算........................57

5.6二衬配筋计算.....................................63

5.6.1V级围岩配筋...................错误味定义书签。

5.6.2IV级围岩配筋...............................63

5.6.3HI级围岩配筋...............................63

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第六章隧道防排水设计..................................64

6.1一般规定与设计原则...............................64

6.1.1一般规定....................................64

6.1.2设计原则....................................64

6.2隧道防水设计.....................................65

6.3隧道排水设计.....................................65

6.4洞口段排水设计...................................66

第七章施工组织设计.....................................67

7.1概述.............................................67

7.2施工部署.........................................67

7.3施工准备.........................................68

7.3.1技术准备....................................68

7.3.2施工机具、材料准备.........................69

7.3.3施工人员准备................................70

7.4隧道总体施工方案.................................70

7.4.1洞口施工....................................70

7.4.2洞身开挖....................................71

7.4.3初期支护....................................75

7.4.4二次衬砌....................................77

7.5施工通风.........................................78

7.6施工注意事项.....................................79

第八章隧道施工监控量测................................80

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8.1概述..............................................80

8.2监控量测.........................................81

8.2.1监控量测的目的..............................81

8.2.2监控量测的具体内容和量测技术...............81

8.2.3量测手段....................................82

8.2.4监控量测的主要方法、步骤及范围.............83

第九章结论.............................................85

参考文献................................................87

致谢..................................................88

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第一章隧道工程概况

1.1工程概况

何家寨隧道为分离式隧道，隧道走向呈北西西走向，稍呈弧

线形展布。其中：右洞起讫桩号YK69+864〜YK70+510,总长

646m,属中隧道。隧道净空10.25x5.0m,左右线进出洞门型式均

为端墙式；采用电光照明，机械通风。右线平面设计为209.115m

直线接160.095mA=410m的圆曲线接276.789mR=1050m的圆曲

线，纵面设坡率为1.3%的单向坡。

1.2工程地质

何家寨隧道洞口怀仁端隧道围岩等级为V级，围岩主要为第

四系填筑土，残坡积碎石土、角砾土；松散；下伏强风化灰岩、

泥岩，裂隙发育，质软，散体〜碎裂结构，围岩自稳性差，侧壁

不稳定，成洞条件差。地下水为土层孔隙水，基岩裂隙水，水量

小，雨季点滴状或线状出水。赤水断隧道围岩等级为V级，围岩

上覆松散填筑土，残坡积碎石土，角砾土。下伏中风化灰质泥

岩，裂隙发育，岩体破碎〜较破碎，碎裂〜碎裂镶嵌状结构。围

岩自稳性差，侧壁不稳定，成洞条件差。地下水以点滴状或线状

出水；隧道YK69+900〜YK69+970段围岩级别为IV级，岩性为

强〜中风化灰岩、泥岩互层，裂隙较发育，岩质软硬不均，岩体

较破碎，碎裂〜碎裂镶嵌层状结构。自稳性较差，拱顶围岩无支

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护时，易产生掉块、局部小规模小坍塌侧壁较不稳定。

YK69+970〜YK70+405段围岩等级为HI级，围岩主要为中风化灰

岩泥岩互层，碎裂镶嵌层状、块状结构。裂隙稍发育，岩质软〜

硬，岩石完整性较好，层间结合好。自稳性一般，侧壁稳定性一

般，成洞条件较好。洞身YK69+970〜YK70+405段穿过洼地侧下

方，洼地垂直发育高度可能已达到洞身地带，洼地周围岩体风化

强烈，据钻探揭露，强风化体距洞顶板的中风化层厚度约20m,

施工时应加强支护及防排水措施，避免发生坍塌、突水事故;隧道

最大埋深约71m,围岩主要为龙马溪组灰岩、泥岩互层，部分为

石牛栏组泥质灰岩，灰岩〜细晶结构，薄层〜中薄层层状结构。

围岩级别

VIVIII备注

重度y(kN/m3)

17〜2020〜2323〜25

弹性抗力系数K(MPa/m)

100〜200200-500500-1200

弹性模量E(GPa)

1〜21.3〜66〜20

泊松比g

0.35〜0.450.30〜0.350.25〜0.30

内摩擦角(p(°)

20。〜27。27。〜39。39。〜50。

粘聚力C(MPa)

0.05〜0.20.2〜0.70.7〜1.5

容许承载力(kPa)

400—7001200—1800〜3000

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摩擦系数f（垮工与围岩）0.40.450.5（表面不光滑）

表1.1各类围岩物理力学指标

第二章隧道总体设计

2.1一般规定与设计原则

2.1.1一般规定

隧道设计应满足公路交通规划的要求，设计根据现行有关规

范，规程和技术标准，借鉴参考相关类似工程，结合本隧道实际

情况，其建筑限界、断面净空、隧道主体机构以及营运通风、照

明等设施，应按照《公路工程技术标准》（JTGB01）规定的预计

交通量设计，当近期交通量不大时，可采取一次设计，分期修

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建。

2.1.2设计原则

1.在地形、地段、地质、气象、社会人文和环境等问题调查

的基础上，综合比选隧道轴线方案的走向、平纵线型。洞口位置

等，提出推荐方案。

2.地质条件很差时，特长隧道的位置应控制线路走向，以避

开不良地质地段；长隧道的位置也应该尽可能的避开不良地质地

段，并与路线走向综合考虑；中、短隧道可服从路线走向。

3.根据公路等级和设计速度确定车道数和建筑限界。在满足

隧道功能和结构受力良好的前提下，确定经济合理的断面轮廓。

4.隧道内外平、纵断面线型应协调，以满足行车的安全，舒

适要求。

5.根据隧道长度，交通量及其构成、交通方向以及环保要求

等，选择合理的通风方式，确定通风、照明、交通监控等机电设

施的设置规模。必要时特长隧道应作防灾专项设计。

6.应结合公路等级、隧道长度、施工方法、工期和营运要

求，对隧道内外防排水系统、消防给水系统，辅助通道、弃渣处

理、管理设施、交通工程设施、环境保护等作综合考虑。

7.当隧道与相邻建筑物互有影响时，应在设计与施工中采取

必要措施。

2.2主要技术标准及执行规范

2.2.1技术标准

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1.公路等级：高速公路

2.设计速度：80km/h

3.隧道建筑限界：

建筑限界：0.75+0.5+2x3.75+0.75+0.75=10.25m

限界净高：5.0m

4.汽车荷载等级：公路一I级

2.2.2执行规范

1.《公路工程技术标准》（JTGB01-）

2.《公路隧道设计规范》（JTGD70-）

3.《公路工程地质勘查规范》（JTJ064-98）

4.《公路隧道勘察规程》（JTJ064-98）

5.《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-）

6.《地下工程防水技术规范》（GB50108-）

7.《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-）

2.3设计依据

1.《贵州省赤水至望谟高速公路（怀仁至赤水段）工程可行

性研究报告》

年5月

2.《关于怀仁至赤水高速公路可行性研究报告的批复》黔发改

交通（）

293号

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3.《贵州省赤水至望谟高速公路（怀仁至赤水段）第二合同

段勘查设计合同》

4.《初测外业验收咨询报告》9月20

5.《初测外业验收会议纪要》高路办议[]8号

6.《初步设计咨询报告》12月

7.《定测外业验收咨询报告》2月

8.《怀仁高速公路施工图审查会议纪要》（路高办议[]13

号）8

月25日

9.相关技术标准、规范、规程等

2.4隧道平面及纵断面设计

隧道的平面布置主要服从线路总体走向，在综合考虑地形地

貌特征及经济性的前提下，主要考虑隧道进口、出口、隧址区工

程地质条件等因素。隧道纵断面设计综合考虑了隧道长度、通

风、照明、主要施工方向、洞口的位置、排水以及隧道进、出口

接线等因素，隧道平、纵面详见相应图纸。各隧道设置及平、纵

指标见表2.1

表2.1隧道平纵设置一览表

隧道长纵坡（％）平曲线半径

隧道名称线位隧道起讫桩号

度（m）进口段/出口段进口段/出口段

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何鸳隧右线丫黑靠靠646m1.3/1.3缓和曲烂和曲单坡

2.5隧道横断面设计

2.5.1隧道建筑限界

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-）高速公路隧道建筑限

界的规定：

本隧道的设计速度为80km/h,因此：

限界净宽0.75+0.5+3.75x2+0.75+（）.75=10.25m（具体指标见

表2.2）

限界净高5m（见图2.1）

人行横道建筑限界：高250cm宽200cm

表2.2公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度（单位m）

公路设计速度车道宽度横向宽度L检修道J建筑限界

等级/W左侧右侧左侧右侧净宽

（km/h）

高速公路803.75x20.50.750.750.7510.25

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图2.1公路隧道建筑限界（单位m）

2.5.2隧道衬砌内轮廓线设计

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-）的一般规定：衬砌设

计应综合考虑地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并

充分利用围岩的自承能力。衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑

限界，而且要尽量圆顺。《公路隧道设计规范》（JTGD70-）规定

了隧道内轮廓线的统一标准，即侧墙为大半径圆弧，拱部为单心

圆拱，仰拱与侧墙之间用小半径的圆弧来连接。两车道隧道标准

内轮廓断面如图2.2所示。

图2.2两车道隧道标准内轮廓断面图（单位：cm

2.6支护形式的选择

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2.6.1洞门衬砌设计

洞口工程设计以“早进洞，晚出洞”为原则，最大限度降低洞

口边坡的开挖高度，以保证山体的稳定，减小队洞口自然环境的

破坏。

结合本隧道进出口的实际情况，进口均采用翼墙式洞门，采

用C25混凝土。

2.6.2洞身衬砌设计

隧道洞身均依照“新奥法”原理采用复合式衬砌，即以锚杆，

喷射混凝土或者钢筋网喷混凝土，钢拱架为初期支护，以模筑混

凝土为二次衬砌，共同组成永久性承载结构。在初支和二衬之间

铺设L2mmHDPE单面自粘胶膜防水板为防水层。衬砌结构支护

参数根据围岩级别、工程地质水文地质条件、地形及埋置深度、

结构受力特点、并结合工程施工条件、环境条件、经过工程类比

法和结构计算综合分析拟定。

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第三章洞门设计与计算

3.1洞口地质条件

3.1.1怀仁端洞口

洞口所处地段地貌为斜坡，地形坡度位34°,表层第四系覆

盖层为素填土、碎石土、角砾土，厚度一般为2.0〜19.3m。下伏

基岩岩性为龙马溪组灰岩、泥岩互层，强风化层厚度大，岩质

软，岩体呈松散〜碎裂状结构。

3.1.2赤水段洞口

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洞口所处地段微地貌为缓坡，岩性为石牛栏组泥质灰岩，岩

质较硬，表层第四系覆盖层为角砾土碎石土、素填土，松散状，

其分布不均，厚度约2.0〜6.2m。

3.2洞门类型的选择

隧道洞口的位置根据进出口地形地貌以及工程地质条件等因

素，结合边坡、仰坡开挖的稳定要求和洞门的排水要求，以“早进

洞，晚出洞”的原则决定；

由于本隧道进出口均为V级围岩，围岩条件理想，因此进出

口均采用翼墙式洞门。

3.3洞门各部的尺寸拟定

根据《公路隧道设计规范》OTGD70-）规定，结合洞门所

在地段的工程地质条件，为了保证洞门的排水要求和稳定性，基

础设施及洞门尺寸为：

1.洞门高为12.2m,墙厚0.8m,翼墙式洞门正墙墙面坡度

取1:0.1

2.洞口边坡、仰坡坡比采用1：1,处于安全考虑，仰坡坡

脚至洞门墙

背的水平距离为1.8m,以防仰坡土石掉落到路面上。

3.洞门墙嵌进地基1.5m。

4.洞门墙顶高出仰坡脚0.75m,以防水流溢出墙顶，也防

止掉落土石弹出。

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5.翼墙厚度为0.8m,翼墙长度5m,翼墙坡度为1:1,倾斜

1:0.2O

6.洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度

1.1m,以免落

石破坏拱圈。

3.1洞门参数确定

仰坡坡率计算摩擦角（p（。）容重了（KN/n?）基地摩擦系数f基

地控制压力（Mpa）

1:0.570250.60.80

1:0.7560240.50.60

1:150200.40.40〜0.35

1:1.2543〜45180.40.30〜0.25

1:1.538〜40170.35〜0.40.25

3.2洞门墙主要验算规定

墙身截面荷载效应值SdV结构抗力效应值&（按极限状态算）

墙身截面偏心距eW0.3倍截面厚度

基底应力。W地基容许承载力

基底偏心距e<B/6,B—墙底宽度

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滑动稳定安全系数K,>1.3

倾覆稳定安全系数Ko>1.6

3.4计算参数

1.挡土墙的边坡、仰坡坡度1：1

2.地层容重”=18KN/m3

3.地层计算摩擦角0=50"

4.基底摩擦系数f=0.4

5.基底控制压应力同=0.4Mpa

6.仰坡坡脚£=45°,tane=La=5.9°

3.5建筑材料的容许应力与容重

翼墙的材料为水泥砂浆片石砌体，水泥砂浆的强度等级为

M10,片石的强度等级为MU100。

容重yc=22KN/m3,容许应力[o]=2.2Mpa。

3.6洞门稳定性验算

3.6.1计算洞门前一延米的平均高度

洞门前一延米处的高度：72m

则洞门前一延米处的平均高度为*±处=8.6m

2

3.6.2土压力计算

计算简图见下页3.2所示

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图3.2洞门土压力荷载计算简图

土压力系数计算：

最危险滑裂面与垂直面之间的夹角可按下式计算:

卜tan29+tanatan£-+tan2e)(tan(p-tane)(tancp+tana)(l-tanatan£)

tan6*(1+tan2(p)-tan-tanatane)(31)

式中①——最危险滑裂面与垂直面之间的夹角，（。）;

。——围岩计算摩擦角（°）;

£——洞门后仰坡坡角（。）;

a——墙面倾角（。）。

识［斤+%,—发

Eg4)］(3.2)

(tanco-tana)(1-tanatans)

A--------------------------(3.3)

tan(G+*)(1—tan①tane)

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h=——-——(3.4)

tan&-tana

.atane

/zo=----------------(3・3)

1一tanatang

G=y,Hb.(3.6)

式中

E----土压力(Kpa)；

H——洞门前一延米的平均高度；

A——侧压力系数；

九---地层容重(©V/m3)

瓦——翼墙的宽度；

〃——洞口仰坡坡角到洞门墙背的水平距离，取1.8m；

b——洞门墙条带计算宽度(m),取b=lm；

0——墙背土体平破裂角；

——翼墙现浇混凝土重度；

4——土压力计算模式不确定系数，可取;=0.6；

取a=5.9°,0=50。£=arctan0.8=39°

把数值带入可得到：

tanco=0.6737

arctanco=arctan0.6737=33.97'

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1(tan/一tan1-tanatane)

A=--------------------------------------

tan(co+(p)(l-tancotans)

_(0.6737-0.1033)(1-1.0x0.11033)_Q吃？

-tan(50°+33.97°)(l-1.0x0.6737)-'

将上面的数值带入(3.2)式中，可得到土压力E；

E=；以["2+4(“一

E=gx18x0.1922x[86+1.46x(3.08—1.46)]x1x0.6=79.22KN

2

3=—。=33。

3

E、=£cos(5—a)=77.22xcos(33。—5.9。)=68.543

Ex=Esin(^-a)=79.22xsin(33。—5.9。)=37.54MV

式中3-墙背摩擦角

3.6.3翼墙稳定性验算

a.抗倾覆稳定性验算：

挡土墙在荷载作用下应绕着墙趾产生倾覆的时候，应该满足

下式：

(=聿注1.6(3.7)

式中：K。——倾覆稳定系数，KONL6；

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£%——全部的垂直力对墙趾的稳定力矩(kN-m)；

Z%——全部的水平力对墙趾的稳定力矩(kN-m)。

墙身自重G:G=y,Hbx=22x8.6x0.8=151.36MV

Ex对墙趾的力臂：Z,=g=芋=2.8m

Ey对墙趾的力臂：Zv=々+(77tana)/3=0.8+(8.6x().103)/3=1.16m

G对墙趾的力臂：Z。=伉+"tana=0.8+8.6x0.103=0用布”

22

E=g跟[“2+4(——〃。)]好

=1xl8x0.1922x[8.62+1.46x(3.08-1.46)]xlx0.6=79.22KN

Ex=68.54X7V

E'=37.54X7V

^MV=GXZG+EVXZV=151.36x0.84+37.54x1.16=171A7V-m

=Z<-E”=2.8x37.54=105.1A7Vm

171

=1.63>1.6(3.8)

105.1

「•满足抗倾覆稳定性要求

b.合力偏心距验算

设作用于基底上的垂直合力为

ZN=G+EV(3.9)

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ZN=G+E,=151.36+37.54=189MV

设其对墙趾的力臂是S,合力偏心距为e

GEMy-YMo171-105.1

S=—~~J-----=---------------=0.35m

£N189

e=--S=—~0.35=0.05m<Im

22

合力在中心线的左侧

|e|=0.05<-=0.2m

114

计算结果满足要求

又:

(3.10)

满足基底压应力要求。

3.6.4主洞端墙验算

土压力：

2=0,1922

Ex=37.543

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=5x18x0.1922x[8.62+1.46x(3.08-1.46)]x1x0.6

=79.22

G==22x8.6x0.8=⑸.36K7V

墙身界面的偏心距为：

=—<0.33

N

式中

M——计算界面以上各力对截面形心力矩的代数和

N——作用于截面以上的垂直合力

墙身截面偏心验算：

(HH、Ro

M=E----E--=79.22x--28.65x-=84.9^-

123J,262

N=G+EV=151.36+28.65=18001侬・加

=208.8切a<[cr]=2.2Mpa

6x0.23

=-55.55切a<[cr]=2.2Mpa

0.8

，墙身截面偏心强度满足要求

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3.6.5主洞与翼墙共同作用的

a.土压力计算

4=0.1922

2

£,=lZf2[/7+//0(/z1-//0)]K

=1xl8x0.1922x[12.22+1.46(3.08-1.46)]xlx0.6

=164.62KN

E2=79.22KV

£E=EI+6=16462+79.22=24342A7V

斤=&+G2=2784+550=8284X7V

b.滑动稳定性验算:

K-力>1.3

cZE

£N=857.05KN

•••满足滑动稳定要求。

经过以上的验算，说明何家寨翼墙式洞门的尺寸合理，详图见设

计图纸。

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第四章隧道初期支护设计与计算

4.1概述

在二衬施作之前，刚开挖之后马上进行的支护形式叫做初期

支护，一般有钢筋网喷射混凝土、锚杆喷混凝土、喷射混凝土锚

杆与钢架结合支护形式。

隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安

全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载

结构一部分的结构层。

4.2初期支护的设计

何家寨隧道为高速公路中隧道，隧道洞口段为V级围岩，隧

道洞身段围岩等级为HI、IV级。其中V级围岩长81米，IV级围岩

长130米，HI级围岩长435米。

V级围岩的侧壁不稳定，成洞条件差，自稳性差，容易产生

大塌方；III、IV围岩自稳性差，成洞条件一般〜较好，可能会出

现小塌方。根据隧道的施工条件、断面形式、地质条件等，并考

虑充分发挥围岩自承能力，根据新奥法的原理，何家寨隧道应该

采用复合式衬砌，即由初期支护加中间防水层以及二次衬砌组合

而成的衬砌形式，其中初期支护采用喷、锚、网支护，工字型钢拱

架，并根据不同的围岩级别辅以大管棚、超前小导管等超前支护

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措施。

复合式衬砌能够采用工程类比的方法进行设计，并经过理论

分析来进行验算。初期支护的参数按规范，并应根据现场围岩监

控量测信息对设计支护参数进行必要的凋整。

4.3V级围岩初期支护机构计算

本隧道衬砌内轮廓线半径为5.43m,V级围岩预留变形量

100mm,初衬厚度25cm,二衬厚度45cm，隧道的开挖半径

a=5.43+0.1+0.25+0.45=6.23m。

隧道初期支护的结构计算采用剪切滑移破坏法计算，计算原

理如图4.1：

图4.1剪切滑移破坏法示意图

现假定锚杆、钢支撑、喷射混凝土所组成的联合支护，它们

的总支护抗力可视为各支护抗力之和，即：

尸=4+8+6+8(4.2)

式中P——所提供的总的支护抗力；

片——喷混凝土提供的支护抗力；

区——钢支撑提供的支护抗力；

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P、——锚杆提供的支护抗力；

P&——围岩本身提供的支护抗力。

计算所得的P值应满足不等式：

…血(4.3)

式中心——岩体中开挖隧道后防止产生剪切滑移破坏所需的

最小支护阻力。

4.3.1喷混凝土提供的支护抗力Pi值

喷混凝土抗力是指沿剪切面喷层所提供的平均分配在剪切区

高度b上的抗剪力。

剪切滑移体向坑道方向移动时对喷层产生水平推力，此时，

如喷层强度不足，则在剪切滑移体的上下边缘处(应力集中区)形

成两个剪切滑移面。当处于受力极限平衡时，其水平推力与两个

剪切面上的水平抗剪分力相平衡。

电=2-T、cos%(4.4)

4=卫(4.5)

sinas

将(4.5)式代入(4.4)可得：

.=2d£cos.(4.6)

bsinas

式中ds——喷混凝土厚度；

q——喷混凝土抗剪强度;

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4——喷混凝土的剪切角，取4=30°;

b——剪切区高度；

T——剪切滑移面的平均倾角。

(4.7)

(4.8)

tanaa

sin(二)

W=(Z+a)[cos(­)+sin(—)tan(—+—)----------———\-a(4.9)

式中（p——围岩内摩擦角，取°=24。；

a——剪切滑移面与最小主应力轨迹线成角，a、%均见

图4.1；

W——加固带高度；

t——锚杆横向间距。

将数据代入各式中，可得：

&=45°+g=57°

2

ds=25cm=0.25m

TS=0.43o;.=0.43xl2.5=5.38MPa

b=2。•cosa=2x6.23xcos57"=6.78m

W=(3.5+6.23)cos---------+sin----------xtan

2x6.232x6.2317t

--------------1—

2x6.234

3.48m

八c\c\c1i6.23+3.481ccIrcoo

=0.995H-------In---------------=1.28raJ=73.3

1.546.23

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—35。

将各参数代入(4.6)式可得:

2x025x538

己=R•sin吠=—xcos8.15°=0.794xcos8.15°=0.785MPa

'16.78xsin30°

4.3.2钢支撑提供的支护抗力尸2值

钢支撑提供的支护力计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗

力,即:

P2="再cos夕(4.10)

式中：Fs——每米隧道钢材的当量面积，由于/20a工字钢截面面

积为35.578c//,

每米的用钢量换算成截面面积为C=35.5cW;

r,——钢材的抗剪强度，取7,=15q;

%——钢材的剪切角，一般采用q=45。

6=15x5.38=80.7MPa

代入式中可得：

4

=2x35.5xl0x80.7cos8J5O^0J20xcos8lgo^QH

26.78xsin45°

4.3.3锚杆提供的支护抗力P3值

锚杆受力破坏有两种情况：

1.锚杆体本身的强度不足而被拉断。此种情况下的锚杆提供平

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均径向支护抗

力:

(4.11)

式中F----锚杆的断面积；

0——锚杆的抗拉强度；

e、，——锚杆的纵向及横向间距。

将数据代入(4.11)式可得：

下。_335x380.1x10-6

=0.199MPa

3~77~0.8x0.8

2.锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁之间的粘结力不足而破

坏。这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力：

q

(4.12)

S=7iDlq(4.13)

式中5——锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力；

D---钻孔直径，在此设计中取0=100〃加；

1---锚固段长度，为3.5m;

心——孔壁与注浆体之间极限粘结强度，取q=0.65Mpa;

将数据代入(4.13)式可得:

S=^-x0.1x3,5x0.65=0.714x1tfkN

将数据代入(4.12)式可得:

0.714X103

=1.12MPa

0.8x0.8

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两者取较小值，则锚杆提供的平均径向支护抗力为：

A'=0.199MPa

由于在a〜％范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则:

U=A'——(cos«-cos^,)

cosa

=0.199x---x(cos570-cos73.3°)

cos57°\7

=0.094MPa

4.3.4围岩本身提供的支护抗力尸4值

剪切滑移体滑动时，围岩在滑移面上的抗滑力，其水平方向

的分力在剪切区高度b/2上的抗滑力尸4为：

2slncos夕2S'b〃sin〃

-bb—(4.14)

式中

S1——剪切滑移面长度；

“、。“——分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面

的正应力。

S'=F师57。_「=^「护35"57。_]]=4.08m

sinaL」sin57。L」

剪切滑移曲面半径：

r=a-e('-a)由"=6.23xe(73'30-57°)x,an57°=9.65m

r„、?按摩尔包络线为直线时的假定求出(见图4.2):

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2一6

如=2cose(4.15)

5