隧道工程课程设计

本科生课程设计课程名称隧道工程学部理工农学部目录第一部分隧道主体结构设计任务书1一．课程设计题目1二．适用专业、班级、时间1三．课程设计目的及任务1四．设计方法与步骤5五．时间及进度安排5六．建议参考资料5第二部分隧道主体结构计算书62.1建筑限界62.1.1一般规定62.1.2隧道总体设计原则62.1.3隧道设计技术标准62.1.4隧道建筑限界图72.2内轮廓图确定82.3隧道洞口的设计92.3.1洞门形式的选择92.3.2洞门构造要求92.3.3验算满足条件102.3.4洞门结构设计计算102.4初期支护设计142.4.1支护形式的选择及参数确定142.4.2Ⅲ级围岩的初期支护设计152.4.3初期支护设计及验算172.5二次衬砌的计算252.6施工组织设计262.6.1编制说明262.6.2工程概况262.6.3工程特点、难点及施工措施272.6.4施工总体部署27 2.6.5施工组织机构 282.6.6施工组织流程 29附图301、建筑限界图、内轮廓图302、洞口立面图303、洞口侧面图304、复合式衬砌断面布置图30 --第一部分第一部分隧道主体结构设计任务书一．课程设计题目隧道主体结构设计二．适用专业、班级、时间张家界学院学院建筑工程专业三．课程设计目的及任务（一）设计目的：通过本设计掌握：建筑限界和内轮廓图；隧道洞口的设计；隧道洞身的设计及二次衬砌的验算；④施工组织设计。（二）设计任务：1.设计资料（1）隧道总体概况已知隧道为山岭两车道公路隧道，示意简图如图1.1所示。整个隧道原本分为左右线，并且左右线都为相向施工，但本次课程设计只要求设计单洞单向施工到达贯通位置的情况，只要求设计主洞的一般断面，不要求设计紧急停车带与横洞等附属洞室。隧道采用新奥法理念施工，隧道采用复合式衬砌，设计使用年限为100年。图1.1隧道示意图表1.1不同的围岩级别文中简写表示意义围岩情况描述Ⅲ级Ⅲ级围岩砂岩，岩体较完整，块状结构Ⅳ级Ⅳ级围岩页岩，岩体局部破碎，层状结构 Ⅴ级 Ⅴ级围岩 砾岩，岩体破碎，泥质胶结表1.2围岩计算参数围岩级别重度（kN/m3）弹性抗力系数（MPa/m）变形模量（GPa）泊松比内摩擦角（°）粘聚力（MPa）Ⅲ级围岩251200200.3501.5Ⅳ级围岩2350060.35390.7Ⅴ级围岩2020020.45270.2表1.3不同的设计行车速度文中简写表示意义速A设计行车速度为100km/h速B设计行车速度为80km/h速C设计行车速度为60km/h表1.4不同的隧道设计长度文中简写表示意义长A表示隧道设计长度1500m长B表示隧道设计长度2500m长C表示隧道设计长度3500m注：洞口段可选为40m长(2)隧道洞口段依据规范设计洞门并对洞门挡土墙进行验算。洞门挡土墙的倾斜度与嵌入基底深度根据规范选定。隧道开挖边界(拱顶）地表深埋的同不隧道开挖边界(拱顶）洞门挡土墙(隧道中线处)图1.2埋深示意图表1.5不同的洞口段埋深文中简写洞口段埋深（m)洞口A2.5洞口B3.5洞口C4.5(3)隧道洞身段(3)隧道洞身段根据围岩级别与隧道洞身段埋深计算围岩压力，根据《公路隧道设计规范》185页的荷载分担比例表，确定初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范选定初期支护与二次衬砌的设计参数。表1.6不同的洞身段埋深文中简写隧道洞身段埋深（开挖轮廓线拱顶至地表的距离）洞身Am15洞身Bm30洞身C50m洞身D70m洞身E90m洞身F120m(4)验算二次衬砌的强度目前数值模拟软件已经广泛应用于隧道设计中，确定二次衬砌的设计参数后，最好用某一种数值模拟软件计算二次衬砌的内力，进一步验算二次衬砌所有截面的强度。由于本次课程设计时间短，没有足够的时间学习数值模拟软件，因此下面假定已经计算出了二次衬砌的内力（二次衬砌的设计参数与荷载不同，计算出来的内力也不同），同学们按照图中指定的截面，验算二次衬砌在这一截面的强度，目的是掌握计算原理与思路。图1.3二次衬砌验算指定截面(注：你设计的二次衬砌可能有仰拱也可能无仰拱，但不影响这里的验算)表1.7不同截面的二次衬砌内力文中简称轴力(kN)剪力(kN)弯矩(kN×m)截面A-2506-64-43截面B-208614526截面C-2823-5110(5)施工组织设计施工组织设计包括施工方法、各工序施作时机、人员配备、主要材料、机械设备、进度计划等。每个人的隧道围岩级别、隧道埋深与隧道长度等不同，因此制定的隧道施工组织设计也应不同。2.设计工作及要求每个人针对的工程情况均有不同之处（详见下表），自己只做自己对应的工况，不要抄袭别人的设计。表1.8设计分组情况一览表学号设计工况1，16，31，46Ⅲ级速C长A洞口A洞身A截面A2，17，32，47Ⅳ级速B长C洞口B洞身B截面B3，18，33，48Ⅴ级速A长C洞口C洞身C截面A4，19，34，49Ⅲ级速C长A洞口A洞身D截面C5，20，35，50Ⅴ级速B长B洞口C洞身E截面B6，21，36，51Ⅳ级速C长C洞口B洞身F截面C7，22，37，52Ⅳ级速A长B洞口B洞身B截面A8，23，38，53Ⅲ级速A长A洞口A洞身C截面A9，24，39，54Ⅴ级速B长A洞口C洞身D截面B10，25，40，55Ⅳ级速C长C洞口B洞身E截面C11，26，41，56Ⅴ级速A长B洞口C洞身F截面A12，27，42，57Ⅲ级速C长A洞口A洞身A截面C13，28，43，58Ⅴ级速B长B洞口C洞身C截面B14，29，44，59Ⅲ级速C长C洞口A洞身A截面C15，30，45，60Ⅳ级速B长B洞口B洞身B截面B每位同学均应根据上表的分组名单与对应设计时速完成本设计，应完成的设计工作包括：根据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑限界图及内轮廓图。设计隧道洞门（如采用端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡土墙，绘制隧道洞门立面图与侧面图。计算隧道洞身段的围岩压力，根据《公路隧道设计规范》185页的荷载分担比例表，确定洞身段初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范选定洞身段初期支护与二次衬砌的设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面布置图。验算指定截面的二次衬砌强度，如果强度不合格，指出应采取的措施。编制施工组织设计，内容既包括进洞方法与超前支护措施，也包括洞身段的施工方法、各工序施作时机、人员配备、主要材料、机械设备、进度计划等。3.图纸要求采用3号图纸，比例自行确定。4.应提交的设计成果应提交给指导老师的设计成果包括：（1）设计说明书一份，包括前述应完成设计工作的各项内容，内容详细充实，能体现出设计的具体过程，写明设计参数的选择依据，特别要详细写明洞门挡土墙验算、围岩压力计算、二次衬砌截面强度验算等计算过程。（2）设计图纸一套，包括前述应完成设计工作的各项图纸，要求线条清晰、整洁美观，符合有关制图规范及比例要求。图纸首先采用计算机CAD绘制，然后一律采用A3图纸打印出来上交。四．设计方法与步骤根据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑限界图及内轮廓图。设计隧道洞门（如采用端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡土墙，绘制隧道洞门立面图与侧面图。计算隧道洞身段的围岩压力，根据《公路隧道设计规范》185页的荷载分担比例表，确定洞身段初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范选定洞身段初期支护与二次衬砌的设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面布置图。验算指定截面的二次衬砌强度，如果强度不合格，指出应采取的措施。编制施工组织设计，内容既包括进洞方法与超前支护措施，也包括洞身段的施工方法、各工序施作时机、人员配备、主要材料、机械设备、进度计划等。五．时间及进度安排1.布置设计内容及准备相关参考书、设计规范：0.5天2.建筑限界和内轮廓图：0.5天3.洞口设计：1天4.洞身设计：1天5.二次衬砌验算及施工组织设计：1.5天6.完成设计说明书及相关图纸：0.5天六．建议参考资料1.《隧道工程》，陈秋南.北京：机械工业出版社，2014.《公路隧道设计细则JTG/TD70-2010》，中华人民共和国交通运输部，北京：人民交通出版社，2010.《公路隧道设计规范JTGD70-2004》，中华人民共和国交通部，北京：人民交通出版社，2004.4.《公路隧道施工技术规范JTGF60-2009》，中华人民共和国交通运输部，北京：人民交通出版社，2009.5.《铁路工程设计技术手册-隧道》，北京：中国铁道出版社，1995.6．《交通隧道工程》，彭立敏.长沙：中南大学出版社，2003.第二部分隧道主体结构计算书2.1建筑限界2.1.1一般规定隧道设计应满足公路交通规划的要求，其建筑限界、断面净空、隧道主体结构以及通风、照明等设施，应按《公路工程技术标准》进行设计。当近期交通量不大时，可采取一次设计分期修建。2.1.2隧道总体设计原则隧道设计遵循充分发挥隧道功能，安全、经济建设隧道的基本原则。设计中有完整的勘测、调查资料，综合考虑地形、地质、水文、气象和交通量及其构成，以及营运和施工条件，进行多方案的技术、经济、环保比较，使隧道设计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求。隧道主体结构按永久性建筑设计，具有规定的强度、稳定性和耐久性；加强隧道支护衬砌、防排水、路面等主体结构设计与通风、照明、供配电、消防、交通监控等营运设施设计之间的协调，形成合理的综合设计。对有关的技术问题开展专项设计和研究。隧道土建设计体现动态设计与信息化施工的思想，制定地质观察和监控量测的总体方案。隧道设计贯彻国家有关技术经济政策，积极慎重地采用新技术、新材料、新设备。隧道设计必须符合国家有关国土管理、环境保护、水土保持等法规的要求。注意节约用地，保护农田及水利设施，尽量保护原有植被，妥善处理弃渣和污水。2.1.3隧道设计技术标准公路等级：一级公路。隧道设计速度：60km/h。隧道建筑限界标准见表2.1。隧道纵坡不应小于0.3%，一般情况不应大于3%，对于受地形限制的中、短隧道可适当加大，不宜大于4%。本隧道为短隧道。（7）设计荷载：公路－I级。2.1.42.1.4隧道建筑限界图可确定限界参数如表2.1所示：表2.1建筑限界设置(单位：m)隧道建筑限界净宽：m9.75，净高：m4.5。因为本隧道为两车道的短隧道，所以本隧道不设置紧急停车带和横向通道。建筑限界如图1.1。图2.1隧道建筑限界设计速度（km/h）车道宽度W侧向宽度L检修道J左侧右侧左侧右侧6020.500.750.750.752.22.2内轮廓图确定根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定，隧道的内轮廓拱部为单心半圆1R=514cm，侧墙为大半径圆弧2R=764cm，仰拱圆弧半径4R=1500cm，仰拱与侧墙间用一个小半径圆弧连接3R=100cm。两车道的60km/h标准内轮廓图如图2.2。图2.2隧道内轮廓图2.32.3隧道洞口的设计2.3.1洞门形式的选择隧道进口位于Ⅲ级围岩中，结合洞口排水要求，遵从“早进洞，晚出洞”的设计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，综合考虑，该隧道进口洞门采用“端墙式洞门”。端墙式洞门简图见图2.3.1。图2.3.1端墙式洞门简图2.3.2洞门构造要求（3）洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够的深度，保证洞门的稳定。基底埋入土质地基的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。基底埋置深度应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。（4）松软地基上的基础，可采取扩大基础措施。2.3.32.3.3验算满足条件采用挡墙式洞门时，洞门墙可视为挡土墙，按极限状态验算，并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时应符合表3.1和表3.2（《公路隧道设计规范》JTG－2004）的规定，并应符合《公路路基设计规范》、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定。2.3.4洞门结构设计计算1、计算参数确定（1）边、仰坡坡度1：0.1；（2）仰坡坡率1：0.5；（3）地层容重3m25kN/=γ；（4）地层计算摩擦角70；tan=tan270tan6tan63.5(1tan270)(tan70tan63.5)(tan70tan6)(1tan6tan63.5)tan63.5(1tan270)tan70(1tan6tan63.5)=0.266故：=14.89土压力系数按下式计算：(tantan)(1tantan)（3.3）tan()(1tantan)(tan14.89tan6)(1tan6tan63.5)=0.025tan(14.8963.5)(1tan14.89tan63.5)洞门土压力按下式计算： a 2.0h' 12.05mtanωtanα0.2660.1a 2.0 h 5.0m0m0.10.50.1EH2hh'hbζ=33.67kN1 2 0 02δ为墙背摩擦角取3003（3.4）EEcos()25.37kN XEEsin()22.05kN y墙体自重按下式计算:GHhBhB'（3.5） a G22121.82201.83 =55 水泥砂浆砌片石重度，取22kN/m3; a aH洞门高度; h基础埋深，包括扩大基础在内; B'扩大基础的宽度;基础及回填土之平均重度,取20KN/m3。 G G2、洞门抗倾覆验算根据公式Mk0My（3.6）0MGZEz y G yy（3.7）MEZ 0 xx（3.8）M全部垂直力对墙址O点的稳定力矩 My-全部水平力墙址O点的稳定力矩 0HE对墙址的力臂：Z4.0mx x3HtanE对墙址的力臂：ZB'3.4my y 3B'HtanG对墙址的力臂：Z2.1m G 2故：M556.82.120.053.41244.25kNmyM25.374.0101.48KNm0 M 1244.25KMy101.4812.261.600满足抗倾覆要求。3、洞门抗滑移验算NfKCE （3.9）N作用于基底上的垂直力之和 E墙后主动土压力之和 NGEEE f0.6 y x 故(556.822.05)0.6K13.691.3满足抗滑动要求。c 25.374、基底合力偏心矩验算与基底承载力验算设作用于基底的合力法向分力为N，其对墙址的力臂为Z，合力偏心距N为e，则： MM GZEZEZ ZyN 0 GGyEy x x（3.10）Ny1.9B'eZ0.4 2 NB'|e|0.40.5满足计算要求6 N 6emax(1)（3.11） B' B'min可得：347.31[]0.8MPamax min38.59[]0.8MPa 符合地基承载力要求。5、墙身截面偏心矩验算及强度验算墙身偏心矩e：Me0.3B N （3.12）式中：M——计算截面以上各力对截面型心力矩的代数和；N——作用于截面以上垂直力之和。BME(H/2H/3)E28.69kNmx y2NGE578.85kNy将数据代入墙身偏心矩e的公式，得可：Me0.050.3B0.320.6mN所以计算结果满足要求。应力σ： N 6e(1)b b=0.75MPa[]2.2MPa所以计算结果满足要求。经验算，翼墙的验算也满足要求。2.4初期支护设计2.4.1支护形式的选择及参数确定隧道洞口处围岩为Ⅲ级围岩，隧道洞身围岩为Ⅲ级围岩，隧道采用复合式衬砌支护，即由初期支护、二次衬砌以及中间防水层组合而成的衬砌形式进行支护。同时还采用大管棚、小导管等预支护措施。其中初期支护采用喷射混凝土、钢筋网、钢拱架支护。根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）的有关规定，二车道复合式衬砌在Ⅲ级围岩条件下。初期支护采用喷锚支护方式，初期衬砌厚度10cm，二次衬砌厚度35cm；锚杆采用中空注浆锚杆，锚杆的直径为20mm，长度为300cm，钢筋网直径为10mm。二次支护为模筑混凝土，混凝土的强度等级为C35，厚度为10cm。2.4.2Ⅲ级围岩的初期支护设计1、隧道的深浅埋确定：深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。在Ⅲ级围岩条件下:Hp2hq式中：H深浅埋隧道的分界深度；Php荷载等效高度，hqq。已知在Ⅲ级围岩下，隧道宽度为B=10.28m，围岩容重为25KN/m3，则围岩的坍塌高度为h：h0.452S1[1i(B5)]0.4523110.110.285 =2. 式中：S--围岩的级别；--围岩的重度；B--隧道的宽度；i--B每增减1m时的围岩压力的增减率，当B5m时取i0.1。荷载等效高度：qhhh2.75mq故分界深度：H2h22.755.5m P q埋深H=1.5m，小于h2.75m，属浅埋隧道。q2、隧道围岩压力的确定Ⅲ级围岩的围岩压力计算：2/41.4mkN其中：2kN/me侧向均布压力)(mHt隧道高度）围岩计算摩擦角（c2.4.3初期支护设计及验算本隧道处在Ⅲ级围岩中，开挖半径为a5.64m(R1=5.14m，预留变形量50mm，初期衬砌厚度10cm，二次衬砌厚度)35cm，现以Ⅲ级围岩取最大埋深1.5m处计算：支护材料取喷射混凝土采用C25，厚度为10cm，钢筋网选用HPB235钢筋，钢筋直径mm10，网格间距25×25cm。锚杆为全长粘结型，长度3m，直径20mm，间距m×1m1，选用HRB335，带垫板，其尺寸为150mm×150mm×6mm。钢支撑选用aI20工字钢258.35cmFs，每榀间距1m。采用剪切滑移破坏法计算：图2.4.3剪切滑移破坏法示意图11、喷混凝土提供的支护抗力P1值aWalntan1020250-452-45（为围岩的内摩擦角）其中，为剪切滑移面与最小主应力轨迹线成角，a、均见图2.4.1，b为0剪切区高度。W为加固带高度，取l为形成加固带时锚杆的有效长度，t为锚杆横向间距（见图4.3），则有：tsin() W（la）[cos(t)sin(t)tan(t) 2a ]a(4.5) 2a 2a 2a4 tcos()2a4得：d=10cm=0.10ms=0.43=0.43×12.5=5.38MPasb20,则5.64cos205.3mb10.6m2 1 1 1 1sin(11.28)5.64 W(35.63)cos( )sin()tan() 1 11.28 11.284cos( ) 11.284 =2. 1 5.643.0 20 ln 87.14 0 tan20 5.6487.142033.5722d将所有数据代入式Psscos得：1bsins20.15.38Pcos33.570.17MPa110.60.5计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力，即2FPstcos(4.6)2bsint式中:F——每米隧道钢材的当量面积，此处取35.58cm2；s——钢材的抗剪强度，一般取1为钢材的允许抗拉强度，也可用15； t t2t t t s——钢材剪切角，一般采用45。 t t得：1580.7MPa t s代入式中，得：P235.5880.7104cos33.570.064MPa 2 10.6sin452、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。这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力：F(4.7)P3et式中F——锚杆的断面积；——锚杆的抗拉强度；e、t——锚杆的纵向及横向间距。则F P =0.15MPa3et（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：SP 3 et(4.8)式中S——为锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力，SDl；sD——钻孔直径，在此设计中取D=60mm；L——锚固段长度；——孔壁与注浆体之间极限粘结强度，砂岩取=0.85MPa s s则S0.063.50.850.56103kNS代入P式中得 3 et0.56103P"0.56MPa 3 11取其中的最小值，P'P'' 3 3则取锚杆提供的平均径向支护抗力P'0.247MPa。3由于在~范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则：01coscosPP 3 3cos 01cos20cos87.140.14MPa0.247cos203、围岩本身提供的支护抗力P4值剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上的抗滑力，其水平方向的分力在剪切区高度b/2上的抗滑力P4为2Scos2Ssin P n n 4 b b式中S——剪切滑移体长度，其值为a0tan1Sesin 5.64 e(87.1420)tan201sin208.77raexptan=8.64、——分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力，它们按n n摩尔包络线为直线时的假定求出（见图）：13cosn 21313sinn22由图4.3可知1-3cosctan 2 n将式1 31 3sin中值代入上式，得n 2 2 n2ctan1sin 1 3 3 cosPramin 021R11r0a1Pay1Rbb则 1sin45PaH1sin452sin451 min Pmin 式中——为围岩的重度，此处Ⅲ级围岩，取=25KN/m3;——为初始应力，设处于均质岩体中，则h251.50.128MPa; y y1sin1sin50 —— 7.551sin1sin502ccos21.5cos50 R 8.24MPab1sin1sin50则 1sin45Pmin255.64251.51sin452sin451 Pmin 得：P0.008MPamin得：PPmin即，设计支护满足要求。可得出Ⅲ级围岩条件下的初期支护，见下表： 表2.4.1各级围岩初期支护参数表 围岩级别喷混凝土设置部位/厚度（cm）钢筋网格间距（cm）（环×纵）网设置部位锚长度（m）杆间距（环×纵）（m）钢架每榀间规格距（m）Ⅲ拱墙、仰拱1025×25拱墙3.01×1I20a1.0工字钢（全环）2.52.5二次衬砌的计算Ⅲ级围岩中，采用复合式衬砌，初期支护按照工程类比法设计，二次衬砌采用荷载结构法计十算，根据《公路设计施工规范》，其中Ⅲ级围岩中二次衬砌为完全储备，因此不需要进行计算。图2.5.1《公路设计施工规范》2.6施工组织设计2.6.1编制说明编制依据1.《隧道工程》，陈秋南.北京：机械工业出版社，2014.《公路隧道设计细则JTG/TD70-2010》，中华人民共和国交通运输部，北京：人民交通出版社，2010.《公路隧道设计规范JTGD70-2004》，中华人民共和国交通部，北京：人民交通出版社，2004.4.《公路隧道施工技术规范JTGF60-2009》，中华人民共和国交通运输部，北京：人民交通出版社，2009.5.《铁路工程设计技术手册-隧道》，北京：中国铁道出版社，1995.6．《交通隧道工程》，彭立敏.长沙：中南大学出版社，2003.编制原则资源节约和环境保护原则。符合性原则，满足建设工期和工程质量标准，符合施工要求。标准化管理的原则。科学、经济、合理的原则。引进、创新、发展的原则。“六位一体”管理的原则。指导性纲领与动态控制相结合的原则。2.6.2工程概况基本概况隧道长1500m，为两车道一级公路隧道；Ⅲ级围岩线路