芭蕉湾隧道综合设计

目录

第一章工程概述..................................................................3

1.1工程地质条件.............................................................3

1.1.1地形地貌...........................................................3

1.1.2地质情况...........................................................4

1.1.3水文地质条件.......................................................4

1.2隧道设计说明设计标准及遵循规范..........................................4

第二章隧道整体设计..............................................................4

2.1一般规定与设计原则.......................................................4

2.1.1一般规定...........................................................4

2.1.2设计原则...........................................................5

2.2隧道横断面设计原则.......................................................5

(1)隧道限界高度........................................................5

(2)余宽设置............................................................5

2.3隧道建筑限界.............................................................5

2.4隧道衬砌内轮廓设计.......................................................5

第三章洞门设计..................................................................7

3.1洞口地质条件.............................................................7

3.2洞门的设计方案...........................................................7

3.2.1洞门形式的选择.....................................................7

3.2.2验算...............................................................7

3.3洞门结构设计计算.........................................................8

3.3.1计算参数...........................................................8

3.3.2建筑材料的容重和容许应力...........................................9

3.3.3洞门各部尺寸拟定...................................................9

3.4洞门验算.................................................................9

3.4.1洞门土压力计算.....................................................9

3.4.2抗倾覆验算........................................................10

3.4.3抗滑动验算........................................................11

3.4.4基底合力偏心矩验算................................................11

3.4.5墙身截面偏心矩及强度验算...........................................12

3.5洞口边坡锚固设计........................................................12

第四章衬砌内力计算(深埋).....................................................13

4.1基本资料................................................................13

4.2荷载确定................................................................13

(1)围岩竖向均布压力:..................................................13

(2)围岩水平均布压力:..................................................13

4.3衬砌几何要素............................................................14

4.3.1衬砌几何尺寸......................................................14

4.3.2半拱轴线长度S及分段轴长.......................................14

4.3.3各分块接缝(截面)中心几何要素.......................................14

4.4主动荷载在基本结构中引起的位移..........................................16

4.4.1单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移..............................20

4.4.2墙底位移...........................................................22

4.5解力法方程..............................................................22

4.6计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力................................23

4.7最大抗力值的求解........................................................24

4.8计算衬砌总内力..........................................................25

......................................................................26

4.9内力图

...................................................................26

4.10衬砌验算

...........................................................27

1.拱顶（截面0）

2.最大轴立面（截面8）...................................................28

第五章衬砌内力计算（浅埋）.....................................................30

5.1围岩压力计算................................................................30

5.1.1围岩竖向压力...........................................................30

5.1.2衬砌几何要素..........................................................30

5.1.3半拱轴线长度S及分段轴长...........................................31

5.1.4各分块接缝（截面）中心几何要素..........................................31

5.1.5墙底位移..............................................................39

5.2解力法方程..............................................................39

5.3计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力................................40

5.4最大抗力值的求解........................................................41

5.5计算衬砌总内力..........................................................42

......................................................................43

5.6内力图

....................................................................43

5.7衬砌验算

.......................................43

1.拱顶（截面0）

2.最大轴立面（截面8）...................................................44

第六章通风计算.................................................................46

6.1隧道需风量计算..........................................................46

6.1.1C0排放量.........................................................46

6.1.2稀释CO的需风量..................................................48

6.1.3烟雾排放量........................................................48

注：交通阻滞是按最长1000m计算.........................................49

6.1.4稀释烟雾的需风量..................................................49

6.1.5稀释空气内异味的需风量............................................50

6.1.6考虑火灾时排烟的需风量............................................50

6.1.7结论..............................................................50

6.2单向交通隧道射流风机纵向通风计算........................................50

6.2.1计算条件..........................................................50

6.2.2内所需升压力......................................................51

汽车等效抗阻面积：......................................................51

代入式（6-1）,可得：...................................................51

2

所需的升压力为：........................................................51

6.2.31120型射流风机所需台数.............................................52

根据公式（6-3）：...............................................................................................................52

由之前表中查，得：......................................................52

代入公式（6-4）,得：...................................................52

根据公式（6-5）：..............................................................................................................52

第七章照明计算.................................................................54

7.1基本资料（近期）........................................................54

7.2基本参数（近期）........................................................54

7.3灯具布置（近期）........................................................55

7.4基本资料（远期）........................................................56

7.5基本参数（远期）........................................................56

7.6灯具布置（远期）........................................................57

7.7结论....................................................................58

7.8调光....................................................................58

第八章施工组织设计.............................................................59

8.1工程概况................................................................59

8.2预定目标承诺............................................................59

8.3编制说明................................................................59

8.4施工指导思想............................................................59

8.5工程质量和工期的保证措施................................................59

8.5.1质量保证措施......................................................60

第一章工程概述

1.1工程地质条件

1.1.1地形地貌

本项目位于重庆市合川区三庙镇福寿村六社，左线进口桩号为ZK231+355,

出口桩号为ZK233+925,全长2570m；右线进口桩号为YK231+343,出口桩号

为YK233+893,全长2550m。全隧均采用1.5%纵坡、1.5%横坡。所在的地理位

置隶属于剥蚀丘陵地貌，隧道洞身的开挖，会形成排水廊道，降低地下水位，对

周围居民的日常用水及植物生长造成较小的影响。芭蕉湾隧道的施工将会产生大

量的弃渣，弃渣应该固定堆放：弃渣场的选择就显得尤为重要，选择不当，将会

引发新的环境问题与地质问题，如：滑坡、泥石流等。隧道进出口居住少量居民，

隧道的施工及运营将给周围的居民带来一定的噪音污染。

3

1.1.2地质情况

芭蕉湾隧道进口段的沟槽及洞身浅埋地段的冲沟内是松软土，厚0~6m不等,

尽管松软土物理力学性质较差，但对隧道结构稳定性影响甚微。洞身穿越侏罗系

中统上沙溪庙组泥岩夹砂岩，岩层倾角平缓，产状变化较小，未见断裂构造形迹:

芭蕉湾隧道隧道洞身由泥岩夹砂岩组成，质软，易风化、崩解，洞顶易坍塌。隧

道范围内泥岩易风化剥落，间夹的粉细砂岩薄层，间夹的灰绿色条带的存在，少

量裂隙水的出现，使施工中易坍方、垮顶。坡崩积堆积体主要成份为块石土，总

厚度达4~12m,对隧道开挖存在较大影响。隧道深孔有天然气显示，该隧道为低

瓦斯隧道。洞口基岩裸露，工程地质条件较好，但因岩质软，强度低，边坡稳定

性差。

1.1.3水文地质条件

重庆市地下水是由于地球上的水被阳光照射，蒸发成水蒸汽，在大气层中遇

到冰冷的空气，凝聚成小水滴，之后降下雨水产生的，受到重庆市的地质条件以

及地貌特点等条件的作用下，水文条件异常杂乱，其地下水可分为碳酸盐岩喀斯

特水、碎屑岩孔隙裂隙水、基岩层间裂隙水三类，其年储量为129.65亿n?。碳

酸岩类出露面积2903km2,占全市面积的35.2%。碎屑岩出露面积48953km2,

占全市面积的59.8%,裂隙孔隙水量为19.62亿m3,而水量只占全市地下水总

储存量的16.8%。地下水沿砂岩裂隙顺层面流淌，普遍承压或自流，但水量只有

4.9亿m3,大约是重庆市地下水总储存量的5%o

1.2隧道设计说明设计标准及遵循规范

（1）芭蕉湾隧道所处路段为单向两车道高速公路，隧道建筑限界按80km/h行车

速度确定。

（2）芭蕉湾隧道施工图设计按初步设计批复意见进行优化。

第二章隧道整体设计

2.1一般规定与设计原则

2.1.1一般规定

4

构造、通风和照明等设施，遵循《公路工程技术标准》进行隧道设计，应符

合公路交通规划的标准。

2.1.2设计原则

(1)在实地调查的基础上，比较隧道方案的隧道方向、路线是否合理、洞口位

置等，提出推荐方案。

(2)当地形地貌较为复杂时，特长隧道应调整隧道的路径方向，降低隧道施工

中坍塌的风险；长隧道的位置亦尽可能避开不良地质地段，并与隧道的走向

综合考虑；中、短隧道可服从路线走向。

(3)根据公路等级、设计速度、交通量的大小等来确定车道数和建筑限界。在

符合设计规范的规定后，确立适用，经济，合理的断面内轮廓。

2.2隧道横断面设计原则

(1)隧道限界高度

高速公路、一级公路、二级公路取5m；三、四级公路取4.5m。

(2)余宽设置

当设置检修道和人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不

小于25cm的余宽。

2.3隧道建筑限界

15Q____________________________J75175]

图2.1公路隧道建筑限界(单位：cm)

2.4隧道衬砌内轮廓设计

5

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6=543cm,侧墙为大半径圆弧4=793cm,仰拱圆弧半径q=1500cm,仰拱

与侧墙间用一个小半径圆弧连接4=100cm。两车道的80km/h标准内轮廓图如图

2.20

1025

图2.2两车道隧道标准内轮廓断面图(单位:cm)

6

第三章洞门设计

3.1洞口地质条件

工程地质条件较好，但因岩质软，强度低，边坡稳定性差，划分为IV类围岩。

3.2洞门的设计方案

3.2.1洞门形式的选择

芭蕉湾隧道右线按分类属短隧道，大致按照隧道路径走向，路颈与地形等高

线垂直，洞门依照各力大小及其方向设置。洞门样貌根据现场勘探结果设计。基

于对洞门附近的岩石岩性的判断，按“早进晚出”要求进行设计，以及对洞门的

耐久性、适用性、合理性等条件的结合，所以芭蕉湾隧道采用端墙式洞门。端墙

式洞门见图3.1。

图3.1端墙式洞门简图

3.2.2验算

表3.1洞门墙设计参数

仰坡坡率计算摩擦角例。）容重4而）基底摩擦系数/基底需产力

1：0.570250.600.80

7

1：0.7560240.500.60

1：150200.400.40-0.35

1：1.2543~45180.400.30-0.25

1：1.538~40170.35~0.400.25

表3-2洞门墙主要验算规定

W结构抗力效应W结构抗力效应

墙身截面荷载效墙身截面荷效应

值Rd(按极限状态值Rd(按极限状态计

应值Sd值Sd

算)算)

滑动稳定安全系

墙身截面偏心距5().3倍截面厚

>1.3

e度数K,

倾覆稳定安全系

S地基容许承载

基底应力6>1.6

力数K。

岩石地基WB/5〜

基底偏心距eB/4；——

土质地基WB/6

3.3洞门结构设计计算

3.3.1计算参数

计算参数如下：

⑴边、仰坡坡度：1。75；

(2)仰坡坡脚:£=53.13°,a=6°；

地层容重：丫

(3)=24KN/ml»

(4)地层计算摩擦角:e=60。；

(5)基底摩擦系数：0.5.

(6)基底控制应力：[o-]=0.6MPao

8

3.3.2建筑材料的容重和容许应力

(1)端墙应使用水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为MU100,水泥砂浆

的强度等级为M10。

(2)容许压应力：[%]=2.2MP“，重度：1=22KN/m,

3.3.3洞门各部尺寸拟定

假定洞门端墙高度："=10m,其中基底埋入地基的深度为1.0m,洞口仰坡

坡脚至洞门墙背的水平距离为1.5m,洞门墙顶高出仰坡坡脚1m,墙厚1.5m,设

计仰坡1：0.75具体见图3.1。

3.4洞门验算

图3.2洞门土压力计算图

最危险滑裂面与垂直面之间的夹角:

tan2(p+tanatane-{(l+tan2夕)(tan0一tan£)(tan夕+tana)(l-tanatan£)

tan£(l+tan2-tane(l-tanatane)

(3-1)

将数值代入式(3-1),可得:

9

tan①

tan2600+tan60tan53.13°-^(1+tan260°)(tan60°-tan53.13°)(tan60"+tan6°)(1-tan60tan53.13°)

tan53.13°(1+tan260°)-tan600(l-tan60tan53.13°)

=0.404

故：CD-arctan0.404=22°

土压力为：

以[”2+h°(h，_h°“bJ

(3-2)

几_(tanco-tancif)(l-tanatanc)

tan①+夕)(1-tanGtang)

(3-3)

h'=---------------

tan。一tana(3-4)

把数据代入式(3-3)、(3-4),得:

(tan22°-tan6°)(1-tan6°tan43.13°)

,4—\八)一0078

tan(22°+60°)(l-tan22°tan53.13°)

h----------------=----------------=5.02m

tan69-tanatan22°-tan6°

可得：

h0=a/(cots—tana)=2.33m

洞门土压力E：

间”2+h°(h-h°)]bJ

=^x24x0.078x[102+2.33x(5.02-2.33)]xl.0x0.6

=59.68侬

E,=Ecos®-e)=59.68xcos(20。-6。)=51.6844KN

纥=Esin(b—a)=59.68xsin(36°-6°)=29.84KN

3.4.2抗倾覆验算

YMV,

K=

°x^-(3-5)

式中:

K0一倾覆稳定系数，K021.6；

10

XMy—全部垂直力对墙趾0点的稳定力矩;

EM0—全部水平力对墙趾o点的稳定力矩。

图3.3端墙计算简图

墙身重量W：

W=1.5x10x1.0x22=330kN；

ZMy=Wx(b+：ga)+E,⑴+£tga)=378.7164kN-m

M

So=Exy=172.2813kN-m

代入式（3-5）,可得:

VMV

K。==2.2>1.6（满足要求）

SM<.

3.4.3抗滑动验算

>N*f.

（3-6）

代入数据可得:

(W+E).)x0.5(33029.84)x0^

+34811>L3（满足要求）

Ex51.6844

3.4.4基底合力偏心矩验算

11

L―力一

_378.7164-172.2813

330+29.84

=0.5737m

=--0.5737=0.23>0

2

所以：

lei=0.23<—=—=0.25

1166

结果满足要求。

max6e\398.74<,6x0.06、460.5952kPa

"n=丁"瓦l=一TTf尸19.1945kPa

5皿=460.5952kPa<基底控制压应力[b]=0.6MPa

计算结果满足要求。

3.4.5墙身截面偏心矩及强度验算

(1)e

e=—<0.3B(3-7)

N

M=Ef--=51.6844x(---)-29.84x—=63.76kNm

X23r3

N=W+Ev=363+35.74=359.84kNm

将数据代入公式(3-7),得：

e="=^Z£=o[8<0.36=0.3x1.5=0.45m

（满足要求）

N359.84

(2)<T

,6e

1+—h(3-8)

bb

将数据代入公式(3-8),得：

359.84f,6x0.18、1

------1+------=0.412MPa<fro]=2.2MPa（满足要求）

1.5I1.5)a

3.5洞口边坡锚固设计

参数为：喷射C20的混凝土10cm;选用中8钢筋网、间距为20mx20cm；选用

①50x4注浆小导管，长4.0m,按设计上的要求布置布置，间距120cmx120cm。

12

第四章衬砌内力计算（深埋）

4.1基本资料

芭蕉湾隧道，围岩级别为IV级，容重为y=21KN/m3,围岩的弹性抗力系数

^=0.2xl0ft^/m\衬砌材料应用C25混凝土，弹性模量为纭=295x1（）7kPa,

容重y=23KN/m3

4.2荷载确定

（1）围岩竖向均布压力：

4=0.45x2*3（4.1）

式中：

S一围岩等级，此处取s=4；

尸一围岩容重，此处取/=21KN/m3；

。一跨度影响系数。

毛洞跨度：

8=2d+2r+2e（4-2）

式中：

e—预留变形量取0.08o

将数据代入式（4-2）,可得：

3=2x5.43+2x0.7+2x0.08=12.42

跨度影响系数：

0=l+i（B-5）（4-3）

将数据代入式（4-3）,可得：

«=1+0.1x（12.42-5）=1.742

将数据代入式（4-1）,可得：

q=0.45x23x21x1.742x0.7=92.18664KPa

（2）围岩水平均布压力：

e=0.25q（4-4）

13

e=0.25q=0.25x92.18664=23.04666KPa

4.3衬砌几何要素

4.3.1衬砌几何尺寸

r\=5.43mr2=7.93m

(p}=90°夕2=104.60810

d0=0.7m

dm=0.7m

/?!=q+d0=5.43+0.7=6.13m

&=q+d0=7.93+0.7=8.63m

不个+O.5do=5.43+O.35=5.78m

r2'=r2+O.5do=7.93+0.35=8.28m

4=90。2=14.6072。

4.3.2半拱轴线长度S及分段轴长

0,，90°

--------TCX-------x--3-.14x5.78=9.0746m

180°'180°

014

="^77肛'=上竺嚓-X3.14X8.28=2.109993964,”

2180°-180°

S=S\+S2=9.0746+2.109993964=11.184593964m

S11.184593964

AS=1.3980742455/77

8

AS_1.3980742455

=4.7392x1O-8

7

Eh2.95xlO

4.3.3各分块接缝(截面)中心几何要素

(1)与竖直轴夹角生：

丝x幽J398074255*幽

=13.85880

r'兀5.7871

14

=13.8588°+13.8588°=27.71760

a3=a2+A6>,=27.7176°+13.8588°=41.5764"

a4=a3+A6»1=41.57640+13.8588"=55.43520

。5=4+△4=55.43520+13.8588"=69.29400

。6=。5+44=69.2940"+13.8588"=83.1528°

AS,=7AS-5,=7x1.398074255-9.0746=0.711919785

八AS,180”…0.7119197851800i

4=4+—Lx----=90°+------------x-----=94.9263°

7z

'r48.28n

△&=竺x吼」398074245、度

=9.67440

马'n8.287i

=。7+△&=94.92630+9.67440=104.60070

A=0

（2）接缝中心点坐标计算

积分

截面asinacosaXyd1/1y/iy2/I(i+y)2/i系数

1/3

00.00000.00001.00000.00000.00000.734.96500.00000.000034.96501

1)3.85880.23950.97091.38450.16830.734.96505.88460.990447.72464

227.71760.46510.88532.68840.66330.734.965023.192315.383496.73302

341.57640.66360.74813.83571.45610.734.965050.912574.1337210.92384

455.43520.82350.56734.75972.50080.734.965087.4405218.6711428.51712

569.29400.93540.35365.40673.73630.734.9650130.6397488.1092784.35374

683.15280.99290.11925.73885.09090.734.9650178.0033906.19711297.16872

794.92630.9963-0.08595.74946.49100.734.9650226.95781473.18321962.06384

8104.60070.9677-0.25215.51267.86720.734.9650275.07662164.08302749.20131

£279.7200836.64254196.75086149.7559

表4-1单位位移计算表

单位位移计算如下：

垢寸普四管理22565x6

普幺偿Z尸混必时

15

「生虑«—V21=198.8924X10-<)

0

Ehl纥乙/

校核为:

%+2%+邑=291.4492x1(T$

久管X字=291.4492><叱

4.4主动荷载在基本结构中引起的位移

(1)每一楔块上的作用力

竖向力：

Q=qbi(4-5)

E=1.4684,b2=1.3830,b3=1.2170,b4=0.9801

b5=0.6862,b6=0.3523,b7=0.0102

水平压力：

g=ehj(4-6)

h,=0.1778,h2=0.5250,h3=0.8410,h4=1.1080

h5=1.3105,h6=L4367,h7=1.4720,h8=1.4342

=8.3025

自重力：