《S高速公路隧道左线初步设计》15000字

绪论1.1课题背景我国是一个多山的国家70%左右的国土是山地或重丘，我国隧道工程是在20世纪80年代开始发展，特别从21世纪开始得到快速发展，2008年以来，西部大开发，贵州交通就开始修建许多高速公路，促进了西部经济快速发展。现在，我国人口众多、水资源紧缺、世界能源不断消耗、环境恶化、土地资源紧张等一系列问题出现，我国隧道工程就显得举足轻重，发挥着十分重要作用，所以我国隧道工程得到大力发展，各种隧道技术，、施工方法得到很大突破，隧道修建技术越来越先进。围岩的隧道施工方法有多种。分为：矿山法（传统法和新奥法）、掘进机法（隧道掘进机和盾构掘进机）、沉管法、顶进法、明挖法等，钻爆法和浅埋暗挖法仍是我国隧道施工的主要方法，盾构与TBM施工应用的领域将不断扩展。在2020年底，据统计我国已经建成铁路隧道总长已经超过15000km，我国隧道建设总量已经远远领先于世界其他国家，公路隧道有10km以上隧道包括秦岭终南山特长公路隧道，（18.02km）锦屏隧道（14.7km）西山隧道（13.68km）。根据资料显示，在2010年底，我国施工方法在新奥法应用不到60%，其他新技术还得不到广泛应用，特别隧道建成后故障较多，渗漏水严重，经常出现事故，还要经常维修，这点我们是落后其他国家，所以在安全和质量方面，我们国家现在对其非常重视，还对其进行深入研究，在目前看来，以后新奥法会逐渐得到广泛应用，新奥法会得到普及，新技术也会逐渐使用增多，这些复合式柔性衬砌设计技术，围岩稳定监测和信息反馈技术，扁平大断面公路设计和施工技术，山岭隧道防排水技术，通风专用设备静电洗尘技术，交通监控系统关键技术，公路隧道特殊修建方法等技术方法就是以后会采用新技术。目前，长大隧道越来越多，施工难度越来越大，发展趋势为：机械化水平逐步提升、辅助坑道逐渐减少、改变长隧短打的做法、TBM法逐步推广应用、二衬跟进，形成TBM施工同步衬砌新工法、恶劣地质条件下安全快速施工技术、超前地质预报及围岩监测、重视环境保护与水土保持、信息化管理在隧道设计施工中的综合应用。1）我国隧道在目前中，以后会往3个方面发展，修建特长隧道，跨江，跨海，跨河等，修建隧道，特别目前城市人口众多，地铁和公路隧道会越来越多。2）在隧道施工技术中，以前隧道经常采用矿山法，掘进机法施工，目前会逐渐采用盾构法施工，而跨江跨海跨河采用沉管法施工，现在贵州有些地方也试试用盾构法施工。3）在隧道施工中，广泛采用新奥法施工，从监控量测到施工衬砌，控制围岩变形，减少施工事故。1.2工程概况本次设计的隧道是白马高速公路隧道左线初步设计，标准为高速公路单洞两车道、设计时速为80km/h的隧道。白马隧道实行上下行分离，分离式路基设计线间距30~42m，隧道轴线间距40.5~52.5m。左线隧道长3099.38m（ZK27+800~ZK30+899.38），因此属特长隧道。隧道衬砌内轮廓按建筑限界宽10.5m，高5.0m拟定，为R=5.5m的单心圆曲墙圆拱，隧道净宽10.79m，净高7.00m，内净空面积64.25m²。所以有充足的空间安装照明和通风设施。1.3隧道地质情况1.3.1地质构造白马隧道位处羊角背斜西翼，隧道穿越地层为单斜岩层，岩层产状270~298°∠20~26°。区间内的构造比较简单，没有断层出现，岩层走向和隧道中线以84.9~90.1°相交。1.3.2羊角背斜羊角背斜从四方山、斑竹湾开始测量，被断层在碑垭口扭断，和大耳山背斜相连，倾伏于马井子。南北向是南段和北段；西北向是中段；整个轴线最后呈现出一个S型。乌江岸边有寒武系地层露出，其它的都是志留纪地层。二、三叠系组成两翼的地层，而背斜的轴部则比较平缓。西翼倾角大，比较陡；东翼比较缓，倾角较小；北翼倾角差异较大；南翼倾角相近。1.3.3节理裂隙隧道区域内的裂隙比较发育，主要有三组裂隙在隧道进口处：第一组裂隙，产状225~231°∠77~88°，比较轻微，没有充填物质，有2.99~8.01㎝的延伸，间距为0.19~0.49㎝；第二组裂隙，产状318~330°∠76.1~79.2°，张开轻微，没有充填物质，有0.21~0.51㎝的延伸，间距为1.50~2.49㎝；第三组裂隙，产状140~145°∠57~59°，张开轻微，有一点黏土，延伸大于4.9㎝，有0.29~0.49㎝的间距。而在出口处的裂隙主要有两组：第一组裂隙，轻微张开，有粘性土填充，产状104.9∠65.9°，延伸较大有10.5㎝，间距较大；第二组裂隙，没有填充物质，轻微张开，产状203.9∠71.5°，延伸也挺大。1.3.4地层岩性地质勘探结果：隧道穿越过三叠系下统飞仙关组第二~四段（T1f2-4）、嘉陵江组第一~四段（T1j1-4）的灰岩、三叠系中统雷口坡组第一段（T2l1）的灰岩、泥灰岩、页岩。隧址区地表被第四系崩坡积块石土（Q4c+dl）、第四系残坡积碎石土（Q4el+dl）覆盖，现将各岩土层工程地质基本特征由上至下分述如下：一第四系（Q）第四系全新统崩坡积层（Q4C+dl）（2）第四系全新统残坡积层（Q4el+dl）二三叠系下统飞仙关组（T1f2-4）（1）第二岩性段（T1f2）（2）第三岩性段（T1f3）（3）第四岩性段（T1f4）三三叠系下统嘉陵江组（T1j1-4）（1）第一岩性段（T1j1）（2）第二岩性段（T1j2）（3）第三岩性段（T1j3）1.3.5不良地质现象在隧道进口的顶部有一550米的陡崖，标高+929米，整个陡崖形成了两个台阶，第一个台阶高199米，第二个台阶高359米，地面标高分别729~929米；369~729米，地形坡角分别75°、81°，还有部分呈直角的陡崖。整个崖体因为重力和风化的原因，有部分崖体发生变形和断裂，并且形成了随时脱落的岩石块体，对工程的进行有很大的影响。因为组成陡崖的岩体性质不好，存在这很大的安全隐患。因为崖体较陡，所以滚落的岩石破坏性巨大。并且崖体还受制于卸荷裂隙的影响，所以存在很多被分割的独立个体，稳定性极差，在施工时有很大可能崩落。1.3.6地震根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001）之图A1和图B1，本地区的抗震烈度为6度，地震峰值加速度0.05g。1.4设计任务本次设计内容主要包括确定洞口位置，选择洞口形式，进行洞口挡土墙稳定性验算，隧道平纵横设计，初期支护与二次衬砌设计，隧道防排水设计，通过ANSYS计算软件，建立“荷载—结构”模型，然后对不同工况的衬砌结构进行理论计算分析，对不安全的部分进行配筋验算。并且选择合适的施工方案，以及照明通风等设施的设计。

第二章总体设计2.1洞口选择及线形考虑洞口不宜设在垭口沟谷的中心或沟底低洼处，在一般情况下，垭口沟谷在地质构造上是最薄弱环节，常会遇到各种不良地质。此外，地表流水都汇集在沟底，再加上洞口路堑开挖，破坏了山体平衡，易引起塌方。所以，洞口最好选在沟谷一侧。洞口应避开不良地质段，如断层、滑坡、泥石流、流砂等。减少洞口路堑长度，延长隧道，提前进洞。对处于漫坡地形的隧道，洞门位置变动范围较大，一般采取延长隧道的方法，以解决路堑弃土及排水问题。洞口线路应尽量与地形等高线垂直或近似垂直，如不能满足，则以大角度斜交进洞。为了确保洞口的稳定和安全，边坡及仰坡不宜开挖过高。当洞口附近有水沟或水渠横跨路线时，可设置拉槽开挖的桥梁或涵洞，以排泄水流。白马隧道为特长隧道，洞口位置选择应结合施工方法，应具有较好的交通条件和外部电源条件。2.2横断面设计2.2.1建筑限界隧道的建筑限界按80km/h时速设计，建筑限界取值如表2-1，设计见图2.1。表2-1隧道建筑界限（单位：m）设计速度（km/h）车道宽度W侧向宽度检修道J顶角宽度左侧右侧左侧右侧左侧右侧802x3.751.00（加宽）1.000.751.001.001.00图2.1（单位：cm）2.2.2内轮廓设计根据建筑限界，利用三心圆法，得出隧道断面内轮廓图如图2.2。图2.2隧道内轮廓线（单位：cm）2.3平纵断面设计本隧道的坡道形式设为单面坡，坡道形式的选择主要受通风和排水问题的影响。纵坡坡度以不妨碍排水的缓坡为宜，隧道纵坡过大，对汽车行驶和施工养护都不利。隧道围岩孔隙水不发育，洞身范围岩溶主要多以小溶隙、溶孔、落水洞的形式为主，沿隧道轴线两侧无规模较大的溶洞、溶槽发育，对隧道建设影响较小。因此，隧道平纵断面设计如下表所示：表2-3隧道平面设计一览表隧道名称起讫桩号隧道长度（m）进口段（长沙端）平面线形洞身平面线形出口段（重庆端）平面线形白马隧道左线ZK27+800~ZK30+899.383099.38直线位于R-4000的圆曲线上（ZK29+228.945~ZK29+756.172）直线白马隧道右线K27+845~K30+8953050直线位于R-4000的圆曲线上（K29+125.196~K29+658.414）直线表2-4隧道纵断面设计一览表隧道名称进口桩号设计标高（m）出口桩号设计标高（m）纵坡（％）竖曲线（m）白马隧道左线ZK27+800332.99ZK30+899.38273.24-1.95R-50000（ZK27+800~ZK28+063.654）白马隧道右线K27+845332.23K30+895273.35-1.95R-50000（K27+845~K28+087.563）第三章洞门设计及强度与稳定性验算3.1洞口段及洞口边坡地质评价隧道进口段位于山脚处，隧道进口位于坡度角约20~40°的自然斜坡上,上部陡崖地形坡角约74~90°。洞前斜坡底部为郭溪沟，左右线进口处为一崩塌堆积体。洞口的顶部比较陡峭，并且受重力和风化作用影响，随时有块石滚落等不良的地质现象出现。3.2隧道洞门形式与结构设计公路隧道的洞门根据所在地的地质情况和人文风俗以及高差等影响，洞门形式选择为端墙式洞门。墙式洞门有端墙、翼墙、柱式三种基本形式；明洞式洞门有削竹式、喇叭式、棚洞式三中基本形式。洞门形式与结构的设计应保证营运安全，并与环境相协调。尤其是高速公路的隧道在有条件时。确定洞口位置后，根据地质情况和人文风俗最终确定洞门形式为端墙式，并且根据地形地貌对周围环境进行一定的绿化。3.3洞门设计白马隧道进口位于坡度角约20～40°的自然斜坡上，围岩级别Ⅴ级，围岩极差，洞口顶部陡峭，常有小规模崩塌发生。隧道进口段地下水不发育，不用设置特殊防排水措施。因此，为了保证洞口正面仰坡的稳定，白马隧道左线设置明洞，洞门形式采用端墙式。设计为仰斜式墙身，坡度为1:0.1。由《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018）中7.3.3可知：洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，洞门端墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m，洞门端墙墙顶应高出墙背回填面0.5m。现洞门尺寸设计如下：洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离取0.5+1.3=1.8m;洞门墙高出坡脚的高度取1.2m;洞门厚度由工程类比法取2.2m;洞门向土体倾覆的坡度取1：0.1；基底埋置地基的深度取1.5m;洞门与仰坡之间的水沟沟底至衬砌拱顶外缘的高度取1.2m；洞门采用C20混泥土。具体尺寸见图3.1图3.1隧道洞门设计图（单位：cm）3.3.1参数拟定隧道进口洞口处于Ⅴ级围岩中，根据《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018），拟定岩质围岩物理力学参数如表3-1所示。表3-1进口洞门围岩主要物理力学参数重度QUOTEγγ(kN/M3)弹性抗力系数k(MPa/m)变形模量E(GPa)泊松比μ内磨擦角QUOTEφφ(°)粘聚力c（Mpa）计算摩擦角QUOTEφcφc（°）围岩级别202001.20.4260.140Ⅴ级3.3.2土压力计算图3.2土压力计算图（1）各项物理指标：洞门所在岩层岩为Ⅴ级时，仰坡坡率1：1.5，地基摩擦系数f：0.38，基底控制压应力Rc由表1-1可知为26.13MPa，洞门所处围岩为强风化及中风化砂质页岩，由表3-1可知，弹性抗力系数k为200MPa/m,变形模量E=1.2GPa,泊松比μ为0.4，内摩擦角QUOTEφφ为26°，粘聚力c为0.1MPa。则QUOTEφc=40°，α=tan-10.1=5.71（2）最危险破裂面与垂直面之间的夹角：QUOTEtanω=tan2φcQUOTEtanω=0.842+0.1×故QUOTEω=36.87°ω=36.87（3）土压力计算：侧压力系数： (3-2)λ (3-3)h由土压力计算图3.2的几何关系可得：tanα=QUOTEx=0.13x=0.13QUOTEh0=1.8+0.13×0.67=1.29土压力E: （3-4）H=12.35-1.20=11.15(m)QUOTEξξ取0.6，b取1m代入式（3-4）得E=0.5×而 （3-5）由计算图示的比例关系有:ℎ即P1=0.15P2代入式（3-5）得:E=P1=5.40kN/m2，P2=35.85kN/m2故EEE1对下截面的距离:ℎ1=E2对下截面的距离:ℎ2E3对下截面的距离:ℎ3.4洞门验算3.4.1抗倾覆稳定性验算 (3-6) (3-7)端墙形心点到左墙趾的水平距离:Z总垂直力:N代入式（3-7）得:

MMQUOTE=7.45×9.29+45.03×4.19+127.48×2.79=7.45×9.29+45.03×4.19+127.48×2.79QUOTE=613.56kN∙m=613.56kN∙m计算结果代入式（3-6）

即根据《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018），K0QUOTE≥≥1.6，故满足抗倾覆稳定性要求。3.4.2抗滑动稳定性验算对水平基底: (3-8)代入上述数据得:Kc根据《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018），QUOTEKc≥1.3Kc≥故满足抗倾覆稳定性要求。3.4.3基底合力偏心距及压应力的验算（1）基底合力偏心距验算：对于水平基底： （3-9）

（3-10）代入数据得:e=根据《公路隧道设计规范》（JTG3370.1-2018）,对于岩石地基，e≤故基底合力偏心距满足要求（2）基底压应力验算：对于水平基底：e>则 （3-11）代入数据得：σ而[QUOTEσ0]=Rc=26.13MPaσ0]=Rc=26.13MPa，故QUOTEσmax=612.16kPa<σmax所以基底压应力满足要求。3.4.4墙身截面偏心距及强度验算验算条带（宽度取1m）,则路面上方墙身主动土压力为QUOTEE'E',高度QUOTEH'=H-1.5=11.14-1.5=9.64H'=H-1.5=11.14-1.5=9.64m把相关数据代入式（3-4）：QUOTEE'=12×20×0.28×路面上方墙身自重为：QUOTEN'=γ'∙V路面上方墙体重心至该截面形心距离QUOTEd=12H'tanα与前面同理，由几何关系有：ℎQUOTEP2'=5.64P1同理E=QUOTE12P1'×2.77+PQUOTEP1'=6.59P1'=6.59kN/m，QUOTEP2'=5.64P同理可得：QUOTEE1'=E1'=9.13kN，QUOTEE2'=45.27kNE2'=45.27kNQUOTEh1'=7.79h1'=7.79m，QUOTEh2'=3.44h2'=3.44m，QUOTEh(1)墙身截面偏心距验算：路面上方墙体全部水平力对该条带截面形心的倾覆力矩：MQUOTE=467.39=467.39kNQUOTE∙∙m全部垂直力对该截面形心的稳定力矩：QUOTEMy'=N'∙d=487.78×0.48=234.13My'=N'∙d=487.78×0.48=234.13k则偏心距：QUOTEe=M'N'=My故截面偏心距满足要求（2）墙身截面强度验算：QUOTEσminmax=NB1±6e由于洞门主体采用的是C20混凝土，参考《公路隧道设计规范》JTG3370.1-2018，C20混凝土的极限抗压强度Ra=15.5MPa，极限抗拉强度Rl=1.7MPa，计算结果满足要求，则洞门设计符合要求。

第四章衬砌总体设计隧道采用“新奥法”原理设计，拟定的支护参数参见表4-1。隧道的衬砌要满足一定的强度要求和稳定性要求，因为隧道是个需要长期使用的建筑物。根据工程技术标准，采用以新奥法为基础的复合式衬砌，以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架、工字钢钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合。支护应该分期进行，及经济又安全。承受荷载主要由初期支护维持，而二次支护仅仅起部分承载作用，起到一定的预防作用，并且两次支护之间还应该弄一个防水层，起到防水的作用。表4-1两车道隧道复合式衬砌的设计参数围岩级别初期支护二次衬砌厚度（cm）喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱墙混凝土仰拱混凝土拱部边墙仰拱位置长度间距Ⅰ5-局部2.035-Ⅱ6-7-局部2.235-Ⅲ9-11-拱、墙2.51.0-1.5局部@25*25-40-Ⅳ13-14-拱、墙2.81.0-1.1拱墙@25*25拱、墙4035Ⅴ16-24-拱、墙3.00.7-1.2拱墙@20*20拱、墙、仰拱4545Ⅵ通过实验、计算确定初期支护主要采用锚喷支护，并且组合使用其它支护形式，如喷射混凝土等。初期支护必须与周围岩体大面积牢固接触，保证支护-围岩作为一个统一的支护体系而共同工作。应该允许初期支护和围岩有一定的变形，这样可以使围岩承受主要的荷载，而减少支护结构的压力，有利于支护结构的稳定。同时应该对支护情况进行检测，随时根据情况做出改变。二次衬砌采用模筑混凝土。隧道复合式衬砌参数以及预留变形量按下表选取：表4-2预留变形量（mm）围岩级别双车道隧道三车道隧道四车道隧道ⅠⅡ-15-5035-80Ⅲ35-4045-7075-120Ⅳ55-7075-120125-150Ⅴ85-100105-150155-250Ⅵ现场监测确定表4-3双车道隧道复合式衬砌设计参数围岩级别初期支护二次衬砌现浇混凝土厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架间距（cm）拱、墙仰拱拱、墙仰拱位置长度纵向间距Ⅵ通过试验计算确定Ⅴ21-2515-20拱、墙3.2-3.50.7-0.820*2065-8045（钢筋混凝土）21-255-10拱、墙3.2-3.50.9-1.020*2085-10040Ⅳ19-22-拱、墙2.4-3.00.9-1.020*20105-1203517-20-拱、墙2.3-3.01.1-1.220*20125-1503515-17-拱、墙2.4-3.01.1-1.225*25局部30-Ⅲ10-12-拱、墙2.2-3.01.1-1.225*25-30-8-10-拱、墙2.4-3.01.1-1.525*25-30-Ⅱ5-8-局部2.3-2.5-局部-25-Ⅰ5.525-最终设计选用如表：表4-4衬砌结构设计选用参数表围岩等级初期支护二次衬砌预留变形量Ⅲ级围岩深埋用φ20药卷锚杆L=3.0m，φ6.5钢筋网25cm*25cm（拱部120°），12cm厚度C20喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚35cm6cmⅣ级围岩φ20药卷锚杆L=3.0m，φ6.5钢筋网25cm*25cm，格栅拱架间距115cm，22cm厚度C20喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚40cm8cmⅤ级围岩浅埋段φ25中空注浆锚杆L=3.4m，φ6.5钢筋网20cm*20cm，I20b型钢拱架间距70cm，25cm厚度C20喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚40cm10cmⅤ级围岩深埋段φ25中空注浆锚杆L=3.0m，φ6.5钢筋网20cm*20cm，I18型钢拱架间距90cm，24cm厚度C20喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚45cm8cm防水层均选用无纺土布与防水板。隧道洞口衬砌结构根据地形地质条件，施工条件，考虑结构安全、美观等因素综合决定，可加强采用带仰拱的C30钢筋混凝土结构,厚度为60cm；采用无纺土布与防水板作为防水层；M7.5浆砌片石回填边墙。衬砌内力及配筋验算根据地质勘察揭示的隧道围岩分级，本隧道以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，根据最不利和主要隧道围岩条件，选取隧道左线围岩3个断面进行计算分析，分别为：①进出口段浅埋段（ZK27+820、Ⅴ级围岩断面，埋深12m）；②深埋段（ZK28+260，最大埋深640m、Ⅳ级围岩断面）；③洞身段（ZK29+300，埋深313m、Ⅲ级围岩断面）根据这三个断面作为内力计算代表性断面并进行全隧道衬砌配筋计算，荷载计算如下：图5.1计算断面选取位置（单位：m）5.1衬砌结构计算5.1.1计算参数本公路隧道以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，参数指标选取如表5-1：表5-1围岩物理力学参数取值围岩级别重度弹性抗力系数变形模量泊松比µ内摩擦角粘聚力计算摩擦角Ⅲ24800100.25400.860Ⅳ2030020.3300.350Ⅴ181501.50.4250.1405.1.2内力计算（1）隧道深浅埋判定深浅埋隧道判定按以下公式：式中：；；根据本次隧道断面设计，开挖跨度考虑隧道衬砌及超挖效应后，毛洞按13.0m计算：本隧道Ⅲ级围岩：Ⅳ级围岩：Ⅴ级围岩：本公路隧道Ⅲ级最大埋深围岩埋深313m，大于临界深度6.48m，按深埋围岩压力计算；Ⅳ级围岩埋深640m大于临界深度两侧，按深埋隧道考虑；进口段Ⅴ级围岩埋深12m均小于Hp和hq，按超浅埋围岩压力计算。5.1.3各级围岩压力计算（1）断面2：Ⅲ级围岩最大埋深隧道围岩压力计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004），计算围岩压力：①②（2）断面3：Ⅳ级围岩深埋隧道围岩压力计算：①②（3）断面1：Ⅴ级围岩浅埋隧道（洞口段）围岩压力计算①式中：H－隧道坑顶至地面的距离(m)，此处取等效荷载高度8m。解得：②侧向压力按均布考虑：5.2衬砌内力计算5.2.1断面1：Ⅴ级围岩浅埋(洞口浅埋段)1.建模取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。3.施加约束对于围岩弹性反力进行模拟，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，将荷载添加到每个单元：图5-2节点荷载图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-3变形图轴力图图5-4轴力图(N)（3）剪力图图5-5剪力图(N)（4）弯矩图图5-6弯矩图(N•m)依据数值分析计算结果，安全系数计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD3370.1—2018）规定，按下式检算。当由抗压强度控制，即QUOTEQUOTEe=MN≤0.2he=MN≤0.2h时式中：K——混凝土结构强度安全系数；N——轴向力，kN；φ——构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取φ=1；α——轴向力的偏心影响系数,按附注多项式计算得到；b——截面宽度，m（通常取1m）；h——截面厚度；e——计算截面的偏心距（m），QUOTEe=MNe=MNy——计算截面重心至受压边缘的距离（m）；——混凝土抗压极限强度，kPa。当由抗拉强度控制，即QUOTEQUOTEe=MN≥0.2he=MN≥0.2h时式中：——混凝土抗拉极限强度，kPa。各单元截面（共计48个单元）安全系数计算如下表5.2。单元号分布表5.2内力及安全系数单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-5.38E+05-1.77E+060.3040.871.82-1.92E+05-1.71E+060.1120.837.231084.1-1.67E+060.0011.008.8465989-1.66E+060.0400.988.7542640-1.64E+060.0260.998.96-34818-1.61E+060.0220.999.17-1.39E+05-1.58E+060.0880.898.38-2.36E+05-1.52E+060.1550.706.89-2.65E+05-1.44E+060.1840.596.110-2.21E+05-1.36E+060.1630.687.411-1.26E+05-1.26E+060.1000.8610.112-6203.3-1.18E+060.0051.0012.5131.16E+05-1.11E+060.1050.8511.4142.19E+05-1.05E+060.2080.766.4152.87E+05-1.02E+060.2800.669.5163.11E+05-1.02E+060.3040.9121.8172.87E+05-1.05E+060.2730.876.6182.18E+05-1.10E+060.1980.526.9191.15E+05-1.17E+060.0980.8710.920-6372-1.26E+060.0051.0011.721-1.26E+05-1.35E+060.0930.889.622-2.21E+05-1.44E+060.1530.717.323-2.65E+05-1.51E+060.1750.636.224-2.36E+05-1.57E+060.1500.726.825-1.39E+05-1.61E+060.0860.898.226-34745-1.63E+060.0210.999.02742674-1.65E+060.0260.998.92865998-1.66E+060.0400.988.6291092.7-1.70E+060.0011.008.730-1.92E+05-1.76E+060.1090.842.031-1.38E+05-1.75E+060.0790.917.732-35139-1.74E+060.0200.998.4332.07E+05-1.74E+060.1190.816.9342.72E+05-1.75E+060.1550.716.0352.41E+05-1.76E+060.1370.766.4361.73E+05-1.77E+060.0970.873.2371.02E+05-1.78E+060.0570.957.93846526-1.79E+060.0260.998.23912011-1.79E+060.0071.008.240449.5-1.79E+060.0001.008.24112015-1.79E+060.0071.008.24246549-1.78E+060.0260.998.2431.02E+05-1.77E+060.0580.957.9441.73E+05-1.76E+060.0980.877.2452.41E+05-1.75E+060.1380.766.4462.72E+05-1.74E+060.1560.706.0472.08E+05-1.74E+060.1190.816.948-34536-1.76E+060.0200.998.4由以上结果可知，衬砌某些少数部位的安全系数小于规范规定值，因此需要配筋以满足结构安全。5.2.2断面2：Ⅳ级围岩最大深埋1.建模取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。3.施加约束对于围岩弹性反力进行模拟，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，如下表所示，将荷载添加到每个单元：图5-7节点荷载图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-8变形图（2）轴力图图5-9轴力图(N)（3）剪力图图5-10剪力图(N)（4）弯矩图图5-11弯矩图(N•m)各单元截面（共计48个单元）安全系数计算如下表5.3。表5.3内力及安全系数单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-2.74E+05-9.00E+050.3050.515.52-98074-8.65E+050.1130.8314.1350.37-8.44E+050.0001.0017.5433216-8.33E+050.0400.9817.3521406-8.22E+050.0260.9917.76-18049-8.07E+050.0220.9918.17-71094-7.86E+050.0900.8816.68-1.20E+05-7.56E+050.1590.6913.59-1.33E+05-7.17E+050.1860.5912.010-1.10E+05-6.72E+050.1640.6814.811-62338-6.26E+050.1000.8620.312-2411.6-5.83E+050.0041.0025.31358201-5.46E+050.1060.8522.8141.09E+05-5.20E+050.2100.4412.4151.43E+05-5.06E+050.2830.7512.0161.55E+05-5.06E+050.3070.678.7171.43E+05-5.19E+050.2760.5515.7181.09E+05-5.44E+050.2010.5013.61958124-5.80E+050.1000.8621.920-2494.8-6.23E+050.0041.0023.721-62413-6.68E+050.0930.8819.422-1.10E+05-7.12E+050.1540.7114.723-1.33E+05-7.51E+050.1770.6212.224-1.20E+05-7.80E+050.1540.7113.425-71043-8.01E+050.0890.8916.426-18013-8.16E+050.0220.9917.92721422-8.26E+050.0260.9917.72833219-8.37E+050.0400.9817.22954.183-8.58E+050.0001.0017.230-98047-8.93E+050.1100.8413.831-1.74E+05-8.91E+050.1950.538.832-17740-8.85E+050.0200.9916.6331.06E+05-8.86E+050.1190.8113.5341.39E+05-8.91E+050.1550.7111.7351.23E+05-8.98E+050.1370.7612.53688152-9.04E+050.0980.8714.23752268-9.09E+050.0580.9515.43823839-9.12E+050.0260.9916.0396253.2-9.14E+050.0071.0016.140362.85-9.14E+050.0001.0016.1416255.8-9.13E+050.0071.0016.14223852-9.09E+050.0260.9916.04352304-9.05E+050.0580.9515.54488232-8.99E+050.0980.8714.2451.23E+05-8.93E+050.1380.7612.6461.39E+05-8.88E+050.1560.7011.7471.06E+05-8.87E+050.1200.8113.548-17434-8.93E+050.0200.9916.4由以上结果可知，衬砌某些点处的的安全系数小于规范规定值，因此需要配筋以满足结构安全。5.2.3断面3：Ⅲ级围岩深埋段1.建模忽略底板取隧道二次衬砌中轴线。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数单元截面面积：；截面惯性矩：；截面高度：。（3）定义材料特性C30混凝土弹性模量；泊松比；材料密度：。3.施加约束模拟围岩弹性反力，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束，通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，将荷载添加到每个单元：图5-12模型示意图4.求解及计算结果分析（1）变形图图5-13变形图（2）轴力图图5-14轴力图(N)（3）剪力图图5-15剪力图(N)（4）弯矩图图5-16弯矩图(N•m)挑选具有代表性的衬砌受力如拱底、拱顶等进行分析及计算，得到以下结果：表5.3节点内力、安全系数表单元号弯矩（N-m）轴力（N)偏心距e偏心影响系数α安全系数K1-1.65E+05-5.46E+050.1030.9110.12-60765-5.24E+050.1160.8223.13-1753.4-5.10E+050.0031.0028.9418754-5.01E+050.0370.9828.8512183-4.91E+050.0250.9919.76-11479-4.79E+050.0240.9910.57-44036-4.64E+050.0950.8717.88-74846-4.43E+050.1690.6611.99-84738-4.17E+050.2030.4917.210-70697-3.87E+050.1830.602.811-40533-3.56E+050.1140.834.212-2232.5-3.27E+050.0071.005.01336650-3.03E+050.1210.819.31469561-2.86E+050.2430.105.21551438-2.77E+050.1860.5811.11699087-2.76E+050.3590.925.81791418-2.85E+050.3210.915.21869522-3.01E+050.2310.7612.51936600-3.25E+050.1130.8337.720-2286.8-3.52E+050.0061.0041.821-40582-3.82E+050.1060.8532.622-70730-4.12E+050.1720.6523.123-84745-4.37E+050.1940.5418.324-74817-4.58E+050.1630.6821.825-44003-4.73E+050.0930.8827.426-11456-4.85E+050.0240.9930.12712193-4.94E+050.0250.9929.62818755-5.03E+050.0370.9828.729-1751-5.17E+050.0031.0028.530-60746-5.39E+050.1130.8322.731-1.65E+05-5.36E+050.3080.727.332-8582.6-5.32E+050.0161.0027.63366517-5.32E+050.1250.8022.13485936-5.34E+050.1610.6919.03575840-5.37E+050.1410.7520.63654350-5.41E+050.1010.8623.53732199-5.43E+050.0590.9525.73814703-5.45E+050.0270.9926.7393897.6-5.46E+050.0071.0027.040281.49-5.46E+050.0011.0027.0413899.4-5.46E+050.0071.0027.04214711-5.44E+050.0270.9926.84332222-5.41E+050.0600.9525.84454399-5.38E+050.1010.8623.54575929-5.35E+050.1420.7520.64686073-5.33E+050.1610.6818.94766695-5.33E+050.1250.8022.048-8397-5.38E+050.0161.0027.3由以上结果可知，衬砌拱顶的安全系数大于规范规定值，因此结构安全。5.3衬砌结构配筋计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD70－2004），取衬砌纵向1m单元，计算衬砌结构配筋：中性轴的位置按下式确定：按上述公式计算配筋时，需满足：受压区高度：截面强度要求：式中：K－安全系数；M－弯矩(MN•m)；；或对于小偏心受压构件截面强度：式中：K－安全系数；－混凝土的受压弹性模量；H－构件的高度（m）；α－与偏心距有关的系数，计算公式，。进行完配筋计算后，还要进行裂缝宽度验算（当时可不必裂缝验算）：式中：；隧道内力均为构造配筋，按截面最小配筋率计算得到如下：表5-4衬砌配筋与裂缝表位置轴力（kN）弯矩（kN•m）结构厚度（m）配筋量Ⅴ级浅埋拱顶-360.673.260.51000拱肩-52035.370.51000Ⅳ级深埋拱顶-349.9155.960.51000拱肩-475.20-168.290.51000Ⅲ级深埋拱顶-796.7102.80.35800拱肩-897.4-75.140.35800各衬砌配筋图：（1）Ⅴ级深埋为构造配筋，选择4根HRB400，φ24钢筋，间隔190mm。（2）Ⅳ级深埋为构造配筋，选择4根HRB400，φ24钢筋，间隔190mm。（3）Ⅲ级深埋选择4根HRB400，φ18钢筋，间隔240mm,不做仰拱。隧道施工设计6.1总体方案首先，应该做好施工前的准备工作，包括一个完整的管理团队和施工团队，并且人员的食宿要第一时间落实好，各种机械设备第一时间进场，保证不影响工程项目的进行。隧道进出口洞门都采用端墙式洞门，隧道主体采用爆破，应严格控制炸药用量，尽量减少对周围围岩的影响。6.2洞口施工本设计采用套+管棚施工进洞。6.2.1洞口施工顺序6.2.2.1边仰坡加固对临时边坡进行喷锚加固，在临时仰坡喷射一层3~4㎝厚的C20砼，然后在进行锚杆布置。6.2.2.2安装导向管(1)采用Φ108×4㎜的无缝钢管作为导向管，制作长度为3米。安设前一定要检查导向管是否符合设计要求。（2）导向管需焊接牢固，防止钻孔对其有侵蚀作用。并且钻孔的误差不应过大，最好在5.5㎝以内。（3）如果不能直接焊接的话，可以用螺纹钢连接在钢架上。6.2.2.3安装钢拱架安装前应对钢拱架的质量进行检测。钢拱架的落点一定要在原状土上，这样能够确保其稳定性。对钢拱架的轴线一定要把握好，不可出现偏差。钢拱架的安装应尽量做到垂直，误差尽量保持在1.5°以内。6.2.2.4安装外模首先外模的安装要保证其稳定性，要有一定的加固措施，防止浇筑时出现模板滑移的问题。模板安装要尽量保证其严密，防止砼外溢。混凝土浇筑时会对模板造成一定的挤压作用，所以模板安装时要有预留量。而导向管应该做密封处理，防止混凝土进入其中。6.2.2.5浇筑混凝土在完成前期的准备工作后，就可以进行混凝土的浇筑。采用C30混凝土，在浇筑前应对混凝土的坍落度和水灰比等数据进行量测，确保符合规范要求。应该进行分层浇筑，并在浇筑时要对混凝土进行充分振捣。混凝土浇筑完成后，应对其进行不少于10天的养护工作，每天都应对其进行喷水，保持其湿润度，确保混凝土达到自身最大强度。6.2.2.6注浆注浆时要保证注浆管的内径满足施工条件，并且要对导向管进行密封处理。注浆管能承受压力应达到1兆帕，并且在施工过程中要随时注意注浆压力和速度，不可过快。注浆中途不应停止注浆，但若出现浆液流出，则可以停止20分种后再继续进行。图6.1长管棚套拱图6.2套拱局部放大图6.2.3预加固措施在进洞时，洞口处的围岩不够稳定并且伴有破碎现象，此时就需要进行预加固措施。这样可以保证进洞围岩的稳定，对下一步工作的进行不可或缺。而一般加固措施有两种：地表注浆和超前深孔注浆。6.2.3.1地表注浆在本隧道进洞口处存在因挤压风华而产生的围岩破碎带，所以在进洞前要对其进行预加固措施。而考虑到所处地理位置的影响，所以本隧道采用地表注浆进行预加固。首先，需要根据设计的要求确定注浆的位置，确定注孔的位置并进行标注。确定位置后，一般采用水钻的方式进行钻孔，钻孔深度应不小于5米。孔钻好后，要下注浆管，注浆管为6米，并每隔30㎝留一个小孔，用作浆液流出。孔打好后，对四周应该进行密封处理，确保注浆时的稳定性。浆液既要满足强度要求还应满足流动要求，这样才能达到注浆的目的。水泥应选用强度高、保水性小的普通硅酸盐水泥。注浆完成后，应等待几天，让浆液达到比较稳定的强度水平，这样就对洞口围岩形成了一个保护层，提高了施工安全性。6.2.3.3临时封闭或支撑而当围岩表面风化严重，有许多破碎石块有随时滚落风险时，我们应当对其喷射C20的混凝土对其进行加固，这样既可以防止块石滚落，还能对破碎、结构不稳定的围岩起到一定的支撑保护作用。6.3隧道洞身施工本隧道采用新奥法施工，因此以控制爆破作为主要开挖方法；施工注意事项:严格遵守新奥法施工原则，落实监管量测工作；开挖采用光面爆破技术，而Ⅴ级围岩则应采用微震光面爆破；施工时要做好防排水工作，洞口严禁大开挖；施工时及时核对围岩等级，及时做出改变；围岩爆破开挖后应及时进行喷砼加固，厚度不小于3㎝，紧跟掌子面；喷砼要湿喷，可以保证砼的质量；围岩一次开挖长度不宜过长；如遇地下水，要检查其腐蚀性；6.3.1洞身开挖施工总体方案结合现实状况和设计要求，Ⅲ级围岩用全断面法开挖，Ⅳ级围岩用半断面正台阶法开挖，Ⅴ级围岩用留核心土法开挖。6.3.1.1Ⅲ级围岩Ⅲ级围岩开挖我们采用新奥法原理用全断面法开挖，每次开挖进度控制在3米以内。开挖流程：全断面开挖→全断面初期支护→调平层或铺地施工→铺设环向盲沟及防水板，整体灌注二次衬砌混凝土→循环施工。隧道全断面施工采用微震光面爆破控制技术，周边采用光面爆破技术。6.3.1.2Ⅳ级围岩Ⅳ级围岩段采用微震控制爆破法开挖，上断面开挖要超前下段面5～7米，开挖后要及时做喷锚加固。开挖后及时做初期支护形成闭环。6.3.1.3Ⅴ级围岩Ⅴ级围岩采用留核心土法开挖，在上部断面以弧形导坑领先，其次开挖下半部两侧，再开挖中部核心土的方法。此方法每循环尺度应小于1米，开挖后应及时做喷锚支护。而预留的核心土的面积要保证其稳定性。如果围岩过差的话，还应该进行超前支护，确保工程安全稳定的进行。6.3.2开挖辅助施工措施6.3.2.1超前管棚隧道洞口处于Ⅴ级围岩浅埋段，因此围岩性质极差，随时有破碎岩块崩落，严重影响施工安全，因此我们要做支护。（1）为了保证隧道洞口施工段的安全，采用外径108㎜，壁厚6㎜，长度30米的超前大管棚，导管环向间距40㎝。（2）在管棚安装后注浆，注浆压力保持在1.0~1.5兆帕之间，而且要稳定30分钟。6.3.2.2超前小导管V级深埋围岩段均采用小导管进行超前支护，大管棚内不设置小导管。（1）采用φ50㎜，壁厚4㎜，长4.5米的小导管，间距30㎝。（2）钢管加工及施工：将前端加工成尖锥状，尾部焊φ6加劲箍筋。除尾部1m外，管壁四周钻φ6mm的压浆孔（梅花型布置），以便浆液向围岩内压注。（3）施工时，用钻杆先钻孔，再将钻杆换成特殊钎尾，将钢管打进孔中。注浆结束后，将管口封堵，以防浆液倒流管外。图6.3超前小导管6.3.2.3超前锚杆支护隧道Ⅳ级围岩超前支护采用φ20㎜的锚杆，长5米，纵向间距2.2米，环向间距0.5米。隧道施工组织设计7.1原则1.坚持可持续发展原则2.坚持严格按照规范原则3.坚持经济、创新原则7.2施工组织安排1.专用施工电缆、配电电箱，杜绝触电事故发生；2.进入施工场地必须佩戴安全帽，不得穿拖鞋、凉鞋进场；3.防腐涂装远离爆炸源；4.极端天气尽量停止做工；7.3进度指标各级围岩施工指标：Ⅲ级围岩日循环2次，循环进尺3米，月有效天数28天，月进度168米；Ⅳ级围岩日循环1.5次，循环进尺2米，月有效天数28天，月进度84米；Ⅴ级围岩日循环1次，循环进尺1.5米，月有效天数28天，月进度42米；爆破发循环进尺2~3米，时间为2小时，出渣4小时，完成后则是各种前期工作。开挖及初支作业循环时间指标分解见表7-1。表7-1各级围岩开挖与支护循环时间围岩级别IIIIVV施工准备303030超前地质预报303030超前支护130180钻眼（开挖）210180160装药联线起爆404040通风排烟303040找顶、初喷404040出碴210180180初期支护5060150循环时间合计640720850日循环（次）21.51循环进尺（m）321.5日进尺（m）631.5月进尺（m）16884427.4施工设施布置7.4.1施工设施（1）施工用电引一条15千伏的临时专用干线到洞口，必须要有接地线。每一个电器设备都应该有独立的开管控制，并且要做到标注清晰，每一个人都能够一目了然的知晓其所控制的设备。对用电设备的维护、保养工作都应该有专门的电工来做。对配电箱等设施要尽量做到隐蔽，不能放到潮湿的地方。还要做好消防防火设施，避免出现火情而得不到及时处理。（2）施工便道为了方便施工，对原有的小路都应该进行拓宽为7~8米的硬化道路，并应该在道路两边挖建排水沟。（3）施工通讯项目部应该设有专门的座机，作为公务电话。而现场指挥人员、司机、测量员等都应该配备对讲机，方便工作中沟通。7.4.2临时房屋（1）项目部作为一个大项目，各种人员肯定不少，所以需要统一协调有一个大家商量解决问题的办公设施。住房和食堂因为隧道建设都在野外，离城区都比较远，所以大家一般都吃住在工地上。仓库存储各种物资，设备和一些杂物混凝土搅拌站用来制作混凝土。停车场大家的私家车，工地的皮卡等都可停放。钢筋加工棚在进行钢筋网的制作时，首先要对完整的钢筋进行加工。炸药库远离各个住房区，严禁除相关人员靠近。7.4.3生活、施工用水因为临近郭溪沟，因此可以直接使用沟里的水源，建一个大的蓄水池用来储存生活用水。直接用泵从郭溪沟抽取。7.5隧道爆破设计采用光面控制爆破技术。爆破器材采用塑料导爆管、导爆索、毫秒雷管七宝系统。钻爆作业：测量、定位开眼、钻孔、装药、堵塞、瞎炮处理光面爆破要求：控制爆破精度、钻孔质量、装药质量第八章隧道附属工程设计8.1隧道的防水措施设计（1）围岩注浆防水围岩注浆以后可以隔离地下水向上部渗透，有效的防止了地下水的溢出。（2）防水层防水采用EVA防水板和土工布复合衬砌。（3）衬砌防水在接缝、伸缩缝、沉降缝等部位进行衬砌防水。如果地下水有侵蚀作用，还应用防侵蚀材料进行衬砌。（4）止水条与止水带防水二次衬砌施工缝、伸缩缝、沉降缝等是防渗漏水的薄弱环节。需要进行特殊处理。二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式如图9.1所示：图9.1二次衬砌施工缝、沉降缝防水的主要构造形式（5）隧道排水系统隧道洞内排水系统如图9.2所示：图9.2隧道排水结构图8.2隧道通风设计1、一般规定（1）通风设计的安全标准应以稀释机动车排烟为主；（2）通风设计的卫生标准以稀释机动车排放一氧化碳为主；（3