隧道洞门及洞身支护课程设计计算书

1、 （隧道工程课程设计） 设计说明书隧道洞门及洞身支护课程设计计算书起止日期： 2012 年 12 月 17 日 至 2012 年 12 月 21 日学生姓名豹 哥班级道桥1001学号1000000000成绩指导教师(签字)唐老师 包装土木教学部 2012年12月21日目录前言31.1设计依据以及总体原则41.2隧道设计参考规范和资料41.2.1执行的标准、规范、规程：41.2.3隧道建设规模41.3隧道工程地质条件51.3.1自然地理条件51.3.2工程地质条件51）第四系更新统（Qp）52）板溪群五强溪组（Ptbnw）61.4区域地质构造61.5地震61.6水文地质条件71.7不良地质71.

2、8地下气体71.9工程地质评价71.9.1区域地质稳定性评价71.9.2隧道工程地质评价71.9.3隧道长沙端洞门及边、仰坡稳定性评价81.9.4隧道湘潭端洞门及边、仰坡稳定性评价81.9.5隧道洞身段围岩稳定性评价81.9 .6水文地质评价91.10.1结论和建议91.10.2隧道平纵面设计101.10.3联系道及救援通道102隧道洞门设计112.1 洞门形式的选择112.2 土压力计算112.3 洞门稳定性验算142.4洞门排水设计图如下：203洞身支护和二衬设计213.1内轮廓的设计213.2衬砌的支护设计223.2.1初期支护223.2.2二次衬砌223.3围岩压力的计算233.3.1

3、计算断面参数确定233.3.2荷载确定233.3.3衬砌几何尺寸243.4计算位移253.4.1单位位移253.4.2载位移-主动荷载在基本结构中引起的位移263.4.3载位移-单位弹性抗力引起的位移283.4.4墙底（弹性地基上的刚性梁）位移303.4.5解力法方程313.4.6计算主动和被动荷载(h=1)分别产生的衬砌内力323.4.7最大抗力值的求解323.4.8计算衬砌总内力333.4.9衬砌截面强度验算333.4.10内力图343.4.11配筋计算34附录 课程设计任务书37致谢词39前言隧道是一种修建在地下，两端有出口，供车辆、行人、水流及管线等通过的工程建筑物。随着科学技术和经济

4、的发展，人们越来越强调人与自然的和谐，逐渐摒弃了以往那种大开挖的场面，隧道工程取而代之。本设计是对拟建龙洞隧道结构进行设计。设计主要以公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规范为依据。 通过本次设计，我系统地巩固了所学的专业知识，并对隧道工程进行了前所未有的探索。通过本次设计，掌握了直墙拱隧道的设计步骤和构造原理，以及计算理论和计算方法，对该直墙拱隧道各个方面知识有了比较全面、系统、深入的了解，锻炼了查阅相光资料和独立思考的能力。 本设计主要对本隧道进行了初期支护设计、二次衬砌设计、洞门设计，并对初期支护设计和二次衬砌设计做了较详细的阐述和较深的探讨。 在设计过程中，感谢唐文彪老师、祝老

5、师给予了我精心指导和热心的帮助，班上同学也给予了我莫大的帮助和支持，使我的设计得以顺利完成，在此，我谨向各位老师和同学表示衷心的谢谢。 由于本人水平有限，设计中难免有不足和错误之处，敬请各位老师和同学批评指正，本人将虚心接受并加以更正。1.1设计依据以及总体原则该隧道设计说明书及隧道纵剖面图。采用高速公路建设标准，设计速度120km/h，全线按4车道设计，路基宽度34.5m。隧道横通道为隧道洞内发生紧急事故时避难设施，含车行横通道和人行横通道。a、隧道路面横坡：单向坡-2%(直线段)。b、隧道内最大纵坡：3%；最小纵坡：0.3%。c、设计荷载：公路I级。d、隧道防水等级：一级；二次衬砌砼抗渗等

6、级不小于S6。1.2隧道设计参考规范和资料1.2.1执行的标准、规范、规程：公路工程技术标准 (JTGBO1-2003)公路路线设计规范 (JTG D20-2006)公路隧道设计规范 (JTG D70-2004) 公路隧道通风照明技术规范 (JTJ026.1-1999)公路水泥混凝士路面设计规范 (JTG D402002)公路工程抗震设计规范 (JTJ00489)公路隧道施工技术规范 (JTJ04294)地下工程防水技术规范 (GB 501082001)锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB 500862001)公路隧道设计细则TB 10003-2001隧道铁路工程技术手册铁路隧道喷锚构筑法技术规范

7、TB 10108-20021.2.3隧道建设规模 隧道长度、桩号一览表 表3.1隧道名称隧道长度长沙端洞口湘潭端洞口洞口桩号设计高程（m）洞口桩号设计高程（m）龙洞隧道左洞658ZK146+162103.56ZK146+820122.19右洞605K146+160103.65K146+765121.251.2.4本隧道采用的新技术、新工艺、新材料主要有：（1）、采用清浊分流的防排水措施：路面下设中央排水管，用于排除围岩集水；边水沟用于排除营运清洗污水、消防污水和其它废水，以便污水在洞外处理后再予以排放，实行清水和污水的分开排放，减轻排水系统的压力。（2）、采用连续配筋水泥砼面层，路面纵横向均设

8、置钢筋，延长路面的使用寿命。（3）、防水卷材，采用热风双焊缝无钉铺设工艺，保证了防水层的完整性又便于施工。（4）、采用双组份聚硫密封膏处理沉降缝的防水问题，解决沉降缝的渗漏水问题。1.3隧道工程地质条件1.3.1自然地理条件地理位置：拟建龙洞隧道位于长沙市岳麓区莲花乡，长沙端进口洞门位于华宝村龙洞组栈龙坝东侧通村公路边，交通条件较好，湘潭端出口洞门位于汗冲组西北侧，距机耕路约150m，交通条件较差。气象：场地区属中亚热带季风性湿润气候区，四季分明，春末夏初多雨，年均气温16.8-17.3，年降水量1358mm，无霜期260-276天。地形地貌：隧道区属剥蚀丘陵地貌，山体形态不规则，其山脉走向大

9、致呈东西向，洞身横穿山体鞍部，山坡植被茂密，坡面沟谷呈鸡爪状四面延伸，地形切割强烈，起伏变化较大，地面高程变化在95-235m之间，高差50130m。最大埋深位于K144+580处，埋深116.9m。隧道长沙端位于山坡坡脚，洞轴线与等高线大角度相交，洞门地形条件较好，山坡自然坡度3540，地面高程变化在104110m；湘潭端位于山坡坡脚冲沟部位，洞轴线与等高线交角约40，左线洞门右侧有偏压，山坡自然坡度约3035，地面高程变化在120125m。1.3.2工程地质条件据地质调查以及勘探成果，隧道区出露的地层有第四系粉质黏土，板溪群五强溪组变质砂岩等，现由新至老分述如下：1）第四系更新统（Qp）

10、粉质黏土：黄色，褐黄色，稍湿，硬塑，含粒径2-4cm碎石1020，成分为强风化砂岩，表层约40cm植物根系发育，层厚12m，零星分布于隧道区山坡坡脚及沟谷部位。 碎石土：褐黄色，密实，稍湿，粒径2-8cm，含量60-70%，棱角状，成分为变质砂岩，粉质黏土充填，层厚0.51.0m，零星分布于隧道区山坡部位。2）板溪群五强溪组（Ptbnw） 变质砂岩：中厚层状，变余砂质结构，广泛分布于隧道区。其中：全风化，紫红色，原岩结构基本破坏，岩芯呈硬塑坚硬土柱状，层厚约4m，主要分布于简家坳端山坡。强风化，紫红色、灰黄色夹灰白色，变余砂质结构，局部夹微薄层凝灰质砂岩，节理裂隙发育，岩芯呈碎石状、碎块状，少

11、量短柱状，从上至下岩石逐渐变硬， RQD值为0-10%，厚约11.2m，主要分布于简家坳端山坡。中风化，紫红色夹灰白色，节理裂隙发育，岩芯呈短柱状、碎块状, RQD值为25-30%。微风化，紫红色夹灰绿色，变余砂质结构，块状构造，节理裂隙较发育，主要有两组，一组倾角约65，一组倾角近垂直，微张开闭合状，有褐黄色铁质侵染，岩芯呈短柱状、长柱状、碎块状，RQD值70-76%，岩体较完整。1.4区域地质构造据外业地质调查和勘探成果及1:20万长沙幅区域地质资料，拟建路段位于“洞庭凹陷”南缘外侧，属华夏系构造体系，构造线NNE向，形成于印支期。龙洞次级背斜：主要由板溪群五强溪组变质砂岩组成，轴线走向北

12、东向，核部与路线大致相交于K144+500-K144+600附近，交角约60，两翼岩层倾角较陡，隧道长沙端洞门附近岩层产状312-33332-57，湘潭端岩层产状185-19037-44。两翼较为紧闭，核部多被第四系所覆盖，主要为碎石土、含碎石粉质黏土，厚度1.5-2.5m。隧道区节理较发育，主要有25850、20545、7078、31264四组，以第二组最发育，多呈微张开-闭合状。隧道区断裂构造不发育，未见活动性断裂构造活动，拟建隧道区区域地质构造稳定。1.5地震据国家质量技术监督局于2001年2月2日发布的1:400万中国地震动参数区划图（GB 18306-2001），隧道区地震动峰值加速

13、度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，相应的地震基本烈度为度，设计地震分组为第一组。1.6水文地质条件地表水：隧道横穿分水岭，地表水贫乏，在隧道两端山坡坡脚冲沟中，雨季有暂时性水流，旱季常干涸。地下水：隧道区地下水按含水层特征及埋藏条件可划分为两类： 孔隙水：主要赋存于山坡及沟谷地带碎石类土中，其地下水一般与地表水贯通、互补，水位、水量受季节影响明显，孔隙水以潜流及下降泉的形式排于溪沟及洼地中。 基岩裂隙水：主要赋存于基岩风化节理裂隙、层面裂隙及构造裂隙中，以风化裂隙含水为主，含水岩组主要包括板溪群五强溪组变质砂岩等。隧道区位于分水岭部位，覆盖层较薄，无经常性水源，基岩裂隙水一般无

14、稳定地下水位，水量随季节变化较大，水量一般不大，勘察期测得钻孔中水位埋深30.2-36.4m。基岩裂隙水补给以大气降水直接补给为主。由于以风化裂隙含水为主，地下水迳流多随地形变化，地下分水岭与地表分水岭基本一致，地下水流向为垂直或斜交附近冲沟，多以下降泉形式于冲沟或坡脚处排泄。地下水动态随季节变化较大，一般仅雨季有水，且水量不大，旱季常干涸。根据地质调查结合其它工程水文地质试验类比，隧道区基岩节理较发育、微张开状，渗透系数取K=0.0211-0.0442m/d，为弱透水。1.7不良地质隧道区内出露基岩为板溪群五强溪组变质砂岩，不良地质不发育。1.8地下气体拟建隧道穿过板溪群五强溪组变质砂岩地层

15、中，隧道中存在有害气体的可能性不大。1.9工程地质评价1.9.1区域地质稳定性评价根据地质调查和勘探成果，拟建龙洞隧道与次级背斜大角度相交通过，岩石出露稳定，断裂构造不发育，未见活动性断裂构造活动痕迹，拟建隧道区区域地质构造稳定。1.9.2隧道工程地质评价1.9.3隧道长沙端洞门及边、仰坡稳定性评价长沙端位于山坡坡脚，洞轴线与等高线大角度相交，洞门地形条件较好，山坡自然坡度3540。围岩上部为含碎石粉质黏土厚0.5-1.5m，下部为板溪群五强溪组变质砂岩，全风化岩石呈硬塑土状，厚约4m；强风化岩芯呈碎石状、碎块状、短柱状，厚11-12m，为软岩；薄层状结构，岩体破碎；主要结构面为层面及节理裂隙

16、面，结构面的不利组合对围岩有影响；地下水以基岩裂隙水为主，围岩为弱透水，可产生点滴状出水，局部可产生线状出水；围岩稳定性差。隧道洞门附近岩层产状33332，走向与路线较大角度相交，仰坡为顺向坡，调查未见不利的软弱结构面，隧道洞门边坡、仰坡较稳定，但上部松散粉质黏土及全强风化变质砂岩，雨水冲刷易产生滑塌。根据上述特征，建议边坡及仰坡坡比采用1：1.0-1.25，坡面采用混凝土框格内植草结合浆砌片石护面，边坡及仰坡坡顶设置截排水沟。1.9.4隧道湘潭端洞门及边、仰坡稳定性评价湘潭端位于山坡坡脚冲沟部位，洞轴线与等高线交角约40，左线洞门右侧有偏压，山坡自然坡度约3035。围岩上部为碎石土厚0.5-

17、1.5m，下部为板溪群五强溪组变质砂岩，强中风化，为软岩；薄层状结构，岩体破碎；主要结构面为层面及节理裂隙面，结构面的不利组合对围岩有影响；地下水以基岩裂隙水为主，围岩为弱透水，可产生点滴状出水，局部可产生线状出水；围岩稳定性差。其中左洞zK144+820-zK144+915段右侧山体薄弱，右侧有偏压。湘潭端岩层产状185-19037-44，走向与路线大角度相交，倾向坡外，仰坡为顺向坡，调查未见不利的软弱结构面，上部覆盖层厚度很薄，隧道洞门边坡、仰坡较稳定。根据上述特征，建议边坡及仰坡坡比采用1：0.75-1.0，坡面采用混凝土框格内浆砌片石护面，边坡及仰坡坡顶设置截排水沟。1.9.5隧道洞身

18、段围岩稳定性评价拟建龙洞隧道围岩为板溪群五强溪组变质砂岩，与次级背斜大角度相交通过，断裂构造不发育，结构面主要为节理、裂隙及层面，岩层走向与洞轴线大角度相交；节理主要有25850、20545、7078、31264四组，以第2组最发育，节理多呈微张开闭合状，沿节理裂隙有少量泥质钙质物充填。第2、4组节理走向与洞轴线大角度相交，第1、3组节理走向与洞轴线小角度相交，第1、3组节理与层理的不利组合，将形成不稳定的“楔形体”块体，产生局部坍塌掉块，对隧道围岩稳定有一定影响。1.9 .6水文地质评价隧道横穿分水岭，坡脚冲沟中在雨季有暂时性水流，隧道区地表水贫乏。隧道区分布的两种类型的地下水，在隧道的不同

19、部位产生的影响各不同:松散覆盖层中的孔隙水在隧道进出口部位，因覆盖层（持水层）厚度较薄，水量不大，对隧道影响较小，但在丰水季节地下水较丰富，其迳流、排泄较快，其作用降低了岩、土体力学强度，容易造成边、仰坡松散土层滑塌等现象，施工设计中应特别注意防护。基岩裂隙水主要分布在洞身强-中风化地层中，与岩石节理、裂隙发育情况，层面与构造面的组合情况密切相关，隧道区主要为板溪群五强溪组变质砂岩等，均属弱含水层，岩石透水性差，一般无稳定地下水位，水量随季节变化较大，地下水迳流多随地形变化，而隧道区基岩裂隙较发育地段，主要分布于洞身分水岭部位，裂隙水不易富集，故该类型地下水水量贫乏。根据铁路工程水文地质勘察规

20、程（TB 100492004）预测隧道涌水量如下：采用降水入渗法预测隧道正常涌水量Qs2.74WA隧道区为灰岩，岩溶弱发育，查表8.5.2选择的降水入渗系数值为0.100.18，隧道集水面积A为0.51km2，年降水量W为1358mm，计算隧道正常涌水量为190340m3/d。根据地质调查及简家坳端坡脚泉水中，所取水样分析结果，拟建隧道区地表水和地下水对混凝土结构无腐蚀性。1.10.1结论和建议1、隧道区岩层主要为板溪群五强溪组变质砂岩，岩层出露稳定，场地区未发现断裂构造通过，未见活动性断裂构造痕迹，区域地质构造稳定。2、隧道区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，建

21、筑抗震设防烈度为度。3、根据洞身围岩性质和特征，隧道洞身段围岩定为级级，详见工程地质纵断面图。4、隧道区地下水主要为孔隙水、基岩裂隙水，水量较小。隧道区未见污染源，据地质调查和取水样分析成果，地下水对砼无腐蚀性。5、隧道长沙端第四系覆盖层薄，全强风化层厚度较大，岩层倾向坡外。6、隧道湘潭端第四系覆盖层很薄，岩层倾向坡外，建议边坡及仰坡坡比采用1：0.75-1.0，坡面采用混凝土框格内浆砌片石护面，边、仰坡坡顶设置截排水沟。7、隧道岩体开挖后，围岩应力平衡条件将遭到破坏，在开挖过程中可能会引发局部坍塌，建议根据两端山坡工程地质条件及偏压大小等确定洞门型式，根据围岩级别确定洞身的衬砌方式和支护方式

22、，随挖随支。8、隧道建设对环境的影响主要是弃渣的处治、两端洞门边坡的开挖、进场道路的修建等，在设计与施工时，采取合理的防护措施，避免对地质环境的破坏。9、隧道内存在有害气体的可能性不大，建议隧道开挖后，在隧道内采空气样进行化验，根据测试结果，采取相应防护措施。10、隧道区变质砂岩风化层起伏变化较大，有背斜通过，建议详勘中应加大勘探工作量，进一步查明风化层起伏变化情况，查明有无软弱夹层分布，为隧道设计提供更加详细和可靠的依据。1.10.2隧道平纵面设计 隧道平纵面设计遵循路线的总体走向进行设计，隧道平面上位于大半径圆曲线上，纵断面均为上坡段。平纵指标见表3.2。 隧道平纵指标一览表 表3.2名称

23、平面纵面龙洞隧道左洞R5547.62.9%右洞R5862.062.96%1.10.3联系道及救援通道为了方便隧道检修和救援，在地形和位置允许的情况下，在隧道洞口布置联系道，以便左右线车辆在紧急情况下换道行驶。按照公路隧道设计规范（JTG D70-2004）的要求,在隧道中部布置了一处人行横通道，以方便左右隧道洞内的联系和发生事故时的救援和逃生，当隧道发生火灾等事故时，左右洞互为救援和逃生通道。2隧道洞门设计2.1 洞门形式的选择由已知条件可知，洞为级围岩，围岩容重18.5KN/M3，围岩弹性抗力系数K=150MKPa，出口端地质条件较差，需要设置10m长的明洞。端墙式洞门适用于岩层稳定的级围岩

24、地区，其作用在于支护洞口仰坡，保持其稳定，并将水流汇集排出。环框式洞门适用于洞口岩层坚硬而稳定的级围岩，地形陡峻而又无排水要求。翼墙式洞门适用于洞口地质较差，山体水平推力较大的级及以下的围岩。综合围岩级别和各种洞门适用的条件，本隧道端洞门采用端墙式洞门， 2.2 土压力计算 洞门墙可视为墙背承受土石主动压力的挡土墙结构，墙背土石主动压力Ea采用库仑公式计算，并假定挡土墙无论直立或仰力，墙背土石主动压力作用方向均按水平计算。由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）中洞口及洞门的规定可知:洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，取1.5m。(洞门墙端与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外

25、缘的高度不小于1.0m),洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m，取1.0m。基底埋入土质的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m，取埋入深度h=0.9m，截面宽度暂设，洞门墙埋入段截面宽度取。查公路隧道设计规范（JTG D70-2004）表7.2.1可知： 围岩分级边、仰坡坡率贴壁1：0.31：0.51：0.51：0.751：0.751：11：1.251：1.251：1.5高度(m)15202520251518201518本隧道设计取仰坡坡率为1：0.5，高度取10m。由于隧道衬砌净高，拱顶截面厚度=0.5m，端墙高出隧道拱顶3.0m,则洞门高。则洞门挡土墙计算高度为：。挡土墙采用M

26、7.5水泥砂浆砌片石，混凝土采用C20，石材强度等级采用MU80，（查规范p30-34）则有：，。由所给条件可知隧道围岩级别为级围岩，其基本物理力学指标为：重度18.5KN/M3，计算摩擦角，取计算摩擦角，查公路隧道设计规范（JTG D70-2004）表9.4.2可知基底摩擦系数f=0.4，基底控制压应力.由于仰坡坡率为1：0.75，墙面坡率为1：0.1，则有：。其计算简图见图8所示： 图8 洞门土压力计算图A=+(a-btan)b/(b+H)2=0.037则主动土压力系数：取一延米计算，则b=1.0m， 墙后主动土压力E计算：式中：E土压力（kN）; 地层重度（）； 侧压力系数； 墙背土体破

27、裂角（）； b洞门墙计算条带宽度（m）； 土压力计算模式不确定性系数，可取=0.62.3 洞门稳定性验算 查公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规范表9.4.1洞门墙主要验算规定表9.4.1洞门墙主要验算规定墙身截面荷载效应值结构抗力效应值（按极限状态算）墙身截面荷效应值结构抗力效应值(按极限状态计算)墙身截面偏心距倍截面厚度滑动稳定安全系数基底应力地基容许承载力倾覆稳定安全系数基底偏心距岩石地基B/5B/4；土质地基B/6（B为墙底厚度）洞门墙可视为墙背承受土石主动土压力的挡土墙结构，见图9所示。因此，只需要分别验算下图中所示的A、B、C、D、E各部分的稳定性和强度，就可以确定结构的

28、尺寸和厚度。为了使计算简化和施工方便，可只验算结构最大受力部分A，以此来确定整个洞门墙的厚度。 图9 端墙式洞门计算图抗倾覆验算：计算简图见图10所示，挡土墙在荷载作用下应不致绕墙底脚O点产生倾覆时应满足下式：式中： 倾覆稳定系数，；全部垂直力对墙趾的稳定力矩； 全部水平力对墙趾的倾覆力矩。图10 抗倾覆计算简图墙体A部分自重为：墙体B部分自重为：墙体自重为：墙体A部分重心至墙趾O的水平距离：墙体B部分重心至墙趾O的水平距离：墙后岩体与墙背的摩擦角角可取：。则主动土压力水平向分力为：主动土压力竖直向分力为：主动土压力水平向分力作用点至墙趾O的力臂为：主动土压力竖直向分力作用点至墙趾O的力臂为：

29、则有：。（满足）。抗滑移验算：对于水平基底，按如下公式计算：式中： 滑动稳定系数； 作用于基底上的垂直力之和；墙后水平方向力之和；f基底摩擦系数。则有：（满足）。基底合力偏心矩验算对于水平基底：式中：e水平基底偏心矩；水平基底宽度； 则有：（满足）基底压应力验算：（满足）。墙身截面处偏心及强度验算：墙身截面处墙后主动土压力E的计算：墙身截面处以上墙体自重为：墙身截面处以上墙体重心至其墙前的水平距离：则墙身截面处墙后主动土压力水平向分力为：墙身截面处墙后主动土压力竖直向分力为： 墙身截面处墙后主动土压力水平向分力作用点至墙前的力臂为：墙身截面处墙后主动土压力竖直向分力作用点至墙前的力臂为：则有：

30、（满足）墙身截面处压应力验算：（满足）。墙身截面处剪应力验算：（满足）2.4洞门排水设计图如下：3洞身支护和二衬设计3.1内轮廓的设计1根据设计资料：设计等级：高速公路单向二车道，由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4.3.2有：高速公路、一级公路的隧道应设计为上、下行分离的独立双洞。对于级围岩，容重=18.5KN/m3，围岩的弹性抗力系数K=150MPa;分离式独立双洞间的最小净距为3.5B，B为隧道开挖断面的宽度。得出各断面内如下图一横向人行通道设计内轮廓图如下：3.2衬砌的支护设计3.2.1初期支护初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，根据不

31、同围岩级别区别组合。锚杆支护采用全长粘结锚杆。由工程类比法，结合公路隧道设计规范，初期支护喷射混凝土材料采用C20级混凝土，支护参数如下表：3.2.2二次衬砌二次衬砌采用现浇模筑混凝土，利用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。二次衬砌厚度设置如下表：注：钢筋面积为纵向每1m的钢筋面积。3.3围岩压力的计算3.3.1计算断面参数确定隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量隧道跨度b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量3.3.2荷载确定（一）根据围岩压力计算公式：z=0.452S-1 （二）计算围岩竖向均布压力：q=0.452S-1 式中：s围岩等级，此处s=5；围岩容重，此处=18.5KN/

32、m3；跨度影响系数毛洞跨度=11+20.5+20.1=12.2m其中0.1m为一侧平均超挖量=12.25m，=0.1，此处=1+0.1（12.2-5）=1.72。所以有： q=h=18.50.4525-1(1+0.1(12.2-5)=229.104KPa此处超挖回填层忽略不计。(三)围岩水平均布压力：e=0.4q=0.4229.104=91.6416KPa3.3.3衬砌几何尺寸内轮廓线半径 =6.12m，r2=8.62m 。内径、所画曲线的终点截面与竖直轴的夹角，1=902=1032457拱顶截面厚度：d0=0.50m墙底截面厚度：dn=0.50m因为此处因为断面尺寸不变，所以外轮廓断面尺寸可

33、以直接计算出来。外轮廓线半径：R1=+0.5d0=6.12+0.50=6.62mR2=+0.5dn=8.62+0.50=9.12m拱轴线半径：=+0.5d0=6.12+0.25=6.37m =+0.5d0=8.62+0.25=8.87m拱轴线各段圆弧中心角：1=902=132457半拱轴线长度及分段轴长分段轴线长度：s1=1/180=10.001m S2=2/180=2.0714m半轴线长度为：S= s1 + S2=12.0715m将半拱轴线等分为8段，每段长度：s=S/8=1.5002相关参数说明如图所示。将其分为8段进行计算。各接缝点中心点的坐标为:xi=rsini，yi=r(1-cosi

34、)，截面惯性矩为I=112bd3=0.0104m43.4计算位移3.4.1单位位移用Simpson法近似计算，如表1所示。单位位移值计算如下：单位位移值的计算如下：11=0sM1EhdssEh1I=1.50022.8107865.3846=4.636610-512=0sM1M2EhdssEhyI=1.50022.81072848.029=15.25910-522=0sM22EhdssEhy2I=1.50022.810716520.77=88.515910-5计算精度校核：11+212+22=123.6070510-5ss=sEh(1+y)2I=1.50022.810722082.22=123.

35、671210-5闭合差Dy0表1 单位位移计算表3.4.2载位移-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：Qi=qbi，其中：bi-衬砌外缘两截面之间的水平投影长度，可由图量出或直接计算，为简化起见且不失代表性，可按照轴线上作用的外载加以考虑。bi=r(sini-sini-1)，因此可知：为负数表示其处于竖直力的阴影区。竖直力不会直接加在衬砌上。水平力：Ei=qhi，按上述方法计算hi=r(cosi-1-cosi)，于是可知：自重：Gi=di+di-12Ds=0.51.500218.5=13.8769作用在各楔块上的力均列入表2，各集中力均通过相应图形的形心。（2）外载荷

36、在基本结构上产生的内力Mip0=Mi-1,p0-xik=0i-1Qk+Gk-yik=0i-1Ek-Qaq-Gag-Eae轴力:Nip0=sinaik=0iQk+Gk-cosaik=0iEk，计算结果如表3所示。表2 载位移MP0计算表表3 载位移NP0计算表（3）主动荷载位移主动荷载位移：1p=0sM1Mp0EhIdssEhMp0I=-1.50022.81071702887.9642=9123.83010-52p=0sM2Mp0EhIdssEhyMp0I=-1.50022.81078528979.4507=45697.05610-5sp=sEh(1+y)Mp0I=-1.50022.810710

37、231867.4149=54820.883810-51p+2p=54820.88310-5闭合差=03.4.3载位移-单位弹性抗力引起的位移（1）各接缝处的抗力强度在这里不考虑摩擦力引起的位移。假设抗力的上零点位于第4截面上，即位于4701847位置，最大抗力位于第6截面，抗力的下零点位于墙脚，即第8截面处。34=4701847=b5=742049=h最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：i=cos2b-cos2icos2b-cos2hh于是可知：3=0，4=0.2983h，5=0.8126h，6=h最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：i=(1-yi2yh2)h，其中yi-所考察截面外缘

38、点到h点的垂直距离，yh-墙脚外缘点到h点的垂直距离，为简化计算，上述均将外缘简化为轴线。yh=0.7210，y7=2.2219，因此7=1-yi2yh2h=0.6423h，8=0，按比例绘制于轮廓线上。（2）各楔块上抗力集中力可按下式近似计算，弧长采用轴线弧长。Ri=i+i-12s，作用位置可由下图近似求出。i-1，i，于是可知，抗力作用合力位置距接缝中心点的力臂为：若i-1i，则：rji=i-1s22+12(i-1-i)s23si-1+i2s=5i-1-2i6(i-1+i)对应的抗力与坐标轴的夹角则采用该位置处的径向方向。（3）抗力的水平和竖直分量（4）计算单位抗力在基本结构中产生的内力弯

39、矩：Mi0=-Rjrji轴力：Ni0=siniRV+cosiRH计算见表6、7。确定力臂有2种方法：一是直接在CAD图上进行测量；二是通过几何关系来计算，这里采用第2种方式。（5）单位抗力产生的载位移计算见表8。校核为：1=0sM1M0EhIdssEhM0I=-1.50022.81071319.5247=-7.069810-52=0sM2M0EhIdssEhyM0I=-1.50022.81078851.0156=-47.42210-5 1+2=-54.491810-6s=sEh(1+y)M0I=-1.50022.810710170.5402=-54.49210-5闭合差=03.4.4墙底（弹性

40、地基上的刚性梁）位移单位弯矩作用下的转角：a=1KI=10.1510696.1385=64.10310-5主动荷载作用下的转角：ap0=M8p0a=-459.0264.10310-5=-2944263.61110-5单位抗力及相应摩擦力作用下的转角：a0=M80a=-8.561164.10310-5=-548.792910-53.4.5解力法方程衬砌矢高：f=y8=8.3711m计算力法方程的系数为：a11=11+a=4.6366+64.10310-5=68.739610-5a12=12+fa=15.295+8.371164.10310-5=551.871610-5a22=22+f2a=88.

41、5159+8.3711264.10310-5=4580.553810-5a10=1p+ap0+1+a0h=-9213.830+2944263.6110+7.0698+548.7929h10-5=-(2953387.4410+55.8638627h)10-5a20=2p+fap0+2+fa0h=-45697.053+8.37112944263.6110+47.4220+8.3711548.7929h10-5=-(24392422.17+4641.4222h)10-5以上将单位抗力产生的位移乘以h即为弹性抗力引起的位移。求解方程：X1=a22a10-a12a20a122-a11a22=-4580.

42、55382953387.4410+55.8638627h-551.871624392422.17+4641.4222h10-10(551.87162-68.73964580.5538)10-10=17.3346-12.4437h显然可知：X1p=17.3346，X1s=-12.4437X2=a11a20-a12a10a122-a11a22=556.4321+4.3542hX2p=556.4321，X2s=4.3542h可将上述结果代入原方程，进行校核。3.4.6计算主动和被动荷载(h=1)分别产生的衬砌内力计算公式为：Mp=X1p+yX2p+Mp0Np=X2pcos+Np0 M=X1+yX2+

43、M0N=X2cos+N0 计算结果见表9。3.4.7最大抗力值的求解首先求出最大抗力方向向内的位移hp=6p=sEhMpI(y6-yi)h=6=sEhMI(y6-yi)于是：hp=-1.50022.8107914969.420.9545=-4532.153610-6h=-1.50022.810715829.3040.9545=-28.407910-6h=hp1K-h=-4532.153610-610.15106+47.314510-6=-5.7315上式单位为kPa，力矩的单位为kNm，力的单位为kN，长度单位为m3.4.8计算衬砌总内力按下式计算衬砌总内力。M=Mp+hMN=Np+hN计算过程列于表12中。3.4.9衬砌截面强度验算检算几个控制截面1、拱顶（截面0）e=0.0947m2.4（可）式中：Ra-混凝