隧道洞門設(shè)計計算書

附件三

（隧道工程課程設(shè)計）設(shè)計說明書龍洞隧道洞門設(shè)計龍洞隧道洞身支護(hù)設(shè)計起止日期：2012年12月17日至2012年12月21日學(xué)生姓名豹哥班級道橋1001學(xué)號1000000000成績指導(dǎo)教師(簽字)唐老師包裝土木教學(xué)部2012年12月21日目錄前言 31.1設(shè)計依據(jù)以及總體原則 41.2隧道設(shè)計參考規(guī)范和資料 4執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程： 4隧道建設(shè)規(guī)模 41.3隧道工程地質(zhì)條件 5自然地理條件 5工程地質(zhì)條件 51）第四系更新統(tǒng)（Qp） 52）板溪群五強(qiáng)溪組（Ptbnw） 61.4區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造 61.5地震 61.6水文地質(zhì)條件 71.7不良地質(zhì) 71.8地下氣體 71.9工程地質(zhì)評價 7區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性評價 7隧道工程地質(zhì)評價 7隧道長沙端洞門及邊、仰坡穩(wěn)定性評價 8隧道湘潭端洞門及邊、仰坡穩(wěn)定性評價 8隧道洞身段圍巖穩(wěn)定性評價 81.9.6水文地質(zhì)評價 9結(jié)論和建議 9隧道平縱面設(shè)計 10聯(lián)系道及救援通道 102隧道洞門設(shè)計 112.1洞門形式的選擇 112.2土壓力計算 112.3洞門穩(wěn)定性驗算 142.4洞門排水設(shè)計圖如下： 203洞身支護(hù)和二襯設(shè)計 213.1內(nèi)輪廓的設(shè)計 213.2襯砌的支護(hù)設(shè)計 22初期支護(hù) 22二次襯砌 223.3圍巖壓力的計算 23計算斷面參數(shù)確定 23荷載確定 233.3.3襯砌幾何尺寸 243.4計算位移 25單位位移 25載位移-主動荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移 26載位移-單位彈性抗力引起的位移 28墻底（彈性地基上的剛性梁）位移 30解力法方程 31計算主動和被動荷載(σh=1)分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力 32最大抗力值的求解 32計算襯砌總內(nèi)力 33襯砌截面強(qiáng)度驗算 33內(nèi)力圖 34配筋計算 34附錄課程設(shè)計任務(wù)書 37致謝詞 39前言隧道是一種修建在地下，兩端有出口，供車輛、行人、水流及管線等通過的工程建筑物。隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們越來越強(qiáng)調(diào)人與自然的和諧，逐漸摒棄了以往那種大開挖的場面，隧道工程取而代之。本設(shè)計是對擬建龍洞隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計主要以《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)范為依據(jù)。通過本次設(shè)計，我系統(tǒng)地鞏固了所學(xué)的專業(yè)知識，并對隧道工程進(jìn)行了前所未有的探索。通過本次設(shè)計，掌握了直墻拱隧道的設(shè)計步驟和構(gòu)造原理，以及計算理論和計算方法，對該直墻拱隧道各個方面知識有了比較全面、系統(tǒng)、深入的了解，鍛煉了查閱相光資料和獨(dú)立思考的能力。本設(shè)計主要對本隧道進(jìn)行了初期支護(hù)設(shè)計、二次襯砌設(shè)計、洞門設(shè)計，并對初期支護(hù)設(shè)計和二次襯砌設(shè)計做了較詳細(xì)的闡述和較深的探討。在設(shè)計過程中，感謝唐文彪老師、祝老師給予了我精心指導(dǎo)和熱心的幫助，班上同學(xué)也給予了我莫大的幫助和支持，使我的設(shè)計得以順利完成，在此，我謹(jǐn)向各位老師和同學(xué)表示衷心的謝謝。由于本人水平有限，設(shè)計中難免有不足和錯誤之處，敬請各位老師和同學(xué)批評指正，本人將虛心接受并加以更正。1.1設(shè)計依據(jù)以及總體原則該隧道設(shè)計說明書及隧道縱剖面圖。采用高速公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計速度120km/h，全線按4車道設(shè)計，路基寬度34.5m。隧道橫通道為隧道洞內(nèi)發(fā)生緊急事故時避難設(shè)施，含車行橫通道和人行橫通道。a、隧道路面橫坡：單向坡-2%(直線段)。b、隧道內(nèi)最大縱坡：±3%；最小縱坡：±0.3%。c、設(shè)計荷載：公路－I級。d、隧道防水等級：一級；二次襯砌砼抗?jié)B等級不小于S6。1.2隧道設(shè)計參考規(guī)范和資料執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程：《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTGBO1-2003)《公路路線設(shè)計規(guī)范》(JTGD20-2006)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》(JTGD70-2004)《公路隧道通風(fēng)照明技術(shù)規(guī)范》(JTJ026.1-1999)《公路水泥混凝士路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD40－2002)《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》(JTJ004－89)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ042－94)《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》(GB50108－2001)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086－2001)《公路隧道設(shè)計細(xì)則》TB10003-2001《隧道》鐵路工程技術(shù)手冊《鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)范》TB10108-20021.2.3隧道建設(shè)規(guī)模隧道長度、樁號一覽表表3.1隧道名稱隧道長度長沙端洞口湘潭端洞口洞口樁號設(shè)計高程（m）洞口樁號設(shè)計高程（m）龍洞隧道左洞658ZK146+162103.56ZK146+820122.19右洞605K146+160103.65K146+765121.25本隧道采用的新技術(shù)、新工藝、新材料主要有：（1）、采用清濁分流的防排水措施：路面下設(shè)中央排水管，用于排除圍巖集水；邊水溝用于排除營運(yùn)清洗污水、消防污水和其它廢水，以便污水在洞外處理后再予以排放，實行清水和污水的分開排放，減輕排水系統(tǒng)的壓力。（2）、采用連續(xù)配筋水泥砼面層，路面縱橫向均設(shè)置鋼筋，延長路面的使用壽命。（3）、防水卷材，采用熱風(fēng)雙焊縫無釘鋪設(shè)工藝，保證了防水層的完整性又便于施工。（4）、采用雙組份聚硫密封膏處理沉降縫的防水問題，解決沉降縫的滲漏水問題。1.3隧道工程地質(zhì)條件1.3.1自然地理條件地理位置：擬建龍洞隧道位于長沙市岳麓區(qū)蓮花鄉(xiāng)，長沙端進(jìn)口洞門位于華寶村龍洞組棧龍壩東側(cè)通村公路邊，交通條件較好，湘潭端出口洞門位于汗沖組西北側(cè)，距機(jī)耕路約150m，交通條件較差。氣象：場地區(qū)屬中亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候區(qū)，四季分明，春末夏初多雨，℃，年降水量1358mm，無霜期260-276天。地形地貌：隧道區(qū)屬剝蝕丘陵地貌，山體形態(tài)不規(guī)則，其山脈走向大致呈東西向，洞身橫穿山體鞍部，山坡植被茂密，坡面溝谷呈雞爪狀四面延伸，地形切割強(qiáng)烈，起伏變化較大，地面高程變化在95-235m之間，高差50～130m。最大埋深位于K144+580處，埋深116.9m。隧道長沙端位于山坡坡腳，洞軸線與等高線大角度相交，洞門地形條件較好，山坡自然坡度35～40°，地面高程變化在104～110m；湘潭端位于山坡坡腳沖溝部位，洞軸線與等高線交角約40°，左線洞門右側(cè)有偏壓，山坡自然坡度約30～35°，地面高程變化在120～125m。1.3.2工程地質(zhì)條件據(jù)地質(zhì)調(diào)查以及勘探成果，隧道區(qū)出露的地層有第四系粉質(zhì)黏土，板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖等，現(xiàn)由新至老分述如下：1）第四系更新統(tǒng)（Qp）=1\*GB3①粉質(zhì)黏土：黃色，褐黃色，稍濕，硬塑，含粒徑2-4cm碎石10－20％，成分為強(qiáng)風(fēng)化砂巖，表層約40cm植物根系發(fā)育，層厚1～2m，零星分布于隧道區(qū)山坡坡腳及溝谷部位。=2\*GB3②碎石土：褐黃色，密實，稍濕，粒徑2-8cm，含量60-70%，棱角狀，成分為變質(zhì)砂巖，粉質(zhì)黏土充填，層厚0.5～1.0m，零星分布于隧道區(qū)山坡部位。2）板溪群五強(qiáng)溪組（Ptbnw）=1\*GB3①變質(zhì)砂巖：中厚層狀，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，廣泛分布于隧道區(qū)。其中：全風(fēng)化，紫紅色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯呈硬塑－堅硬土柱狀，層厚約4m，主要分布于簡家坳端山坡。強(qiáng)風(fēng)化，紫紅色、灰黃色夾灰白色，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，局部夾微薄層凝灰質(zhì)砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈碎石狀、碎塊狀，少量短柱狀，從上至下巖石逐漸變硬，RQD值為0-10%，厚約11.2m，主要分布于簡家坳端山坡。中風(fēng)化，紫紅色夾灰白色，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈短柱狀、碎塊狀,RQD值為25-30%。微風(fēng)化，紫紅色夾灰綠色，變余砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，主要有兩組，一組傾角約65°，一組傾角近垂直，微張開－閉合狀，有褐黃色鐵質(zhì)侵染，巖芯呈短柱狀、長柱狀、碎塊狀，RQD值70-76%，巖體較完整。1.4區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造據(jù)外業(yè)地質(zhì)調(diào)查和勘探成果及1:20萬長沙幅區(qū)域地質(zhì)資料，擬建路段位于“洞庭凹陷”南緣外側(cè)，屬華夏系構(gòu)造體系，構(gòu)造線NNE向，形成于印支期。龍洞次級背斜：主要由板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖組成，軸線走向北東向，核部與路線大致相交于K144+500-K144+600附近，交角約60°，兩翼巖層傾角較陡，隧道長沙端洞門附近巖層產(chǎn)狀312-333∠32-57°，湘潭端巖層產(chǎn)狀185-190∠37-44°。兩翼較為緊閉，核部多被第四系所覆蓋，主要為碎石土、含碎石粉質(zhì)黏土，厚度1.5-2.5m。隧道區(qū)節(jié)理較發(fā)育，主要有258∠50°、205∠45°、70∠78°、312∠64°四組，以第二組最發(fā)育，多呈微張開-閉合狀。隧道區(qū)斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未見活動性斷裂構(gòu)造活動，擬建隧道區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定。1.5地震據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于2001年2月2日發(fā)布的1:400萬《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），隧道區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅵ度，設(shè)計地震分組為第一組。1.6水文地質(zhì)條件地表水：隧道橫穿分水嶺，地表水貧乏，在隧道兩端山坡坡腳沖溝中，雨季有暫時性水流，旱季常干涸。地下水：隧道區(qū)地下水按含水層特征及埋藏條件可劃分為兩類：⑴孔隙水：主要賦存于山坡及溝谷地帶碎石類土中，其地下水一般與地表水貫通、互補(bǔ)，水位、水量受季節(jié)影響明顯，孔隙水以潛流及下降泉的形式排于溪溝及洼地中。⑵基巖裂隙水：主要賦存于基巖風(fēng)化節(jié)理裂隙、層面裂隙及構(gòu)造裂隙中，以風(fēng)化裂隙含水為主，含水巖組主要包括板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖等。隧道區(qū)位于分水嶺部位，覆蓋層較薄，無經(jīng)常性水源，基巖裂隙水一般無穩(wěn)定地下水位，水量隨季節(jié)變化較大，水量一般不大，勘察期測得鉆孔中水位埋深30.2-36.4m?；鶐r裂隙水補(bǔ)給以大氣降水直接補(bǔ)給為主。由于以風(fēng)化裂隙含水為主，地下水逕流多隨地形變化，地下分水嶺與地表分水嶺基本一致，地下水流向為垂直或斜交附近沖溝，多以下降泉形式于沖溝或坡腳處排泄。地下水動態(tài)隨季節(jié)變化較大，一般僅雨季有水，且水量不大，旱季常干涸。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查結(jié)合其它工程水文地質(zhì)試驗類比，隧道區(qū)基巖節(jié)理較發(fā)育、微張開狀，滲透系數(shù)取K=0.0211-0.0442m/d，為弱透水。1.7不良地質(zhì)隧道區(qū)內(nèi)出露基巖為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，不良地質(zhì)不發(fā)育。1.8地下氣體擬建隧道穿過板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖地層中，隧道中存在有害氣體的可能性不大。1.9工程地質(zhì)評價1.9.1區(qū)域地質(zhì)穩(wěn)定性評價根據(jù)地質(zhì)調(diào)查和勘探成果，擬建龍洞隧道與次級背斜大角度相交通過，巖石出露穩(wěn)定，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，未見活動性斷裂構(gòu)造活動痕跡，擬建隧道區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定。1.9.2隧道工程地質(zhì)評價1.9.3隧道長沙端洞門及邊、仰坡穩(wěn)定性評價長沙端位于山坡坡腳，洞軸線與等高線大角度相交，洞門地形條件較好，山坡自然坡度35～40°。圍巖上部為含碎石粉質(zhì)黏土厚0.5-1.5m，下部為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，全風(fēng)化巖石呈硬塑土狀，厚約4m；強(qiáng)風(fēng)化巖芯呈碎石狀、碎塊狀、短柱狀，厚11-12m，為軟巖；薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎；主要結(jié)構(gòu)面為層面及節(jié)理裂隙面，結(jié)構(gòu)面的不利組合對圍巖有影響；地下水以基巖裂隙水為主，圍巖為弱透水，可產(chǎn)生點滴狀出水，局部可產(chǎn)生線狀出水；圍巖穩(wěn)定性差。隧道洞門附近巖層產(chǎn)狀333∠32°，走向與路線較大角度相交，仰坡為順向坡，調(diào)查未見不利的軟弱結(jié)構(gòu)面，隧道洞門邊坡、仰坡較穩(wěn)定，但上部松散粉質(zhì)黏土及全－強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖，雨水沖刷易產(chǎn)生滑塌。根據(jù)上述特征，建議邊坡及仰坡坡比采用1：1.0-1.25，坡面采用混凝土框格內(nèi)植草結(jié)合漿砌片石護(hù)面，邊坡及仰坡坡頂設(shè)置截排水溝。1.9.4隧道湘潭端洞門及邊、仰坡穩(wěn)定性評價湘潭端位于山坡坡腳沖溝部位，洞軸線與等高線交角約40°，左線洞門右側(cè)有偏壓，山坡自然坡度約30～35°。圍巖上部為碎石土厚0.5-1.5m，下部為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，強(qiáng)－中風(fēng)化，為軟巖；薄層狀結(jié)構(gòu)，巖體破碎；主要結(jié)構(gòu)面為層面及節(jié)理裂隙面，結(jié)構(gòu)面的不利組合對圍巖有影響；地下水以基巖裂隙水為主，圍巖為弱透水，可產(chǎn)生點滴狀出水，局部可產(chǎn)生線狀出水；圍巖穩(wěn)定性差。其中左洞zK144+820-zK144+915段右側(cè)山體薄弱，右側(cè)有偏壓。湘潭端巖層產(chǎn)狀185-190∠37-44°，走向與路線大角度相交，傾向坡外，仰坡為順向坡，調(diào)查未見不利的軟弱結(jié)構(gòu)面，上部覆蓋層厚度很薄，隧道洞門邊坡、仰坡較穩(wěn)定。根據(jù)上述特征，建議邊坡及仰坡坡比采用1：0.75-1.0，坡面采用混凝土框格內(nèi)漿砌片石護(hù)面，邊坡及仰坡坡頂設(shè)置截排水溝。1.9.5隧道洞身段圍巖穩(wěn)定性評價擬建龍洞隧道圍巖為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，與次級背斜大角度相交通過，斷裂構(gòu)造不發(fā)育，結(jié)構(gòu)面主要為節(jié)理、裂隙及層面，巖層走向與洞軸線大角度相交；節(jié)理主要有258∠50°、205∠45°、70∠78°、312∠64°四組，以第2組最發(fā)育，節(jié)理多呈微張開－閉合狀，沿節(jié)理裂隙有少量泥質(zhì)鈣質(zhì)物充填。第2、4組節(jié)理走向與洞軸線大角度相交，第1、3組節(jié)理走向與洞軸線小角度相交，第1、3組節(jié)理與層理的不利組合，將形成不穩(wěn)定的“楔形體”塊體，產(chǎn)生局部坍塌掉塊，對隧道圍巖穩(wěn)定有一定影響。1.9.6水文地質(zhì)評價隧道橫穿分水嶺，坡腳沖溝中在雨季有暫時性水流，隧道區(qū)地表水貧乏。隧道區(qū)分布的兩種類型的地下水，在隧道的不同部位產(chǎn)生的影響各不同:松散覆蓋層中的孔隙水在隧道進(jìn)出口部位，因覆蓋層（持水層）厚度較薄，水量不大，對隧道影響較小，但在豐水季節(jié)地下水較豐富，其逕流、排泄較快，其作用降低了巖、土體力學(xué)強(qiáng)度，容易造成邊、仰坡松散土層滑塌等現(xiàn)象，施工設(shè)計中應(yīng)特別注意防護(hù)?；鶐r裂隙水主要分布在洞身強(qiáng)-中風(fēng)化地層中，與巖石節(jié)理、裂隙發(fā)育情況，層面與構(gòu)造面的組合情況密切相關(guān)，隧道區(qū)主要為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖等，均屬弱含水層，巖石透水性差，一般無穩(wěn)定地下水位，水量隨季節(jié)變化較大，地下水逕流多隨地形變化，而隧道區(qū)基巖裂隙較發(fā)育地段，主要分布于洞身分水嶺部位，裂隙水不易富集，故該類型地下水水量貧乏。根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB10049—2004）預(yù)測隧道涌水量如下：采用降水入滲法預(yù)測隧道正常涌水量Qs＝2.74α·W·A隧道區(qū)為灰?guī)r，巖溶弱發(fā)育，查表選擇的降水入滲系數(shù)α值為0.10～0.18，隧道集水面積A為0.51km2，年降水量W為1358mm，計算隧道正常涌水量為190～340m3/d。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及簡家坳端坡腳泉水中，所取水樣分析結(jié)果，擬建隧道區(qū)地表水和地下水對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性。1.10.1結(jié)論和建議1、隧道區(qū)巖層主要為板溪群五強(qiáng)溪組變質(zhì)砂巖，巖層出露穩(wěn)定，場地區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造通過，未見活動性斷裂構(gòu)造痕跡，區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定。2、隧道區(qū)地震動峰值加速度為0.05g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35s，建筑抗震設(shè)防烈度為Ⅵ度。3、根據(jù)洞身圍巖性質(zhì)和特征，隧道洞身段圍巖定為Ⅴ級－Ⅲ級，詳見工程地質(zhì)縱斷面圖。4、隧道區(qū)地下水主要為孔隙水、基巖裂隙水，水量較小。隧道區(qū)未見污染源，據(jù)地質(zhì)調(diào)查和取水樣分析成果，地下水對砼無腐蝕性。5、隧道長沙端第四系覆蓋層薄，全－強(qiáng)風(fēng)化層厚度較大，巖層傾向坡外。6、隧道湘潭端第四系覆蓋層很薄，巖層傾向坡外，建議邊坡及仰坡坡比采用1：0.75-1.0，坡面采用混凝土框格內(nèi)漿砌片石護(hù)面，邊、仰坡坡頂設(shè)置截排水溝。7、隧道巖體開挖后，圍巖應(yīng)力平衡條件將遭到破壞，在開挖過程中可能會引發(fā)局部坍塌，建議根據(jù)兩端山坡工程地質(zhì)條件及偏壓大小等確定洞門型式，根據(jù)圍巖級別確定洞身的襯砌方式和支護(hù)方式，隨挖隨支。8、隧道建設(shè)對環(huán)境的影響主要是棄渣的處治、兩端洞門邊坡的開挖、進(jìn)場道路的修建等，在設(shè)計與施工時，采取合理的防護(hù)措施，避免對地質(zhì)環(huán)境的破壞。9、隧道內(nèi)存在有害氣體的可能性不大，建議隧道開挖后，在隧道內(nèi)采空氣樣進(jìn)行化驗，根據(jù)測試結(jié)果，采取相應(yīng)防護(hù)措施。10、隧道區(qū)變質(zhì)砂巖風(fēng)化層起伏變化較大，有背斜通過，建議詳勘中應(yīng)加大勘探工作量，進(jìn)一步查明風(fēng)化層起伏變化情況，查明有無軟弱夾層分布，為隧道設(shè)計提供更加詳細(xì)和可靠的依據(jù)。1.10.2隧道平縱面設(shè)計隧道平縱面設(shè)計遵循路線的總體走向進(jìn)行設(shè)計，隧道平面上位于大半徑圓曲線上，縱斷面均為上坡段。平縱指標(biāo)見表3.2。隧道平縱指標(biāo)一覽表表3.2名稱平面縱面龍洞隧道左洞R5547.62.9%右洞R5862.062.96%1.10.3聯(lián)系道及救援通道為了方便隧道檢修和救援，在地形和位置允許的情況下，在隧道洞口布置聯(lián)系道，以便左右線車輛在緊急情況下?lián)Q道行駛。按照《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）的要求,在隧道中部布置了一處人行橫通道，以方便左右隧道洞內(nèi)的聯(lián)系和發(fā)生事故時的救援和逃生，當(dāng)隧道發(fā)生火災(zāi)等事故時，左右洞互為救援和逃生通道。2隧道洞門設(shè)計2.1洞門形式的選擇由已知條件可知，洞為Ⅴ級圍巖，圍巖容重18.5KN/M3，圍巖彈性抗力系數(shù)K=150MKPa，出口端地質(zhì)條件較差，需要設(shè)置10m長的明洞。端墻式洞門適用于巖層穩(wěn)定的Ⅰ—Ⅲ級圍巖地區(qū)，其作用在于支護(hù)洞口仰坡，保持其穩(wěn)定，并將水流匯集排出。環(huán)框式洞門適用于洞口巖層堅硬而穩(wěn)定的Ⅰ級圍巖，地形陡峻而又無排水要求。翼墻式洞門適用于洞口地質(zhì)較差，山體水平推力較大的Ⅳ級及以下的圍巖。綜合圍巖級別和各種洞門適用的條件，本隧道端洞門采用端墻式洞門，2.2土壓力計算洞門墻可視為墻背承受土石主動壓力的擋土墻結(jié)構(gòu)，墻背土石主動壓力Ea采用庫侖公式計算，并假定擋土墻無論直立或仰力，墻背土石主動壓力作用方向均按水平計算。由《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）中洞口及洞門的規(guī)定可知:洞口仰坡坡腳至洞門墻背的水平距離不宜小于1.5m，取1.5m。(洞門墻端與仰坡之間水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于1.0m),洞門墻頂高出仰坡腳不小于0.5m，取1.0m。基底埋入土質(zhì)的深度不小于1.0m，嵌入巖石地基的深度不小于0.5m，取埋入深度h=0.9m，截面寬度暫設(shè)，洞門墻埋入段截面寬度取。查《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）表可知：圍巖分級Ⅰ～ⅡⅢⅣⅤ～Ⅵ邊、仰坡坡率貼壁1：0.31：0.51：0.51：0.751：0.751：11：1.251：1.251：1.5高度(m)15202520251518201518本隧道設(shè)計取仰坡坡率為1：0.5，高度取10m。由于隧道襯砌凈高，拱頂截面厚度=0.5m，端墻高出隧道拱頂3.0m,則洞門高。則洞門擋土墻計算高度為：。擋土墻采用M7.5水泥砂漿砌片石，混凝土采用C20，石材強(qiáng)度等級采用MU80，（查規(guī)范p30-34）則有：，，。由所給條件可知隧道圍巖級別為Ⅴ級圍巖，其基本物理力學(xué)指標(biāo)為：重度18.5KN/M3，計算摩擦角，取計算摩擦角，查《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）表可知基底摩擦系數(shù)f=0.4，基底控制壓應(yīng)力.由于仰坡坡率為1：0.75，墻面坡率為1：0.1，則有：。其計算簡圖見圖8所示：圖8洞門土壓力計算圖A=+(a-btan)b/(b+H)則主動土壓力系數(shù)：取一延米計算，則b=1.0m，墻后主動土壓力E計算：式中：E－土壓力（kN）;－地層重度（）；－側(cè)壓力系數(shù)；－墻背土體破裂角（）；b－洞門墻計算條帶寬度（m）；－土壓力計算模式不確定性系數(shù)，可取=0.62.3洞門穩(wěn)定性驗算查《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）規(guī)范表洞門墻主要驗算規(guī)定表洞門墻主要驗算規(guī)定墻身截面荷載效應(yīng)值≤結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)值（按極限狀態(tài)算）墻身截面荷效應(yīng)值≤結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)值(按極限狀態(tài)計算)墻身截面偏心距≤倍截面厚度滑動穩(wěn)定安全系數(shù)≥基底應(yīng)力≤地基容許承載力傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)≥基底偏心距巖石地基≤B/5～B/4；土質(zhì)地基≤B/6（B為墻底厚度）洞門墻可視為墻背承受土石主動土壓力的擋土墻結(jié)構(gòu)，見圖9所示。因此，只需要分別驗算下圖中所示的A、B、C、D、E各部分的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，就可以確定結(jié)構(gòu)的尺寸和厚度。為了使計算簡化和施工方便，可只驗算結(jié)構(gòu)最大受力部分A，以此來確定整個洞門墻的厚度。圖9端墻式洞門計算圖抗傾覆驗算：計算簡圖見圖10所示，擋土墻在荷載作用下應(yīng)不致繞墻底腳O點產(chǎn)生傾覆時應(yīng)滿足下式：式中：－傾覆穩(wěn)定系數(shù)，；－全部垂直力對墻趾的穩(wěn)定力矩；－全部水平力對墻趾的傾覆力矩。圖10抗傾覆計算簡圖墻體A部分自重為：墻體B部分自重為：墻體自重為：墻體A部分重心至墻趾O的水平距離：墻體B部分重心至墻趾O的水平距離：墻后巖體與墻背的摩擦角角可?。?。則主動土壓力水平向分力為：主動土壓力豎直向分力為：主動土壓力水平向分力作用點至墻趾O的力臂為：主動土壓力豎直向分力作用點至墻趾O的力臂為：則有：。（滿足）?？够乞炈悖簩τ谒交?，按如下公式計算：式中：－滑動穩(wěn)定系數(shù)；－作用于基底上的垂直力之和；－墻后水平方向力之和；f－基底摩擦系數(shù)。則有：（滿足）?；缀狭ζ木仳炈銓τ谒交祝菏街校篹－水平基底偏心矩；－水平基底寬度；則有：（滿足）基底壓應(yīng)力驗算：（滿足）。墻身截面處偏心及強(qiáng)度驗算：墻身截面處墻后主動土壓力E＇的計算：墻身截面處以上墻體自重為：墻身截面處以上墻體重心至其墻前的水平距離：則墻身截面處墻后主動土壓力水平向分力為：墻身截面處墻后主動土壓力豎直向分力為：墻身截面處墻后主動土壓力水平向分力作用點至墻前的力臂為：墻身截面處墻后主動土壓力豎直向分力作用點至墻前的力臂為：則有：（滿足）墻身截面處壓應(yīng)力驗算：（滿足）。墻身截面處剪應(yīng)力驗算：（滿足）2.4洞門排水設(shè)計圖如下：3洞身支護(hù)和二襯設(shè)計3.1內(nèi)輪廓的設(shè)計1根據(jù)設(shè)計資料：設(shè)計等級：高速公路單向二車道，由《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTGD70-2004）有：高速公路、一級公路的隧道應(yīng)設(shè)計為上、下行分離的獨(dú)立雙洞。對于Ⅲ級圍巖，容重=18.5KN/m3，圍巖的彈性抗力系數(shù)K=150MPa;分離式獨(dú)立雙洞間的最小凈距為3.5B，B為隧道開挖斷面的寬度。得出各斷面內(nèi)如下圖一橫向人行通道設(shè)計內(nèi)輪廓圖如下：3.2襯砌的支護(hù)設(shè)計初期支護(hù)初期支護(hù)采用噴錨支護(hù)，由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護(hù)形式組合使用，根據(jù)不同圍巖級別區(qū)別組合。錨桿支護(hù)采用全長粘結(jié)錨桿。由工程類比法，結(jié)合《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，初期支護(hù)噴射混凝土材料采用C20級混凝土，支護(hù)參數(shù)如下表：3.2.2二次襯砌二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，利用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行襯砌內(nèi)力計算和驗算。二次襯砌厚度設(shè)置如下表：注：鋼筋面積為縱向每1m的鋼筋面積。3.3圍巖壓力的計算計算斷面參數(shù)確定隧道高度h=內(nèi)輪廓線高度+襯砌厚度+預(yù)留變形量隧道跨度b=內(nèi)輪廓線寬度+襯砌厚度+預(yù)留變形量荷載確定（一）根據(jù)圍巖壓力計算公式：σz=0.452S-1ω（二）計算圍巖豎向均布壓力：q=0.452S-1ω式中：s——圍巖等級，此處s=5；——圍巖容重，此處=18.5KN/m3；——跨度影響系數(shù)毛洞跨度=11+20.5+20.1=12.2m其中0.1m為一側(cè)平均超挖量=12.2>5m，=0.1，此處=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此處超挖回填層忽略不計。(三)圍巖水平均布壓力：e=0.4q=0.4×229.104=91.6416KPa襯砌幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑=6.12m，r2=8.62m。內(nèi)徑、所畫曲線的終點截面與豎直軸的夾角，φ1=90°φ2=103°24′57″拱頂截面厚度：d0=0.50m墻底截面厚度：dn=0.50m因為此處因為斷面尺寸不變，所以外輪廓斷面尺寸可以直接計算出來。外輪廓線半徑：R1=+0.5d0=6.12+0.50=6.62mR2=+0.5dn=8.62+0.50=9.12m拱軸線半徑：′=+0.5d0=6.12+0.25=6.37m′=+0.5d0=8.62+0.25=8.87m拱軸線各段圓弧中心角：θ1=90°θ2=13°24′57″半拱軸線長度及分段軸長分段軸線長度：s1=θ1π′/180°=10.001mS2=θ2π′/180°=2.0714m半軸線長度為：S=s1+S2=12.0715m將半拱軸線等分為8段，每段長度：?s=S/8=1.5002相關(guān)參數(shù)說明如圖所示。將其分為8段進(jìn)行計算。各接縫點中心點的坐標(biāo)為:xi=rsinα截面慣性矩為I=3.4計算位移單位位移用Simpson法近似計算，如表1所示。單位位移值計算如下：單位位移值的計算如下：δδδ計算精度校核：δδ閉合差y0表1單位位移計算表載位移-主動荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移（1）每一楔塊上的作用力豎向力：Qi=qbi，其中：bibi=r(sin為負(fù)數(shù)表示其處于豎直力的陰影區(qū)。豎直力不會直接加在襯砌上。水平力：Eihi=r(cos自重：G作用在各楔塊上的力均列入表2，各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心。（2）外載荷在基本結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生的內(nèi)力M軸力:Nip表2載位移MP表3載位移NP（3）主動荷載位移主動荷載位移：????閉合差?載位移-單位彈性抗力引起的位移（1）各接縫處的抗力強(qiáng)度在這里不考慮摩擦力引起的位移。假設(shè)抗力的上零點位于第4截面上，即位于47018'47″αα最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計算：σ于是可知：σ3=0，σ4=最大抗力值以下各截面抗力強(qiáng)度按下式計算：σi=(1-yi'2yhyh'=0.7210，y（2）各楔塊上抗力集中力可按下式近似計算，弧長采用軸線弧長。Ri=σi，于是可知，抗力作用合力位置距接縫中心點的力臂為：若σi-1若σi-1對應(yīng)的抗力與坐標(biāo)軸的夾角則采用該位置處的徑向方向。（3）抗力的水平和豎直分量（4）計算單位抗力在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力彎矩：M軸力：N計算見表6、7。確定力臂有2種方法：一是直接在CAD圖上進(jìn)行測量；二是通過幾何關(guān)系來計算，這里采用第2種方式。（5）單位抗力產(chǎn)生的載位移計算見表8。校核為：??2σ?閉合差?墻底（彈性地基上的剛性梁）位移單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角：β主動荷載作用下的轉(zhuǎn)角：β單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角：β解力法方程襯砌矢高：f=計算力法方程的系數(shù)為：aaaaa以上將單位抗力產(chǎn)生的位移乘以σh求解方程：X顯然可知：X1pXX2p可將上述結(jié)果代入原方程，進(jìn)行校核。計算主動和被動荷載(σh=1)計算公式為：MM計算結(jié)果見表9。最大抗力值的求解首先求出最大抗力方向向內(nèi)的位移δδ于是：δδσ上式單位為kPa，力矩的單位為kNm，力的單位為kN，長度單位為m計算襯砌總內(nèi)力按下式計算襯砌總內(nèi)力。M=N=計算過程列于表12中。襯砌截面強(qiáng)度驗算檢算幾個控制截面1、拱頂（截面0）e=0.0947m<0.2d=0.1m（可滿足要求）edαk=α式中：Ra-混凝土極限抗壓強(qiáng)度，取2、截面8e=0.00012<d/6=0.083綜上，驗算滿足強(qiáng)度要求。內(nèi)力圖配筋計算經(jīng)過計算，可知中墻頂部為最不利位置，沿隧道縱向取1m的計算單元，彎矩最大為807.367kN.m，軸力為1136.183kN，以此截面為控制截面進(jìn)行配筋，為簡便計算，可以對稱配筋。彎矩設(shè)計值，軸力設(shè)計值截面長度：L=1.0m高度：計算長度：偏心距：附加偏心矩：（20mm和1/30偏心方向截面尺寸中較大值）初始偏心矩：ei=20+711=731偏心距增大系數(shù)：，所以取所以構(gòu)件長細(xì)比對截面曲率影響的系則偏心矩增大系數(shù)：1.0062×731>0.3×450按大偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行計算es=731×1.0062+500/2－50=936取則受壓區(qū)鋼筋面積：采用20Φ20，=6248，非超筋，滿足要求。附錄湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計任務(wù)書