隧道工程设计和实现以某隧道为例论文设计

时间：2021-04-09 20:06:57 来源：蒲公英阅读网 本文已影响人

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　 第一章 工程概况 1.1 米仓山二号公路隧道的工程地质概况 1.1.1 地形地貌 米仓山二号公路隧道穿越四川省和陕西省，位于四川盆地的北部边缘地带，内地貌多形成高山、峡谷。沟谷多呈 V 型，沟床坡降大，水系呈树枝状。地形地貌受到了构造与岩性的制约，花岗岩山体陡峭，山顶呈现尖峰；沉积岩山峰一般浑圆，在山体上横向冲沟发育，呈树枝状，个别切割较深的，形成了峡谷、陡岸等地貌。隧址区出露地层以闪长岩为主，进口段分布有砂岩、灰岩、页岩等，隧道洞身至出口段广泛分布花岗闪长岩。

　米仓山二号公路隧道位于山岭地区，采用分离式布置，左线进口桩号为 ZK080+786，出口桩号为ZK080+656，全长1870m；右线进口桩号为YK080+672，出口桩号为 YK080+786，全长 1910m。

　1.1.2 地质构造 隧道址区为秦岭东西向复杂构造带与四川新华夏盆地的交接部位，位于杨子准地台北缘，为岩浆岩出露区，为元古代基底构造层，形成东西向地垒构造区，加之侵蚀韧割作用强烈，表现为峻的褶皱山和深切峡谷。隧道进口段砂岩裂隙发育，则其透水性和、与含水性较为良好，页岩为相对隔水层，砂岩和页岩接触带一般地下水较为富集，灰岩地下水较为丰富。

　1.1.3 气候分区 隧道的址区位于四川盆地的东北部，处于低山区中自勺河谷地带，属北亚热带湿润季风气候区。该地带四季分明，气候比较温和，雨水量充沛，大陆季风气候特征明显，夏季没有明显的高温时段，光热条件好的特征。

　1.1.4 水文地质 该地区的年降雨量半均值大约为 1074mm，下雨多集中于 5-9 月，降雨分布不均，其降雨总量可达 891.4m，占全年降雨量的 83％。据巴中市气象资料，最大年降水量 1600mm，最小年降水量 630mm。多年平均气温 16.1℃，多年平均蒸发量 1500mm，多年半均蒸发量大于降雨量。

　1.2

　围岩分级 围岩的分级主要有三个基本影响因素：岩性、地质构造、地下水。而公路隧道初步分级的依据是围岩的主要定性特征，包括岩石坚硬程度（CR ）和岩体完整性指标（VK ）。而本次隧道设计的围岩等级为Ⅴ级

　 1.3 隧道设计说明设计标准及遵循规范 1.3.1 技术标准 公路等级

　 高速公路 设计行车速度

　 80km/h 交通量

　 近期 17500 辆/日，远期 35100 辆/日； 汽油车：小型客车 25%，小型货车 16%，中型货车 16%； 柴油车：中型货车 16%，大型客车 12%，大型货车 15%； 上、下行比例 1：1，双车道单向行驶 隧道内卫生标准：

　CO 允许浓度上行线 275ppm，下行线 275ppm； VI 允许浓度为 0.0070，隧道内纵向风速小于等于 10m/s。

　 第二章 米仓山二号公路隧道总体设计 2.1 一般规定与设计原则 2.1.1 一般规定 公路隧道的各个部分的设计应该满足规范的基本要求，在隧道不同的是设计阶段，有着不同的任务，应该根据隧道的实际调查情况，发现与计划不符合时，随时调整施工方案。

　2.1.2 设计原则 （1）要提前制定多个实施方案，后续去当地调查现场的地形地貌以及人文环境，然后进行实施方案选择，根据实际情况选择出最优的方案，在后续的实施过程中要根据实际情况对施工方案进行修正。

　（2）要根据地质条件的优略以及隧道的长度选择路线的走向。

　（3）要保证满足驾驶员在行车过程中的安全性和舒适性，根据隧道的实际情况来选择合理的通风照明的规模以及方式。

　2.2 隧道横断面设计 （1）隧道限界 建筑限界的设计不仅仅是为了更好的满足驾驶员的舒适性和安全性，还要考虑各种车辆的行驶空间。

　（2）余宽设置 余宽的设置跟检修道和人行道有关。

　（3）隧道路面横坡 根据隧道的单双向交通道不同时，所设计的坡面也不相同，单向交通取单面坡，双向交通双面坡。坡度根据隧道的实际情况确定。

　（4）隧道内轮廓设计 在设计时要考虑施工方法和围岩的变形带来的影响。

　2.3 隧道建筑界限 本工程隧道净宽 10m（1.0+0.5+3.5×2+0.5+1.0），净高 5.0m。限界基本宽度，行车道：7.0m，路缘带：0.50m，侧向余宽：0.0m，人行道：双侧 1.0m，限界净高：5.0m，人行道净高：2.5m。设计建筑限界如图 2-1 示。

　图 2-1 隧道建筑限界 （单位：cm）

　2.4 隧道衬砌内轮廓 米仓山二号公路隧道，围岩级别为Ⅴ级，容重为3=20 / kN m  ，衬砌材料为C25 混 凝 土 ， 围 岩 的 弹 性 抗 力 系 数6 30.2 10 / K kN m   ， 弹 性 模 量 为72.95 10hE kPa   ，容重3=23 / kN m  。如图 2-2 示。

　图 2-2 隧道衬砌内轮廓标准断面（单位：cm）

　第三章 洞门设计 3.1 洞口地质地貌 为秦岭东西向复杂构造带与四川新华夏盆地的交接部位，位于杨子准地台北缘，为岩浆岩出露区，为元古代基底构造层，形成东西向地垒构造区，加之侵蚀

　 韧割作用强烈，表现为峻的褶皱山和深切峡谷。隧道进口段砂岩裂隙发育，则其透水性和、与含水性较为良好，页岩为相对隔水层，砂岩和页岩接触带一般地下水较为富集，灰岩地下水较为丰富，岩层破碎，呈碎石状结构，施工条件差，划分为Ⅴ类围岩。风化严重，稳定性差，出口段围岩顶板较薄，施工过程容易坍塌，地表水的渗入。施工过程应多注意防护。

　3.2 洞门的设计方案 3.2.1 洞门形式 本次隧道设计可采用端墙式洞口，因为所在地区地形较为开阔、地基也基本上稳定。在设计洞门时不仅要考虑到隧道的稳定性，同时还要考虑到经济、美观、舒适。

　图 3-1 端墙式洞门 3.2.2 洞门要求 在设计洞门时，洞口的仰坡坡脚到洞门墙背的距离可以选择在 1.5m 的范围内，端墙到拱顶外缘的高度要大于 1.0m 。洞门也要设计伸缩缝、沉降缝等。

　3.2.3 验算满足条件 表 3-1 洞门墙设计参数

　 仰坡坡率 ( )   计算摩擦角3( / ) kN m  容重 f 基底摩擦系数( ) Mpa 基底控制压应力10.5 ：

　70 25 0.60 0.8010.75 ：

　60 24 0.50 0.6011 ：

　50 20 0.40 0.40~0.3511.25 ：

　43~ 45 18 0.40 0.30~0.25

　 表 3-2 洞门墙主要验算规定

　 -- -- 3.3 洞门结构 3.3.1 参数 （1）

　； （2）仰坡坡角 ，

　； （3）地层容重 ； （4）地层计算摩擦角

　（5）

　； （6）基底控制应力 。

　3.3.2 建筑材料 （1）端墙的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为 ，水泥砂浆的强度等级为 。

　（2）

　， 。

　3.3.3 洞门尺寸的假设 根据 ，拟定洞门端墙高度：

　，基底埋入地基深度为 ，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为 ，洞门墙顶高出仰坡坡脚 ，墙厚 ，设计仰坡 。

　3.4 洞门验算 3.4.1 洞门土压力计算 根据 ，洞门土压力计算图示具体见图 3-2。

　11.5 ：

　38~ 40 17 0.35~0.40 0.25Sd 墙身截面荷载效应值Rd 结构抗力效应值（按极限状态算）Sd 墙身截面荷效应值( )Rd 结构抗力效应值按极限状态计算e 墙身截面偏心距 0.3  截面厚度cK 滑动稳定安全系数1.3  基底应力 地基容许承载力0K 倾覆稳定安全系数1.6 e 基底偏心距 /6 B  岩石土质地基10.75 边、仰坡坡度：=53.13  =6 3=24 / KN m =60  ；0.5 基底摩擦系数  =0.6MPa 100 MU10 M[ ] 2.2aMPa  322 /tkN m   重度2004 GTJ  《公路隧道设计规范》（ ）

　=12 H m1.0m 1.5m1m 1.5m 10.75 ：2004 GTJ  《公路隧道设计规范》（ ）

　图 3-2 洞门土压力计算图 夹角：

　可得：

　故：

　。

　土压力为：

　得：

　 得：

　。

　洞门土压力 E ：

　2 22tan tan tan (1 tan )(tan tan )(tan tan )(1 tan tan )tantan (1 tan ) tan (1 tan tan )                    2222(1 tan 60)(tan60 tan53.13)(tan60 tan6)(1 tan6tan53.13)tantan53.13(1 tan 60) tan60(1 tan6tan53.13)tan 60 tan6tan53.13tan53.13(1 tan 60) tan60(1 tan6tan53.13)0.404        arctan0.5846 22    20 01( )2E H h h h b         tan tan )(1 tan tan )tan( )(1 tan tan )        （tan tanah tan22 tan6)(1 tan6tan53.13)0.078tan(22 60)(1 tan22tan53.13)   （1.55.02tan tan tan22 tan6ah   0/(cot tan ) 1.6762 h a m     

　3.4.2 抗倾覆验算 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：

　 图 3-3 端墙计算简图 由图 3-3 可知：

　墙身重量 ：

　；

　3.4.3 抗滑动验算 按如下公式验算：

　 20 021( )2124 0.078 12 2.33 5.02 2.33 1 0.6284.3903E H h h h bKN                 （ ）cos( ) 84.3903 cos(36 6) 73.0841xE E KN        sin( ) 84.3903 sin 36 6 =42.1951yE E KN        （ ）001.6yMKM W1.5 12 1.0 22 396 W KN     ( ) ( ) 507.66222 3y yb Htg HM W E b tg KN m     0219.25233xHM E KM m   002.32 1.6yMKM  1.3cN fKE ( ) 0.6(396 42.1951) 0.63.60 1.373.0841ycXW EKE     

　 3.4.4 基底合力偏心距验算 设作用于基底的合力法向分力为 N，其对墙趾的力臂为NZ ，合力偏心距为 e ，则：

　 合力在中心线的右侧。

　满足

　 3.4.5 墙身截面 e 及验算 （1）

　e

　 代入 e ，得可：

　（2）应力 

　 （满足要求）

　3.5 洞口边坡锚固 参数为：喷射 C20 的混凝土 1ocm; 选用 钢筋网、间距为 ；选用 注浆小导管，长 4.om，按梅花形布置，间距 。

　 507.6622 219.2523396 42.19510.6582y ONM MZNm  1.50.6582 0.0918 02e     1.50.06

　= 0.256 6Be   maxmin6 396 42.1951 6 0.09181 11.5 1.5NeB B                399.40184.86kPakPa max329.6 0.6 kP M a Pa      基底控制压应力0.3Me BN 12 12 1.5( ) 73.0841 ( ) 42.1951 120.852 3 2 2 3 2X YH H BM E E kN m            396 42.1951 438.1951yN W E kN m      120.850.28 0.3 0.3 1.5 0.45m438.1951Me BN      61bNeb b    438.1951 6 0.281 0.6 [ ] 2.21.5 1.5aMPa MPa          8  20 20 m cm 50 4   120 120 cm cm 

　 第四章 二次衬砌内力计算（深埋）

　4.1 基本资料 4.1.1 隧道衬砌内轮廓线 米仓山二号公路隧道，围岩级别为Ⅴ级，容重为 ，衬砌材料为C25 混 凝 土 围 岩 的 弹 性 抗 力 系 数 ， 弹 性 模 量 为，容重 。

　本工程隧道为二级公路隧道，设计时速为 80km/h。如图 4-1 示。

　图 4-1

　隧道衬砌内轮廓标准断面 （单位：cm）

　4.1.2 荷载确定 1、竖向压力:

　毛洞跨度：

　 2、水平压力:

　 4.2 衬砌结构计算（深埋）

　4.2.1 衬砌几何要素 1、衬砌几何尺寸 3=20 / kN m 6 30.2 10 / K kN m  72.95 10hE kPa  3=23 / kN m 10.45 2 s q   ml =12.20+2 0.08=12.36 m=1 i 5)=1+0.1 12.36 5 =1.736      （l （ ）s 1 5-1q=0.45 2 =0.45 2 20 1.736 0.7=174.9888kPa      0.5 0.5 174.9888 87.4988 e q kPa    

　 1 25.35

　7.85 r m r m   ； 00.75

　d m  ； 0.75md m 

　； 1 1 05.35 0.75 6.1 R r d m     

　 2 2 07.85 0.75 8.60 R r d m     

　 1 1 00.5 5.35 0.375 5.725 r r d m    

　 2 2 00.5 7.85 0.375 8.225 r r d m    

　 190 

　216.8 

　 2、半拱轴线长度 S 及分段轴长△S 11 1903.14 5.725 8.98825180 180S r m     

　 22 216.83.14 8.225 2.409612180 180S r m     

　 1 28.98825 2.409612 11.397862 S S S m     

　 11.3978621.4247328 8SS m    

　 3、各分块接缝(截面)中心几何要素 （1）i

　 1 11180 1.424732 18014.25875.725Sr         

　2 1 114.2587 14.2587 28.5174         

　 3 2 128.5174 14.2587 42.7761         

　 4 3 142.7761 14.2587 57.0348         

　 5 4 157.0348 14.2587 71.2935         

　 6 5 171.2935 14.2587 85.5522         

　 1 17 7 1.42473275-8.98825 0.9848 s S S m       

　 17 12180 0.9848 18090 96.86018.225Sr          

　22180 1.42473275 1809.92458.225Sr        

　8 7 296.8601 9.9245 106.7846          

　 8 1 290 16.8 106.8          

　 =0 

　（1）接缝中心点坐标计算 1 2 3 45 6 7 8=1.4101 2.7333 3.8880 4.80335.4226 5.7078 5.6661 5.3746x m x m x m x mx m x m x m x m     ， ， ，， ， ，

　 1 2 3 45 6 7 80.1764 0.6946 1.5228 2.60993.8889 5.2810 6.7074 8.1002y m y m y m y my m y m y m y m      ， ， ，， ， ，

　 图 4-2 衬砌结构计算图式 1 4.2.2 计算位移 1、单位位移 表 4-1 单位位移的计算见表 截面 

　sin 

　cos 

　x

　 y

　 d

　 I

　1I

　yI

　2yI

　2(1 ) yI 积分系数1/3 0 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.75 0.0351 28.4900 0.0000 0.0000 28.4900 1 1 14.2587 0.2463 0.9692 1.4101 0.1764 0.75 0.0351 28.4900 5.0256 0.8865 39.4278 4 2 28.5174 0.4774 0.8787 2.7333 0.6946 0.75 0.0351 28.4900 19.7892 13.7455 81.8139 2 3 42.7761 0.6791 0.7340 3.8880 1.5228 0.75 0.0351 28.4900 43.3846 66.0660 181.3252 4 4 57.0348 0.8390 0.5441 4.8033 2.6099 0.75 0.0351 28.4900 74.3561 194.0619 371.2640 2 5 71.2935 0.9472 0.3207 5.4226 3.8889 0.75 0.0351 28.4900 110.7948 430.8697 680.9493 4 6 85.5522 0.9970 0.0775 5.7078 5.2810 0.75 0.0351 28.4900 150.4557 794.5565 1123.9579 2 7 96.8601 0.9928 -0.1994 5.6661 6.7074 0.75 0.0351 28.4900 191.0938 1281.7427 1692.4204 4 8 106.8 0.9573 -0.2890 5.3746 8.1002 0.75 0.0351 28.4900 230.7747 1869.3212 2359.3606 1

　 

　218.4233

　707.0573

　3664.1029

　5296.6410

　 单位位移计算如下：

　611701 1.424732218.4233 10.5490 102.95 10Ssh hM SdE I E I      

　 61 212 21701.424732707.0573 34.1480 102.95 10Ssh hM M S ydE I E I         222622701.4247323664.1029 176.9615 102.95 10Ssh hM S ydE I E I       计算精度校核为: -611 12 222 =255.8065 10      2-6ss7hy 1.424732= = 5296.6410=255.8065 102.95 10SE I （1+ ）

　2、载位移—主动荷载在基本结构中引...