浅析垄溪隧道衬砌结构内力分析与结构设计

浅析垄溪隧道衬砌结构内力分析与结构设计
摘要：本设计围绕垄溪隧道隧道进行，设计为双向两车道，本设计已右线设计为主，隧道全长1573m，宽度10.25m，限高5m，衬砌内轮廓采用三心圆拱直墙式。

隧道结构设计以新奥法原理为指导，各类衬砌设计采用复合式衬砌，以初期支护为主要承载结构和二次衬砌与之共同承载．本文重点浅析了垄溪隧道衬砌结构内力分析与结构设计，
关键词：直墙；新奥法；复合式衬砌；三心圆拱
Abstract: This design around the ridge Creek tunnel tunnel, design for two-way two driveway, the design has the right line design, tunnel length 1573m, width 10.25m, high 5m, lining the inner contour of the three circular arch with vertical wall type. Structure design of tunnel with the new Austrian tunneling method theory, various types of lining design with composite lining, with the initial support for the main loading structure and the two lining works together with the load. This paper focuses on the ridge Creek tunnel lining internal forces analysis and structure design, Key words: straight wall; the new Austrian tunneling method; composite lining; three center arch
工程概述
1.1 工程简介
垄溪隧道位于湖南省桃源县热市镇夏家坳村姜家湾组。

隧道全长1573m ,设计宽度10.25 m,双向两车道，行车道单幅宽3.75m，为衬砌内轮廓，采用直墙式设计；隧道路面纵坡为 1.7 %，设计隧道内车速为80km/h。

1.2 工程地质和水文地质条件
1.2.1 地形地貌
隧道所处地貌为长期风化剥蚀的丘陵地貌区，地形坡度约15°～45°，相对高差60m。

坡面植被发育，局部可见基岩山露。

区内冲沟发育，冲沟走向以北西方向为主，次为北东方向。

隧道常德方向洞口轴线与地形等高线呈20°～30°斜交。

在ZK74+050～ZK74+140南侧及隧道张家界方向洞口处地形切割深度较大，地形陡峭，为“V”字形沟谷，与隧道轴线正交或大角度斜交。

1.2.2工程地质评价
右线洞身顶板为强~微化页岩，划分为为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ三类围岩。

Ⅱ类围岩里
程桩号YK74+440～494，，受构造破碎带影响，围岩裂隙发育，为碎石状压碎结构，整体稳定性差；Ⅲ类围岩里程桩号为YK73+700～831、YK74+416～+440，洞室围岩为强微风化围岩，为碎石状镶嵌结构、块状结构，不稳定；Ⅳ类围岩处在YK73+831～+416段，围岩为微风化页岩，裂隙不甚发育，岩石完整，浅层地震波速：微风化页岩V=3100～4000m/sec，具块状砌体结构，岩石脱水后易干裂，受物理风化作用后不够。

表1-3围岩物理力学性质指标
2、隧道总体设计
2.1隧道线形设计
本隧道位于桃源县热市镇夏家坳湾组，是一座双向两车道高等级公路隧道。

2.2 隧道横断面设计
2.2.1隧道建筑限界
该隧道为双向两车道高等级公路隧道，设计行车速度为80km/h，根据《公路隧道设计规范》（JTJ026-90），该隧道建筑限界宽度10.25m，其构成为：车道宽度为：，左侧侧向宽度为，右侧侧向宽度为，设置检修道，左侧检修道为0.75m，右侧检修道为0.75m，隧道建筑限界净宽为10.25m,建筑限界高度为5m。

隧道建筑界限如下：
图2-1隧道建筑限界图
2.2.2隧道衬砌内轮廓的设计
衬砌内轮廓、边墙的厚度以及拱顶、拱脚是事先根据净空和结构的要求，结合设计和使用的经验来确定的。

衬砌净高H=7.5m,净宽B=10.45m
图2-2隧道建筑内轮廓图
3、隧道衬砌结构内力分析与结构设计
3.1 概述
隧道洞身衬砌结构设计以新奥法原理为指导，采用复合式衬砌，以初期支护为主要承载结构和二次衬砌与之共同承载。

结构设计按照工程类比法，查阅有关规范，选择合适的参数进行设计，再选取具有代表性的截面进行稳定性验算，直至满足规范所规定的要求。

3.2 初期支护设计参数
该隧道为高等级公路隧道，主要为强风化泥岩和中风化灰岩，，围岩类别为Ⅴ级，节理裂隙由极发育到发育，隧道洞口均为强风化泥岩，围岩稳定性一般。

根据公路使用要求、隧道围岩地质条件和施工条件，按照《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）中“衬砌结构设计”规定，按新奥法原理设计，该公路隧道应采用复合式衬砌，即由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式。

根据隧道岩层性质及周围工程地质条件，由工程类比的方法，按照《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB500086-2001）规定，该隧道初期支护采用锚喷支护，设置钢筋网和钢架，具体设计参数如表3-1：
表3-1 V级围岩复合式衬砌支护设计参数表
3.3 Ⅴ级围岩段初期支护设计
3.3.1计算参数确定
取围岩条件最差的的Ⅴ级围岩段进行设计计算。

深埋和浅埋隧道的分界、施工方法等因素综合判定，可按规范的荷载等效值，并结合地质条件按荷载等效高度的判定式为：
（3-1）
式中：
在矿山法施工的条件下，Ⅳ类围岩取。

（3-2）
式中：
深浅埋隧道的分界深度；
—荷载等效高度，
垂直均布压力；
围岩重度
数据带入式3-2，得：
埋深大于，小于m，属浅埋段。

根据《公路隧道设计规范》（JTG－2004）中各级围岩物理力学指标标准值，考虑各种环境因素的影响，取
K—与岩质和锚杆间距有关，通常岩质好时可取1；岩质差时取小于1的系数，如，在此取
锚杆弹性模量与一根锚杆的面积；
围岩的初始位移；
锚杆间距，锚杆间距
锚固前洞壁位移值；
边墙内径。

3.3.2围岩压力计算
埋深大于，小于，属浅埋段。

从安全考虑，不计隧道段而只计洞顶以上部分的摩阻力，可按下式计算围岩压力：
3.4确定围岩塑性区加锚后的值
3.5 计算及值
对于软弱破碎岩体中的隧洞，可假设其为一均质岩体的圆形隧洞。

隧洞周边设有锚杆，无论是端头锚固型锚杆，还是全长粘结型锚杆，其都能通过承受拉力来限制围岩径向位移，改善围岩应力状态，并通过锚杆承受剪力，提高锚固区围岩的值，达到加固和稳定围岩的作用，如图4-1所示：
图3-1 锚杆产生的附加抗力计算简图
设计时采用点式锚杆可看成锚杆两端有集中力，假设集中力分布于锚固区锚杆内外两端两个同心圆上，如图所示：
由此在洞壁上产生的支护附加抗力，而在锚杆内边分布力为，其中：为锚杆内端半径，平衡方程及塑性方程为：
对于点锚式锚杆，可按锚杆与围岩的共同变形理论获得锚杆的轴力与内外移：
由于锚杆是集中荷载，其围岩变位实际上是不均匀的，在加锚杆的洞壁处位移量最小，如果锚杆设有托板，则锚端还会有局部承压变形，因此在计算锚杆拉力时应乘以一个小于1的安全系数，即：
(3-16)
其中，k与岩质和锚杆间距有关，岩质差时取则取k= 。

锚杆轴力与位移如图所示：
图3-2锚杆内力及位移分布
现在来求对于一般围岩可以认为锚杆与围岩具有共同的位移，而略去围岩与锚杆间的相对变形，显然，锚杆轴力沿全长是不均匀的，锚杆中存在一中性点，该点的剪应力为零，两端锚杆受有不同方向的剪力，中性点上锚杆拉应力即轴力最大，在锚杆两端为零。

考虑锚杆上任意一点的位移为：
（3-17）
3.6 锚杆的设计
为让锚杆充分发挥作用，应使锚杆应力尽量接近锚杆的抗拉强度，并有一定的安全系数，锚杆的长度要大于松动的半径，则设锚杆的长度，取锚杆的长度为有：
锚杆抗拉安全系数应在，满足要求。

3.7 喷层的计算与设计
喷层除作为结构要起到承载作用外，还要求向围岩提供足够的反力，以维持围岩的稳定性，为了验证围岩的稳定，需要计算最小的抗力以及围岩的稳定性安全系数，松动区内滑体的重力为：
（3-29）
则有满足要求。

3.8 验算喷层的厚度
作为喷层的强度校核，要求喷层内壁切向应力小于喷层混泥土抗压强度，按厚壁筒理论有：
经计算喷射混凝土厚度只需8.7cm就可满足要求，根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）所规定的初期支护最少喷射混凝土厚度及查阅相关书籍，确定初期支护喷射混凝土厚度25cm。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。