隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书2

隧道及地下工程“设计”类毕业设计指导书1 设计原则及有关技术指标1.1主要构件设计使用年限为100年。

根据承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，采取有效措施，保证结构强度、刚度，满足结构耐久性要求。

1.2 根据工程地质和水文地质条件，结合周围地面建筑物、地下构筑物状况，通过对技术、经济、环保及使用功能的综合比较，合理选择结构形式。

1.3结构设计应满足施工、运营、环境保护、防灾等要求。

1.4 结构的净空尺寸除应满足建筑限界要求外，尚应考虑施工误差、测量误差、结构变形和沉陷等因素。

1.5 断面形状和衬砌形式应根据工程地质及水文地质、埋深、施工方法等条件，从地层稳定、结构受力合理和环境保护等方面综合确定。

1.6隧道结构按结构“破损阶段”法，以材料极限强度进行设计。

1.7 施工引起的地层沉降应控制在环境条件允许的范围内。

1.8 隧道建设应尽量考虑减少施工中和建成后对环境造成的不利影响。

1.9设计中除参照本指导书外，尚应符合《铁路隧道设计规范》或《地铁设计规范》等相关国家现行的有关强制性标准的规定。

1.10隧道主体工程等级为一级、防水等级为二级，耐火等级为一级。

1.11隧道结构的抗震等级按二级考虑，按抗震烈度8度设防。

1.12 结构设计在满足强度、刚度和稳定性的基础上，应根据地下水水位和地下水腐蚀性等情况，满足防水和防腐蚀设计的要求。

当结构处于有腐蚀性地下水时应采取抗侵蚀措施，混凝土抗侵蚀系数不低于0.8。

1.13 在永久荷载基本荷载组合作用下，应按荷载效应标准组合并考虑长期作用影响进行结构构件裂缝验算。

二类环境混凝土构件的裂缝宽度(迎土面)应不大于0.2mm，一类环境(非迎土面及内部混凝土构件)混凝土构件的裂缝宽度均应不大于0.3mm。

当计及地震、人防或其它偶然荷载作用时，可不验算结构的裂缝宽度。

1.14 混凝土和钢筋混凝土结构中用混凝土的极限强度应按表1-1采用。

区间隧道衬砌采用钢筋混凝土时其混凝土强度不应低于C30。

表1-1 混凝土的极限强度(MPa)1.15 混凝土的弹性模量应按表1-2采用。

混凝土的剪切弹性模量可按表1-2数值乘以0.43采用。

混凝土的泊松比可采用0.2。

表1-2 混凝土的弹性模量E c(GPa)1.16 钢筋强度和弹性模量按表1-3采用。

表1-3 钢筋的强度和弹性模量1.17 喷射混凝土的强度等级不得小于C20。

C20喷射混凝土的极限强度可采用：轴心抗压15 MPa，弯曲抗压18 MPa，抗拉1.3 Mpa，弹性模量为22 Gpa。

喷射混凝土与地层的粘结力不低于0.5 Mpa。

(注：喷射混凝土的强度等级指采用喷射大板切割法，制作成边长为10cm的立方体试块，在标准条件下养护28天，用标准试验方法所得的极限抗压强度乘以0.95的系数；喷射混凝土与地层的粘结强度可采用预留试件拉拔法或钻芯法。

)表1-4 喷射混凝土的弹性模量(GPa)2 隧道结构构造设计2.1 隧道平面位置、洞口位置和纵断面（1）中小型隧道平面位置遵照线路选线，长大隧道遵照隧道自身工程地质选定，洞口位置选择遵循“早进晚出”、地质条件良好、地势开阔、施工方便，技术、经济合理之处。

（2）一般情况下隧道内的线路最好采用直线，但是，受到某些地形的限制，或是地质的原因，往往不得不采用曲线。

应尽可能采用较短的曲线，或是半径较大的曲线，使它的影响小一些。

隧道在曲线两端应设缓和曲线时，最好不使洞口恰恰落在缓和曲线上。

在一座隧道内最好不设一个以上的曲线。

尤其是不宜设置反向曲线或复合曲线。

（3）铁路隧道对于行车来说线路的坡度以平坡为最好。

但是，天然地形是起伏不定的，为了能适应天然地形的形状以减少工程数量，只好随着地形的变化设置与之相适应的线路坡度。

但依据地形设计坡度时，注意应不超过限制坡度。

上述隧道平面位置、洞口位置和纵断面设计不作为毕业设计必须内容，为使设计内容完整，可直接采用工程自身设计。

2.2 隧道结构设计(1)隧道的建筑限界根据已定的车辆类型、行车速度、施工方法及地质条件等按相关规范或暂行规定确定。

（2）矿山法区间隧道一般采用复合式衬砌，初期支护由型钢格栅、钢筋网与喷射混凝土组成，二次衬砌采用现浇钢筋混凝土结构。

初期支护与二次衬砌间铺设全包防水层。

根据地层情况可采用的辅助性地层加固措施有：管棚超前支护，注浆小导管超前支护，锁脚锚杆，加固注浆，回填注浆等。

(3)隧道支护设计参数按工程类比选定，衬砌结构设计参数按工程类比初选，并通过结构受力检算。

2.3 设计荷载2.3.1 隧道结构设计荷载类型及名称应按表2-1采用。

2.3.2 结构设计时应按结构可能出现的最不利工况组合进行计算。

决定荷载的数值时，应考虑施工和使用过程中发生的变化。

2.3.3 地层压力(1)地铁设计规范关于地层荷载的规定地铁规范第10.2.2条“地层压力应根据结构所处工程地质和水文地质条件、埋置深度、结构形式及其工作条件、施工方法及相邻隧道间距等因素，结合已有的试验、测试和研究资料，按有关公式计算或依工程类比确定。

”地铁设计规范条文说明中解释：地层压力是地下结构承受的主要荷载。

一般情况，石质隧道，可根据围岩分级，依工程类比确定围岩压力；填土隧道及浅埋暗挖隧道一般按计算截面以上全部土柱重量考虑；深埋暗挖隧道按泰沙基公式、普氏公式或其它经验公式计算。

(2)铁路隧道设计规范关于地层荷载的规定铁路隧道设计规范以统计隧道坍落拱高度为基础，埋深0h H ≤时用全土柱，埋深00)5.22(h H h ～≤<时用谢家休公式，埋深0)5.22h H ～（>时用0h γ，不同深度土压力计算结果如图2-1。

10.452S q h ϖ-=⨯⨯ (2-1)式中 h q ——等效荷载高度值；S ——围岩级别，如Ⅲ级围岩S =3； γ——围岩的容重；w ——宽度影响系数，w ＝()51-+B i ；B ——坑道宽度，以m 计；i ——B 每增加1m 时，围岩压力的增减率(以B ＝5m 为基准)，当B ＜5m 时取i =0.2，B ＞5m 时，取i ＝0.1。

(3)北京地铁结构设计计算指南关于地层荷载的建议⎪⎩⎪⎨⎧≥--+≤<--+≤=1211311213)1)(()1)((D h K D K K D D h D K h K K h D h h v γγγσ (2-2)式中，γ——为围岩容重；埋.5h图2-1h ——隧道上覆土层厚度；D ——断面宽度；ϕ——围岩内摩擦角；c ——围岩内聚力；t H ——断面高度；D 1——竖向土压力保持不变的起始深度，1312121K K K K D --=。

其中，1212)245(tan tan a K ϕϕ-︒=；γϕϕ12)]245tan(tan 21[a c K -︒-=； )245tan(21ϕ-︒+=t H D a ;D K D K K D K K 212131--+=；。

竖向荷载与隧道埋深的关系如图2-2所示曲线。

（4）极浅埋隧道地层侧向压力)245()21(2φγσ-︒+=tg H e t v (2-3)式中，v σ——洞顶地层的垂直压力；φ——隧道高度内各地层内摩擦角的层厚加权平均值；其它符号同前。

（5）浅埋隧道地层侧向压力()[]θϕθϕββϕβλtg tg tg tg tg tg tg tg 0001+-+-=(2-4)若水平压力按梯形分布，则作用在隧道顶部和底部的水平压力可直接写为⎭⎬⎫==λγλγH e H e 21 (2-5)D 埋深hD 1图2-2 地层竖向压力计算图式)2K式中，λ为侧压力系数，可由式(2-4)求得。

若为均布时，则()2121e e e +=(2-6) （6）深埋隧道地层侧向压力在上述产生垂直压力的同时，隧道也会有侧向压力出现，即围岩水平分布松动压力e ，按表2-2中的经验公式计算(一般取平均值)。

2.3.4 浅埋隧道地面荷载在道路下方的地下结构，地面车辆及施工荷载可按20kPa 的均布荷载取值，并不计冲击压力的影响。

覆土埋深小于1.0m 时按实际情况考虑公路车辆或施工机械荷载，并考虑冲击压力的影响。

2.3.5地层被动压力隧道结构地层被动土压力为其向地层方向产生的位移与地层弹性抗力系数的乘积，即：δσk p = (2-7)式中，k ——地层的弹性抗力系数(Pa/m)，可用相关规范值或地质勘察部门提供的基床系数代替。

2.3.6地震荷载在衬砌结构横截面的抗震设计和抗震稳定性检算中采用地震系数法(惯性力法)，即静力法；验算衬砌结构沿纵向方向的应力和变形则用地层位移法，即拟静力法。

等代的静地震荷载包括：结构本身和洞顶上方土柱的水平、垂直惯性力以及主动土压力增量。

由于地震垂直加速度峰值一般为水平加速度的1/2~2/3，而且也缺乏足够的地震记录，因此对震级较小和对垂直地震振动不敏感的结构，可不考虑垂直地震荷载的作用。

只有在验算结构的抗浮能力时才计及垂直惯性力。

水平地震荷载可分为垂直和沿着隧道纵轴两个方向进行计算。

（1） 隧道横截面上的结构的水平惯性力作用在构件或结构重心处的地震惯性力一般可表示为：Q K Q gF C ==τ(2-8)式中，τ——作用于结构的地震加速度；g ——重力加速度；Q ——构件或结构的重量；K c ——与地震加速度有关的地震系数。

对于隧道结构，我们可以将其具体化并简化如下： (a)马蹄形曲墙式衬砌，见图2-3，其匀布的水平惯性力为：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫==f g m K F H g m K F hc hc 221111ηη (2-9) 式中，c η——综合影响系数，与工程重要性、隧道埋深、地层特性等有关，规范中建议，对于岩石地基，c η=0.2，非岩石地基，c η=0.25；h K ——水平地震系数，7度地区，h K =0.1；8度地区，h K =0.2；9度地区，h K =0.4；m 1 ——拱墙部分衬砌质量； H ——拱墙部分衬砌的高度； m 2 ——仰拱质量； f ——仰拱的矢高。

(b)圆形衬砌，见图2-4，其匀布的水平惯性力为：DmgK F hc η=1 (2-10) 式中，m ——衬砌质量；D ——衬砌外直径。

图2-3 马蹄形衬砌的地震荷载图式2222e ∆21221F 图2-4 圆形衬砌的地震荷载图式2222(c)矩形衬砌，见图2-5，其水平惯性力分三部分：⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫===g m K F h g m K F g m K F b h c W h c t h c ηηη312111 (2-11)式中，11F 、31F ——顶、底的水平惯性力，作为集中力考虑，作用在顶、底板的轴线处；21F——边墙的水平惯性力，按作用在边墙上的匀布力考虑；m t 、m b ——顶和底板质量； m w ——边、中墙质量； h ——边墙净高。