隧道工程课程设计轮廓优化断面设计
隧道隧道断面形状优化
隧道隧道断面形状优化1. 引言隧道是一种人工开凿或挖掘的通道，通常用于连接两个不同地点的交通和运输。
隧道的设计和建造对交通运输的效率、安全性和可持续发展具有重要影响。
而隧道的断面形状则是设计中的一个关键因素，它直接影响着隧道的通行能力、风险和经济性。
在隧道设计中，断面形状的优化是指通过科学的方法选取最佳的断面形状，以达到满足交通需求、减少施工成本、提高通行安全性和降低对环境的影响等目标。
本文将介绍隧道断面形状优化的意义、方法和实践经验，并分析隧道断面形状优化在隧道设计中的应用。
2. 隧道断面形状优化的意义隧道断面形状优化的意义在于最大限度地提高隧道的性能和可持续发展性。
具体包括以下几个方面：2.1 提高通行能力隧道断面形状的优化可以提高隧道的通行能力，即车辆通过能力。
通过合理设计和布置车道、交叉口、辅助设施等，可以提高车辆的通过效率和道路的通行能力，从而缓解交通拥堵和提高道路运输效率。
2.2 降低施工成本隧道的施工成本通常与其断面形状密切相关。
通过优化隧道断面形状，可以降低隧道开挖和支护的难度和成本。
合理选择断面形状，可以减少挖掘量和支护材料的使用，降低施工难度和成本，提高施工效率。
2.3 提高通行安全性隧道断面形状的优化还可以提高隧道的通行安全性。
合理的断面形状可以增加隧道的通行视野，减少盲区和事故隐患。
同时，通过设计合理的应急通道、疏散通道和安全设施等，可以提高隧道的应急救援能力和通行安全性。
2.4 降低对环境的影响隧道的建设和运营对周边环境有一定的影响。
隧道断面形状的优化可以降低对环境的影响。
通过合理的地质勘察和断面设计，可以减少土石方开挖量、减少水土流失和挡土墙的建设，从而降低对周边环境的破坏和影响。
3. 隧道断面形状优化的方法隧道断面形状优化的方法主要包括以下几个方面：3.1 案例分析和经验总结通过分析已建成的隧道案例和总结经验，可以得出一些关于隧道断面形状的优化原则和方法。
例如，椭圆形断面可以提高通行安全性和通行能力，扁平椭圆形断面可以降低施工成本和对环境的影响等。
隧道工程课程设计(包含内力图和衬砌及内轮廓设计图)
目录题目：隧道工程课程设计.............................................................................................................. - 3 -一、设计依据.................................................................................................................................. - 3 -二、设计资料.................................................................................................................................. - 3 -三、隧道方案比选说明.................................................................................................................. - 3 -1.平面位置的确定................................................................................................................... - 3 -2.纵断面设计........................................................................................................................... - 4 -3.横断面设计........................................................................................................................... - 4 -四、二次衬砌结构计算.................................................................................................................. - 4 -1.基本参数............................................................................................................................... - 4 -2.荷载确定............................................................................................................................... - 4 -3.计算衬砌几何要素............................................................................................................... - 5 -4.载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移................................................................... - 7 -5.外荷载在基本结构中产生的内力....................................................................................... - 8 -6.主动荷载位移..................................................................................................................... - 10 -7.载位移—单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移..................................................... - 11 -四、墙底（弹性地基梁上的刚性梁）位移................................................................................ - 14 -五、解力法方程............................................................................................................................ - 15 -六、计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力................................................................ - 16 -七、最大抗力值的求解................................................................................................................ - 17 -八、计算衬砌总内力.................................................................................................................... - 18 -1.相对转角的校核................................................................................................................. - 19 -2.相对水平位移的校核按下式计算..................................................................................... - 19 -九、衬砌截面强度检算................................................................................................................ - 20 -1.拱顶..................................................................................................................................... - 20 -2.墙底偏心检查..................................................................................................................... - 20 -十、内力图.................................................................................................................................... - 21 --21-- 1 -- 2 -隧道工程课程设计一、设计依据本设计根据《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）,《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）进行设计和计算。
盾构隧道断面设计及优化分析
盾构隧道断面设计及优化分析隧道工程作为现代城市基础设施建设的重要组成部分，广泛应用于地铁、交通、水电、矿山以及城市发展等领域。
盾构隧道作为一种常见的隧道建设技术，具有施工速度快、风险低、环境影响小等优点。
而盾构隧道的断面设计及优化分析，是确保工程质量与安全的重要环节。
1. 盾构隧道断面设计的基本原则在进行盾构隧道断面设计时，需考虑以下几个基本原则：（1）合理利用地下空间：隧道断面设计应尽可能满足工程实际需求，合理利用地下空间资源，确保通行能力与安全性。
（2）满足施工要求：隧道断面设计应考虑盾构机的施工要求，如机器尺寸、转运通道、照明设备等，以确保施工的顺利进行。
（3）充分考虑地质条件：隧道断面设计需结合地质条件进行优化，如软土地区采用较大断面；岩石地层采用适宜的支护措施等。
（4）应急通道设置：隧道断面应考虑设置应急通道，以保证遇到突发情况时的疏散和救援能力。
（5）考虑未来扩建可能性：根据城市规划和未来交通发展需求，隧道断面设计时应考虑未来扩展和改造的可能性，避免单纯追求短期利益。
2. 盾构隧道断面设计的关键参数（1）净宽：根据交通工具的通行需求、人员疏散需求，结合交通流量预测等因素，确定隧道断面的净宽。
（2）净高：根据交通工具的高度、通风需求、供电线路等因素，确定隧道断面的净高。
（3）基础设计：根据地质条件、土壤承载力等因素，确定隧道断面的基础设计，包括基础底板厚度、侧壁支护措施等要素。
（4）辅助设施：根据施工要求和功能需求，确定隧道断面的辅助设施，如排水系统、照明设备、通风系统等。
（5）应急通道：根据安全要求和应急情况考虑，确定隧道断面的应急通道设置方案。
3. 盾构隧道断面设计的优化分析（1）多因素综合考虑：在进行盾构隧道断面设计时，要考虑多个因素的影响，如地质条件、交通需求、施工要求等，进行多因素综合考虑，提出合理的断面设计方案。
（2）模拟分析与计算：利用计算机辅助设计软件，进行盾构隧道断面的模拟分析与计算，考虑不同断面方案下的沉降、变形、稳定性等问题，选择最优方案。
段隧道课程设计
段隧道课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解并掌握隧道工程的基本概念，包括隧道的定义、分类及组成。
2. 学生能描述隧道施工过程中的关键技术，如隧道开挖、支护和衬砌。
3. 学生了解隧道工程中的质量控制、安全监测及环境保护措施。
技能目标：1. 学生能够运用所学知识，分析隧道工程中可能出现的问题，并提出合理的解决方案。
2. 学生通过小组合作，设计简单的隧道工程模型，提高动手实践能力和团队协作能力。
3. 学生能够运用专业术语，准确表达隧道工程相关知识，提高沟通能力。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对隧道工程及基础设施建设事业的热爱和责任感。
2. 学生了解隧道工程在国家经济发展和社会进步中的重要作用，增强民族自豪感。
3. 学生通过学习隧道工程，认识到科学技术在工程建设中的价值，培养创新精神和探索意识。
课程性质：本课程为工程技术类课程，以理论教学和实践操作相结合的方式进行。
学生特点：五年级学生，具备一定的认知能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇心。
教学要求：结合学生特点，采用直观、生动的教学手段，注重培养学生的实践能力和创新意识。
在教学过程中，将课程目标分解为具体的学习成果，以便进行有效的教学设计和评估。
二、教学内容1. 隧道工程基本概念：包括隧道的定义、分类、功能及在交通、水利等领域的应用。
教材章节：第一章 隧道工程概述2. 隧道工程组成与施工技术：学习隧道主体结构、辅助结构及其施工方法，如钻爆法、盾构法等。
教材章节：第二章 隧道施工技术3. 隧道支护与衬砌：探讨隧道施工中的临时支护和永久衬砌技术，了解其作用和施工要点。
教材章节：第三章 隧道支护与衬砌4. 隧道工程案例分析：分析典型隧道工程案例，了解隧道工程中的关键技术、质量控制、安全监测等方面。
教材章节：第四章 隧道工程案例5. 隧道工程模型设计与制作：分组进行隧道工程模型设计与制作，培养学生的动手实践能力和团队协作精神。
教材章节：第五章 隧道工程实践教学内容安排和进度：第一周：隧道工程基本概念第二周：隧道工程组成与施工技术第三周：隧道支护与衬砌第四周：隧道工程案例分析第五周：隧道工程模型设计与制作（含展示与评价）教学内容确保科学性和系统性，结合教材章节，有助于学生全面掌握隧道工程相关知识。
隧道工程课程设计轮廓优化断面设计
隧道⼯程课程设计轮廓优化断⾯设计实例⼀2.2 隧道横断⾯优化设计2.2.1概述公路隧道横断⾯设计，除满⾜隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路⾯、排⽔、检修道、通风、照明，消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施⼯⽅法确定出安全、经济、合理的断⾯形式和尺⼨。
10多年来，我国公路隧道建设规模扩⼤，各地在设计隧道横断⾯时标准不统⼀，隧道轮廓有采⽤单⼼圆的，有三⼼圆的，既有尖拱⼜有坦拱，曲率不⼀。
甚⾄，同⼀公路上出现⼏种内轮廓的断⾯，这既影响洞内设施的布置，⼜不利于施⼯时衬砌模版的制作。
⽽在国外和我国的铁路隧道中，已推动了断⾯的标准化。
经过多年的⼯程实践和内⼒分析，我们认为，应该采⽤拱部为单⼼圆，侧墙为⼤半径圆弧，仰拱与侧墙间⽤⼩半径圆弧连接。
对于同⼀隧道，应该采⽤相同的内轮廓形式。
根据隧道断⾯应具有适应应⼒流和变形的合理形状，同时要适应围岩条件、净空要求。
本隧道的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，按规范要求，需要设置仰拱，同时要求设计为两车道，所以采⽤三⼼圆断⾯设计。
2.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素这⾥所指的隧道横断⾯是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的⼤⼩和形状。
公路隧道不仅要提供汽车⾏使的空间，还要满⾜舒适⾏使、交通安全、防灾等服务的空间。
因此，隧道的断⾯不仅要满⾜要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排⽔、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。
所考虑的因素有[3]：1. 须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵⼊限界以内，应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量；2.施⼯⽅法，确定断⾯形式及尺⼨有利于隧道的稳定；3. 从经济观点出发，内轮廓线应尽量减⼩洞室的体积，即使⼟⽯开挖量和圬⼯量最省；4. 尽量平顺圆滑，以使结构受⼒及围岩稳定均处于有利条件；5. 结构的轴线应尽可能地符合荷载作⽤下所决定的压⼒线。
3隧道线路及断面设计
沟谷附近洞口平面位置示意图
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(2)洞口应避开不良地质地段。 (3)当隧道线路通过岩壁陡立．基岩裸露处时，最好不刷 动或少刷动原生地表，以保持山体的天然平衡。
缓坡洞口纵断面示意图
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(4)减少洞口路堑段长度，延长隧道，提前进洞。对处于漫 坡地形的隧道，其洞口位置变动范围较大，一般应采取延 长隧道的办法，以解决路堑弃土及排水的困难。
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1、选择洞口位置的原则：
(1)洞口不宜设在坯口沟谷的中心 或沟底低洼处，在一般情况下， 垭口沟谷在地质构造上是最薄弱 的环节，常会遇到断层带、古坍 方、冲积土等不良地质。此外， 地表流水都汇集在沟底，再加上 洞口路堑开挖，破坏了山体原有 的平衡，更容易引起坍方，甚至 不能进洞。所以，洞口最好选在 沟谷一侧。
11
2）平面障碍
• 沿河傍山绕行方案 — 沿着山体自然弯曲傍山绕行，
如果地形条件尚能允许，则可采用。在不得已时， 只得大劈坡，或高层填土，上设御土墙，下设护坡 护岸，有时还须跨谷建桥，有时为防滚石坠落，还 需设置防护明洞
• 隧道直穿方案 — 如果在平面障碍的前方，开凿隧
道，穿山而过，虽然初期工程略大一些，但线路顺 直平缓，工程单一，可不设急弯，没有陡坡，路线 行程缩短，运营条件改善，而且不受山坡坍方落石 的威胁如下图所示。从长远的利益来看，隧道方案 往往是比较合理的。
• 溶洞地区
碳酸盐类岩石(如灰岩、白云岩)、可溶类岩石在水力和水的化 学作用下 溶蚀而形成各种岩溶现象，溶洞就是其中之一。溶 洞可分为无水或有水，无填充或有填充溶洞。选择隧道位置时， 应尽可能避开。如无法避开时，应探明溶洞的规模、性质和与 隧道的位置关系，应选择在较狭窄地段，以垂直或大角度穿过， 使通过岩溶地段为最短。
2019隧道工程课程设计轮廓优化断面设计.doc
2019隧道工程课程设计轮廓优化断面设计1 实例一2.2 隧道横断面优化设计2.2.1概述公路隧道横断面设计，除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路面、排水、检修道、通风、照明，消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施工方法确定出安全、经济、合理的断面形式和尺寸。
10多年来，我国公路隧道建设规模扩大，各地在设计隧道横断面时标准不统一，隧道轮廓有采用单心圆的，有三心圆的，既有尖拱又有坦拱，曲率不一。
甚至，同一公路上出现几种内轮廓的断面，这既影响洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模版的制作。
而在国外和我国的铁路隧道中，已推动了断面的标准化。
经过多年的工程实践和内力分析，我们认为，应该采用拱部为单心圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。
对于同一隧道，应该采用相同的内轮廓形式。
根据隧道断面应具有适应应力流和变形的合理形状，同时要适应围岩条件、净空要求。
本隧道的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，按规范要求，需要设置仰拱，同时要求设计为两车道，所以采用三心圆断面设计。
2.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素这里所指的隧道横断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的大小和形状。
公路隧道不仅要提供汽车行使的空间，还要满足舒适行使、交通安全、防灾等服务的空间。
因此，隧道的断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。
所考虑的因素有[3]：1. 须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵入限界以内，应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量；2.施工方法，确定断面形式及尺寸有利于隧道的稳定；3. 从经济观点出发，内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量和圬工量最省；4. 尽量平顺圆滑，以使结构受力及围岩稳定均处于有利条件；5. 结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下所决定的压力线。
《隧道断面设计》课件
隧道排水系统设计
排水沟设计
设置排水沟，将隧道内的水引至 集水井，再通过水泵排出洞外。
排水方式
根据隧道长度、地形、地质等因 素选择合适的排水方式，如集中
排水、分散排水等。
防水层设计
在隧道衬砌内侧设置防水层，防 止渗水对隧道结构造成影响。
隧道支护结构设计
支护方式
根据围岩条件、施工方法等因素 选择合适的支护方式，如锚杆支 护、喷射混凝土支护等。
采取额外的加固措施。
椭圆形隧道
03
椭圆形隧道结合了圆形和矩形隧道的优点，具有较好的结构稳
定性和施工便利性。
隧道断面的尺寸
净空尺寸
根据设计速度和车辆限界确定，包括车道宽度、 侧向宽度和净高。
衬砌厚度
根据隧道围岩类别、荷载情况和防水要求等因素 确定。
排水设施
设计合理的排水系统，确保隧道内不积水，提高 行车安全性。
环保性原则
隧道断面设计应注重环境保护，尽可能减少对周边生态环 境的破坏和污染，采取有效的环保措施和技术手段，实现 绿色设计和可持续发展。
PART 02
隧道断面的几何设计
隧道断面的形状
圆形隧道
01
圆形隧道具有较高的结构稳定性，能够承受较大的侧压力，但
施工难度较大，成本较高。
矩形隧道
02
矩形隧道结构简单，施工方便，但结构稳定性相对较差，需要
隧道断面设计对运营费用的影响
隧道断面设计应充分考虑运营通风、照明、排水等需求，以降低运营费用。
隧道断面设计的施工性分析
施工难度与隧道断面的关系
隧道断面设计应考虑施工难度，尽量减小断面尺寸，提高施工效率。
施工方法与隧道断面的关系
隧道断面设计应结合施工方法，如盾构法、矿山法等，以提高施工安全性。
盾构隧道断面设计及优化
盾构隧道断面设计及优化盾构隧道断面设计及优化是隧道工程中的关键环节，它直接影响到隧道的安全性、稳定性和施工效率。
本文将从盾构隧道断面设计的基本原则、断面形状的选择和优化方案等方面进行详细说明。
一、盾构隧道断面设计的基本原则：1. 安全性原则：断面设计应保证隧道在各种荷载作用下的安全性，满足相关的安全标准和规范要求。
2. 稳定性原则：断面设计应使隧道具有足够的稳定性，能够承受地质条件变化和地下水渗透等不利因素的影响。
3. 施工性原则：断面设计应考虑到盾构机的施工要求，便于施工作业的顺利进行。
二、盾构隧道断面形状的选择：1. 地质条件：根据隧道所处地质条件的不同，可以选择圆形、马蹄形、椭圆形、矩形等不同形状的断面。
对于稳定性要求较高的地质条件，通常选择圆形或马蹄形断面。
2. 施工方法：根据盾构机的类型和施工方法的不同，可以选择不同形状的断面。
例如，对于顶管盾构机施工，通常选择圆形断面；对于盾构螺旋循环法施工，可以选择椭圆形断面。
三、盾构隧道断面优化方案：1. 强度优化：通过合理的断面形状和钢筋布置等措施，优化隧道的强度，提高其承载能力和抗震性能。
2. 宽度优化：根据隧道的使用要求和地质条件等因素，优化隧道的宽度，使其能够满足交通运输或其他功能的需要。
3. 渗流优化：通过合理的断面形状和防水措施等手段，优化隧道的渗流条件，降低地下水渗透的风险。
4. 施工优化：在断面设计中考虑盾构机的施工要求，优化隧道的施工性能，提高施工效率和质量。
综上所述，盾构隧道断面设计及优化是一个复杂的过程，需要综合考虑地质条件、施工要求和功能需求等因素。
通过合理选择断面形状和优化设计方案，可以提高隧道的安全性、稳定性和施工效率。
因此，在进行盾构隧道工程时，合理的断面设计和优化是至关重要的。
隧道工程课程设计1
目录第一章课程设计任务书--------------------------------------------------1 第二章拟定隧道的断面尺寸--------------------------------------------3 第一节隧道的建筑限界-----------------------------------------------3 第二节隧道的衬砌断面-----------------------------------------------4 第三章隧道的衬砌结构计算--------------------------------------------5 第一节基本资料--------------------------------------------------------5 第二节荷载确定--------------------------------------------------------5 第三节衬砌几何要素--------------------------------------------------5 第四节计算位移--------------------------------------------------------9 第五节解力法方程----------------------------------------------------16 第六节计算主动荷载和被动荷载分别产生的衬砌内力-------17 第七节最大抗力值的求解-------------------------------------------18 第八节计算衬砌总内力----------------------------------------------18 第九节衬砌截面强度验算-------------------------------------------19 第十节内力图----------------------------------------------------------20第一章课程设计任务书一、目的和要求1、课程设计是《隧道工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握隧道设计计算原理和计算方法的重要内容，为进一步的毕业论文和设计打下基础。
《隧道工程》课件第3讲 隧道线路及断面设计
地质构造和岩石应力状况对线路选择
纵向和横向渐变
4
有重要影响。
通过设计横向和纵向的渐变，保证隧 道的安全和舒适性。
隧道断面设计
断面形式
在考虑隧道使用功能的前提下，确定合适的 断面形式。
基础设计
考虑隧道的支护和基础，确定合理的断面尺 寸和形式。
断面尺寸
根据车辆通行、施工条件等要素，确定合理 的断面尺寸。
智能照明系统的应用
智能照明系统的应用可以最大 程度地利用隧道自然光线，提 高节能效果。
智能通风系统的应用
智能通风系统的应用可以根据 实时数据调节隧道内部环境， 保证车辆和乘客的舒适性。
隧道安全管理
安全管理制度
建立健全的安全管理制度， 规范隧道施工、运行和维 护活动。
应急预案
制定并及时更新隧道应急 预案，确保在突发事件中 快速有效地响应和处置。
平替段的设计可以减小渗漏和水压。
3 隧道进口出口的曲线设计
曲线半径的选择对于增加进口进出口的灵活性和保证通行安全有重要影响。
隧道平面布置
设计原则
充分考虑交通安全、造价、 舒适性等因素，优化平面布 置。
节点设计
合理设置节点可以优化路线， 减少盘山隧道的数量。
交叉口设计
考虑人流、车流量，设计合 理交叉口，保证交通畅通。
隧道施工困难
1
基础难度大
受到地质条件的影响，隧道基础的施工往往比其他地面施工更为困难。
2
开挖难度大
隧道的开挖不仅需要克服地质因素的阻碍，还受到隧道尺寸、施工技术等多种因 素的影响。
3
支护难度大
隧道的支护工作存在诸多技术难度，需要采用合理且有效的技术手段。
隧道自动化
隧道线路及断面设计PPT课件
连拱隧道
17
京承高速公路塔沟双连拱隧道
18
连拱隧道、小净距隧道
• 连拱隧道： • 接线困难时出现的一种特殊结构形式。特点
是：双洞间岩柱被砼取代，形成双洞拱墙相连 的结构型式，一般小于500m。 • 小净距隧道： • 是指隧道间的中间岩柱厚度小于表1建议值 的特殊隧道布置形式。
19
隧道结构型式比较表
33
2）褶曲构造
• 褶曲构造包括背斜和向斜。 • 背斜的岩层受弯而在上面出现开裂。 • 向斜地层受弯而在下面开裂，切割岩体
成为上小下大的楔块，这种楔块在重力作用 下，极易脱离母岩而坠落，于是给结构物以 较大的荷载，而且在施工时，极易发生掉块 或坍方，此外，地下水积聚凹底，也将增加 施工的困难。 • 所以，隧道穿过褶曲构造时，选在背斜 中要比在向斜中有利。如果恰在褶曲的两翼， 将受到偏侧压力，结构需加强。
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结构面倾向与隧道的关系
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• 1）单斜构造
• 水平或缓倾角岩层 • 当隧道通过坚硬的厚层岩层时，较为稳定。若
通过很薄的岩层，则施工时顶部易产生掉块现象， 此时，以不透水的坚硬岩层作顶板为最好。 • 陡倾角岩层 • 陡倾角岩层一般有偏压和不均匀压力存在，必 须事先把岩层的构造和倾角大小调查清楚，一定 要尽可能避开软弱结构面。特别是不要把隧道中 线设计成与软弱结构面的走向一致或平行，至少 要成一定的交角。
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2、不良地质的影响 • a、滑坡地区 • 在山区修建铁路隧道时，经常遇到滑坡，
它给施工，运营可能造成极大危害，因此， 当隧道线路必须通过滑坡地段时，应慎重 对待。采用隧道避开滑坡时，应使隧道洞 身埋藏在滑床(可能的滑动面)以下一定厚 度的稳固地层中，以确保施工及运营过程 中滑坡滑动时不致影响隧道安全。
公路隧道断面课程设计
公路隧道断面课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够掌握公路隧道断面的基本构成和分类。
2. 学生能够理解隧道断面设计的主要参数及其影响。
3. 学生能够了解隧道断面设计中的安全标准和施工技术要求。
技能目标：1. 学生能够运用基本几何知识进行隧道断面的初步设计。
2. 学生能够运用比例尺、计算工具等辅助手段，进行隧道断面图纸的绘制。
3. 学生能够通过实例分析，评价隧道断面设计方案的合理性。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对隧道工程及基础设施建设重要性的认识，激发对工程技术的兴趣。
2. 培养学生团队协作、解决问题的能力，增强合作意识。
3. 引导学生关注隧道工程对环境和社会的影响，树立安全、环保、可持续发展的工程观念。
课程性质：本课程为实践性较强的工程技术课程，结合理论知识和实际操作，培养学生的工程素养。
学生特点：高年级学生，具备一定的几何知识和工程概念，具备一定的自主学习能力和动手操作能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力，使学生在实践中掌握知识，培养技能，树立正确的价值观。
通过具体学习成果的分解，为教学设计和评估提供明确依据。
二、教学内容1. 隧道断面基本概念：介绍隧道断面的定义、功能及其在隧道工程中的重要性。
- 教材章节：第二章第三节“公路隧道结构设计基本概念”2. 隧道断面分类与构成：讲解隧道断面的常见分类及各类断面的构成要素。
- 教材章节：第二章第四节“公路隧道结构类型及特点”3. 隧道断面设计参数：学习隧道断面设计中的主要参数，如隧道净空、车道宽度、侧墙高度等。
- 教材章节：第三章第一节“隧道横断面设计参数”4. 隧道断面设计方法：探讨隧道断面设计的基本方法和步骤，包括几何设计、力学分析等。
- 教材章节：第三章第二节“隧道横断面设计方法”5. 隧道断面施工技术要求：阐述隧道断面施工中的技术要求及注意事项。
- 教材章节：第四章第三节“隧道施工技术要求”6. 隧道断面实例分析：分析典型隧道断面设计案例，评价其优缺点，并提出改进措施。
隧道工程课程设计-公路隧道结构设计与计算
学校隧道工程课程设计课程名称：隧道工程课程设计设计题目：公路隧道结构设计与计算专业层次：城市地下空间工程班级：姓名：学号：指导老师：×年×月目录1. 设计说明 (3)1.1 设计题目 (3)1.2 设计内容总览 (3)1.2.1 计算书部分 (3)1.2.2 图纸部分 (3)2. 隧道断面尺寸 (3)2.1 隧道建筑限界 (3)2.2 隧道的衬砌断面 (4)3. 隧道衬砌结构计算 (5)3.1 基本资料 (5)3.2 荷载确定 (5)3.2.1 围岩竖向均布压力 (5)3.2.2 围岩水平均布压力 (5)3.3 衬砌几何要素 (6)3.3.1.衬砌几何尺寸 (6)3.3.2 半拱线长度S及分段轴长△S (6)3.3.3 各分块接缝中心几何要素 (6)3.4 位移计算 (8)3.4.1 单位位移 (8)3.4.2 载位移—主动荷载在基本结构中引起的位移 (9)3.4.3 载位移—单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 (13)3.4.4 墙底（弹性地基上的刚性梁）位移 (16)4. 解力法方程 (16)5. 计算主动荷载和被动荷载（σh=1）分别产生的衬砌内力 (17)6. 最大抗力值的求解 (18)7. 计算衬砌总内力 (19)8. 衬砌截面强度验算 (20)9. 内力图 (20)10. 隧道施工方案 (21)10.1 施工方法介绍 (21)10.2 施工方案及施工工艺流程 (22)10.2.1 施工工艺流程 (22)10.2.2 施工方案 (23)10.3 台阶法法注意事项 (23)1. 设计说明1.1 设计题目某一级公路隧道（双向四车道、隧道长700m）通过IV类围岩，埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ=26 kN/m3，计算摩擦角ф=35°，变形模量E=10GPa，采用矿山法施工。
要求按高速公路设计速度80km/h。
(衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重γh=22 kN/m3，变形模量Eh=25GPa)1.2 设计内容总览1.2.1 计算书部分（1）确定公路建筑界限；（2）根据公路等级及围岩类别用工程类比法确定支护方法及衬砌材料；（3）拟定隧道结构的截面尺寸(包括轮廓线半径及厚度等)；（4）隧道围岩压力计算（包括竖向压力及水平压力）；（5）隧道结构内力计算，并画出弯矩图和轴力图。
隧道工程隧道线路及断面设计2
式中 H——车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取
360cm；
E——外侧线路的外轨超高值(cm)；
R——同前。
W3
8450 R
360 150
E 2
(cm)
或
W3
8450 R
1.2E
(cm)
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第三章 隧道线路及断面设计 ➢ 其它情况时
W3
8450 R
(cm)
式中 H——车辆外侧顶角距内轨顶面的高度，取 360cm；
第三章 隧道线路及断面设计
➢ 隧道总加宽值为
W
W1 W2
4050 2.7E 4400
R
R
(cm)
或
W 8450 2.7E (cm)
R
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第三章
隧道线路及断面设计
直线隧道中心线 曲线隧道中心线
加宽后隧道内轮廓线 直线隧道内轮廓线
W内
d W外
第20页/共62页
第三章 隧道线路及断面设计
425 0 4000
1500 2440
400
0
4250 3000
3000
1210 1100 1875 2250
轨面
4000 8500
2250
隧道建筑限界
基本建筑限界
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第三章 隧道线路及断面设计 4.直线隧道净空
“直线隧道净空”要比“隧道建筑限界”稍大 一些，除了满足限界要求外，考虑避让等安全 空间、救援通道及技术作业空间，还考虑了在 不同的围岩压力作用下，衬砌结构的合理受力 形状 。
d内1 l 2 8R
式中 l——车辆转向架中心距，取18m； R——曲线半径（m）。
隧道工程课程设计过程(单心圆)
目录一：隧道断面拟定-------------------------------------- - 4 -二：荷载确定 ................................................................................ - 4 -三、衬砌几何要素 ........................................................................ - 5 -四、计算位移 ................................................................................ - 7 -五、解力法方程 .......................................................................... - 16 -σ=）分别产生的六、计算主动荷载和被动荷载（1h衬砌内力 ...................................................................................... - 17 -七、最大抗力值的求解.............................................................. - 18 -八、计算衬砌总内力.................................................................. - 19 -九、衬砌截面强度检算.............................................................. - 20 -十、内力图 .................................................................................. - 21 - 十一、截面轴力验算.................................................................. - 22 -一：隧道断面拟定已知条件：车速：80km/h；围岩等级：IV类；隧道埋深H=160m; 根据公路等级设定建筑限界隧道内轮廓采用标准断面，如下图所示：横向人行通道设计内轮廓图如下：图3.3 隧道v=80km/h 时内轮廓标准断面（单位：mm)200176AB CDR 5431R 793R 793R 1001.5%A=17 42'08"B=12 49'51"C=14 36'29"D=59 28'01"R 1500160,2O 1O 2O 2O 3衬砌中心线行车道中线12,5图3.4 人行横向通道内轮廓图（单位：cm)22010250505035010二：荷载确定1、浅埋和深埋隧道的确定 H>Hq=2.5hq=15.29m 所以该隧道为深埋隧道2、根据围岩压力计算公式：60.452σγω-=⨯s z（4.1）计算围岩竖向均布压力：60.452γω-=⨯s q （4.2）式中：s ——围岩类别，此处s=3；γ——围岩容重，此处γ=21.5KN/m3；ω——跨度影响系数m 1(5)ω=+-i l毛洞跨度m l =10.86+2⨯0.5+2⨯0.065=11.99m其中0.065m 为一侧平均超挖量m l =11.99>5m ，i =0.1，此处ω=1+0.1（11.99-5）=1.699。
隧道工程课程设计1
1初始条件某高速公路隧道通过III 类围岩(即IV 级围岩)，埋深H=30m ，隧道围岩天然容重γ=23 KN/m3，计算摩擦角ф=35o ,变形模量E=6GPa,采用矿山法施工；衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重322/h KN m γ=，变形模量25h E GPa =。
2隧道洞身设计2.1隧道建筑界限及内轮廓图的确定该隧道横断面是根据两车道高速公路IV 级围岩来设计的，根据《公路隧道设计规范》确定隧道的建筑限界如下：W —行车道宽度；取3.75×2mC —余宽；因设置检修道，故余宽取为0m J —检修道宽度；双侧设置，取为1.0×2mH —建筑限界高度；取为5.0m2L L —左侧向宽度；取为1.0mR L —右侧向宽度；取为1.5m L E —建筑限界左顶角宽度；取1.0m R E —建筑限界右顶角宽度；取1.0mh —检修道高度；取为0.25m隧道净宽为1.0+1.0+7.50+1.50+1.0=12m设计行车速度为120km/h,建筑限界左右顶角高度均取1m ；隧道轮廓线如下图：图1 隧道内轮廓限界图根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为50cm （一次衬砌为15cm 和二次衬砌35cm ）通过作图得到隧道的尺寸如下：图2 隧道内轮廓图得到如下尺寸:11.2m R 5.6m R 9.47m R 321===，，3隧道衬砌结构设计3.1支护方法及衬砌材料根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），本设计为高速公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式。
复合式衬砌应符合下列规定：1初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土，锚杆，钢筋网和钢筋支架等支护形式单独或组合使用，锚杆宜采用全长粘结锚杆。
2二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。
由规范8.4.2-1，对于两车道IV 级围岩：初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为12-15cm ，拱墙的锚杆长度为2.5-3m ，锚杆间距为1.0-1.2m ；二次衬砌厚度：拱墙混凝土厚度为35cm 因此确定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护，根据规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，规格HRB Φ20×2.5m ，采用梅花型局部布设，采用C25喷射混凝土。
隧道工程设计优化方案
隧道工程设计优化方案隧道工程是一项复杂的工程，需要综合考虑地质、土壤、水文、气象等多个因素，以确保隧道工程的安全、稳定、经济和环保。
在实际的设计过程中，隧道工程设计时常常会遇到各种问题和挑战，因此需要通过优化设计方案来解决这些问题和挑战，从而实现隧道工程的最佳设计。
本文将从地质条件、隧道结构、施工工艺等方面出发，针对隧道工程设计中常见的问题，提出一些优化方案。
一、地质条件的优化1. 地质勘察地质勘察是隧道工程设计的基础，通过对隧道工程所处地质环境的认真勘察和分析，可以为隧道的设计提供重要的依据。
在地质勘察过程中，需要对隧道区域的地质构造、岩层性质、地下水情况等进行详细调查，为隧道的设计提供准确的地质资料。
优化方案：在地质勘察中，应采用先进的勘察技术和设备，如地质雷达、岩芯钻机等，以提高勘察数据的准确性和可靠性。
同时，还应加强与地质单位和专家的合作，及时获取最新的地质信息和技术支持。
2. 地质风险评估隧道工程设计中需要对地质风险进行全面评估，以确定隧道工程所面临的地质风险及其可能对隧道安全和稳定性的影响。
在评估过程中，需要充分考虑地质灾害、地下水涌流、岩层变形等地质风险因素，制定相应的应对措施。
优化方案：通过引入先进的地质信息分析技术和数值模拟方法，对地质风险进行科学评估和可视化分析，以提高评估结果的准确性和可靠性。
同时，还应充分利用地质灾害预警系统和遥感监测技术，加强对地质风险的监测和预警。
二、隧道结构的优化1. 结构方案优化在隧道工程设计中，需要选择合适的隧道结构方案，以满足隧道工程的使用要求和工程经济性。
结构方案的选择应考虑隧道的地质条件、施工工艺、使用功能等因素，以确定隧道的断面形式、支护方式等。
优化方案：应采用三维数值模拟技术，对不同的隧道结构方案进行模拟分析和比较，以选取最佳的隧道结构方案。
同时，还应根据实际情况，灵活调整结构方案，以满足隧道工程的实际需求和工程经济性。
2. 施工方案优化隧道施工是隧道工程的重要环节，需要通过优化施工方案来提高施工效率和保证施工安全。
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实例一2.2 隧道横断面优化设计2.2.1概述公路隧道横断面设计，除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路面、排水、检修道、通风、照明，消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施工方法确定出安全、经济、合理的断面形式和尺寸。
10多年来，我国公路隧道建设规模扩大，各地在设计隧道横断面时标准不统一，隧道轮廓有采用单心圆的，有三心圆的，既有尖拱又有坦拱，曲率不一。
甚至，同一公路上出现几种内轮廓的断面，这既影响洞内设施的布置，又不利于施工时衬砌模版的制作。
而在国外和我国的铁路隧道中，已推动了断面的标准化。
经过多年的工程实践和内力分析，我们认为，应该采用拱部为单心圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。
对于同一隧道，应该采用相同的内轮廓形式。
根据隧道断面应具有适应应力流和变形的合理形状，同时要适应围岩条件、净空要求。
本隧道的围岩级别为Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，按规范要求，需要设置仰拱，同时要求设计为两车道，所以采用三心圆断面设计。
2.2.2 影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素这里所指的隧道横断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的大小和形状。
公路隧道不仅要提供汽车行使的空间，还要满足舒适行使、交通安全、防灾等服务的空间。
因此，隧道的断面不仅要满足要求的道路宽度及建筑限界，还要有设置通风、照明、内装、排水、标志等的设置空间，也要确保维修检查的监视员通道的设置空间。
所考虑的因素有[3]：1. 须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵入限界以内，应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量；2.施工方法，确定断面形式及尺寸有利于隧道的稳定；3. 从经济观点出发，内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量和圬工量最省；4. 尽量平顺圆滑，以使结构受力及围岩稳定均处于有利条件；5. 结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下所决定的压力线。
根据规范规定在Ⅳ~Ⅳ级围岩条件下，围岩自稳能力差，侧压力较大，承载力弱，为保证结构整体安全，控制沉降，采用有仰拱的封闭式衬砌断面。
本隧道中包括了Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级，Ⅲ级围岩不需要设置仰拱，Ⅳ和Ⅴ级需要设置仰拱。
以下对设置仰拱与不设置仰拱的衬砌内轮廓分别进行讨论： 2.2.3 不设置仰拱的三心圆隧道内轮廓优化1.基本参数及其意义三心圆内轮廓线参数，如图有R1、R2、θ1、a 、h1、h2、d 0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8。
一共有17个。
内轮廓参数的意义：h1-路面到起拱线的高度，h2-拱脚底部至起拱线高，R1-拱部圆弧半径，R2-起拱线以上边墙圆弧半径，θ1-起拱线以左下边墙圆弧半角度，a-起拱线以下边墙圆弧圆心偏离隧道中线距离 。
其余各个参数的几何意义见图2-4。
图2-4 三心圆内轮廓线图2.基本几何方程上述参数的几何关系如图2-4，可得：12/d L J w SB R +++=（2-1）22/d L J w SB l -++=（2-2）a R R +=12（2-3）⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=-2211sin R H θ（2-4）d 1=()[]a SB i SB H R ---⨯---12112240%75（2-5） d 2=[]121121%)75(40250SB H i SB R --⨯-++-（2-6） d 3=()[]75%75400121121+-⨯-+--SB i SB H R（2-7） d 4=()[]5075%5075500121121++-⨯--+--SB i SB H R（2-8） d 5=()[]10075%10075500222121++-⨯-----SB i SB H R（2-9） d 6=()[]75%75400222121+-⨯----SB i SB H R（2-10） d 7=()()[]22212121%150%75290SB i SB SB i SB H R -⨯-++⨯----（2-11） d 8=()()[]a SB i SB SB i SB H R --⨯-+--⨯-+-22212122%15040%75（2-12） 3.独立变量挑选出X 作为独立变量：()Ta H H d d X ,,,,2102=（2-13）相应的开挖面积可表示为()()3212S S S X S ++⨯= （2-14）其中：21141R S π=（2-15）a a R S ⨯⨯⨯-=12212t a n 212θθ （2-16）()()a H a R S ⨯-⨯-⨯⨯=12213t a n c o s 21θθ （2-17） ()()[]2112121%7540250H i SB SB d R -⨯-++++=（2-18） 4.约束条件 ① 变量的范围将2d 固定为一个值，取： 2d =20cmcm H 280501≤≤ cm d 6000≤≤ 将2H 与a 都根据规范上推荐的值取为一固定值：cm H 2002= cm a 250=② 建筑限界约束条件设() ,4,3,2,1=i i δ为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值，δ为最小富余量。
根据公路隧道设计规范δ为5cm ，但是考虑到施工的时候可能存在着偏差取δ=10cm;i δ取为15cm 。
③ 求解各参数利用fortran4.0编写一个程序，根据（2-15）、（2-16）、（2-17）、（2-18）求出内轮廓所包含的面积S ；在通过循环变量1H 和0d ，重复计算各参数和S 的值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值()n i S i ,,3,2,1 =，其中面积最小者min S 即为所求最佳解。
编写的程序如下： real smin,h1,h2,r1,r2,fai1,h,aOPEN(UNIT=1,FILE='优化段面RESULT. txt',STATUS='UNKNOWN') PRINT*,'请输入各参数值(单位以厘米计):' WRITE(1,*) '请输入各参数值(单位以厘米计):' PRINT*,'W=' read*, w PRINT*,'Jl=' READ*,Jl PRINT*,'Jr=' READ*,Jr PRINT*,'H=' READ*,HPRINT*,'LL='READ*,LLPRINT*,'LR='READ*,LREL=LLIF(LR.LE.100)THENER=LRELSEER=100ENDIFWRITE(1,2)INT(W),INT(Jl),INT(Jr),INT(H),INT(LL),INT(LR)2 FORMAT(1X,'W=',I4,3X,'Jl=',I3,3X,'Jr=',I3,3X,'H=',I3,3X,'LL=',I3,3X,'LR=',I3)PRINT*,'请输入控制点D2值：'PRINT*,'D2='READ*,D2WRITE(1,*)'请输入控制点D2值：'WRITE(1,7)INT(D2)7 FORMAT(1X,'D2=',I2)h2=200.0a=250.0smin=1.0E10DO d0=0.0,60.0,0.1DO h1=50.0,165.0,0.1SB2=W/2+Lr+jr-d0SB1=W/2+Ll+Jl+d0r1=SQRT((D2+SB1)**2+(290+(SB1-75)*0.015-h1)**2)r2=r1+afai1=ASIN(h2/r2)h=r1+h1-500D1=SQRT(r2*r2-(h1-(SB1-75)*0.015-40)**2)-SB1-aIF(D1.LT.10.OR.D1.GT.150)cycleD3=SQRT(r1*r1-(400+(SB1-75)*0.015-h1)**2)-SB1+75IF(D3.LT.10)cycleD4=SQRT(r1*r1-(500+(SB1-75-50)*0.015-h1)**2)-SB1+75+50IF(D4.LT.10.OR.D4.GT.150)cycleD5=SQRT(r1*r1-(500-(SB2-75-100)*0.015-h1)**2)-SB2+75+100IF(D5.LT.10.OR.D5.GT.150)cycleD6=SQRT(r1*r1-(400-(SB2-75)*0.015-h1)**2)-SB2+75IF(D6.LT.10.OR.D6.GT.150)cycleD7=SQRT(r1*r1-(40+(SB1+SB2-50-100)*0.015+250-(SB2-75)*0.015-h1)**2)-SB2 IF(D7.LT.10.OR.D7.GT.150)cycleD8=SQRT(r2*r2-(h1+(SB2-75)*0.015-(40+(SB1+SB2-75-75)*0.015))**2)-SB2-a IF(D8.LT.10.OR.D8.GT.150)cycleS1=0.25*3.1415926*r1*r1S2=0.5*FAI1*r2*r2-0.5*a*tan(fai1)*aS3=0.5*(cos(fai1)*r2-a) *(h2-tan(fai1)*a)S=2*(S1+S2+S3)IF(S.LE.SMIN)THENSMIN=SFD0=D0FD1=D1FD3=D3FD4=D4FD5=D5FD6=d6FD7=D7FD8=d8FR1=r1FR2=r2FFAI1=(FAI1/3.1415926)*180Fh1=h1Fh2=h2ENDIFenddoenddoWRITE(*,*)'最后结果是:'WRITE(1,*)'最后结果是:'WRITE(*,50)SMINWRITE(1,50)SMIN50 FORMAT(1X,'最小开挖面积:', 2X,F13.2)WRITE(*,100)Fh1,Fh2WRITE(1,100)Fh1,Fh2100 FORMAT(1X,'h1=',F13.2,3X,'h2=',F13.2)WRITE(*,200)FR1,FR2WRITE(1,200)FR1,FR2200 FORMAT(1X,'R1=',F13.2,3X,'R2=',F13.2)WRITE(*,150)FFAI1WRITE(1,150)FFAI1150 FORMAT(1X,'FAI1=',F5.2,'度')WRITE(*,400)fD0,FD1,D2,FD3,FD4,FD5,fD6,FD7,FD8WRITE(1,400)fD0,FD1,D2,FD3,FD4,FD5,fD6,FD7,FD8400 FORMAT(1X,'D0=',f8.2,3X,'D1=',f8.2,3X,'D2=',f8.2,3X,'D3=',f8.2,& 1X,'D4=',f8.2,3X,'D5=',f8.2,3X,'D6=',f8.2,3X,'D7=',f8.2,3X,'D8=',f8.2) END④输出结果：请输入各参数值(单位以厘米计):W= 750 Jl= 75 Jr= 75 H=500 LL= 50 LR=100请输入控制点D2值： D2=20 最后结果是:最小开挖面积: 704318.10 h1= 164.90 h2= 200.00 R1=555.85 R2= 805.85 FAI1=14.37度D0=20.00 D1=27.13 D2=20.00 D3= 55.51 D4=43.94 D5=92.45 D6=51.81 D7= 10.00 D8= 17.13 ⑤ 确定参数根据程序的输出结果可得不设置仰拱的内轮廓的最终参数: cm R 5561= cm R 8062= cm H 9.1641= cm H 2002= cm d 200= cm a 250=度37.14806200sin sin 12211=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=--R H θ 2221185.2427945561415926.34141cm R S =⨯⨯==π2221221216.7345837.14tan 2502180622508.0tan 212cm a a R S =⨯⨯-⨯=⨯⨯⨯-=θθ()()5.0tan cos 12213⨯⨯-⨯-⨯=a H a R S θθ=()()5.025037.14tan 20025080637.14cos ⨯⨯-⨯-⨯=288.36079cm 278.704665)88.3607916.7345885.242794(2cm S =++⨯= 与规范推荐的内轮廓比较： 规范推荐内轮廓的总开挖面积为2m 704665.78c S 4393.735070=≤=规S因此用此内轮廓较为经济。