隧道洞门结构验算

5.1.4 隧道洞门结构设计

1、计算假设及相关规定

洞门的端墙和翼墙均可视为墙背承受土压力的挡土墙结构，根据挡土墙理论设计。

本端墙式洞门按计算挡土墙的方法分别核算各不同墙高截面的稳定性和强度，以此决定端墙的厚度和尺寸。为简化洞门墙的计算方法和便于施工，只检算端墙最大受力部位的稳定性和强度，据此确定整个端墙的厚度和尺寸，这样虽增加了一些圬工量，但从施工观点看．却是合理的。由于洞门端墙紧靠衬砌，又嵌入边坡内，故其受力条件较挡土墙为好。此有利因素可作为安全储备．在计算中是不予考虑的。

洞门翼墙与端墙一样，也可采用分条方法取条带计算。由于翼墙与端墙是整体作用的；故在计算端墙时，应考虑翼墙对端墙的支撑作用。计算时先检算翼墙本身的稳定性和强度，然后再检算端墙最大受力部位的强度及其与翼墙一起的滑动稳定。在计算翼墙时，翼墙与端墙连结面的抗剪作用是不考虑的。

按挡土墙结构计算洞门墙时，设计是按极限状态验算其强度，并验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时依据下表的规定，并应符合《公路路基设计规范》、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定。洞门验算表如表5.2所示：

表5.2 洞门墙的主要检算规定表

墙身截面荷载效应值Sd ≤结构抗力效应值Rd（按

极限状态计算）

墙身截面荷载效应

值Sd

≤结构抗力效应值

Rd（按极限状态计

算）

墙身截面偏心距e ≤0.3倍截面厚度滑动稳定安全系数K

O

≥1.3

基底应力ζ≤地基容许承载倾覆稳定安全系数

Ko

≥1.6

基底偏心距e 岩石地基≤H/5～B/4；土质地基≤B/6（B为墙底厚度）

洞门设计计算参数数按现场试验资料采用。缺乏的试验资料，参照表5.3选用。

表5.3 洞门设计计算参数数表

仰坡坡率计算摩擦角φ(O) 重度γ(kN/m3) 基底摩擦系数f 基底控制压应力(MPa) 1:0.5 70 25 0.60 0.80

1:0.75 60 24 0.50 0.60

1:1 50 20 0.40 0.40～0.35

1:1.25 43～45 18 0.40 0.30～0.2s

1:1.5 38～40 17 0.35～0.40 0.25

2、洞门结构计算

1)、计算数据

①、地质特征：

Ⅴ级围岩，端墙背后采用粗颗粒土回填。

地层容重ｒ=17KN/m3

地层计算摩擦角Ф=40°

基底摩擦系数ｆ=0.40

基底设计控制压应力［ζ］=0.25 Mpa

②、建筑材料容重：

C25钢筋混凝土容重r=25KN/m3

③、洞门主要验算：

洞门结构按挡土墙计算允许应力，并验算绕墙趾倾覆及基底滑动的稳定性。

验算符合下列标准：

墙身截面荷载效应Sd ≤结构抗力效应值Rd

墙身截面偏心距e ≤0.3截面宽度

基底应力ζ≤地基允许承载力

基底偏心距e岩石基底≤B/4，土质≤B/6

滑动稳定系数K

≥1.3

c

≥1.6

倾覆稳定系数K

2)、土压力计算：

①、计算及基本数据

大哗山隧道苍梧段洞口处设计台阶式洞门，计算方法蕾丝端墙式，尺寸拟定

墙厚B=1.6m，墙背倾角α=6°，墙高高H=11.88米，仰坡坡角ε=30°，围岩计

算摩擦角Ф=40°，基底摩擦系数f=0.4, tanα =0.1, tanε=0.577, tanФ

=0.84,

洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为a=1m 洞门墙计算条带宽度b=1m

②、 土压力计算

最危险破裂面与垂直面之间的夹角

)

tan tan -1(tan -)tan tan )tan tan -1)(tan )(tan tan -tan tan 1(-tan tan tan tan 222εαφφεεααφεφφεαφω+(1+)(++=

=1.35 (ω=53.5°)

α

ωtan -tan 'a

h =＝1/（1.35-0.1）＝0.8 m

)

tan tan -1)(tan()tan tan -1)(tan -(tan εωφωεααωλ+==0.057

εa h tan 0==0.577m

[]

ξb h h h H γλE ×+×=

)-(2

1

0'02=41.07KN(每延米) 式中： E ——土压力（kN ）; γ——地层重度（kN/m 3） λ——侧压力系数； ω——墙背土体破裂角；

b ——洞门墙计算条带宽度（m ），取b=1m ； ξ——土压力计算模式不确定系数，可取ξ=0.6。

③、 端墙稳定性、强度验算

由于土压力和冻胀力不同时考虑，这里我们考虑土压力的计算。 端墙自重：G=11.88×1.6×1×25=475.2KN

力臂：y 1 ＝21×1.0+tan6°×2

1

×11.88=1.12m

y 2＝31

×11.88=3.96m

土压力大小：E =41.07 KN （每延米） 抗倾覆稳定性验算： K O =

2

1

Ey Gy =3.27＞ 1.6 （满足） 故抗倾覆稳定性满足要求

抗滑稳定性验算：

()()

52.37630cos 07.41cos 00=-⨯=-=αδE E X KN ()()

7.16630sin 07.41sin 00=-⨯=-=αδE E y KN ()=⨯+=

x

y

E f

E G K ε 5.24>1.3(满足)

式中： δ——墙背摩擦角 δ=30︒

故抗滑稳定性满足要求 基底偏心距验算：

全墙稳定力系对墙趾的总力矩

∑M Y ＝G ×(B/2+0.5×Htan α)= 475.2×（1.6/2+0.5×11.88×0.1）=662.4KN.M 全墙倾覆力系对墙趾的总力矩

∑M 0＝E ×H/3=41.07×11.88/3=162.64KN.M 总竖向荷载

∑N=G ×cos α+E X ×sin α

=475.2×cos6°+37.52×sin6°=479.12

∑N 对脚趾的力臂

()

04.112

.47964

.1624.662=-=

∑∑-∑=

N

M M C O y

e=B/2-C=1.6/2-0.703=0.05＜B/4=0.4 （满足）

各项指标都达到标准，设计尺寸合理，受力符合要求，尺寸建议按以上数据取值。综上计算，出口洞门端墙设计符合标准。 E x 对墙趾的力臂：

m H

Z X 96.33/88.113

===

E y 对墙趾的力臂：

()m H B Z y 996.1396.06.13

tan =+=+

=α

G 对墙趾的力臂：

m H B Z G 394.12

188

.16.12tan =+=+=

α m KN Z E Z G M y y G y ⋅=⨯+⨯=⨯+⨯=∑76.695996.17.16394.12.475