大学公路隧道毕业设计

摘要
本设计围绕重庆奥特莱斯配套道路工程隧道右线而进行，本隧道为高速公路隧道短隧道，隧道长251.424m，设计为双向四车道，设计车速为100km/h，建筑限界净宽为10.75m。

衬砌采用三心圆曲墙式结构，支护结构和围岩共同承载，并充发挥出围岩的自承能力。

以新奥法施工作为隧道结构设计指导，依托隧道围岩条件较复杂，包括IV、V级二种级别的围岩，相应围岩段均采用包含有初支、防水层、二衬组成的复合式衬砌。

初期支护为喷锚支护，采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢拱架共同作用，二次衬砌采用模筑砼。

洞门设计严格按照《公路隧道设计规范》（GTJ-2004）中的相关规定进行相关验算，采用端墙式洞门；初支根据《公路隧道设计规范》（GTJ-2004）、《隧道工程》和相关工程实例进行设计。

二次衬砌利用理正岩土6.0版软件算出相关数据，并进行配筋计算；同时，根据相关参考资料和工程实例进行了隧道施工组织设计、防排水设计和监控量测的设计，绘制了相应的图纸。

关键词：短隧道；新奥法；曲墙；复合式衬砌；端墙式洞门
ABSTRACT
The design is carried out on the right line of the road tunnel of the auxiliary road in Chongqing. The tunnel is a short tunnel of the expressway tunnel，Tunnel length 251.424m, designed for two-way four lanes，the design speed is100km/h，Clearance width to 10.75m. of the three circular curved wall lining structure, supporting structure and surrounding rock bearing together, and full play the self bearing capacity of surrounding rock. The new Austrian law as the core design of tunnel structure, surrounding rock tunnel contract is complex, IV, V two levels of surrounding rock in. IV and V are used at the beginning of rock section, waterproof layer, composite lining lining consisting of two.
The initial support for the spray anchor, anchor bolt, shotcrete, steel mesh, common steel arch, two lining by formworking concrete.In strict accordance with the portal design code for design of highway tunnel (GTJ-2004) of the relevant provisions of the related checking by end wall portal; primary support according to code for design of highway tunnel (GTJ-2004), of tunnel engineering and related engineering design examples;
two lining using Lizheng geotechnical software version 6 to calculate the relevant data, and reinforcement calculation; at the same time, according to the relevant reference materials and engineering example of a tunnel construction design, design of drainage design and monitoring, rendering the corresponding drawings.
Keywords: short tunnel; NATM; curved wall; composite lining; side wall portal
目录
第一章设计任务及原始资料 (1)
1.1 工程概况 (1)
1.2 线路条件 (1)
1.3 工程地质及水文地质条件 (1)
1.4 经济技术条件 (1)
第二章隧道总体设计 (3)
2.1 一般规定与设计原则 (3)
2.1.1 一般规定 (3)
2.1.2 设计原则 (3)
2.2 主要技术标准及执行规范 (4)
2.2.1 技术标准 (4)
2.2.2 执行规范 (4)
2.3 设计依据 (5)
2.4 隧道平面及纵断面设计 (5)
2.5 隧道横断面设计 (5)
2.5.1 隧道建筑限界 (5)
2.5.2 隧道衬砌内轮廓线设计 (6)
2.6 支护形式的选择 (7)
2.6.1 洞门衬砌设计 (7)
2.6.2 洞身衬砌设计 (7)
第三章洞门设计与计算 (9)
3.1 洞口地质条件 (9)
3.2 洞门类型的选择 (9)
3.3 洞门各部的尺寸拟定 (9)
3.4 计算参数 (10)
3.4.1 土压力计算 (10)
3.4.2 端墙稳定性验算 (12)
3.4.3 主洞端墙验算 (14)
第四章隧道初期支护设计与计算 (17)
4.1 概述 (17)
4.2 初期支护的设计 (17)
4.3 V级围岩初期支护设计计算 (17)
4.3.1 喷混凝土提供的支护抗力P1值 (18)
4.3.2 钢支撑提供的支护抗力P2值 (19)
4.3.3 锚杆提供的支护抗力P3值 (20)
4.3.4 围岩本身提供的支护抗力P4值 (21)
4.3.5 最小支护抗力值Pmin (22)
4.4 Ⅳ级围岩初期支护设计计算 (24)
第五章隧道二次衬砌设计计算 (25)
5.1 概述 (25)
5.2 隧道深浅埋确定 (25)
5.2.1 计算断面参数确定 (25)
5.2.2 深浅埋判定计算 (25)
5.3 隧道围岩压力确定 (26)
5.3.1 Ⅴ级围岩压力计算 (26)
5.3.2 Ⅳ级围岩压力计算 (28)
5.4 V级围岩二次衬砌理正岩土软件验算（电算） (28)
5.4.1 Ⅴ级围岩二衬计算条件 (29)
5.4.2 Ⅴ级围岩二衬内力配筋结果 (31)
5.4.3 Ⅴ级围岩二衬内力配筋计算 (31)
5.4.4 V级围岩二衬裂缝计算 (34)
5.5 Ⅳ级围岩二衬衬砌理正岩土软件验算（电算） (40)
5.5.1 Ⅳ级围岩二衬计算条件 (40)
5.5.2 Ⅳ级围岩配筋结果 (42)
5.5.3 Ⅳ级围岩二衬内力配筋计算 (42)
5.5.4 Ⅳ级围岩二衬裂缝计算 (45)
5.6 二衬配筋计算 (50)
5.6.1 V级围岩配筋 (50)
5.6.2 Ⅳ级围岩配筋 (50)
第六章隧道防排水设计 (51)
第七章施工组织设计 (53)
7.1 概述 (53)
7.2 施工部署 (53)
7.3 施工准备 (54)
7.3.1 技术准备 (54)
7.3.2 施工机具、材料准备 (54)
7.3.3 施工人员准备 (54)
7.4 隧道总体施工方案 (55)
7.4.1 洞口施工 (55)
7.4.2 洞身开挖 (55)
7.4.3 初期支护 (57)
7.4.4 二次衬砌 (57)
7.5 施工通风 (58)
7.6 施工注意事项 (58)
第八章隧道施工监控量测 (59)
8.1 概述 (59)
8.2 监控量测 (59)
8.2.1 监控量测的目的 (59)
8.2.2 监控量测的具体内容和量测技术 (59)
8.2.3 量测手段 (60)
8.2.4 监控量测的主要方法、步骤及范围 (61)
第九章结论 (63)
参考文献 (64)
致谢 (65)
第一章设计任务及原始资料
1.1 工程概况
重庆奥特莱斯配套道路工程隧道为分离式隧道，隧道右线起终点桩号为：K0+668.934～K0+920.358。

隧道轴线最小间距32.01m，左线隧道长287.744m，右线隧道长251.424m，属短隧道，隧道右线位于R=2000.000m的圆曲线、Ls=100.000的缓和曲线、R=800.000的圆曲线上。

1.2 线路条件
公路等级：高等级公路, 隧道内设计时速为100km
车道数目：双向四车道
交通量：5000辆/日
平面：(见设计原始资料附件-重庆奥特莱斯配套道路工程大盛场隧道工程地质勘察报告)
纵断面：(见设计原始资料附件-重庆奥特莱斯配套道路工程大盛场隧道工程地质勘察报告)
1.3 工程地质及水文地质条件
工程地质：(见设计原始资料附件-重庆奥特莱斯配套道路工程大盛场隧道工程地质勘察报告)
水文地质：(见设计原始资料附件-重庆奥特莱斯配套道路工程大盛场隧道工程地质勘察报告)
地震等级：(见设计原始资料附件-重庆奥特莱斯配套道路工程大盛场隧道工程地质勘察报告)
1.4 经济技术条件
(1)．建筑材料：
水泥：保证供应；
砂石：保证供应；
钢材：必要时可供应；
木材：可适当供应，数量有限。

(2)．工程用水：工地附近有水源，能保证施工需要，水质对混凝土无侵蚀性。

(3)．动力条件：可满足施工要求。

(4)．施工机具条件：中、小型施工机具。

－1－
(5)．施工技术力量及劳动力条件：可保证。

4．附设计所需的工程地质资料：(见设计原始资料附件)
(1)．隧道地区地形平面图1张(1：500)；
(2)．隧道地区地质纵断面图1张
第二章隧道总体设计
2.1 一般规定与设计原则
2.1.1 一般规定
隧道设计应满足公路交通规划的要求，设计根据现行有关规范，规程和技术标准，借鉴参考相关类似工程，结合本隧道实际情况，其建筑限界、断面净空、隧道主体机构以及营运通风、照明等设施，应按照《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）规定的预计交通量设计，当近期交通量不大时，可采取一次设计，分期修建。

在公路隧道勘察设计过程中。

应根据公路等级、隧道长度及交通量大小等控制因素合理确定隧道勘察设计标准与工作内容，有效地控制其设计质量。

隧道设计应综合考虑公路的总体功能、土地资源利用、对生态环境的影响、可持续发展等方面的要求，树立全寿命周期成本的设计新理念，保证隧道主体结构稳定可靠，避免运营期间疾病的发生。

2.1.2 设计原则
1应重视公路总体设计。

隧道内外平、纵线行协调，符合行车安全与行车舒适的要求；隧道断面布置形式应根据所处地址条件、周边环境等合理确定，符合经济性与施工安全的要求；隧道施工方法与施工施工组织适应隧道特点与地址条件，符合环境保护的要求。

2应重视地址条件必选。

根据隧道特点、区域地址条件及相应设计阶段的要求，制定地质勘查方案，充分利用地质遥感资料和附件其他工程的地质资料进行隧道方案比选。

当地质条件复杂时，特长隧道应控制路线走向，以避开不良地质地段；中、短隧道可服从路线走向。

3应重视中短隧道与路堑方案的比选。

评价深路堑与隧道方案对路线平纵面设计的影响。

在方案比选过程中，除应考虑工程造价外，还应考虑土地使用费、防治水土流失费、弃渣场设置和提高工程可靠度的费用（高边坡的处治费用）等。

应结合生态环境保护、道路景观等要素进行定性或定量的分析论证。

4应加强山区公路隧道施工方案的交通组织设计。

在山区公路桥隧集中、施工组织困难的特殊地段，隧道的布设应考虑隧道施工方案的和施工期间对交通组织的影响。

5应加强山区公路隧道与洞外结构物的协调。

山区公路控制性重点工程较多，出现桥隧相接、隧道和互通式立交紧邻等情况时，特别是特大跨径桥梁结构形式和施工方法的选择及交通组织（如隧道内外交通分、合流）等影响到隧道结构形式的选择时，应扩展隧道方案的研究范围，对洞外构造物与隧道方案进行整体综合比选。

在对隧道附近地形、地貌、地质、气象、社会人文和环境等进行深入调查的基础上，应对隧道轴线方案的走向、平纵线行、隧道设置形式及洞口位置等方面进行综合比选。

6中、短隧道方案宜服从路线布设的要求。

根据地形条件，宜对连拱隧道与小净距隧道方案进行比较；对于中心挖深大于30m的路堑宜进行路、隧方案比较；对短隧道群宜进行整体式路基连供隧道方案与分离式路基小净距隧道方案的比选、
7特长、长隧道在符合路线总体走向的前提下，应由隧道控制局部线位。

对各可行的方案，以建设条件、建设规模、施工条件和运营管理技术难度和成本等为比选因素进行系统的论证和比较。

8应综合考虑不同隧址方案对公路总体施工方案、施工安排和施工工期及工程投资的影响。

9对于技术复杂的特长隧道，应加深隧道地质勘察及工程方案分析研究，解决建设工程中的重大技术问题，必要时应增加技术设计阶段。

2.2 主要技术标准及执行规范
2.2.1 技术标准
1.公路等级：高速公路
2.设计速度：100km/h
3.隧道建筑限界：
建筑限界：1.0+0.5+2×3.75+0.75+1.0=10.75m
限界净高：5.0m
4.汽车荷载等级：公路—Ⅰ级
2.2.2 执行规范
1)《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）
2)《公路隧道设计细则》（JTG/T D70-2010）
3)《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）
4)《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）
5)《公路工程地质勘察规范》(JTG C20-2011)
6)《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）
7)《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）
8)《爆破安全规程》（GB6722-2003）
9)《公路工程抗震设计规范》(JTG B02-2013)
10)《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)
11)《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）
12)《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）
2.3 设计依据
1)《重庆市城市总体规划(2007-2020年)》
2)《两江新区龙盛片区总体规划》【中国城市规划设计研究院】
3)《重庆两江新区龙兴工业园区御复路一期工程施工图》【林同棪国际工程咨询（中国）有限公司2011.10】
4)《机场东联络线北线东延伸段道路工程方案设计图》【重庆市设计院2012.10】
5)《人高路道路工程方案设计》【厦门市市政工程设计院有限公司】
6）《奥特莱斯配套道路工程方案设计》【中机中联工程有限公司】
7）奥特莱斯配套道路工程机东北东延伸段二段工程地质勘察报告【重庆川东南地质工程勘察设计院】
8)《两江新区中日产业园路网研究》【重庆市市政设计研究院】
9) 国家和地方相关的法律、法规、规范、标准和指令性规划文本等
10) 甲方提供片区内1：500地形图
11) 《奥特莱斯配套道路工程—机东北东延伸段二段初步设计专家审查意见》2.4 隧道平面及纵断面设计
隧道的平面布置主要服从线路总体走向，在综合考虑地形地貌特征及经济性的前提下，主要考虑隧道进口、出口、隧址区工程地质条件等因素。

隧道纵断面设计综合考虑了隧道长度、通风、照明、主要施工方向、洞口的位置、排水以及隧道进、出口接线等因素，隧道平、纵面详见相应图纸。

各隧道设置及平、纵指标见表2.1
表2.1 隧道平纵设置一览表
隧道名称线
位
隧道起讫桩号
隧道长度
(m)
纵坡(%) 平曲线半径
进口段/出口段
备
注
奥特莱
斯配套道路工程隧道右
线
K0+668.934～
K0+920.358
251.424m 2.370
缓和曲线/缓和
曲线
单
坡
2.5 隧道横断面设计
2.5.1 隧道建筑限界
根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)高速公路隧道建筑限界的规定：
本隧道的设计速度为100km/h ，所以：
限界净宽0.5+1.0+2×3.75+0.75+1.0=10.75m （具体指标见表2.2） 限界净高 5m (见图2.1)
表2.2 公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度
（单位m ）
公路 等级 设计速度 /（km/h ） 车道宽度 W 横向宽度L 检修道J 建筑限
界净宽 左侧 右侧 左侧 右侧 高速公路
100
3.75×2
0.50
1.00
0.75
1.00
10.75
图2.1 公路隧道建筑限界（单位cm ）
O
O
O
O
O
R
3=100
起拱线
行车道中心线
隧道中线
图2-2 隧道内轮廓线 （单位：cm ）
2.5.2 隧道衬砌内轮廓线设计
根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)的一般规定：衬砌设计应综合
考虑地质条件、断面形状、支护结构、施工条件等，并充分利用围岩的自承能力。

衬砌的内轮廓线应尽可能地接近建筑限界，而且要尽量圆顺。

《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)规定了隧道内轮廓线的统一标准，即侧墙为大半径圆弧，拱部为单心圆拱，仰拱与侧墙之间用小半径的圆弧来连接。

两车道隧道标准内轮廓断面如图2.2所示。

2.6 支护形式的选择
2.6.1 洞门衬砌设计
洞口工程设计以“早进洞，晚出洞”为原则，最大限度降低洞口边坡的开挖高度，以保证山体的稳定，减小队洞口自然环境的破坏。

结合本隧道进出口的实际情况，进出口均采用外镶清条石端墙式洞门。

端墙处支护2Ф22@2m×2m的锚杆，端墙采用1m厚C30钢筋混凝土，外表面设置一层φ8钢筋网@25cm×25cm。

洞口仰坡采用1：0.75的锚喷支护，锚杆采用1Ф22@2m×2m布置。

洞门仰坡按照“动态设计、信息法施工”的原则，采用自上而下的逆作法施工，边开挖边进行网、锚、喷支护。

洞口施工中应尽量减少扰动周围岩体，尽早做好洞口两侧边坡及洞口截排水沟、洞口边仰坡的防护和洞口支护工作，尽早做好隧道洞门，确保洞口安全。

2.6.2 洞身衬砌设计
隧道洞身均依照新奥法原理采用复合式衬砌，即以锚杆、喷射混凝土或者钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护，以模筑混凝土为二次衬砌，共同组成永久性承载结构。

衬砌结构支护参数根据围岩级别、工程地质水文地质条件、地形及埋置深度、结构受力特点、并结合工程施工条件、环境条件、通过工程类比法和结构计算综合分析拟定。

第三章洞门设计与计算
3.1 洞口地质条件
隧道进口位于缓坡地带，主要坡向288°，坡度15~25°，地表为第四系全新统残坡积粉质粘土覆盖，厚度约4m，可塑状，下覆基岩为侏罗系中统沙溪庙组泥岩及砂岩，岩体较完整，质硬。

隧道进口位于大盛场向斜东翼，无断层通过，岩层呈单斜产出，岩层产状为291°∠60°，局部充填泥质，结合程度差，为硬性结构面，中风化岩体较完整。

岩体发育2组构造裂隙：裂隙1倾向195°，倾角85°，裂隙2：倾向280°，倾角70°，结合较差。

地下水贫乏。

3.2 洞门类型的选择
隧道洞口的位置根据进出口地形地貌以及工程地质条件等因素，结合边坡、仰坡开挖的稳定要求和洞门的排水要求，以“早进洞，晚出洞”的原则决定；
由于本隧道进出口均为IV和V级围岩，围岩条件理想，所以进出口均采用端墙式洞门。

3.3 洞门各部的尺寸拟定
根据《公路隧道设计规范》(JTG D70-2004)规定，结合洞门所在地段的工程地质条件，为了保证洞门的排水要求和稳定性，基础设施及洞门尺寸为：
1.洞门高为1
2.2m m，墙厚为1.4m，端墙式洞门正墙墙面坡度取1:0.1
2.洞口边坡、仰坡坡比采用1:1，处于安全考虑，仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为1.8m，以防仰坡土石掉落到路面上。

3.洞门墙嵌进地基1.5m。

4.洞门墙顶高出仰坡脚0.75m，以防水流溢出墙顶，也防止掉落土石弹出。

5.端墙厚度为1.4m，端墙长度5m，端墙坡度为1:1，倾斜1:0.2。

6.洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底与衬砌拱顶外缘的高度1.1m，以免落石破坏拱圈。

表3.1洞门参数确定
仰坡坡率计算摩擦角φ(°) 容重γ（KN/m3）基地摩擦系数f 基地控制压力（Mpa）
1:0.5 70 25 0.6 0.80
1:0.75 60 24 0.5 0.60
1:1 50 20 0.4 0.40～0.35
1:1.25 43～45 18 0.4 0.30～0.25
1:1.5 38～40 17 0.35～0.4 0.25
表3.2 洞门墙主要验算规定
墙身截面荷载效应值S d≤结构抗力效应值R d(按极限状态算) 墙身截面偏心距e≤0.3倍截面厚度
基底应力σ≤地基容许承载力
基底偏心距e≤B/6，B—墙底宽度
滑动稳定安全系数K c≥1.3
倾覆稳定安全系数K0≥1.6
3.4 计算参数
1.挡土墙的边坡、仰坡坡度1:1
2.地层容重γc=18KN/m3
ϕ=
3.地层计算摩擦角50o
4.基底摩擦系数f=0.4
5.基底控制压应力[σ]=0.4Mpa
6.仰坡坡脚ε=45°，tanε=1，α=5.9°
3.4.1 土压力计算
计算简图见下页3.2所示
图3.2洞门土压力荷载计算简图
土压力系数计算：
最危险滑裂面与垂直面之间的夹角可按下式计算：
(3.1)
式中 ω——最危险滑裂面与垂直面之间的夹角，(°)；
φ——围岩计算摩擦角(°
)； ε——洞门后仰坡坡角(°)；
α——墙面倾角(°)。

()
20012
'
E γλH h h h b ξ⎡⎤=+-⎣⎦ (3.2)
tan tan 1tan tan tan 1tan tan (ωα)(αε)
λ(ω)(ωε)
ϕ--=
+- (3.3)
'
tan tan a
h ωα
=- (3.4)
ε
αε
tan tan 1tan 0-=a h (3.5)
1t G Hb γ= (3.6)
式中
E ——土压力(Kpa)；
H ——洞门前一延米的平均高度； λ——侧压力系数；
c γ——地层容重（3/KN m ） 1b ——端墙的宽度；
a ——洞口仰坡坡角到洞门墙背的水平距离，取1.8m ；
b ——洞门墙条带计算宽度（m ），取b=1m ； ω——墙背土体平破裂角； t γ——端墙现浇混凝土重度；
ξ——土压力计算模式不确定系数，可取ζ=0.6；
取α=5.9°，50ϕ=︒ ε=arctan0.8=39°
tan ω=
把数值带入可得到：
tan 0.6737ω=
arctan arctan 0.673733.97o ω==
tan tan 1tan tan tan 1tan tan (ωα)(αε)
λ(ω)(ωε)
ϕ--=
+-
()()()()
0.6737-0.10331-1.00.110330.1922tan 5033.971-1.00.6737⨯=
=︒+︒⨯
将上面的数值带入（3.2）式中，可得到土压力E ；
()20012
'E γλH h h h b ξ⎡⎤=+-⎣⎦ ()2
1180.19228.6 1.46 3.08 1.4610.679.222
E KN ⎡⎤=⨯⨯⨯+⨯-⨯⨯=⎣⎦
2
333
δφ==︒
()()cos 77.22cos 33 5.968.54x E E KN δα=-=⨯︒-︒= ()()sin 79.22sin 33 5.937.54y E E KN δα=-=⨯︒-︒=
式中 墙背摩擦角-δ 3.4.2 端墙稳定性验算 （1）抗倾覆稳定性验算：
挡土墙在荷载作用下应绕着墙趾产生倾覆的时候，应该满足下式：
16y M K .M
=
≥∑∑ （3.7）
式中： 0K ——倾覆稳定系数，K 0≥1.6；
y
M
∑——全部的垂直力对墙趾的稳定力矩(kN·m)；
M
∑——全部的水平力对墙趾的稳定力矩(kN·m)。

墙身自重G ：1228.60.8151.36t G Hb KN γ==⨯⨯=
x E 对墙趾的力臂：8.6 2.833
x H Z m =
== y E 对墙趾的力臂：()()1tan /30.88.60.103/3 1.16y Z b H m α=+=+⨯=
G 对墙趾的力臂：1tan 0.88.60.1030.8422
G b H Z m α++⨯=
==
()20012
'
E γλH h h h b ξ⎡⎤=+-⎣⎦ ()2
1180.19228.6 1.46 3.08 1.4610.679.222
KN ⎡⎤=⨯⨯⨯+⨯-⨯⨯=⎣⎦ 68.54x E KN =
37.54y E KN =
151.360.8437.54 1.16171y
G y y M
G Z E Z KN m =⨯+⨯=⨯+⨯=⋅∑
2.837.54105.1x y M
Z E KN m =⋅=⨯=⋅∑
171
1.63 1.6105.1
y M
K M
=
=
=>∑∑ （3.8） ∴满足抗倾覆稳定性要求
（2）合力偏心距验算
设作用于基底上的垂直合力为
y
E
G N +=∑ （3.9）
151.3637.54189y
N G E
KN =+=+=∑
设其对墙趾的力臂是S ，合力偏心距为e
171105.1
0.35189
y
O
M M
S m N
--=
=
=∑∑∑
0.80.350.05122
b e S m m =
-=-=<
合力在中心线的左侧
0.050.24
b
e m =<
= 计算结果满足要求
又：
max
min 61N e b b σ⎛⎫=
±
⎪⎝
⎭
∑ （3.10）
∴ []max 18960.01324.840.40.80.8kpa Mpa σσ⨯⎛⎫
=
⨯+=<= ⎪⎝⎭
[]min 18960.01147.650.40.80.8kpa Mpa σσ⨯⎛⎫=
⨯-=<= ⎪⎝⎭
满足基底压应力要求。

3.4.3 主洞端墙验算
土压力：
0.1922λ=
37.54y E KN =
()[]
ζλγb h h h H E c 002'21
-+=
=2
1
⨯18⨯0.1922⨯()[]
6.0146.108.346.16.82⨯⨯-⨯+
79.22=
228.60.8151.36t G HB KN γ=⨯=⨯⨯=
墙身界面的偏心距为：
B N
M
e b 3.0<=
式中
M ——计算界面以上各力对截面形心力矩的代数和 N ——作用于截面以上的垂直合力
墙身截面偏心验算：
8.6279.2228.6584.923262y H H B M E E KN m ⎛⎫=-
-⋅=⨯-⨯=⋅ ⎪
⎝⎭
m KN E G N y ⋅=+=+=01.18065.2836.151
m N M e b 47.001
.1809.84===
max
min 61b e M B
B σ⎛⎫=
± ⎪⎝
⎭
[]max 61.360.231208.8 2.20.80.8kpa Mpa σσ⨯⎛⎫=
⨯+=<= ⎪⎝⎭
[]min 61.360.23155.55 2.20.80.8kpa Mpa σσ⨯⎛⎫=
⨯-=-<= ⎪⎝⎭
∴ 墙身截面偏心强度满足要求 3.4.4 主洞与端墙共同作用 （1）土压力计算
1922.0=λ
()2
1001'2
c E H h h h b γλζ⎡⎤=+-⎣⎦ ()2
1180.192212.2 1.463.08 1.4610.62
⎡⎤=⨯⨯⨯+-⨯⨯⎣⎦ KN 62.164=
KN E 22.792=
KN E
E E 42.24322.7962.1642
1=+=+=∑
KN G
G G 4.8285504.2782
1
=+=+=∑
（2）滑动稳定性验算：
3.1>⋅=
∑∑E
f N K c
857.05N KN =∑
3.141.142
.2434
.005.857>=⨯=
⋅=
∑∑E
f N K c
∴ 满足滑动稳定要求。

通过以上的验算，说明该隧道端墙式洞门的尺寸合理
第四章 隧道初期支护设计与计算
4.1 概述
在二衬施作之前，刚开挖之后马上进行的支护形式叫做初期支护，一般有钢筋网喷射混凝土、锚杆喷混凝土、喷射混凝土锚杆与钢架结合支护形式。

隧道开挖后，为控制围岩应力适量释放和变形，增加结构安全度和方便施工，隧道开挖后立即施作刚度较小并作为永久承载结构一部分的结构层。

4.2 初期支护的设计
奥特莱斯配套道路工程隧道为高等级公路短隧道，隧道洞口段为V 级围岩，隧道洞身段围岩等级IV 级。

Ⅴ级围岩的侧壁不稳定，成洞条件差，自稳性差，容易产生大塌方；Ⅳ围岩自稳性差，成洞条件一般～较好，可能会出现小塌方。

根据隧道的施工条件、断面形式、地质条件等，并考虑充分发挥围岩自承能力，根据新奥法的原理，奥特莱斯配套道路工程隧道应该采用复合式衬砌，即由初期支护加中间防水层以及二次衬砌组合而成的衬砌形式，其中初期支护采用喷、锚、网支护,工字型钢拱架，并根据不同的围岩级别辅以大管棚、超前小导管等超前支护措施。

复合式衬砌可以采用工程类比的方法进行设计，并通过理论分析来进行验算。

初期支护的参数按规范，并应根据现场围岩监控量测信息对设计支护参数进行必要的凋整。

4.3 V 级围岩初期支护设计计算
本隧道衬砌内轮廓线半径为5.70m ，V 级围岩预留变形量5cm ，初衬厚度25cm ，二衬厚度45cm ，隧道的开挖半径a =5.43+0.1+0.25+0.45=6.23m 。

现假定锚杆、钢支撑、喷射混凝土所组成的联合支护，它们的总支护抗力可视为各支护抗力之和，即：
1234P P P P P =+++ (4.2)
式中 P ——所提供的总的支护抗力； 1P ——喷混凝土提供的支护抗力； 2P ——钢支撑提供的支护抗力； 3P ——锚杆提供的支护抗力；
4P ——围岩本身提供的支护抗力。

计算所得的P 值应满足不等式：
min P P ≥ (4.3)
式中 min P ——岩体中开挖隧道后防止产生剪切滑移破坏所需的最小支护阻力。

4.3.1 喷混凝土提供的支护抗力P 1值
喷混凝土抗力是指沿剪切面喷层所提供的平均分配在剪切区高度b 上的抗剪力。

剪切滑移体向坑道方向移动时对喷层产生水平推力，此时，如喷层强度不足，则在剪切滑移体的上下边缘处(应力集中区)形成两个剪切滑移面。

当处于受力极限平衡时，其水平推力与两个剪切面上的水平抗剪分力相平衡。

12cos s Pb T ψ=⋅ (4.4)
sin s s s s
d
T τα= (4.5)
将(4.5)式代入(4.4)可得：
1
2d cos sin s s
s
P b τψα= (4.6) 式中 s d ——喷混凝土厚度； s τ——喷混凝土抗剪强度； s a ——喷混凝土的剪切角，取 b ——剪切区高度；
ψ——剪切滑移面的平均倾角。

02
θα
ψ-= (4.7)
01ln tan a W a
θαα+=+ (4.8) sin()
2[cos()sin()tan()]2224cos()
24
t t t t a W l a a t a a a a ππ=+++--+（） (4.9) 式中 ϕ——围岩内摩擦角，取24ϕ=︒；
α——剪切滑移面与最小主应力轨迹线成角，α、0θ均见图4.1；
W ——加固带高度； t ——锚杆横向间距。

将数据代入各式中，可得：
45572
ϕ
α=︒+
=︒
m 25.0cm 25==s d
0.430.4312.5 5.38MPa s c τσ==⨯=
b 2cos 2 6.23cos57 6.78m a α︒=⋅=⨯⨯=
1
sin 1112 6.23(3.5 6.23)cos sin tan 6.2312 6.232 6.232 6.234cos 2 6.2343.48m
W ππ⎡⎤⎢⎥⎛⎫⨯⎢⎥=++⨯+-
- ⎪⨯⨯⨯⎛⎫⎝⎭⎢⎥+ ⎪⎢⎥⨯⎝⎭⎣⎦
=
01 6.23 3.480.995ln 1.28=73.31.54 6.23
rad θ+=+
=︒
73.3578.152
ψ︒-︒
=
=︒ 将各参数代入(4.6)式可得：
'
1120.25 5.38
sin cos8.150.794cos8.150.785MPa 6.78sin 30P P ψ⨯⨯=⋅=
⨯︒=⨯︒=⨯︒
4.3.2 钢支撑提供的支护抗力P 2值
钢支撑提供的支护力计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力，即：
22cos sin s t
t F P b τψα= (4.10)
式中：s F ——每米隧道钢材的当量面积，由于20I a 工字钢截面面积为235.578cm ， 每米的用钢量换算成截面面积为235.5s F cm =；
t τ——钢材的抗剪强度，取15t s ττ=；
t a ——钢材的剪切角，一般采用45t a =︒
15 5.3880.7MPa t τ=⨯=
代入式中可得：
42235.51080.7cos8.150.120cos8.150.1186.78sin 45P Mpa
-⨯⨯⨯=︒=⨯︒=⨯︒
4.3.3 锚杆提供的支护抗力P 3值
锚杆受力破坏有两种情况：
1.锚杆体本身的强度不足而被拉断。

此种情况下的锚杆提供平均径向支护抗 力：
3'F P e t
σ=⋅ (4.11)
式中 F ——锚杆的断面积；
σ——锚杆的抗拉强度；
e 、t ——锚杆的纵向及横向间距。

将数据代入(4.11)式可得：
6
3335380.110'0.199MPa 0.80.8
F P e t σ-⨯⨯===⋅⨯
2.锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁之间的粘结力不足而破坏。

这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力：
3'S
P e t =
⋅ (4.12)
s S Dl πτ= (4.13)
式中 S ——锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力；
D ——钻孔直径，在此设计中取100D mm =； I ——锚固段长度，为3.5m ；
s τ——孔壁与注浆体之间极限粘结强度，取0.65s Mpa τ=；
将数据代入(4.13)式可得：
kN 10714.065.05.31.03⨯=⨯⨯⨯=πS
将数据代入(4.12)式可得：
3
30.71410' 1.12MPa 0.80.8
P ⨯==⨯
两者取较小值，则锚杆提供的平均径向支护抗力为：
3'0.199MPa P =
由于在α～θ0范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则：
()()3301
'
cos cos cos 1
0.199cos57cos 73.3cos570.094MPa
P P αθα
=-=⨯⨯︒-︒︒
=
4.3.4 围岩本身提供的支护抗力P 4值
剪切滑移体滑动时，围岩在滑移面上的抗滑力，其水平方向的分力在剪切区高度b/2上的抗滑力P 4为：
n 42'sin 2'cos n S S P b b
σψ
τψ=
- (4.14)
式中
S'——剪切滑移面长度；
τn 、σn ——分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力。

()()0tan5773.357tan576.23'11 4.08m sin sin 57a S e e θαα-︒︒-︒⨯︒⎡⎤⎡⎤=-=-=⎣⎦⎣⎦︒
剪切滑移曲面半径：
()()tan 73.357tan576.239.65m r a e e θαα-︒-︒⨯︒=⋅=⨯=
n τ、n σ按摩尔包络线为直线时的假定求出(见图4.2)： 13
n cos 2
σστϕ-=
(4.15) 1313
sin 2
2
n σσσσσϕ+-=
-
(4.16)
()13
-cos tan 2
n c σσϕσϕ=+
(4.17)
由(4.15)~(4.17)式可得：
[]
1331sin 2tan cos c ϕ
σσσϕϕ
+=++ (4.18)
图4.2 包络线图
最小主应力σ3随剪切滑移面位置而变化，难以确定，所以假定3σ等于各支护结构所提供的径向支护抗力之和：
3123'''P P P σ=++
(4.19)
式中 P 1'——喷混凝土层提供的径向支护抗力；
P 2'——钢支撑提供的径向支护抗力；
P 3'——锚杆提供的径向支护力。

将数据代入上式可得：
3123'''0.7940.1200.199 1.113MPa P P P σ=++=++=
()11sin 241.11320.150.824tan 24 2.7MPa
cos 24σ+︒
=+⨯+⨯︒⨯=︒
将σ1、σ3代入(4.15)和(4.16)式得：
n 2.7 1.113cos 240.725MPa 2
τ-=⨯︒=
n 2.7 1.113 2.7 1.113sin 24 1.584MPa
22σ+-=-⨯︒=
将以上数据代入(4.14)可得：
42 4.080.725cos8.152 4.08 1.584sin8.150.593MPa 6.78 6.78
P ⨯⨯⨯︒⨯⨯⨯︒=-=
将P 1、P 2、P 3、P 4代入式(4.2)式可得：
12340.7850.1180.0940.593 1.59MPa P P P P P =+++=+++=
4.3.5 最小支护抗力值P min
按重力平衡条件方法求解。

塑性区岩体会随塑性径向位移的增长而形成松散区。

松散区的岩体在重力的作用下形成松散压力，为了保持坑道稳定，用支护力与它平衡(如图4.3)。

当处于受力极限平衡状态时，所求得的支护抗力即为P min 。

当滑移体处于受力极限平衡状态时
（4.24）
)
()(0min 0min a r a r b bh G G
b -=P -===P γγ
γ
图4.3 开挖支护后隧道受力分析图
由卡斯特纳公式得：
（4.25）
则
1
(1)0min
22(1)1(1)c c p P a ξσξγσξ-⎧⎫⎡⎤+-⎪⎪=-⎨⎬⎢⎥
+⎣⎦⎪⎪⎩⎭
（4.26） 式中：
——为围岩的重度，此处为Ⅴ级围岩，取γ=20KN/m 3
0p ——为初始应力，设处于均质岩体中，则20200.40MPa y h σγ==⨯=
——塑性系数
——岩石单轴抗压强度
1sin 1sin 24 2.371sin 1sin 24
ϕξϕ++=
==--
2cos 20.15cos 24
0.462a
1sin 1sin 24c c ϕσϕ⨯⨯=
==MP --
将数据带入式中得
()()()
11
001122-⎥⎦
⎤⎢
⎣⎡+-+=ξξσξσc c p a r γξc σ。