隧道课程设计

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3.75×2m

C —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1.0×2m

H —建筑限界高度；取为5.0m2L L —左侧向宽度；取为1.0m

R 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1.0m

h —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。 初次衬砌：采用C25喷射混凝土，厚度为14.8cm 。

防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为300g/m2,防水板应采用铺满的EV A 板

防水层，厚度为2.0mm ，搭接长度为150mm 。 二次衬砌：根据《公路隧道设计规范》，采用C25号模筑防水混凝土，厚度为35cm 。 整个衬砌厚度为14.8+0.2+35=50cm 。

3.2隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算

隧道的内轮廓尺寸为B=12.37m ，H=13.69m

因为IV 级围岩需要预留变形量，查《公路隧道设计规范》8.4.1知IV 级围岩需预留变形量为50-80mm ，衬砌厚度为50cm ，又每侧超挖量为10cm ，故隧道的近似开挖尺寸为：

14.97m

0.080.120.5213.69H 13.65m 0.080.120.5212.37B t t =+⨯+⨯+==+⨯+⨯+=

由于是IV 级围岩q p 2.5h H =

p H —深浅埋隧道的分界深度

ω⨯⨯=1-S q 20.45h

q h —等效荷载高度

ω—跨度影响系数；)5(1-+=t B i ω

i —围岩压力增减率，当15m -5B t =取i=0.1

m 714.6)]565.13(1.01[20.4520.45h 1-41-S q =-⨯+⨯⨯=⨯⨯=ω

16.785m 6.7142.52.5h H q p =⨯==

埋深m 785.16H 30H p =>=故为深埋隧道。 又

7.11.113.65

14.97B H t t <== 可用公式q h q γ=计算均布垂直压力：

2q /154.426.71423h q m kN =⨯==γ

因为该隧道围岩级别为IV 围岩水平均不压力为：

251.47kN/m -25.74q 3

1-61e ==）（

4衬砌结构内力计算

4.1基本资料

公里等级 高速公路 围岩级别 IV 级

围岩容重 r=23KN/m 3

弹性抗力系数 K=0.18×106KN/m 变形模量 6GPa E = 材料容重

3h /22m KN =γ

材料变形模量 25G pa E h = 衬砌厚度 d=0.5m

图3 衬砌结构断面图

4.2荷载的确定

4.2.1围岩压力的确定

隧道的内轮廓尺寸为B=12.37m ，H=13.69m

因为IV 级围岩需要预留变形量，查《公路隧道设计规范》8.4.1知IV 级围岩需预留变形量为50-80mm ，衬砌厚度为50cm ，又每侧超挖量为10cm ，故隧道的近似开挖尺寸为：

14.97m

0.080.120.5213.69H 13.65m 0.080.120.5212.37B t t =+⨯+⨯+==+⨯+⨯+=

由于是IV 级围岩q p 2.5h H =

p H —深浅埋隧道的分界深度

ω⨯⨯=1-S q 20.45h

q h —等效荷载高度

ω—跨度影响系数；)5(1-+=t B i ω

i —围岩压力增减率，当15m -5B t =取i=0.1

m 714.6)]565.13(1.01[20.4520.45h 1-41-S q =-⨯+⨯⨯=⨯⨯=ω

16.785m 6.7142.52.5h H q p =⨯==

埋深m 785.16H 30H p =>=故为深埋隧道。 又

7.11.113.65

14.97B H t t <== 可用公式q h q γ=计算均布垂直压力：

2q /154.426.71423h q m kN =⨯==γ

考虑一衬后的围岩释放变形折减系数0.4

361.768KN/m 154.420.4q =⨯=

4.2.2衬砌自重

2h n 0/1122)5.05.0(2

1d d 21g m KN =⨯+⨯=⨯+⨯=γ）（

（1）全部垂直荷载

q=61.768+11=72.768KN/m 2 （2）围岩水平均布压力 e=0.4×72.768=29.1KN/m 2

4.3衬砌几何要素

4.3.1衬砌的几何尺寸

内轮廓线半径： 5.6m r 9.47m r 21==，

内径21r r ，所画圆曲线端点截面与竖直轴线的夹角：

o 2o 15864==αα，

拱顶截面厚度0.5m d 0=，拱底截面厚度0.5m d n =

4.3.2半拱轴线长度S 及分段轴长

16.77m )2

0.5

5.6(1803.1458)20.59.47(1803.1464S =+⨯⨯++⨯⨯=

将半拱轴长度等分为8段，则

2.1m 8

S

S ==

∆