隧道洞门及衬砌设计 精品.docx

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《地下工程》课程设计报告二

设计题目：

隧道洞门及衬砌设计

说明：

本次《地下工程》课程设计任务书，依据重庆交通大学的课程设计有关要求、地质工程专业的课程设计指导办法编制，主要用于河海学院学院地质工程专业《地下工程》课程设计的任务安排，是地质工程专业学生完成课程设计的依据文件之一。

进行《地下工程》课程设计的学生应认真阅读、理解本设计任务书，完成本任务书所要求的课程设计任务。

本次《地下工程》课程设计任务书按照有关要求包括以下二个部分。

第一部分：

课程设计的目的、内容、任务与工作准备

第二部分：

课程设计成果及要求

第一部分课程设计的目的、内容、任务与工作准备

一、课程设计的题目及意义

本次课程设计为《地下工程》课程设计。

课程设计的题目为：

隧道洞门及衬砌设计。

课程设计的意义：

结合学生课堂学习内容，根据地下工程的实际要求，加深对所学知识的认识，提高应用所学知识解决实际问题的能力。

二、课程设计的目的

本次课程设计要通过资料收集、方案选择、结构受力分析、结构设计等过程，达到加深对《地下工程》所学知识认识的目的，并对《地下工程》所学的知识进行总结和应用，学会理论联系实际，解决实际问题的能力。

并通过课程设计环节，锻炼实际工作能力。

三、课程设计的内容

本次课程设计包括两个方面内容——隧道洞身的设计和隧道洞门的设计。

课程设计内容应具备：

隧道横断面设计，隧道衬砌的设计，隧道洞室防排水设计，隧道开挖及防排水方案，洞门的相关设计，相关图纸。

四、课程设计的任务

1.通过资料收集、整理，确定所选项目的设计依据、工程概况等。

2.洞身包括衬砌的计算。

3.洞门计算和验算。

4.提交课程设计成果。

五、课程设计的工作准备

1．按照本任务书制定课程设计的工作计划,依据本设计任务书对时间进行有效安排。

2.为课程设计工作进行准备，比如提前安排好电脑的使用、网络的使用、调查计划的执行、图书资料的查阅等。

3.充分利用已有条件，根据课程设计的要求进行资料收集和数据收集工作。

4.做好其它学习工作安排，并保证课程设计的顺利实施。

第二部分课程设计成果

一、设计依据

1、现场踏勘情况及对工程环境的调查研究；

2、国家现行有关建筑法律法规；设计规范、标准等。

3、参考规范：

《建筑结构荷载规范》（GB50009-20XX）（20XX年版）

《公路隧道设计规范》（JTGD70—20XX）

《隧道工程》王成人民交通出版社 

覃仁辉 主编,《隧道工程》,重庆大学出版社,20XX.12;2. 

王毅才 主编,《隧道工程》,人民交通出版社,2000.8;

JTG042-94 公路隧道施工技术规范,人民交通出版社,1995.8; 

张庆贺、朱合华编著，土木工程专业指南“隧道及地下工程分册”，中国水利水电出版社，1999.4

本课《地下工程》教材

二、设计资料

该隧道取自“某某隧道隧道设计”进口段，公路等级为Ⅱ级，双车道。

该隧道段通过Ⅲ级围岩。

埋深15m，隧道围岩天然容重是23.8KN/m3。

对于洞口洞门设计与验算资料：

地基土的摩擦系数为0.65.地基土的容重为17KN/m3.地基容许承载力σ0=600KPa.

三、隧道洞身设计

1、隧道横断面设计

1.1公路隧道建筑限界的确定

根据此公路为双车道Ⅱ级，围岩Ⅲ级，据《公路隧道设计规范》选取隧道公路基本限界基本值如下：

H建筑限界高度取5m;h检修道或人行道的高度取25cm;W行车道高度3.5x2m;L左、右侧向宽度0.5m;C余宽取0；R人行道或检修道J的宽度取1m;E建筑界线左右顶角宽度E=L=1m（当L（右）≤1m时E=L（右），当L>1m时E=1m）;隧道限界净宽：

7+0.5x2+1x2=10（m）。

设计行车速度为60km/h。

具体建筑限界设计图如2.1所示：

1.2隧道内轮廓线的确定

本隧道为Ⅲ级围岩隧道，一般不产生较大的侧压力，不需设仰拱，可以采用直墙，此时隧道的净断面积最小，便利施工，还能减少墙部开挖量。

如图2.2所示。

在建筑限界以上设置射流风机，高度取1.1m，取施工允许误差0.1m。

根据《公路隧道设计范围》，并结合实际情况，本隧道作图法确定公路隧道直墙式衬砌断面内轮廓线。

其中，建筑界限外富余量0.1m，路面以下预留厚度0.5m.

1.3衬砌结构主要尺寸初步拟定

在经验的基础上，施工和安全等综合考虑，边墙和拱顶均采用等截面衬砌设计，按照三级围岩的坚固系数值

值取10，拱顶衬砌厚度

拟定为40cm。

边墙同样为40cm.路面以下设置厚50cm。

最终确定公路隧道横断面图见附图2.1。

2、隧道衬砌设计

2.1隧道衬砌解析半衬砌法进行内力计算

（1）计算图示、基本结构及正则方程

（a）（b）

图2.3半衬砌基本结构及约束

（a）计算简图（b）基本结构

按拱顶切开处的截面相对变位为零的条件，课建立如下正则方程式：

（2-1）

式中：

--单位变位

--荷载变位

--拱圈矢高

--拱脚截面的最终转角和水平位移。

——弹性抗力

σ引起的拱顶切口处相对角变与相对水平位移

由结构力学求变位的方法得：

（2-2）

如果式（2-1）的各变位都能求出，则可用结构力学的方法解算未知力

此时，拱圈内力即可算出多余未知力X1和X2，进而求出拱圈内力.

（a）

（b）

图2.4（a）直墙拱（b）计算简图

2.2隧道埋深的确定及围岩压力的计算

设计要求埋深为

=15m，则天然拱高度

0.45*2²*[1+0.1*（11-5）]=2.88（m）

有效高度影响系数取α=2.2，

故可判断为深埋隧道。

所以，对于高跨比

的围岩，其竖向围岩松动压力为：

由于是Ⅲ级围岩，侧压力系数在0～0.15范围。

又因为计算的知此边墙属于长梁，故可将水平均布压力为0。

2.3隧道衬砌方案的拟定

参考《公路隧道设计规范》，本设计为双车道60km/h限速的二级公路，采用直墙式等截面整体式衬砌。

最终确定内、外轮廓线以及衬砌的尺寸见附图1-2

深埋隧道外层初期支护，根据《规范》规定及实际情况，采用一般简易的C20喷射混凝土，且厚度为10cm。

防水板：

采用塑料及无纺布，且无纺布密度为300g/m^2，防水板应采用满铺的满铺的EVA板防水层，厚度为2mm，搭接长度为200mm。

衬砌：

根据《公路隧道设计规范》，采用25号模筑防水混凝土，厚度为60cm。

3、隧道洞室防排水设计及方案

隧道防排水设计遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理“的原则，采用完整的防排水体系，使隧道内防水可靠，排水通畅，保证运营期间隧道内不慎不漏，基本干燥。

3.1隧道洞内防排水

在初期支护与二次衬砌之间设置PVC防水板（2mmEVA防水板+300g/m²无纺土分布）防水，并实现无钉铺设：

并采用半圆排水管，EVA排水管等形成完善的防排水系统。

隧道衬砌排水是在初期支护与防水层之间设置环向半圆排水管，环向半圆排水管设置间距5~10m，纵向排水管采用EVA波纹管，设置在洞内初期支护边墙脚，沿隧道两侧，全隧道贯通，环向半圆排水管沿隧道拱背环向布设将水排纵向PVC波纹管，然后通过EVA塑料排水管将水导入隧道底部φ30中央排水管，引水至洞外排水沟。

在遇有地下水较大地段、集中渗水地段及在喷层中如遇较大渗水地段，应加设半圆排水管将水导入纵向排水管。

隧道路面采用双面坡，路面水通过开口流入缝隙管，缝隙管设在两侧，洞内缝隙管主要排放消防及清洗水，使衬砌背后围岩水与污染水分离排放。

隧道中央排水管设置了沉沙井、检查井，边墙脚纵向排水管设置了检查井，使隧道排水设施具有了可维修性。

隧道如遇涌水地段，应对于可能发生涌水的地段采用堵水处理，根据国内外堵水经验和隧道的具体情况，在采用超前探水等物理勘探手段，查明隧道前方地下水分布状况及水量后，适时采取预注浆，将大量水尽可能封堵在围岩内，使隧道开挖后不出现大量涌水，为隧道后续施工创造条件，以确保隧道施工能安全、按时完成。

3.2施工缝、变形缝防水

本隧道变形缝设置EVA背贴式止水带加中埋式橡胶止水带，两道防水，且嵌缝材料要求防水。

环向施工缝具体可根据施工情况进行调整，环向施工缝设置EVA背贴式止水带加橡胶止水条，两道防水。

仰拱与边墙施工缝应设置在电缆沟盖板以下。

施工时应注意防水板搭接，排水管预埋、止水带安装、注浆管预埋等等，如遇安装位置不合适时，应作适当调整。

3.3隧道洞口防排水

隧道开挖前应做好防排水处理工作。

如山顶、坡面低洼或沟槽应整平并做好排水设施。

结合洞口的地形情况，设置洞门墙排水沟以及在洞顶仰坡上方设置截水沟，防止雨水对坡面、洞口的危害，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞外排水系统。

具体防水措施：

在初期支护与二次衬砌之间铺设2.0mm厚的EVA板防水层和密度控制在300g/㎡以上的无纺布，注意的是在施作防水板之前，要保证混凝土表面平顺，无尖点及钢筋露头。

路面结构下设φ300纵向中心水沟，侧边设宽50mm、深30mm的纵向凹槽；在衬砌两侧边墙背后底部设φ100的纵向排水盲管，纵向排水盲管由φ100的A类横向导水管和φ150的B类横向导水管与中央排水沟连接。

对于二次衬砌施工缝、沉降缝等薄弱环节，因此除按施工规范要求处理外，还应进行精心的设计，采用合适的防水材料和构造形式。

可在防水板下面添加一层背贴式止水带，并在施工缝处添加止水条。

隧道二次衬砌混凝土防水等级要大于

。

二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式如附图所示。

4、隧道开挖施工方案

4.1隧道施工方法

该隧道为Ⅲ级围岩隧道，根据设计要求采用新奥法。

选择正台阶法（短台阶）开挖。

上层台阶超前施工，施工时首先掘进上部弧形断面（高2.5m），然后逐一挖掘下面各层。

该施工方法工序较少、干扰小，上台阶孔可于下台阶出渣平行作业，最适合于采用锚喷作为永久支护的隧道开挖。

开挖时局部临时支护。

此法的缺点是上下部作业有干扰；作业时应注意下部作业对上部稳定性的影响。

台阶开挖注意事项：

①台阶长度要适当；

②解决好上、下半断面作业的相互干扰问题

③下部开挖时，应注意上部的稳定；

④上部开挖时，因临空面较大而使爆破坡度过大，应采取密布炮孔。

采用先拱后墙时，必须控制下部开挖厚度和爆破用药量，避免损伤拱圈；

⑤采用光面爆破，尽量降低对围岩的扰动。

4.2施工顺序：

测量布眼→钻土导坑炮眼→上部开挖→上部初期支护→台车钻下导坑炮眼→下部开挖→下部初期支护→防水层施工→仰拱施工→二次衬砌（模筑砼）→管沟施工→路面施工。

4.3洞口施工

（1）洞口土石方施工采用人工配合挖掘机分两次开挖，第一次开挖至起拱线位置，待拱顶以上边仰坡防护措施完成后，进行起拱线以下部分开挖。

（a）施工前，按设计进行测量放线，标出起拱线位置及拱脚开挖宽度并用红油漆作出明显标志后，进行开挖作业。

（b）开挖前按要求施作洞口仰坡截、排水系统，然后用挖掘机从上至下逐层顺坡开挖，并用自卸汽车运至弃碴场弃置。

（c）洞口开挖成型后，及时施作锚喷及边坡防护，稳定边坡。

（2）洞身开挖施工方法

（a）挂齿进洞方法

为保证隧道进洞施工安全，进洞前，安装型钢支架、关模并浇筑套拱混凝土，然后施作超前管棚注浆加固围岩。

采用弧形导坑法进洞，用挖掘机为主要开挖机具。

进洞后，转换工序，进行洞内Ⅲ级围岩施工。

隧道洞口开挖面呈多向受力状态，容易发生坍塌事故，为保证隧道坡口时施工安全和结构稳定，设超前管棚注浆加固围岩。

大管棚采用DP120型跟管钻机钻管孔，将加工好压浆孔钢管随钻头跟进孔内，用丝扣接长钢管，确保管孔位置正确，避免“沉头”和串孔。

加快各工序的施工进度，及时封闭。

及时成环，喷砼加厚。

对于新奥法施工需要增加10cm的超挖量，最终确定实际开挖线。

而施工中，很难掌握刚好达到实际开挖平均线，按设计要求，所有超挖部分都要用片石回填密实。

四、隧道洞门的设计

1、端墙式隧道洞口尺寸的设定及计算

1.1拟定尺寸、确定参数

设计洞口形式为端墙式洞口，端墙为直墙，墙厚1.8m，洞口为挡墙垂直,坡比1:

0.5，高端11低端为7m，仰坡坡脚至端墙背的水平距离1.5m.

计算参数：

仰坡坡度；1:

0.5

仰坡坡角；

，tan

，

地层溶洞

KN/m³

地层计算摩擦角

洞门地基土摩擦系数0.65

地基容许承载力

1.2建筑材料的容重和容许应力D计算

墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石强度等级为Mn100,水泥砂浆的强度等级为M10。

容许压应力的计算：

最危险滑裂面与垂直面之间的夹角w=arctan0.2658=14.89°

土压力为：

土压力按下式计算：

KN

墙背摩擦角取

：

墙体自重按下式计算：

KN

2、洞门作为重力式挡土墙的验算

2.1稳定性及强度验算：

根据公式

Ex对墙趾的力臂：

Ey对墙趾的力臂：

G对墙趾的力臂：

代入上式得：

故抗倾覆稳定性满足要求

2.2抗滑动验算

对于水平基底.

Kc=

故抗滑稳定性满足要求。

2.3基底合力偏心距验算：

设作用于基底的合力法向分为

其对墙趾的力臂为2N,合力偏心距为e.则：

合力作用线在中心线右侧

计算满足要求。

，[σ]为基底控制压应力,计算结果满足要求。

2.4墙身截面偏心距及强度验算：

（1）墙身截面偏心距e

计算结果满足要求。

（2）应力

满足墙身截面强度的要求。

通过以上验算，说明洞门的尺寸合理，详图附图2。