隧道洞门设计.docx
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隧道洞门设计
**隧道端洞门设计
一，技术标准及执行规范
1.技术标准
设计行车速度：
40km/h
隧道主洞建筑限界净宽：
1.50+0.25+2×3.5+0.25+1.50=10.50m
隧道建筑限界净高：
5.0m
路基宽：
8.5m
2.遵循规范
《公路工程技术标准》JTGB01-2003
《公路隧道设计规范》JTGD70-2004
《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999
《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89
《锚杆喷射混凝土支护技术规范》GB50086-2001
《地下工程防水技术规范》GB50108-2001
二、工程概况
根据隧道需风量分析确定，本隧道采用自然通风。
隧道内的供电照明负荷和应急照明按一级负荷考虑。
1、地形、地貌
隧道区地貌属于丘陵低山地貌。
隧道地处山体的左侧山坡地段，地形起伏较大，山高坡陡，山体走向近SN向，隧道走向与其基本平行。
在隧道的进出口地段发育路线走向呈小角度相交的小冲沟，呈“U”字型沟谷。
隧道轴线通过路段地面标高222～310m，相对高差约88m，隧道顶板上覆围岩最大厚度约87.0m。
地形坡度25～55°左右。
山坡植被稀少，主要为灌木丛，坡面多出露基岩。
隧道通城端洞口段地处冲沟附近的G106底下，地形较平缓，覆盖层较厚，洞口轴线与地形等高线呈小角度相交。
黄泥界端洞口段地处SN向冲沟内的G106底下，地形较缓，基岩裸露，洞口轴线与地形等高线呈小角度相交。
2.围岩分级
根据野外地质调查结合岩块室内岩石试验成果可知，该隧道片岩和花岗岩均为强风化，饱和抗压极限强度Rb小于30Mpa，为软质岩，岩石抗风化能力弱。
根据计算结果，强风化片岩和花岗岩围岩分级均为Ⅴ级。
3.水文地质
根据调查，隧道区的山体上未发现地表水体，亦未发现地下水出露点。
根据钻孔内抽水试验可知：
其地下水量<0.20t/d，但雨季受降雨影响，地表水将沿陡裂隙下渗，富集在F断层内，严重影响洞室的稳定，施工时应特别注意。
根据《公路工程地质勘察规范》（JTJ064-98）附录D，隧道区地下水及地表水对混凝土结构均无腐蚀性。
详细分析结果见工程地质报告。
三、洞门设计步骤
《公路隧道设计规范》关于洞口的一般规定：
1、洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、营运要求，通过经济、技术比较确定。
2、隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。
3、洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟及截水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。
4、洞门设计应与自然环境相协调。
1确定洞门位置
1.1洞口位置的确定应符合下列要求：
1、洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。
2、洞口位置应设于山坡稳定、地质条件较好处。
3、位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。
4、跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。
5、漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。
6、洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。
7、洞门宜与隧道轴线正交；地质条件较好；做好防护；设置明洞
1.2洞口地质条件
根据野外地质调查结合岩块室内岩石试验成果可知，该隧道片岩和花岗岩均为强风化，饱和抗压极限强度Rb小于30Mpa，为软质岩，岩石抗风化能力弱。
洞身发育F次生小断层，受其影响岩石中节理裂隙发育，岩石特别破碎，围岩受地质构造影响程度较重～严重。
隧道地段节理裂隙较发育，2组节理裂隙平面上呈棱行，较规则，与区域地质构造方向一致，多数间距1～2m，多为微张～张开型，无充填，岩体被切割呈块状、片状。
1.3隧道净空与限界的基本概念
隧道净空：
隧道衬砌内轮廓线所包围的空间，根据“隧道建筑限界”确定的。
隧道建筑限界：
为了保证隧道内各种交通的正常运行与安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间范围。
图3.1公路隧道建筑限界（单位：
cm）
H-建筑限界高度；W-行车道宽度；LL-左侧向宽度；LR-右侧向宽度；C-余宽；J-检修道宽度；R-人行道宽度；h-检修道或人行道的高度；EL-建筑限界左顶角宽度，EL=LL；ER-建筑限界右顶角宽度，当LR≤1m时，ER=LR,当LR＞1m时,ER=1m建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m。
当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。
3.2.2检修道和人行道的设计
高速公路和一级公路隧道内应设置检修道。
其它等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。
检修道或人行道宜双侧设置；检修道或人行道的宽度按表3.1规定选取；检修道或人行道的高度可按20—80cm取值，并综合考虑以下因素：
1、检修人员步行时的安全；
2、紧急情况时，驾乘人员拿取消防设备方便；
3、满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求。
表3.1公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度（m）
公路
等级
设计速度
（km/h）
车道宽度
（W）
侧向宽度
余宽C
人行道R
检修道J
隧道建筑净宽
左侧LL
右侧LR
左侧
右侧
设检修道
设人行道
不设人行道、检修道
高速公路一级公路
120
3.75×2
0.75
1.25
0.75
0.75
11
100
3.75×2
0.5
1
0.75
0.75
10.5
80
3.75×2
0.5
0.75
0.75
0.75
10.25
60
3.50×2
0.5
0.75
0.75
0.75
9.75
二级公路三级公路四级公路
80
3.75×2
0.75
0.75
1
11
60
3.50×2
0.5
0.5
1
10
40
3.50×2
0.25
0.25
0.75
9
30
3.25×2
0.25
0.25
0.25
7.5
20
3.00×2
0.25
0.25
0.25
7
注：
①三车道隧道除增加车道数外，其它宽度同表；增加车道的宽度不得小于3.5m。
②连拱隧道的左侧可不设检修道或人行道，但应设50cm（120km/h与100km/h时）或25cm（80km/h与60km/h时）的余宽。
③设计速度120km/h时，两侧检修道宽度均不宜小于1.0m；设计速度100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1.0m。
隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡。
坡度应根据隧道长度，平、纵线形等因素综合分析确定，采用2.0％。
当路面采用单面坡时，建筑限界底边线与路面重合；当采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处。
隧道内轮廓设计除应符合隧道建筑限界的规定外，还应满足洞内路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装空间，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合安全、经济、合理的原则。
隧道内路侧边沟应结合检修道、侧向宽度、余宽等布置，其宽度应小于侧向宽度，并布置于车道两侧。
1.3确定洞门类型
洞门是用以保护洞口、排放流水并加以建筑装饰的支挡结构物。
它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进出口的标志。
对于铁路隧道，隧道的场地就是其进出口洞门墙外表面与线路内轨顶面标高线交点之间的距离。
此外，洞门是隧道的咽喉，也是隧道的外露部分，在保证安全的同时，还应根据实际情况，选择适合的洞门形式，并应适当进行洞门美化和环境美化。
洞门的作用有以下几方面：
一、减小洞口土石方开挖量
二、稳定边仰坡
3、引离地面流水
1.4装饰洞口
根据洞口地形、地质及衬砌类型等不同的情况和要求，洞门结构主要有以下两大类型：
一、隧道门-隧道门指修建在不设明洞的隧道洞口的支挡结构物，包括环框时洞门、短墙式洞门、翼墙式洞门、柱式洞门、台阶式洞门、斜洞门和耳墙式洞门等。
二、明洞门-明洞门主要配合明洞结构类型设计，明洞有拱形明洞和棚洞之分，相应明洞门也分拱形明洞门和棚式明洞门两大类。
棚式明洞门并不单独设置，通常在棚洞洞口端横向顶梁上加设端墙，以拦截落石，避免其坠入线路影响行车安全。
1.4洞门形式的选择
按分类，姜源岭隧道K33+975端洞门，基本服从于路线走向，路线与地形等高线基本正交，洞门按受力结构设计。
洞门形式结合实际地形、地质情况选定。
根据洞门所处地段的地形地貌及工程地质条件，遵从“早进洞，晚出洞”的设计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，因此本隧道洞口采用端墙式洞门，洞门简图见图3.1。
3.1端墙式洞门侧面
1.5洞门构造要求
按《公路隧道设计规范》（JTG-2004）,洞门构造要求为：
1、洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m。
2、洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔；洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定。
3、洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够深度，保证洞门的稳定。
基底埋入土质地基的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。
基底埋置深度应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。
2.洞门结构设计计算
2.1、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KO
≥1.3
基底应力σ
≤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
2.2计算参数
计算参数如下：
计算参数如下：
（1）边、仰坡坡度1:
1；
（2）仰坡坡脚ε=63.5°，tanε=2，α=6°；
（3）地层容重γ=20kN/m3;
（4）地层计算摩擦角φ=70°；
（5）基底摩擦系数0.4；
（6）基底控制应力[ζ]=0.8Mpa
2.3建筑材料的容重和容许应力
（1）墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为Mu100，水泥砂浆的强度等级为M10。
（2）容许压应力[ζa]=2.2MPa，重度γt=22KN/m3。
2.4洞门各部尺寸的拟定
根据《公路隧道设计规范》（JTJ026-90），结合洞门所处地段的工程地质条件，拟定洞门翼墙的高度：
H=12m；其中基底埋入地基的深度为1,0m，洞门翼墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度1.38m，洞门翼墙与仰坡间的的水沟深度为0.5m，洞门墙顶高出仰坡坡脚0.7m，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为1.5m，墙厚2.0m，设计仰坡为1:
1
最危险滑裂面与垂直面之间的夹角：
（4.1）
式中:
——围岩计算摩擦角;
ε——洞门后仰坡坡脚；
α——洞门墙面倾角
将数值代入式（4-1）可得：
=0.266
故：
ω=14.9；
根据《公路隧道设计规范》（JTG—2004），土压力为；
（4.2）
（4.3）
（4.4）
式中:
E——土压力（KN）;
——地层重度（KN/m3）
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=1.0m；
ξ——土压力计算模式不确定系数，可取ξ=0.6。
把数据分别代入式（4-2）、（4-3）、（4-4），得：
由三角关系可得：
h0=1.5m
洞门土压力E：
（4.5）
=57.6KN
式中：
δ——墙背摩擦角
=30°
2.5抗倾覆验算
计算图示如图3.3所示，挡土墙在荷载作用下应绕O点产生倾覆时应满足下式：
（4.6）
式中:
K0——倾覆稳定系数，
；
——全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩；
——全部水平力对墙趾O点的稳定力矩；
由图4.3可知：
墙身重量G：
1.5*12*22*11=396KN
Ex对墙趾的力臂：
Zx=3.92m
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
2.6抗滑动验算
对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性：
（4.7）
式中:
Kc——滑动稳定系数
——作用于基底上的垂直力之和；
——墙后主动土压力之和，取
=Ex；
F——基底摩擦系数，取f=0.4
由图3.3得：
>1.3
故抗滑稳定性满足要求
2.7基底合力偏心矩验算
设作用于基底的合力法向分力为
，其对墙趾的力臂为ZN，合力偏心矩为e，则：
合力在中心线的右侧。
计算结果满足要求
基底控制应力=0.6MPa，计算结果满足要求
2.8墙身截面偏心矩及强度验算
1、墙身截面偏心矩e
（4.8）
式中：
M——计算截面以上各力对截面形心力矩的代数之后；
N——作用于截面以上垂直力之后。
将数据代入墙身偏心矩E的公式，可得：
说明洞门的尺寸合理。
详图见设计图纸。
四、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40km/h限速的三级公路，采用整体式衬砌。
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。
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。
5、洞门排水设计
隧道防水排水设计原则
隧道防排水应遵循“防，排，截结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全。
隧道防排水设计应对地表水，地下水妥善处理，洞内外形成一个完整的防排水系统。
“防”即要求隧道衬砌，防水层具有防水能力，防止渗水入洞内。
“排”即隧道应有畅通的排水设施，将衬砌背后，路面结构层下的积水排如洞内中心排水沟或侧边沟。
“截”是设置截水沟等设施，截走易渗入带隧道的地表水。
“堵”是针对隧道围岩有渗漏水的地段，采用注浆，喷涂，堵水墙等方法，堵在岩体内。
1、高速公路的隧道防排水应满足下列要求
（1）拱部，边墙，路面，设备箱洞不渗水。
（2）有冻害的地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。
（3）车行横通道，人行横通道等服务通道拱部不滴水，边墙不趟水。
2、常用方法
（1）截水措施：
在地表水上游设置截水导流沟，地下水上游设置泄水洞或洞外井点降水。
（2）堵水措施：
喷射混凝土堵水，塑料板堵水，混凝土衬砌堵水，注浆堵水。
（3）排水措施：
利用盲沟，泄水管，渡槽，中心排水沟或排水侧沟等将水排出洞外。
对洞口段地表水采用以截为主，排，堵，截结合的原则，在洞口山坡上设置截水天沟，尺寸大小为60cm×60cm。
洞门顶部设置排水沟，尺寸大小为50cm×50cm，边墙设纵向透水软管，使洞内外形成一个完整的排水体系。
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