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隧道工程课设

隧道工程》课程设计

一、课程设计任务书

（一）设计题目

《成都至泸州高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算》

（二）提供资料

1、《成都至泸州高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告》

2、成都至泸州高速公路二峨山隧道平面布置图

3、成都至泸州高速公路二峨山隧道剖面

（三）设计内容

⑴隧道围岩地质分级

⑵确定围岩物理力学参数

⑶确定隧道建筑限界尺寸

⑷确定隧道内轮廓尺寸

⑸计算隧道围岩压力

⑹衬砌结构的设计

⑺计算衬砌结构的内力

⑻衬砌结构的配筋计算

（四）设计要求

⑴计算书要求书写工整、数字准确、图文并茂。

⑵制图要求所有图线、图例尺寸和标注方法均应符合新的制图标准，图纸上所有汉字和数字均应书写端正、排列整齐、笔画清晰，中文书写为仿宋字。

⑶成果内容

1详细的计算过程；

2必要的计算说明；

3计算成果图表（围岩分级表、围岩参数表、建筑限界尺寸图、隧道内轮廓尺寸

图、隧道围岩压力计算成果示意图、复合衬砌支护参数图、衬砌结构计算成果图、配

筋计算成果表）

（四）个人任务

学号

洞段

车道

设计时速

80人

5个洞段分别是K37+35LK37+46QK37+35LK37+46QK38+82LK38+990K38+99LK39+58QK39+58CPK39+71Q

4种车道：

两车道；两车道带紧急停车带；三车道；三车道带紧急停车带；

2种设计时速：

高速公路120公路/小时；高速公路100公路/小时；一级公路80公路/小时；一级公路60公路/小时；

二、课程设计指导书

（1）隧道围岩地质分级划分

隧道围岩级别划分依据《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）中的3.6节《围岩分

级》中各项规定进行划分。

结合《隧道地质勘察报告》中的地层岩性的描述、岩石物理力学性质、结构面特征、洞室埋藏深度、水文地质条件、不良地质现象、施工方法等因素综合分析确定。

工作步骤

隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，按以下顺序进行：

⑴根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ,综合进行初步分级。

⑵对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级的基础上考虑修正因素的影响，修正岩体基本质量指标值。

⑶按修正后的岩体基本质量指标]BQ],结合岩体的定性特征综合评判，按JTGD7—2004表3.6.5确定围岩的详细分级。

具体过程

围岩分级中岩石坚硬程度、岩体完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标及其对应关系应符合下列规定：

⑴岩石坚硬程度可按JTGD7—2004表3.6.2-1定性划分。

⑵岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度Rc表达。

围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标Rd值和Kv值按下式计算：

BQ=90+3R+250KV

式中：

BQ——围岩基本质量指标；

Rc――岩石单轴饱和抗压强度；

Kv——岩体完整性系数，采用弹性波速探测值。

式中：

％i为岩体弹性纵波波速;为岩石弹性纵波波速；

使用以上公式时应遵守下列限制条件：

1当Rd>90KV时，应以Ro=90K/+30和KV代入计算BQ值；

2当K/>0.04论0.4时，应以K/=0.04R+0.4和R：

代入计算BQ值。

围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正：

1有地下水；

2围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用；

3存在高应力。

围岩基本质量指标修正值]BQ]可按下式计算：

[BQ]=BQ-100（Ki+K2+K2）

式中：

[BQ]――围岩基本质量指标修正值；

Ki――地下水影响修正系数；

——主要软弱结构面产状影响修正系数。

K3――初始应力状态影响修正系数。

Ki、K2、K3按JTGD70-2004附录A中表A.0.2-1、表A.0.2-2、表A.0.2-3确定，围岩极

高及高初始应力状态的评估，可按附录A中表A.0.3规定进行

隧道围岩分级标准表

围岩级别

围岩或土体主要定性特征

围岩基本质量指标修正值

开挖后的稳定状态

坚硬岩，岩体完整，受构造影响轻微，巨整体状或巨厚层状结构，节理不发育，层间结合良好。

>550

围岩稳定，无坍塌。

坚硬岩，岩体较完整，块状或层状结构，层间结合一般。

较坚硬岩，岩体较完整，块状整体结构，层间结合一般。

550〜451

暴露时间长，可能产生局部小坍塌。

坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构，层间结合一般。

较坚硬岩或较软硬岩，岩体较完整，块状体或中厚层结构，层间结合一般。

450〜351

开挖后喷护处理。

坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；

较坚硬岩，岩体较破碎〜破碎，镶嵌碎裂结构，块状体或中厚层结构。

较软岩或较软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整〜较破碎，中薄层状结构。

350〜251

开挖后无支护，易产生顶部小块坍塌和侧壁失稳，应及时支护。

略具压缩的粘土或砂土，一般钙铁质胶结的碎石、卵石、大块石及Q、Q黄土。

较软岩，岩体破碎；软岩，岩体较破碎〜破碎；极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构。

<250

开挖后易坍塌，应立即支护和衬砌。

裂隙杂乱或全〜强风化壳；一般第四系的半干硬〜硬塑状粘性土及Q、Q黄土，呈松软结构；

稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土，呈松散结构。

软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂、软土。

开挖后极易坍塌变形。

（二）确定围岩物理力学参数

按照围岩级别，根据JTGD70—2004附录A中A.0.4的表A.0.4-1表选取各级围岩的物

理力学参数。

围岩级别

重度¥kN/tn3

弹性抗力系数k

MPa^n

■■

变形模量

GPa

泊松比

内摩擦角

粘聚力

MPa

计算摩擦角*Pc

□

26~28

1800~2800

>33

<0.2

>60

>2.1

>78

25~27

1200~1800

20~33

0.2~0.25

50~60

1.5~2.1

70~78

23~25

500~1200

6~20

0.25~0.3

39~50

0.7~1.5

60~70

20~23

200~500

1.3~6

0.3~0.35

27~39

0.2~0.7

50~60

17~20

100~200

1~2

0.35~0.45

20~27

0.05~0.2

40~50

15~17

<100

0.4~0.5

<20

<0.2

30~40

（三）确定隧道建筑限界尺寸

由任务书中给定的隧道长度、公路等级、行车道、设计车速、人行道与检修道的设置等设计基础信息，根据JTGD7—2004中的4.4节《隧道横断面设计》与JTGB0—2003公路工程技术标准中2.0.7公路建筑界限中对隧道工程的规定以及7.0.2与7.0.3中的各项规定进行戈U定。

重要规定有如下：

1、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。

2、高速公路、一级公路的隧道应在两侧设置检修道，其宽度等于或大于0.75m。

二、三级公路的隧道宜在两侧设置人行道（兼检修道），其宽度应等于或大于0.75m。

四级公路可不设人行道，但应保留0.25m的C值

3、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。

4、单车道四级公路的隧道应按双车道四级公路标准修建。

5、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

或人行道宜双向设置；检修道或人行道宽度按照表4.4.1规定选定，检修道或人行

道的高度可按20~80cm取值，并综合考虑一下因素；

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；

6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。

7、隧道长度分类

隧道长度分类

噬道分炎

特低隧道

隧道無度L

（tn）

L>3000

3000^L>1000

1000^L>500

L<-：

500

8、各级公路隧道建筑限界尺寸

｛］—建筑限界高度；用一行车道宽度；：

［―左侧向宽度；右侧向宽度；［―余宽；:

一检修道宽度；R—人行道宽度；卜厂检修道或人行道的高度；陰一建筑限界左顶角宽度，7二4；渝—建筑限界右顶角宽度，当Lr€比1时，M二Lr,

当：

】：

■I?

时N二心：

；长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带，紧急停车带应取3.5m，长度取40m；

（km/h；

側向宽度L

余宽C

Afrit

检修事J

瞇道偿範限界浄盘

左H

右何

左测

踐人行道

不设捋擦道*人行道

120

•

3.75x2

U.75

1*25

il5

0.75

1閃

3,75k2

（k別

1.00

（L75

0.7S

lit50

3.75x2

0,50

0.J5

0.75

0+75

10,25

3.50x2

0.50

0.75

0,75

0.75

9.75

二级签路

三级公魁

3,75x2

0.75

IK75

L,00

1L00

3.5Qk2

USD

山鮒

1.U）

飓00

0.25

0.75

9.00

3.2?

0.25

7.50

3.00x2

山乃

0.25

0.23

7.W

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

（四）确定隧道内轮廓尺寸

按照已经确定的公路隧道建筑限界尺寸，根据JTGD70—2004中附录B中关于两车道

（标准断面与紧急停车带断面）和三车道（标准断面与紧急停车带断面）的内轮廓尺寸规

^定。

两车道、三车道的隧道内轮廓标准断面形式由：

拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，

仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。

最终，要保障隧道内轮廓尺寸应将隧道建筑限界尺寸包括在隧道内轮廓中

图两车逍陡道标准内轮屎断面（单位;on）

砧标准断面止）紧急停车带斷直

址一设仰拱时起拱线与&的夹角；弟一隧道结构中心线与«的夹角；如=9沪一（&+时；&厂紧急停车带拱部圆弧半

径；04—半径为鬆的拱部圆弧段夹角；%—拱部与侧墙连接段圆弧半径；©5—半径与血的圆弧段夹角;

闍B.O.a:

车逍ISifi掃唯内轮騙断血］单位:

cm）

叮林莊断面fb）除急停车:

曙斷血

鑒一拱部圆弧半径；如一拱部与侧墙连接段圆弧半径；霍一侧墙圆弧半径；爲;一侧墙与仰拱连接段圆弧半径；悬一仰拱圆弧半径；；］,—路面至起拱线的高度；芯一侧墙结构高度；耳一设仰拱时的侧墙结构高度（侧墙与仰拱连接点至起拱线的高度）；一起拱线与愛的夹角；爲一设仰拱时起拱线与易的夹角；一隧道结构中心线与気的夹角；药；龙炉~彩冷€』；；也—半径为的拱部圆弧段夹角；层一半径与垃的圆弧段夹角；

（五）计算隧道围岩压力

隧道围岩压力荷载计算按照JTGD70-2004中6.2节“永久荷载”与附录E中的规定进行计算。

具体步骤按照：

①首先进行浅埋和深埋隧道的划界；②如符合JTGD70—2004的

附录E中规定属于浅埋隧道的，考察是否符合“埋深H_等效荷载高度.”和“埋深H.且久割/两种情况之一进行计算；③如符合JTGD7—2004的附录E中规定属于深埋隧道的，按照普氏方法进行计算。

1深、浅埋隧道的分界深度判定

判定公式为:

冏广冷沁沁

式中：

•，一浅埋隧道分界深度；.一荷载等效高度，行，为围岩重度；

-C.-L-：

花'：

f；S-围岩的级别；①一宽度影响系数，①=1+i（B-5）;B为无支护条

件下隧道毛洞宽度；i—B>5时取i=0.1，B<5时取i=0.2；

2浅埋隧道荷载

当埋深H_等效荷载高度I时：

垂直均布压力：

：

q一"弹:

乙

丫一隧道上覆围岩重度；H—隧道坑顶到地面距离；

侧向压力：

e=y（H+l/2Ht）tan2（45一（pc/2）

一.一隧道高度；■-—围岩计算摩擦角；

当埋深H：

'1且li时：

垂直均布压力--,

tanB-tan肌

tanp=tan（pc+

馆申[1+tanf（tantpe-tan6）+ifln（pctan9]

侧向梯形分布压力：

-；:

--：

各级围岩的「值

围岩级别

inm

8值

0.9-

（0.7〜0.9）-

（0.5~0.7）如

（0.3〜0.5）0.

j（ton*ip「+1]tancp匚片tantp^-taeiE

式中：

H—隧道坑顶到地面距离；h—隧道坑底到地面距离；—一围岩计算摩擦角；.为无支护条件下隧道毛洞宽度；

3深埋隧道荷载

按照普氏方法进行计算。

普氏系数：

一--■■■-二

塌落拱高度：

|----「

垂直均布压力：

r.=初

侧向梯形分布压力：

-=恤卅（45-（p/2j

^=y（h+H）tanz（45-（p/2）

式中，二一岩石单轴抗压强度；C—粘聚力；祥一内摩擦角；B—隧道宽度；H—隧

道高度；一围岩重度；

（六）衬砌结构的设计

衬砌结构设计按照复合式衬砌结构设计，参看JTGD70-2004中的842节内容。

先按照工程类比方法进行初步设计，然后根据结构计算进行验算，再作出适当调整。

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1.0-1,2

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扶、墙

聊1）x2U

挑•虬仰拱

.通过试脸，计算稱左

«84.2-2三车道隧道垠舍式村砌的设计参数

初期支护

二氐封砌厚度（OD）

境射KW±W度山同

锚fffm）

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—

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—

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—

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—

JIJ

10“15

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3.0-3+5

1,0-1.5

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@25x25

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「—

拱■.墙

氏U70

0.8-1.0

拱越

@20x2D

拱、墙、

仰洪

50.钢16

伽土

20-30

一

拱角

35^50

0<5~L0

拱、墙

帧却X20

嵐墙.椰拱

60,0

海艇土

勇过试脸、计算网兄

注:

有担下水吋、眄取大瘪;无地下水时•可収小疽。

采用钢架时.亢蹩用格關钢架"

（七）计算衬砌结构的内力

衬砌结构的内力计算按照荷载结构法进行计算，运用结构力学求解器（工程版）VS2.Q衬砌结构上的荷载图如下图：

竖向围岩土压力q

11r

|•丄—地层反力

L--~-—d

荷载只考虑三种荷载：

①围岩压力；②衬砌自重；③弹性抗力

衬砌结构的结构力学建模简图如下图:

uniiIhmm

fttnNtMMtlt

衬砌结构采用一圈闭合的梁单元，周边采用弹簧支撑（不少于20个），弹簧支撑需注意弹簧只能受压不能受拉，受压模量（即弹性系数）取围岩的弹性抗力系数。

由于衬砌单元是曲线梁，固可适当多取一些弹簧支撑，弹簧支撑之间的梁单元采用直线梁，为方便荷载的施加，围岩压力的均布或分布式荷载全部转化到弹簧支撑上的节点荷载。

结构计算的成果应包括轴力、弯矩、剪力、变形。

（八）衬砌结构的配筋计算根据结构计算的轴力、弯矩、剪力进行配筋计算与裂缝宽度的校核。

详细规定请参

看JTGD70-2004附录K,以及相应的钢筋混凝土设计规范。

配筋计算的流程应包括：

1配筋形式与截面尺寸的说明；（非对称配筋）

2偏心距的计算与大、小偏心的判定；

3大或小偏心情况下结构配筋计算；（应考虑弯矩作用平面内的挠度对偏心距的影响）

4裂缝宽度验算；

三、参考文献

1.《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）；

2•《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94；孙维东主编•土力学与地基基础•北京：

机械工业出版社,2003

3.《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；

4.《混凝土结构规范》（ZBBZH/GJ）2

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