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《隧道工程》课程设计
一 目的和任务
课程设计是专业课教学计划中的重要环节。通过该教学环节使学生对所学的理论知识有更深的认识与提高，并应用于实际工程设计，巩固本课程所学知识，提高学生分析问题和解决问题的能力。
二 设计要求
①必须按照设计任务书的要求完成全部规定内容，严格遵守国家颁布的有关技术规范和规程。
②设计图件采用计算机或铅笔绘制，要求线条清晰，整洁美观，符合有关建筑制图规范。
③说明书一律用碳素墨水抄写公正，文句通顺，简明扼要，文中计量单位一律采用国家标准。
三 设计资料
船溪隧道进口位于新晃县杉木塘村，出口位于新晃县兴隆乡龙马田村。本隧道所处路段为双向四车道高速公路，隧道建筑限界按80km/h行车速度确定。为分离式单向行车双线隧道。隧道左线起汽桩号为2K69+840~2K71+770，全长1930m，右线汽桩号为YK69+870~YK71+835，全长1965m，按隧道分类左、右线均属长隧道；左线隧道位于R=3000m的圆曲线内，右线隧道位于R=35000m的圆曲线内。左右线均不设置超高。左线位于1.1%的上坡与0.66%的下坡，竖曲线半径R=3500m竖曲线上，右线位于1.1%的上坡与0.66%的下坡，竖曲线半径R=35000m的竖曲线上。
隧址位于湖南省新晃县波洲镇与兴隆乡境内，属于低山区地貌，地形起伏较大，隧道穿越二道冲沟，隧道最大埋深约188m，隧道进口及出口山体坡度较大，约40°~50°，隧道进口及洞身上坡上遍布杉树、灌木，出口山坡植被较少。
根据国家质量技术监督局于2001年2月2日发布的《中国地震动参数区划图》查得：隧道区地震动反应谱特征周期为0.35s；地震动峰值加速度小于0.05g，参照其附录D。地震基本烈度小于Ⅵ度，由于勘察场地地形起伏较大，应考虑地形对地震动参数的放大作用。
该勘察区属亚热带季风气候区，气候温和湿润，雨量充沛。12月至翌年1月为枯水期，降水量最小，从2月份起见增。4~8月为雨水期，降水量最大，大气降水是本地区地下水及地表水主要补给来源。
根据当地水文工程经验，本区地表水及地下水对砼无侵蚀性，防护等级为常规。
综上所述，隧道去水文地质条件较简单。
四 设计任务
①根据资材要求设计80km/h行车速度的公路隧道的建筑限界和设置紧急停车带的建筑限界并画出有关图。
②试设计80km/h行车速度的标准断面并画出有关图。
③当隧道开挖通过的是Ⅲ级围岩时，试设计计算喷射混凝土的厚度和锚杆的布置并画出一个断面的有关图。
④隧道出口洞门是端墙式洞门，端墙高出隧道拱顶2m，试设计该洞门并进行相关验算，并画出有关图。
五 参考资料
①《公路隧道设计规范》JTGD70-2004
②《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999
③《公路工程技术标准》JTJ001-97
④《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89
⑤《锚喷混凝土支护技术规范》GBJ86-85
⑥《地下工程放水技术规范》GB50108-2001
⑦覃仁辉，《隧道工程》，2008，重庆大学出版社。
⑧彭立敏，《交通隧道工程》，2003，中南大学出版社。
⑨陈秋南，《隧道工程》，2007，机械工业出版社。
六 计算设计
Ⅰ建筑限界
隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通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限界。
隧道建筑限界由行车道宽度W，侧向宽度L，人行道R或检修道等组成。如图所示。

图中W：行车道宽度，按《公路工程技术标准》有关条文规定。
S：行车道两侧路缘带宽度
C：余宽。当计算行车速度大于或等于100km/h时为0.5m，计算行车速度小于100km/h，为0.25m
H：净高。汽车专用公路，一般二级公路为5m，三、四级公路为4.5m
E：建筑限界顶角宽度。当L≤1m时，E=L；当L＞1m时，E=1m；
L：侧向宽度
J：检修路宽度
h：检修路高度
其中检修道功能如下：
① 便于养护人员、司机处理紧急事故，而不影响交通。
② 检修道的路缘石可以阻挡车辆爬车道是检修人员的安全限界。
③ 检修道路缘石可以作为驾驶员的行驶方向，比车道边线更能吸引驾员的注意力，有利于行车安全。
④ 检修道下部空间可以用来安装管线等附属设施。
检修道高度h按表3-1取值。
设计速度<km/h>
120
100
80
60
40-20
h<cm>
80-60
60-40
40-30
30-25
25或20
注：在设计速度一定的条件下，可按隧道长短取值。
在建筑限界内不得有任何部件入侵，隧道建筑限界的基本宽度应按有关规定取值，并符合以下规定。
① 当设置检修道或人行道时，不设余宽。当不设置人行道或检修道时，应设置不少于25cm的余宽
② 隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单向坡面；当隧道为双向交通时，应取双面坡，坡度一般可取1.5%~2.0%
③ 隧道纵坡设计的主要因素是通风问题，一般采用“人字坡”。一般把纵坡中控制在2%以下为好。本隧道设计纵坡值为1.1%~0.66%，均在2%之下，符合规范要求。
高速公路及一级公路隧道内应设检修道。汽车专用公路隧道只在左侧设检修道。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，驾车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
Ⅱ隧道的建筑限界的确定
本设计中隧道设计要求为80km/h高速公路，根据原始资料，本隧道为山隧道，高速公路标准单向两车道，设计车速为80km/h，根据《公路隧道设计规范》，确定的建筑限界取值如下。
行车道宽度：W：W=2×3.75=7.5m
路缘带宽度：S：S=0.5m
余宽：C=0m
侧向宽度L：L=S+C=0.5m
检修道宽度J：J=0.75m
检修道高度h：h=0.3m
顶角宽度E：E=L=0.5m
隧道建筑限界高度H：H=5.0m
隧道建筑限界净宽：9.75m+0.25m=10.00m
隧道建筑限界示意图如下，隧道内横向采用单向坡坡度为1.6%。

紧急停车带
由于该隧道为长隧道，因此在隧道中应设紧急停车带，由《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定，紧急停车带的间距不宜大于750m，包含右侧向宽度在内紧急停车带宽为3.5m，有效长为30m，过渡段长度为5m。

隧道衬砌标准内轮廓设计
根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定，隧道的内轮廓线标准拱部为单心半圆=550cm，侧墙为大半径弧=780cm。仰拱圆弧半径=1600cm，仰拱与侧墙同用一个半径圆弧连接=105cm，两车道80km/h的标准断面图如下：

Ⅲ砼厚度与锚杆布置的设计
设计原始资料要求：当隧道开挖通过的是Ⅲ级围岩时，设计喷射混凝土的厚度和锚杆的布置，所以根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004）查得
Ⅲ级围岩隧道的宽度与高度H的确定可按下式进行计算。
B=2r+2d+2e=2×5.5+2×0.45+2×0.04=11.98m
H=H1+r+d+e=1.61+5.5+0.45+0.04=7.60m
式：r1——拱部圆弧半径
d——衬砌厚度值为0.45
e——预留变形取0.04
H1——路面至起拱线的高度
① 判断隧道深、浅埋
Ⅲ级围岩深埋和浅埋的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件，施工方法等因素综合判断，按等效荷载高度计算公路如下：
HP=（2-2.5）Kg
式中Hp：隧道深浅埋的边界高度
Hg：等效荷载高度：hg=g/h
q:垂直均布压力：KN/m3
在矿山法施工条件下，Ⅳ—Ⅵ级围岩取Hp=2hg，Ⅰ—Ⅲ级围岩取Hp=2.5hg，所以本隧道取Hp=2.5hg。
又因为q=0.45×2s-1*r*w
式中：S：围岩级别S=3
r:围岩重度。r=24KN/m3
w:宽度影响系数。W=1+i（B-5）
B：隧道宽度，前面已算出B=11.98m
i以B=5m为基础，B每增加1m时，围岩压力增减率，当B＜5m时，取i=0.2,当B＞5m时，取i=0.1，因为B为11.98m，所以i取0.1
将数据代入式q=0.45*25*r*w得
q=0.45×23-1×24×[1+0.1(11.98-5)]=0.0733KN/m2
hq=q/r=73.3/24=3.056m
Hp=2.5hq=2.5×3.056=7.64m
原始设计中提到本隧道最大埋深为188m，远大于Hp所以本隧道中既有浅埋又有深埋段。
② 设计参数的确定
由上节可知，Ⅲ级围岩压力p=q梁=0.0733MPa，考虑到在初期支护时会遇到各种偶然因素，如地震的影响，温度的变化，雨季时地下水的影响，取p=2.0MPa
并根据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）表A0.4-1得

设计时为了简化计算，将隧道看成圆形洞室。如下图：

根据隧道内轮廓和建筑限界，设，锚杆的间距i=1.2，e=1.2，锚杆的直径采用HRB335级钢筋。
As=3.142×10-4㎡，弹性模量Ea=2.1×105MPa，抗拉强度=268MPa，抗剪强度a=335MPa，安全系数K=0.6，喷层混凝土采用C20，u=0.2，弹性模量Ec=2.8×104MPa，无锚杆时的围岩位移u0=0.002，有锚杆时的围岩位移U=0.5u=0.0001
③ 计算 根据以上设定的计算参数和前面已算出的数据已知：
=1=45° C1=Ct=1.0+335×3.124×10-4/（1.2×1.2）=1.073
由公式得
==7.0003m
==0.39×10-3MPa
剪切刚度：Gc=
Kc= ==387.04169MPa
又因查规范得公式
=k()()
Pa=
Pi=

通过计算得=3.7809，将代入、、的计算公式中求得：
=0.17539MPa, =0.000266MPa, =0.000383MPa
所以洞壁位移

① 锚杆的设计与计算
为了锚杆充分发挥作用，应使锚杆应力尽量接近锚杆的抗拉强度，并有一定的长度

锚杆的抗拉安全系数K，应在1-1.5之间

按本方法计算，锚杆有一个最佳长度，这一段长度将使喷层受力最小，为了防止锚杆和围岩一起坍落，锚杆的长度必须大于松动区的厚度，而且有一定的安全度，即要求

代入数据得=5.014m
=8.79＞=5.014 满足要求
锚杆间距应满足下列要求

满足要求
所以用长度为5.014m的锚杆间距i，e都为1.2m的这一锚杆设计方案符合设计要求。
② 喷层的设计与计算
喷层除了作为结构起到承重作用外，还要向围岩提供足够的反力，维护围岩的稳定性。为了验证围岩的稳定，需要计算最小抗力以及围岩的稳定性安全系数，松动区内滑体重力G为

根据《公路隧道设计规范》可查得公式

代入数据到公式得：
又因为
要求的数值应在2-4.5之间
满足要求
作为喷层的强度校核，要求喷层内壁切向力小于喷层混凝土抗压强度，按壁厚筒理论有：

式中；Rh为喷层混凝土抗压强度设计值。
r为喷层混凝土内壁半径。

满足要求。 喷层厚度t

式中为喷层的安全系数取1.2
满足要求

所以喷层混凝土厚约为12.7cm，符合设计要求，详细的锚杆布置图见图纸。

③ 洞门验算
根据设计资料本隧道使用的端墙门（带挡土墙），符合洞门设计的实验，经济美观等，端墙式洞门简图如下：

1. 洞门的构造要求
按《公路隧道设计规范》洞门构造要求
（1） 洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m
（2） 洞门墙根据实际需要设置伸缩缝，沉缝和泄水孔。洞门墙的厚度可按计算式结合其他工程类比确定。
（3） 软土地基上的基础，可采取加固基础措施，洞门结构应满足抗震要求。
2. 验算满足要求条件
采用挡墙式洞门时，洞门墙可视为挡土墙，按极限状态验算。
并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性，验算时应符合表3-1和表3-2（《公路隧道设计规范》）的规定，并应符合《公路路基设计规范》《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定。

洞门墙设计参考表
仰坡坡率
计算摩擦角
容重
基底摩擦系数f
基底控制应力（MPa）
1:0.5
70
25
0.6
0.8
1:0.75
60
24
0.5
0.6
1:1
50
20
0.4
0.4-0.35
1:1.25
43-45
18
0.4
0.3-0.25
1:1.5
38-40
17
0.35-0.4
0.25

洞门主要验算规定表
墙身截面荷载
效应值Sd
≤结构抗力
效应值Rd
墙身截面
荷载效应值
≤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kc
≥1.3
基底应力
≤地基容许载力
倾覆稳定安全系数k0
≥1.6
基底偏心距e
岩石地基≤B/5-B/4
土质地基≤B/6（B：墙底高度）

3. 计算参数
根据以上两表，并查得相关规范，设计计算参数如下：
① 边、仰坡坡度： 1:0.5
② 仰坡坡角
③ 地层容重
④ 地层计算摩擦角
⑤ 基底摩擦系数：0.5
⑥ 基底控制压力
4. 建筑材料的容重和容许应力
① 端墙式的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为M80，水泥砂浆的强度等级为M20
② 容许压应力，重度
5. 洞门各部尺寸拟定。
根据《公路隧道设计规范》，结合洞门所处地段的工程地质条件，拟定洞门端墙高度：12m，基中基底埋入地基的深度为1.70m，墙厚为1.20m，设计仰坡为1：0.5
6. 洞门土压力计算
根据《公路隧道设计规范》，洞门土压力计算图示如下：

最危险滑裂面与垂直面之间的夹角

式中：——围岩计算摩擦角
——洞门后仰坡坡角
——洞门墙角倾角
代入权值=65°，=63°，=5°，可得

根据《公路隧道设计规范》土压力为

式中： E：土压力（KN）
：地层重度（KN/m3）
：侧压力系数
：墙背土体破裂角
：洞门墙计算条带宽度（m），取b=1m
：土压力计算模式不确定系数，可取=0.6
把数据代入得

洞门土压力E：
；
；
。
式中：——墙背摩擦角 取
7. 抗倾覆验算
端墙计算简图如图所示，挡土墙在荷载作用下应不致墙脚0点
产生倾覆时应满足下式：

式中：倾覆稳定系数≥1.6
：全部垂直力对墙趾0点的稳定力矩
：全部水平力对0点的稳定力矩
由图3可知：
墙身重量G：；
对墙趾的力臂：
对墙趾的力臂：
G对墙趾的力臂：

则
满足要求
8. 对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性

式中：：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=
：基底摩擦系数，去=0.5
由图3得
满足要求
9. 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e，则

＜基底控制压应力 满足要求
10. 墙身截面偏心距及强度验算
墙身偏心距e，
式中： M：计算截面以上各力对截面型心力矩的代数和
N：作用于截面以上垂直力之和

将数据代入墙身偏心距的公式，可得

满足要求
应力：
满足要求
综上所述，该端墙式洞门满足各方法验算要求。

2011-12-3