隧道工程课设.doc

《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
4
4

5个洞段分别是K37+350～K37+460；K37+350～K37+460；K38+820～K38+990；K38+990～K39+580；K39+580～K39+710；
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
（一）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》（JTG D70－2004）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JTG D70－2004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JTG D70－2004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RC值和KV值按下式计算：
BQ=90+3RC+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：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RC＞90 KV时，应以RC=90KV+30和KV代入计算BQ值；
②当KV＞0.04RC+0.4时，应以KV=0.04RC+0.4和RC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（K1+ K2+ K2）
式中：［BQ］——围岩基本质量指标修正值；
K1——地下水影响修正系数；
K2——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。
K1、K2、K3按JTG D70－2004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［BQ］
开挖后的稳定状态
Ⅰ
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。
Ⅱ
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。
Ⅲ
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。
Ⅳ
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Q2、Q1黄土。

Ⅴ
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Q4、Q3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。

Ⅵ
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JTG D70－2004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

弹性抗力系数

变形模量

泊松比

内摩擦角

粘聚力

计算摩擦角

Ⅰ
26~28
1800~2800
>33
<0.2
>60
>2.1
>78
Ⅱ
25~27
1200~1800
20~33
0.2~0.25
50~60
1.5~2.1
70~78
Ⅲ
23~25
500~1200
6~20
0.25~0.3
39~50
0.7~1.5
60~70
Ⅳ
20~23
200~500
1.3~6
0.3~0.35
27~39
0.2~0.7
50~60
Ⅴ
17~20
100~200
1~2
0.35~0.45
20~27
0.05~0.2
40~50
Ⅵ
15~17
<100
<1
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JTG D70－2004中的4.4节《隧道横断面设计》与JTG B01－2003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中的各项规定进行划定。
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

8、 各级公路隧道建筑限界尺寸

不含紧急停车带

含紧急停车带

—建筑限界高度；—行车道宽度；—左侧向宽度；—右侧向宽度；—余宽；—检修道宽度；—人行道宽度；—检修道或人行道的高度；—建筑限界左顶角宽度，；—建筑限界右顶角宽度，当时，，当时；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；

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JTG D70－2004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。

—拱部圆弧半径；—侧墙圆弧半径；—侧墙与仰拱连接段圆弧半径；—仰拱圆弧半径；—路面至起拱线的高度；—侧墙结构高度；—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）；—起拱线与的夹角；—设仰拱时起拱线与的夹角；—隧道结构中心线与的夹角；；—紧急停车带拱部圆弧半径；—半径为的拱部圆弧段夹角；—拱部与侧墙连接段圆弧半径；—半径与的圆弧段夹角；

—拱部圆弧半径；—拱部与侧墙连接段圆弧半径；—侧墙圆弧半径；—侧墙与仰拱连接段圆弧半径；—仰拱圆弧半径；—路面至起拱线的高度；—侧墙结构高度；—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）；—起拱线与的夹角；—设仰拱时起拱线与的夹角；—隧道结构中心线与的夹角；；—半径为的拱部圆弧段夹角；—半径与的圆弧段夹角；

（五）计算隧道围岩压力
隧道围岩压力荷载计算按照JTG D70－2004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JTG D70－2004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”两种情况之一进行计算；③如符合JTG D70－2004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：
式中：—浅埋隧道分界深度；—荷载等效高度，，为围岩重度；
；S—围岩的级别；ω—宽度影响系数，ω=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等效荷载高度时：
垂直均布压力：
—隧道上覆围岩重度；H—隧道坑顶到地面距离；
侧向压力：

—隧道高度；—围岩计算摩擦角；
当埋深H且时：
垂直均布压力：，

侧向梯形分布压力：；
各级围岩的值
围岩级别
ⅠⅡⅢ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
值
0.9
(0.7~0.9)
(0.5~0.7)
(0.3~0.5)
式中：H—隧道坑顶到地面距离；h—隧道坑底到地面距离；—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：
塌落拱高度：
垂直均布压力：
侧向梯形分布压力：

式中，—岩石单轴抗压强度；c—粘聚力；—内摩擦角；B—隧道宽度；H—隧道高度；—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JTG D70－2004中的8.4.2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。

（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）Vs2.0。衬砌结构上的荷载图如下图：

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：

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JTG D70－2004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》（JTG D70-2004）；
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）