铁路隧道进口段结构与施工组织设计.docx

摘 要
随着我国主要铁路干线列车运行速度不断提高，高速铁路建设即将全面展开，高铁隧道的建设是其重要课题。沪昆客运铁专线作为国家《中长期铁路网规划》的干线铁路，成为上海省到云南省之间理程最长、标准最高、覆盖区县最多、投资规模最大的铁路项目。
本设计依托沪昆客运铁路专线新庄隧道工程，首先对隧道的工程地质概况进行详细地分析，据此对隧道进行总体设计，并依据相关规范和有关文献资料对隧道进行初步拟定。隧道设计的主要内容首先为洞门的设计，洞门的设计包括洞门选型及受力验算；其次为初期支护设计，初期支护首先确定支护形式再分不同级别围岩分别进行抗力计算；再利用理正软件对隧道的二衬进行内力计算和验算以及配筋计算；最后为施工组织设计，包括隧道不同级别围岩的开挖方式和爆破方式的设计，以及超前支护、初期支护和二衬的施工组织设计；设计还对隧道的防排水以及通风和监控量测进行设计，以保证施工的安全级结构的长期稳定性。

关键词：高铁隧道；洞门；初期支护；防排水
ABSTRACT
With the speed of the main railway lines increasing in our country, the high-speed railway construction is in full swing.The construction of the high-speed rail tunnel is the important subject.Yungui high-speed iron as "medium and long-term railway network planning" main railway lines has become the longest mileage, the highest standards, districts and counties, covering up the largest investment in railway projects.
The design relies on Yunnan Liulang tunnel engineering.Firstly,the design analysed based on the engineering geology of the tunnel in detail.According to the overall design of the tunnel, the related standards and the relevant literature,the tunnel was set tentatively.The first of the main design contents of the tunnel is portal’s design.Portal design includes checking and stress of portal selection; followed by the initial support design, initial support first determine the support form into different surrounding rock grade were calculated resistance; reuse of software of the tunnel lining internal force calculation and two checking and reinforcement calculation; finally design for construction organization design, including different levels of surrounding rock tunnel excavation and blasting methods, as well as forepoling, initial support and two lining construction organization design; design of drainage tunnel and ventilation and monitoring design, to ensure the long-term stability of the safety level of construction.

Keywords: high-speed railway tunnel; portal ;initial support; drainage

目 录
前 言 - 1 -
第一章 隧道工程概况 - 2 -
1.1 工程简介 - 2 -
1.2 工程地质及工程条件评价 - 2 -
1.2.1 地层岩性 - 2 -
1.2.2 地质构造 - 3 -
1.2.3 水文地质特征 - 3 -
1.2.4 隧道涌水量 - 3 -
1.2.5 隧道围岩分级 - 3 -
1.3 不良地质及特殊岩土问题 - 4 -
1.4 地震烈度及气象资料 - 4 -
1.4.1 地震烈度 - 4 -
1.4.2 气象资料 - 4 -
1.5 隧址场地工程适宜性评价 - 4 -
第二章 隧道总体设计 - 6 -
2.1 一般规定 - 6 -
2.2 隧道的线形设计 - 6 -
2.3　主要技术标准 - 6 -
2.4 设计规范和要求 - 6 -
2.5 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计 - 7 -
2.5.1 隧道建筑限界的确定 - 7 -
2.5.2 隧道衬砌内轮廓的设计 - 8 -
第三章 洞门设计 - 9 -
3.1 洞门概述 - 9 -
3.2 洞口地质条件 - 9 -
3.3 洞门的设计方案 - 9 -
3.3.1 洞门形式 - 9 -
3.3.2 洞门构造要求 - 9 -
3.3.3 洞门尺寸拟定 - 10 -
3.3.4 洞门计算 - 10 -
3.3.5 计算参数 - 10 -
3.3.6 建筑材料的容重和容许应力 - 12 -
3.4 洞门验算 - 12 -
3.4.1 洞门土压力计算 - 12 -
3.4.2 洞门结构验算 - 13 -
第四章 支护计算与设计 - 16 -
4.1 概述 - 16 -
4.2 初期支护设计 - 16 -
4.2.1 Ⅴ级围岩初期支护计算 - 16 -
4.2.2 喷射混凝土提供的支护抗力P1值 - 17 -
4.2.3 钢支撑提供的支护抗力P2值 - 19 -
4.2.4 锚杆提供的支护抗力P3值 - 20 -
4.2.5 围岩本身提供的支护抗力值 - 21 -
4.2.6 最小支护抗力值 - 23 -
第五章 二次衬砌计算 - 26 -
5.1 绪论 - 26 -
5.2 计算条件 - 26 -
5.3 隧道深浅埋类型的确定 - 26 -
5.4 Ⅴ级围岩围二次衬砌计算 - 27 -
5.4.1 围岩压力的确定： - 27 -
5.4.2 Ⅴ级围岩二衬理正验算 - 28 -
5.4.3 Ⅴ级围岩二衬计算条件 - 29 -
5.4.4 Ⅴ级围岩二衬内力配筋结果 - 31 -
5.4.5 Ⅴ级围岩二衬内力配筋计算 - 31 -
5.4.6 Ⅴ级围岩二衬裂缝计算 - 33 -
5.5 IV级围岩围二次衬砌计算 - 37 -
5.5.1 设计要求 - 38 -
5.5.2 隧道深浅埋类型定 - 38 -
5.5.3 围岩压力的确定 - 38 -
5.5.4 IV级围岩围二次衬砌计算 - 39 -
5.5.5 IV级围岩围二次衬砌计算条件 - 39 -
5.5.6 内力配筋结果 - 41 -
5.5.7 内力配筋计算 - 42 -
5.5.8 裂缝计算 - 43 -
第六章 施工组织设计 - 47 -
6.1 概论 - 47 -
6.2 施工总体方案 - 47 -
6.3 开挖设计 - 48 -
6.3.1 明挖法 - 48 -
6.3.2 全断面开挖 - 49 -
6.3.3 台阶法施工 - 49 -
6.3.4 带临时仰拱的台阶法 - 51 -
6.4 爆破设计 - 52 -
6.4.1 Ⅱ、Ⅲ级围岩段爆破设计 - 52 -
6.4.2 Ⅳ级围岩段爆破设计 - 53 -
6.4.3 V级围岩段爆破设计 - 54 -
6.4.4 爆破施工 - 55 -
6.5 地质超前预报 - 57 -
6.6 超前支护 - 57 -
6.6.1 超前小导管设计参数 - 57 -
6.6.2 超前小导管施工 - 57 -
6.7 初期支护 - 57 -
6.7.1 喷射混凝土 - 58 -
6.7.2 锚杆 - 58 -
6.7.3 钢筋网 - 61 -
6.7.4 格栅钢架 - 61 -
6.8 二次衬砌 - 62 -
6.8.1 概述 - 62 -
6.8.2 二次衬砌施工准备工作 - 63 -
6.8.3 混凝土的灌注、养护与拆模 - 63 -
第七章 防排水及通风设计 - 64 -
7.1 防排水设计 - 64 -
7.1.1 施工缝、变形缝防水 - 64 -
7.1.2 隧道洞口防排水 - 65 -
7.1.3 洞顶截水天沟设计 - 65 -
7.1.4 洞内外排水衔接 - 65 -
7.1.5 治水过程中的环境问题 - 65 -
7.2 隧道通风 - 66 -
7.2.1 隧道通风类型 - 66 -
7.2.2 隧道通风设计 - 66 -
第八章 监控量测 - 67 -
8.1 量测目的 - 67 -
8.2 监控量测项目 - 67 -
8.3 监控量测的主要设备 - 67 -
8.4 监控量测流程 - 68 -
8.5 监控量测测点布置、测量断面 - 68 -
8.5.1 地表沉降监测 - 68 -
8.5.2 洞内监控量测 - 69 -
8.5.3 围岩压力和两层衬砌间压力量测 - 69 -
8.5.4 数据分析与反馈 - 70 -
第九章 结论 - 71 -
参 考 文 献 - 72 -
致 谢 - 73 -

前 言
随着我国经的高速发展，现有的交通远远不能满足城市交通的发展需求，我国的各重要城市常常出现交通拥挤的现象，同时过长的通行时间严重阻碍经济达地区之间的交流和经济发展，因此发展高级交通网一个解决交通问题的重要手段，而高速铁路隧道在其中发挥了突出作用，它不但可以承受具大的交通
还可以缩短各城市的距离大大提高运行效率，为用户提供了安全、方便、快、经济的交通运输条件，全面促进城市的经济繁。所谓要致富先修路，解决路的问题就解决了经济发展的部分问题。而我国的云南地区基本上是山区，在修铁路和高速公路的时候必须穿越许多的山地，因此必须修建量的隧道。在这种形势下，对隧道工程的需求将会越来越大，隧道程的数量将大幅度增加，隧道的长度也将明显长。本次设计通过结合工程实际进行业设计，有助于我们更加真实的了解隧道的设计过程及各项参数，明白各种数据的来源和具体含义等。本道的设计内容要包括隧道面、纵断面、横断面的设计；洞门的设计；隧道砌结设计和计算；隧道通风的计算；确定适的施工工艺等。
第一章 隧道工程概况
1.1 工程简介
新庄道位于兴新庄西北部，行政区划江县隆昌乡及波乡管辖。进口程DK62+516,出口里程DK625+373,中心里程DK623+942，全长2864m,属特长隧道。地面高程653.5m～1199.0之间，相对高差最大约545.5m。隧道埋深较深,隧道身最大埋深230m。设计单面上坡,坡度为10.7‰。隧道为单双线隧道。隧道洞身穿越域构造侵蚀-溶蚀槽谷地貌区,槽谷的发育多与断层等构造走向线一致,呈状分布,谷底有河流沟溪;坡麓自然斜陡峻, 坡角达25°～30°,常为地下水的集中排泄和地表冲沟源头,地表植被较发育;隧道洞身穿越区域村寨及隧道进出、口区域都有简易公路相通，交通便利。
1.2 工程地质及工程条件评价
1.2.1 地层岩性
根据现场测绘及工程地质勘探揭示，隧址区地层岩性主要特征简述如下：
隧道去缓坡地带覆盖有第四季全新统坡洪积层<Q[4](dl+pl)>,志留系中统翁项组<Swx>、奥陶系下统大湾组<O[1]d>、奥陶系下统红花园组<O[1]h>、奥陶系下统桐梓组<O[1]t>、寒武系中上统娄三关群<∈ol>。地层由新到老分述如下：
1. 粉质粘土、红粘土<Q[4](dl+pl)>：褐黄色，硬塑，含白云质及砂岩质碎块、砾土，土质不均，主要分布于隧道两端洞口外低洼处及洞身段局部沟槽地貌中。厚度2～5m.属Ⅱ级普通土。
2. 粉质粘土<Q[4](dl+el)>：黄褐色，硬塑状，质地均匀，主要分布于缓坡地带，厚度0～2m，属Ⅱ级普通土。
3. 志留系中统翁项组<Swx>岩性为页岩泥岩夹砂岩：多灰绿色、灰黄色，泥质结构，薄层～中厚层构造。强风化带<W[3]>节理发育，岩质软弱。岩体破碎呈碎石土状，属Ⅳ级软石；强分化带<W[2]>节理发育，多呈块状，属Ⅴ级软石。
4. 奥陶系下统大湾组<O[1]d>、奥陶系下统红花园组<O[1]h>岩性为页岩夹砂岩、灰岩：多灰绿色，浅黄色，泥质结构，薄层～中厚层构造。强风化带<W[3]>节理发育，岩质软弱。岩体破碎呈碎石土状，属Ⅳ级软石；强分化带<W[2]>节理发育，多呈块状，属Ⅴ级软石。
5. 奥陶系下统桐梓组<O[1]t>岩性为白云岩夹页岩：浅灰色、灰白色，隐晶质结构，中厚层构造。强风化带<W[3]>节理裂隙很发育，岩质软弱，岩体完整性差，属Ⅳ级次坚石；弱分化带<W[2]>节理裂隙发育，局部裂隙面有溶蚀现象，属Ⅴ级次坚石。
6. 隐寒武系中上统娄三关群<∈ol>岩性为白云岩夹灰岩：灰色、浅灰色、灰白色，晶质结构，中厚～厚层状构造。强风化带<W[3]>节理裂隙很发育，岩质破碎，岩体完整性差，属Ⅳ级次坚石；弱分化带<W[2]>节理裂隙较发育，局部裂隙面有溶蚀现象，岩体较破碎，属Ⅴ级次坚石。
1.2.2 地质构造
隧区发育有F43断层。为逆冲滑移断层上升盘为奥陶系下统桐梓组<O[1]t>，下降盘（南盘）为奥陶系下统大湾组<O[1]d>、奥陶系下统红花园组<O[1]h>。断层走向为N60°～70°W，倾向NE，倾角为85°，与线路交于DK623+434附近，交角为45°～55°，断层间距及断层破碎带宽不详。
1.2.3 水文地质特征
本区地下水类型主要分为第四系松散土层空隙水，基岩裂隙水，岩溶水。
根据地质分析报告，水质类型以HCO[3](-).SO[4](2-)-Ca(2+).Mg(2+)、HCO[3](-)-C(2+)型为主，根据《铁路混凝土机构耐久性设计暂行规定》，在环境作用类翁别为化学腐蚀环境、氯盐环境时，水中SO[4](2-)对混凝土结构的侵蚀作用等级为H1，侵蚀性CO[2]对砼结构无腐蚀作用，H（-）对混凝土结构无腐蚀。
1.2.4　隧道涌水量
推荐隧道正常涌水量Q=6800m(3)/d，雨洪期最大涌水量Q=13600m(3)/d。
1.2.5　隧道围岩分级
围岩分级如表（1.1）；
表1.1 围岩分级
围岩等级
桩号
长度（m）
Ⅴ
DK622+516-DK622+571
55
Ⅳ
DK622+571-DK622+836
255
Ⅴ
DK622+836-DK622+931
95
Ⅳ
DK622+931-DK622+951
20
Ⅲ
DK622+951-DK623+181
230
Ⅳ
DK623+181-DK623+201
20
Ⅴ
DK623+201-DK623+351
150
Ⅳ
DK623+351-DK623+371
20
Ⅲ
DK623+371-DK624+371
1000
1.3 不良地质及特殊岩土问题
根据现场勘测，隧道不良地质为岩溶及岩溶水，断层及顺偏压；特征粘土为红粘土，分述如下：
岩溶及岩溶水：隧道进口段均为白云岩夹灰岩地层，上述区段岩溶发育程度为弱～中等，隧道开挖遇到大型岩溶管及溶洞可能性较小，岩除对隧道稳定性有影响外，期间丰富的岩溶水产生的岩溶塌陷、突水、突泥等不良地质对隧道工程的影响较大。
断层：F43断层：为逆冲移断层上升盘为陶系下统梓组<O[1]t>，下降盘（南盘）为奥陶系下统大湾组<O[1]d>、奥陶系下统红花园组<O[1]h>。断层走向为N60°～70°W，倾向NE，倾角为85°，与线路交于DK623+434附，交角为45°～55°，断层间距及断层破碎带宽不详。
顺层偏压：DK623+434～DK623+368段线路左侧在顺层偏压，岩层产状为N47°～65°E/19°～26°N,与线路中线夹为5°～28°，横断面视倾角19°～26°。底层为奥陶系下统大湾组<O[1]d>、陶下统红花园组<O[1]h>页夹砂岩、灰岩，奥陶系下统桐梓组<O[1]t>岩性为白云岩，局部页岩。
红粘土：为碳酸盐表破残积层，土质不均，局部为膨胀土，自由膨胀率为Fs=20～62％,一般厚0～2m,局部度5～8m,该层具有天然密度小，孔隙比大，液限高的特点。
1.4 地震烈度及气象资料
1.4.1 地震烈度
隧址区根据《中国地震动峰加速度区划图》（1/400万）,地震动峰加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s
1.4.2 气象资料
隧址区地处亚热带湿润季风气候。冬季受北部寒潮的影响较弱，夏季受东南海洋季风影响显著，具有温和湿润气候特征。据江，都匀，凯里等六个气象站1960-1978年气象观测资料：多年平均气温14.5摄氏度，历极端最高气温6.7摄氏度，历年极端最低气温-3.7摄氏度;年平均降水量为1448.1mm，日最大降雨量123.3-256.mm，多持续降雨天数15～23天；相对度14.5-15.9%。
1.5 隧址场地工程适宜性评价
隧道洞身穿越区域全为酸岩分布区，具构造蚀～溶蚀槽谷貌特点。槽谷的发育多与断层，大型节理等构造走向线致；山体两侧坡麓自然斜坡陡峻，坡角达25～40度，常为地下水的集中排泄和地表冲沟源头。隧址区地处热带湿润季风气候;围岩分级在Ⅲ～Ⅴ之间,对于隧道区岩溶总体不发育，但可溶性岩与非可溶性岩接触界面产生溶蚀，可能发育顺接触界面的溶隙，雨季施沿溶蚀裂隙汇聚的地下水可能层面汇集后涌入隧道，且在局部裂隙带仍可能存在积水腔囊，存在用水可能。施工中可通过超前预报、加强排水和支护等措施予以处理。隧道口DK622+516~ DK623+9段：第四季全新统坡洪积层<Q[4](dl+pl),寒武系中上统娄三关群<∈ol>。强风化带<W[3]>节理裂隙很发育，岩质破碎，岩体完整性差，属Ⅳ级坚石；弱分化带<W[2]>节理裂隙较发育，局部裂隙面有溶蚀现象，岩体较破碎，属Ⅴ级次坚石。应加强防及衬砌措施。
据深孔钻探资料，道址区深部地层有夹煤层也无瓦斯等有害体，没有特殊地质
综上，场地适宜隧道建设。
第二章 隧道总体设计
2.1 一般规定
隧道设计应满足《高速铁路隧道设计规范》的要求，其建筑限界，断面净空，隧道主体结构以及通风、照明等设施，应按《高速铁路隧道设计规范》进行设计。
2.2 隧道的线形设计
新庄隧道位于兴县新庄村西北部。工点起讫里程为DK622+516~DK623+942,进口段长1426m。地面高程653.5m～1199.0m之间，相对高差最大约545.5m。隧道洞身穿越区域构造侵蚀-溶蚀槽谷地貌区,丘陵自然坡度较陡，纵然坡脚一般为50~65°。隧道为单洞双线隧道，坡麓自然斜坡陡峻, 坡角达25～30度,常为地下水的集中排泄和地表的冲沟源头,地表植被较发育;隧道洞穿越区域各村寨及隧道进出、口区域都有简易公路相通，交通便利。隧道埋深较深,隧道洞身最大埋深230m。设计单面上坡,坡度为10.7‰
2.3 主要技术标准
表2.1 技术标准
编号
项目
参数
1
铁路等级
客运专线
2
正线数目
双线
3
速度目标值
250km/h，基础设施预留进一步提速条件
4
正线线间距
5.0m
5
最大坡度
25‰
6
列车类型
动车组
7
到发线有效长度
650m
8
列车运行控制方式
自动控制
9
运输调度方式
综合调度集中
2.4 设计规范和要求
本隧道为单洞两车道高铁特长隧道，隧道建筑界按250km/h行车速度确定。主要遵循规范如下
1. 《新建时速200~20公里客运专线铁路计暂行规定》[2]铁建设[2005]140;
2. 《铁路隧道设计规范[3]（TB10003-2005）铁道第二勘察设计院主编;
3. 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）[4];
2.5 隧道建筑限界及衬砌内轮廓设计
2.5.1 隧道建筑限界的确定
根据《铁路隧道设计规范》(TB10003—2005)及相关设计标准的要求，本隧道单洞双线客运铁路隧道，设计行速目标值为250km/h，隧道净空有效面积，隧道内设双侧贯通救援通道，救援通道宽1m，高2m，工程技术作业空间宽度0.8ｍ，高度2.2m。隧道线间距与洞外相同。

图2.1 隧道建筑限界
2.5.2 隧道衬砌内轮廓的设计
按照《新建时速200~250公里客运专线铁路设暂行规定》[2]的一般规定，按新奥法原理设计，该隧道采用复合式衬砌，即由初期支护和二次衬及中间夹防水层组合而成的衬砌形式。道形式采用曲墙式。隧道内轮虑隧道限界和线间距,缓解气动力学效应对隧道净空横断面面积的要求；养护维修、程技术作和其他使用要求所需空间。本隧道为一级隧道，据以上规定及关要求和该隧道的体情况，初步拟定隧道内轮廓的尺寸如下：

1.
图2.2 Ⅳ、Ⅴ级围岩隧道衬砌内轮廓线
1.内设双侧救援通道和安全空间，道宽1.5m、高2.2m，救援通道线距线路中线2.4m；
2. 本隧道设计工程技术作业空间为03m，沿隧道衬砌轮廓内侧环向设置，如图中虚线所示；
3. II级III级围岩仰拱，设钢筋混凝土底，IV级和V级围岩设置仰拱；
4. 衬砌内轮廓、边墙的厚度以及顶,拱脚是事先根据净空和结构的要求,结合设计和使用的经验来确定的(如图2.2)。
第三章 洞门设计
3.1 洞门概述
洞门是各种隧的咽喉，隧道附近的土体通常较碎散、易于失稳，易产生滑或塌的现象。为了维护岩土体的稳定性和使车不受崩、落石的威协，保证行车安全，根据隧道的具体情况，选择恰当合理洞门形式，同时还应适度进行洞门的化，并注意环保要求。洞门可以拦截、汇集地表水，并沿排道排出洞门，入两侧排水沟，防止地表水沿洞门漫流。
3.2 洞口地质条件
该隧道洞口围岩级为Ⅴ级，岩性为强风化~弱风化白云岩页岩，强风化带<W[3]>节理裂隙很发育，岩质破碎，岩体整性差，Ⅳ级次石；弱分化带<W[2]>节理裂隙较发育，局部裂隙面有溶蚀现象，岩体较碎，属Ⅴ次坚石。
3.3 洞门的设计方案
3.3.1 洞门形式
隧道洞口位置根据隧道进出口地形工程地质条件，结合开挖边仰坡的稳定性及洞口排水的需要，本着"早进晚出"的原则确定。本隧道进口段（DK622+516～DK623+942）为Ⅴ级围岩，隧道属于围岩条件较差，边坡较高的深长路堑进洞的隧道，进口地形等高线与路线近乎正交。同量减少洞口边开挖高度。根据隧道洞口地形、工程地质条件，为了解决高速铁路空气动力学的问题等综考虑，本隧道洞门采用抗倾覆、抗滑移性能较好的端墙式洞门。
3.3.2 洞门构造要求
按《铁路隧道设计规范》[3]（TB10003-2005）洞门构造要求为：
1. 洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜于1.5m，洞门端墙与仰间水沟的沟底至衬拱顶的高度不小1.0m，洞门墙顶高仰坡脚不小于0.5m。
2. 洞门墙应根据实需要设置缩缝、沉降缝和泄孔；洞门的厚度可计算或结合他工程类比确定。
3. 洞门墙基础必须置于稳固地基上，埋置足够深度。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；基底标高应在最大结线以下不小于0.25m。基底埋置深度应大于边种沟、槽基底的埋深度。
4. 洞门结构应满足抗震要求。
3.3.3 洞门尺寸拟定
根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2005）规定，结合隧道具情况，为了保证洞门的稳定性和排水要求，洞门构造基础设施下（见图3.1）：
1. 洞门端墙厚1.5m，墙面倾斜均为1:0.1；
2. 洞门端墙基础嵌入地基度1.5m；
3. 洞口仰坡坡比采用：1.25，仰坡坡脚至洞门墙背的水平离为1m，以防仰坡石掉落到路面上，危安全
4. 洞门端墙与仰坡间水沟的沟底砌拱顶外缘的高度1.6m，以免落石破坏拱圈；
5. 洞门墙顶高出仰坡脚1.2m，以防水流溢出墙顶，也可防止掉落石弹出；
6. 水沟的尺寸50cm×50cm，沟底填土夯否则会水沟变形，生漏水。

图3.1 洞门正面图
3.3.4 洞门计算
隧道的洞门，除了外观上的标志性作用和美观，对于两端围岩地质较差的洞口，它还起着维护洞口边坡和仰坡稳定的用。隧道洞门的算，通常只考的强度和稳定性，而对刚度无需考虑。（《铁路隧道设计规范》TB10003—2005）规。
3.3.5 计算参数
1. 挡土墙边、仰坡坡度1∶1.25;
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0.4；
6. 基底控制应力
表3.1 洞门墙设计参数
仰坡坡率
计算摩擦角
容重
基底摩擦系数
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
0.30~0.25
1：1.5
38~40
17
0.35~0.40
0.25

图3.2 洞门剖面图
3.3.6 建筑材料的容重和容许应力
1.墙身材料为现浇混凝土挡墙，混凝土等级为MU100。
2.容许压应力，度。
3.4 洞门验算
3.4.1 洞门土压力计算
根据《铁路隧道设计规范（TB10003—2005）》，洞门侧墙构造图示具体见图3.3。
最危险滑裂面与垂面之间的夹角：

（3.1）

图3.3 侧墙构造图
式中：
——围岩计算摩擦角 ；
——洞门后仰坡坡角；洞门墙面倾角。
代入数值可得：
.
故：
土压力为：
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
式中：E——土压力（kN）；
H——洞门土压力计算高度，H=1.6+10.3=11.9m；
γ——地层重度，取γ=19kN/m3；
λ——侧压力系数；
ω——墙背土破裂角；
b——洞门墙计算条宽度（m），取b=1.0m进行计算；
a——洞门墙背至仰坡坡脚的水平距离，为1.5m；
ξ——土压力计算模式不确定系数，取ξ=0.6。
把数据代入上述各式，得：

式中：δ——墙背摩擦角，δ=(1/3～2/3)φ，取δ为
3.4.2 洞门结构验算
采用端墙式洞门，洞门墙视为挡土墙，按极限状态验强度，并应验算绕墙趾覆及沿基底滑动的稳
1．滑动定性验算
对于水平基底，如下公式验滑动稳定性：
滑移稳定性系数

(3.6)

式中：G——端墙自重，根初步拟定的端墙洞门，墙高H=13.2m，厚B1.5m；采砌块石回填墙身，其重度为23kN/m；
F——端墙基底摩擦数，取f=0.4；
Ex——挡土墙水平分力；
Ey——挡土墙竖直分力。
所以有：

又因为前面计算得出：

将各参数代入（3.6）式可得：

所以，端墙满足抗滑稳定性要求。
2．倾覆稳定性算
挡土墙在荷载作用下墙趾产倾覆时满足下式：
抗倾覆系数：

(3.7)

其中：K0——倾覆稳定系数；
ΣMy——全部垂直力对墙的稳力矩；
ΣM0——全部水力对墙趾的稳定力矩。
（3.8）
（3.9）
式中：Zx——Ex对墙趾的力臂；
Zy——Ey对墙趾的力臂；
ZG——G对墙趾的力臂。

将各参数代入上述各式中可得：

代入（3.7）式可得：

故抗倾覆稳定性满足要求。
3．合力偏心距及基底应力验算
洞门基底应力验算，使要求洞基础不能因底承载力不足而发沉陷。洞基底应力的计算，可假设基应力呈直线分布。
合力到洞门外侧脚的距离：
（3.10）

代入（3.10）式可得：

则竖向合力作用点与门墙地中心的离为：

洞门的基底应为：

根据《铁路隧道设计规范》选基底控制应力[σ]=0.4MPa
故：

基底应力及偏距均满足要求。

第四章 支护计算与设计
4.1 概述
隧道支护是用以加固岩层临时或永久支撑。它利用高压喷射混凝土和打入岩层中的金属锚杆和其他形式的联合作用(根据地质情况也可分别单独采用)，以达到支撑的目的。
4.2 初期支护设计
本隧道进口段处在Ⅲ~Ⅴ级围岩采用新奥法组织工，锚喷初期护。III级围岩采用全断面法施工，IV级岩采用台阶法掘进施工，V级围岩采用临时仰拱的阶法开挖。采用湿喷全面衬砌。衬砌类为复合式衬砌。隧道衬设计参表4.1：
表4.1 隧道复合式衬砌的设计参数
围
岩
级
别
初期支护
二衬厚度（cm）
喷射混凝土厚度（cm）
锚杆（m）
筋网
钢架
拱、墙
仰拱
拱、墙
仰拱
位置
长度
间距
II
10
—
局部
2.5
1.5
—
—
35
—
III
10
—
拱、墙
2.5
1.5
—
—
35
—
Ⅳ
25
25
拱、墙
3.0
1.2
拱、墙@25×25
—
40
45
Ⅴ
25
30
拱、墙
4
1.0
拱、墙@20×20
拱、墙
45
55
表中：1．锚杆沿隧道周边径边布置，为全长粘结型，按梅花形排列，采用φ22钢筋。带垫板（垫板采用HPB235钢板）
2．钢筋网按矩形布置，采用φ8的钢筋，钢筋搭接长度30d，钢筋网与锚杆焊接。
3．采用工字钢钢架支护，型号为I20a，间距为1.0m，面面积为35.578。
4．架与岩之间的喷射混凝土保护厚度和临空侧的混凝土保护层厚度均cm。
5．喷射混凝土采C25，钢筋网选用Q235钢筋，钢筋直10mm，网格间距20cm×20cm。
4.2.1 Ⅴ级围岩初期支护计算
本隧道衬砌内轮廓线半径为6.41m，V级围预留变形量100mm，初衬厚度30cm，隧道的开挖半径a=6.41+0.1+0.3+0.45=7.26m。
采用剪切滑移破坏法计算：

图4.1 剪切滑移破坏法示意图
现假定锚杆、钢支撑、喷射混土所组成的联合支护，它们的总支护抗力可视为各支护抗力之和，即：

（4.1）
式中
p ——所提供的总支护抗力；
P1——喷射混土提供的支护抗力；
P2——钢支撑提的支护抗力；
P3——锚杆提供的护抗力；
P4——围岩本身的支护抗力。
计算所得的p值应大阻止切滑移所需的最小支护抗力值，即p>pmin。
4.2.2 喷射混凝土提供的支护抗力P1值

(4.2)

式中
ds ——喷射混凝土厚度；
τs——喷射混凝土剪强度，取τs=0.43σc（σc为喷射混凝土的抗压强度）；
s——喷射混凝土的剪切角，αs=30°；
b ——剪切区高度；
ψ ——剪切滑移面的平均倾角，取经验数据：
（见图4.1）

其中， a见图4.1，b为剪切区高度。
W为加固带厚度，取值为：

（4.3）
其中，为形成加固带时锚杆的有效长度，t为锚杆的横向间距（见图4.1）。
得：

取60°，则

将所有数据带入式4.2，得

4.2.3 钢支撑提供的支护抗力P2值
计算时可换算成相应的喷射混凝土支护抗力，即

（4.4）
式中
Fs——每米隧道钢材的当量面积，由于I20a工字钢截面面积为35.578，此隧道

图4.2 混凝土支护抗力示意图
每米的用钢量换算成截面面积为Fs=75；
——钢材的抗剪强度，一般取= (为钢材的允许抗拉强度)，也可用= 15；
——钢材剪切角，一般采用=45°。

代入式（4.3）中，得

4.2.4 锚杆提供的支护抗力P3值
锚杆受力破坏又有两种情况：
1. 锚杆体本身的强度不足而被拉断。这种情况下锚杆提供的平均径向支护抗力p3为：

（4.5）
式中：
——锚杆的断面面积，由于选用的是Φ22的钢筋，其截面面积为380.1mm2；
——锚杆的抗拉强度；
锚杆的抗拉强度；
则

2. 锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁间粘结力不足而破坏。锚杆提供的平均支护抗力为
（4.6）
式中
——为锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力。

——钻孔直径，在此设计中取=100mm；
——锚固段长度，为4m；
——孔壁与注浆体之间的极限粘结强度，页岩取=0.40MPa；
则

则

则取锚杆提供的平均径向支护抗力为

4.2.5 围岩本身提供的支护抗力值
剪切滑移体滑动时，围岩在滑面上的抗滑力，其水平方向的分力在剪切区高度上的抗滑力为
（4.6）
式中
——剪切滑移体长度，其值为

——分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力，他们的摩尔包络线为直线时的假定求出（见图）：
（4.7）
由图(4.3)可知

将值代入上式，得
（4.8）

图4.3 包络线图
式中的为围岩的物理力学指标，径向主应力值随剪切滑移面上的位置而变化，难以确定，所以假定等于各支护结构所提供的径向支护抗力之和，即
（4.9）
式中
——喷射混凝土层提供的径向支护抗力

——钢支撑提供的径向支护力

——锚杆提供的径向支护抗力

则

将值代入（4.8）式得

将值代入（4.7）式得

将值代入（4.6）式得

将代入式（4.1）中