隧道翼墻式洞門(mén)計(jì)算

1、第四章洞門(mén)設(shè)計(jì)4.1 洞門(mén)設(shè)計(jì)步驟規(guī)范關(guān)于洞口的一般規(guī)定1. 洞口位置應(yīng)根據(jù)地形、地質(zhì)條件，同時(shí)結(jié)合環(huán)境保護(hù)、洞外有關(guān)工程及施工條件、營(yíng)運(yùn)要求，通過(guò)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較確定。2. 隧道應(yīng)遵循“早進(jìn)洞、晚出洞”的原則，不得大挖大刷，確保邊坡及仰坡的穩(wěn)定。3. 洞口邊坡、仰坡頂面及其周?chē)?，?yīng)根據(jù)情況設(shè)置排水溝及截水溝，并和路基排水系統(tǒng)綜合考慮布置。4. 洞門(mén)設(shè)計(jì)應(yīng)與自然環(huán)境相協(xié)調(diào)。5. 1.1 確定洞門(mén)位置洞口位置的確定應(yīng)符合下列要求1. 洞口的邊坡及仰坡必須保證穩(wěn)定。2. 洞口位置應(yīng)設(shè)于山坡穩(wěn)定、地質(zhì)條件較好處。3. 位于懸崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；應(yīng)避免在不穩(wěn)定的懸崖陡壁下進(jìn)洞。4. 跨溝或沿

2、溝進(jìn)洞時(shí)，應(yīng)考慮水文情況，結(jié)合防排水工程，充分比選后確定。5. 漫坡地段的洞口位置，應(yīng)結(jié)合洞外路塹地質(zhì)、棄渣、 排水及施工等因素綜合分析確定。6. 洞口設(shè)計(jì)應(yīng)考慮與附近的地面建筑及地下埋設(shè)物的相互影響，必要時(shí)采取防范措施。7. 洞門(mén)宜與隧道軸線(xiàn)正交；地質(zhì)條件較好；做好防護(hù)；設(shè)置明洞。洞口地質(zhì)條件洞口入口端位于山體斜坡下部，斜坡自然坡度約45左右，隧道軸線(xiàn)與地形等高線(xiàn)在右洞為大角度相交，位置較好，圍巖上部為覆蓋層為碎石質(zhì)，厚度為0.6m-1.7m,下部為砂質(zhì)板巖，全風(fēng)化巖石厚為 0-2.0m強(qiáng)風(fēng)化巖厚為0-6.4m,砂質(zhì)板巖與變質(zhì)砂巖中風(fēng)化厚度為8.1-15.8m; 為軟巖 , 薄層狀結(jié)構(gòu), 巖

3、體破碎, 軟巖互層 , 主要結(jié)構(gòu)面為層面及節(jié)理裂隙面, 結(jié)構(gòu)面的不利組合對(duì)圍巖有影響; 地下水以基巖裂隙水為主, 圍巖為弱透水, 可產(chǎn)生點(diǎn)滴狀出水, 局部可產(chǎn)生線(xiàn)狀出水;圍巖穩(wěn)定性差。4.1.2 確定洞門(mén)類(lèi)型洞門(mén)類(lèi)型及適用條件洞門(mén)的形式很多，從構(gòu)造形式、建筑材料以及相對(duì)位置等可以劃分許多類(lèi)型。目前，我國(guó)公路隧道的洞門(mén)形式有: 端墻式洞門(mén)翼墻式洞門(mén)環(huán)框式洞門(mén)臺(tái)階式洞門(mén) 柱式洞門(mén)遮光棚式洞門(mén)等。端墻式洞門(mén)適用于巖質(zhì)穩(wěn)定的田級(jí)以上圍巖和地形開(kāi)闊的地區(qū)，是最常使用的洞門(mén)型式翼墻式洞門(mén)適用于地質(zhì)較差的IV級(jí)以下圍巖，以及需要開(kāi)挖路塹的地方。翼墻式洞門(mén)由端墻及翼墻組成。翼墻是為了增加端墻的穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)路

4、塹邊坡也起支撐作用。其頂面一般均設(shè)置水溝，將端墻背面排水溝匯集的地表水排至路塹邊溝內(nèi)環(huán)框式洞門(mén)當(dāng)洞口巖層堅(jiān)硬、整體性好(I 級(jí)圍巖) 、節(jié)理不發(fā)育，路塹開(kāi)挖后仰坡極為穩(wěn)定，并且沒(méi)有較大的排水要求時(shí)采用臺(tái)階式洞門(mén)當(dāng)洞門(mén)傍山側(cè)坡地區(qū)，洞門(mén)一側(cè)邊坡較高時(shí)，為減小仰坡高度及外露長(zhǎng)度，可以將端墻頂部改為逐步升級(jí)的臺(tái)階形式，以適應(yīng)地形的特點(diǎn)，減少仰坡土石方開(kāi)挖量。遮光棚式洞門(mén)當(dāng)洞外需要設(shè)置遮光棚時(shí)，其入口通常外伸很遠(yuǎn)。遮光構(gòu)造物有開(kāi)放式和封閉式之分，前者遮光板之間是透空的，后者則用透光材料將前者透空部分封閉。但由于透光材料上面容易沾染塵垢油污，養(yǎng)護(hù)困難，所以很少使用后者。形狀上又有喇叭式與棚式之分洞門(mén)形式

5、的選擇按分類(lèi)，隧道右線(xiàn)屬長(zhǎng)隧道，基本服從于路線(xiàn)走向，路線(xiàn)與地形等高線(xiàn)基本正交，洞門(mén)按受力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。洞門(mén)形式結(jié)合實(shí)際地形、地質(zhì)情況選定。根據(jù)洞門(mén)所處地段的地形地貌及工程地質(zhì)條件，遵從“早進(jìn)洞，晚出洞”的設(shè)計(jì)原則，并考慮洞門(mén)的實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、 美觀(guān)等因素，因此本隧道使用翼墻式洞門(mén)(帶擋土墻),使用翼墻式洞門(mén)。4.1.3 洞門(mén)構(gòu)造要求按公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范( JTG-2004) , 洞門(mén)構(gòu)造要求為：(1) 洞門(mén)仰坡坡腳至洞門(mén)墻背的水平距離不宜小于1.5m， 洞門(mén)端墻與仰坡之間水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于1.0m,洞門(mén)墻頂高出仰坡腳不小于0.5m。(2) 洞門(mén)墻應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置伸縮縫、沉降縫和泄水孔

6、；洞門(mén)墻的厚度可按計(jì)算或結(jié)合其他工程類(lèi)比確定。(3) 洞門(mén)墻基礎(chǔ)必須置于穩(wěn)固地基上，應(yīng)視地基及地形條件，埋置足夠深度，保證洞門(mén)的穩(wěn)定?；茁袢胪临|(zhì)地基的深度不小于 1.0m,嵌入巖石地基的深度 不小于0.5m；基底標(biāo)高應(yīng)在最大凍結(jié)線(xiàn)以下不小于 0.25m?；茁裰蒙疃葢?yīng) 大于墻邊各種溝、槽基底的埋置深度。(4) 松軟地基上的基礎(chǔ)，可采取加固基礎(chǔ)措施。洞門(mén)結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足抗震要求。4.1.4 驗(yàn)算滿(mǎn)足條件采用擋墻式洞門(mén)時(shí)，洞門(mén)墻可視為擋土墻，按極限狀態(tài)驗(yàn)算，并應(yīng)驗(yàn)算繞墻 趾傾覆及沿基底滑動(dòng)的穩(wěn)定性。驗(yàn)算時(shí)應(yīng)符合表 3.1和表3.2 (公路隧道設(shè)計(jì) 規(guī)范JTG-2004)的規(guī)定，并應(yīng)符合公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范

7、、公路磚石及混凝土 橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范、公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定。表4.1洞門(mén)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)仰坡坡 率計(jì)算摩擦角6(0)重度丫(kN/m3)基地摩擦系數(shù) f基底控制壓應(yīng)力(Mpa1:0.570250.600.801:0.7560240.500.601:150200.400.40-0.351:1.2543-45180.400.30-0.2511:1.538-40170.35-0.400.25表4.2洞門(mén)墻主要驗(yàn)算規(guī)定墻身界向向 載效應(yīng)值Sd結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)值Rd (按極限狀態(tài)計(jì)算)墻身截面布.我 效應(yīng)值Sd結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)值Sd (按極限狀態(tài)計(jì)算)墻身截面偏 心距e1.3基底應(yīng)力(T0地基容許承載力

8、傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Ko1.6基底偏心距e巖石地基0 B/5-B/4 ;土質(zhì)地基0 B/64.2龍洞翼墻式洞門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算4.2.1 計(jì)算參數(shù)計(jì)算參數(shù)如下：(1)邊、仰坡坡度1:1.25 ;(2)仰坡坡腳 e =39 , tan =0.8 , a =9 ;(3)地層容重丫 =18KN/m3;(4)地層計(jì)算摩擦角小=45 ;(5)基底摩擦系數(shù)0.4;(6)基底控制應(yīng)力【川 =0.3Mpa4.2.2 建筑材料的容重和容許應(yīng)力(1)墻端的材料為水泥砂漿片石砌體，片石的強(qiáng)度等級(jí)為Mu100水泥砂漿的強(qiáng)度等級(jí)為M1Q(2)容許壓應(yīng)力ba =2.2Mpa,重度丫 t=22KN/ m3。根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(J

9、TG-2004),結(jié)合洞門(mén)所處地段的工程地質(zhì)條件， 擬定洞門(mén)翼墻的高度：H=13.35mi其中基底埋入地基的深度為1.59m,洞門(mén)翼墻 與仰坡之間的水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度1.8m,洞門(mén)翼墻與仰坡間的的水溝深度為0.5m,洞門(mén)墻頂高出仰坡坡腳1.05m,洞口仰坡坡腳至洞門(mén)墻背的水 平距離為2.5m,墻厚2.48m,設(shè)計(jì)彳卬坡為1:1.25,具體見(jiàn)圖紙。4.3洞門(mén)驗(yàn)算4.3.1 洞門(mén)土壓力計(jì)算根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG-2004),洞門(mén)土壓力計(jì)算圖示具體見(jiàn)圖 3.2 ,圖3.2洞門(mén)土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖最危險(xiǎn)滑裂面與垂直面之間的夾角：tan2tan tan.(1 tan2 )(tan tan )

10、(tan tan )(1 tan tan )tanw 2tan (1 tan ) tan (1 tan tan )式中：一一圍巖計(jì)算摩擦角;洞門(mén)后仰坡坡腳；一洞門(mén)墻面傾角代入數(shù)值可得：tantan1 2 3 45o tan9 tan 39 . (1 tan2 45o)(tan 45o_tan39o)(tan 45o_tan 9o)(1 tan9o tan tan 39o)tan39o(1 tan2452) tan45o(1 tan9otan39o)0.679934.21o根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG-2004), 土壓力為;12E 2 H2 h0(h ho)b(tan tan )(1 tan

11、tan )tan( )(1 tan tan )由三角關(guān)系得：h a tan tan式中：E 土壓力（KN ;hoa tan1 tan tan地層重度（KN/m）入一一側(cè)壓力系數(shù)；墻背土體破裂角；b 洞門(mén)墻計(jì)算條帶寬度（m）,取b=1.0m； 土壓力計(jì)算模式不確定系數(shù)，可取己=0.6 把數(shù)據(jù)代入各式，得：(tan 34.21 tan9o)(1 tan9otan39o)_o o_o otan(34.2139 )(1 tan34.21 tan39 )0.1928h2.5tan34.21o tan9o4.7937mho2.3223m2.5 tan39o翼墻計(jì)算圖示如圖3.3所示，擋土墻在荷載作用下應(yīng)繞

12、O點(diǎn)產(chǎn)生傾覆時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足 下式：koMy - 1.6Mo式中：K o傾覆穩(wěn)定系數(shù)，k0 1.6;M y全部垂直力對(duì)墻趾。點(diǎn)的穩(wěn)定力矩;Mo全部水平力對(duì)墻趾。點(diǎn)的穩(wěn)定力矩;0圖3.3墻身計(jì)算簡(jiǎn)圖由圖3.3可知：墻身重量 G: G 13.35 2.48 18 1.0 595.9440KNR對(duì)墻趾的力臂：Zx H 1335 4.45m 33y對(duì)墻趾的力臂：Zy B (H tan )/32.48 13.35 tan9o/3 3.1848mG對(duì)墻趾的力臂:ZgB H tan22.48 13.35 tan9o22.2972mMy G ZgEy Zy 595.940 2.2972 68.6197 3.18481

13、587.5529 KN MM0 Ex Zx 178.7604 4.45795.4837 KN M代入上式得:KoMyMo1587.4837795.48371.9957 1.6故抗傾覆穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。4.3.3 抗滑動(dòng)驗(yàn)算對(duì)于水平基底，按如下公式驗(yàn)算滑動(dòng)穩(wěn)定性:1.3EKcN f式中：K c滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)N 作用于基底上的垂直力之和;E 墻后主動(dòng)土壓力之和，取E=&；f基底摩1S系數(shù)，取f=0.4由圖3.3得：Kc(G Ey)Ex(595.9440 68.6197)178.76041.4870 1.3故抗滑穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。4.3.4 基底合力偏心矩驗(yàn)算設(shè)作用于基底的合力法向分力為N ,其對(duì)墻趾的力

14、臂為Zn,合力偏心矩為e,則:MyM0ZnG Zg Ey Zy ExZxGEy1587.5529 795.4837 1.1919m595.9440 68.6197e B248 1.1919 0.0481 022合力在中心線(xiàn)的右側(cè)。e 0.0481 B 0.4133計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。max minN 6e(1 6e) B B(595.9440 68.6197)2.486 0.0409、299.1767Kpa(1)236.7617 Kpa2.48max299.1767 Kpa0.3Mpa計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。4.3.5(1)墻身截面偏心矩及強(qiáng)度驗(yàn)算 墻身截面偏心矩eN0.3178.7604 ( 2式中

15、：M計(jì)算截面以上各力對(duì)截面形心力矩的代數(shù)之后;N 作用于截面以上垂直力之后。H HM Ex () Ey23312.6534KN m13.35 13.352.48)68.6197 - 2N G Ey 595.944068.6197 664.5637 KN將數(shù)據(jù)代入墻身偏心矩E的公式，可得:M 312 6534 一e 30.4705 0.3B 0.744,計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足要求。N 664.5637(2)應(yīng)力6er(1言N6e(1 一)B B664.56376 0.4705(1 ) 572.9771kPa a 2.2MPa才兩足要求。通過(guò)以上的驗(yàn)算，說(shuō)明龍洞端翼墻式洞門(mén)的尺寸合理。詳圖見(jiàn)設(shè)計(jì)圖紙。排水設(shè)計(jì)隧道排水應(yīng)根據(jù)防排堵截結(jié)合，因地制宜，綜合治理的原則，采用切實(shí)可靠地設(shè)計(jì)和施工措施，達(dá)到防水可靠排水暢通經(jīng)濟(jì)合理的目的。1 .在洞口仰坡5m以外，設(shè)置天溝，并加以鋪砌。2 .對(duì)洞頂?shù)乇淼南菅?，深穴加以回填，?duì)裂縫進(jìn)行堵塞。3 .對(duì)洞頂天然溝槽加以整治，是山洪宣泄暢通。4 .在地表水上游設(shè)截水導(dǎo)流溝。5 .在仰坡到洞頂處 2m左右設(shè)計(jì)排水溝。6 .