隧道工程實(shí)踐設(shè)計(jì)

《隧道工程》課程設(shè)計(jì)

一目日勺和任務(wù)

課程設(shè)計(jì)是專業(yè)課教學(xué)計(jì)劃中日勺重要環(huán)節(jié)。通過該教學(xué)環(huán)節(jié)使學(xué)生對(duì)所學(xué)曰勺理

論知識(shí)有更深的認(rèn)識(shí)與提高，并應(yīng)用于實(shí)際工程設(shè)計(jì)，鞏固本課程所學(xué)知識(shí)，提

高學(xué)生分析問題和處理問題日勺能力。

二設(shè)計(jì)規(guī)定

①必須按照設(shè)計(jì)任務(wù)書的規(guī)定完畢所有規(guī)定內(nèi)容，嚴(yán)格遵守國家頒布的有關(guān)技術(shù)

規(guī)范和規(guī)程。

②設(shè)計(jì)圖件采用計(jì)算機(jī)或鉛筆繪制，規(guī)定線條清晰，整潔美觀，符合有關(guān)建筑制

圖規(guī)范。

③闡明書一律用碳素墨水抄寫公正，文句通順，簡要扼要，文中計(jì)量單位一律采

用國標(biāo)。

三設(shè)計(jì)資料

船溪隧道進(jìn)口位于新晃縣杉木塘村，出口位于新晃縣興隆鄉(xiāng)龍馬田村。本隧道

所處路段為雙向四車道高速公路，隧道建筑限界按80km/h行車速度確定。為分

離式單向行車雙線隧道。隧道左線起汽樁號(hào)為2K69+840~2K71+770,全長1930m,

右線汽樁號(hào)為YK69+870、YK71+835,全長1965nb按隧道分類左、右線均屬長隧

道；左線隧道位于R=3000m的圓曲線內(nèi)，右線隧道位于R=35000m的圓曲線內(nèi)。

左右線均不設(shè)置超高。左線位于1.1%的上坡與0.66%時(shí)下坡，豎曲線半徑R=3500m

照曲線上，右線位于1.1%日勺上坡與0.66%時(shí)下坡，燒曲線半徑R=35000ni日勺豎曲

線上。

隧址位于湖南省新晃縣波洲鎮(zhèn)與興隆鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于低山區(qū)地貌，地形起伏較大,

隧道穿越二道沖溝，隧道最大埋深約188nb隧道進(jìn)口及出口山體坡度較大，約

40°~50。，隧道進(jìn)口及洞身上坡上遍及杉樹、灌木，出口山坡植被較少。

根據(jù)國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局于2001年2月2日公布的《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》

查得：隧道區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特性周期為0.35s；地震動(dòng)峰值加速度不不小于

0.05g,參照其附錄D。地震基本烈度不不小于VI度，由于勘察場(chǎng)地地形起伏較

大，應(yīng)考慮地形對(duì)地震動(dòng)參數(shù)I為放大作用。

該勘察區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣候溫和濕潤，雨量充沛。12月至翌年1月

為枯水期，降水量最小，從2月份起見增?！?月為雨水期，降水量最大，大氣

降水是當(dāng)?shù)貐^(qū)地下水及地表水重要補(bǔ)給來源。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮墓こ探?jīng)驗(yàn),本區(qū)地表水及地下水對(duì)碎無侵蝕性，防護(hù)等級(jí)為常規(guī)。

綜上所述，隧道去水文地質(zhì)條件較簡樸。

四設(shè)計(jì)任務(wù)

①根據(jù)資材規(guī)定設(shè)計(jì)80km/h行車速度日勺公路隧道日勺建筑限界和設(shè)置緊急停車帶

的建筑限界并畫出有關(guān)圖。

②試設(shè)計(jì)80km/h行車速度Fl勺原則斷面并畫出有關(guān)圖。

③當(dāng)隧道開挖通過的是III級(jí)圍巖時(shí)，試設(shè)計(jì)計(jì)算噴射混凝土的厚度和錨桿的布置

并畫出一種斷面口勺有關(guān)圖。

④隧道出口洞門是端墻式洞門，端墻高出隧道拱頂2m,試設(shè)計(jì)

該洞門并進(jìn)行有關(guān)驗(yàn)算，并畫出有關(guān)圖。

五參照資料

①《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD70-2023

②《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ026.1T999

③《公路工程技術(shù)原則》JTJ001-97

④《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ004-89

⑤《錨噴混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》GBJ86-85

⑥《地下工程放水技術(shù)規(guī)范》GB50108-2023

⑦覃仁輝，《隧道工程》，2023,重慶大學(xué)出版社。

⑧彭立敏，《交通隧道工程》，2023,中南大學(xué)出版社。

⑨陳秋南，《隧道工程》，2023,機(jī)械工業(yè)出版社。

六計(jì)算設(shè)計(jì)

I建筑限界

隧道建筑限界是為了保證隧道內(nèi)多種交通正常運(yùn)行與安全而規(guī)定在一定寬度

和高度范圍內(nèi)不得有任何障礙物日勺空間限界。

隧道建筑限界由行車道寬度肌側(cè)向?qū)挾萀,人行道R或檢修道等構(gòu)成。如圖

所示。

西1350離

圖中W：行車道寬度，按《公路工程技術(shù)原則》有關(guān)條文規(guī)定。

S：行車道兩側(cè)路緣帶寬度

C：余寬。當(dāng)計(jì)算行車速度不小于或等于100km/h時(shí)為0.5m,計(jì)算行車速度不不

小于100km/h,為0.25m

H：凈高。汽車專用公路，一般二級(jí)公路為5m,三、四級(jí)公路為4.5m

E：建筑限界頂角寬度。當(dāng)LWlm時(shí),E=L；當(dāng)L>lm時(shí)，E=lm；

L：側(cè)向?qū)挾?/p>

J：檢修路寬度

h：檢修路高度

其中檢修道功能如下：

①便于養(yǎng)護(hù)人員、司機(jī)處理緊急事故，而不影響交通。

②檢修道日勺路緣石可以阻擋車輛爬車道是檢修人員的安全限界。

③檢修道路緣石可以作為駕駛員的行駛方向，比車道邊線更能吸引駕員H勺注意

力，有助于行車安全。

④檢修道下部空間可以用來安裝管線等附屬設(shè)施。

檢修道高度h按表3-1取值。

設(shè)計(jì)速度

<km/h>120100806040-20

h<cm>80-6060-4040-3030-2525或20

注：在設(shè)計(jì)速度一定的條件下，可按隧道長短取值。

在建筑限界內(nèi)不得有任何部件入侵，隧道建筑限界啊基本寬度應(yīng)按有關(guān)規(guī)定取

值，并符合如下規(guī)定。

①當(dāng)設(shè)置檢修道或人行道時(shí)，不設(shè)余寬。當(dāng)不設(shè)置人行道或檢修道時(shí)，應(yīng)設(shè)置

不少于25cmH勺余寬

②隧道路面橫坡，當(dāng)隧道為單向交通時(shí)，應(yīng)取單向坡面；當(dāng)隧道為雙向交通時(shí),

應(yīng)取雙面坡，坡度一般可取1.5%?2.0%

③隧道縱坡設(shè)計(jì)日勺重要原因是通風(fēng)問題，一般采用“人字坡”。一般把縱坡中控

制在2%如下為好。本隧道設(shè)計(jì)縱坡值為1.1%?0.66%,均在2%之下，符合規(guī)

范規(guī)定。

高速公路及一級(jí)公路隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)檢修道。汽車專用公路隧道只在左側(cè)設(shè)檢修

道。檢修道或人行道的高度可按20、80cm取值，并綜合考慮如下原因：

1.檢修人員步行時(shí)的安全

2.緊急狀況時(shí)，駕車人員拿取消防設(shè)備以便

3.滿足其下放置電纜，給水管等日勺空間尺寸規(guī)定

H隧道日勺建筑限界確實(shí)定

本設(shè)計(jì)中隧道設(shè)計(jì)規(guī)定為80km/h高速公路，根據(jù)原始資料，本隧道為山隧道,

高速公路原則單向兩車道，設(shè)計(jì)車速為80km/h,根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，確

定歐J建筑限界取值如下。

行車道寬度：W：W=2X3.75=7.5m

路緣帶寬度:S：S=0.5m

余寬:C=Om

側(cè)向?qū)挾萀：L=S+C=0.5m

檢修道寬度J：J=0.75m

檢修道高度h：h=0.3m

頂角寬度E：E—L—0.5m

隧道建筑限界高度H：H=5.0m

隧道建筑限界凈寬：9.75m+0.25m=10.00m

隧道建筑限界示意圖如下，隧道內(nèi)橫向采用單向坡坡度為1.6%。

緊急停車帶

由于該隧道為長隧道，因此在隧道中應(yīng)設(shè)緊急停車帶，由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》

(JTGD70-2023)規(guī)定，緊急停車帶時(shí)間距不適宜不小于750m,包括右側(cè)向?qū)挾?/p>

在內(nèi)緊急停車帶寬為3.5%有效長為30m,過渡段長度為5m。

50105050

隧道襯砌原則內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2023)規(guī)定，隧道日勺內(nèi)輪廓線原則拱部為單

心半圓為二550cm,側(cè)墻為大半徑弧&=780cm。仰類圓弧半徑尺:1600cm,仰拱與

側(cè)墻同用一種半徑圓弧連接&二105cm,兩車道80km/hH勺原則斷面圖如下:

0,

o

V

W6

I9P

L

in佐厚度與錨桿布置的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)原始資料規(guī)定：當(dāng)隧道開挖通過的是山級(jí)圍巖時(shí)，設(shè)計(jì)噴射混凝土日勺厚度和

錨桿的布置，因此根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(J7G-2023)查得

III級(jí)圍巖隧道的寬度與高度II確實(shí)定可按下式進(jìn)行計(jì)算。

B=2r+2d+2e=2X5.5+2X0.45+2X0.04=11.98m

H=Hi+r+d+e=l.61+5.5+0.45+0.04=7.60m

式：r.——拱部圓弧半徑

d——襯砌厚度值為0.45

c——預(yù)留變形取0.04

H.——路面至起拱線向高度

①判斷隧道深、淺埋

in級(jí)圍巖深埋和淺埋日勺分界，按荷載等效高度值，并結(jié)合地質(zhì)條件，施工措

施等原因綜合判斷，按等效荷載高度計(jì)算公路如下：

HP=(2-2.5)Kg

式中乩：隧道深淺埋的邊界高度

Hg：等效荷載高度：hg=g/h

q:垂直均布?jí)毫?KN/m3

在礦山法施工條件下，IV—VI級(jí)圍巖取H『2hg,I—IH級(jí)圍巖取H/2.5hg,

因此本隧道取H,=2.5hg?

又由于q=0.45X2sl*r*w

式中：S：圍巖級(jí)別S=3

r:圍巖重度。r=24KN/m3

w:寬度影響系數(shù)。W=l+i(B-5)

B：隧道寬度，前面己算出B=11.98m

i以B=5m為基礎(chǔ)，B每增長Ini時(shí)，圍巖壓力增減率，當(dāng)BV5ni時(shí)，取iR.2,

當(dāng)B>5m時(shí)，取i=0.1,由于B為11.98m,因此i取0.1

將數(shù)據(jù)代入式q=0.45*2'*r*\v得

q=0.45X23-1X24X[l+0.1(11.98-5)]=0.0733KN/m2

hq=q/r=73.3/24=3.056m

Hp=2.5hq=2.5X3.056=7.64m

原始設(shè)計(jì)中提到本隧道最大埋深為188m,遠(yuǎn)不小于乩因此本隧道中既有淺埋

乂有深埋段。

②設(shè)計(jì)參數(shù)確實(shí)定

由上節(jié)可知，III級(jí)圍巖壓力p=q梁=0.0733MPa,考慮到在初期支護(hù)時(shí)會(huì)碰到多

種偶爾原因，如地震日勺影響，溫度的變化，雨季時(shí)地下水日勺影響，取p=2.DMPa

并根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD70-2023)表A0.4-1得

c=i.OMPa,^=45,E=1.2xlO4MPa,u=0.28

設(shè)計(jì)時(shí)為了簡化計(jì)算，將隧道當(dāng)作圓形洞室。如下圖:

根據(jù)隧道內(nèi)輪廓和建筑限界，設(shè)阿==5.99〃?“=5.5〃2,〃=8.79m,錨

桿時(shí)間距i=L2,e=1.2,錨桿日勺直徑采用HRB335級(jí)中20鋼筋。

A,=3.142X10」nf,彈性模量Ea=2.1X10Wa,抗拉強(qiáng)度M=268MPa,抗剪強(qiáng)

度乙二335MPa,安全系數(shù)K=0.6,噴層混凝土采用C20,u=0.2,彈性模量Ec=2.8

X10'MPa,無錨桿時(shí)的圍巖位移ULO.002,有錨桿時(shí)H勺圍巖位移

U；=0.5u=0.0001

③計(jì)算根據(jù)以上設(shè)定H勺計(jì)算參數(shù)和前面已算出口勺數(shù)據(jù)已知:

夕二夕尸45°C產(chǎn)Ct^^=1.0+335X3.124X107(1.2X1.2)=1.073

ei

由公式得

21k°22x8為X5.99：%00。3m

P=

記+^4.8362+7.3632

—=——-——二一--[2xsin45°+l88cos45°J=0.39X103MPa

4G4E/2(\+u)2xl(XX)0

F

剪切剛度：Gc二“@

2(l+uJ

Kc=阻二^~年1——=387.04169MPa

r0[(l—2u)宿+白

又因查規(guī)范得公式

MR：

Q?k(

4Gvc'o

PT

4

2GMg

PL?方)i

ror\4G“

R“="0+Gctan@（l-sin。）^l-sin^,

2s,n

IPi+P.+Gctan儀幻.^pj（i+sin/）^

巧I-sinr.

通過計(jì)算得R；=3.7809,將R；；代入Pj、幾、。的計(jì)算公式中求得:

p=0.17539MPa,p（=0.000266MPa,Q'=0.000383MPa

因此洞壁位移

M（R；y_0.39x10-3x3.7809

必=一=0.00023//?

4G%5.99

①錨桿H勺設(shè)計(jì)與計(jì)算

為了錨桿充足發(fā)揮作用，應(yīng)使錨桿應(yīng)力盡量靠近錨桿的抗拉強(qiáng)度，并有一定

的長度

4

錨桿日勺抗拉安全系數(shù)K,應(yīng)在1-1.5之間

~等5

按本措施計(jì)算，錨桿有一種最佳長度，這一段長度將使噴層受力最小，為了

防止錨桿和圍巖一起坍落，錨桿H勺長度必須不小于松動(dòng)區(qū)日勺厚度，并且有一

定的安全度，即規(guī)定〃＞凡

,,R=彳（尸+G（tan@）（l-sin@）J-sin]

°[〃,+P0+G（tan例）（1+sin/）]2sin四

代入數(shù)據(jù)得%=5.014m

=8.79>^=5.014滿足規(guī)定

錨桿間距應(yīng)滿足下列規(guī)定

<1

-2口一2

I?

——=0.43<0.5

r-rQ8.79-5.99

i1.2

=0.43<0.5滿足規(guī)定

rc-r{}8.79-5.99

因此用長度為5.014mH勺錨桿間距i,e都為1.2mH勺這一錨桿設(shè)計(jì)方案符合設(shè)計(jì)

規(guī)定。

②噴層日勺設(shè)計(jì)與計(jì)算

噴層除了作為構(gòu)造起到承重作用外，還要向圍巖提供足夠的反力，維護(hù)圍巖日勺穩(wěn)

定性。為了驗(yàn)證圍巖日勺穩(wěn)定，需要計(jì)算最小抗力Pmm以及圍巖的穩(wěn)定性安全系數(shù)

匕,松動(dòng)區(qū)內(nèi)滑體重力G為

2G=rb（R-V.）=Pmnb

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可查得公式

乙\/i?\l-sin-

p_「任［c〃+O（tan例）（lsina）丫。）

'—凡+G（tang）（l+sin。）

代入數(shù)據(jù)到公式得：Pmin=0.0482MPa

又由于&2=旦

Pmin

規(guī)定鼠時(shí)數(shù)值應(yīng)在2-4.5之間

='=四型=3.6滿足規(guī)定

Anin0.0482

作為噴層的強(qiáng)度校核，規(guī)定噴層內(nèi)壁切向力不不小于噴層混凝土抗壓強(qiáng)度，按壁

厚筒理論有:

za?p.

式中。=區(qū)；Rh為噴層混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

r為噴層混凝土內(nèi)壁半徑。

,2

5)=p.二一=2A251MPa<Rh=llMPa

a~-1

滿足規(guī)定。噴層厚度t

式中勺為噴層的安全系數(shù)取L2

t=k.r,[.1一1]=1.2x5.99x[/〔-l]=0.1272bn<0.13m滿足規(guī)

EPF

定

因此噴層混凝土厚約為12.7cm,符合設(shè)計(jì)規(guī)定，詳細(xì)日勺錨桿布置圖見圖紙。

③洞門驗(yàn)算

根據(jù)設(shè)計(jì)資料本隧道使用的端墻門（帶擋土墻），符合洞門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)，經(jīng)濟(jì)

美觀等，端墻式洞門簡圖如下:

1.洞門口勺構(gòu)造規(guī)定

按《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》洞門構(gòu)造規(guī)定

（1）洞門仰坡坡腳至洞門墻背的水平距離k適宜不不小于1.5m,洞門墻頂

高出仰坡腳不不不小于0.5m

（2）洞門墻根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置伸縮縫，沉縫和泄水孔。洞門墻的厚度可按

計(jì)算式結(jié)合其他工程類比確定。

（3）軟土地基上H勺基礎(chǔ)，可采用加固基礎(chǔ)措施，洞門構(gòu)造應(yīng)滿足抗震規(guī)定。

2.驗(yàn)算滿足規(guī)定條件

采用擋墻式洞門時(shí)，洞門墻可視為擋土墻，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)「付穩(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》）的規(guī)定，并應(yīng)符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》《公

路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》FI勺有關(guān)規(guī)定。

洞門墻設(shè)計(jì)參照表

容重

基底控制應(yīng)力

仰坡坡率計(jì)算摩擦角叭）7（加廿）

基底摩擦系數(shù)f（MPa）

1:0.570250.60.8

1:0.7560240.50.6

1:150200.4

1:1.2543-45180.4

1:1.538-40170.25

洞門重要驗(yàn)算規(guī)定表

墻身截面荷載W構(gòu)造抗力墻身截面W構(gòu)造抗力

效應(yīng)值Sd效應(yīng)值Rd荷載效應(yīng)值效應(yīng)值&（按極限狀態(tài)計(jì)算;

滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)

墻身截面偏心距eW0.3倍截面厚度kc21.3

傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)

基底應(yīng)力。W地基容許載力k021.6

巖石地基W

B/5-B/4

土質(zhì)地基WB/6（B：

基底偏心距。墻底高度）

3.計(jì)算參數(shù)

根據(jù)以上兩表，并杳得有美規(guī)范，設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下:

①邊、仰坡坡度：1:0.5

②仰坡坡角￡二63,tan￡=1.96,。二5

③地層容重y=24KN/"P

④地層計(jì)算摩擦角中=65

⑤基底摩擦系數(shù)：0.5

⑥基底控制壓力［cr］=0.7MR/

4.建筑材料的容亙和容許應(yīng)力

①端墻式的J材料為水泥砂漿片石砌體，片石H勺強(qiáng)度等級(jí)為M80,水泥砂漿的

強(qiáng)度等級(jí)為M20

②容許壓應(yīng)力［b(J=2.2MRz,重度％=22KN/加3

5.洞門各部尺寸確定。

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合洞門所處地段日勺工程地質(zhì)條件，確定洞

門端墻高度：12m,基中基底埋入地基的深度為1.70m,墻厚為1.20m,

設(shè)計(jì)仰坡為1：0.5

6.洞門土壓力計(jì)算

根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》，洞門土壓力計(jì)算圖示如下:

最危險(xiǎn)滑裂面與垂直面之間的I夾角

ttan2O+tana+iane-Jq+tan2^)(tan(/>-tan￡：)(1-tanatanE)

tans(\+tan2。)-tan。(1-tanatane)

式中：。一一圍巖計(jì)算摩擦角

6'一一洞門后仰坡坡角

。一一洞門墻角傾角

代入權(quán)值“二65',￡=63°,?=5°,可得

tan<w=0.3534

NCD=arctan0.3534=20.2495

根據(jù)《公路隋道設(shè)計(jì)規(guī)范》十一壓力為

廣1..,..1(tanfy-tana)(l-tanatans)

E=；〃[“-+4(z"一4X)]14,A,=~—-------------—

2tan(694-C>)(1-tano)tan

式中：E：土壓力(KN)

y：地層重度(KN/m)

2：側(cè)壓力系數(shù)

墻背土體破裂角

〃：洞門墻計(jì)算條帶寬度(m),取b=lm

J：土壓力計(jì)算模式不確定系數(shù)，可取4=0.6

把數(shù)據(jù)代入得

,(tan20.417-tan5)(1-tan5tan63)?,a

X=-----------------------------------=U.U7U2,n=------------=oo

tan(20.417+65)(1-tan20.417tan63)tan69-tana

洞門士壓力E：

E=g以=74.3175KN；

Ex=Ecosd=Ecos(35-5)=64.0363KN；

Ev=Esina=Esin(35-5)=5O.6333K7V。

I79

式中：d——墻背摩擦角取

7.抗傾覆驗(yàn)算

端墻計(jì)算簡圖如圖所示，擋土墻在荷載作用下應(yīng)不致墻腳0點(diǎn)

產(chǎn)生傾覆時(shí)應(yīng)滿足下式：

YMX

甌"6

式中心；傾覆穩(wěn)定系數(shù)即，1.6

ZM、：所有垂直力對(duì)墻趾0