1、 本 科 生本 科 生 课 程 设 计课 程 设 计 课程名称 隧道工程 学 部 理工农学部 目目 录录 第一部分 隧道主体结构设计任务书 1 一课程设计题目 1 二适用专业、班级、时间 1 三课程设计目的及任务 1 四设计方法与步骤 5 五时间及进度安排 5 六建议参考资料 5 第二部分 隧道主体结构计算书 6 2.1 建筑限界. 6 2.1.1 一般规定 6 2.1.2 隧道总体设计原则 6 2.1.3 隧道设计技术标准 6 2.1.4 隧道建筑限界图 7 2.2 内轮廓图确定. 8 2.3 隧道洞口的设计. 9 2.3.1 洞门形式的选择 9 2.3.2 洞门构造要求 9 2.3.3 验
2、算满足条件 10 2.3.4 洞门结构设计计算 10 2.4 初期支护设计. 14 2.4.1 支护形式的选择及参数确定 14 2.4.2 级围岩的初期支护设计 15 2.4.3 初期支护设计及验算 17 2.5 二次衬砌的计算. 25 2.6 施工组织设计 26 2.6.1 编制说明. 26 2.6.2 工程概况 26 2.6.3 工程特点、难点及施工措施. 27 2.6.4 施工总体部署 27 2.6.5 施工组织机构 . 28 2.6.6 施工组织流程 29 附图 30 1、 建筑限界图、内轮廓图 30 2、 洞口立面图 30 3、 洞口侧面图 30 4、 复合式衬砌断面布置图 30 -
3、1- 第一部分第一部分 隧道主体结构设计任务书隧道主体结构设计任务书 一课程设计题目 隧道主体结构设计 二适用专业、班级、时间 张家界学院学院建筑工程专业 三课程设计目的及任务设计目的及任务 （一）设计目的：（一）设计目的： 通过本设计掌握：建筑限界和内轮廓图；隧道洞口的设计；隧道洞身 的设计及二次衬砌的验算；施工组织设计。 （二）设计任务：（二）设计任务： 1.设计设计资料资料 （1 1）隧道总体概况隧道总体概况 已知隧道为山岭两车道公路隧道，示意简图如图 1.1 所示。整个隧道原本分 为左右线，并且左右线都为相向施工，但本次课程设计只要求设计单洞单向施工 到达贯通位置的情况，只要求设计主洞
4、的一般断面，不要求设计紧急停车带与横 洞等附属洞室。隧道采用新奥法理念施工，隧道采用复合式衬砌，设计使用年 限为 100 年。 图图 1 1.1.1 隧道示意图隧道示意图 表表 1.1 不同的围岩级别不同的围岩级别 文中简写 表示意义 围岩情况描述 级 级围岩 砂岩，岩体较完整，块状结构 级 级围岩 页岩，岩体局部破碎，层状结构 -2- 级 级围岩 砾岩，岩体破碎，泥质胶结 表表 1.2 围岩计算参数围岩计算参数 围岩级别 重度 （kN/m 3） 弹性抗力系 数（MPa/m） 变形模量 （GPa） 泊松比 内摩擦角 （） 粘聚力 （MPa） 级围岩 25 1200 20 0.3 50 1.5
5、级围岩 23 500 6 0.35 39 0.7 级围岩 20 200 2 0.45 27 0.2 表表 1.3 不同的设计行车速度不同的设计行车速度 文中简写 表示意义 速 A 设计行车速度为 100km/h 速 B 设计行车速度为 80km/h 速 C 设计行车速度为 60km/h 表表 1.4 不同的隧道设计长度不同的隧道设计长度 文中简写 表示意义 长 A 表示隧道设计长度 1500m 长 B 表示隧道设计长度 2500m 长 C 表示隧道设计长度 3500m 注：洞口段可选为 40m 长 (2)(2)隧道洞口段隧道洞口段 依据规范设计洞门并对洞门挡土墙进行验算。洞门挡土墙的倾斜度与
6、嵌入基底深度根据规范选定。 隧道开挖边界(拱顶） 不同的埋深 洞门挡土墙(隧道中线处) 地表 图图 1.2 埋深示意图埋深示意图 表表 1.5 不同的洞口段埋深不同的洞口段埋深 文中简写 洞口段埋深（m) 洞口A 2.5 洞口B 3.5 洞口C 4.5 -3- (3)(3)隧道洞身段隧道洞身段 根据围岩级别与隧道洞身段埋深计算围岩压力，根据公路隧道设计规范 185 页的荷载分担比例表，确定初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范 选定初期支护与二次衬砌的设计参数。 表表 1.6 不同的洞身段埋深不同的洞身段埋深 文中简写 隧道洞身段埋深（开挖轮廓线拱顶至地表的距离） 洞身 A 15m 洞身
7、B 30m 洞身 C 50m 洞身 D 70m 洞身 E 90m 洞身 F 120m (4)(4)验算二次衬砌的强度验算二次衬砌的强度 目前数值模拟软件已经广泛应用于隧道设计中，确定二次衬砌的设计参数 后， 最好用某一种数值模拟软件计算二次衬砌的内力，进一步验算二次衬砌所有 截面的强度。由于本次课程设计时间短，没有足够的时间学习数值模拟软件，因 此下面假定已经计算出了二次衬砌的内力（二次衬砌的设计参数与荷载不同，计 算出来的内力也不同），同学们按照图中指定的截面，验算二次衬砌在这一截面 的强度，目的是掌握计算原理与思路。 图图 1.3 二次衬砌验算指定截面二次衬砌验算指定截面 (注：你设计的二
8、次衬砌可能有仰拱也可能无仰拱，但不影响这里的验算) 表表 1.7 不同不同截面截面的二次衬砌内力的二次衬砌内力 文中简称 轴力(kN) 剪力(kN) 弯矩(kN m) 截面 A -2506 -64 -43 截面 B -2086 145 26 截面 C -2823 -51 10 -4- (5)(5)施工组织设计施工组织设计 施工组织设计包括施工方法、各工序施作时机、人员配备、主要材料、机械 设备、进度计划等。每个人的隧道围岩级别、隧道埋深与隧道长度等不同，因此 制定的隧道施工组织设计也应不同。 2.设计设计工作及要求工作及要求 每个人针对的工程情况均有不同之处（详见下表），自己只做自己对应的工
9、况，不要抄袭别人的设计。 表表 1.8 设计分组情况一览表设计分组情况一览表 学号 设计工况 1，16，31，46 级 速 C 长 A 洞口 A 洞身 A 截面 A 2，17，32，47 级 速 B 长 C 洞口 B 洞身 B 截面 B 3，18，33，48 级 速 A 长 C 洞口 C 洞身 C 截面 A 4，19，34，49 级 速 C 长 A 洞口 A 洞身 D 截面 C 5，20，35，50 级 速 B 长 B 洞口 C 洞身 E 截面 B 6，21，36，51 级 速 C 长 C 洞口 B 洞身 F 截面 C 7，22，37，52 级 速 A 长 B 洞口 B 洞身 B 截面 A 8
10、，23，38，53 级 速 A 长 A 洞口 A 洞身 C 截面 A 9，24，39，54 级 速 B 长 A 洞口 C 洞身 D 截面 B 10，25，40，55 级 速 C 长 C 洞口 B 洞身 E 截面 C 11，26，41，56 级 速 A 长 B 洞口 C 洞身 F 截面 A 12，27，42，57 级 速 C 长 A 洞口 A 洞身 A 截面 C 13，28，43，58 级 速 B 长 B 洞口 C 洞身 C 截面 B 14，29，44，59 级 速 C 长 C 洞口 A 洞身 A 截面 C 15，30，45，60 级 速 B 长 B 洞口 B 洞身 B 截面 B 每位同学均应根
11、据上表的分组名单与对应设计时速完成本设计， 应完成的设 计工作包括： （1）根据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑 限界图及内轮廓图。 （2）设计隧道洞门（如采用端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡 土墙，绘制隧道洞门立面图与侧面图。 （3）计算隧道洞身段的围岩压力，根据公路隧道设计规范185页的荷载 分担比例表，确定洞身段初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范选定洞 身段初期支护与二次衬砌的设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面布置图。 （4）验算指定截面的二次衬砌强度，如果强度不合格，指出应采取的措施。 （5）编制施工组织设计，内容既包括进洞方法与超前支护措施，
12、也包括洞 身段的施工方法、各工序施作时机、人员配备、主要材料、机械设备、进度计划 等。 3.图纸要求图纸要求 采用 3 号图纸，比例自行确定。 4.应提交的设计成果应提交的设计成果 应提交给指导老师的设计成果包括： （1）设计说明书一份，包括前述应完成设计工作的各项内容，内容详细充 实，能体现出设计的具体过程，写明设计参数的选择依据，特别要详细写明洞门 挡土墙验算、围岩压力计算、二次衬砌截面强度验算等计算过程。 -5- （2）设计图纸一套，包括前述应完成设计工作的各项图纸，要求线条清晰、 整洁美观，符合有关制图规范及比例要求。图纸首先采用计算机 CAD 绘制，然 后一律采用 A3 图纸打印出来
13、上交。 四设计方法与步骤 （1）根据隧道概况，选择隧道限界，确定隧道内轮廓尺寸，绘制隧道建筑 限界图及内轮廓图。 （2）设计隧道洞门（如采用端墙式洞门、翼墙式洞门等），并验算洞门挡 土墙，绘制隧道洞门立面图与侧面图。 （3）计算隧道洞身段的围岩压力，根据公路隧道设计规范185页的荷载 分担比例表，确定洞身段初期支护与二次衬砌的荷载分担比例。根据规范选定洞 身段初期支护与二次衬砌的设计参数，绘制洞身段复合式衬砌横断面布置图。 （4）验算指定截面的二次衬砌强度，如果强度不合格，指出应采取的措施。 （5）编制施工组织设计，内容既包括进洞方法与超前支护措施，也包括洞 身段的施工方法、各工序施作时机、人
14、员配备、主要材料、机械设备、进度计划 等。 五时间及进度安排 1.布置设计内容及准备相关参考书、设计规范： 0.5 天 2.建筑限界和内轮廓图： 0.5 天 3.洞口设计： 1 天 4.洞身设计： 1 天 5.二次衬砌验算及施工组织设计： 1.5 天 6.完成设计说明书及相关图纸： 0.5 天 六建议参考资料 1.隧道工程，陈秋南. 北京：机械工业出版社，2014. 2. 公路隧道设计细则JTG/T D70-2010，中华人民共和国交通运输部， 北京：人民交通出版社，2010. 3. 公路隧道设计规范JTG D70-2004，中华人民共和国交通部，北京： 人民交通出版社，2004. 4.公路隧
15、道施工技术规范JTG F60-2009，中华人民共和国交通运输部， 北京：人民交通出版社，2009. 5.铁路工程设计技术手册-隧道，北京：中国铁道出版社，1995. 6交通隧道工程，彭立敏. 长沙：中南大学出版社，2003. -6- 第二部分第二部分 隧道主体结构计算书隧道主体结构计算书 2.1 建筑限界 2.1.1 一般规定 隧道设计应满足公路交通规划的要求，其建筑限界、断面净空、隧道主体结 构以及通风、照明等设施，应按公路工程技术标准进行设计。当近期交通量 不大时，可采取一次设计分期修建。 2.1.2 隧道总体设计原则 （1）隧道设计遵循充分发挥隧道功能，安全、经济建设隧道的基本原则。
16、设计中有完整的勘测、调查资料，综合考虑地形、地质、水文、气象和交通量及 其构成，以及营运和施工条件，进行多方案的技术、经济、环保比较，使隧道设 计符合安全实用、质量可靠、经济合理、技术先进的要求。 （2）隧道主体结构按永久性建筑设计，具有规定的强度、稳定性和耐久性； 加强隧道支护衬砌、防排水、路面等主体结构设计与通风、照明、供配电、消防、 交通监控等营运设施设计之间的协调，形成合理的综合设计。对有关的技术问题 开展专项设计和研究。 （3）隧道土建设计体现动态设计与信息化施工的思想，制定地质观察和监 控量测的总体方案。 （4）隧道设计贯彻国家有关技术经济政策，积极慎重地采用新技术、新材 料、新设
17、备。 （5）隧道设计必须符合国家有关国土管理、环境保护、水土保持等法规的 要求。注意节约用地，保护农田及水利设施，尽量保护原有植被，妥善处理弃渣 和污水。 2.1.3 隧道设计技术标准 （1）公路等级：一级公路。 （2）隧道设计速度：60km/h。 （3）隧道建筑限界标准见表 2.1。 （4）隧道纵坡不应小于 0.3%，一般情况不应大于 3%，对于受地形限制的 中、短隧道可适当加大，不宜大于 4%。本隧道为短隧道。 （7）设计荷载：公路I 级。 -7- 2.1.4 隧道建筑限界图 可确定限界参数如表 2.1 所示： 表表 2.1 建筑限界设置建筑限界设置(单位：单位：m) 隧道建筑限界净宽：9
18、.75m，净高：4.5m。因为本隧道为两车道的短隧道，所以 本隧道不设置紧急停车带和横向通道。建筑限界如图 1.1。 图图 2.1 隧道建筑限界隧道建筑限界 设计速度 （km/h） 车道宽度 W 侧向宽度 L 检修道 J 左侧 右侧 左侧 右侧 60 2 0.50 0.75 0.75 0.75 -8- 2.2 内轮廓图确定 根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）规定，隧道的内轮廓拱部为单 心半圆1R=514cm，侧墙为大半径圆弧2R=764cm，仰拱圆弧半径4R=1500cm， 仰拱与侧墙间用一个小半径圆弧连接3R=100cm。 两车道的 60km/h 标准内轮廓图 如图 2.2。
19、图图 2.2 隧道内轮廓图隧道内轮廓图 -9- 2.3 2.3 隧道洞口的设隧道洞口的设计计 2.3.1 洞门形式的选择 隧道进口位于级围岩中，结合洞口排水要求，遵从“早进洞，晚出洞”的设 计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，综合考虑，该隧道进口洞门采 用“端墙式洞门”。端墙式洞门简图见图 2.3.1。 图图 2.3.1 端端墙式洞门简图墙式洞门简图 2.3.2 洞门构造要求 （3）洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够的 深度，保证洞门的稳定。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； 基底标高应在最大冻结线以下不小于 0.25
20、m。 基底埋置深度 应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。 （4）松软地基上的基础，可采取扩大基础措施。 -10- 2.3.3 验算满足条件 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JTG2004）的规定，并应符合公路路基设计规范、公路砖石及混凝 土桥涵设计规范、公路桥涵地基与基础设计规范的有关规定。 2.3.4 洞门结构设计计算 1、 计算参数确定 （1） 边、仰坡坡度 1：0.1； （2） 仰坡坡率 1：0.5； （3） 地层容重 3 m25kN/ =； （4） 地层计算摩擦角 70；
21、-11- （5） 基底摩擦系数 0.6； （6） 基底控制应力 MPa0.8 。 2、建筑材料的容重和容许应力 （1）墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为 Mu100，水泥砂浆的 强度等级为 M10。 （2）容许压应力 MPa2. 2，重度 3 t m22kN/ =。 3、洞门各部尺寸拟定 端墙式洞门的正墙斜度取 1： 0.1， 仰坡坡率取 1： 0.5， 设端墙厚度为 B=2.0m， 设基础埋深为 1.8m(其中基底采用阶梯状扩大基础，其中上层阶梯为 0.3m。下层 阶梯为 0.7m，基底宽度为mB3)，预留变形量为 0.05m，衬砌厚度为 0.5m，其 中衬砌拱顶到截水沟沟底的距
22、离为 1.1m，截水沟厚度为 0.2m，截水沟沟底到仰 坡坡底的距离为 0.5m，仰坡坡脚到洞门墙背的水平距离为 a=2m，设墙 H=12m。 本隧道取条带宽度 b=1m。 图图 2.2 洞门侧视图洞门侧视图 1、洞门土压力计算 边坡坡率 1:0.5，查表 最危险破裂面与垂直面夹角： 22 2 tantantan(1 tan)(tantan )(tantan)(1 tantan ) tan tan (1 tan)tan (1 tantan ) （3.2） -12- tan= 22 2 tan 70tan6 tan63.5(1 tan 70 )(tan70tan63.5 )(tan70tan6
23、)(1 tan6 tan63.5 ) tan63.5 (1 tan 70 ) tan70 (1 tan6 tan63.5 ) =0.266 故：14.89= 土压力系数按下式计算： )t a nt a n1)(tan( )tantan1)(tan(tan （3.3） ( t a n 1 4 . 8 9t a n 6 ) (1t a n 6 t a n 6 3 . 5 ) = 0 . 0 2 5 t a n (1 4 . 8 96 3 . 5 ) (1t a n 1 4 . 8 9 t a n 6 3 . 5 ) 洞门土压力按下式计算： m a h05.12 1 . 0266. 0 0 . 2
24、tantan m m a h0 . 5 1 . 05 . 0 0 . 2 1 . 0 0 3 3 . 6 7 k N= 2 1 00 2 bhhhHE （3.4） 为墙背摩擦角 0 30 3 2 取 墙体自重按下式计算: hBBhHG Ga （3.5） 38 . 12028 . 11222 5 5 6 . 8 k N / m= 3 3 22kN/m ; H; h; ; ,20/ m aa GG B KN 水泥砂浆砌片石重度 ，取 洞门高度 基础埋深，包括扩大基础在内 扩大基础的宽度 基础及回填土之平均重度 取。 2、洞门抗倾覆验算 根据公式 0 0 y M k M （3.6） kNEEX37.
25、25)cos( kNEEy05.22)sin( -13- yyGy zEGZM （3.7） xxZ EM 0 （3.8） 点的稳定力矩全部水平力墙址 点的稳定力矩全部垂直力对墙址 OM OMy - 0 m H BZE H ZE yy xx 4 . 3 3 tan m0 . 4 3 对墙址的力臂： 对墙址的力臂： m HB ZG G 1 . 2 2 tan 对墙址的力臂： 故： mkNMy25.12444 . 305.201 . 28 .556 mKNM48.1010 . 437.25 0 6 . 126.12 48.101 25.1244 0 0 M M K y 满足抗倾覆要求。 3、洞门抗滑
26、移验算 E Nf KC （3.9） 主动土压力之和墙后 之和作用于基底上的垂直力 E N y EGN x EE 6 . 0f 故 3 . 169.13 37.25 6 . 0)05.228 .556( c K 满足抗滑动要求。 4、基底合力偏心矩验算与基底承载力验算 设作用于基底的合力法向分力为N，其对墙址的力臂为 N Z，合力偏心距 为 e，则： y xxyyGy N EG ZEZEZG N MM Z 0 （3.10） 9 . 1 -14- 4 . 0 2 N Z B e 5 . 0 6 4 . 0| B e 满足计算要求 ) 6 1 ( m i n m a x B e B N （3.11）
27、 可得： 符合地基承载力要求。 5、墙身截面偏心矩验算及强度验算 墙身偏心矩e： B N M e3 . 0 （3.12） 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。 N85.578kEGN y 将数据代入墙身偏心矩e的公式，得可： mB N M e6 . 023 . 03 . 005. 0 所以计算结果满足要求。 应力： 6 (1) N e bb MPa2 . 20.75MPa= 所以计算结果满足要求。 经验算，翼墙的验算也满足要求。 2.4 初期支护设计 2.4.1 支护形式的选择及参数确定 隧道洞口处围岩为级围岩，隧道洞身围岩为级围岩，隧道采用复合式衬
28、 MPa8 . 031.347 max MPa8 . 059.38 min mkN B EHHEM yx 69.28 2 )3/2/( -15- 砌支护， 即由初期支护、 二次衬砌以及中间防水层组合而成的衬砌形式进行支护。 同时还采用大管棚、小导管等预支护措施。其中初期支护采用喷射混凝土、钢筋 网、钢拱架支护。 根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004）的有关规定，二车道复合式衬 砌在级围岩条件下。初期支护采用喷锚支护方式，初期衬砌厚度 10cm，二次 衬砌厚度 35cm；锚杆采用中空注浆锚杆，锚杆的直径为 20mm，长度为 300cm， 钢筋网直径为 10mm。二次支护为模筑混凝土，混
29、凝土的强度等级为 C35，厚度 为 10cm。 2.4.2 级围岩的初期支护设计 1、隧道的深浅埋确定： 深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等 因素综合判定。在级围岩条件下: 式中： P H 深浅埋隧道的分界深度； p h 荷载等效高度， q q h 。 已知在级围岩下，隧道宽度为 10.28m=B ，围岩容重为 3 /25mKN ， 则围岩的坍塌高度为h： 1 0.45 21(5) S hi B 528.101 . 01245. 0 13 2 . 7 5 m= 式中：S-围岩的级别； -围岩的重度； B-隧道的宽度； i-B每增减1m时的围岩压力的增减率，当5B
30、 m 时取0.1i 。 荷载等效高度： mh hq hq75. 2 故分界深度： mhH qP 5 . 575. 222 埋深1.5m=H，小于mhq75. 2，属浅埋隧道。 2、隧道围岩压力的确定 级围岩的围岩压力计算： qp hH2 -16- 根据公路隧道设计规范（JTG D70-2004），级围岩物理力学指标 值：重度 3 /25mkN ，弹性抗力系数 mMPak/1200，变形模量 GPaE20，泊松比3 . 0，计算摩擦角 70 0 ，内摩擦角 50，粘聚 力MPac5 . 1。 图图 2.4.1 浅埋隧道围岩压力计算浅埋隧道围岩压力计算 隧道埋深 H=2.5m，小于等效荷载高度mh
31、q75. 2，荷载视为均布垂直 压力，按下式计算： 2 /5 .625 . 225mkNHq （4.1） 式中：q垂直均布压力（ 3 kN/m）; 隧道上覆围岩重度（ 3 kN/m）； H隧道埋深（m），指坑顶至地面的距离。 图图 2.4.2 浅埋隧道支护结构上的荷载浅埋隧道支护结构上的荷载 侧向压力 e 按均布考虑时其值为： 2 45tan 2 0 2 t H He (4.2) 2 70 45tan 2 34. 8 5 . 125 2 e -17- 2 /41. 4mkN 其中： 2 kN/me侧向均布压力 )(mHt隧道高度 ）围岩计算摩擦角（ c 2.4.3 初期支护设计及验算 本隧道处
32、在级围岩中，开挖半径为a5.64m(R1=5.14m，预留变形量 50mm， 初期衬砌厚度 10cm， 二次衬砌厚度 35cm)， 现以级围岩取最大埋深 1.5m 处计算： 支护材料取喷射混凝土采用 C25，厚度为 10cm，钢筋网选用 HPB235 钢筋， 钢筋直径 10mm， 网格间距 25 25cm。 锚杆为全长粘结型， 长度 3m， 直径 20mm， 间距 1m 1m，选用 HRB335，带垫板，其尺寸为 150mm 150mm 6mm。钢支撑 选用 a I20工字钢 2 58.35cmFs，每榀间距 1m。 采用剪切滑移破坏法计算： 图图 2.4.3 剪切滑剪切滑移破坏法示意图移破坏
33、法示意图 -18- 1、喷混凝土提供的支护抗力 P1 值 a Wa ln tan 1 0 20 2 50 -45 2 -45 （为围岩的内摩擦角） -19- 其中，为剪切滑移面与最小主应力轨迹线成角，a、 0 均见图 2.4.1，b 为 剪切区高度。W为加固带高度，取 l 为形成加固带时锚杆的有效长度，t 为锚杆 横向间距（见图 4.3），则有： a a t a t a t a t a t alW ) 42 cos( ) 2 sin( ) 42 tan() 2 sin() 2 cos( ）（ (4.5) 得： 0.10m=10cm=ds 5.38MPa=12.50.43=0.43= s m b
34、 3 . 520cos64. 5 2 ,20则 mb6 .10 64. 5 ) 428.11 1 cos( ) 28.11 1 sin( ) 428.11 1 tan() 28.11 1 sin() 28.11 1 cos()63. 53( W 2 . 6 9 m= 14.87 64. 5 0 . 364. 5 ln 20tan 1 20 0 57.33 2 2014.87 将所有数据代入式 cos sin d2 1 s ss b P 得： MPaP17. 057.33cos 5 . 06 .10 38. 51 . 02 1 计算时可换算成相应的喷混凝土支护抗力，即 cos sin 2 2 t
35、 ts b F P (4.6) 式中: s F每米隧道钢材的当量面积，此处取 35.58cm2； ；，也可用为钢材的允许抗拉强度般取钢材的抗剪强度，一 stt 15 2 1 ttt 。用 钢 材 剪 切 角 ， 一 般 采 45 tt 得： MPa st 7.8015 -20- 代入式中，得： MPaP064.057.33cos 45sin6.10 107.8058.352 4 2 2、锚杆提供的支护抗力 P3 值 锚杆受力破坏有两种情况： （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 ： te F P 3 (4.7) 式中 F锚杆的断面积； 锚杆的抗拉强度； e
36、、t锚杆的纵向及横向间距。 则 0.15MPa= 3 te F P （2）锚杆粘结破坏，即砂浆锚杆与孔壁之间的粘结力不足而破坏。这种情 况下锚杆提供的平均径向支护抗力： te S P 3 (4.8) 式中 S为锚杆抗拔力，即锚杆的锚固力， s DlS ； D钻孔直径，在此设计中取 D=60mm； L锚固段长度； s 孔壁与注浆体之间极限粘结强度，砂岩取 s =0.85MPa 则 3 0.06 3.5 0.850.56 10 kNS 代入 te S P 3 式中得 3 3 0.56 10 “0.56MPa 1 1 P 取其中的最小值， 3 3 PP 则取锚杆提供的平均径向支护抗力MPaP247.
37、 0 3 。 由于在 0 范围内的锚杆才能对剪切滑移体产生抗力，则： -21- 033 c o sc o s c o s 1 PP 1 0 . 2 4 7c o s 2 0c o s 8 7 . 1 40 . 1 4 M P a c o s 2 0 3、围岩本身提供的支护抗力 P4 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 b/2 上的抗滑力 P4为 b S b S P n sin2cos2 n 4 式中 S 剪切滑移体长度，其值为 1 sin tan 0 e a S 1 20sin 64. 5 20tan)2014.87( e 77. 8 tanexp ar
38、=8.64 nn 、分别为沿滑移面的剪切应力和垂直于滑移面的正应力，它们按 摩尔包络线为直线时的假定求出（见图）： cos 2 31 n sin 22 3131 n 由图 4.3 可知 tancos 2 - 31 n c 将式 sin 22 3131 n 中 n 值代入上式，得 cos sin1 tanc2 331 -22- 图图 2.4.4 包络线图包络线图 式中的、c为围岩物理力学指标，径向主应力 3 值随剪切滑移面上的位置 而变化，难以确定，所以假定 3 等于各支护结构所提供的径向支护抗力之和， 即 3213 PPP 式中 1 P 喷混凝土层提供的支护抗力 1 220 . 15 . 3
39、8 0 . 2 0 M P a s i n1 0 . 6s i n 3 0 ss s d P b 2 P 钢支撑提供的径向支护抗力 4 2 223 5 . 5 81 08 0 . 7 0 . 0 8 M P a s i n1 0 . 6s i n 4 5 st t F P b 3 P 锚杆提供的径向支护力 3 0 . 1 5 M P a F P e t 则 3123 0 . 2 00 . 0 80 . 1 50 . 4 3 M P aPPP 将 3 值代入 cos sin1 tanc2 331 式得 1 1s i n 5 0 0 . 4 321 . 50 . 4 3t a n 5 01 1 .
40、 4 9 M P a c o s 5 0 将 31 、代入 cos 2 31 n 式得 -23- 1 1 . 4 90 . 4 3 c o s 5 03 . 5 5 M P a 2 n 1 1 . 4 90 . 4 31 1 . 4 9 - 0 . 4 3 s i n 5 01 . 7 2 M P a 22 n 将以上数据代入 b S b S P n sin2cos2 n 4 式得 4 28 . 7 73 . 5 5c o s 3 3 . 5 728 . 7 71 . 7 2s i n 3 3 . 5 7 3 . 3 2 M P a 1 0 . 61 0 . 6 P 将 4321 PPPP、代
41、入式中，得 1234 0 . 1 70 . 0 6 40 . 1 43 . 3 23 . 7 0 M P aPPPPP 4、最小支护抗力值 Pmin 按重力平衡条件求解。塑性区的岩体，随塑性径向位移增长而形成松散区。 松散区的岩体由于重力作用而形成松散压力，为保持坑道的稳定，用支护力与它 平衡（如图 4.5）。当处于受力极限平衡状态时，所求得的支护抗力即为 min P。 确定 min P的途径有：由现场实测的塑性区半径 r 求 min P（按重力平衡条件 求）；根据坑道周边的允许位移值求 min P；实地量测形变压力作为 min P； 根据围岩特征曲线求 min P。 图图 2.4.5 开挖支
42、护后坑道受力示意图开挖支护后坑道受力示意图 当滑移体处于受力极限平衡状态时，选用途径求得 min P： GbP min arbbhG 0 -24- arP 0min 1 1 0 1 1 1 2 ba by RP R ar 则 145sin1 45sin2 45sin1 min min P H aP 式中 为围岩的重度，此处级围岩，取=25KN/ 3 m; y 为初始应力， 设处于均质岩体中， 则;128. 05 . 125MPah y 55. 7 50sin1 50sin1 sin1 sin1 M P a c Rb24. 8 50sin1 50cos5 . 12 sin1 cos2 则 145
43、sin1 5 . 125 64. 525 45sin2 45sin1 min min P P 得： 0 . 0 0 8 MP a m i n P 得： min PP 即，设计支护满足要求。 可得出级围岩条件下的初期支护，见下表： 表2.4.1 各级围岩初期支护参数表 围岩 级别 喷混 凝土 钢筋网 锚杆 钢架 设置部位/ 厚度（cm） 网格 间距 （cm） （环 纵） 设置 部位 长度 （m） 间距 （环 纵） （m） 规格 每榀间 距（m） 拱墙、仰拱 10 25 25 拱墙 3.0 1 1 I20a 工字钢 1.0 （全环） -25- 2.5 二次衬砌的计算 级围岩中，采用复合式衬砌，初期
44、支护按照工程类比法设计，二次衬砌采 用荷载结构法计十算，根据公路设计施工规范，其中级围岩中二次衬砌为 完全储备，因此不需要进行计算。 图图 2.5.1 公路设计施工规范公路设计施工规范 -26- 2.6 施工组织设计施工组织设计 2.6.1 编制说明 1、编制依据 1.隧道工程，陈秋南. 北京：机械工业出版社，2014. 2. 公路隧道设计细则JTG/T D70-2010，中华人民共和国交通运输部， 北京：人民交通出版社，2010. 3. 公路隧道设计规范JTG D70-2004，中华人民共和国交通部，北京： 人民交通出版社，2004. 4.公路隧道施工技术规范JTG F60-2009，中华人民共和国交通运输部， 北京：人民交通出版社，2009. 5.铁路工程设计技术手册-隧道，北京：中国铁道出版社，1995. 6交通隧道工程，彭立敏. 长沙：中南大学出版社，2003. 2、编制原则 （1
