河南理工大学隧道课程设计

1．隧道断面设计

1.1隧道建筑限界设计

设计资料：高速公路三车道（设计速度：80km/h）V级围岩隧道（埋深100m）需要设置的参数有：

侧向宽度L、车道宽度W、车道数、余宽C、检修道J、人行道R等。

综上，本隧道建筑限界参数如下：

车道宽度W=3.75m；车道数=3；

=0.75m；

侧向宽度L l=0.5m， L

r

建筑限界左顶角宽度E l=L l=0.5m, 建筑限界右顶角宽度E r=L r=0.75m

检修道J左右均为0.75m；

建筑限界高度：5.0m。（高速公路）

隧道路面横坡为单向坡。且坡度的设置应根据隧道长度、平纵线性等因素综合起来进行考虑，一般采用值1.5%~2%，本设计采用2%.

图1.1 高速公路隧道建筑界限（单位：cm）

1.2隧道的内轮廓线设计

本隧道为单向交通，隧道的路面横坡以单向坡合适，坡度设置为2%。内轮廓线与建筑限界最小应大于10cm。

根据《公路隧道设计规范条文说明》：

在设计时速为80km/h的高速公路中按照“三心圆”作图的方法

具体尺寸详见表1.1

表1.1三车道隧道内轮廓几何尺寸

公路等级设计速度（KM/h）R1R2R3A1A2A3

高速公路8071712531434770250290

2．隧道围岩压力计算

2.1 支护方法及衬砌材料

根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），本设计为高速公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式。

复合式衬砌应符合下列规定：

由规范8.4.2-2，对于三车道V级围岩，详见图2.1

图2.1三车道隧道复合式衬砌设计参数

初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为20-30cm，拱墙的锚杆长度为3.5-5m，锚杆间距为0.5-1.0m；

二次衬砌厚度：拱墙混凝土厚度为60cm

因此确定衬砌尺寸及规格如下：

深埋隧道外层初期支护，根据规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用普通水泥砂浆锚

杆，规格HRB20×2.5m，采用梅花型局部布设，采用C30喷射混凝土。

初次衬砌：采用C30喷射混凝土，厚度为23cm

防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为350g/m2,防水板应采用PVC-P 板防水层，厚度为20mm，搭接长度为150mm。

二次衬砌：根据《公路隧道设计规范》，采用C30 号模筑防水混凝土，厚度为60cm。

整个衬砌厚度为23+2+60=85cm。

隧道的内轮廓尺寸为B=14.6m，H=13.1m

因为V级围岩需要预留变形量，查《公路隧道设计规范》8.4.1知V级围岩需预留变形量为100-150mm，衬砌厚度为85cm，又每侧超挖量为10cm，故隧道的近似开挖尺寸为：

B t=14.6+0.85×2+0.1×2+0.12=16.62m

H t=13.1+0.85×2+0.1×2+0.12=15.12m

2.2深埋、浅埋的判定

按照《公路隧道设计细则》：本隧道的深埋与浅埋的判定依据应该根据荷载的等效高度并且结合施工方法、地质条件等多种因素综合考虑.

按照经验法计算，拱部竖向围岩压力计算如下：

ω=1+i(B t−5)=1+0.1×(16.62−5)=2.16

ℎq=0.45×2s−1ω=0.45×25−1×2.16=15.57m

q=γℎq=18×15.57=280.2kN/m

式中：

ℎq—荷载等效高度；

γ—围岩重度；

S—围岩级别，本设计为V级围岩S=5

ω—宽度影响系数；ω=1+i(B t−5)

B t—隧道开挖跨度，考虑超挖；

i—在本设计中取0.1：（B t<5m取0.2，反之取0.1）；

为此，深、浅埋隧道分界深度至少坍方的平均高度且有一定余量。根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方的平均高度值，即

H p=(2~2.5)ℎq=(2~2.5)×15.57=(31.14~38.93)m<100m

式中：

H p—深埋、浅埋隧道分界深度（m）；

ℎq—荷载的等效高度

Ⅳ~Ⅵ级围岩取H p=2.5ℎq，Ⅰ~Ⅲ级围岩取H p=2.0ℎq。

当隧道覆盖层厚度h≥H p时为深埋，h

2.3 深埋隧道围岩压力计算

（1）计算出围岩竖向压力计算

q=γℎq=18×15.57=280.2kN/m2

（2）围岩级别为（Ⅳ~Ⅵ），水平压力计算方法：

拱顶水平公式为:

e=λq=0.4×280.2=112.08kN/m2

边墙底部水平压力为：

e d=λ(q+γH t)=0.4×(280.2+18×13.1)=206.4kN/m2

式中：

e—水平均布围岩压力

e d—边墙底部水平压力；

λ—侧向压力系数取值参照表2.1；

q—垂直均布围岩压力；

H t—隧道开挖高度，在本设计中取10m；

表2.1侧向压力系数

围岩级别Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ

侧压力系数0<0.150.15~0.30.3~0.50.5~1.0

3. 隧道二次衬砌结构内力计算

3.1 隧道结构体系的计算模型

（1）承载主体是支护结构的“荷载—结构”法,

（2）以锚喷支护进行预设计的“地层—结构”法。

表3.1两种模型的比较

荷载结构模型地层结构模型

模型内容

该围岩具有一定的结构承载能力。

但是它极有可能因为逐渐松弛导致失

稳。最终的结果是对支护结构产生了荷

载作用，即是围岩为荷载的主要来源。

围岩常会松弛破坏而失稳，但是

在松弛时候也会提供承载力，对其承

载能力不仅要尽可能的利用，而且还

应当去保护加强，即视围岩是承载的

主体。

支护阻力

围岩变形太大，可能导致松动坍塌

产生松动压力。

支护与围岩共同发挥作用，共同

变形使双方产生接触形变压力。

优点

计算模型广泛应用，概念很清楚、

方法比较简明，容易接受和掌握

考虑初期支护和二次衬砌共同作

用对围岩产生影响。

缺点

没有考虑初期支护的影响可能导

致结果变大。

计算理论不够清晰，计算结果受

主观作用影响太大；同时容易受到开

挖时外部因素的影响，而使得计算不

准确。

综合比较二者，“荷载—结构”法优点在于计算概念的清楚，方法比较简明，理论比较明确。本设计将采用“荷载—结构”法计算；但“荷载—结构”法的缺点是忽视了初期支护结构的影响。

3.2内力图

图3.1 MIDAS/GTS 计算弯矩图