地下工程课程设计公路隧道设计-毕业论文.doc

课程设计

题目：某2车道时速120 km/h高速公路隧道V级围岩段结
构及施工方法设计

课程设计（论文）任务书
专业班级 地下工程12-02班 学生姓名
一、题目 某2车道时速120km/h 高速公路隧道V级围岩段结构及施工方法设计
二、起止日期 2015年 6 月 22 日至 2015 年 7 月 9 日
三、主要任务与要求
公路隧道参数：时速120km/h,两车道，围岩等级V级，上覆土层平均重度18.5,埋深60m,地下水距拱顶20m,平均内摩擦角42°,配筋设计按容许状应力法。
设计要求如下:
(1)隧道横断面设计，根据设计数据确定建筑限界和净空断面（建筑界限按最小宽度）；
(2)查阅相关文献资料，选择隧道断面参数；
(3)隧道结构设计，采用荷载结构法计算衬砌内力；根据相关规范，利用工程类比法确定初次支护参数；
(4)施工方法与工艺流程。

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年 月 日

目录
一、初始条件 ……………………………………………………………………2
二、隧道洞身设计 ……………………… ……………………………………2
2.1隧道建筑界限及内轮廓图的确定 ………………………………………2
三、隧道衬砌结构设计 ……………… ……………………………………3
3.1支护方法及衬砌材料………………………………………………………3
3.2隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算……………………………………4
四、衬砌结构内力计算 ……………… …………… ………………………6
4.1基本资料……………………………………………………………………6
4.2在同济曙光软件中步骤……………………………………………………7
4.3配筋 ………………………………………………………… …………13
五、隧道开挖施工 …………………………………………………………15
5.1隧道开挖施工方案 ……………………………………………………15
5.2施工顺序 …………………………………………………………………15
5.3施工要点 …………………………………………………………………15
5.4施工方法优缺点 ………………………………………………………16
六、附录…………………………………………………………………………17

摘要
本设计为公路隧道设计，该隧道为两车道隧道，根据任务书的要求车速120km/h、围岩等级Ⅴ级、隧道埋深60m。本设计的主要任务是隧道的支护结构和施工设计。
本设计主要内容包括：各级围岩荷载计算、利用有限元软件进行衬砌的内力计算、复合式衬砌设计、施工工艺设计等。
关键词：公路隧道限界 结构计算 配筋 环形开挖留核心土法

一、初始条件
某高速公路隧道通过Ⅲ级围岩，埋深H=60m，隧道围岩天然容重γ=23 KN/m3，计算摩擦角=；衬砌材料采用C25喷射混凝土，材料容重，变形模量。
二、隧道洞身设计
2.1隧道建筑界限及内轮廓图的确定
该隧道横断面是根据两车道高速公路Ⅴ级围岩来设计的，根据《公路隧道设计规范》确定隧道的建筑限界如下：
表2.1公路隧道建筑限界横断面醉成最小宽度
公路
等级
设计速度
（km/h）
车道宽度
（W）
侧向宽度
余宽C
人行道R
检修道J
隧道建筑净宽
左侧LL
右侧LR
左侧
右侧
设检修道
设人行 道
不设人行道、检修道
高速公路一级公路
120
3.75×2
0.75
1.25

0.75
0.75
11

100
3.75×2
0.5
1

0.75
0.75
10.5

80
3.75×2
0.5
0.75

0.75
0.75
10.25

60
3.50×2
0.5
0.75

0.75
0.75
9.75

二级公路三级公路四级公路
80
3.75×2
0.75
0.75

1

11

60
3.50×2
0.5
0.5

1

10

40
3.50×2
0.25
0.25

0.75

9

30
3.25×2
0.25
0.25
0.25

7.5
20
3.00×2
0.25
0.25
0.25

7

W—行车道宽度；取3.75×2m
C—余宽；因设置检修道，故余宽取为0m
J—检修道宽度；双侧设置，取为1.0m
H—建筑限界高度；取为5.0m
—建筑限界左顶角宽度；取0.75m
h—检修道高度；取为0.25m
设计行车速度为120km/h,建筑限界左右顶角高度均取1m；隧道轮廓线如下图：

图2.1 隧道内轮廓限界图 单位：m

根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为65cm（一次衬砌为20cm和二次衬砌45cm）通过作图得到隧道的尺寸如下：

图2.2 隧道内轮廓图
得到如下尺寸:R=6.2682m。
三、隧道衬砌结构设计
3.1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：
1初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土，锚杆，钢筋网和钢筋支架等支护形式单独或组合使用，锚杆宜采用全长粘结锚杆。
2二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。
由规范8.4.2-1，对于两车道Ⅴ级围岩：
初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为15-20cm，拱墙的锚杆长度为3-4m，锚杆间距为0.8-1.2m；
二次衬砌厚度：拱墙混凝土厚度为45cm。
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C25喷射混凝土。
初次衬砌：采用C25喷射混凝土，厚度为19.8cm。
防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为300g/m2,防水板应采用铺满的EVA板防水层，厚度为2.0mm，搭接长度为150mm。
二次衬砌：根据《公路隧道设计规范》，采用C25号模筑防水混凝土，厚度为45cm。整个衬砌厚度为19.8+0.2+45=65cm。

图2.3衬砌示意图
3.2隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算
隧道的内轮廓尺寸为B12.24m，H=9.3m
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80-100mm，衬砌厚度为65cm，又每侧超挖量为10cm，故隧道的近似开挖尺寸为：

深浅埋的判别
（3.1）
—深浅埋隧道的分界深度；
（3.2）
h—等效荷载高度
—跨度影响系数；
（3.3）
i—围岩压力增减率，当时取=0.1

埋深故为深埋隧道。
又
可用公式（3.4）计算均布垂直压力：
（3.4）

表3.1 水平均布压力e的取值
围岩级别
Ⅰ、Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
水平均布压力e
0
<0.15q
(0.15~0.3)q
(0.3~0.5)q
(0.5~1.0)q
因为该隧道围岩级别为Ⅴ围岩水平均布压力为：

取e=120。

图3 .1荷载示意图
四、衬砌结构内力计算
4.1基本资料
表4.1隧道衬砌基本资料
公里等级
高速公路
围岩级别
Ⅴ级
围岩容重
r=18.5KN/m3
材料容重

材料变形模量

衬砌厚度
d=0.65m

图4.1 衬砌结构断面图

4.2在同济曙光软件中步骤如下
1、隧道建筑限界设计

图4.2

图4.3
2、隧道衬砌横断面设计

图4.4

3、 荷载计算
表4.2荷载计算取值
py1
py2
py3
py4
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
Px1
Px2
Px3
Px4
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
在菜单中选择，程序将计算出作用在结构上的围岩压力，并且在屏幕上衬砌断面图的旁边生成结构计算简图。
该围岩压力将自动填写在“分布荷载“对话框中，若不作修改将直接用于后面的计算，若要修改则选择菜单中的，将弹出如下对话框

图4.5
在菜单中选择，用以添加材料，将弹出如下对话框：

图4.6
单击，该对话框将变为：

图4.7
双击，将弹出如下对话框：

图4.8
4、计算结果显示：
表4.3软件计算结果
节点号
坐标（x，y）
N（kN）
V（kN）
M（kNm）
1
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
2
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
3
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
4
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
5
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
6
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
7
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
8
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
9
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
10
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
11
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
12
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
13
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
14
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
15
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
16
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
17
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
18
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
19
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
20
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
21
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
22
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
23
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
24
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
25
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
26
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
27
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
28
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
29
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
30
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
31
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
32
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
33
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
34
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
35
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
36
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
37
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
38
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
39
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
40
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
41
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
42
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
43
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
44
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
45
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
46
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
47
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
48
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
49
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
50
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
51
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
52
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
53
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
54
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
55
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
56
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
57
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
58
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
59
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
60
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
61
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
62
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
63
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
64
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
65
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
66
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
67
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
68
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
69
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
70
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
71
( 48.982103, 7.454019)
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-200.5
-39.3266
72
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
73
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
74
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
75
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
76
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
77
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
78
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
79
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
80
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
81
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
82
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
83
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
84
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
85
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
86
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
87
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
88
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
89
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
90
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
91
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
92
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
93
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
94
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
95
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
96
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
97
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
98
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
99
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
100
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
101
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
102
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
103
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
104
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
105
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
106
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
107
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
108
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
结果内力图显示如下

图4.9轴力图

图4.10剪力图

图4.11弯矩图
4.3配筋
在衬砌结构中最大弯矩截面为拱顶截面，轴力N=1859.8，弯矩M=546.3347，配筋采用对称配筋，选用C25混凝土，HRB500钢筋，混凝土保护层厚度为40mm。
3.1判断偏心受压类型
截面设计尺寸为
（4.1）

且，判定为大偏心受压，上式计算所得到的值有效。
（4.2）
（4.3）
（4.4）
求得= 607.6056mm>0.3=183mm，故按大偏心进行计算。
（4.5）
e=
4.2计算和
（4.6）
解得，选7D28（），截面总配筋率
，满足要求。
3.3验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力
查表得，则运用式（3.7）来计算
（4.7）
=
=14125>N=
由计算可知截面强度满足规范要求。
衬砌配筋图如下

图4.12断面衬砌配筋图

图4.13 1-1截面详图

图4.14配筋图

五、隧道开挖施工
5.1隧道开挖施工方案
采用如图所示分布施工顺序进行开挖，即先环形开挖留核心土法的施工方法。
环形开挖留核心土法，将开挖断面分为上、中、下及底部四个部分逐级掘进施工，核心土面积应不小于整个断面面积的50%。上部宜超前中部3～5m，中部超前下部3～5m，下部超前底部10m左右。为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5m左右，中部台阶高度也控制在4.5m左右，下部台阶控制在3.5m左右。

图5.1施工示意图1

图5.2施工示意图2
这种施工方法适用于土质易于坍塌的软弱围岩隧道隧道坑道开挖后，在岩体散破坏之前，及时修筑一层柔性薄壁衬砌（第一次衬砌），通过施工中的量测监视，确定围岩变形稳定之后，修筑防水层及第二次衬砌，此即为复合衬砌施工方法（新奥法）。该法并不单纯是一种施工方法，该法是对围岩动态性质通过施工中的量测的认识和理解，通过周密的量测工作，系统的控制坑道变形与应力，从而确定所建立的支护体系受力情况，并不断加以修改、完善。
5.2施工顺序
开挖弧形导坑——第一次柔性衬砌（拱）——开挖核心及侧壁——第一次柔性衬砌（边墙） ——开挖仰拱部分并修筑仰拱——施工测量（位移、应力等量测）——防水层——第二次衬砌。
5.3施工要点
1.环形开挖每循环长度宜为0.5～1m；
2.开挖后应及时施作喷锚支护、安装钢架支撑或格栅支撑，每两榀钢架之间应采用钢筋连接，并应加锁脚锚杆，全断面初期支护完成距拱部开挖面不宜超过30m；
3预留核心土面积的大小应满足开挖面稳定的要求；
4当地质条件差，围岩自稳时间较短时，开挖前应在拱部设计开挖轮廓线以外，进行超前支护；
5.上部弧形，左、右侧墙部，中部核心土开挖各错开3～5m进行平行作业。
5.4施工方法优缺点
先环形开挖留核心土法的优点：有利于掌子面围岩稳定，初期支护可采用扇形支撑先环形开挖留核心土法在隧道进行临时支护，施工速度较快，工法转化容易不需另外增加开挖成本。
先环形开挖留核心土法的主要不足：对围岩下半部的稳定性和强度有一定要求，有时需对拱脚和墙角围岩进行注浆加固或增设锁脚锚杆。

六、附录
一、设计参数
1.隧道建筑限界
表1.1隧道建筑界限参数
公路分类
汽车专用公路
公路等级
高速公路
地形特征
平原微丘
是否设检修道或人行道
是
行车道宽度W(m）
7.5
路缘带宽度S(m)
0.75
侧向余宽C(m)
0
人行道宽度R(m)
0
检修道宽度J(m)
1
隧道建筑限界净宽(m)
10
隧道衬砌类型
一心圆曲墙拱隧道衬砌
是否设置仰拱
设置
衬砌横断面厚度是否等厚
时
地面到拱顶的距离(埋深：m)
60
2.材料参数
表1.2材料参数
围岩类别
Ⅴ类围岩
压缩状态地层法向弹性抗力系数
3500000.000
压缩状态地层切向弹性抗力系数
3500000.000
拉伸状态地层法向弹性抗力系数
0
拉伸状态地层切向弹性抗力系数
0

表1.3混凝土参数
混凝土标号
弹性模量E( KN/m2，MPa)
惯性模量I(m4/m)
截面积A(m2/m)
25号混凝土
28500000.000
0.023
0.650
3.分布荷载
表1.4分布荷载参数
py1
py2
py3
py4
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
Px1
Px2
Px3
Px4
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m
315.2362kN/m

4.有限元控制参数
表1.5有限元控制参数
地层弹簧作用模式
全周弹簧作用模式
增量加载总数
1
增量输入控制参数
0
迭代控制参数
无迭代运算
5.隧道衬砌基本资料
表1.6隧道衬砌基本资料
公里等级
高速公路
围岩级别
Ⅴ级
围岩容重
r=18.5KN/m3
材料容重

材料变形模量

衬砌厚度
d=0.65m
6.衬砌尺寸
表1.7 衬砌尺寸
圆心至限界底边的距离(m)
3.500
衬砌横断面厚度(m)
0.650
二、计算结果

表2.1软件计算结果
节点编号
坐标（x，y）
N（kN）
V（kN）
M（kNm）
1
(49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
2
(50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
3
(51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
4
(52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
5
(53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
6
(55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
7
(56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
8
(57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
9
(58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
10
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
11
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
12
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
13
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
14
( 58.687079, 10.189816)
1717.4
-102.9
-25.9945
15
( 55.100000, 11.201000)
1717.4
102.9
66.0776
16
( 51.512921, 10.189816)
2072.9
10.1
-25.9945
17
( 48.982103, 7.454019)
2130.5
-200.5
-39.3266
18
( 48.252776, 3.799199)
2403.8
873.4
158.3887
19
( 49.540000, 0.302000)
1859.8
-1576.3
-659.2956
20
( 50.652000, 0.302000)
1859.8
-1226
-225.2687
21
( 51.764000, 0.302000)
1859.8
-875.7
112.3078
22
( 52.876000, 0.302000)
1859.8
-525.4
353.4339
23
( 53.988000, 0.302000)
1859.8
-175.1
498.1095
24
( 55.100000, 0.302000)
1859.8
175.1
546.3347
25
( 56.212000, 0.302000)
1859.8
525.4
498.1095
26
( 57.324000, 0.302000)
1859.8
875.7
353.4339
27
( 58.436000, 0.302000)
1859.8
1226
112.3078
28
( 59.548000, 0.302000)
1859.8
1576.3
-225.2687
29
( 60.660000, 0.302000)
2403.8
-873.4
-659.2956
30
( 61.947224, 3.799199)
2130.5
200.5
158.3887
31
( 61.217897, 7.454019)
2072.9
-10.1
-39.3266
32
( 58.687079, 10.1