隧道工程课程设计(DOC)

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1、隧道工程课程设计一 目的和任务课程设计是专业课教学计划中的重要环节。通过该教学环节使学生对所学的理 论知识有更深的认识与提高.并应用于实际工程设计.巩固本课程所学知识.提高 学生分析问题和解决问题的能力。二 设计要求 必须按照设计任务书的要求完成全部规定内容.严格遵守国家颁布的有关技术 规范和规程。 设计图件采用计算机或铅笔绘制要求线条清晰整洁美观符合有关建筑制图 规范。 说明书一律用碳素墨水抄写公正文句通顺.简明扼要.文中计量单位一律采用 国家标准。三 设计资料船溪隧道进口位于新晃县杉木塘村.出口位于新晃县兴隆乡龙马田村。本隧道 所处路段为双向四车道高速公路.隧道建筑限界按 80km/h 行

2、车速度确定。为分离 式单向行车双线隧道。隧道左线起汽桩号为2K69+8402K71+770.全长1930m.右 线汽桩号为YK69+870YK71+835.全长1965m.按隧道分类左、右线均属长隧道； 左线隧道位于R=3000m的圆曲线内右线隧道位于R=35000m的圆曲线内。左右线 均不设置超高。左线位于1.1%的上坡与0.66%的下坡.竖曲线半径R=3500m竖曲 线上.右线位于1.1%的上坡与0.66%的下坡.竖曲线半径R=35000m的竖曲线上。隧址位于湖南省新晃县波洲镇与兴隆乡境内.属于低山区地貌.地形起伏较大. 隧道穿越二道冲沟隧道最大埋深约188m隧道进口及出口山体坡度较大约

3、4050.隧道进口及洞身上坡上遍布杉树、灌木.出口山坡植被较少。根据国家质量技术监督局于2001 年2月2日发布的中国地震动参数区划图 查得：隧道区地震动反应谱特征周期为0.35s;地震动峰值加速度小于0.05g. 参照其附录D。地震基本烈度小于VI度.由于勘察场地地形起伏较大应考虑地形 对地震动参数的放大作用。该勘察区属亚热带季风气候区.气候温和湿润.雨量充沛。12 月至翌年 1 月为 枯水期.降水量最小.从2月份起见增。48月为雨水期.降水量最大.大气降水是 本地区地下水及地表水主要补给来源。根据当地水文工程经验.本区地表水及地下水对砼无侵蚀性.防护等级为常规。 综上所述.隧道去水文地质条

4、件较简单。四 设计任务 根据资材要求设计 80km/h 行车速度的公路隧道的建筑限界和设置紧急停车带 的建筑限界并画出有关图。 试设计80km/h行车速度的标准断面并画出有关图。 当隧道开挖通过的是III级围岩时试设计计算喷射混凝土的厚度和锚杆的布置 并画出一个断面的有关图。 隧道出口洞门是端墙式洞门.端墙高出隧道拱顶2m.试设计该洞门并进行相关验算.并画出有关图。五 参考资料公路隧道设计规范JTGD70-2004 公路隧道通风照明设计规范JTJ026.1-1999 公路工程技术标准JTJ001-97 公路工程抗震设计规范JTJ004-89 锚喷混凝土支护技术规范GBJ86-85 地下工程放水

5、技术规范GB50108-2001 覃仁辉.隧道工程.2008重庆大学出版社。 彭立敏.交通隧道工程.2003.中南大学出版社。 陈秋南.隧道工程.2007机械工业出版社。六计算设计丨建筑限界隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通正常运行与安全而规定在一定宽度 和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。隧道建筑限界由行车道宽度W.侧向宽度L.人行道R或检修道等组成。如图所示 O5U1050切.11 11. r1 11.11 11 11 1111刊图中W:行车道宽度按公路工程技术标准有关条文规定。S:行车道两侧路缘带宽度C:余宽。当计算行车速度大于或等于100km/h时为0.5m计算行车速度小于100

6、km/h.为 0.25mH:净高。汽车专用公路一般二级公路为5m三、四级公路为4.5mE:建筑限界顶角宽度。当LW1m时.E二L;当L1m时.E=1m;L:侧向宽度J:检修路宽度h:检修路高度其中检修道功能如下： 便于养护人员、司机处理紧急事故而不影响交通。 检修道的路缘石可以阻挡车辆爬车道是检修人员的安全限界。 检修道路缘石可以作为驾驶员的行驶方向比车道边线更能吸引驾员的注意 力有利于行车安全。 检修道下部空间可以用来安装管线等附属设施。检修道高度h按表3-1取值。设计速度 120 100 80 60 40-20 h 80-60 60-40 40-30 30-25 25或20 注：在设计速度

7、一定的条件下.可按隧道长短取值。在建筑限界内不得有任何部件入侵.隧道建筑限界的基本宽度应按有关规定取值 并符合以下规定。 当设置检修道或人行道时.不设余宽。当不设置人行道或检修道时.应设置不 少于25cm的余宽 隧道路面横坡.当隧道为单向交通时.应取单向坡面；当隧道为双向交通时. 应取双面坡.坡度一般可取1.5%2.0% 隧道纵坡设计的主要因素是通风问题.一般采用“人字坡”。一般把纵坡中控 制在2%以下为好。本隧道设计纵坡值为1.1%0.66%.均在2%之下.符合规范 要求。高速公路及一级公路隧道内应设检修道。汽车专用公路隧道只在左侧设检修 道。检修道或人行道的高度可按2080cm取值并综合考

8、虑以下因素：1. 检修人员步行时的安全2紧急情况时驾车人员拿取消防设备方便3.满足其下放置电缆给水管等的空间尺寸要求II隧道的建筑限界的确定本设计中隧道设计要求为80km/h高速公路.根据原始资料本隧道为山隧道. 高速公路标准单向两车道设计车速为80km/h根据公路隧道设计规范确定 的建筑限界取值如下。行车道宽度：W: W=2X3.75=7.5m路缘带宽度：S: S=0.5m余宽：C=0m侧向宽度L: L二S+C=0.5m检修道宽度J: J=0.75m检修道高度h: h=0.3m顶角宽度E: E二L=0.5m隧道建筑限界高度H: H=5.0m隧道建筑限界净宽：9.75m+0.25m=10.00

9、m隧道建筑限界示意图如下.隧道内横向采用单向坡坡度为1.6%。=/CD启17=il-3753750U7ICu紧急停车带由于该隧道为长隧道.因此在隧道中应设紧急停车带由公路隧道设计规范 (JTGD70-2004)规定.紧急停车带的间距不宜大于750m.包含右侧向宽度在内紧 急停车带宽为3.5m.有效长为30m.过渡段长度为5m。5010&D5075115075LDClj隧道衬砌标准内轮廓设计根据公路隧道设计规范(JTGD70-2004)规定隧道的内轮廓线标准拱部为单心半圆R =550cm.侧墙为大半径弧R =780cm。仰拱圆弧半径R =1600cm.仰拱与侧1 2 4墙同用一个半径圆弧连接R

10、=105cm.两车道80km/h的标准断面图如下：3:正 路;常 面隧 中;道 线1中III砼厚度与锚杆布置的设计设计原始资料要求：当隧道开挖通过的是III级围岩时设计喷射混凝土的厚度和 锚杆的布置所以根据公路隧道设计规范（JTG-2004）查得I级围岩隧道的宽度与高度H的确定可按下式进行计算。B=2r+2d+2e=2 X 5.5+2 X 0.45+2 X 0.04=11.98mH=H +r+d+e=1.61+5.5+0.45+0.04=7.60m1式：r拱部圆弧半径1d衬砌厚度值为0.45e预留变形取0.04H 路面至起拱线的高度 1 判断隧道深、浅埋III级围岩深埋和浅埋的分界.按荷载等效

11、高度值.并结合地质条件施工方法 等因素综合判断.按等效荷载高度计算公路如下：H=（2-2.5）KgP式中H:隧道深浅埋的边界高度Hg:等效荷载高度：hg=g/hq:垂直均布压力:KN/m3在矿山法施工条件下.IV VI级围岩取H=2hg.llll级围岩取H=2.5hg所 pp以本隧道取H =2.5hg。又因为 q=0.45 X 2s-i*r*w式中：S:围岩级别S=3r:围岩重度。r=24KN/m3w:宽度影响系数。W=1 + i (B-5)B:隧道宽度前面已算出B=11.98mi以B=5m为基础.B每增加1m时.围岩压力增减率.当BV5m时取i=0.2,当B5m时.取i=0.1 因为B为11

12、.98m.所以i取0.1将数据代入式q=0. 45*25*r*w得q=0.45 X 23-1X24X 1+0.1(11.98-5)=0.0733KN/m2hq=q/r=73.3/24=3.056mH=2.5hq=2.5X3.056=7.64m原始设计中提到本隧道最大埋深为188m远大于H所以本隧道中既有浅埋又 p有深埋段。 设计参数的确定由上节可知.111级围岩压力p=q =0.0733MPa.考虑到在初期支护时会遇到各 种偶然因素如地震的影响.温度的变化.雨季时地下水的影响取p=2.0MPa 并根据公路隧道设计规范(JTGD70-2004)表A0.4-1得c 二 1.0MPa,0 二 45,

13、 E 二 1.2 x104MPa, u = 0.28设计时为了简化计算.将隧道看成圆形洞室。如下图:根据隧道内轮廓和建筑限界.设r = & + ) = 5.99m, r = 5.5m, r = 8.79m .锚021c杆的间距i=1.2.e=1.2.锚杆的直径采用HRB335级20钢筋。A =3.142X10-4打.弹性模量E =2.1X105MPa.抗拉强度q =268MPa.抗剪强度 sapt =335MPa.安全系数K=0.6.喷层混凝土采用C .u=0.2.弹性模量E=2.8X a20c104MPa.无锚杆时的围岩位移u =0.002.有锚杆时的围岩位移Ua =0.5u=0.00010

14、0 计算 根据以上设定的计算参数和前面已算出的数据已知:TwAsp = p =45 C=Ct =1.0+335X3.124X10-4/ (1.2X1.2) =1.07311 ei由公式得P =2r2k 2 i 0 r 2 + r 20 c=7.0003m;2 x 8.792 x 5.9924.8362 + 7.36322 x sin 45+188cos 45。 =0.39 X 10-3MPaM = M =34G = 4 E/2(1+ u) = 2 x 10000E剪切刚度：G=rc 2 （1 + u 丿c2Gr 2 r 2K= = c-c =H =387.04169MPar（1 2u 丿 r

15、2 + r 20 0 1又因查规范得公式q =k（ MRa24Gv ） E AV Ua ）a_s-0 0 V r c0p v p r 211、p r r 0cv20r2cP=aQP=io u4Gr002Gr 2 + r 2M （Ra ）2cr （-9i）ua = krr2 r2r000 1厂 rcp + Gc tan 申（1 sin 申）sin 申Ra = r a1+00 p + p + Gc tan申（2）饰申r p （1+ sin申）2sin 申i ar 1 sin 屮 r a10c通过计算得Ra =3.7809.将Ra代入p、p、Q的计算公式中求得:00i ap =0.17539MPa,

16、 p =0.000266MPa, Q=0.000383MPa ia所以洞壁位移M(Ra)20.39X10-3 X 3.7809 o 000235.99Ua =0= 0.00023mk14Gr0 锚杆的设计与计算 为了锚杆充分发挥作用.应使锚杆应力尽量接近锚杆的抗拉强度.并有一定的 长度” k - Q K = aAps锚杆的抗拉安全系数K.应在1-1.5之间a Ak = ps = 1.41 Q按本方法计算.锚杆有一个最佳长度.这一段长度将使喷层受力最小 .为了防止锚杆和围岩一起坍落.锚杆的长度必须大于松动区的厚度.而且有一定的安全度.即要求r RcaP + C （tan 申）（1 sin 申）、

17、1 sin 申R = r 1111a 0 p + p + C （tan 申）（1+ sin 申） 2sin 申 i a 1111代入数据得 R =5.014mar =8.79 R =5.014 满足要求 ca锚杆间距应满足下列要求r 一 rc0r 一 rc0r 一 rc01.28.79 - 5.99二 0.43V0.5r 一 rc01.28.79 - 5.99二 0.43V0.5满足要求所以用长度为5.014m的锚杆间距i.e都为1.2m的这一锚杆设计方案符合设计要 求。 喷层的设计与计算喷层除了作为结构起到承重作用外 .还要向围岩提供足够的反力 .维护围岩的稳 定性。为了验证围岩的稳定需要计

18、算最小抗力p 以及围岩的稳定性安全系数mink .松动区内滑体重力 G 为22G 二 rb (R - V )二 P b0 min根据公路隧道设计规范可查得公式r r cp + c (tanp )(1- sinp )iP =rr1112sinpi -V min c cp + p + c (tanp )(1+ sm p)0min a 11代入数据到公式得： p =0.0482MPamin又因为k二厶2pmin要求k的数值应在2-4.5之间2p0.1736k = i 3.6满足要求2 p0.0482min作为喷层的强度校核.要求喷层内壁切向力小于喷层混凝土抗压强度 .按壁厚筒 理论有： Rhza2b

19、 =p 0 i a2 一 1r式中a二卡;Rh为喷层混凝土抗压强度设计值。 rir为喷层混凝土内壁半径。g = p= 2.4257MPa洞门验算根据设计资料本隧道使用的端墙门（带挡土墙）符合洞门设计的实验经济 美观等端墙式洞门简图如下：1. 洞门的构造要求按公路隧道设计规范洞门构造要求(1) 洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m.洞门墙顶高出仰 坡脚不小于0.5m(2) 洞门墙根据实际需要设置伸缩缝.沉缝和泄水孔。洞门墙的厚度可按 计算式结合其他工程类比确定。(3) 软土地基上的基础.可采取加固基础措施.洞门结构应满足抗震要求。2. 验算满足要求条件采用挡墙式洞门时.洞门墙可视为挡

20、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)的规定.并应符合公路路基设计规范公 路桥涵地基与基础设计规范的有关规定。洞门墙设计参考表容重仰坡坡率计算摩擦角申(。)Y (km - m3)基底摩擦系数f基底控制应力(MPa)1:0.570250.60.81:0.7560240.50.61:150200.40.4-0.351:1.2543-45180.40.3-0.251:1.538-40170.35-0.40.25洞门主要验算规定表墙身截面荷载W结构抗力墙身截面W结构抗力效应值Sd效应值Rd荷载效应值滑动稳定安全系数效应值R

21、(按极限状态计算)d墙身截面偏心距eW0.3倍截面厚度k c倾覆稳定安全系数$1.3基底应力b基底偏心距e3. 计算参数W地基容许载力 岩石地基WB/5-B/4土质地基WB/6 (B： 墙底高度)k0$1.6根据以上两表.并查得相关规范.设计计算参数如下： 边、仰坡坡度： 1:0.5 仰坡坡角 = 63,tan= 1.96,5 地层容重y = 24KN / m3 地层计算摩擦角二65。 基底摩擦系数：0.5 基底控制压力q = 0.7MPa4. 建筑材料的容重和容许应力 端墙式的材料为水泥砂浆片石砌体.片石的强度等级为M80.水泥砂浆的 强度等级为M20 容许压应力q = 2.2MPa .重度

22、y = 22KN /m30t5. 洞门各部尺寸拟定。根据公路隧道设计规范.结合洞门所处地段的工程地质条件.拟定洞 门端墙高度：12m.基中基底埋入地基的深度为1.70m.墙厚为1.20m.设计 仰坡为1：0.56. 洞门土压力计算根据公路隧道设计规范.洞门土压力计算图示如下：最危险滑裂面与垂直面之间的夹角tan2 Q + tan a + tan 斗(1+ tan2 Q )(tan Q tan )(1-tan a tan )tan (1+ tan2 Q) tan Q (1 tan a tan )式中：Q围岩计算摩擦角洞门后仰坡坡角a洞门墙角倾角代入权值 =65 . =63 . a =5 .可得t

23、an w = 0.3534n =arctan0.3534 = 20.2495 根据公路隧道设计规范土压力为1 (tan w tan a )(1-tan a tan ) E =怎 丫九H2 + h (h h )b , h 亠2 00 Etan(w +)(1 一 tan w tan g)式中：E: 土压力(KN)Y :地层重度(KN/m3)h :侧压力系数w :墙背土体破裂角b :洞门墙计算条带宽度(m).取b=1mg : 土压力计算模式不确定系数.可取g =0.6把数据代入得九=(tan2.417-tan5 )(1-tan5 tan63 ) = 0.0702,h = &8835tan(20.41

24、7 + 65 )(1-tan 20.417 tan 63 )tan w - tan a洞门土压力E：E 二-丫九H2 + h (h- h )b 二 74.3175KN ；200 gE = Ecos6 = E-cos(35 -5) = 64.0363KN ； xE = Esin 6 = E - sin(35 -5) = 50.6333KN。y1 22式中：6 墙背摩擦角6 = -2p取2p3 337. 抗倾覆验算 端墙计算简图如图所示.挡土墙在荷载作用下应不致墙脚0点 产生倾覆时应满足下式：工Mk = y 1.60 乙M0式中k :倾覆稳定系数k $1.6 00工M :全部垂直力对墙趾0点的稳定

25、力矩y工M :全部水平力对0点的稳定力矩0II墙身重量 G: G二 1.0x12x1.3X24二374.4KN ;HE对墙趾的力臂：Z = = 4.0mxx 3E对墙趾的力臂:yZ = B +（2 +tan ）= MmyG对墙趾的力臂：Z = 1.1749mg2.工M = GZ + E -Z = 523.4372KN-my x G y y工M则 k = a = 2.0435 1.6 o 乙M0满足要求8. 对于水平基底按如下公式验算滑动稳定性式中：k :滑动稳定系数cY N :作用于基底上的垂直力之和工E :墙后主动土压力之和：取工E = E f :基底摩擦系数去f =0.5由图3得(G +

26、E ) x 0.5 匚k 二 y二 2.655 1.3 满足要求cEx9. 基底合力偏心距验算。设作用于基底的合力法向分为Y N.其对墙趾的力臂为2N.合力偏心距e.则工 M -工 M G - Z + E - Z - E - ZZ =孑 = G y yx= 0.6289mn乙 NG + Ey1 4be =- 0.6289 = 0.0711m0,e| = 0.0711V = 0.21672b叮=N(1)= 358.8289KPa,a= 358.8289KPa V基底控制压应d A 295.0685KPa maxmin力a = 0.6MPa满足要求10. 墙身截面偏心距及强度验算墙身偏心距e. e = V0.3N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H H M = E ( - ) - E - - = 95.1609KN - mx 23 y 2N = G + E 二 374.4 + 50.6333 二 425.0333KN yM = 95.1609 N = 425.0333将数据代入墙身偏心距的公式.可得= 0.2239mV0.313=0.3x1.3=0.39m满足要求 应力 a : a = -N(1+ 牛)=664.7981KPa = 0.645MPa a= 2.2MPa满足要求 综上所述.该端墙式洞门满足各方法验算要求。2011-12-3