隧道工程课程设计

《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①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。②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。③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+840~2K71+770，全长1930m，右线汽桩号为YK69+870~YK71+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40°~50°，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。4~8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，隧道去水文地质条件较简单。四设计任务①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。②试设计80km/h行车速度的标准断面并画出有关图。③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。④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①《公路隧道设计规范》JTGD70-2004②《公路隧道通风照明设计规范》JTJ026.1-1999③《公路工程技术标准》JTJ001-97④《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89⑤《锚喷混凝土支护技术规范》GBJ86-85⑥《地下工程放水技术规范》GB50108-2001⑦覃仁辉，《隧道工程》，2008，重庆大学出版社。⑧彭立敏，《交通隧道工程》，2003，中南大学出版社。⑨陈秋南，《隧道工程》，2007，机械工业出版社。六计算设计Ⅰ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。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100km/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L≤1m时，E=L；当L＞1m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：①便于养护人员、司机处理紧急事故，而不影响交通。②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。③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。④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km/h120100806040-20hcm80-6060-4040-3030-2525或20注：在设计速度一定的条件下，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。①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②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%③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20~80cm取值，并综合考虑以下因素：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=2×3.75=7.5m路缘带宽度：S：S=0.5m余宽：C=0m侧向宽度L：L=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=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=10.00m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%。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。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1R=550cm，侧墙为大半径弧2R=780cm。仰拱圆弧半径4R=1600cm，仰拱与侧墙同用一个半径圆弧连接3R=105cm，两车道80km/h的标准断面图如下：隧道中线路面中线路面中线正常隧道中线紧急停车带隧道中线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Ⅲ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=2×5.5+2×0.45+2×0.04=11.98mH=H1+r+d+e=1.61+5.5+0.45+0.04=7.60m式：r1——拱部圆弧半径d——衬砌厚度值为0.45e——预留变形取0.04H1——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：HP=（2-2.5）Kg式中Hp：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Hp=2hg，Ⅰ—Ⅲ级围岩取Hp=2.5hg，所以本隧道取Hp=2.5hg。又因为q=0.45×2s-1*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B＜5m时，取i=0.2,当B＞5m时，取i=0.1，因为B为11.98m，所以i取0.1将数据代入式q=0.45*25*r*w得q=0.45×23-1×24×[1+0.1(11.98-5)]=0.0733KN/m2hq=q/r=73.3/24=3.056mHp=2.5hq=2.5×3.056=7.64m原始设计中提到本隧道最大埋深为188m，远大于Hp所以本隧道中既有浅埋又有深埋段。②设计参数的确定由上节可知，Ⅲ级围岩压力p=q梁=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41.0,45,1.210,0.28cMPaEMPau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01()5.99,5.5,8.792cBHrmrmrm，锚杆的间距i=1.2，e=1.2，锚杆的直径采用HRB335级20钢筋。As=3.142×10-4㎡，弹性模量Ea=2.1×105MPa，抗拉强度p=268MPa，抗剪强度a=335MPa，安全系数K=0.6，喷层混凝土采用C20，u=0.2，弹性模量Ec=2.8×104MPa，无锚杆时的围岩位移u0=0.002，有锚杆时的围岩位移U0a=0.5u=0.0001③计算根据以上设定的计算参数和前面已算出的数据已知：=1=45°C1=CtTwAsei=1.0+335×3.124×10-4/（1.2×1.2）=1.073由公式得22i0220c2rk=rr=222228.795.994.8367.363=7.0003m44/2(1)MMGEu=3210000[2sin45+188cos45]=0.39×10-3MPa剪切刚度：Gc=acE21uKc=02rcG=22012201rr[12u]rr=387.04169MPa又因查规范得公式'Q=k(2a0004aMRVuG)0ascEAVr(02200211cccvrvrrr)Pa='iQePi=022201002200102()()[]4aacrGrrMRrukurrrGr1100010tan(1sin)1sin[]2sin2sin[tan()](1sin)1sinaaciaaccpGcRrrrppGcprr通过计算得0aR=3.7809，将0aR代入ip、ap、'Q的计算公式中求得：ip=0.17539MPa,ap=0.000266MPa,'Q=0.000383MPa所以洞壁位移12300()0.39103.78090.0002345.99aakMRUmGr①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pskQKA锚杆的抗拉安全系数K，应在1-1.5之间11.4psAkQ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acrR＞111101111(tan)(1sin)1sin{}[(tan)(1sin)]2sinaiaPCRrppC代入数据得aR=5.014mcr=8.79＞aR=5.014满足要求锚杆间距应满足下列要求012cerr012cirr01.20.430.58.795.99cerr＜0i1.20.430.58.795.99crr＜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。②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，需要计算最小抗力minp以及围岩的稳定性安全系数2k，松动区内滑体重力G为0min2()GrbRVPb根据《公路隧道设计规范》可查得公式111sin2sin111min0min11(tan)(1sin)=r{r[]-V}(tan)(1sin)cacpcpcppc代入数据到公式得：min=