《隧道工程》課程設計

一目日勺和任務

課程設計是專業課教學計劃中日勺重要環節。通過該教學環節使學生對所學曰勺理

論知識有更深的認識與提高，并應用于實際工程設計，鞏固本課程所學知識，提

高學生分析問題和處理問題日勺能力。

二設計規定

①必須按照設計任務書的規定完畢所有規定內容，嚴格遵守國家頒布的有關技術

規范和規程。

②設計圖件采用計算機或鉛筆繪制，規定線條清晰，整潔美觀，符合有關建筑制

圖規范。

③闡明書一律用碳素墨水抄寫公正，文句通順，簡要扼要，文中計量單位一律采

用國標。

三設計資料

船溪隧道進口位于新晃縣杉木塘村，出口位于新晃縣興隆鄉龍馬田村。本隧道

所處路段為雙向四車道高速公路，隧道建筑限界按80km/h行車速度確定。為分

離式單向行車雙線隧道。隧道左線起汽樁號為2K69+840~2K71+770,全長1930m,

右線汽樁號為YK69+870、YK71+835,全長1965nb按隧道分類左、右線均屬長隧

道；左線隧道位于R=3000m的圓曲線內，右線隧道位于R=35000m的圓曲線內。

左右線均不設置超高。左線位于1.1%的上坡與0.66%時下坡，豎曲線半徑R=3500m

照曲線上，右線位于1.1%日勺上坡與0.66%時下坡，燒曲線半徑R=35000ni日勺豎曲

線上。

隧址位于湖南省新晃縣波洲鎮與興隆鄉境內，屬于低山區地貌，地形起伏較大,

隧道穿越二道沖溝，隧道最大埋深約188nb隧道進口及出口山體坡度較大，約

40°~50。，隧道進口及洞身上坡上遍及杉樹、灌木，出口山坡植被較少。

根據國家質量技術監督局于2001年2月2日公布的《中國地震動參數區劃圖》

查得：隧道區地震動反應譜特性周期為0.35s；地震動峰值加速度不不小于

0.05g,參照其附錄D。地震基本烈度不不小于VI度，由于勘察場地地形起伏較

大，應考慮地形對地震動參數I為放大作用。

該勘察區屬亞熱帶季風氣候區，氣候溫和濕潤，雨量充沛。12月至翌年1月

為枯水期，降水量最小，從2月份起見增。『8月為雨水期，降水量最大，大氣

降水是當地區地下水及地表水重要補給來源。

根據當地水文工程經驗,本區地表水及地下水對碎無侵蝕性，防護等級為常規。

綜上所述，隧道去水文地質條件較簡樸。

四設計任務

①根據資材規定設計80km/h行車速度日勺公路隧道日勺建筑限界和設置緊急停車帶

的建筑限界并畫出有關圖。

②試設計80km/h行車速度Fl勺原則斷面并畫出有關圖。

③當隧道開挖通過的是III級圍巖時，試設計計算噴射混凝土的厚度和錨桿的布置

并畫出一種斷面口勺有關圖。

④隧道出口洞門是端墻式洞門，端墻高出隧道拱頂2m,試設計

該洞門并進行有關驗算，并畫出有關圖。

五參照資料

①《公路隧道設計規范》JTGD70-2023

②《公路隧道通風照明設計規范》JTJ026.1T999

③《公路工程技術原則》JTJ001-97

④《公路工程抗震設計規范》JTJ004-89

⑤《錨噴混凝土支護技術規范》GBJ86-85

⑥《地下工程放水技術規范》GB50108-2023

⑦覃仁輝，《隧道工程》，2023,重慶大學出版社。

⑧彭立敏，《交通隧道工程》，2023,中南大學出版社。

⑨陳秋南，《隧道工程》，2023,機械工業出版社。

六計算設計

I建筑限界

隧道建筑限界是為了保證隧道內多種交通正常運行與安全而規定在一定寬度

和高度范圍內不得有任何障礙物日勺空間限界。

隧道建筑限界由行車道寬度肌側向寬度L,人行道R或檢修道等構成。如圖

所示。

西1350離

圖中W：行車道寬度，按《公路工程技術原則》有關條文規定。

S：行車道兩側路緣帶寬度

C：余寬。當計算行車速度不小于或等于100km/h時為0.5m,計算行車速度不不

小于100km/h,為0.25m

H：凈高。汽車專用公路，一般二級公路為5m,三、四級公路為4.5m

E：建筑限界頂角寬度。當LWlm時,E=L；當L>lm時，E=lm；

L：側向寬度

J：檢修路寬度

h：檢修路高度

其中檢修道功能如下：

①便于養護人員、司機處理緊急事故，而不影響交通。

②檢修道日勺路緣石可以阻擋車輛爬車道是檢修人員的安全限界。

③檢修道路緣石可以作為駕駛員的行駛方向，比車道邊線更能吸引駕員H勺注意

力，有助于行車安全。

④檢修道下部空間可以用來安裝管線等附屬設施。

檢修道高度h按表3-1取值。

設計速度

<km/h>120100806040-20

h<cm>80-6060-4040-3030-2525或20

注：在設計速度一定的條件下，可按隧道長短取值。

在建筑限界內不得有任何部件入侵，隧道建筑限界啊基本寬度應按有關規定取

值，并符合如下規定。

①當設置檢修道或人行道時，不設余寬。當不設置人行道或檢修道時，應設置

不少于25cmH勺余寬

②隧道路面橫坡，當隧道為單向交通時，應取單向坡面；當隧道為雙向交通時,

應取雙面坡，坡度一般可取1.5%?2.0%

③隧道縱坡設計日勺重要原因是通風問題，一般采用“人字坡”。一般把縱坡中控

制在2%如下為好。本隧道設計縱坡值為1.1%?0.66%,均在2%之下，符合規

范規定。

高速公路及一級公路隧道內應設檢修道。汽車專用公路隧道只在左側設檢修

道。檢修道或人行道的高度可按20、80cm取值，并綜合考慮如下原因：

1.檢修人員步行時的安全

2.緊急狀況時，駕車人員拿取消防設備以便

3.滿足其下放置電纜，給水管等日勺空間尺寸規定

H隧道日勺建筑限界確實定

本設計中隧道設計規定為80km/h高速公路，根據原始資料，本隧道為山隧道,

高速公路原則單向兩車道，設計車速為80km/h,根據《公路隧道設計規范》，確

定歐J建筑限界取值如下。

行車道寬度：W：W=2X3.75=7.5m

路緣帶寬度:S：S=0.5m

余寬:C=Om

側向寬度L：L=S+C=0.5m

檢修道寬度J：J=0.75m

檢修道高度h：h=0.3m

頂角寬度E：E—L—0.5m

隧道建筑限界高度H：H=5.0m

隧道建筑限界凈寬：9.75m+0.25m=10.00m

隧道建筑限界示意圖如下，隧道內橫向采用單向坡坡度為1.6%。

緊急停車帶

由于該隧道為長隧道，因此在隧道中應設緊急停車帶，由《公路隧道設計規范》

(JTGD70-2023)規定，緊急停車帶時間距不適宜不小于750m,包括右側向寬度

在內緊急停車帶寬為3.5%有效長為30m,過渡段長度為5m。

50105050

隧道襯砌原則內輪廓設計

根據《公路隧道設計規范》(JTGD70-2023)規定，隧道日勺內輪廓線原則拱部為單

心半圓為二550cm,側墻為大半徑弧&=780cm。仰類圓弧半徑尺:1600cm,仰拱與

側墻同用一種半徑圓弧連接&二105cm,兩車道80km/hH勺原則斷面圖如下:

0,

o

V

W6

I9P

L

in佐厚度與錨桿布置的設計

設計原始資料規定：當隧道開挖通過的是山級圍巖時，設計噴射混凝土日勺厚度和

錨桿的布置，因此根據《公路隧道設計規范》(J7G-2023)查得

III級圍巖隧道的寬度與高度II確實定可按下式進行計算。

B=2r+2d+2e=2X5.5+2X0.45+2X0.04=11.98m

H=Hi+r+d+e=l.61+5.5+0.45+0.04=7.60m

式：r.——拱部圓弧半徑

d——襯砌厚度值為0.45

c——預留變形取0.04

H.——路面至起拱線向高度

①判斷隧道深、淺埋

in級圍巖深埋和淺埋日勺分界，按荷載等效高度值，并結合地質條件，施工措

施等原因綜合判斷，按等效荷載高度計算公路如下：

HP=(2-2.5)Kg

式中乩：隧道深淺埋的邊界高度

Hg：等效荷載高度：hg=g/h

q:垂直均布壓力:KN/m3

在礦山法施工條件下，IV—VI級圍巖取H『2hg,I—IH級圍巖取H/2.5hg,

因此本隧道取H,=2.5hg?

又由于q=0.45X2sl*r*w

式中：S：圍巖級別S=3

r:圍巖重度。r=24KN/m3

w:寬度影響系數。W=l+i(B-5)

B：隧道寬度，前面己算出B=11.98m

i以B=5m為基礎，B每增長Ini時，圍巖壓力增減率，當BV5ni時，取iR.2,

當B>5m時，取i=0.1,由于B為11.98m,因此i取0.1

將數據代入式q=0.45*2'*r*\v得

q=0.45X23-1X24X[l+0.1(11.98-5)]=0.0733KN/m2

hq=q/r=73.3/24=3.056m

Hp=2.5hq=2.5X3.056=7.64m

原始設計中提到本隧道最大埋深為188m,遠不小于乩因此本隧道中既有淺埋

乂有深埋段。

②設計參數確實定

由上節可知，III級圍巖壓力p=q梁=0.0733MPa,考慮到在初期支護時會碰到多

種偶爾原因，如地震日勺影響，溫度的變化，雨季時地下水日勺影響，取p=2.DMPa

并根據《公路隧道設計規范》(JTGD70-2023)表A0.4-1得

c=i.OMPa,^=45,E=1.2xlO4MPa,u=0.28

設計時為了簡化計算，將隧道當作圓形洞室。如下圖:

根據隧道內輪廓和建筑限界，設阿==5.99〃?“=5.5〃2,〃=8.79m,錨

桿時間距i=L2,e=1.2,錨桿日勺直徑采用HRB335級中20鋼筋。

A,=3.142X10」nf,彈性模量Ea=2.1X10Wa,抗拉強度M=268MPa,抗剪強

度乙二335MPa,安全系數K=0.6,噴層混凝土采用C20,u=0.2,彈性模量Ec=2.8

X10'MPa,無錨桿時的圍巖位移ULO.002,有錨桿時H勺圍巖位移

U；=0.5u=0.0001

③計算根據以上設定H勺計算參數和前面已算出口勺數據已知:

夕二夕尸45°C產Ct^^=1.0+335X3.124X107(1.2X1.2)=1.073

ei

由公式得

21k°22x8為X5.99：%00。3m

P=

記+^4.8362+7.3632

—=——-——二一--[2xsin45°+l88cos45°J=0.39X103MPa

4G4E/2(\+u)2xl(XX)0

F

剪切剛度：Gc二“@

2(l+uJ

Kc=阻二^~年1——=387.04169MPa

r0[(l—2u)宿+白

又因查規范得公式

MR：

Q?k(

4Gvc'o

PT

4

2GMg

PL?方)i

ror\4G“

R“="0+Gctan@（l-sin。）^l-sin^,

2s,n

IPi+P.+Gctan儀幻.^pj（i+sin/）^

巧I-sinr.

通過計算得R；=3.7809,將R；；代入Pj、幾、。的計算公式中求得:

p=0.17539MPa,p（=0.000266MPa,Q'=0.000383MPa

因此洞壁位移

M（R；y_0.39x10-3x3.7809

必=一=0.00023//?

4G%5.99

①錨桿H勺設計與計算

為了錨桿充足發揮作用，應使錨桿應力盡量靠近錨桿的抗拉強度，并有一定

的長度

4

錨桿日勺抗拉安全系數K,應在1-1.5之間

~等5

按本措施計算，錨桿有一種最佳長度，這一段長度將使噴層受力最小，為了

防止錨桿和圍巖一起坍落，錨桿H勺長度必須不小于松動區日勺厚度，并且有一

定的安全度，即規定〃＞凡

,,R=彳（尸+G（tan@）（l-sin@）J-sin]

°[〃,+P0+G（tan例）（1+sin/）]2sin四

代入數據得%=5.014m

=8.79>^=5.014滿足規定

錨桿間距應滿足下列規定

<1

-2口一2

I?

——=0.43<0.5

r-rQ8.79-5.99

i1.2

=0.43<0.5滿足規定

rc-r{}8.79-5.99

因此用長度為5.014mH勺錨桿間距i,e都為1.2mH勺這一錨桿設計方案符合設計

規定。

②噴層日勺設計與計算

噴層除了作為構造起到承重作用外，還要向圍巖提供足夠的反力，維護圍巖日勺穩

定性。為了驗證圍巖日勺穩定，需要計算最小抗力Pmm以及圍巖的穩定性安全系數

匕,松動區內滑體重力G為

2G=rb（R-V.）=Pmnb

根據《公路隧道設計規范》可查得公式

乙\/i?\l-sin-

p_「任［c〃+O（tan例）（lsina）丫。）

'—凡+G（tang）（l+sin。）

代入數據到公式得：Pmin=0.0482MPa

又由于&2=旦

Pmin

規定鼠時數值應在2-4.5之間

='=四型=3.6滿足規定

Anin0.0482

作為噴層的強度校核，規定噴層內壁切向力不不小于噴層混凝土抗壓強度，按壁

厚筒理論有:

za?p.

式中。=區；Rh為噴層混凝土抗壓強度設計值。

r為噴層混凝土內壁半徑。

,2

5)=p.二一=2A251MPa<Rh=llMPa

a~-1

滿足規定。噴層厚度t

式中勺為噴層的安全系數取L2

t=k.r,[.1一1]=1.2x5.99x[/〔-l]=0.1272bn<0.13m滿足規

EPF

定

因此噴層混凝土厚約為12.7cm,符合設計規定，詳細日勺錨桿布置圖見圖紙。

③洞門驗算

根據設計資料本隧道使用的端墻門（帶擋土墻），符合洞門設計的試驗，經濟

美觀等，端墻式洞門簡圖如下:

1.洞門口勺構造規定

按《公路隧道設計規范》洞門構造規定

（1）洞門仰坡坡腳至洞門墻背的水平距離k適宜不不小于1.5m,洞門墻頂

高出仰坡腳不不不小于0.5m

（2）洞門墻根據實際需要設置伸縮縫，沉縫和泄水孔。洞門墻的厚度可按

計算式結合其他工程類比確定。

（3）軟土地基上H勺基礎，可采用加固基礎措施，洞門構造應滿足抗震規定。

2.驗算滿足規定條件

采用擋墻式洞門時，洞門墻可視為擋土墻，按極限狀態驗算。

并應驗算繞墻趾傾覆及沿基底滑動「付穩定性，驗算時應符合表3-1和表

3-2（《公路隧道設計規范》）的規定，并應符合《公路路基設計規范》《公

路橋涵地基與基礎設計規范》FI勺有關規定。

洞門墻設計參照表

容重

基底控制應力

仰坡坡率計算摩擦角叭）7（加廿）

基底摩擦系數f（MPa）

1:0.570250.60.8

1:0.7560240.50.6

1:150200.4

1:1.2543-45180.4

1:1.538-40170.25

洞門重要驗算規定表

墻身截面荷載W構造抗力墻身截面W構造抗力

效應值Sd效應值Rd荷載效應值效應值&（按極限狀態計算;

滑動穩定安全系數

墻身截面偏心距eW0.3倍截面厚度kc21.3

傾覆穩定安全系數

基底應力。W地基容許載力k021.6

巖石地基W

B/5-B/4

土質地基WB/6（B：

基底偏心距。墻底高度）

3.計算參數

根據以上兩表，并杳得有美規范，設計計算參數如下:

①邊、仰坡坡度：1:0.5

②仰坡坡角￡二63,tan￡=1.96,。二5

③地層容重y=24KN/"P

④地層計算摩擦角中=65

⑤基底摩擦系數：0.5

⑥基底控制壓力［cr］=0.7MR/

4.建筑材料的容亙和容許應力

①端墻式的J材料為水泥砂漿片石砌體，片石H勺強度等級為M80,水泥砂漿的

強度等級為M20

②容許壓應力［b(J=2.2MRz,重度％=22KN/加3

5.洞門各部尺寸確定。

根據《公路隧道設計規范》，結合洞門所處地段日勺工程地質條件，確定洞

門端墻高度：12m,基中基底埋入地基的深度為1.70m,墻厚為1.20m,

設計仰坡為1：0.5

6.洞門土壓力計算

根據《公路隧道設計規范》，洞門土壓力計算圖示如下:

最危險滑裂面與垂直面之間的I夾角

ttan2O+tana+iane-Jq+tan2^)(tan(/>-tan￡：)(1-tanatanE)

tans(\+tan2。)-tan。(1-tanatane)

式中：。一一圍巖計算摩擦角

6'一一洞門后仰坡坡角

。一一洞門墻角傾角

代入權值“二65',￡=63°,?=5°,可得

tan<w=0.3534

NCD=arctan0.3534=20.2495

根據《公路隋道設計規范》十一壓力為

廣1..,..1(tanfy-tana)(l-tanatans)

E=；〃[“-+4(z"一4X)]14,A,=~—-------------—

2tan(694-C>)(1-tano)tan

式中：E：土壓力(KN)

y：地層重度(KN/m)

2：側壓力系數

墻背土體破裂角

〃：洞門墻計算條帶寬度(m),取b=lm

J：土壓力計算模式不確定系數，可取4=0.6

把數據代入得

,(tan20.417-tan5)(1-tan5tan63)?,a

X=-----------------------------------=U.U7U2,n=------------=oo

tan(20.417+65)(1-tan20.417tan63)tan69-tana

洞門士壓力E：

E=g以=74.3175KN；

Ex=Ecosd=Ecos(35-5)=64.0363KN；

Ev=Esina=Esin(35-5)=5O.6333K7V。

I79

式中：d——墻背摩擦角取

7.抗傾覆驗算

端墻計算簡圖如圖所示，擋土墻在荷載作用下應不致墻腳0點

產生傾覆時應滿足下式：

YMX

甌"6

式中心；傾覆穩定系數即，1.6

ZM、：所有垂直力對墻趾0