翼墙式洞门计算.docx
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翼墙式洞门计算
第四章洞门设计
4.1洞门设计步骤
《规范》关于洞口的一般规定
1.洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、营运要求，通过经济、技术比较确定。
2.隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。
3.洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟及截水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。
4.洞门设计应与自然环境相协调。
4.1.1确定洞门位置洞口位置的确定应符合下列要求
1.洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。
2.洞口位置应设于山坡稳定、地质条件较好处。
3.位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。
4.跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。
5.漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。
6.洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。
7.洞门宜与隧道轴线正交；地质条件较好；做好防护；设置明洞。
洞口地质条件
洞口入口端位于山体斜坡下部，斜坡自然坡度约35°左右，隧道轴线与地形等高线在右洞为大角度相交，位置较好，覆盖层为碎石质土等残坡积物，厚度约0.50～3.0m，下伏基岩为弱风化硅质岩，强度高，岩体破碎呈块碎石镶嵌结构。
岩层表层裂隙较发育，在浅部略有张开，往下闭合；岩层走向与线路近正交，倾向与坡向相近，倾角25～35°，自然边坡较稳定，开挖后易产生崩塌及顺层滑动。
出口端洞门位于侧冲沟中，沟底地形较缓，地形坡度约8°。
覆盖层为可塑状亚粘土，厚度3m左右，下伏强弱风化炭质硅质板岩、灰岩、泥质砂岩，岩体破碎，开挖后稳定性差。
进出口均位于山体斜坡下部及冲沟中，洞门以上汇水面积较大，易形成短暂性小洪流，对洞口易产生不利影响，应采取截水措施。
4.1.2确定洞门类型
洞门类型及适用条件
洞门的形式很多，从构造形式、建筑材料以及相对位置等可以划分许多类型。
目前，我国公路隧道的洞门形式有:
端墙式洞门翼墙式洞门环框式洞门台阶式洞门柱式洞门遮光棚式洞门等。
端墙式洞门
适用于岩质稳定的Ⅲ级以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门型式
翼墙式洞门
适用于地质较差的Ⅳ级以下围岩，以及需要开挖路堑的地方。
翼墙式洞门由端墙及翼墙组成。
翼墙是为了增加端墙的稳定性，同时对路堑边坡也起支撑作用。
其顶面一般均设置水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内
环框式洞门
当洞口岩层坚硬、整体性好（I级围岩）、节理不发育，路堑开挖后仰坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用
台阶式洞门
当洞门傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时，为减小仰坡高度及外露长度，可以将端墙顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石方开挖量。
遮光棚式洞门
当洞外需要设置遮光棚时，其入口通常外伸很远。
遮光构造物有开放式和封闭式之分，前者遮光板之间是透空的，后者则用透光材料将前者透空部分封闭。
但由于透光材料上面容易沾染尘垢油污，养护困难，所以很少使用后者。
形状上又有喇叭式与棚式之分
洞门形式的选择
按分类，宁乡至益阳沩山隧道右线属长隧道，基本服从于路线走向，路线与地形等高线基本正交，洞门按受力结构设计。
洞门形式结合实际地形、地质情况选定。
根据洞门所处地段的地形地貌及工程地质条件，遵从“早进洞，晚出洞”的设计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，因此本隧道益阳段使用翼墙式洞门（带挡土墙）,宁乡段使用端墙式洞门。
翼墙式洞门简图见图4.1。
图4.1益阳端翼墙式洞门立面图
图4.2益阳端翼墙式洞门侧面图
4.1.3洞门构造要求
按《公路隧道设计规范》（JTG-2004）,洞门构造要求为：
（1）洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，洞门端墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不小于1.0m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m。
（2）洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔；洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定。
（3）洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够深度，保证洞门的稳定。
基底埋入土质地基的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。
基底埋置深度应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。
（4）松软地基上的基础，可采取加固基础措施。
洞门结构应满足抗震要求。
4.1.4验算满足条件
采用挡墙式洞门时，洞门墙可视为挡土墙，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》JTG-2004）的规定，并应符合《公路路基设计规范》、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定。
表4.1洞门设计计算参数
仰坡坡率
计算摩擦角δ（o）
重度γ（kN/m3）
基地摩擦系数f
基底控制压应力（Mpa）
1:
0.5
70
25
0.60
0.80
1:
0.75
60
24
0.50
0.60
1:
1
50
20
0.40
0.40-0.35
1:
1.25
43-45
18
0.40
0.30-0.25
1:
1.5
38-40
17
0.35-0.40
0.25
表4.2洞门墙主要验算规定
墙身界面荷载效应值Sd
≤结构抗力效应值Rd（按极限状态计算）
墙身截面荷载效应值Sd
≤结构抗力效应值Sd（按极限状态计算）
墙身截面偏心距e
≤0.3倍截面厚度
滑动稳定安全系数Kc
≥1.3
基底应力σ
≤地基容许承载力
倾覆稳定安全系数Ko
≥1.6
基底偏心距e
岩石地基≤B/5-B/4；土质地基≤B/6
4.2益阳端翼墙式洞门结构设计计算
4.2.1计算参数
计算参数如下：
（1）边、仰坡坡度1:
1.25；
（2）仰坡坡脚ε=39°，tanε=0.8，α=9°；
（3）地层容重γ=18KN/m3;
（4）地层计算摩擦角φ=45°；
（5）基底摩擦系数0.4；
（6）基底控制应力【σ】=0.3Mpa
4.2.2建筑材料的容重和容许应力
（1）墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为Mu100，水泥砂浆的强度等级为M10。
（2）容许压应力【σa】=2.2Mpa，重度γt=22KN/m3。
4.2.3洞门各部尺寸的拟定
根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），结合洞门所处地段的工程地质条件，拟定洞门翼墙的高度：
H=13.35m；其中基底埋入地基的深度为1.59m，洞门翼墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度1.8m，洞门翼墙与仰坡间的的水沟深度为0.5m，洞门墙顶高出仰坡坡脚1.05m，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为2.5m，墙厚2.48m，设计仰坡为1:
1.25,具体见图纸。
4.3洞门验算
4.3.1洞门土压力计算
根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），洞门土压力计算图示具体见图3.2。
图3.2洞门土压力计算简图
最危险滑裂面与垂直面之间的夹角：
式中:
——围岩计算摩擦角;
ε——洞门后仰坡坡脚；
α——洞门墙面倾角
代入数值可得：
根据《公路隧道设计规范》（JTG—2004），土压力为；
由三角关系得：
式中:
E——土压力（KN）;
——地层重度（KN/m3）
λ——侧压力系数；
ω——墙背土体破裂角；
b——洞门墙计算条带宽度（m），取b=1.0m；
ξ——土压力计算模式不确定系数，可取ξ=0.6。
把数据代入各式，得：
m
洞门土压力E：
（错误）
式中：
δ——墙背摩擦角
4.3.2抗倾覆验算
翼墙计算图示如图3.3所示，挡土墙在荷载作用下应绕O点产生倾覆时应满足下式：
式中:
K0——倾覆稳定系数，；
——全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩；
——全部水平力对墙趾O点的稳定力矩；
（该图错误，δ是土压力E的方向与主墙垂线的夹角）
图3.3墙身计算简图
由图3.3可知：
墙身重量G：
Ex对墙趾的力臂：
对墙趾的力臂：
G对墙趾的力臂：
代入上式得：
故抗倾覆稳定性满足要求。
4.3.3抗滑动验算
对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性：
式中:
Kc——滑动稳定系数
——作用于基底上的垂直力之和；
——墙后主动土压力之和，取=Ex；
f——基底摩擦系数，取f=0.4
由图3.3得：
故抗滑稳定性满足要求。
4.3.4基底合力偏心矩验算
设作用于基底的合力法向分力为，其对墙趾的力臂为ZN，合力偏心矩为e，则：
合力在中心线的右侧。
计算结果满足要求。
，计算结果满足要求。
4.3.5墙身截面偏心矩及强度验算
（1）墙身截面偏心矩e
式中：
M——计算截面以上各力对截面形心力矩的代数之后；
N——作用于截面以上垂直力之后。
将数据代入墙身偏心矩E的公式，可得：
，计算结果满足要求。
（2）应力
满足要求。
通过以上的验算，说明益阳端翼墙式洞门的尺寸合理。
详图见设计图纸。
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