第四章隧道衬砌设计.docx
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第四章隧道衬砌设计
第四章隧道衬砌设计
4.1围岩划分
隧道围岩级别划分主要依据岩体弹性波速度、岩样饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合围岩分化程度、完整性、坚硬程度、节理发育程度、断层及地下水影响程度等进行综合分类。
依据实际资料在确定隧道围岩级别时，制定以下原则：
（1）以交通部行业标准《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）提供数据为围岩级别划分标准。
（2）遇断层破碎带，围岩级别较同类岩石降低1～2等级，影响带推至洞底以上40～80米与断层交界处。
（3）为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层和构造情况分段划分评价。
（4）未有钻孔控制段，参照勘测区同类岩石已有资料进行类比分级。
4.2支护形式的选择及参数确定
由于本隧道为高速公路隧道，根据规范可知本隧道应采用复合式衬砌，即由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式，其中初期支护采用锚喷支护二次衬砌采用模铸混凝土衬砌。
同时衬砌设计参数以工程类比法并结合计算分析确定，断面型式采用等截面三心圆，对于Ⅲ级围岩采用无仰拱衬砌，对于Ⅳ、Ⅴ级围岩均采用带仰拱衬砌。
4.2.1初期支护布置如下：
Ⅲ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱支撑配合喷射混凝土形成整体。
系统锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，直径为22mm，长度为2.0m，采用梅花形布置，环、纵向间距为1.0m。
钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。
Ⅲ级围岩喷射混凝土采用C20混凝土，厚度为10cm。
Ⅳ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱架支撑配合喷射混凝土形成整体。
系统锚杆采用中空注浆锚杆,直径为25mm,长度为2.5m，采用梅花形布置，环、纵向间距为1.0m。
钢拱架型号为I16，间距为1.0m。
钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。
Ⅳ级围岩喷射混凝土采用C30混凝土，厚度为15cm。
Ⅴ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱架支撑配合喷射混凝土形成整体。
系统锚杆采用中空注浆锚杆,直径为25mm，长度为3.0m，采用梅花形布置，环、纵向间距为1.0m。
钢拱架型号为I20，间距为1.0m。
钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。
Ⅴ级围岩喷射混凝土采用C30混凝土，厚度为25cm，
4.2.2防水层布置
初衬及二衬设置防水板和无纺布；其中，无纺布密度300g/m2；防水板采用易于焊接的防水卷材，厚度为1.0mm，接缝搭接长度100mm。
4.2.3二次衬砌布置
Ⅲ级围岩二次衬砌，采用C25素混凝土，衬砌厚度35cm；围岩预留变形量30mm；
Ⅳ级围岩二次衬砌，采用C30钢筋混凝土，衬砌厚度45cm；围岩预留变形量50mm；
Ⅴ级围岩二次衬砌，采用C30钢筋凝土，衬砌厚度45cm；围岩预留变形量80mm；
4.2.4隧道衬砌布置图
根据以上设计，可分别作出Ⅲ级围岩衬砌设计图、Ⅳ级围岩衬砌设计图、Ⅴ级围岩衬砌设计图，分别见图4.1、图4.2、图4.3.
图4.1Ⅲ级围岩衬砌设计图
图4.2Ⅳ级围岩衬砌设计图
图4.3Ⅴ级围岩衬砌设计图
4.3确定隧道深浅埋分界线
4.3.1隧道宽度与高度与确定
根据隧道设计及各级围岩衬砌设计图，可计算出隧道在各围岩级别下的宽度与高度；其中：
Ⅲ级围岩隧道宽度ＢⅢ＝2×（5.63+0.35+0.03+1.0×10-3+0.1）＝12.22m
Ⅳ级围岩隧道宽度ＢⅣ＝2×（5.63+0.45+0.05+1.0×10-3+0.15）＝12.56m
Ⅴ级围岩隧道宽度ＢⅤ＝2×（5.63+0.45+0.08+1.0×10-3+0.25）＝12.82m
由各级围岩衬砌设计图可知：
Ⅲ级围岩隧道高度ＨⅢ＝0.52+7.78+0.35+0.03+0.1=8.77m
Ⅳ级围岩隧道高度ＨⅣ＝0.45+1.12+7.77+0.45+0.05+0.15＝9.99m
Ⅴ级围岩隧道高度ＨⅤ＝0.45+1.12+7.77+0.45+0.08+0.25＝10.12m
4.3.2隧道深浅埋判断
（1）计算各级围岩坍落拱
根据规范可知坍落拱高度的计算公式为：
h=0.45×2S-1×[1+i（B-5）]（4-1）
式中：
S——围岩级别；
B——隧道宽度（m）；
i——B每增加1m时的围岩压力的增减率，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m时，取i=0.1；
则，Ⅲ级围岩坍落拱高度hⅢ=0.45×22×[1+0.1×（12.22-5）]=3.100m；
Ⅳ级围岩坍落拱高度hⅣ=0.45×23×[1+0.1×（12.56-5）]=6.322m；
Ⅴ级围岩坍落拱高度hⅥ=0.45×24×[1+0.1×（12.82-5）]=12.830m；
（2）各级围岩深浅埋判定
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定。
荷载等效高度计算公式如下：
（4-2）
式中：
隧道深浅埋的分界高度（m）；
等效荷载高度（m），
；
垂直均布压力（kN/m3）；
围岩重度kN/m3。
q=γ×h（4-3）
式中：
q——垂直均布压力
γ——围岩重度kN/m3；
h——坍落拱高度（m）由式（4-1）计算
矿山法施工的条件下，在矿山法施工的条件下，Ⅳ-Ⅵ级围岩取
；Ⅰ-Ⅲ级围岩取
。
①Ⅲ级围岩等效荷载高度
=
m；
隧道分界高度Hp=2*hq=6.200m；
由于本隧道Ⅲ级围岩埋深为10.12~21.52m，故Ⅲ级围岩为深埋。
②Ⅳ级围岩等效荷载高度
=
隧道分界高度HP=2.5hq=15.805m；
由于本隧道Ⅳ级围岩埋深为0~21.52m，故Ⅳ级围岩部分浅埋、部分深埋。
③Ⅴ级围岩等效荷载高度
=
隧道分界高度HP=2.5hq=32.075m；
由于本隧道Ⅳ级围岩埋深为0~4.45m，故Ⅴ级围岩为浅埋。
4.3.3隧道衬砌验算
本隧道设计中的衬砌验算均采用直刚法验算。
（1）Ⅲ级围岩衬砌验算：
输入数据如下：
301
611
0112
-4.902687.98010-5.632436.01623
0.350.35
1212
-5.530334.721738.260.350.35
11222
5.6081.09.00.350.35
31*6.5e5
30*2.95e6
0
12.52.5
40.00.3
00001000.01900.0350.0
3.62.42.75170.05170.0
输入数据如下：
**********thecheck**********
jdepesigmapsigma
0.1384E-020.8750E-010.7709E+020.5170E+04
nodeepekpk
10.261E-020.157E+000.262E+020.240E+01
20.103E-010.157E+000.260E+020.240E+01
30.899E-020.157E+000.271E+020.240E+01
40.121E-020.157E+000.292E+020.240E+01
50.235E-020.157E+000.305E+020.240E+01
60.438E-020.157E+000.320E+020.240E+01
70.125E-010.157E+000.327E+020.240E+01
80.653E-010.157E+000.263E+020.240E+01
90.808E-010.157E+000.930E+020.360E+01
100.665E-010.157E+000.297E+020.240E+01
110.316E-010.157E+000.383E+020.240E+01
120.122E-010.157E+000.443E+020.240E+01
130.512E-010.157E+000.381E+020.240E+01
140.721E-010.157E+000.194E+030.360E+01
15no0.293E+000.157E+000.129E+020.360E+01
160.721E-010.157E+000.194E+030.360E+01
170.512E-010.157E+000.381E+020.240E+01
180.122E-010.157E+000.443E+020.240E+01
190.316E-010.157E+000.383E+020.240E+01
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270.899E-020.157E+000.271E+020.240E+01
280.103E-010.157E+000.260E+020.240E+01
290.261E-020.157E+000.262E+020.240E+01
jdepesigmapsigma
0.1384E-020.8750E-010.7709E+020.5170E+04
验算合格。
可知，Ⅲ级围岩衬砌设计合格。
（2）Ⅳ级围岩衬砌深埋段验算
输入数据如下：
301
611
0112
-4.902687.98010-5.632436.01623
0.450.45
1212
-5.530334.721738.260.450.45
11222
5.6081.09.00.350.35
31*6.5e5
30*2.95e6
0
12.02.5
30.00.3
00001000.02000.0350.0
3.62.42.75170.05170.0
输出数据如下：
**********thecheck**********
jdepesigmapsigma
0.2542E-020.1125E+000.8433E+020.5170E+04
nodeepekpk
10.542E-020.202E+000.252E+020.240E+01
20.135E-010.202E+000.252E+020.240E+01
30.968E-020.157E+000.202E+020.240E+01
40.947E-030.157E+000.218E+020.240E+01
50.167E-020.157E+000.227E+020.240E+01
60.514E-020.157E+000.236E+020.240E+01
70.149E-020.157E+000.254E+020.240E+01
80.583E-010.157E+000.202E+020.240E+01
90.770E-010.157E+000.780E+020.360E+01
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160.647E-010.157E+000.264E+020.240E+01
170.459E-010.157E+000.288E+020.240E+01
180.892E-020.157E+000.330E+020.240E+01
190.328E-010.157E+000.279E+020.240E+01
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280.135E-010.202E+000.252E+020.240E+01
290.542E-020.202E+000.252E+020.240E+01
jdepesigmapsigma
0.2542E-020.1125E+000.8433E+020.5170E+04
验算合格。
可知，Ⅳ级围岩衬砌设深埋段设计合格。
（3）Ⅳ级围岩衬砌浅埋段验算
输入数据如下：
301
611
0112
-4.902687.98010-5.632436.01623
0.450.45
1612
-5.530334.721738.260.450.45
1822
5.6081.09.00.450.45
31*1.5e5
30*2.95e6
0
02.02.5
15.80550.036.010.01
00001200.01900350.0
2.42.02.7153.1153.1
输出数据如下：
**********thecheck**********
jdepesigmapsigma
0.1193E-020.1125E+000.4055E+030.1531E+03
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10.730E-030.202E+000.478E+010.200E+01
20.160E-010.202E+000.456E+010.200E+01
30.271E-010.202E+000.440E+010.200E+01
40.338E-010.202E+000.430E+010.200E+01
50.370E-010.202E+000.427E+010.200E+01
60.370E-010.202E+000.429E+010.200E+01
70.343E-010.202E+000.442E+010.200E+01
80.260E-020.202E+000.512E+010.200E+01
90.577E-010.202E+000.437E+010.200E+01
100.124E+000.202E+000.969E+010.240E+01
110.114E+000.202E+000.132E+020.240E+01
120.509E-010.202E+000.553E+010.200E+01
130.309E-010.202E+000.640E+010.200E+01
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15no0.345E+000.202E+000.240E+010.240E+01
160.108E+000.202E+000.187E+020.240E+01
170.655E-010.202E+000.561E+010.200E+01
180.156E-010.202E+000.637E+010.200E+01
190.916E-010.202E+000.309E+020.240E+01
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220.555E-020.202E+000.503E+010.200E+01
230.351E-010.202E+000.437E+010.200E+01
240.383E-010.202E+000.422E+010.200E+01
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260.353E-010.202E+000.424E+010.200E+01
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280.172E-010.202E+000.449E+010.200E+01
290.270E-030.202E+000.474E+010.200E+01
jdepesigmapsigma
0.1147E-020.1125E+000.4097E+030.1531E+03
验算合格。
可知，Ⅳ级围岩衬砌浅埋段设计合格。
（4）Ⅴ级围岩衬砌验算
输入数据如下：
301
611
0112
-4.902687.98010-5.632436.01623
0.50.5
1212
-5.530334.721738.260.450.45
11222
5.6081.09.00.50.5
31*1.5e5
30*2.95e6
0
01.92.5
4.4550.020.010.01
00001000.01900.0350.0
2.42.02.7153.1153.1
输出数据如下：
**********thecheck**********
jdepesigmapsigma
0.1571E-020.1250E+000.1535E+030.1531E+03
nodeepekpk
10.244E-030.225E+000.129E+020.200E+01
20.372E-010.202E+000.104E+020.200E+01
30.389E-010.225E+000.119E+020.200E+01
40.182E-010.225E+000.130E+020.200E+01
50.119E-010.225E+000.137E+020.200E+01
60.623E-010.225E+000.119E+020.200E+01
70.124E+000.225E+000.284E+020.240E+01
80.146E+000.225E+000.192E+020.240E+01
90.135E+000.225E+000.245E+020.240E+01
100.969E-010.225E+000.124E+020.200E+01
110.404E-010.225E+000.162E+020.200E+01
120.228E-010.225E+000.181E+020.200E+01
130.785E-010.225E+000.154E+020.200E+01
140.111E+000.225E+000.565E+020.240E+01
15no0.581E+000.225E+000.441E+010.240E+01
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180.113E+000.225E+000.519E+020.240E+01
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210.738E-010.225E+000.129E+020.200E+01
220.118E+000.225E+000.343E+020.240E+01
230.137E+000.225E+000.212E+020.240E+01
240.123E+000.225E+000.273E+020.240E+01
250.704E-010.225E+000.106E+020.200E+01
260.102E-010.225E+000.126E+020.200E+01
270.318E-010.225E+000.115E+020.200E+01
280.383E-010.202E+000.974E+010.200E+01
290.369E-020.225E+000.120E+020.200E+01
jdepesigmapsigma
0.1485E-020.1250E+000.1627E+030.1531E+03
验算合格。
可知，Ⅴ级围岩衬砌段设计合格。
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