隧道设计衬砌计算范例结构力学方法.docx

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隧道设计衬砌计算范例结构力学方法

1.1　工程概况

川藏公路二郎山隧道位于四川省雅安天全县与甘孜泸定县交界的二郎山地段,东距成都约260km,西至康定约97km,这里山势险峻雄伟,地质条件复杂,气候环境恶劣,自然灾害频繁,原有公路坡陡弯急,交通事故不断,使其成为千里川藏线上的第一个咽喉险道,严重影响了川藏线的运输能力,制约了川藏少数民族地区的经济发展。

二郎山隧道工程自天全县龙胆溪川藏公路K2734+560（K256+560）处回头,沿龙胆溪两侧缓坡展线进洞,穿越二郎山北支山脉——干海子山,于泸定县别托村和平沟左岸出洞,跨和平沟经别托村展线至K2768+600（K265+216）与原川藏公路相接,总长8166km,其中二郎山隧道长4176m,别托隧道长104m,改建后可缩短运营里程2514km,使该路段公路达到三级公路标准,满足了川藏线二郎山段的全天候行车。

1.2　工程地质条件

1.2.1地形地貌

二郎山段山高坡陡,地形险要,在地貌上位于四川盆地向青藏高原过渡的盆地边缘山区分水岭地带,隶属于龙门山深切割高中地区。

隧道中部地势较高。

隧址区地形地貌与地层岩性及构造条件密切相关。

由于区内地层为软硬相间的层状地层,构造为西倾的单斜构造,故地形呈现东陡西缓的单面山特征。

隧道轴线穿越部位,山体浑厚,东西两侧发育的沟谷多受构造裂隙展布方向的控制。

主沟龙胆溪、和平沟与支沟构成羽状或树枝状,横断面呈对称状和非对称状的“v”型沟谷,纵坡顺直比降大,局部受岩性构造影响,形成陡崖跌水。

1.2.2水文气象

二郎山位于四川盆地亚热带季风湿润气候区与青藏高原大陆性干冷气候区的交接地带。

由于山系屏障,二郎山东西两侧气候有显著差异。

东坡潮湿多雨,西坡干燥多风,故有“康风雅雨”之称。

全年分早季和雨季。

夏、秋两季受东进的太平洋季风和南来的印度洋季风的控制,降雨量特别集中；冬春季节,则受青藏高原寒冷气候影响,多风少雨,气候严寒。

据沪定、天全两县21年（1960-1980年）气候资料,多年平均气温分别为16.6℃和15.1℃,沪定略高于天全，多年平均降雨量分别为636.8mm和1730.0mm，多年平均蒸发量分别为1578.6和924.2mm，每年8级以上大风日数分别为14天和3天,沪定相对大风更多、更强烈。

据调查访问,二郎山东坡季节冰冻线约在海拔2200m以上,积雪线海拔1900m左右,积雪时限11月上旬至次年4月,西坡季节冰冻线约为海拔2600m-2800m季节积雪线海拔2300m-2500m左右。

二郎山东西两侧分别属于青衣江和眠江支流一大渡河两大水系。

东坡龙胆溪为青衣江支流天全河发源地,西坡潘沟,属大渡河支流。

本区溪沟均受大气降水（雨、雪）和地下水的补给,其中主要为大气降水补给。

因而,亦具有一般山区沟河“易涨易落”之特点。

1.2.3地质状况

隧道穿越地层以志留系、泥盆系浅海—滨海相碳酸盐和碎屑岩为主,出口端上覆地层为崩坡积层,黄灰、黑灰色块石土或块石、碎石土,由山前滑坡、崩塌等坡积、崩积物及少量坡面洪流形成的洪积物组成,主要成份为岩屑砂砾、角砾、亚粘土等。

由于区内岩层软硬相间,故地形呈东陡西缓的单面山特征,东坡为逆向坡,西坡为顺向坡。

二郎山断裂带从隧址区西北侧通过,距隧道出口约350~400m,该断裂是龙门山断裂带的南西延长部分,为区内控制性主干断裂,在其影响下区内沿其旁侧发育一系列次级分支羽状断裂,在隧道轴线上共穿越断层11条,多属压性—压扭性质,断层带不宽,影响带较小,胶结较好。

隧址区地震基本烈度为8度。

1.3　隧址区初始应力条件

通过采用水压致裂法在7个钻孔中的地应力测量,得出隧道最大水平主应力（σmax）的总体方向为N74°W,与隧道轴线夹角31°左右,隧址区地应力场具有以下分布特征:

（1）大约位于标高2200m处,为山体应力与构造应力的分界线,分界线以上垂直应力（Rv）占主导地位;分界线以下水平主应力值明显增加并占主导地位,隧道顶板正好位于分界线偏下。

（2）水平地应力（σHmax、σhmin）在垂直方向上的分布随深度增加而增大,在横向上由隧道两端向山体内部逐渐增加,即隧道中部地应力最大,σHmax=54.37MPa。

（3）在同一深度内硬质岩类显示高应力值,软岩类显示低应力值。

二郎山隧道（主洞）长4176m,以II、III类围岩为主,长3004m,占71.93%;IV类围岩长821m,占19.66%;V类围岩长351m,占8.41%。

2　隧道设计

2.1　设计标准

设计行车速度:

40km/h（三级公路）;

隧道建筑限界:

隧道净宽9.0m（7.5m+2×0.75m）,限高5m

设计荷载:

汽车—20级,挂车—100;

设计小时交通量:

441辆/h;

行车方式:

单洞双向行驶;

卫生标准:

正常运营CO允许浓度为150×10-6,阻塞及救灾短时间内（15min）为250×10-6;

烟雾允许浓度0.009m-1。

2.2　平面线形、纵断面设计

2.2.1平面线形

隧道的平面线形应根据地质、地形、路线走向、通风等因素确定隧道的平曲线线形。

直线便于施工；曲线段施工难度较大，除测量上难度加大以外，例如模板台车载曲线段施工很困难，有超高时就更困难。

结合隧址区地形、地貌及工程地质与水文地质条件、地应力大小与方向、经济性,确定出了隧道轴线位置,同时还兼顾了两端接线的衔接，隧道平面线形确定为直线型。

隧道设计里程K259+036～K263+212,长4176m，进口标高2180.31m,出口标高2182.01m。

2.2.2　纵断面设计

隧道内纵断面线形应考虑行车安全性、营运通风规模、施工作业效率和排水要求，隧道纵坡不应小于0.3%，一般情况不应大于3%；受地形等跳警限制时，高速公路、一级公路的中、短隧道可适当加大，但不宜大于4%；短于100m的隧道纵坡可与该公路隧道外路线的指标相同。

隧道内的纵坡形式，一般采用单向坡；当地下水发育的长隧道、特长隧道可采用双向坡。

纵坡变更的凸形竖曲线和凹形竖曲线的最小半径和最小长度应符合规范规定（《公路隧道设计规范》JTGD70-2004，表

二郎山隧道属特长隧道，因此纵坡形式采用“人”字坡式，进口侧上坡,坡度0.5%（长2000m）,出口侧下坡,坡度0.41%（长2176m）。

2.3横断面设计

2.3.1建筑限界

隧道横断面设计主要是对隧道净空的设计。

隧道净空是指隧道衬砌的内轮廓线所包围的空间。

隧道净空是根据“建筑限界”确定的。

“限界”是一种规定的轮廓线，这种轮廓线以内的空间是保证车辆安全运行所必需的，是建筑物不得侵入的一种限界。

公路隧道建筑限界包括车道、路肩、路缘带、人行道等的宽度及车道、人行道的净高。

下图为公路隧道建筑限界横断面组成宽度。

根据《公路工程技术标准》,隧道建筑限界采用净宽9.0m,限高4.5m。

隧道内轮廓经过比选确定采用单心圆断面,隧道总高度6.1m。

2.3.2紧急停车带

长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车带。

双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交错设置。

紧急停车带的宽度，包含右侧向宽度应取3.5m，长度应取40m，其中有效长度不得小于30m。

紧急停车带的设置间距不宜大于750m。

停车带的路面横坡，长隧道可取水平，特长隧道可取0.5%~1.0%或水平。

二郎山隧道应设紧急停车带，双向交错布置，紧急停车带间距700m，有效长度30m，横向坡度取1%。

紧急停车带的建筑限界、宽度和长度见图2-3.2。

图2-3.1建筑界（单位：

cm）

a）宽度构成及建筑限界（单位：

cm）

b）长度（单位：

cm）

图2-3.2紧急停车带的建筑限界、宽度和长度

2.3.3内轮廓设计

隧道内轮廓设计除符合隧道建造限界的规定外，还应满足洞内路面、排水设施、装饰的需要，并为通风、照明、消防、监控、营运管理等设施提供安装控件，同时考虑围岩变形、施工方法影响的预留富裕量，使确定的断面形式及尺寸符合安全、经济、合理的原则。

二郎山隧道内轮廓采用单心圆方案，半径R1=4.8m，R2=1m，R3=9.6m，θ1=108°，θ2=67°，θ3=12°，IV、V级围岩设置仰拱，内轮廓线如图2-3.3。

a）一般内轮廓线

b）含紧急停车带内轮廓线

图2-3.3内轮廓线（单位：

m）

3洞门设计

《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）对洞门有如下规定：

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，并和路基排水系统综合考虑布置。

3.1洞门位置选择

《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）规定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。

有条件时，应贴壁进洞；条件限制时，边坡及仰坡的设计开挖最大高度可按表2-4.1控制。

表2-4.1洞口边、仰坡控制高度

围岩分级

I-II

III

IV

边、仰坡坡率

贴壁

1:

0.3

1:

0.5

1:

0.5

1:

0.75

1:

0.75

1:

1

1:

1.25

1:

1.5

1:

1.25

高度（m）

15

20

25

20

25

15

18

20

15

18

注：

设计开挖高度系从路基边缘算起

2．洞口位置应设于山坡稳定、地质条件好处。

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。

7．洞口边坡、仰坡应根据实际情况加固防护措施，有条件时应优先采用绿化护坡。

8．当洞口处有塌方、落石、泥石流等时，应采取清刷、延伸洞口、设置明洞或支挡结构物等措施。

3.2洞门形式选择标准

洞门形式的选择应适应地形、地质的需要，同时考虑施工方法和施工需要。

一般地形等高线与线路中线斜交角度在45。

～65。

之间，地面横坡较陡，地质条件好，无落石掉块现象时，可选择斜交洞门；当斜交角度大于65。

时，地面横坡较陡，或一侧地形凸出，可考虑用台阶洞门；当斜交角度小于45。

时，地面横坡较陡，边仰坡刷方较高，有落石掉块掉块威胁运营安全时，考虑接长明洞。

3.3洞门确定

二郎山隧道穿越地层以志留系、泥盆系浅海—滨海相碳酸盐和碎屑岩为主,出口端上覆地层为崩坡积层,黄灰、黑灰色块石土或块石、碎石土,由山前滑坡、崩塌等坡积、崩积物及少量坡面洪流形成的洪积物组成,主要成份为岩屑砂砾、角砾、亚粘土等。

因此洞门采用翼墙式洞门。

4隧道结构设计与计算

4.1初期支护

二郎山隧道采用复合式衬砌支护，初期支护采用喷锚支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式组合使用，根据不同围岩级别区别组合。

锚杆支护采用全长粘结锚杆。

由工程类比法，结合《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004），初期支护喷射混凝土材料采用C20级混凝土，支护参数取值如表2-5.1。

表4-1.1初期支护参数

围岩级别

喷射砼厚度（cm）

锚杆（m）

钢筋网

钢拱架

拱墙

仰拱

位置

长度

间距

杆体材料

II

8

—

局部

2.2

1.5

Φ22砂浆（药卷）锚杆

—

—

III

10

—

拱、墙

2.4

1.5

Φ22砂浆（药卷）锚杆

局部

Φ6.5@25x25

—

IV

15

—

拱、墙

3.0

1.0

Φ25中空注浆锚杆

拱、墙

Φ6.5@25x25

拱、墙

格栅钢架18I

V

20

—

拱、墙

4.0

1.0

Φ25中空注浆锚杆

拱、墙（双层）

Φ6.5@25x25

拱、墙、仰拱

格栅钢架18I

4.2二次衬砌

二次衬砌采用现浇模筑钢筋混凝土，混凝土采用C25级，钢筋采用HRB335级刚，利用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。

二次衬砌厚度设置如表2-5.2。

表4-1.2二次衬砌混凝土厚度（单位：

cm）

围岩级别

拱、墙混凝土厚度

仰拱混凝土厚度

II

30

—

III

35

—

IV

35

35

V

45

45

4.3Ⅳ围岩衬砌内力计算

《规范》（JTGD70-2004）规定：

I-V级围岩中，复合式衬砌的初期支护应主要按工程类比法设计。

其中IV、V级围岩的支护参数应通过设计确定，计算方法为地层结构法。

所以取IV级围岩为计算对象。

4.3.1拟定衬砌尺寸

图2-5.1IV围岩衬砌拟定图

内轮廓线半径

外轮廓线半径

m，C25级防腐钢筋混凝土拱墙35cm，预留变形量5cm，C20喷射混凝土防腐混凝土厚14cm,

拱顶截面厚0.5m，墙底截面厚0.5m。

4.3.2衬砌材料参数

围岩为IV级，根据《公路隧道设计规范》表

，围岩的弹性抗力系数

，

。

衬砌材料采用钢筋混凝土，根据《公路隧道设计规范》表5.2.1，表5.2.2，表

，弹性模量

，轴线抗压强度标准值

，轴心抗拉强度标准值

。

内轮廓半径

，

内径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角

外轮廓半径

，

拱轴线半径

，

拱轴线各段圆弧中心角：

，

1）围岩竖向均布压力：

（4.2）

式中:

s---围岩类别,此处s=4;

γ---围岩容重,此处γ=21KN/m3

ω---跨度影响系数,ω=1+i（lm-5）,毛洞跨度Lm=10.60+2×0.05=10.70m，其中0.05m为一侧平均超挖量.Lm=5～15m时,i=0.1,此处ω=1+0.1×（10.70-5）=1.570。

所以，有q=0.45×24-1×21×1.570＝118.6920kpa

此处超挖回填层重忽略不计。

2）围岩水平均布压力：

e＝0.25q＝0.25×118.6920＝29.6730kpa

分段长度：

m

1.与竖直夹角

校核：

角度闭合差

，因墙底面水平，计算衬砌内力时用

2.接缝中心点坐标计算

表2-3各截面中心几何要素

截面

α（º）

sinα

cosα

x

y

0

0

0

1

0

0

1

15.0262

0.2593

0.9658

1.3093

0.1727

2

30.0523

0.5008

0.8656

2.5290

0.6789

3

45.0785

0.7081

0.7061

3.5758

1.4840

4

60.1046

0.8669

0.4984

4.3780

2.5330

5

75.1308

0.9665

0.2566

4.8809

3.7541

6

90.1569

1.0000

-0.0027

5.0499

5.0638

7

105.1831

0.9651

-0.2619

4.8737

6.3726

8

90

1

0

4.2132

7.4271

半轴计算图如图2-5

图2-5衬砌结构计算图示

用用辛普生法近似计算，按计算列表进行。

单位位移的计算见表2-4。

单位位移值计算如下：

校核：

闭合差△≈0计算结果正确。

表2-4单位位移计算表

截面

I

1/I

y/I

y2/I

（y+1）2/I

0

0.01042

96.0000

0.0000

0.0000

96.0000

1

0.01042

96.0000

16.5768

2.8624

132.0159

2

0.01042

96.0000

65.1765

44.2498

270.6028

3

0.01042

96.0000

142.4648

211.4189

592.3485

4

0.01042

96.0000

243.1670

615.9392

1198.2732

5

0.01042

96.0000

360.3940

1352.9567

2169.7448

6

0.01042

96.0000

486.1276

2461.6669

3529.9220

7

0.01042

96.0000

611.7711

3898.5816

5218.1237

8

0.01042

96.0000

713.0016

5295.5342

6817.5374

∑

—

864.0000

2638.6793

13883.2097

20024.5682

载位移——主动荷载在基本结构中引起的位移

A.每一楔块上的作用力

竖向力：

式中bi——衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度，由图2.5量得：

水平压力：

式中：

hi——衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图2-5量得：

自重力：

式中：

di——接缝i的衬砌截面厚度。

注：

计算G8时，应使第8个楔块的面积乘γh。

作用在各楔块上的力均列人表2-5，各集中力均通过相应图形的形心。

表2-5单元集中作用力

截面

bi（m）

hi（m）

di（m）

Q

E

G

0

0

0

0.5000

0

0

0

1

1.3741

0.1812

0.5000

163.0947

5.3767

16.5465

2

1.2780

0.5313

0.5000

151.6884

15.7653

16.5465

3

1.1007

0.8450

0.5000

130.6443

25.0737

16.5465

4

0.8420

1.1009

0.5000

99.9387

32.6670

16.5465

5

0.5278

1.2816

0.5000

62.6456

38.0289

16.5465

6

0.1775

1.3746

0.5000

21.0678

40.7885

16.5465

7

1.3736

0.5000

　0

40.7588

16.5465

8

0.9890

0.5000

　0

29.3466

16.5465

B．外荷载在基本结构中产生的内力

楔块上备集中力对下一接缝的力臂由图2-5中量得，分别记为

。

内力按下式计算（见图2-6）

图2-6单元主动荷载

弯矩：

（

）

轴力：

式中：

、

—相邻两截面中心点的坐标增量，按下式计算：

表2-6

计算过程表

（一）

截面

aq

ag

ae

-Qaq

-Gag

-Eae

0

0

0

0

0

0

0

1

0.6222

0.6490

0.3321

-101.4775

-10.7387

-1.7856

2

0.5157

0.5932

0.4820

-78.2257

-9.8154

-7.5989

3

0.3732

0.4970

0.5990

-48.7564

-8.2236

-15.0191

4

0.2043

0.3667

0.6751

-20.4175

-6.0676

-22.0535

5

0.0223

0.2113

0.7049

-1.3970

-3.4963

-26.8066

6

-0.1613

0.0415

0.6873

3.3982

-0.6867

-28.0339

7

0　

-0.1306

0.6213

0　

2.1610

-25.3235

8

0　

-0.4577

0.4945

0　

7.5733

-14.5119

表2-7

计算过程表

（二）

截面

∑i-1（Q+G）

∑i-1E

△x

△y

-△x∑i-1（G+Q）

-△y∑i-1E

Mp0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1.3093

0.1727

0

0

-114.0018

2

179.6412

5.3767

1.2197

0.5062

-219.1131

-2.7220

-431.4768

3

347.8761

21.1420

1.0468

0.8051

-364.1442

-17.0211

-884.6413

4

495.0669

46.2157

0.8023

1.0490

-397.1789

-48.4794

-1378.8382

5

611.5521

78.8827

0.5029

1.2211

-307.5305

-96.3249

-1814.3935

6

690.7442

116.9116

0.1691

1.3097

-116.7729

-153.1220

-2109.6108

7

728.3585

157.7001

-0.1762

1.3088

128.3696

-206.3958

-2210.7995

8

744.9051

198.4590

-0.6605

1.0545

492.0131

-209.2720

-1934.9969

表2-8

计算过程表

截面

sinα

cosα

∑（G+Q）

∑E

sinα∑（G+Q）

cosα∑E

NP0

0

0

1

0

0

0

0

0

1

0.2593

0.9658

179.6412

5.3767

46.5738

5.1929

41.3809

2

0.5008

0.8656

347.8761

21.1420

174.2129

18.2997

155.9132

3

0.7081

0.7061

495.0669

46.2157

350.5420

32.6346

317.9074

4

0.8669

0.4984

611.5521

78.8827

530.1765

39.3166

490.8599

5

0.9665

0.2566

690.7442

116.9116

667.6139

30.0010

63