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1、第四章 洞門設計 4.1 洞門設計步驟 《規(guī)范》關于洞口的一般規(guī)定 1. 洞口位置應根據地形、地質條件，同時結合環(huán)境保護、洞外有關工程及施工 條件、營運要求，通過經濟、技術比較確定。 2. 隧道應遵循“早進洞、晚出洞”的原則，不得大挖大刷，確保邊坡及仰坡的 穩(wěn)定。 3. 洞口邊坡、仰坡頂面及其周圍，應根據情況設置排水溝及截水溝，并和路基 排水系統(tǒng)綜合考慮布置。 4. 洞門設計應與自然環(huán)境相協(xié)調。 4.1.1 確定洞門位置洞口位置的確定應符合下列要求 1. 洞口的邊坡及仰坡必須保證穩(wěn)定。 2. 洞口位置應設于山坡穩(wěn)定、地質條件較好處。 3. 位于懸崖陡壁下的洞口，不宜切削原山

2、坡；應避免在不穩(wěn)定的懸崖陡壁下進洞。 4. 跨溝或沿溝進洞時，應考慮水文情況，結合防排水工程，充分比選后確定。 5. 漫坡地段的洞口位置， 應結合洞外路塹地質、 棄渣、排水及施工等因素綜合分 析確定。 6. 洞口設計應考慮與附近的地面建筑及地下埋設物的相互影響， 必要時采取防范 措施。 7. 洞門宜與隧道軸線正交；地質條件較好； 做好防護；設置明洞。 洞口地質條件 洞口入口端位于山體斜坡下部，斜坡自然坡度約 45°左右，隧道軸線與地形 等高線在右洞為大角度相交，位置較好，圍巖上部為覆蓋層為碎石質，厚度為 0.6m-1.7m，下部為砂質板巖，全風化巖石厚為 0-2.0m強風化巖厚為0

3、-6.4m,砂 質板巖與變質砂巖中風化厚度為 8.1-15.8m; 為軟巖,薄層狀結構 ,巖體破碎,軟 巖互層, 主要結構面為層面及節(jié)理裂隙面 , 結構面的不利組合對圍巖有影響 ; 地下 水以基巖裂隙水為主 , 圍巖為弱透水 , 可產生點滴狀出水 , 局部可產生線狀出水 ; 圍巖穩(wěn)定性差。 4.1.2 確定洞門類型 洞門類型及適用條件 洞門的形式很多， 從構造形式、 建筑材料以及相對位置等可以劃分許多類型。 目前，我國公路隧道的洞門形式有 : 端墻式洞門 翼墻式洞門 環(huán)框式洞門 臺階 式洞門 柱式洞門 遮光棚式洞門等。 端墻式洞門 適用于巖質穩(wěn)定的川級以上圍巖和地形開闊的地區(qū)， 是最

4、常使用的洞門型式 翼墻式洞門 適用于地質較差的W級以下圍巖，以及需要開挖路塹的地方。翼墻式洞門由 端墻及翼墻組成。翼墻是為了增加端墻的穩(wěn)定性， 同時對路塹邊坡也起支撐作用。 其頂面一般均設置水溝，將端墻背面排水溝匯集的地表水排至路塹邊溝內 環(huán)框式洞門 當洞口巖層堅硬、整體性好( I 級圍巖)、節(jié)理不發(fā)育，路塹開挖后仰坡極 為穩(wěn)定，并且沒有較大的排水要求時采用 臺階式洞門 當洞門傍山側坡地區(qū)，洞門一側邊坡較高時，為減小仰坡高度及外露長度， 可以將端墻頂部改為逐步升級的臺階形式， 以適應地形的特點， 減少仰坡土石方 開挖量。 遮光棚式洞門 當洞外需要設置遮光棚時，其入口通常外伸很遠。

5、遮光構造物有開放式和封 閉式之分，前者遮光板之間是透空的，后者則用透光材料將前者透空部分封閉。 但由于透光材料上面容易沾染塵垢油污， 養(yǎng)護困難， 所以很少使用后者。 形狀上 又有喇叭式與棚式之分 洞門形式的選擇 按分類，隧道右線屬長隧道，基本服從于路線走向，路線與地形等高線基本 正交，洞門按受力結構設計。洞門形式結合實際地形、地質情況選定。根據洞門 所處地段的地形地貌及工程地質條件，遵從“早進洞，晚出洞”的設計原則，并 考慮洞門的實用、 經濟、美觀等因素， 因此本隧道使用翼墻式洞門 (帶擋土墻), 使用翼墻式洞門。 4.1.3 洞門構造要求 按《公路隧道設計規(guī)范》 (JTG-2004)

6、, 洞門構造要求為： ⑴ 洞門仰坡坡腳至洞門墻背的水平距離不宜小于 1.5m,洞門端墻與仰坡之間水 溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度不小于 1.0m,洞門墻頂高出仰坡腳不小于 0.5m。 (2) 洞門墻應根據實際需要設置伸縮縫、沉降縫和泄水孔；洞門墻的厚度可按計 算或結合其他工程類比確定。 (3) 洞門墻基礎必須置于穩(wěn)固地基上，應視地基及地形條件，埋置足夠深度，保 證洞門的穩(wěn)定?；茁袢胪临|地基的深度不小于 1.0m，嵌入巖石地基的深度 不小于0.5m;基底標高應在最大凍結線以下不小于 0.25m。基底埋置深度應 大于墻邊各種溝、槽基底的埋置深度。 (4) 松軟地基上的基礎，可采取加固基

7、礎措施。洞門結構應滿足抗震要求。 驗算滿足條件 采用擋墻式洞門時，洞門墻可視為擋土墻，按極限狀態(tài)驗算，并應驗算繞墻 趾傾覆及沿基底滑動的穩(wěn)定性。驗算時應符合表 3.1和表3.2 (《公路隧道設計 規(guī)范》JTG-2004)的規(guī)定，并應符合《公路路基設計規(guī)范》、《公路磚石及混凝土 橋涵設計規(guī)范》、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》的有關規(guī)定。 表4.1洞門設計計算參數 仰坡坡 率 計算摩擦角S (°) 重度丫 (kN/m3) 基地摩擦系數 f 基底控制壓應力 (Mpa 1:0.5 70 25 0.60 0.80 1:0.75 60 24 0.50 0.60

8、 1:1 50 20 0.40 0.40-0.35 1:1.25 43-45 18 0.40 0.30-0.25 1 1:1.5 38-40 17 0.35-0.40 0.25 表4.2 洞門墻主要驗算規(guī)定 墻身界面荷 載效應值Sd w結構抗力效應值Rd (按極限狀態(tài)計算) 墻身截面荷載 效應值Sd w結構抗力效應值Sd (按極限狀態(tài)計算) 墻身截面偏 心距e < 0.3倍截面厚度 滑動穩(wěn)定安全 系數Kc > 1.3 基底應力Z w地基容許承載力 傾覆穩(wěn)疋安全 系數Ko > 1.6 基底偏心距e 巖石地基w B/5-B

9、/4 ; 土質地基w B/6 4.2龍洞翼墻式洞門結構設計計算 計算參數 計算參數如下： (1) 邊、仰坡坡度1:1.25 ; (2) 仰坡坡腳 ￡ =39°, tan ￡ =0.8 , a =9°; (3) 地層容重 丫 =18KN/m3; (4) 地層計算摩擦角? =45°; (5) 基底摩擦系數0.4 ; (6) 基底控制應力【Z】=0.3Mpa 建筑材料的容重和容許應力 (1) 墻端的材料為水泥砂漿片石砌體，片石的強度等級為 Mu10Q水泥砂漿的 強度等級為M10 3 (2) 容許壓應力【Z a】 =2.2Mpa,重度丫 t=22KN/ m 。

10、 洞門各部尺寸的擬定 根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG-2004）,結合洞門所處地段的工程地質條件， 擬定洞門翼墻的高度：H=13.35m其中基底埋入地基的深度為1.59m,洞門翼墻 與仰坡之間的水溝的溝底至襯砌拱頂外緣的高度 1.8m，洞門翼墻與仰坡間的的 水溝深度為0.5m，洞門墻頂高出仰坡坡腳1.05m，洞口仰坡坡腳至洞門墻背的水 平距離為2.5m,墻厚2.48m,設計仰坡為1:1.25,具體見圖紙。 4.3洞門驗算 洞門土壓力計算 根據《公路隧道設計規(guī)范》（JTG-2004），洞門土壓力計算圖示具體見圖 3.2 < 圖3.2 洞門土壓力計算簡圖 最危險滑

11、裂面與垂直面之間的夾角: tan ；(1 tan2 ) -tan「(1-tan- tan ；) tan2 申 +tan 口 tan 名 一 J(1 +tan2 ?)(tan ? -tan 客)(tan ? +tanc()(1 —tanet tan^) tanw 式中：，一一圍巖計算摩擦角； & ――洞門后仰坡坡腳; a——洞門墻面傾角 代入數值可得： tan2 45。+ tan9tan39 _ J(1 +tan2 45o)(tan 45° _tan39o)(tan 45° +tan 9°)(1 _tan9o tantan 39°) tan 。 2 2 o o o tan 39 (

12、1 +tan 45 ) _tan 45 (1 _tan 9 tan 39 ) = 0.6799 ? =34.21° 根據《公路隧道設計規(guī)范》(JTG-2004), 土壓力為; 1 2 E [H 2 h°(h -h°)]b 2 , (tan ①一tan g)(1 —tan a tan e) /_ — tan(心亠「)(1 - tan，tan ；) 由三角關系得：h丄 tan^ -tana 式中：E——土壓力(KN ; ――地層重度(KN/n3) , a tan z h° : 1 - tan ： tan ； 入一一側壓力系數； 3 墻背土體破裂角； b ――洞

13、門墻計算條帶寬度( E ――土壓力計算模式不確定系數， 把數據代入各式，得： (tan34.21° -tan9°)(1 - tan9° tan39°) -tan(34.21° 39°)(1 - tan34.21° tan39°) 2.5 ° ° =4.7937 m tan 34.21 -ta n9 取 b=1.0m； 可取 E =0.6 = 0.1928 h° 2.5 tan39° 1 - tan9° tan 39° = 2.3223m 洞門土壓力E: 1 E =2 [H2 h°(h'-h°)]b =1 18 0.1928 [13.3$ 2.3223 (4.79

14、37-2.3223)] 1.0 0.6 = 191.4783KN Ex 二 E cos( - ：)=191.4783 cos(34.21 -9 ) =178.7604kN Ey =E sin(、- ：)=191.4783 sin(34.21 -9 ) =68.6197kN 墻背摩擦角一十2 45—30。 抗傾覆驗算 翼墻計算圖示如圖 下式：

15、 3.3所示，擋土墻在荷載作用下應繞0點產生傾覆時應滿足 ,Z My 仆 k° 1.6 ° ' M。 式中：K 0——傾覆穩(wěn)定系數，k0 _1.6 ; My——全部垂直力對墻趾0點的穩(wěn)定力矩; 7 M °——全部水平力對墻趾 0點的穩(wěn)定力矩; a o 圖3.3 墻身計算簡圖 由圖3.3可知： 墻身重量 G: G =13.35 2.48 18 1.0 =595.

16、9440KN E＜對墻趾的力臂: 13.35 3 二 4.45m !'y對墻趾的力臂: Zy =B (H tan . )/3 =2.48 13.35 tan9°/3 = 3.1848m G對墻趾的力臂： B HM /48 13.35 tan9\ 2.2972m 2 2 v My =G Zg - Ey Zy =595.940 2.2972 68.6197 3.1848 = 1587.5529 KN M 、M0 =Ex Zx =178.7604 4.45 = 795.4837 KN M 代入上式得： ' M y K0 : 、M。 1587.4837

17、 795.4837 = 1.9957 1.6 故抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。 抗滑動驗算 對于水平基底，按如下公式驗算滑動穩(wěn)定性: Kc 1.3 式中：K c——滑動穩(wěn)定系數 N ――作用于基底上的垂直力之和; E ――墻后主動土壓力之和，取E=b； f 基底摩擦系數，取f=0.4 由圖3.3得： Kc (G Ey) Ex (595.9440 68.6197) 178.7604 = 1.4870 1.3 故抗滑穩(wěn)定性滿足要求。 434基底合力偏心矩驗算 設作用于基底的合力法向分力為 a N，其對墻趾的力臂為Zn,合力偏

18、心矩為 e,貝 、' My Mo G ZG Ey Zy - Ex Zx G Ey 1587.5529 -795.4837 =1 1919 m 595.9440 68.6197 B 2.48 e Zn 1.1919 =0.0481 0 2 2 合力在中心線的右側。 I丨 B e =0.0481 ：： =0.4133 6 計算結果滿足要求。 max min v N “ .6e (595.9440 +68.6197) “ . 6^0.0409、 299.1767Kpa (1 二 )= M (1 * ) =236.7617Kpa B B 2.48

19、2.48 二max =299.1767Kpa ::㈢=0.3Mpa，計算結果滿足要求 墻身截面偏心矩及強度驗算 (1)墻身截面偏心矩e ::0.3B 式中：M N 計算截面以上各力對截面形心力矩的代數之后; 作用于截面以上垂直力之后。 M * (H-H)_Ey 里 178.7604 (蓉-空)-68.6197 也 2 3 y 2 2 3 2 = 312.6534KN m N 二G Ey =595.9440 68.6197 = 664.5637KN 將數據代入墻身偏心矩E的公式，可得： M 312 6534 e -3_. =0.4705 ：：： 0.3B =0.74

20、4，計算結果滿足要求 N 664.5637 (2)應力- CT = 6e （1 B） 664.5637 6 0.4705 （1土 ）=572.9771kpa eg] =2.2Mpa 2.48 2.48 滿足要求。 通過以上的驗算, 說明龍洞端翼墻式洞門的尺寸合理。詳圖見設計圖紙。 排水設計 隧道排水應根據防排堵截結合， 因地制

21、宜，綜合治理的原則，采用切實可靠地設計和施工措 施，達到防水可靠排水暢通經濟合理的目的。 1?在洞口仰坡5m以外，設置天溝，并加以鋪砌。 2?對洞頂地表的陷穴，深穴加以回填，對裂縫進行堵塞。 3?對洞頂天然溝槽加以整治，是山洪宣泄暢通。 4?在地表水上游設截水導流溝。 5?在仰坡到洞頂處 2m左右設計排水溝。 6?邊坡設計排水溝。 縱剖面圖 平面圖 排水平面圖 排水縱剖面圖