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第四章 洞門設計 4.1洞門設計步驟 《規(guī)范》關(guān)于洞口的一般規(guī)定 1.洞口位置應根據(jù)地形、地質(zhì)條件，同時結(jié)合環(huán)境保護、洞外有關(guān)工程及施工條件、營運要求，通過經(jīng)濟、技術(shù)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(jù)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(diào)。 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(zhì)條件較好處。 3.位于懸崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；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(jié)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(jié)合洞外路塹地質(zhì)、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(zhì)條件較好； 做好防護；設置明洞。 洞口地質(zhì)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(zhì)，厚度為0.6m-1.7m，下部為砂質(zhì)板巖，全風化巖石厚為0-2.0m強風化巖厚為0-6.4m,砂質(zhì)板巖與變質(zhì)砂巖中風化厚度為8.1-15.8m;為軟巖,薄層狀結(jié)構(gòu),巖體破碎,軟巖互層,主要結(jié)構(gòu)面為層面及節(jié)理裂隙面,結(jié)構(gòu)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(chǎn)生點滴狀出水,局部可產(chǎn)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(gòu)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(zhì)穩(wěn)定的Ⅲ級以上圍巖和地形開闊的地區(qū)，是最常使用的洞門型式 翼墻式洞門 適用于地質(zhì)較差的Ⅳ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(nèi) 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(cè)坡地區(qū)，洞門一側(cè)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。遮光構(gòu)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(jié)構(gòu)設計。洞門形式結(jié)合實際地形、地質(zhì)情況選定。根據(jù)洞門所處地段的地形地貌及工程地質(zhì)條件，遵從“早進洞，晚出洞”的設計原則，并考慮洞門的實用、經(jīng)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(gòu)造要求 按《公路隧道設計規(guī)范》（JTG-2004）,洞門構(gòu)造要求為： (1)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(jù)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(jié)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。基底埋入土質(zhì)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(jié)線以下不小于0.25m?；茁裰蒙疃葢笥趬吀鞣N溝、槽基底的埋置深度。 (4)松軟地基上的基礎，可采取加固基礎措施。洞門結(jié)構(gòu)應滿足抗震要求。 4.1.4 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(guān)規(guī)定。 表4.1 洞門設計計算參數(shù) 仰坡坡率 計算摩擦角δ（o） 重度γ（kN/m3） 基地摩擦系數(shù)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 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 洞門墻主要驗算規(guī)定 墻身界面荷載效應值Sd ≤結(jié)構(gòu)抗力效應值Rd（按極限狀態(tài)計算） 墻身截面荷載效應值Sd ≤結(jié)構(gòu)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(shù)Kc ≥1.3 基底應力σ ≤地基容許承載力 傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Ko ≥1.6 基底偏心距e 巖石地基≤B/5-B/4；土質(zhì)地基≤B/6 　 　 4.2龍洞翼墻式洞門結(jié)構(gòu)設計計算 4.2.1計算參數(shù) 計算參數(shù)如下： (1)邊、仰坡坡度1:1.25； (2)仰坡坡腳ε=39°，tanε=0.8，α=9°； (3)地層容重γ=18KN/m3; (4)地層計算摩擦角φ=45°； (5)基底摩擦系數(shù)0.4； (6)基底控制應力【σ】=0.3Mpa 4.2.2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Mu100，水泥砂漿的強度等級為M10。 （2）容許壓應力【σa】=2.2Mpa，重度γt=22KN/ m3。 4.2.3洞門各部尺寸的擬定 根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG-2004），結(jié)合洞門所處地段的工程地質(zhì)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 4.3.1洞門土壓力計算 根據(jù)《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 最危險滑裂面與垂直面之間的夾角： 式中:——圍巖計算摩擦角; ε——洞門后仰坡坡腳； α——洞門墻面傾角 代入數(shù)值可得： 根據(jù)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG—2004），土壓力為； 由三角關(guān)系得： 式中: E——土壓力（KN）; ——地層重度（KN/m3） λ——側(cè)壓力系數(shù)； ω——墻背土體破裂角； b——洞門墻計算條帶寬度（m），取b=1.0m； ξ——土壓力計算模式不確定系數(shù)，可取ξ=0.6。 把數(shù)據(jù)代入各式，得： m 洞門土壓力E： 式中：δ——墻背摩擦角 4.3.2抗傾覆驗算 翼墻計算圖示如圖3.3所示，擋土墻在荷載作用下應繞O點產(chǎn)生傾覆時應滿足下式： 式中: K0——傾覆穩(wěn)定系數(shù)，； ——全部垂直力對墻趾O點的穩(wěn)定力矩； ——全部水平力對墻趾O點的穩(wěn)定力矩； 圖3.3 墻身計算簡圖 由圖3.3可知： 墻身重量G： Ex對墻趾的力臂： 對墻趾的力臂： G對墻趾的力臂： 代入上式得： 故抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求。 4.3.3抗滑動驗算 對于水平基底，按如下公式驗算滑動穩(wěn)定性： 式中: Kc——滑動穩(wěn)定系數(shù) ——作用于基底上的垂直力之和； ——墻后主動土壓力之和，取=Ex； f——基底摩擦系數(shù)，取f=0.4 由圖3.3得： 故抗滑穩(wěn)定性滿足要求。 4.3.4基底合力偏心矩驗算 設作用于基底的合力法向分力為，其對墻趾的力臂為ZN，合力偏心矩為e，則： 合力在中心線的右側(cè)。 計算結(jié)果滿足要求。 ，計算結(jié)果滿足要求。 4.3.5墻身截面偏心矩及強度驗算 （1）墻身截面偏心矩e 式中： M——計算截面以上各力對截面形心力矩的代數(shù)之后； N——作用于截面以上垂直力之后。 將數(shù)據(jù)代入墻身偏心矩E的公式，可得： ，計算結(jié)果滿足要求。 （2）應力 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(jù)防排堵截結(jié)合，因地制宜，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(jīng)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?shù)乇淼南菅?，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。 縱段剖面 縱剖面圖 平面圖 縱剖面圖 排水平面圖 排水縱剖面圖