毕业设计（论文）-大跨公路隧道—水口山隧道结构与施工设计

'中南大学毕业设计（论文）目录摘要-1-Abstract-2-第1章绪论-1-1.1隧道工程的基本概念-1-1.2我国隧道工程的发展简况-1-1.3隧道工程的特点-2-第2章设计任务-3-2.1设计任务及要求-3-2.2设计原始资料-3-2.2.1主要技术指标-3-2.2.2设计所需的工程地质资料-4-2.3设计进度安排-4-第3章隧道横断面设计及优化-5-3.1隧道建筑限界的确定-5-3.1.1隧道建筑限界的定义-5-3.1.2隧道建筑限界的组成及规范规定[1]-5-3.1.3水口山隧道建筑限界的确定-7-3.2隧道横断面优化设计-7-3.2.1概述-7-3.2.2影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素-8-3.2.3不设置仰拱的隧道内轮廓优化-8-3.2.4有仰拱的隧道内轮廓优化设计-11-第4章隧道二次衬砌内力检算与分析-14-4.1隧道衬砌断面厚度-14-4.2隧道衬砌力学分析-14-4.2.1结构承受的荷载-14-4.2.2围岩压力的含义及分类-14-4.2.3围岩压力的确定-15-4.3结构内力计算与分析-17-4.3.1计算原理-17-4.3.2内力计算与检算-17--96- 中南大学毕业设计（论文）4.3.3衬砌内力计算结果分析-24-第5章隧道支护结构设计-25-5.1支护结构总体设计-25-5.2暗洞洞身支护结构设计-25-5.2.1复合式衬砌的一般规定[1]-25-5.2.2支护设计参数的工程实例-26-5.2.3初期支护设计-28-5.2.4预留变形量-29-5.2.5二次衬砌设计-29-5.3明洞衬砌设计-34-5.4水口山隧道支护参数统计表-35-5.5工程量计算-35-5.5.1Ⅲ级围岩浅埋段工程量计算-35-5.5.2Ⅲ级围岩深埋段工程量计算-36-5.5.3Ⅱ级围岩深埋段衬砌工程量计算-37-第6章洞门位置的确定与洞门结构设计-38-6.1概述-38-6.2隧道洞门形式设计-38-6.3隧道进出洞口位置的确定-39-6.4隧道进出口洞门各部尺寸拟订-39-6.5洞门边仰坡开挖线-40-6.6洞口主要工程量计算-42-6.7隧道出口洞门检算-42-第7章隧道施工组织设计-46-7.1隧道施工组织概述-46-7.2施工方案比选-46-7.2.1明洞段施工方法比选及施工-46-7.2.2暗洞施工方案比选-48-7.3暗洞施工方法设计-49-7.4辅助施工措施设计-49-7.4.1辅助施工措施概述-49-7.4.2地表砂浆锚杆设计-50-7.5钻爆设计-51-7.5.1钻爆开挖的要求-51--96- 中南大学毕业设计（论文）7.5.2钻孔机具和爆破材料选择-51-7.5.3爆破参数-52-7.5.4炮眼布置-55-7.5.5单眼装药量计算-57-7.6施工进度计划-58-7.6.1Ⅲ级围岩段上台阶开挖计划进度-58-7.6.2Ⅱ级围岩段上台阶开挖计划进度-59-7.6.3Ⅲ级围岩段下台阶开挖计划进度-61-7.6.4Ⅱ级围岩段下台阶开挖计划进度-62-7.6.5施工总工期的确定-63-7.7资源供应编制-63-7.7.1每洞口劳动力配备-63-7.7.2材料机械需要量计算-64-第8章监控量测-66-8.1概述-66-8.1.1监控量测的目的-66-8.1.2监控量测的内容及方法-66-8.2监控量测设计-67-8.3监控量测资料分析与应用-68-第9章隧道附属设施设计-69-9.1防排水系统设计-69-9.1.1隧道防水-69-9.1.2隧道排水-70-9.1.3水口山隧道防排水设计-70-9.2电缆槽设计-72-9.3行车道道路面设计-73-9.4隧道通风设计-74-9.4.1隧道通风类型-74-9.4.2水口山隧道通风设计-74-9.5隧道照明设计-75-9.5.1概述-75-9.5.2照明区段设计-75-9.6行人、行车横洞-77-结束语-78--96- 中南大学毕业设计（论文）参考文献-79-附录A横断面优化程序-80-附录B衬砌配筋计算程序-83-附录C英语翻译-86--96- 中南大学毕业设计（论文）摘要本设计的题目是“大跨公路隧道—水口山隧道结构与施工设计”，公路等级为高速公路，设计时速为80km/h，隧道全长288.5米,按三车道设计。设计主要内容如下：隧道横断面的设计与优化；隧道衬砌结构的设计，包括初期支护、二次衬砌的设计；运用直刚法计算程序对二次衬砌进行分析检算；隧道洞门位置的确定与洞门结构设计；隧道施工组织设计，包括洞身开挖方法设计，辅助施工措施的设计，施工进度计划编制等；隧道通风、照明等附属设施设计；隧道施工监控量测设计等。隧道衬砌结构采用复合式衬砌，初期支护采用钢筋网、锚喷混凝土联合支护，二次衬砌采用模注混凝土支护。隧道进口洞门采用端墙式洞门，暗洞洞口里程为YK3+711.5，暗洞洞口处接20m长的明洞。隧道采用新奥法施工；洞身开挖采用台阶法，采用光面爆破，以减小对围岩的扰动，并配合监控量测，及时反馈，进行动态设计与施工。关键词：高速公路；隧道；衬砌；洞门；施工方法；新奥法；施工组织全套设计CAD图纸，联系-96- 中南大学毕业设计（论文）-96- 中南大学毕业设计（论文）AbstractThisdesignisentitled"TheDesignOfStructureAndConstructionofShuikoushanHighwayTunnel".ShuikoushanTunnelconsistsoftwoseparatethree-lanehighwaytunnels.Thegradeofthehighwayisfreeway,thedesignspeedis80km/h,andthetunnelfull-lengthis288.5m.Thedesigncontainsthefollowingkeyelements:thedesignandoptimizationoftunnelcross-section;thedesignoftunnellining,includingtheprimarysupportandthesecondarylininginnerforcecheckusingdirectstiffnessmethod;Determinationthelocationofthetunnelportalpartanddesignthestructureofportalpart;tunnelconstructiondesign,includingexcavationmethodandassistingconstructionmeasuresdesign,constructionprogressofplansandsoon.Compositeliningisusedtothetunnelliningstructure,andmeshreinforcementcombinedwithanchorspraycementconcreteisusedtotheprimarysupport,andthesecondarysupportusestheformworkedconcretelining.Thetypesofthetunnelportalparthaveadoptedendwall,inletmileageforYK135+575andoutletmileageforYK136+930,andtheentranceincludesopencuttunnellengthfor20meters.TheNewAustrianTunnelingMethodisappliedtotheconstructionofthetunnel.TheopencuttunnelisexcavatedwithoutanyprotectionTheexcavationofthetunnelbodyusesbenchmethodcombinedwithentiresectionmethod.Inthecourseofthetunnelconstruction,SmoothBlastingisappliedtunnelblastingforthepurposeofreducingthedisturbanceoftherock.Keywords：highway,tunneldesign,lining,thetunnelportalpart,themethodoftheconstruction,NATM,constructionorganization-96- 中南大学毕业设计（论文）第1章绪论1.1隧道工程的基本概念隧道(tunnel)是一种修建在地下，两端有出入口，供车辆、行人、水流及管线等通过的工程的建筑物。隧道及地下工程(tunnelandundergroundengineering)有两方面的含义，一方面是指从事研究和建造各种隧道及地下工程的规划、勘测、设计、施工和养护，是一门应用科学和工程技术，是土木工程的一个分支；另一个方面也指在岩体或土体中修建的通道和各种类型的地下建筑物。在修建隧道时，一般先在地层内挖出具有一定形状的“坑道”，如圆形、矩形、马蹄形等，由于地层被开挖后，容易变形、塌落或有水涌如，所以除了在极为稳定的地层中且没有地下水的地方以外，大都要在坑道的周围修建支护结构，或称之为衬砌，以保证使用安全。衬砌的形状和尺寸，应能使结构受力状态最为合理，既不浪费有稳固。以交通为用途的隧道，其两端将自地面引入。隧道端部外露面，一般将修筑为保护洞口和排放水流的挡土墙式结构，称为“洞门”，此外，为了保证隧道的正常使用，还需设置一些附属建筑物：如为工作人员在隧道内进行维修或检查时，能及时避让驶来的列车而在隧道两侧开辟的“避车洞”；为了保证车辆正常运行而设置的照明设施；为了排除隧道内渗入的地下水而设置的防水设备及排水设施；为了净化隧道内车辆所排出的烟尘和有害气体而设置的通风系统等。1.2我国隧道工程的发展简况随着我国国民经济持续快速的增长，对交通运输不断提出更新、更高的要求，极大地促进了公路等交通基础设施的建设和发展。公路建设中高速公路和高等级公路己成为主流，并正在由东部沿海地区向西部内陆地区发展，由平原地区向山岭重丘区延伸。东部沿海地区的浙江、福建、广东以及西部地区的四川、云南等省区己经形成初步的高速公路网络，总长约30,000km的“五纵七横”国道主干网正逐步实现。随着国家“中西部地区大开发战略”的不断深入，公路将迎来新一轮的建设高峰。我国是一个多山的国家，75%左右的国土是山地和丘陵。在山区和丘陵地区的交通线路建设中，为了满足行车的需要，达到克服高差、缩短里程、改善线形指标以及保护生态环境等方面的要求，隧道的选择和修建日益引起人们的重视，数量越来越多，规模也越来越大，往往成为整条线路工期和造价的关键工程。由于公路隧道的广泛应用其形式多种多样，有连拱隧道，小间距隧道。其洞门也有多种型式，现在经常采用削竹式洞门。隧道的施工方法也多种多样，根据不同的地形、地质条件、施工条件与经济条件等而选择，最常采用的方法为新奥法。新奥法、盾构法、TBM-96- 中南大学毕业设计（论文）、沉管法等先进技术在我国的成功应用，促使隧道的修建正逐渐向长距离、大断面的方向发展。据不完全统计，目前我国已建成1700余座公路隧道，总长度已超过600km，其中建成3,000m以上的公路隧道己有30余座。1.3隧道工程的特点公路隧道工程和一般的公路工程、桥梁工程相比，有其自身的特点，建设管理较为复杂，难度更大。其主要特点是：a.不可预见因素多公路隧道属于地下工程，围岩地质变化对施工影响极大。地质的不可见性是隧道施工的主要特点。施工前往往不可能对地质情况准确掌握，对围岩的变化、地下水、溶洞、泥石流、涌沙及瓦斯地层等不良地质无法预见。b.工程风险性大由于隧道地质的变化无法事先准确预报，所以施工过程中塌方事故发生几率较大，施工过程中的安全隐患较多，工程风险性大。因此，国际隧道协会（ITA）曾经提出：地质风险由业主承担，施工风险由承包商承担。c.隐蔽工程多隧道是底下工程，由于隧道结构的特点和工程的时效性，绝大部分的后一道工序都是在前一道工序的基础上立即进行，隐蔽部分较多。如果内在质量出现问题，事后很难发现，并且也很难采取措施补救。d.施工时效性强由于隧道施工中围岩多变，地质水文条件复杂，并且大多不可预见。所以，一旦出现意外情况，必须当机立断及时变更，进行现场处治，工程时效性较强。e.施工空间狭小隧道施工是在一个狭小的空间中进行，开挖、支护、防排水、衬砌、附属设施预埋件、路面等施工工序多，时效性强。施工过程中的水、电、风、气管线复杂，相互干扰大，施工管理难度较大。f．施工环境恶劣由于隧道施工是在一个半封闭的空间内进行，开挖和施工过程污染很大，加之施工危险性大，所以施工环境比较恶劣。g.运营管理复杂公路隧道的运营管理远远大于道路和桥梁，因为它不仅涉及到交通控制、通风控制、照明控制，检测维修，而其防灾救灾特别是防火救灾更是一个十分复杂而困难的内容。-96- 中南大学毕业设计（论文）第2章设计任务2.1设计任务及要求2.1.1设计者应根据给定的原始资料，在规定的期限内完成以下毕业设计任务：(1)确定隧道洞口位置，进行洞口的结构计算和设计；(2)按照新奥法原理进行隧道衬砌结构设计；(3)隧道纵断面总体设计；(4)隧道施工方案与施工组织设计；(5)隧道各种附属建筑物和设施的设计；(6)隧道衬砌分析和计算；(7)大跨隧道监控量测设计。2.1.2完成设计以后应提交以下成果：(1)隧道衬砌荷载结构计算说明，计算结果及其分析；(2)隧道设计图纸6－7张及其设计说明书一份；(3)有关专题论述内容。以上内容视学生的情况可作必要的调整。2.2设计原始资料2.2.1主要技术指标(1)公路等级：高速公路(2)日交通量:32000辆(3)车道数目：三车道(4)设计荷载：汽—超20(5)验算荷载：挂—120(6)地震设防烈度：7度(7)隧道设计时速：80km/h(8)进口设计高程：402.000-96- 中南大学毕业设计（论文）2.2.2设计所需的工程地质资料：(1)隧道地区地形平面图1张；(2)隧道地区地质纵断面图1张；(3)隧道进口附近地形平面图1；(4)隧道出口附近地形平面图1张。2.3设计进度安排1.熟悉设计资料,直刚法电算程序教学,上机操作、修改调试隧道结构的电算程序（2月21日～3月6日）2.确定洞口位置，进行洞门结构的设计（3月7～20日）3.毕业实习（3月21～4月10日）4.隧道衬砌结构断面尺寸优化设计（4月11～17日）5.衬砌结构内力计算与分析、隧道衬砌结构设计（4月18日～4月24日）6.隧道纵断面设计（4月25日～5月1日）7.隧道施工方案与施工组织（5月2～11日）8.隧道附属设备与建筑物设计（5月12～15日）9.编写毕业设计说明书、毕业答辩（5月23～6月5日）中间穿插进行英文专业文献的翻译，具体根据自己的实际条件把握进度。-96- 中南大学毕业设计（论文）第3章隧道横断面设计及优化3.1隧道建筑限界的确定3.1.1隧道建筑限界的定义隧道建筑限界是为了保证隧道内各种交通的正常运行于安全，而规定在一定宽度和高度范围内不得有任何障碍物的空间限界。在设计的时候，应充分研究各种车道与公路之间所处的空间关系，任何部件（包括隧道本身的通风、照明、安全、监控及内部装修等附属设施）均不得侵入隧道限界之内。隧道建筑限界是决定隧道净空尺寸的依据，对设计、施工、运营来说都很重要，而且隧道是永久性的建筑，一旦建成，就很难改动。因此，隧道建筑限界的确定，对隧道的设计来说至关重要。3.1.2隧道建筑限界的组成及规范规定[1]公路隧道建筑限界由行车道宽度（W）、路缘带（S）、侧向宽度（L）、人行道（R）或检修道（J）等组成。当设置人行道时，含余宽（C）。各级公路隧道建筑限界一般规定如图3-1所示。图3-1公路隧道建筑限界示意图(单位：cm)[1]其中：H-建筑限界高度,高速公路、一、二级公路取5.0m，三、四级公路取4.5m；W-行车道高度；LL-左侧向宽度；LR-右侧向宽度；C-余宽；J-检修道；R-人行道宽度；h-检修道或人行道高度；EL-建筑限界左顶角宽度，EL=LL；ER-建筑限界右顶角宽度，当LR≤1m时，ER=LR，当LR>1m时，ER=1m。在建筑限界内不得有任何部件入侵，隧道建筑限界的基本宽度按下表3-1取值，并符合以下规定[1]：-96- 中南大学毕业设计（论文）1.建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m。2.当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。3.隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡；当隧道为双向交通时，可取双面坡。坡度应根据隧道长度，平、纵线形等因素综合分析确定，一般可采取1.5%～2.0%。4.当路面采用单面坡时，建筑限界底边线与路面重合；当采用双面坡时，建筑限界底边线应水平置于路面最高处表3-1公路隧道建筑限界横断面组成最小宽度（m）[1]公路等级设计速度车道宽度W侧向宽度余宽C人行道R检修道J隧道建筑净宽左侧LL右侧LR左侧右侧设检修道设人行道不设人行道检修道高速公路一级公路1203.75×20.751.25　　0.750.7511　　1003.75×20.51　　0.750.7510.5　　803.75×20.50.75　　0.750.7510.25　　603.50×20.50.75　　0.750.759.75　　二级公路三级公路四级公路803.75×20.750.75　1　　　11　603.50×20.50.5　1　　　10　403.50×20.250.25　0.75　　　9　303.25×20.250.250.25　　　　　7.5注：1）三车道隧道除增加车道数外，其它宽度同表；增加车道的宽度不得小于3.5m。2）连拱隧道的左侧可不设检修道或人行道，但应设50cm（120km/h与100km/h时）或25cm（80km/h与60km/h时的余宽）。3）设计速度120km/h时，两侧检修道宽度均不宜小于1.0m；设计速度100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1.0m。高速公路及一级公路隧道内应设检修道。其他等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。检修道或人行道宜双侧设置；检修道或人行道的宽度按表3-1规定选取；检修道或人行道的高度可按20～80cm取值。一般来说，除开其它因素，单按设计车速考虑，步道高度的取值，可参照表3-2。表3-2步道高度h[1]设计速度（km/h）120100806040~20h（cm）80~6060~4040~3030~2525或20注：在设计速度一定的条件下，可按隧道长短等因素取值-96- 中南大学毕业设计（论文）3.1.3水口山隧道建筑限界的确定本设计为高速公路隧道，双侧设计检修道或人行道，为了保证行车的安全，再加设余宽。根据设计原始资料，水口山隧道为公路山岭隧道，高速公路标准，三车道，设计行车速度为80km/h，根据《公路隧道设计规范》，参考表3-1可确定隧道建筑限界取值为：车道宽度：W=3×3.75=11.25m侧向宽度：LL＝0.50m，LR＝0.75m检修道宽：J＝0.75m步道高度：hL＝0.3m，hR＝0.3m顶角宽度：EL＝LL＝0.50m，ER＝LR＝0.75m余宽：C=0.25m隧道内横向采用单面坡，坡度为3%。根据以上尺寸，得到水口山隧道建筑限界图，如图3-2所示。图3-2水口山隧道建筑限界图（单位：cm）长、特长隧道应在行车方向的右侧设置紧急停车。双向行车隧道，其紧急停车带应双侧交错设置。不设检修道、人行道的隧道，可不设紧急停车带，但应按500m间距交错设置行人避车洞。根据原始资料，水口山隧道长约300m为短隧道，因此不用设置紧急停车带。3.2隧道横断面优化设计3.2.1概述公路隧道横断面设计，除满足隧道建筑限界的要求外，还应考虑洞内路面、排水、检修道、通风、照明、消防、内装、监控等设施所需要的空间，还要考虑仰拱曲率的影响，并根据施工方法确定出安全、经济、合理的断面形式和尺寸。-96- 中南大学毕业设计（论文）山岭隧道衬砌的断面形式根据围岩压力的性质和目前的一些施工方法，通常采用圆拱直墙式或曲墙式、全断面圆形或接近圆形等形式。目前山岭隧道大多采用三心圆或单心圆的拱形断面，偶尔也有采用四心圆或五心圆的情况。隧道断面应具有适应应力流和变形的合理形状，同时要适应围岩条件、净空要求。水口山隧道的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，按照规范推荐，采用五心圆断面设计。3.2.2影响隧道衬砌结构内轮廓线的因素这里所指的隧道横断面是隧道衬砌和基底围岩或仰拱所包围部分的大小和形状。公路隧道不仅要提供汽车行驶的空间，还要满足舒适行使、交通安全、防灾等服务的空间。在隧道断面形状设计时需要考虑的因素有以下几点[3]：1.须符合前述的隧道建筑限界要求，结构的任何部位都不应侵入限界以内，应考虑通风、照明、安全、监控等内部装修设施所必需的富余量；2.施工方法，确定断面形式及尺寸有利于隧道的稳定；3.从经济观点出发，内轮廓线应尽量减小洞室的体积，即使土石开挖量和圬工量最省；4.尽量平顺圆滑，以使结构受力及围岩稳定均处于有利条件；5.结构的轴线应尽可能地符合荷载作用下所决定的压力线。规范规定：隧道断面越大，围岩自稳能力越差，围岩变形也越大。所以，Ⅳ~Ⅳ级围岩两车道隧道、Ⅲ级围岩三车道以上隧道宜采用有仰拱的衬砌断面形式。依照规范规定，再结合工程类比法可以确定：水口山隧道Ⅱ级围岩段和Ⅲ级围岩深埋段，不需要设置仰拱；Ⅲ级围岩浅埋段，需要设置仰拱。以下对设置仰拱与不设置仰拱的衬砌内轮廓分别进行讨论。3.2.3不设置仰拱的隧道内轮廓优化1.基本参数及其意义三心圆内轮廓线参数，如图3-3所示，有R1、R2、R3、θ1、θ2、θ3、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8，一共有22个。各参数的意义如下：R1、R2、R3——拱顶、两侧曲边墙圆弧对应的半径；θ1、θ2、θ3——拱圈、两侧曲边墙圆弧对应的圆心角；A1、A2——起拱线上、下的曲边墙圆弧对应的圆心到隧道中线的距离；H1、H2、H3——分别为路面、步道顶部、拱顶对应的圆心到起拱线的距离；d0——道路中线和隧道中线的距离；d1~d8——内轮廓线到建筑限界变化点的水平距离；HH——人行道高度；H——建筑限界高度，这里取500cm。-96- 中南大学毕业设计（论文）图3-3三心圆内轮廓线图2.基本几何方程上述这些参数并不是完全独立的，他们存在以下的几何关系：（3-1）（3-2）（3-3）（3-4）（3-5）（3-6）（3-7）A2=R3-R2-A1（3-8）（3-9）d1=（3-10）d2=（3-11）d3=（3-12）-96- 中南大学毕业设计（论文）d4=（3-13）d6=（3-14）d7=（3-15）3.独立变量挑选出X作为独立变量：（3-16）相应的开挖面积可表示为：（3-17)（3-18）（3-19）（3-20）（3-21）（3-22）4.约束条件（1）变量的范围将固定为一个值，取：=20cm，=13；；（2）建筑限界约束条件设为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值，为最小富余量。根据公路隧道设计规范为5cm，但是考虑到施工的时候可能存在着偏差取=10cm；取为15cm。（3）求解各参数利用fortran9.0编写一个程序，根据（3-18）、（3-19）、（3-20)、（3-21)、（3-22)求出内轮廓所包含的面积S；再通过循环变量、和，重复计算各参数和S的值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值，其中面积最小者即为所求最佳解。编写的程序见附录A。-96- 中南大学毕业设计（论文）5.输入参数，运行程序，得出输出结果如下：***************inputdata***************W=1125LR=75LL=50J=75C=25H=500HH=30ER=75EL=50D0=13D8=20****************results*******************A1=163A2=164H1=132H2=102H3=0H4=295R1=796R2=586R3=913FAI1=51.57度FAI2=39.43度FAI3=6.91度D0=13D1=18D2=5D3=34D4=19D5=150D6=35D7=6D8=20最小开挖面积SMIN=.706.作出内轮廓图根据输出结果，可画出不设仰拱隧道内轮廓线，如图3-4所示。结合工程实践的要求，对数据进行取整，内轮廓的数据以下图为准。图3-4不设仰拱的隧道内轮廓图（单位：cm）3.2.4有仰拱的隧道内轮廓优化设计1.基本参数及其意义水口山隧道的Ⅲ级围岩段和洞口段需要设置仰拱，根据公路隧道设计规范的推荐，采用八心圆，描述四心圆的参数比较多，如图3-5有：R1、R2、R3、R4、R5、θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8。-96- 中南大学毕业设计（论文）内轮廓参数的意义：R1、R2、R3、R4、R5——拱顶圆弧、两侧曲边墙圆弧、连接曲边墙和仰拱的圆弧、仰拱圆弧对应的半径；θ1、θ2、θ3、θ4、θ5——拱顶圆弧、两侧曲边墙圆弧、连接曲边墙和仰拱的圆弧、仰拱圆弧对应的圆心角；A1、A2——起拱线上、下的曲边墙圆弧对应的圆心到隧道中线的距离；H1、H2、H3——分别为路面、步道顶部、拱顶对应的圆心到起拱线的距离；d0——道路中线和隧道中线的距离；d1~d8——内轮廓线到建筑限界变化点的水平距离；HH——人行道高度；H——建筑限界高度，这里取500cm。图3-5带仰拱内轮廓线图2.基本参数的确定为了使得隧道在纵断面上保持一致，有仰拱的横断面的基本参数应该与没有仰拱的区段的横断面保持一致。因此可将R1、R2、R3、θ1、θ2、θ3、A1、A2、H1、H2、H3、d0、SB1、SB2、d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7、d8取的与没有仰拱的内轮廓线的值一样。从而只需要确定θ4、θ5、H2、R4、R5参数的值。这些基本几何关系：（3-23）（3-24）独立变量为：-96- 中南大学毕业设计（论文）（3-25）则隧道内轮廓起拱线以下的面积为：（3-26）（3-27）（3-28）（3-29）利用fortran9.0编写一个程序，根据（3-26）、（3-27）、（2-28）、（3-29）求出内轮廓所包含的面积S；在通过循环变量R4和，重复计算各参数和S的值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值，其中面积最小者即为所求最佳解。编写的程序见附录A。输入数据，得出结果如下：最小开挖面积SSMIN=:.60R4=201R5=3915FAI4=73.26559度FAI5=10.82440度通过以上的计算结果，可画出带仰拱的衬砌内轮廓，如图3-6。结合工程实践的要求，对数据进行取整，内轮廓的数据以下图为准。图3-6带仰拱衬砌内轮廓图（单位：cm）-96- 中南大学毕业设计（论文）第4章隧道二次衬砌内力检算与分析4.1隧道衬砌断面厚度隧道开挖后，由于破坏了周围围岩体的原始平衡状态，使周围岩体的应力重新分布，并发生应力集中现象，围岩产生变形，导致松动、掉块或崩塌。为了使围岩稳定，确保安全，隧道必须有足够强度的支护结构，即隧道衬砌。高速公路隧道采用了复合式衬砌。在进行力学检算之前，首先确定模筑混凝土二次衬砌的厚度。根据《公路隧道设计规范》[1]中三车道隧道复合衬砌设计参数可初步设计水口山隧道的二次衬砌厚度：Ⅱ级围岩：40cmⅢ级围岩深埋段：45cmⅢ级围岩浅埋段：50cm4.2隧道衬砌力学分析4.2.1结构承受的荷载衬砌内力按荷载—结构法来计算，在对内力计算前，首先得计算结构承受的荷载，隧道结构受的荷载主要类型有主动荷载和被动荷载。其中主动荷载包括（1）主要荷载，如围岩压力、支护结构自重、回填土荷载、地下静水压力等；（2）附加荷载，如温度压力、灌浆压力、冻胀压力、混凝土收缩应力以及地震力等。被动荷载是指围岩的弹性抗力，它只产生被衬砌压缩的围岩周边上。在本设计中，只计算围岩压力和结构自重，在衬砌内力计算与分析中按“永久荷载+基本可变荷载”取安全系数，来考虑其他荷载因素对结构内力产生的影响。4.2.2围岩压力的含义及分类围岩压力是指引起地下开挖空间岩体和支护变形或破坏的作用力。从狭义来理解，围岩压力是围岩作用在支护结构上的压力，分为以下四类：1）松动压力：由于开挖而松动或坍塌的岩体以重力形式直接作用在支护结构上的压力2）形变压力：由于围岩变形受到与之紧贴的支护结构的抑制，而使围岩与支护结构共同变形过程中，围岩对支护结构施加的接触压力。除了与围岩应力状态有关外，还与支护时间和支护刚度有关。3）膨胀压力：当岩体具有吸水崩解的特征时，由于围岩吸水膨胀崩解所引起的压力。-96- 中南大学毕业设计（论文）4）冲击压力：它通常是由“岩爆”引起的。当围岩中积累了大量的弹性变形能后，在开挖时，隧道由于围岩的约束被解除，被积累的弹性变形能回突然释放，引起岩块抛射产生压力。4.2.3围岩压力的确定确定围岩压力常用的方法有：现场实地测量法、理论公式计算法和统计法。统计法是目前常用的方法，本设计采用的统计法。具体到不同的隧道埋深和明暗洞情况下，计算又不同：深埋隧道在开挖过程中，围岩可以形成自然拱，围岩本身分担部分荷载；浅埋隧道由于覆土层小，不能形成自然拱，在没有支护结构时，上覆土会踏落比较大的高度，围岩压力相对较大；明洞拱圈为回填土，侧压力比较大。深埋、浅埋和明洞的结构荷载计算采取不同的计算方法。1.暗挖隧道浅深埋情况的确定浅埋和深埋隧道的分界，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。按荷载等效高度的判定公式为[3]：(4-1)式中：——浅埋隧道分界深度（m）——荷载等效高度（m）按下式计算：(4-2)其中：S——围岩级别；ω——宽度影响系数，；B——隧道宽度；i——以B=5m的围岩垂直均布压力为准，B每增减1m时的围岩压力增减率，当B<5m时，取i=0.2；B>5m时，取i=0.1。在矿山法施工的条件下，Ⅳ～Ⅵ级围岩取：(4-3)Ⅰ~Ⅲ级围岩取：(4-4)2.围岩垂直均布压力的计算（1）当隧道覆盖层厚度时为深埋围岩垂直均布压力为：(4-5)式中：r——围岩容重，；-96- 中南大学毕业设计（论文）——天然拱高度，m。（2）当隧道覆盖层厚度且时围岩垂直均布压力为：（4-6）式中：r——围岩容重，；K——压力缩减系数，且；B——隧道开挖宽度；——洞顶岩体高度；——侧压力系数，且；——岩体的计算摩擦角；——岩体的内摩擦角；β——（3）当隧道覆盖层厚度时（4-7）式中：r——围岩容重，；h——隧道埋置深度，m。对于水口山隧道设计，采用新奥法（属于矿山法）施工，取。3.水口山隧道深浅埋判断（1）Ⅲ级围岩段（YK3+700～YK3+800及YK3+900～YK3+960）B=16.5m结合地质纵断面图，可得出Ⅲ级围岩段的深浅埋情况：浅埋段：里程为K3+700～K3+752；K3+948～K3+960深埋段：里程为K3+752～K3+800；K3+900～K3+948（2）Ⅱ级围岩（YK3+800～YK3+900）B=16.5m-96- 中南大学毕业设计（论文）结合地质纵断面图，可得出Ⅱ级围岩段全长都为深埋。4.3结构内力计算与分析4.3.1计算原理结构内力计算通常采用荷载-结构法，认为隧道开挖后地层作用主要是对衬砌结构产生荷载，而支护结构是承载体系，围岩压力按照一定比例系数传递到二次衬砌上。荷载-结构法本质是结构力学的矩阵位移法，也称直接刚度法。本设计采用直接刚度法（简称“直刚法”）计算程序（采用fortran计算机语言）对模筑混凝土衬砌结构进行内力分析和强度检算。其基本原理是：以结构节点位移为基本未知量，连接在同一节点各单元的节点位移应该相等,并等于该点的结构节点位移(变形协调条件)；同时作用于某一结构节点的荷载必须与该节点上作用的各个单元的节点力相平衡(静力平衡条件)。首先进行单元分析，找到单元节点力和单元节点位移的关系——单元刚度矩阵，而后进行整体分析，将每一个节点有共同位移的个单元刚度矩阵元素简单地叠加起来，建立以节点静力平衡为条件的结构刚度方程，在利用边界条件，有结构刚度方程中解出未知的结构各节点的位移，也就是解结构刚度方程，然后在根据变形协调条件，求得汇交于该节点各单元节点位移，进而求出单元节点力——衬砌内力。4.3.2内力计算与检算基底围岩过于松软时，有先做仰拱稳定坑道底部，然后再建边墙的施工方法，这时应考虑仰拱对隧道衬砌结构内力的影响。如果仰拱在边墙之后修建，一般不需要计算仰拱的作用。但若遇到在隧道竣工后，围岩压力增长仍较显著的地层，则亦需考虑仰拱对结构内力的影响。水口山隧道的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，地质条件良好，在施工的时候，完全可以先修筑边墙和拱顶，然后再修筑仰拱，所以下面的计算都不考虑仰拱的作用。复合是衬砌的二次衬砌用于Ⅰ～Ⅲ级围岩时，由于初期支护作为永久结构已经可以使围岩保持稳定，因而二次衬砌可按构造要求选定厚度，不必进行验算。对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，二次衬砌应按承载结构进行力学分析，计算原理和方法与同类围岩中的初期支护相同。然而，由于以往有对其采用荷载结构法计算的经验，因而对其也可以采用荷载结构法计算。水口山隧道全线的围岩级别为Ⅱ、Ⅲ级，地质条件良好，按照规范要求，隧道的二次衬砌可按构造要求选定厚度，不必进行验算。-96- 中南大学毕业设计（论文）隧道洞口段一般埋置较浅，地质条件差，受环境影响较大，岩石易风化，围岩长期稳定性较洞内差，衬砌的受力情况也较洞内不利，有时候还要承受仰坡方向的纵向推力，因此，洞口段要加强衬砌。加强衬砌的设计通常是将洞口围岩级别降低一级考虑。加强段长度应根据洞口地形条件、地质条件、埋深、隧道跨度确定，一般不小于1倍洞跨。所以在水口山隧道暗洞洞口加强段长度取为1.5×B=1.5×16.5=24.75m≈25m。Ⅲ级围岩段的浅埋段为：里程为K3+700～K3+752；K3+948～K3+960，明暗交界处的里程为K3+731.5，731.5+25=756m，即暗洞口需要加强段的里程为：K3+731.5～K3+755.5，刚好在Ⅲ级围岩段的浅埋段。综上可知：水口山隧道的Ⅲ级围岩浅埋段要进行二次衬砌的计算。输入文件、输出文件、内力图和位移图如下：1.Ⅲ级围岩段浅埋段衬砌（K3+731.5～K3+725）（1）输入文件3018101111-7.15310.143-7.3829.4400.50.51212-7.7376.8879.130.50.51412-6.3773.0455.860.50.518227.9651.0938.910.50.550029*50050030*2.95e440.0220.0250.2514.980.405423412.0000012.019.017.17233.62.42.72.52.5（2）输出结果中的检算部分**********thecheck**********jdepesigmapsigma.2996E-02.1250E+00.2254E+01.2500E+01nodeepekpk1no.165E+00.150E+00.150E+01.360E+01no2.111E+00.150E+00.444E+01.360E+013.553E-01.150E+00.681E+01.240E+014.142E-01.150E+00.790E+01.240E+015.871E-02.150E+00.822E+01.240E+016.625E-01.150E+00.704E+01.240E+017.163E+00.225E+00.170E+01.360E+01no-96- 中南大学毕业设计（论文）8.203E+00.225E+00.117E+01.360E+01no9.197E+00.225E+00.130E+01.360E+01no10.150E+00.225E+00.233E+01.360E+01no11.710E-01.225E+00.836E+01.240E+0112.276E-01.225E+00.102E+02.240E+0113.129E+00.225E+00.385E+01.360E+0114.216E+00.225E+00.138E+01.360E+01no15no.277E+00.225E+00.947E+00.360E+01no16no.284E+00.225E+00.916E+00.360E+01no17no.253E+00.225E+00.106E+01.360E+01no18.182E+00.225E+00.176E+01.360E+01no19.866E-01.225E+00.797E+01.240E+0120.155E-01.225E+00.966E+01.240E+0121.107E+00.225E+00.611E+01.360E+0122.175E+00.225E+00.149E+01.360E+01no23.210E+00.225E+00.101E+01.360E+01no24.180E+00.225E+00.126E+01.360E+01no25.685E-01.225E+00.612E+01.240E+0126.834E-03.225E+00.749E+01.240E+0127.589E-01.225E+00.609E+01.240E+0128.116E+00.225E+00.342E+01.360E+01no29.168E+00.225E+00.131E+01.360E+01nojdepesigmapsigma.3075E-02.1250E+00.2491E+01.2500E+01（3）图形输出a.单元划分及荷载：沿衬砌中线划为30个单元图4-1Ⅲ级围岩浅埋段衬砌单元划分-96- 中南大学毕业设计（论文）b.轴力图图4-2Ⅲ级围岩浅埋段衬砌轴力图（单位：MN）c.弯矩图图4-3Ⅲ级围岩浅埋段衬砌弯矩图（单位：MN·m）d.位移图图4-4Ⅲ级围岩浅埋段衬砌位移图（单位：m）-96- 中南大学毕业设计（论文）2.Ⅲ级围岩段深埋段衬砌（K3+752～K3+756.5）（1）输入文件3018101111-7.15310.143-7.3829.4400.50.51212-7.7376.8879.130.50.51412-6.3773.0455.860.50.518227.9651.0938.910.50.550029*50050030*2.95e440.0220.0250.2514.980.415423330000012.019.007233.62.42.72.52.5（2）输出结果中的检算部分**********thecheck**********jdepesigmapsigma.2772E-02.1250E+00.8733E+00.2500E+01nodeepekpk1no.159E+00.150E+00.422E+01.360E+012.110E+00.150E+00.123E+02.360E+013.600E-01.150E+00.181E+02.240E+014.875E-02.150E+00.222E+02.240E+015.449E-01.150E+00.205E+02.240E+016.141E+00.150E+00.657E+01.360E+017.208E+00.225E+00.317E+01.360E+01no8.201E+00.225E+00.357E+01.360E+01no9.155E+00.225E+00.624E+01.360E+0110.784E-01.225E+00.235E+02.240E+0111.165E-01.225E+00.309E+02.240E+0112.116E+00.225E+00.162E+02.360E+0113.202E+00.225E+00.456E+01.360E+0114no.261E+00.225E+00.312E+01.360E+01no-96- 中南大学毕业设计（论文）15no.287E+00.225E+00.272E+01.360E+01no16no.261E+00.225E+00.312E+01.360E+01no17.202E+00.225E+00.456E+01.360E+0118.116E+00.225E+00.162E+02.360E+0119.165E-01.225E+00.309E+02.240E+0120.784E-01.225E+00.235E+02.240E+0121.155E+00.225E+00.623E+01.360E+0122.201E+00.225E+00.357E+01.360E+01no23.208E+00.225E+00.317E+01.360E+01no24.141E+00.225E+00.657E+01.360E+0125.449E-01.225E+00.205E+02.240E+0126.875E-02.225E+00.222E+02.240E+0127.600E-01.225E+00.181E+02.240E+0128.110E+00.225E+00.123E+02.360E+0129.159E+00.225E+00.422E+01.360E+01（3）图形输出a.单元划分及荷载：沿衬砌中线划为30个单元图4-5Ⅲ级围岩深埋段衬砌单元划分b.轴力图-96- 中南大学毕业设计（论文）图4-6Ⅲ级围岩深埋段衬砌轴力图（单位：MN）c.弯矩图图4-7Ⅲ级围岩深埋段衬砌弯矩图（单位：MN·m）d.位移图图4-8Ⅲ级围岩深埋段衬砌位移图（单位：m）-96- 中南大学毕业设计（论文）4.3.3衬砌内力计算结果分析1.根据以上内力和位移结果，做出分析如下：内力最大值和位移最大值及它们所在位置的节点号如表4-2所示：表4-2衬砌内力及位移计算结果分析围岩及埋深情况轴力最大值(MN)轴力最大值节点号弯矩最大值(MN·m)弯矩最大值节点号位移最大值(cm)位移最大值节点号Ⅲ级围岩浅埋1.31929-0.23923-0.0116615Ⅲ级围岩深埋0.4582-0.777-0.042415通过上表可以知道：(1)Ⅲ级围岩浅埋的内力值比Ⅲ级围岩深埋的内力值都要大，再加上浅埋段的地质情况没有深埋地段的地质情况好，所以在三级围岩的浅埋段，做衬砌设计的时候需要加强；(2)内力值和位移分布情况具有一定的规则性。Ⅲ级围岩浅埋段、Ⅲ级围岩深埋段的轴力最大值均位于两侧边墙脚附近，弯矩最大值均位于起拱线上面的曲边墙和拱圈相交附近，位移最大值均位于拱顶位置。(3)不设置仰拱的Ⅲ级围岩，所受的轴力最大值为墙脚部分，弯矩与位移最大值均出现在拱顶的部分。从一定程度上可以看出，在荷载比较大的情况下，起拱线下的曲边墙承受较大的轴力，拱顶则承受较大的弯矩会发生较大的位移，起拱线下的曲边墙和拱顶处是最薄弱环节，在设计中需要加强，在施工过程中要注意处理。2.偏心和强度检算通过率如下表4-3所示：表4-3偏心和强度检算通过情况统计围岩及埋深情况偏心检算通过率%强度检算通过率%Ⅲ级围岩浅埋87.151.6Ⅲ级围岩深埋87.177.4通过上表，按素混凝土进行内力检算时，存在部分截面检算不符合要求的情况，但是做为三车道跨度结构而言，素混凝土结构较难达到检算要求的，并且耐久性也不足，由上表可以看出Ⅲ级围岩浅埋段强度检算的通过率最低，因此在后续章节中将对Ⅲ级围岩浅埋段做配筋。-96- 中南大学毕业设计（论文）第5章隧道支护结构设计5.1支护结构总体设计隧道围岩开挖后，洞室周围原有地层平衡遭到破坏，引起坑道的变形甚至崩塌。为了保护围岩稳定，确保行车安全，采用支护结构来保持围岩稳定。暗洞采用复合式衬砌，明挖段采用整体式模筑衬砌的支护结构形式，本章就它们做出详细和具体分析，最终定出水口山隧道合理的支护结构体系。水口山隧道沿走向围岩级别有Ⅲ、Ⅱ、Ⅲ级，根据第4章分析，Ⅲ级围岩段隧道有浅埋和深埋两种情况，Ⅱ围岩只有深埋一种情况。Ⅲ级围岩浅埋段相对于Ⅲ级围岩深埋段要做加强处理，除了设置仰拱以外，还应该加强初期支护。Ⅱ围岩全段采用同一种衬砌参数。另外在进口处接了一段20m长的明洞。根据较好的围岩衬砌向较差的围岩衬砌延伸5m，可以得出水口山隧道沿线的衬砌布置如表5-1所示。表5-1水口山隧道衬砌布置明细表里程衬砌级别长度(m)YK3+711.5～YK3+731.5明洞（S1）20YK3+731.5～YK3+747Ⅲ浅埋（S3a）15.5YK3+747～YK3+795Ⅲ深埋（S3b）48YK3+795～YK135+905Ⅱ(S2)110YK3+905～YK3+953Ⅲ深埋（S3b）48YK3+953～YK4+000Ⅲ浅埋（S3a）475.2暗洞洞身支护结构设计本设计隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合式衬砌，以锚杆、湿喷混凝土等为初期支护，并辅以钢拱架、注浆小导管、超前锚杆等支护措施，充分发挥围岩的自承能力，在监控量测信息的指导下施作初期支护和二次模筑衬砌。以下各个支护参数都是根据规范[1]，再结合根据工程类比法，参照了毛栗冲隧道、龙洞隧道的工程实例来取值。5.2.1复合式衬砌的一般规定[1]复合式衬砌是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。复合式衬砌设计应符合下列规定：-96- 中南大学毕业设计（论文）（1）初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，并应符合钢筋、锚杆使用的一般规定。（2）二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。二次衬砌应符合表5-2的规定：（3）在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑围岩和初期支护的变形，并预留适当的变形量。预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法和支护情况等，采用工程类比法预测。当无预测值时可参照表5-3选用，并应根据现场监控量测结果进行调整。表5-2三车道隧道复合式衬砌的设计参数[1]围岩级别初期支护二次衬砌厚度(cm)喷射混凝土厚度(cm)锚杆(m)钢筋网钢架拱、墙混凝土仰拱混凝土拱部、边墙仰拱位置长度间距Ⅰ8—局部2.5—局部—30—Ⅱ8～10—局部2.5～3.5—局部—40—Ⅲ10～15—拱、墙3.0～3.51.0～1.5拱、墙@25×25拱、墙4545Ⅳ15～20—拱、墙3.0～4.00.8～1.0拱、墙@20×20拱、墙仰拱50，钢筋混凝土50Ⅴ20～30—拱、墙3.5～5.00.5～1.0拱、墙（双层）@20×20拱、墙仰拱60，钢筋混凝土60，钢筋混凝土Ⅵ通过检算、计算确定表5-3预留变形量表[1]围岩级别两车道隧道三车道隧道围岩级别两车道隧道三车道隧道Ⅰ——Ⅳ50～8080～120Ⅱ—10～50Ⅴ80～120100～150Ⅲ20～5050～80Ⅵ现场量测确定5.2.2支护设计参数的工程实例本隧道的初期支护是通过工程类比法来设计的，表5-4和表5-5为列举工程实例的具体的参数：表5-4毛栗冲隧道复合式衬砌部分支护参数表-96- 中南大学毕业设计（论文）衬砌类型初期支护二次衬砌（C25）喷射砼(cm)锚杆（cm）纵×环钢筋网钢拱架预留变形量（cm）砼拱墙（cm）砼仰拱（cm）S1(明洞)/////70（配筋）70（配筋）S3a（Ⅲ级围岩破碎段）22120×120(L=3.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）84545S3b（Ⅲ级围岩完整段）22120×120(L=3.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）545/S4a（Ⅳ级洞口及浅埋段）24100×100(L=3.5m)单层Φ8I18工字钢（纵距100）1250（配筋）50（配筋）S4b（Ⅳ级围岩深埋段）24100×100(L=3.5m)单层Φ8I18工字钢（纵距100）1050（配筋）50（配筋）S5a（Ⅴ洞口浅埋级断层破碎带）2875×100(L=4.0m)双层Φ8I22b工字钢（纵距75）1560（配筋）60（配筋）S5b（Ⅴ级洞口深埋段）2675×100(L=4.0m)双层Φ8I22b工字钢（纵距75）1350（配筋）50（配筋）表5-5龙洞隧道复合式衬砌部分支护参数表衬砌类型初期支护二次衬砌（C25）喷射砼(cm)锚杆（cm）纵×环钢筋网钢拱架预留变形量（cm）砼拱墙（cm）砼仰拱（cm）S1a(洞口正常明洞)/////70（配筋）70（配筋）S1b(洞口偏压明洞)/////70（配筋）70（配筋）S3a（Ⅲ级围岩破碎段）22120×120(L=3.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）84545S3b（Ⅲ级围岩完整段）22120×120(L=3.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）545/S4a（Ⅳ级洞口及浅埋段）24100×100(L=3.5m)单层Φ8I18工字钢（纵距100）1250（配筋）50（配筋）S4b（Ⅳ级围岩深埋段）24100×100(L=3.5m)单层Φ8I18工字钢（纵距100）1050（配筋）50（配筋）S5a（Ⅴ洞口浅埋级断层破碎带）2875×100(L=4.0m)双层Φ8I22b工字钢（纵距75）1560（配筋）60（配筋）-96- 中南大学毕业设计（论文）S5b（Ⅴ级洞口深埋段）2675×100(L=4.0m)双层Φ8I22b工字钢（纵距75）1350（配筋）50（配筋）5.2.3初期支护设计1.锚杆(1)锚杆的种类及选择隧道中长采用的锚杆种类有：全场粘结型锚杆、端头锚固型锚杆、摩擦型锚杆、预应力锚杆。另外根据锚杆布置方式的不同可以分为局部锚杆和系统锚杆。其中局部锚杆主要用于坚硬而裂隙发育或有潜在龟裂及节理的围岩中，其重点是坚固不稳定块体，隧道拱顶受拉破坏区。系统锚杆主要用于破碎和软弱围岩，对围岩起个整体加固作用。对于局部破碎、软弱围岩部位或可能出现过大变形的部位，应加设长锚杆。(2)锚杆设计参数本隧道采用全长粘结型锚杆锚杆，锚杆按系统锚杆布置。锚杆的直径和长度等设计参数应根据现场实验及相关的理论公式，并且结合工程类比方法来确定。设计参数如下：a、锚杆类型：Ⅲ级围岩浅埋段和深埋段，都采用Ф22早强水泥砂浆锚杆；Ⅱ级围岩地段采用Ф20早强水泥砂浆锚杆。b、锚杆长度：可以按L=（1/3～1/5）B（B为隧道开挖宽度）取值，结合工程类比法确定，Ⅲ级围岩浅埋段取4.0m，Ⅲ级围岩深埋段取3.5m，Ⅱ级围岩段取3.0m。c、布置方式：均采用矩形型布置；d、布置间距：可以按0.5L～0.7L进行取值，结合工程类比法确定，Ⅲ级围岩浅埋取0.8×0.8m，Ⅲ级围岩深埋段取1.2×1.2m，Ⅱ级围岩段取1.5×1.5m。.e、钢筋和砂浆型号：采用HPB235的钢筋，采用早强砂浆M20。2.钢筋网(1)设计规定喷射混凝土内布设钢筋网，有利于提高喷射混凝土的抗剪和抗弯强度，提高喷射混凝土的抗冲切能力、抗弯曲能力，提高喷射混凝土的整体稳定性，减少喷射混凝土的收缩裂纹，防止局部掉块。钢筋网设计应符合以下规定[1]：a、钢筋网网格应矩形布置，网格间距为150mm～300mm；b、钢筋网钢筋的搭接长度应不小于30d（d为钢筋直径）；c、钢筋网喷射混凝土保护层厚度不小于20mm，当采用双层钢筋网时，两层钢筋网之间的间距应不小于60mm；-96- 中南大学毕业设计（论文）d、钢筋网应配合锚杆一起使用，钢筋网应锚杆绑扎连接或焊接。(2)设计参数a、钢筋型号：HPB235；b、直径：8mm；c、布置方式：单层，网格按矩形布置；d、网格间距：Ⅲ级围岩浅埋段和Ⅲ级围岩深埋段，都取20cm×20cm，Ⅱ级围岩段采用局部挂钢筋，网格间距取25cm×25cm；e、钢筋的搭接长度：各级围岩均取200mm。3.喷射混凝土开挖围岩后要立即喷射混凝土到一定厚度，以确保初期支护工作人员的安全施工。然后施做系统锚杆，将钢筋网焊接到锚杆托板上，立钢架后，再喷射混凝土直到保证钢架保护层厚度的要求。这样才可以围岩稳定，保护钢筋网和钢筋，以防止被锈蚀。本隧道初期支护均采用C20喷射混凝土，喷射混凝土的厚度根据公路隧道设计，喷射混凝土厚度不应小于50mm，对于三车道以上的大断面隧道，喷射混凝土不宜大于300mm。在Ⅲ级围岩浅埋段和深埋段，喷射混凝土厚度都取220mm；Ⅱ级围岩段，喷射混凝土厚度取120mm。4.钢拱架对于岩性不好的围岩，其自稳时间很短，为了抑制围岩过大的变形需要增强支护抗力时，可采用钢架喷射混凝土作为初期支护。设计参数如下：a、钢架型号：Ⅲ级围岩段采用φ22格栅拱架，Ⅱ级围岩段，不布置钢架；b、钢架纵向间距：为了保证锚杆和钢架不重叠，各自发挥作用，钢架和锚杆的纵向间距宜相同，便于相间布置。Ⅲ级围岩段格栅拱架纵距间距取0.8m；c、钢架连接筋：HPB235，φ20，连接筋环向间距为1m，内外交错布置；5.2.4预留变形量本隧道设计考虑预留变形量数值为：Ⅲ级围岩浅埋段取8cm，Ⅲ级围岩深埋段取5cm，Ⅱ级围岩取3cm，施工中应根据实际情况进行调整。5.2.5二次衬砌设计1.二次衬砌厚度二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。Ⅲ级别围岩浅埋段需要加强，取为50cm，Ⅲ级围岩深埋段取45cm，Ⅱ级围岩取40cm。-96- 中南大学毕业设计（论文）2.Ⅲ级围岩洞口浅埋段二衬配筋根据第4章中素混凝土衬砌结构的内力检算结果可以看出，在Ⅲ级围岩浅埋段所受的围岩压力大，产生的内力也大，检算的通过率只有51.6%，为了保证衬砌结构安全，必须进行配筋。其余部分不需要配筋。(1)配筋原理[1]隧道衬砌结构属于偏心受压矩形构件，根据偏心受压钢筋混凝土结构设计原理进行配筋。采用试算法，假设受拉区和受压区一定钢筋分别为和，检算钢筋混凝土结构的强度和裂缝是否符合要求，直到衬砌每个截面都符合要求为至，最后得到各截面的钢筋情况。详细的配筋计算方法可参考《公隧规》。因为衬砌各截面内力不同，按受力要求各截面所需配筋量不同，为了施工时铺设钢筋方便，以及整个衬砌结构受拉（或受压）边并不是都是位于衬砌内侧或外侧，拱顶内侧受拉，而边墙等其他截面可能是外侧受拉，完全按受力要求配筋会给施工带来很大麻烦，因此为了满足衬砌结构每个截面受力配筋要求，在围岩级别相同段，按所需钢筋量最多的截面对整体衬砌的每个截面进行配筋。(2)编制配筋程序隧道衬砌结构截面有几十个，如果采用手工计算，显然很麻烦，因此采用编制程序来配置钢筋。根据以上配筋原理，程序假设衬砌结构内侧和外侧钢筋分别为和，整个衬砌结构受拉（或受压）边并不是都是位于衬砌内侧或外侧，拱顶内侧受拉，而边墙等其他截面可能是外侧受拉，也就是说并不是所有截面试算中的都为受拉钢筋，都为受压钢筋，因此为了便于设计和施工，可采用对称配筋。衬砌配筋具体程序及其解释详见附录B。(3)衬砌结构配筋参数及结果[4]1）计算参数受力钢筋：HRB335，抗拉计算强度标准值=335Mpa(d=8～25mm)抗压强度设计值=268MPa；钢筋直径：受拉和受压钢筋均采用Φ20，即==20mm=0.02m；钢筋弹性模量：Es=210e3Mpa；C25混凝土：弯曲抗压极限强度标准值=23.75Mpa，极限抗压强度强度=9.0Mpa，轴心抗压强度设计值=16.7Mpa；C25混凝土弹性模量：Ec=2.8Gpa；保护层厚度：c=40mm；安全系数：K=2.0；钢筋混凝土构件的纵向弯曲系数：=1.0；-96- 中南大学毕业设计（论文）允许裂缝宽度：W=0.2mm=0.0002m；纵向受拉钢筋表面特征系数：γ=0.7（螺纹钢筋）；构件受力特征系数：=2.1（受弯和偏心受压构件）。钢筋安全系数参照下表5-6取值：表5-6钢筋混凝土结构的强度安全系数[2]荷载组合破坏原因永久荷载+基本可变荷载永久荷载+基本可变荷载+其他可变荷载钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度2．01．7混凝土达到抗压极限强度2．42．02）采用配筋程序计算配筋a.输入文件：HRB335C252.01924.233529.5e3210e31.012.52682.00.00020.72.10.0401.00.020.020.002300.51.-.0.51..0.51..0.51..0.51..0.51.-.0.51.-.0.51.-.0.51.-.0.5.-.0.5.-.0.5.-.0.5..0.5..0.5..0.5..0.5..-96- 中南大学毕业设计（论文）0.5..0.5..0.5..0.5.-.0.51.-.0.51.-.0.51.-.0.51.-.0.51.-.0.51..0.51..0.51..0.51..0.51.-.b.输出结果：钢筋型号:HRB335混凝土强度等级:C25配筋参数(单位mm):c=40.000b=1000.000d=20.000d1=20.000***************************************************************j=0h=500.0Ass(j)=.0Ass1(j)=.0***************************************************************j=1h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=2h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=3h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=4h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=5h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=6h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=7h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************-96- 中南大学毕业设计（论文）j=8h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=9h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=10h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=11h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=12h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=13h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=14h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=15h=500.0Ass(j)=1332.8Ass1(j)=1332.8***************************************************************j=16h=500.0Ass(j)=1381.6Ass1(j)=1381.6***************************************************************j=17h=500.0Ass(j)=1183.2Ass1(j)=1183.2***************************************************************j=18h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=19h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=20h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=21h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=22h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=23h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=24h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=25h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=26h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=27h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0-96- 中南大学毕业设计（论文）***************************************************************j=28h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=29h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************j=30h=500.0Ass(j)=1000.0Ass1(j)=1000.0***************************************************************maxAs=1381.6maxAs1=1381.6Ⅲ级围岩浅埋段二次衬砌的配筋结果为：衬砌内侧和外侧钢筋面积为=1381.6mm2。最后配筋为沿隧道纵向每延米衬砌受拉和受压钢筋均取为4根HRBΦ22，则==1520mm2，间隔25cm。纵向连接构造钢筋选择HPB235Φ10，环向间距内侧为30厘米。水平构造筋选择HRBΦ12。具体布置见“衬砌配筋设计图”。5.3明洞衬砌设计明洞衬砌设计应符合以下的基本规定：1、拱形明洞应考虑偏压，拱形明洞外边墙宜适当加厚。当地形条件允许时，可以考虑反压回填，设反压墙平衡偏压荷载，减小或消除偏压；2、拱形明洞边墙侧压较大及地层松软时，宜设置仰拱；3、明洞宜采用钢筋混凝土结构；4、明洞基础宜置于稳固的地基上，明洞基础底标高不宜高于隧道侧沟沟底标高或路基标高；5、当基岩埋深较浅时，基础可设置于基岩上，当基础位于软弱地基上，可采用仰拱，整体式钢筋混凝土底板也可采用桩基，扩大基础，基础加深和地基加固处理等措施；6、洞顶回填，拱背处理应根据明洞设置的目的、作用以及地形条件、山坡病害而定，回填土石，厚度不宜小于1.5m，填土表面设置一定的排水坡度。本设计明洞采用拱式模筑混凝土明洞，拱圈部分与边墙部分采用80cm厚C25混凝土；设置仰拱，仰拱部分厚度取为80m。外侧防水层采用复合防水层：300g/m2无纺布、1.2mm防水卷材。明洞衬砌结构见图5-1所示。-96- 中南大学毕业设计（论文）图5-1明洞衬砌构造图（单位：cm)5.4水口山隧道支护参数统计表表5-7水口山隧道复合式衬砌支护参数表衬砌类型初期支护（C20)二次衬砌（C25）喷射砼(cm)锚杆（cm）纵×纵钢筋网钢拱架预留变形量（cm）砼拱墙（cm）砼仰拱（cm）S1(明洞)/////70（配筋）70（配筋）S3a（Ⅲ级围岩浅埋段）2280×80(L=4.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）850（配筋）50（配筋）S3b（Ⅲ级围岩深埋段）22120×120(L=3.5m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）545/S2（Ⅱ级围岩深埋段）12150×150(L=3.0)单层Φ8/34040S3b（Ⅲ级围岩深埋段）22120×120(L=3.5m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）545/S3a（Ⅲ级围岩浅埋段）2280×80(L=4.0m)单层Φ8Φ22格栅（纵距120）850（配筋）50（配筋）5.5工程量计算5.5.1Ⅲ级围岩浅埋段工程量计算1.开挖土石方（取每延米计算）-96- 中南大学毕业设计（论文）2.C25混凝土拱圈及边墙仰拱3.C20喷射混凝土3.C15片石混凝土仰拱回填（以开挖面的2.5%计）4.φ22中空注浆锚杆L=31×4.0×1.2=150m5.锚杆注浆6.φ8钢筋网：7.复合防水层300无纺布：EVA防水卷材：5.5.2Ⅲ级围岩深埋段工程量计算1.开挖土石方（取每延米计算）5.拱圈及边墙C25混凝土6.C20喷射混凝土3.C20混凝土整平层V=11.25×0.12=1.35-96- 中南大学毕业设计（论文）2.φ22中空注浆锚杆L=29×3.5×1.2=138m5.锚杆注浆6.φ8钢筋网：7.复合防水层300无纺布：EVA防水卷材：5.5.3Ⅱ级围岩深埋段衬砌工程量计算1.开挖土石方（取每延米计算）3.拱圈及边墙C25混凝土4.C20喷射混凝土3.C20混凝土整平层V=11.25×0.12=1.355.φ20中空注浆锚杆L=16×3×1.2=75m5.锚杆注浆6.φ8钢筋网：7.复合防水层300无纺布：EVA防水卷材：-96- 中南大学毕业设计（论文）-96- 中南大学毕业设计（论文）第6章洞门位置的确定与洞门结构设计6.1概述洞门是隧道两端的外露部分，也是联系洞内衬砌和洞外路堑的支护结构，应保证洞内附近的边坡和仰坡的稳定。洞门也是标志隧道的建筑物，与隧道规模、使用特性以及周围建筑物、地形条件等要相协调。隧道洞门具有支挡洞口正面仰坡和路堑边坡、保持仰坡和边坡稳定的作用；具有防止仰坡上方小量的滚石、滑坍、碎落、雪崩、风吹雪等自然灾害对路面危害的作用；将坡面水引离隧道的作用；具有改善洞口环境，美化洞口环境的作用。隧道洞门应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡和仰坡的稳定。洞口位置应茛据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、运营要求，通过经济、技术比较确定。6.2隧道洞门形式设计洞门的形式很多，从构造形式、建筑材料以及相对位置可以划分许多类型。目前，我国公路隧道数量不是很多，故洞门形式一般比较简单，有端墙式、翼墙式、柱式、台阶式、削竹式、喇叭口等。各洞门特征见表6-1。表6-1隧道洞门的特征[1]项目端墙式翼墙式台阶式柱式削竹式喇叭口式适用的围岩条件轴线与坡面基本正交，边仰坡率为1:0.3～1:0.5边仰坡坡率为1:0.75～1:1.5边仰坡坡率为1:0.5～1:1.25边仰坡坡率为1:0.5～1:0.75洞门周围地形平缓地形、地质条件较好，洞口周围开阔；积雪地带易吹入雪特征易于施工抗滑抗倾覆性好可减少靠山侧仰坡开挖高度，一般与偏压衬砌配合使用洞口受地形限制，无法布置翼墙式洞门模型板、配筋较费事，耗资较大模型板、配筋较费事，耗资大景观较为雄伟修饰周边的景观，使洞门与之协调对车辆行驶的影响小；最适合洞口周围地形-96- 中南大学毕业设计（论文）壁面面积大，两侧需降低其亮度(修凿打毛壁面)；有重量感，行车易感到压抑壁面面积大，两侧需降低其亮度(修凿打毛壁面)；有重量感，行车易感到压抑壁面面积大，两侧需降低其亮度(修凿打毛壁面)；有重量感，行车易感到压抑洞门形式应美观醒目，这是因为洞门的造价只占隧道总造价的较小部分，隧道的标志在洞门，洞门美观合理与否直接影响对隧道工程的评价。特别是位于城镇、风景区附近的隧道，行人及旅游者多，车辆也多，设计一个好的洞门，将给人留下没的感受。水口山隧道进口洞门处为Ⅲ级围岩，洞口存在偏压，综合考虑，采用端墙式端门。6.3隧道进出洞口位置的确定洞口位置的确定通与洞门结构形式、边仰坡开挖方式、洞口附近地形、地质及水文地质等条件有关。洞口轴线与坡面斜交时，洞口覆盖层厚不应小于2-3米，其边、仰坡应采取喷锚支护加固。在工程上常采用戴帽子法确定暗洞位置，在里程为K3+731，K3+731.5，K3+732的位置作出洞门地形线。见图6-1。图6-1洞门上覆土厚度根据地质纵断面图与地质平面图，采用戴帽子法可以确定暗洞最终的里程为：YK3+731.5。进口段处在一个小山脊的地方，小山脊的两侧是两条大山沟，大山沟的水忘洞口段汇集，对洞口段很不利。为了解决这个问题，在明暗交界处往外接一段长20m的明洞，这样隧道的洞门就不会处于两侧山沟水流汇集的不利位置了。6.4隧道进出口洞门各部尺寸拟订由于进洞口的围岩条件好，具有较好的自稳能力，暗洞进洞可采用贴壁进洞。为了减少刷坡的范围，选择仰坡率为1：0.1，为了保证安全，在仰坡上采取锚喷加固，锚杆为22号砂浆锚杆，长度为3.0m，横纵间距为1.0m；喷射混凝土采用C20，厚10cm。进洞口位置的-96- 中南大学毕业设计（论文）各部尺寸见图6-2所示。图6-2隧道进口洞门剖面基本尺寸（单位：cm)6.5洞门边仰坡开挖线所谓边仰坡开挖线是指洞门地段边仰坡面与地表面的交线。其原理：地形平面图是用来表示所测范围内地形、地物各处的标高和地表自然坡度的情况的。同理，洞口边仰坡面的平面位置和陡坡也可用等高线的形式在平面图上表示。边仰坡开挖线就是地形平面图上规则图（边坡、仰坡面等）与不规则图（地表面）的交线[12]。6.5.1进洞口开挖线绘制进洞口处由于接长了一段20m长的明洞，因此开挖范围包括了：路边坡，明洞边坡，仰坡开挖范围的绘制。1.路基边坡的绘制路基面的高程为402m,边坡率取为1：0.5则：对于414m的等高线：对于415m的等高线：对于416m的等高线：然后在图中按比例作出与坡脚平行且相距为4.5m的1－1线，交411m等高于①点，同理作2－2线与边坡坡脚平行且相距为交412m等高线于②点，此重复得到③点。用平滑的曲线连接①、②、③点，即可到路堑边坡开挖线。2.明洞开挖范围的绘制明洞基地的标高为402m-96- 中南大学毕业设计（论文）,明洞开挖线的两边的边坡取为1：0.3。路基坡坡率与明洞临时边坡坡率不同时，采用坡率逐渐变化的方法进行过渡。路基边坡坡率1：n＝1：5，明洞边坡坡率1：m＝1：0.3，则可以起坡点为圆心，每隔18°作一射线，则放射线的坡率相应为1：0.5，1：0.45，1：0.4，1：0.35，1：0.3，然后用前述方法作出过渡处的开挖线。则：（1）明洞左侧边坡的开挖范围对于412m的等高线：对于413m的等高线：对于414m的等高线：对于415m的等高线：对于416m的等高线：对于417m的等高线：同理将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到明洞左侧边坡的开挖范围。（2）右侧边坡的开挖范围左侧边坡开挖高度较小。因此可以直接刷到与地面线相交，则：对于412m的等高线：对于413m的等高线：对于414m的等高线：对于415m的等高线：对于416m的等高线：同理将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到明洞右侧边坡的开挖范围。3.明暗交界处仰坡开挖线的绘制仰坡坡脚的高程412.8m，仰坡率为：1：0.3，则：对于415m的等高线：对于416m的等高线：对于417m的等高线：对于418m的等高线：将各开挖线与等高线的交点连接起来，即可得到仰坡的开挖范围，对于部分地方要回填。4.将上面所得的各点用圆滑的弧线连接起来，即可得到进洞口的开挖图，如图6-3：-96- 中南大学毕业设计（论文）图6-3进洞口开挖范围图6.6洞口主要工程量计算1.洞门开挖土石方取两个断面，在图上绘出横断面图，根据两个断面面积的平均值作为洞口的平均开挖面积，乘以其开挖长度即可得粗略的开挖土石方：2.C20混凝土洞门（16.58×11.48-153.33）×0.5=18.53.M7.5浆砌片石截水天沟0.95×0.6×0.3×3×120×1.2=73.9m34.回填土5.洞顶防落网S=88m26.7隧道出口洞门检算1.确定基本计算数据及计算条带洞门计算参数应按照现场试验资料采用，当缺乏试验资料时，可参照表6-2选取。表6-2洞门计算参数仰坡坡率计算摩擦角容重γ（KN/m3）基地摩擦系数f基地控制压应力（Mpa）-96- 中南大学毕业设计（论文）1:0.570°250.60.81:0.7560°240.50.61:1.050°200.40.4~0.351：1.2543°~45°180.40.3~0.251:1.538°~40°170.34~0.40.25洞门材料采用C20混凝土，容重，容许压应力σ=7800KPa，容许拉应力σ=430KPa。洞门位置的围岩为Ⅲ级围岩，依照规范，其仰坡坡率可取为1:0.5。虽然洞门上方的仰坡填土坡率大于该值，但是洞门计算的计算参数取值，还是参照1:0.5的坡率取。计算摩擦角：=70°地层容重：基底摩擦系数：基底控制压应力：端墙式洞门取1m宽作为“检算条带”，将洞门简化成图6-4所示，进行计算：图6-4计算简化示意图（单位：cm）2.库仑土压力计算（1）土体破裂角ω的计算:将=70°，ε=4°，α=6°代入上式得：进而求得（2）侧压力系数的计算:-96- 中南大学毕业设计（论文）代入数据得：λ=0.01558（3）a、H的取值参考简化图6-3，仰坡坡脚和端墙的距离:a=0倾覆力矩端墙计算高度:H＝12.31m（4）h"的计算（5）主动土压力E的计算3.洞门检算（1）倾覆稳定的检算墙身自重的计算：稳定力矩的计算：倾覆力矩的计算：倾覆稳定系数：满足要求。（2）抗滑动的检算满足要求。（3）基底合力偏心距e的检算-96- 中南大学毕业设计（论文）满足要求。（4）基底压应力的检算e90m1-2次/天1次/天1次/天1次/月Ⅴ级围岩仰拱隆起量测水平仪、水准尺Ⅴ级20-30m一个仰拱开挖后12小时内进行1-15天16-30天1-3个月>3个月1次/天1次/2天1-2次/月1-3次/月选测项目Ⅴ、Ⅳ级围岩围岩内部位移量测洞内钻孔安装多点杆式位移计每一类围岩选一断面，每断面3-11个测点爆破后24小时内进行0-18m18-36m36-90m>90m1-2次/天1次/天1次/2天1次/周Ⅴ级围岩锚杆内力量测各类电测锚杆、锚杆测力计及拉拨计每一类围岩选一组，每组3-5根锚杆施作后开始0-18m18-36m36-90m>90m1-2次/天1次/天1次/2天1次/周Ⅴ级围岩钢支撑内力监测应变片及支柱压力计每20-30钢支撑选一每段钢支撑均量测钢支撑施作后开始0-18m18-36m36-90m>90m1-2次/天1次/天1次/2天1次/周Ⅴ、Ⅳ级围岩喷混凝土应力量测表面应力解除法每一类围岩选一组，每组3-5个测点二次衬砌施作前进行Ⅴ、Ⅳ级围岩二次衬砌压力测量各类型压力盒每一类围岩选一组，每组2-5个断面每断面7-11个测点二次衬砌施作后进行1-15天16-30天1-3个月>3个月1次/天1次/2天1-2次/周1-3次/月8.2监控量测设计本隧道围岩条件比较好，除了要做洞内观察、周边相对位移、拱顶沉降量这些必选项目的量测外，只需要做地表沉降量测即可。1.洞内观察隧道开挖后，观察与描述工程地质与水文地质，观察开挖工作面附近初期支护（锚杆、喷射混凝土和钢架）结构状况以及裂缝情况，并且判断围岩、隧道的稳定性和支护参数检验。-96- 中南大学毕业设计（论文）每次爆破后都进行观测，地质无明显变化时可一天进行一次，观测后作好记录。2.周边相对位移和拱顶沉降周边相对位移与拱顶沉降统称收敛。是隧道内各种量测中最重要的项目。根据量测结果判定拱顶及周边围岩的稳定性、初期支护及施工的合理性、灌注二次衬砌的时间。拱顶沉降与周边相对位移量测原则上设在同一断面上进行，量测测点的间距如下表8-2所示。表8-2周边相对位移、拱顶下沉的测点间距（单位：m）围围岩级别ⅡⅢⅣⅤ间距（m）20～10020～5010～205～10根据上表可得本隧道测点断面间距：（1）里程为：YK3+731.5—YK3+752、YK3+948—YK3+960的地段为Ⅲ级围岩浅埋段，测点间距取20m；（2）里程为：YK3+752—YK3+800、YK3+900—YK3+948的地段为Ⅲ级围岩深埋段，测点间距取30；（3）里程为：YK3+800—YK3+900的地段为Ⅱ级围岩浅埋段，测点间距取40m。水口山隧道的围岩条件好，自稳能力强，收敛量测的基线，在Ⅲ级围岩浅埋段布置2条，Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩深埋段布置1条。具体如下图所示：图8-1洞内收敛量测基线布置图8.3监控量测资料分析与应用监控量测得到的数据，必须进行相应的处理，然后利用处理后的数据显示出的相应信息来指导施工，更改施工方法或设计参数，保证施工的安全进行。具体的数据处理与分析方法可参考彭立敏主编的《隧道工程》一书。-96- 中南大学毕业设计（论文）第9章隧道附属设施设计9.1防排水系统设计在隧道修建过程中，防排水是最重要的一个环节之一，它对于隧道的整体稳定性和营运设备的正常使用和行车安全有至关重要的作用。隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完善通畅的防排水系统。9.1.1隧道防水1.隧道防水的规定：（1）隧道首先要重视防止地表水的下渗，其措施为填平、铺砌、勾补、抹面等。对于坑穴、钻孔等均应填实封闭。（2）围岩破碎、涌水易坍地段，应直接向围岩内预加浆。当涌水量大时，应采用化学浆液。向衬砌背后压浆时，应防止因压浆而堵塞衬砌背后的排水措施。（3）隧道衬砌防水，首先采取引排措施，然后敷设衬砌内、外防水层；也可修建复合式衬砌，采用夹层防水层。（4）混凝土应满足抗渗要求，寒冷地区冻害地段和严寒地区所采用混凝土的抗渗标号不宜低于S4。（5）施工缝、变形缝等处的防渗应采取专门的防水措施。2.防水层内外之间的防水层，可用聚异丁烯等防水材料或用喷涂乳化沥青等防水剂，在喷层表面有凹凸不平时，应事先用砂浆敷面，做成找平层，以便岩层壁与防水层密贴。防水层接缝处，一般用热气焊接，或采用电焊接，亦可以用适当的溶剂做溶液焊接，用以保证防水的质量。3.“三缝”防水“三缝”是防水最薄弱的环节，也就是经常出现渗漏的地方，在隧道防水处时，除注意全面的防水措施外，还应该考虑接缝的局部防水处理。（1）施工缝的防水处理：对于平接式施工缝，在浇灌第二层混凝土前用钢丝刷将底层刷毛或在第一层浇灌4-5小时后，用高压水将混凝土表面冲洗，直至露出表面石子为止，然后在按⊥型施工缝方法刷水泥浆及铺设水泥砂浆。（2）沉降缝、伸缩缝的防水处理：沉降缝一般设在软硬地层分界地段，以防不同地基沉陷而引起衬砌变形、开裂；伸缩缝是适应衬砌混凝土因温度变化而伸缩变形的一种现象，防水可用沥青麻筋填塞。-96- 中南大学毕业设计（论文）9.1.2隧道排水1.洞内排水洞内一般应设置纵向排水沟、横向排水坡或横向排水暗(盲)沟等排水设施。排水沟应符合下列规定：（1）水沟坡度应该与路线坡度一致，一般排水坡不小于0.5%，困难地段不小于0.3%，路面横向排水坡不应小于1.0%，横向排水暗(盲)沟的坡度则不应小于2%。（2）隧道内应设置双侧水沟。有仰拱的隧道或需设置深埋水均的隧道宜设置中心水沟。水沟的侧面应设置足够的进水孔。（3）水沟横断面应根据水力计算确定。必要时，水沟应设置沉沙井、检查井，并铺设盖板，其位置、结构构造应考虑便于清理和检查。2.洞外排水洞外排水应根据地形、地质、气象情况，结合农田水利情况全面策划，综合治理，因地制宜的设置疏水、截水、引水设施。3.洞口防排水（1）隧道、辅助坑道的洞口(包括边仰坡)应设置截水沟和排水沟；洞口边坡、仰坡应采取防护措施，防止地表水的下渗和冲刷。（2）洞口外路堑为上坡时，可在洞口外设置反向排水边沟和截流涵洞，防止洞外水流入隧道内。（3）靠围岩的边墙顶、边墙后，宜设置纵向和竖向盲沟，将水引至边墙底泄水孔排出。明洞侧沟应防止地面水侧向流入。9.1.3水口山隧道防排水设计防排水设计的总的设计思路为：1.洞外水就近排走，绝不能流入洞内；2.洞内外及时快捷地排到洞外。1.隧道洞内防排水设计本隧道进洞口处位于一山沟处，在雨季会有雨水往洞口汇集，地理位置很不利，对明洞段和浅埋段的防排水要求较高。考虑上述原因，在初次衬砌与二次衬砌之间设置由防水板与无纺布组成的复合防水层，在初期支护完成后，在混凝土表面纵、环向通铺指标为300的无纺布，再铺环向1.2mm厚的防水板卷材，接缝搭接长度为0.1m。水沟组合方式有：设置双侧水沟，不设中心排水沟；设置中心排水沟，也设置边沟。路面为单面坡，边沟可单侧设置，双面破应两侧设置。-96- 中南大学毕业设计（论文）路侧边沟采用开口式明沟和暗沟两种形式。开口式明沟便于清洗，不易淤积，不需要设沉砂池，采用预制，施工速度快。缺点是预制块间的接缝不易保证不漏水。本隧道设计采用开口式明沟，一侧布置，明沟尺寸如图9-1：图9-1边沟尺寸在隧道中间设置中央排水沟，衬砌背后的地下水经横向导管通过中心水沟排出。横向排水沟坡度取为2%，纵向间距按25m设置。横向导水管两端采用三通连接，如图9-2所示：9-2中央排水沟构造形式中央排水沟、边沟、墙背纵向排水沟一起组合成一个联通的隧道内部排水系统，保证隧道内部的顺利排水，排水系统示意图见图9-3所示。图9-3中央排水沟纵向距离-96- 中南大学毕业设计（论文）二次衬砌施工缝、伸缩缝、沉降缝等是防渗漏水的薄弱环节，应采用可靠的防水措施，除按施工规范要求处理外，还应进行精心的设计，采用合适的防水材料和构造形式。二次衬砌的施工缝、沉降缝的主要构造如图9-4所示。图9-4二次衬砌施工缝、沉降缝的主要构造形式2.隧道洞口防排水设计在明洞回填层顶面洞门墙背设排水沟，在洞门或者明洞槽边、仰开挖线5m以外设置截水沟。具体布置可参照洞门剖面与平面图。9.2电缆槽设计通讯、信号与电力等电缆通过隧道时，应设置当电缆通过隧道时，应在隧道内设置电缆槽。电缆槽的布设应满足下列规定：1)通讯、信号电缆可设在一个电缆槽内，也可分设，但必须和电力电缆分槽布设。当电力电缆沿隧道边墙或顶板架设时，应有必要的防护措施。2)通讯、信号电缆的弯曲半径一般不小于1.2m，电力电缆槽的弯曲半径通常为电缆外径的6～30倍。3)电缆槽底有高低差时，纵向应顺坡连续。-96- 中南大学毕业设计（论文）4)电缆槽一般应与边沟一并考虑，并在适当地点预留引进或引出电缆的孔穴和检修洞。当电缆槽单独设置时，应设盖板，盖板顶面应与人行道或边沟盖板平齐。公路隧道的照明和通风标准壁铁路隧道的要高，因此电缆槽需要的空间通常比较大，并且应按电力电缆（又称“强电”）和通讯电缆（又称“弱电”）分别放置在隧道的两侧。此外，公路隧道还应设置消防管道的位置，这类管道通常与通讯电缆一起放置在隧道的一侧。本隧道内的电缆槽为双侧设置，具体尺寸在参照标准的同时，结合隧道限界条件设置，如图9-5所示。图9-5通讯电缆沟、电力电缆沟细部尺寸图9.3行车道道路面设计规范建议：一级公路、高速公路隧道路面，从技术性、适用性等角度，建议推广下面层为水泥混凝土而上面层为沥青的复合路面。水口山隧道为高速公路隧道，隧道路面采用规范推荐的这种“下面层为水泥混凝土而上面层为沥青的复合路面”路面结构型式。路面工程详图见图9-6所示:（a）设仰拱的路面结构-96- 中南大学毕业设计（论文）（b）不设仰拱的路面结构图9-6隧道路面结构详图9.4隧道通风设计9.4.1隧道通风类型公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量。此外还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件，在充分考虑各种条件后，才能定出既有效又经济的通风方式。如同铁路隧道一样，公路隧道的通风方式也分为自然通风和机械通风两种，但其机械通风方式比铁路隧道要多。按行车道空间的空气流动方式，将公路隧道的通风方式归纳如下：9.4.2水口山隧道通风设计在选择通风方式时，首先应确定隧道内所需的通风量，然后论证自然通风能否满足要求，如果不能，则应当采用机械通风。公路隧道对运营通风的要求较高，可供选择的通风方式也较多，选择时主要考虑因素是隧道的长度和交通流量。此外，还应适当考虑当地气象、环境、地形等条件，在充分考虑了各种条件之后，才可能定出既有效又经济的通风方式。-96- 中南大学毕业设计（论文）从世界各国的隧道实例来看，长度在200m以下，甚至200~500m的对向交通隧道，在一定的交通量以下，可以考虑用自然通风。我国《公路隧道通风与照明设计规范》规定，宜设置机械通风的条件为：双向交通隧道：L×N≥6×105（9-1）单向交通隧道：L×N≥2×106（9-2）式中：——隧道长度（m）——设计交通流量（辆/h）。武阳右线隧道长度为L=288.5m，设计交通流量为32000辆/天，故：L×N=288.5×32000÷24=＜2×106所以本隧道采用自然通风即可满足要求。9.5隧道照明设计9.5.1概述高速公路和一、二级公路长度超过100m的隧道，应设置昼夜不断的照明，而对于能通视、交通量较小、行人密度不大的短隧道可不设白天的照明。隧道照明主要是为了便于工作人员对隧道及其设备进行检查、养护维修以及洞内人员行走与躲避车辆而设置的。水口山隧道全长288.5m，为高速公路隧道，需要设置昼夜照明，以满足必要的运营需要。9.5.2照明区段设计照明区段的合理设置和照明光度的合理设计关系到司机在行车过程中的安全。因而，为解决各种视觉效应（如“黑洞效应”、“适应的滞后效应”、“白洞效应”等），隧道照明可分为洞口接近段、入口段、过渡段、中间段和出口段五个区段[2]。1.入口段（1）入口段长度指进入隧道洞口的第一段，设置此段的目的是使司机的视力开始适应隧道内的照明光线。入口段照明长度可按下式计算：（9-3）式中：——入口段照明长度，m；——照明停车视距，m；取106m；——洞口内净空高度，m；取8.08m。则：=1.54×106-（8.08-1.5）/tan10°=125.9m，取126m。（2）入口段亮度-96- 中南大学毕业设计（论文）照明亮度：Lth=k·L20(S)式中：——入口段亮度（）；——入口段亮度折减系数，按规范选取为0.039；——洞外亮度（），取3000。则：Lth=k·L20(S)=0.039×3000=1172.过渡段（1）过渡段长度过渡段是介入入口段和中间段之间的照明区段，其任务是解决从入口段的高亮度到中间段的低亮度之间的剧烈变化（可差数十倍）给司机造成的不适应现象，使司机能有充分的适应时间。过渡段由Dtr1，Dtr2，Dtr2三个照明段组成，对于行车速度为80Km/h的隧道，过渡段三个照明段得长度分别为72m,89m,133m。水口山隧道的过渡段总长取30m，则有：Dtr1=Dtr2=Dtr3=（2）过渡段照明亮度过渡段照明分三段TR1、TR2、TR3组成，与之对应的长度和亮度如下表9-1所示：表9-1过渡段照明分段亮度（）长度（m）TR10.3=35.112.24TR20.1=11.715.14TR30.035=4.1022.623.中间段司机已基本适应洞内的照明亮度，中间段的基本任务就是保证行车照明。中间段长度取为Din=50m，照明亮度取为Lin=3.004.出口段在单向交通隧道中，应设置出口段照明；出口段长度宜取60m，亮度可取中间段亮度的5倍，5×3.00=15。-96- 中南大学毕业设计（论文）9.6行人、行车横洞行车方向分离的双洞公路隧道，当长度超过400m时，宜设置行人横洞，长度超过800m时，宜设置行车横洞，以供巡查、维修、救援及车辆转换方向用。水口山隧道全长288.5m，可不设置行人横洞和行车横洞。-96- 中南大学毕业设计（论文）结束语毕业设计结束，这也意味着我的大学生涯终于要告一段落了。我的毕业设计题目《水口山隧道结构与施工设计》，在张运良老师的指导下，在我自己的努力下，我基本完成了设计任务。在这里，我首先要感谢张老师的辛苦指导，一次次在百忙中抽出时间来指导我们的设计，给我解决不懂的问题。通过本次设计，高速公路隧道的结构的基本情况，在特定的情况下，进行了隧道方案设计工作；根据新颁布的规范要求，结合本设计的实际情况，自己推导出了两车道内轮廓线的优化方法，并编制程序确定了合理的内轮廓线；熟练地掌握衬砌内力计算和检算程序，通过不断的熟练和操作，最终对衬砌内力结果做出了详细分析；采取工程类比的方法，参考了大量的工程实例，对洞身初期支护进行了详细设计，并通过衬砌配筋程序，对衬砌结构进行钢筋配置；结合工程的实例，参考铁路隧道洞门的标准图，确定了洞门的结构形式与洞门的具体位置；在进行多种方案比选的基础上，结合本设计的围岩条件差地质复杂的具体情况，采用台阶法与全断面法相交替的方进行施工，熟悉了整个施工流程；通过参考相关资料和工程类比，对隧道的附属设施和监控量测做出了设计；在设计的过程中，阅读、翻译了相关专业的英语文献，学到了更多的信息资料，也提高了专业英语水平。毕业设计是一个自我提升的过程，不仅使我各方面的综合能力得到了提高，以前所学的知识得到了巩固，更重要的是，培养了严谨认真的态度；也使我意识到自己在专业知识上的不足和缺乏系统性，工程设计中的一个微小的失误，一次不经意的马虎，都可能导致设计的全面失败，将会导致不可想象的后果。因此，严谨、仔细的作风是必不可少的。另外通过毕业设计，增强了对Fortran语言和AutoCAD制图的应用能力以及发现问题后如何去解决问题的能力，还使得我学会了通过网络、图书馆等查阅资料的能力，这都为我以后的学习与工作打下了良好的基础。-96- 中南大学毕业设计（论文）参考文献[1]公路隧道设计规范[M].北京：中华人民共和国交通出版社.2004[2]公路隧道施工技术规范[M].北京：人民交通出版社.1995[3]彭立敏、刘小兵主编.交通隧道工程[M].长沙：中南大学出版社.2003[4]吴焕通、崔永军主编.隧道施工及组织管理指南[M].北京：人民交通出版社.2004[5]交通部重庆公路科学研究所主编.公路隧道通风照明设计规范[M].北京：人民交通出版社.2000[6]夏明耀、曾进伦主编.地下工程设计施工手册[M].中国建筑工业出版社.1999[7]郑颖人主编.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京：中国铁道出社.1988[8]铁路工程设计技术手册<隧道>.中国铁道出版社.1988[9]关宝树主编.隧道工程设计要点集.人民交通出版社.2003[10]关宝树主编.隧道工程施工要点集.人民交通出版社.2002[11]刘武成主编.土木工程施工组织学[M].北京：中国铁道出版社.2003[12]翟可.公路隧道洞门设计探讨[J].隧道建设.2000.增刊[13]谭洪河、廖建军.高速公路隧道工程建设技术现状与问题探索[J].西部交通科技.2007[14]侯正虎.公路隧道施工方法与技术措施[J].西部探矿工程.2001，72（5）：58～59-96- 中南大学毕业设计（论文）附录A横断面优化程序一、不带仰拱的优化程序PARAMETER(PI=3.)INTEGERH1,H2,H3,H4,W,LR,LL,J,C,H,HH,ER,EL,D0,D5,D8REALA1,A2,D1,D2,D3,D4,D6,D7,R1,R2,R3,FAI1,FAI2,FAI3,S,SMINOPEN(1,FILE="inputdata.dat",STATUS="UNKNOWN")OPEN(2,FILE="output.txt",STATUS="UNKNOWN")READ(1,*)W,LR,LL,J,C,H,HHEL=LLIF(LR.LE.100)THENER=LRELSEER=100ENDIFWRITE(2,11)11FORMAT(1X,"***************",2X,"inputdata",2X,"***************")12WRITE(2,12)W,LR,LL,J,C,H,HH,ER,ELFORMAT(1X,"W=",I4,3X,"LR=",I2,3X,"LL=",I2,3X,"J=",I2,3X,"C=",I2,3X,"H=",I3,3X,"HH=",I2,3X,"ER=",I2,3X,"EL=",I2)SMIN=1.0E10PRINT*,"请输入控制点D0值,D0="READ*,D0PRINT*,"请输入控制点D8值，D8="READ*,D8WRITE(2,13)INT(D0)13FORMAT(1X,"D0=",I2)WRITE(2,15)INT(D8)15FORMAT(1X,"D8=",I2)SB1=W/2+LR+C+J-D0SB2=W/2+LL+C+J+D0DOD5=5,149DOH3=0,300DOH1=H3,400H2=H1-HHIF(H2.LE.100)CYCLER1=SQRT((H-H3)**2+(SB1-J-ER+D5)**2)IF(R1.EQ.0)CYCLEFAI1=ACOS((H-H3)/R1)FAI2=PI/2-FAI1IF(SIN(FAI2).EQ.0)CYCLER2=(H-H1)/SIN(FAI2)IF(R1.LE.R2.OR.R1.EQ.0.OR.R2.EQ.0)CYCLEA1=(R1-R2)*COS(FAI2)H4=H3+R1-HR3=SQRT((H1-HH)**2+(SB1+A1+D8)**2)IF(R3.LE.R1.OR.R3.EQ.0)CYCLEA2=R3-R2-A1FAI3=ASIN((H1-HH)/R3)D1=SQRT(R3*R3-(H1-HH)**2)-(SB2+A2)IF(D1.LT.5.OR.D1.GT.150)CYCLED2=SQRT(R2*R2-(250+HH-H1)**2)-(SB2-A1)-96- 中南大学毕业设计（论文）IF(D2.LT.5.OR.D2.GT.150)CYCLED3=SQRT(R2*R2-(400-H1)**2)-(SB2-A1-J)IF(D3.LT.5.OR.D3.GT.150)CYCLED4=SQRT(R2*R2-(H-H1)**2)-(SB2-EL-J-A1)IF(D4.LT.5.OR.D4.GT.150)CYCLED6=SQRT(R2*R2-(400-H1)**2)-(SB1-A1-J)IF(D6.LT.5.OR.D6.GT.150)CYCLED7=SQRT(R2*R2-(250+HH-H1)**2)-(SB1-A1)IF(D7.LT.5.OR.D7.GT.150)CYCLES1=0.5*FAI1*R1*R1-0.5*(H1-H3)*(H1-H3)*TAN(FAI1)IF(S1.LE.0)CYCLES2=0.5*FAI2*R2*R2S3=0.5*FAI3*R3*R3-0.5*A2*A2*TAN(FAI3)IF(S3.LE.0)CYCLES4=0.5*(R3*COS(FAI3)-A2)*(H1-A2*TAN(FAI3))IF(S4.LE.0)CYCLES=2*(S1+S2+S3+S4)IF(S.LE.SMIN)THENSMIN=SFD1=D1FD2=D2FD3=D3FD4=D4FD6=D6FD7=D7FR1=R1FR2=R2FR3=R3FFAI1=(FAI1/3.)*180FFAI2=(FAI2/3.)*180FFAI3=(FAI3/3.)*180FH1=H1FH2=H2FH3=H3FH4=H4FA1=A1FA2=A2ENDIFENDDOENDDOENDDOWRITE(2,16)16FORMAT(1x,"****************",2x,"results",2x,"*******************")WRITE(2,17)INT(FA1+0.5),INT(FA2+0.5)17FORMAT(1X,"A1=",I3,3X,"A2=",I3)WRITE(2,18)INT(FH1+0.5),INT(FH2+0.5),INT(FH3+0.5),INT(FH4+0.5)一、带仰拱的优化程序PARAMETER(PI=3.)OPEN(2,FILE="output.txt",STATUS="UNKNOWN")FFAI3=6.91*PI/180FR3=913-96- 中南大学毕业设计（论文）FA2=164WRITE(2,*)"下面是以上面的计算结果为基础，计算带仰拱的内轮廓线"SSMIN=1.0E10DOFAI4=0.0,PI/2,0.01DOR4=50.0,200.0,1.0FAI5=PI/2-FFAI3-FAI4IF(FAI5.LE.0)CYCLER5=SIN(PI-FAI4-FAI5)*(FR3-R4-FA2/COS(FFAI3))/SIN(FAI5)+R4IF(R5.LE.2000.OR.R5.GE.4000)CYCLES5=0.5*FFAI3*FR3*FR3-0.5*FA2*FA2*TAN(FFAI3)S6=0.5*FAI4*R4*R4S7=0.5*FAI5*R5*R5-0.5*(FR3-FA2/COS(FFAI3)-R4)*SIN(FAI4)*(R5-R4)SS=2*(S5+S6+S7)IF(SS.LE.SSMIN)THENSSMIN=SSFR5=R5FFAI4=(FAI4/PI)*180FFAI5=(FAI5/PI)*180ENDIFENDDOENDDOWRITE(2,51)SSMIN51FORMAT(1X,"最小开挖面积SSMIN=:",F13.2)-96- 中南大学毕业设计（论文）附录B衬砌配筋计算程序!**********************************************!!衬砌结构配筋程序!!**********************************************!As-受拉区钢筋面积/m2!As1-受压区钢筋面积/m2!该处采用对称配筋，故有：As=As1!AK-安全系数!Rw-混凝土弯曲抗压极限强度标准值/M.Pa!Ra-混凝土弯曲抗压极限强度/MPa!N、NN（j）-轴力/MN!M、MM（j）-弯矩/MN.m!b-截面宽度（沿隧道走向取单位长度1m）!x-混凝土受压区高度/m!Rg-钢筋的抗拉或抗压计算强度标准值/MPa!As-受拉区钢筋的截面面积/m2!As1-受压区钢筋的截面面积/m2!y1-形心轴到受拉区边缘的距离/m!e-轴力作用点到到受拉钢筋重心的距离/m!e1-轴力作用点到到受压钢筋重心的距离/m!h0-受压区边缘到受拉钢筋重心的距离/m!a-受拉钢筋重心到受拉区混凝土边缘的距离/m!a1-受压钢筋重心到受压区混凝土边缘的距离/m!e0-偏心距/m!h-截面高度（即衬砌厚度）/m!Ec-混凝土的受压弹性模量/MPa!Es-钢筋的弹性模量/MPa!Wmax-最大裂缝宽度/m!W-裂缝宽度允许值/m!afai-构件受力特征系数!csa-裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数!fctk-混凝土抗拉强度标准值/MPa!rte-纵向受力钢筋配筋率!Ace-有效受拉混凝土截面面积/m2!r-纵向受拉钢筋表面特征系数!c-钢筋保护层厚度/m!sigma-纵向受拉钢筋的应力/MPa!d-受拉区钢筋直径/m!d1-受压区钢筋直径/m!fai-纵向弯曲系数!px-偏心情况，px=1，为大偏心；px=2，为小偏心!p最小配筋率dimensionhh(60),Ass(60),Ass1(60)real(8)MM(60),NN(60),M,N,As,As1,maxAs,maxAs1integerpxCharacterfilename*20,xinghao*10,hunningtuqiangdudengji*10open(1,file="input.txt",status="unknown")write(*,*)"Pleaseinputtheresultcomputedfilename"read(*,*)filenameopen(2,file=filename,status="unknown")read(1,*)xinghao,hunningtuqiangdudengjiwrite(2,*)"钢筋型号:"-96- 中南大学毕业设计（论文）write(2,*)xinghaowrite(2,*)"混凝土强度等级:"write(2,*)hunningtuqiangdudengjiread(1,*)AK,Ra,Rw,Rg,Ec,Es,fai,fc,fy1,fctk,W,r,afairead(1,*)c,b,d,d1write(2,*)"配筋参数(单位mm):"write(2,100)1000*c,1000*b,1000*d,1000*d1100format(1x,"c=",f8.3,4x,"b=",f8.3,4x,"d=",f8.3,4x,"d1=",f8.3)read(1,*)pwrite(2,*)"***************************************************************"read(1,*)imaxAs=0maxAs1=maxAsdoj=0,iread(1,*)hh(j),NN(j),MM(j)if(MM(j).lt.0)thenMM(j)=-MM(j)endifAs=p*b*h-0.As1=Ash=hh(j)M=MM(j)N=NN(j)e0=M/Na=c+d/2a1=c+d1/2h0=h-ae=e0+(h/2-c-d/2)e1=e0-(h/2-c-d1/2)30As=As+0.!/*计算受压区混凝土高度*/if(e0.le.(h/2-a1))thenx=sqrt((e-h0)**2+2*Rg*(As*e+As*e1)/(Rw*b))-(e-h0)elsex=sqrt((e-h0)**2+2*Rg*(As*e-As*e1)/(Rw*b))-(e-h0)endif!/*判断大小偏心情况*/if(x.le.(0.55*h0))thenpx=1elsepx=2endif!/*检算截面强度*/if(px.eq.1)thenif(x.ge.(2*a1))thenif((AK*N).gt.(Rw*b*x+Rg*(As-As)))goto30elseif((AK*N*e1).gt.(Rg*As*(h0-a1)))goto30endifelseif((AK*N*e).gt.(0.5*Ra*b*h0**2+Rg*As*(h0-a1)))goto30if(e0.le.(h/2-a1))thenif((AK*N*e1).gt.(0.5*Ra*b*h0**2+Rg*As*(h0-a)))goto30endifendif!/*检算按轴心受压构件考虑时的截面强度*/AA=b*hif(N.gt.(0.9*fai*(fc*AA+fy1*(As+As))))goto30-96- 中南大学毕业设计（论文）!/*检算受拉边缘混凝土裂缝宽度*/if(e0.le.(0.55*h0))goto40Ace=0.5*b*hrta=As/Aceif(rta.lt.0.01)rta=0.01z=(0.87-0.12*(h0/e)**2)*h0if(z.gt.(0.87*h0))z=0.87*h0if(As.eq.0)thencsa=0.4elsesigma=N*(e-z)/(As*z)csa=1.1-0.65*fctk*(rta*sigma)endifif(csa.gt.1.0)csa=1.0if(csa.lt.0.4)csa=0.4Wmax=afai*csa*r*(2.7*c+0.1*d/rta)*sigma/Esif(Wmax.gt.W)goto3040Ass(j)=As*Ass1(j)=Ass(j)write(2,200)j,1000*h,Ass(j),Ass1(j)200format(1x,"j=",i2,4x,"h=",f5.1,4x,"Ass(j)=",f8.1,5x,"Ass1(j)=",f8.1)write(2,*)"***************************************************************"if(Ass(j).gt.maxAs)maxAs=Ass(j)enddowrite(2,*)"***************************************************************"write(2,300)maxAs,maxAs300format(1x,"maxAs=",f8.1,5x,"maxAs1=",f8.1)close(1)close(2)end-96- 中南大学毕业设计（论文）附录C英语翻译基于Hoek–Brown破坏准则洞穴和隧道坍塌机理的极限分析M.FraldiF.Guarracino摘要对隧道和天然洞穴的坍塌状况进行可靠的预测至今仍然是岩石力学最困难的任务之一。通过参考Hoek–Brown破坏准则，利用塑性理论和变分法经典工具，可以得到一个准确的解决方法。所得到的公式很简单，并且跟经验方法和数值分析比较非常有用。本文还提出并且讨论了一些使用广泛的软件包的的范例。1.引言洞穴顶部的坍塌与否是一个发生在隧道、天然洞穴和煤矿中涉及岩土工程的实际问题。普遍认为，这个问题十分的复杂，岩石稳定性在很大程度上被原位岩石力学性能的不确定性和岩石表面存在的裂缝、破碎面所影响。因此，自从太沙基的几个理论被提出来进行安全度评估，由于它们的简单性，这些经验方法一直被广泛的使用。然而，得到的结果因人而异，并且它们的适用性很大程度上依赖于设计者的判断和专业技能。有限元分析，也经常采用来评估这类问题的安全度，但是在建模和结果验证上出现麻烦。因此，研究一个健全的、可以评估哪种岩石材料不会破碎并且垂直下落的力学手段会是极其有用的。一般说来，洞穴安全度分析对于执业工程师来说，是很有用的。目前的工作从李普曼提出的经典方法上转移了，尽管该方法十分简单，并在多方法评估中被广泛地使用了几十年。该文用Hoek–Brown破坏准则代替Mohr–-96- 中南大学毕业设计（论文）Coulomb屈服准则，并且更重要的是，通过塑性理论结合变分法经典工具，可得到一种解决方法。事实上，自从基于李普曼方法的程序的缺点集中在，很难找到一个有用的坍塌荷载的下限值，人们开始致力于研究一种严谨的变分程序。该程序通过一种运动学手段，可以直接分析坍塌荷载的最小值。由于塑性上限理论和在考虑的结构的内部，这种运动学手段被认为可以解出这类亟待解决的问题的有效坍塌荷载。从本质上来说，这个方法被建议用来弥补理想的连续可塑性与为物理分离和开挖洞室顶部、天然洞穴材料的重力作用区域所做的实用设计之间的差别。这个程序的优点在于它的必要的计算极其简单，这些计算能给这些亟待解决的参数一个富有意义的物理学的解释，并且也对后续三元计算分析提供了首次验证。另外，目前实用的大多数方法注重研究塑性变形的开始（强度比或者其他的塑性指标），而不是坍塌过程的分析。这很可能被误导，因为在弹性分析和有限元分析中，首先屈服的地方和实际的坍塌机理不相符合是经常发生的。在这个方面，尽管推荐的方法的基本假设被简单化，但是它对全部的坍塌机理进行指导。1.Hoek–Brown准则的选择当前，Hoek–Brown准则由于它对硬岩的强大实用性而被广泛传播，由于没有合适的替代方案，Hoek–Brown准则也应用于破碎岩体。Hoek–Brown准则最开始被研究是为了解决地下开挖工程中的参数问题。在1980年初，由于没有合适的方法似乎可以用来评估岩体强度，并且几乎所有的有关土体和岩体的公式和软件是根据莫尔—库仑准则写的，人们致力于研究一个能根据地质信息而缩放的无量纲方程。事实上，起初的Hoek–Brown方程既不是新的也不是唯一的，它是一个早在1993年就被用来描述混凝土失效的恒等方程。然而，Hoek和Brown的重要贡献是将方程和岩体的实际特性联系起来。在这些准则的发展过程中，Hoek–Brown准则很早就被认可了。为了有实用效果，这些准则需要的参数通过简单的野外地质观察就可得到。为了这个特定目的，一种将岩石分级的思想被讨论，自从Bieniawski的岩体质量分级（RMR）方法在1974年首次出版，并且在岩石力学界受到了广泛的欢迎后，该想法决定用这个分级方法作为地质参数的基本工具。最初的准则是为地下开挖工程的狭窄条件而特别研究的。在过去的二十年中，可以作为这些原始关系的基础的资料，来自于巴布几内亚Bougain-ville矿井的岩体样本实验，并且通过实验验证得到了有意义的确认。-96- 中南大学毕业设计（论文）必须指出，这个偏袒硬岩的准则是基于这样的一个假设，即岩体破坏是由众多节理面分割成的单个岩块的滑移和旋转所决定的。从而认为完整岩体的破坏在整个破坏过程中不起作用，并且假定节理是没有规则的，不存在什么优先破裂面，所以可以认为岩体是各向同性的。由于这个原因，目前的研究表明，使用Hoek–Brown准则在极限分析程序中研究岩体性质是最好的办法。3.极限分析和变分逼近法分析在岩块中隧道和天然洞穴顶部稳定性的基本思路在于确定可能从洞穴顶部坍塌的岩块的形状和尺寸（如图一所示）。和往常一样，这个问题将被视为平面问题，并且将会取整个洞穴横断面作参考。但为了使程序更容易被理解，取矩形洞室作为参考。一个解决不同形状的洞穴的方法，比如圆形洞穴，可以通过同样的方法得到，只不过需要更多的复杂的数学计算，这也将是进一步研究的方向。原则上，解决方法可以通过Greenberg最小原则，同时参考研究材料彼此间相对移动的库仑型机理而得到。通过参考莫尔—库仑屈服准则和关联流动法则，一种库仑机理开始被设计出来研究多边形块体。然而，通过采纳Hoek–Brown准则，该准则很快就指出：坍塌岩块再也不需要是多边形的，并且坍塌区域的最有效的形状成为了一个未知的问题。图一坍塌块体示意为了克服这个这个困难，本文提出了一个方法，借助于变积分并且假设坍塌岩块的形状可以通过欧拉方程结合最大塑性损耗原则计算得到。-96- 中南大学毕业设计（论文）在这个规定下，通过使外功比率和沿着机动许可速度场的能量的内部损耗的比率相等，可以得到坍塌岩体的有效形状。也就是说是满足速度限界、应变率与速度之间的兼容性。根据Greenberg最小原则（也就是上限和极限分析的运动学理论），最小化待求问题的结果函数，可以得到有效的坍塌机理。事实上，所有需要的条件都得到了满足，即：①材料的行为是理想塑性的；②屈服面是凸的，通过关联流动法则中的屈服方程可以得到塑性变形比例；③在坍塌开始发生的过程中，岩体的几何形状变化可以不考虑（看作刚塑体）。必须指出，如果一方面，对于一些岩体力学的问题，非关联流动法则更加适合是正确的，那么另一方面，为了得到塑性的数学理论，关于极限领域的流体的变化必须通过分析详细说明。这个分析定理不适用于基于这类问题的Hoek–Brown准则，至少在现在的文献中是这样。此外通过非关联流动法则得到的边界是罕见的，而不是极限分析中的边界理论，并且它和时下的主流方法观点不一致。此外，在第6部分中提到的有限元分析表明：对这个被研究的问题来说，这个参数的不容易得到正确的结果。因此，将Hoek–Brown变形准则画在莫尔σn—τn平面坐标系中，如图2所示，单位向量n垂直于破坏面，这里，A和B分别表示表征岩体特性的无量纲参数，σc和σt分别是破坏时的压应力和拉应力。图2莫尔σn—τn平面坐标系中的Hoek–Brown变形准则-96- 中南大学毕业设计（论文）系数A的简单的力学解释可使Hoek–Brown准则和莫尔—库仑准则相一致时而得到，即：这里，φ是岩体的内摩擦角，c是岩体的粘聚力。在标准材料（也就是遵从关联流动法则的材料）组成的结构中，通过假设塑性位势和Hoek–Brown屈服曲线一致，不失一般性，考虑τn为正的半平面，从而有：所以这个塑性应变率可以写成下面的形式：这里λ是一个纯量参数。由于当前的工作范围是研究重力场下岩体坍塌，人们主要关注可容许的竖向速度场，假设该速度沿Y轴的方向，如图1所示。方程y=f(x)表示在x-y笛卡尔参考坐标系中的坍塌岩体曲线上的任何一个单元。通过一个纯粹的几何关系的推理，并且参考图1，塑性应变率可以写成：这里w是这个塑性分离区的厚度，一个点表示对时间和横坐标x的微分，即：为了保证兼容性，在方程（4）和方程（5）中的塑性应变率的分量必须相等，从他们中的第二个方程可以得到：-96- 中南大学毕业设计（论文）所以，通过考虑这个结果，从第一个方程中可以得到法向应力的方程，该方程中包含Hoek–Brown力学参数和这个未知的分离曲线的导数f"(x)，也就是：在坍塌即将发生的时候，在破裂面上的内力的损耗密度可以用下式表达：而破裂面每单位长度外荷载的功率为：ρ为岩体容重（如图3所示）。图3静态坍塌模式借助Greenberg最小化原则，在整个可容许的分离曲线y=f(x)的函数定义域上，通过求总损耗的最小值可以得到有效的坍塌机理。认为落石关于Y轴对称，即将发生坍塌的总损耗可以算出来：-96- 中南大学毕业设计（论文）这里，是分离曲线f(x)上的单元长度，S是曲线f(x)总长的一半，L是曲线的水平投影长度，也就是洞穴宽度的一半。的表达式如下：将在积分区间[0，L]上求极值。这个问题是变分法的经典问题之一，也就是在规定的条件下，找到一个函数，y=f(x)，使积分式（11）为一个常数。值得强调的是，塑性区的纯量参数λ和单元厚度w在计算过程中都会自然的减少。因此，不同于其他的方法，他们的方面不需要另外的假设。总损耗的第一个变分方程可以写成下面的形式：通过方程（12）可以得到所以，利用方程（13），对眼前的问题使用Euler-Lagarange方程可以得到最清楚形式如下：这里，V代表所有可以容许的重力速度场的作用空间。方程（15）是一个含有未知函数f(x)的复杂的非线性二阶微分方程。第一次积分的结果为：并且方程（18）的再次积分可以得到分离曲线f(x)的最终解的形式：这里，-96- 中南大学毕业设计（论文）h表示一个积分常量，它可能有特殊的几何意义，也就是坍塌岩块的最高尺寸。将方程（18）和方程（19）代入方程（12）中，可以得到：这里，并且利用方程（11）、（21）和（22），可以得到总损耗的具体形式：在这里，L还是不知道。然而，由于它的几何意义，L无疑和h有关系，也和其他的亟待解决的力学参数有关系。事实上，L表示曲线f(x)和平面y=0的交点的值，令表达式（19）等于0并且考虑结果为正值，可以得到：将这个结果代入方程（23），有：从纯粹的数学角度考虑，利用方程（25），仅有一对值（L，h）满足条件：表示了可能坍塌机制。然而，为了成为实际物理问题的答案，这些值必须满足方程（1）和方程（2）中的应力分量必须满足破裂面上的平衡方程。这些方程式在局部坐标系（n,s）中可以写成：-96- 中南大学毕业设计（论文）这里n和s分别表示曲线y=f(x)的法线和切线方向（如图3所示）。然而，是体积力向量。值得提醒的是，虽然方程（27）的第二个式子保证了沿曲线y=f(x)的切线方向的平衡，方程（27）的第一个式子保证了曲线y=f(x)的法线方向的平衡，但是在塑性区的厚度w方向，应力分布是未知的。然而，将方程（8）和（9）代入方程（1），并且利用单位法向量的分量，可以发现在曲线y=f(x)的切线方向的平衡总是满足的，即：这里。在另一方面，问题的对称性能很容易的用来满足在（x=0,y=-h）处的平衡条件。事实上，由于分离曲线y=f(x)被假定为关于Y轴对称，x=0的对称平面上的应力平衡要求在该面上不存在剪应力分量，也就是：因此，利用应力分量之间的关系有：并且考虑，所以有：结合,从方程（30）可以得到：-96- 中南大学毕业设计（论文）将方程（32）代入方程（25），可以导出：所以可以得到：因此，破裂面的表达式可写成：从而可以用计算机计算单元长度坍塌块的总自重P,表示成：-96-'