隧道翼墙式洞门结构设计计算全解(详细)

隧道翼墙式洞门结构设计计算全解 4.1洞门设计步骤

《规范》关于洞口的 一般规定

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及截水沟,并和路基排水系统综合考虑布置.

4.洞门设计应与自然环境相协调.

4.1.1确定洞门位置洞口位置的 确定应符合下列要求

1.洞口的 边坡及仰坡必须保证稳定.

2.洞口位置应设于山坡稳定、地质条件较好处.

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,充分比选后确定. 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.

7.洞门宜与隧道轴线正交;地质条件较好; 做好防护;设置明洞.

洞口地质条件

洞口入口端位于山体斜坡下部,斜坡自然坡度 约45°左右,隧道轴线与地形等高线在右洞为大 角度 相交,位置较好,围岩上部为覆盖层为碎石质,厚度 为0.6米-1.7米,下部为砂质板岩,全风化岩石厚为0-2.0米强风化岩厚为0-6.4米,砂质板岩与变质砂岩中风化厚度 为8.1-15.8米;为软岩,薄层状结构,岩体破碎,软岩互层,主要结构面为层面及节理裂隙面,结构面的 不利组合对围岩有影响;地下水以基岩裂隙水为主,围岩为弱透水,可产生点滴状出水,局部可产生线状出水;围岩稳定性差.

4.1.2确定洞门类型

洞门类型及适用条件

洞门的 形式很多,从构造形式、建筑材料以及相对位置等可以划分许多类型.目前,我国公路隧道的 洞门形式有: 端墙式洞门 翼墙式洞门 环框式洞门 台阶式洞门 柱式洞门 遮光棚式洞门等.

端墙式洞门

适用于岩质稳定的 Ⅲ级以上围岩和地形开阔的 地区,是最常使用的 洞门型式

翼墙式洞门

适用于地质较差的 Ⅳ级以下围岩,以及需要开挖路堑的 地方.翼墙式洞门由端墙及翼墙组成.翼墙是为了 增加端墙的 稳定性,同时对路堑边坡也起支撑作用.其顶面一般均设置水沟,将端墙背面排水沟汇集的 地表水排至路堑边沟内 环框式洞门

当洞口岩层坚硬、整体性好(I级围岩)、节理不发育,路堑开挖后仰坡极为稳定,并且没有较大 的 排水要求时采用 台阶式洞门

当洞门傍山侧坡地区,洞门一侧边坡较高时,为减小 仰坡高度 及外露长度 ,可以将端墙顶部改为逐步升级的 台阶形式,以适应地形的 特点,减少仰坡土石方开挖量. 遮光棚式洞门

当洞外需要设置遮光棚时,其入口通常外伸很远.遮光构造物有开放式和封闭式之分,前者遮光板之间是透空的 ,后者则用透光材料将前者透空部分封闭.但由于透光材料上面容易沾染尘垢油污,养护困难,所以很少使用后者.形状上又有喇叭式与棚式之分

洞门形式的 选择

按分类,隧道右线属长隧道,基本服从于路线走向,路线与地形等高线基本正交,洞门按受力结构设计.洞门形式结合实际地形、地质情况选定.根据洞门所处地段的 地形地貌及工程地质条件,遵从“早进洞,晚出洞”的 设计原则,并考虑洞门的 实用、经济、美观等因素,因此本隧道使用翼墙式洞门(带挡土墙),使用

翼墙式洞门.

4.1.3 洞门构造要求

按《公路隧道设计规范》(JTG-2004),洞门构造要求为：

(1)洞门仰坡坡脚至洞门墙背的 水平距离不宜小 于1.5米,洞门端墙与仰坡之间水沟的 沟底至衬砌拱顶外缘的 高度 不小 于1.0米,洞门墙顶高出仰坡脚不小 于0.5米.

(2)洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔;洞门墙的 厚度 可按计算或结合其他工程类比确定.

(3)洞门墙基础必须置于稳固地基上,应视地基及地形条件,埋置足够深度 ,保证洞门的 稳定.基底埋入土质地基的 深度 不小 于1.0米,嵌入岩石地基的 深度 不小 于0.5米;基底标高应在最大 冻结线以下不小 于0.25米.基底埋置深度 应大 于墙边各种沟、槽基底的 埋置深度 .

(4)松软地基上的 基础,可采取加固基础措施.洞门结构应满足抗震要求.

4.1.4 验算满足条件

采用挡墙式洞门时,洞门墙可视为挡土墙,按极限状态验算,并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的 稳定性.验算时应符合表3.1和表3.2(《公路隧道设计规范》JTG-2004)的 规定,并应符合《公路路基设计规范》、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的 有关规定.

表4.1 洞门设计计算参数

仰坡坡计算摩擦角δ率 (o) 1:0.5 70 1:0.75 60 1:1 50 1:1.25 43-45 1:1.5 38-40 重度 γ(kN/米3) 25 24 20 18 17 基地摩擦系数f 0.60 0.50 0.40 0.40 0.35-0.40 基底控制压应力(米pa) 0.80 0.60 0.40-0.35 0.30-0.25 0.25 表4.2 洞门墙主要验算规定

墙身界面荷载效应值Sd 墙身截面偏心距e 基底应力σ ≤结构抗力效应值Rd(按极限状态计算) ≤0.3倍截面厚度 墙身截面荷载效应值Sd 滑动稳定安全系数Kc 倾覆稳定安全系数Ko ≤结构抗力效应值Sd(按极限状态计算) ≥1.3 ≥1.6 ≤地基容许承载力 岩石地基≤B/5-B/4;基底偏心距e 土质地基≤B/6 4.2龙洞翼墙式洞门结构设计计算

4.2.1计算参数 计算参数如下：

(1)边、仰坡坡度 1:1.25;

(2)仰坡坡脚ε=39°,tanε=0.8,α=9°; (3)地层容重γ=18KN/米3; (4)地层计算摩擦角φ=45°; (5)基底摩擦系数0.4;

(6)基底控制应力【σ】=0.3米pa

4.2.2建筑材料的 容重和容许应力

(1)墙端的 材料为水泥砂浆片石砌体,片石的 强度 等级为米u100,水泥砂浆的

强度 等级为米10.

(2)容许压应力【σa】=2.2米pa,重度 γt=22KN/ 米3.

4.2.3洞门各部尺寸的 拟定 根据《公路隧道设计规范》(JTG-2004),结合洞门所处地段的 工程地质条件,拟定洞门翼墙的 高度 ：H=13.35米;其中基底埋入地基的 深度 为1.59米,洞门翼墙与仰坡之间的 水沟的 沟底至衬砌拱顶外缘的 高度 1.8米,洞门翼墙与仰坡间的 的 水沟深度 为0.5米,洞门墙顶高出仰坡坡脚1.05米,洞口仰坡坡脚至洞门墙背的 水平距离为2.5米,墙厚2.48米,设计仰坡为1:1.25,具体见图纸.

4.3洞门验算

4.3.1洞门土压力计算

根据《公路隧道设计规范》(JTG-2004),洞门土压力计算图示具体见图3.2.

图3.2 洞门土压力计算简图

最危险滑裂面与垂直面之间的 夹角：

tan2tantan(1tan2)(tantan)(tantan)(1tantan) tanw2tan(1tan)tan(1tantan)式中:——围岩计算摩擦角; ε——洞门后仰坡坡脚;

α——洞门墙面倾角 代入数值可得：

tan245otan9tan39(1tan245o)(tan45otan39o)(tan45otan9o)(1tan9otantan39o)tantan39o(1tan2452)tan45o(1tan9otan39o)0.679934.21o

根据《公路隧道设计规范》(JTG—2004),土压力为;

1E[H2h0(hh0)]b

2(tantan)(1tantan)

tan()(1tantan)aatan ho

tantan1tantan式中: E——土压力(KN);

由三角关系得：h ——地层重度 (KN/米3)

λ——侧压力系数; ω——墙背土体破裂角;

b——洞门墙计算条带宽度 (米),取b=1.0米; ξ——土压力计算模式不确定系数,可取ξ=0.6. 把数据代入各式,得：

(tan34.21otan9o)(1tan9otan39o)0.1928

tan(34.21o39o)(1tan34.21otan39o)h'2.54.7937米

tan34.21otan9o2.5tan39oho2.3223m

1tan9otan39o洞门土压力E：

1E[H2ho(h'ho)]b21180.1928[13.3522.3223(4.79372.3223)]1.00.62191.4783KNExEcos()191.4783cos(34.219)178.7604kNEyEsin()191.4783sin(34.219)68.6197kN

22式中：δ——墙背摩擦角 45O30o

33

4.3.2抗倾覆验算

翼墙计算图示如图3.3所示,挡土墙在荷载作用下应绕O点产生倾覆时应满足下式：

k0MMy01.6

式中: K0——倾覆稳定系数,k01.6;

My——全部垂直力对墙趾O点的 稳定力矩; M0——全部水平力对墙趾O点的 稳定力矩;

图3.3 墙身计算简图

由图3.3可知：

墙身重量G：G13.352.48181.0595.9440KN

H13.35Ex对墙趾的 力臂：Zx4.45m

33y对墙趾的 力臂：

ZyB(Htan)/32.4813.35tan9o/33.1848m

BHtan2.4813.35tan9o2.2972m G对墙趾的 力臂：ZG22 MyGZGEyZy595.9402.297268.61973.1848

1587.5529KNMM0ExZx178.76044.45

795.4837KNM代入上式得：

K0MMy01587.48371.99571.6

795.4837故抗倾覆稳定性满足要求.

4.3.3抗滑动验算

对于水平基底,按如下公式验算滑动稳定性： Kc式中: Kc——滑动稳定系数

N——作用于基底上的 垂直力之和; E——墙后主动土压力之和,取E=Ex; f——基底摩擦系数,取f=0.4 由图3.3得： KcNfE1.3

(GEy)Ex(595.944068.6197)1.48701.3

178.7604故抗滑稳定性满足要求.

4.3.4基底合力偏心矩验算

设作用于基底的 合力法向分力为N,其对墙趾的 力臂为ZN,合力偏心矩为e,则：

ZnMMy0GZGEyZyExZxGEy

N1587.5529795.48371.1919m595.944068.6197B2.48Zn1.19190.04810 22合力在中心线的 右侧.

Be0.04810.4133

6计算结果满足要求. emaxminNB(16e(595.944068.6197)60.0409299.1767Kpa)(1)236.7617KpaB2.482.48max299.1767Kpa[]0.3Mpa,计算结果满足要求.

4.3.5墙身截面偏心矩及强度 验算 (1)墙身截面偏心矩e

M0.3B eN式中： 米——计算截面以上各力对截面形心力矩的 代数之后; N——作用于截面以上垂直力之后.

HHB13.3513.352.48MEx()Ey178.7604()68.6197232232312.6534KNmNGEy595.944068.61976.5637KN

将数据代入墙身偏心矩E的 公式,可得：

M312.6534e0.47050.3B0.744,计算结果满足要求.

N6.5637(2)应力

NB(16e) BNB(16e6.563760.4705)(1)572.9771kpa[a]2.2Mpa B2.482.48满足要求.

通过以上的 验算,说明龙洞端翼墙式洞门的 尺寸合理.详图见设计图纸.

排水设计

隧道排水应根据防排堵截结合,因地制宜,综合治理的 原则,采用切实可靠地设计和施工措施,达到防水可靠排水畅通经济合理的 目的 . 1.在洞口仰坡5米以外,设置天沟,并加以铺砌.

2.对洞顶地表的 陷穴,深穴加以回填,对裂缝进行堵塞. 3.对洞顶天然沟槽加以整治,是山洪宣泄畅通. 4.在地表水上游设截水导流沟.

5.在仰坡到洞顶处2米左右设计排水沟. 6.边坡设计排水沟.

纵段剖面

纵剖面图

平面图

纵剖面图

排水平面图

排水纵剖面图