隧道翼墙式洞门计算全解

第四章 洞门设计 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0.6m-1.7m，下部为砂质板岩，全风化岩石厚为0-2.0m强风化岩厚为0-6.4m,砂质板岩与变质砂岩中风化厚度为8.1-15.8m;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1.5m，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1.0m，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m。

(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1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。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/m3） 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（Mpa） 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/m3;

(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】=0.3Mpa

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Mu100，水泥砂浆的

强度等级为M10。

（2）容许压应力【σa】=2.2Mpa，重度γt=22KN/ m3。

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=13.35m；其中基底埋入地基的深度为1.59m，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1.8m，洞门翼墙与仰坡间的的水沟深度为0.5m，洞门墙顶高出仰坡坡脚1.05m，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为2.5m，墙厚2.48m，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/m3）

λ——侧压力系数； ω——墙背土体破裂角；

b——洞门墙计算条带宽度（m），取b=1.0m； 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 ooootan(34.2139)(1tan34.21tan39)h'2.54.7937m

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：

k0M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 N式中： M——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m eN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5m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2m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