中南大学隧道工程课程设计
一、原始资料 （一）地质及水文条件
长坞岭隧道穿越地段岩层为石灰岩，地下水不发育。其地貌为一丘陵区，海拔约为450米。详细地质资料示于隧道地质纵断面图中.
（二）路线条件
隧道系一级公路隧道，设计行车速度为80公里/小时,洞门外路堑底宽度约为11米，洞口附近路面标高:进口，190.00~210.00米；出口，190。00～200。00米。
线路坡度及平、纵面见附图.
（三）施工条件
具有一般常用的施工机具及设备,交通方便,原材料供应正常，工期不受控制。 附CAD电子图：
1. 洞口附近地形平面图； 2。 隧道地质纵断面图。
二、设计任务及要求
（一）确定隧道进、出口洞门位置，定出隧道长度； （二）在地形平面图上绘制隧道进口、出口边坡及仰坡开挖线；
（三）确定洞身支护结构类型及相应长度，并绘制Ⅲ级围岩地段复合式衬砌横断面图一张；
（四）按所给定的地质资料及技术条件选择适当的施工方法,并绘制施工方案横断面分块图及纵断面工序展开图； （五）将设计选定的有关数据分别填入隧道纵断面总布置图的相应栏中，并写出设计说明书一份。 二、设计步骤
（一）确定隧道内轮廓与建筑限界
2。1.1 确定内轮廓线
隧道系一级公路隧道，设计行车速度为80公里/小时，根据《公路隧道设计规范》4。4。3，选用v=80km/h的标准断面。
该标准断面拱部为单心半圆,侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。
几何尺寸如下表： 公路等设计时级 速 一级公80km/R1 543 R2 793 R3 100 R4 1800 H1 162。3 H2 200 H’2 159.1 路 h V=80km/h标准断面示意图:
2。1.2 确定建筑限界
参考公路隧道设计规范（JTG D70-2004）4。4.1有以下规定
(1）建筑限界高度 ，高速公路、一级公路、二级公路取 5 .0m，故这里取H=5.0m；
（2）当设置检修道或人行道时，不设余宽；
（3)隧道路面横坡，当隧道为单向交通时，应取单面坡，这里取横坡为1。5%;
（4)当路面采用单面破时，建筑限界底边线与路面重合。 按要求画出建筑限界示意图如下所示：
图1 建筑限界示意图（单位：cm）
（二）选择洞门结构类型
2.2.1 地形条件
根据长坞岭隧道地形平面图，可见隧道出口处地形对称无偏压（偏压不明显)，故选择洞门结构时无需考虑偏压。
2.2.2 工程地质条件
由长坞岭隧道工程地质纵断面设计图中可知，隧道出口附近30m左右，围岩稳定性较差，围岩级别为V级,具体工程地质条件及评价如下：
全风化千枚岩，黄褐至浅灰色，岩芯呈砂状，碎石状，湿，密实,岩体结构，构造已破裂，呈砂，碎石状结构，整体性差，Vp=500～900m/s，Vm=200~300m/s，
围岩稳定性差.V级围岩。
综上,选择翼墙式洞门。翼墙式洞门示意图如下：
（三）确定洞口位置
2.3。1 出口里程及设计高程
本设计只要求设计长坞岭隧道出口,根据长坞岭隧道工程地质纵断面设计图可知，出口里程大致为13.133,设计高程为1。711m，地面高程为201。239m。
2。3.2 边仰坡率及洞门参数
根据工程地质条件，V级围岩，取边仰坡坡率为1:1。5，取边仰坡最大开挖高度为10m.翼墙顶面斜坡坡度,取1:0.75,则C=7.5m。端墙为直墙，略向后倾斜，坡度取10:1。洞门位置至仰坡坡脚水平距离不小于1.5m，本设计b取2.5m。
2.3。3 开挖方法及开挖参数计算
本设计采用甲式开挖，甲式开挖后的边、仰坡范围由六个面组成：即一个仰坡面,两个边坡面，两个边仰坡的弧形联接面和一个路基面构成。在确定洞门位置时，可以近似将洞口路基面视为一个水平基准面.甲式开挖示意图如下：
甲式开挖参数计算如下： C=7.5m
Bm为墙顶半宽，即Bm=R1=5。43m
H路基=1。7m，H设计=10m
故：H控制=H路基+H设计=1.7+10=199。7m d=H设计×m=15m 作图方法：
1．在地形平面图上找出数值为H控制的等高线；
2．沿线路中心线两侧作宽度为路堑底宽度之半的两根平行线Ⅰ－Ⅰ、Ⅱ－Ⅱ；
3．以d为半径,沿Ⅰ－Ⅰ（或Ⅱ－Ⅱ)线移动，找出与控制等高线相切的点a后,在Ⅰ－Ⅰ线（或Ⅱ－Ⅱ线）上标出圆心O点；
4．从O点向洞内方向移动C的距离得一点P，过P点作线路中心线的垂线PP′，则PP′即为甲式开挖时的洞门位置;
具体作图见洞口地形平面图.
2。3.4 确定隧道长度
根据 隧道长度L=出口里程—入口里程 得 隧道长度L=13—599=765m
（四）洞口仰坡和边坡开挖线的确定
所谓边仰坡开挖线是指洞口地段边仰坡面与地表面的交线.
2.4。1 绘制原理
绘制原理：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。作边仰坡开挖线就是要在地形平面图找出规则图（边坡、仰坡面等)与不规则图(地表面）的交线。
下面，分别计算仰坡和边坡开挖线：
2.4。2 确定仰坡开挖线
1、仰坡开挖线
隧道进口仰坡坡脚标高为1。7m，仰坡坡率为1：1.5，为了求得仰坡与地
表面的交线,先计算仰坡的等高线距仰坡坡脚的水平距离d1、d2、d3……等。
对196m等高线
d1=（196－1。7）×m=6。3×1.5=9.45m 对194m等高线
d2=（194－1.7）×m=4。3×1.5=6。45m 对192m等高线
d3=（192－1.7)×m=2.3×1.5=3.45m 对190m等高线
d4=（190－1.7)×m=0.3×1.5=0。45m
然后在图中按比例作与洞门墙平行且相距为d1的1－1线,交196m等高线于①点 ,作2－2线与洞门墙相距为 d2交194m等高线于②点，以此类推，用虚线连接a、①、②、……各点即为仰坡开挖线.
具体图形见洞口平面图。
2.4。3 确定边坡开挖线
2、边坡开挖线
其原理同前,隧道纵坡较小（3‰），不考虑纵坡影响,故边坡坡脚标高也为1.7m，边坡坡率1：n＝1:1。5，则不同标高位置的边坡顶点至边坡坡脚的水平投影距离为： 对196m等高线
c1=（196－1.7）×m=6。3×1。5=9。45m 对194m等高线
c2=（194－1.7）×m=4。3×1.5=6。45m
对192m等高线
c3=(192－1.7）×m=2。3×1。5=3。45m 对190m等高线
C4=（190－1。7）×m=0.3×1。5=0。45m
在地形平面图中按比例作与路基边缘平行且相距为c1的1－1线,交196m等高线于（1）点 ，作2－2线与路基边缘相距为 c2交194m等高线于(2）点，以此类推,用虚线连接a、(1）、（2）、……各点即为边坡开挖线.
具体图形见洞口地形平面图。
2.4。4 开挖示意图
（五）各分段围岩级别及支护类型
2.5.1 各分段围岩级别
各分段围岩级别、里程及长度表
里程 5.8～630。0 630.0~752。0 752.0~804.0 804。0～1253.0 1253。0~1293.0 长度（m） 40.2 122 52 449 40 围岩级别 V IV V IV V 1293。0~1335.0 1335.0~13。1 42 29。1 IV V 隧道通过地段的地质情况常有变化，应按其不同围岩类别选用不同类型的衬砌.在两类衬砌连接处，围岩较差地段的衬砌断面应向围岩较好地段作适当的延伸，一般延伸长度为5～10m，本设计统一取5m。
2。5。2 各分段支护结构形式
各分段衬砌结构形式表
里程 5。8～635.0 长度(m) 45。2 支护形式 超前小导管注浆预加固地层，超前锚杆预支护； 初支采用18～20工字钢，喷射混凝土挂网支护，间距取0。8m,潮喷工艺; 二衬采用C40模筑混凝土，厚度为45cm。 635.0~747.0 112 超前锚杆预支护； 初支采用钢格栅，喷射喷射混凝土挂网，格栅间距0。8m，潮喷工艺； 二衬采用C40模筑混凝土，厚度40cm。 747.0～809。0 62 超前小导管注浆预加固地层,超前锚杆预支护； 初支采用18~20工字钢,喷射混凝土挂网支护，间距取0.8m,潮喷工艺； 二衬采用C40模筑混凝土，厚度为45cm. 809.0~1248。0 439 超前锚杆预支护； 初支采用钢格栅，喷射喷射混凝土挂网，格栅间距0.8m，潮喷工艺; 二衬采用C40模筑混凝土,厚度40cm。 1248.0～1298.0 50 超前小导管注浆预加固地层，超前锚杆预支护； 初支采用18～20工字钢，喷射混凝土挂网支护，间距取0。8m,潮喷工艺； 二衬采用C40模筑混凝土，厚度为45cm。 1298。0~1330.0 32 超前锚杆预支护； 初支采用钢格栅，喷射喷射混凝土挂网,格栅间距0.8m，潮喷工艺； 二衬采用C40模筑混凝土，厚度40cm. 1330。0～13.1 34.1 超前小导管注浆预加固地层，超前锚杆预支护； 初支采用18～20工字钢，喷射混凝土挂网支护，间距取0.8m，潮喷工艺； 二衬采用C40模筑混凝土，厚度为45cm. 2。5.3 IV级围岩详细支护参数的确定
参考规范8。4.2有“复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算 。初期支护 及二次衬砌的支护参数可参照表 8.4.2 -1、表8。4。2—2 选用,并应根据现场围岩监控量测信 息对设计支护参数进行必要的调整”。
这里工程类比，得到隧道纵断面图的复合式衬砌型式. 确定的IV级围岩衬砌结构支护结构参数如下:
初期支护：
1。Φ22砂浆锚杆，L=3m； 2.15cm厚C20喷射混凝土； 3。Φ8钢筋网@25×25； 防水层：
1.350g/m2无纺土工布； 2。防水板； 二次衬砌：
40cm厚C40钢筋混凝土。
（六）施工方法
隧道施工方法是否恰当，直接影响施工安全、进度、质量和造价等，应根据隧道所处的地形、工程地质及水文地质、工期、断面大小、施工技术设备和水平加以综合考虑。 本隧道采用新奥法施工。
2.6.1 施工方法比选
该隧道总体围岩稳定性较差，基本为IV级或V级围岩,属于软弱围岩，故不应采用全断面法;该隧道为山岭隧道，对地表沉降控制的要求不高，故不必采用分部开挖法，因分部开挖法掘进速度较慢，成本较高；根据围岩级别（IV、V),采用短台阶法开挖最为合适.
2。6.2 短台阶法优点
短台阶法能缩短支护结构闭合的时间,改善初期支护的受力条件,有利于控制隧道变形收敛速度和变形值,所以可以用于稳定性较差的围岩。
2。6。3 短台阶法施工步骤
1、超前地质预报、测量放样、监控量测
通过地质雷达、红外探水、超前水平钻探、掌子面地质素描等多种手段探测掌子面前方地层岩性、地质构造，综合分析研究，及时调整和确定施工方法和参数.通过监控量测数据分析可正常进行下道工序后，测量放线各部分开挖轮廓线、隧道中线、高程。
2、开挖
(1）开挖前施作超前支护，开挖台阶形成后施工顺序如下：
a、爆破开挖③部，爆破后暂不出渣，用挖机或装载机将炮渣沿上、下台阶处修整平缓坡,并将上台阶开挖台车移至下台阶。
b、爆破开挖①部，出渣.
c、上台阶出渣完毕后将开挖台车移至上台阶,下台阶开始出渣，上台阶同时施作周边的初期支护、既初喷4cm厚混凝土，架立工字钢架（如设计有）,钻射系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。
d、下台阶出渣完,施作周边的初期支护、既初喷4cm厚混凝土，架立工字钢架（如设计有）,钻射系统锚杆后复喷混凝土至设计厚度。
e、重复a、b、c、d四步，反复循环.
（2）开挖中各台阶长度、循环进尺、上、下台阶高度应严格控制： 开挖上台阶高度约6米，上台阶长度宜为10~12 m， 开挖下台阶高度约3米，下台阶长度宜为20～30 m。
（3）初期支护喷射混凝土强度达到设计强度的70％以上时进行下一部分的开挖.
3、开挖检查
（1）每一步支护前，都应进行围岩量测，确定围岩的稳定性并指导下一循环施工。
（2）拱部允许最大超挖值25 cm;拱墙、边墙允许平均超挖值12 cm;仰拱允许最大超挖值25 cm，允许平均超挖值15 cm。
（3)严格控制欠挖,当围岩完整、石质坚硬时允许个别岩石突出侵入衬砌不大于5cm（每1㎡不大于0.1 ㎡)，拱脚和墙脚以上1 m内断面严禁欠挖。
4、支护
(1）每一分部开挖检查合格后及时初喷3～5cm混凝土封闭岩面，后施做锚杆、钢筋网、安装钢架支撑，复喷至设计厚度，各部工序之间紧密衔接。
（2）初期支护先上后下，分步实施,及时封闭成环. 5、施工工序正面及纵断面示意图
