公路隧道毕业设计

公路隧道毕业设计标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]

榆树坪隧道综合设计

(长安大学公路学院西安 710064 )

摘要：

本设计按照“新奥法”施工的要求，对某山岭二级公路上的榆树坪隧道进行了综合设计。主要内容包括：路线方案的拟定比选、隧道横纵断面设计、隧道衬砌结构设计、路基路面防排水及管线沟槽设计以及施工组织设计，并进行了隧道二次衬砌的结构计算，IV级围岩隧道施工阶段分析，同时还完成了隧道通风、照明的计算及设计。

关键词：

隧道新奥法防排水衬砌结构

通风照明监控测量结构计算

第一章隧道设计说明书

一、设计概况

榆树坪隧道位于吴旗县，是连接刘河湾，胜利山，贺石湾，洛源桥，榆树坪地区的山岭二级公路区段上重要的通道，该地区为构造剥蚀侵蚀低山地貌，地质地形复杂，拟建隧道经过区域地表地形整体起伏较大，其中最低标高1252.0m,最高标高1512.0m。该隧道拟设计为单洞双向隧道，该隧道为整体一段，入口桩号K0+015，出口桩号K2+，全长2125.87m，采用双坡，坡度为第一段%，第二段%。

隧道行车道宽度按照设计行车速度60km/m考虑。明洞施工按明挖法施工，暗洞按“新奥法”施工。隧道衬砌结构设计采用“新奥法”复合式衬砌，并采用高压钠灯光电照明、射流风机机械通风；隧道洞门形式根据地形条件采用入口削竹式，出口端墙式洞门。隧道围岩以较为破碎的白云岩、片麻岩、玄武岩、页岩、变质砂岩为主，围岩级别以Ⅲ，Ⅳ、Ⅴ级为主。

二、隧道主要技术标准

定的远景交通量设计，采用单洞双向隧道

公路等级：山岭重丘二级公路

设计交通量：262辆/h（近期）,540/h（远期）

隧道设计车速：60km/h

隧道建筑限界

根据《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）规定确定：

行车道： W=2×3.50m

=0.50m

侧向宽度： L

L

余宽： C= 0.25m

人行道宽： R=1.00m

限界净高： 5.00m

隧道净高： 7.09m

检修道高： 0.25m

三、隧道设计标准规范

《公路隧道设计规范》（JTGD70—2004）

《公路隧道施工技术规范》（JTJ042—94）

《公路隧道通风照明设计规范》（—1999）

《公路隧道勘测技术规范》（JTJ063－85）

《公路工程技术标准》（JTJ001—97）

四、隧道工程水文、地质

（一）自然地理概况

1.地形地貌

隧道地处北大巴山加里东褶皱带，该褶皱束位于北大巴山加里东褶皱带的北部，山脉大致呈西北——东南走向，该处主峰胜利山海拔1512.0m,山脊呈南北走向，南侧山坡陡峭，坡度一般在40°左右，局部达到55°，北侧山坡平缓，坡度一般在20°左右。地貌上属于有变质岩、沉积岩组成的低山地貌。

2.气象水文

该地区属暖温带半湿润季风气候地带。具有温暖、雨量适中、四季分明、雨热同季。年平均气温13℃，≥0℃积温4826.7℃，持续期长达299天；≥10℃积温4224.6℃，持续期长达204天；≥20℃积温2488.0℃，持续期长达98天，无霜期212天。多年平均降水量为833.3mm，主要集中在夏秋两季，为537.9mm，占全年降水量的%。年平均风速1.9米/秒，最大风速17米/秒。雨季主要集中在夏季，占全年降水量65%左右。山区地质情况较为复杂，植被丰富，以高大乔木、灌木为主，自然景观优美，野生动植物种类繁多。隧道所处地区属于洛河水系，区内有川道。

（二）地质构造特征

1.地层岩性

1)强风化砂质板岩：灰至灰黑色，变余结构，板状构造，矿物成分以砂质、绢

云母为主，岩石较软手掰不易断，节理裂隙发育，岩芯多呈短柱状至长柱状。

2)玄武岩灰黑至灰色，主要矿物成分为斜长石和辉石呈隐晶质细粒或斑状结构

气孔或杏仁状构造，致密性坚硬、脆性，强度很高。

3)大理岩由灰石岩或白云岩经重结晶变质而成，等力变晶结构，块状构造。主

要矿物成分为方解石，遇稀盐酸强烈起泡，长呈白色，浅红色淡绿色，深灰色。

4)白云岩主要矿物为白云石，也有方解石和粘土矿物，结晶结构硬度较高稳定

性较石灰岩好。

5)片麻岩具有典型的片麻状构造变晶或变余结构，一般晶粒粗大，主要矿物为

适应和长石，还有云母，角闪石，辉石等。颜色视深色矿物含量多少而定，其强度较高。

6)页岩由粘土脱水胶结而成，以粘土矿物为主。大部分有明显的薄层理，成叶

片状，易风化，强度低与水作用易于软化而丧失稳定性。

7)砂岩砂质结构由50%以上粒径介于―0.2mm的砂粒胶结而成粘土含量小于

25%，结构疏松强度和稳定性不高。

8)闪长岩灰黑至黑，主要矿物成分为斜长石、辉石和角闪石，呈斑状结构，块

状构造或条带构造，致密性坚硬、脆性，强度很高。

2.构造特征

隧道地处北大巴山加里东褶皱带，该褶皱束位于北大巴山加里东褶皱带的北部。隧址区位于高坪——老县街复向斜，有断层通过，隧道进出口段斜坡岩层产状为18659

∠，节理及发育。

∠，隧道出口岩层产状为18054

3.断层

隧道区内断层较发育，已查明断层2条，以北东向断层为主，次为近西向，亦见南北向断层。断层性质以压纽性、压性、扭性为主，个别为张性、张扭性。断层多期活动的特点，早期以压性、压纽性、扭性为主，且规模较大，晚期以张性为主，规模小。对隧道有影响的断层没有。

4.地震活动及地壳稳定性概略分析

勘查区位于扬子板块西北缘，根据板块运动的观点，其构造运动微弱，故勘查区在大地构造位置上属稳定地段。

勘查区属华南地震区秦巴地震亚区汉中地震带，虽断裂构造发育但活动性断裂不甚发育，地震活动微弱，属弱地震活动区。该地震带多为3级以下弱震，4级以上地震自公元前1177年至980年间共发生8次，主要分布在汉中市区（3次），新集（1次），略阳（1次）阳县（1次）等处，最大震级为级，发生于1636年，震中位于汉中市区。根据国家地震局资料，勘查区的地震基本烈度为Ⅵ度预测未来最大震级为5级，因此，可以认为勘查区为相对稳定区。

（三）水文地质条件

榆树坪隧道全长2125.87m，最大埋深约为357m，属于深埋长隧道。根据地表调查，隧道区主要接受大气降雨垂直补给，总体水量较丰富。地下水主要接受大气降雨的垂直补给，按照隧道用水分类标准，进出口V级围岩范围内，由于岩体极破碎，雨水会沿裂隙下渗，出现淋雨状，当岩体较完整时，出水状态属于渗滴涌水。

本次涌水量估算方法采取极限状态下(多年日最大降水量)降水入渗法：=???进行计算。

2.74

Q a F P

（四）不良地质现象

据地面调查，隧道区无崩塌、滑坡、泥石流、危岩等不良地质现象，场地天然稳定性良好。

（五）隧道围岩类别

1.隧道围岩级别划分依据和原则

隧道围岩类别主要依据岩石弹性波速度，岩石饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合岩石风化程度、完整性、坚硬程度、节理发育程度、断层及地下水影响程度等进行综合分类。

依据上述实际资料在确定隧道围岩级别时，制定以下原则：

1)以交通部行业标准《公路隧道设计规范》（JTJ026-90）提供数据为围岩级别

划分标准。

2)遇断层破碎带，围堰类别较同类岩石降低1--2级，影响带推至洞底以上40—

80m 与断层交界处。

3)为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层情况分段进行评价。

未有钻孔控制段，参照勘查区同类岩石已有资料进行类比分类

2.隧道围岩级别划分

按上述围岩级别划分原则，将隧道围岩级别划分汇入下表。

围岩级别划分总表

（六）隧道稳定性评价

1.洞室稳定性评价

在工程地质测绘和勘探的基础上，综合分析评价认为隧道进口段为极不稳定地段；整体强度很低，多呈弹塑性变形，稳定性很差，进出口基岩浅埋段，岩石风化强烈，稳定性差，为易失稳段；其余洞段，岩石较破碎，岩体呈碎石块状或块（石）碎（石）状镶嵌结构，风化中等，岩石较软，整体强度较低，稳定性较差。

综合分析诸影响因素，隧道多数地段为III、Ⅳ级围岩，洞室处于较稳定状态，少数地段为V级围岩，洞室稳定性较差。隧道洞室底部地基，除洞口段稳定性较差外，其余地段均处于稳定状态。

2.洞口斜坡稳定性评价

影响洞门斜坡稳性的主要因素是地层岩性，结构面与斜坡坡面产状的组合关系及水文地质条件等。

按组成斜坡的岩性，进出口斜坡均属土体斜坡，现对其稳定性评价如下：洞口斜坡均属碎石土类斜坡。岩性为含粘粉质碎块石，洞门附近该层厚约3-5m。土体较松散，未见地下水出露，粘粉质含量低，基本不具粘聚力，内摩擦角370左右，极易坍塌至地表，洞门不稳定。据计算与综合分析，该类土边坡，当边坡角下于土的内摩擦角370时，处于稳定状态。

五、方案比选

（一）方案介绍

方案一：采用沿河方案设计，线路全长4414.79m，不设隧道，沿洛河经川道，陈子沟，漩水川，吴旗镇到达榆树坪。

方案二：采用两条短隧道，经庙台到达榆树坪。道路全长3437.98m，第一条隧道长155.90m，第二条隧道长，第一条隧道属于短隧道，第二条隧道属于中隧道，两条隧道采用46.8m长桥梁链接。

方案三：采用刘河湾至榆树坪航空线进行路线布置，线路全长3121.7m,路线采用2125.87m隧道，为长隧道。。

（二）比选

根据地形地质条件，施工量，施工难易程度，经济意义，环境保护将三个方案进行比较并确定方案。

（三）地形地质条件

方案一，地形较为平坦，地质情况比较单一，多为沿河河岸河滩地形。

方案二和方案三，地质地形情况基本相同，懂采用隧道架桥通过不良地质和复杂地形。

（四）施工量

方案1：线路总长4414.79米，多为平原路堤构造。

方案2：线路总长4379.8米，其中隧道1070.8米，隧道围岩等级分别为V级、IV级，围岩强度较差。

方案3：线路总长3121.7米，其中隧道2125.87米，隧道围岩等级为V级、IV 级、III级。

（五）施工难度

方案1：线路较长，道路线性较差，其中要穿越吴起镇、漩水川等人员比较密集的居民区，施工难度较大，施工过程的场地布置困难，施工期间占用原有道路，将造成市区内交通拥堵等状况。

方案2：线路较短，隧道标高较高，在K1+073处地面高程远小于隧道标高，需采用高架桥通过，再经K1+120修建914.18m的隧道，隧址处多为强风化岩层，围岩强度较差且次方案隧道处于浅埋段的长度大大增长，施工难度较大，且与方案三相比线路长度增加1258m增加近40%线路长度。

方案3：为两点间最短线路，选线近似于航空线路，为单条隧道通过，隧道大多处于深埋区段，围岩稳定性较好。隧道以外展线较短，线路几何条件较好，有利于形成安全，施工难度较低。

（六）营运及养护费用

方案1：线路全长4414.79m,全线无隧道，多为跨线桥和立交桥设计，道路养护费用较低。

方案2：两条隧道共长1070m，营运及养护费用稍低，但道路养护费用较高。

方案3：隧道全长2125.87m，隧道运营成本较高，但综合交通量和道路全段养护费用，与方案2基本持平。

（七）对周边居民带来的经济效应

方案1：对洛河沿岸和川道沿岸的漩水川，陈子沟，甜水沟附近的地区带来经济效益，特别是方便吴起县政府和周边居民出行。

方案2：对贺石湾、洛源桥周边经济影响较大。

方案3：除影响方案2所述地区经济外，还使刘河湾至贺石湾、洛源桥、榆树坪地区的距离大大缩短，降低了商品运输成本，使两地居民出行更加方便快捷安全，使山中的矿产运输加工成本降低，大大增加吴旗县地区矿产总量，带动区域。

（八）环境保护

方案1：无开挖，对山体破坏最小，但是公路离居民区较近噪声污染较严重，公路线性较差，尾气污染较大。

方案2：开挖较少，对山体破坏较小。但因其浅埋段较长，会对山体进行刷坡，山坡植被破坏较严重。且因其为两段隧道，故在隧道进出口处对山岭原有自然环境的破坏比较严重。

方案3：开挖较大，但因其多为深埋隧道，故对山体破坏较小，对山中自然生态环境影响较小。线路笔直，有利于行车安全，减少尾气排放。

（九）综述：

方案1和其他两个方案差别较大，施工量最少，施工周期最短。但出于线形和环境因素方面因素，方案1不做考虑。方案2与方案3相类似，但是方案2的线线形较方案3相比较差，方案2与方案3总体运营和养护费用持平。方案2施工难度较大，浅埋段隧道施工难度较大，道路展线较长，不利于行车。方案3大大缩短两地距离降低矿产运营成本，有效带动区域经济发展。且环境方面，方案3尾气对山林原始生态环境影响较小。故综合以上因素采用方案3进行线路的总体布置和设计。

六、隧道设计概要

（一）隧道洞口设计

结合隧道进出口地形、地貌、工程地质和水文条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工营运条件，并考虑到施工开挖边仰坡的稳定性，本着“早进晚

出”、“少开挖”的原则，确定隧道洞口位置、明洞型式，洞门型式的选择力求结构简单，并与洞口地形、地貌协调一致。隧道进口洞门采用削竹式洞门，出口洞门采用端墙式洞门，并进行了必要的装饰，明洞采用全断面整体式钢筋混凝土衬砌。洞口地段边、仰坡根据实际情况采取一定的加固防护措施，暗洞进出洞口仰坡面采用锚喷混凝土临时防护措施，确保进洞安全。

（二）隧道横断面设计

榆树坪隧道的建设标准为：山岭二级公路。根据《公路隧道设计规范》的规定，按单洞双向隧道设计，其行车道宽度*2m,隧道的有效净宽10.0m,有效净高5.0m。在满足上述净空限界标准的前提下，根据电缆槽和检修道的设置对空间的需求及照明、衬砌结构受力的合理性和开挖面积最小等条件，经过对各种衬砌内轮廓形式和参数的优化，最后选择了净宽10.51m,有效净宽10.0m,净高7.0869m,有效净高5.0米的圆拱形式。隧道内轮廓通过对单心圆、扁平三心圆和三心圆几种断面形式进行综合比较，结合隧道衬砌结构受力特征以及工程造价等因素，采用拱顶R-525cm、侧墙R-764cm的三心圆形式。横断面采用复合式衬砌。路面采用人字双坡设计，路面两侧侧均设设纵向排水沟，路基中心设中心排水沟。隧道右侧检修道沟槽设电力电缆槽，左侧设通讯信号电缆槽。

（三）洞门设计

为保证营运安全，并与环境协调，根据隧道进出口地形和工程地质条件，结合开挖边仰坡的稳定性和路堑支挡及排水条件，进口设置削竹式洞门，出口设置端墙式洞门并修饰周围景观使洞门与之协调，洞门与隧道轴线正交，洞门结构应该满足抗震要求。

榆树坪隧道采用“新奥法”原理设计，衬砌形式为：以锚喷混凝土作为初期支护，内层用模注混凝土作为二次衬砌的复合式衬砌结构，两层衬砌之间设置防水层，对于软弱围岩及断层破碎带采取适当的预支护措施，保证开挖面的稳定和初期支护的施作。根据该隧道的工程地质及水文地质条件，采用工程类比法的方法拟定了各类围岩（深、浅埋）的衬砌参数，同时根据各类围岩的物理力学指标，采用有限元法验算衬砌结构强度，并根据结果修正初拟的衬砌参数，最后确定了本隧道的各类围岩的衬砌参数见下表。

各类围岩的衬砌参数表

在隧道进出口浅埋段，根据围岩类别、破碎程度及地下水情况分别采用了不同形式的预支护措施，使浅埋围岩在隧道开挖后及时形成压力拱，确保开挖后的裸洞具有一定的自稳时间以利初期支护的施作，同时具有止水的作用。施工时应先进行水泥单浆液的现场注浆试验，试验用水泥单浆液添加5%（重量比）水玻璃，如注浆效果良好能够达到固结围岩、堵水之目的，可以改用上述试验的水泥浆液注浆，否则，按设计用的水泥、水玻璃双液进行现场注浆试验，注浆参数根据现场试验结果按实际情况调整，以利施工。无论采用何种浆液，注浆结束标准必须满足设计图要求。

明洞衬砌结构为整体式钢筋混凝土结构。明洞结构计算方法采用荷载结构模型，根据作用在支护结构上的荷载按弹性地基上的拱形平面杆系结构计算结构内力，并以此来进行截面设计和配筋设计。

隧道防排水应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合处置”的原则，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全。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整通畅的防排水系统。对于高速公路隧道防排水应该满足下列要求：

1、拱部、边墙、路面、设备箱等不渗水。

2、有冻害地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。

沿隧道全长在道路中心线以下设置中心排水沟，道路一边设置开口式排水侧沟。洞内复合式衬砌段采用橡塑防水板防水，土工布、第三代软式透水管和塑料排水板等排水。明洞段采用橡塑防水板、土工布及粘土隔水层防水。干砌片石盲沟及软式透水管排水。工作缝、伸缩缝、沉降缝处均加设橡胶止水带，洞内二次衬砌后墙底部设置纵向排水管，与衬砌内的环向排水管相连，并通过横向排水管与中央排水沟相通。洞门上方设截排水沟，引地表水至路基边沟或洞门外端自然沟谷，以此形成完善的洞内外排水系统。

处于单坡标高的洞门端，洞门外1m的地方均设路基横向截水沟，防止洞外路基路面水顺坡流入洞室。

（六）路面及内装饰设计

隧道内采用35#水泥混凝土路面，路面厚24cm。路面下设15cm厚10#素混凝土整平层。

隧道内装饰：根据土建设计要求，隧道洞身内的涂装工程采用SD型高温隔热防火涂料。该涂料是根据隧道施工的特殊要求，借鉴国外隧道防火涂料技术，针对公路隧道混凝土结构的防火要求，以无机绝热材料为主要成分的隔热型公路隧道专用防火涂料。而无机防火涂料可持续保护隧道混凝土结构，使其在规定的耐火时间内与热隔绝。

（七）紧急停车带设计

对于长隧道在隧道行车方向右急停车带设计侧应每隔500-750m设置紧急停车带一处，宽3.5m。长4.0m。

（八）检修道设计

为了便于行人因需要徒步穿过以及洞内设施的维修养护，隧道内设置检修道，为防止汽车冲上人行道，并避免隧道维修养护人员在其上行走不至于因其与路面高差过大而产生不安全感，以及考虑到洞内发生事故时便与人员疏散，同时结合缆线槽设置的要求，设计检修道高度为25cm，宽度为25cm。

（九）现场监控量测

现场监控量测是新奥法复合式衬砌设计、施工的核心技术之一。通过施工现场监测可以掌握围岩和支护在施工过程中的力学动态及稳定程度，保障施工安全，为评价和修改初期支护参数，力学分析及二次衬砌施作时间提供信息。

根据本次项目中隧道具体条件，建议施工中进行以下量测项目：

1.围岩初始应力场测试

在隧道开挖过程中选择有代表性的地段采用钻孔应力解除法进行地应力测试，分析对支护衬砌结构的影响，以修改预设计和指导施工。

2.隧道变形量测

通过洞内收敛量测来监控洞室稳定情况和评价隧道变形特征。该项目为主要量测项目，包括净空收敛量测、拱顶下沉量测、围岩内部位移量测。

3.应力-应变量测

采用应力、应变盒、测力计等监测钢拱架、格栅支撑、锚杆和衬砌受力变形情况，进而检验和评价支护效果。

4.围岩稳定性和支护效果分析

通过对量测数据的整理和回归分析，找出其内在的规律，对围岩稳定性和支护效果进行评价，然后采用位移反分析法，反求围岩初始应力场合围岩综合物理力学参数，与实测结果进行对比、验证。

（十）通风照明

1.通风

榆树坪隧道为单洞双向隧道，长度2125.87米。入口桩号K0+015,K0+015至K0+坡度为%,K0+至K2+1411坡度为%，出口桩号K2+126.第一段平均海拔1321.57米, 第二段平均海拔1319.72米,设计行车速度60km/h,设计高峰小时交通量540辆/小时,大型车混入率19% ,通风段面积㎡,当量直径7.818m。