浅谈山体隧道支护设计

浅谈山体隧道支护设计

李鹏程 闫广涛 徐浩博 王涵 贾克强

中建八局第二建设有限公司 山东济南 250014

摘 要：采用结构力学方法对隧道结构的内力进行计算分析，采用弹性地基梁的局部变形理论。因此，本研究的目的是通过本设计来了解和掌握隧道设计中结构内力分析的方法。通过考虑围岩与衬砌的相互作用，计算复杂多变的围岩压力，为隧道设计和施工提供准确的理论依据，熟悉隧道工程的设计和施工方法和工艺，选择正确的隧道。同时学习施工方法，为今后的研究打下坚实的基础。

关键词：支护设计；洞门设计；特殊部位设计；衬砌结构

1.新奥法施工原理

新奥法应用范围十分广泛，中国已在亚粘土和黄土隧道施工中取得不错的成绩和进步。但在以下几个方面，都必须采用相应的辅助措施才能进行施工：①地层中的涌水量较大；②因涌水产生流沙现象的地层；③围岩发生破碎，使得锚杆的钻孔和插入都十分困难场合；④围岩的开挖面不能自稳。喷射混凝土和锚杆支护是新奥法的主要支护手段，因锚杆喷射混凝土支护能够形成一种柔性薄层，与围岩紧密粘结的伸缩性支护结构，允许围岩在一定范围内发生协调变形，从而不会产生过大的压力压在支护结构上。

1、根据NATM，围岩是整个结构体系的主要承载力，在施工中必须对岩体进行充分的保护，以尽量减小对岩体强度的破坏。

2、为了使岩体的承载力最大化，必须使岩体的变形在一定范围内，并加以控制。

3、为了大幅度提高支护结构的力学性能，在施工中应尽快封闭封闭筒体结构。

4、在每一个施工过程中，必须进行现场测量和监测，及时提供足够可靠的测量信息。

5、为了便于防水层的铺设，复合衬里在锚杆腐蚀、围岩性能恶化、流变性和膨胀时，可提供后续荷载。

6、二次衬砌原则上在围岩及初期支护基本稳定、无变形的情况下进行。围岩和支护结构是一个结构体系，支护系统的安全性将得到最大化。

2洞门设计

2.1门洞的构造要求

隧道洞门构造的要求有:

1、洞门墙背到洞口仰坡坡脚的水平直线距离一般在1.5m及以上，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，洞门墙顶要比仰坡脚高出0.5m以上。 2、根据实际情况需要，洞门墙一般设置泄水孔、伸缩缝和沉降缝；洞门墙的厚度可以根据计算所得或者参考其他相类似的工程。 3、为保证洞门的稳定性，洞门墙基础必须安置在十分稳定牢固地基上，埋置深度要根据周围地质和地形情况，深度要满足稳定性的要求。嵌入岩石地基的深度在0.5m及以上，基底埋入土质地基的深度在1.0m及以上；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m；地基为冻胀土层时，必须进行处理，防止冻胀产生危害。基底埋置深度要比墙边各种沟、槽基底的埋置深度更深。 4、 基础位于较松软的地基上时，必须采取加固措施来增加基础的稳定性。

5、 洞门结构应符合抗震要求。

2.2门洞的形式

洞门有:端墙式，翼墙式和环框式三种形式。

端墙洞口是目前最常用的隧道洞口形式。适用于四级以上围岩，岩石稳定，地形开阔。

翼墙洞口地质条件差，在需要开挖路堑的地方采用翼墙洞口，适用于Ⅱ类以下围岩；当前岩层坚硬，完整性好，节理不发育，不易风化。路堑开挖后，其上坡相对稳定，不需过多排水。

2.3洞门类型选择

本隧道为Ⅳ级围岩，地质状况一般，拟采用翼墙式洞门。

4 衬砌设计

各级围岩分布情况：

表4-1 围岩分布情况

4.1 初期支护

初期支护采用喷锚支护，喷锚支护采用喷锚、锚杆、钢筋网和钢框架相结合，并根据不同的围岩等级进行组合。螺栓支撑采用全长粘结螺栓。根据工程类比法和《公路隧道设计规范》，初期支护采用C20混凝土喷射混凝土。支护参数值如下：

表4-2 初期支护参数表

其他参数、锚杆布置见衬砌断面图。

4.2 二次衬砌

二次衬砌采用现浇混凝土。采用荷载结构法计算和验算了衬砌的内力。二次衬砌厚度设置如下：

表4-3 二次衬砌支护参数 单位：cm

图4-1 Ⅳ级围岩衬砌图 (单位：cm)

4.3 衬砌内力的分析

4.3.1断面参数确定

隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量

隧道跨度b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量

表4-4 预留变形量 单位：mm

注：围岩破碎时取大值；围岩完整时取小值。

所以：预留变形量 Ⅱ级围岩为0；Ⅲ级围岩为0.004m；Ⅳ围岩为0.005m

得出：

Ⅱ级围岩

Ⅲ级围岩

Ⅳ级围岩

4.3.2计算垂直均布压力：

垂直均布压力计算式：

（4-1）

（4-2）

将（4-2）代入（4-1）得

式中： 为围岩重度，此处：Ⅱ级围岩 ；Ⅲ级围岩 ；Ⅳ级围岩 。

为 每增加1m时围岩压力的增减率，以 =5m的围岩垂直均布压力

为 准，当 ﹤5m时，取 =0.2，当 ﹥5m时，取 =0.1。

为隧道开挖高度，Ⅱ级围岩 ；Ⅲ级围岩 ； Ⅳ级围岩 。

为围岩类别，Ⅱ级围岩 ；Ⅲ级围岩 ；Ⅳ级围岩 。

（1）Ⅱ级围岩段围岩均布压力计算

开挖宽度

开挖高度

围岩容重

﹥5m，取 =0.1

又

经计算

=37.575

（2）Ⅲ级围岩段围岩均布压力计算

已知：

开挖宽度

开挖高度

围岩容重

﹥5m，取 =0.1

高宽比 ﹤1.7

经计算：

=72.377

（3）Ⅳ级围岩段围岩均布压力计算 已知

开挖宽度

开挖高度

围岩容重

﹥5m，取 =0.1

高宽比 ﹤1.7

经计算

=131.076

4.4计算衬砌总内力

按下式计算衬砌总内力：

计算精度的校核为以下内容：

根据拱顶切开点的相对转角和相对水平位移应为零的条件来检查：

式中：

闭合差：

式中：

闭合差：

由计算可知N=152.664lN，M=37.063kN·m需要配筋。

5 衬砌配筋

5.1 制配筋图

图5.1 配筋图

6隧道通风

6.1风管式通风：通过管道运输风流从而达到通风的目的。

6.2巷道式通风：它用于长隧道和平行导坑。空气循环系统由平行导坑和主隧道组成。通风机安装在平导口，污染空气通过平导排出。新鲜空气深入主隧道，形成循环气流。

6.3风墙式通风：当隧道较长且不设平行导坑，且一般通风难以达到效果时，可在隧道适当位置用砖木板将2-3m2的风管隔开，以缩短风管长度，增加风力，更好地满足通风要求。

总结：隧道为道路交通在一些不可能完成的地方变成可能，隧道可以缩短道路路程，但是施工难度相对较大。随着我国城市化速度的不断加快，特别是山区城市建设的快速扩张，隧道的建设日趋增多，在隧道建设过程中会遇到各种各样的地质，不良地质会使隧道建设增加许多困难，这就使得隧道的支护设计十分重要。

参考文献

[1] 朱合华. 地下建筑结构[M]. 北京: 中国建筑工程工业出版社, 2005.

[2] 傅鹤林，韩汝才. 隧道衬砌荷载计算理论及岩溶处治技术[M]. 长沙：中南大学出版社, 2015.

[3] 夏永旭, 王永东. 隧道结构力学计算[M]. 北京: 人民交通出版社, 2004.

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