(整理)第四章隧道衬砌设计

第四章 隧道衬砌设计

4.1围岩划分

隧道围岩级别划分主要依据岩体弹性波速度、岩样饱和极限抗压强度、岩石质量指标，并结合围岩分化程度、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》（JTG D70-2004）提供数据为围岩级别划分标准。

（2）遇断层破碎带，围岩级别较同类岩石降低1～2等级，影响带推至洞底以上40～80米与断层交界处。

（3）为便于隧道施工，按隧道开挖过程中可能遇到的地层和构造情况分段划分评价。

（4）未有钻孔控制段，参照勘测区同类岩石已有资料进行类比分级。

4.2支护形式的选择及参数确定

由于本隧道为高速公路隧道，根据规范可知本隧道应采用复合式衬砌，即由初期支护和二次衬砌及中间夹防水层组合而成的衬砌形式，其中初期支护采用锚喷支护二次衬砌采用模铸混凝土衬砌。同时衬砌设计参数以工程类比法并结合计算分析确定，断面型式采用等截面三心圆，对于Ⅲ级围岩采用无仰拱衬砌，对于Ⅳ、Ⅴ级围岩均采用带仰拱衬砌。

4.2.1初期支护布置如下：

Ⅲ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱支撑配合喷射混凝土形成整体。系统锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，直径为22mm，长度为2.0m，采用梅花形布置，环、纵向间距为1.0m。钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。Ⅲ级围岩喷射混凝土采用C20混凝土，厚度为10cm。

Ⅳ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱架支撑配合喷射混凝土形成整体。系统锚杆采用中空注浆锚杆,直径为25mm,长度为2.5m，采用梅花形布置，

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环、纵向间距为1.0m。钢拱架型号为I16，间距为1.0m。钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。Ⅳ级围岩喷射混凝土采用C30混凝土，厚度为15cm。

Ⅴ级围岩初期支护采用径向系统锚杆，钢拱架支撑配合喷射混凝土形成整体。系统锚杆采用中空注浆锚杆,直径为25mm，长度为3.0m，采用梅花形布置，环、纵向间距为1.0m。钢拱架型号为I20，间距为1.0m。钢筋网矩形布置，间距25cm，采用直径6.5的钢筋。Ⅴ级围岩喷射混凝土采用C30混凝土，厚度为25cm，

4.2.2防水层布置

初衬及二衬设置防水板和无纺布；其中，无纺布密度300g/m2；防水板采用易于焊接的防水卷材，厚度为1.0mm，接缝搭接长度100mm。

4.2.3二次衬砌布置

Ⅲ级围岩二次衬砌，采用C25素混凝土，衬砌厚度35cm；围岩预留变形量30mm；

Ⅳ级围岩二次衬砌，采用C30钢筋混凝土，衬砌厚度45cm；围岩预留变形量50mm；

Ⅴ级围岩二次衬砌，采用C30钢筋凝土，衬砌厚度45cm；围岩预留变形量80mm；

4.2.4隧道衬砌布置图

根据以上设计，可分别作出Ⅲ级围岩衬砌设计图、Ⅳ级围岩衬砌设计图、Ⅴ级围岩衬砌设计图，分别见图4.1、图4.2、图4.3.

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图4.1 Ⅲ级围岩衬砌设计图 图4.2 Ⅳ级围岩衬砌设计图 精品文档 精品文档

图4.3 Ⅴ级围岩衬砌设计图 4.3确定隧道深浅埋分界线 4.3.1隧道宽度与高度与确定

根据隧道设计及各级围岩衬砌设计图，可计算出隧道在各围岩级别下的宽度与高度；其中：

Ⅲ级围岩隧道宽度ＢⅢ＝2×(5.63+0.35+0.03+1.0×10-3+0.1)＝12.22m Ⅳ级围岩隧道宽度ＢⅣ＝2×(5.63+0.45+0.05+1.0×10-3+0.15)＝12.56m Ⅴ级围岩隧道宽度ＢⅤ＝2×(5.63+0.45+0.08+1.0×10-3+0.25)＝12.82m 由各级围岩衬砌设计图可知：

Ⅲ级围岩隧道高度ＨⅢ＝0.52+7.78+0.35+0.03+0.1=8.77m Ⅳ级围岩隧道高度ＨⅣ＝0.45+1.12+7.77+0.45+0.05+0.15＝9.99m Ⅴ级围岩隧道高度ＨⅤ＝0.45+1.12+7.77+0.45+0.08+0.25＝10.12m

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4.3.2隧道深浅埋判断 （1）计算各级围岩坍落拱

根据规范可知坍落拱高度的计算公式为：

h=0.45×2S-1×[1+i(B-5)] （4-1）

式中：S——围岩级别； B——隧道宽度（m）；

i—— B每增加1m时的围岩压力的增减率，当B<5m时，取i=0.2，当B>5m时，取i=0.1；

则，Ⅲ级围岩坍落拱高度hⅢ=0.45×22×[1+0.1×(12.22-5)]=3.100m； Ⅳ级围岩坍落拱高度hⅣ=0.45×23×[1+0.1×(12.56-5)]=6.322m； Ⅴ级围岩坍落拱高度hⅥ=0.45×24×[1+0.1×(12.82-5)]=12.830m； （2）各级围岩深浅埋判定

围岩深埋和浅埋的分界，按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判定。荷载等效高度计算公式如下：

Hp(2~2.5)hq （4-2）

式中：HP—隧道深浅埋的分界高度（m）；

q，hq=； hq—等效荷载高度（m）

γ； q—垂直均布压力（kN/m3）

γ—围岩重度kN/m3。

q=γ×h （4-3）

式中：q——垂直均布压力

γ——围岩重度kN/m3；

h——坍落拱高度（m）由式（4-1）计算

矿山法施工的条件下，在矿山法施工的条件下，Ⅳ-Ⅵ级围岩取Hp2.5hq；Ⅰ-Ⅲ级围岩取Hp2hq。

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qγh253.1003.100m； ①Ⅲ级围岩等效荷载高度hq==γ25γ 隧道分界高度Hp=2*hq=6.200m；

由于本隧道Ⅲ级围岩埋深为10.12~21.52m，故Ⅲ级围岩为深埋。

qγh206.3226.322 ②Ⅳ级围岩等效荷载高度hq==γ20γ 隧道分界高度HP=2.5hq=15.805m；

由于本隧道Ⅳ级围岩埋深为0~21.52m，故Ⅳ级围岩部分浅埋、部分深埋。

qγh1912.83012.830 ③Ⅴ级围岩等效荷载高度hq==γ19γ 隧道分界高度HP=2.5hq=32.075m；

由于本隧道Ⅳ级围岩埋深为0~4.45m，故Ⅴ级围岩为浅埋。 4.3.3隧道衬砌验算

本隧道设计中的衬砌验算均采用直刚法验算。 （1）Ⅲ级围岩衬砌验算： 输入数据如下： 30 1 6 1 1

0 1 1 2 -4.90268 7.98010 -5.63243 6.01623 0.35 0.35 1 2 1 2 -5.53033 4.72173 8.26

0.35 0.35

1 12 2 2

5.60 81.0 9.0 0.35 0.35 31*6.5e5 30*2.95e6 0

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1 2.5 2.5 4 0.0 0.3 0 0 0 0

1000.0 1900.0 350.0

3.6 2.4 2.7 5170.0 5170.0 输入数据如下：

********** the check **********

jd e 0.1384E-02 node e 1 0.261E-02 2 0.103E-01 3 0.9E-02 4 0.121E-02 5 0.235E-02 6 0.438E-02 7 0.125E-01 8 0.653E-01 9 0.808E-01 10 0.665E-01 11 0.316E-01 12 0.122E-01 13 0.512E-01 14 0.721E-01 15 no 0.293E+00 16 0.721E-01 17 0.512E-01 18 0.122E-01 19 0.316E-01 20 0.665E-01 精品文档

pe 0.8750E-01 pe 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 sigma 0.7709E+02 k 0.262E+02 0.260E+02 0.271E+02 0.292E+02 0.305E+02 0.320E+02 0.327E+02 0.263E+02 0.930E+02 0.297E+02 0.383E+02 0.443E+02 0.381E+02 0.194E+03 0.129E+02 0.194E+03 0.381E+02 0.443E+02 0.383E+02 0.297E+02 psigma 0.5170E+04 pk 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.360E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.360E+01 0.360E+01 0.360E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01

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21 0.808E-01 0.157E+00 0.930E+02 0.360E+01 22 0.653E-01 0.157E+00 0.263E+02 0.240E+01 23 0.125E-01 0.157E+00 0.327E+02 0.240E+01 24 0.438E-02 0.157E+00 0.320E+02 0.240E+01 25 0.235E-02 0.157E+00 0.305E+02 0.240E+01 26 0.121E-02 0.157E+00 0.292E+02 0.240E+01 27 0.9E-02 0.157E+00 0.271E+02 28 0.103E-01 0.157E+00 0.260E+02 29 0.261E-02 0.157E+00 0.262E+02 jd e pe sigma 0.1384E-02 0.8750E-01 0.7709E+02 验算合格。

可知，Ⅲ级围岩衬砌设计合格。

（2）Ⅳ级围岩衬砌深埋段验算 输入数据如下： 30 1 6 1 1

0 1 1 2 -4.90268 7.98010 -5.63243 6.01623 0.45 0.45 1 2 1 2 -5.53033 4.72173 8.26

0.45 0.45

1 12 2 2

5.60 81.0 9.0 0.35 0.35 31*6.5e5 30*2.95e6 0 1 2.0 2.5 3 0.0 0.3

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0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 psigma 0.5170E+04 精品文档 0 0 0 0

1000.0 2000.0 350.0

3.6 2.4 2.7 5170.0 5170.0 输出数据如下：

********** the check **********

jd e pe sigma psigma 0.22E-02 0.1125E+00 0.8433E+02 0.5170E+04 node e 1 0.2E-02 2 0.135E-01 3 0.968E-02 4 0.947E-03 5 0.167E-02 6 0.514E-02 7 0.149E-02 8 0.583E-01 9 0.770E-01 10 0.6E-01 11 0.328E-01 12 0.3E-02 13 0.459E-01 14 0.7E-01 15 no 0.283E+00 16 0.7E-01 17 0.459E-01 18 0.2E-02 19 0.328E-01 20 0.6E-01 21 0.770E-01 22 0.583E-01 精品文档

pe 0.202E+00 0.202E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 0.157E+00 k 0.252E+02 0.252E+02 0.202E+02 0.218E+02 0.227E+02 0.236E+02 0.2E+02 0.202E+02 0.780E+02 0.220E+02 0.279E+02 0.330E+02 0.288E+02 0.2E+02 0.937E+01 0.2E+02 0.288E+02 0.330E+02 0.279E+02 0.220E+02 0.780E+02 0.202E+02 pk 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.360E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.360E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.360E+01 0.240E+01

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23 0.149E-02 0.157E+00 0.2E+02 0.240E+01 24 0.514E-02 0.157E+00 0.236E+02 0.240E+01 25 0.167E-02 0.157E+00 0.227E+02 0.240E+01 26 0.947E-03 0.157E+00 0.218E+02 0.240E+01 27 0.968E-02 0.157E+00 0.202E+02 0.240E+01 28 0.135E-01 0.202E+00 0.252E+02 0.240E+01 29 0.2E-02 0.202E+00 jd e pe 0.22E-02 0.1125E+00 验算合格。

可知，Ⅳ级围岩衬砌设深埋段设计合格。

（3）Ⅳ级围岩衬砌浅埋段验算 输入数据如下： 30 1 6 1 1 0 1 1 2

-4.90268 7.98010 -5.63243 6.01623 0.45 0.45 1 6 1 2

-5.53033 4.72173 8.26 0.45 0.45 1 8 2 2

5.60 81.0 9.0 0.45 0.45 31*1.5e5 30*2.95e6 0

0 2.0 2.5

15.805 50.0 36.0 10.0 1 0 0 0 0

1200.0 1900 350.0 2.4 2.0 2.7 153.1 153.1 精品文档

0.252E+02 sigma 0.8433E+02 0.240E+01 psigma 0.5170E+04

精品文档 输出数据如下：

********** the check **********

jd e pe sigma psigma 0.1193E-02 0.1125E+00 0.4055E+03 0.1531E+03 node e pe k pk 1 0.730E-03 0.202E+00 0.478E+01 0.200E+01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 精品文档

0.160E-01 0.271E-01 0.338E-01 0.370E-01 0.370E-01 0.343E-01 0.260E-02 0.577E-01 0.124E+00 0.114E+00 0.509E-01 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.456E+01 0.440E+01 0.430E+01 0.427E+01 0.429E+01 0.442E+01 0.512E+01 0.437E+01 0.969E+01 0.132E+02 0.553E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.200E+01

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13 0.309E-01 0.202E+00 0.0E+01 0.200E+01

14 0.874E-01 0.202E+00 0.524E+01 0.200E+01

15 no 0.345E+00 0.202E+00 0.240E+01 0.240E+01

16

17

18

19

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27 精品文档

0.108E+00 0.655E-01 0.156E-01 0.916E-01 0.126E+00 0.932E-01 0.555E-02 0.351E-01 0.383E-01 0.385E-01 0.353E-01 0.285E-01 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.202E+00 0.187E+02 0.561E+01 0.637E+01 0.309E+02 0.929E+01 0.244E+02 0.503E+01 0.437E+01 0.422E+01 0.420E+01 0.424E+01 0.433E+01 0.240E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.240E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 0.200E+01 精品文档

28 0.172E-01 0.202E+00 0.449E+01 0.200E+01

29 0.270E-03 0.202E+00 0.474E+01 0.200E+01

jd e pe sigma psigma 0.1147E-02 0.1125E+00 验算合格。

可知，Ⅳ级围岩衬砌浅埋段设计合格。

（4）Ⅴ级围岩衬砌验算 输入数据如下： 30 1 6 1 1 0 1 1 2

-4.90268 7.98010 -5.63243 6.01623 0.5 0.5 1 2 1 2

-5.53033 4.72173 8.26 0.45 0.45 1 12 2 2

5.60 81.0 9.0 0.5 0.5 31*1.5e5 30*2.95e6 0

0 1.9 2.5

4.45 50.0 20.0 10.0 1 0 0 0 0

1000.0 1900.0 350.0

2.4 2.0 2.7 153.1 153.1 输出数据如下：

********** the check **********

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0.4097E+03 0.1531E+03 精品文档

jd e pe sigma psigma 0.1571E-02 0.1250E+00 0.1535E+03 0.1531E+03 node e pe k pk 1 0.244E-03 0.225E+00 0.129E+02 0.200E+01 2 0.372E-01 0.202E+00 0.104E+02 0.200E+01 3 0.3E-01 0.225E+00 0.119E+02 0.200E+01 4 0.182E-01 5 0.119E-01 6 0.623E-01 7 0.124E+00 8 0.146E+00 9 0.135E+00 10 0.969E-01 11 0.404E-01 12 0.228E-01 13 0.785E-01 14 0.111E+00 15 no 0.581E+00 16 0.146E+00 17 0.147E+00 18 0.113E+00 19 0.5E-01

20 0.124E-01 21 0.738E-01

22 0.118E+00

23 0.137E+00 精品文档

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0.1485E-02 0.1250E+00 验算合格。

可知，Ⅴ级围岩衬砌段设计合格。

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