公路隧道衬砌设计000.doc

第11章衬砌设计11.1一般规定现阶段公路隧道工程采用的衬砌结构类型有喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌、离壁式衬砌、预制片块衬砌设计等一般情况下，高速公路、一级公路、二级公路的隧道应采用复合式衬砌；三级及三级以下的公路隧道，隧道洞口段应采用复合式衬砌或整体式衬砌，洞身I、II、II级围岩条件下可采用喷锚衬砌预制片装配式衬砌的适用范围较广，目前用TBM工法修建的预制片衬砌隧道在城市地下交通隧道、市政设施管道、引水通道、公路越江隧道应用较多离壁式衬砌结构在公路隧道衬砌结构中应用比较少，在人防、地下储藏等工程中较为多见隧道衬砌设计应综合考虑地形及地质等环境条件、断面形状与大小、防水要求、使用功能、施工方法与施工措施等因素，而这些因素又是相互联系的衬砌应具有足够的强度和稳定性，必须保证其功能和长期使用安全设计中根据使用要求、围岩级别、工程地质和水文地质条件、隧道埋置深度、结构受力特点，并结合工程施工条件、地形与环境条件，通过工程类比和结构验算等综合拟订衬砌支护参数在施工阶段，将依据现场的监控量测和超前地质预报等信息反馈，进一步调整衬砌支护参数，确保洞室的稳定和结构使用安全    衬砌设计应符合下列规定：(1)衬砌断面一般采用曲边墙拱形断面。

对于车行横洞、人行横洞、通风道等断面较小的隧道及风机洞室、工作室，一般地质条件较好，对净空断面有特殊要求，可采用直墙拱形衬砌2)隧道洞口浅埋段、洞身围岩较差地段衬砌应设置仰拱如隧道边墙底以下基础为弱风化坚硬岩石时，可不设置仰拱仰拱的曲率半径应根据隧道断面形状、地质条件、地下水、隧道开挖跨度、排水及管沟要求等综合确定路面与仰拱之间可采用混凝土或片石混凝土填充3)硬软地层分界处及对衬砌受力有不良影响处，应设置变形缝4)隧道洞口段衬砌应予以加强，加强范围应根据地形、地质和环境条件确定一般情况下两车道隧道应不小于l0m，三车道应大于15m当洞口围岩级别已考虑浅埋受地表影响修正时，可按照降低后的围岩级别拟订衬砌支护参数，不需另行加强5)围岩较差地段的衬砌应向围岩较好地段延伸5～l0m，偏压衬砌段应向一般衬砌段延伸，延伸长度应根据具体的偏压情况确定，一般不小于l0m6)行车横洞、Ⅳ级和V级围岩行人横洞道、通风横通道等与主洞交叉段均应设加强段衬砌，加强段衬砌应向各交叉洞延伸，主洞延伸长度不小于5.0m，横通道延伸长度不心于3.0mII、III级围岩人行横洞、消防设备洞、控制柜等断面较小的洞室，在主洞边墙部位与主洞相交，其跨径和高度一般小于2.0m，可不做特殊处理。

11.2整体现浇衬砌11.2.1整体现浇衬砌的概念及适用范围整体现浇衬砌是被广泛采用的衬砌形式，有长期的工程实践经验，技术成熟，适应多种围岩条件在公路隧道中，其一般适用于隧道洞口段、浅埋段及围岩条件很差的软弱围岩中依据隧道围岩地质特点的不同，整体式混凝土衬砌可采用多种形式，如：半衬砌、厚拱薄墙衬砌、直墙拱形衬砌和曲墙拱形衬砌等所谓半衬砌，就是根据围岩的压力情况，有时只对拱顶部分进行衬砌，而对边墙不进行衬砌；有时也正好反过来，即只对边墙进行衬砌，而对拱顶只作喷浆处理这种衬砌形式适用于岩层较坚硬并且整体稳定或基本稳定的围岩(图11-2-1)而对于一些侧压力很大的较软的岩层或土层，为了避免直墙承受较大的压应力，可以采用图11-2-2所示的落地拱形式  图11-2-1半衬砌结构图11-2-2落地拱形结构厚拱薄墙衬砌适用于水平压力很小的状况顾名思义，这种结构形式拱脚较厚，而边墙较薄(图11-2-3)在竖向压力较大，而水平侧压力不大时，常常采用直墙拱形衬砌这种结构形式常见于我国铁路隧道中(图11-2-4)曲墙拱形衬砌适用于地质条件差，岩石破碎、松散和易于坍塌的地段特别是对于洞底板较弱、具有膨胀特性或有较大围岩压力的情况，这不失为一种很好的设计形式(图11-2-5)。

图11-2-3厚拱薄墙衬砌  图11-2-4直墙拱形衬砌      图11-2-5曲墙拱形衬砌  11.2.2整体现浇衬砌的一般规定(l)整体现浇衬砌截面可设计为等截面或变截面对设仰拱的地段，仰拱与边墙宜采用小半径曲线连接，仰拱厚度宜与拱圈厚度相同当衬砌承受偏压荷载或承受垂直荷载较大时，可采用变截面形式对于设置仰拱地段，为了减少围岩和衬砌的应力集中，避免急剧弯曲和棱角，边墙衬砌与仰拱宜采用小半径曲线连接（图11-2-6）仰拱厚度宜与边墙厚度相同，以保证边墙衬砌与仰拱之间力的有效传递2)明洞衬砌与洞内衬砌交界处或不设明洞的洞口段衬砌，在距洞口5～12m的位置应设沉降缝；在洞内，软硬地层明显分界处宜设沉降缝；在连续V、Ⅵ级围岩中每隔30～80m应设一道沉降缝图1l-2-6边墙衬砌应与仰拱连接不同围岩级别采用不同的衬砌类型，不同衬砌类型所承受的围岩压力不同，地基承载能力也不相同设置沉降缝是为了防止不均匀沉降或变形不一致产生的剪切破坏’在隧道洞口，衬砌所受的力和地基承载力差异较大，加上洞口段各种影响因素较多，衬砌大多出现明显的横向变形错位，所以应设沉降缝在连续软弱围岩中，由于地基承载能力弱，长期荷载作用使得变形也不一致，根据具体情况每隔一定距离也应设沉降缝。

3)严寒与酷热温差变化大的地区，特别是在最冷月份平均气温低于-15℃的寒冷地区，距洞口100～200m范围的衬砌段应根据情况增设伸缩缝衬砌由于冷缩影响往往导致开裂，为了适应温度变化，在温度变化影响较大范围内的衬砌应设伸缩缝，以防止衬砌由于温度应力引起的开裂4)沉降缝和伸缩缝缝宽应大于20mm，缝内可夹沥青木板或沥青麻丝沉降缝和伸缩缝应垂直于隧道轴线设置设置沉降缝和伸缩缝的目的是为了把不同承载能力结构、承载不同围岩压力的结构完全断开，产生的沉降变形和受力变形各自独立隧道结构设置变形缝，并在缝内设置一定厚度的隔离层，采用沥青木板或沥青麻丝是多年的做法，也可采用具有一定耐久性的柔性材料结构的荷载作用方向垂直于隧道轴线，所以变形缝也应垂直于隧道轴线设置5)沉降缝和伸缩缝可兼作施工缝在设有沉降缝和伸缩缝的位置，施工缝宜调整到同一位置沉降缝和伸缩缝本身可作施工缝，施工缝调整到与沉降缝、伸缩缝同一位置，可减少一道专门工序同时沉降缝、伸缩缝与临近施工缝的距离一般不小于5m，以保证一次浇筑衬砌段的长度6)不设仰拱的地段，衬砌边墙基底应置于稳固的地基之上，在洞门墙厚度范围内，边墙基础应加深到与洞门墙基础底相同的高程。

不设仰拱地段，地基的承载能力较高，但不能因为边沟开挖而破坏了地基的整体性，导致边墙脚失稳洞口端墙式洞门的基础深度较大，洞闩墙基坑开挖可能对隧道衬砌边墙基底造成损伤，要求衬砌边墙基础加深到洞门墙基底深度7)在有明显偏压的地段，应采用抗偏压衬砌抗偏压衬砌宜采用钢筋混凝土结构因地形、地质构造造成围岩松动、滑移而引起的有明显偏压的地段，有时由于施工工序而引起的短暂偏压地段，为了承受不对称的围岩压力，设计中应采用抗偏压衬砌偏压衬砌靠外一侧衬砌外缘受拉，抗力较弱，向外侧变形的趋势较大，所以靠外侧的拱墙衬砌可加厚，并对衬砌截面在偏压状态下进行验算根据国内工程实例调查，偏压状态一般出现在洞口，容易出现开裂，所以宜采用钢筋混凝土结构8)隧道横洞与主洞的交叉段衬砌宜采用钢筋混凝土结构隧道横洞指汽车横通道、通风道等，与主洞连接处形成交叉口在交叉口段，由于暴露空间大，结构受力复杂，为保证结构强度，防止开裂，要求交叉口衬砌段采用钢筋混凝土结构9)地震动峰值加速度系数大于0.2的地区，洞口段及软弱围岩段的衬砌宜采用钢筋混凝土结构根据已发生地震地区的调查资料，地下结构具有很好的抗震能力在地震动峰值加速度系数小于0.2的地区，一般地震对地下结构影响不大；在地震动峰值加速度系数大于0.2的高地震区，资料不多，不能保证地震发生时隧道衬砌不开裂、破坏。

所以，在地震动峰值加速度系数大于0.2的地区，隧道洞口段或软弱围岩段的衬砌宜采用钢筋混凝土结构10)当采用钢筋混凝土结构时，混凝土强度等级不应小于C25，受力主筋的净保护层厚度不小于40mm11.2.3整体现浇衬砌的结构计算  1．一般规定(1)整体现浇衬砌一般采用荷载结构法进行结构计算2)隧道结构应按破损阶段法验算构件截面的强度结构抗裂有要求时，对混凝土构件应进行抗裂验算，对钢筋混凝土构件应验算其裂缝宽度 2．荷载结构法计算原理荷载结构法的设计原理认为，隧道开挖后地层的作用主要是对衬砌结构产生荷载，衬砌结构应能安全可靠地承受地层压力等荷载的作用计算时先按地层分类法或由实际公式确定地层压力，然后按弹性地基上结构物的计算方法计算衬砌的内力，并进行结构截面设计1)基本未知量与基本方程取衬砌结构结点的位移为基本未知量由最小势能原理或变分原理可得系统整体求解时的平衡方程为：    （11-2-1）式中．-衬砌结构的整体刚度矩阵，为mXm阶方阵，m为体系结点自由度的总个数；-由衬砌结构结点位移组成的列向量，即;-由衬砌结构结点荷载组成的列向量，即矩阵、和可分别由单元的荷载矩阵、单元的刚度矩阵和单元的位移向量矩阵{占}8构成。

故在采用有限元方法进行分析时，需先划分单元，建立单元刚度矩阵和单元荷载矩阵隧道承重结构轴线的形状为弧形时，需用折线单元模拟曲线划分单元时，只需确定杆件单元的长度杆件厚度d即为承重结构的厚度，杆件宽度取为1m相应的杆件横截面面积，抗弯惯性矩，弹性模量取混凝土的弹性模量2)单元刚度矩阵的计算设梁单元在局部坐标系下的结点位移为，对应的结点力为，则有：式中：-梁单元在局部坐标系下的刚度矩阵，可按下式计算 （11-2-3）式中：l-梁单元的长度； A-梁的截面积；  I-梁的惯性矩；  E-梁的弹性模量对于整体结构而言，各单元采用的局部坐标系均不相同故在建立整体矩阵时，需按式(11-2-4)将按局部坐标系建立的单元刚度矩阵[k]8转换成结构整体坐标系中的单元刚度矩阵 （11-2-4）式中：-转置矩阵，可按下式计算 （11-2-5）式中：β-局部坐标系与整体坐标系之间的夹角(3)地层反力作用模式地层弹性抗力由下式给出： （11-2-6） （11-2-7）式中：Fn、Fs-分别为法向和切向弹性抗力；Kn、Ks。

——相应的围岩弹性抗力系数，且K+、K-分别为压缩区和拉伸区的抗力系数，通常令杆件单元确定后，即可确定地层弹簧单元，它只设置在杆件单元的结点上地层弹簧单元可沿整个截面设置，也可只在部分结点上设置沿整个截面设置地层弹簧单元时，计算过程中需用迭代法作变形控制分析，以判断出抗力区的确切位置3．衬砌的内力和变形计算(1)采用荷载结构法计算隧道衬砌的内力和变形时，应通过考虑弹性抗力等体现围岩对衬砌变形的约束作用弹性抗力的大小及分布，对回填密实的衬砌构件可采用局部变形理论，按式(11-2-8)计算确定11-2-8)式中：-弹性抗力的强度(MPa)；    k-围岩弹性抗力系数；    -衬砌朝向围岩的变形值(m)，变形朝向洞内时取零进行衬砌计算时，围岩地层的特性参数值应按地质资料选用由于岩层性质具有明显的随机性特征，工程设计中按地质资料选用或按规范查取的围岩地层特性参数值仍与工程实际有差异，因而在隧道开挖后，应根据在施工现场进行的监控量测对其进行修正2)计算带仰。