高速公路双向四车道隧道设计
一、设计资料：
1、工程概况：焦晋高速二号隧道通过Ⅳ级围岩（即S=4），埋深H=20m，隧道围岩天然容重γ =25KN/m3，计算摩擦角ф =50 , 隧道轴线与山脊走向基本垂直。
2、地形地质等条件：
作区属温带季风气候区，其特点为夏季温暖，冬季较冷，年降水量500—1000 毫米，主
要集中在夏季，冬夏温差由南向北增大，降水量由南向北减少。
3、设计标准设计等级：高速公路双向四车道；地震设防烈度：7 级
4、计算断面资料：桩号：K120+910.00 ；地面高程：906.2m；设计高程：886.2m；围岩
类别：Ⅳ类；复合式衬砌类型：单心断面；工程地质条件及评价：该段隧道通过微风化粉砂岩地段，节理裂隙不发育，埋置较浅，
围岩稳定性较好。
5 、设计计算内容
（1）确定隧道开挖方式及隧道断面布置图；
（2）围岩压力计算；
（3）隧道支护设计图；
（4）隧道衬砌设计图。
6、设计依据
（（1）中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》JTG D70-2004, 人民交通出版社，2004年9 月；
（2）中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG
D62-2004, 人民交通出版社，2004 年；
（3）夏永旭编著《隧道结构力学计算》，人民交通出版社，2004 年；（4）本课程教材《隧道工程》，中南大学出版社；
5、设计计算内容
（1）确定隧道开挖方式及隧道断面布置图；
（2）围岩压力计算；
（3）隧道支护设计图；
（4）隧道衬砌设计图。
6、设计依据
（1）《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004 ）；
（2）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94 ）；
（3）《隧道工程》王毅才主编人民交通出版社；
（4）《地下结构静力计算》天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室编中国建筑工业出版社。
P29）本高速公路位于豫北山区，取设计时速为V k 100km/h ，则建筑限界高度H ＝
5.0m。且当V k 100km/ h 时，检修道J 的宽度不宜小于0.75m，取J 左=J右=1.20m，
检修道高度h＝0.5m。设检修道时，不设余宽，即：C=0。取行车道宽度W=3.75m×2＝
7.5m，侧
向宽度为：L L L R 1.00m ，建筑限界顶角宽度为：E L E R 1.00m ，隧道纵坡不应
（P61）由《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）4.4.6 有：上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。本隧道长168m，设置一处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。
图二人行横通道的断面建筑限界（单位：cm）故：隧道限界净宽为：11.9m；
其中：行车道宽度：W=3.75m× 2＝7.5m；侧向宽度为：L L L R 1.00m ；检修道宽度：；J左=J 右=1.20m 隧道限界净高：5m；
内轮廓形式：单心圆R=7m；净高：7m；净宽：12m；向外取衬砌厚度0.5m，则：隧道开挖宽度Bt=13m；隧道开挖高度：H t=7.5m；取两分离式洞口之间左右间距为
50m；该段隧道的埋深H＝20m。
洞口的开挖方式见施工组织设计。
、围岩压力计算
Ht 7.5 0.577 1.7
Bt 13
隧道支护结构的垂直均布压力：
qh
s1 h 0.45 2s 1 其中：s=4，取=25KN/m3，
因B>5m,取i ＝0.1 ， 1 i(B 5) 1 0.1 (13 5) 1.8，
q h 0.45 2s 1136KPa ，
荷载等效高度：h q q 136 5.44m ；q 25
深、浅埋隧道分界深度：H p 2.5h p 2.5 5.44 13.6m H 20m ，
故为深埋隧道。
水平均布围岩压力：e (0.15 0.30) 136 20.4 40.8KPa ，取e=30KPa。
三、隧道支护查看《公路隧道设计规范》 (JTG D70-2004 )，则：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。高速公路应采用复合式衬砌。
复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌设计应复合下列规定：
1、初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。
2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚
衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。
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选用。
由表，对于Ⅲ级围岩，有：
初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为8～12cm，拱、墙锚杆长度为2.0 ～3.0m，间距1.0 ～1.5m；钢筋网：局部@25× 25；
二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm。
本隧道大部分地段为深埋隧道。深埋隧道外层支护，根据《规范》规定，采用锚喷支护，锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆，规格22×2500mm，间距1.0 ～1.5m，锚喷混凝土厚度120mm；钢筋网：局部@25× 25。
四、隧道衬砌设计与计算因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计，采用直墙式衬砌，拱顶采用单心圆。
取衬砌中线为计算线，则：隧道计算宽度为 12.3m ，计算高度为 7.2m 。
1、 隧道衬砌资料：
顶拱和边墙的厚度均为 0.5m ，宽度为 1.5m ，跨度 l ＝ 12.9m ，拱的矢高 f ＝ 3.7m ，垂直均布 压力 q=136KPa ，侧向均布压力 e=30KPa ，衬砌选用 C30 混凝土，其弹性模量
E=31GPa ，围岩 弹性抗力系数 K 200 103 t
3 。
m
四、洞口、洞门
1、 洞口
根据地形条件，结合防排水要求，以“早进洞，晚出洞”为原则确定洞口位置，由于三车道 隧道跨度大，净空高，一般情况下成洞面处边坡及仰坡高度接近 20m ，为了保证边仰坡的稳
定，尽量恢复洞口自然景观，洞口段均设一段明洞。
2、 洞门 （1）焦晋高速二号段洞口地形较缓，地质条件差，经综合分析采用翼墙式洞门，混
凝土空
心块铺设，空心植草，明洞段边、仰坡采用土锚喷混凝土防护。洞门形式见下图。
图 [2-3] 翼墙式洞门（单位 mm
）
图三 隧道衬砌计算模型 （单位： mm ）
（2）焦晋高速二号隧道采用明洞出洞，洞门上部无回填土石，荷载较小，且对洞门下部地 基进行了土石置换， 干砌片石回填处理加固， 地基承载力较好， 故明洞洞门按照构造要求设 计，不需进行洞门计算及验算。 五、支护及衬砌
根据《公路隧道设计规范》 ，所选取的建筑材料如下： 明洞衬砌，钢筋混凝土二次衬砌及洞
内沟管采用 C25 混凝土，素混凝土二次衬砌采用
C20混凝土，初期支护采用 C20喷射混凝土，仰拱回填采用 C10 混凝土。 预支护设计
以上的计算结果表明：墙的各截面处其弹性抗力为拉力（对围岩） ，这是不合理的但是由于 数值较小故计算结果仍然可用。
根据假定， 墙下端不能产生水平位移， 故该处的弹性抗力应等于零， 而计算结果不为零， 这是由于计算误差所致。 预支护指预先设于隧道轮廓线以外一定范围内的支护或与开挖面后方的支护的共同组成的 支护系统， 是有效的辅助施工措施。 可以在隧道开挖后至洞顶支护结构产生支护作用前的时 段内，支承临空的岩体，从而维持开挖面的围岩稳定 超前锚杆设计锚杆参数按经验选取
（ 1）锚杆直径： III 级围岩为 18～ 22mm ，Ⅳ级围岩为 20～ 24mm 。 （2）锚杆长度：一般为 3～ 5m ，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序循环进尺相配合，拱部 超前锚杆纵向两排之间应重叠 1m 以上的水平搭接段。
（ 3）锚杆间距： III 级围岩为 40～ 60cm ，Ⅳ级围岩为 30～ 50mm 。
（4）锚杆外插角：拱部 III 级围岩为 5°～ 30°， IV 级围岩拱部为 10°～ 20°；边墙为 10°～ 30°。填充砂浆标号≥ 200 号，并选用早强砂浆。 初期支护设计
初期支护指锚杆喷射混凝土支护，在杨家川隧道中采用了钢筋网和钢架配合支护。
1 喷射混凝土支护设计
（ 1）喷射混凝土支护设计厚度的计算 对于喷层的抗局部冲切破坏或粘结破坏的计算如
下，
A. 按冲切破坏计算喷层厚度 d 1 ，可按式
式中， G ——不稳定岩块重力， kg ；
R L ——喷射混凝土设计抗拉强度， MPa ； u ——不稳定岩块露出面周边长度， cm ； K ——安全系数，取 2.5 。
GK 272430 2.5
IV 级围岩分布区： d 2 4.98 cm33
2
uR n 4560 30
其中， G =272.43MPa ， R n =30MPa ， u =4.56m ， K =2.5 （ 2）钢筋网喷射混凝土支
护设计
钢筋网喷射混凝土支护设计应符合下列要求：
B.
d
1
GK uR L
A 、钢筋网喷射混凝土的厚度不应小于 100mm ，且不能大于 250mm ；
B 、钢筋网按构造要求设计，钢筋直径一般为 4～ 12mm ，我们具体施工时可以参考选用直径 在 6～ 10mm 范围内的钢筋；
C 、钢筋间距考虑布置在 150～ 300mm 范围之间；
D 、钢筋网保护层厚度不应小于 20mm 。
2 锚杆支护设计： 锚杆在衬砌中取到的作用有：悬吊作用、组合梁作用、加固作用。 锚杆支
护设计参数计算（锚杆局部加固计算）
（ 1）锚杆加固拱部危岩计算，一般按悬吊原理确定锚杆参数，计算简图如下图，
图：锚杆计算图
A 、所需锚杆截面面积 A g 按式 [3-15] 、式 [3-16] 计算（锚杆将重力为 W 的危岩锚固在
稳定
岩体上，危岩使锚杆产生拉力 N 和剪力 Q ，
Ag
KQ
sin
r
g
W sin(
)
sin
Q ——危岩使锚杆产生的剪力 Q ，按式 [3-18] 计算：
Wsin sin R g ——钢筋抗拉设计强度， MPa ； r g ——钢筋抗剪设计强度， MPa ；
——锚杆与地质结构面的夹角，度； ——锚杆与铅垂线的夹角，度； K ——安全系数，
一般取为 2.4 。 并且可按上式直接计算钢筋直径 d ，
d
4KN
R g
式中符号意义同前。
A
g
KN R g
式中，
危岩使锚杆产生的拉力 N ， 按式 [3-17]
计算：
3、二次衬砌设计
（二次衬砌宜采用等厚薄形马蹄形断面，在圆、弧、直线间应圆顺连接。 II 类围岩的 二次衬砌不受力或受力不大， 根据施工和构造要求确定衬砌厚度， 通常采用二次衬砌的最小 厚度，一般为 30cm 。 III 级及以上围岩复合式衬砌按承载结构设计，为发挥围岩自承作用， 允许围岩与支护衬砌有一定变形，故二次衬砌不宜太厚（不宜大于 45cm ），一般取为 45cm 。
并且，仰拱衬砌的厚度为 60cm 。
为保证隧道衬砌、 通信信号和供电线路等设施正常使用， 隧道衬砌应根据要求采取防水 措施。 当有地下水时， 初期支护和二次衬砌之间可设置塑料板防水层或采用喷涂防水层， 也 可采用防水混凝土衬砌； 当地下水小时， 仅在公布设置防水层。 防水层一般采用全断面不封 闭的无压式， 也可用全断面封闭的有压式。 防水层应在初期支护变形基本稳定后、 二次衬砌 灌注前施作。
最后，得出鹤山隧道衬砌设计参数，如表（下表）所示，
IV 级围岩分布
区：
KN 2.4 205.54 2
A g 1.45 cm 2
g
R g 340 KQ 2.4 52.77 2
4KN d
R g
3.14 340
其中， N
Wsin( ) 272.43 sin(20 5 ) 205.54kN
sin20 =20°， sin W sin 207.43 sin5 52.77kN
sin
=5°， sin 20 W =272.43kN ， R g =340Mpa
4 2.4 176.66 1.26cm