第5章襯砌設計

5.1概述

隧道洞身的襯砌結構根據(jù)隧道圍巖地質(zhì)條件、施工條件和使用要求大致可以分為

以下幾種類型：噴錨襯砌、整體式襯砌和復合式襯砌。規(guī)范規(guī)定，高速公路的隧道應

采用復合式襯砌。隧道襯砌設計應綜合考慮地質(zhì)條件、斷面形狀、支護結構、施工條

件等，并應充分利用圍巖的自承能力。襯砌應有足夠的強度和穩(wěn)定性，保證隧道長期

安全使用。

襯砌設計應符合下列規(guī)定

（1）隧道襯砌斷面宜采用曲邊墻拱形斷面。

（2）隧道圍巖較差的地段需設置仰拱。地面與仰拱之間可以采用混凝土和片石混

凝土填充。當隧道底部為整體性較好的堅硬巖石時，可以不設仰拱。

（3）隧道洞口段應加強襯砌，一般兩車道隧道不應小于10m,本設計采用15m。

（4）圍巖較差的地段的襯砌應向圍巖較好的地段延伸5~10m。本設計地處不同圍

巖，采用延伸長度為8m。

（5）凈寬大于3m的橫通道與主洞的交叉段均應設加強襯砌，加強襯砌應向各交

叉洞延伸，主洞延伸長度不應該小于5m,橫通道延伸長度不應小于3m。

5.2荷載計算

5.2.1計算斷面參數(shù)選則

結構斷面所處圍巖類別為IV類，容重丫=21kN/m3,圍巖的彈性抗力系數(shù)K=0.5X

106kN/m3,襯砌材料為C25鋼筋混凝土，彈性模量Eh=2.95X107kPa,容重丫

h=25kN/m3,土的容重丫土=20kN/m3。

北秀山隧道圍巖接近虎林洞口端以及向內(nèi)為IV級圍巖，長度為約為568m；其余部

分為III級圍巖。

本隧道以錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架、等作為初期支護，以鋼筋混凝土

或素混凝土作為二次襯砌，初期支護和二次襯砌之間設置防水層，參照《公路隧道設

計規(guī)范》，具體設計參數(shù)如下

IV級圍巖:采用超前小導管的輔助施工方案;初期支護為長3m①25普通砂漿錨桿,

系統(tǒng)錨桿縱橫間距100X100cm,梅花型布置；中8單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25X25cm,18

號工字鋼，間距100cm；初次襯砌采用15cm厚噴射混凝土，二次襯砌為35cm厚C25

模筑混凝土帶仰拱。初襯和二襯之間設置1.2mm厚的PVC防水板和300g/m2無紡布作

為復合防水層不變和①25鋼筋配筋。

HI級圍巖：III級圍巖部分初期支護擬采用長3m①25普通砂漿錨桿，系統(tǒng)錨桿縱橫

間距100X100cm,梅花型布置，①8單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25X25cm,18號工字鋼，

間距100cm,10cm厚噴射混凝土，二次襯砌為35cm厚C25混凝土不帶仰拱。初襯和二

襯之間設置1.2mm厚的PVC防水板和300g/m2無紡布作為復合防水層不變和①25鋼筋

配筋。

行人橫洞襯砌設計為初期支護采用5cm厚C20噴射混凝土，局部錨桿，二次襯砌

為20cm厚素混凝土，初襯和二襯之間設防水板和無紡布作為復合防水層。

行車橫洞襯砌設計為初期支護采用10cm厚C20噴射混凝土，錨桿縱橫間距

100X100cm,梅花型布置，①8單層鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距25X25cm,二次襯砌為30cm

厚素混凝土，初襯和二襯之間設防水板和無紡布作為復合防水層。

5.2.2淺、深埋的判別

本設計隧道沿途所經(jīng)過的區(qū)域包括III、IV二種圍巖級別，淺埋與深埋隧道的分界

按荷載等效高度值，并結合地質(zhì)條件、施工方法等因素綜合判定。

我國隧道設計規(guī)范給出的計算各級圍巖的坍塌高度的經(jīng)驗公式

/i=0.45x2v_1x[l+;(B-5)](5—])

S一一圍巖級別

i——隧道寬度每增減1m時圍巖壓力的增減率，當B>5時，取i=0.1；

B---隧道寬度，m

本設計的最大開挖寬度為13.04m,考慮施工誤差等取13.1m。

另外本設計的最大開挖高度計算得

III級圍巖:h=3.168m

IV級圍巖:h=6.336m

III級圍巖深淺埋分界深度取Hp=2hq=2X3.168=6.336m

IV級圍巖的深淺埋分界深度取Hp=2.5X6.336=15.84m

Hp一一深淺埋隧道分界深度，m

hq——荷載等效高度，m

III級圍巖淺埋與超淺埋分界深度取Hp=hq=3.168m

IV級圍巖淺埋與超淺埋分界深度取Hp=hq=6.336m

從k257+900-k258+300為深埋段；

從k257+600-k257+900和k258+300-k258+600為淺埋段；

從k257+200-k257+600和k258+600-k258+850為超淺埋段。

5.2.3圍壓的確定

1、IV級圍巖界限截面計算（深埋）

圍巖豎向均布壓力

q—心巖=21x6.336=133.0560kPa

圍巖水平均布壓力

e=0.25^7=0.25x133.0560=33.264ZP。

2、深埋、淺埋界限截面計算（淺埋）

圍巖豎向均布壓力

(h...\

4=7巖力巖11一]二％tan6J+7土力士

0=27。，,=0.7。=0.7x27。=18.9。,0=50。

則ta"=tan4叵至遜逋

丫tan服-tan0

J.1917542+1)1.191754

1.191754+

.191754-0.342377

=3.034545

尸-

tantan(pc

尸

tan[1+tan6(tan(pc-tan0)+tan(pctan0]

________________________3.034545-1.191754_________________________

3.034545x[1+3.034545x(1.191754-0.342377)+1.191754x0.342377]

=0.152370

11,620x0.152370x0.342377|+20x5.00

貝普=21x11.6201-

12.60J

=332.280kPa

圍巖水平均布壓力

（H、

e=X1r巖人巖+口±±+「巖于

（975、

=0.15237021x11.620+20x5.0+21x——

I2J=68.017Qa

3、淺埋、超淺埋界限截面計算（超淺埋）

圍巖豎向均布壓力

q=y巖h巖+/1/?!=21x5.62+20x4.02=198.42kPa

圍巖水平均布壓力

e=[巖幅+y土人土+/巖春卜”45。_?)

以，…M…C,10.05250°A

=I21x5.62+20x4.02+21x———Itan[45—I

=40.265fcP?

5.3襯砌內(nèi)力計算

5.3.1計算方法

襯砌內(nèi)力計算采用荷載結構法

5.3.2計算圖示

計算圖示采用半拱結構，在主動荷載作用下，頂部襯砌向隧道內(nèi)變形而形成脫離

區(qū)，兩側襯砌向圍巖方向變形，引起圍巖對襯砌的被動彈性抗力，形成抗力區(qū)。為了

方便計算，利用辛普生法近似計算各類位移，因此將半拱結構等分為8塊，各分塊上

的外力近似地認為作用各分塊截面的中點上.

計算圖示如下

圖5.1IV級圍巖內(nèi)力計算圖示

5.3.3襯砌幾何要素

1、襯砌幾何尺寸

內(nèi)輪廓線半徑rl=5.70m,r2=8.20m

內(nèi)徑所畫圓曲線的終點截面與豎直軸的夾角4)1=90°,4)2=101.5725°

截面厚度d=0.60m

外輪廓線半徑Rl=6.3m,R2=8.80m

拱軸線半徑ri'=6.00m,r2'=8.50m

拱軸線各段圓弧中心角01=90°,02=11.5725°

2、半拱軸線長度S及分段軸長

分段軸線長度

Qon°

S,=—!-町=＞一x3.14x6.00=9.4247778m

180°180°

Oii5725°

S.-環(huán)=------x3.14x8?50=1.716814906m

2180°2180°

半拱軸線長度

s=S1+S2=9.4247778+1.716814906=11.14159271m

將半拱軸線等分為8段，每段軸長為

11.1415927

AS=-=1.392695〃

88

3、各分塊接縫（截面）中心幾何要素

（1）與豎直軸夾角四

AC]Q0O1ono

%=A6=—x——=1.392699+6.00x——=13.2993°

r.7i3.14

%=%+A仇=13.2993°+13.2993°=26.5986°

%=%+△:=26.5986°+13.29930=39.8979°

%=。3+△優(yōu)=39.8979°+13.2993°=53.1972°

%=a4+△4=53.19720+13.2993°=66.4965°

%=。5+A.=66.4965°+13.2993°=79.7958°

AS,=7AS—S1=7x1.392699-9.4247778=0.3241152

CA5,180°0.3241152180°

a74+—Ax------=90°+--------------x-------=92.1848°

r27t8.503.14

A5180°1.392699180°

A%—rx------------------x-------=9.3877°

r27i8.503.14

a8=a7+A6?2=92.1848°+9.3877°=101.5725°

另一方面a8+02=90°+11.5725°=101.57250

角度閉合差AaO

（2）接縫中心點坐標計算

a=r2—r]=8.20—5.70=2.50m

玉=6sin%=6.00x0.2300=1.3802m

%2=八sin%=6.00x0.4477=2.6864m

x3=4sin%=6.00x0.6414=3.8485m

龍4=4sin。4=6.00x0.8007=4.8042m

x5=^sin?5=6.00x0.9170=5.5022m

x6=4sina6=6.00x0.9842=5.905hn

x7=r2s]na7-a=8.50x0.9993-2.50=5.9938m

x8=￡sing—〃=8.50x0.9797-2.50=5.8272m

%=(1-cos6Zj)=6.00x(1-0.9732)=0.1609m

y2=(1-cosa2)=6.00x(1-0.8942)=0.6350/77

%=4(1-cos%)=6.00x(1-0.7672)=1.3969m

y4=zj(1-cosa4)=6.00x(1-0.5991)=2.4056m

y5=zj(1-cosa5)=6.00x(1-0.3988)=3.6072m

y6=zi'(l-cosa6)=6.00x(l-0.1772)=4.9371租

yy=f]-r2cos%=6.00-8.50x(-0.0381)=6.3240/77

y8=rx-r2cosa8=6.00-8.50x(-0.2006)=7.7052m

5.3.4主動荷載作用下的襯砌壓力的計算

1、計算位移

(1)單位位移

單位位移值計算如下

2699

8=,殺?—Y-=由X444.4448=20.9823xIO-6

"UJ。耳，"/2.95x107

y1.392699

x1289.1973=60.8632xlO-6

…L?！?-2.95xIO’

1.392699

x6304.2391=297.6240x1(T6

7

412.95xlO

計算精度校核為

必+2d2+22=(20.9823+2x60.8632+297.6240)x10-6=440.3327xIO-6

砥償工用=黑涔9327.。785=44。3326"小

閉合差AvO

用辛普生近似計算，按計算列表5.1進行。

表5.1單位位移計算表

2、載位移（主動荷載在基本結構中引起的位移）

截面asinacosaXydI1/1y/iy2/I(i+y)2/l積分系數(shù)1/3

55.550.0055.55

00.0000O.(MXX)l.0000().(XX)O0.00000.600.018()0.(X)001

560056

55.558.9374.87

113.29930.23000.97321.38020.16090.600.01801.43834

568917

55.5535.27148.51

226.59860.44770.89422.68640.63500.600.018022.40142

567826

55.5577.60319.17

339.89790.64140.76723.84851.39690.600.0180108.40734

565641

55.55133.64644.34

453.19720.80070.59914.80422.40560.600.018()321.49532

564600

55.55200.401179.23

566.49650.91700.39885.50223.60720.600.0180722.88354

560294

55.55274.281958.28

679.79580.98420.17725.90514.93710.600.01801354.16532

563680

55.55351.332980.05

792.18480.9993-0.03815.99386.32400.600.01802221.83384

563666

55.55428.064210.03

890.00001.00000.00005.82727.70520.600.01803298.34191

567015

444.441289.199327.07

Z6304.2391

487385

豎向力Qi=qbj(5-2)

式中，為襯砌外緣相鄰兩截面之間的水平投影長度

4=1.4492m,b2=1.3420加，b3=1.2497/n,b4=1.0035m,

b5=0.7329機，仄=0.4230/〃，b=0.0996m

-6.3Qm=：=6.30m

水平壓力Ej=e%(5-3)

式中々為襯砌外緣相鄰兩截面之間的豎直投影長

%=0.1690/〃，h2=0.4831in,hy=0.8146/n,/i4=1.0592m,

h5=1.2616m,hk=1.3964m,/?7=1.4516m,4=1.4299m

Z4=8.0654mxH=8.0655m

自重力G,=dxAsxrh=0.60x1.392699x25=20.8905kPa

式中d為接縫的襯砌截面厚度

作用在各楔塊上的力均列入表5.2,各集中力均通過相應圖形的形心。

（1）外荷載在基本結構中產(chǎn)生的內(nèi)力

楔塊上各集中力對下一接縫的力臂由圖中量得，分別記為3,4

內(nèi)力按下式計算

彎矩

M；,=與￡（Q+G）-”ZE-Q4-G%-Eae

II（5-4）

軸力

然=sin%Z（Q+G）-cosE

<,，（5-5）

式中Ax,為相鄰兩接縫中心點的坐標增值，按下式計算

Ax,.=xi-x,_1

△%（5-6）

深埋截面的的計算見表5.2及表5.3。

表5.2彎矩計算表

集中力力臂

-Axl-△yZ

截面-Q叫-Gag-EaeZ(Q+G)ZE△x△yMpO

(Q+G)E

QGEaqagae

0.0.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0

00000(X)000000000(X)000000(X)000000000000

192.20.85.60.60.60.3-126.-14.3-2.10.00.01.30.10.00.0-142.

8319021556864764420391600008026090000875

178.20.816.00.50.60.5-96.-13.1-8.2213.75.61.30.4-279.1-2.6-542.

2

5679068381286105087310321210627416265123

166.20.827.00.40.50.6-71.-12.0-17.2413.121.61.10.7-480.1-16.5-1140.

3

2859094324770375902547278896216195425028

133.20.835.20.260.40.7-34.-9.4-24.9600.348.70.91.0-573.7-49.2-1832.

526902915547093917998853825570875707396

9720.841.90.00.30.7-8.-6.7-31.4754.784.00.61.2-526.8-100.9-2507.

5

.5209061913214505904149268119800162848281

56.20.846.4-0.00.10.74.-3.5-34.8873.1125.90.41.3-351.8-167.5-3060.

6

2849044837709513711709478720292990330368

13.20.848.2-0.20.00.73.-0.1-34.4950.3172.40.01.3-84.2-239.1-3415.

2539080564090143398888752178878699624065

0.20.847.5().0-0.10.60.02.2-31.1984.4220.6-0.11.3164.0-304.8-3584.

8

000905800005754800084195976668121726808

表5.3軸力計算表

截EisinacosaZ(Q+G)ZEsinaZ(Q+G)cosaXENpO

00.00001.00000.0000.0000.0000.0000.000

10.23000.9732213.7215.62149.1565.47043.686

20.44770.8942413.17821.689184.98019.394165.585

30.64140.7672600.35348.782385.06637.426347.640

40.80070.5991754.76884.011604.34350.331554.012

50.91700.3988873.178125.972800.70450.238750.466

60.98420.1772950.352172.417935.33730.552904.785

70.9993-0.0381984.495220.697983.806-8.409992.215

81.00000.00001005.385268.2551005.3850.0001005.385

基本結構中，主動荷載產(chǎn)生彎矩的校核為

=―4陵—()=-133.06xx[5.8272-=-2244.2379

M?=--H2=-@竺x8.06542=一1。81.7928

8e22

“北=-EG&-x,.+??,.)=-280.1897

Mo鼠/}=cM>c/L+oMel+oMg；.=-2244.2379-1081.7928-280.1897=-3606.2204

另一方面，從表5.2中得到=-3584.8080

3606.2204-3584.8080

閉合差A=-----------------x---1-0--0-%----=--0--.5973%

3584.8080

淺埋截面的M：N；p的計算見表5.4及表5.5。

表5.4彎矩計算表

集中力力臂

截-Q-Ga-EaZ(Q△-△xg-Ay

ZE△XMpO

面aqge+G)y(Q+G)ZE

QGEaqagae

0.00.0

0.00.000.00.000.000.00.00.00.000.00.00.000.00

000000.000

00000000000000000000000

00

-3

48II.0.60.1

20.80.680.3715.-14.-4.30.000.01.30.00-334.

11.54955600.000

90646469339270008020363

40569

8

-2

4432.0.50.4-126

20.80.620.5139.-13.-16.502.11.41.3-656.2-5.4

25.98538745.94

9086059413177543095062745()

209112

9

-1

4155.0.40.7-265

20.80.570.6379.-12.-35.969.44.1.1-1126.-33.

35.240326)3.01

90707555054322240354621354793

507499

4

3372.0.2-81.0-424

20.80.450.70-9.4-51.140599.0.9-1343.-100

43.404617.1084.56

90479399101.380761557122.628

43459573

2485.0.0-21711.2-577

20.80.320.75-6.7-64.17590.6-1228.-206

53.581912.2.80012.63

90140514401.713980280.440

280334462

1494.-0.11.2571.3-699

20.80.170.75-3.5-71.20240.4-815.5-342

60.5970876.61293.91

90091370358.13102922.601

549374499

33.98.-0.3521.3-773

20.80.000.718.4-0.1-70.21850.0-193.8-489

7097325.59869.01

9090438688525.57688761.012

5364399

97.0.04511.3-805

0.020.8-0.10.650.02.2-63.2239-0.1373.11-623

82500.32810.75

0090057480008684.5616661.373

80727

表5.5軸力計算表

截面sinacosaE(Q+G)EEsina￡(Q+G)cosaEENpO

00.00001.00000.0000.0000.0000.0000.000

10.23000.9732502.43011.495115.55911.187104.372

20.44770.8942969.24044.354433.92939.661394.267

30.64140.76721405.38099.761901.41176.536824.874

40.80070.59911759.713171.8041409.002102.9281306.074

50.91700.39882024.131257.6141856.128102.7371753.392

60.98420.17722185.576352.5932151.04362.4802088.564

70.9993-0.03812239.561451.3272237.993-17.1962255.188

81.00000.00002260.451548.5842260.4510.0002260.451

基本結構中，主動荷載產(chǎn)生彎矩的校核為

M°=-q-[x.-^\=-332.28xx(5.8272-=-5604.3542

892V4J2<4)

-//2=-68-017x8.06542=-2212.2760

8e22

=-EG&-X,+4)=_280.1897

M；p=M；+M；e+M；g=-5604.3542-2212.2760-280.1897=-8096.8199

另一方面，從表5.4中得到M；p=-8050.7570

8050.7570-8096.8199

閉合差A=-------------x--1-0-0--%-=--0-.5722%

8050.7570

超淺埋截面的M：N；p的計算見表5.6及表5.7o

表5.6彎矩計算表

集中力力臂-△xg

截面-Qaq-Gag-EaeZ(Q+G)ZE△X△y-AygEMpO

(Q+G)

QGE叫agae

00.0000.0000.0000.0000