第四章洞门设计
4.1洞门设计步骤
《规范》关于洞口的一般规定
1.洞口位置应根据地形、地质条件，同时结合环境保护、洞外有关工程及施工条件、营运要求，通过经济、技术比较确定。
2.隧道应遵循“早进洞、晚出洞”的原则，不得大挖大刷，确保边坡及仰坡的稳定。
3.洞口边坡、仰坡顶面及其周围，应根据情况设置排水沟及截水沟，并和路基排水系统综合考虑布置。
4.洞门设计应与自然环境相协调。
4.1.1确定洞门位置洞口位置的确定应符合下列要求
1.洞口的边坡及仰坡必须保证稳定。
2.洞口位置应设于山坡稳定、地质条件较好处。
3.位于悬崖陡壁下的洞口，不宜切削原山坡；应避免在不稳定的悬崖陡壁下进洞。
4.跨沟或沿沟进洞时，应考虑水文情况，结合防排水工程，充分比选后确定。
5.漫坡地段的洞口位置，应结合洞外路堑地质、弃渣、排水及施工等因素综合分析确定。
6.洞口设计应考虑与附近的地面建筑及地下埋设物的相互影响，必要时采取防范措施。
7.洞门宜与隧道轴线正交；地质条件较好；做好防护；设置明洞。
洞口地质条件
洞口入口端位于山体斜坡下部，斜坡自然坡度约45°左右，隧道轴线与地形等高线在右洞为大角度相交，位置较好，围岩上部为覆盖层为碎石质，厚度为0.6m-1.7m，下部为砂质板岩，全风化岩石厚为0-2.0m强风化岩厚为0-6.4m,砂质板岩与变质砂岩中风化厚度为8.1-15.8m;为软岩,薄层状结构,岩体破碎,软
岩互层,主要结构面为层面及节理裂隙面,结构面的不利组合对围岩有影响;地下水以基岩裂隙水为主,围岩为弱透水,可产生点滴状出水,局部可产生线状出水;围岩稳定性差。
4.1.2确定洞门类型
洞门类型及适用条件
洞门的形式很多，从构造形式、建筑材料以及相对位置等可以划分许多类型。目前，我国公路隧道的洞门形式有: 端墙式洞门翼墙式洞门环框式洞门台阶
遮光棚式洞门等。柱式洞门式洞门．
端墙式洞门
适用于岩质稳定的Ⅲ级以上围岩和地形开阔的地区，是最常使用的洞门型式翼墙式洞门
适用于地质较差的Ⅳ级以下围岩，以及需要开挖路堑的地方。翼墙式洞门由端墙及翼墙组成。翼墙是为了增加端墙的稳定性，同时对路堑边坡也起支撑作用。其顶面一般均设置水沟，将端墙背面排水沟汇集的地表水排至路堑边沟内
环框式洞门
当洞口岩层坚硬、整体性好（I级围岩）、节理不发育，路堑开挖后仰坡极为稳定，并且没有较大的排水要求时采用
台阶式洞门
当洞门傍山侧坡地区，洞门一侧边坡较高时，为减小仰坡高度及外露长度，可以将端墙顶部改为逐步升级的台阶形式，以适应地形的特点，减少仰坡土石方开挖量。
遮光棚式洞门
当洞外需要设置遮光棚时，其入口通常外伸很远。遮光构造物有开放式和封闭式之分，前者遮光板之间是透空的，后者则用透光材料将前者透空部分封闭。但由于透光材料上面容易沾染尘垢油污，养护困难，所以很少使用后者。形状上又有喇叭式与棚式之分
洞门形式的选择
按分类，隧道右线属长隧道，基本服从于路线走向，路线与地形等高线基本正交，洞门按受力结构设计。洞门形式结合实际地形、地质情况选定。根据洞门所处地段的地形地貌及工程地质条件，遵从“早进洞，晚出洞”的设计原则，并考虑洞门的实用、经济、美观等因素，因此本隧道使用翼墙式洞门（带挡土墙）,使用翼墙式洞门。
4.1.3 洞门构造要求
按《公路隧道设计规范》（JTG-2004）,洞门构造要求为：
(1)洞门仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不宜小于1.5m，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，洞门墙顶高出仰坡脚不小于0.5m。
(2)洞门墙应根据实际需要设置伸缩缝、沉降缝和泄水孔；洞门墙的厚度可按计算或结合其他工程类比确定。
(3)洞门墙基础必须置于稳固地基上，应视地基及地形条件，埋置足够深度，保证洞门的稳定。基底埋入土质地基的深度不小于1.0m，嵌入岩石地基的深度不小于0.5m；基底标高应在最大冻结线以下不小于0.25m。基底埋置深度应大于墙边各种沟、槽基底的埋置深度。
松软地基上的基础，可采取加固基础措施。洞门结构应满足抗震要求。(4)．4.1.4 验算满足条件
采用挡墙式洞门时，洞门墙可视为挡土墙，按极限状态验算，并应验算绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。验算时应符合表3.1和表3.2（《公路隧道设计规范》JTG-2004）的规定，并应符合《公路路基设计规范》、《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》、《公路桥涵地基与基础设计规范》的有关规定。
表4.1 洞门设计计算参数
仰坡计算摩擦重基地摩擦系基底控制压应力3o（Mpa））率（） f
（kN/m0.80 25 1:0.5 70 0.60
0.60 60 24 0.50 1:0.75
0.40-0.35 1:1 50 20 0.40
0.30-0.25
18 43-45 1:1.25 0.40
0.25
38-40
17
0.35-0.40
1:1.5
表4.2 洞门墙主要验算规定
墙身界面荷≤结构抗力效应值Rd墙身截面荷载≤结构抗力效应值Sd（按极限状态计算）效应值载效应值Sd Sd （按极限状态计算）
滑动稳定安全墙身截面偏≥Kc
倍截面厚度心距e 1.3 系数≤0.3倾覆稳定安全≥基底应力ζ系数Ko 1.6 ≤地基容许承载力
岩石地基≤B/5-B/4；基底偏心距 e 土质地基≤ B/6
4.2龙洞翼墙式洞门结构设计计算
4.2.1计算参数
计算参数如下：
(1)边、仰坡坡度1:1.25；
(2)仰坡坡脚ε=39°，tanε=0.8，α=9°；
(3)地层容重γ=18KN/m3;
(4)地层计算摩擦角φ=45°；
(5)基底摩擦系数0.4；
(6)基底控制应力【ζ】=0.3Mpa
4.2.2建筑材料的容重和容许应力
（1）墙端的材料为水泥砂浆片石砌体，片石的强度等级为Mu100，水泥砂浆的。M10强度等级为3。t=22KN/ m γ=2.2Mpaa）容许压应力【（2ζ】，重度
洞门各部尺寸的拟定4.2.3．
根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），结合洞门所处地段的工程地质条件，拟定洞门翼墙的高度：H=13.35m；其中基底埋入地基的深度为1.59m，洞门翼墙与仰坡之间的水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度1.8m，洞门翼墙与仰坡间的的水沟深度为0.5m，洞门墙顶高出仰坡坡脚1.05m，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离为2.5m，墙厚2.48m，设计仰坡为1:1.25,具体见图纸。
4.3洞门验算
4.3.1洞门土压力计算
根据《公路隧道设计规范》（JTG-2004），洞门土压力计算图示具体见图3.2。
图3.2 洞门土压力计算简图
最危险滑裂面与垂直面之间的夹角：
22??????????)?)(tantan?tantan?tantantan?(1?tan)(1)(tan?tantan w?
2?????)tantan?(1tan?)tan?(1tan?——围岩计算摩擦角:; 式中ε——洞门后仰坡坡脚；
α——洞门墙面倾角
代入数值可得：
2o2ooooooo)39tan9tan)(1)(tan45??tan39tan)(tan45tan945??tan9tan39?(1?tantan45??tan o22ooo)93945tan(1tan39 ?(1tan?45tan)?tan?0.6799o?34.21?
根据《公路隧道设计规范》（JTG—2004），土压力为；
12????b)]??h(E?h[Hh002????)tan?tantan)(1(tan???
????)tan?tan)(1tan(??tan a a??h由三角关系得：?h
o????tantan1?tantan?;
）——土压力（KN式中: E3?）KN/m ——地层重度（λ——侧压力系数；
ω——墙背土体破裂角；
b——洞门墙计算条带宽度（m），取b=1.0m；
ξ——土压力计算模式不确定系数，可取ξ=0.6。
把数据代入各式，得：
oooo)39tan9?tan9tan)(1(tan34.21????0.1928
oooo tan(34.21?39)(1?tan34.21tan39)2.5?4.7937h'?m
oo9tan?34.21tan o39tan2.5?h??2.3223m ooo399tan1?tan洞门土压力E：12???bh)](hE?'[H??h oo212?2.3223?(4.7937?2.3223)]?[13.35?1.0?0.618???0.1928
2KN191.4783???)?191.4783?cos(34.21??9?)?178.EE??cos(?7604kN x??)?191.4783?s in(34.21?E?sin(??9?)?68.6197kN?E y22Oo??30??45??式中：δ——墙背摩擦角33
抗倾覆验算4.3.2．
翼墙计算图示如图3.3所示，挡土墙在荷载作用下应绕O点产生倾覆时应满足下式：
?M y?1.6k??0M0式中: K——倾覆稳定系数，；
1.6k?00?M——全部垂直力对墙趾O点的稳定力矩；y?M——全部水平力对墙趾O点的稳定力矩；0
图3.3 墙身计算简图
由图3.3可知：
墙身重量G：G?13.35?2.48?18?1.0?595.9440KN
H13.35??4.45mZ?对墙趾的力臂：E x x33?对墙趾的力臂：
y o?/3?tan93.1848m)/3?2.48?13.35Z?B?(H tan?yo?9tan?13.35?H tan?2.48B G对墙趾的力臂：Z???2.2972m G22?M?G?Z?E?Z?595.940?2.2972?68.6197?3.1848yGyy
?1587.5529KN?M?M?E?Z?178.7604?4.45x0x
?795.4837KN?M代入上式得：
?M y1587.4837?1.9957K???1.60795.4837?M0故抗倾覆稳定性满足要求。
4.3.3抗滑动验算
对于水平基底，按如下公式验算滑动稳定性：
?N?f?1.3K??c E——滑动稳定系数: K式中c?N
——作用于基底上的垂直力之和；??EE——墙后主动土压力之和，取=E ；x f=0.4 ——基底摩擦系数，取 f 由图3.3得：(G?E)(595.9440?68.6197)y
?1.4870???K1.3c178.7604E x故抗滑稳定性满足要求。．
4.3.4基底合力偏心矩验算
?N，其对墙趾的力臂为Z，合力偏心矩为设作用于基底的合力法向分力为N e，则：
??MM?G?Z?E?Z?E?Z0yxxyGy?Z?
?N y
n G?E
1587.5529?795.4837??1.1919m
595.9440?68.6197B2.48?Z??1.1919?0.0481?0e?n22合力在中心线的右侧。
B0.41330.0481??e?6计算结果满足要求。
?N6e(595.9440?68.6197)6?0.0409299.1767max Kpa?)(1???(1?)??
??，计算结果满足要求。
236.7617min Kpa B2.48B2.48
Mpa??[0.3]?299.1767Kpa max
4.3.5墙身截面偏心矩及强度验算
（1）墙身截面偏心矩e
M e??0.3B N式中： M——计算截面以上
各力对截面形心力矩的代数之后； N——作用于截面以上垂直力之后。
2.481
3.3513.35HHB?68.6197?(?)??EM??(?)?E?178.7604
yx232322m?312.6534KN?N?G?E?595.9440?68.6197?664.5637KN y将数据代入墙身偏心矩E的公式，可得：
M312.6534e???0.4705?0.3B?0.744，计算结果满足要求。N664.5637?）应力（2?N6e?)?(1?BB．
?N6e664.56376?0.4705??]?[2.2?Mpa)(1??572.9771kpa?(1)??
a B2.482.48B满足要求。
通过以上的验算，说明龙洞端翼墙式洞门的尺寸合理。详图见设计图纸。
排水设计
隧道排水应根据防排堵截结合，因地制宜，综合治理的原则，采用切实可靠地设计和施工措施，达到防水可靠排水畅通经济合理的目的。
1.在洞口仰坡5m以外，设置天沟，并加以铺砌。
2.对洞顶地表的陷穴，深穴加以回填，对裂缝进行堵塞。
3.对洞顶天然沟槽加以整治，是山洪宣泄畅通。
4.在地表水上游设截水导流沟。
5.在仰坡到洞顶处2m左右设计排水沟。
6.边坡设计排水沟。
纵段剖面纵剖面图