隧道工程课程设计指导书

一、课程设计的目的

（1）、在学完隧道工程等相关课程和进行的生产实习的基础上，全面检查学生掌握这些课程的基本原理、方法、设计、施工和施工组织等有关知识的情况。

（2）、通过此次课程设计，训练学生灵活运用所学知识解决工程实际问题，提高学生分析问题和解决问题的能力。

（3）、进行隧道工程设计基本技能的训练：例如计算、绘图、查阅资料和手册、运用标准和规范进行计算机辅助设计和绘图的训练。

二、课程设计的基本要求

（1）、通过课程设计，要求学生掌握隧道设计的基本要领，并能对各类围岩做出相应的复合衬砌设计计算；

（2）、掌握隧道工程的施工方法、进行施工总体布置的要点，了解有关隧道工程的新技术、新方法；

（3）、写出设计说明书，说明书中要施工方案的比选分析及施工注意事项； （4）、所有图纸均应按工程制图要求绘制，应有图框和图标。

三、课程设计的内容

1、隧道横断面设计，包括隧道建筑限界、隧道净空、汽车横洞、行人横洞、有紧急停车带的横断面等。

2、隧道衬砌设计，确定复合式衬砌的尺寸及每延米工程量。 3、辅助施工方法设计

4、隧道的施工方案设计，根据给定的地质资料选定适当的施工方法，绘制施工方案横断面图及爆破方案设计图。

5、撰写设计说明书。

四、设计步骤及要点

（一）、隧道横断面设计 1、隧道建筑限界确定

根据公路等级进行隧道建筑限界设计，结合隧道设计规范确定各尺寸。隧道建筑限

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界根据隧道长度等有四个：

①、主洞建筑限界

②、有紧急停车带的建筑限界 ③、行车横洞建筑限界 ④、行人横洞建筑限界。

在绘制建筑限界时各部分尺寸都要标注清楚。 2、隧道衬砌内轮廓线确定

根据公路等级进行隧道衬砌内轮廓线设计，结合隧道设计规范确定各尺寸。隧道衬砌内轮廓线根据隧道长度等有两个：

①、主洞衬砌内轮廓线

②、有紧急停车带的衬砌内轮廓线 隧道衬砌内轮廓线的确定方法： ①、按单心圆设计

根据确定的建筑限界和隧道设计规范要求富余10cm，确定圆心和半径画出单心圆衬砌内轮廓线。一般适用地铁、水工隧道或小断面隧道等。

②、按三心圆设计

三心圆断面受力较好，在设计时常采用，设计时采用工程类比法确定三个圆心及半径画衬砌内轮廓线。

③、按五心圆设计

五心圆断面受力也较好，但圆弧较多，较复杂。设计时采用工程类比法确定五个圆心及半径画出衬砌内轮廓线。

3、作图法确定隧道衬砌内轮廓线 ①、圆形断面的作图

确定隧道内轮廓线时，以公路建筑限界为基准，并附加上通风所需要的断面。如果有侧压力则需要设置仰拱，设仰拱时应考虑水压力。在膨胀性山体和受到大水压时，通常把圆形闭合断面作为基本形状。圆形断面内轮廓线作图如图1(a)，假定公路建筑限界已确定，其控制点为a，b，c，d四个点，分别作ab，ac，ad的垂直平分线，在断面对称轴上得到三个交点O1，O2，O3，取其中最高（至路面）者作为圆心O2。由于施工精度上要求a，b，c，d各点至少需要10cm以上的富余量，所以在oa连线的延长线上取

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aA0.1m，以oA为半径划圆即得内轮廓线的基本部分。

图1 内轮廓线作图例

路面板下剩余的空间，可以用做通风和通路，除了膨胀性岩体及水压很大时需要设置仰拱外，一般可不设置，此时路面板下可用于埋设排水构造物。排水构造物的敷设深度，除高寒地区设保暖水沟外，一般0.5m是足够的。当侧压力大需设置仰拱时，其半径O'e2OA。

建筑限界的两侧空余地方，ab之间可以作为设置事故电话和放置灭火器的地方，bc之间可以安装照明灯具。

②、直墙式衬砌断面

适合情况：围岩较好，一般不产生较大的侧压力，不需要设仰拱，可以采用直墙，此时隧道的净断面积最小，如图1（b）。适用于无明显断层和围岩结构完整的地质条件，如果隧道长度不很长（600～800m），使用射流风机已经足够。

内轮廓线确定方法：如果在建筑限界以上设置射流风机，则应使GH1.0~1.2m（根据选用的射流风机的实际尺寸确定），例如取GH＝1.2m，取施工允许误差He＝O.1m，

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则得点 e，作ed的垂直平分线并与断面对称轴相交于点Ol，以o1H为半径作弧DHD'，即为拱部的内轮廓线。由建筑限界ab向外取富余量0.1m，引AB∥ab，求bd的垂直平分线与o1D相交于O2，以o2D为半径作弧并与AB相交于B，与DHD'相交于D，则ABDH即为内轮廓线，这是一个坦三心圆拱。

③、曲墙式衬砌断面

适合情况：长隧道，需要全横向通风或半横向通风时，或所需通风量较大，通风道断面积也会较大，此时顶板要变宽，拱高需增大，如图1（d）。如果设在路面板以下，则车道板必须采用钢筋混凝土结构，造价很高。

设置通风道的原则：是既要使通风道的断面积小，又要使内轮廓线与建筑限界的侧墙部分的剩余空间最小，还要使拱部与侧墙伪内轮廓线过渡圆滑，适合受力特点。例如隧道长度为1km左右的隧道，由两个洞口进行半横向通风时，所需通风道面积约为8～10m2，属于小断面通风道。

内轮廓线确定方法：如图1（c），取a、b为控制点，求ab平分线，在平分线上找一点ol，取o1A为半径(R1)作弧AB。在AB弧的延长线取点P，将o1P与对称轴的交点o2作为圆心，划o2P圆时要试作，使之在H点附近通过。所得到的ABPH即为内轮廓线。需要设置仰拱时，取o3P（=R3）近似等于2倍的o2P。

例如需通风道断面积为20m2 时，用趋进法作图。如图1（d），首先在Gd的延长线上取点D，使DG约等于建筑限界宽度的一半（试取时可将ab延长与Gd交于D）， GD不应比其超过太多（以GDaF＜1m为限）。再在GD1.2~1.3GH左右取点H，作DH的垂直平分线并与对称轴相交于O1，以o1D为半径（R1）划圆弧DHD’，校核该弓形面积，调整到较预定面稍大为止。再次，求AD的垂直平分线与Do1的交点O2，并以o2A半径(R2)划弧AD，ADH即为内轮廓线。需要设仰拱时，取 R3＝2R1。

开挖断面积大于100m2 的长大隧道，断层、不良地质等影响更大。可考虑设置通风竖井及平行导坑进行通风，使隧道本身断面尽量缩减到最小程度。

4、衬砌断面几何尺寸的拟定 ①、单心圆断面 a．基本几何方程

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单心圆的内轮廓形状如图2所示。与内轮廓线有关的参数有：R、A、d0、d1、d2、d3、d4、d6、d7、d8 、h1。这些参数并不是完全独立的，它们存在以下关系： d1R2(A25)2SB2 d6h1d2R2(275A)2SB2 d3R2(400A)2(SB2j) d4R(HA)(SB1E) d6R(HA)(SB2Ej) d7R2(400A)2SB1 d8R2(A25)2SB1 h1RAH d12222d4d7线中道隧d3S1φd2S2SB21d0AOR线中道车SB1d8图2 单心圆内轮廓 图2-8 单心圆内轮廓线其中： SB1WWCSd0 , SB2CSjd0 22d0——道路中线与隧道中线的距离 A——圆心O距路线设计标高的距离； R——内轮廓半径；

W,E,C,S——建筑限界中对应的值。

、d1、d2、d3、d4、d6、d7、d8、h1——如图2所示。

b．挑选出独立变量

根据经验可知：对于一般的限界d7为重要控制点：即d7的富余量满足要求后，其余的控制点的富余量易满足。在此，可挑选出独立变量：

X(d0,d7,A)T

相应的内轮廓所含开挖面积(路面以上)可表示为：

S(X)2(S1S2)

112A)2(SB其中： S1R2 S2A(R2A2) R(4001d7)

22c．约束条件

自变量的范围：从实际工程来讲d7、A、d0只有在一定的范围内才有意义。为了提高计算效率，可使d7固定于一个较合适的值（如≥5cm）。由此自变量的约束条件可如下表示（单位以cm计）：

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d7（7）

0A300 0d060

——最小富余量

7——见建筑限界约束条件说明。

建筑限界约束条件：设i（i1，2，3，4，8）为各限界控制点至内轮廓线的水平间歇最大值，可根据实际选取。如图2，存在下列关系式：

d11 d2 d3 d44 d88 d．求解各参数

建立以上关系式后，便可采用迭代的方式来求解以上各参数。即先假定A和d7一个初始值，代入以上各公式中求出其余各参数，并使它们满足约束条件，然后求出内轮廓所包含的面积S；再给A一个增量值（AiAi1A,d7的值可以固定不变）后，重复

（计算各参数和S值，如此循环，便可得到一组开挖面积的值Sii1,2,,n,n为循环次

数)，其中面积最小者Smin即为所求最佳解。

以上过程可以通过编制计算机程序来完成。 ②、坦三心圆 a．基本几何方程 坦三心圆的内轮廓形状如图3。与单心圆内轮廓相比，由于增加了一个半径，描述内轮廓线的形状的参数增加为：R1、A1、Φ1、R2、A2、 Φ2、a、b、h1、d0、d1、d2、d3、d4、d6、d7、d8。为了使优化问题简化，可认为d7处是第一段弧和第二段弧的分割点。因此这些参数的几何关系如下所示： 1cos1[(400A1)/R1) R2(400A2)/cos1 h1d6d3a(R1R2)sin1 b(R1R2)cos1 d2S1S2φ2隧道中线车道中线d4d7φ1O2aO3O1R1221sin1(A2/R2) bR2A1A2h1A1R1H S32S4d0d1R2(A225)(SB2a) d2R2(275A2)(SB2a) 222d1SB2SB1d8图坦三心圆内轮廓线图3 坦三心圆内轮廓 共21页 第6页 d3R2(400A2)2(SB2ja) d4R1(HA1)2(SB1E) d6(R1(HA1)2(SB2Ej)

222d7R1(400A1)2SB1 d8R2(A225)2(SB1a) 其中：符号如图3所示。 b．独立变量

挑选出X作为独立变量，如下：

X(d7,d0,A1,A2)T

22相应开挖面积可表示为：

S(X)2(S1S2S3S4)

1112222其中： S11R1 S22R2 S3A2(R2A2)

222S4c．约束条件

12A1)2(SB(A2A!)a R1(4001d7)

2变量的范围： d7（7） 0A1300 A1A2400 0d060 建筑限界约束条件：d11 d2 d3 d44 d88

、i——见单心圆定义。 d．求解各参数

求解上述各参数的方法和过程与单心圆相同，只不过需预先假定的循环量有两个

A1和A2。

在设计隧道衬砌内轮廓线时，根据隧道实际情况等选合理的断面形式，要求开挖量小且受力较好。在设计时要不断调整各部分参数，进行比选，最终确定最优的衬砌内轮廓线。另外根据要求必须设计仰拱时，仰拱的圆心和半径也要类比确定，此时仰拱圆弧和边墙圆弧还要有过渡圆弧，过渡圆弧半径一般为100cm，在画过渡圆弧时可用CAD中TTR（切切半径）法画圆。

在确定隧道衬砌内轮廓线的各部分尺寸时，要注意圆心位置及半径一般取整数（单位是cm）。

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绘图时衬砌内轮廓线内的建筑限界一般用虚线画出，各圆弧段长度要标注。 5、路面横向坡度设计 按规范一般选1%~2%。 （二）、隧道衬砌设计 1、隧道深浅埋分界线确定

根据隧道的跨度，确定出隧道跨度影响系数，进而求得作用在支护结构上的垂直均布压力，据此确定荷载等效高度，再根据隧道设计规范的具体要求，确定其埋深高度。

2、各级围岩衬砌尺寸确定

采用新奥法进行设计，分为初期支护、防水层、二次衬砌，中间还要有预留变形量，主要是进行各部分的尺寸和材料设计，这些参数一般采用工程类比法结合验算和规范来确定。不同级别围岩要单独设计，如四级围岩表示为S4，五级围岩表示为S5等。

初期支护包括：

①、锚杆（长度、类型、布置方式、布置范围等） ②、拱架（类型、间距等） ③、钢筋网（钢筋型号、间距等） ④、喷砼（型号、厚度等） 防水层包括：材料和厚度等。

二次衬砌包括：钢筋砼或素砼、厚度等。 衬砌结构图中还要给出每延米工程量表。 （三）、结构验算

结构验算是对前面设计的参数进行安全性验算。 （四）、隧道施工设计 1、辅助施工设计

主要包括：超前锚杆设计、超前小导管设计、管棚设计、注浆加固设计等。根据所设计隧道所处的不同的地质条件，根据实际情况选取不同的支护方案。主要有材料、尺寸及布置范围等参数设计。绘制设计图。

设计图中要给出每延米工程量表。 2、施工方案设计

不同围岩要有不同的施工方案，有：全断面法、上下台阶法、分部开挖法等，施工方案设计结合围岩情况参见隧道工程教材相关内容有规范进行。绘制设计图。

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（五）、编制设计说明书

设计说明书的内容包括设计依据和上述各项设计计算的简要说明，计算公式和构造与计算简图。每项具体计算应先列出计算公式，代入原始数据，给出计算结果三个步骤进行，以利于检查复核。

说明书要求层次分明，文理通顺，简单扼要，书写工整，字迹清楚。

五、绘图要求

设计图纸是施工的主要依据，全部设计结果均应反映在图上。图中需有附注说明，对图中没有标出的某些构造细节或施工要求等内容，应在附注中加以说明。绘图时要求：

1、图框要统一，图纸大小按要求选定

2、每一张图都要有图号（图号根据规范编排） 3、绘图比例根据要求选定 4、图中线型要规范 5、图中标注要规范 6、图中工程量要准确

7、图中“设计”、“复核”、“审核”三栏要签写姓名 8、装订时按图号顺序装订 9、图中内容立求布局较美观 图框示例如下：

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六、进度安排

课程设计的进度是根据实际情况和设计内容进行的合理安排，为使学生能够顺利的完成课程设计任务，达到训练学生能力的目的。

时间 内 容 第20周周一 布置设计任务，收集相关资料，开始进行设计 第20周周二~周六 继续进行设计，计算并绘制CAD图（辅导答疑） 第20周周六下午 上交所有设计资料 七、主要参考文献

[1] 陈秋南，包太，徐泽沛编.隧道工程.机械工业出版社，2007； [2] 覃仁辉主编.隧道工程.重庆大学出版社，2001.12； [3] 王毅才主编.隧道工程.人民交通出版社，2000.8； [4] JTG D70-2004 公路隧道设计规范.人民交通出版社，2004.9

[5] JTJ F60-2009, 公路隧道施工技术规范[S]. 北京：人民交通出版社, 2009； [6] 陶龙光，巴肇伦编著.城市地下工程.科学出版社，1996.11； [7] GB6722-2003 爆破安全规程.中国标准出版社，2004.1

[8] 张庆贺、朱合华编著.土木工程专业课程设计指南“隧道及地下工程分册”中国水利水电出版社，1999.4

[9] 彭立敏，刘小兵主编.交通隧道工程.中南大学出版社，2003 [10] 黄成光主编，公路隧道施工.人民交通出版社，2001

指导老师：黄阜

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. 附：隧道工程实例设计图 1、建筑限界与净空断面图

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2、Ⅵ级围岩衬砌断面图

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3、Ⅲ级围岩衬砌断面图

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4、明洞衬砌断面图

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5、管棚设计图

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6、超前小导管设计图

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7、超前锚杆设计图

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