3. 洞门结构的设计及检算3.1 洞门结构的设计洞门是隧道洞口用圬工砌筑并加以建筑装饰的支档结构物。

它联系衬砌和路堑，是整个隧道结构的主要组成部分，也是隧道进、出口的标志。

洞门的作用在于支挡洞口正面仰坡和路堑边坡，拦截仰坡上方的小量剥落、掉块，保持边、仰坡的稳定，并将坡面汇水引离隧道，保证洞口线路的安全。

另外，洞门是隧道唯一的外露部分，对它进行适当的建筑艺术处理，可以起到美化环境的作用。

根据洞口地形、地质及衬砌类型等不同的情况和要求，洞门的结构形式主要有环框式、端墙式、柱式、翼墙式、耳墙式、台阶式及斜交式。

3.1.1设计原则(1) 选用洞门结构形式时，应根据洞口的地形、地质条件及工程特点确定。

(2) 当线路中线与洞口地形等高线斜交，经技术经济比较不宜采用正交洞门，且围岩分类在III级以上时，可采用斜交式洞门，其端墙与线路中线的交角不应小于45°。

(3) 设置通风帘幕的洞门或通风道洞口与隧道洞门相连时，洞门的结构形式应结合通风设备和要求一并考虑。

(4) 位于城镇、风景区、车站附近的洞门，必要时应考虑与环境相协调和建筑美观的要求。

3.1.2洞门设计根据陈家沟隧道沿线地形、地质状况，并结合隧道设计专业事前指导书，在确定进、出口洞门位置的基础上，拟定陈家沟隧道进口和出口均采用耳墙式洞门，边、仰坡坡度均为1:1.25，开挖方式为乙式，进、出口洞门各部分尺寸参照洞门图确定。

隧道进、出口洞门图分别见附录一中的图LCST-03。

3.2 洞门结构的检算洞门是支挡洞口正面仰坡和路堑边坡的结构物，因此洞门的端墙和翼墙均可视为墙背承受土压力的挡土墙结构，根据挡土墙理论设计。

3.2.1计算原理及方法根据《公路隧道设计规范》的规定，洞门墙计算时，应按照表3.1的要求，与挡土墙一样用容许应力法检算其强度，按极限状态验算其强度，并检算其绕墙趾倾覆及沿基底滑动的稳定性。

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3.1 洞门墙检算规定墙身截面压应力σ ≤容许应力 墙身截面偏心距e ≤0.3倍截面厚度 基底应力σ≤地基容许承载力 基底偏心距e石质地基≤4/B 土质地基≤6/B (B 为基底厚度)滑动稳定系数c K ≥1.3 倾覆稳定系数0K≥1.5洞门土压力及检算洞门墙稳定性(图3.1)和强度的公式如下： (1) 洞门土压力计算作用于洞门端墙及挡(翼)墙的墙背主动土压力按库伦理论计算，墙前部的被动土压力一般不予考虑。

洞门土压力可采用下列公式计算： λγ221H E =式（3.1） 式中 E ——作用于洞门墙上的主动土压力；γ——土体的重度；H ——挡土墙的高度；λ——土压力系数。

土压力系数计算公式： )t a n t a n 1)(tan()tan tan 1)(tan (tan εωϕωεααωλ-+--=式（3.2）)tan tan 1(tan )tan 1(tan )tan tan 1)(tan )(tan tan )(tan tan 1(tan tan tan tan 222εαϕϕεεααϕεϕϕεαϕω--+-+-+-+=式中 α——墙背与垂直面的夹角；ϕ——墙背与土体间的摩擦角；ε——土体表面与水平面的夹角；ω——最危险破裂面与垂直面的夹角；δ——土压力与墙背法线的夹角。

图3.1 翼墙受力图(2) 倾覆稳定计算∑∑=oy MM K 0 式（3.3）式中 0K ——基底的倾覆稳定系数；∑yM ——全墙的稳定力系对墙趾的总力矩； ∑oM——全墙的倾覆力系对墙趾的总力矩。

(3) 滑动稳定计算 1) 基底为水平时∑∑⋅=xcEf N K 式（3.4） 2) 基底为倾斜时∑∑∑∑-+=o x o x c N E fE N K ααt a n)t a n ( 式（3.5）式中 c K ——基底的滑动稳定系数；∑N ——作用于基底上的总垂直力；∑xE——主动土压力的总水平分力；f ——基底摩擦系数；o α——基底倾斜角。

(4) 基底偏心矩计算 1) 基底为水平时C BN M M B e o y -=--=∑∑∑22 式（3.6）2) 基底为倾斜时''''22C B NM M B e o y -=--=∑∑∑ 式（3.7） 式中 e ——基底合力的偏心距；'B B 、——水平、倾斜基底的厚度；∑'N ——作用于倾斜基底上的总垂直分力，∑∑∑+=oxoE N N ααsin cos '；'C C 、——∑N 、∑'N 对墙趾的力臂。

(5) 基底压应力计算 1) 基底为水平时6Be ≤，⎪⎭⎫ ⎝⎛±=∑B e B N 61σ 式（3.8）6Be >，C N 32max ∑=σ 式（3.9）2) 基底为倾斜时6'B e ≤，⎪⎭⎫⎝⎛±=∑'''61B e B Nσ 式（3.10）6'B e >，''max 32CN ∑=σ 式（3.11）3.2.2洞门计算以兰州安康段端(隧道出口)右侧洞门为例，进行洞门结构的检算。

(1) 基本计算数据隧道进口端围岩级别为V 级，由隧道规范可以查出： 1) 地层特性边、仰坡坡度1:1.25； 地层容重318kN/m =γ； 计算摩擦角 45=ϕ； 基底摩擦系数4.0=f ； 基底控制压应力[]MPa 3.0=σ； 2) 建筑材料容重和容许压力 顶帽20C 混凝土容重31kN/m 32=γ；端、翼墙水泥砂浆砌片石容重32kN/m 22=γ； M 10号水泥砂浆砌片石容许压应力[]MPa 5.1=a σ； M 10号水泥砂浆砌片石容许拉应力[]MPa 2.0=l σ； 3) 检算端墙和翼墙应力、偏心和稳定性要求 墙身截面压应力[]a σσ≤；墙身截面偏心距b e 3.0≤(b 为端、翼墙厚度)； 基底压力[]σσ≤； 基底偏心4j j b e ≤；滑动稳定性系数3.1≥c K ； 倾覆稳定性系数5.10≥K 。

(2) 洞门各部分尺寸的拟定隧道进、出口端采用衬砌断面加宽值为0=W ，轨道类型选用重型(20.80h =m )，开挖方式为乙式开挖，各部尺寸见图3.2(本章中各图单位均以cm 计)、图3.3。

图 3.2 洞门正面图根据洞门图中所标注的尺寸可知：H=13.5m，B m=8.0m，h=9.2m，h1=2.95m,，h2=1.35m,，h y=10.0，l y=9.65m。

图3.3 洞门侧视图(3) 翼墙墙身截面偏心、应力检算 1) 翼墙墙背主动土压力E取距翼墙基底1.0m 的截面为检算截面，计算宽度取0.5m(图3.3B 截面)，翼墙计算高度b h 为：(0.10.25) 1.25 1.210.0(0.110.00.25) 1.25 1.28.4b y y h h h =-+÷-=-⨯+÷-= 已知： 45=ϕ，1.0tan =α，25.11tan =ε 查得：0.5273tan =ω，1566.0=λ2210.50.5188.40.15660.549.722b E h =⨯⨯=⨯⨯⨯⨯=kN γλ2) 倾覆力矩o M1149.728.4139.22kN 33o b M Eh ==⨯⨯=3) 稳定力矩y M ① 墙身自重P (图3.4)1[0.5 1.023(0.40.5)0.3238.4 1.022216.40.722(0.2 2.020.5)18]0.525.75 1.5592.449.28 1.89156.88.P =⨯⨯-⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯+⨯⨯⨯=-++++=kN图3.4 翼墙细部尺寸图② 稳定力矩y M5.75(0.58.150.1) 1.55(0.58.250.1)92.4(0.5 4.180.1)48.28(10.35 3.430.1)211.8(1.00.250.2)9.0(1.00.10.250.735)327.56 2.0684.881.59 2.3818.76193.03y M =⨯+⨯-⨯+⨯+⨯+⨯+⨯++⨯+⨯++⨯⨯+⨯+++-++++⋅ ＝　＝kN m4）截面偏心及应力检算193.03139.220.343156.88y oM M C P--===m1.70.3430.5070.30.51()22b e C b =-=-=<=可以 []2max 22156304.9/0.304 1.5()330.343a P C ⨯====<=⨯.88kN m MPa MPa 可以σσ(4) 翼墙基底偏心、应力及稳定性检算1) 墙背主动土压力E ()221110.51890.15660.562.2622b E h =+⨯=⨯⨯⨯⨯=.4kN γλ2) 倾覆力矩o M ()111.262.269195.08133o b M E H =+=⨯⨯=⋅.4kN m3) 稳定力矩y M ① 墙身自重P()156.880.5 1.0 1.21 1.00.52312101210523156.882642084184.14P KN=+⨯+⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=++=（2.2-0.121）.....② 稳定力矩y M5.75(0.58.150.10.5) 1.55(0.58.250.10.5)92.4(0.5 4.180.10.5)48.28(10.35 3.430.10.5)211.8(1.00.50.70.2)9(0.5 1.00.7350.10.25)3233.400.880.1710.44 2.83131.0210y M =⨯+⨯+-⨯+⨯++⨯+⨯++⨯++⨯++⨯+++⨯⨯+⨯+++++--=-++ 5.88 4.0823.2633.400.880.17304.18+++--=⋅ kN m4) 翼墙基底偏心及应力检算00101cos sin 184.1464.94189.56101101P P E KN '=⨯α+⨯α=⨯+⨯= 304.18195.080.575189.56y oM M C P '--===m2.092.090.5750.470.522244j j b b e C m =-=-=<==（可以）2max 32184.142=213.8/0.213[]0.330.575pkn m Mpa Mpa c σσ⨯==<=⨯= 5) 稳定检算 ① 倾覆稳定系数0K0304.181.56 1.5()195.08y oM K M ===>可② 滑动稳定系数c K00(tan )(184.1462.260.1)0 1.74 1.3()tan 62.26184.140.1c P E f K E P +α+⨯⨯===>-α-⨯.4可(5) 端墙墙身截面偏心及应力检算 1) 端墙墙背主动土压力E端墙计算条带宽度取0.5m ，计算条带高度为7.0m ，计算条带中线距线路中线为6.1m 。