地下结构设计原理课程设计任务书
一、课程设计的目的、意义
本课程设计是土木工程专业（岩土与地下工程方向）的主要实践教学环节之一。

通过课程设计使学生掌握公路隧道衬砌的设计理论和设计方法，提高分析问题和解决问题的能力，加强学生文字表达能力，计算技巧等基本功训练，初步培养学生熟悉和运用行业设计规范，并具备解决工程设计问题的能力，能独立进行公路隧道工程的设计。

培养学生综合运用所学的理论知识，为毕业设计或毕业后从事隧道工程设计或施工工作打下良好基础。

课程设计是《地下工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握隧道设计计算原理和计算方法的重要内容，为进一步的毕业论文和设计打下基础。

要求每个学生高度重视，必须认真按时完成。

课程设计未完成的或未上交的学生不得参加本课程的期末考试。

二、时间安排
根据高等学校土木工程专业隧道及地下工程方向《地下工程》课程教学大纲要求：本课程安排两周的课程设计，采取分散进行的方式。

按照本学期本课程教学的实际教学情况，对课程设计工作做如下安排：
1、根据教学进度，在讲授隧道结构计算章节前后将课程设计任务布置给学生；
2、从讲授隧道结构计算内容算起，分散在4周时间内完成课程设计全部内容；
3、课程设计计算书完成后，在第16周二（2014年6月10日）前由各班班长收集齐全后交指导教师；
三、课程设计题目及资料
1、课程设计题目：公路隧道结构计算分析
老鹰岩隧道位于四川省乐山市马边县和沐川县之间，为一直线型隧道，公路等级：二级公路；道路设计行车速度： V=40km/h；隧道设计速度：V＝40km/h。

起止桩号为K49+785～K50+030，长245米。

主洞净宽9米，净高5米。

洞口段地质条件较差，对于V 级围岩地段，留核心土环形掏槽开挖；IV 级
围岩地段，采用台阶法开挖。

施工支护采用喷射混凝土、钢筋网、钢架和锚杆联合支护，并辅以小导管等超前支护。

洞口浅埋段钢筋砼衬砌应及时施作。

洞身Ⅴ级围岩地段建议采用留核心土环形掏槽开挖或半断面开挖，短台阶法施工；洞身Ⅳ级围岩地段采用半断面开挖，短台阶法施工。

1)隧道衬砌内轮廓
隧道内空断面是根据隧道建筑限界要求和电缆沟、排水沟、隧道通风布置需要以及机电设施等所需空间尺寸综合确定。

为了方便洞内设施的布置和施工时衬砌模板的制作，全线隧道采用统一的内轮廓断面。

拟定为拱高 685cm，上半圆半径为 500cm 的三心圆曲边墙结构，其净空面积（含仰拱）64.29m2，周长（含仰拱）29.80m。

隧道内轮廓适合于隧道超高不大于±3％的情况。

隧道主洞衬砌内轮廓如图 1-1所示。

图1-1 隧道主洞衬砌内轮廓
2)洞身衬砌结构设计
洞身衬砌设计原则和方法全路段隧道按新奥法施工原理进行洞身结构设计，即
以系统锚杆、喷砼、钢筋网、格栅钢架、工字钢钢架等组成的初期支护与二次模筑砼相结合的复合衬砌型式；通过结构分析计算、技术经济比较及工程类比等多种方法拟定洞身衬砌支护参数。

3）隧道主洞衬砌支护参数
表1-1 隧道主洞衬砌支护参数
4)Ⅳ级围岩衬砌设计（只计算二衬结构受力，不考虑初期支护）
Ⅳ级围岩采用复合式衬砌，初期支护采用锚喷20cm厚的C20混凝土，长300cm的Φ22药卷锚杆，25×25cm的Φ6.5钢筋网，100cm/榀的Ⅰ14型工字钢钢架，预留变形量7cm，二次衬砌采用厚为40cm的C25混凝土拱墙。

主要分布在洞身深埋段。

岩性主要为中风化粉砂质泥岩，夹泥质粉砂岩、砂岩，砂泥岩互层。

一般埋深30～210m,隧道围岩由中风化泥岩、粉砂质泥岩、砂岩及砂泥岩互层组成，粉砂质泥岩属软岩,岩体呈碎裂镶嵌结构。

地下水类型主要为基岩裂隙水，呈滴水状～渗流状产出为主。

Ⅳ级围岩泊松比μ取0.32，黏聚力c=0.4MPa，内摩擦角φ取35°，弹性抗力k=300MPa/m。

γ=22kn/m3。

衬砌材料选用c25混凝土，γ=23kn/m3,弹模E=29500MPa，定义截面尺寸长1m，高0.4m，截面面积0.4m2，截面惯性矩0.00533。

5)Ⅴ级围岩衬砌设计
Ⅴ级围岩采用复合式衬砌，初期支护采用锚喷24cm厚的C20混凝土，长300cm的Φ22药卷锚杆，20×20cm的Φ6.5钢筋网，70cm/榀的Ⅰ18型工字钢钢架，预留变形量10cm，二次衬砌采用厚为40cm的C25混凝土拱墙。

主要分布在洞口段。

岩性主要为崩坡积块石土含碎石粉质粘土、强中风化粉砂质泥岩、砂岩。

进口浅埋段,埋深一般0～30m。

隧道围岩由崩坡积块石土以及强～中风化的泥岩、粉砂质泥岩、砂岩组成；粉砂质泥岩属极软～软岩，强风化带呈碎、裂结构。

受节理裂隙切割及层面影响,围岩稳定性较差,层间结合较差，拱部可能产生离层坍塌或冒顶，侧壁易出现小坍塌。

V级围岩的力学参数取为泊松比μ取0.4，黏聚力c取0.15MPa，内摩擦角φ取27°，容重γ取19KN/m，弹性抗力k取150MPa/m。

衬砌材料：选用c25混凝土，γ=25kn/m3,弹模E=29500MPa。

定义截面尺寸长1m，高0.4m，截面面积0.4m，截面惯性矩0.00533。

6)围岩压力计算
深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式
如下：H
P =（2~2.5）
q
h
式中: H
p
——隧道深浅埋的分界高度；
h
q ——等效荷载高度，
q
h=
q
γ
；
q——垂直均布压力(kN/m2)；
γ——围岩垂直重度（kN/m3)。

深埋隧道围岩压力计算方法
(1) 垂直压力q=0.45×2s-1γω
式中：S——围岩级别；
γ——围岩的重度；
ω——宽度影响系数，ω=1+i(B-5)；
B——隧道宽度；
i——以B=5m为基准，B每增加1m时的围岩压力的增减率。

当B <5m 时，取i=0.2；当B >5m 时，取i=0.1。

(2) 水平均布压力的计算：
按照《公路隧道设计规范》（JTJ D70-2004）确定。

表4.2 围岩水平均布压力 围岩级别
Ⅲ Ⅳ Ⅴ 水平均布压力 ＜0.15q （0.15～0.3）q （0.3～0.5）q 浅埋隧道围岩压力的计算方法
隧道的埋深H 大于hq 而小于Hp 时，垂直压力Q B B t t
q H ==γH(1-λθ)浅浅t a n 。

表4.3 各级围岩的θ值及0φ值 围岩级别
Ⅲ Ⅳ Ⅴ θ 0.90φ
（0.7～0.9）0φ （0.5～0.7）0φ 0φ
60°～70° 50°～60° 40°～50°
2(tan 1)tan tan tan c c c ϕ+ϕβϕ+ϕ-θ
c tan =tan 侧压力系数()tan tan tan tan tan tan tan tan c c c β-ϕλ=β1+βϕ-θ+ϕθ
⎡⎤⎣⎦ 作用在支护结构两侧的水平侧压力为：e 1=γh λ ； e 2=γ(h+Ht)λ 侧压力视为均布压力时：
2、课程设计要求
1) 按公路隧道要求对隧道衬砌进行结构设计（拟定结构尺寸）；
2) 按规范确定该隧道的竖向均布压力和侧向分布压力；
3) 计算衬砌结构的内力（画出弯矩图和轴力图）；
4) 对衬砌结构进行配筋验算。

5）完成衬砌截面强度校核
()212+1e =e e
3、参考资料：
（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《地下结构设计原理与方法》，人民交通出版社；
（5）有关隧道设计图纸；
四、课程设计做法指导
1、根据题目要求，按照隧道设计章节的做法拟定隧道结构的截面尺寸，画出衬砌结构图；
2、按照比例（例如1：100）绘制横断面图；
3、按照04年发布的《公路隧道设计规范》JTG D70-2004确定隧道围岩竖向压力和水平压力；
4、隧道结构内力计算，要求写出计算过程（地下结构ANSYS有限元分析，曾艳华编著），并画出弯矩图和轴力图；
5、隧道结构配筋验算和强度验算；
6、每位学生提交的课程设计成果（计算书）：
（1）按比例绘制的隧道结构设计图纸一张；
（2）按上述要求进行的计算过程和计算结果。

五、课程设计安排
本课程设计为了防止出现雷同的课程设计计算书，安排如下：
学号尾数（两位）乘以10为设计隧道埋深，例如，学号为201103070105，学号尾数为05，那么课程设计的隧道埋深,05*10=50m。

50m属于级围岩，衬砌设计厚度为40cm。

围岩计算是深埋还是浅埋，需要判断。