一、 设计资料： 1、 工程概况：焦晋高速二号隧道通过Ⅳ级围岩(即S=4)，埋深H=20m ，隧道围岩天然容重γ=25KN/m3，计算摩擦角ф=50 , 隧道轴线与山脊走向基本垂直。

2、 地形地质等条件：作区属温带季风气候区，其特点为夏季温暖，冬季较冷，年降水量500—1000毫米，主要集中在夏季，冬夏温差由南向北增大，降水量由南向北减少。

3、设计标准设计等级：高速公路双向四车道； 地震设防烈度：7级 4、计算断面资料：桩号：K120+910.00； 地面高程：906.2m ； 设计高程：886.2m ； 围岩类别：Ⅳ类；复合式衬砌类型：单心断面；工程地质条件及评价：该段隧道通过微风化粉砂岩地段，节理裂隙不发育，埋置较浅，围岩稳定性较好。

5、设计计算内容（1）确定隧道开挖方式及隧道断面布置图； （2）围岩压力计算； （3）隧道支护设计图； （4）隧道衬砌设计图。

6、设计依据（（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《隧道工程》，中南大学出版社；5、设计计算内容（1）确定隧道开挖方式及隧道断面布置图； （2）围岩压力计算； （3）隧道支护设计图； （4）隧道衬砌设计图。

6、设计依据 （1）《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）； （2）《公路隧道施工技术规范》（JTJ042-94）； （3）《隧道工程》王毅才 主编 人民交通出版社； （4）《地下结构静力计算》 天津大学建筑工程系地下建筑工程教研室 编 中国建筑工业出版社。

（P29）本高速公路位于豫北山区，取设计时速为h km V k /100 ，则建筑限界高度H＝5.0m 。

且当h km V k /100=时，检修道J 的宽度不宜小于0.75m ，取J 左=J 右=1.20m ，检修道高度h ＝0.5m 。

设检修道时，不设余宽，即：C=0。

取行车道宽度W=3.75m ×2＝7.5m ，侧向宽度为：m L L R L 00.1==，建筑限界顶角宽度为：m E E R L 00.1==，隧道纵坡不应小于0.3％，不应大于3％，本处取1.5％。

具体建筑限界见图一所示。

图一 公路隧道建筑限界（单位：mm ）（P61）由《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004）4.4.6有：上、下行分离式独立双洞的公路隧道之间应设置横向通道。

本隧道长168m ，设置一处人行横道即可，人行横通道的断面建筑限界如下图二所示。

图二 人行横通道的断面建筑限界（单位：cm ）故：隧道限界净宽为：11.9m ；其中：行车道宽度：W=3.75m ×2＝7.5m ；侧向宽度为：m L L R L 00.1==；检修道宽度：；J 左=J 右=1.20m 隧道限界净高：5m ；内轮廓形式：单心圆R=7m ；净高：7m ； 净宽：12m ；向外取衬砌厚度0.5m ，则：隧道开挖宽度Bt=13m ；隧道开挖高度：H t =7.5m ； 取两分离式洞口之间左右间距为50m ；该段隧道的埋深H ＝20m 。

洞口的开挖方式见施工组织设计。

二、围岩压力计算7.1577.0135.7<==Bt Ht隧道支护结构的垂直均布压力：h q γ= ω1s 245.0-⨯=h其中：s=4，取γ=25KN/m 3，因B>5m,取i ＝0.1，8.1)513(1.01)5(1=-⨯+=-+=B i ω，KPa h q s 136245.01=⨯==-γωγ，荷载等效高度：m qh q 44.525136===γ； 深、浅埋隧道分界深度：m H m h H p p 206.1344.55.25.2=<=⨯==， 故为深埋隧道。

水平均布围岩压力：KPa e 8.404.20136)30.015.0(→=⨯→=，取e=30KPa 。

三、隧道支护查看《公路隧道设计规范》（JTG D70-2004），则：公路隧道应作衬砌，根据隧道围岩地质条件、施工条件和使用要求可分别采用喷锚衬砌、整体式衬砌、复合式衬砌。

高速公路应采用复合式衬砌。

复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间夹放水层组合而成的衬砌形式。

复合式衬砌设计应复合下列规定：1、初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。

2、二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。

复合式衬砌可采用工程类比法进行设计，并通过理论分析进行验算。

初期支护及二次衬砌的支护参数可参照表选用。

由表，对于Ⅲ级围岩，有：初期支护：拱部、边墙的喷射混凝土厚度为8～12cm ，拱、墙锚杆长度为2.0～3.0m ，间距1.0～1.5m ；钢筋网：局部@25×25；二次衬砌厚度：拱、墙混凝土厚度为35cm 。

本隧道大部分地段为深埋隧道。

深埋隧道外层支护，根据《规范》规定，采用锚喷支护，锚杆采用水泥砂浆全长粘结锚杆，规格Φ22×2500mm ，间距1.0～1.5m ，锚喷混凝土厚度120mm ；钢筋网：局部@25×25。

四、隧道衬砌设计与计算因围岩稳定性较好，二衬作为安全储备，按构造要求设计，采用直墙式衬砌，拱顶采用单心圆。

取衬砌中线为计算线，则：隧道计算宽度为12.3m ，计算高度为7.2m 。

1、 隧道衬砌资料：顶拱和边墙的厚度均为0.5m ，宽度为1.5m ，跨度l ＝12.9m ，拱的矢高f ＝3.7m ，垂直均布压力q=136KPa ，侧向均布压力e=30KPa ，衬砌选用C30混凝土，其弹性模量E=31GPa ，围岩弹性抗力系数3310200m tK ⨯=。

图三 隧道衬砌计算模型（单位：mm ）四、洞口、洞门 1、 洞口根据地形条件，结合防排水要求，以“早进洞，晚出洞”为原则确定洞口位置，由于三车道隧道跨度大，净空高，一般情况下成洞面处边坡及仰坡高度接近20m ，为了保证边仰坡的稳定，尽量恢复洞口自然景观，洞口段均设一段明洞。

2、 洞门（1）焦晋高速二号段洞口地形较缓，地质条件差，经综合分析采用翼墙式洞门，混凝土空心块铺设，空心植草，明洞段边、仰坡采用土锚喷混凝土防护。

洞门形式见下图。

图[2-3] 翼墙式洞门（单位 mm ）（2）焦晋高速二号隧道采用明洞出洞，洞门上部无回填土石，荷载较小，且对洞门下部地基进行了土石置换，干砌片石回填处理加固，地基承载力较好，故明洞洞门按照构造要求设计，不需进行洞门计算及验算。

五、支护及衬砌根据《公路隧道设计规范》，所选取的建筑材料如下：明洞衬砌，钢筋混凝土二次衬砌及洞内沟管采用C25混凝土，素混凝土二次衬砌采用C20混凝土，初期支护采用C20喷射混凝土，仰拱回填采用C10混凝土。

预支护设计以上的计算结果表明：墙的各截面处其弹性抗力为拉力（对围岩），这是不合理的但是由于数值较小故计算结果仍然可用。

根据假定，墙下端不能产生水平位移，故该处的弹性抗力应等于零，而计算结果不为零，这是由于计算误差所致。

预支护指预先设于隧道轮廓线以外一定范围内的支护或与开挖面后方的支护的共同组成的支护系统，是有效的辅助施工措施。

可以在隧道开挖后至洞顶支护结构产生支护作用前的时段内，支承临空的岩体，从而维持开挖面的围岩稳定超前锚杆设计锚杆参数按经验选取（1）锚杆直径：III 级围岩为18～22mm ，Ⅳ级围岩为20～24mm 。

（2）锚杆长度：一般为3～5m ，与钻孔机具的钻眼能力和开挖工序循环进尺相配合，拱部超前锚杆纵向两排之间应重叠1m 以上的水平搭接段。

（3）锚杆间距：III 级围岩为40～60cm ，Ⅳ级围岩为30～50mm 。

（4）锚杆外插角：拱部III 级围岩为5°～30°，IV 级围岩拱部为10°～20°；边墙为10°～30°。

填充砂浆标号≥200号，并选用早强砂浆。

初期支护设计初期支护指锚杆喷射混凝土支护，在杨家川隧道中采用了钢筋网和钢架配合支护。

1 喷射混凝土支护设计（1）喷射混凝土支护设计厚度的计算对于喷层的抗局部冲切破坏或粘结破坏的计算如下，A. 按冲切破坏计算喷层厚度1d ，可按式B. LuR GKd =1 式中，G ——不稳定岩块重力，kg ；L R ——喷射混凝土设计抗拉强度，MPa ； u ——不稳定岩块露出面周边长度，cm ； K ——安全系数，取2.5。

IV 级围岩分布区：n uR GK d =23045605.2272430⨯⨯=98.4=cm33 其中，G =272.43MPa ，n R =30MPa ，u =4.56m ，K =2.5（2）钢筋网喷射混凝土支护设计钢筋网喷射混凝土支护设计应符合下列要求：A 、钢筋网喷射混凝土的厚度不应小于100mm ，且不能大于250mm ；B 、钢筋网按构造要求设计，钢筋直径一般为4～12mm ，我们具体施工时可以参考选用直径αsin Q =g R ——钢筋抗拉设计强度，MPa ； g r ——钢筋抗剪设计强度，MPa ；α——锚杆与地质结构面的夹角，度； β——锚杆与铅垂线的夹角，度； K ——安全系数，一般取为2.4。

并且可按上式直接计算钢筋直径d ，gR KNd π4=式中符号意义同前。

IV 级围岩分布区：45.134054.2054.2=⨯==g g R KN A cm 2 24.020sin 34055.077.524.2sin =⨯⨯⨯==αg g r KQ A cm 2 26.134014.366.1764.244=⨯⨯⨯==g R KN d πcm 其中，αβαsin )sin(-=W N20sin )520sin(43.272-⨯=54.205=kNαβsin sin W Q =20sin 5sin 43.207⨯=77.52=kN α=20°，β=5°，W =272.43kN ，g R =340Mpa3、二次衬砌设计（二次衬砌宜采用等厚薄形马蹄形断面，在圆、弧、直线间应圆顺连接。

II 类围岩的二次衬砌不受力或受力不大，根据施工和构造要求确定衬砌厚度，通常采用二次衬砌的最小厚度，一般为30cm 。

III 级及以上围岩复合式衬砌按承载结构设计，为发挥围岩自承作用，允许围岩与支护衬砌有一定变形，故二次衬砌不宜太厚（不宜大于45cm ），一般取为45cm 。