第4章 东升山隧道明洞设计4.1概述明洞是用明挖法修建的隧道，是在露天的路堑地面上，或是在敞口的基坑内，先修筑结构物，然后再回填覆盖土石。如下图所示： 明洞图4.1明洞 它具有地面和地下建筑物的两重特点：1、作为地面建筑物以抵御边坡、仰坡的塌方、落石、滑坡等病害；2、作为地下建筑物用于在深路堑、浅埋地段不适宜暗挖隧道时，取代隧道的作用。东升山隧道洞口地形平缓，结合地形、地质、施工条件，考虑结构安全、经济实用、美观、保护洞口自然环境等因素，将超浅埋段设为明洞。4.1.1超浅埋与浅埋分界线确定进口端围岩等级为级，坡长比较平缓，因此有长的超浅埋段。为了施工上的方便，考虑把超浅埋段设为明洞。坍落拱高度按下式计算：.当埋深时，即为超浅埋与浅埋的分界线。4.1.2明洞长度确定设洞口段m处埋深为，斜坡坡度6-25（取20），隧道内路面纵坡为0.91%，则有：，。在考虑岩石岩性后上行线明洞长度为,从K11+780K11+725；下行线明洞长度为70，从K11+795K11+725。4.2东升山隧道明洞结构由于东升山山体沿路线对称分部，故东升山隧道的明洞拟采用拱式路堑对称式明洞，采用整体式衬砌设计，并加设仰拱，明洞内轮廓线与暗洞内轮廓线一致。由于明洞受外荷载受外界影响较大，根据近几年的工程经验，明洞衬砌采用钢筋混凝土结构，衬砌厚度为55cm，采用C25级混凝土和直径25mm的HRB335钢筋（钢筋面积1964）。明洞边墙用5#浆砌石片回填，拱部用挖土回填，最低回填土不小于1.5m，填土坡度设为，以利于排水。明洞结构断面图如下：图4.2 明洞结构断面图4.3东升山隧道明洞衬砌内力计算4.3.1基本资料由公路隧道设计规范（JTG D70-2004）得知，明洞衬砌结构内力的计算方法采用荷载结构法。参数选取 ：回填土重度，浆砌片石重度 ，计算内摩擦角，混凝土弹性模量 ，。4.3.2围岩压力计算1、拱圈回填土石垂直压力计算 出于安全考虑，拱圈回填土石厚度采用最厚度最大值，。2、拱圈回填土石侧压力计算 为了简化计算，计算边墙底部侧压力当作边墙方向上的均布压力，填土坡面水平。4.3.3衬砌几何要素计算图示如下所示：图4.3 衬砌结构计算图示1、衬砌几何尺寸内轮廓线半径： ， ；内径所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角：，；拱顶截面厚度：，拱底截面厚度；外轮廓线半径：，；拱轴线半径：，； 拱轴线各段圆弧中心角：，。2、半拱轴线长度及分段轴长半拱轴线长度及分段轴长半拱轴线长度 将半拱轴长度等分为8段，则3、各分块截面中心几何要素（1）与竖直轴的夹角 另一方面： 角度闭合差：（2）接缝中心点坐标计算4.3.4东升山隧道明洞衬砌内力计算思路简述由于结构对称、荷载对称，取一半结构作为计算基本单元，拱顶截面内力只有：弯矩和轴力，即如下图所示：图4.4 衬砌内力计算图示 衬砌任一截面最终内力值可利用叠加原理求得： （4.1） 式中：、主动荷载作用下的衬砌内力；、单位抗力作用下的衬砌内力；最大抗力值。 1、计算主动荷载作用下的衬砌内力、计算图示如下所示：图4.5 主动荷载作用下衬砌内力计算图示 主动荷载作用下的力法方程：（4.2） 分别计算、和外荷载的影响，然后按叠加原理相加得到： 由于墙底无水平位移，故，代人式整理得：（4.3） 式中：、基本结构的单位位移和主动荷载位移；墙底单位转角；基本结构墙底的荷载转角；衬砌的矢高。 求得、后，在主动荷载作用下的衬砌内力：（4.4） 式中：、基本结构因外荷载作用在任一截面处产生的弯矩和简力，按下式计算：（4.5） 2、计算单位抗力作用下的衬砌内力、 计算图书如下所示：图4.6 单位抗力作用下衬砌内力计算图示 单位抗力作用下的力法方程：（4.6） 式中：、基本结构的单位位移和单位抗力在及方向的位移；墙底单位转角；单位抗力所引起的基本结构墙底转角，。 求得、后，在单位抗力作用下的衬砌内力：（4.7） 式中：、单位抗力在基本结构中产生的弯矩和剪力，按下式计算：（4.8） 式中：力至接缝中心点的力臂；、分解的水平与竖直两个分力。4.3.5计算位移1、计算基本结构的单位位移用辛普生法近似计算，将计算列表进行。单位位移的计算列入表4.1中。表4.1单位位移计算表截面积分系数1/30 0.0000 0.0000 1.0000 0.0000 0.0000 0.5500 71.9424 0.0000 0.0000 71.9424 11 13.7460 0.2376 0.9714 1.4198 0.1711 0.5500 71.9424 12.3094 2.1061 98.6673 42 27.4919 0.4616 0.8871 2.7582 0.6747 0.5500 71.9424 48.5396 32.7496 201.7712 23 41.2379 0.6592 0.7520 3.9386 1.4819 0.5500 71.9424 106.6115 157.9876 443.1531 44 54.9839 0.8190 0.5738 4.8935 2.5465 0.5500 71.9424 183.2014 466.5225 904.8678 25 68.7292 0.9319 0.3628 5.5680 3.8075 0.5500 71.9424 273.9209 1042.9537 1662.7379 46 82.4758 0.9914 0.1309 5.9235 5.1926 0.5500 71.9424 373.5683 1939.7910 2758.8701 27 94.3866 0.9971 -0.0765 5.9502 6.6232 0.5500 71.9424 476.4892 3155.8833 4180.8042 48 104.1169 0.9698 -0.2439 5.7191 8.0420 0.5500 71.9424 578.5612 4652.7888 5881.8535 1647.48202053.201411450.782616204.6675 注：1.截面惯性矩，取单位长度。 2.不考虑轴力的影响。计算精度校核： 闭合差：2、载位移基本结构在主动荷载作用下引起的荷载位移竖向力 式中:-衬砌外缘相邻两截面之间的水平投影长度。（校核)水平压力 式中:-为衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长（校核）自重力式中:接缝的衬砌截面厚度；混凝土的重度。作用在各楔形块上的力均列入表4.2，各集中力均通过相应图形的形心。（1）基本结构在外荷载作用下产生的楔块上各集中力对下一接缝的力臂由图中量得，分别记为，内力按下试计算，计算图示如下图4.7，作用在各楔块上的内力列入表4.2。弯矩：（4.9）轴力： （4.10）式中：、相邻两接缝中心点的坐标增值，按下式计算：（4.11）图4.7 内力、计算图示、的计算列入表4.2及附表4.3中。表4.2 载位移计算表 截面投影长度集中力力臂bhQGE00.0000.0000.0000.0000.000 0.0000.000 0.0000.0000.000续上表11.4350.028141.305 19.7103.431 0.6770.704 0.364-95.693-13.89021.3500.407133.210 19.71011.391 0.573 0.654 0.515-76.339-12.89231.1840.709117.485 19.71017.733 0.436 0.566 0.629 -51.236-11.15540.9480.97995.031 19.71023.388 0.269 0.445 0.714 -25.617-8.77950.6551.48467.132 19.71027.703 0.096 0.299 0.659 -6.479-5.90160.3211.31435.388 19.71030.430 -0.086 0.136 0.760 3.066-2.68470.0031.3535.12019.71031.244 -0.248 -0.024 0.722 1.2700.48181.3300.000 19.71030.766 0.000-0.144 0.665 0.0002.853xyxy-xi-1（Q+G）-yi-1E0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.000-1.2500.0000.0001.4190.1711.4190.1710.0000.000-110.834-5.868161.0153.4312.7580.6741.3380.503-215.508-1.728-423.171-11.154313.93614.8233.9381.4811.1800.807-370.582-11.965-879.266-16.712451.13232.5574.8932.5460.9541.064-430.752-34.659-1395.788-18.270565.87355.9455.5683.8070.6741.261-381.690-70.545-1878.675-23.141652.71683.6485.9235.1920.3551.385-232.085-115.864-2249.384-22.5