浅谈隧道洞门选择及洞门验算
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【摘要】本文针对隧道，根据上步对地质地貌，水文特点，工程概况的了解。选择出合适的隧道洞门结构和位置，并确定隧道的进口、出口里程及开挖线。其中比较重要的是对隧道洞门结构尺寸的确定及验算。
【关键词】隧道 洞门 选择 验算
中图分类号： U45 文献标识码： A 文章编号：
1前言
在地下工程的广泛范围中，用以保持地下空间作为交通孔道的，称之为“隧道”。隧道端部外露面一般都修筑为保护洞口和排放流水的挡土墙式结构，称为洞门。洞门的选择是隧道整体的首要任务。现以新平湾隧道为例进行说明。
2设计背景及地质水文特征
2.1工程概况
隧道位于低山丘陵区。地形陡竣，沟梁相间，山间沟谷多呈“U”型，沟谷中现已开恳为稻田，多呈阶梯状分布，海拔高程为 200～230m，相对高差20m～40m，山体自然坡度约50°，山坡坡面处植被茂密。隧道总长为51m
该隧道洞身位于V级围岩。隧道进口因北线线相隔，交通不便；隧道出口位于陡坡，交通非常不便。.最大季节冻土深度为5cm，年最大降雨量1369.7mm。
2.3工程地质特征
工点范围内地层为第四系全新统洪积的粉质黏土；下伏白垩系砾岩夹砂岩。岩性详述如下：
1.粉质黏土（Q4pl1）：分布于山坡坡脚及山间沟谷中，厚0.5～4m。灰黄色
2.砾岩夹砂岩（KCg+Ss）：在山坡处出露地表，在沟谷中下伏于粉质黏土之下。紫红色夹棕红色，碎屑结构，层状构造，节理较为发育。
注：因砾岩及砂岩胶结较差，抗风化能力较差，均按强风化层考虑。
工点内沿山体坡面处据调查未发现地下水出露。山间沟谷中为季节性流水沟，勘测期间沟谷中地表径流较小，主要是稻田灌溉水。沟谷中地下水水位埋深0～2m，属第四系松散层中的孔隙水，水量丰富，水质较好，其补给来源主要为稻田灌溉水及大气降水。水质较好，对圬工无侵蚀性。
3洞门选择及检算
3.1洞门形式的选择
3.1.1洞门形式的选择
根据隧道所处地段的地质、地形及水文条件，选择翼墙式隧道门比较合适。傍山隧道洞口，地而横坡较陡，为了适应地形，减少开挖并且隧道中线与等高线基本正交这种情况下多采用翼墙式洞门。翼墙式洞门的翼墙可以起支撑端墙以及保持路堑边坡稳定的作用，同时对减少开挖高度和压缩端墙宽度有力。翼墙与端墙共同作用，抵抗山体纵向推力，增加洞门的抗滑和抗倾覆的能力。
3.1.2洞门里程及边仰坡开挖线的确定
1.进口里程的确定及边仰坡开挖线计算
a.根据隧道纵断面图及地形图去控制等高线H控=224 m
因为为Ⅴ级围岩所以开挖高度取H=14.87m
H路= H控 H = 2234 14.87 = 209.13m
H肩=209.13+0.75=209.88m
根据纵断面图可以得出与设计处相差距离 ep(527.572 62)×0.01÷6=0.879m≈0.88m
仰坡坡脚至极限开挖高度控制点的水平距离d=（14.87 6.65 2.6）×1.25=7.025m
洞口里程至仰坡坡脚的水平距离b=1.1+（11 -1.0 0.75 0.9）×0.1 + 0.6 0.23 + 0.6=3.905m
所以进口里程为ZDK44+642 0.88= ZDK44+641.1
b. 仰坡坡脚标高为 209.13+6.65+2.6=218.38m
计算224至218.38之间各等高线距仰坡坡脚的水平投影距离:
对222m 等高线 d1=(222 218.38)× 1.25=4.525m
对220m 等高线 d1=(220 218.38)× 1.25=2.025m
2．出口里程的确定及边仰坡开挖线计算
a.同上H控=224m，H=14.56m
H路=H控 H=224 14.56 = 209.44
H肩= 209.44+ 0.75 = 210.19
根据纵断面图可以得出与设计处相差距离ep(527.572 62)×0.01÷6=0.879m≈0.88m
仰坡坡脚至极限开挖高度控制点的水平距离d=（14.56 6.65 2.6）×1.25=6.6375m
洞口里程至仰坡坡脚的水平距离b=1.1+（11 -1.0 0.75 0.9）×0.1 + 0.6 0.23 + 0.6=3.905m
所以出口里程为ZDK44+693 0.88= ZDK44+692.1
b.仰坡坡脚标高为 209.44+6.65+2.6=218.69m
计算224至218.69之间各等高线距仰坡坡脚的水平投影距离：
对222m 等高线 d1=(222 218.69)× 1.25=4.1375m
对220m 等高线 d1=(220 218.69)× 1.25=1.6375m
3.2洞门基本计算数据
3.2.1地层特性
边、仰坡坡度1：1.25，配合V类围岩曲墙衬砌；
地层容重为18KN/m3
地层计算摩擦角为45°
基底摩擦系数f=0.4
基底控制压应力[б]=0.3MPa
3.2.2建筑材料容重和容许应力
顶帽C20混凝土容重为23KN/m3
端，翼墙水泥片石容重为22KN/m3
C10水泥砂浆片石容许压应力为1.5Mpa
C10水泥砂浆片石容许拉应力为0.2Mpa
3.2.3洞门各部尺寸拟定
根据标准图本洞门取h=6.65mh1=2.6mh2=0.75mh3=1.0m 故端墙高度H为 ：H=h1+h2+h3+h=6.65+2.6+0.75+1.00=11.00m。
根据洞门标准图选定Bm=5.27m ， hy=8.74m 翼墙厚度选为1.0m翼墙面坡取1：0.1。
3.2.4翼墙墙面截面偏心、应力检算
1.取距翼墙基底1.0m的截面为检算截面，计算宽度取0.5m 翼墙计算高度hb为
Hb=hy - （0.1hy+0.5）/1.25 1.0 = 8.74 - （0.1×8.74+0.5）/1.25 1.0 = 6.64m
已知 φ=45° tgα=0.1，tgε=1/1.25
ε＇=ε/2=19°20＇，可计算求得tgω=0.5273 ，λ=0.1566
E = 0.5γhb2λ0.5=0.5×18×6.64×6.64×0.1566×0.5=31.07KN
2.倾覆力矩Mo=1/3 Ehb=1/3 ×31.07×6.64=68.77KN・m
3.稳定力矩My
My=5.75×（0.5 + 6.39×0.1） - 1.55×（0.5+6.49×0.1）+67.54×（0.5+3.07×0.1）+30.62×（1+0.3+2.32×0.1）+1.8（1.0+0.464+2/3×0.2）+7.2×（1.0+0.464+0.2+0.2）
=6.55 1.78 + 54.50 +46.91 +2.88 + 13.42
=122.48KN・m
4.截面偏心、应力检算
C=（My Mo）/p = （122.48 68.77）/111.36 =0.48m
e=b/2 C = 1.6/2 -0.48 =0.32 < 0.3b=0.48（可）
б=p/0.5b （1±6e/b）=111.36/0.5×1.6 （1±6×0.32/1.6）
306.24 0.31 =1.5Mpa
= KN/m2 = Mpa
-27.84-0.03 = -0.2Mpa
3.2.5翼墙基底偏心、应力、稳定性检算
1.墙背主动土压力
E=1/2 γ（hb+0.1）2λ×0.5
=0.5×18×7.64×7.64×0.1566×0.5=41.13KN
2.倾覆力矩Mo
Mo = 1/3 ×E（hb + 1.0）
=1/3 ×41.13 ×7.64 = 104.74KN・m
3.稳定力矩My
My= 5.75 ×（0.5 + 6.39×0.1 +0.5）- 1.55×（0.5 + 6.59×0.1 + 0.5） + 67.54×（0.5 + 3.07×0.1 +0.5）+ 30.62×（1 + 0.3 + 2.32×0.1 + 0.5） + 1.8×（1.0 + 0.5/0.464 +2/3 ×0.2） + 7.2 × （0.5 + 1.0 +0.464 +0.2 +0.2 ） + 22.55×1.0
= 9.42 2.56 + 88.27 + 62.22 + 3.78 + 17.02 +22.55
= 200.70KN・m
4.翼墙基底偏心、应力检算
C=（My - Mo）/p = （200.70 104.74）/133.91=0.72m
e = bj/（2 C）=2.0/（2 0.72）=0.28m
б=p/（bj×0.5） ×(1±6e/bj)
=133.91/2×0.5× (1±6×0.28/2.0)
246.39 0.25
=KN/m2 =Mpa
21.430.02
5. 稳定检算
倾覆稳定系数Ko
Ko=My/Mo=200.73/104.74 = 1.92 > 1.5 （可）
滑动稳定系数Kc
Kc=Pf/E = 133.91×0.4/41.13 = 1.3 （可）
4结论
通过对地形的勘探根据以前积累的洞门位置选择经验总结的一些理论进行选择，然后依然根据洞口位置处的地形地貌选择合适的洞门结构。再根据洞门标准图对洞门结构进行验算。虽然现在隧道的设计还很不完善，其中很多东西都是根据经验来做的，很多计算公式中都有经验系数，这都是设计施工中的一个不稳定因素也是隧道的设计施工有很大的局限性，毕竟每个地方的地质条件，地形地貌是有很大差别的，但也在相似地质环境中进行类比验算、设计，为整个理论体系的完善提供一定的作用。
参考文献
[1] 铁道部第二勘测设计院.铁路隧道设计规范.北京：中国铁道出版社，2001年7 月
[2] 冯卫星.铁路隧道设计.成都：西南交通大学出版社，1998年3月
[3] 铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册・隧道.北京：中国铁道出版社，1995年10月