2.1隧道平面設計
2.1.1隧道方案比選目的
通過對擬定的線路方案進行比選最後確定出最優的方案，確保線形適當（平面順舒、縱坡均衡、橫面合理），順應地形，路線對附近地區影響較小，安全性、用地、建設投資、養護費、行駛效能、施工的難易與當地環境和景觀相協調。使隧道洞口位置處於較好的工程地質、水文地質的地方，便於施工場地布置；盡可能把隧道埋置於較好的地層中隧道位置選擇在褶曲構造一翼或背斜褶皺中軸處通過較為有利；隧道埋深的前提下儘量減少隧道的長度；洞口段中線盡量選擇與地形等高線垂直。
2.1.2 隧道平面布置方案比選
包家山隧道在可研階段平面布置有兩個方案：方案一為直線隧道方案，隧道左端位於建子溝口和瓦房院之間，樁號：k68+202；右端位於周家村，樁號：
k69+965。隧道為長1855m的直線段；方案二為曲線隧道方案，隧道左端位於建子溝口和瓦房院之間，樁號：k68+202；右端位於周家村與張家院之間，樁號：
k70+102，隧道平曲線的設計半徑為r=1600m。
在初步設計階段，通過對隧道處路線平面線形的優化，包家山隧道平面布置可採用直線隧道，直線隧道通風能力好，測量、襯砌內裝比較簡單，不會產生視距問題，施工方便，因此，工程的施工難度較小、造價低，工程中應優先採用。曲線隧道施工難度較大、需要設定超高、會產生視距問題需要加寬斷面、造價較高，但道路線形好，洞外道路的占地少。
在初步設計階段，通過包家山隧道的地質報告了解到包家山隧道處於iii級、iv級圍岩。由於直線隧道方案在施工難度、工程投資和工期上較有優勢，因此，本設計採用方案一直線單向行車雙車道隧道。
本隧道的基本坡道形式設為單坡。坡道形式的選擇依據和縱坡坡度的主要控制因素為通風問題和對汽車行駛的利害。隧道的縱坡以不防礙排水的緩坡為宜，坡度過大，對汽車行駛、隧道施工和養護管理都不利。
單向通行的隧道設計成單坡對通風是非常有利的，因汽車都是單坡行駛，發動機產生的有害氣體少，對通風也很有利。包家山隧道位於秦嶺地區，車流量較大，且隧道埋深較大，設定豎井通風施工難度較大；隧道圍岩地下水豐富，對施工影響較大；包家山隧道由於路線需要，進出口段高程相差很大，設定人字坡將會使隧道長度增加；鑑於以上原因，該隧道決定採用單坡，坡度設定如下：k68+202～ k69+965為1.
8%的上坡。
2.3 橫斷面設計
2.3.1 建築限界
包家山隧道的建築限界按80km/h時速進行設計，建築限界取值,設計圖紙確定如下：
表2-1 建築限界設定
（單位：m）
包家山隧道為長隧道，所以在行車方向的右側設定緊急停車帶。緊急停車帶的設定間距取700m，停車帶的路面橫坡取為水平。緊急停車帶的建築限界、寬度和長度見下圖：
圖2.2 緊急停車帶建築限界、寬度、長度（單位：cm）
根據建築限界，利用三心圓，得出各斷面內輪廓如下圖：
圖2.4 隧道正常斷面內輪廓圖 （單位：cm）
圖2.5 隧道緊急停車帶內輪廓圖（單位：cm）
包家山隧道洞口段地表為緩斜坡地形，10°～25°，左、右洞進口處均處在坡積層內，圍岩級別為iv級，圍岩較差，隧道上覆地層厚度很薄。但該處地形平緩，地勢開闊，便於施工場地的布置。因此，考慮到支護和施工上的便利，左、右洞洞口段均設定明洞，左、右洞洞門形式選擇為端牆式洞門。
端牆式洞門基本引數設定詳見端牆式洞門圖。
2.4.2明洞設計
建子溝口和瓦房院之間進口段圍岩級別為iv級，坡度平緩，因此有超淺埋段。為了施工上的方便，考慮把超淺埋段設為明洞。
坍落拱高度按下式計算：
s—圍岩級別；
b—隧道寬度，m；
—以b=5m為基準，b每增減1m時的圍岩壓力增減率，當b<5m，取=0.2；當b>5m，取=0.1；
h=5.49m
當埋深時，即為超淺埋隧道。洞口段x m處埋深為，斜坡坡度為10°～25°，路面縱坡為1.8%，則有
15.868m
明洞長度確定為15.868m。
由於明洞圍岩級別很差，垂直壓力和側壓力較大，故採用拱式明洞，並加設仰拱，明洞內輪廓線與暗洞內輪廓線一致。襯砌厚度設為40cm。襯砌材料採用鋼筋混凝土結構，c25級混凝土,直徑25mmⅱ級鋼筋。
明洞邊牆用5#漿砌片石回填，拱部用挖方土回填，以利於排水。
2.5隧道防、排水設計
隧道防排水應遵循「防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理」的原則，保證隧道結構物和運營裝置的正常使用和行車安全。隧道防排水設計應對地表水、地下水妥善處理，洞內外應形成乙個完整通暢的防排水系統。
公路山嶺隧道工程修建在岩土體內，不可避免的長期被水浸濕和滲透，如果地下水具有腐蝕性，對襯砌結構和隧道裝置的腐蝕性更強。路面積水，行車環境惡化，降低輪胎與路面的摩檫力，影響行車安全。寒冷地區，尤其是嚴寒地區，反覆凍融迴圈，在襯砌內部造成襯砌混凝土凍脹開裂；在襯砌與圍岩之間，造成凍脹，引起拱牆變形、破壞。
拱牆上懸掛冰柱、冰溜，侵入淨空。在隧底，可能凍起，並形成冰坡、冰錐，使行車滑溜，甚至無法通過。因此，隧道工程中要設定防排水層以減少水對隧道施工及運營的影響。
1、洞外排水
洞門上方設截排水溝，將地表水引入路基邊溝或洞外自然溝谷，以此形成完整的洞外排水系統。
2、襯砌防水
隧道明洞段採用粘土隔水層作為第一道防水線防止地表水滲漏，明洞襯砌外鋪設土工布及防水板作為第二道防水措施；暗洞隧道在初期支護和二次襯砌間敷設土工布及防水板，防水板敷設範圍隧道拱頂至邊牆下部引水管；二次襯砌沉降縫採用中埋式橡膠止水帶止水，施工縫採用遇水膨脹止水條止水。
3、襯砌排水
在初期支護中根據地下水量大小按規定間距設定排水管將匯水引入襯砌兩側牆腳外側設定的縱向排水花管中，將縱向排水花管水引入路面兩側邊溝內排出洞外。縱向排水花管、中心排水溝及路面兩側邊溝間隔適當距離設定檢查井及沉澱池，方便維修及利用高壓水沖洗疏通。
4、路面基層排水
為了預防路面積水，隧道縱向排水坡度與隧道縱向坡度相同，按1.5%設定中心排水溝和牆背排水溝。橫坡坡度為1.
5%，在設定緊急停車帶的位置設定1.5%的坡度以排水，橫向排水管的間距為20m。並在路面下設定2%的橫向排水坡度。
在路面下設定20cm厚水泥處置碎石排水層，將水引入路面兩側邊溝或中心排水溝。
2.6隧道結構襯砌設計
隧道設計應符合下列規定：
（1）、襯砌斷面宜採用曲邊牆拱形斷面。
（2）、隧道圍岩較差地段應設仰拱。仰拱曲率半徑應根據隧道斷面形狀、地質條件、地下水、隧道寬度等條件確定。路面與仰拱之間可採用混凝土或片石混凝土填充。
當隧道邊牆底以下為整體性較好的堅硬岩石時，可不設仰拱。
（3）、隧道洞口段應設加強襯砌。加強襯砌段的長度應根據地形、地質和環境條件確定，一般情況下兩車隧道應不小於10m。
（4）、圍岩較差地段的襯砌應向圍岩較好地段延伸5~10m。
（5）、偏壓襯砌應向一般襯砌段延伸，延伸長度應根據偏壓情況確定，一般不小於10m。
（6）、淨寬大於3.0m的橫通道與主洞的交叉段應設加強襯砌，加強段襯砌應向各交叉洞延伸，主洞延伸長度不小於5.0m，橫通道延伸長度不小於3.0m。
隧道襯砌結構型式採用「新奧法」複合式襯砌。複合式引數首先根據圍岩類別、工程地質及水文地質、地形及埋置深度、結構跨度及施工方法等以工程模擬法擬定，然後應用有限元綜合程式對施工過程進行模擬分析，定性地掌握圍岩及結構的應力發展及變形破壞過程，進一步調整支護引數最後在施工過程中嚴格進行監控量測，根據量測資訊適當調整支護引數。
包家山公路隧道圍岩類別為ⅲ、ⅳ級，地質條件良好，設計兩種襯砌型別：ⅲ類圍岩襯砌、ⅳ圍岩襯砌。襯砌斷面均為曲牆式，ⅲ類圍岩除洞口外，可採用不帶仰拱複合式襯砌；ⅳ類圍岩地段採用帶仰拱複合式襯砌。
複合式襯砌以錨桿、噴射混凝土和鋼筋網混凝土、鋼拱架為初期支護，模築混凝土或鋼筋混凝土為二次支護，在兩次支護之間設pvc復合防水板作為防水層。
1、初期支護
ⅲ類圍岩初期支護採用徑向系統錨桿、鋼筋網及噴射混凝土。ⅳ類圍岩採用徑向系統錨桿、超前錨桿、鋼拱支撐配合噴射混凝土形成整體。
支護引數：ⅲ圍岩：預留變形量5cm，錨桿按梅花形布設，環向間距為120cm，縱向間距為120cm，錨桿、鋼筋網（間排距20cm）全斷面設定。
ⅳ類圍岩：預留變形量8cm，系統錨桿按梅花形布設，環向間距為100cm，縱向間距為100cm，鋼筋網（間排距20cm）拱牆全斷面設定；超前錨桿設定於拱頂120範圍，錨桿直徑25mm，長度450cm，環向間距35cm，縱向間距300cm。
2、二次襯砌
根據隧道荷載大小確定其厚度及是否採用鋼筋混凝土，二次襯砌施作的合理時間應根據施工檢測資料確定，盡可能發揮初期支護的承載力，但又不能超過其承載能力。ⅲ、ⅳ均採用素混凝土。
在隧道運營期間，隧道內保持良好的空氣是行車安全的必要條件。為了有效降低隧道內有害氣體與煙霧的濃度，保證司乘人員及洞內工作人員的身體健康，提高行車的安全性和舒適性，公路隧道應做好通風設計保證隧道良好通風。
a.包家山隧道通風設計主要考慮以下因素：
（1）隧道長度及線形，包家山隧道長度為1855m，為長隧道，風阻力大，自然風量小；隧道縱斷面採用單向坡，隧道進出口高程較大，因此出口段的有害氣體濃度相對較大，設計時給予注意。
（2）交通量，包家山隧道為包茂線陝西控制線一段，車流量較大，為1120.5輛/h，且主要為中型貨車和大型客車。
（3）隧道所處地區的地理、氣候條件和周圍環境的影響，秦嶺地區為山區，年平均風速較大，應充分考慮利用。
（4）隧道內交通事故、火災等非常情況。
（5）隧道工程造價的維修保養費用等。
b.根據《公路隧道工程設計規範》，本隧道通風應滿足下列要求：
（1） 單向交通的隧道設計風速不宜大於10m/s，特殊情況下可取12 m/s，雙向交通的隧道設計風速不應大於8 m/s，人車混合通行的隧道設計風速不應大於7 m/s。
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