隧道工程課程設計68711

1、武漢理工大學課程設計1初始條件某高速公路隧道通過III 類圍巖(即IV級圍巖)，埋深H=30m，隧道圍巖天然容重=23 KN/m3，計算摩擦角=35o ,變形模量E=6GPa,采用礦山法施工；襯砌材料采用C25噴射混凝土，材料容重，變形模量。 2隧道洞身設計2.1隧道建筑界限及內輪廓圖的確定該隧道橫斷面是根據(jù)兩車道高速公路IV級圍巖來設計的，根據(jù)公路隧道設計規(guī)范確定隧道的建筑限界如下：W行車道寬度；取3.75×2mC余寬；因設置檢修道，故余寬取為0mJ檢修道寬度；雙側設置，取為1.0×2mH建筑限界高度；取為5.0m2左側向寬度；取為1.0m右側向寬度；取為1.5m建筑限界

2、左頂角寬度；取1.0m建筑限界右頂角寬度；取1.0mh檢修道高度；取為0.25m隧道凈寬為1.0+1.0+7.50+1.50+1.0=12m設計行車速度為120km/h,建筑限界左右頂角高度均取1m；隧道輪廓線如下圖：圖1 隧道內輪廓限界圖根據(jù)規(guī)范要求，隧道襯砌結構厚度為50cm（一次襯砌為15cm和二次襯砌35cm）通過作圖得到隧道的尺寸如下：圖2 隧道內輪廓圖得到如下尺寸:3隧道襯砌結構設計3.1支護方法及襯砌材料根據(jù)公路隧道設計規(guī)范（JTG-2004），本設計為高速公路，采用復合式襯砌，復合式襯砌是由初期支護和二次襯砌及中間防水層組合而成的襯砌形式。復合式襯砌應符合下列規(guī)定：1初期支護宜

3、采用錨噴支護，即由噴射混凝土，錨桿，鋼筋網(wǎng)和鋼筋支架等支護形式單獨或組合使用，錨桿宜采用全長粘結錨桿。2二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結構，襯砌截面宜采用連結圓順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。由規(guī)范8.4.2-1，對于兩車道IV級圍巖：初期支護：拱部邊墻的噴射混凝土厚度為12-15cm，拱墻的錨桿長度為2.5-3m，錨桿間距為1.0-1.2m；二次襯砌厚度：拱墻混凝土厚度為35cm因此確定襯砌尺寸及規(guī)格如下：深埋隧道外層初期支護，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，采用錨噴支護，錨桿采用普通水泥砂漿錨桿，規(guī)格HRB20×2.5m，采用梅花型局部布設，采用C25噴射混凝土。初次襯砌：采

4、用C25噴射混凝土，厚度為14.8cm。防水板：采用塑料防水板及無紗布，且無紡布密度為300g/m2,防水板應采用鋪滿的EVA板防水層，厚度為2.0mm，搭接長度為150mm。二次襯砌：根據(jù)公路隧道設計規(guī)范，采用C25號模筑防水混凝土，厚度為35cm。整個襯砌厚度為14.8+0.2+35=50cm。3.2隧道深淺埋的確定及圍巖壓力的計算隧道的內輪廓尺寸為B=12.37m，H=13.69m因為IV級圍巖需要預留變形量，查公路隧道設計規(guī)范8.4.1知IV級圍巖需預留變形量為50-80mm，襯砌厚度為50cm，又每側超挖量為10cm，故隧道的近似開挖尺寸為：由于是IV級圍巖深淺埋隧道的分界深度等效荷

5、載高度跨度影響系數(shù)；i圍巖壓力增減率，當取i=0.1埋深故為深埋隧道。又可用公式計算均布垂直壓力：因為該隧道圍巖級別為IV圍巖水平均不壓力為：4襯砌結構內力計算4.1基本資料公里等級 高速公路圍巖級別 IV級圍巖容重 r=23KN/m3彈性抗力系數(shù) K=0.18×106KN/m變形模量 材料容重 材料變形模量 襯砌厚度 d=0.5m圖3 襯砌結構斷面圖4.2荷載的確定4.2.1圍巖壓力的確定隧道的內輪廓尺寸為B=12.37m，H=13.69m因為IV級圍巖需要預留變形量，查公路隧道設計規(guī)范8.4.1知IV級圍巖需預留變形量為50-80mm，襯砌厚度為50cm，又每側超挖量為10cm，

6、故隧道的近似開挖尺寸為：由于是IV級圍巖深淺埋隧道的分界深度等效荷載高度跨度影響系數(shù)；i圍巖壓力增減率，當取i=0.1埋深故為深埋隧道。又可用公式計算均布垂直壓力：考慮一襯后的圍巖釋放變形折減系數(shù)0.44.2.2襯砌自重（1）全部垂直荷載q=61.768+11=72.768KN/m2（2） 圍巖水平均布壓力e=0.4×72.768=29.1KN/m24.3襯砌幾何要素4.3.1襯砌的幾何尺寸內輪廓線半徑：內徑所畫圓曲線端點截面與豎直軸線的夾角：拱頂截面厚度，拱底截面厚度4.3.2半拱軸線長度S及分段軸長將半拱軸長度等分為8段，則4.4計算位移4.4.1單位位移用辛普生法近似計算，按計

7、算列表進行，單位位移的計算列表見表4-1表4-1單位位移計算表 截面sincosxyd1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I積分系數(shù)1/300.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.500 96.000 0.000 0.000 96.000 1 115.250 0.263 0.965 1.575 0.221 0.500 96.000 21.216 4.689 143.121 4 230.500 0.508 0.862 2.992 0.842 0.500 96.000 80.832 68.061 325.725 2 345.750 0.716 0.698 4.202 1.78

8、6 0.500 96.000 171.456 306.220 745.132 4 461.000 0.875 0.485 5.234 3.217 0.500 96.000 308.832 993.513 1707.177 2 576.250 0.971 0.238 6.168 5.610 0.500 96.000 538.560 3021.322 4194.442 4 691.500 1.000 -0.026 6.429 8.176 0.500 96.000 784.896 6417.310 8083.102 2 7106.75 0.958 -0.288 6.007 10.722 0.500

9、96.000 1029.312 11036.283 13190.907 4 8122.000.848 -0.530 4.972 13.020 0.500 96.000 1249.920 16273.958 18869.798 1 768.003547.072 29568.593 37430.737 注：1 I-截面的慣性矩，I=bd3/12,b取單位長度 2不考慮軸力影響單位位移值計算如下：計算精度校核：閉合差=04.4.2載位移主動荷載在基本結構中引起的位移1）每一塊上的作用力(豎向力Q、水平力E、自重力G),分別由下面各式求得，Qi =q×biEi =e×hiGi =(

10、 di-1+di)/2×S× rh其中：bi襯砌外緣相鄰兩截面間的水平投影長度hi襯砌外緣相鄰兩截面間的豎直投影長度di接縫i的襯砌截面厚度均由圖3直接量得，其值見表4-2。各集中力均通過相應圖形的形心表4-2載位移Mop計算表截面投影長度集中力S-Qaq-Gag-GagbhQGEaqagae00.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 11.575 0.224 114.610 23.100 7.401 0.788 0.788 0.112 0.112 -18.191 -0.829 21.

11、424 0.612 103.622 23.100 20.220 0.712 0.712 0.306 -73.779 -16.447 -6.187 31.210 0.950 88.049 23.100 31.388 0.605 0.605 0.475 -53.270 -13.976 -14.909 41.020 0.979 74.223 23.100 32.346 0.510 0.510 0.490 -37.854 -11.781 -15.833 50.933 2.845 67.893 23.100 93.999 0.467 0.467 1.423 -31.672 -10.776 -133.71

12、3 60.267 2.566 19.429 23.100 84.781 0.134 0.134 1.283 -2.594 -3.084 -108.774 70.417 2.546 30.344 23.100 84.120 0.209 0.209 1.273 -6.327 -4.816 -107.085 80.785 2.298 57.123 23.100 75.926 0.393 0.393 1.149 -22.421 -9.067 -87.239 續(xù)表4-2i-1（Q+G）i-1Exyxy-xi-1（Q+G）-yi-1EMoip0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.

13、000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.531 0.194 1.531 0.194 0.000 0.000 -18.908 137.710 7.401 2.964 0.765 1.433 0.571 -197.338 -4.226 -316.885 264.431 27.621 4.210 1.676 1.246 0.911 -329.481 -25.163 -753.684 375.581 59.009 5.188 2.869 0.978 1.193 -367.318 -70.398 -1256.869 472.904 91.356 5.832 4.252 0

14、.644 1.383 -304.550 -126.345 -1863.925 563.896 185.354 6.152 5.764 0.320 1.512 -180.447 -280.256 -2439.079 606.425 270.135 6.143 7.309 -0.009 1.545 5.458 -417.359 -2969.207 659.870 354.255 5.806 8.817 -0.337 1.508 222.376 -534.216 -3399.774 2）外荷載在基本結構中產(chǎn)生的內力塊上各集中力對下一接縫的力臂由圖直接量得，分別記以aq 、ae、ag。內力按下式計算之

15、：彎矩： 軸力： 式中 xi、yi相鄰兩接縫中心點的坐標增值。 xi=xi- xi-1 yi=yi- yi-1Moip和Noip的計算見表4-3及表4-4。表4-3載位移Noip計算表截面sincosi（Q+G）iEsin* i（Q+G）cos*iENop00.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 115.250 0.263 0.965 137.710 7.401 36.222 7.140 29.082 230.500 0.508 0.862 264.431 27.621 134.209 23.799 110.410 345.750 0.7

16、16 0.698 375.581 59.009 269.029 41.176 227.853 461.000 0.875 0.485 472.904 91.356 413.611 44.290 369.321 576.250 0.971 0.238 563.896 185.354 547.736 44.056 503.680 691.500 1.000 -0.026 606.425 270.135 606.218 -7.071 613.289 7106.750 0.958 -0.288 659.870 354.255 631.872 -102.095 733.967 8122.000 0.84

17、8 -0.530 740.093 430.181 627.634 -227.961 855.595 3） 主動荷載位移計算過程見表4-4表4-4主動荷載位移計算表截面Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I積分系數(shù)1/300.000 96.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 1 1-18.908 96.000 18.624 1.194 -1815.183 -352.146 -2167.329 4 2-316.885 96.000 73.440 1.765 -30420.982 -23272.051 -53693.034 2 3-753.

18、684 96.000 160.896 2.676 -72353.692 -121264.788 -193618.480 4 4-1256.869 96.000 275.424 3.869 -120659.391 -346171.792 -466831.183 2 5-1863.925 96.000 408.192 5.252 -178936.786 -760839.215 -939776.002 4 6-2439.079 96.000 553.344 6.764 -234151.560 -1349649.594 -1583801.154 2 7-2969.207 96.000 701.664

19、8.309 -285043.895 -2083385.832 -2368429.728 4 8-3399.774 96.000 846.432 9.817 -326378.291 -2877677.394 -3204055.686 1 -1083146.795 -6059744.064 -7142890.860 1p=S/Eh×Mp0/I=8.4×10-5×（-1083146.795）= - 9098.426×10-52p =S/ Eh×Mp0y/I=8.4×10-8×(-6059744.064)= -50901.850&#

20、215;10-5計算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ Eh×Mp0(1+y)/I因此，Sp=8.4×10-5×（-7142890.860）= -60000.276×10-51p+2p= -（9098.426+50901.850）×10-6= -60000.276×10-5閉合差=0.000。4.4.3載位移單位彈性抗力及相應的摩擦力引起的位移1）各接縫處的抗力強度按假定拱部彈性抗力的上零點位于與垂直軸接近450的第3截面，3=45.75°=b;最大抗力位于第5截面,5=76.25°=h;拱部各截面抗力強度，按鐮刀

21、形分布，最大抗力值以上各截面抗力強度按下式計算：i=h（cos2b-cos2i）/（cos2b-cos2h）計算得，3=0， 4=0.5847h ， 5=h 。邊墻截面彈性抗力計算公式為：=h1-(yi/ yh)2式中yi所求抗力截面與外輪廓線交點到最大截面抗力截面的垂直距離；yh墻底外邊緣c到最大抗力截面的垂直距離。(yi和yh在圖3中可量得)y6=2.47m; y7=4.93m; y8=6.87m;則有： 6=h 1-（2.47/6.87）2= 0.8707h 7=h 1-（4.93/6.87）2= 0.4850h 8=0;按比例將所求得的抗力繪在圖4上。圖4結構抗力圖2）各楔塊上抗力集中

22、力按下式近似計算：式中，楔塊i外緣長度，由圖3量得。 的方向垂直于襯砌外緣，并通過楔塊上抗力圖形的形心。3）抗力集中力與摩擦力之合力按近似計算: 式中 圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)。取=0.2,則 =1.0198 其作用方向與抗力集中力的夾角為=arctan=11.301°。由于摩擦阻力的方向與襯砌位移方向相反，其方向朝上。的作用點即為與襯砌外緣的交點。 將的方向線延長，使之交于豎直軸。量取夾角k(自豎直軸反時針方向量度)。將分解為水平與豎向兩個分力：RH= Ri sink RV= Ri cosk以上計算例入表4-5中， 并參見圖3。表4-5 彈性抗力及摩擦力計算表截面(h)(i-1+i)

23、/2S外(h)R(h)ksinkcosk30.0000 0.000 0.0000 0.0000 0.000 0.000 1.000 40.5847 0.292 2.1670 0.6461 64.676 0.904 0.428 51.0000 0.792 2.1670 1.7510 79.926 0.985 0.175 60.8707 0.935 2.1670 2.0670 95.176 0.996 -0.090 70.4850 0.678 2.1670 1.4980 110.426 0.937 -0.349 80.0000 0.243 2.1670 0.5359 125.676 0.812 -

24、0.583 續(xù)表4-5RH(h)RV(h)vhRi(h)0.000 0.000 0.000 0.584 0.276 0.276 0.584 0.634 1.724 0.306 0.583 2.308 1.717 2.059 -0.186 0.396 4.367 2.027 1.404 -0.523 -0.127 5.770 1.469 0.435 -0.313 -0.439 6.206 0.525 4）計算單位抗力圖及其相應的摩擦力在基本結構中產(chǎn)生的內力 彎矩 軸力 式中 rKi -力Ri至接縫中心點K的力臂，由圖3量得，計算見表4-6和表4-7表4-6 M0計算表截面號R4=0.6461hR

25、5=1.7510hR6=2.0670hR7=1.4980hR8=0.5359hMo(h)r4i-R4r4ir5i-R5r5ir6i-R6r6ir7i-R7r7ir8i-R8r8i40.8236 -0.532 -0.532 52.5623 -1.656 0.7563 -1.324 -2.980 64.0536 -2.619 2.4634 -4.313 0.8280 -1.711 -8.644 75.3654 -3.467 3.6842 -6.451 2.3729 -4.905 0.7853 -1.176 -15.999 87.2631 -4.693 5.3648 -9.394 3.8727 -8

26、.005 2.4563 -3.680 0.9365 -0.502 -26.273 表4-7 N0計算表截面號sincosRV(h)RH(h)sinRV(h)cosRH(h)No(h)4 61.0000 0.8744 0.4853 0.2763 0.5840 0.2416 0.2834 -0.0418 5 76.0000 0.9701 0.2426 0.5826 2.3080 0.5652 0.5599 0.0054 6 91.5000 0.9997 -0.0254 0.3962 4.3666 0.3960 -0.1108 0.5068 7 107.0000 0.9566 -0.2915 -0.

27、1266 5.7704 -0.1211 -1.6819 1.5607 8 122.0000 0.8486 -0.5290 -0.4392 6.2057 -0.3727 -3.2829 2.9102 5）單位抗力及相應摩擦力產(chǎn)生的載位移計算過程見表4-8。表4-8 單位抗力及相應摩擦力產(chǎn)生的載位移計算表截面號M0（h）1/Iy/I(1+y)M01/I（h）M0y/I（h）M0(1+y)/I（h）積分系數(shù) 1/34-0.532 96.000 275.424 3.869 -51.084 -146.561 -197.645 2 5-2.980 96.000 408.192 5.252 -286.059

28、 -1216.324 -1502.383 4 6-8.644 96.000 553.344 6.764 -829.808 -4783.016 -5612.824 2 7-15.999 96.000 701.664 8.309 -1535.889 -11225.813 -12761.703 4 8-26.273 96.000 846.432 9.817 -2522.188 -22238.134 -24760.322 1 -3857.256 -27288.612 -31145.868 1=S/Eh×M01/I=8.4×10-8×(-3857.256)= -32.401

29、0×10-52=S/ Eh×M0y/I=8.4×10-5×(-27288.612)= - 229.2243×10-5校核為： 1+2= -(32.4010+ 229.2243) ×10-11=-261.6253×10-6 S=S/ Eh×M0(1+y)/I=8.4×10-11×(-31145.868)=-261.6253×10-6閉合差=0。4.4.4墻底（彈性地基上的剛性梁）位移1）單位彎矩作用下的轉角：1=1/(KI8)= -96.000 /0.18×106=-533.3

30、3×10-62）主動荷載作用下的轉角：p=1M8p0=-3399.774×533.33×10-6 = -1813201.467×10-63）單位抗力及相應摩擦力作用下的轉角：=1M80=533.33×10-6×(-26.273) = - 14012.179×10-64.5解力法方程襯砌矢高 f=y8=11.776m計算力法方程的系數(shù)：a11=11+1=（64.512+533.33）×10-6=597.842×10-6a12=12+f1=（297.954+11.776×533.33）×1

31、0-6=6578.448×10-6a22=22+f21=（2483.762+8.817×11.7762×533.33）×10-6=76442.860×10-6a10=1p+p+(1+)×h =-(90984.26+1813201.467+324.010h+14012.179h) ×10-6= -(1904185.727+14336.189h)×10-6a20=2p+fp+(2+f)×h = -(509018.50+11.776×1813201.467+2292.243h+11.776×

32、14012.179h) = - (21861278.98+167299.163h) ×10-6以上將單位抗力圖及相應摩擦力產(chǎn)生的位移乘以h倍，即被動荷載的載位移。求解方程：X1 = (a12a20 - a22a10)/( a11a22 - a122)=（594.5350-1.778h）其中： X1p=594.5350, X1= -1.778X2 = (a12a10 - a11a20)/( a11a22 - a122)=（243.8255+2.341h）其中： X2p=243.8255, X2= 2.3414.6計算主動荷載和被動荷載（h =1）分別產(chǎn)生的襯砌內力計算公式為：和 計算過

33、程列入表4-9和表4-10中。表4-9 主、被動荷載作用下襯砌彎矩計算表截面MopX1pyX2p*yMpMo(h)X1(h)X2*y(h)Mo(h)0 0.000 594.535 0.000 0.000 594.535 0.000 -1.778 0.000 -1.778 1 -18.809 594.535 0.194 47.302 623.028 0.000 -1.778 0.454 -1.324 2 -315.545 594.535 0.765 186.527 465.517 0.000 -1.778 1.791 0.013 3 -747.565 594.535 1.676 408.652

34、255.621 0.000 -1.778 3.924 2.146 4 -1240.466 594.535 2.869 699.535 53.604 -0.532 -1.778 6.716 4.406 5 -1816.511 594.535 4.252 1036.746 -185.230 -2.980 -1.778 9.954 5.196 6 -2345.273 594.535 5.764 1405.410 -345.328 -8.644 -1.778 13.494 3.072 7 -2812.862 594.535 7.309 1782.121 -436.207 -15.999 -1.778

35、17.110 -0.666 8 -3169.321 594.535 8.817 2149.809 -424.976 -26.273 -1.778 20.641 -7.410 表4-10 主、被動荷載作用下襯砌軸力計算表截面NopcosaX2pcosNpNo(h)X2cos(h)N(h)0 0.000 1.000 243.826 243.826 0.000 2.341 2.341 1 38.500 0.946 230.644 269.144 0.000 2.214 2.214 2 128.414 0.827 201.721 330.135 0.000 1.937 1.937 3 251.474

36、0.650 158.591 410.065 0.000 1.523 1.523 4 393.043 0.428 104.293 497.336 -0.042 1.001 0.960 5 526.647 0.175 42.650 569.297 0.005 0.409 0.415 6 625.417 -0.090 -21.997 603.420 0.507 -0.211 0.296 7 727.270 -0.349 -85.094 642.176 1.561 -0.817 0.744 8 822.162 -0.583 -142.199 679.963 2.910 -1.365 1.545 4.7

37、計算最大抗力值首先求出最大抗力方向內的位移。由式：并考慮接縫5的徑向位移與水平方向有一定的偏離，因此將其修正如下計算過程列入表3-11。表4-11最大抗力位移修正計算表截面號Mp/IM/Iyiy5-yiMp/I(Y5-Yi)M/I(Y5-Yi)積分系數(shù) 1/3078292.649 -234.140 0.000 5.616 -439691.519 -2314.929 4 182044.791 -174.334 0.218 5.398 442877.783 -1941.053 2 261302.619 1.694 0.842 4.774 292658.704 8.088 4 333662.079

38、282.537 1.786 3.830 128925.764 1082.117 2 47058.966 580.240 3.204 2.412 17026.225 1399.540 4 5-24392.384 684.266 5.616 0.000 0.000 0.000 1 207860.245-1782.359位移值為： hp=8.4×10-8×207860.245×0.97=1693.645×10-5 h=8.4×10-8×(-1782.359) ×0.97= -14.972×10-5則可得最大抗力h = h

39、p /(1/K-h)= 1693.645×10-5/1/(0.18×106)+14.972×10-5=109.0743.8計算襯砌總內力按下式進行計算：M=Mp+h M N=Np+h N計算過程列入表4-12表4-12襯砌總內力計算表計算精度校核：截面號MpMMM/IMy/INpNNe積分系數(shù)1/30 329.456 -300.236 29.220 2805.120 0.000 243.826 202.340 446.165 0.0655 1 1 286.546 -274.455 12.091 1160.697 1351.051 269.144 191.401 460.544 0.0263 4 2 146.320 -158.758 -12.438 -1194.009 -5480.500 330.135 167.399 497.534 -0.0250 2 3 -24.000 25.832 1.832 175.882 1768.665 410.065 131.608 541.673 0.0034 4 4 -243.276 24