曲墻式襯砌計(jì)算副本

1、附件1：學(xué) 號(hào)： 課 程 設(shè) 計(jì)題 目學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名指導(dǎo)教師年月日隧道工程課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 某公路隧道隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 初始條件： 某高速公路隧道通過II 類圍巖(即V級(jí)圍巖)，埋深H=50m，隧道圍巖天然容重=20 KN/m3，計(jì)算摩擦角=25o , 變形模量E=1.5GPa，采用礦山法施工。 隧道洞身設(shè)計(jì)資料：襯砌材料采用C25噴射混凝土，材料容重，變形模量要求完成的主要任務(wù): 計(jì)算書部分：1. 確定公路建筑界限 ；2.根據(jù)公路等級(jí)及圍巖類別用工程類比法確定支護(hù)方法及襯砌材料；2. 擬定隧道結(jié)構(gòu)的界面尺寸（包括輪廓線半徑及厚

2、度）；4. 隧道圍巖壓力計(jì)算（包括豎向力及水平力）；5. 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算、并畫出彎矩圖和軸力圖。 圖紙部分：1. 插圖：隧道內(nèi)輪廓限界圖；結(jié)構(gòu)抗力圖；內(nèi)利圖（彎矩圖和軸力圖）。2. 圖紙（A3圖紙）：襯砌結(jié)構(gòu)圖（比例1：100）；隧道開挖方案（比例1：100）時(shí)間安排：隧道行車界限、結(jié)構(gòu)界面尺寸擬定1天隧道圍巖壓力計(jì)算（豎向壓力、水平壓力）0.5天隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算（彎矩圖和軸力圖）2.5天施工方案設(shè)計(jì)1天指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日1 設(shè)計(jì)目的通過課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握公路隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本計(jì)算方法， 熟悉礦山法在公路隧道施工中的工藝，掌握公路隧道施工設(shè)計(jì)的

3、基本方法。2 設(shè)計(jì)計(jì)算書隧道洞身設(shè)計(jì)隧道建筑界限及內(nèi)輪廓圖的確定 行車道 7.5m 路緣帶寬度 0.5m（每側(cè)） 采用新奧法施工，襯砌厚度為0·5m 余寬 0.5m(每側(cè)） 檢修道寬度 0.75m 內(nèi)輪廓半徑為內(nèi)徑和所畫圓曲線的終點(diǎn)截面與豎直軸的夾角為外輪廓線半徑為采用等截面拱圈襯砌。設(shè)計(jì)行車速度100KM/h3拱形曲墻式襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算基本資料：公路等級(jí) 山嶺重丘高速公路圍巖級(jí)別 級(jí)圍巖容重 S=20KN/m3彈性抗力系數(shù) K=0.18×106 KN/m變形模量 E=1.5GPa襯砌材料 C25噴射混凝土材料容重 h=22 KN/m3變形模量 Eh=25GPa二襯厚度 d=0

4、.50m 襯砌結(jié)構(gòu)端斷面圖（單位：mm）荷載確定：圍巖豎向壓力根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的有關(guān)計(jì)算公式及已知的圍巖參數(shù)，代入公式q=0.45 × 2S-1 ××其中：S圍巖的級(jí)別，取S=5；圍巖容重，取=20 KN/m3；寬度影響系數(shù)，由式=1+i (B-5)計(jì)算，其中，B為隧道寬度，B=12.50+2×0.5+2×0.10=13.70m，式中0.10為一側(cè)平均超挖量;B>5時(shí)，取i =0.1，=1+0.1*(13.70-5)=1.870所以圍巖豎向荷載（考慮一襯后圍巖釋放變形取折減系數(shù)0.4）q=0.45×16×20

5、15;1.870*0.4107.71計(jì)算襯砌自重g=1/2×(d0+dn ) ×h=1/2×(0.5+0.5) ×22=11 根據(jù)我國復(fù)合式襯砌圍巖壓力現(xiàn)場量測數(shù)據(jù)和模型實(shí)驗(yàn)，并參考國內(nèi)外有關(guān)資料，建議級(jí)圍巖襯砌承受80%-60%的圍巖壓力，為安全儲(chǔ)備這里取：72.70 全部垂直荷載q= 72.70+11=83.70圍巖水平均布?jí)毫=0.4×83.70=33.48襯砌幾何要素襯砌幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑： r1 =7.0 m , r2 = 5.5 m內(nèi)徑r1，r2所畫圓曲線的終點(diǎn)截面與豎直軸的夾角： 1=81.40°， 2 =112.4

6、5° 拱頂截面厚度d0 =0.5 m ,拱底截面厚度dn=0.5m。半拱軸線長度S及分段軸長S S =12.07m將半拱軸長度等分為8段，則S=S/8=12.07/8=1.51 mS/Eh =1.51/0.25×108 =6.03×10-8 m各分塊截面中心幾何要素各分塊截面與豎直軸的夾角及截面中心點(diǎn)的坐標(biāo)可以由圖3直接量得，具體數(shù)值見表2-1。計(jì)算位移單位位移：用辛普生法近似計(jì)算，按計(jì)算列表進(jìn)行，單位位移的計(jì)算見表。單位位移計(jì)算表 截面sincosxyd1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I積分系數(shù)1/3012345678注：1.I截面慣性矩，I=bd3/12,b

7、取單位長度2.不考慮軸力的影響。單位位移值計(jì)算如下：11=S/Eh×1/I=6.036×10-8×768=46.360×10-612=S/ Eh×y/I=6.036×10-8×2495.99=150.660×10-622=S/ Eh×y2/I=6.18×10-8×13152.90=793.910×10-6計(jì)算精度校核：11+212+22=（46.360+2*150.660+793.910）×10-6=1143.580×10-6SS=S/ Eh×(

8、1+y)2/I=6.036×10-8×18912.2987=1141.160×10-6閉合差=0.0001×10-60載位移主動(dòng)荷載在基本結(jié)構(gòu)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 =( 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。各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心。 圖3 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算圖示（單位：cm） 載位移Mop

9、計(jì)算表截面投影長度集中力S-Qaq-GagbhQGEaqagae012345678-Gaei-1（Q+G）i-1Exyxy-xi-1（Q+G）-yi-1EMoip2）外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)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(nèi)力按下式計(jì)算之：彎矩： 軸力： 式中 xi、yi相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)增值。 xi=xi- xi-1 yi=yi- yi-1Moip和Noip的計(jì)算見表載位移Noip計(jì)算表截面sincosi（Q+G）iEsin* i（Q+G）cos*iENop0123456783）主動(dòng)荷載位移計(jì)算過程見表主動(dòng)荷載位移計(jì)算表截面Mp01/Iy/I1+

10、yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I積分系數(shù)1/30123456781p=S/Eh×Mp0/I=6.036×10-8×（-963779.500）= - 58170.813×10-62p =S/ Eh×Mp0y/I=6.036×10-8×(-4756663.380)= -287143.795×10-6計(jì)算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ Eh×Mp0(1+y)/I因此，Sp=6.036×10-8×（-5720442.880）= -345314.600×10-61p+2

11、p= -（58170.813+287143.795）×10-6= -345314.600×10-6閉合差=0.000。載位移單位彈性抗力及相應(yīng)的摩擦力引起的位移1）各接縫處的抗力強(qiáng)度按假定拱部彈性抗力的上零點(diǎn)位于與垂直軸接近450的第3截面，3=42.13°=b;最大抗力位于第5截面,5=75.22°=h;拱部各截面抗力強(qiáng)度，按鐮刀形分布，最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算：i=h（coS2b-coS2i）/（coS2b-coS2h）計(jì)算得，3=0， 4=0.58h ， 5=h 。邊墻截面彈性抗力計(jì)算公式為：=h1-(yi/ yh)2式中yi所求抗力

12、截面與外輪廓線交點(diǎn)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=1.43m; y7=2.81m; y8=4.08m;則有： 6=h 1-（1.43/4.08）2= 0.8772h 7=h 1-（2.81/4.08）2= 0.5257h 8=0;按比例將所求得的抗力繪在圖4上。2）各楔塊上抗力集中力按下式近似計(jì)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(jì)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=ar

13、ctg=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(diǎn)即為與襯砌外緣的交點(diǎn)。 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(shí)針方向量度)。將分解為水平與豎向兩個(gè)分力：RH= Ri Sink RV= Ri coSk以上計(jì)算例入表3-5中， 并參見圖3。表3-5 彈性抗力及摩擦力計(jì)算表截面i(h)(i-1+i)/2S外 (h)R(h)ksink345678 續(xù)表3-5 截面coskRH (h)RV (h)vhRi(h)3456784）計(jì)算單位抗力圖及其相應(yīng)的摩擦力在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力 彎矩 軸力 式中 rKi -力Ri至接縫中心點(diǎn)K的力臂，由圖3量

14、得，計(jì)算見表3-6和表3-7。表3-6 M0計(jì)算表截面號(hào)R4=0.4632hR5=1.2784hR6=1.5409hR7=1.1754hR8=0.4497hMo （h)r4i-R4r4ir5i-R5r5ir6i-R6r6ir7i-R7r7ir8i-R8r8i45678表3-7 N0計(jì)算表截面號(hào)sincosRV(h)RH(h)sinRV(h)cosRH(h)No(h)4 5 6 7 8 5）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算過程見表3-8。表3-8 單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算表截面號(hào)M0（h）1/Iy/I(1+y)M01/I（h）M0y/I（h）M0(1+y)/I（h）積分系數(shù)1/3

15、456781=S/Eh×M01/I=6.036×10-8×(-2568.020)= -154.9838×10-62=S/ Eh×M0y/I=×10-8×(-16942.960)= - 1022.4759×10-6校核為： 1+2= -(154.9838+ 1022.4759) ×10-6=-1177.4597×10-6 S=S/ Eh×M0(1+y)/I=6.036×10-8×(-19510.957)=-1177.4597×10-6閉合差=0.0006&#

16、215;10-60。綜上計(jì)算得結(jié)構(gòu)抗力圖如圖 圖4 結(jié)構(gòu)抗力圖墻底（彈性地基上的剛性梁）位移1）單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角：1=1/(KI8)= 96.00 /0.18×106=533.34×10-62）主動(dòng)荷載作用下的轉(zhuǎn)角：p=1M8p0=-2402.41×533.34×10-6 = -1281278.34×10-63）單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角：=1M80=533.34×10-6×(-17.23) = - 9190.28×10-6解力法方程襯砌矢高 f=y8=8.2m計(jì)算力法方程的系數(shù)：a11=11+1=（46

17、.356+533.34）×10-6=579.696×10-6a12=12+f1=（150.658+8.2×533.34）×10-6=4524.046×10-6a22=22+f21=（793.909+8.2×8.2×533.33）×10-6=36655.01×10-6a10=1p+p+(1+)×h =-(58170.814+1281277.33+154.9387h+9189.28h) ×10-6= -(1339448.144+9344.219h)×10-6a20=2p+fp+(

18、2+f)×h = -(287143.785+8.2×1281277.33+154.9387h+8.2×9189.28h) = - (10793617.89+76374.57h) ×10-6以上將單位抗力圖及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移乘以h倍，即被動(dòng)荷載的載位移。求解方程：X1 = (a12a20 - a22a10)/( a11a22 - a122)=（342.082-3.840h）其中： X1p=342.082, X1= -3.840X2 = (a12a10 - a11a20)/( a11a22 - a122)=（252.245+2.558h）其中： X2p=

19、252.245, X2= 2.558計(jì)算主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載（h =1）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計(jì)算公式為：和 計(jì)算過程列入表3-9和表3-10中。表3-9 主、被動(dòng)荷載作用下襯砌彎矩計(jì)算表截面MopX1pyX2p*yMpMo (h)X1 (h)X2*y (h)Mo (h)0 1 2 3 4 5 6 7 8 表3-10 主、被動(dòng)荷載作用下襯砌軸力計(jì)算表截面NopcosaX2pcosNpNo(h)X2cos (h)N(h)0 1 2 3 4 5 6 7 8 計(jì)算最大抗力值首先求出最大抗力方向內(nèi)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(jì)算過程列入表3-11。表3-11最

20、大抗力位移修正計(jì)算表截面號(hào)Mp/IM/Iyiy5-yiMp/I(Y5-Yi)M/I(Y5-Yi)積分系數(shù) 1/3012345位移值為： hp=6.036×10-8×245816.600×0.98=1454.07402×10-5 h=6.036×10-8×(-2950.820) ×0.98= -17.4559×10-5則可得最大抗力h = hp /(1/K-h)= 1454.07402×10-5/1/(0.18×106)+17.4559×10-5=80.74N計(jì)算襯砌總內(nèi)力按下式進(jìn)行計(jì)算

21、：M=Mp+h MN=Np+h N計(jì)算過程列入表3-12表3-12襯砌總內(nèi)力計(jì)算表截面號(hào)MpMMM/IMy/INpNNe積分系數(shù)1/30 1 2 3 4 5 6 7 8 計(jì)算精度校核：根據(jù)拱頂切開點(diǎn)之相對轉(zhuǎn)角和相對水平位移應(yīng)為零的條件來檢查。式中：=6.036×10-8×1278.260= 80.607×10-6a=M81=-0.15×533.34×10-6=-80.00×10-6閉合差：=(80.607- 80.00) /80.607= 0.7%式中：=6.036×10-8×13729.360=828.704&#

22、215;10-6fa =8.2×（-9402.61）×10-6=-839.4614×10-6閉合差：=（839.4614- 828.704）/839.4614=1.28%檢驗(yàn)截面強(qiáng)度檢算幾個(gè)控制截面：截面0e=0.07< 0.2d=0.2*0.5=0.1m , 而 則 (滿足)截面1e=0.03< 0.2d=0.2×0.5=0.1m , 而則 （滿足）截面7e=0.02< 0.2d=0.2×0.5=0.1m , 而則 墻底(截面8)偏心檢查e=0.000m<d/6=0.075m(可)其它各截面偏心均小于0.45d。綜上，

23、驗(yàn)算滿足強(qiáng)度要求。內(nèi)力圖將內(nèi)力計(jì)算結(jié)果按比例尺繪制彎矩圖M及軸力圖N，如圖3所示。圖5 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力圖隧道新奧法施工方案1.前言新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)原理，以維護(hù)和利用巖體的自穩(wěn)能力為基點(diǎn)，將錨桿和噴射混凝土集合在一起作為主要支護(hù)手段，及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以控制圍巖變形與松弛，使圍巖成為支護(hù)體系的一部分，形成以錨桿、噴射混凝土和隧道圍巖為三位一體的承載結(jié)構(gòu)，共同支撐山體壓力。通過對圍巖與支護(hù)的現(xiàn)場測量，及時(shí)反饋圍巖支護(hù)復(fù)合體系的力學(xué)動(dòng)態(tài)和變化情況，為二次襯砌支護(hù)提供合理的時(shí)機(jī)。本隧道為II 類圍巖的高速公路山嶺隧道，地質(zhì)條件較差，采用新奧法進(jìn)行施工。2. 施工工序施工準(zhǔn)備確定施工方案及施工方開挖分析地

24、質(zhì)勘探資料確定施工監(jiān)測計(jì)劃現(xiàn)場施工監(jiān)測是否達(dá)到二次支護(hù)要求防水隔離層防水設(shè)施二次襯砌錨噴襯砌結(jié)束初期支護(hù) （改變開挖步驟和順序） （修正支護(hù)參數(shù)） 否3.施工要點(diǎn)施工準(zhǔn)備修建路塹擋墻、天溝邊溝等排水設(shè)備，這樣可以減少塌方等事故的發(fā)生，使隧道開挖順利進(jìn)行。 .監(jiān)控測量主要施工監(jiān)測項(xiàng)目：圍巖及支護(hù)狀態(tài)，開挖后立即進(jìn)行，沉降監(jiān)測，包括地表沉降、拱頂下沉周邊凈空收斂位移，鋼拱架內(nèi)立及外力、錨桿外力，隧道底部隆起5.施工機(jī)具 序號(hào) 作業(yè)1 2 開挖 3 初期 支護(hù) 4 二次 襯砌 5 量測 及測 量儀 器 6施工安全與環(huán)境保護(hù)措施 量測人員及專職安全人員需經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)并取得證書，方準(zhǔn)上崗作業(yè)。必須加強(qiáng)全員的安全意識(shí)教育。施工中如發(fā)現(xiàn)工作面有失穩(wěn)可能，應(yīng)及時(shí)采用噴射混凝土封閉，加錨桿支護(hù)。施工時(shí)注意拱腳與墻腳處斷面，如超挖過大，應(yīng)用漿砌片回填密實(shí)，如發(fā)現(xiàn)該處土體承載力不夠，應(yīng)立即加固。施工時(shí)如發(fā)現(xiàn)不安全因素，應(yīng)暫停開挖，加強(qiáng)臨時(shí)支護(hù)