隧道工程課程設(shè)計(jì)

1、隧道工程課程設(shè)計(jì)說明書The structural design of the Tunnel作者姓名：專業(yè)、班級(jí)：道橋班學(xué) 號(hào)：指導(dǎo)教師：設(shè)計(jì)時(shí)間：目錄1 .課程設(shè)計(jì)題目 02 .隧道的建筑限界 03 .隧道的襯砌斷面 04 .荷載確定 01.1 圍巖壓力計(jì)算 01.2 圍巖水平壓力 01.3 深埋隧道荷載計(jì)算 05 .結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 25.1 計(jì)算基本假定 25.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果 25.3 V級(jí)圍巖配筋計(jì)算 35.4 偏心受壓對(duì)稱配筋 35.5 受彎構(gòu)件配筋 35.6 箍筋配筋計(jì)算 45.7 強(qiáng)度驗(yàn)算 45.8 最小配筋率驗(yàn)算： 56 .輔助施工措施設(shè)計(jì) 56.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法 56.2

2、 開挖方法 56.3 施工工序 5隧道工程課程設(shè)計(jì)一.課程設(shè)計(jì)題目某高速鐵路隧道V級(jí)圍巖段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(設(shè)計(jì)時(shí)速350Km/h,隧道埋深127m單洞雙線)二.隧道的建筑限界2.1隧道的建筑限界根據(jù)鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范TB10003-2005有關(guān)條文規(guī)定，隧道的建筑限界高度H取6.55m, 行車道寬度取4.25 2 m,如圖所示 三.隧道的襯砌斷面擬定隧道的襯砌，襯砌材料為C25混凝土，彈性模量Ec=2.95X107kPa,重度丫 h=23kN/m3 襯砌厚度取50cm如圖所示。四.荷載確定4.1 圍巖壓力計(jì)算計(jì)算圍巖豎向均布?jí)毫Γ簈 =0.45 2s -1式中：s圍巖類別，此處s=5;圍巖容重，此

3、處 =22KN/m3 '跨度影響系數(shù)毛洞跨度B =8.5m B=8.5mB >5m,i =0.1 ,此處 0 =1+i(B5)=1+0.1父(8.5-5)=1.35所以有：h =0.45父2晨1.35 =9.72m 因是松軟圍巖，故 H p = 2.5h = 24.3m <127m p所以此隧道為深埋隧道。圍巖豎向均布?jí)毫?q =0.45x2s 1 & =0.45 X25-1 >22X1.35=213.84KN4.2 圍巖水平壓力圍巖水平均布?jí)毫Γ?: 0.30 0.50 q =(64.15 106.92)KN/m取其平均值e =，q =85.54KN / m

4、4.3 深埋隧道荷載計(jì)算(1)作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的垂直壓力由于, <H <HP ,為便于計(jì)算，假定巖土體中形成的破裂面是一條與水平成P角的斜直線，如圖所示。EFGHt土體下沉，帶動(dòng)兩側(cè)三棱體(圖中 FDBffi ECA下沉，整個(gè)巖土體ABDCF 沉?xí)r，又要受到未擾動(dòng)巖土體的阻力；斜直線 AC或BD是假定的破裂面，分析時(shí)考慮內(nèi)聚力 c,并采用了計(jì)算摩擦角c;另一滑面FH或EG則并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。0該滑面的摩擦系數(shù)日為36.5度。查詢鐵路隧道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，取計(jì)算摩擦角*c 40 。深埋隧道荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖如上圖所示，隧道上覆巖體EFGH勺重力為W ,兩側(cè)三棱巖體F

5、DBE ECA勺重力為W1 ,未擾動(dòng)巖體整個(gè)滑動(dòng)土體的阻力為 F,當(dāng)EFHGF沉，兩側(cè)受到阻力T或T ,作用于HG面上的 垂直壓力總值Q淺為:Q濾=W -2T' =W -2T sin 1,2(2-4)其中，三棱體自重為:1 hW1 二一hr2tan 1：,(2-5)式中：h為坑道底部到地面的距離（m）;口為破裂面與水平的交角（° ）。由圖據(jù)正弦定理可得sin( F,：d)sin90 -（工；+：）(2-6)由于GC HD與EG EF相比往往較小，而且襯砌與巖土體之間的摩擦角也不同，當(dāng)中間 土塊下滑時(shí)，由FH及EG面?zhèn)鬟f，考慮壓力稍大些對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也偏于安全，因此，摩阻力不計(jì)隧

6、道部分而只計(jì)洞頂部分，在計(jì)算中用 H代替h,有:tan - =tan ： 一(tan2 c 1)tan ;tan ： -tan -tan l/, tan c： =0.397tan l ;1 Tan l；(tan : -tan i)，tan ：c tan r(2-7)(2-8)Q淺"H、 八2q淺= H (1 7utan 9) =218.80 KN / mBtBt(2-9)埋深為127m時(shí)，土壓力值為1384.3KN/m2。式中：側(cè)壓力系數(shù)；Bt 坑道寬度（m ；中c 圍巖的計(jì)算摩擦角（°）；q淺一一作用在支護(hù)結(jié)才上的均布荷載（kN/m2）（2）作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力

7、V級(jí)圍巖荷載分布如下圖所示。作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的均布荷載五.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算5.1 計(jì)算基本假定因隧道是一個(gè)狹長(zhǎng)的建筑物，縱向很長(zhǎng)，橫向相對(duì)尺寸較小。隧道計(jì)算取每延米作為計(jì) 算模型，此類問題可以看作平面應(yīng)變問題來近似處理?？紤]圍巖與結(jié)構(gòu)的共同作用，采用荷 載結(jié)構(gòu)模型。隧道計(jì)算采用荷載結(jié)構(gòu)模式按有限桿單元，采用MIDAS/GTSS行計(jì)算分析?；炯俣ǎ杭俣ㄋ幸r砌均為小變形彈性梁，把襯砌為離散足夠多個(gè)等厚度梁?jiǎn)卧?。用布置于各?jié)點(diǎn)上的彈簧單元來模擬圍巖與初期支護(hù)、襯砌的相互約束；假定彈簧不承 受拉力，即不計(jì)圍巖與襯砌間的粘結(jié)力；彈簧受壓時(shí)的反力即為圍巖對(duì)襯砌的彈性抗力。假定初期支護(hù)與主體結(jié)構(gòu)之間只傳遞徑

8、向壓力。考慮到在非均勻分布的徑向荷載作用下，襯砌結(jié)構(gòu)一部分將發(fā)生向著圍巖方向的變形， 而地層具有一定的剛度，會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被動(dòng)的彈性抗力，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用彈性地基梁?jiǎn)?元模擬。5.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果計(jì)算荷載基本組合：結(jié)構(gòu)自重+圍巖壓力，為了計(jì)算保證計(jì)算的可靠性，采用MIDAS/GTS 進(jìn)行計(jì)算。Midas/GTS計(jì)算結(jié)果如下：MIDAS/GTS 計(jì)算彎矩圖MIDAS/GTS 計(jì)算軸力圖MIDAS計(jì)算內(nèi)力表5.1名稱軸力(KN剪力(KN)彎矩(KN*m)1-2340.1624.68351.9812-2340.263-2.77951.9813-1624.809-186.971-34.4124-158

9、0.398-185.86133.3395-1437.516-10.739293.8436-1434.12999.214293.8437-2331.265-23.05067.7318-2337.0568.64461.4779-2339.0569.46055.58210-2334.536-14.01766.954由內(nèi)力圖可知，結(jié)構(gòu)所受彎矩為 293.843KN?m對(duì)應(yīng)軸力為-1437.516KN5.3 V級(jí)圍巖配筋計(jì)算整個(gè)斷面存在正負(fù)相反方向的彎矩，又彎矩較大，按偏心受壓對(duì)稱配筋和受彎構(gòu)件配筋 分別進(jìn)行計(jì)算。5.4 偏心受壓對(duì)稱配筋根據(jù)Midas計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算， 取彎矩293.843KN

10、?m對(duì)應(yīng)軸力-1437.516KN為 最不利截面控制內(nèi)力。襯砌混凝土采用C25,鋼筋采用HRB335由混凝土和鋼筋等級(jí)查表知系數(shù)%=1.0, P=0.8,界限受壓區(qū)高度 =0.55。按雙面對(duì)稱配筋進(jìn)行計(jì)算。有效高度：h0 = 500 -50 = 450mm偏心距：e0 =MN293.843*10001437.516=204.4mm附加偏心距：ea=20mm初始偏心距：ei =e0 +ea = 224.4mm修正系數(shù)：，1="fAN0.5 10 1000 1 0.51437.516-1.739.1.0卜=2.0<15,所以取，2=1.0 h偏心距增大系數(shù)：nei =1.0057父

11、224.4 = 225.679之0.3h0=135mm ,所以可先按大偏心受壓情況計(jì)算。x = J4，7 = 0.319 < -b = 0.55 ,故假定按照大偏心受壓是正確的。h0450- xNe - ： 1 fcbx h0 - 鋼筋截面面積：As = A =： = 550.35mm22=0.002 1000 450 = 900mm ,故按最小配筋率配筋,2陽(yáng)際=942mm滿足要求fy h0s最小配筋截面面積：Asmin ='minbh0選取3120的II級(jí)鋼筋，實(shí)際配筋面積為5.5 受彎構(gòu)件配筋計(jì)算配筋過程=1 - .,1 -2as =0.157 < 0.55故:2選用

12、6122的II級(jí)鋼筋，實(shí)際配筋面積為As實(shí)=2281mm。5.6 箍筋配筋計(jì)算對(duì)于箍筋，Qmax =186.971KN , 0.07 Rabh0 = 4.211 a 2 ,因此只需按照構(gòu)造配箍，選用 1l2200 （縱方 Qmax向）和。10250 （橫斷面）。5.7 強(qiáng)度驗(yàn)算為了保證襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的安全性，需要在算出結(jié)構(gòu)內(nèi)力之后進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。目前我國(guó)國(guó) 內(nèi)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，隧道襯砌和明洞按破壞階段驗(yàn)算構(gòu)件截面強(qiáng)度。即根據(jù)混凝土和 石砌材料的極限強(qiáng)度，計(jì)算出偏心受壓構(gòu)件的極限承載力，與構(gòu)件實(shí)際內(nèi)力相比較，計(jì)算出 截面的抗壓（或抗拉）強(qiáng)度安全系數(shù) K。檢查是否滿足規(guī)范所要求的數(shù)值，即：式中：N

13、jx 截面的極限承載能力；N 截面的實(shí)際內(nèi)力（軸向力）；Kgf 規(guī)范所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)。當(dāng)e = M/N WOgh時(shí)，由抗壓強(qiáng)度控制，當(dāng)$ = “小之0.2h時(shí)，截面由抗拉強(qiáng)度控制，即：其中：平構(gòu)件縱向系數(shù)，隧道襯砌取1;Ra 混凝土極限抗壓強(qiáng)度；Rl 混凝土極限抗拉強(qiáng)度；” 軸力的偏心影響系數(shù)，按以下經(jīng)驗(yàn)公式確定：b 截面寬度，取1m；h截面厚度；鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)在計(jì)算永久荷載加基本可變荷載時(shí)取2.0 （受壓）或2.4（受拉）。在計(jì)算安全系數(shù)時(shí)，彎矩和軸力只取大小，即全是正值。表5.2 V級(jí)圍巖大變形地段安全系數(shù)計(jì)算表名 稱彎矩軸力偏心距極限承載力安全系 數(shù)是否(KN - m)

14、(N)(m)(N)151.981-2340.1620.058753563639.58702是251.981-2340.2630.4782464463.21670是3-34.412-1624.8090.01317.7442是433.339-1580.3980.275527435313.02662是5293.843-1437.5160.1456745322.67.15745是6293.843-1434.1290.033330326546.32212是9425.8 最小配筋率驗(yàn)算：=0.0209 > 2%滿足規(guī)范要求.取 as =50 mm 有 p = As =b h - as1000 500

15、 -50六.輔助施工措施設(shè)計(jì)雙側(cè)壁導(dǎo)坑法采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進(jìn)行開挖，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法是將隧道斷面分成左右兩個(gè)側(cè)壁導(dǎo)坑和上下 臺(tái)階四大部分開挖。6.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法又稱眼睛工法，在軟弱圍巖中，當(dāng)隧道跨度更大或因環(huán)境要求，對(duì)地表沉 陷需嚴(yán)格控制時(shí)，可考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法所引起的地表沉 陷僅為斷臺(tái)階法的1|2。導(dǎo)坑尺寸擬定的原則同前，但原則不宜超過斷面最大寬度的三分之 一。左右側(cè)壁導(dǎo)坑應(yīng)錯(cuò)開開挖，以避免在同一斷面上同時(shí)開挖而不利于圍巖穩(wěn)定，錯(cuò)開的距 離根據(jù)后行導(dǎo)坑引起的圍巖應(yīng)力重分布不影響已成導(dǎo)坑的原則確定，亦可工程類比之，一般 去 7-10m。6.2 開挖方

16、法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多一點(diǎn)，對(duì)圍巖的擾動(dòng)次數(shù)增加，且初期支護(hù)全斷面閉合的時(shí)間延長(zhǎng)，但每個(gè)分塊都是在開挖之后立即閉合對(duì)的， 所以在施工期間變形幾乎不發(fā)展。該施工方法安全，但進(jìn)度慢，成本高。雙側(cè)壁導(dǎo)坑預(yù)留核心土法施工工序圖6.3 施工工序開挖一側(cè)導(dǎo)坑，及時(shí)將初期圍護(hù)閉合。相隔一段距離后開挖另一側(cè)導(dǎo)坑，將初期圍護(hù)閉合。開挖上部核心土，施做拱部初期支護(hù)，拱腳支承在兩側(cè)壁導(dǎo)坑的初期支護(hù)上。開挖下臺(tái)階，施做底部的初期支護(hù)，是初期支護(hù)全斷面閉合。拆除導(dǎo)坑臨空部分的初期支護(hù)。待隧道周邊變形基本穩(wěn)定后，施做二次模注混凝土襯砌6.4 裂縫寬度驗(yàn)算經(jīng)驗(yàn)算所有的裂縫寬度均滿足公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D70-2004)要求。主要參考文獻(xiàn)：1 JTG D70-2004.公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范.北京：人民交通出版社,20042錢東升.公路隧道施工技術(shù).北京：人民交通出版社，20033黃成光.