隧道工程課程設(shè)計(jì)

1、隧道工程課程設(shè)計(jì)說明書ThestructuraldesignoftheTunnel作者姓名：專業(yè)、班級：道橋班學(xué)號：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11.3 深埋隧道荷載計(jì)算15 .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級圍巖配筋計(jì)算35.4 偏心受壓對稱配筋35.5 受彎構(gòu)件配筋45.6 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：66 .輔助施工措施設(shè)計(jì)66.1 雙側(cè)壁導(dǎo)坑施工方法66.2 開挖方法66.3 施工工序6隧道工程課程設(shè)計(jì)一

2、.課程設(shè)計(jì)題目某高速鐵路隧道V級圍巖段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)時(shí)速350Km/h,隧道埋深127nl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4.252m,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50cmi如圖所示。四.荷載確定4.1圍巖壓力計(jì)算式中：s圍巖類別，此處s=5;圍巖容重，此處=22KN/m3跨度影響系數(shù)毛洞跨度B8.5mB=8.5mB5m,i0.1,此處1i(B5)10.1(8.

3、55)1.35所以有：h0.45241.359.72m因是松軟圍巖，故Hp2.5h24.3m127mp所以此隧道為深埋隧道。s1圍巖豎向均布壓力q0.452=0.45X25-1X22X1.35=213.84KN4.2 圍巖水平壓力圍巖水平均布壓力：e0.300.50q(64.15106.92)KN/m取其平均值eq85.54KN/m4.3 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hqHHp,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角的斜直線,如圖所示。EFGHt土體下沉，帶動兩側(cè)三棱體(圖中FDBffiECA下沉，整個(gè)巖土體ABDCF沉?xí)r，又要受到未擾動巖土體的阻力；斜直

4、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"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400的阻力。W，該滑面的摩擦系數(shù)為36.5度。查詢鐵路隧道設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范，取計(jì)算摩擦角深埋隧道荷載計(jì)算簡圖如上圖所示，隧道上覆巖體EFGH勺重力為W,兩側(cè)三棱巖體FDB<ECA勺重力為W,未'擾動巖體整個(gè)滑動土體的阻力為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：(2-4)Q濾W2TW2Tsin亞其中，三棱體自重為：1 hW1-h(2-5)2 tan式中：h為坑道底部到地面的距離(m);為破裂面與水平的交角(

5、76;)。由圖據(jù)正弦定理可得sin(sin90 (W)(2-6)由于GCHD與EGEF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，考慮壓力稍大些對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)也偏于安全，因此，摩阻力不計(jì)隧道部分而只計(jì)洞頂部分，在計(jì)算中用H代替h,有：(2-7)(tan2c1)tanctantanc.tanctan(2-8)tantanc0.397tan1tan(tanctan)tanctanQ淺H2q淺H（1tan）218.80KN/m（2-9）BtBt埋深為127m時(shí)，土壓力值為1384.3KN/m2。式中：一一側(cè)壓力系數(shù)；Bt一一坑道寬度（m；c一一圍巖的計(jì)算摩擦

6、角（°）；q淺一一作用在支護(hù)結(jié)才上的均布荷載（kN/m2）o（2）作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)的水平側(cè)壓力V級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)狹長的建筑物，縱向很長，橫向相對尺寸較小。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。考慮圍巖與結(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)算分析基本假定：假定所有襯砌均為小變形彈性梁，把襯砌為離散足夠多個(gè)等厚度梁單元。用布置于各節(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)

7、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，會對襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生被動的彈性抗力，設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)采用彈性地基梁單元模擬。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算彎矩圖MIDAS/GTS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

8、.263-2.77951.9813-1624.809-186.971-34.4124-1580.398-185.86133.3395-1437.516-10.739293.8436-1434.12999.214293.8437-2331.265-23.05067.7318-2337.0568.64461.4779-2339.0569.46055.58210-2334.536-14.01766.954由內(nèi)力圖可知，結(jié)構(gòu)所受彎矩為293.843KN?m對應(yīng)軸力為-1437.516KN5.3 V級圍巖配筋計(jì)算整個(gè)斷面存在正負(fù)相反方向的彎矩，又彎矩較大，按偏心受壓對稱配筋和受彎構(gòu)件配筋分別進(jìn)行計(jì)算。5

9、.4 偏心受壓對稱配筋根據(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?m對應(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查表知系數(shù)11.0,0.8,界限受壓區(qū)高度b0.55。按雙面對稱配筋進(jìn)行計(jì)算。293.843*1000 “ 204.4mm有效高度:ho50050450mm1437.516偏心距：e0MN20mm附加偏心距：eae0 ea 224.4mm初始偏心距：ei修正系數(shù)：10.5fcAcN0.5 10 1000 1 0.51437.5161.739 1.0 ,取 1 1.0 。l0h2.0 15所以取2

10、 1.0偏心距增大系數(shù)ei1.0057224.4225.679 0.3h0135mm ,所以可先按大偏心受壓情況計(jì)xh。143.74500.319b 0.55,故假定按照大偏心受壓是正確的。Ne鋼筋截面面積:AsAs1 fcbx h022550.35mm2最小配筋截面面積：Asminminbh0選取3120的II級鋼筋，實(shí)際配筋面積為20.002 1000 450 900mm ,故按最小配筋率配筋,2際942mmO5.5 受彎構(gòu)件配筋計(jì)算配筋過程滿足要求1J2a；0.1570.55故：2選用6122的II級鋼筋，實(shí)際配筋面積為A實(shí)2281mm。5.6 箍筋配筋計(jì)算對于箍筋，Qmax186.97

11、1KN,0.07Rabh04.2112,因此只需按照構(gòu)造配箍，選用,12200（縱方Qmax向）和110250（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。目前我國國內(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：Njx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)eM/N0.2h時(shí)，由抗壓強(qiáng)度控制，當(dāng)eM/N0.2h時(shí)，截面

12、由抗拉強(qiáng)度控制，即：其中：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1mih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5.2V級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)是否安全(KN-m)(N)(mD(N)151.981-2340.1620.058753563639.58702是251.981-2340.2630.4782464463.21670是3-34.412-1624

13、.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5.8 最小配筋率驗(yàn)算：取as50mm，有As9420.02092%滿足規(guī)范要求.bhas100050050六.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，對地表沉陷

14、需嚴(yán)格控制時(shí)，可考慮采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法?，F(xiàn)場實(shí)測表明，雙側(cè)壁導(dǎo)坑法所引起的地表沉陷僅為斷臺階法的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 開挖方法雙側(cè)壁導(dǎo)坑法雖然開挖斷面分塊多一點(diǎn)，對圍巖的擾動次數(shù)增加，且初期支護(hù)全斷面閉合的時(shí)間延長，但每個(gè)分塊都是在開挖之后立即閉合對的，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(JTGD70-2004)要求。主要參考文獻(xiàn)：1JTGD70-2004.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.公路隧道施工.北京：人民交通出版社，200