隧道工程課程設(shè)計說明

1、下載可編輯1 初始條件某一級公路隧道通過 IV 類圍巖 ( 即 III 級圍巖 ) ，埋深 H=20m，隧道圍巖天然容重 =25 KN/m3，計算摩擦角 =50o, 變形模量 E=10GPa，采用礦山法施工。；襯砌材料采用 C25 噴射混凝土，材料容重h22 KN/ m 3 ，變形模量 E h25 GPa 。2 隧道洞身設(shè)計2.1 隧道建筑界限及內(nèi)輪廓圖的確定該隧道橫斷面是根據(jù)兩車道一級公路III級圍巖來設(shè)計的， 根據(jù)公路隧道設(shè)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(shè)置檢修道，故余寬取為0mJ檢修道寬度；雙側(cè)設(shè)置，取為1.0 ×2mH建筑

2、限界高度；取為5.0mL L 左側(cè)向?qū)挾龋蝗?.0mL R 右側(cè)向?qū)挾?；取?.0mEL 建筑限界左頂角寬度；取1.0mER 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+1.0+1.0=11.5m設(shè)計行車速度為80km/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(nèi)輪廓限界圖（單位cm）.專業(yè) .整理 .下載可編輯根據(jù)規(guī)范要求，隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為45cm（一次襯砌為10cm和二次襯砌 35cm）通過作圖得到隧道的尺寸如下：圖 2隧道內(nèi)輪廓圖得到如下尺寸 : R17.00m， R 25.98m，R 310.6m3 隧道襯砌

3、結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 支護(hù)方法及襯砌材料根據(jù)公路隧道設(shè)計規(guī)范 （ JTG-2004），本設(shè)計為一級公路，采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)和二次襯砌及中間防水層組合而成的襯砌形式。復(fù)合式襯砌應(yīng)符合下列規(guī)定：1 初期支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，即由噴射混凝土，錨桿，鋼筋網(wǎng)和鋼筋支架等支護(hù)形式單獨(dú)或組合使用，錨桿宜采用全長粘結(jié)錨桿。2 二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 襯砌截面宜采用連結(jié)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，對于兩車道級圍巖：初期支護(hù)：拱部邊墻的噴射混凝土厚度為 8-12cm，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

4、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(hù)， 根據(jù)規(guī)范規(guī)定， 采用錨噴支護(hù)， 錨桿采用普通水泥砂漿錨桿，規(guī)格 HRB 20×2.5m，采用梅花型局部布設(shè)，采用 C25噴射混凝土。初次襯砌：采用 C25噴射混凝土，厚度為 9.8cm。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(yīng)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(shè)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9.8+0.2+35=45cm。3.2 隧道深淺埋的確定及圍巖壓力的計算.專業(yè) .整理 .下載

5、可編輯隧道的內(nèi)輪廓尺寸為 B=12.10m，H=10.50m因為 IV 級圍巖需要預(yù)留變形量，查公路隧道設(shè)計規(guī)范8.4.1 知級圍巖需預(yù)留變形量為20-50mm，襯砌厚度為 45cm，又每側(cè)超挖量為10cm，故隧道的近似開挖尺寸為：Bt12.1020.4520.10.0513.25mH t10.5020.4520.10.0511.65m由于是級圍巖 H p2h qH p 深淺埋隧道的分界深度h q0.452S-1hq 等效荷載高度跨度影響系數(shù)；1i( Bt5)i 圍巖壓力增減率，當(dāng)B t5 -15m 取 i=0.1hq0.45 2S-10.4523-1 1 0.1 (13.25 5) 3.28

6、5mH p2h q 2.53.2858.213m埋深H 30H p8.213 m 故為深埋隧道。又 H t11.650.88 1.7Bt13.25可用公式 qhq 計算均布垂直壓力：qhq25 3.28582.125kN /m2因為該隧道圍巖級別為圍巖水平均布壓力為：e<0.15q=0.1582.125=12.324 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算4.1 基本資料公里等級一級公路圍巖級別級3圍巖容重r=25KN/m彈性抗力系數(shù)K=0.18 ×106KN/m變形模量E=10GPa材料容重h 22KN / m3.專業(yè) .整理 .下載可編輯材料變形模量Eh25Gpa襯砌厚度d=0.45m圖 3襯砌

7、結(jié)構(gòu)斷面圖4.2 荷載的確定圍巖壓力的確定經(jīng)前面計算可得 , 可用公式 qhq 計算均布垂直壓力：qhq25 3.28582.125kN /m2級圍巖不考慮一襯后的圍巖釋放變形折減系數(shù)襯砌自重g1 （ d0dn） h1 (0.45 0.45) 22 9.9KN / m222（ 1）全部垂直荷載 q=82.125+9.9=92.025KN/m2（ 2）圍巖水平均布壓力e<0.15 × 92.025=13.80KN/m24.3 襯砌幾何要素襯砌的幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑：R 17.00m， R 25.98m內(nèi)徑 r1，r2 所畫圓曲線端點截面與豎直軸線的夾角：oo143.073， 26

8、8.410拱頂截面厚度 d00.45m，拱底截面厚度 dn0.45m.專業(yè) .整理 .下載可編輯4.3.2 半拱軸線長度S 及分段軸長S43 3.14 (7.000.45)68 3.14 (5.980.45) 12.78m18021802將半拱軸長度等分為8 段，則SS 1.598m8S 1.5986 6.39 10-8 Eh 25 104.4 計算位移單位位移用辛普生法近似計算，按計算列表進(jìn)行，單位位移的計算列表見表 4-1 表 4-1 單位位移計算表積截sin cos xyd1/Iy/Iy2 /I(1+y) 2 /I分面系數(shù) 1/300.0000.0001.0000.0000.0000.4

9、50131.6870.0000.000131.6871114.7600.2550.9671.5840.1990.450131.68726.2065.215189.3144229.5200.4930.8703.0560.8060.450131.687106.14085.549429.5162344.2800.6980.7164.3311.7560.450131.687231.243406.0621000.2354459.0400.8580.5145.3203.0120.450131.687396.6421194.6862119.6572573.5720.9590.2835.9824.5310.4

10、50131.687596.6752703.5344028.5714686.2090.9980.0666.2636.1070.450131.687804.2144911.3356651.4502798.8460.988-0.1546.1947.7000.450131.6871013.9927807.7379967.40748111.4830.931-0.3665.7739.2320.450131.6871215.73711223.68113786.84111053.4983767.39622432.33731020.628注： 1 I - 截面的慣性矩， I=bd 3/12,b取單位長度2 不考

11、慮軸力影響單位位移值計算如下：11S16.3910-81053.4986.732 10-5EhI12Sy6.3910-83767.39624.074 10 -5EhI22Sy26.3910-822432.337143.34310-5EhI計算精度校核：112 1222（ 6.73224.0742143.343 ） 10 -5198.22310 -5.專業(yè) .整理 .下載可編輯S（y2）ss16.39 10-8 31020.628 198.22 10-5E hI閉合差0.003 10 50載位移主動荷載在基本結(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

12、下面各式求得，Qi =q × biEi =e × hiG =( d+d )/2 × S× rhii-1i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(yīng)圖形的形心o表 4-2 載位移 Mp 計算表.專業(yè) .整理 .下載可編輯截投影長度集中力S-Qaq-Gag-Gag面bhQGEaqagae00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00011.5800.20014

13、5.40015.8202.7610.7900.7900.100-114.866-12.498-0.27621.4760.600135.82915.8208.2820.7380.7380.300-100.242-11.675-2.48531.2740.957117.24015.82013.2100.6370.6370.479-74.682-10.077-6.32140.9891.25091.01315.82017.2550.4950.4950.625-45.006-7.823-10.78450.6601.52360.73715.82021.0230.3300.3300.762-20.043-5.

14、221-16.00960.2801.57025.76715.82021.6720.1400.1400.785-3.607-2.215-17.01370.0701.5936.44215.82021.990-0.035-0.0350.7970.2250.554-17.51580.4171.53938.37415.82021.244-0.209-0.2090.7708.0013.299-16.348續(xù)表 4-2i-1 （ Q+G） i-1 Exyxy- x i-1- y i-1 Eo（Q+G）Mip0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000

15、.0001.5840.1991.5840.1990.0000.000-127.640161.2202.7613.0560.8061.4720.607-237.315-1.676-481.033312.86911.0434.3311.7561.2750.950-398.908-10.491-981.512445.92924.2545.3203.0120.9891.256-441.024-30.463-1516.611552.76241.5095.9824.5310.6621.519-365.928-63.052-1986.864629.31862.5326.2636.1070.2811.576-

16、176.838-98.551-2285.088670.90684.2046.1947.700-0.0691.59346.292-134.138-2389.669693.168106.1945.7739.232-0.4211.532291.824-162.689-2265.5832）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)力按下式計算之：彎矩：M ipoM io 1, pxi(QG )yiEQ ? aqGa gEaei 1i1軸力：N iposini(QG )cosiEii式中xi 、yi 相鄰兩接縫中心點的坐標(biāo)增值。xi =xi

17、- x i-1yi =yi - y i-1ooMip 和 Nip 的計算見表 4-3 及表 4-4 。表 4-3 載位移 Noip 計算表.專業(yè) .整理 .下載可編輯截sin cosi （ Q+G）i Esin * icos * iEo面（ Q+G）Np00.0000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.000114.7600.2550.967161.2202.76141.0742.67038.404229.5200.4930.870312.86911.043154.1599.610144.549344.2800.6980.716445.92924.254311.332

18、17.364293.968459.0400.8580.514552.76241.509474.00821.354452.654573.5720.9590.283629.31862.532603.62717.685585.942686.2090.9980.066670.90684.204669.4385.567663.870798.8460.988-0.154693.168106.194684.923-16.330701.2538111.4830.931-0.366747.362127.439695.440-46.671742.1113）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

19、表截Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I積分系數(shù)面1/300.000131.6870.0001.0000.0000.0000.00011-127.640131.68726.2061.199-16808.513-3344.894-20153.40742-481.033131.687106.1401.806-63345.857-51056.761-114402.61823-981.512131.687231.2432.756-129252.583-226967.536-356220.12044-1516.611131.687396.6424.012-199718.35

20、4-601551.682-801270.03625-1986.864131.687596.6755.531-261644.675-118551269846-2285.088131.687804.2147.107-300916.979-1837699.993-2138616.97227-2389.669131.6871013.9928.700-314688.937-2423104.814-2737793.75148-2265.583131.6871215.73710.232-298348.374-2754352.193-3052700.5681-1438629.862-

21、7696895.378-9135525.240 1p=S/Eh× Mp0/I=6.39 ×10-8 ×（ -1438629.862 ）= - 9192.84 × 10-5 2p = S/ E h× Mp0y/I=6.39 ×10-8 × (-7696895.378)= -49183.16 ×10-5計算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ E h× Mp0(1+y)/I因此， Sp=6.39 ×10-8 ×（ -9135525.240 ） = -58376.006× 10-5

22、1p+2p= - （ 9192.84+49183.16 ）× 10-6 = -58376.000 ×10-5閉合差 0.000 。.專業(yè) .整理 .下載可編輯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位于與垂直軸接近450 的第 3 截面， 3=44.28° = b;最大抗力位于第5 截面 , 5=76.25° = 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)度按下式計算： i = h（cos2 b-cos 2i ）/ （cos2 b-cos 2h ）計算得，3=0， 4=0.543

23、6 h ， 5=h 。邊墻截面彈性抗力計算公式為：2=h1-(y i/ y h )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；墻底外邊緣在圖 3中可量yhc到最大抗力截面的垂直距離。 (y i和 yh得 )=1.634m;y=3.198m;y=4.776m;y678則有：6=h1- （1.634/4.776）2= 0.8777h7=h1- （3.198/4.776）2= 0.5516h8=0;按比例將所求得的抗力繪在圖4 上。.專業(yè) .整理 .下載可編輯圖 4 結(jié)構(gòu)抗力圖2）各楔塊上抗力集中力Ri，按下式近似計算：，1Si外 / 2Rii 1式中，S外 楔塊 i 外緣長

24、度，由圖3 量得。i，Ri 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Ri按近似計算 :Ri Ri' 12式中圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)。取 =0.2,則Ri Ri' 12'=1.0198Ri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。Ri 的作用點即為 Ri 與襯砌外緣的交點。.專業(yè) .整理 .下載可編輯將 Ri 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 Ri 分解為水平與豎向兩個分力：R= Rsin kR= Rcos

25、kHiVi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 ( h )( i-1 +S 外( R( h) ksin kcos k面i )/2h )30.00000.0000.00000.00000.0000.0001.00040.54360.2721.64750.456762.3700.8860.46451.00000.7721.64751.296776.9160.9740.22660.87770.9391.64751.577489.4141.0000.01070.55160.7151.64751.2007103.7990.971-0.23980.00000.27

26、61.64750.4634116.1260.898-0.440續(xù)表 4-5RH( h )RV( h )vhRi ( h)0.0000.0000.0000.4050.2120.2120.4050.4481.2630.2940.5051.6681.2721.5770.0160.5213.2451.5471.166-0.2860.2354.4111.1770.416-0.2040.0314.8270.4544）計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M oRirKii軸力N osin i RV cos i RHi式中 r Ki -力 Ri至接縫中心點 K 的力臂，由圖 3 量得，計算

27、見表 4-6 和表 4-7.專業(yè) .整理 .下載可編輯表 4-6 M 0 計算表R4 =0.4567 hR5 =1.29674 hR6 =1.5774 hR7=1.2007 hR8 =0.4634 h截o面r 4i-R4r 4ir 5i-R5r 5ir 6i-R6r6ir 7i-R7r7ir 8i-R8r8iM ( h)號40.9000-0.411-0.41152.5557-1.1670.9894-1.283-2.45064.0766-1.8622.5820-3.3481.0605-1.673-6.88375.4556-2.4924.1180-5.3402.6538-4.1860.8364-1

28、.004-13.02286.6259-3.0265.5229-7.1624.1930-6.6142.4307-2.9180.8712-0.404-20.124表 4-7 N 0 計算表截面sin cos RV( h)RH(h)sin RV( cos RH( h)No( h)h)號459.04000.85730.51490.21180.40460.18150.2083-0.0268573.57200.95900.28340.50531.66760.48460.47270.0119686.20900.99780.06690.52153.24490.52030.21700.3033798.84600

29、.9882-0.15290.23514.41100.2323-0.67450.90688111.48300.9309-0.36530.03104.82700.0289-1.76331.79225）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計算過程見表 4-8 。截0000MM 1/IM y/IM (1+y)/I積分系數(shù)面1/Iy/I(1+y)（ h ）（ h ）（ h）（ h ）1/3號4-0.411131.6872396.6424.012-54.127-163.032-217.15925-2.450131.6872596.6755.531-322.653-1461.941-1784.59446-6.8

30、83131.6872804.2147.107-906.387-5535.307-6441.69227-13.022131.68721013.9928.700-1714.805-13204.005-14918.80648-20.124131.68721215.73710.232-2650.074-24465.491-27115.5571-4240.312-31508.650-35748.952.專業(yè) .整理 .下載可編輯表 4-8 單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計算表0-8-61=S/E × M 1/I=6.39×10 × (-4240.312)= -270.96

31、0 × 10h2=S/ Eh 0-8-6× M y/I=6.39×10×(-31508.650)= - 2013.403 ×10校核為：1+2= -(270.960+ 2013.403)× 10-6 =-2284.363 ×10-6S = S/ E h× M0 (1+y)/I=6.39×10-8 ×(-35748.952)=-2284.358 ×10-6閉合差 0。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/(KI 8 )= 131.6872 /0.18×

32、106=731.596×10-62）主動荷載作用下的轉(zhuǎn)角：0-6-6= M =731.596 ×(-2265.583) × 10= -1657491.46 ×10p1 8p3）單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角： =1M80=731.596× 10-6 ×(-20.124) = - 14722.64× 10-64.5 解力法方程襯砌矢高f=y8=9.232m計算力法方程的系數(shù)：a11=11+1=（67.32+731.596 ）× 10-6 =798.913× 10-6a12=12+f 1=（ 240.74+

33、9.232 ×731.596 ）× 10-6 =6994.83× 10-6a22=22+f 2 1=（1433.43+9.232 2×731.596 ）× 10-6 =63787.228×10-6a10=1p+p+( 1 + ) × h=-(91928.4+1657491.46+270.960 h+14722.64h) ×10-6 = -(1749419.86+14993.6 h) ×10-6a20=2p+f p+( 2 +f ) × h= -(491831.6+9.232 ×1657

34、491.46+2013.403 h+9.232 ×14722.64 h)= - (15793792.76+137932.82 h) ×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，即被動荷載的載位移。求解方程：X = (aa- aa)/( aa - a2201112)112221022=（548.873-4.140 h）其中：X 1p=548.873,X1 = -4.140X2 = (a 12a10 - a 11a20)/( a11a22 - a212 ).專業(yè) .整理 .下載可編輯=（187.412+2.616 h）其中： X =187.412,X2= 2.6

35、162p4.6 計算主動荷載和被動荷載（h =1 ）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計算公式為：M pX1 pyX 2 poM pN pX 2 pcosN po和MX1yX 2M oNX 2cosN o計算過程列入表 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oX1pyX2p*yMp oX1 ( h )X2 *y( h)o面MpM ( h)M ( h)00.000548.8730.0000.000548.8730.000-4.1400.000-4.1401-127.640548.8730.19937.295458.5280.000-4.1400.521-3.6202-481.

36、033548.8730.806151.054218.8940.000-4.1402.108-2.0323-981.512548.8731.756329.095-103.5430.000-4.1404.5940.4544-1516.611548.8733.012564.485-403.253-0.411-4.1407.8793.3285-1986.864548.8734.531849.164-588.827-2.450-4.14011.8535.2636-2285.088548.8736.1071144.525-591.690-6.883-4.14015.9764.9537-2389.66954

37、8.8737.7001443.072-397.724-13.022-4.14020.1432.9818-2265.583548.8739.2321730.18813.478-20.124-4.14024.151-0.113表 4-10主、被動荷載作用下襯砌軸力計算表截ocosaX2pcos Np oX2 cos( h) N ( h )面N pN ( h )00.0001.000187.412187.4120.0002.6162.616138.4040.967181.228219.6320.0002.5302.5302144.5490.870163.083307.6320.0002.2762.2

38、763293.9680.716134.175428.1430.0001.8731.8734452.6540.51496.412549.066-0.0271.3461.3195585.9420.28353.002638.9440.0120.7400.752.專業(yè) .整理 .下載可編輯6663.8700.06612.391676.2610.3030.1730.4767701.253-0.154-28.820672.4330.907-0.4020.5058742.111-0.366-68.635673.4761.792-0.9580.8344.7 計算最大抗力值首先求出最大抗力方向內(nèi)的位移。由式：h

39、ps( yhy) M pEIhs( yhy)MEI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s ( y5yi )M php5 psin 5EIs ( y5yi )Mh5Esin5I計算過程列入表 3-11 。表 4-11 最大抗力位移修正計算表截p積分系數(shù)面Mp /IM /Iyiy5 -y iM/IM /I(Y5 -Yi )(Y 5-Y i )1/3號072279.549-545.1980.0004.531327498.634-2470.2934160382.314-476.6440.1994.332261576.184-2064.8212228825.600-267.

40、5360.8063.725107375.359-996.57343-13635.33259.7331.7562.775-37838.045165.75824-53103.299438.2903.0121.519-80663.911665.76245-77541.042693.0504.5310.0000.0000.0001621438.869-5000.847位移值為： hp=6.39 × 10-8 × 621438.869× 0.9590=3808.184 × 10-5h=6.39 × 10-8 ×(-5000.847)×0.9590= -30.645×10-5則可得最大抗力h = hp /(1/K-h )= 3808.184 ×10-5 /1/(0.18×106)+ 30.645 ×10-5 =122.06.專業(yè) .整理 .下載可編輯3.8 計算襯砌總內(nèi)力按下