蘭州交通大學(xué)土木工程畢業(yè)設(shè)計(jì)

PAGEPAGE1一基本資料計(jì)算以下條件的曲線隧道凈空加寬值，并畫出雙線曲墻式襯砌的內(nèi)輪廓線，標(biāo)注詳細(xì)尺寸。設(shè)計(jì)該隧道的初期支護(hù)及二次襯砌的支護(hù)參數(shù)，并采用彈性鏈桿法檢算支護(hù)強(qiáng)度是否滿足隧道設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。①雙線隧道；②電力牽引；③行車速度V=150km/h；④曲線半徑為學(xué)號(hào)最后三位數(shù)的100倍，即R=3900m。⑤圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)二曲線隧道凈加寬值2.1．加寬原因①車輛通過曲線時(shí)，轉(zhuǎn)向架中心點(diǎn)沿線路運(yùn)行，而車輛本身卻不能隨線路彎曲仍保持其矩形形狀。故其兩端向曲線外側(cè)偏移（d外），中間向曲線內(nèi)側(cè)偏移（d內(nèi)1）。②由于曲線外軌超高，車輛向曲線內(nèi)側(cè)傾斜，使車輛限界上的控制點(diǎn)在水平方向上向內(nèi)移動(dòng)了一個(gè)距離（d內(nèi)2）。2.2．加寬值的計(jì)算取R=3900車輛中間部分向曲線內(nèi)測(cè)的偏移值d內(nèi)1=4050/R=4050/3900=4.385曲線外側(cè)的加寬值d外=4400/R=4400/3900=1.128曲線外軌超高值E=0.75V2/R=0.75*1502/3900=4.385外軌超高使車體向曲線內(nèi)側(cè)的傾斜值d內(nèi)2=2.7E=2.7*4.385=11.840曲線內(nèi)側(cè)的加寬值W1=d內(nèi)1+d內(nèi)2=12.878曲線外側(cè)的加寬值W2=d外=1.128假定外側(cè)線路外軌超高大于內(nèi)側(cè)線路外軌超高，則內(nèi)外側(cè)線路中間加寬值Ｗ３＝8450／R＋１.２Ｅ＝7.42內(nèi)測(cè)線路中線至隧道中線的距離d1=200-0.5（W1-W2-W3）=200-0.5*（12.878-1.128-7.429）=197.840cm外側(cè)線路中線至隧道中線的距離d2=200+0.5（W1-W2+W3）=200+0.5（12.878-1.128+7.429）=209.590cm則:總加寬值W=W1+W2+W3=12.878+1.128+7.429=21.435cm為施工方便，實(shí)取總加寬Ｗ＝30.000c圖2.31.雙線曲線隧道加寬示意圖三雙線曲墻式襯砌的內(nèi)輪廓線見附錄四.襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及檢算4.1襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)隧道在一般情況下應(yīng)做襯砌，其結(jié)構(gòu)的型式及尺寸，可根據(jù)圍巖級(jí)別、水文地質(zhì)條件、埋置深度、結(jié)構(gòu)工作特點(diǎn)，結(jié)合施工條件等，通過工程類比和結(jié)構(gòu)計(jì)算確定，必要時(shí)，還應(yīng)經(jīng)過試驗(yàn)論證。隧道襯砌類型主要有以下幾種：整體式模筑混凝土襯砌、裝配式襯砌、噴錨支護(hù)及復(fù)合式襯砌。4.1.1一般規(guī)定(1)隧道一般可采用整體式襯砌或復(fù)合式襯砌；在I～I(xiàn)I級(jí)圍巖短隧道中，可采用噴錨襯砌。(2)不設(shè)仰拱的隧道應(yīng)做底板，單線隧道其厚度不應(yīng)小于20cm。[1](3)位于曲線地段的隧道其斷面要加寬。(4)襯砌拱圈可設(shè)計(jì)為等截面或邊截面形式；IV～VI級(jí)圍巖地段，應(yīng)采用曲墻有仰拱襯砌。(5)最冷月平均氣溫低于-15℃的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)情況設(shè)置變縫。4.1.2襯砌設(shè)計(jì)由于隧道圍巖級(jí)別為V級(jí)，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)·隧道》的相關(guān)規(guī)定，擬采用噴錨支護(hù)，復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)時(shí)，對(duì)于V級(jí)圍巖打入3.0m長(zhǎng)的錨桿，在圍巖破碎段鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，然后噴混凝土；二次襯砌采用全液壓襯砌臺(tái)車澆筑而成，厚度35cm。詳細(xì)襯砌支護(hù)參數(shù)如表4.1所示。V級(jí)圍巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面細(xì)部尺寸參照復(fù)合式襯砌斷面標(biāo)準(zhǔn)圖來擬定，襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面圖分別見附錄一。4.2襯砌結(jié)構(gòu)的檢算4.2.1襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法(荷載-結(jié)構(gòu)模型)，假設(shè)襯砌結(jié)構(gòu)與圍巖全面、緊密地接觸，采用主動(dòng)荷載加被動(dòng)荷載(彈性抗力)模式，按照彈性鏈桿法原理來計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。表4.1雙線隧道復(fù)合式襯砌支護(hù)參數(shù)[1]圍巖級(jí)別預(yù)留變形量(cm)初期支護(hù)二次襯砌厚度(cm)噴混凝土錨桿位置厚度(cm)位置長(zhǎng)度(m)間距(m)拱墻仰拱V7拱、墻、仰拱16拱、墻3.01.035404.2.2圍巖壓力的確定(1)圍巖壓力確定公式采用容許應(yīng)力法，計(jì)算單線深埋隧道襯砌時(shí)，圍巖壓力按松散壓力考慮，其水平均布?jí)毫Φ淖饔脴?biāo)準(zhǔn)值可按垂直均布?jí)毫郊氨?.2確定。1)垂直勻布?jí)毫κ?4.1)式(4.2)式中——圍巖垂直均布?jí)毫?)；——圍巖重度()；——圍巖壓力計(jì)算高度()；——圍巖級(jí)別；——寬度影響系數(shù)，；——坑道寬度。2)水平勻布?jí)毫Ρ?.2圍巖水平勻布?jí)毫8]圍巖級(jí)別I～I(xiàn)IIIIIVVVI水平勻布?jí)毫?<0.15q（0.15～0.30）q（0.30～0.50）q（0.50～1.00）q(2)襯砌圍巖壓力確定V級(jí)圍巖寬度影響系數(shù)w=1+0.1*(10.1-5）=1.51有效寬度h=0.45*2^（5-1）*1.51=10.872m豎直方向均布荷載q=rh=20*10.872=217.44KN/m水平方向均布荷載q=0.3*q=65.232KN/m4.2.2結(jié)構(gòu)的理想化(1)襯砌結(jié)構(gòu)的理想化隧道襯砌是實(shí)體拱式結(jié)構(gòu)，軸力和彎矩是主要內(nèi)力，可將其離散化為一些同時(shí)承受彎矩、剪力和軸力的偏心受壓等直桿單元所組成的折線形組合體。由《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，雙線電氣化鐵路在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)化分時(shí)，要不少于16個(gè)單元，在本設(shè)計(jì)中，把襯砌劃分為28個(gè)單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為29，隧道襯砌單元?jiǎng)澐秩鐖D4.2所示。圖4.2隧道襯砌單元?jiǎng)澐质疽鈭D(2)圍巖的理想化將彈性抗力作用范圍內(nèi)的連續(xù)圍巖，離散為若干條彼此互不相關(guān)的矩形巖柱，巖柱具有彈性地基的性質(zhì)，采用局部變形理論的溫克爾假定，把每個(gè)巖柱理想化為一個(gè)剛性支座上的彈性鏈桿支承于襯砌單元的節(jié)點(diǎn)上，它可以軸力的方式把巖柱的作用體現(xiàn)出來。彈性支承的設(shè)置方向應(yīng)按照襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)來確定，本文為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將彈性支承水平設(shè)置。圍巖的理想化如圖4.3所示。圖4.3圍巖的理想化4.2.3襯砌內(nèi)力的計(jì)算按照彈性鏈桿法的基本原理進(jìn)行襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算。本文利用給定的桿系有限元分析程序計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力。對(duì)V級(jí)圍巖襯砌進(jìn)行內(nèi)力檢算，在檢算中，將初襯和二襯合并考慮，共同承受荷載的100%。程序檢算輸入INPUT為：15,20,2.5e7,65.232,217.44,1.5e5,1.5e5,0.585.02,8.15,0,1,1,1,0.585.09,7.91,1,1,1,1,0.585.15,7.56,1,1,1,1,0.585.21,7.05,1,1,1,1,0.585.28,6.29,1,1,1,1,0.585.29,5.53,1,1,1,1,0.585.11,4.55,1,1,1,1,0.584.78,3.29,1,1,1,1,0.584.48,2.61,1,1,1,1,0.583.95,1.99,1,1,1,1,0.583.41,1.44,0,1,1,1,0.582.81,0.96,0,1,1,1,0.582.15,0.57,0,1,1,1,0.581.44,0.34,0,1,1,1,0.580.00,0.00,0,0,1,0,0.58程序運(yùn)行后輸出結(jié)果為：NONIQIMINJQJMJ1-171.17647.2270.361171.176-47.22711.4462-158.86619.751-11.448158.866-19.75118.4633-142.1985.382-18.462142.198-5.38221.2264-120.828-0.164-21.226120.8280.16421.1005-102.822-2.361-21.100102.8222.36119.3056-91.761-6.997-19.30591.7616.99712.3337-82.8837.876-12.33382.883-7.87622.5928-76.4228.911-22.59176.422-8.91129.2149-69.728-6.594-29.21469.7286.59423.83710-58.187-9.371-23.83658.1879.37116.61311-40.765-17.537-16.61240.76517.5373.13612-18.052-24.480-3.13618.05224.480-15.630136.251-24.61315.631-6.25124.613-34.0001427.910-15.40734.000-27.91015.407-56.7974.2.4襯砌截面的強(qiáng)度檢算(1)強(qiáng)度檢算方法襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力算出后，需進(jìn)行隧道襯砌截面強(qiáng)度檢算，其強(qiáng)度檢算按破損階段法或容許應(yīng)力法進(jìn)行。隧道和明洞襯砌按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計(jì)算中應(yīng)分別選用不同的安全系數(shù)，并不應(yīng)小于表4.3所列數(shù)值。表4.3鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)[13]荷載組合主要荷載主要荷載+附加荷載破壞原因鋼筋達(dá)到計(jì)算強(qiáng)度混凝土達(dá)到抗壓或抗剪極限強(qiáng)度2.01.7混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度2.42.0拱形隧道襯砌屬偏心受壓構(gòu)件，其截面強(qiáng)度檢算根據(jù)軸力偏心距的大小可分為兩種情況：1)抗壓強(qiáng)度控制()混凝土和砌體結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：式(4.3)式中——《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)；——截面的實(shí)際軸力；——構(gòu)件縱向彎曲系數(shù)，對(duì)于隧道襯砌，可取1；——混凝土或砌體結(jié)構(gòu)的極限抗壓強(qiáng)度，對(duì)于混凝土，取19.0；——截面寬度(計(jì)算長(zhǎng)度)，取1m；——截面厚度(襯砌厚度)；——軸力偏心影響系數(shù)，可按下式計(jì)算：——截面軸力偏心距。2)抗拉強(qiáng)度控制()混凝土構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：式（(4.4)或式(4.5)式中——《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》所規(guī)定的強(qiáng)度安全系數(shù)；——混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，對(duì)于混凝土，取2.0。(2)強(qiáng)度檢算按照上述襯砌截面強(qiáng)度檢算方法，利用Excel軟件進(jìn)行檢算，襯砌強(qiáng)度安全系數(shù)按照《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》取K≥2.4。作出隧道V級(jí)圍巖襯砌的截面強(qiáng)度檢算結(jié)果如表4.4所示。表4.4V級(jí)圍巖襯砌截面強(qiáng)度檢算表節(jié)點(diǎn)軸力（kN）彎矩（kN?m）偏心距（m）截面厚度（m）偏心影響系數(shù)e0/0.2d大小偏心安全系數(shù)K檢算結(jié)果117.1760.3610.0210176990.581.0077117650.181187061小偏心63.5474904安全2158.86611.4480.072060730.580.9161103090.621213193小偏心53.35475207安全3142.19818.4620.129833050.580.6884699671.119250428大偏心41.60841583安全4120.82821.2260.1756712020.580.4723419131.514406914大偏心43.07948389安全5102.82221.10.2052090020.580.3398878231.76904312大偏心36.42764979安全691.76119.3050.2103834960.580.3183794651.81365083大偏心38.23565249安全782.88312.3330.1488001160.580.5997548321.282759619大偏心79.74250747安全876.42222.5910.2956085940.580.109986422.548349952大偏心12.90708173安全969.22829.2140.421996880.580.7662184433.637904137大偏心8.712977615安全1058.18723.8360.4096447660.580.6290293273.53