《隧道襯砌荷載計算的案例分析》5200字

隧道襯砌荷載計算的案例分析目錄TOC\o"1-2"\h\u5141隧道襯砌荷載計算的案例分析 1307195.1SAP84計算模型 179365.2Ⅲ1級圍巖斷面襯砌荷載計算 2187365.2.1鉆孔M8Z3-TSG-112斷面襯砌荷載計算 3262965.3Ⅳ級圍巖斷面襯砌荷載計算 532715.3.1鉆孔M8Z2-TZX-82斷面襯砌荷載計算 5260685.3.2鉆孔M8Z3-TSG-108斷面襯砌荷載計算 8254615.3.3鉆孔M8Z3-TSG-121斷面襯砌荷載計算 10207115.4Ⅴ級圍巖斷面襯砌荷載計算 1349915.4.1鉆孔M8Z3-TSG-113斷面襯砌荷載計算 14125805.4.2鉆孔M8Z3-TSG-111斷面襯砌荷載計算 165.1SAP84計算模型初支與二襯的SAP84計算模型分別如圖1-1、5-2所示；圖1-1圍巖斷面初期支護計算模型圖1-2圍巖斷面二襯支護計算模型計算采用SAP84通用結(jié)構(gòu)分析軟件，底板地基反力按計算由地基彈簧變形提供，彈簧剛度由隧道截面經(jīng)過巖層的基床系數(shù)加權(quán)平均所得。結(jié)構(gòu)自重由SAP84程序中自行計入計算。由《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[6]可知，初期支護可不考慮水壓力，僅考慮土壓及地面超載。二襯支護計算時需考慮水壓力（按靜水壓力計算），對巖層進行水土分算。5.2Ⅲ1級圍巖斷面襯砌荷載計算Ⅲ1級圍巖襯砌斷面設(shè)計如圖1-3所示：圖1-3Ⅲ1級圍巖襯砌斷面設(shè)計5.2.1鉆孔M8Z3-TSG-112斷面襯砌荷載計算根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z3-TSG-112斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-1所示：表5-1鉆孔M8Z3-TSG-112斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土1.701.701.75————?8-2流紋質(zhì)凝灰?guī)r（沙土狀碎裂巖）13.8013.802.10.43408090?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r17.509.692.240孔M8Z3-TSG-112斷面襯砌荷載計算過程：（1）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=3；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.51m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω可按式(5-1)計算：(5-1)式中B——坑道寬度(m)；i——B每增減1m時圍巖壓力增減率：當B<5m時，取i=0.2；當B>5m時，取i=0.1。由公式(5-1)可得ω=1.156。等效荷載高度ha可按式(5-2)計算：(5-2)由公式(5-2)可得ha判斷隧道深埋淺埋：H=25.19m>5.202m=2.5ha，故屬于深埋隧道。（3）計算水土壓力土垂直壓力可按式(5-3)計算：(5-3)式中γ——圍巖重度(kN/m3)。根據(jù)規(guī)范[6]，圍巖水平均布壓力如表5-2所示：表5-2圍巖水平均布壓力圍巖級別Ⅰ~ⅡⅢⅣⅤⅥ水平均布壓力0<0.15q(0.15-0.30)q(0.30-0.50)q(0.50-1.00)q根據(jù)圍巖水平均布壓力表5-2，土水平壓力取0.1q。由計算模型可知，需要考慮兩種工況下的荷載：近期使用工況：由公式(5-3)得：拱頂土垂直壓力q=46.61kPa；拱頂土水平壓力e=4.661kPa。根據(jù)規(guī)范[6]地面超載垂直壓力Q=20kPa；地面超載水平均布側(cè)壓力由垂直壓力乘上水平分布系數(shù)得：e=2kPa。遠期使用工況：對地下水位以下的土層進行水土分算，即將水土合算情況中計算的土壓力減去水重力，由公式(5-3)可得土垂直壓力q=25.802kPa，土水平壓力e1=2.58kPa。水壓力按靜水壓力計算，水壓力為γ水h=231.9kPa，同理水浮力為297kPa。取水側(cè)向壓力系數(shù)λ水=1，則拱頂水側(cè)壓力為231.9kPa，底板水側(cè)壓力為297kPa。鉆孔M8Z3-TSG-112斷面襯砌荷載計算結(jié)果如表5-3所示：表5-3鉆孔M8Z3-TSG-112斷面襯砌荷載計算結(jié)果圍巖等級s3覆土高度H/m25.19隧道結(jié)構(gòu)高度h/m6.51隧道結(jié)構(gòu)寬度B/m6.59B每增減1m時圍巖壓力增減率i0.1寬度影響系數(shù)ω1.156等效荷載高度ha/m2.0808隧道深淺埋深埋地面超載垂直壓力Q/kPa20續(xù)表5-3地面超載側(cè)向均布壓力/kPa2拱頂土垂直壓力q/kPa46.61近期使用工況土壓力拱頂土水平壓力e1/kPa4.661拱頂土垂直壓力q/kPa25.802遠期使用工況土壓力土水平均布側(cè)壓力e/kPa2.58水壓力q/kPa231.9遠期使用工況水壓力拱頂水側(cè)壓力e1/kPa231.9底板水側(cè)壓力e2/kPa297水浮力/kPa2975.3Ⅳ級圍巖斷面襯砌荷載計算5.3.1鉆孔M8Z2-TZX-82斷面襯砌荷載計算Ⅳ1級圍巖襯砌斷面設(shè)計如圖1-4所示：圖1-4Ⅳ1a級襯砌斷面設(shè)計根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z2-TZX-82斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-4所示：表5-4鉆孔M8Z2-TZX-82斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土2.202.201.75————?8-3微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r2516.772.200.2055480600鉆孔M8Z2-TZX-82斷面襯砌荷載計算過程：（1）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=4；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.94m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。（2）判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω由公式(5-1)計算：10.16.85=1.18由公式(5-2)可得：ha0.4524-11.18=4.248m判斷隧道深埋淺埋：H=18.97m>10.62m=2.5ha，故屬于深埋隧道。（3）計算水土壓力：由公式(5-3)可得q=93.456kPa；根據(jù)圍巖水平均布壓力表5-2，土水平壓力取0.23q，取e1=21.49kPa。（4）遠期使用工況：對地下水位以下的土層進行水土分算，即將水土合算情況中計算的土壓力減去水重力，由公式(5-3)可得土垂直壓力q=50.976kPa，土水平壓力e1=11.724kPa。水壓力按靜水壓力計算，水壓力為γ水h=169.7kPa，同理水浮力為231.9kPa。取水側(cè)向壓力系數(shù)λ水=1，則拱頂水側(cè)壓力為169.7kPa，底板水側(cè)壓力為231.9kPa。根據(jù)規(guī)范[6]地面超載垂直壓力Q=20kPa，地面超載側(cè)向均布壓力為垂直壓力乘側(cè)壓力系數(shù)λ=0.23，取4.6kPa。鉆孔M8Z2-TZX-82斷面襯砌荷載計算結(jié)果如表5-5所示：表5-5鉆孔M8Z2-TZX-82斷面襯砌荷載計算結(jié)果圍巖等級s4覆土高度H/m18.97隧道結(jié)構(gòu)高度h/m6.94隧道結(jié)構(gòu)寬度B/m6.80B每增減1m時圍巖壓力增減率i0.1寬度影響系數(shù)ω1.18等效荷載高度ha/m4.248隧道深淺埋深埋地面超載垂直壓力Q/kPa20地面超載側(cè)向均布壓力/kPa4.6拱頂土垂直壓力q/kPa93.456近期使用工況土壓力拱頂土水平壓力e1/kPa21.49拱頂土垂直壓力q/kPa50.976遠期使用工況土壓力土水平均布側(cè)壓力e/kPa11.724水壓力q/kPa169.7遠期使用工況水壓力拱頂水側(cè)壓力e1/kPa169.7底板水側(cè)壓力e2/kPa239.1水浮力/kPa239.15.3.2鉆孔M8Z3-TSG-108斷面襯砌荷載計算Ⅳ1級圍巖襯砌斷面設(shè)計如圖1-5所示：圖1-5Ⅳ1級襯砌斷面設(shè)計根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z3-TSG-108斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-6所示：鉆孔M8Z3-TSG-108斷面襯砌荷載計算過程：（1）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=4；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.75m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。表5-6鉆孔M8Z3-TSG-108斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土0.800.801.75————?8強風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r3.803.802.100.3345130150?8-2流紋質(zhì)凝灰?guī)r（砂土狀碎裂巖）4.204.202.100.43458090?8-3微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r（碎裂狀）23.209.632.200.2055480600（2）判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω由公式(5-1)計算：10.16.85=1.18由公式(5-2)可得：ha0.4524-11.18=4.248m判斷隧道深埋淺埋：H=18.43m>10.62m=2.5ha，故屬于深埋隧道。（3）計算水土壓力：由公式(5-3)可得q=93.456kPa；根據(jù)圍巖水平均布壓力表5-2，土水平壓力取0.23q，取e1=21.49kPa。（4）遠期使用工況：對地下水位以下的土層進行水土分算，即將水土合算情況中計算的土壓力減去水重力，由公式(5-3)可得土垂直壓力q=50.976kPa，土水平壓力e1=11.724kPa。水壓力按靜水壓力計算，水壓力為γ水h=164.3kPa，同理水浮力為231.8kPa。取水側(cè)向壓力系數(shù)λ水=1，則拱頂水側(cè)壓力為164.3kPa，底板水側(cè)壓力為231.8kPa。根據(jù)規(guī)范[6]地面超載垂直壓力Q=20kPa，地面超載側(cè)向均布壓力為垂直壓力乘側(cè)壓力系數(shù)λ=0.23，取4.6kPa。鉆孔M8Z3-TSG-108斷面襯砌荷載計算結(jié)果如表5-7所示：表5-7鉆孔M8Z3-TSG-108斷面襯砌荷載計算結(jié)果圍巖等級s4覆土高度H/m18.43隧道結(jié)構(gòu)高度h/m6.75隧道結(jié)構(gòu)寬度B/m6.80B每增減1m時圍巖壓力增減率i0.1寬度影響系數(shù)ω1.18等效荷載高度ha/m4.248隧道深淺埋深埋地面超載垂直壓力Q/kPa20地面超載側(cè)向均布壓力/kPa4.6拱頂土垂直壓力q/kPa93.456近期使用工況土壓力拱頂土水平壓力e1/kPa21.49拱頂土垂直壓力q/kPa50.976遠期使用工況土壓力土水平均布側(cè)壓力e/kPa11.724水壓力q/kPa164.3遠期使用工況水壓力拱頂水側(cè)壓力e1/kPa164.3底板水側(cè)壓力e2/kPa231.8水浮力/kPa231.85.3.3鉆孔M8Z3-TSG-121斷面襯砌荷載計算Ⅳ2級圍巖襯砌斷面設(shè)計如圖1-6所示圖1-6Ⅳ2級襯砌斷面設(shè)計根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z3-TSG-121斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-8所示：鉆孔M8Z3-TSG-121斷面襯砌荷載計算過程：（1）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=4；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.85m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。表5-8鉆孔M8Z3-TSG-121斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土0.400.401.75————?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r28.628.62.240.33658001000?8-2流紋質(zhì)凝灰?guī)r（塊狀碎裂巖)2.802.802.150.2550250300?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r14.300.202.240.33658001000（2）判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω由公式(5-1)計算：10.16.95=1.19由公式(5-2)可得：ha0.4524-11.19=4.284m判斷隧道深埋淺埋：H=32m>10.71m=2.5ha，故屬于深埋隧道。（3）計算水土壓力：由公式(5-3)可得q=94.248kPa；根據(jù)圍巖水平均布壓力表5-2，土水平壓力取0.23q，取e1=21.68kPa。（4）遠期使用工況：對地下水位以下的土層進行水土分算，即將水土合算情況中計算的土壓力減去水重力，由公式(5-3)可得土垂直壓力q=51.408kPa,土水平壓力e1=11.823kPa。水壓力按靜水壓力計算，水壓力為γ水h=300kPa，同理水浮力為368.5kPa。取水側(cè)向壓力系數(shù)λ水=1，則拱頂水側(cè)壓力為300kPa，底板水側(cè)壓力為368.5kPa。根據(jù)規(guī)范[6]地面超載垂直壓力Q=20kPa，地面超載側(cè)向均布壓力為垂直壓力乘側(cè)壓力系數(shù)λ=0.23，取4.6kPa。鉆孔M8Z3-TSG-121斷面襯砌荷載計算結(jié)果如表5-9所示：表5-9鉆孔M8Z3-TSG-121斷面襯砌荷載計算結(jié)果圍巖等級s4覆土高度H/m32隧道結(jié)構(gòu)高度h/m6.85隧道結(jié)構(gòu)寬度B/m6.90B每增減1m時圍巖壓力增減率i0.1寬度影響系數(shù)ω1.19等效荷載高度ha/m4.284隧道深淺埋深埋地面超載垂直壓力Q/kPa20地面超載側(cè)向均布壓力/kPa4.6拱頂土垂直壓力q/kPa94.248近期使用工況土壓力拱頂土水平壓力e1/kPa21.68拱頂土垂直壓力q/kPa51.408遠期使用工況土壓力土水平均布側(cè)壓力e/kPa11.823水壓力q/kPa300遠期使用工況水壓力拱頂水側(cè)壓力e1/kPa300底板水側(cè)壓力e2/kPa368.5水浮力/kPa368.55.4Ⅴ級圍巖斷面襯砌荷載計算Ⅴ級圍巖襯砌斷面設(shè)計如圖1-7所示：圖1-7Ⅴ級圍巖襯砌斷面設(shè)計5.4.1鉆孔M8Z3-TSG-113斷面襯砌荷載計算根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z3-TSG-113斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-10所示：鉆孔M8Z3-TSG-113斷面襯砌荷載計算過程：（1）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=5；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.85m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。表5-10鉆孔M8Z3-TSG-113斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土1.001.001.75————?8中風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r3.803.802.150.2055400500?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r4.104.102.2408-3微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r（碎裂狀）2.302.302.200.2255480600?8-2流紋質(zhì)凝灰?guī)r（砂土狀碎裂巖）10.0010.002.100.43408090?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r14.801.672.2402）判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω由公式(5-1)計算：10.16.95=1.19由公式(5-2)可得：ha0.4525-11.19=8.568m判斷隧道深埋淺埋：H=22.87m>21.42m=2.5ha，故屬于深埋隧道。（3）計算水土壓力：由公式(5-3)可得q=191.823kPa；根據(jù)圍巖水平均布壓力表5-2，土水平壓力取0.23q，取e1=76.77kPa。（4）遠期使用工況：對地下水位以下的土層進行水土分算，即將水土合算情況中計算的土壓力減去水重力，由公式(5-3)可得土垂直壓力q=106.24kPa,土水平壓力e1=42.50kPa。水壓力按靜水壓力計算，水壓力為γ水h=208.7kPa，同理水浮力為277.2kPa。取水側(cè)向壓力系數(shù)λ水=1，則拱頂水側(cè)壓力為208.7kPa，底板水側(cè)壓力為277.2kPa。根據(jù)規(guī)范[6]地面超載垂直壓力Q=20kPa，地面超載側(cè)向均布壓力為垂直壓力乘側(cè)壓力系數(shù)λ=0.4，取8kPa。鉆孔M8Z3-TSG-113斷面襯砌荷載計算結(jié)果如表5-11所示：表5-11鉆孔M8Z3-TSG-113斷面襯砌荷載計算結(jié)果圍巖等級s5覆土高度H/m22.87隧道結(jié)構(gòu)高度h/m6.85隧道結(jié)構(gòu)寬度B/m6.90B每增減1m時圍巖壓力增減率i0.1寬度影響系數(shù)ω1.19等效荷載高度ha/m8.568隧道深淺埋深埋地面超載垂直壓力Q/kPa20地面超載側(cè)向均布壓力/kPa8拱頂土垂直壓力q/kPa191.923近期使用工況土壓力拱頂土水平壓力e1/kPa76.77拱頂土垂直壓力q/kPa106.24遠期使用工況土壓力土水平均布側(cè)壓力e/kPa42.50水壓力q/kPa208.7遠期使用工況水壓力拱頂水側(cè)壓力e1/kPa208.7底板水側(cè)壓力e2/kPa277.2遠期使用工況水壓力水浮力/kPa277.25.4.2鉆孔M8Z3-TSG-111斷面襯砌荷載計算根據(jù)詳勘報告[2]，鉆孔M8Z3-TSG-111斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)如表5-12所示：鉆孔M8Z3-TSG-111斷面襯砌荷載計算過程：表5-12鉆孔M8Z3-TSG-111斷面土，巖層的物理力學性質(zhì)地層巖土名稱土層厚度h/m拱頂以上厚度h/m天然密度ρ/(g/cm3）靜止側(cè)壓力系數(shù)計算內(nèi)摩擦角φ/°垂直基床系數(shù)Kv/(MPa/m）水平基床系數(shù)Kh/(MPa/m)①素填土0.800.801.75————?8-3微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r（碎裂狀）9.009.002.200.2255480600?8-2流紋質(zhì)凝灰?guī)r（砂土狀碎裂巖）9.809.802.100.43408090?8微風化流紋質(zhì)凝灰?guī)r12.401.602.2401）基本數(shù)據(jù)圍巖級別：s=5；覆土高度：m；隧道結(jié)構(gòu)高度：h6.85m；隧道結(jié)構(gòu)寬度：m。（2）判斷隧道深埋淺埋寬度影響系數(shù)ω由公式(5-1)計算：10.16.95=1.19由公式(5-2)可得：ha0.4525-11.19=8.568m判斷隧道深埋淺埋：ha=8.568m<H=22.87m<21.42m=2.5ha，故屬于淺埋隧道。（3）計算側(cè)壓力系數(shù)根據(jù)規(guī)范[6]，摩擦角θ取值如表5-13所示。表5-13摩擦角θ取值圍巖級別Ⅰ、Ⅱ、ⅢⅣⅤⅥθ值0.9φc(0.7-0.9)φc(0.5-0.7)φc(0.3-0.5)φc注：φc為圍巖的計算摩擦角，由隧道截面經(jīng)過巖層的等效摩擦角加權(quán)平均所得。根摩擦角θ取值表59圍巖計算摩擦角取φc45頂板土柱兩側(cè)摩擦角取θ=27o。側(cè)壓力系數(shù)λ可按式(5-4)計算：(5-4)其中：(5-5)由公式(5-4)，(5-5)可得λ=0.127。（4）計算水土壓力：土垂直壓力q可按式(5-6)計算：(5-6)由公式(5-6)可得q=347.56kPa；土的水平壓力ei可按式(5-7)計算：(5-7)式中hi——內(nèi)外側(cè)任一點至地面的距離