隧道工程课程设计 .pdf

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1、1 初始条件 某高速公路隧道通过III 类围岩 即 IV级围岩 埋深 H 30m 隧道围岩天然容重 23 KN m3 计算摩擦角 35o 变形模量E 6GPa 采用矿山法施工 衬砌材料采用C25 喷射混凝土 材 料容重 3 22 h KNm 变形模量 25 h EGPa 2 隧道洞身设计 隧道建筑界限及内轮廓图的确定 该隧道横断面是根据两车道高速公路IV 级围岩来设计的 根据 公路隧道设计规范 确定 隧道的建筑限界如下 W 行车道宽度 取 2m C 余宽 因设置检修道 故余宽取为0m J 检修道宽度 双侧设置 取为 2m H 建筑限界高度 取为 L L 左侧向宽度 取为 R L 右侧向宽度 取

2、为 L E 建筑限界左顶角宽度 取 R E 建筑限界右顶角宽度 取 h 检修道高度 取为 隧道净宽为 12m 设计行车速度为120km h 建筑限界左右顶角高度均取1m 隧道轮廓线如下图 图 1 隧道内轮廓限界图 根据规范要求 隧道衬砌结构厚度为50cm 一次衬砌为15cm 和二次衬砌35cm 通过作图 得到隧道的尺寸如下 图 2 隧道内轮廓图 得到如下尺寸 11 2mR5 6mR9 47mR 321 3 隧道衬砌结构设计 支护方法及衬砌材料 根据 公路隧道设计规范 JTG 2004 本设计为高速公路 采用复合式衬砌 复合式衬砌 是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式 复合式衬砌

3、应符合下列规定 1 初期支护宜采用锚喷支护 即由喷射混凝土 锚杆 钢筋网和钢筋支架等支护形式单独或 组合使用 锚杆宜采用全长粘结锚杆 2 二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构 衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌 断面 仰拱厚度宜与拱墙厚度相同 由规范 对于两车道IV 级围岩 初期支护 拱部边墙的喷射混凝土厚度为12 15cm 拱墙的锚杆长度为 锚杆间距为 二次衬砌厚度 拱墙混凝土厚度为35cm 因此确定衬砌尺寸及规格如下 深埋隧道外层初期支护 根据规范规定 采用锚喷支护 锚杆采用普通水泥砂浆锚杆 规格 HRB20 采用梅花型局部布设 采用C25 喷射混凝土 初次衬砌 采用C25喷射混凝土

4、 厚度为 防水板 采用塑料防水板及无纱布 且无纺布密度为300g m2 防水板应采用铺满的EVA板 防水层 厚度为 搭接长度为150mm 二次衬砌 根据 公路隧道设计规范 采用 C25号模筑防水混凝土 厚度为35cm 整个衬砌厚度为 35 50cm 隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算 隧道的内轮廓尺寸为B H 因为IV 级围岩需要预留变形量 查 公路隧道设计规范 知IV 级围岩需预留变形量为 50 80mm 衬砌厚度为50cm 又每侧超挖量为10cm 故隧道的近似开挖尺寸为 14 97m0 080 120 5213 69H 13 65m0 080 120 5212 37B t t 由于是 IV

5、级围岩 qp 2 5hH p H 深浅埋隧道的分界深度 1 S q 20 45h q h 等效荷载高度 跨度影响系数 5 1 t Bi i 围岩压力增减率 当 15m 5Bt 取 i m714 6 565 13 1 01 20 4520 45h 1 41 S q 16 785m6 7142 52 5hH qp 埋深m785 16H30H p 故为深埋隧道 又7 11 1 13 65 14 97 B H t t 可用公式 q hq计算均布垂直压力 2 q 154 426 71423hqmkN 因为该隧道围岩级别为IV 围岩水平均不压力为 2 51 47kN m 25 74q 3 1 6 1 e

6、4 衬砌结构内力计算 基本资料 公里等级高速公路 围岩级别IV 级 围岩容重r 23KN m 3 弹性抗力系数K 106KN m 变形模量6GPaE 材料容重 3 h 22mKN 材料变形模量25G paEh 衬砌厚度d 图 3 衬砌结构断面图 荷载的确定 围岩压力的确定 隧道的内轮廓尺寸为B H 因为IV 级围岩需要预留变形量 查 公路隧道设计规范 知IV 级围岩需预留变形量为 50 80mm 衬砌厚度为50cm 又每侧超挖量为10cm 故隧道的近似开挖尺寸为 14 97m0 080 120 5213 69H 13 65m0 080 120 5212 37B t t 由于是 IV 级围岩 q

7、p 2 5hH p H 深浅埋隧道的分界深度 1 S q 20 45h q h 等效荷载高度 跨度影响系数 5 1 t Bi i 围岩压力增减率 当15m 5Bt取 i m714 6 565 13 1 01 20 4520 45h 1 41 S q 16 785m6 7142 52 5hH qp 埋深 m785 16H30H p 故为深埋隧道 又7 11 1 13 65 14 97 B H t t 可用公式 q hq计算均布垂直压力 2 q 154 426 71423hqmkN 考虑一衬后的围岩释放变形折减系数 3 61 768KN m154 420 4q 衬砌自重 2 hn0 1122 5

8、05 0 2 1 dd 2 1 gmKN 1 全部垂直荷载 q 11 m 2 2 围岩水平均布压力 e m2 衬砌几何要素 衬砌的几何尺寸 内轮廓线半径 5 6mr9 47mr 21 内径 21 rr 所画圆曲线端点截面与竖直轴线的夹角 o 2 o 1 5864 拱顶截面厚度0 5md0 拱底截面厚度0 5mdn 半拱轴线长度S及分段轴长 16 77m 2 0 5 5 6 180 3 1458 2 0 5 9 47 180 3 1464 S 将半拱轴长度等分为8 段 则 2 1m 8 S S 8 6 h 108 4 1025 2 1 E S 计算位移 单位位移 用辛普生法近似计算 按计算列表进

9、行 单位位移的计算列表见表4 1 表 4 1 单位位移计算表 注 1 I 截面的惯性矩 I bd3 12 b 取单位长度 2 不考虑轴力影响 单位位移值计算如下 5 8 h 11 106 4512768 000108 4 I 1 E S 5 8 h 12 1029 79543547 072108 4 I y E S 5 8 2 h 22 10248 376229568 593108 4 I y E S 计算精度校核 5 5 221211 10314 418210248 3762229 79456 45122 5 8 2 h ss 10314 418237430 737108 4 I y1 E

10、S 闭合差 0 载位移 主动荷载在基本结构中引起的位移 截 面 sin cos xyd1 Iy Iy2 I 1 y 2 I 积 分 系 数1 3 01 14 22 34 42 54 62 74 81 1 每一块上的作用力 竖向力 Q 水平力E 自重力 G 分别由下面各式求得 Qi q bi Ei e hi Gi di 1 di 2 S rh 其中 bi 衬砌外缘相邻两截面间的水平投影长度 hi 衬砌外缘相邻两截面间的竖直投影长度 di 接缝i 的衬砌截面厚度 均由图 3 直接量得 其值见表4 2 各集中力均通过相应图形的形心 表 4 2 载位移 M op 计算表 截 面 投影长度集中力S Qa

11、q Gag Gag bhQGEaqagae 0 1 2 3 4 5 6 7 8 续表 4 2 i 1 Q G i 1Exy x y x i 1 Q G y i 1EM oip 2 外荷载在基本结构中产生的内力 块上各集中力对下一接缝的力臂由图直接量得 分别记以aq ae ag 内力按下式计算之 弯矩 egq i i i i o pi o ip EaGaaQEyGQxMM 11 1 轴力 i i i i o ipEGQNcos sin 式中 xi yi 相邻两接缝中心点的坐标增值 xi xi xi 1 yi yi yi 1 M o ip和 Noip的计算见表4 3 及表 4 4 表 4 3 载位

12、移 Noip计算表 截 面 sin cos i Q G iE sin i Q G cos iENop 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 主动荷载位移 计算过程见表4 4 表 4 4 主动荷载位移计算表 1p S Eh Mp0 I 10 5 10 5 2p S Eh Mp0y I 10 8 10 5 计算精度校核 Sp 1p 2p Sp S Eh Mp0 1 y I 因此 Sp 10 5 10 5 1p 2p 10 6 10 5 闭合差 载位移 单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移 1 各接缝处的抗力强度 按假定拱部弹性抗力的上零点位于与垂直轴接近450的第 3 截面 3 b 最大抗力位于

13、第5 截面 截 面 Mp01 Iy I1 yMp0 IyMp0 IMp0 1 y I 积分系 数 1 3 01 14 22 34 42 54 62 74 81 5 h 拱部各截面抗力强度 按镰刀形分布 最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算 i h cos2 b cos2 i cos2 b cos2 h 计算得 3 0 4 h 5 h 边墙截面弹性抗力计算公式为 h 1 yi y h 2 式中 yi 所求抗力截面与外轮廓线交点到最大截面抗力截面的垂直距离 yh 墙底外边缘 c 到最大抗力截面的垂直距离 yi 和 y h 在图 3 中可量得 y6 y7 y8 则有 6 h 1 2 h 7 h 1

14、 2 h 8 0 按比例将所求得的抗力绘在图4 上 图 4 结构抗力图 2 各楔块上抗力集中力 i R 按下式近似计算 ii 11i 2RS 外 式中 i S外 楔块 i 外缘长度 由图 3 量得 i R 的方向垂直于衬砌外缘 并通过楔块上抗力图形的形心 3 抗力集中力与摩擦力之合力 i R 按近似计算 2 1 ii RR 式中 围岩与衬砌间的摩擦系数 取 则 2 1 ii RR i R 其作用方向与抗力集中力的夹角为 arctan 由于摩擦阻力的方向与衬砌位移方 向相反 其方向朝上 i R的作用点即为 i R 与衬砌外缘的交点 将 i R的方向线延长 使之交于竖直轴 量取夹角 k 自竖直轴反

15、时针方向量度 将 i R分 解为水平与竖向两个分力 RH Ri sin kRV Ri cos k 以上计算例入表4 5 中 并参见图3 表 4 5 弹性抗力及摩擦力计算表 截 面 h i 1 i 2 S外 h R h ksin kcos k 3 4 5 6 7 8 续表 4 5 RH h RV h vhRi h 4 计算单位抗力图及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力 弯矩 Kii o i rRM 轴力 HiVi o i RRNcossin 式中rKi 力 Ri至接缝中心点 K的力臂 由图3 量得 计算见表4 6 和表 4 7 表 4 6 M 0计算表 截 面 号 R4 hR5 hR6 hR7

16、 hR8 hM o h r4i R4r4ir5i R5r5ir6i R6r6ir7i R7r7ir8i R8r8i 4 5 6 7 8 表 4 7 N 0计算表 截 面 号 sin cos RV h RH h sin RV h cos RH h No h 4 5 6 7 8 5 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移 计算过程见表4 8 表 4 8 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算表 截 面 号 M 0 h 1 Iy I 1 y M 01 I h M 0y I h M 0 1 y I h 积分系数 1 3 42 54 62 74 81 1 S Eh M 01 I 10 8 10 5 2 S Eh M 0y I 10 5 10 5 校核为 1 2 10 11 10 6 S S Eh M 0 1 y I 10 11 10 6 闭合差 0 墙底 弹性地基上的刚性梁 位移 1 单位弯矩作用下的转角 1 1 KI8 106 10 6 2 主动荷载作用下的转角 p 1M8p0 10 6 10 6 3 单位抗力及相应摩擦力作用下的转角 1M8 0 10 6 10 6 解力法方程 衬砌矢高f y8 计算