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1、隧道工程隧道工程课程设计课程设计 说明书说明书作 者 姓 名： 专业、班级 ： 学 号 ：指 导 教 师： 设 计 时 间： 2014.1.14 河 南 理 工 大 学 Henan Polytechnic University目录1.课程设计题目.- 1 - 2.拟定隧道的断面尺寸.- 1 - 2.1 隧道的建筑限界.- 1 - 2.2 隧道的衬砌轮廓断面.- 2 - 3.隧道衬砌结构计算.- 3 - 3.1 基本资料.- 3 - 3.2 荷载确定- 3 - 3.3 浅埋隧道荷载计算- 4 - (1)作用在支护结构上的垂直压力- 4 - 4.结构设计计算.- 6 - 4.1 计算基本假定- 6
2、 - 4.2 内力计算结果- 6 - 5. MIDAS 计算内力表 - 9 - 6.IV 级围岩配筋计算- 12 - 6.1 偏心受压对称配筋- 12 - 6.2 受弯构件配筋- 13 - 6.3 箍筋配筋计算- 14 - 6.4 最小配筋率验算- 14 - 6.5 裂缝宽度验算- 14 - 主要参考文献：- 15 -隧道工程课程设计任务书1.课程设计题目课程设计题目某高速铁路隧道 IV 级围岩段衬砌结构设计2.拟定隧道的断面尺寸拟定隧道的断面尺寸2.1 隧道的建筑限界根据公路隧道设计规范(JTG D-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度 H取 5.5m，宽度取 8.5m，如图 2-1
3、所示建筑界限图2.2 隧道的衬砌轮廓断面根据公路隧道设计规范(JTG D-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为 C20 混凝土，弹性模量 ，重度，衬砌厚度取72.8 10EckPa322hkN m50cm，如图 2-2 所示。隧道衬砌图3.隧道衬砌结构计算隧道衬砌结构计算3.1 基本资料某高速铁路隧道，结构断面如图 2-1 所示。围岩级别为 IV 级，埋深 H=19m，隧道围岩天然容重，衬砌材料为 C20 混凝土，弹性模量，重322kN m72.8 10EckPa度。322hkN m3.2 荷载确定3.2.1 围岩压力计算根据围岩压力计算公式： 10.45 2Sz计算围岩竖向均布
4、压力：10.45 2Sq式中：s-围岩类别，此处 s=5围岩容重，此处 3=22kN m跨度影响系数， =1+-i（B5）毛洞跨度 B=8.5m，因为大于 5m，所以 i=0.1，此处=1+0.1（8.5-5）B=1+-i（B5） =1.35m所以有： ， ，因为 24.3m 大于 20m,所以40.45 21.359.72hm2.524.3pHhm此隧道为浅埋隧道。 3.2.2 围岩水平压力围岩水平均布压力： 0.250.25 9.72 2253.46ehqkMPa3.3 浅埋隧道荷载计算 (1)作用在支护结构上的垂直压力由于，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成角的qphHH
5、斜直线，如图 5.1 所示。EFGH 岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中 FDB 和 ECA）下沉，整个岩土体 ABDC 下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线 AC 或 BD 是假定的破裂面，分析时考虑内聚力 c，并采用了计算摩擦角；另一滑面 FH 或 EG 则并非破裂面，c因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。该滑面的摩擦系数 为 36.5 度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角。040c浅埋隧道荷载计算简图如上图所示，隧道上覆岩体 EFGH 的重力为，两侧三棱岩体 FDB 或 ECA 的重力为W，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为 F，当 EFHG 下沉，两侧受到阻力或，作用1WTT于 H
6、G 面上的垂直压力总值为：Q浅(2-4)22 sin2QWTWT浅其中，三棱体自重为：(2-5)112tanhWh 式中： 为坑道底部到地面的距离(m)；h为破裂面与水平的交角()。由图据正弦定理可得(2-6)1sin()sin90()TW 由于 GC、HD 与 EG、EF 相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H代替h，有：(2-7)2(tan1)tantantan tantancccc (2-8)tantan0.397 tan1tan(tantan )t
7、antan ccc (2-9)2(1tan )213.29/ttQHqHKNm BB浅浅埋深为 23m 时，土压力值为 。2213.29kN m式中： 侧压力系数；坑道宽度（m） ；tB围岩的计算摩擦角（） ；c作用在支护结构上的均布荷载（） 。q浅2kN m( (2)2)作用在支护结构两侧的水平侧压力 0.250.25 9.72 2253.46ehqKMPa级围岩荷载分布如下图所示。作用在支护结构上的均布荷载作用在支护结构上的均布荷载4.结构设计计算结构设计计算4.1 计算基本假定因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题
8、来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用大型商用有限元程序 ANSYS 计算分析，并取纵向 1m 的标准段为一个计算单元。基本假定：假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用弹性地
9、基梁单元模拟；衬砌结构的另一部分则会背离地层向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓的“脱离区” ，大致分布在拱顶的范围内，用 ANSYS 模90120拟计算时采用 Combin39 单元模拟地层与围岩的相互作用，受压的基床系数按正常值，受拉的基床系数取为很小，用此种方法使得弹簧不承受拉力。计算时采用 Beam3 梁单元模拟衬砌。4.2 内力计算结果计算荷载基本组合：结构自重围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用 MIDAS/GTS 进行计算,Midas/GTS 计算结果: MIDAS/GTS 计算弯矩图MIDAS/GTS 计算轴力图MIDAS/GTS 计算剪力图5. MIDAS 计算内力
10、表计算内力表由内力图可知，结构所受弯矩为 70.42 ，对应轴力为 601.46KN。kN mA6.IV 级围岩配筋计算级围岩配筋计算整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。6.1 偏心受压对称配筋根据 Midas 计算结果进行结构配筋计算，取弯 70.42KNm，对应轴力 601.46KN 为最不利截面控制内力。衬砌混凝土采用 C20，钢筋采用 HRB335，由混凝土和钢筋等级，查表，。查表知系数，界限受10cfMPa1.1tfMPa300yfMPa11.00.8压区高度。按双面对称配筋进行计算。0.55b有效高度：050050450hmm偏
11、心距：070.42 1000117.08601.46MemmN附加偏心距：20aemm初始偏心距：0137.08iaeeemm修正系数：，取。6130.50.5 10 101 0.54.21.0601.46 10cf A N 11.0， 所以取02.015l h21.0偏心距增大系数： 22 0 12011100011+1 1=1.009137.0850014001400450il eh h ，所以可先按大偏心受压情况计算。01.009 137.08138.310.3135iemmhmm1.009 137.0825050338.312isheeamm1601.4660.151 10 1cNxm
12、mf b，故假定按照大偏心受压是正确的。060.150.130.55450bx h钢筋截面面积: 10 202355.32css ysxNef bx h AAmmfha最小配筋截面面积：，故按最小配筋率2 minmin00.002 1000 450900sAbhmm配筋，选取 5 16 的级钢筋，间距为 200mm，即 16200。实际配筋面积为。21005sAmm实际6.2 受弯构件配筋计算配筋过程622 1070.42 100.031.0 10 1000 450s cMaf bh，满足要求11 20.030.55sa 1-0.51-0.5 0.03=0.985s故：6 2070.42 10
13、529.57mm300 0.985 450s ysMAfh选用 4 14 的级钢筋，间距为 250mm，即 14250。实际配筋面积为。2615sAmm实6.3 箍筋配筋计算对于箍筋，因此只max58.56QKN0.70.7 1.1 1000 450346.5toVf bhkN需按照构造配箍，选用 12200（纵方向）和 10200（横断面） 。6.4 最小配筋率验算取有：，满足规mmas50min6150.25%0.2%100050050ssAbha实范要求。6.5 裂缝宽度验算经验算所有的裂缝宽度均满足公路隧道设计规范 （JTG D70-2004）要求。主要参考文献：主要参考文献：1.JT
14、G D70-2004. 公路隧道设计规范.北京: 人民交通出版社, 20042.钱东升.公路隧道施工技术. 北京：人民交通出版社，20033.黄成光.公路隧道施工. 北京：人民交通出版社，20014.朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法. 北京：人民交通出版社，2002 5.朱永权，宋玉香.隧道工程.北京：中国铁道出版社，2007 6.黄成光.隧道工程.北京：人民交通出版社，20087.章元爱.TBM 隧道围岩稳定和支护结构受力特性研究.北京:铁道科学研究院，20068.戴旭光.新奥法在软弱围岩隧道施工中的应用. 浙江水利科技，20089.朱汉华 ，杨建辉 ，尚岳全.隧道新奥法原理与发展.隧道建设，200810. 张洋.隧道工程软弱围岩大变形控制体系研究.成都：西南交通大学，2006
