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河南理工大学隧道课程设计


《隧道工程》课程设计 说明书

作 者 姓 名: 专业、班级 : 学 号 : 2014.1.14 指 导 教 师: 设 计 时 间:

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 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 -

I

II

《隧道工程》课程设计任务书
1.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

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 所示

建筑界限图
-1-

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 Ec ? 2.8 ?107 kPa ,重度 ? h ? 22 kN m3 ,衬砌厚度取 50cm, 如图 2-2 所示。

隧道衬砌图

-2-

3.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 ? ? 22 kN m3 ,衬砌材料为 C20 混凝土,弹性模量 Ec ? 2.8 ?107 kPa ,重度

? h ? 22 kN m3 。

3.2 荷载确定
3.2.1 围岩压力计算 根据围岩压力计算公式: ? z ? 0.45 ? 2S ?1 ? ?? 计算围岩竖向均布压力: q ? 0.45 ? 2S ?1 ? ?? 式中:s-围岩类别,此处 s=5

? —围岩容重,此处 ? =22 kN m3
( i B-5) 毛洞跨度 B=8.5m, 因为 B 大于 5m, 所以 i=0.1, 此处 ? =1+ =1+0.1 (8.5-5) =1.35m ( i B-5) ? —跨度影响系数, ? =1+

所以有: h ? 0.45 ? 24 ?1.35 ? 9.72m , H p ? 2.5h ? 24.3m ,因为 24.3m 大于 20m,所以 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: e ? 0.25hq ? 0.25 ? 9.72 ? 22 ? 53.46kMPa

-3-

3.3 浅埋隧道荷载计算
(1)作用在支护结构上的垂直压力 由于
hq ? H ? H p

,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

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 ? c ;另一滑面 FH 或 EG 则并非破裂面, 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

?c ? 400 。

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 W , 两侧三棱岩体 FDB 或 ECA 的重力为
'

W1



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 T 或 T ,作用于 HG 面上的垂直压力总值 Q浅 为:
Q浅 ? W ? 2T ? W ? 2T sin ?
'

2

(2-4)

其中,三棱体自重为:
W1 ? 1 2

?h

h tan ?

(2-5)

式中: h 为坑道底部到地面的距离(m);
?

为破裂面与水平的交角(°)。

由图据正弦定理可得
T? sin( ? ? ? ) sin[90? ? ( ? ? ? ? ? )] W1
(2-6)

-4-

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:
tan ? ? tan ? c ? (tan ? c ? 1) tan ? c
2

tan ? c ? tan ?

(2-7)

??

tan ? ? tan ?c tan ? [1 ? tan ? (tan ?c ? tan ? ) ? tan ?c tan ? ]

? 0.397

(2-8)

q浅 ?

Q浅 Bt

? ? H (1 ?

H Bt

? tan ? ) ? 213.29 KN / m

2

(2-9)

埋深为 23m 时,土压力值为 213.29 kN m2 。 式中: ? ——侧压力系数;
Bt

——坑道宽度(m) ; ——围岩的计算摩擦角(°) ; ——作用在支护结构上的均布荷载( kN m2 ) 。

?c
q浅

(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力 e ? 0.25hq ? 0.25 ? 9.72 ? 22 ? 53.46KMPa Ⅴ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

-5-

4.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 90? ~ 120? 的范围内,用 ANSYS 模拟计算 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 :

-6-

MIDAS/GTS 计算弯矩图

MIDAS/GTS 计算轴力图

-7-

MIDAS/GTS 计算剪力图

-8-

5. MIDAS 计算内力表

-9-

- 10 -

由内力图可知,结构所受弯矩为 70.42 kN ?m ,对应轴力为 601.46KN。

- 11 -

6.IV 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 70.42KN?m, 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 fc ? 10MPa , ft ? 1.1MPa , f y ? 300MPa 。查表知系数 ?1 ? 1.0 , ? ? 0.8 ,界限受压 区高度 ?b ? 0.55 。按双面对称配筋进行计算。 有效高度: h0 ? 500 ? 50 ? 450mm 偏心距: e0 ?
M 70.42 ?1000 ? ? 117.08mm N 601.46

附加偏心距: ea ? 20mm 初始偏心距: ei ? e0 ? ea ? 137.08mm 修正系数: ? 1 ?

0.5 f c A 0.5 ?10 ?106 ?1? 0.5 ? ? 4.2 ? 1.0 ,取 ? 1 ? 1.0 。 N 601.46 ?103

l0 ? 2.0 ? 15 , 所以取 ? 2 ? 1.0 h

偏心距增大系数:

1 ? l0 ? ? 1000 ? ? ? 1? ? 1? 2 ? 1+ ? ?1?1=1.009 ? ? ei ? h ? 137.08 ? 500 ? ? 1400 1400 450 h0 1

2

2

?ei ? 1.009 ?137.08 ? 138.31mm ? 0.3h0 ? 135mm ,所以可先按大偏心受压情况计算。

- 12 -

e ? ? ei ?
x?

h ? as ? 1.009 ?137.08 ? 250 ? 50 ? 338.31mm 2

N 601.46 ? ? 60.15mm ?1 fcb 1?10 ?1 x 60.15 ? ? 0.13 ? ?b ? 0.55 ,故假定按照大偏心受压是正确的。 h0 450

??

x? ? Ne ? ?1 f cbx ? h0 ? ? 2? ? 钢筋截面面积: As ? As? ? ? 355.32mm2 ?? f y? ? h0 ? as
最小配筋截面面积: As min ? ?minbh0 ? 0.002 ?1000 ? 450 ? 900mm2 ,故按最小配筋率 配 筋 , 选 取 5 16 的 Ⅱ 级 钢 筋 , 间 距 为 200mm , 即 16@200 。 实 际 配 筋 面 积 为

As实际 ? 1005mm2 。

6.2 受弯构件配筋
计算配筋过程

M 70.42 ?106 as ? ? ? 0.03 ?1 fcbh02 1.0 ?10 ?1000 ? 4502

? ? 1 ? 1 ? 2as ? 0.03 ? 0.55 ,满足要求
? s ? 1-0.5? ? 1-0.5 ? 0.03=0.985
故:

As ?

M f y? s h0

?

70.42 ?106 ? 529.57mm2 300 ? 0.985 ? 450
14@250。 实际配筋面积为 As实 ? 615mm2 。

选用 4 14 的Ⅱ级钢筋, 间距为 250mm, 即

- 13 -

6.3 箍筋配筋计算
对于箍筋, Qmax ? 58.56KN , 因此只需 V ? 0.7 ft bho ? 0.7 ?1.1?1000 ? 450 ? 346.5kN 按照构造配箍,选用 12@200(纵方向)和Ф 10@200(横断面) 。

6.4 最小配筋率验算
As实 615 ? 0.25% ? ?min ? 0.2% ,满足规 1000 ? ? 500 ? 50 ?

取 as ? 50mm 有: ? ? 范要求。

b ? ? h ? as ?

?

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。

- 14 -

主要参考文献:
1. JTG D70-2004. 公路隧道设计规范.北京: 人民交通出版社, 2004 2. 钱东升.公路隧道施工技术. 北京:人民交通出版社,2003 3. 黄成光.公路隧道施工. 北京:人民交通出版社,2001 4. 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,2008 7. 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,2006 8. 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,2008 9. 朱汉华 ,杨建辉 ,尚岳全.隧道新奥法原理与发展.隧道建设,2008 10. 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

- 15 -


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