隧道工程课程设计同名8742

1、成都至泸州高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算一、基本资料成都至泸州高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告 成都至泸州高速公路二峨山隧道平面布置图 成都至泸州高速公路二峨山隧道剖面二、工程概况隧道进口段：里程桩号 K37+350K37+460，长度 110m，洞顶板埋深 3.20m 38.10m，属浅埋段，进洞口位于斜坡的中部，里程桩号K37+350，地面标高为555.73m，设计路面标高 545.71m, 洞口中心开挖深度约 10.00m，地形上陡下缓， 耕地分布，第四系土厚 1.00m左右，斜坡上方地形较陡， 地面坡度 23 35， 基岩出露。进口段出露地层为侏罗系上沙溪庙组地层，岩性以泥岩、砂

2、岩为主， 岩层走向与洞轴线近于垂直， 进洞口段无断裂构造， 无不良地质现象， 稳定性较 好，适宜进洞，但略具偏压。三、设计内容(一) 隧道围岩地质分级划分隧道围岩级别划分依据 公路隧道设计规范(JTG D70-2004)中的 3.6 节围 岩分级中各项规定划分。结合隧道地质勘查报告中的地层岩性的描述、岩 石物理力学性质、结构面特征、洞室埋藏深度、水文地质条件、不良地质现象、 施工方法等因素综合分析确定。隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，按以下顺序进行： 根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的 岩体基本质量指标 BQ，综合进行初步分级。对围岩进行详细定级时， 应在岩

3、体基本质量分级的基础上考虑修正因素的 影响，修正岩体基本质量指标值。按修正后的岩体基本质量指标 BQ，结合岩体的定性特征综合评判，按 JTG D702004表 3.6.5确定围岩的详细分级。围岩分级中岩石坚硬程度、 岩体完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标及其对应关系应符合下列规定：岩石坚硬程度可按 JTG D702004表 3.6.2-1定性划分。由岩土勘察报告可知，进口段表层为含块石粘土，下伏基岩，岩性为泥岩、 砂岩，岩体裂隙发育，属极软 较软岩。岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度 Rc 表达。围岩基本质量指标 BQ 应根据分级因素的定量指标 RC 值和 KV 值按下式计 算：

4、BQ=90+3RC+250KV式中：BQ围岩基本质量指标；RC岩石单轴饱和抗压强度；式中：KV岩体完整性系数，采用弹性波速探测值。为岩体弹性纵波波速；为岩石弹性纵波波速；使用以上公式时应遵守下列限制条件： 当 RC90 KV时，应以 RC=90KV +30和 KV代入计算 BQ值； 当 KV0. 04RC+0. 4时，应以 KV=0. 04RC+0. 4和 RC代入计算 BQ值。 各参数取值如下：RC：泥岩 1. 8MPa 砂岩 12.1 MPa 取 RC =6.95 MPa：泥岩 15252971 m/s 砂岩 27463278 m/s：泥岩 3070 m/s 砂岩 3472 m/sKV：泥

5、岩 0.70 砂岩 0.73 取 KV=0. 715BQ：BQ=90+3RC+250KV0. 04RC+0. 4=0. 678550围岩稳定，无坍塌。坚硬岩，岩体较完整，块状或层状结构，层间结合一般。 较坚硬岩，岩体较完整，块状整体结构，层间结合一般。550451暴露时间长， 可能产生局部 小坍塌。坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构，层间 结合一般。较坚硬岩或较软硬岩，岩体较完整，块状体或中厚层结构，层 间结合一般。450351开挖后喷护处理。坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；较坚硬岩，岩体较破碎破碎，镶嵌碎裂结构，块状体或中厚 层结构。较软岩或较软硬岩互层， 且以软岩为主， 岩体较完

6、整较破碎， 中薄层状结构。350251开挖后无支护， 易产生顶部 小块坍塌和侧壁失稳， 应及 时支护。略具压缩的粘土或砂土，一般钙铁质胶结的碎石、卵石、大块石及 Q2、Q1 黄土。较软岩，岩体破碎； 软岩，岩体较破碎破碎； 极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构。250开挖后易坍塌， 应立即支护 和衬砌。裂隙杂乱或全强风化壳；一般第四系的半干硬硬塑状粘性 土及 Q4、Q3 黄土，呈松软结构；稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土，呈松散结构。软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂、软土。开挖后极易坍塌变形。K 1：250BQ=280.35 33602.17825271200180020330.20.25506

7、01.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40. 5205 时取 i =0. 1，B5m, 取 i =0.1； 宽度影响系数 =1+i(B-5)=1+0 .1 ( 13. 23-5)=1. 823；5-1荷载等效高度 hq=q/ =0. 4525-1 1. 823=13. 13m； 浅埋隧道分界深度 Hp =(22. 5)hq =26. 2632. 83m； 进口段洞顶板埋深 3. 2m

8、38. 1m,按浅埋隧道计算。浅埋隧道荷载垂直均布压力： q= hq =18. 513. 13=242. 91KPa 隧道上覆围岩重度侧向压力： Ht=8. 86+0. 20+0. 45+0. 45=9. 96m=18. 5(13. 13+1/29. 96)tan2(45-45/2)=57. 48 KPaHt 隧道高度； c围岩计算摩擦角；(六) 衬砌结构的设计 衬砌结构设计按照复合式衬砌结构设计， 参看 JTG D702004中的 8.4.2 节内容。 先按照工程类比方法进行初步设计， 然后根据结构计算进行验算， 再作出适当调 整。围岩级别为 V 级，查下表可得初期支护中喷射混凝土厚度152

9、5cm，取20cm，仰拱不需喷射混凝土；二次衬砌中拱、墙混凝土厚度为45cm，仰拱混凝土厚度也为 45cm。（七）计算衬砌结构的内力衬砌结构的内力计算按照荷载结构法进行计算， 运用结构力学求解器 （工程版） Vs2.0。其中荷载只考虑三种荷载：围岩压力；衬砌自重；弹性抗力。脱离区变形后外轮廓线抗力区竖向围岩土压力q弹性抗力水平压力 e地层反力衬砌结构的结构力学建模简图如下图：101182( 2(2130 )23 )21 )4 ( 3 )( 7 ) 8029 )95 ( 4 )( 6 )7 ( 5 )6( 18 )1、弹性抗力的处理： 将弹性抗力作用范围内的连续围岩离散为若干条彼此互不 相关的矩

10、形岩柱。 矩形岩柱的一个边长是衬砌的纵向计算宽度， 通常取为单位长 度，另一个边长是两相邻的衬砌单元的长度之半的和， 岩柱的深度与传递轴力无 关故不予考虑， 为了便于力学计算， 用一些具有一定弹性性质的弹性支承 （弹性 链杆）来代替岩柱， 并让它以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上， 所以它 不承受弯矩，只承受轴力。 弹性链杆的弹性特性即为围岩的弹性特征， 用刚度系 数 K 表示。这种方法不假定弹性抗力分布范围与分布规律，比较接近实际情况。2、衬砌自重的处理： 在实际工程结构中，结构自重一般不直接作用在节点上。 为了配合衬砌的离散化， 结构自重也要进行离散， 将其置换成作用在节点上的等 效节

11、点荷载， 等效节点荷载可近似地取为节点两相邻单元重量的一半。 初期支护 中喷射混凝土采用 C25，二次衬砌中使用 C40 的混凝土，混凝土容重取 25kN/m3， 衬砌等分成 30 个直线梁单元， 每个单元的长度为 1. 16m，单元 20、21、22、23、 24、25、26、27的厚度为 45 cm，其余单元的厚度都为 65 cm，单元宽度取为 1m。 下面分别计算由衬砌自重在每个节点所产生的等效节点荷载：节点 21、22、23、24、25、26、27 处的等效节点荷载：0. 4511.16 2513.05 kN，节点 20、28 处的等效节点荷载：0. 4510.58 25+0.6510

12、.58 2515.95 kN， 其余节点处的等效节点荷载：0. 6511. 162518. 85 kN。3、地层反力：q = （hq+ ）=18. 5（ 13. 13+9. 96）=427. 17 KPa。4、单元刚度： 衬砌主要承受轴力和弯矩，将其离散成杆件单元，杆件厚度d 即2为承重结构的厚度，相应的杆件截面面积为 A=d 1（m2）,抗弯惯性矩为 I=1 42d3/12（m4），弹性模量 E（ kN/m2）取为混凝土的弹性模量， C40 的混凝土其弹性 模量 E=3.25107 kN/m 。各杆件单元的截面面积分别如下：杆件单元 20、21、22、 23、24、25、 26、27 截面面

13、积：2 7 3A=0 .45 1=0.45 m ，EA=3.25100.45=1462510 kN。其余各杆件单元截面面积：2 7 3A= 0.65 1=0.65 m ，EA=3.25100.65=2112510 kN。各杆件单元的抗弯惯性矩分别如下：杆件单元 20、21、22、 23、24、25、 26、27 抗弯惯性矩：3 -3 4 7 -3 3 2 I=0.45 /12=7.59 10 m ，EI=3.2510 7.5910 =246.68 10 kNm。 其余各杆件单元的抗弯惯性矩：3 -3 4 7 -3 3 2 I=0.65 /12=22.89 10 m ， EI=3.25 10 2

14、2.8910 =743.93 10 kNm。经求解结构力学器计算得出的弯矩图、 剪力图、轴力图、 位移图以及内力和位移输出如下所示：1、弯矩图：0.144.9356.8420.1918.39-28.2425.2215-56.43 51.64-106.58100.82-241.68 269.67-241.68269.6745.69 54.37 428.88-447.48108.26140.82-447.48 428.8825 24 12.368 22 21 22.3465.52 58.809.493.345.5772、剪力图220.09105.91127.8085.63109.6589.3792

15、.6 66.3551.4083.465.3420.3862.542 464.79176.74424.3130115360.78347884.0158688.5.47219.8415 65.36 8.39 111.86134.74143.39 123.52139.88288.46 179.09241.652 02.822 22.26645.552 88.46 257.06 179.093 0.80107.809 1.51 108.61 143.81126.77 139.162862 68.263、轴力图3287.66 28 2769.87242625253.211617182222375.318

16、9.8187. 1104.07206.84272.83 229.24086 .84 242.25 385.8319496.35151684826.299.1 1884606.0518912.91886.38898.13960.2865617.201.3777.20755.48 520.67 664.66 644.89778509.2037 245.43 239.52 241.28 246.55 314.02 308.44217.39302.48 217.39 318.74415.97 224.64 401.41 423.72538.23 409.77 910.44 957.54925.2289

17、4.88 790.15874.22 489.95 453.55 448.65 490.63 490.25 448.45 453.67 482018 717.30 843.431928 27 26 25 24 23 22 21615.73 464.12 446.15 463.43 527.46527.09 463.23 446.28 573.32 466.66174、位移图9816414321611730182820272126x表1 内力计算杆端内力值 （ 乘子 = 1）单元码轴力杆端 1剪力弯矩轴力杆端 2剪力弯矩1-894.88002178.1489972-106.579130-869.1

18、100808.42175896-56.43343562-842.29086668.5728024-56.4334356-777.202559-20.3773563-28.23806983-755.47542065.3388911-28.2380698-664.659847-51.3956098-20.18680574-644.88887592.5972708-20.1868057-538.232230-66.3504633-4.927497905-520.666869109.654974-4.92749790-415.965898-89.37451326.839102886-401.40516

19、1127.7994886.83910288-314.017685-108.61158817.95235957-302.481050139.87820917.9523595-245.426527-126.76633625.58882968-241.278690143.39070725.5888296-224.640863-135.50786130.13532519-217.392075134.74106830.1353251-239.523512-143.81277424.890772510-246.546289123.51634824.8907725-308.442702-139.683117

20、15.482740911-318.744737105.90860115.4827409-409.769355-126.7708313.3449382612-423.72224985.62936233.34493826-529.233300-107.799524-9.4855345313-546.07924368.2590581-9.48553453-651.208484-83.6223092-18.387275814-670.38345050.7971582-18.3872758-759.066852-62.5445874-25.218231715-780.22540419.8362032-2

21、5.2182317-840.507074-65.3572616-51.641039716-866.075492-8.39386011-51.6410397-886.380116-76.7397478-100.81629217-912.907146-111.863498-100.816292-898.128329-179.089542-269.66935418-960.281119-88.1010287-269.669354-843.428515-189.168779-428.88235319-717.296359496.350289-428.882353-573.32370575.376660

22、8-108.25616620-527.457727385.829939-108.256166-490.627709-104.06671354.369063121-488.813611242.24830754.3690631-466.661320-257.06133045.692057522-463.429221206.84101345.6920575-448.650405-288.461084-1.6757197623-453.672266229.917687-1.67571976-446.279565-265.545697-22.343036624-446.154012272.827783-

23、22.3430366-453.546713-222.6356006.7727557025-448.454910292.4785926.77275570-463.233726-202.82350558.803612726-464.116266253.21038558.8036127-489.947576-241.64942165.521169527-490.25425369.870039565.5211695-527.086644-424.309796-140.81635428-615.728135-87.6604564-140.816354-790.153537-464.793316-447.

24、47796429-874.223806220.086830-447.477964-957.544105136.843645-241.67728730 -910.443675 150.733666 -241.677287 -925.222338 84.0776518 -106.579130杆端位移值 （ 乘子 = 1）表 2 位移计算杆端 1杆端 2单元码 u - 水平位移 v - 竖直位移-转角u - 水平位移 v - 竖直位移-转角1-0.00100358-0.00068767-0.00002395-0.00090744-0.00074810-0.000140402-0.00090744-0

25、.00074810-0.00014040-0.00073230-0.00085376-0.000193343-0.00073230-0.00085376-0.00019334-0.00054462-0.00100220-0.000213494-0.00054462-0.00100220-0.00021349-0.00037824-0.00118892-0.000209045-0.00037824-0.00118892-0.00020904-0.00025815-0.00138216-0.000177536-0.00025815-0.00138216-0.00017753-0.00019527-

26、0.00154724-0.000122707-0.00019527-0.00154724-0.00012270-0.00018215-0.00164814-0.000048088-0.00018215-0.00164814-0.00004808-0.00019427-0.001656360.000036699-0.00019427-0.001656360.00003669-0.00019715-0.001563510.0001211710-0.00019715-0.001563510.00012117-0.00015638-0.001383360.0001926911-0.00015638-0

27、.001383360.00019269-0.00005117-0.001150040.0002427012-0.00005117-0.001150040.000242700.00011856-0.000905070.00026695130.00011856-0.000905070.000266950.00033968-0.000683440.00026809140.00033968-0.000683440.000268090.00058976-0.000507900.00025118150.00058976-0.000507900.000251180.00083319-0.000386760.

28、00020407160.00083319-0.000386760.000204070.00100844-0.000321860.00009591170.00100844-0.000321860.000095910.00098513-0.00027128-0.00018296180.00098513-0.00027128-0.000182960.00053215-0.00008420-0.00070722190.00053215-0.00008420-0.000707220.000177400.00088574-0.00105281200.000177400.00088574-0.0010528

29、10.000110520.00211858-0.00095837210.000110520.00211858-0.000958370.000105520.00296339-0.00048925220.000105520.00296339-0.000489250.000129440.00331982-0.00016028230.000129440.00331982-0.000160280.000163780.003399060.00000852240.000163780.003399060.000008520.000197630.003292360.00019720250.000197630.0

30、03292360.000197200.000219120.002865810.00057689260.000219120.002865810.000576890.000198610.001896590.00109551270.000198610.001896590.001095510.000118860.000499980.00114412280.000118860.000499980.00114412-0.00038283-0.000477130.0007572329-0.00038283-0.000477130.00075723-0.00090371-0.000634170.0002355

31、030-0.00090371-0.000634170.00023550-0.00100358-0.00068767-0.00002395表3 配筋验算选取控制截面截面编号轴向力 N（ kN）弯矩 M（kN/m）偏心距 e（ mm）剪力 Q （kN）8241.2825.59106.06143.3918960.28269.67280.8288.1021488.8154.37111.22242.25（八）衬砌结构的配筋计算根据结构计算的轴力、 弯矩、剪力进行配筋计算与裂缝宽度的校核。 详细规定请 参看 JTG D702004附录 K，以及相应的钢筋混凝土设计规范。配筋计算的流程应包括：配筋形式与截面

32、尺寸的说明； （对称配筋还是非对称配筋） 偏心距的计算与大、小偏心的判定； 大或小偏心情况下结构配筋计算； （应考虑弯矩作用平面内的挠度对偏心距的 影响） 裂缝宽度验算；截面为矩形截面， 高为 45cm，宽为 1m， 配筋采用对称配筋 ,即 Ag=Ag。A、结构斜截面抗剪配筋 选取剪力最大的截面进行抗剪配筋，根据 JTG D702004 附录 K，可知矩形截面，当 仅配有箍筋时，其斜截面的抗剪强度应按下列公式计算：KQQkhQkh=0.07Rabh0+khRgAkh0/SQ斜截面的最大剪力；Qkh斜截面上受压区混凝土和箍筋的抗剪强度； kh 抗剪强度影响系数，当 KQ/（ bh0） 0.2Ra

33、，kh=2.0 ，当 KQ/( bh0)=0.3Ra时， kh=1.5 ，当 KQ/（ bh 0）为中间数值时， kh值按直线内插法取用；Ak配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积，Ak=nak，此时，箍筋的艰巨应符合相关要求；Ra混凝土的抗压极限强度；n在同一截面内箍筋的肢数；ak单肢箍筋的截面面积；S沿构件长度方向上箍筋的间距；Rg箍筋的抗拉计算强度标准值。 此时，各系数取值如下：1、C40的混凝土 Ra=29.5MPa2、抗剪强度影响系数 kh，KQ/（ bh0）=2496.35 1000/（1000400）=2.48MPaeib,min=0.32h0=0.32400=128mm故, 初

34、步判断为大偏心。受拉钢筋 Ag 的重心至轴向力作用点的距离为e=ei+h/2-a= 300.82+450/2-50=475.82mm受压钢筋 Ag的中心至轴向力作用点的距离为e=ei-h/2+a =300.82-450/2+50=125.82mm根据 JTG D702004中的附录 K的公式( K.0.8-1 )和公式( K.0.8-2 ),如下： KN=RwbX+ Rg(Ag -Ag)( K.0.8-1 )KNe= RwbX(h0-x/2)+ RgAg (h0- a )(K.0.8-2 )其中， K为安全系数，按 JTGD 702004 中的表 9.2.4-2 采用，这里 K=2.0。 代入

35、相关数值，由公式( K.0.8-1 )得：32960.2810 =36.9 1000X可得： X=52.05mm bh0=0.55 400=220mm，故此构件确实为大偏心受压构 件。将 X=52.05mm代入公式( K.0.8-2 )，得：32 960.28 10 475.82=36.9 1000 52.05 ( 400-52.05/2)+315 Ag (400-50)22可得： Ag=1774mm，由于是对称配筋，则 Ag= Ag=1774mm。可选用 3 28, 2即 Ag= Ag =1847mm。(4) 在垂直于弯矩作用平面内的强度验算根据长细比 H/h 查 JTG D702004公路

36、隧道设计规范中表 9.2.11-1 ，其中 H 为构件的高度， L 为半拱轴线长度为 17.4m，H=0.5L=8.7m，h 为截面短边的边长 (当轴心受压时)或弯矩作用平面内的截面边长(当偏心受压时) ，可得纵向弯 曲系数 =0.80, 则：Nu=0.9 (RwA+ RgAg )-3=0.9 0.80(36.9 100052.05+1847 315)10-3=1801.76KNKN=2960.28=1920.56 KN 符合要求。（5）裂缝宽度验算 根据 JTG D702004 中附录 K可求知，钢筋混凝土受拉、受弯和偏心受压构件， 其最大裂缝宽度 Wma=x （2.7C S+0.1d/P

37、te ） S/E S 构件受力特征系数， 对轴心受拉构件取 =2.7 ，对受弯和偏心受压构件取 =2.1 ，对偏心受拉构件取 =2.4 ； 裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数， =1.1-0.65f ctk/（ P te S）, 其中， Pte为按有效受拉混凝土面积计算的纵向受拉钢筋率， Pte =AS/ Ace,当Pte0.01 时， 取 Pte =0.01 ；AS受拉区纵筋面积； Ace有效受拉混凝土截面面积，对受拉构件， Ace 取构件截面面积，对受弯、 偏心受压和偏心受拉构件， 取 Ace=0.5bh+（bf -b ）h1，对矩形截面，取 Ace=0.5bh（b 、 h分别为混凝土截面的

38、宽度及高度 ） ，当 0.1 时，取 =0.1, 对直接承受重复荷载的构件，取 =1.0 ； 纵向受拉钢筋表面特征系数，螺纹钢筋取 0.7 ，光面钢筋取 1.0 ； CS最外层纵向受拉钢筋外边缘至受拉区底边的距离（ mm），当 CS20 时，取 CS=20； d钢筋直径（ mm）, 当采用不同直径的钢筋时， d=4AS/u ，此处 u 为纵向受拉 钢筋截面周长的总长； S纵向受拉钢筋的应力（ MPa）； E S钢筋的弹性模量（ MPa）。各系数取值计算如下：1、纵向受拉钢筋表面特征系数 =0.7 ；2、构件受力特征系数 =2.1 ；23、有效受拉混凝土截面面积 Ace=0.5bh=0.5 1000450=225000mm