隧道工程课程设计报告书

1、至高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算一、基本资料至高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告至高速公路二峨山隧道平面布置图至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2335， 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、砂岩为主， 岩层走向与洞轴线近于垂直，进洞口段无断裂构造

2、，无不良地质现象，稳定性较 好，适宜进洞，但略具偏压。三、设计容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(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

3、本质量指标BQ，结合岩体的定性特征综合评判，按 JTG D70-2004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 D70-2004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；KV岩体完整性系数，采用弹性波

4、速探测值。 = 二一式中:农.为岩体弹性纵波波速；，.-二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一上工:泥岩15252971 m/s 砂岩27463278 m/s丁二:泥岩 3070 m/s 砂岩 3472 m/sKV：泥岩 0. 70 砂岩 0. 73 取 KV=0. 715BQ： BQ=90+3RC+250KV0. 04R

5、C+0. 4=0. 678550围岩稳定，无坍塌。II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。III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。IV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

6、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Q、Q黄土。V21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。W250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、丽石土、圆砾土，旱松散结构。w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。K1： 250BQ=28O.3533602.178II25271200180020330.20.2550601.52.17078III232550012006200.250.339500.71.56070I

7、V20232005001.3-60.30.3527390.20.75060V1720100200120.350.4520270.050.24050W151710010.40. 52030003000L10001000L500LW5叩任务书上所需设计的车道为两车道，不含紧急停车带，设计时速为100公里/ 小时，查下表，可得此公路为高速公路或一级公路，车道宽度W=3. 75X2=7. 5m； 建筑限界高度H=5.0m；并且应在两侧设置检修道，其宽度等于或大于0.75m， 又因为设计速度为100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1. 0m,故可取J =1. 0m, 检修道宜双向设置，检修道的高度可按

8、2080cm取值，综合考虑可取h=40cm； 不设余宽。隧道侧向宽度可取L左=匚右=1. 0m,故建筑限界顶角宽度Er=El=1. 0m； 隧道路面坡度取i%=2%。此公路隧道建筑限界尺寸设计如下图:不含紧急停车带（单位：cm）（四）确定隧道轮廓尺寸按照已经确定的公路隧道建筑限界尺寸，根据JTG D70-2004中附录B中 关于两车道的轮廓尺寸规定。两车道的隧道轮廓标准断面形式由：拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弓瓜， 仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。最终，要保障隧道轮廓尺寸应将隧道建筑限界尺寸包括在隧道轮廓中。两车道隧道标准轮廓断面（单位：cm） 拱部圆弧半径R1=5. 97m，侧墙圆弓瓜半径R

9、2=11. 72m,侧墙与仰拱连接段圆弧半径 R3=1. 1m,仰拱圆弧半径R4=49. 67m.计算隧道围岩压力隧道围岩压力荷载计算按照JTG D70-2004中6.2节“永久荷载”与附录E 中的规定进行计算。具体步骤按照：首先进行浅埋和深埋隧道的划界；如符 合JTG D70-2004的附录E中规定属于浅埋隧道的，考察是否符合“埋深H三等 效荷载高度圣”和“埋深H歹二:且M H = ”两种情况之一进行计算；如符合JTG D70-2004的附录E中规定属于深埋隧道的，按照普氏方法进行计算。深、浅埋隧道的分界深度判定判定公式为：Hp=(22.5)hq式中：Hp一浅埋隧道分界深度；hq一荷载等效高

10、度，hq=q/Y, Y为围岩重度； q=0.45X2s-1XyX3； S一围岩的级别；3一宽度影响系数，3 =1+i(B-5)； B 为无支护条件下隧道毛洞宽度；iB5时取i =0. 1, B5m,取 i =0. 1；宽度影响系数 3=1+i(B-5)=1+0.1X(13. 23-5) =1. 823；荷载等效高度 hq=q/ Y =0. 45 X 25-以 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. 2m38. 1m,按浅埋隧道计算。浅埋隧道荷载垂直均布压力：q=YXhq =18. 5X13. 13=24

11、2. 91KPaY一隧道上覆围岩重度侧向压力：Ht=8. 86+0. 20+0. 45+0. 45=9. 96me = y(H- l/2Hjtan245- tpc/2)=18.5X(13. 13+1/2X9. 96)tan2(45-45/2)=57. 48 KPaHt一隧道高度；Wc 一围岩计算摩擦角；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 D70-2004中的8.4.2节容。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1525cm，取20cm，仰拱不需喷射混凝土；二次衬砌中拱、墙混凝土厚

12、度为45cm，仰拱混凝土厚度也为45cm。喷射混巍土厚度(cm)拱部、边墙表8.4.2-1两车道隧道复合式衬砌的设计参数围岩级别 1H- 川IVVV7拱、墙2.5 3.0拱】墙3.0-4.0钢筋网钢架供、墙 混凝土仰拱 混摄土3()30局部 25x2535拱、墙25 x 25拱、墙3535供、墙20拱、墙、 仰拱4545二次村砌厚度(cm)计算衬砌结构的力衬砌结构的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。竖向围岩土压力q水平压力e r衬砌结构的结构力学建模简图如下图:29 )1、弹性抗力的处理：将弹性抗力作用围

13、的连续围岩离散为若干条彼此互不相关 的矩形岩柱。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

14、等 效节点荷载，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:0.45X1X1.16X25 = 13.05 kN,节点20、28处的等效节点荷载：0. 45X1X0.58X25+0.65X1X0.58X25 =

15、 15.95 kN,其余节点处的等效节点荷载：0. 65X1X1. 16X25 = 18. 85 kN。3、地层反力：q = X(hq+H：) =18. 5X(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 为承重结构的厚度，相应的杆件截面面积为A=dX1 (m2)，抗弯惯性矩为I=1X d3/12(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=3.25X107 kN/m2。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截面面积：A=0.4

16、5 X 1=0.45 m2，EA=3.25X107X0.45=14625X 103 kN。其余各杆件单元截面面积：A=0.65X 1=0.65 m2，EA=3.25X 107X0.65=21125X 103 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：I=0.453/12=7.59X 10-3 m4，EI=3.25X 107X7.59X 10-3=246.68X 103 kNm2。 其余各杆件单元的抗弯惯性矩：I=0.653/12=22.89X 10-3 m4， EI=3.25X 107X 22.89 X 10-3=743.93X 1

17、03 kNm2。经求解结构力学器计算得出的弯矩图、剪力图、轴力图、位移图以及力和位 移输出如下所示：1、弯矩图:-241.684.96.84-20.1918.39-28.24-25.22-56.43-51.64-106.58-100.82-241.68-269.670-447.48140.8215.483.3445.69 54.372726-1.68a.-22.34 2322 - 108.2697.95 30.14 24.089-447.4825.5965.52 58.80-269.67-428.88-428.882、剪力图134.74143.39123.523、127.80109.6592.

18、65.3420.383-2-464.79-424.31-2,220.092968.578.4150.73136.8478.1584.085-66.35139.886 -89.374-51.40轴力图105.9185.631011-107.80,8062.541676.7417-179.091875.3-65.36-8.39 111.86-88.1 189.17 104.079.845206.84229.48242.25385.83-135.51-143.81-126.77- 139.68Z&.26-126.77222324253.21-288.46-202.82 - 265.55- 257.0

19、61.65- 222.64292.48-87.66 282769.87272.8383.62496.35-314.01617BWwiiiinniiw 叫伽1920-453.55-448.45-869.11842.29-520.67664.66644.89-925.22894.88-910.44-957.54 29245.43241.28-790.15-874.22- 489.95-490.25-239.52-246.55-308.44777.20 -755.48-401.41-538.23一18-717.30-843.43898- 217.39302.48-415.97- 224.64318.

20、74-423.72-409.77-546.08-529.23-670.38-651.21780.23759.07866.08840.51912.91886.38898.13960.28-448.65- 490.63-453.67 -42827262524232221-615.73- 464.12-436.15 - 463.43- 527.46-527.09- 463.23- 446.28- 573.32466.664、位移图杆端力值（乘子=1）表1力计算-杆端 1杆端 2-单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩-1-894.88002178.1489972-106.579130-869.1100808

21、.42175896-56.43343562-842.29086668.5728024-56.4334356-777.202559-20.3773563-28.23806983-755.47542065.3388911-28.2380698-664.659847-51.3956098-20.18680574-644.88887592.5972708-20.1868057-538.232230-66.3504633-4.927497905-520.666869109.654974-4.92749790-415.965898-89.37451326.839102886-401.405161127.7

22、994886.83910288-314.017685-108.61158817.95235957-302.481050139.87820917.9523595-245.426527-126.76633625.58882968-241.278690143.39070725.5888296-224.640863-135.50786130.13532519-217.392075134.74106830.1353251-239.523512-143.81277424.890772510-246.546289123.51634824.8907725-308.442702-139.68311715.482

23、740911-318.744737105.90860115.4827409-409.769355-126.7708313.3449382612-423.72224985.62936233.34493826-529.233300-107.799524-9.4855345313-546.07924368.2590581-9.48553453-651.208484-83.6223092-18.387275814-670.38345050.7971582-18.3872758-759.066852-62.5445874-25.218231715-780.22540419.8362032-25.2182

24、317-840.507074-65.3572616-51.641039716-866.075492-8.39386011-51.6410397-886.380116-76.7397478-100.81629217-912.907146-111.863498-100.816292-898.128329-179.089542-269.66935418-960.281119-88.1010287-269.669354-843.428515-189.168779-428.88235319-717.296359496.350289-428.882353-573.32370575.3766608-108.

25、25616620-527.457727385.829939-108.256166-490.627709-104.06671354.369063121-488.813611242.24830754.3690631-466.661320-257.06133045.692057522-463.429221206.84101345.6920575-448.650405-288.461084-1.6757197623-453.672266229.917687-1.67571976-446.279565-265.545697-22.343036624-446.154012272.827783-22.343

26、0366-453.546713-222.6356006.7727557025-448.454910292.4785926.77275570-463.233726-202.82350558.803612726-464.116266253.21038558.8036127-489.947576-241.64942165.521169527-490.25425369.870039565.5211695-527.086644-424.309796-140.81635428-615.728135-87.6604564-140.816354-790.153537-464.793316-447.477964

27、29-874.223806220.086830-447.477964-957.544105136.843645-241.67728730-910.443675150.733666-241.677287-925.22233884.0776518-106.579130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-1-0.00100358-0.00068767-0.00002395-0.00090744-0.00074810-0.000140402-0.00090744-0.00074810-0.00014040-0.

28、00073230-0.00085376-0.000193343-0.00073230-0.00085376-0.00019334-0.00054462-0.00100220-0.000213494-0.00054462-0.00100220-0.00021349-0.00037824-0.00118892-0.000209045-0.00037824-0.00118892-0.00020904-0.00025815-0.00138216-0.000177536-0.00025815-0.00138216-0.00017753-0.00019527-0.00154724-0.000122707-

29、0.00019527-0.00154724-0.00012270-0.00018215-0.00164814-0.000048088-0.00018215-0.00164814-0.00004808-0.00019427-0.001656360.000036699-0.00019427-0.001656360.00003669-0.00019715-0.001563510.0001211710-0.00019715-0.001563510.00012117-0.00015638-0.001383360.0001926911-0.00015638-0.001383360.00019269-0.0

30、0005117-0.001150040.0002427012-0.00005117-0.001150040.000242700.00011856-0.000905070.00026695130.00011856-0.000905070.000266950.00033968-0.000683440.00026809140.00033968-0.000683440.000268090.00058976-0.000507900.00025118150.00058976-0.000507900.000251180.00083319-0.000386760.00020407160.00083319-0.

31、000386760.000204070.00100844-0.000321860.00009591170.00100844-0.000321860.000095910.00098513-0.00027128-0.00018296180.00098513-0.00027128-0.000182960.00053215-0.00008420-0.00070722190.00053215-0.00008420-0.000707220.000177400.00088574-0.00105281200.000177400.00088574-0.001052810.000110520.00211858-0

32、.00095837210.000110520.00211858-0.000958370.000105520.00296339-0.00048925220.000105520.00296339-0.000489250.000129440.00331982-0.00016028230.000129440.00331982-0.000160280.000163780.003399060.00000852240.000163780.003399060.000008520.000197630.003292360.00019720250.000197630.003292360.000197200.0002

33、19120.002865810.00057689260.000219120.002865810.000576890.000198610.001896590.00109551270.000198610.001896590.001095510.000118860.000499980.00114412280.000118860.000499980.00114412-0.00038283-0.000477130.0007572329-0.00038283-0.000477130.00075723-0.00090371-0.000634170.0002355030-0.00090371-0.000634

34、170.00023550-0.00100358-0.00068767-0.00002395表3配筋验算选取控制截面截面编号81821轴向力N (kN)241.28960.28488.81弯矩 M(kN/m)25.59269.6754.37偏心距e (mm)106.06280.82111.22剪力Q (kN)143.3988.10242.25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 D70-2004附录K,以及相应的钢筋混凝土设计规。配筋计算的流程应包括：配筋形式与截面尺寸的说明；(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；

35、大或小偏心情况下结构配筋计算；(应考虑弯矩作用平面的挠度对偏心距的影 TOC o 1-5 h z 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rJTG D70-2004附录K,可知矩形截面，当【仆】仅配有箍筋时，其斜截面的抗剪强度应按下列公式计算：KQ 兰 QkhQkh=0.07Ra .叫+。网”Q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；akh抗剪强度影响系数，当 KQ/(bh)M0.2Ra，akh=2.0，当 KQ/(bh)=0.3Ra时，akh=1.5，当KQ/

36、( bh)为中间数值时，akh值按直线插法取用；Ak配置在同一截面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akh，KQ/( bh0)=2 X 496.35 X 1000/ (1000 X 400)=2.48MPae.bm.n=0.32h0=0.32X400=128mm,故初步判断为大偏心。受拉钢筋Ag的重心至轴向力作用点的距离为 e= n e.+h

37、/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 =ne.-h/2+az =300.82-450/2+50=125.82mm根据JTG D70-2004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)KN - e= RwbX(h0-x/2)+ RgAg (h- a )(K.0.8-2)其中，K为安全系数，按JTGD70-2004中的表9.2.4-2采用，这里K=2.0。代入相关数值，由公式(K.0.8-1)得：2 X 960.28 X 103=36.9 X 1000X可

38、得：X=52.05mmEbh0=0.55X400=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：2 X 960.28 X 103 X 475.82=36.9 X 1000 X 52.05 ( 400-52.05/2)+315 X Ag (400-50)可得：Ag =1774mm2，由于是对称配筋，则Ag= Ag =1774mm2。可选用328, 即 Ag= Ag =1847mm2。在垂直于弯矩作用平面的强度验算根据长细比H/h查JTG D70-2004公路隧道设计规中表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

39、=0.5L=8.7m，h为截面短边的边长 (当轴心受压时)或弯矩作用平面的截面边长(当偏心受压时)，可得纵向弯曲系数W=0.80,则：Nu=0.9W (RwA+ Rg Ag)=0.9X0.80(36.9X 1000X52.05+1847X315)X 10-3=1801.76KNK - N=2X 960.28=1920.56 KN 符合要求。（5）裂缝宽度验算根据JTG D70-2004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 Wmax= aWy（2.7CS+0.1d/Pte）。S/ESa构件受力特征系数，对轴心受拉构件取a=2.7,对受弯和偏心受压构件取 a =2.

40、1，对偏心受拉构件取a =2.4；W裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数，W=1.1-0.65fctk/（匕。），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）h，对矩形截面，取Ace=0.5bh（b、 h分别为混凝土截面的宽度及高度），当W0.1时，取 W=0.1，对直接承受重复荷载的构件，取W=1.0;Y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；

41、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；。$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Y=0.7；2、构件受力特征系数a=2.1；3、有效受拉混凝土截面面积 Ace=0.5bh=0.5 X 1000 X 450=225000mm24、按有效受拉混凝土面积计算的纵受拉钢筋率Pte= AS/ Ace=2463/225000=0.0115、纵向受拉钢筋的应力os=Ns (e-z) /(As.z),其中，e为轴向压力作用点至纵 向受拉钢筋合力点之间的距离,为475.82mm, z为纵向受拉钢