隧道工程課程設(shè)計(jì)

1、隧道工程課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一基本資料1、工程概況：大云隧道位于某低山丘陵區(qū)。設(shè)計(jì)行車速度：80km/h2、地形地質(zhì)條件施工地段屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，屬于剝蝕山丘地區(qū)，年均降雨量約1300mm。3、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)等級(jí)：高速公路單向二車道；地震設(shè)防烈度：6級(jí)二內(nèi)輪廓的設(shè)計(jì)1根據(jù)設(shè)計(jì)資料：設(shè)計(jì)等級(jí)：高速公路單向二車道，由公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范（jtg d70-2004）4.3.2有：高速公路、一級(jí)公路的隧道應(yīng)設(shè)計(jì)為上、下行分離的獨(dú)立雙洞。對(duì)于級(jí)圍巖，容重=23.5kn/m3，圍巖的彈性抗力系數(shù)k=1000mpa,得出各斷面內(nèi)輪廊如下圖：橫向人行通道設(shè)計(jì)內(nèi)輪廓圖如下：三襯砌的支護(hù)設(shè)計(jì)1初期支護(hù)初期支護(hù)采用噴錨支

2、護(hù)，由噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等支護(hù)形式組合使用，根據(jù)不同圍巖級(jí)別區(qū)別組合。錨桿支護(hù)采用全長(zhǎng)粘結(jié)錨桿。由工程類比法，結(jié)合公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，初期支護(hù)噴射混凝土材料采用c20級(jí)混凝土，支護(hù)參數(shù)如下表：2二次襯砌二次襯砌采用現(xiàn)澆模筑混凝土，利用荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行襯砌內(nèi)力計(jì)算和驗(yàn)算。二次襯砌厚度設(shè)置如下表：注：鋼筋面積為縱向每1m的鋼筋面積。四圍巖壓力的計(jì)算1計(jì)算斷面參數(shù)確定隧道高度h=內(nèi)輪廓線高度+襯砌厚度+預(yù)留變形量隧道跨度b=內(nèi)輪廓線寬度+襯砌厚度+預(yù)留變形量2荷載確定（一）根據(jù)圍巖壓力計(jì)算公式： 計(jì)算圍巖豎向均布?jí)毫Γ?式中：s圍巖類別，此處s=4；圍巖容重，此處=23.5kn/m3；跨度影

3、響系數(shù)毛洞跨度=10.86+20.5+20.065=11.99m其中0.065m為一側(cè)平均超挖量=11.995m，=0.1，此處=1+0.1（11.99-5）=1.699。所以有： 此處超挖回填層忽略不計(jì)。(二)圍巖水平均布?jí)毫Γ篹=0.12q=0.1271.868=8.624kpa3襯砌的幾何要素5襯砌幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑 =5.43m， 。內(nèi)徑、所畫曲線的終點(diǎn)截面與豎直軸的夾角，；拱頂截面厚度：墻底截面厚度：因?yàn)榇颂幰驗(yàn)閿嗝娉叽绮蛔?，所以外輪廓斷面尺寸可以直接?jì)算出來。外輪廓線半徑：拱軸線半徑：拱軸線各段圓弧中心角： 6半拱軸線長(zhǎng)度及分段軸長(zhǎng)分段軸線長(zhǎng)度：半軸線長(zhǎng)度為：將半拱軸線等分為8段

4、，每段長(zhǎng)度：8各分塊接縫（截面）中心幾何要素（1）與豎直軸夾角另一方面，角度閉合差 ：（注：因墻底面水平，計(jì)算襯砌內(nèi)力時(shí)用）（2）接縫中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)當(dāng)然，也可以在附圖2上直接量出、。以后計(jì)算中只取四位小數(shù)。五計(jì)算位移1、單位位移用辛普生法近似計(jì)算。按計(jì)算列表進(jìn)行。單位位移的計(jì)算見表4.1。（說明本設(shè)計(jì)計(jì)算一律保留四位小數(shù)，表格采用保留三位有效數(shù)字）表4.1 單位位移計(jì)算表截面asin(a)cos(a)xydi1/iy/iy2/i(1+y)2/i系數(shù)1/30 0.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.5 0.01 96 0.000 0.000 96.000 1 1 13.88

5、0 0.240 0.971 1.363 0.166 0.5 0.01 96 15.917 2.639 130.473 4 2 27.759 0.466 0.885 2.646 0.654 0.5 0.01 96 62.755 41.023 262.533 2 3 41.639 0.664 0.747 3.774 1.435 0.5 0.01 96 137.770 197.713 569.252 4 4 55.519 0.824 0.566 4.682 2.464 0.5 0.01 96 236.573 582.986 1152.132 2 5 69.399 0.936 0.352 5.317

6、3.681 0.5 0.01 96 353.414 1301.060 2103.889 4 6 83.278 0.993 0.117 5.641 5.015 0.5 0.01 96 481.459 2414.614 3473.533 2 7 94.970 0.996 -0.0875.650 6.389 0.5 0.01 96 613.315 3918.287 5240.917 4 8 90.000 1.000 0.000 5.416 7.743 0.5 0.01 96 743.328 5755.589 7338.245 1 768 2262.189 11170.544 16462.921 單位

7、位移值計(jì)算如下計(jì)算精度校核為：閉合差 ：2、載位移主動(dòng)荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移（1）每一楔塊上的作用力豎向力： 式中：襯砌外緣相鄰兩截面之間的水平投影長(zhǎng)度，又附圖2量得： 水平壓力： 式中：襯砌外緣相鄰兩截面之間的豎直投影長(zhǎng)度，由附圖2量得： 自重力：式中：接縫的襯砌截面厚度注：計(jì)算時(shí)，應(yīng)該第8個(gè)楔塊的面積乘以。作用在各楔塊上的力均列入表4.2，各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心截 面集 中 力 力 臂q(kn) g(kn) e(kn)aqagae00.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1102.232 15.816 1.493 0.651 0.680 0.346

8、 296.260 15.816 4.392 0.553 0.627 0.471 384.668 15.816 7.035 0.423 0.541 0.595 468.138 15.816 9.267 0.268 0.422 0.679 547.620 15.816 10.958 0.097 0.279 0.723 624.320 15.816 12.007 -0.079 0.120 0.725 72.932 15.816 12.286 -0.260 -0.031 0.691 80.000 15.816 12.037 0.000 -0.145 0.671 （2）外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力楔塊上

9、各集中力對(duì)下一接縫的力臂由圖4.1中量得，分別記為、。內(nèi)力圖按下式計(jì)算。彎矩：軸力：式中： 、相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)增值，按下式計(jì)算： （4.9）的計(jì)算見下表4.3。表4.3 載位移計(jì)算表截面-qaq-gag-eae (i-1)(q+g)e(i-1)xy-x(q+g)-yemp00 0.000 0.000 0.000 000.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1 -66.553 -10.752-0.517 001.360 0.166 0.000 0.000 -77.822 2 -53.232 -9.912-2.069 118.0481.4931.283 0.488 -15

10、1.456 -0.729 -295.218 3 -35.815 -8.549-4.186 230.1245.8851.129 0.781 -259.810 -4.596 -608.174 4 -18.261 -6.677-6.292 330.60812.920.908 1.029 -300.192 -13.295 -952.891 5 -4.619 -4.413-7.923 414.56222.1870.635 1.217 -263.247 -27.002 -1260.094 6 1.921 -1.901-8.705 477.99833.1450.324 1.334 -154.871 -44.

11、215 -1467.866 7 0.762 0.486 -8.490 518.13445.1520.008 1.374 -4.145 -62.039 -1541.291 8 0.000 2.298 -8.077 536.88257.438-0.2341.354 125.630 -77.771 -1499.210 表4.4 載位移計(jì)算表截面sinacosa(q+g)esina(q+g)cosaenp00100000.000 00.240.971118.0481.49328.332 1.450 26.882 0.240.4660.885230.1245.885107.238 5.208 102.0

12、30 0.4660.6640.747330.60812.92219.524 9.651 209.872 0.6640.8240.566414.56222.187341.599 12.558 329.041 0.8240.9360.352477.99833.145447.406 11.667 435.739 0.9360.9930.117518.13445.152514.507 5.283 509.224 0.9930.996-0.087536.88257.438534.734 -4.997 539.732 0.99610552.69869.475552.698 0.000 552.698 1基

13、本結(jié)構(gòu)中，主動(dòng)荷載產(chǎn)生彎矩的校核為：m8q0=-qb2x8-b4=-71.86811.9925.4156-11.992=1045.835kn/mm8e0=-e2h2=-8.624/27.98562=-274.975kn/mm8g0=-gix8-xi+agi=-g1x8-x1+ag1-g2x8-x2+ag2-g3x8-x3+ag3-g1010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101

14、01010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010101010104x8-x4+ag4-g5x8-x5+ag5-g6x8-x6+ag6-g7x8-x7+ag7-g8ag8=-179.1953kn/mm8p0=m8q0+m8e0+m8g0=-1041.835-274.975-179.1953=-1496.0053kn/m另外，由上可知，m8p0=-1499.210kn/m因此得出閉合差=-1496.005+1149.210

15、1499.210=0.21%（3）主動(dòng)荷載位移計(jì)算過程見表4.5。表4.5 主動(dòng)荷載位移計(jì)算表截面mp01/iy/i(1+y)mp0/imp0y/imp0(1+y)/i系數(shù)1/30.000 960.000 1.000 0.000 0.000 0.000 1.000 0.000 -77.822 9615.917 1.166 -7470.875 -1238.687 -8711.040 4.000 -77.822 -295.218 9662.755 1.654 -28340.946 -18526.418 -46875.925 2.000 -295.218 -608.174 96137.770 2.4

16、35 -58384.681 -83788.099 -142166.698 4.000 -608.174 -952.891 96236.573 3.464 -91477.515 -225428.231 -316878.112 2.000 -952.891 -1260.094 96353.414 4.681 -120969.024 -445334.862 -566256.003 4.000 -1260.094 -1467.866 96481.459 6.015 -140915.096 -706717.095 -847604.301 2.000 -1467.866 -1541.291 96613.3

17、15 7.389 -147963.917 -945296.771 -1093305.386 4.000 -1541.291 -1499.210 96743.328 8.743 -143924.189 -1114404.992 -1258329.181 1.000 -1499.210 -668181.764 -2972794.052 -3640934.122 主動(dòng)荷載位移：1p=0sm1mp0ehidssehmp0i=-1.37532.610766818.764=-3544.24510-62p=0sm2mp0ehidssehymp0i=-1.3753/(2.610-6)2972794.052=-

18、157249.37210-6 sp=seh1+ymp0i=-1.3752.61073640934.122=-192591.41210-61p+2p=-192593.61710-6閉合差 3、載位移單位彈性抗力及相應(yīng)的摩擦力引起的位移（1）各接縫處的抗力強(qiáng)度抗力上零點(diǎn)假定在接縫3與4的中線處，最大抗力值假定在接縫5與6的中線處，最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算：查表4-1，算得：最大抗力值以下各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算： (4.14)式中：所考察截面外緣點(diǎn)到點(diǎn)的垂直距離； 墻腳外緣點(diǎn)到點(diǎn)的垂直距離。由圖4-1中量得：則 按比例將所求得的抗力繪于圖4-1上。（2）各楔塊上抗力集中力按下式近似計(jì)

19、算： (4.15)式中：楔塊外緣長(zhǎng)度，可通過量取夾角，用弧長(zhǎng)公式求得，的方向垂直于襯砌外緣，并通過楔塊上抗力圓形的形心。（3）抗力集中力與摩擦力的合力 按下式計(jì)算： (4.16) 式中：圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)，此處取。則： (4.17)其作用方向與抗力集中力的夾角。由于摩擦阻力的方向與襯砌位移的方向相反，其方向向上。畫圖時(shí)，也可取切向：徑向=1：5的比例求出合力的方向。的作用點(diǎn)即為與襯砌外緣的交點(diǎn)。將的方向線延長(zhǎng)，使之交于豎直軸，量取夾角，將分解為水平與豎直兩個(gè)分力： (4.18)以上計(jì)算列入表4.6。表4.6 彈性抗力及摩擦力計(jì)算表截面（n（n)0.5(i-1+i)(n)s外r(n)k?7s

20、inkcoskrh(n)rv(n)3 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 4 0.326 0.163 0.718 0.119 64.557 0.903 0.430 0.108 0.051 5 0.824 0.575 1.437 0.843 74.796 0.965 0.262 0.813 0.221 6 0.961 0.946 1.437 1.386 87.817 0.999 0.038 1.385 0.053 7 0.636 0.799 1.427 1.162 101.041 0.981 -0.1921.141 -0.2

21、238 0.000 0.318 1.418 0.460 109.427 0.943 -0.3330.434 -0.153（4）計(jì)算單位抗力及其相應(yīng)的摩擦力在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力彎矩： (4.19)軸力： (4.20)式中：力至接縫中心點(diǎn)的力臂，由圖4.1量得。計(jì)算見下表4.7。表4.7計(jì)算表截面r4=0.1193hr5=0.8426hr6=1.3863hr7=1.1621hr8=0.4600hm0(h)r4ir4r4i(h)r5ir5r5i(h)r6ir6r6i(h)r7ir7r7i(h)r8ir8r8i(h)4 0.233 0.028 -0.0285 1.646 0.196 0.633 0.

22、533 -0.7296 2.988 0.356 2.004 1.689 0.713 0.989 -3.0347 4.229 0.504 3.332 2.808 2.087 2.893 0.777 0.902 -7.1088 5.347 0.638 4.578 3.857 3.431 4.756 2.151 2.499 0.969 0.446 -12.196計(jì)算見下表4.8。表4.8 計(jì)算表截面a sina cosarv(h)sinarv(h)rh(h)cosarh(h)n0(h)4 55.519 0.824 0.566 0.051 0.042 0.108 0.061 -0.0195 69.39

23、9 0.936 0.352 0.272 0.255 0.921 0.324 -0.0696 83.278 0.993 0.117 0.325 0.323 2.306 0.270 0.053 7 94.970 0.996 -0.0870.103 0.102 3.447 -0.2990.401 8 90.000 1.000 0.000 -0.050-0.0503.881 0.000 -0.050（5）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算見表4.9。表4.9 單位抗力及摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算表截面m0(h)1/iy/i(1+y)m0/im0y/im(1+y)/i系數(shù)1/34 -0.02896 236

24、.573 3.464 -2.665-6.568-9.2332 5 -0.72996 353.414 4.681 -70.011-257.737-327.7474 6 -3.03496 481.459 6.015 -291.295-1460.904-1752.2002 7 -7.10896 613.315 7.389 -682.372-4359.469-5041.8414 8 -12.19696 743.328 8.743 -1170.824-9065.692-10236.5161 -1589.425-10156.486-11745.911校核為：閉合差 4、墻底（彈性地基上的剛性梁）位移單位彎

25、矩作用下的轉(zhuǎn)角：?jiǎn)挝粡澗刈饔孟碌霓D(zhuǎn)角：a=1ki=11.210696=9610-6主動(dòng)荷載作用下的轉(zhuǎn)角：ap0=m8p0a=-1499.2369610-6=-143926.6610-6單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角：a0=m80a=-12.19619610-6=-1170.82610-65、解力法方程襯砌矢高計(jì)算力法方程的系數(shù)為：a11=11+a=40.6242+9610-6=136.62410-6a12=12+fa=119.661+967.74310-6=862.989110-6a22=22+f2a=590.8788+7.74329610-6=6346.46810-6a10=1p+ap0+

26、1+a0h=-(179270.901+1254.9h)10-6a20=2p+fap0+2+fa0h=-(1271673.469+9602.2385h)10-6以上將單位抗力產(chǎn)生的位移乘以h即為彈性抗力引起的位移。求解方程：x1=a22a10-a12a20a122-a11a22=-6346.4675179270.901+1254.9001h+1862.98911271673.469+9602.238h10-12(862.98912-136.6426346.4675)10-12=329.4067-2.6358h顯然可知：x1p=329.4067 x1s=-2.3658 x2=a11a20-a12a

27、10a122-a11a22=-136.6242(1271673.496+9602.2385h)+862.9891(179270.901+1254.9001h)10-12(862.98912-136.62426346.4675)10-12=155.5825+1.87149hx2p=155.5825，x2s=1.8714可將上述結(jié)果代入原方程，進(jìn)行校核。6、計(jì)算主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載（）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計(jì)算公式： (4.28) (4.29)計(jì)算過程列表4.10與表4.11。表4.10 主、被動(dòng)荷載作用下襯砌彎矩計(jì)算表截面mpox1px2p*ympm0(h)x1(h)x2*y(h)m(h)0 0.00

28、0 329.407 0.000 329.407 0.000 -2.636 0.000 -2.636 1 -77.822 329.407 25.827 277.412 0.000 -2.636 0.311 -2.325 2 -295.218 329.407 101.751 135.940 0.000 -2.636 1.224 -1.412 3 -608.174 329.407 223.262 -55.505 0.000 -2.636 2.685 0.049 4 -952.891 329.407 383.357 -240.127 -0.028 -2.636 4.610 1.946 5 -1260.

29、094 329.407 572.701 -357.986 -0.729 -2.636 6.887 3.522 6 -1467.866 329.407 780.249 -358.210 -3.034 -2.636 9.383 3.713 7 -1541.291 329.407 994.020 -217.864 -7.108 -2.636 11.954 2.210 8 -1499.210 329.407 1204.679 34.876 -12.196 -2.636 14.487 -0.345 表4.11 主、被動(dòng)荷載作用下襯砌軸力計(jì)算表截面np0x2pcosanpn0(h)x2cosan(h)00

30、.000 155.583 155.583 01.871 1.871 126.882 151.071 177.953 01.817 1.817 2102.030 137.691 239.721 01.656 1.656 3209.872 116.221 326.093 01.398 1.398 4329.041 88.060 417.101 -0.0191.059 1.040 5435.739 54.765 490.504 -0.0690.659 0.590 6509.224 18.203 527.427 0.0530.219 0.272 7539.732 -13.536 526.196 0.4

31、01-0.163 0.238 8552.698 0.000 552.698 -0.050.000 -0.050 7、最大抗力值的求解首先求出最大抗力方向內(nèi)的位移?？紤]到接縫5的徑向位移與水平方向有一定的偏移，因此修正后有： (4.30) (4.32)表4.12 最大抗力位移修正計(jì)算表截面mp/im/i (h)(y5-yi)mp(y5-yi)/im(y5-yi)/i系數(shù)1/30 31623.072 -253.056 3.681116404.528 -931.499 11 26631.568 -223.240 3.51693636.594 -784.911 42 13050.249 -135.58

32、7 3.02839516.153 -410.558 23 -5328.495 4.693 2.246-11967.800 10.540 44 -23052.218 186.830 1.217-28054.549 227.372 25 -34366.654 338.126 00.000 0.000 4155334.304 -1465.118 把計(jì)算過程列入表4.12，位移值為hp=1.37532.6107155334.3040.963=7690.72610-6 h=-1.37532.61071485.118=-72.539210-6最大抗力值為：h=hp1k-h=7690.72610-611.0106+72.539210-6=104.5808、計(jì)算襯砌總內(nèi)力按下式計(jì)算襯砌總內(nèi)力： (4.34)計(jì)算過程列入表4.13表4.13襯砌總內(nèi)力計(jì)算表截面mpmmnpnnem/imy/i系數(shù)1/30329.407 -2.636 53.734 155.583 1.871 351.252 0.087 5158.476 0.000 11277.412 -2.325 34.220 177.953 1.817 367.948 0.093 3285.156 545.336 42135.940 -1.412 -11.765 239.721 1.656 412.888