隧道課程設(shè)計(jì)-公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

1、隧道工程課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 公路隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書1.1 目的和要求1、課程設(shè)計(jì)是隧道工程課程教學(xué)的重要實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是使學(xué)生熟練掌握隧道設(shè)計(jì)計(jì)算原理和計(jì)算方法的重要內(nèi)容。要求每個(gè)學(xué)生高度重視，必須認(rèn)真按時(shí)完成。1.2時(shí)間安排根據(jù)高等學(xué)校土木工程專業(yè)隧道工程 課程教學(xué)大綱要求：本課程安排 一周的課程設(shè)計(jì)，采取集中 進(jìn)行的方式。 按照本學(xué)期本課程教學(xué)的實(shí)際教學(xué)情況，對(duì)課程設(shè)計(jì)工作做如下安排：1、 根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，將課程設(shè)計(jì)任務(wù)布置給學(xué)生；2、學(xué)生在學(xué)期的第二周 內(nèi)完成課程設(shè)計(jì)內(nèi)容；3、 課程設(shè)計(jì)計(jì)算書完成后，在第三周交任課老師1.3課程設(shè)計(jì)題目及資料1、 課程設(shè)計(jì)題目：公路隧道結(jié)構(gòu)

2、設(shè)計(jì)與計(jì)算某 高速公路 隧道 （雙向四車道，隧道長(zhǎng)： 250m）通過 級(jí)圍巖，埋深H=20m，隧道圍巖天然容重=24KN/m3，計(jì)算摩擦角 =45 , 采用鉆爆法施工。要求按高速公路設(shè)計(jì)速度100km/h 考慮公路隧道建筑限界的橫斷面：1)按公路隧道要求對(duì)隧道襯砌進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（擬定結(jié)構(gòu)尺寸）；2) 按規(guī)范確定該隧道的豎向均布?jí)毫蛡?cè)向分布?jí)毫Γ?) 計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力（畫出彎矩圖和軸力圖）；4) 對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行配筋驗(yàn)算。2、 參考資料：（ 1） 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004, 人民交通出版社，2004 年 9 月；（ 2） 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路鋼筋混凝土

3、及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范JTGD62-2004, 人民交通出版社，2004 年；（ 3） 夏永旭 編著隧道結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算 ，人民交通出版社， 2004 年；（ 4） 有關(guān) 隧道工程 教材；（ 5） 有關(guān)隧道設(shè)計(jì)圖紙；（ 6） 公路隧道、世界隧道、巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)等期刊。1.4課程設(shè)計(jì)做法指導(dǎo)1、 根據(jù)題目要求，按照公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004擬定隧道結(jié)構(gòu)的截面尺寸，包括輪廓線半徑和厚度等；2、 按照比例（例如1：100）繪制橫斷面圖；3、 按照 04 年發(fā)布的公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范JTG D70-2004平壓力；確定隧道圍巖豎向壓力和水4、 隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算，要求寫出計(jì)算過程，并畫出內(nèi)

4、力圖；5、 每位學(xué)生提交的課程設(shè)計(jì)成果（計(jì)算書）：（ 1） 按上述要求進(jìn)行的計(jì)算過程和計(jì)算結(jié)果；（ 2） 按比例繪制的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙一張（包括隧道橫斷面圖、斷面配筋圖、支護(hù)設(shè)計(jì)圖）。2.隧道斷面尺寸2.1 隧道建筑限界根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D-2004)有關(guān)條文規(guī)定，隧道的建筑限界高度 H 取 5m，行車道寬度取3.75*2m ，左側(cè)向?qū)挾?LL 取 0.5m，右側(cè)向?qū)挾?LR 取1m，檢修道寬度 J取 0.75m，檢修道高度 d 取 0.5m，建筑限界頂角寬度 ?取 0.5m,?取 1m，如圖 2-1 所示。圖 2-1 設(shè)計(jì)速度為 100km/h 的公路隧道建筑限界2.2 隧道的襯

5、砌斷面根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 (JTG D-2004) 有關(guān)條文規(guī)定， 擬定隧道的襯砌，襯砌材料為 C20 混凝土，彈性模量73E =2.6*10 kPa，重度=20kN/m，襯砌厚度hh取 70cm，如圖 2-2 所示。圖 2-2隧道結(jié)構(gòu)襯砌斷面3.隧道襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算3.1 基本資料某一級(jí)公路隧道，結(jié)構(gòu)斷面如圖2-2 所示。圍巖級(jí)別為級(jí)，埋深H=20m，隧道圍巖天然容重 =24kN/m3，計(jì)算摩擦角 =450，襯砌材料為 C20混凝土，彈性模量 Eh=2.6*107kPa，重度 h=20kN/m3。3.2 荷載確定圍巖豎向均布?jí)毫-1hq=q/ =0.45 ×2式中： s 圍巖級(jí)別，

6、此處s=3；圍巖重度，此處=24kN/m3跨度影響系數(shù)，=1+i （l m-5 ），毛洞跨度l m=13+2×0.06=13.12m ，其中0.06 為一側(cè)平均超挖量， l m=5 15m時(shí)， i=0.1 ，此處 =1+0.1（ 13.12-5 ） =1.812 。所以有h3 -1q=q/ =0.45 ×2 × 1.812=3.2616mHp2. 5hq2. 53. 26168. 154mHHp故該隧道屬于深埋隧道，圍巖豎向均布?jí)毫0. 45 2s 10.45 23 124 1. 812 78. 28kPa此處超挖回填層重度忽略不計(jì)。圍巖水平均布?jí)毫?cè)向壓力e，

7、按均布考慮是，其值為e= 0.25q=0.2578.28=19.57kPa3.3 襯砌幾何要素·襯砌幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑r =5.8m， r =8.7m；12內(nèi)徑 r 、 r所畫圓曲線與豎直軸的夾角001=90， =107；122采用等截面襯砌，襯砌厚度d=0.7m；外輪廓半徑R1=r 1+d=5.8+0.70=6.5mR2=r 2+d=8.7+0.70=9.4m拱軸線半徑r1' =r 1+0.5d=5.8+0.35=6.15mr2' =r 2+0.5d=8.7+0.35=9.05m拱軸線各段圓弧中心角01 =902 =170·半拱線長(zhǎng)度 S及分段軸長(zhǎng) S分

8、段軸線長(zhǎng)度S1=1 1'=90 03. 146. 159. 66 m1800r18002r2'1702. 68 mS2=03. 149. 051800180半拱軸線長(zhǎng)度為S=S1+S2=9.66+2.68=12.34m將半拱軸線等分為8 段，每段軸線長(zhǎng)為 S=S12. 341. 54m88各分塊接縫中心幾何要素與豎直軸夾角iS18001. 54180014. 347011r1'=6. 1521S180014. 34701. 54 180028. 6940r 1'6. 1532128. 694014. 347043. 041043143. 041014. 3470

9、57. 388054157. 388014. 347071. 735065171. 735014. 347086. 0820S17 SS171. 549. 661. 12mS180001. 12180007119097. 091r 2'9. 05S001801. 541809. 75002r 2'9. 0587297. 09109. 7500106. 8410另一方面，81290 01701070角度閉合差0（注：因墻底水平，計(jì)算襯砌內(nèi)力時(shí)用8900 ）接縫中心點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算a1( r 2'r 1' ) cos1(9. 056. 15)cos 90 00a2(r2&

10、#39;r1') sin12. 9mH1a1r'6. 15m1x1r 1'sin16. 15sin14. 34701. 524mx 2r 1'sin26. 15sin28. 694 02. 953mx 3r 1'sin36. 15sin43. 04104. 198mx 4r 1'sin46. 15sin57. 38805. 180mx 5r 1'sin56. 15sin71. 73505. 840mx 6r 1'sin66. 15sin86. 08206. 136mx 7r 2'sin7a29. 05sin97. 0910

11、2. 96. 081mx 8r 2'sin8a29. 05sin106. 84102. 95. 762my1r'cos1 )6. 15( 10m1( 1cos 14. 347 ) 0. 192y2H1r'cos26. 156. 150m1cos 28. 6940. 755y 3H1r 1'cos36. 156. 15cos 43. 04101. 655my4H1r'cos46. 156. 15cos 57. 3880m12. 835y5H1r'cos56. 156. 150m1cos 71. 7354. 223y6H1r'cos66. 1

12、56. 150m1cos 86. 0825. 730y7H1r'cos76. 159. 050m2cos 97. 0917. 267y 8H1r 2'cos86. 159. 05cos 106. 84108. 772m圖 3-1 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算示意圖3.4 位移計(jì)算單位位移用辛普生發(fā)近似計(jì)算，按計(jì)算列表進(jìn)行。單位位移的計(jì)算見表3-111S M1dSS11. 54310. 34718. 382 1060 EhIEhI2. 6 1071221S M1M2dSsy1. 541083. 759 64. 191 1060 EhIEhI2.6 107S221. 54M2 dSSy6614.

13、036 391. 754 106222. 6 1070 EhIEhI計(jì)算精度校核112 1222（18. 382264. 191 391. 754） 10 6538. 518 10 6SSS( 1y )21. 549091. 898 538. 5210 6EhI2. 6 107閉合差0截面 sin cos xydI1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I000.0001.0000.0000.0000.70.02934.4830.0000.00034.483114.3470.2480.9691.5240.1920.70.02934.4836.6211.27148.995228.6940.4800.8

14、772.9530.7550.70.02934.48326.03419.656 106.208343.0410.6830.7314.1981.6550.70.02934.48357.06994.449 243.070457.3880.8420.5395.1802.8350.70.02934.48397.759277.146507.146571.7350.9500.3135.8404.2230.70.02934.483145.621614.956940.680686.0820.9980.0686.1365.7300.70.02934.483197.5861132.1691561.824797.09

15、10.992-0.1236.081 7.2670.70.02934.483250.5861821.0102356.6658901.0000.0005.7628.7720.70.02934.483302.4832653.3793292.827310.3471083.7596614.0369091.898表 3-1 單位位移計(jì)算表注： 1.I截面慣性矩，Ibd 3,b 取單位長(zhǎng)度。 2.不考慮軸力影響。12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Qi qbi式中： bi襯砌外緣相鄰截面之間的水平投影長(zhǎng)度，由圖3-1 量得。b11. 611 ,1.510 ,1. 315

16、,1. 039 ,0. 698 ,m b2m b3m b4m b5mb60. 312m, b70bi6. 485mB6. 500m(校核 )2水平壓力Ei ehi式中： hi襯砌外緣相鄰兩截面之間的豎直投影長(zhǎng)度，由圖3-1 量得。h10. 203m, h20. 595m, h30. 951m, h41. 248mh51. 466m, h61. 593m, h71. 604m, h81. 563mhi9. 223mH9. 248m( 校核)自重力G idVSh式中： d襯砌截面厚度。(2) 作用在各楔塊上的力均列入表 3-2，各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心。集中力力臂截面QGEaqagae-Qaq

17、-Gag-Eae00000000001126.10921.5603.9730.7190.7620.441-90.644 -16.428-1.7502118.20321.56011.6440.5870.7140.605-69.380 -15.403-7.0393102.93821.56018.6110.4190.6220.731-43.092 -13.418-13.610481.33321.56024.4230.2250.4910.813-18.274 -10.595-19.847554.63921.56028.6900.0170.3300.843-0.909-7.112-24.177624.4

18、2321.56031.175-0.1930.1480.8204.718-3.185-25.57670.00021.56031.390-0.347-0.0270.7590.0000.589-23.81980.00021.56030.5880.000-0.1600.7820.0003.439-23.904截面（ Q+G） Exy - x(Q+G)- yE Mp00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00010.0000.0001.5240.1920.0000.000-108.8222147.6693.9731.4290.563-211.019-2.237-413.9003

19、287.43215.6171.2450.900-357.853-14.055-855.9284411.93034.2280.9821.180-404.515-40.389-1349.5485514.82358.6510.6601.388-339.783-81.408-1802.9376591.02287.3410.2961.507-174.943-131.62-2133.5467637.006118.516 -0.0551.53735.035-182.16-2303.9008658.566149.906 -0.3191.505210.082-225.61-2339.892表 3-2 外荷載位移

20、M p0計(jì)算表彎矩M ip0M i0 1xi(QG)yiEQaqGa gEaei 1i1軸力N ip0sini(QG )cosiEii式中：xi . yi 相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)增值，按下式計(jì)算xixixi 1yiyiyi1M0.N0的計(jì)算見表3-2及表。ipip3-3截面sin cos （ Q+G） E sin (Q+G)cosENp000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.00010.2480.969147.6693.97336.5913.84932.74320.4800.877287.43215.617138.00513.699124.30630.6830.73

21、1411.93034.228281.15125.016256.13540.8420.539514.82358.651433.65631.610402.04650.9500.313591.02287.341561.24527.374533.87160.9980.068637.006118.516635.5178.098627.41970.992-0.123658.566149.906653.529-18.505672.03481.0000.000680.126180.494680.1260.000680.126表 3-3載位移 Nip0 計(jì)算表基本結(jié)構(gòu)中，主動(dòng)荷載產(chǎn)生的彎矩的校核為M80pq B

22、 ( x8B)78. 2813( 5.76213)1278. 1562424M80ee h2119. 57 92792.58522M 80gGi ( x8 x1ag1 )G1 (x8 x1 ag1 ) G2 (x8 x2ag 2 ) G3 (x8x3ag3 ) G4 (x8 x4 ag 4 )G5 (x8 x5 ag 5 ) G6 ( x8x6 ag6 ) G7 ( x8x7ag 7 ) G8ag 821. 565( 5. 7621. 5240. 762)21. 565( 5. 7622. 9530. 714)21. 565( 5. 7624. 1980. 622)21. 565( 5. 76

23、25. 1800.491)=( 5. 7625. 8400. 330)21. 565( 5. 7626. 1360.148)21. 56521. 565( 5. 7626. 0810. 027)21. 565( 0. 160)=-243.728M0M0M0M01278. 156 792. 585 243. 7282314. 4698 p8q8e8g另一方面，從表3-2 中得到M80p2339. 892閉合差2314. 4692339. 8921. 1%100%2314. 469（ 3）主動(dòng)荷載位移計(jì)算過程見下表截面Mp01/Iy/I(1+y)Mp0/IMp0y/IMp0(1+y)/I00.00

24、034.4830.0001.0000.0000.0000.0001-108.82234.4836.6211.192-3752.509-720.477-4472.9912-413.90034.48326.0341.755-14272.505 -10775.666-25048.2473-855.92834.48357.0692.655-29514.949 -48846.898-78362.1894-1349.548 34.48397.7593.835-46536.479 -131929.994 -178467.3965 -1802.937 34.483 145.621 5.223 -62170.6

25、85 -262544.965 -324717.4876 -2133.546 34.483 197.586 6.730 -73571.074 -421559.305 -495133.3307 -2303.900 34.483 250.586 8.267 -79445.375 -577325.500 -656774.9168 -2339.892 34.483 302.483 9.772 -80686.486 -707776.903 -788468.344 -389950707-2551444.899表 3-4 主動(dòng)荷載位移計(jì)算表s001. 54M1 MP dSSMP230

26、97 . 042 10 61 p389950 . 0620 Eh IEhI2. 610 72 pS MM0SM0 y1. 542161479. 707128026. 105 10602P dSPEhIEhI2.6 107計(jì)算精度校核12( 23097. 042 128026. 105) 10 6151123. 147 10 6PPSPS(1 y )MP01. 542551444. 899151124. 044106EI2. 6 107h閉合差0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3，343. 0410b;最大抗力值假定在接縫5，571. 735

27、0h ；最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算cos2bcos2ii cos2bcos2hh查表 3-1 ，算得3040. 5564 h5h最大抗力值以下各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算2y'ii(1' 2 ) hy h式中： yi' 所考察截面外緣點(diǎn)到h 點(diǎn)的垂直距離；yh' 墻腳外緣點(diǎn)到 h 點(diǎn)的垂直距離由圖 3-1 量得則678y6'1. 593my7'3. 197my8'4. 760m( 11. 5932)h0. 8880h4.7602( 13.1972)0. 54894.7602hh0（ 2）各楔塊上抗力集中力Ri'按下式近似計(jì)

28、算Ri'( i 1i ) Si外2式中：Si外 楔塊 i 外緣長(zhǎng)度，可通過量取夾角，用弧長(zhǎng)公式求得，Ri' 的方向垂直于襯砌外緣，并通過楔塊上抗力圖形的形心、（3）抗力集中力于摩擦力的合成Ri按下式計(jì)算RiRi'12式中：圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)，此處取=0.2 。則RiRi'10.221.0198Ri'其作用與抗力集中Ri' 的夾角arctan11.30990 。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)，也可以取切向：徑向=1:5的比例求出合力Ri 的方向。Ri的作用點(diǎn)即為Ri' 與襯砌外緣點(diǎn)的交點(diǎn)。將 Ri 的方向延長(zhǎng)

29、，使之交于豎直軸，量取夾角k ，將 Ri 分解為水平和豎直兩個(gè)分力 RH Ri sin k RV Ri cos k以上計(jì)算列入表3-5。截面 ( n)1/2(i-1)+(i)S外Rksin k coskRhRv300000010040.55640.27821.62760.461861.52440.87900.47680.40590.220251.00000.77821.62761.291775.87140.96980.24411.25260.315360.88800.94401.62761.566990.21841.0000-0.00381.5669-0.006070.54890.71851.

30、60781.1780103.7025 0.9715-0.23691.1445-0.279080.00000.27451.59960.4477113.2759 0.9186-0.39520.4113-0.1769表 3-5 彈性抗力及摩擦力計(jì)算表（ 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M ip0Rj r ji軸力0NipsiniRVcosiRH式中：r ji力Rj至接縫中心點(diǎn)ki的力臂，由圖3-1量得。計(jì)算見表 3-6 及 3-7。R4=0.4618nR5=1.2917R6=1n.5669R7=1.1780nnR8=0.4477n截面 r4i-R4 r4i r5i -R5

31、r5ir6i -R6 r6ir7i -R7 r7ir8i-R8 r8iM040.8300-0.3833-0.383352.3630-1.09120.8290-1.0708-2.162163.8220-1.76502.3620-.0510.8310-.3021-6.118175.1690-2.38703.8610-4.98732.3930-.74960.8000-.9424-12.0668表 3-6 M 0計(jì)算表截面sin cos Rv sin RvRh cos RhN0457.38800.84230.5389 0.22020.18550.40590.2188 -0.0333571.73500.

32、94960.3134 0.53550.50851.65850.5198 -0.0113686.08200.99770.0683 0.52950.52823.22540.2204 0.3079797.09100.9924-0.12340.2504 0.24854.3698 -0.5394 0.7880890.00001.00000.0000 0.0735 0.07354.78110.0000 0.0735表 3-7 N0計(jì)算表（ 5）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移計(jì)算見表3-8。截面4M0 -0.38331/I34.4830y/I y (1+y) M0 /I M0 y/I M0(1+y)/I 9

33、7.7586 2.8350 3.8350 -13.2171 -37.4703 -50.68775678 -1359.7767-10242.2991-11602.1475表 3-8 單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算表1S M1M0dSSM01. 541359. 776780. 5400 1060EhIEhI2.6 1072S M2M0S yM 01. 5410242. 2991594. 841 1060dSEhIEhI2.6 107校核為12( 80.540594. 841)10 6675. 38110 6SS( 1y )M01. 5411602. 1475687. 204 106EhI2.

34、 6107閉合差0。墻底（彈性地基上的剛性梁）位移單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角1134. 483068. 966106KI 80. 5 106主動(dòng)荷載作用下的轉(zhuǎn)角0M02339. 89268. 966 10 6161372. 99 10 6ap8p單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角0018. 7035 68. 966 1061289. 9056 106aM84. 解力法方程襯砌矢高fy 88. 772m計(jì)算力法方程的系數(shù)為a1111( 18. 38268.966)10 687. 34810 6a1212f( 64. 1918.77268. 966)10 6669. 161 10 6a2222f 2( 3

35、91. 7548. 772268. 966) 10 65698. 549 10 6a10 = 1 p0( 10) hapa=( 23097. 402161372. 9980. 5400h1289. 9056h )10 6=-(184470. 3921370. 4456 h ) 10 6a20 = 2 p f ap0( 2f a0 ) h=( 128026. 1058. 772161372. 99594. 841 h8. 7721289. 9056h )=(1543589 . 97311909 . 893h )10 6以上將單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的位移乘以h ，即為被動(dòng)荷載的載位移。求解方程為

36、a22a10a12a20X5698. 549 ( 184470. 392 1370. 4456h ) 669. 161 ( 1543589. 973 11909 . 893 h )669. 161287. 3485698. 549366. 2113. 203 h式中： X1p366. 211, X13. 203X 2a11a20a12a10a122a11a2287. 348 ( 1543589. 973 11909 . 893h ) 669.161 ( 184470. 392 1370. 4456 h )669. 161287. 3485698. 549227. 8712. 466 h式中： X 2p227. 871, X22. 4665. 計(jì)算主動(dòng)荷載和被動(dòng)荷載（h1 ）分別產(chǎn)生的襯砌內(nèi)力計(jì)算公式為M PX1 pyX 2 pM P0N pX 2 p cosN p0MX1yX 2M 0NX 2cosN 0計(jì)算過程列入表 3-9.3-10截面Mp0X1pX2p*yMpM0X1X2*yM00.00000.0000-3.203012345678表 3-9 主、被動(dòng)荷載作用次下襯