隧道工程課程設(shè)計(jì)

1、武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)1 初始條件某高速公路隧道通過III 類圍巖 (即 IV 級(jí)圍巖 ) ，埋深 H=30m ，隧道圍巖天然容重 =23KN/m3 ，計(jì)算摩擦角 =35o ,變形模量 E=6GPa,采用礦山法施工；襯砌材料采用C25噴射混凝土，材料容重 h22 KN / m 3 ，變形模量 Eh 25GPa 。2 隧道洞身設(shè)計(jì)2.1 隧道建筑界限及內(nèi)輪廓圖的確定該隧道橫斷面是根據(jù)兩車道高速公路 IV 級(jí)圍巖來設(shè)計(jì)的，根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范確定隧道的建筑限界如下：W行車道寬度；取3.75× 2mC余寬；因設(shè)置檢修道，故余寬取為0mJ檢修道寬度；雙側(cè)設(shè)置，取為1.0× 2mH建筑

2、限界高度；取為5.0m2 L L 左側(cè)向?qū)挾?；取?.0mL R 右側(cè)向?qū)挾龋蝗?.5mE L 建筑限界左頂角寬度；取1.0mE R 建筑限界右頂角寬度；取1.0mh檢修道高度；取為0.25m隧道凈寬為 1.0+1.0+7.50+1.50+1.0=12m設(shè)計(jì)行車速度為 120km/h, 建筑限界左右頂角高度均取1m；隧道輪廓線如下圖：圖 1隧道內(nèi)輪廓限界圖根據(jù)規(guī)范要求，隧道襯砌結(jié)構(gòu)厚度為50cm（一次襯砌為15cm 和二次襯砌35cm）通過作圖武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)得到隧道的尺寸如下：圖 2隧道內(nèi)輪廓圖得到如下尺寸 : R19.47m，R 25.6m， R 311.2m3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.

3、1 支護(hù)方法及襯砌材料根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 （ JTG-2004），本設(shè)計(jì)為高速公路，采用復(fù)合式襯砌，復(fù)合式襯砌是由初期支護(hù)和二次襯砌及中間防水層組合而成的襯砌形式。復(fù)合式襯砌應(yīng)符合下列規(guī)定：1 初期支護(hù)宜采用錨噴支護(hù)，即由噴射混凝土，錨桿，鋼筋網(wǎng)和鋼筋支架等支護(hù)形式單獨(dú)或組合使用，錨桿宜采用全長粘結(jié)錨桿。2 二次襯砌宜采用模筑混凝土或模筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)， 襯砌截面宜采用連結(jié)圓順的等厚襯砌斷面，仰拱厚度宜與拱墻厚度相同。由規(guī)范 8.4.2-1，對(duì)于兩車道 IV 級(jí)圍巖：初期支護(hù)： 拱部邊墻的噴射混凝土厚度為12-15cm ，拱墻的錨桿長度為 2.5-3m，錨桿間距為1.0-1.2m；二次襯砌厚

4、度：拱墻混凝土厚度為35cm因此確定襯砌尺寸及規(guī)格如下：深埋隧道外層初期支護(hù)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，采用錨噴支護(hù)， 錨桿采用普通水泥砂漿錨桿，HRB20× 2.5m ，采用梅花型局部布設(shè)，采用C25 噴射混凝土。初次襯砌：采用C25 噴射混凝土，厚度為14.8cm。防水板：采用塑料防水板及無紗布，且無紡布密度為300g/m2,防水板應(yīng)采用鋪滿的規(guī)格EVA 板武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)防水層，厚度為2.0mm，搭接長度為二次襯砌：根據(jù)公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范整個(gè)襯砌厚度為14.8+0.2+35=50cm 。150mm。，采用 C25 號(hào)模筑防水混凝土，厚度為35cm。3.2 隧道深淺埋的確定及圍巖壓力的計(jì)算

5、隧道的內(nèi)輪廓尺寸為B=12.37m ， H=13.69m因?yàn)?IV 級(jí)圍巖需要預(yù)留變形量，查公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 8.4.1 知 IV 級(jí)圍巖需預(yù)留變形量為 50-80mm ，襯砌厚度為 50cm，又每側(cè)超挖量為 10cm，故隧道的近似開挖尺寸為：B t12.3720.520.10.0813.65mH t13.6920.520.10.0814.97m由于是 IV 級(jí)圍巖 H p2.5hqH p 深淺埋隧道的分界深度h q0.45 2S-1h q 等效荷載高度跨度影響系數(shù)；1i ( Bt 5)i 圍巖壓力增減率，當(dāng)B t5 -15m 取 i=0.1h q0.45 2S-10.4524 -1 1 0.

6、1 (13.65 5) 6.714mH p2.5hq2.56.71416.785m埋深 H30H p16.785m 故為深埋隧道。又 H t14.971.11.7B t13.65可用公式 qhq 計(jì)算均布垂直壓力：qh q236.714154.42kN/ m2因?yàn)樵撍淼绹鷰r級(jí)別為IV 圍巖水平均不壓力為：e （ 1 - 1） q 25.74 - 51.47kN/m 2 6 34 襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算4.1 基本資料公里等級(jí)高速公路圍巖級(jí)別IV 級(jí)圍巖容重r=23KN/m 3武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)彈性抗力系數(shù)K=0.18 × 106KN/m變形模量E6GPa材料容重h22KN / m3材料變

7、形模量Eh25Gpa襯砌厚度d=0.5m圖 3襯砌結(jié)構(gòu)斷面圖4.2 荷載的確定4.2.1 圍巖壓力的確定隧道的內(nèi)輪廓尺寸為B=12.37m ， H=13.69m因?yàn)?IV 級(jí)圍巖需要預(yù)留變形量，查公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 8.4.1 知 IV 級(jí)圍巖需預(yù)留變形量為 50-80mm ，襯砌厚度為 50cm，又每側(cè)超挖量為 10cm，故隧道的近似開挖尺寸為：B t12.3720.520.10.0813.65mH t13.6920.520.10.0814.97m由于是 IV 級(jí)圍巖 H p2.5hqH p 深淺埋隧道的分界深度h q0.45 2S-1h q 等效荷載高度武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)跨度影響系數(shù)；1i

8、 ( Bt 5)i 圍巖壓力增減率，當(dāng)B t5 -15m 取 i=0.1h q0.45 2S-10.4524 -1 1 0.1 (13.65 5) 6.714mH p2.5hq2.56.71416.785m埋深 H30H p16.785m 故為深埋隧道。又 H t14.971.11.7B t13.65可用公式 qhq 計(jì)算均布垂直壓力：qhq236.714154.42kN/m2考慮一襯后的圍巖釋放變形折減系數(shù)0.4q0.4 154.4261.768KN/m 34.2.2 襯砌自重g1 （ d 0dn）h1( 0.5 0.5) 22 11KN / m222（1）全部垂直荷載q=61.768+11

9、=72.768KN/m（2）圍巖水平均布?jí)毫?e=0.4× 72.768=29.1KN/m224.3 襯砌幾何要素4.3.1 襯砌的幾何尺寸內(nèi)輪廓線半徑：r19.47m， r25.6m內(nèi)徑 r1， r2 所畫圓曲線端點(diǎn)截面與豎直軸線的夾角：1 64o ， 2 58拱頂截面厚度 d00.5m ，拱底截面厚度 dn0.5m4.3.2 半拱軸線長度S 及分段軸長S64 3.14 (9.470.5)58 3.14 (5.60.5) 16.77m18021802將半拱軸長度等分為8 段，則SS2.1m8武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)S 2.1 6 8.4 10-8 Eh 25 104.4 計(jì)算位移4.4

10、.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)算列表見表4-1表 4-1單位位移計(jì)算表積截sincos xyd1/Iy/Iy2/I(1+y) 2/I分面系數(shù) 1/300.0000.001.0000.000.0000.5096.000.0000.00096.00010000115.250.260.9651.570.2210.5096.0021.2164.689143.121403500230.500.500.8622.990.8420.5096.0080.83268.061325.725208200345.750.710.6984.201.7860.5096.00171.4563

11、06.220745.132406200461.000.870.4855.233.2170.5096.00308.832993.5131707.177205400576.250.970.2386.165.6100.5096.00538.5603021.3224194.442401800691.501.00-0.0266.428.1760.5096.00784.8966417.3108083.1022009007106.70.95-0.2886.0010.720.5096.001029.3111036.28313190.907458720028122.00.84-0.5304.9713.020.5

12、096.001249.9216273.95818869.79810820000768.03547.0729568.59337430.737023注： 1 I -截面的慣性矩，I=bd /12,b 取單位長度2 不考慮軸力影響單位位移值計(jì)算如下：11S18.410-8768.0006.4512 10-5E hI12Sy8.410- 83547.07229.7954 10 -5EhISy 28.4-829568.593248.3762-522EhI1010武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)計(jì)算精度校核：112 1222（6.451229.7945 2 248.3762） 10-5314.4182 10-5S（y

13、2）10- 8 37430.737 314.4182 10-5ss18.4E hI閉合差 =04.4.2載位移主動(dòng)荷載在基本結(jié)構(gòu)中引起的位移1）每一塊上的作用力( 豎向力 Q、水平力E、自重力 G), 分別由下面各式求得，Qi =q × biEi =e × hiGi =( di-1 +di )/2× S× r h其中： bi 襯砌外緣相鄰兩截面間的水平投影長度hi 襯砌外緣相鄰兩截面間的豎直投影長度di 接縫i 的襯砌截面厚度均由圖 3 直接量得，其值見表4-2 。各集中力均通過相應(yīng)圖形的形心武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)表 4-2o計(jì)算表載位移 Mp截投影長度集

14、中力S-Qaq-Gag-Gag面bhQGEaqagae00.000.000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000011.570.22114.6123.107.4010.7880.7880.1120.112-18.19-0.8295400121.420.61103.6223.1020.2200.7120.7120.306-73.77-16.44-6210.9588.04923.1031.3880.6050.6050.475-53.27-13.97-14.9090000641.020.9774.22323.1032.34

15、60.5100.5100.490-37.85-11.78-15.8330904150.932.8467.89323.1093.9990.4670.4671.423-31.67-10.77-133.7135026360.262.5619.42923.1084.7810.1340.1341.283-2.594-3.084-108.777604武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)0.412.5423.1084.1200.2090.2091.273-6.327-4.816-107.087630.3445700.782.2923.1075.9260.3930.3931.149-22.42-9.067-87.239885

16、7.123150續(xù)表 4-2i-1（ Q+G ）i-1 Exyxy-x i-1-y i-1o（ Q+G）EM ip0.0000.0000.000.0000.0000.000.0000.0000.000000.0000.0001.530.1941.5310.190.0000.000-18.90814137.7107.4012.960.7651.4330.57-197.33-4.226-316.885418264.43127.6214.211.6761.2460.91-329.48-25.163-753.684011375.58159.0095.182.8690.9781.19-367.31-70

17、.398-1256.868389472.90491.3565.834.2520.6441.38-304.55-126.34-1863.9223055563.896185.356.155.7640.3201.51-180.44-280.25-2439.07422769606.425270.136.147.309-0.001.545.458-417.35-2969.20539597659.870354.255.808.817-0.331.50222.376-534.21-3399.775678642）外荷載在基本結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力塊上各集中力對(duì)下一接縫的力臂由圖直接量得，分別記以aq、 ae、 ag

18、。內(nèi)力按下式計(jì)算之：彎矩：M ipoM io 1, pxi(QG)yiEQaqGa gEaei1i 1軸力：N iposini(QG)cosiEii式中xi 、yi 相鄰兩接縫中心點(diǎn)的坐標(biāo)增值。xi =xi - x i-1yi =yi - y i-1ooMip 和 N ip 的計(jì)算見表4-3 及表 4-4 。武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)o表 4-3 載位移 N ip 計(jì)算表截 isin *cos * isin cos i Eio（ Q+G）ENp面（ Q+G）00.0000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.000115.2500.2630.965137.7107.40136

19、.2227.14029.082230.5000.5080.862264.43127.621134.20923.799110.410345.7500.7160.698375.58159.009269.02941.176227.853461.0000.8750.485472.90491.356413.61144.290369.321576.2500.9710.238563.896185.354547.73644.056503.680691.5001.000-0.02606.425270.135606.218-7.071613.28967106.750.958-0.28659.870354.2556

20、31.872-102.095733.967088122.000.848-0.53740.093430.181627.634-227.961855.595003）主動(dòng)荷載位移計(jì)算過程見表4-4表 4-4 主動(dòng)荷載位移計(jì)算表截Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I積分系面數(shù) 1/300.00096.000.0001.0000.0000.0000.000101-18.90896.0018.6241.194-1815.183-352.146-2167.329402-316.8896.0073.4401.765-30420.982-23272.051-53693.034250

21、3-753.6896.00160.892.676-72353.692-121264.788-193618.48044064-1256.896.00275.423.869-120659.39-346171.792-466831.1832690415-1863.996.00408.195.252-178936.78-760839.215-939776.0024250266-2439.096.00553.346.764-234151.56-1349649.59-15838012969.296.00701.668.309-285043.89-2083385.83-236842

22、9.72407045288-3399.796.00846.439.817-326378.29-2877677.39-3204055.6817402146-1083146.7-6059744.06-7142890.869540武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)=S/E0-5×（ -1083146.795 ）= - 9098.426-51p× M /I=8.4× 10× 10hp0y/I=8.4×10-8× (-6059744.064)= -50901.850-52p=S/E ×M× 10hp計(jì)算精度校核 Sp= 1p+ 2p0 S

23、p= S/ E h× Mp (1+y)/I因此，Sp=8.4 × 10-5 ×（ -7142890.860） = -60000.276× 10-5 1p+ 2p= - （ 9098.426+50901.850 ）× 10-6 = -60000.276 × 10-5 閉合差 =0.000 。4.4.3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)度按假定拱部彈性抗力的上零點(diǎn)位于與垂直軸接近450 的第 3 截面， 3=45.75 ° = b;最大抗力位于第5 截面, 5=76.25 ° = h;拱部各

24、截面抗力強(qiáng)度，按鐮刀形分布，最大抗力值以上各截面抗力強(qiáng)度按下式計(jì)算： i = h（ cos 2 b-cos 2 i ）/ （ cos 2 b-cos 2 h）計(jì)算得， 3=0， 4=0.5847 h ， 5= h 。邊墻截面彈性抗力計(jì)算公式為： 2 = h1-(y i/ y h)式中 yi所求抗力截面與外輪廓線交點(diǎn)到最大截面抗力截面的垂直距離；到最大抗力截面的垂直距離。在圖 3中可量得 )yh墻底外邊緣 c(y i和 yh=2.47m;y=4.93m;y=6.87m;y678則有：6= h 1-（ 2.47/6.87） 2= 0.8707 h7= h 1-（ 4.93/6.87） 2= 0.4

25、850 h8=0;按比例將所求得的抗力繪在圖4 上。武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)圖 4 結(jié)構(gòu)抗力圖2）各楔塊上抗力集中力R，i按下式近似計(jì)算：Ri，i 11Si外 / 2式中，Si 外 楔塊 i 外緣長度，由圖3 量得。，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）抗力集中力與摩擦力之合力Ri按近似計(jì)算 :RiRi'12式中 圍巖與襯砌間的摩擦系數(shù)。取 =0.2,則RiRi'12'=1.0198Ri其作用方向與抗力集中力的夾角為=arctan =11.301 °。由于摩擦阻力的方向與襯砌，位移方向相反，其方向朝上。Ri 的作用點(diǎn)即為 Ri與襯砌外緣的交

26、點(diǎn)。武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)將 Ri 的方向線延長，使之交于豎直軸。量取夾角k ( 自豎直軸反時(shí)針方向量度) 。將 Ri分解為水平與豎向兩個(gè)分力：RH= Ri sin kRV= Ricos k以上計(jì)算例入表 4-5中， 并參見圖 3。表 4-5 彈性抗力及摩擦力計(jì)算表截( h)( i-1 +S外R( h)ksin kcos k面 ( h)i )/230.00000.0000.0000.00000.0000.0001.000040.58470.2922.1670.646164.6760.9040.428051.00000.7922.1671.751079.9260.9850.175060.87070

27、.9352.1672.067095.1760.996-0.090070.48500.6782.1671.4980110.4260.937-0.349080.00000.2432.1670.5359125.6760.812-0.5830續(xù)表 4-5RH( h)RV( h)vhRi ( h)0.0000.0000.0000.5840.2760.2760.5840.6341.7240.3060.5832.3081.7172.059-0.1860.3964.3672.0271.404-0.523-0.1275.7701.4690.435-0.313-0.4396.2060.5254）計(jì)算單位抗力圖及其

28、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 oRi rKiiN osini RVcos iRH軸力i式中rKi -力 Ri 至接縫中心點(diǎn)K 的力臂，由圖3 量得，計(jì)算見表4-6 和表 4-7武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)表 4-6M0 計(jì)算表截R4=0.6461 hR5=1.7510 hR6=2.0670 hR7=1.4980 hR8=0.5359 h面號(hào)r4i-R4 r4ir5i-R5r5ir 6i-R6r6ir7i-R7r7ir8i-R8r8i40.823-0.532652.562-1.6560.756-1.3233464.053-2.6192.463-4.310.828-1.716430175.36

29、5-3.4673.684-6.452.372-4.900.785-1263-4.6935.364-9.393.872-8.002.456-3.680.936-0.50184753052表4-7 N0計(jì)算表截oM( h)-0.532-2.980-8.644-15.999-26.273V( RH(sin RV(cos RHNo ( h面sin cos Rh)h) h)( h)號(hào)461.00000.87440.48530.27630.58400.24160.2834-0.0418576.00000.97010.24260.58262.30800.56520.55990.00

30、54691.50000.9997-0.0250.39624.36660.3960-0.11080.506847107.00000.9566-0.291-0.1265.7704-0.1211-1.68191.5607568122.00000.8486-0.529-0.4396.2057-0.3727-3.28292.9102025）單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算過程見表4-8 。表 4-8 單位抗力及相應(yīng)摩擦力產(chǎn)生的載位移計(jì)算表截0(1+y000積分系數(shù)面M 1/IM 1/IM y/IM (1+y)/I（ h）y/I（ h）（ h）（ h）1/3號(hào))4-0.53296.000275.42-

31、51.084-146.561-197.64523.86945-2.98096.000408.19-286.059-1216.324-1502.38345.2522武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)6 -8.64496.000553.34-829.808-4783.016-5612.824246.764-15.9996.000701.66-1535.889-11225.813-12761.70347948.309-26.2796.000846.43-2522.188-22238.134-24760.32218329.817-3857.256-27288.612-31145.8681 =S/E h×

32、M01/I=8.4× 10-8 × (-3857.256)= -32.4010× 10-520-5×(-27288.612)= - 229.2243× 10-5=S/ E h× M y/I=8.4× 10校核為： 1 + 2= -(32.4010+ 229.2243)×-11-610 =-261.6253 × 10h0× 10-11× (-31145.868)=-261.6253 × 10-6S =S/E × M(1+y)/I=8.4閉合差 =0。4.4.4 墻底（

33、彈性地基上的剛性梁）位移1）單位彎矩作用下的轉(zhuǎn)角： 1=1/(KI 8)= -96.000 /0.18× 106=-533.33 × 10-62）主動(dòng)荷載作用下的轉(zhuǎn)角：p1 8p0=-3399.774 × 533.33 × 10-6= -1813201.467 × 10-6 = M3）單位抗力及相應(yīng)摩擦力作用下的轉(zhuǎn)角：1 80=533.33 × 10-6× (-26.273) = - 14012.179× 10-6= M4.5 解力法方程襯砌矢高f=y8=11.776m計(jì)算力法方程的系數(shù)：a11 =11+1=（ 6

34、4.512+533.33 ）× 10-6 =597.842 × 10-612121× 533.33 ）× 10-6=6578.448×10-6a=+f =（ 297.954+11.7762222212-6=76442.860 × 10-6a=+f =（ 2483.762+8.817× 11.776 ×533.33 ）× 10a10 =1p+p+( 1 + ) × h=-(90984.26+1813201.467+324.010 h+14012.179 h)× 10-6= -(1904185.727+14336.18