隧道工程课程设计

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3.20m38.10m，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：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，采用弹性波速探测值。式中：vpm为岩体弹性纵波波速；vpr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：泥岩0.70 砂岩0.73 取KV=0.715BQ：BQ=90+3RC+250KV0.04RC+0.4=0.678KV=0.715，应以KV=0.04RC+0.4=0.678和RC=6.95 MPa代入计算BQ值。BQ=90+3RC+250KV=90+36.95+2500.678=280.35围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正：有地下水；围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用；存在高应力。围岩基本质量指标修正值BQ可按下式计算：BQ= BQ 100（K1+ K2+ K2）式中：BQ围岩基本质量指标修正值； K1地下水影响修正系数； K2主要软弱结构面产状影响修正系数。K3初始应力状态影响修正系数。K1、K2、K3按JTG D702004附录A中表A.0.2-1、表A.0.2-2、表A.0.2-3确定，围岩极高及高初始应力状态的评估，可按附录A中表A.0.3规定进行。隧道围岩分级标准表围岩级别围岩或土体主要定性特征围岩基本质量指标修正值BQ开挖后的0.25定状态坚硬岩，岩体完整，受构造影响轻微，巨整体状或巨厚层状结构，节理不发育，层间结合良好。550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。K1：250BQ=280.3533602.17825271200180020330.20.2550601.52.17078232550012006200.250.339500.71.5607020232005001.360.30.3527390.20.750601720100200120.350.4520270.050.24050151710010.40. 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；荷载等效高度 hq=q/=0.4525-11.823=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=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1525cm，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。衬砌结构的结构力学建模简图如下图：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：0.4511.162513.05 kN，节点20、28处的等效节点荷载：0.4510.5825+0.6510.582515.95 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即为承重结构的厚度，相应的杆件截面面积为A=d1（m2）,抗弯惯性矩为I=1d3/12(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/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=0.451=0.45 m2，EA=3.251070.45=14625103 kN。其余各杆件单元截面面积：A=0.651=0.65 m2，EA=3.251070.65=21125103 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=7.5910-3 m4，EI=3.251077.5910-3=246.68103 kNm2。其余各杆件单元的抗弯惯性矩：I=0.653/12=22.8910-3 m4， EI=3.2510722.8910-3=743.93103 kNm2。经求解结构力学器计算得出的弯矩图、剪力图、轴力图、位移图以及内力和位移输出如下所示：1、弯矩图：9.4918.3925.223.3415.4824.8930.1425.5917.956.844.9320.19-28.24140.8265.5258.806.7722.341.6845.6954.37108.26428.88428.88269.6751.64100.82269.67-56.43-106.58-241.68-241.68-447.48-447.482、剪力图84.08136.84464.79424.31241.65202.82222.64265.55288.46257.06104.0775.38189.17179.0988.1076.74111.8665.368.3962.5483.62107.80126.77139.68143.81135.51126.77108.6189.3766.3551.4020.388.42150.73220.0987.6669.87253.21292.48272.83229.48206.84242.25385.83496.3519.8450.8068.2685.63105.91123.5278.1568.5765.3492.60109.65127.80139.88134.74143.39957.54790.15527.09489.95463.23453.55446.28448.65466.66490.63573.32843.43898.13886.38840.51759.07651.21529.23409.77308.44239.52224.64245.43314.02415.97538.23910.44874.22615.73490.25464.12448.45446.15453.67463.43488.81527.46717.30717.30960.28912.91912866.08780.23780670.3867546.08546423.72423.72318.7431246.55246.55217.39241.28302.48302.48401.41520.67925.22664.66644.89777.20755.48869.11842.29894.883、轴力图4、位移图表1 内力计算杆端内力值 ( 乘子 = 1)- 杆端 1 杆端 2 - - 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩- 1 -894.880021 78.1489972 -106.579130 -869.110080 8.42175896 -56.4334356 2 -842.290866 68.5728024 -56.4334356 -777.202559 -20.3773563 -28.2380698 3 -755.475420 65.3388911 -28.2380698 -664.659847 -51.3956098 -20.1868057 4 -644.888875 92.5972708 -20.1868057 -538.232230 -66.3504633 -4.92749790 5 -520.666869 109.654974 -4.92749790 -415.965898 -89.3745132 6.83910288 6 -401.405161 127.799488 6.83910288 -314.017685 -108.611588 17.9523595 7 -302.481050 139.878209 17.9523595 -245.426527 -126.766336 25.5888296 8 -241.278690 143.390707 25.5888296 -224.640863 -135.507861 30.1353251 9 -217.392075 134.741068 30.1353251 -239.523512 -143.812774 24.8907725 10 -246.546289 123.516348 24.8907725 -308.442702 -139.683117 15.4827409 11 -318.744737 105.908601 15.4827409 -409.769355 -126.770831 3.34493826 12 -423.722249 85.6293623 3.34493826 -529.233300 -107.799524 -9.48553453 13 -546.079243 68.2590581 -9.48553453 -651.208484 -83.6223092 -18.3872758 14 -670.383450 50.7971582 -18.3872758 -759.066852 -62.5445874 -25.2182317 15 -780.225404 19.8362032 -25.2182317 -840.507074 -65.3572616 -51.6410397 16 -866.075492 -8.39386011 -51.6410397 -886.380116 -76.7397478 -100.816292 17 -912.907146 -111.863498 -100.816292 -898.128329 -179.089542 -269.669354 18 -960.281119 -88.1010287 -269.669354 -843.428515 -189.168779 -428.882353 19 -717.296359 496.350289 -428.882353 -573.323705 75.3766608 -108.256166 20 -527.457727 385.829939 -108.256166 -490.627709 -104.066713 54.3690631 21 -488.813611 242.248307 54.3690631 -466.661320 -257.061330 45.6920575 22 -463.429221 206.841013 45.6920575 -448.650405 -288.461084 -1.67571976 23 -453.672266 229.917687 -1.67571976 -446.279565 -265.545697 -22.3430366 24 -446.154012 272.827783 -22.3430366 -453.546713 -222.635600 6.77275570 25 -448.454910 292.478592 6.77275570 -463.233726 -202.823505 58.8036127 26 -464.116266 253.210385 58.8036127 -489.947576 -241.649421 65.5211695 27 -490.254253 69.8700395 65.5211695 -527.086644 -424.309796 -140.816354 28 -615.728135 -87.6604564 -140.816354 -790.153537 -464.793316 -447.477964 29 -874.223806 220.086830 -447.477964 -957.544105 136.843645 -241.677287 30 -910.443675 150.733666 -241.677287 -925.222338 84.0776518 -106.579130表2 位移计算杆端位移值 ( 乘子 = 1)- 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 -0.00014040 2 -0.00090744 -0.00074810 -0.00014040 -0.00073230 -0.00085376 -0.00019334 3 -0.00073230 -0.00085376 -0.00019334 -0.00054462 -0.00100220 -0.00021349 4 -0.00054462 -0.00100220 -0.00021349 -0.00037824 -0.00118892 -0.00020904 5 -0.00037824 -0.00118892 -0.00020904 -0.00025815 -0.00138216 -0.00017753 6 -0.00025815 -0.00138216 -0.00017753 -0.00019527 -0.00154724 -0.00012270 7 -0.00019527 -0.00154724 -0.00012270 -0.00018215 -0.00164814 -0.00004808 8 -0.00018215 -0.00164814 -0.00004808 -0.00019427 -0.00165636 0.00003669 9 -0.00019427 -0.00165636 0.00003669 -0.00019715 -0.00156351 0.00012117 10 -0.00019715 -0.00156351 0.00012117 -0.00015638 -0.00138336 0.00019269 11 -0.00015638 -0.00138336 0.00019269 -0.00005117 -0.00115004 0.00024270 12 -0.00005117 -0.00115004 0.00024270 0.00011856 -0.00090507 0.00026695 13 0.00011856 -0.00090507 0.00026695 0.00033968 -0.00068344 0.00026809 14 0.00033968 -0.00068344 0.00026809 0.00058976 -0.00050790 0.00025118 15 0.00058976 -0.00050790 0.00025118 0.00083319 -0.00038676 0.00020407 16 0.00083319 -0.00038676 0.00020407 0.00100844 -0.00032186 0.00009591 17 0.00100844 -0.00032186 0.00009591 0.00098513 -0.00027128 -0.00018296 18 0.00098513 -0.00027128 -0.00018296 0.00053215 -0.00008420 -0.00070722 19 0.00053215 -0.00008420 -0.00070722 0.00017740 0.00088574 -0.00105281 20 0.00017740 0.00088574 -0.00105281 0.00011052 0.00211858 -0.00095837 21 0.00011052 0.00211858 -0.00095837 0.00010552 0.00296339 -0.00048925 22 0.00010552 0.00296339 -0.00048925 0.00012944 0.00331982 -0.00016028 23 0.00012944 0.00331982 -0.00016028 0.00016378 0.00339906 0.00000852 24 0.00016378 0.00339906 0.00000852 0.00019763 0.00329236 0.00019720 25 0.00019763 0.00329236 0.00019720 0.00021912 0.00286581 0.00057689 26 0.00021912 0.00286581 0.00057689 0.00019861 0.00189659 0.00109551 27 0.00019861 0.00189659 0.00109551 0.00011886 0.00049998 0.00114412 28 0.00011886 0.00049998 0.00114412 -0.00038283 -0.00047713 0.00075723 29 -0.00038283 -0.00047713 0.00075723 -0.00090371 -0.00063417 0.00023550 30 -0.00090371 -0.00063417 0.00023550 -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，kh=2.0，当KQ/( bh0)=0.3 Ra时，kh=1.5，当KQ/( bh0)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)=2496.351000/（1000400）=2.48MPaeib,min=0.32h0=0.32400=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=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JTG D702004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：2960.28103=36.91000X可得：X=52.05mmbh0=0.55400=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：2960.28103475.82=36.9100052.05（400-52.05/2)+315Ag(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。（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) =0.90.80(36.9100052.05+1847315)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Wmax=(2.7CS+0.1d/Pte)S/ES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，=1.1-0.65fctk/( PteS),其中，Pte为按有效受拉混凝土