河南理工大学隧道课程设计

1、隧道工程课程设计说明书作 者 姓 名： 专业、班级 ： 学 号 ：指 导 教 师： 设 计 时 间： 2014.1.14 河 南 理 工 大 学Henan Polytechnic University目录1.课程设计题目- 1 -2.拟定隧道的断面尺寸- 1 -2.1 隧道的建筑限界- 1 -2.2 隧道的衬砌轮廓断面- 2 -3.隧道衬砌结构计算- 3 -3.1 基本资料- 3 -3.2荷载确定- 3 -3.3浅埋隧道荷载计算- 4 -(1)作用在支护结构上的垂直压力- 4 -4.结构设计计算- 6 -4.1计算基本假定- 6 -4.2内力计算结果- 6 -5. MIDAS计算内力表- 9

2、-6.IV级围岩配筋计算- 12 -6.1偏心受压对称配筋- 12 -6.2受弯构件配筋- 13 -6.3箍筋配筋计算- 14 -6.4最小配筋率验算- 14 -6.5裂缝宽度验算- 14 -主要参考文献：- 15 -隧道工程课程设计任务书1.课程设计题目某高速铁路隧道IV级围岩段衬砌结构设计2.拟定隧道的断面尺寸 2.1 隧道的建筑限界根据公路隧道设计规范(JTG D-2004)有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5.5m，宽度取8.5m，如图2-1所示建筑界限图 2.2 隧道的衬砌轮廓断面根据公路隧道设计规范(JTG D-2004)有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C20混凝土，弹性

3、模量 ，重度，衬砌厚度取50cm，如图2-2所示。隧道衬砌图3.隧道衬砌结构计算 3.1 基本资料某高速铁路隧道，结构断面如图2-1所示。围岩级别为IV级，埋深H=19m，隧道围岩天然容重，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量，重度。 3.2荷载确定 3.2.1围岩压力计算 根据围岩压力计算公式： 计算围岩竖向均布压力：式中：s-围岩类别，此处s=5 围岩容重，此处 跨度影响系数， 毛洞跨度B=8.5m，因为大于5m，所以i=0.1，此处=1+0.1（8.5-5）=1.35m 所以有： ， ，因为24.3m大于20m,所以此隧道为浅埋隧道。3.2.2围岩水平压力围岩水平均布压力： 3.3浅埋隧道荷

4、载计算 (1)作用在支护结构上的垂直压力由于，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成角的斜直线，如图5.1所示。EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB和ECA）下沉，整个岩土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c，并采用了计算摩擦角；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。该滑面的摩擦系数为36.5度。查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角。浅埋隧道荷载计算简图如上图所示，隧道上覆岩体EFGH的重力为，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉，两侧

5、受到阻力或，作用于HG面上的垂直压力总值为：(2-4)其中，三棱体自重为：(2-5)式中：为坑道底部到地面的距离(m)；为破裂面与水平的交角()。由图据正弦定理可得(2-6)由于GC、HD与EG、EF相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H代替h，有：(2-7)(2-8)(2-9)埋深为23m时，土压力值为 。式中： 侧压力系数；坑道宽度（m）；围岩的计算摩擦角（）；作用在支护结构上的均布荷载（）。(2)作用在支护结构两侧的水平侧压力级围岩荷载分布如下图所示

6、。作用在支护结构上的均布荷载 4.结构设计计算4.1计算基本假定 因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题来近似处理。考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用大型商用有限元程序ANSYS计算分析，并取纵向1m的标准段为一个计算单元。基本假定：假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。假定初期支护与主体结构

7、之间只传递径向压力。考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用弹性地基梁单元模拟；衬砌结构的另一部分则会背离地层向着隧道内变形，不会引起弹性抗力，形成所谓的“脱离区”，大致分布在拱顶的范围内，用ANSYS模拟计算时采用Combin39单元模拟地层与围岩的相互作用，受压的基床系数按正常值，受拉的基床系数取为很小，用此种方法使得弹簧不承受拉力。计算时采用Beam3梁单元模拟衬砌。 4.2内力计算结果 计算荷载基本组合：结构自重围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用MIDAS/GTS进行计算,Mi

8、das/GTS计算结果: MIDAS/GTS计算弯矩图MIDAS/GTS计算轴力图 MIDAS/GTS计算剪力图 5. MIDAS计算内力表 由内力图可知，结构所受弯矩为70.42 ，对应轴力为601.46KN。6.IV级围岩配筋计算整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。6.1偏心受压对称配筋根据Midas计算结果进行结构配筋计算，取弯70.42KNm，对应轴力601.46KN为最不利截面控制内力。衬砌混凝土采用C20，钢筋采用HRB335，由混凝土和钢筋等级，查表，。查表知系数，界限受压区高度。按双面对称配筋进行计算。有效高度：偏心距：附加

9、偏心距：初始偏心距：修正系数：，取。， 所以取偏心距增大系数： ，所以可先按大偏心受压情况计算。，故假定按照大偏心受压是正确的。钢筋截面面积: 最小配筋截面面积：，故按最小配筋率配筋，选取516的级钢筋，间距为200mm，即 16200。实际配筋面积为。 6.2受弯构件配筋计算配筋过程，满足要求故：选用414的级钢筋，间距为250mm，即 14250。实际配筋面积为。 6.3箍筋配筋计算 对于箍筋，因此只需按照构造配箍，选用12200（纵方向）和10200（横断面）。 6.4最小配筋率验算取有：，满足规范要求。 6.5裂缝宽度验算 经验算所有的裂缝宽度均满足公路隧道设计规范（JTG D70-2004）要求。主要参考文献：1. JTG D70-2004. 公路隧道设计规范.北京: 人民交通出版社, 20042. 钱东升.公路隧道施工技术. 北京：人民交通出版社，20033. 黄成光.公路隧道施工. 北京：人民交通出版社，20014. 朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法. 北京：人民交通出版社，2002 5. 朱永权，宋玉香.隧道工程.北京：中国铁道出版社，2007 6. 黄成光.隧道工程.北京：人民交通出版社，20087.