成都至泸州高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算

1、成都至泸州高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算 学 院：交通学院 班 级：地下1001 学 号：04 姓 名：刘甜 指导老师：张鹏目录第1章 基本资料1.1设计依据和标准.11.1.1设计依据.11.1.2技术标准.11.1.3设计内容.11.2工程概况.21.2.1隧道概况.21.2.2工程地质条件.21.2.3隧道洞室围岩级别划分.31.2.4确定围岩物理力学参数.41.2.5地震等级.41.3隧道纵断面及平面方案设计.51.3.1隧道纵断面.51.3.2确定隧道建筑限界尺寸.51.3.3确定隧道内轮廓尺寸.51.3.4拟定衬砌方案.7第2章 结构内力计算2.1荷载结构法原理.82.2荷载确

2、定.82.2.1深、浅埋隧道分界深度判定.82.2.2围岩压力计算.82.2.3衬砌结构设计.92.2.4计算衬砌结构内力.9第三章 结构配筋计算3.1配筋形式及截面尺寸.153.2配筋计算 .163.2.1拱顶段配筋.163.2.2拱顶段裂缝宽度检算.163.2.3拱顶段抗剪验算.163.2.4拱脚段配筋.173.2.5拱脚段裂缝宽度检算.173.2.6拱脚段抗剪验算.173.2.7直墙段配筋.183.2.8直墙段裂缝宽度检算.183.2.9直墙段抗剪验算.183.2.10仰拱段配筋.193.2.11仰拱段裂缝宽度检算.193.2.12仰拱段抗剪验算.19第一章 基本资料1.1设计依据和标准

3、1.1.1设计依据1) 公路隧道设计规范 （JTG D702004）2) 公路工程技术标准 （JTG B01-2003）3) 公路工程抗震设计规范 (JTJ 004-89)4) 工程岩体分级标准 （GB 50218-94)5) 混凝土结构规范 （ZBBZH/GJ 2）6) 成都至泸州高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告7) 成都至泸州高速公路二峨山隧道平面布置图8) 成都至泸州高速公路二峨山隧道剖面1.1.2技术标准 隧道按高速公路标准设计，为分离式双洞单向行驶隧道，采用的主要技术标准如下：1. 设计行车速度隧道几何尺寸净空断面标准按100Km/h设计2. 隧道建筑限界建筑限界基本宽度：行车道：

4、 W33.75m侧向宽度： L左0.5m L右1m检修道： J21m总基本宽度为：14.75m隧道建筑限界净高：5.0m (检修道净高2.5m)1.1.3设计内容1) 隧道围岩地质分级2) 确定围岩物理力学参数 3) 确定隧道建筑限界尺寸 4) 确定隧道内轮廓尺寸 5) 计算隧道围岩压力 6) 衬砌结构的设计7) 计算衬砌结构的内力8) 衬砌结构的配筋计算 1.2工程概况1.2.1隧道概况成都至自贡至泸州高速公路工程可行性研究阶段二峨山隧道位于双流县大林镇水池乡和仁寿县敖林区正华村，为K线隧道，由四川省交通厅公路规划勘察设计研究院设计，为分离式隧道，隧道净宽14.75m，净高5.0m，轴线起止

5、桩号为K37+350K39+710，中心桩号K38+530，长2360m，属长隧道，洞轴线为曲线型，隧道轴向146134，轴线地面标高507.76m751.63m，设计路面标高507.82m545.71m，进洞口设计高程545.71m，出洞口设计高程507.82m，进出洞口设计高程高差37.89m，路面纵坡坡度为-1.9。本工程计算的为上述工程的第三段：K38+820K38+990，长170m。1.2.2工程地质条件1.2.2.1水文条件 隧址区隧道进、出口各发育一条常年流水冲沟，分别名为邓家沟和麻柳沟，水量较小，呈“V”字形，呈宽约510m，切割深度35m ，纵坡5 15，沟内堆积有少量的砂

6、岩块石，沟底及沟侧可见基岩出露。隧址区还发育多处堰塘，对隧址区无影响。地表水主要为堰塘容水。1.2.2.2地形地貌 隧址区为构造剥蚀低山地貌区，地表植被发育，隧道进洞口位于双流县大林镇水池乡柏杨坡，邓家沟南东二峨山山脚，出洞口位于仁寿县敖林区正华村麻柳沟北西二峨山山脚，隧道轴向146134，长2360m，洞身地形中部高，两出口地段地形较低，地形起伏较大，海拔高程520.0751.7m，相对高差约231.7m，坡角2040，局部成陡崖状，隧道最大埋深约210m。1.2.2.3地层岩性经工程地质测绘及钻探揭露，隧址区出露和揭露地层为耕植土（Q4pd），第四系松散堆积层（Q）及侏罗系上统遂宁组（J3

7、s）及中统上沙溪庙组（J2s）地层。1.2.2.4地质构造 二峨山隧道地质构造属大林场背斜南东翼，岩层产状132166823，岩层产状总体较为平缓，受构造和地层结构控制，区内基岩节理裂隙主要为砂岩中的构造裂隙以及沿层面发育的节理。风化裂隙多不规则，密度较大，呈网格状；构造节理裂隙主要发育二组节理，产状分别为30880，2667，裂隙较发育，倾角较陡，裂隙面多平直，裂缝一般宽0.12.5cm，大者可达20cm以上，间距1.23m，延伸长度一般为0.55m不等，大者可达15m以上，贯通性差异性较大，多呈闭合微张状态，结合程度差一般，多为泥质充填，少量岩屑充填。1.2.2.5地下水条件隧址区地下水以

8、基岩裂隙水为主，富水性较差，地下水贫乏，开挖后隧道出水形式以线状和滴状渗水为主，围岩富水性弱，产生突水的可能性小，隧址区地下水对砼无侵蚀性。枯季地下水较贫乏，雨季含少量裂隙水，地下水呈点滴状或线状渗出。1.2.2.6不良地质现象 隧址区无滑坡、崩塌、泥石流等影响场地稳定的不良地质现象。1.2.3隧道洞室围岩级别的划分隧道围岩级别划分依据公路隧道设计规范（JTG D702004）中的围岩分级中各项规定进行划分。结合隧道地质勘察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。围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标RC

9、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。 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。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

10、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。由成都至泸州高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告可知：表1-1岩体基本质量分级表 计算过程： 地下水以沿裂隙线状渗水或滴水为主，地下水影响修正系数K1=0.26，洞段岩层产状为1328，隧道轴线走向146，结构面走向与洞轴线夹角为76，结构面倾角8，主要软弱结构面产状影响修正系数K2=0.2，围岩初始应力状态为低应力，K3=0。砂岩段：BQ=90+

11、3RC+250KV =90+312.1+2500.73=308.8查表修正后得：BQ= BQ 100（K1+ K2+ K2）=308.8-100（0.26+0.2+0）=262.8350泥岩段：当KV0.04RC+0.4时，KV=0.04RC+0.4=0.47，BQ=90+3RC+250KV = 90+31.8+2500.472=213.4查表修正后得：BQ= BQ 100（K1+ K2+ K2）=213.4-100（0.26+0.2+0）=167.45时取i =0.1，BHp2.2.2围岩压力计算按照普氏方法进行计算。普氏系数：=tan40=0.839塌落拱高度：=0.516.813+12.

12、484tan（45-20）/0.839=16.958m垂直均布压力：=1716.958=288.286kN/m2侧向梯形分布压力：=1716.958tan225=62.686kN/m2 =1729.442tan225=108.833kN/m22.2.3衬砌结构的设计衬砌结构设计按照复合式衬砌结构设计,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。复合衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间加防水层组合而成的衬砌形式，复合衬砌设计应符合下列规定：1) 初期支护宜采用喷锚支护，即由喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢架等支护形式单独或组合使用，锚杆支护宜采用全长粘结锚杆。2) 二次衬砌

13、宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构，衬砌截面宜采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。3) 在确定开挖断面时，除应满足隧道净空和结构尺寸外，还应考虑初期支护并预留适当的变形量，预留变形量的大小可根据围岩级别、断面大小、埋置深度、施工方法、和支护情况等，采用工程类比法预测。具体参看衬砌方案图围岩级别初期支护（喷射混凝土）锚杆二次衬砌（钢筋混凝土）钢筋网刚架强度部位厚度（cm）位置间距（m）长度（m）部位厚度（cm)C20拱部、边墙20拱、墙1.03.5拱、墙、仰拱60拱、墙（双层）2020拱、墙、仰拱2.2.4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

14、学求解器（工程版）Vs2.0。深埋围岩的弹性抗力系数K=100Gpa，衬砌材料采用C40混凝土，弹性模量分别为33.5Gpa，容重分别为25 KNm-3。衬砌结构上的荷载图如下图： 图2-1衬砌结构荷载图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：图2-2衬砌结构建模简图内力计算：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 -1852.91532 161.091659 644.263799 -1879.94443 -267.179726 565.014878 2 -1903.46465 48.6

15、917698 565.014878 -1980.80174 -361.168943 331.377845 3 -2032.82632 -42.7677187 331.377845 -2150.79333 -416.861876 -11.9415411 4 -2198.60501 -157.530807 -11.9415411 -2347.46378 -525.192670 -561.584506 5 -2421.46599 18.9159488 -561.584506 -2571.91589 -251.976105 -734.920990 6 -2599.93103 101.463674 -7

16、34.920990 -2714.88545 -83.4558220 -724.107679 7 -2681.53961 475.787823 -724.107679 -2777.12983 298.189787 -49.6307087 8 -2759.68391 230.548994 -49.6307087 -2788.51319 99.1620686 197.625001 9 -2793.08602 -95.1430225 197.625001 -2803.60165 -228.084579 -54.4694243 10 -2774.34774 -460.865830 -54.4694243

17、 -2808.94563 -562.872753 -733.350147 11 -2685.31226 635.142444 -733.350147 -2735.32815 614.936926 316.249500 12 -2860.06632 53.4855438 316.249500 -2894.63170 42.4756396 383.122001 13 -2941.18495 -71.6458093 383.122001 -2966.78175 -76.5958277 264.445334 14 -2986.16631 -115.466585 264.445334 -3001.742

18、57 -117.386083 90.2443798 15 -3021.27186 -41.5055013 90.2443798 -3026.49887 -41.7187773 27.9824674 16 -3026.51302 41.3720198 27.9824674 -3021.28601 41.1587438 89.7255458 17 -3001.70552 112.369294 89.7255458 -2986.12927 110.449796 256.420214 18 -2967.08832 72.2004619 256.420214 -2941.49151 67.2504436

19、 368.059352 19 -2895.50627 -44.4156880 368.059352 -2860.94090 -55.4255922 298.482926 20 -2736.81922 -613.444142 298.482926 -2686.80334 -633.649660 -748.609959 21 -2801.24790 578.431566 -748.609959 -2766.65001 476.424643 -49.0939325 22 -2794.19789 234.493409 -49.0939325 -2783.68226 101.551853 212.997

20、352 23 -2778.56716 -98.2491238 212.997352 -2749.73787 -229.636050 -32.8890930 24 -2767.02084 -296.965015 -32.8890930 -2671.43062 -474.563050 -705.231426 25 -2705.52516 76.7849372 -705.231426 -2590.57074 -108.134559 -724.056169 26 -2563.59363 244.047937 -724.056169 -2413.14373 -26.8441165 -562.512698

21、 27 -2341.21038 515.548454 -562.512698 -2192.35162 147.886591 -28.3983493 28 -2145.82295 406.497941 -28.3983493 -2027.85594 32.4037841 299.438397 29 -1983.68844 371.680612 299.438397 -1906.35135 -38.1801011 548.794435 30 -1880.92213 278.036627 548.794435 -1853.89303 -150.234758 644.263799位移计算：杆端位移值

22、( 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 0.00026456 -0.02538379 -0.00009158 0.00027115 -0.02427451 0.00153862 2 0.00027115 -0.02427451 0.00153862 0.00105140 -0.02106787 0.00277676 3 0.00105140 -0.02106787 0.00277676 0.00296216 -0.01684286 0.00328783 4 0.00296216 -0.016842

23、86 0.00328783 0.00556942 -0.01259767 0.00265384 5 0.00556942 -0.01259767 0.00265384 0.00756410 -0.01052652 0.00113756 6 0.00756410 -0.01052652 0.00113756 0.00792070 -0.01014179 -0.00027851 7 0.00792070 -0.01014179 -0.00027851 0.00626619 -0.01046341 -0.00132214 8 0.00626619 -0.01046341 -0.00132214 0.

24、00437038 -0.01050571 -0.00109724 9 0.00437038 -0.01050571 -0.00109724 0.00293886 -0.01024656 -0.00086738 10 0.00293886 -0.01024656 -0.00086738 0.00151682 -0.00963397 -0.00170898 11 0.00151682 -0.00963397 -0.00170898 0.00024911 -0.00609102 -0.00228188 12 0.00024911 -0.00609102 -0.00228188 -0.00042268

25、 -0.00354166 -0.00147068 13 -0.00042268 -0.00354166 -0.00147068 -0.00057609 -0.00191823 -0.00060919 14 -0.00057609 -0.00191823 -0.00060919 -0.00049251 -0.00137599 -0.00016855 15 -0.00049251 -0.00137599 -0.00016855 -0.00034689 -0.00124680 -0.00002181 16 -0.00034689 -0.00124680 -0.00002181 -0.00019859

26、 -0.00131047 0.00012430 17 -0.00019859 -0.00131047 0.00012430 -0.00010623 -0.00178143 0.00055434 18 -0.00010623 -0.00178143 0.00055434 -0.00023876 -0.00329698 0.00138517 19 -0.00023876 -0.00329698 0.00138517 -0.00086654 -0.00570830 0.00215843 20 -0.00086654 -0.00570830 0.00215843 -0.00204169 -0.0090

27、2236 0.00153954 21 -0.00204169 -0.00902236 0.00153954 -0.00323946 -0.00955853 0.00068708 22 -0.00323946 -0.00955853 0.00068708 -0.00440816 -0.00979639 0.00094378 23 -0.00440816 -0.00979639 0.00094378 -0.00610418 -0.00977273 0.00120861 24 -0.00610418 -0.00977273 0.00120861 -0.00761088 -0.00949399 0.0

28、0021645 25 -0.00761088 -0.00949399 0.00021645 -0.00720915 -0.00991043 -0.00117000 26 -0.00720915 -0.00991043 -0.00117000 -0.00518846 -0.01200579 -0.00267402 27 -0.00518846 -0.01200579 -0.00267402 -0.00255609 -0.01628907 -0.00333123 28 -0.00255609 -0.01628907 -0.00333123 -0.00059978 -0.02060850 -0.00

29、288011 29 -0.00059978 -0.02060850 -0.00288011 0.00023436 -0.02401194 -0.00170168 30 0.00023436 -0.02401194 -0.00170168 0.00026456 -0.02538379 -0.00009158内力计算图：图2-3结构弯矩图（单位KNm）图2-4结构轴力图（单位KN）图2-5结构剪力图（单位KN）图2-6结构位移变形图第3章 结构配筋计算3.1配筋形式及截面尺寸配筋形式:采用非对称配筋截面尺寸:计算截面高度取h=600mm，宽度取b=1000mm设计参数:混凝土强度等级C40，fc=

30、19.1N/mm；ft=1.71N/mm；受力钢筋种类为HRB335，fy=fy=300N/mm，a=a=50mm。根据以上内力计算弯矩图，将衬砌划分为如图所示计算单元：图3-1 配筋计算单元分段图将单元视为杆件进行配筋计算，对每段杆件按偏心受压构件进行配筋计算。因假设构件两端为刚性连接。所以对于每段杆件，当弯矩最大，轴力最小时为偏心受压的最不利情况，计算时取最大弯矩的最小轴力进行偏心受压计算，取最大轴力验算截面的抗压强度。计算单元杆件长度（m)最大弯矩(KNm)最小轴力(KN）最大轴力（KN）最大剪力（KN）拱顶段8.98644.261852.922198.61406.5拱脚段5.99473

31、4.922341.212767.02515.55直墙段6.006748.162685.312860.07635.14仰拱段11.972383.122736.823026.51383.123.2配筋计算3.2.1拱顶段配筋偏心距计算：e0=M/N=644.26/1852.92=0.3根据规范,当结构为隧道衬砌时偏心距增大系数取修正后偏心距：根据规范安全系数取K=2正截面强度应满足： 为使钢筋总用量最少，可取x=bh0=0.550.55=0.3e=h/2-a+e0=600/2-50+300=550mm=22198.610.55-36.910310.3（0.55-0.3/2）/335103(0.55

32、-0.05)= -11.910-3m2 2a=100mm受力钢筋面积：Ag=1397mm2p1minbh=0.20/010.6=1200mm2满足最小配筋率选择受拉钢筋：22280，=1520mm23.2.2拱顶段裂缝宽度检算e0/h0=0.3/0.55=0.5450.55,所以不需进行宽度裂缝检算。3.2.3拱顶段抗剪验算选取剪力最大的截面进行抗剪配筋，根据规范，可知当满足KQ0.07Rabh0时可不用进行剪力验算：2406.510000.0729.51000550按构造配筋：箍筋选用双肢81803.2.4拱脚段配筋偏心距计算：e0=M/N=734.92/2341.21=0.3根据规范,当结

33、构为隧道衬砌时偏心距增大系数取修正后偏心距：正截面强度应满足： 为使钢筋总用量最少，可取x=bh0=0.550.55=0.3e=h/2-a+e0=600/2-50+300=550mm=22767.020.55-36.910310.3（0.55-0.3/2）/（335103(0.55-0.05)）= -8.310-3m2 100mm受力钢筋面积：Ag=1397mm2p1minbh=0.20/010.6=1200mm2满足最小配筋率选择受拉钢筋：22280，=1520mm23.2.5拱脚段裂缝宽度检算e0/h0=0.3/0.55=0.5450.55,所以不需进行宽度裂缝检算。3.2.6拱顶段抗剪验算选取剪力最大的截面进行抗剪配筋，根据规范，可知当满足KQ0.07Rabh0时可不用进行剪力验算：2515.5510000.0729.51000550按构造配筋：箍筋选用双肢81803.2