诸慧超地下课程设计

1、2011级地下课程设计地下结构双线隧道设计土木1102诸慧超2011055452014/7/4目录目录1一 基本资料2二 曲线隧道净加宽值22.1加宽原因22.2加宽值的计算2三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线4四. 衬砌结构的设计及检算44.1 衬砌结构的设计44.1.1 衬砌设计44.2 衬砌结构的检算44.2.1 衬砌结构的设计44.2.2 围岩压力的确定54.2.2 结构的理想化74.2.3 衬砌内力的计算84.2.4 衬砌截面的强度检算11五 .附录175.1 程序数据输入17一 基本资料计算以下条件的曲线隧道净空加宽值，并画出双线曲墙式衬砌的内轮廓线，标注详细尺寸。设计该隧道的初期支护及

2、二次衬砌的支护参数，并采用弹性链杆法检算支护强度是否满足隧道设计规范的要求。双线隧道；电力牵引；行车速度V=160km/h；曲线半径为学号最后三位数的100倍，即R=5450m。围岩级别为级深埋隧道。二 曲线隧道净加宽值2.1加宽原因 车辆通过曲线时，转向架中心点沿线路运行，而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。故其两端向曲线外侧偏移（d外），中间向曲线内侧偏移（d内1）。 由于曲线外轨超高，车辆向曲线内侧倾斜，使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离（d内2）。 2.2加宽值的计算 （1）双线曲线隧道加宽值的计算 车辆中间部分向曲线内侧的偏移 d内1= l2/8R= 车辆两端

3、向曲线外侧的偏移 d外=(L2- l2) /8R= 外轨超高使车体向曲线内侧倾移 d内2= HE/150=2.7E E=0.76(cm)=3.57cm 式中 l车辆转向架中心距，可取18m； L标准车辆长度，我国为26m； R曲线半径（m）； H隧道限界控制点自轨面起的高度； E曲线外轨超高值，其最大值不超过15。（2）双线曲线隧道加宽值的计算 双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的计算相同。即 内侧加宽 W1=d内1+d内2=+2.7E=10.38cm外侧加宽 W2=d外=0.81cm 内外侧线路中线间的加宽值W3按以下情况计算： 当外侧线路的外轨超高大于内侧线路

4、的外轨超W3=+×=5.83cm 总加宽W=W1+W2+W3=10.38+0.81+5.83=17.02cm（3）曲线隧道中线与线路中线偏移距离 曲线隧道内外侧加宽值不同（内侧加宽大于外侧加宽），断面加宽后，双线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离d1=200（W1W2W3）/2=200-()/2=198.13（），双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离d2=200+（W1W2+ W3）/2=200+(10.38-0.81+5.83)/2=192.3（） 三 双线曲墙式衬砌的内轮廓线由断面尺寸表(cm)可查得：表3.1断面尺寸表断面加宽Wr1R1r5R5a1a2a3b1b2Bh04

5、3447910651110104602464934451122770见附录CAD图四. 衬砌结构的设计及检算4.1 衬砌结构的设计隧道在一般情况下应做衬砌，其结构的型式及尺寸，可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点，结合施工条件等，通过工程类比和结构计算确定，必要时，还应经过试验论证。隧道衬砌类型主要有以下几种：整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护及复合式衬砌。4.1.1 衬砌设计由于隧道围岩级别为级，根据铁路工程设计技术手册·隧道的相关规定，拟采用喷锚支护，复合式衬砌。初期支护时，对于级围岩打入3.0m长的锚杆，在围岩破碎段铺设钢筋网，然后喷混凝土(C25)；二

6、次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成，厚度45cm(混凝土取C30)。详细衬砌支护参数如表4.1所示。级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬砌断面标准图来拟定，衬砌结构横断面图分别见附录。4.2 衬砌结构的检算 衬砌结构的设计隧道衬砌结构根据结构力学方法(荷载-结构模型)，假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触，采用主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式，按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。表4.1 双线隧道复合式衬砌支护参数围岩级别预留变形量(cm)初期支护二次衬砌厚度(cm)喷混凝土锚杆位置厚度(cm)位置长度(m)间距(m)拱墙仰拱810拱、墙、仰拱23拱、墙3.01.045454.2.2

7、 围岩压力的确定(1)围岩压力确定公式采用容许应力法，计算双线深埋隧道衬砌时，围岩压力按松散压力考虑，其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及表4.2确定。1)垂直匀布压力 式(4.1) 式(4.2)式中 围岩垂直均布压力()； 围岩重度()； 围岩压力计算高度()； 围岩级别； 宽度影响系数，； 坑道宽度。2)水平匀布压力表4.2 围岩水平匀布压力围岩级别IIIIIIIVVVI水平匀布压力0<0.15q（0.150.30）q（0.300.50）q（0.501.00）q(2)衬砌围岩压力确定查规范表3.2.8得表4.3 围岩物理力学指标表（部分）围岩级别重度（kN/m3）弹性反力

8、 系数K（MPa/m）变形模量E（GPa）泊松比内摩擦角()粘聚力c（MPa）计算摩擦角c()2350060.35390.760取水平匀布压力系数为0.3，围岩重度，可确定深埋隧道支护结构的垂直均布压力：其中：s=4， 为安全起见，取 ，B>5m,取i0.1，宽度影响系数：=1+i（B-5）=1+0.1（11.22-5）=1.622，围岩压力计算高度h =0.45×2s-1=0.45×24-1×1.622=5.84m竖向压力q=h=23×5.84=134.30kN/m2水平均布松动压力：0.3q=40.29kN/m2无条件说明隧道受到偏压，故不考虑

9、隧道偏压受力。故可作出级围岩衬砌断面受力图如4.1所示。 图4.1 级围岩衬砌受力图 结构的理想化(1)衬砌结构的理想化隧道衬砌是实体拱式结构，轴力和弯矩是主要内力，可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。由铁路隧道设计规范可知，双线电气化铁路在进行节点化分时，要不少于16个单元，在本设计中，把衬砌划分为28个单元，节点数为29，隧道衬砌单元划分如图4.2所示。图4.2 隧道衬砌单元划分示意图(2)围岩的理想化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，岩柱具有弹性地基的性质，采用局部变形理论的温克尔假定，把每个岩柱理想化为一

10、个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上，它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定，本文为了简化计算，将弹性支承水平设置。围岩的理想化如图4.3所示。图4.3 围岩的理想化 衬砌内力的计算按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。对级围岩衬砌进行内力检算，在检算中，初衬承受50%的荷载，二次衬砌承受65%的荷载。计算结果由表4.4和表4.5可知。计算初衬表4.4 初衬程序运行结果(轴力、剪力和弯矩)NO.N(kN)Q(kN)M(kN)1441.780450.806.3762438.78

11、063.669-18.2253432.781-132.791-25.0774426.784-227.934-20.0565420.784-158.802-3.2536414.56634.43825.3917409.15025.3973.2718404.90910.420-1.0609399.52210.678-.00910391.85218.605.87811381.66533.6471.69212367.01738.9751.94513347.70535.0382.02414330.9864.405-3.84515324.792-34.582-7.19116330.986-41.830-3.

12、84517347.705-30.0032.02418367.017-21.4531.94519381.665-10.5451.69220391.852-7.948.87821399.522-11.959-.00922404.909-7.831-1.06023409.15073.6203.27124414.566244.10225.39125420.784153.888-3.25326426.784-55.059-20.05627432.781-220.564-25.07728438.780-298.099-18.22529-441.78023.737-.376根据程序运行结果，作出隧道级围岩初

13、衬结构内力图如图4.4.1所示。图4.4.1 级围岩初衬结构内力图二次衬砌表4.5 二衬程序运行结果(轴力、剪力和弯矩)NO.N（kN）Q（kN）M(kN)1603.496-533.555-.3642594.021-235.730-17.1893576.547-157.918-7.7454561.616-140.243-6.9215548.436-124.344-4.5346536.845-25.81513.3077526.80042.4479.8878518.06089.0016.9879509.271132.3247.54210497.047190.4079.04911478.413256

14、.0277.41412452.591203.7422.53213423.558131.901-5.32214400.7658.710-16.84915392.344-124.381-22.48116400.765-198.483-16.84917423.558-215.505-5.32218452.591-224.8952.53219478.413-139.5367.41420497.047-80.1989.04921509.271-39.9237.54222518.06015.4756.98723526.80091.4679.88724536.845158.36513.30725548.43

15、6107.458-4.53426561.61698.076-6.92127576.547132.771-7.74528594.021206.740-17.18929-603.49621.058.364根据程序运行结果，作出隧道级围岩二衬结构内力图如图4.4.2所示。图4.4.2 级围岩二次衬砌结构内力图 衬砌截面的强度检算(1)强度检算方法衬砌结构内力算出后，需进行隧道衬砌截面强度检算，其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时，根据结构所受的不同荷载组合，在计算中应分别选用不同的安全系数，并不应小于表4.6所列数值。表4.6 钢筋混凝土结构的强度安全系

16、数荷载组合主要荷载主要荷载+附加荷载破坏原因钢筋达到计算强度混凝土达到抗压或抗剪极限强度2.01.7混凝土达到抗拉极限强度2.42.0 拱形隧道衬砌属偏心受压构件，其截面强度检算根据轴力偏心距的大小可分为两种情况：1)抗压强度控制()混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算： 式(4.3)式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；截面的实际轴力；构件纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取1；混凝土或砌体结构的极限抗压强度，对于混凝土，取19.0；截面宽度(计算长度)，取1m；截面厚度(衬砌厚度)；轴力偏心影响系数，可按下式计算：截面轴力偏心距。2)抗拉强度控制()混凝土构件的抗拉强度应按下式计算：

17、式（(4.4) 或 式(4.5)式中 铁路隧道设计规范所规定的强度安全系数；混凝土的极限抗拉强度，对于混凝土，取2.0 。(2)强度检算按照上述衬砌截面强度检算方法，利用Excel软件进行检算，衬砌安全系数按照铁路隧道设计规范取初衬强度安全系数K1.0，二次衬砌强度安全系数K2.4。作出隧道级围岩衬砌的截面强度检算结果如表4.7.1和表4.7.2所示。表4.7.1 级围岩初衬截面强度检算表节点轴力N（kN)弯矩M(kN/m)偏心距e0（m）截面厚度d（m）偏心影响 系数e0/ 0.2d大小偏心安全系数K检算结果1441.780.3760.000851 0.231.0022270.02 小偏心9

18、.91 安全2438.78-18.2250.041536 0.230.7980710.90 小偏心7.95 安全3432.781-25.0770.057944 0.230.6124571.26 大偏心3.64 安全4426.784-20.0560.046993 0.230.7394211.02 大偏心8.35 安全5420.784-3.2530.007731 0.231.0081670.17 小偏心10.47 安全6414.56625.3910.061247 0.230.5729021.33 大偏心3.25 安全7409.153.2710.007995 0.231.0079870.17 小偏心

19、10.77 安全8404.909-1.060.002618 0.231.005770.06 小偏心10.85 安全9399.522-0.0090.000023 0.231.0000630.00 小偏心10.94 安全10391.8520.8780.002241 0.231.0051340.05 小偏心11.21 安全11381.6651.6920.004433 0.231.0079310.10 小偏心11.54 安全12367.0171.9450.005299 0.231.0084470.12 小偏心12.01 安全13347.7052.0240.005821 0.231.00860.13 小

20、偏心12.68 安全14330.986-3.8450.011617 0.231.0026550.25 小偏心13.24 安全15324.792-7.1910.022140 0.230.9596840.48 小偏心12.91 安全16330.986-3.8450.011617 0.231.0026550.25 小偏心13.24 安全17347.7052.0240.005821 0.231.00860.13 小偏心12.68 安全18367.0171.9450.005299 0.231.0084470.12 小偏心12.01 安全19381.6651.6920.004433 0.231.00793

21、10.10 小偏心11.54 安全20391.8520.8780.002241 0.231.0051340.05 小偏心11.21 安全21399.522-0.0090.000023 0.231.0000630.00 小偏心10.94 安全22404.909-1.060.002618 0.231.005770.06 小偏心10.85 安全23409.153.2710.007995 0.231.0079870.17 小偏心10.77 安全24414.56625.3910.061247 0.230.5729021.33 大偏心3.25 安全25420.784-3.2530.007731 0.231

22、.0081670.17 小偏心10.47 安全26426.784-20.0560.046993 0.230.7394211.02 大偏心8.35 安全27432.781-25.0770.057944 0.230.6124571.26 大偏心3.64 安全28438.78-18.2250.041536 0.230.7980710.90 小偏心7.95 安全29441.780.3760.000851 0.231.0022270.02 小偏心9.91 安全表4.7.2 级围岩二衬截面强度检算表节点轴力N（kN)弯矩M(kN/m)偏心距e0（m）截面厚度d（m）偏心影响 系数e0/ 0.2d大小偏心安

23、全系数K检算结果1603.4960.3640.000603 0.951.0004060.00 小偏心29.92 安全2594.021-17.1890.028937 0.771.0074210.19 小偏心24.81 安全3576.547-7.7450.013433 0.561.0085250.12 小偏心18.61 安全4561.616-6.9210.012323 0.441.0086290.14 小偏心15.01 安全5548.436-4.5340.008267 0.411.0080820.10 小偏心14.32 安全6536.84513.3070.024787 0.451.0001390.

24、28 小偏心15.93 安全7526.89.8870.018768 0.451.0062830.21 小偏心16.33 安全8518.066.9870.013487 0.451.0085470.15 小偏心16.64 安全9509.2717.5420.014809 0.451.0082630.16 小偏心16.93 安全10497.0479.0490.018206 0.451.0066660.20 小偏心17.32 安全11478.4137.4140.015497 0.451.008040.17 小偏心18.02 安全12452.5912.5320.005594 0.451.0061430.0

25、6 小偏心19.01 安全13423.558-5.3220.012565 0.451.008630.14 小偏心20.36 安全14400.765-16.8490.042042 0.450.9634250.47 小偏心20.55 安全15392.344-22.4810.057299 0.450.9106090.64 小偏心19.84 安全16400.765-16.8490.042042 0.450.9634250.47 小偏心20.55 安全17423.558-5.3220.012565 0.451.008630.14 小偏心20.36 安全18452.5912.5320.005594 0.4

26、51.0061430.06 小偏心19.01 安全19478.4137.4140.015497 0.451.008040.17 小偏心18.02 安全20497.0479.0490.018206 0.451.0066660.20 小偏心17.32 安全21509.2717.5420.014809 0.451.0082630.16 小偏心16.93 安全22518.066.9870.013487 0.451.0085470.15 小偏心16.64 安全23526.89.8870.018768 0.451.0062830.21 小偏心16.33 安全24536.84513.3070.024787

27、0.451.0001390.28 小偏心15.93 安全25548.436-4.5340.008267 0.411.0080820.10 小偏心14.32 安全26561.616-6.9210.012323 0.441.0086290.14 小偏心15.01 安全27576.547-7.7450.013433 0.561.0085250.12 小偏心18.61 安全28594.021-17.1890.028937 0.771.0074210.19 小偏心24.81 安全29603.4960.3640.000603 0.951.0004060.00 小偏心29.92 安全五 .附录5.1 程序数

28、据输入计算初衬级围岩数据输入：29,23,2.3e7,20.145,67.150,3.0e5,3.0e5,0.235.036,9.837,1,0,1,1,0.235.130,9.059,1,1,1,1,0.235.224,8.280,1,1,1,1,0.235.318,7.502,1,1,1,1,0.235.412,6.723,1,1,1,1,0.235.506,5.945,1,1,1,1,0.235.427,4.966,1,1,1,1,0.235.196,4.026,1,1,1,1,0.234.823,3.140,1,1,1,1,0.234.289,2.288,1,1,1,1,0.233.631,1.543,0,1,1,1,0.232.919,0.956,0,1,1,1,0.232.036,0.442,0,1,1,1,0.231.048,0.113,0,1,1,1,0.230.000,0.000,0,1,1,1,0.23-1.048,0.113,0,1,1,1,0.23-2.036,0.442,0,1,1,1,0.23-2.919,0.956,0,1,1,1,0.23-3.631,1.543,0,1,1,1,0.23-4.289,2.288,1,1,1,1,0.23-4.823,3.140,1,1,1,1,0.23-