隧道工程课程设计计算书1

1、下载可编辑目录一 基本资料 .1二 荷载确定 .1三 衬砌几何要素 .33.1衬砌几何尺寸 .33.2半拱轴线长度 S 及分段轴长 S .43.3割分块接缝重心几何要素 .4四 计算位移 .54.1单位位移 .54.2载位移主动荷载在基本结构中引起的位移.74.3载位移单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移.104.4墙低（弹性地基上的刚性梁）位移 .12五 解力法方程 .13六 计算主动荷载和被动荷载（h 1）分别产生的衬砌内力. 13七 最大抗力值的求解 .15八 计算衬砌总内力 .16九 衬砌截面强度检算（检算几个控制截面）.179.1拱顶（截面0） .179.2截面（ 7） .179.3

2、墙低（截面8）偏心检查 .17十 内力图 .17.专业 .整理 .下载可编辑一 基本资料一级公路隧道，设计时速60km/h，结构断面如图 1 所示，围岩级别为V 级，容重s18 KN m3 ， 围岩的弹性抗力系数K1.510 5 KN / m3 ，衬砌材料C25 混凝土，弹性模量 E2.85107 kP，容重h23KN / m3 。h图 1衬砌结构断面二 荷载确定2.1 深埋隧道围岩压力确定竖向均布压力 ：q0.452s 1式中 ： s 围岩级别，此处s=5;s 围岩容重，此处s =18kN/ ；.专业 .整理 .下载可编辑 跨度影响系数 ，=1+i(B m-5) ， 毛洞跨度 Bm=12.0

3、0m，Bm=515 时， i=0.1 ， 此处:=1+0.1×（ 12.00-5 ） =1.7所以： q0.4525-1181.7220.32 kPa考虑到初期之处承担大部分围岩压力，而二次衬砌一般作为安全储备，故对围压力进行折减，对于本隧道按照40%折减，即 q=(1 40%)× 220.32=132.19 kPa围岩水平均布力：e =0.4×q=0.4 × 132.19=52.88kPa2.2 浅埋隧道围岩压力确定荷载等效高度 h qq=132.197.35m ，s18分界深度 H P2.5h q2.5×7.35=18.38m（1）埋深（

4、H）小于或等于等效荷载高度（h q ）时竖向均布压力 ：在隧道埋深7m处qs? H187.001- 40%75.6 kPaes (H1 H t )tan 2 (45 -g )22围岩水平均布力 ：18 (717.6)tan2 (45-36 )2250.46kPa（2）埋深（ H）大于 hq 、小于或等于 H p 时竖向均布压力 ： q浅Q浅H)H (1tanBtBttan- tangtan 1tan(tang - tan)tan g tantantantan 2g1 tanggtang - tan式中： q浅 作用在支护结构上的均布荷载； 围岩的天然容重；.专业 .整理 .下载可编辑H 隧道埋

5、深；侧压力系数；破裂面摩擦角，此处取0.5 g因此：tantantan2g1 tanggtan- tang（tan236）tan361 tan 36tan 36- tan182.39tan- tangtan1tan(tang- tan )tan g tan2.39 - tan362.3912.39 tan 36- tan18tan 36 tan180.32Q浅H (1Htan)18 18.38（1- 18.38 0.32tan18 ）q浅BtBt12278.16kPaq浅278.16 （1 - 40%） 166.89kPa围岩水平均布力 ： e1H1818.380.32105.88kPae2h

6、1825.980.32149.65kPa1(e1e2 )1149.65) 127.77kPae(105.8822三 衬砌几何要素3.1 衬砌几何尺寸内轮廓半径 r 1=5.4m，r 2=7.9m；内径 r 1 、 r 2 所画圆曲线的终点截面与竖直轴的夹角1 =90°，2 =105°；二次衬砌厚度d=0.45m。此处墙底截面为自内轮廓半径r 2 的圆心向内轮廓墙底做连线并延长至与外轮廓相交，其交点到内轮廓墙底间的连线。.专业 .整理 .下载可编辑外轮廓线半径 ： R1=5.4+0.45=5.85mR2 =7.9+0.45=8.35m拱轴线半径 ： r1 =5.4+0.5 &

7、#215; 0.45=5.625r2 =7.9+0.5 ×0.45=8.125拱轴线各段圆弧中心角：1 =90°2 =15°3.2 半拱轴线长度 S 及分段轴长 S分段轴线长度 :1'905.6258.8357mS111801802'158.1252.1271mS22180180半拱轴线长度为： S=S1+S2=8.8357+2.1271=10.9628m将半拱轴线等分为8 段，每段轴长为：SS10.9628 1.3704m883.3 割分块接缝重心几何要素（ 1） 与竖直轴夹角 i11S18013.9588'121127.7175 ， 3

8、2141.8764 ,43155.8351 ,69.7939 ,83.7527 ,S1180,54165171'95.33892S17 SS10.7571m, 2S1809.6638 ,872 105'2另一方面，8129015105角度闭合差 =0。.专业 .整理 .下载可编辑各接缝中心点坐标可由图1 中直接量出。四 计算位移图 2衬砌结构计算图4.1 单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行。单位位移的计算见表1单位位移计算如下 ：s M 1 M 1dsS14.80481081185.1855.6988105110Eh IEhIs M 1 M 2dsSy1083627.5

9、92 1.7429 10412210 Eh IEh4.8048I22sM2M2dsSy24.804810819541.539.38931040Eh IEhI.专业 .整理 .下载可编辑计算精度校核为 ：11212221.3445103ssS( y1)24.8048 10 8 27980.93=1.344510-3EhI闭合差0。单位位移计算表表 1截I面（°） sin cosx（m） y(m)d(m)1/Iy/Iy*y/I(1+y)2/I00.000.001.000.000.000.450.01131.690.000.00131.58113.960.240.971.360.170.4

10、50.01131.6921.863.63178.92227.710.470.892.620.650.450.01131.6984.9354.83356.27341.880.670.743.751.440.450.01131.69189.04271.59781.25455.840.830.564.652.470.450.01131.69324.49800.221580.77569.790.940.355.283.680.450.01131.69484.491783.932884.48683.750.990.115.595.010.450.01131.69659.593306.474757.237

11、95.341.00-0.095.576.380.450.01131.69839.425355.177165.598105.000.97-0.265.327.780.450.01131.691023.787965.7010144.831185.183627.5919541.5327980.93注： 1. I 截面惯性矩， Ibd 3,b取单位长度。122. 不考虑轴力的影响.专业 .整理 .下载可编辑4.2 载位移主动荷载在基本结构中引起的位移（ 1）每一楔块上的作用力竖向力：Qi qbi侧向力：i =ehi自重力： Gi = di -1 +dis h22 量得：式中： b 衬砌外缘相邻两截面之

12、间的水平投影长度，由图ihi衬砌外缘相邻两截面之间的竖直投影长度，由图2 量得di 接缝 i 的衬砌截面厚度。b11.4212m, b21.3097m,b31.1841m,b40.9354m,b50.6495m,b60.2642m,b70.0150m, b80.0000m.bi 5.8252mB5.85m(校核 )2h10.1691m,h 20.4794m,h 30.7912m,h 41.0294m,h51.2160m,h 61.3308m,h 71.3667m,h 81.4011m.专业 .整理 .下载可编辑自重力： GidiSh14.1836 kN式中： di 接缝 i 的衬砌截面厚度，本

13、设计为等厚度衬砌；作用在各楔体上的力均列入表2，各集中力均通过相应的图形的行心。（2）外荷载在基本结构中产生的内力。楔体上各集中力对下一接缝的力臂由图2 中量得，分别记为 aq , ae , ag 内力按照下式计算（见图 3）。弯矩： M ip0M i01, p xi (Q G)yi E Qaq Qag Qae Xi 1i 1b i0sin ai (Q G )cosai Ea qe轴力： N ipQiiiiEiyiha式中：xi ,yi相邻两接缝中心点的坐标增值ea gGiax ixixixi 1yiyiyi 1M 0,N0的计算见表 2及表 3.图 3内力 M ip0、 Nip0 计算图示i

14、pip载位移 N p0计算表表 3截sin cos（ Q+G)Esin cosEN p0面（Q+G)00.00001.00000.00000.00000.00000.00000.000010.24120.9705251.367712.963560.629912.580748.049220.46500.8853484.127149.7153225.119144.0125181.106630.66750.7446695.4745110.3856464.229282.1920382.037240.82740.5616865.7670189.3051716.3356106.3100610.025750

15、.93850.3454988.3457282.5261927.562497.5845829.977960.99410.10881046.6216384.54791040.446541.8465998.600070.9957-0.0930 1061.0555489.32191056.4930-45.50691101.999980.9659-0.2588 1075.2391596.73301038.5734-154.43451193.0079.专业 .整理 .下载可编辑载位移 M 0p 的计算表表 2集中力力臂截aqagaeQaqGa g面QGE0.00000.00000.00000.00000.

16、00000.000000.00000.0000237.18414.1830.124154.47811612.96350.65130.6734409.5512218.57514.1830.277120.26028636.75180.55020.6153548.7272197.16314.1830.39538660.67030.44190.4947687.12677.0166156.10814.1830.51449678.91950.28150.3945743.94475.5954108.39514.1830.60851693.22100.11360.2655012.31373.765714.18

17、3102.0210.665644.0923680.00000.113640.00001.611314.183104.7740.683-0.71470.2503600.0000-0.050430.0000914.183107.4110.700-2.27080.0000610.0000-0.160160.00008Eae(Q G)E xyx (Q G )y E0i 1i 1i 1i 1M p0.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00000.00001.61270.00000.00001.35690.16610.00000.0000-165.641910.198

18、6251.367712.96351.25940.4794316.57256.2147-627.615324.001-1336.2732484.127149.71531.13850.7912551.178739.3347240.619110.385113.630-2165.6439695.474560.89951.0294625.57939456.678189.305230.195-3009.2674865.767010.62451.2160540.67150767.885282.526375.985-3763.9043988.345710.31281.3308309.15457571.5921

19、046.621384.547-0.017525.561-4342.13216941.3667-18.21126275.2521061.055489.321-0.2561.4011-272.266685.588-4828.435.专业 .整理 .下载可编辑2596896.专业 .整理 .下载可编辑.专业 .整理 .下载可编辑基本结构中，主动荷载产生弯矩的校核为：M 80qq B ( x8B )166.890011.7000(5.317611.7000)2355.9109KN / m2424M 80ee H 276.662 7.780622320.4719 KN / m ,M 8g0Gi ( x8

20、 xi + agi )152.372KN / m22M 80pM 80q +M 8e0+M 8g0-4828.7548 KN / m另一方面，从表2 中得到 M80p4828.73564828.75484828.4356100%0.0066%闭合差4828.7548（3）主动荷载位移（计算过程见表4）。主动荷载位移计算表表 4截01yM p0Mp0 yM p0 (1 y)面M pII(1+y)III0131.68720.00001.00000.00000.00000.00001-165.6419131.687221.85531.1661-21794.9868-3620.1473-25415.1

21、3422-627.6153131.687284.93421.6455-82580.9582-53306.0085-135886.96663-1336.2732131.6872189.03952.4367-175825.4226-252608.3846-428433.80724-2165.6434131.6872324.48683.4661-284953.0807-702722.7922-987675.87295-3009.2677131.6872484.48684.6821-395956.2768-1457950.6067-1853906.88346-3763.9045131.6872659.

22、59216.0129-495250.5967-2482641.7162-2977892.31297-4342.1322131.6872839.42117.3796-571333.1783-3644877.1440-4216210.32238-4828.4356131.68721023.7763 8.7807-635320.4802-49432385409-2663014.9802 -13540964.8601 -16203979.84031p2 ps M1 M 0p ds0 Eh Is M 2 M 0p ds 0 Eh ISM p0108( 2663014.9802

23、)0.1280Eh4.8084ISyM p08( 13540964.8601)0.6511Eh4.8084 10I计算精度校核：1p2p0.12790.65110.7791S(1y) MspEhI闭合差：00p8 ( 16203979.8403) 0.77914.8084 10.专业 .整理 .下载可编辑4.3 载位移单位弹性抗力及相应的摩擦力引起的位移（1）各接缝处的抗力强度抗力上零点假定在接缝3，最大抗力值假定在接缝6，3641.876483.7527bh最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算：cos2bcos2iicos2cos2hbh查表 1，算得30, 40.4407 h , 5 0

24、.8019 h , 6h ;最大抗力值以下各截面抗力强度按下式计算：' 2i (1yi2)hyh'式中：yi' 所考察截面外缘点到h点的垂直距离；yh' 墙角外缘点到 h点的垂直距离。由图 2 中量得： y 7'1.3667m, y8'2.7678 m;2则： 7 (1 yi'2 ) h0.7562 h ,8 0;'yh按比例将所求得抗力绘于图2 上。（2）各楔体上抗力集中力 Ri'按下式计算： Ri'( i 1i )Si 外2式中： Si外 表示楔体 i外缘长度，可以通过量取夹角，用弧长公式求得，Ri'

25、的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔体上抗力图形的形心。（3）抗力集中力与摩擦力的合力Ri按下式计算： RiRi' 12式中：围岩于衬砌间的摩擦系数，此处取0.2 。则： Ri1.0198Ri' 其作用方向与抗力集中力的夹角arctan11.30990 ；由于摩擦力的方向与衬砌位移方向相.专业 .整理 .下载可编辑反，其方向向上。将 Ri 的方向线延长，使之交于竖直轴，量取夹角，将Ri 分解为水平和竖直两个分力：RH Ri sink , RVRicosk ; 以上计算结果列入表5 中。弹性抗力及摩擦力计算表表 5截1 ( i 1i)S外Rksin kcos kRHRV( h )2(

26、h)( h )( h )面(h )30.00000.00001.44560.00000.00000.00001.00000.00000.000040.44070.22041.44560.318563.12270.89200.45210.28410.144050.80190.62131.44560.898274.90860.96550.26040.86720.233861.00000.90101.44561.302488.38640.99960.02821.30190.036770.75620.87811.41601.2434101.3099 0.9806 -0.1961 1.2192 -0.2

27、43880.00000.37811.41600.5354113.2548 0.9188 -0.3948 0.4919 -0.2114（4）计算单位抗力及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力弯矩： M i0Rj r ji轴力： Ni0siniRvcosiRH式中： r ji 力 Rj 至接缝中心点 ki 的力臂，由图 2 量得。计算见表 6 及表 7.M 0计算表表 6R4=0.3185R5 =0.8982R6=1.3024R7=1.2434R8=0.5354-M 0( h )截R4 4iR5 5iR6 6 iR7 7 iR8 8i4i( h )5i( h )6i( h )7i( h )8i(

28、h )面40.47040.1498-0.149851.83320.58390.71150.6352-1.219163.16031.00662.07051.84850.78411.0212-3.876374.45631.41933.39883.03442.14382.79210.8588 1.0678-8.313785.77041.83794.76054.25023.54384.61542.2791 2.8338 1.1059 0.5921 -14.1294.专业 .整理 .下载可编辑N0计算表表 7VHN0截sincosRsin RVRHcos R(o )( h )( h)(o )面( h)(

29、 h )455.83510.82740.56160.14400.11920.28410.1596-0.0365569.79390.93850.34540.37780.35461.15130.3977-0.0479683.75270.99410.10880.41450.41212.45320.26700.1078795.33890.9957-0.09300.17070.16993.6724-0.34170.51528105.00000.9659-0.2588-0.0407 -0.0393 4.1643-1.07781.0193.专业 .整理 .下载可编辑.专业 .整理 .下载可编辑（5）单位抗力

30、及相应摩擦力产生的载位移。计算见表8.单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算表表 8-M 0(h )1yM 000截(1y)IMyM (1 y )hII面II131.6874-0.14982324.48683.4661-19.7297-48.6154-68.3851131.6875-1.21912484.48684.6821-160.5400-590.6386-751.6646131.6876-3.87632659.59216.0129 -510.4604-2556.7833-3069.3472131.687-1094.8077-8.31372839.4211 7.3796 5-6978.6925-8079.2415-14.129131.6871023.776-1860.664-14465.369-16337.93484238.7807246-3646.201-24640.099-28306.572929s M1M 0SM 010 8(3646.2019)10ds4.8084Eh IEhI=1.7533 10-4s M 2 M 0SyM 0108( 24640.0992)20ds4.8084Eh IEhI= 1.1848 10-3校核为：121.361110-3S(