隧道工程课程设计说明

1、下载可编辑1 初始条件某一级公路隧道通过 IV 类围岩 ( 即 III 级围岩 ) ，埋深 H=20m，隧道围岩天然容重 =25 KN/m3，计算摩擦角 =50o, 变形模量 E=10GPa，采用矿山法施工。；衬砌材料采用 C25 喷射混凝土，材料容重h22 KN/ m 3 ，变形模量 E h25 GPa 。2 隧道洞身设计2.1 隧道建筑界限及内轮廓图的确定该隧道横断面是根据两车道一级公路III级围岩来设计的， 根据公路隧道设计规范确定隧道的建筑限界如下：W行车道宽度；取3.75 × 2mC余宽；因设置检修道，故余宽取为0mJ检修道宽度；双侧设置，取为1.0 ×2mH建筑

2、限界高度；取为5.0mL L 左侧向宽度；取为1.0mL R 右侧向宽度；取为1.0mEL 建筑限界左顶角宽度；取1.0mER 建筑限界右顶角宽度；取1.0mh检修道高度；取为0.25m隧道净宽为 1.0+1.0+7.50+1.0+1.0=11.5m设计行车速度为80km/h, 建筑限界左右顶角高度均取1m；隧道轮廓线如下图：图 1隧道内轮廓限界图（单位cm）.专业 .整理 .下载可编辑根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为45cm（一次衬砌为10cm和二次衬砌 35cm）通过作图得到隧道的尺寸如下：图 2隧道内轮廓图得到如下尺寸 : R17.00m， R 25.98m，R 310.6m3 隧道衬砌

3、结构设计3.1 支护方法及衬砌材料根据公路隧道设计规范 （ JTG-2004），本设计为一级公路，采用复合式衬砌，复合式衬砌是由初期支护和二次衬砌及中间防水层组合而成的衬砌形式。复合式衬砌应符合下列规定：1 初期支护宜采用锚喷支护，即由喷射混凝土，锚杆，钢筋网和钢筋支架等支护形式单独或组合使用，锚杆宜采用全长粘结锚杆。2 二次衬砌宜采用模筑混凝土或模筑钢筋混凝土结构， 衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由规范，对于两车道级围岩：初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为 8-12cm，拱墙的锚杆长度为 2.5-3m ，锚杆间距为 1.0-1.2m ；二次衬砌厚度：拱墙混

4、凝土厚度为35cm因此确定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护， 根据规范规定， 采用锚喷支护， 锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，规格 HRB 20×2.5m，采用梅花型局部布设，采用 C25喷射混凝土。初次衬砌：采用 C25喷射混凝土，厚度为 9.8cm。防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为 300g/m2, 防水板应采用铺满的 EVA板防水层，厚度为 2.0mm，搭接长度为 150mm。二次衬砌：根据公路隧道设计规范，采用 C25号模筑防水混凝土，厚度为 35cm。整个衬砌厚度为9.8+0.2+35=45cm。3.2 隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算.专业 .整理 .下载

5、可编辑隧道的内轮廓尺寸为 B=12.10m，H=10.50m因为 IV 级围岩需要预留变形量，查公路隧道设计规范8.4.1 知级围岩需预留变形量为20-50mm，衬砌厚度为 45cm，又每侧超挖量为10cm，故隧道的近似开挖尺寸为：Bt12.1020.4520.10.0513.25mH t10.5020.4520.10.0511.65m由于是级围岩 H p2h qH p 深浅埋隧道的分界深度h q0.452S-1hq 等效荷载高度跨度影响系数；1i( Bt5)i 围岩压力增减率，当B t5 -15m 取 i=0.1hq0.45 2S-10.4523-1 1 0.1 (13.25 5) 3.28

6、5mH p2h q 2.53.2858.213m埋深H 30H p8.213 m 故为深埋隧道。又 H t11.650.88 1.7Bt13.25可用公式 qhq 计算均布垂直压力：qhq25 3.28582.125kN /m2因为该隧道围岩级别为围岩水平均布压力为：e<0.15q=0.1582.125=12.324 衬砌结构内力计算4.1 基本资料公里等级一级公路围岩级别级3围岩容重r=25KN/m弹性抗力系数K=0.18 ×106KN/m变形模量E=10GPa材料容重h 22KN / m3.专业 .整理 .下载可编辑材料变形模量Eh25Gpa衬砌厚度d=0.45m图 3衬砌

7、结构断面图4.2 荷载的确定围岩压力的确定经前面计算可得 , 可用公式 qhq 计算均布垂直压力：qhq25 3.28582.125kN /m2级围岩不考虑一衬后的围岩释放变形折减系数衬砌自重g1 （ d0dn） h1 (0.45 0.45) 22 9.9KN / m222（ 1）全部垂直荷载 q=82.125+9.9=92.025KN/m2（ 2）围岩水平均布压力e<0.15 × 92.025=13.80KN/m24.3 衬砌几何要素衬砌的几何尺寸内轮廓线半径：R 17.00m， R 25.98m内径 r1，r2 所画圆曲线端点截面与竖直轴线的夹角：oo143.073， 26

8、8.410拱顶截面厚度 d00.45m，拱底截面厚度 dn0.45m.专业 .整理 .下载可编辑4.3.2 半拱轴线长度S 及分段轴长S43 3.14 (7.000.45)68 3.14 (5.980.45) 12.78m18021802将半拱轴长度等分为8 段，则SS 1.598m8S 1.5986 6.39 10-8 Eh 25 104.4 计算位移单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行，单位位移的计算列表见表 4-1 表 4-1 单位位移计算表积截sin cos xyd1/Iy/Iy2 /I(1+y) 2 /I分面系数 1/300.0000.0001.0000.0000.0000.4

9、50131.6870.0000.000131.6871114.7600.2550.9671.5840.1990.450131.68726.2065.215189.3144229.5200.4930.8703.0560.8060.450131.687106.14085.549429.5162344.2800.6980.7164.3311.7560.450131.687231.243406.0621000.2354459.0400.8580.5145.3203.0120.450131.687396.6421194.6862119.6572573.5720.9590.2835.9824.5310.4

10、50131.687596.6752703.5344028.5714686.2090.9980.0666.2636.1070.450131.687804.2144911.3356651.4502798.8460.988-0.1546.1947.7000.450131.6871013.9927807.7379967.40748111.4830.931-0.3665.7739.2320.450131.6871215.73711223.68113786.84111053.4983767.39622432.33731020.628注： 1 I - 截面的惯性矩， I=bd 3/12,b取单位长度2 不考

11、虑轴力影响单位位移值计算如下：11S16.3910-81053.4986.732 10-5EhI12Sy6.3910-83767.39624.074 10 -5EhI22Sy26.3910-822432.337143.34310-5EhI计算精度校核：112 1222（ 6.73224.0742143.343 ） 10 -5198.22310 -5.专业 .整理 .下载可编辑S（y2）ss16.39 10-8 31020.628 198.22 10-5E hI闭合差0.003 10 50载位移主动荷载在基本结构中引起的位移1）每一块上的作用力 ( 竖向力 Q、水平力 E、自重力 G), 分别由

12、下面各式求得，Qi =q × biEi =e × hiG =( d+d )/2 × S× rhii-1i其中： bi 衬砌外缘相邻两截面间的水平投影长度 hi 衬砌外缘相邻两截面间的竖直投影长度 di 接缝 i 的衬砌截面厚度均由图 3 直接量得，其值见表4-2 。各集中力均通过相应图形的形心o表 4-2 载位移 Mp 计算表.专业 .整理 .下载可编辑截投影长度集中力S-Qaq-Gag-Gag面bhQGEaqagae00.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.00011.5800.20014

13、5.40015.8202.7610.7900.7900.100-114.866-12.498-0.27621.4760.600135.82915.8208.2820.7380.7380.300-100.242-11.675-2.48531.2740.957117.24015.82013.2100.6370.6370.479-74.682-10.077-6.32140.9891.25091.01315.82017.2550.4950.4950.625-45.006-7.823-10.78450.6601.52360.73715.82021.0230.3300.3300.762-20.043-5.

14、221-16.00960.2801.57025.76715.82021.6720.1400.1400.785-3.607-2.215-17.01370.0701.5936.44215.82021.990-0.035-0.0350.7970.2250.554-17.51580.4171.53938.37415.82021.244-0.209-0.2090.7708.0013.299-16.348续表 4-2i-1 （ Q+G） i-1 Exyxy- x i-1- y i-1 Eo（Q+G）Mip0.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000.0000

15、.0001.5840.1991.5840.1990.0000.000-127.640161.2202.7613.0560.8061.4720.607-237.315-1.676-481.033312.86911.0434.3311.7561.2750.950-398.908-10.491-981.512445.92924.2545.3203.0120.9891.256-441.024-30.463-1516.611552.76241.5095.9824.5310.6621.519-365.928-63.052-1986.864629.31862.5326.2636.1070.2811.576-

16、176.838-98.551-2285.088670.90684.2046.1947.700-0.0691.59346.292-134.138-2389.669693.168106.1945.7739.232-0.4211.532291.824-162.689-2265.5832）外荷载在基本结构中产生的内力块上各集中力对下一接缝的力臂由图直接量得，分别记以aq 、ae、 ag 。内力按下式计算之：弯矩：M ipoM io 1, pxi(QG )yiEQ ? aqGa gEaei 1i1轴力：N iposini(QG )cosiEii式中xi 、yi 相邻两接缝中心点的坐标增值。xi =xi

17、- x i-1yi =yi - y i-1ooMip 和 Nip 的计算见表 4-3 及表 4-4 。表 4-3 载位移 Noip 计算表.专业 .整理 .下载可编辑截sin cosi （ Q+G）i Esin * icos * iEo面（ Q+G）Np00.0000.0001.0000.0000.0000.0000.0000.000114.7600.2550.967161.2202.76141.0742.67038.404229.5200.4930.870312.86911.043154.1599.610144.549344.2800.6980.716445.92924.254311.332

18、17.364293.968459.0400.8580.514552.76241.509474.00821.354452.654573.5720.9590.283629.31862.532603.62717.685585.942686.2090.9980.066670.90684.204669.4385.567663.870798.8460.988-0.154693.168106.194684.923-16.330701.2538111.4830.931-0.366747.362127.439695.440-46.671742.1113）主动荷载位移计算过程见表 4-4表 4-4主动荷载位移计算

19、表截Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I积分系数面1/300.000131.6870.0001.0000.0000.0000.00011-127.640131.68726.2061.199-16808.513-3344.894-20153.40742-481.033131.687106.1401.806-63345.857-51056.761-114402.61823-981.512131.687231.2432.756-129252.583-226967.536-356220.12044-1516.611131.687396.6424.012-199718.35

20、4-601551.682-801270.03625-1986.864131.687596.6755.531-261644.675-118551269846-2285.088131.687804.2147.107-300916.979-1837699.993-2138616.97227-2389.669131.6871013.9928.700-314688.937-2423104.814-2737793.75148-2265.583131.6871215.73710.232-298348.374-2754352.193-3052700.5681-1438629.862-

21、7696895.378-9135525.240 1p=S/Eh× Mp0/I=6.39 ×10-8 ×（ -1438629.862 ）= - 9192.84 × 10-5 2p = S/ E h× Mp0y/I=6.39 ×10-8 × (-7696895.378)= -49183.16 ×10-5计算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ E h× Mp0(1+y)/I因此， Sp=6.39 ×10-8 ×（ -9135525.240 ） = -58376.006× 10-5

22、1p+2p= - （ 9192.84+49183.16 ）× 10-6 = -58376.000 ×10-5闭合差 0.000 。.专业 .整理 .下载可编辑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按假定拱部弹性抗力的上零点位于与垂直轴接近450 的第 3 截面， 3=44.28° = b;最大抗力位于第5 截面 , 5=76.25° = h;拱部各截面抗力强度， 按镰刀形分布， 最大抗力值以上各截面抗力强度按下式计算： i = h（cos2 b-cos 2i ）/ （cos2 b-cos 2h ）计算得，3=0， 4=0.543

23、6 h ， 5=h 。边墙截面弹性抗力计算公式为：2=h1-(y i/ y h )式中 yi 所求抗力截面与外轮廓线交点到最大截面抗力截面的垂直距离；墙底外边缘在图 3中可量yhc到最大抗力截面的垂直距离。 (y i和 yh得 )=1.634m;y=3.198m;y=4.776m;y678则有：6=h1- （1.634/4.776）2= 0.8777h7=h1- （3.198/4.776）2= 0.5516h8=0;按比例将所求得的抗力绘在图4 上。.专业 .整理 .下载可编辑图 4 结构抗力图2）各楔块上抗力集中力Ri，按下式近似计算：，1Si外 / 2Rii 1式中，S外 楔块 i 外缘长

24、度，由图3 量得。i，Ri 的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。3）抗力集中力与摩擦力之合力Ri按近似计算 :Ri Ri' 12式中围岩与衬砌间的摩擦系数。取 =0.2,则Ri Ri' 12'=1.0198Ri其作用方向与抗力集中力的夹角为=arctan =11.301°。由于摩擦阻力的，方向与衬砌位移方向相反，其方向朝上。Ri 的作用点即为 Ri 与衬砌外缘的交点。.专业 .整理 .下载可编辑将 Ri 的方向线延长，使之交于竖直轴。量取夹角 k( 自竖直轴反时针方向量度 ) 。将 Ri 分解为水平与竖向两个分力：R= Rsin kR= Rcos

25、kHiVi以上计算例入表 4-5中， 并参见图 3。表 4-5 弹性抗力及摩擦力计算表截 ( h )( i-1 +S 外( R( h) ksin kcos k面i )/2h )30.00000.0000.00000.00000.0000.0001.00040.54360.2721.64750.456762.3700.8860.46451.00000.7721.64751.296776.9160.9740.22660.87770.9391.64751.577489.4141.0000.01070.55160.7151.64751.2007103.7990.971-0.23980.00000.27

26、61.64750.4634116.1260.898-0.440续表 4-5RH( h )RV( h )vhRi ( h)0.0000.0000.0000.4050.2120.2120.4050.4481.2630.2940.5051.6681.2721.5770.0160.5213.2451.5471.166-0.2860.2354.4111.1770.416-0.2040.0314.8270.4544）计算单位抗力图及其相应的摩擦力在基本结构中产生的内力弯矩M oRirKii轴力N osin i RV cos i RHi式中 r Ki -力 Ri至接缝中心点 K 的力臂，由图 3 量得，计算

27、见表 4-6 和表 4-7.专业 .整理 .下载可编辑表 4-6 M 0 计算表R4 =0.4567 hR5 =1.29674 hR6 =1.5774 hR7=1.2007 hR8 =0.4634 h截o面r 4i-R4r 4ir 5i-R5r 5ir 6i-R6r6ir 7i-R7r7ir 8i-R8r8iM ( h)号40.9000-0.411-0.41152.5557-1.1670.9894-1.283-2.45064.0766-1.8622.5820-3.3481.0605-1.673-6.88375.4556-2.4924.1180-5.3402.6538-4.1860.8364-1

28、.004-13.02286.6259-3.0265.5229-7.1624.1930-6.6142.4307-2.9180.8712-0.404-20.124表 4-7 N 0 计算表截面sin cos RV( h)RH(h)sin RV( cos RH( h)No( h)h)号459.04000.85730.51490.21180.40460.18150.2083-0.0268573.57200.95900.28340.50531.66760.48460.47270.0119686.20900.99780.06690.52153.24490.52030.21700.3033798.84600

29、.9882-0.15290.23514.41100.2323-0.67450.90688111.48300.9309-0.36530.03104.82700.0289-1.76331.79225）单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算过程见表 4-8 。截0000MM 1/IM y/IM (1+y)/I积分系数面1/Iy/I(1+y)（ h ）（ h ）（ h）（ h ）1/3号4-0.411131.6872396.6424.012-54.127-163.032-217.15925-2.450131.6872596.6755.531-322.653-1461.941-1784.59446-6.8

30、83131.6872804.2147.107-906.387-5535.307-6441.69227-13.022131.68721013.9928.700-1714.805-13204.005-14918.80648-20.124131.68721215.73710.232-2650.074-24465.491-27115.5571-4240.312-31508.650-35748.952.专业 .整理 .下载可编辑表 4-8 单位抗力及相应摩擦力产生的载位移计算表0-8-61=S/E × M 1/I=6.39×10 × (-4240.312)= -270.96

31、0 × 10h2=S/ Eh 0-8-6× M y/I=6.39×10×(-31508.650)= - 2013.403 ×10校核为：1+2= -(270.960+ 2013.403)× 10-6 =-2284.363 ×10-6S = S/ E h× M0 (1+y)/I=6.39×10-8 ×(-35748.952)=-2284.358 ×10-6闭合差 0。墙底（弹性地基上的刚性梁）位移1）单位弯矩作用下的转角：1=1/(KI 8 )= 131.6872 /0.18×

32、106=731.596×10-62）主动荷载作用下的转角：0-6-6= M =731.596 ×(-2265.583) × 10= -1657491.46 ×10p1 8p3）单位抗力及相应摩擦力作用下的转角： =1M80=731.596× 10-6 ×(-20.124) = - 14722.64× 10-64.5 解力法方程衬砌矢高f=y8=9.232m计算力法方程的系数：a11=11+1=（67.32+731.596 ）× 10-6 =798.913× 10-6a12=12+f 1=（ 240.74+

33、9.232 ×731.596 ）× 10-6 =6994.83× 10-6a22=22+f 2 1=（1433.43+9.232 2×731.596 ）× 10-6 =63787.228×10-6a10=1p+p+( 1 + ) × h=-(91928.4+1657491.46+270.960 h+14722.64h) ×10-6 = -(1749419.86+14993.6 h) ×10-6a20=2p+f p+( 2 +f ) × h= -(491831.6+9.232 ×1657

34、491.46+2013.403 h+9.232 ×14722.64 h)= - (15793792.76+137932.82 h) ×10-6以上将单位抗力图及相应摩擦力产生的位移乘以h 倍，即被动荷载的载位移。求解方程：X = (aa- aa)/( aa - a2201112)112221022=（548.873-4.140 h）其中：X 1p=548.873,X1 = -4.140X2 = (a 12a10 - a 11a20)/( a11a22 - a212 ).专业 .整理 .下载可编辑=（187.412+2.616 h）其中： X =187.412,X2= 2.6

35、162p4.6 计算主动荷载和被动荷载（h =1 ）分别产生的衬砌内力计算公式为：M pX1 pyX 2 poM pN pX 2 pcosN po和MX1yX 2M oNX 2cosN o计算过程列入表 4-9 和表 4-10 中。表 4-9 主、被动荷载作用下衬砌弯矩计算表截oX1pyX2p*yMp oX1 ( h )X2 *y( h)o面MpM ( h)M ( h)00.000548.8730.0000.000548.8730.000-4.1400.000-4.1401-127.640548.8730.19937.295458.5280.000-4.1400.521-3.6202-481.

36、033548.8730.806151.054218.8940.000-4.1402.108-2.0323-981.512548.8731.756329.095-103.5430.000-4.1404.5940.4544-1516.611548.8733.012564.485-403.253-0.411-4.1407.8793.3285-1986.864548.8734.531849.164-588.827-2.450-4.14011.8535.2636-2285.088548.8736.1071144.525-591.690-6.883-4.14015.9764.9537-2389.66954

37、8.8737.7001443.072-397.724-13.022-4.14020.1432.9818-2265.583548.8739.2321730.18813.478-20.124-4.14024.151-0.113表 4-10主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表截ocosaX2pcos Np oX2 cos( h) N ( h )面N pN ( h )00.0001.000187.412187.4120.0002.6162.616138.4040.967181.228219.6320.0002.5302.5302144.5490.870163.083307.6320.0002.2762.2

38、763293.9680.716134.175428.1430.0001.8731.8734452.6540.51496.412549.066-0.0271.3461.3195585.9420.28353.002638.9440.0120.7400.752.专业 .整理 .下载可编辑6663.8700.06612.391676.2610.3030.1730.4767701.253-0.154-28.820672.4330.907-0.4020.5058742.111-0.366-68.635673.4761.792-0.9580.8344.7 计算最大抗力值首先求出最大抗力方向内的位移。由式：h

39、ps( yhy) M pEIhs( yhy)MEI并考虑接缝 5 的径向位移与水平方向有一定的偏离，因此将其修正如下s ( y5yi )M php5 psin 5EIs ( y5yi )Mh5Esin5I计算过程列入表 3-11 。表 4-11 最大抗力位移修正计算表截p积分系数面Mp /IM /Iyiy5 -y iM/IM /I(Y5 -Yi )(Y 5-Y i )1/3号072279.549-545.1980.0004.531327498.634-2470.2934160382.314-476.6440.1994.332261576.184-2064.8212228825.600-267.

40、5360.8063.725107375.359-996.57343-13635.33259.7331.7562.775-37838.045165.75824-53103.299438.2903.0121.519-80663.911665.76245-77541.042693.0504.5310.0000.0000.0001621438.869-5000.847位移值为： hp=6.39 × 10-8 × 621438.869× 0.9590=3808.184 × 10-5h=6.39 × 10-8 ×(-5000.847)×0.9590= -30.645×10-5则可得最大抗力h = hp /(1/K-h )= 3808.184 ×10-5 /1/(0.18×106)+ 30.645 ×10-5 =122.06.专业 .整理 .下载可编辑3.8 计算衬砌总内力按下