【《隧道支护衬砌设计案例分析》5800字（论文）】

第页隧道支护衬砌设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u21145隧道支护衬砌设计案例分析 1240401.1总体设计原则 1100581.2初期支护验算 4100221.3围岩压力及衬砌计算 9311601.3衬砌结构计算 964051.3.1计算参数 935261.3.2深浅埋判定 9124051.3.3隧道衬砌安全系数确定 1168471.4衬砌内力计算 1295531.4.1断面1：Ⅴ级围岩浅埋 12102351.4.2断面2：Ⅴ级围岩深埋 19319501.4.3断面3Ⅳ级围岩深埋 25235751.5配筋计算 321.1总体设计原则隧道采用“新奥法”原理设计，拟定的支护参数参见表5-1。衬砌应具有足够的强度与稳定性，保证隧道长期安全使用。根据工程技术标准，采用以新奥法为基础的复合式衬砌，以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、格栅钢架、工字钢钢架等组成的初期支护与二次模筑混凝土相结合。支护结构分期施作，以达到最佳的经济效果。二次衬砌在初次支护基本稳定后施作，初次支护承受主要荷载，二次衬砌承受部分荷载，主要作为安全储备作用，二者之间还有一层防水层，起防水作用（实际内力计算时假设荷载完全由二次衬砌承担）。表5-1隧道复合式衬砌的设计参数围岩级别初期支护二次衬砌厚度（cm）喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架拱墙混凝土仰拱混凝土拱部边墙仰拱位置长度间距Ⅰ5-局部2.030-Ⅱ5-8-局部2.0-2.530-Ⅲ8-12-拱、墙2.0-3.01.0-1.5局部@25*25-35-Ⅳ12-15-拱、墙2.5-3.01.0-1.2拱墙@25*25拱、墙3535Ⅴ15-25-拱、墙3.0-4.00.8-1.2拱墙@20*20拱、墙、仰拱4545Ⅵ通过实验、计算确定初期支护采用锚喷支护，由喷射混凝土、锚杆、钢筋网与钢架等支护形式组合使用，初期支护必须与周围岩体大面积牢固接触，保证支护-围岩作为一个统一的支护体系而共同工作。因此应允许围岩与初期支护结构产生有限的变形，以充分发挥围岩的承载作用而减少支护结构的受力，对围岩的变形进行监控量测及时调整和修正支护参数与施工方法，适应不断变化的围岩，根据围岩的变形情况及时施作。二次衬砌采用模筑混凝土，衬砌截面采用连接圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度与拱墙厚度相同。采用工程类比法进行设计，并通过计算进行验算。隧道复合式衬砌参数以及预留变形量按下表选取：表5-2预留变形量（mm）围岩级别双车道隧道三车道隧道四车道隧道ⅠⅡ-10-5030-80Ⅲ30-5050-8080-120Ⅳ50-8080-120120-150Ⅴ80-120100-150150-250Ⅵ现场监测确定表5-3隧道复合式衬砌设计参数围岩级别初期支护二次衬砌现浇混凝土厚度喷射混凝土厚度（cm）锚杆（m）钢筋网钢架间距（cm）拱、墙仰拱拱、墙仰拱位置长度纵向间距Ⅵ通过试验计算确定Ⅴ20-2515-20拱、墙3.0-3.50.6-0.820*2060-8045（钢筋混凝土）20-255-10拱、墙3.0-3.50.8-1.020*2080-10045Ⅳ20-22-拱、墙2.5-3.00.8-1.020*20100-1204018-20-拱、墙2.5-3.01.0-1.220*20120-1504015-18-拱、墙2.5-3.01.0-1.225*25局部35-Ⅲ10-12-拱、墙2.5-3.01.0-1.225*25-35-8-10-拱、墙2.5-3.01.2-1.525*25-35-Ⅱ5-8-局部2.0-2.5-局部-30-Ⅰ530-最终设计选用如表：表5-4衬砌结构设计选用参数表围岩等级初期支护二次衬砌预留变形量Ⅳ级围岩深埋段φ20药卷锚杆L=3.0m，φ6.5钢筋网25cm*25cm，格栅拱架间距120cm，20cm厚度C25喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚40cm7cmⅤ级围岩浅埋段φ25中空注浆锚杆L=3.5m，φ6.5钢筋网20cm*20cm，I20b型钢拱架间距60cm，28cm厚度C25喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚50cm12cmⅤ级围岩深埋段φ25中空注浆锚杆L=3.5m，φ6.5钢筋网20cm*20cm，I18型钢拱架间距80cm，21cm厚度C25喷射混凝土C30防水钢筋混凝土，衬砌厚50cm10cm防水层均选用无纺土布与防水板。1.2初期支护验算根据隧道围岩的地质条件，按最不利v级围岩进行：φ25中空注浆锚杆L=3.5m，φ6.5钢筋网20cm*20cm，I18型钢拱架间距80cm，21cm厚度C25喷射混凝土，Ⅴ级围岩的松弛范围W=220cm:（1）隧道围岩塑性半径Rp与周边支护阻力Pi的关系：(1)其中：塑性区半径又知：B=1187cm=11.87mF=872cm=8.72m（隧道高度）则又已知：则公式（1）右边又隧道当量半径其中W=0则公式（1）转化为计算得：隧道周边的径向位移和隧道围岩塑性区半径的关系：当假定塑性区围岩体积不变时，可近似的按下式计算：（2）已知：故（3）隧道周边设计与支护阻力与隧道周边的径向位移的关系：由式（1）和式（2），将（1）式代入（2）中得到式（3）由已知数据：整理得：由该式可知，隧道周边径向位移的大小与支护阻力的关系：当增大时，周边径向位移减小；当减小时，周边径向位移增大，也就是说荷载值与围岩的变形成反比。3.计算初期支护能提供的支护阻力和允许隧道洞壁产生的总径向位移。计算喷射混凝土提供的支护阻力和喷层允许洞壁产生的径向位移。支护阻力按薄壁圆筒计算：当喷射混凝土为多层时（分三层喷）：1）喷射第一层混凝土时，，则：2）喷射第二层混凝土时，，则：3）喷射第三层混凝土时，，则：（2）计算砂浆锚杆（系统锚杆）所提供的支护阻力和锚杆允许洞壁产生的径向位移。假定砂浆锚杆对洞壁提供的支护阻力受砂浆与围岩之间的抗剪强度所控制，并且在其接触面上的剪应力分布是均匀的，则：假定锚杆设置后洞壁弹性变形已全部完成，同时围岩的最大塑性区取决于锚杆加固后承载环厚度。锚杆约束后围岩的塑性区半径按下式计算确定：式中：B=11.87mF=8.75m则则：（3）钢支撑能提供的支护阻力和钢支撑允许洞壁产生的位移的计算按受等距离分布集中荷载的薄壁圆筒原理来计算。1）计算支护阻力：查阅资料得知：χ=0.65cm选定钢材为HRB335型钢则:s=0.75m=75cmtB=2cm则：又查得：钢材弹性模量ES=2.0×105MPa取垫块弹性模量EB=2.8×104MPa钢支撑翼缘宽度W=4.38cm则钢支撑刚度：钢支撑最大位移：由以上各式可得：4.校核：（1）初期支护提供的总支护阻力应大于或等于隧道的设计支护阻力Pi：满足要求（2）初期支护允许洞壁产生的径向位移应大于或等于围岩达到设计塑性区时洞壁产生的塑性位移：满足要求1.3围岩压力及衬砌计算1.3衬砌结构计算1.3.1计算参数围岩的物理力学参数根据规范按围岩取值，如表5-5，本铁路隧道围岩计算断面为Ⅴ级，按平均值取值，水平压力系数见表5-6所示取值。表5-5各级岩质围岩的基本物理力学参数表5-6围岩水平压力围岩级别ⅣⅤⅥ水平均布压力(0.15～0.3)q(0.30～0.5)q(0.5～1.0)q1.3.2深浅埋判定（1）隧道深浅埋判定(1.1)式中：；；考虑预留变形量和超挖的影响，坑道宽度B按14m计算。本隧道Ⅳ级围岩：Ⅴ级围岩：本公路隧道Ⅳ级围岩最大埋深必大于临界深度，按深埋隧道考虑；进口段Ⅴ级围岩埋深小于Hp，大于hq，按浅埋围岩压力计算；洞身段Ⅴ级围岩埋深按大于Hp，按深埋围岩压力计算。1）断面2：Ⅴ级围岩深埋隧道围岩压力计算①解得：②2）断面3：Ⅳ级围岩深埋隧道围岩压力计算：①解得：②3）断面1：Ⅴ级围岩浅埋隧道（洞口段）围岩压力计算①垂直压力产生最大推力时的破裂角侧压力系数则垂直压力：②侧向压力按公式计算为内外侧任意点到实际地面高度隧道围岩的平均压力为：1.3.3隧道衬砌安全系数确定一般来说，隧道衬砌的内力求出后，安全系数计算根据《公路隧道设计规范》（JTGD3370.1—2018）规定，按下式检算。当由抗压强度控制，即QUOTEe=MN≤0.2h时式中：K——混凝土结构强度安全系数；N——轴向力，kN；φ——构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌，可取φ=1；α——轴向力的偏心影响系数,按附注多项式计算得到；b——截面宽度，m（通常取1m）；h——截面厚度；e——计算截面的偏心距（m），e=My——计算截面重心至受压边缘的距离（m）；——混凝土抗压极限强度，kPa。当由抗拉强度控制，即QUOTEe=MN≥0.2h时式中：——混凝土抗拉极限强度，kPa。1.4衬砌内力计算1.4.1断面1：Ⅴ级围岩浅埋1.建模取隧道二次衬砌中轴线，等分为80个单元，80个节点。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。（4）施加约束对于围岩弹性反力进行模拟，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，如下表所示：表5-7Ⅴ级围岩浅埋节点荷载序号fx（N）fy（N）113668.7358561.05222729.3755536.1934510.0853879.9046290.7851931.9058064.7149019.9069828.8644774.20711594.0140279.68813351.3938498.97915094.2134604.21017029.4429502.141118554.5324082.271225248.6719634.401340178.5917037.211454501.9811601.791561594.696104.161663529.9258561.051764206.4355536.191864789.6353879.901965450.59-2400.62064704.09-8330.0822163724.32-15507.872261251.55-21761.432361998.04-29731.432462417.95-37534.382558561.05-43270.812655536.19-48864.212753879.90-55909.972851931.90-62667.662949019.90-65956.483044774.20-72570.133140279.68-78799.693238498.97-80864.213334604.2-84969.233429502.14-89566.383524082.27-93227.303619634.40-95671.913717037.21-94704.673811601.79-98604.64396104.16-101977.484058561.05-100154.034155536.19-99732.924253879.90-99600.8943-11889.50-98928.7244-16461.79-96936.2245-20971.87-94831.7046-25380.86-92231.0547-29657.66-89158.2848-33764.39-85594.3949-36788.25-82748.6850-41446.08-77144.2851-45870.62-71117.7752-48242.30-67060.7653-51267.16-61491.3654-54019.87-55574.8955-56694.81-49512.3756-58669.92-42910.7257-60334.98-36081.0158-62071.80-29347.3359-63288.86-22301.5760-64171.32-15159.7861-64719.64-7934.9862-64921.82-2148.5363-64781.8558561.0564-64291.9655536.1965-63471.4853879.9066-61368.1951931.9067-53891.4549019.9068-39214.3644774.2069-24852.0940279.6870-18452.4438498.9771-16726.1734604.272-14992.1229502.1473-13250.3024082.2774-11500.7019634.4075-9731.5517037.2176-7962.6211601.7977-6632.926104.1678-4416.7658561.0579-2181.0555536.1980-864.1353879.90将荷载添加到每个单元：图1.1节点荷载图4.求解及计算结果分析（1）变形图图1.2变形图（2）轴力图图1.3轴力图(N)（3）剪力图图1.4剪力图(N)（4）弯矩图图1.5弯矩图(N•m)查询计算的衬砌轴力，仰拱底部为轴力最大部位，其大小为1732kN，拱顶为轴力最小部位，其值为1184.6kN，轴力总体上可看做从拱底至拱顶逐渐减小的变化趋势。分析衬砌弯矩，拱顶为正弯矩最大部位，其值为202kN•m，负弯矩最大部位为拱肩，为-310kN•m。（内侧拉为正，压为负）各节点轴力及弯矩见下表：挑选具有代表性的衬砌受力如拱底、拱顶等进行分析及计算，得到以下结果：表5-8典型节点内力、安全系数表位置单元混凝土结构厚度（m）轴力（kN）弯矩（kN•m）安全系数拉压控制是否安全拱顶40C300.5-1184.62021.69拉否拱肩30C300.5-1220-201.379.59压是边墙20C300.5-1521.211.458.55压是拱脚10C300.5-1637134.457.97拉是拱底1C300.5-173254.727.51压是由以上结果可知，隧道衬砌拱顶的安全系数小于规范规定值，受拉控制，因此应进行配筋来保证安全系数，以保证结构安全。1.4.2断面2：Ⅴ级围岩深埋1.建模取隧道二次衬砌中轴线，等分为80个单元，80个节点。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数；；。（3）定义材料特性；；。4.施加约束模拟围岩弹性反力，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，见下表4-9所示：表5-9Ⅴ级围岩深埋节点荷载序号fx(N)fy(N)136696.80-20034.98216619.51-21828.83326676.12-24592.62436732.72-27217.98546784.71-28621.2565832.09-30420.1076879.47-32054.4587922.23-33640.6798951.77-34812.631010104.66-35800.021111009.00-36834.561214981.65-37554.341323840.53-38079.341432339.52-38402.321536547.49-38522.281637696.38-38439.231738097.79-38148.551838444.84-37664.081938836.03-2306.882038394.09-8004.872137811.73-14902.442236344.47-20911.862336787.42-28570.702437036.57-36068.062534748.03-41581.512632954.18-46956.542731970.40-53727.232830816.90-60221.102929086.65-63381.523026567.41-69736.983123900.52-75724.333222844.91-77707.253320532.3-81652.013417501.51-86069.693514289.55-89587.683611650.35-91940.703710109.27-91006.41386884.08-94751.09393621.99-97996.26401361.13-96244.0341-1421.11-95839.3242-4267.95-95712.4543-7054.80-95066.5244-9767.83-93151.8145-12444.95-91134.2946-15060.09-88630.3247-17597.79-85677.5248-20034.98-82251.8049-21828.83-79518.1550-24592.62-74131.5851-27217.98-68341.3252-28621.25-64442.6953-30420.10-59090.7354-32054.45-53404.2755-33640.67-47579.456-34812.63-41231.4857-35800.02-34672.4058-36834.56-28201.6059-37554.34-21430.9160-38079.34-14567.9461-38402.32-7624.2362-38522.28-2064.6563-38439.23-20034.9864-38148.55-21828.8365-37664.08-24592.6266-36414.68-27217.9867-31979.63-28621.2568-23268.40-30420.1069-14746.34-32054.4570-10949.02-33640.6771-9924.71-34812.6372-8891.79-35800.0273-7862.25-36834.5674-6824.10-37554.3475-5776.72-38079.3476-4724.73-38402.3277-3931.74-38522.2878-2620.75-38439.2379-1296.53-38148.5580-512.15-37664.08将荷载添加到每个单元后计算得到：4.求解及计算结果分析（1）变形图图1.6变形图（2）轴力图图1.7轴力图(N)（3）剪力图图1.8剪力图(N)（4）弯矩图图1.9弯矩图(N•m)分析衬砌轴力，仰拱底部为轴力最大部位，其大小为1692.1kN，拱顶为轴力最小部位，其值为1024.1kN，轴力总体上可看做从拱底至拱顶逐渐减小的变化趋势。分析衬砌弯矩，拱顶为正弯矩最大部位，其值为244.53kN•m，负弯矩最大部位为拱肩，为-290.35kN•m。（内侧拉为正，压为负）挑选具有代表性的衬砌受力如拱底、拱顶等进行分析及计算，得到以下结果：表5-10典型节点内力、安全系数表位置单元混凝土结构厚度（m）轴力（kN）弯矩（kN•m）安全系数拉压控制是否安全拱顶40C300.5-1024.10244.530.84拉否拱肩30C300.5-1271.20-168.291.95拉否边墙20C300.5-1508.9040.967.75压是拱脚10C300.5-1564.10-141.841.78拉是拱底1C300.5-1624.3024.697.20压是由以上结果可知，明洞衬砌拱顶的安全系数小于规范规定值，受拉控制，因此应进行配筋来保证安全系数，以保证结构安全。1.4.3断面3Ⅳ级围岩深埋1.4.3.1Ⅳ级围岩深埋手算（结构力学方法）1.建模取隧道二次衬砌中轴线，等分为80个单元，80个节点。2.定义材料（1）定义单元类型荷载-结构模型中的二次衬砌采用梁单元，本隧道设计计算采用Beam3单元类型，计算后可直接读取弯矩与轴力。（2）设置单元实常数单元截面面积：；截面惯性矩：；截面高度：。（3）定义材料特性C30混凝土弹性模量；泊松比；材料密度：。3.施加约束模拟围岩弹性反力，施加径向杆单元，选择Link10单元，长度为1m，弹性模量，将杆单元外端采用固端约束。通过计算得出的衬砌内力，将垂直、水平的面荷载转换为节点荷载并将荷载施加到模型中，如下表所示：表5-11Ⅳ级围岩深埋节点荷载序号fx(N)fy(N)115509.59-50341.17245547.31-48962.44315539.15-47331.21413330.98-45438.73513321.55-43928.56616310.84-40952.84713900.13-37754.1821848.14-35600.36924473.61-32643.751024790.93-29502.361130440.71-26284.51241437.97-22779.9136584.82-19154.23148932.26-15579.541510094.52-11839.171610411.84-50341.171710522.72-48962.441810618.30-47331.211910726.62-1274.42010604.28-4422.162110443.70-8232.622210038.44-11552.432310160.79-15783.442410229.60-19921.24259597.50-22971.06269101.76-25940.41278830.31-29680.77288511.71-33268.21298033.81-35014.14307337.99-38521.11316601.39-41832.18326309.55-42928.16335671.08-45107.38344831.07-47547.86353946.81-49491.32363217.86-50791.21372792.21-50271.08381901.40-52341.98391000.40-54136.5140371.94-53167.9641-392.51-52944.9442-1178.82-52874.8543-1948.55-52518.0244-2697.90-51460.2745-3437.05-50341.1746-4159.64-48962.4447-4860.56-47331.2148-5533.44-45438.7349-6029.18-43928.5650-6792.55-40952.8451-7517.68-37754.152-7906.37-35600.3653-8402.11-32643.7554-8853.25-29502.3655-9291.65-26284.556-9611.34-22779.957-9888.06-19154.2358-10173.53-15579.5459-10372.34-11839.1760-10517.62-8047.8361-10606.83-4211.8962-10639.96-1140.5863-10617.02-50341.1764-10536.73-48962.4465-10402.92-47331.2166-10057.56-45438.7367-8832.86-43928.5668-6426.79-40952.8469-4072.98-37754.170-3024.15-35600.3671-2741.23-32643.7572-2457.04-29502.3673-2171.57-26284.574-1884.83-22779.975-1591.54-19154.2376-1304.98-15579.5477-1087.06-11839.1778-723.85-50341.1779-358.10-48962.4480-141.45-47331.21将荷载添加到每个单元。4.求解及计算结果分析（1）变形图图1.10变形图（2）轴力图图1.11轴力图(N)（3）剪力图图1.12剪力图(N)（4）弯矩图图1.13弯矩图(N•m)分析衬砌轴力，仰拱底部为轴力最大部位，其大小为567.54kN，拱顶为轴力最小部位，其值为960.45kN，轴力总体上可看做从拱底至拱顶逐渐减小的变化趋