【《亚迪隧道IV级围岩支护结构设计与计算案例》4700字】

亚迪隧道IV级围岩段采用的衬砌形式为初期支护+二次衬砌的复合式衬砌，初期支护采用喷射混凝土、锚杆、钢筋网以及钢架组成；辅助措施有管棚。根据我国《公路隧道设计规范》，以及类比既往工程，拟采用的初期支护参数如表1.1所示。表1.1初期支护参数围岩级别锚杆钢筋网喷射混凝土钢架辅助施工措施IVΦ22砂浆锚杆L=3.5m100×100cm双层φ8钢筋网20×20cmC25喷射混凝土厚22cmⅠ16工字钢间距100cm拱墙、仰拱超前长管棚根据围岩的级别和隧道的几何尺寸确定计算参数如表1.2。表1.2隧道初期支护设计计算参数围岩级别隧道当量半径(cm)容重γ埋深H(m)粘结（MPa）内摩擦角变形模量E(MPa)泊松比μ初始应力(MPa)IV77520.5380.252815500.340.779①表中，γ，。②表中隧道a是隧道截面被视为圆时的半径，当量半径a计算公式如下： （5-1）式中：B——隧道开挖宽度，cm；F——隧道开挖高度，cm。将数据代入式（5-1）求得：查阅相关规范可知，对于V级围岩，距离洞壁2.5m深的范围为发生径向松弛的有效范围。当隧道松弛时，其等效圆的等效半径（塑性区的塑性半径）可按下式计算：（5-2）式中：对于IV级围岩，W=220cm。将相关数据代入式（5-2）：当隧道由圆等代时，围岩视为各向同性，均匀，连续。初始地应力只需考虑围岩自重应力，侧向压力系数。根据弹塑性理论以及莫尔-库仑强度准则，可得出以下结论：（1）隧道围岩塑性区半径和周围支护力之间的关系：（5-3）式中：；；；，隧道围岩在开挖后达到弹塑性应力平衡时，必须在围岩洞壁上施加的由支护结构所提供的径向支护力；；将数据代入式（5-3）：（2）隧道和之间的关系：当假定隧道围岩区体积不变时，径向位移可按下式计算：（5-4）式中：塑性径向位移；——隧道围岩的泊松比。将数据代入式（5-4）求得：查阅我国《公路隧道设计规范》可知，当围岩等级为IV级，埋深＜50m时，复合式衬砌初期支护的允许洞周相对收敛值为0.15%～0.50%。因此，径向位移应满足：符合要求。（1）由喷射混凝土提供的支护力,以及洞壁允许产生的径向位移的计算：在初期支护的施工中，喷射混凝土按照单次5～6cm的厚度多次施工，直到厚度满足施工要求。在IV级围岩段中，喷射混凝土厚度为22cm，分4层，按照下式进行计算：（5-5）（5-6）式中：、；，取喷射后第三天的强度，17MPa;，取0.33%。将数据代入式（5-5）以及式（5-6），具体计算过程见表1.3.表1.3喷射混凝土各层的支护力和允许的径向位移表项目层数第一层第二层第三层第四层77076576075555660.1100.1110.1330.1352.5252.5082.4882.4720.4899.993（2）注浆锚杆提供的支护阻力和允许洞壁产生的径向位移的计算：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剪切强度所控制，同时剪应力在接触面上的分布是均匀的，则支护阻力可按下式计算： （5-7）式中：；；；；。将数据代入式（5-7），可得：假设在锚杆设置后洞壁即完成全部的弹性变形。此外，注浆锚杆加固后承载环的厚度决定了围岩的最大塑性区（锚杆约束围岩变形后形成的）。围岩塑性区的半径按下式计算： （5-8）将数据代入式（5-8），计算得：径向位移的计算公式如下： （5-9） （5-10） （5-11）将数据代入式（5-9），式（5-10）以及式（5-11），计算得：初期支护和由洞壁的计算通过以上的计算可得： （5-12） （5-13）将由上述计算所得的数据代入式（5-12）以及式（5-13），计算得：经上述计算，，该结果表明初期支护强度足够满足隧道的稳定性要求，同时允许围岩产生一定变形，即发挥了围岩的自承能力，故表4.1所拟定的初期支护参数是合理的。根据隧道大小以及埋深等资料，假定该段隧道为深埋隧道。深埋隧道围岩竖向均布压力按照以下公式计算：（5-14）式中：IV级围岩，则；，；，m；——，，当时取，当时取；——宽度影响系数，可按下式计算： （5-15）将数据代入式（5-14）以及式（5-15），求得：深埋和浅埋隧道的分界，按荷载等效高度值判定，其判定公式如下：（5-16）式中：；，按下式计算： （5-17）——深埋隧道的竖向均布压力，；——围岩容重，。将数据代入式（5-17），可求得：对于IV级围岩，取：隧道埋深由于，故该段隧道为深埋隧道。隧道围岩水平均布压力的计算公式如下： （5-18）对IV级围岩段，取：计算项目：亚迪隧道IV级围岩段衬砌及算（1）计算简图：如图1.1所示图1.1计算简图（2）计算参数：基本参数：如表1.4所示表1.4基本参数规范标准：砼规范GB50010-2010承载力安全系数K：1.00衬砌断面类型：马蹄形每段计算的分段数：10计算迭代次数：10抗力验证要求：高衬砌参数：如表1.5所示表1.5衬砌参数底拱半径：14.000(m)底拱办中心角：18.000(度)底拱厚度：0.600(m)侧拱半径：1.350(m)侧拱角度：51.000(度)侧拱厚度：0.600(m)顶拱半中心角：89.900(度)顶拱拱顶厚度：0.600(m)底拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)侧拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)顶拱围岩弹抗系数：500.000(MN/m3)衬砌的弹性模量：23000.000(MPa)荷载参数：如表1.6所示表1.6荷载参数底部山岩压力(侧)0.000(kN/m)底部山岩压力(中)：0.000(kN/m)侧向山岩压力(上)：49.889(kN/m)侧向山岩压力(下)：49.889(kN/m)顶部山岩压力(侧)：124.722(kN/m)顶部山岩压力(中)：124.722(kN/m)内水压力水头：6.000(m)外水压力水头：0.000(m)外水压力折减系数(β)：0.400顶拱灌浆压力：20.000(kPa)顶拱灌浆压力作用范围角：60.000(度)其它段灌浆压力：0.000(kPa)衬砌容重：24.000(kN/m3)荷载组合参数：如表1.7所示表1.7荷载组合参数编号荷载名称是否计算分项系数1衬砌自重√1.002顶岩压力√1.003底岩压力√1.004侧岩压力√1.005内水压力√1.006外水压力√1.007顶部灌浆压力√1.008其余灌浆压力√1.00配筋参数：如表1.8所示表1.8配筋参数对称配筋：是混凝土等级：C25纵筋等级：HRB335(fy=300MPa,fyk=335MPa)拉结筋计算：计算拉结筋等级：HPB235(fy=210MPa,fyk=235MPa)拉结筋间距：100(mm)配筋计算as：65(mm)配筋调整系数：1.00裂缝计算：计算最大裂缝宽度允许值：0.40(mm)单侧拟采用纵筋直径：20(mm)砼保护层厚度：50(mm)（3）计算结果①衬砌内外侧纵筋如下图1.2所示。图1.2衬砌内外侧纵筋示意图②内力配筋计算计算结论:经过5次计算,各点设定的抗力条件和法向位移一致!底拱计算结果如表1.9所示：表1.9底拱计算结果分段轴向力N/kN剪力Q/kN弯矩M/kN.m切向位移U/mm法向位移V/mm转角W/度围岩抗力/kPa单侧纵筋(配筋率)As/mm²拉结筋面积Av/mm2截面验算0-1380.450.0008.7970.0000.2990.000149.61070.0（0.2%）173.9满足1-1379.541-10.15411.042-0.0530.3010.001150.31070.0（0.2%）173.9满足2-1377.741-19.50917.614-0.1070.3060.001152.81070.0（0.2%）173.9满足3-1374.792-26.81527.911-0.1600.3170.003158.61070.0（0.2%）173.9满足4-1370.798-29.95840.604-0.2150.3400.0025170.21070.0（0.2%）173.9满足5-1361.946-21.65053.186-0.2690.3810.008190.31070.0（0.2%）173.9满足6-1360.554-9.32061.419-0.3260.4440.011222.01070.0（0.2%）173.9满足7-1351.09924.65358.806-0.3840.5340.015266.91070.0（0.2%）173.9满足8-1350.25082.14336.280-0.4460.6490.018324.31070.0（0.2%）173.9满足9-1346.843167.686-17.594-0.5110.7770.019388.51070.0（0.2%）173.9满足10-1341.808281.837-111.489-0.5810.8930.015446.71070.0（0.2%）173.9满足侧拱计算结果如表1.10所示。表1.10侧拱计算结果分段轴向力N/kN剪力Q/kN弯矩M/kN.m切向位移U/mm法向位移V/mm转角W/度围岩抗力/kPa单侧纵筋(配筋率)As/mm²拉结筋面积Av/mm2截面验算0-1369.043-123.954-111.489-0.8160.6850.015342.31070.0（0.2%）173.9满足1-1341.783-97.030-58.182-0.9340.7050.009352.31070.0（0.2%）173.9满足2-1316.180-64.779-16.612-1.0500.6760.006337.81070.0（0.2%）173.9满足3-1293.140-36.1669.074-1.1610.6240.006312.01070.0（0.2%）173.9满足4-1272.629-14.65521.814-1.2660.5670.007283.51070.0（0.2%）173.9满足5-1254.436-0.50721.420-1.3650.5140.009256.91070.0（0.2%）173.9满足6-1238.3727.42223.411-1.4580.4670.011233.61070.0（0.2%）173.9满足7-1224.32310.45318.634-1.5470.4270.012213.41070.0（0.2%）173.9满足8-1212.2219.38813.368-1.6310.3900.013194.91070.0（0.2%）173.9满足9-1201.9614.2419.680-1.7120.3530.014176.71070.0（0.2%）173.9满足10-1193.325-1.6639.820-1.7890.3160.015158.01070.0（0.2%）173.9满足顶拱计算结果如表1.11所示：表1.11顶拱计算结果分段轴向力N/kN剪力Q/kN弯矩M/kN.m切向位移U/mm法向位移V/mm转角W/度围岩抗力/kPa单侧纵筋(配筋率)As/mm²拉结筋面积Av/mm2截面验算0-1193.314-7.7469.820-1.7890.3130.015156.41070.0（0.2%）173.9满足1-1172.70211.6827.012-1.9270.3050.016152.61070.0（0.2%）173.9满足2-1141.59848.971-26.251-2.0610.2880.015143.81070.0（0.2%）173.9满足3-1114.21767.845-90.871-2.1840.1740.00787.01070.0（0.2%）173.9满足4-1073.7429.161-131.109-2.269-0.192-0.0100.01070.0（0.2%）173.9满足5-1021.508-40.345-117.048-2.267-0.900-0.0290.01070.0（0.2%）173.9满足6-964.930-67.491-59.217-2.125-1.893-0.0420.01070.0（0.2%）173.9满足7-911.452-73.05711.402-1.811-3.000-0.0450.01070.0（0.2%）173.9满足8-867.796-60.10381.837-1.326-4.005-0.0370.01070.0（0.2%）173.9满足9-839.307-33.618131.328-0.702-4.704-0.0210.01070.0（0.2%）173.9满足10-829.4170.000153.0680.000-4.9550.0000.01070.0（0.2%）173.9满足（4）配筋结果：衬砌；。截面尺寸(抗剪)验算：满足。（5）计算结果图示：如以下各图所示。图1.3变形图（mm）图1.4抗力分布图（kPa）图1.5轴力图（kN）图1.6剪力图（kN）图1.7弯矩图（kN.m）图1.8切向位移图（mm）图1.9法向位移图（mm）图1.10转角位移图（度）衬砌截面的配筋采用HRB335钢筋，查阅《混凝土结构设计规范》可知。根据上述章节利用理正软件计算所得的内力图可知，衬砌所受最大正弯矩为，轴力为；最小负弯矩为，轴力为。（一）截面承受最大正弯矩的配筋计算矩形截面配筋计算的初始数据：，，，，；；初始偏心距的计算 （5-20）附加偏心距；此时的初始偏心距为：；根据计算模型和规范要求，这里的偏心距增大系数取值为1.0；配筋计算：由（1）中可得偏心距：；大小偏心距的判别可按下式计算： （5-21）因此，可按小偏心受压构件计算。假设距离轴力较近的纵向受压钢筋的面积为；距离轴力较远的钢筋的面积为；这两部分的钢筋均采用HRB335型号。根据平衡方程可得： （5-22） （5-23）由于故取：查钢筋截面计算表，这里可以取4根直径20mm的HRB335钢筋，计算面积。接下来求：查阅相关规范可知。则有：于是：接下来求：按照规范要求，钢筋混凝土的配筋不得小于规定的最小配筋。因此，应取。查钢筋截面计算表，这里可以取4根直径20mm的HRB335钢筋，计算面积。配筋率为：满足要求。（二）截面承受最大负弯矩的配筋计算矩形截面配筋计算的初始数据：，，，，；；（1）初始偏心距的计算 附加偏心距；此时的初始偏心距为：；根据计算模型和规范要求，这里的偏心距增大系数取值为1.0；（2）配筋计算：由（1）中可得偏心距：；大小偏心距的判别可按下式计算： 因此，可按小偏心受压构件计算。假设距离轴力较近的纵向受压钢筋的面积为；距离轴力较远的钢筋的面积为；这两部分的钢筋均采用HRB335型号。根据平衡方程可得： 由于故取：查钢筋截面计算表，这里可以取4根直径20mm的HRB335钢筋，计算面积。接下来求：查阅相关规范可知。则有：于是：接下来求：根据规范要求，钢筋混凝土的配筋不应小于规定的最小配筋。因此应