【天水2号公路隧道的隧道支护结构设计计算案例7400字】

天水2号公路隧道的隧道支护结构设计计算案例 11.1深浅埋判定 21.1.1隧道深浅埋判定 21.1.2围岩压力计算方法 31.1.3围岩压力的计算 41.2初期支护设计 55.2.1轴对称条件下喷层上围岩压力的计算 55.2.2锚喷支护的计算与设计 85.2.3V级围岩锚喷支护验算 1.3二次衬砌结构设计 5.3.1计算参数 5.3.2荷载计算 5.3.3V级围岩衬砌数值法验算 5.3.4V级围岩衬砌ANSYS软件验算 5.3.5衬砌配筋计算 48天水2号公路隧道为高速公路隧道，依据《公路隧道设计规范》规定，本隧道洞围岩级别V现场量测确定工2两车道隧道复合式衬砌设计参数可按表4.2取值。初期支护二次衬砌厚度(cm)围岩级别喷射混凝土厚度(cm)锚杆(m)位置长度间距钢筋网钢架混凝土混凝土间距间距I5一局部一一一一一Ⅱ一局部一一一一一Ⅲ局部一一一0或35~40V0或35~50混凝土混凝土计算确定1.1.1隧道深浅埋判定天水2号公路隧道右线隧道全长4610m,纵坡取值为1.0%;左线隧道全长4670m,纵坡取值为1.0%;最大埋深约为256m,洞轴线方位角约199°。隧道洞□及洞身所3i—B每增加1m时的围岩压力的增减率(以B=5m为基准),当B<5m时取i=0.2,当B>5m时，取i=0.1。深浅埋隧道分界深度：Hmn>H=2.5h₄=28.98m。V级围岩参数取值见表1.3。围岩级别泊松比μV4围岩级别ⅢV(3)支护参数本隧道所处地段均为V级围岩。根据3.3横断面设计中图3.5可知Ri=1.55m,H=8.65m。根据规范，初期支护厚度d₁=0.2m,二次衬砌厚度d₂=0.45m,预留变形量e=0.1m,围岩侧压力系数λ=0.4,围岩容重y=20kN/m³。(1)支护参数计算(2)竖向围岩压力计算(3)水平围岩压力计算5假定集中力分布于锚固区内外端2个同心圆上(图1.1所示),则支护对洞壁的附加阻力pi,锚杆内端分布力为pi(ro/re)(ro为锚杆加固圈的内半径，re为锚杆加6由r=r₀时，σ,=Pa+p;得积分常数：7M一弹塑性边界上的应力差，M=σ₁-σ,=2o₂sinφ+2ccosφ。因锚杆是集中荷载，其围岩变形实际上是不均匀的，如图1.2所示，在加锚处的8个小于1的系数，即：式中的k与岩质的锚杆间距有关，岩石好时可取1,岩质差时取4/5~1/2。由Q即能算出pi,即上式要求锚杆拉力小于锚杆锚固力。计算时，需9(1)锚杆的计算与设计锚杆抗拉安全系数K1应在1~1.5之间。这种条件可以保持锚杆的实际加固区厚度，防止锚杆之间围岩的坍塌(图1.3)。(2)喷层的计算与设计松动区内滑移体的重力W为：要求K₂值应在2~4.5之间。作为喷层强度校核，要求喷层内壁切向应力小于,其中r₁为喷混凝土内壁半径；5.2.3V级围岩锚喷支护验算(1)计算参数重度γ=20kN/m³,变形模量E=1GPa,泊松比μ=0.35,内摩擦角φ=25°,黏锚杆杆体材料选用直径20mmHPB300钢筋，锚杆间距Sa=1.0m,S₆=1.0m。锚截面面积As弹性模量Eb抗剪强度Ta安全系数k标号弹性模量Ec剪切模量Ge泊松比μc因喷层厚度d=0.2m,故r=5.275m。围岩的初始位移取预留变形量的0.5倍，(2)确定围岩塑性区加锚后的C₁、φ1值(3)计算Pi、Pa、Ro、Q'及u²。故锚杆抗拉安全系数K1满足要求。(4)锚杆长度计算得R²=8.26m,故r。>R=8.675m。(5)围岩稳定性安全度计算(6)喷层强度校核计算(7)喷层厚度ds验算k₃—喷层安全系数，取1.2天水2号公路隧道左右双线洞口、洞身段均为V级围岩，在根据规范要求及工程类比法确定支护参数后，通过数值法及ANSYS模拟法进行验算。(1)计算参数泊松比μ弹性模压强度设计值轴心抗压强度标准值轴心抗轴心抗拉强度标准值极限抗压强度极限抗拉强度弯曲抗压强度设计值r₁=5.55m,R₁=6.0m,α₁r₂=8.5m,R₂=8.95m,α₂=14截面厚度d=0.45m。即5.3.3V级围岩衬砌数值法验算(1)绘制分块图块图如图1.1所示。e(2)计算半拱轴线的长度(3)计算各分段截面中心的几何要素①各截面与竖直轴的夹角φi00010012345678(4)计算基本结构的单位位移δik积分系数011422344254627481∑(5)计算主动荷载在基本结构中产生的位移△1p和△2pb,一相邻两截面之间的衬砌外缘的水平投影(由分块图量取)h一相邻两截面之间的衬砌外缘的竖直投影(由分块图量取)因相邻截面厚度d相同，故自重力W₁=d△syh。分块上各集中力对下一分点的截面形心的力臂由分块图上直接量取(如图1.5),Y×表1.11M计算过程表(一)集中力(kN)力臂(m)000000000012345678000表1.12M计算过程表(二)00000000100002345678N0010000012345678④墙底(弹性地基梁上的刚性梁)位移计算M积分系数000100011422344254627481∑(6)解主动荷载作用下的力法方程(7)求主动荷载作用下各截面的内力，并校核计算精度积分系数0011422344254627481∑(8)求单位弹性反力、相应摩擦力作用下，基本结构中产生的变化△以及△₂函数法可假定拱部弹性抗力按抛物线分布，其中抗力零点位于拱顶两侧45°附近，抗力最大点位于拱脚。所以，最大弹性反力零点假定在截面3,即4₃=46,最大弹性反力值假定在截面6,即φ₆=n。②各分块上的弹性反力集中力Ri'将Ri分解成水平和竖直方向上的分力：△S外45678表1.17M-(σh)的计算过程表4567845671.65780.9093550.9799240.999618D⑤计算Ri作用下产生的荷载位移△和△2经校核，△+△₂=△,故计算结果正确。(9)解单位弹性反力和摩擦力作用下的力法方程表1.19△和△=计算过程表积分系数4254627481∑MMNN001010402020304042054627481∑积分系数01142234425462∑X₂=X₂p+X₂=oh=1078.302(12)计算衬砌截面总的内力，并校核计算精度①衬砌各截面内力N₁=Np+N=oh即即MNNe积分系数011422344254627481∑采用ANSYS19.1软件进行验算，根据隧道二次衬砌内轮廓图建立模型；内(1)参数设定拱形二次衬砌结构选用Beam3的梁单元类型。截面形状Sub-Type:矩形；平移截面节点的位置OffsetTo至Centroid(质心);截面宽度B=1;截面高度H=0.45。④材料属性MaterialProps>Material泊松比PRXY=0.2;密度DENS=2500。拱部半圆弧段划分为40段，边墙每段划分为8段，仰拱划分为20段，共计76个单元，如图1.8所示。(3)施加径向弹簧与约束对墙底同时施加竖直位移进行约束，本模型选取节点26、40进行约束。施加径向弹簧及墙底节点约束后如图1.9所示。(4)施加荷载对模型施加围岩竖直荷载与水平荷载，惯性荷载(重力加速度)取9.8。施加荷载后如图1.10所示。图1.12变形图(弹簧均处受压状态时)5五4014142143h3414145146147-743732-567143-390555-MIN=-.134E+07图1.12所示，最大变形处位于拱顶位置处；图1.13所示，最大正弯矩出现1-0.25873E+007-0.25877E+007-8157.3-17754.5-0.65622E+006-0.2-0.25200E+007-0.25211E+007-42211.4-51748.4-0.644933-0.24746E+007-0.24765E+007-83281.1-927004-0.24519E+007-0.24545E+007-0.12665E+006-0.135905-0.24515E+007-0.24548E+007-0.16762E+006-0.24723E+007-0.24763E+007-0.20158E+006-0.21030E+006-0.26308E+006-83691.77-0.25124E+007-0.25171E+007-0.22423E+006-0.23261E+006-83691.10.11528E+0068-0.25692E+007-0.25745E+007-9-0.26395E+007-0.26454E+007--0.27193E+007-0.27258E+007-0-0.28044E+007-0.28115E+007-0-0.28902E+007-0.28977E+007-49961.2-55910.3-0.30441E+007-0.30525E+0070.18887E+0060.18417E+006-0.31024E+007-0.31112E+0070.34496E+0060.34093E+006-0.31420E+007-0.31510E+0070.52315E+0060.51982E+006-0.31586E+007-0.31678E+0070.72067E+0060.71806E+006-0.31804E+007-0.31898E+007-82863.5-84744.8-0.32328E+007-0.32423E+007--0.32762E+007-0.32858E+007-0-0.32924E+007-0.33004E+007-82959.7-82794.4-0.33033E+007-0.33112E+007-79351.3-78848.4-0.33161E+007-0.33240E+007-0-0.33365E+007-0.33444E+007-0.34486E+007-0.34555E+007-0.36779E+007-0.36839E+007-92158.5-88237.2-0.38734E+007-0.3878-0.38324E+007-0.38355E+0070.13289E+0070.13353E+007-0.17798E+006-0.18101E+006-0-0.27184E+006-0.27456E+006-0-0.36706E+006-0.36946E+006-0.12570-0.25877E+007-0.5.3.5衬砌配筋计算(1)计算参数二次衬砌采用钢筋混凝土结构，混凝土采用C30