隧道综合项目工程专业课程设计.doc

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，变形模量。 2隧道洞身设计2.1隧道建筑界限及内轮廓图拟定该隧道横断面是依照两车道一级公路III级围岩来设计，依照公路隧道设计规范拟定隧道建筑限界如下：W行车道宽度；取3.752mC余宽；因设立检修道，故余宽取为0mJ检修道宽度；双侧设立，取为1.02mH建筑限界高度；取为5.0m左侧向宽度；取为1.0m右侧向宽度；取为1.0m建筑限界左顶角宽度；取1.0m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）依照规范规定，隧道衬砌构造厚度为45cm（一次衬砌为10cm和二次衬砌35cm）通过作图得到隧道尺寸如下：图2 隧道内轮廓图得到如下尺寸:3隧道衬砌构造设计3.1支护办法及衬砌材料依照公路隧道设计规范（JTG-），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构造，衬砌截面宜采用连结圆顺等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相似。由规范8.4.2-1，对于两车道级围岩：初期支护：拱部边墙喷射混凝土厚度为8-12cm，拱墙锚杆长度为2.5-3m，锚杆间距为1.0-1.2m；二次衬砌厚度：拱墙混凝土厚度为35cm因而拟定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护，依照规范规定，采用锚喷支护，锚杆采用普通水泥砂浆锚杆，规格HRB202.5m，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EVA板防水层，厚度为2.0mm，搭接长度为150mm。二次衬砌：依照公路隧道设计规范，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隧道深浅埋拟定及围岩压力计算隧道内轮廓尺寸为B=12.10m，H=10.50m由于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，故隧道近似开挖尺寸为：由于是级围岩深浅埋隧道分界深度等效荷载高度跨度影响系数；i围岩压力增减率，当取i=0.1埋深故为深埋隧道。又可用公式计算均布垂直压力：由于该隧道围岩级别为围岩水平均布压力为： 4衬砌构造内力计算4.1基本资料公里级别 一级公路围岩级别 级围岩容重 r=25KN/m3弹性抗力系数 K=0.18106KN/m变形模量 E=10GPa材料容重 材料变形模量 衬砌厚度 d=0.45m图3 衬砌构造断面图4.2荷载拟定4.2.1围岩压力拟定经前面计算可得,可用公式计算均布垂直压力：级围岩不考虑一衬后围岩释放变形折减系数4.2.2衬砌自重（1）所有垂直荷载q=82.125+9.9=92.025KN/m2（2） 围岩水平均布压力e0.1592.025=13.80KN/m24.3衬砌几何要素4.3.1衬砌几何尺寸内轮廓线半径： 内径所画圆曲线端点截面与竖直轴线夹角：拱顶截面厚度，拱底截面厚度4.3.2半拱轴线长度S及分段轴长将半拱轴长度等分为8段，则4.4计算位移4.4.1单位位移用辛普生法近似计算，按计算列表进行，单位位移计算列表见表4-1表4-1单位位移计算表 截面sincosxyd1/Iy/Iy2/I(1+y)2/I积分系数1/300.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.450 131.687 0.000 0.000 131.687 1 114.760 0.255 0.967 1.584 0.199 0.450 131.687 26.206 5.215 189.314 4 229.520 0.493 0.870 3.056 0.806 0.450 131.687 106.140 85.549 429.516 2 344.280 0.698 0.716 4.331 1.756 0.450 131.687 231.243 406.062 1000.235 4 459.040 0.858 0.514 5.320 3.012 0.450 131.687 396.642 1194.686 2119.657 2 573.572 0.959 0.283 5.982 4.531 0.450 131.687 596.675 2703.534 4028.571 4 686.209 0.998 0.066 6.263 6.107 0.450 131.687 804.214 4911.335 6651.450 2 798.846 0.988 -0.154 6.194 7.700 0.450 131.687 1013.992 7807.737 9967.407 4 8111.483 0.931 -0.366 5.773 9.232 0.450 131.687 1215.737 11223.681 13786.841 1 1053.498 3767.396 22432.337 31020.628 注：1 I-截面惯性矩，I=bd3/12,b取单位长度 2不考虑轴力影响单位位移值计算如下：计算精度校核：闭合差 4.4.2载位移积极荷载在基本构造中引起位移1）每一块上作用力(竖向力Q、水平力E、自重力G),分别由下面各式求得，Qi =qbiEi =ehiGi =( di-1+di)/2S rh其中：bi衬砌外缘相邻两截面间水平投影长度hi衬砌外缘相邻两截面间竖直投影长度di接缝i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形心表4-2载位移Mop计算表截面投影长度集中力S-Qaq-Gag-GagbhQGEaqagae00.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 11.580 0.200 145.400 15.820 2.761 0.790 0.790 0.100 -114.866 -12.498 -0.276 21.476 0.600 135.829 15.820 8.282 0.738 0.738 0.300 -100.242 -11.675 -2.485 31.274 0.957 117.240 15.820 13.210 0.637 0.637 0.479 -74.682 -10.077 -6.321 40.989 1.250 91.013 15.820 17.255 0.495 0.495 0.625 -45.006 -7.823 -10.784 50.660 1.523 60.737 15.820 21.023 0.330 0.330 0.762 -20.043 -5.221 -16.009 60.280 1.570 25.767 15.820 21.672 0.140 0.140 0.785 -3.607 -2.215 -17.013 70.070 1.593 6.442 15.820 21.990 -0.035 -0.035 0.797 0.225 0.554 -17.515 80.417 1.539 38.374 15.820 21.244 -0.209 -0.209 0.770 8.001 3.299 -16.348 续表4-2i-1（Q+G）i-1Exyxy-xi-1（Q+G）-yi-1EMoip0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.584 0.199 1.584 0.199 0.000 0.000 -127.640 161.220 2.761 3.056 0.806 1.472 0.607 -237.315 -1.676 -481.033 312.869 11.043 4.331 1.756 1.275 0.950 -398.908 -10.491 -981.512 445.929 24.254 5.320 3.012 0.989 1.256 -441.024 -30.463 -1516.611 552.762 41.509 5.982 4.531 0.662 1.519 -365.928 -63.052 -1986.864 629.318 62.532 6.263 6.107 0.281 1.576 -176.838 -98.551 -2285.088 670.906 84.204 6.194 7.700 -0.069 1.593 46.292 -134.138 -2389.669 693.168 106.194 5.773 9.232 -0.421 1.532 291.824 -162.689 -2265.583 2）外荷载在基本构造中产生内力块上各集中力对下一接缝力臂由图直接量得，分别记以aq 、ae、ag。内力按下式计算之：弯矩： 轴力： 式中 xi、yi相邻两接缝中心点坐标增值。 xi=xi- xi-1 yi=yi- yi-1Moip和Noip计算见表4-3及表4-4。表4-3载位移Noip计算表截面sincosi（Q+G）iEsin* i（Q+G）cos*iENop00.000 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 114.760 0.255 0.967 161.220 2.761 41.074 2.670 38.404 229.520 0.493 0.870 312.869 11.043 154.159 9.610 144.549 344.280 0.698 0.716 445.929 24.254 311.332 17.364 293.968 459.040 0.858 0.514 552.762 41.509 474.008 21.354 452.654 573.572 0.959 0.283 629.318 62.532 603.627 17.685 585.942 686.209 0.998 0.066 670.906 84.204 669.438 5.567 663.870 798.846 0.988 -0.154 693.168 106.194 684.923 -16.330 701.253 8111.483 0.931 -0.366 747.362 127.439 695.440 -46.671 742.111 3） 积极荷载位移计算过程见表4-4表4-4积极荷载位移计算表截面Mp01/Iy/I1+yMp0/IyMp0/IMp0(1+y)/I积分系数1/300.000 131.687 0.000 1.000 0.000 0.000 0.000 1 1-127.640 131.687 26.206 1.199 -16808.513 -3344.894 -3.407 4 2-481.033 131.687 106.140 1.806 -63345.857 -51056.761 -114402.618 2 3-981.512 131.687 231.243 2.756 -129252.583 -226967.536 -356220.120 4 4-1516.611 131.687 396.642 4.012 -199718.354 -601551.682 -801270.036 2 5-1986.864 131.687 596.675 5.531 -261644.675 -1185512.023 -1447156.698 4 6-2285.088 131.687 804.214 7.107 -300916.979 -1837699.993 -2138616.972 2 7-2389.669 131.687 1013.992 8.700 -314688.937 -2423104.814 -2737793.751 4 8-2265.583 131.687 1215.737 10.232 -298348.374 -2754352.193 -3052700.568 1 -1438629.862 -7696895.378 -9135525.240 1p=S/EhMp0/I=6.3910-8（-1438629.862）= - 9192.8410-52p =S/ EhMp0y/I=6.3910-8(-7696895.378)= -49183.1610-5计算精度校核Sp=1p+2pSp=S/ EhMp0(1+y)/I因而，Sp=6.3910-8（-9135525.240）= -58376.00610-51p+2p= -（9192.84+49183.16）10-6= -58376.00010-5闭合差0.000。4.4.3载位移单位弹性抗力及相应摩擦力引起位移1）各接缝处抗力强度按假定拱部弹性抗力上零点位于与垂直轴接近450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（cos2b-cos2i）/（cos2b-cos2h）计算得，3=0， 4=0.5436h ， 5=h 。边墙截面弹性抗力计算公式为：=h1-(yi/ yh)2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垂直距离；yh墙底外边沿c到最大抗力截面垂直距离。(yi和yh在图3中可量得)y6=1.634m； y7=3.198m； y8=4.776m;则有： 6=h 1-（1.634/4.776）2= 0.8777h 7=h 1-（3.198/4.776）2= 0.5516h 8=0;按比例将所求得抗力绘在图4上。图4构造抗力图2）各楔块上抗力集中力按下式近似计算：式中，楔块i外缘长度，由图3量得。 方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形形心。3）抗力集中力与摩擦力之合力按近似计算: 式中 围岩与衬砌间摩擦系数。取=0.2,则 =1.0198 其作用方向与抗力集中力夹角为=arctan=11.301。由于摩擦阻力方向与衬砌位移方向相反，其方向朝上。作用点即为与衬砌外缘交点。 将方向线延长，使之交于竖直轴。量取夹角k(自竖直轴反时针方向量度)。将分解为水平与竖向两个分力：RH= Ri sink RV= Ri cosk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面(h)(i-1+i)/2S外(h)R(h)ksinkcosk30.0000 0.000 0.0000 0.0000 0.000 0.000 1.000 40.5436 0.272 1.6475 0.4567 62.370 0.886 0.464 51.0000 0.772 1.6475 1.2967 76.916 0.974 0.226 60.8777 0.939 1.6475 1.5774 89.414 1.000 0.010 70.5516 0.715 1.6475 1. 103.799 0.971 -0.239 80.0000 0.276 1.6475 0.4634 116.126 0.898 -0.440 续表4-5RH(h)RV(h)vhRi(h)0.000 0.000 0.000 0.405 0.212 0.212 0.405 0.448 1.263 0.294 0.505 1.668 1.272 1.577 0.016 0.521 3.245 1.547 1.166 -0.286 0.235 4.411 1.177 0.416 -0.204 0.031 4.827 0.454 4）计算单位抗力图及其相应摩擦力在基本构造中产生内力 弯矩 轴力 式中 rKi -力Ri至接缝中心点K力臂，由图3量得，计算见表4-6和表4-7表4-6 M0计算表截面号R4=0.4567hR5=1.29674hR6=1.5774hR7=1.hR8=0.4634hMo(h)r4i-R4r4ir5i-R5r5ir6i-R6r6ir7i-R7r7ir8i-R8r8i40.9000 -0.411 -0.411 52.5557 -1.167 0.9894 -1.283 -2.450 64.0766 -1.862 2.5820 -3.348 1.0605 -1.673 -6.883 75.4556 -2.492 4.1180 -5.340 2.6538 -4.186 0.8364 -1.004 -13.022 86.6259 -3.026 5.5229 -7.162 4.1930 -6.614 2.4307 -2.918 0.8712 -0.404 -20.124 表4-7 N0计算表截面号sincosRV(h)RH(h)sinRV(h)cosRH(h)No(h)4 59.0400 0.8573 0.5149 0.2118 0.4046 0.1815 0.2083 -0.0268 5 73.5720 0.9590 0.2834 0.5053 1.6676 0.4846 0.4727 0.0119 6 86.2090 0.9978 0.0669 0.5215 3.2449 0.5203 0.2170 0.3033 7 98.8460 0.9882 -0.1529 0.2351 4.4110 0.2323 -0.6745 0.9068 8 111.4830 0.9309 -0.3653 0.0310 4.8270 0.0289 -1.7633 1.7922 5）单位抗力及相应摩擦力产生载位移计算过程见表4-8。截面号M0（h）1/Iy/I(1+y)M01/I（h）M0y/I（h）M0(1+y)/I（h）积分系数 1/34-0.411 131.6872 396.642 4.012 -54.127 -163.032 -217.159 2 5-2.450 131.6872 596.675 5.531 -322.653 -1461.941 -1784.594 4 6-6.883 131.6872 804.214 7.107 -906.387 -5535.307 -6441.692 2 7-13.022 131.6872 1013.992 8.700 -1714.805 -13204.005 -14918.806 4 8-20.124 131.6872 1215.737 10.232 -2650.074 -24465.491 -27115.557 1 -4240.312 -31508.650 -35748.952 表4-8 单位抗力及相应摩擦力产生载位移计算表1=S/EhM01/I=6.3910-8(-4240.312)= -270.96010-62=S/ EhM0y/I=6.3910-8(-31508.650)= - .40310-6校核为： 1+2= -(270.960+ .403) 10-6=-2284.36310-6 S=S/ EhM0(1+y)/I=6.3910-8(-35748.952)=-2284.35810-6闭合差0。4.4.4墙底（弹性地基上刚性梁）位移1）单位弯矩作用下转角：1=1/(KI8)= 131.6872 /0.18106=731.59610-62）积极荷载作用下转角：p=1M8p0=731.596(-2265.583)10-6 = -1657491.4610-63）单位抗力及相应摩擦力作用下转角：=1M80=731.59610-6(-20.124) = - 14722.6410-64.5解力法方程衬砌矢高 f=y8=9.232m计算力法方程系数：a11=11+1=（67.32+731.596）10-6=798.91310-6a12=12+f1=（240.74+9.232731.596）10-6=6994.8310-6a22=22+f21=（1433.43+9.2322731.596）10-6=63787.22810-6a10=1p+p+(1+)h =-(91928.4+1657491.46+270.960h+14722.64h) 10-6= -(1749419.86+14993.6h)10-6a20=2p+fp+(2+f)h = -(491831.6+9.2321657491.46+.403h+9.23214722.64h) = - (15793792.76+137932.82h) 10-6以上将单位抗力图及相应摩擦力产生位移乘以h倍，即被动荷载载位移。求解方程：X1 = (a12a20 - a22a10)/( a11a22 - a122)=（548.873-4.140h）其中： X1p=548.873， X1= -4.140X2 = (a12a10 - a11a20)/( a11a22 - a122)=（187.412+2.616h）其中： X2p=187.412， X2= 2.6164.6计算积极荷载和被动荷载（h =1）分别产生衬砌内力计算公式为：和 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面MopX1pyX2p*yMpMo(h)X1(h)X2*y(h)Mo(h)0 0.000 548.873 0.000 0.000 548.873 0.000 -4.140 0.000 -4.140 1 -127.640 548.873 0.199 37.295 458.528 0.000 -4.140 0.521 -3.620 2 -481.033 548.873 0.806 151.054 218.894 0.000 -4.140 2.108 -2.032 3 -981.512 548.873 1.756 329.095 -103.543 0.000 -4.140 4.594 0.454 4 -1516.611 548.873 3.012 564.485 -403.253 -0.411 -4.140 7.879 3.328 5 -1986.864 548.873 4.531 849.164 -588.827 -2.450 -4.140 11.853 5.263 6 -2285.088 548.873 6.107 1144.525 -591.690 -6.883 -4.140 15.976 4.953 7 -2389.669 548.873 7.700 1443.072 -397.724 -13.022 -4.140 20.143 2.981 8 -2265.583 548.873 9.232 1730.188 13.478 -20.124 -4.140 24.151 -0.113 表4-10 主、被动荷载作用下衬砌轴力计算表截面NopcosaX2pcosNpNo(h)X2cos(h)N(h)0 0.000 1.000 187.412 187.412 0.000 2.616 2.616 1 38.404 0.967 181.228 219.632 0.000 2.530 2.530 2 144.549 0.870 163.083 307.632 0.000 2.276 2.276 3 293.968 0.716 134.175 428.143 0.000 1.873 1.873 4 452.654 0.514 96.412 549.066 -0.027 1.346 1.319 5 585.942 0.283 53.002 638.944 0.012 0.740 0.752 6 663.870 0.066 12.391 676.261 0.303 0.173 0.476 7 701.253 -0.154 -28.820 672.433 0.907 -0.402 0.505 8 742.111 -0.366 -68.635 673.476 1.792 -0.958 0.834 4.7计算最大抗力值一方面求出最大抗力方向内位移。由式：并考虑接缝5径向位移与水平方向有一定偏离，因而将其修正如下计算过程列入表3-11。表4-11最大抗力位移修正计算表截面号Mp/IM/Iyiy5-yiMp/I(Y5-Yi)M/I(Y5-Yi)积分系数 1/3072279.549 -545.198 0.000 4.531 327498.634 -2470.293 4 160382.314 -476.644 0.199 4.332 261576.184 -2064.821 2 228825.600 -267.536 0.806 3.725 107375.359 -996.573 4 3-13635.332 59.733 1.756 2.775 -37838.045 165.758 2 4-53103.299 438.290 3.012 1.519 -80663.911 665.762 4 5-77541.042 693.050 4.531 0.000 0.000 0.000 1 621438.869 -5000.847 位移值为： hp=6.3910-8621438.8690.9590=3808.18410-5 h=6.3910-8(-5000.847) 0.9590= -30.64510-5则可得最大抗力h = hp /(1/K-h)= 3808.18410-5/1/(0.18106)+ 30.64510-5=122.063.8计算衬砌总内力按下式进行计算：M=Mp+h M N=Np+h N计算过程列入表4-12表4-12衬砌总内力计算表截面号MpMMM/IMy/INpNNe积分系数1/30 548.873 -505.341 43.532 5732.659 0.000 187.412 319.309 506.721 0.0859 1 1 458.528 -441.798 16.730 2203.156 438.428 219.632 308.772 528.404 0.0317 4 2 218.894 -247.978 -29.083 -3829.874 -3086.879 307.632 277.857 585.490 -0.0497 2 3 -103.543 55.366 -48.177 -6344.348 -11140.678 428.143 228.605 656.748 -0.0734 4 4 -403.253 406.248 2.994 394.318 1187.686 549.066 160.998 710.065 0.0042 2 5 -588.827 642.383 53.556 7052.623 31955.447 638.944 91.761 730.706 0.0733 4 6 -591.690 604.555 12.865 1694.146 10346.153 676.261 58.130 734.391