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隧道原理课程设计
目录
一基本资料2
二曲线隧道净加宽值2
2.1.加宽原因2
2.2.加宽值的计算3
三双线曲墙式衬砌的内轮廓线4
四.衬砌结构的设计及检算4
4.1衬砌结构的设计4
4.1.1一般规定5
4.1.2衬砌设计5
4.2衬砌结构的检算5
4.2.1衬砌结构的设计5
4.2.2结构的理想化7
4.2.3衬砌内力的计算9
4.2.4衬砌截面的强度检算12
一基本资料
计算以下条件的曲线隧道净空加宽值,并画出双线曲墙式衬砌的内轮廓线,标注详细尺寸。
设计该隧道的初期支护及二次衬砌的支护参数,并采用弹性链杆法检算支护强度是否满足隧道设计规范的要求。
①双线隧道;
②电力牵引;
③行车速度V=150km/h;
④曲线半径为学号最后三位数的100倍,即R=2400m。
⑤围岩级别为Ⅴ级
二曲线隧道净加宽值
2.1.加宽原因
①车辆通过曲线时,转向架中心点沿线路运行,而车辆本身却不能随线路弯曲仍保持其矩形形状。
故其两端向曲线外侧偏移(d外),中间向曲线内侧偏移(d内1)。
②由于曲线外轨超高,车辆向曲线内侧倾斜,使车辆限界上的控制点在水平方向上向内移动了一个距离(d内2)。
2.2.加宽值的计算
(1)双线曲线隧道加宽值的计算
①车辆中间部分向曲线内侧的偏移
d内1=l2/8R
②车辆两端向曲线外侧的偏移
d外=(L2-l2)/8R
③外轨超高使车体向曲线内侧倾移
d内2=HE/150=2.7E
=0.76*150*150/2400=7.125㎝
式中l—车辆转向架中心距,可取18m;
L——标准车辆长度,我国为26m;
R——曲线半径(m);
H——隧道限界控制点自轨面起的高度;
E——曲线外轨超高值,其最大值不超过15㎝。
(2)双线曲线隧道加宽值的计算
双线曲线隧道的内侧加宽值W1及外侧加宽值W2与单线曲线隧道加宽值的计算相同。
即
内侧加宽W1=d内1+d内2=4050/R+2.7E=4050/240+2.7*7.125=20.93(㎝)
外侧加宽W2=d外=4400/R=4400/2400=1.83(㎝)
内外侧线路中线间的加宽值W3按以下两种情况计算:
当外侧线路的外轨超高大于内侧线路的外轨超W3=8450/R+1.2E=8450/2400+1.2*7.125=12.07(㎝)
总加宽W=W1+W2+W3=20.93+1.83+12.07=34.83(㎝)
(3)曲线隧道中线与线路中线偏移距离
曲线隧道内外侧加宽值不同(内侧加宽大于外侧加宽),断面加宽后,双线曲线隧道内侧线路中线至隧道中线的距离d1=200-(W1-W2-W3)/2=200-(20.93-1.83-12.07)/2=196.485(㎝),双线曲线隧道外侧线路中线至隧道中线的距离d2=200+(W1-W2+W3)/2=200+(20.93-1.83+12.07)/2=215.585(㎝)
三双线曲墙式衬砌的内轮廓线
见附录T-1
四.衬砌结构的设计及检算
4.1衬砌结构的设计
隧道在一般情况下应做衬砌,其结构的型式及尺寸,可根据围岩级别、水文地质条件、埋置深度、结构工作特点,结合施工条件等,通过工程类比和结构计算确定,必要时,还应经过试验论证。
隧道衬砌类型主要有以下几种:
整体式模筑混凝土衬砌、装配式衬砌、喷锚支护及复合式衬砌。
4.1.1一般规定
(1)隧道一般可采用整体式衬砌或复合式衬砌;在I~II级围岩短隧道中,可采用喷锚衬砌。
(2)不设仰拱的隧道应做底板,单线隧道其厚度不应小于20cm。
[1]
(3)位于曲线地段的隧道其断面要加宽。
(4)衬砌拱圈可设计为等截面或边截面形式;IV~VI级围岩地段,应采用曲墙有仰拱衬砌。
(5)最冷月平均气温低于-15℃的地区,应根据情况设置变缝。
4.1.2衬砌设计
由于隧道围岩级别为V级,根据《铁路工程设计技术手册·隧道》的相关规定,拟采用喷锚支护,复合式衬砌。
初期支护时,对于V级围岩打入3.0m长的锚杆,在围岩破碎段铺设钢筋网,然后喷混凝土;二次衬砌采用全液压衬砌台车浇筑而成,厚度40cm。
详细衬砌支护参数如表4.1所示。
V级围岩隧道衬砌结构横断面细部尺寸参照复合式衬砌断面标准图来拟定,衬砌结构横断面图分别见附录一。
4.2衬砌结构的检算
4.2.1衬砌结构的设计
隧道衬砌结构根据结构力学方法(荷载-结构模型),假设衬砌结构与围岩全面、紧密地接触,采用主动荷载加被动荷载(弹性抗力)模式,按照弹性链杆法原理来计算衬砌结构的内力。
表4.1双线隧道复合式衬砌支护参数[1]
围
岩
级
别
预留变
形量
(cm)
初期支护
二次衬
砌厚度
(cm)
喷混凝土
锚杆
位置
厚度
(cm)
位置
长度
(m)
间距
(m)
拱墙
仰拱
V
7
拱、墙、仰拱
16
拱、墙
3.0
1.0
35
40
4.2.2围岩压力的确定
(1)围岩压力确定公式
采用容许应力法,计算单线深埋隧道衬砌时,围岩压力按松散压力考虑,其水平均布压力的作用标准值可按垂直均布压力公式及表4.2确定。
1)垂直匀布压力
式(4.1)
式(4.2)
式中
——围岩垂直均布压力(
);
——围岩重度(
);
——围岩压力计算高度(
);
——围岩级别;
——宽度影响系数,
;
——坑道宽度。
2)水平匀布压力
表4.2围岩水平匀布压力[8]
围岩级别
I~II
III
IV
V
VI
水平匀布压力
0
<0.15q
(0.15~0.30)q
(0.30~0.50)q
(0.50~1.00)q
(2)衬砌围岩压力确定
V级围岩
取水平匀布压力系数为0.4,围岩重度
,可确定深埋隧道支护结构的垂直均布压力:
其中:
s=5,为安全起见,取
,
B>5m,取i=0.1,
,
水平均布围岩压力:
故可作出V级围岩衬砌断面受力图如4.1所示。
图4.1V级围岩衬砌受力图
4.2.2结构的理想化
(1)衬砌结构的理想化
隧道衬砌是实体拱式结构,轴力和弯矩是主要内力,可将其离散化为一些同时承受弯矩、剪力和轴力的偏心受压等直杆单元所组成的折线形组合体。
由《铁路隧道设计规范》可知,双线电气化铁路在进行节点化分时,要不少于16个单元,在本设计中,把衬砌划分为28个单元,节点数为29,隧道衬砌单元划分如图4.2所示。
图4.2隧道衬砌单元划分示意图
(2)围岩的理想化
将弹性抗力作用范围内的连续围岩,离散为若干条彼此互不相关的矩形岩柱,岩柱具有弹性地基的性质,采用局部变形理论的温克尔假定,把每个岩柱理想化为一个刚性支座上的弹性链杆支承于衬砌单元的节点上,它可以轴力的方式把岩柱的作用体现出来。
弹性支承的设置方向应按照衬砌与围岩的接触状态来确定,本文为了简化计算,将弹性支承水平设置。
围岩的理想化如图4.3所示。
图4.3围岩的理想化
4.2.3衬砌内力的计算
按照弹性链杆法的基本原理进行衬砌结构的内力计算。
本文利用给定的杆系有限元分析程序计算衬砌结构的内力。
对V级围岩衬砌进行内力检算,在检算中,将初衬和二衬合并考虑,共同承受荷载的100%。
V级围岩数据输入:
29,23,2.5e7,58.97,147.42,1.5e5,1.5e5,1.04
2.5563,8.4778,1,0,1,1,1.04
2.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93
2.7165,7.0531,1,1,1,1,0.79
2.7965,6.3407,1,1,1,1,0.63
2.8766,5.6284,1,1,1,1,0.59
2.9380,4.9143,1,1,1,1,0.59
2.9471,4.1977,1,1,1,1,0.59
2.9031,3.4824,1,1,1,1,0.59
2.8062,2.7723,1,1,1,1,0.59
2.6354,2.0771,1,1,1,1,0.59
2.3320,1.4290,0,1,1,1,0.59
1.9042,0.8553,0,1,1,1,0.59
1.3589,0.3935,0,1,1,1,0.59
0.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59
-0.0000,0.0000,0,1,1,1,0.59
-0.7074,0.1003,0,1,1,1,0.59
-1.3589,0.3935,0,1,1,1,0.59
-1.9042,0.8553,0,1,1,1,0.59
-2.3320,1.4290,0,1,1,1,0.59
-2.6354,2.0771,1,1,1,1,0.59
-2.8062,2.7723,1,1,1,1,0.59
-2.9031,3.4824,1,1,1,1,0.59
-2.9471,4.1977,1,1,1,1,0.59
-2.9380,4.9143,1,1,1,1,0.59
-2.8766,5.6284,1,1,1,1,0.59
-2.7965,6.3407,1,1,1,1,0.63
-2.7165,7.0531,1,1,1,1,0.79
-2.6364,7.7654,1,1,1,1,0.93
-2.5563,8.4778,1,0,1,1,1.04
部分程序运行结果(轴力、剪力和弯矩)
NO.N(kN)Q(kN)M(kN•m)
1591.23121662.8866.679
2581.3276480.898-69.547
3562.6442585.680-117.052
4546.112524.128-135.735
5531.730-483.398-125.305
6520.783-1163.559-95.566
7512.252-1548.159-63.243
8502.057-1616.407-27.652
9488.300-1361.46712.648
10469.044-894.73849.194
11439.238-428.19856.963
12399.176-116.81946.467
13356.39336.73426.957
14322.29122.8824.059
15309.238-20.771-5.740
16322.291114.0154.059
17356.393433.76826.957
18399.176870.00246.467
19439.2381321.58556.963
20469.0441597.94049.194
21488.3001554.29612.648
22502.0571173.227-27.652
23512.252502.857-63.243
24520.783-470.915-95.566
25531.730-1624.382-125.305
26546.112-3617.684-135.735
27562.644-7221.740-117.052
28581.327-9433.560-69.547
29-591.231106.328-6.679
根据程序运行结果,作出隧道V级围岩初衬结构内力图如图4.4所示。
图4.4V级围岩衬砌结构内力图
4.2.4衬砌截面的强度检算
(1)强度检算方法
衬砌结构内力算出后,需进行隧道衬砌截面强度检算,其强度检算按破损阶段法或容许应力法进行。
隧道和明洞衬砌按破损阶段检算构件截面强度时,根据结构所受的不同荷载组合,在计算中应分别选用不同的安全系数,并不应小于表4.3所列数值。
表4.3钢筋混凝土结构的强度安全系数[13]
荷载组合
主要荷载
主要荷载+附加荷载
破坏原因
钢筋达到计算强度混凝土达到抗压或抗剪极限强度
2.0
1.7
混凝土达到抗拉极限强度
2.4
2.0
拱形隧道衬砌属偏心受压构件,其截面强度检算根据轴力偏心距
的大小可分为两种情况:
1)抗压强度控制(
)
混凝土和砌体结构的抗压强度应按下式计算:
式(4.3)
式中
——《铁路隧道设计规范》所规定的强度安全系数;
——截面的实际轴力;
——构件纵向弯曲系数,对于隧道衬砌,
可取1;
——混凝土或砌体结构的极限抗压强度,对于
混凝土,
取19.0
;
——截面宽度(计算长度),取1m;
——截面厚度(衬砌厚度);
——轴力偏心影响系数,可按下式计算:
——截面轴力偏心距。
2)抗拉强度控制(
)
混凝土构件的抗拉强度应按下式计算:
式((4.4)
或
式(4.5)
式中
——《铁路隧道设计规范》所规定的强度安全系数;
——混凝土的极限抗拉强度,对于
混凝土,
取2.0
。
(2)强度检算
按照上述衬砌截面强度检算方法,利用Excel软件进行检算,衬砌强度安全系数按照《铁路隧道设计规范》取K≥2.4。
作出隧道V级围岩衬砌的截面强度检算结果如表4.4所示。
表4.4V级围岩衬砌截面强度检算表
节点
轴力(kN)
弯矩(kN•m)
偏心距(m)
截面厚度(m)
偏心影响系数
e0/0.2d
大小偏心
安全系数K
检算结果
1
591.231
6.679
0.011297
1.04
1.005576
0.1
小偏心
33.6
安全
2
581.327
-69.547
0.119635
0.93
0.908241
0.6
小偏心
27.6
安全
3
562.644
-117.052
0.208039
0.79
0.581048
1.3
大偏心
8.5
安全
4
546.112
-135.735
0.248548
0.63
0.247679
2.0
大偏心
3.0
安全
5
531.73
-125.305
0.235655
0.59
0.237743
2.0
大偏心
2.8
安全
6
520.783
-95.566
0.183504
0.59
0.450335
1.6
大偏心
4.6
安全
7
512.252
-63.243
0.123461
0.59
0.726739
1.0
大偏心
15.8
安全
8
502.057
-27.652
0.055077
0.59
0.963523
0.5
小偏心
21.5
安全
9
488.3
12.648
0.025902
0.59
1.005530
0.2
小偏心
23.1
安全
10
469.044
49.194
0.104881
0.59
0.804762
0.9
小偏心
19.2
安全
11
439.238
56.963
0.129686
0.59
0.699178
1.1
大偏心
14.7
安全
12
399.176
46.467
0.116407
0.59
0.757187
1.0
小偏心
21.3
安全
13
356.393
26.957
0.075638
0.59
0.909038
0.6
小偏心
28.6
安全
14
322.291
4.059
0.012594
0.59
1.008255
0.1
小偏心
35.1
安全
15
309.238
-5.74
0.018562
0.59
1.008427
0.2
小偏心
36.6
安全
16
322.291
4.059
0.012594
0.59
1.008255
0.1
小偏心
35.1
安全
17
356.393
26.957
0.075638
0.59
0.909038
0.6
小偏心
28.6
安全
18
399.176
46.467
0.116407
0.59
0.757187
1.0
小偏心
21.3
安全
19
439.238
56.963
0.129686
0.59
0.699178
1.1
大偏心
14.7
安全
20
469.044
49.194
0.104881
0.59
0.804762
0.9
小偏心
19.2
安全
21
488.3
12.648
0.025902
0.59
1.005530
0.2
小偏心
23.1
安全
22
502.057
-27.652
0.055077
0.59
0.963523
0.5
小偏心
21.5
安全
23
512.252
-63.243
0.123461
0.59
0.726739
1.0
大偏心
15.8
安全
24
520.783
-95.566
0.183504
0.59
0.450335
1.6
大偏心
4.6
安全
25
531.73
-125.305
0.235655
0.59
0.237743
2.0
大偏心
2.8
安全
26
546.112
-135.735
0.248548
0.63
0.247679
2.0
大偏心
3.0
安全
27
562.644
-117.052
0.208039
0.79
0.581048
1.3
大偏心
8.5
安全
28
581.327
-69.547
0.119635
0.93
0.908241
0.6
小偏心
27.6
安全
29
591.231
-6.679
0.011297
1.04
1.005576
0.1
小偏心
33.6
安全
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