1、隧道工程课程设计说明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的确定该隧道横断面是根据两车道一级公路III级围岩来设计的，根据公路隧道设计规范确定隧道的建筑限界如下：W行车道宽度；取3.752mC余宽；因设置检修道，故余宽取为0mJ检修道宽度；双侧设置，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
2、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）根据规范要求，隧道衬砌结构厚度为45cm（一次衬砌为10cm和二次衬砌35cm）通过作图得到隧道的尺寸如下：图2 隧道内轮廓图得到如下尺寸:3隧道衬砌结构设计3.1支护方法及衬砌材料根据公路隧道设计规范（JTG-2004），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的衬砌形式。复合式衬砌应符合下列规定：1初期支护宜采用锚喷支
3、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结构，衬砌截面宜采用连结圆顺的等厚衬砌断面，仰拱厚度宜与拱墙厚度相同。由规范8.4.2-1，对于两车道级围岩：初期支护：拱部边墙的喷射混凝土厚度为8-12cm，拱墙的锚杆长度为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因此确定衬砌尺寸及规格如下：深埋隧道外层初期支护，根据规范规定，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
4、.8cm。防水板：采用塑料防水板及无纱布，且无纺布密度为300g/m2,防水板应采用铺满的EVA板防水层，厚度为2.0mm，搭接长度为150mm。二次衬砌：根据公路隧道设计规范，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隧道深浅埋的确定及围岩压力的计算隧道的内轮廓尺寸为B=12.10m，H=10.50m因为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，故隧道的近似开挖尺寸为：由于是级围岩深浅埋隧道的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
5、=0.1埋深故为深埋隧道。又可用公式计算均布垂直压力：因为该隧道围岩级别为围岩水平均布压力为： 4衬砌结构内力计算4.1基本资料公里等级 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 衬砌结构断面图4.2荷载的确定4.2.1围岩压力的确定经前面计算可得,可用公式计算均布垂直压力：级围岩不考虑一衬后的围岩释放变形折减系数4.2.2衬砌自重（1）全部垂直荷载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
6、几何要素4.3.1衬砌的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的夹角：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，单位位移的计算列表见表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 26.2
7、06 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
8、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-截面的惯性矩，I=bd3/12,
9、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载位移主动荷载在基本结构中引起的位移1）每一块上的作用力(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的水平投影长度hi衬砌外缘相邻两截面间的竖直投影长度di接缝i的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的形心表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 0.0
10、00 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
11、 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
12、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 -98
13、1.512 445.929 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
14、.421 1.532 291.824 -162.689 -2265.583 2）外荷载在基本结构中产生的内力块上各集中力对下一接缝的力臂由图直接量得，分别记以aq 、ae、ag。内力按下式计算之：弯矩： 轴力： 式中 xi、yi相邻两接缝中心点的坐标增值。 xi=xi- xi-1 yi=yi- yi-1Moip和Noip的计算见表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 0.967 161.22
15、0 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 84.204 669.43
16、8 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）主动荷载位移计算过程见表4-4表4-4主动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
17、-3344.894 -20153.407 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 -1447156.6
18、98 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
19、）= - 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因此，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的摩擦力引起的位移1）各接缝处的抗力强度按假定拱部弹性抗力的上零点位于与垂直轴接近450的第3截面，3=44.28=b;最大抗力位于第5截面,5=76.25=h;拱部
20、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的垂直距离；yh墙底外边缘c到最大抗力截面的垂直距离。(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;按比例将所求得的抗力绘在图4上
21、。图4结构抗力图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。 的方向垂直于衬砌外缘，并通过楔块上抗力图形的形心。3）抗力集中力与摩擦力之合力按近似计算: 式中 围岩与衬砌间的摩擦系数。取=0.2,则 =1.0198 其作用方向与抗力集中力的夹角为=arctan=11.301。由于摩擦阻力的方向与衬砌位移方向相反，其方向朝上。的作用点即为与衬砌外缘的交点。 将的方向线延长，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
22、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 1.2007 103.799 0.971 -0.239 80.0000 0.276 1.6475 0.4634 116.
23、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的摩擦力在基本结构中产生的内力 弯矩 轴力 式中 rKi -力Ri至接缝中心点K的力臂，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=
24、0.4567hR5=1.29674hR6=1.5774hR7=1.2007hR8=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
25、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的载位移计
