1围岩压力计算.docx

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1围岩压力计算

1围岩压力计算

深埋和浅埋情况下围岩压力的计算方式不同，深埋和浅埋的分界按荷载等效高度值，并结合地质条件、施工方法等因素综合判断。

按等效荷载高度计算公式如下：

=（2

2.5）

式中:

Hp——隧道深浅埋的分界高度；

hq——等效荷载高度，

=

；

q——垂直均布压力（kN/m2）；

γ——围岩垂直重度（kN/m3）。

二次衬砌承受围岩压力的百分比按下表取值：

表4.1复合式衬砌初期支护与二次衬砌的支护承载比例

围岩级别

初期支护承载比例

二次衬砌承载比例

双车道隧道

三车道隧道

双车道隧道

三车道隧道

ⅠⅡ

100

100

安全储备

安全储备

Ⅲ

100

≥80

安全储备

≥20

Ⅳ

≥70

≥60

≥30

≥40

Ⅴ

≥50

≥40

≥50

≥60

Ⅵ

≥30

≥30

≥80

≥85

浅埋地段

≥50

≥30～50

≥60

≥60～80

1.1浅埋隧道围岩压力的计算方法

隧道的埋深H大于hq而小于Hp时，垂直压力

。

表4.3各级围岩的

值及

值

围岩级别

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

θ

0.9

（0.7～0.9）

（0.5～0.7）

60°～70°

50°～60°

40°～50°

侧压力系数

作用在支护结构两侧的水平侧压力为：

e1=γhλ；e2=γ（h+Ht）λ

侧压力视为均布压力时：

Ⅴ级围岩的等效荷载高度hq=0.45×24×[1+0.1×（10-5）]=10.8m

Hp=2.5hq=27m,H

取φ0=45°，θ=0.6φ0=27°，h=20m，tanβ=3.02,λ=0.224,tanθ=0.51,

计算简图：

垂直压力q=19×20（1-0.224×20×0.51/10）=293.18KN/m

Pg=πdγ=π×0.4×25=31.4KN/m

地基反力P=324.58KN/m

e1=γhλ=19×20×0.224=85.12

e2=γ（h+Ht）λ=19×（20+8.17）×0.224=119.89

水平均布松动压力e=（e1+e2）/2=102.51KN/m

Ⅴ级围岩二衬按承受50%围岩压力进行计算，则

垂直压力为q×50%=146.59KN/m

地基反力为P×50%=162.29KN/m

水平压力为e×50%=51.255KN/m

2衬砌结构内力计算

表4.7等效节点荷载

节点号

X

Y

Fx

FY

1

2072.742591

1544.439864

31304.66167

2146.319473

3

2072.757146

1543.972843

26425.97397

4953.686552

4

2072.800753

1543.507634

26256.11233

9886.161531

5

2072.873244

1543.046044

25973.81825

14776.30132

2

2072.974338

1542.589864

24195.36508

23664.97654

7

2073.219875

1542.146273

20103.90754

40260.14458

6

2073.651412

1541.88012

14076.90744

57497.45013

9

2074.154041

1541.73685

8935.043764

69728.97104

10

2074.661668

1541.61244

6853.524396

83279.07293

11

2075.173585

1541.507065

5880.169138

84021.81746

12

2075.689079

1541.42087

4898.834757

84650.54514

13

2076.20743

1541.353977

3910.852859

85164.40397

14

2076.727917

1541.306479

2917.564275

85562.69609

15

2077.249814

1541.27844

1920.316498

85844.88594

16

2077.772394

1541.269902

920.4626612

86010.58403

17

2078.294929

1541.280875

80.64000409

86059.57127

18

2078.81669

1541.311344

-1081.63324

85991.77462

19

2079.33695

1541.361267

-2081.158789

85807.29146

20

2079.854984

1541.430575

-3077.860187

85506.38146

21

2080.37007

1541.51917

-4070.385072

85089.42599

22

2080.88149

1541.626929

-5057.386718

84557.0093

23

2081.388532

1541.753702

-6037.525576

83909.8617

8

2081.890488

1541.899313

-7009.471578

83148.84332

25

2082.285648

1542.168245

-9244.515303

74199.42618

24

2082.510844

1542.589864

-14047.47015

52646.58913

27

2082.611937

1543.046044

-19236.06506

36865.64791

28

2082.684429

1543.507634

-23588.83673

22476.63737

29

2082.728036

1543.972843

-25973.81825

14776.30132

26

2082.742591

1544.439864

-26256.11233

9886.161531

30

2082.706135

1545.042547

-26425.97397

4953.686552

31

2082.5973

1545.636442

-31304.66167

2146.312144

32

2082.417672

1546.212888

-35817.57933

-13486.31665

33

2082.169871

1546.76348

-34895.66231

-26741.88598

34

2081.85751

1547.280188

-33376.67067

-39539.88928

35

2081.485145

1547.755477

-31286.59479

-51661.35041

36

2081.058204

1548.182418

-28661.19683

-62898.88118

37

2080.582915

1548.554783

-25545.39795

-73060.19214

38

2080.066207

1548.867144

-21992.50975

-81971.4129

39

2079.515615

1549.114945

-18063.32375

-89480.08252

40

2078.939169

1549.294573

-13825.06958

-95457.72954

41

2078.345274

1549.403408

-9350.264619

-99802.07078

42

2077.742591

1549.439864

-4715.473839

-102438.7705

43

2077.139908

1549.403408

0

-103322.7082

44

2076.546013

1549.294573

4715.473839

-102438.7631

45

2075.969566

1549.114945

9350.264619

-99802.07078

46

2075.418975

1548.867144

13825.06984

-95457.73687

47

2074.902267

1548.554783

18063.324

-89480.08985

48

2074.426978

1548.182418

21992.50975

-81971.4129

49

2074.000037

1547.755477

25545.39769

-73060.18481

50

2073.627672

1547.280188

28661.19683

-62898.88118

51

2073.315311

1546.76348

31286.59505

-51661.35041

52

2073.06751

1546.212888

33376.67067

-39539.88195

53

2072.887882

1545.636442

34895.66205

-26741.88598

54

2072.779047

1545.042547

35817.57908

-13486.32398

表4.8轴力、剪力、弯矩详细数据

节点号

轴力

弯矩

剪力

1

-8.92E+05

-13456

-10995

2

-8.83E+05

-8352.6

-63891

3

-8.73E+05

21398

-1.19E+05

4

-8.61E+05

76686

-1.72E+05

5

-8.69E+05

1.57E+05

-25207

6

-7.80E+05

1.69E+05

3.16E+05

7

-2.08E+06

7906.2

33983

8

-2.06E+06

-11168

32574

9

-2.05E+06

-29519

29638

10

-2.04E+06

-46347

25395

11

-2.03E+06

-60967

20073

12

-2.02E+06

-72813

13909

13

-2.02E+06

-81442

7144.7

14

-2.02E+06

-86540

26.688

15

-2.02E+06

-87920

-7193.6

16

-2.02E+06

-85526

-14267

17

-2.02E+06

-79433

-20947

18

-2.03E+06

-69844

-26988

19

-2.04E+06

-57093

-32148

20

-2.05E+06

-41637

-36191

21

-2.07E+06

-24058

-38891

22

-2.08E+06

-5056.4

-40029

23

-7.88E+05

14553

-3.07E+05

24

-8.72E+05

1.60E+05

18693

25

-8.67E+05

1.51E+05

1.61E+05

26

-8.78E+05

75321

1.12E+05

27

-8.89E+05

22802

60859

28

-8.97E+05

-5736

10429

29

-9.06E+05

-10643

-15827

30

-9.04E+05

-976.56

-18846

31

-8.96E+05

10731

-22629

32

-8.82E+05

24936

-25973

33

-8.61E+05

41366

-24944

34

-8.33E+05

57370

-12584

35

-7.99E+05

66092

20764

36

-7.60E+05

54844

45380

37

-7.22E+05

28879

57814

38

-6.87E+05

-4468.5

58966

39

-6.58E+05

-38409

50472

40

-6.38E+05

-67143

34594

41

-6.27E+05

-86237

14070

42

-6.26E+05

-92913

-8065.1

43

-6.37E+05

-86224

-28676

44

-6.57E+05

-67117

-44728

45

-6.85E+05

-38371

-53480

46

-7.19E+05

-4418.2

-52666

47

-7.57E+05

28940

-40644

48

-7.94E+05

54916

-16510

49

-8.29E+05

66173

16532

50

-8.56E+05

57316

28590

51

-8.76E+05

40997

29306

52

-8.90E+05

24050

25569

53

-8.98E+05

9154.2

21159

54

-8.99E+05

-3292.6

17015

内力图分析

（1）轴力：

由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出轴力图如图，最大轴力出现在仰拱段，其值为626.383kN。

轴力图

（2）弯矩：

由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出弯矩图如图，最大正弯矩出现在变截面段，其值为169.101kN·m，最大负弯矩出现在拱顶，其值为-92.913kN·m。

弯矩图

（3）剪力：

由ANSYS建模分析围岩衬砌内力得出剪力图如图，最大剪力出

现在仰拱段，其值为320.088kN。

剪力图

变形图

3.Ⅴ级围岩需要进行配筋计算

（1）截面设计

计算轴力：

KN=2×626380=1252.76KN

计算弯矩：

KM=2×92913=185.826KN/m

ξb=0.55,

C25混凝土，轴心受压强度设计值为：

fcd=11.9Mpa；

HRB335级钢筋，抗拉强度设计值为：

fsd=fsd＇=300Mpa；

e=m/n=0.148

长细比l0/h=1.5,按短柱计算，偏心距增大系数η取1，

h0=h-as=400-50=350mm

①判别大小偏心受压

属于大偏心受压，

选取5φ20，As=1570

垂直弯矩作用平面内的受压承载力：

Nu=0.9φ（fcdAs+fsd＇As＇）

=0.9x（11.9x400000+300x1572）

=4708.44KN>N（=1252.76KN）

满足要求

4.截面强度验算

按荷载-结构模型进行设计时，最后要作截面验算。

现行《铁路隧道设计规范》规定隧道结构计算分为“概率极限状态法设计”和“破损阶段法和容许应力法设计”两种形式。

对一般地区单线隧道整体式衬砌及洞门、单线隧道偏压衬砌及洞门、单线拱形明洞及洞门结构可采用概率极限状态法设计，也可以采用破损阶段法设计。

其他隧道结构则要求采用破损阶段法或容许应力法。

对混凝土矩形构件，当e>0.2h时，由抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当e≤0.2h时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。

隧道结构截面抗压强度按下式计算：

式中K-安全系数

N-轴向力（MN）

Ra-混凝土或砌体的抗压极限强度（MPa）

-轴心偏心影响系数

-构件纵向弯曲系数

b-结构的纵向计算宽度（取1m）

d-截面厚度

从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度按下式计算：

KN（6e-d）≤1.75φR1bd2

式中R1-混凝土的抗拉极限强度

表4.4混凝土和砌体结构的强度安全系数

圬工种类

混凝土

砌体

荷载组合

永久荷载+基本可变荷载

永久荷载+基本可变荷载+其他可变荷载

永久荷载+基本可变荷载

永久荷载+基本可变荷载+其他可变荷载

混凝土或砌体达到的抗压极限强度

2.4

2.0

2.7

2.3

混凝土达到抗拉极限强度

3.6

3.0

强度验算：

M/Nmax=5056.4/2081400=0.0024

M/Nmin=92913/626380=0.1483

0.2d=0.08

1，选取第①种情况：

e<0.2d=0.08进行抗压强度控制验算

KN≤φαRabd

α=1-1.5（e/d）=0.991

KN=2×2081400=4162800N

φαRabd=1×0.991×16.7×10^6×1×0.4=6619880N

得KN≤φαRabd，满足要求

2，选第②种情况：

e>0.2d=0.08

进行抗拉强度控制验算

KN（6e-d）≤1.75φR1bd2

KN（6e-d）=3×626380×（6×0.1483-0.4）=920402N

1.75φR1bd2=1.75×1×1.78×1×0.42×10^6=498400N

得KN（6e-d）>1.75φR1bd2，不满足要求