隧道结构设计检算.docx

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隧道结构设计检算

第3章隧道结构设计检算

3.1隧道结构设计检算方法

隧道结构的设计检算包括对初期支护和二次衬砌的设计检算，本章只介绍对二次衬砌的设计检算，初期支护由工程类比法确定，不对其进行检算。

二次衬砌的设计检算采用荷载-结构模型，将全部荷载施加到衬砌结构上，根据求得的衬砌内力对已拟定配筋的衬砌进行检算，并对检算未通过的衬砌调整截面配筋，直到检算通过为止。

整个设计检算过程如下：

（1）由隧道的纵断面图，确定隧道的围岩级别及相应埋深；

（2）根据围岩级别和衬砌内轮廓尺寸，由工程类比法初步拟定隧道的支护和衬砌参数，绘制复合式衬砌断面图；

（3）由《铁路隧道设计规范》，计算围岩压力并确定典型计算断面；

（4）采用荷载-结构模型，利用ANSYS建模进行衬砌内力的计算；

（5）由计算求得的弯矩、轴力进行衬砌结构配筋的检算。

3.2隧道衬砌荷载计算

3.2.1各级围岩段基本情况

根据大瑶山隧道的纵断面图，可得该隧道的围岩级别及长度、隧道埋深等数据，见表3-1所示：

表3-1大瑶山隧道各围岩段情况

围岩级别

长度（m）

隧道埋深（m）

Ⅱ

320

281.60～363.74

Ⅲ

7425

26.06～650.00

Ⅳ

1880

7.24～554.28

Ⅴ

703

0～27.63

大瑶山隧道为时速250km/h的客专双线铁路隧道，设计所给的建筑限界及衬砌内轮廓是相同的，但由于隧道所处围岩级别的不同，其采用的复合式衬砌的形式和厚度也会有所不同，从而导致各围岩段隧道开挖轮廓线的不同。

各级围岩段隧道的开挖净高和净宽初步拟定见表3-2所示。

表3-2隧道开挖净高和净宽

围岩级别

开挖净高（m）

开挖净宽（m）

Ⅳ

12.13

14.42

Ⅴ

12.48

14.62

3.2.2荷载计算方法

（1）隧道深浅埋的判定原则

深、浅埋隧道分界深度至少应大于坍方的平均高度且有一定余量。

根据经验，这个深度通常为2~2.5倍的坍方平均高度值，即：

（3-1）

式中，――深浅埋隧道分界的深度（m）；

――等效荷载高度值（m）；

系数2~2.5在松软的围岩中取高限，在较坚硬围岩中取低限。

当隧道覆盖层厚度时为超浅埋，时为浅埋，时为深埋。

（2）当隧道埋深h小于或等于等效荷载高度hq（）时，为超浅埋隧道，围岩压力按隧道顶部全土柱重量计算。

围岩垂直均布松动压力为：

（3-2）

式中，――围岩容重（kN/m3），见表3-3；

――隧道埋置深度（m）；

围岩水平压力e按朗金公式计算：

隧道顶部水平压力：

（3-3a）

隧道底部水平压力：

（3-3b）

表3-3围岩压力相关计算参数取值

围岩级别

容重（kN/m3）

弹性反力系数

K（MPa/m）

岩体两侧摩擦系角

（°）

计算摩擦角

（°）

21.5

350

0.8

55

18.5

150

0.6

45

（3）当隧道埋深h大于等效荷载高度hq且小于深浅埋分界深度（）时，为一般浅埋隧道，围岩压力按谢家烋公式计算：

围岩垂直均布松动压力为：

（3-4）

（3-5）

（3-6）

式中，――坑道跨度（m）；

――围岩的容度（kN/m3）；

――洞顶覆土厚度（m）；

――岩体两侧摩擦角（°），见表3；

――侧压力系数；

――围岩计算摩擦角（°），见表3；

――产生最大推力时的破裂角（°）；

――隧道开挖高度（m）。

围岩水平压力按梯形分布，由下式确定：

隧道顶部水平压力：

（3-7a）

隧道底部水平压力：

（3-7b）

（4）当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（）时，为深埋隧道，围岩压力按自然拱内岩体重量计算：

单线、双线及多线铁路隧道按破坏阶段设计，垂直均布压力为：

（3-8）

式中，――等效荷载高度值（m）；

――围岩级别，如级围岩；

――围岩的容重（kN/m3）；

――宽度影响系数，其值为：

（3-9）

式中，――坑道宽度（m）；

――每增加1m时，围岩压力的增减率（以m为基准），当<5m时，取，>5m时，取。

围岩的水平均布松动压力按表3-4计算求得。

表3-4围岩水平均布压力

围岩级别

水平均布压力

0.2q

0.2q

3.2.3各围岩段荷载计算

3.2.3.1Ⅳ级围岩压力的计算

（1）隧道深浅埋的判定

Ⅳ级围岩的开挖轮廓尺寸：

B=14.42m，=12.13m

等效荷载高度：

深浅埋分界深度：

由于围岩为Ⅳ级，极为软弱破碎且节理发育，故深浅埋分界深度取为。

由隧道纵断面图可知，Ⅳ级围岩中，隧道的最小埋深h=7.24m，故处于Ⅳ级围岩的隧道当时为浅埋，当时为深埋。

。

（2）Ⅳ级围岩压力的计算

对于埋深的一般浅埋隧道，选取里程DK1908+060～DK1908+120，取里程为DK1908+94.8处，即一般浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。

一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算：

对于Ⅳ级围岩，计算摩擦角

，

垂直均布松动压力：

水平松动压力：

隧道顶部：

隧道底部：

当隧道埋深h大于或等于深浅埋分界深度Hp（）时，为深埋隧道，

根据《铁路隧道设计规范》所推荐的方法：

垂直均布松动压力：

水平均布松动压力：

3.2.3.2Ⅴ级围岩压力的计算

（1）隧道深浅埋判定

隧道开挖最大轮廓尺寸：

B=14.62m，=12.48m

等效荷载高度：

深浅埋分界深度：

由于围岩为Ⅴ级，岩体软弱破碎、节理发育、强-弱风化且含地下水，故取。

由隧道纵断面图知，处于Ⅴ级围岩的隧道最小埋深0m，最大埋深h=27.63m且故Ⅴ级围岩中的隧道可分为超浅埋、一般浅埋隧道。

（2）级围岩压力的计算

对于埋深的超浅埋隧道，选取里程DK1908+120～DK1908+300，取里程为DK1908+274.88处，即超浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。

超浅埋隧道垂直松动压力按全土柱计算：

垂直均布松动压力：

水平松动压力：

隧道顶部：

隧道底部：

对于埋深的一般浅埋隧道，选取里程为DK1908+300处，即该隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。

一般浅埋隧道围岩压力按谢家烋公式计算：

对于Ⅴ级围岩，计算摩擦角，，则，

垂直均布松动压力：

水平松动压力：

隧道顶部：

隧道底部：

3.3衬砌内力计算

衬砌内力的计算采用荷载—结构模型，利用有限元软件ANSYS进行计算。

ANSYS加载求解过程如下：

（1）设置分析类型：

隧道采用结构分析模型；

（2）前处理：

设置单元类型、实常数、材料属性，建模并划分单元；

（3）求解：

施加边界条件、荷载并求解；

（4）后处理：

显示并保存变形图、弯矩图、轴力图和单元结果表。

隧道的ANSYS结构计算模型如图3-1，在该结构计算模型中，衬砌结构是承载主体，承受围岩的竖向、水平松动压力和结构自重，围岩对衬砌变形的约束作用通过弹簧单元来模拟。

图3-1结构计算模型图

ANSYS建模时，各种材料参数取值如表3-5。

表3-5衬砌及围岩计算参数

衬砌及围岩

容重（kN/m3）

弹性模量

（GPa）

弹性抗力系K（MPa/m）

泊松比

C35混凝土

25

31.5

—

0.2

Ⅳ级围岩

21.5

—

350

—

Ⅴ级围岩

18.5

—

150

—

3.3.1Ⅳ级围岩

3.3.1.1IV级围岩浅埋段

级围岩里程DK1908+060～DK1908+120，取里程为DK1908+94.8处断面计算。

图3-2、图3-3是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。

图3-2Ⅳ级围岩浅埋段衬砌弯矩图（单位：

N·m）

图3-3Ⅳ级围岩浅埋段衬砌轴力图（单位：

N）

3.3.1.2IV级围岩深埋埋段

图3-4、图3-5是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。

图3-4I级围岩深埋段衬砌弯矩图（单位：

N·m）

图3-5I级围岩深埋段衬砌轴力图（单位：

N）

3.3.2V级围岩

3.3.2.1V级围岩超浅埋段

超浅埋段分布于里程选取里程DK1908+120～DK1908+300，取里程为DK1908+274.88处，即超浅埋段隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。

图3-6、图3-7是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。

图3-6级围岩超浅埋段衬砌弯矩图（单位：

N·m）

图3-7级围岩超浅埋段衬砌轴力图（单位：

N）

3.3.2.2级围岩一般浅埋段

V级为眼部一般浅埋段选取里程为DK1908+300处，即该隧道最大埋深处的围岩压力进行计算。

图3-8、图3-9是用ANSYS求得弯矩图和轴力图。

图3-8级围岩一般浅埋段衬砌弯矩图（单位：

N·m）

图3-9级围岩一般浅埋埋段衬砌轴力图（单位：

N）

3.4衬砌强度检算及配筋

3.4.1强度检算原理

大瑶山隧道为大跨铁路隧道，按照《铁路隧道设计规范》应按破损阶段法和容许应力法检算隧道衬砌的强度。

（1）素混凝土矩形截面的检算

混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按下式计算：

（3-10）

式中，Ra――混凝土或砌体的抗压极限强度；

K――安全系数，见表3-6；

N――轴向力（MN）；

B――截面宽度（m）；

H――截面厚度（m）；

――构件的纵向弯曲系数，对于隧道衬砌、明洞拱圈及墙背紧密回填的边墙，可取=1.0；

――轴向力偏心影响系数，计算公式如下：

且

表3-6混凝土和砌体结构的强度安全系数

材料种类

混凝土

砌体

荷载组合

主要荷载

主要荷载+

附加荷载

主要荷载

主要荷载+

附加荷载

破坏

原因

混凝土或砌体达

到抗压极限强度

2.4

2.0

2.7

2.3

混凝土达到抗拉

极限强度

3.6

3.0

—

—

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：

（3-11）

式中，――混凝土的抗拉极限强度，见表3-7；

――截面偏心距（m）；

表3-7衬砌材料力学指标

衬砌材料

衬砌、钢筋力学指标

抗拉极限强度（MPa）

弯曲抗压极限强度（MPa）

抗拉极限强度（MPa）

计算强度（MPa）

C30混凝土

22.5

28.1

2.2

—

C35混凝土

25.7

32.1

2.4

—

HRB335

—

—

—

360

HPB235

—

—

—

260

对混凝土矩形构件，按《铁路隧道设计规范》规定的安全系数及材料强度竖直计算结果表明，当时，有抗压强度控制承载能力，不必检算抗裂；当时，由抗拉强度控制承载能力，不必检算抗压。

（2）钢筋混凝土矩形截面的检算

大偏心受压构件的检算

钢筋混凝土矩形截面的大偏心受压构件（）其截面强度应按下列公式计算：

（3-12）

或（3-13）

中性轴的位置按下式确定：

（3-14）

当轴向力作用于钢筋与的重心之间时，式中左边第二项取正号；当作用于和两重心以外时，则取负号。

如计算中考虑受压钢筋时，则混凝土受压区高度应符合，如不符合，则按下式计算：

（3-15）

式中，――轴向力（MN）；

K――钢筋混凝土结构强度安全系数，见表3-8；

，――钢筋和的重心至轴向力作用点的距离（m）；

表3-8钢筋混凝土结构的强度安全系数

荷载组合

主要荷载

主要荷载+附加荷载

破坏

原因

钢筋达到计算强度或混凝土

达到抗压或抗剪极限强度