隧道结构设计检算Word格式.docx
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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
开挖净高(m)
开挖净宽(m)
12.13
14.42
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
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:
(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(°
――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:
(3-7a)
(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
水平均布压力
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:
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
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:
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。
对于Ⅴ级围岩,计算摩擦角,,则,
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
Ⅴ级围岩
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:
图3-5I级围岩深埋段衬砌轴力图(单位:
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:
图3-7级围岩超浅埋段衬砌轴力图(单位:
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:
图3-9级围岩一般浅埋埋段衬砌轴力图(单位:
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
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
25.7
32.1
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
主要荷载+附加荷载
钢筋达到计算强度或混凝土
达到抗压或抗剪极限强度