公路隧道结构设计与计算.docx
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公路隧道结构设计与计算
《地下建筑风水电工程》
本科课程设计
题目：
公路隧道结构设计与计算
第一章课程设计任务书1
第二章拟定隧道的断面尺寸3
第一节隧道的建筑限界3
第二节隧道的衬砌断面4
第三章隧道的衬砌结构计算5
第一^节基本资料5
第二节荷载确定5
第三节衬砌几何要素5
第四节计算衬砌总内力6
第四章衬砌截面强度验算7
第一章课程设计任务书
目的和要求
课程设计是《地下建筑风水电工程》课程教学的重要实践性环节，是使学生熟练掌握
隧道设计计算原理和计算方法的重要内容，为进一步的毕业论文和以后的工作打下坚实的基
础。
要求每个学生高度重视，必须认真按时完成。
二、课程设计题目及资料
1、课程设计题目：
公路隧道结构设计与计算
某隧道通过"级围岩，埋深H=20m隧道围岩天然容重丫=25KN/m,计算摩擦角e=50,采用钻爆法施工。
要求按高速公路设计速度60km/h或80km/h或100km/h考虑公路隧道建筑限界的横
断面：
1）按公路隧道要求对隧道衬砌进行结构设计（拟定结构尺寸）；
2）按规范确定该隧道的竖向均布压力和侧向分布压力；
3）计算衬砌结构的内力（画出弯矩图和轴力图）；
4）对衬砌结构进行配筋验算。
2、参考资料：
（1）中华人民共和国行业标准《公路隧道设计规范》JTGD70-2004,人民交通出版社，
2004年9月；
（2）中华人民共和国行业标准《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTG
D62-2004,人民交通出版社，2004年；
（3）夏永旭编著《隧道结构力学计算》，人民交通出版社，2004年；
（4）本课程教材《地下建筑风水电工程》，人民交通出版社；
（5）有关隧道设计图纸；
三、课程设计做法指导
1、根据题目要求，按照隧道设计章节的做法拟定隧道结构的截面尺寸，包括轮廓线半径和厚度等；
2、按照比例（例如1:
100）绘制横断面图；
3、按照04年发布的《公路隧道设计规范》JTGD70-2004确定隧道围岩竖向压力和水平压力；
4、隧道结构内力计算（可按参考资料（3）中的计算步骤进行），要求写出计算过程，并画出弯矩图和轴力图；
5、每位学生提交的课程设计成果（计算书）：
（1）按比例绘制的隧道结构设计图纸一张；
（2）按上述要求进行的计算过程和计算结果。
11.xls
附：
计算表。
第二章拟定隧道的断面尺寸
第一节隧道的建筑限界
以80km/h考虑公路隧道建筑限界的横断面。
根据《公路隧道设计规范》（JTGD-2004）
有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取5m,行车道宽度取3.75*2m，左侧向宽度Ll取0.5m，右侧向宽度Lr取0.75m，检修道宽度J取0.75m，检修道高度d取0.5m，建筑限界顶角宽度EL取0.5m，ER取0.75m,如图1所示。
图1隧道建筑限界图（单位：
CM
第二节隧道的衬砌断面
根据《公路隧道设计规范》
（JTGD-2004）有关条文规定，拟定隧道的衬砌，衬砌材料为
C20混凝土，弹性模量Eh=2.8*107kPa，重度丫h=23kN/m［衬砌厚度取60cm,如图所示。
图2-2隧道衬砌断面
第三章隧道衬砌结构计算
第一节基本资料
某一级公路隧道，结构断面如图2-1所示。
围岩级别为"级，埋深H=20m隧道围岩天然容重丫=25kN/m3，计算摩擦角$=50°，衬砌材料为C20混凝土，弹性模量Eh=2.8*107kPa,重度丫h=23kN/m〔
第二节荷载确定
1•围岩竖向均布压力
S-1
hq=q/y=°.45>2w
式中：
s—围岩级别，此处s=4;
丫一围岩重度，此处丫=25kN/m3
w—跨度影响系数，w=1+i（B-5），标准断面B=12.22m所以有®=1.722
・4・1
hq=q/丫=0.45X2X1.722=6.199m
Hp=2.5hq=2.56.199=15.498m
HHp
故该隧道属于深埋隧道，围岩竖向均布压力
q=0.452“，=0.4524J251.722=154.98kPa
此处超挖回填层重度忽略不计。
2•围岩水平均布压力
侧向压力e,按均布考虑是，丫其值为
e=0.25q=0.25154.98=38.745kPa
第三节衬砌几何要素
1•衬砌几何尺寸
内轮廓线半径r1=5.43m,"=7.93m；r3=15m;
采用等截面衬砌，衬砌厚度d=0.6m；
外轮廓半径
R1=r1+d=5.43+0.60=6.03m
R2=r2+d=7.93+0.60=8.53m
R3=r3+d=15+0.6=15.6m
第四节计算衬砌总内力
£
9
20^70
37D953
1QBE+07-^55327-433961-111号号5
-号1C9Q9-59494^-27297S40987
第四章衬砌截面强度验算
①承载能力极限状态计算。
混凝土和砌体矩形截面中心及
偏心受压构件，其受压承载力按照下式计算
式中Nk—轴向力标准值，取Nk=4890KN
K—安全系数，查规范可取：
K=2
Ra—混凝土衬砌轴心抗压强度标准值17MPa
:
一轴向力偏心影响系数0.374
严筈讪4则查《公路隧道规范》可知弯曲纵向系数取'=0.72
带入相关数值（b=1d=0.6可得
KNk=9780000
:
Rbh=0.720.3741710610.6=2746656
可见等式左边大于等式右边，因此轴力最大处底部不能通过检算。
由上述内力计算，取M=1106Nm，N=4890kN进行内力计算，衬
砌管片同时受到较大的正弯矩与负弯矩，采用对称配筋。
简化模型为b=1000mmh=600mm保护层厚度取40mm.
①确定钢筋和混凝土的材料强度和几何参数
C25混凝土，仁=11.9kN/mm2；HRB335级钢筋，f/-300N/mm2；
as=a$=40mmh=600mm，h0=600-40=560mm；
②判断大、小偏心受压
压，贝卩：
x=F；ho=0.7338260=410.928mm0.55ho=308mm
e飞=204.5+20=226.5mm,
e=e•--as=226.5-300-40=486.5mm，与其他数据一同带入下式有:
2
KNeE0.5Rabh。
2RgAg（h。
-a）算得Ag-174.9mm2
故最小选配：
2T2，As=226mm则可满足要求。
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