隧道二衬结构计算书全文.docx
《隧道二衬结构计算书全文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隧道二衬结构计算书全文.docx（41页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
隧道二衬结构计算书全文
3蓁山隧道二衬结构计算
3.1基本参数
1.二衬参数表
二次衬砌采用现浇模筑混凝土，利用荷载结构法进行衬砌内力计算和验算。
二次衬砌厚度设置见表3.1。
表3.1二次衬砌参数表
围岩级别
拱墙厚度h/cm
仰拱厚度h/cm
砼级别
钢筋种类
钢筋直径
Ⅱ
35
35
C30
HRB335
14
Ⅲ
40
45
C30
HRB335
20
Ⅳ
40
45
C30
HRB335
20
Ⅴ
50
55
C35
HRB335
20
22（加强）
Ⅴ级加强围岩（下穿凤凰台路）
60
70
C35
HRB335
25
2.计算断面参数确定
隧道高度h=内轮廓线高度+衬砌厚度+预留变形量
隧道跨度b=内轮廓线宽度+衬砌厚度+预留变形量
各围岩级别计算断面参数见表3.2。
表3.2计算断面参数（单位：
m）
围岩级别
隧道高度H
隧道宽度B
预留变形量/cm
开挖高度
开挖宽度
Ⅱ
10.81
12.86
4
10.84
12.90
Ⅲ
11.14
13.32
7
11.21
13.39
Ⅳ
11.31
13.46
9
11.40
13.55
Ⅴ
11.63
13.60
12
11.75
13.72
Ⅴ级加强围岩（下穿凤凰台路）
11.96
13.86
14
12.10
14.00
3.设计基本资料
围岩容重：
二衬材料：
C30、C35混凝土
弹性抗力系数：
材料容重：
弹性模量：
二衬厚度：
35/40/45/50/55/60/65/70cm
铁路等级：
客运专线
行车速度：
200km/h
隧道建筑限界：
双线，按200km/h及以上的客运专线要求设计
线间距：
4.4m
曲线半径：
1800m，4000m
牵引种类：
电力
列车类型：
动车组
列车运行控制方式：
自动控制
运输调度方式：
综合调度集中
3.2各级围岩的围岩压力计算
按深埋隧道，《规范》公式
垂直围岩压力
水平围岩压力有垂直围岩压力乘以水平围岩压力系数可得，水平围岩压力系数见表3.3。
各部位垂直围岩压力和水平围岩压力计算结果见表3.4。
表3.3水平围岩压力系数
围岩级别
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
水平围岩压力系数
0
0.13
0.2
0.4
表3.4垂直围岩压力及水平围岩压力计算表
围岩
级别
拱顶垂直围岩压力qv
拱底垂直围岩压力qv
拱顶水平围岩压力qh
墙底水平围岩压力qh
开挖宽度B
宽度影响系数w
到拱底高H0
到墙底高H'
容重γ
kN/m2
kN/m2
kN/m2
kN/m2
m
m
m
kN/m3
Ⅱ
33.0255
104.5705
0
0
12.9
1.79
3.49
8.56
20.5
Ⅲ
67.8591
140.2241
8.143092
29.323692
13.39
1.839
3.53
8.61
20.5
Ⅳ
136.899
210.494
27.3798
62.8448
13.55
1.855
3.59
8.65
20.5
Ⅴ
276.3072
350.7222
110.52288
181.78088
13.72
1.872
3.63
8.69
20.5
Ⅴ级加强围岩（下穿凤凰台路）
280.44
356.085
112.176
183.68
14
1.9
3.69
8.72
20.5
注：
二衬按承担70％的围岩压力进行计算。
围岩级别
拱顶垂直围岩压力qv/kN/m2
拱底垂直围岩压力qv/kN/m2
拱顶水平围岩压力qh/kN/m2
墙底水平围岩压力qh/kN/m2
Ⅱ
23.11785
103.47785
0
0
Ⅲ
47.50137
127.86137
5.7001644
22.5241044
Ⅳ
95.8293
176.1893
19.16586
47.20576
Ⅴ
193.41504
273.77504
77.366016
133.445816
Ⅴ级加强围岩（下穿凤凰台路）
196.308
276.668
78.5232
134.603
3.3衬砌内力计算
衬砌内力计算的原理采用荷载结构法。
该方法用有限元软件MIDAS/GTS实现。
3.3.1计算简图
蓁山隧道衬砌结构为复合式衬砌，二衬结构为带仰拱的三心圆曲墙式衬砌。
典型的计算图式如图3.1所示。
荷载结构模型计算图式如图3.2所示。
围岩用弹簧代替，用弹簧单元模拟，结构用梁单元模拟。
图3.1三心圆曲墙式衬砌结构
图3.2荷载结构模型计算图式
3.3.2计算过程
下面以Ⅱ级围岩为例进行说明。
1.生成分析数据
生成属性
主菜单里选择模型>特性>属性…
属性窗口如图3.3~图3.6所示。
图3.3梁截面输入窗口
图3.4模型材料窗口
图3.5属性汇总窗口1
图3.6模型属性汇总窗口2
2.二维几何建模
二维几何建模参数见表3.5。
表3.5三心圆带仰拱二维几何建模参数
围岩级别
拱墙混凝土/cm
仰拱混凝土/cm
有限元建模半径
R1/m
A1/度
R2/m
A2/度
R3/m
A3/度
Ⅱ
35
35
6.205
60
6.205
48
13.325
19.13
Ⅲ
40
45
6.23
60
6.23
48
13.375
19.13
Ⅳ
40
45
6.23
60
6.23
48
13.375
19.13
Ⅴ
50
55
6.28
60
6.28
48
13.425
19.13
Ⅴ级加强围岩（下穿凤凰台路）
60
70
6.33
60
6.33
48
13.50
19.13
主菜单里选择几何>曲线>在工作平面上建立>二维隧道（线组）…
隧道类型选择‘三心圆仰拱’
输入参数见表3.5。
所建立的二维隧道轴线如图3.7所示。
图3.7隧道轴线模型
3.生成二维网格
主菜单里选择网格>自动划分网格>线…
对侧墙wall、拱圈crown、仰拱invert、墙脚corner进行划分网格，自动网格线划分窗口如图3.8所示。
隧道轴线化划分的网格如图3.9所示。
显示截面后的隧道有限元网格模型如图3.10所示。
图3.8自动网格线划分窗口
图3.9隧道轴线划分网格
图3.10显示截面后的隧道有限元网格模型
4.边界条件
利用曲面弹簧功能定义模型的边界条件。
选择赋予地基弹簧的节点后输入相应的地基反力系数，程序会考虑选中的节点间的距离自动按各节点计算弹簧系数。
由于隧道的开挖部分的下部土体不能抗拉所以地基弹簧使用只受压单元（Compression-only）进行边界非线性分析。
主菜单里选择模型>单元>建立曲面弹簧…
在边界组对话框的名称处输入‘GroundSpring’
曲面弹簧建立窗口如图3.11所示。
围岩弹性抗力系数为250000kN/m3。
建立曲面弹簧后的隧道模型如图3.12所示。
图3.11曲面弹簧建立窗口
图3.12建立曲面弹簧后的隧道模型
5.荷载
定义模型的荷载工况。
此模型里作用的荷载为结构自重、水平土压和竖直土压力三种。
程序中定义如图3.13所示。
图3.13荷载工况定义
（1）自重主菜单力选择模型>荷载>自重…
荷载组力输入‘SelfWeight’,自重系数的Y处输入‘-1’，如图3.14所示。
图3.14自重输入
（2）水平围岩压力
输入水平土压力。
主菜单力选择模型>荷载>连续梁单元荷载….水平围岩压力输入如图3.15所示。
图3.15水平围岩压力输入图3.16垂直围岩压力输入
（3）垂直围岩压力
主菜单：
选择模型>荷载>连续梁单元荷载….垂直围岩压力输入如图3.16所示。
6.荷载组合
在进行分析以前利用组合荷载组为新组的功能将要查看的荷载组合变换为一个静力荷载组。
做截面设计时要使用的荷载组合如下。
LCB1:
1.54自重+1.8水平土压+1.4竖直土压
LCB2:
1.54自重+0.9水平土压+1.4竖直土压
主菜单里选择模型>荷载>组合荷载组为新组…，荷载组合窗口如图3.17所示。
图3.17荷载组合窗口
7.分析工况
定义分析工况。
主菜单里选择分析>分析工况…，分析工况定义窗口如图3.18所示。
图3.18分析工况定义窗口
8.分析
主菜单里选择分析>分析…。
Ⅲ~Ⅴ级围岩计算过程同上。
3.3.3计算结果
1.Ⅱ级围岩
关键截面内力见表3.6。
LCB1和LCB2荷载组合下的内力图及位移图如图3.19所示。
因Ⅱ级围岩水平围岩压力为0，故LCB1和LCB2荷载组合计算结果相同。
表3.6Ⅱ级围岩各荷载组合下的内力（kN、kNm）
关键截面
荷载组合
拱顶
边墙
墙脚
仰拱底
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
LCB1
54.6
85.0
23.2
38.5
25.8
4.60
287.0
0.015
LCB2
54.6
85.0
23.2
38.5
25.8
4.60
287.0
0.015
（a）轴力图
（b）弯矩图
（c）剪力图
（d）位移图
图3.19LCB1与LCB2组合内力图及位移图
2.Ⅲ级围岩
关键截面内力见表3.7。
LCB1和LCB2荷载组合下的内力图及位移图如图3.20和图3.21所示。
表3.7Ⅲ级围岩各荷载组合下的内力（kN、kNm）
关键截面
荷载组合
拱顶
边墙
墙脚
仰拱底
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
LCB1
10.5
117.2
324.9
2.81
324.9
6.89
398.5
0.13
LCB2
13.4
122.6
328.4
2.66
368.0
6.66
370.0
0.14
（a）轴力图
（b）弯矩图
（c）剪力图
（d）位移图
图3.20LCB1组合内力图及位移图
（a）轴力图
（b）弯矩图
（c）剪力图
（d）位移图
图3.21LCB2组合内力图及位移图
3.Ⅳ级围岩
关键截面内力见表3.8。
LCB1和LCB2荷载组合下的内力图及位移图如图3.22和图3.23所示。
表3.8Ⅳ级围岩各荷载组合下的内力（kN、kNm）
关键截面
荷载组合
拱顶
边墙
墙脚
仰拱底
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
轴力
弯矩
LCB1
122.1
184.2
521.7
4.72
576.6
11.3
605.8
0.42
LCB2
59.4
198.1
532.8
4.41
577.9
10.7
605.7
0.46
（a）轴力图
（b）弯矩图
（c）剪力图
升级会员 