隧道工程课程设计.docx
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隧道工程课程设计
隧道工程课程设计说明书
ThestructuraldesignoftheTunnel
作者姓名：
黄浩刘彦强
专业、班级：
道桥1002班道桥1003班
学号：
311007020711311007020815
指导教师：
陈峰宾
设计时间：
2014/1/9
河南理工大学
HenanPolytechnicUniversity
隧道工程课程设计
一．课程设计题目
某单车道时速350Km/h高速铁路隧道Ⅴ级围岩段结构及施工方法设计
二．隧道的建筑限界
根据《铁路隧道设计规范》有关条文规定，隧道的建筑限界高度H取6.55m，宽度取8.5m，如图所示。
三．隧道的衬砌断面
拟定隧道的衬砌，衬砌材料为C25混凝土，弹性模量Ec=2.95*107kPa，重度γh=23kN/m3，衬砌厚度取50cm，如图所示。
四．荷载确定
4.1围岩压力计算
根据围岩压力计算公式：
计算围岩竖向均布压力：
式中：
s——围岩类别，此处s=5；
——围岩容重，此处
=22KN/m3；
——跨度影响系数
毛洞跨度
=8.5m
B>5m，
=0.1，此处
所以有：
所以此隧道为浅埋隧道。
4.2围岩水平压力
围岩水平均布压力：
4.3浅埋隧道荷载计算
（1）作用在支护结构上的垂直压力
由于
，为便于计算，假定岩土体中形成的破裂面是一条与水平成
角的斜直线，如图5.1所示。
EFGH岩土体下沉，带动两侧三棱体（图中FDB和ECA）下沉，整个岩土体ABDC下沉时，又要受到未扰动岩土体的阻力；斜直线AC或BD是假定的破裂面，分析时考虑内聚力c，并采用了计算摩擦角
；另一滑面FH或EG则并非破裂面，因此，滑面阻力要小于破裂面的阻力。
该滑面的摩擦系数
为36.5度。
查询铁路隧道设计相关规范，取计算摩擦角
。
浅埋隧道荷载计算简图
如上图所示，隧道上覆岩体EFGH的重力为
，两侧三棱岩体FDB或ECA的重力为
，未扰动岩体整个滑动土体的阻力为F，当EFHG下沉，两侧受到阻力
或
，作用于HG面上的垂直压力总值
为：
（2-4）
其中，三棱体自重为：
（2-5）
式中：
为坑道底部到地面的距离（m）；
为破裂面与水平的交角（°）。
由图据正弦定理可得
（2-6）
由于GC、HD与EG、EF相比往往较小，而且衬砌与岩土体之间的摩擦角也不同，当中间土块下滑时，由FH及EG面传递，考虑压力稍大些对设计的结构也偏于安全，因此，摩阻力不计隧道部分而只计洞顶部分，在计算中用H代替h，有：
（2-7）
（2-8）
（2-9）
埋深为20m时，土压力值为218.80/m2。
式中：
——侧压力系数；
——坑道宽度（m）；
——围岩的计算摩擦角（°）；
——作用在支护结构上的均布荷载（kN/m2）。
（2）作用在支护结构两侧的水平侧压力
Ⅴ级围岩荷载分布如下图所示。
作用在支护结构上的均布荷载
五．结构设计计算
5.1计算基本假定
因隧道是一个狭长的建筑物，纵向很长，横向相对尺寸较小。
隧道计算取每延米作为计算模型，此类问题可以看作平面应变问题来近似处理。
考虑围岩与结构的共同作用，采用荷载结构模型。
隧道计算采用荷载结构模式按有限杆单元，采用MIDAS/GTS进行计算分析。
基本假定：
假定所有衬砌均为小变形弹性梁，把衬砌为离散足够多个等厚度梁单元。
用布置于各节点上的弹簧单元来模拟围岩与初期支护、衬砌的相互约束；假定弹簧不承受拉力，即不计围岩与衬砌间的粘结力；弹簧受压时的反力即为围岩对衬砌的弹性抗力。
假定初期支护与主体结构之间只传递径向压力。
考虑到在非均匀分布的径向荷载作用下，衬砌结构一部分将发生向着围岩方向的变形，而地层具有一定的刚度，会对衬砌结构产生被动的弹性抗力，设计计算时采用弹性地基梁单元模拟。
5.2内力计算结果
计算荷载基本组合：
结构自重＋围岩压力，为了计算保证计算的可靠性，采用MIDAS/GTS进行计算。
Midas/GTS计算结果如下：
MIDAS/GTS计算弯矩图
MIDAS/GTS计算轴力图
MIDAS计算内力表5.1
名称
轴力（KN）
剪力（KN）
弯矩（KN*m）
1
-2340.162
4.683
51.981
2
-2340.263
-2.779
51.981
3
-1624.809
-186.971
-34.412
4
-1580.398
-185.861
33.339
5
-1437.516
-10.739
293.843
6
-1434.129
99.214
293.843
7
-2331.265
-23.050
67.731
8
-2337.056
8.644
61.477
9
-2339.056
9.460
55.582
10
-2334.536
-14.017
66.954
由内力图可知，结构所受弯矩为293.843KN•m，对应轴力为-1437.516KN。
5.3V级围岩配筋计算
整个断面存在正负相反方向的弯矩，又弯矩较大，按偏心受压对称配筋和受弯构件配筋分别进行计算。
5.4偏心受压对称配筋
根据Midas计算结果进行结构配筋计算，取弯矩293.843KN•m，对应轴力-1437.516KN为最不利截面控制内力。
衬砌混凝土采用C25，钢筋采用HRB335，由混凝土和钢筋等级查表知系数
，
，界限受压区高度
。
按双面对称配筋进行计算。
有效高度：
偏心距：
附加偏心距：
初始偏心距：
修正系数：
，取
。
，所以取
偏心距增大系数：
，所以可先按大偏心受压情况计算。
，故假定按照大偏心受压是正确的。
钢筋截面面积:
最小配筋截面面积：
，故按最小配筋率配筋，选取3
20的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为
。
5.5受弯构件配筋
计算配筋过程
，满足要求
故：
选用6
22的Ⅱ级钢筋，实际配筋面积为
。
5.6箍筋配筋计算
对于箍筋，
，因此只需按照构造配箍，选用
12@200（纵方向）和
10@250（横断面）。
5.7强度验算
为了保证衬砌结构强度的安全性，需要在算出结构内力之后进行强度验算。
目前我国国内公路隧道设计规范规定，隧道衬砌和明洞按破坏阶段验算构件截面强度。
即根据混凝土和石砌材料的极限强度，计算出偏心受压构件的极限承载力，与构件实际内力相比较，计算出截面的抗压（或抗拉）强度安全系数K。
检查是否满足规范所要求的数值，即：
式中：
——截面的极限承载能力；
——截面的实际内力（轴向力）；
——规范所规定的强度安全系数。
当
时，由抗压强度控制，
当
时，截面由抗拉强度控制，即：
其中：
——构件纵向系数，隧道衬砌取1；
——混凝土极限抗压强度；
——混凝土极限抗拉强度；
——轴力的偏心影响系数，按以下经验公式确定：
——截面宽度，取1m；
——截面厚度；
钢筋混凝土结构的强度安全系数在计算永久荷载加基本可变荷载时取2.0（受压）或2.4（受拉）。
在计算安全系数时，弯矩和轴力只取大小，即全是正值。
表5.2Ⅳ级围岩大变形地段安全系数计算表
名称
弯矩
轴力
偏心距
极限承载力
安全系数
是否安全
（KN·m）
（N）
（m）
（N）
1
51.981
-2340.162
0.0587
5356363
9.58702
是
2
51.981
-2340.263
0.478
246446
3.21670
是
3
-34.412
-1624.809
0.013
85367433.4
17.7442
是
4
33.339
-1580.398
0.2755
2743531
3.02662
是
5
293.843
-1437.516
0.145
6745322.6
7.15745
是
6
293.843
-1434.129
0.0333
3032654
6.32212
是
5.8最小配筋率验算：
取
，有
满足规范要求.
六．辅助施工措施设计
双侧壁导坑法
采用双侧壁导坑法进行开挖，双侧壁导坑法是将隧道断面分成左右两个侧壁导坑和上下台阶四大部分开挖。
6.1双侧壁导坑施工方法
双侧壁导坑法又称眼睛工法，在软弱围岩中，当隧道跨度更大或因环境要求，对地表沉陷需严格控制时，可考虑采用双侧壁导坑法。
现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为断台阶法的1|2。
导坑尺寸拟定的原则同前，但原则不宜超过断面最大宽度的三分之一。
左右侧壁导坑应错开开挖，以避免在同一断面上同时开挖而不利于围岩稳定，错开的距离根据后行导坑引起的围岩应力重分布不影响已成导坑的原则确定，亦可工程类比之，一般去7-10m。
6.2开挖方法
双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多一点，对围岩的扰动次数增加，且初期支护全断面闭合的时间延长，但每个分块都是在开挖之后立即闭合对的，所以在施工期间变形几乎不发展。
该施工方法安全，但进度慢，成本高。
双侧壁导坑预留核心土法施工工序图
6.3施工工序
①开挖一侧导坑，及时将初期围护闭合。
②相隔一段距离后开挖另一侧导坑，将初期围护闭合。
③开挖上部核心土，施做拱部初期支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初期支护上。
④开挖下台阶，施做底部的初期支护，是初期支护全断面闭合。
⑤拆除导坑临空部分的初期支护。
⑥待隧道周边变形基本稳定后，施做二次模注混凝土衬砌。
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