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隧道工程课程设计

成都至泸州高速公路二峨山隧道工程衬砌结构计算

一、基本资料

⑴成都至泸州高速公路二峨山隧道工程地质勘察报告

⑵成都至泸州高速公路二峨山隧道平面布置图

⑶成都至泸州高速公路二峨山隧道剖面

二、工程概况

隧道进口段：

里程桩号K37+350～K37+460，长度110m，洞顶板埋深3.20m～38.10m，属浅埋段，进洞口位于斜坡的中部，里程桩号K37+350，地面标高为555.73m，设计路面标高545.71m,洞口中心开挖深度约10.00m，地形上陡下缓，耕地分布，第四系土厚1.00m左右，斜坡上方地形较陡，地面坡度23°～35°，基岩出露。

进口段出露地层为侏罗系上沙溪庙组地层，岩性以泥岩、砂岩为主，岩层走向与洞轴线近于垂直，进洞口段无断裂构造，无不良地质现象，稳定性较好，适宜进洞，但略具偏压。

三、设计内容

（一）隧道围岩地质分级划分

隧道围岩级别划分依据《公路隧道设计规范》（JTGD70-2004）中的3.6节《围岩分级》中各项规定划分。

结合《隧道地质勘查报告》中的地层岩性的描述、岩石物理力学性质、结构面特征、洞室埋藏深度、水文地质条件、不良地质现象、施工方法等因素综合分析确定。

隧道围岩分级的综合评判方法采用两步分级，按以下顺序进行：

⑴根据岩石的坚硬程度和岩体完整程度两个基本因素的定性特征和定量的岩体基本质量指标BQ，综合进行初步分级。

⑵对围岩进行详细定级时，应在岩体基本质量分级的基础上考虑修正因素的影响，修正岩体基本质量指标值。

⑶按修正后的岩体基本质量指标［BQ］，结合岩体的定性特征综合评判，按JTGD70－2004表3.6.5确定围岩的详细分级。

围岩分级中岩石坚硬程度、岩体完整程度两个基本因素的定性划分和定量指标及其对应关系应符合下列规定：

⑴岩石坚硬程度可按JTGD70－2004表3.6.2-1定性划分。

由岩土勘察报告可知，进口段表层为含块石粘土，下伏基岩，岩性为泥岩、砂岩，岩体裂隙发育，属极软~较软岩。

⑵岩石坚硬程度定量指标用岩石单轴饱和抗压强度Rc表达。

围岩基本质量指标BQ应根据分级因素的定量指标RC值和KV值按下式计算：

BQ=90+3RC+250KV

式中：

BQ——围岩基本质量指标；

RC——岩石单轴饱和抗压强度；

KV——岩体完整性系数，采用弹性波速探测值。

式中：

为岩体弹性纵波波速；

为岩石弹性纵波波速；

使用以上公式时应遵守下列限制条件：

①当RC＞90KV时，应以RC=90KV+30和KV代入计算BQ值；

②当KV＞0.04RC+0.4时，应以KV=0.04RC+0.4和RC代入计算BQ值。

各参数取值如下：

RC：

泥岩1.8MPa砂岩12.1MPa取RC=6.95MPa

：

泥岩1525～2971m/s砂岩2746～3278m/s

：

泥岩3070m/s砂岩3472m/s

KV：

泥岩0.70砂岩0.73取KV=0.715

BQ：

BQ=90+3RC+250KV

0.04RC+0.4=0.678

BQ=90+3RC+250KV=90+3×6.95+250×0.678=280.35

围岩详细定级时，如遇下列情况之一，应对岩体基本质量指标BQ进行修正：

①有地下水；

②围岩稳定性受软弱结构面影响，且由一组起控制作用；

③存在高应力。

围岩基本质量指标修正值［BQ］可按下式计算：

［BQ］=BQ–100（K1+K2+K2）

式中：

［BQ］——围岩基本质量指标修正值；

K1——地下水影响修正系数；

K2——主要软弱结构面产状影响修正系数。

K3——初始应力状态影响修正系数。

K1、K2、K3按JTGD70－2004附录A中表A.0.2-1、表A.0.2-2、表A.0.2-3确定，围岩极高及高初始应力状态的评估，可按附录A中表A.0.3规定进行。

隧道围岩分级标准表

围岩

级别

围岩或土体主要定性特征

围岩基本质量指标修正值［BQ］

开挖后的0.25定状态

Ⅰ

坚硬岩，岩体完整，受构造影响轻微，巨整体状或巨厚层状结构，节理不发育，层间结合良好。

＞550

围岩稳定，无坍塌。

Ⅱ

坚硬岩，岩体较完整，块状或层状结构，层间结合一般。

较坚硬岩，岩体较完整，块状整体结构，层间结合一般。

550～451

暴露时间长，可能产生局部小坍塌。

Ⅲ

坚硬岩，岩体较破碎，巨块（石）碎（石）状镶嵌结构，层间结合一般。

较坚硬岩或较软硬岩，岩体较完整，块状体或中厚层结构，层间结合一般。

450～351

开挖后喷护处理。

Ⅳ

坚硬岩，岩体破碎，碎裂结构；

较坚硬岩，岩体较破碎～破碎，镶嵌碎裂结构，块状体或中厚层结构。

较软岩或较软硬岩互层，且以软岩为主，岩体较完整～较破碎，中薄层状结构。

350～251

开挖后无支护，易产生顶部小块坍塌和侧壁失稳，应及时支护。

略具压缩的粘土或砂土，一般钙铁质胶结的碎石、卵石、大块石及Q2、Q1黄土。

Ⅴ

较软岩，岩体破碎；

软岩，岩体较破碎～破碎；

极破碎各类岩体，碎、裂状，松散结构。

≤250

开挖后易坍塌，应立即支护和衬砌。

裂隙杂乱或全～强风化壳；一般第四系的半干硬～硬塑状粘性土及Q4、Q3黄土，呈松软结构；

稍湿至潮湿的碎石土、卵石土、圆砾土，呈松散结构。

Ⅵ

软塑状粘性土及潮湿、饱和粉细砂、软土。

开挖后极易坍塌变形。

K1：

250

K2：

结构面倾角23°，按JTGD70－2004附录A中表A.0.2-2查得K2=0.3

K3：

成洞条件较好，洞口顶部易产生剥落掉块，可采用锚喷挂网喷射混凝土支护，所以不需要对初始应力状态进行修正。

［BQ］=BQ–100（K1+K2+K2）=280.35–100（0.25+0.3）=225.35

由上表可查得经修正之后的围岩等级为Ⅴ级。

（二）确定围岩物理力学参数

按照围岩级别，根据JTGD70－2004附录A中A.0.4的表A.0.4-1表选取各级围岩的物理力学参数。

围岩级别

重度

弹性抗力系数

变形模量

泊松比

内摩擦角

粘聚力

计算摩擦角

Ⅰ

26~28

1800~2800

>33

<0.2

>60

>2.1

>78

Ⅱ

25~27

1200~1800

20~33

0.2~0.25

50~60

1.5~2.1

70~78

Ⅲ

23~25

500~1200

6~20

0.25~0.3

39~50

0.7~1.5

60~70

Ⅳ

20~23

200~500

1.3~6

0.3~0.35

27~39

0.2~0.7

50~60

Ⅴ

17~20

100~200

1~2

0.35~0.45

20~27

0.05~0.2

40~50

Ⅵ

15~17

<100

<1

0.4~0.5

<20

<0.2

30~40

本段围岩为Ⅴ级，查表得其物理力学参数如下：

重度为17~20KN/m3,取γ=18.5KN/m3；

弹性抗力系数为100~200MPa/m,取k=150MPa/m；

变形模量为1~2GPa，取E=1.5GPa；

泊松比为0.35~0.45，取μ=0.4；

内摩擦角为20~27，取ψ=23.5；

粘聚力为0.05~0.2，取c=0.125；

计算摩擦角为40~50，取ψc=45°。

（三）确定隧道建筑限界尺寸

由任务书中给定的隧道长度、公路等级、行车道、设计车速、人行道与检修道的设置等设计基础信息，根据JTGD70－2004中的4.4节《隧道横断面设计》与JTGB01－2003公路工程技术标准中2.0.7公路建筑界限中对隧道工程的规定以及7.0.2与7.0.3中的各项规定进行划定。

重要规定有如下：

1、建筑限界高度，高速公路、一级公路、二级公路取5.0m；三、四级公路取4.5m。

2、高速公路、一级公路的隧道应在两侧设置检修道，其宽度等于或大于0.75m。

二、三级公路的隧道宜在两侧设置人行道（兼检修道），其宽度应等于或大于0.75m。

四级公路可不设人行道，但应保留0.25m的C值

3、当设置检修道或人行道时，不设余宽；当不设置检修道或人行道时，应设不小于25cm的余宽。

4、单车道四级公路的隧道应按双车道四级公路标准修建。

5、高速公路和一级公路隧道内应设置检修道。

其它等级公路隧道，应根据隧道所在地区的行人密度、隧道长度、交通量及交通安全等因素确定人行道的设置。

检修道或人行道宜双向设置；检修道或人行道宽度按照表4.4.1规定选定，检修道或人行道的高度可按20~80cm取值，并综合考虑一下因素；

1检修人员步行时的安全；

2紧急情况时，驾乘人员拿消防设备方便；

3满足其下放置电缆、给水管等的空间尺寸要求；

6、隧道内路侧边沟应结合检修道、侧向宽度、余宽等布置，其宽度应小于侧向宽度，并布置于车道两侧。

7、隧道长度分类

隧道长度分类

任务书上所需设计的车道为两车道,不含紧急停车带，设计时速为100公里/小时，查下表，可得此公路为高速公路或一级公路，车道宽度W=3.75×2=7.5m；建筑限界高度H=5.0m；并且应在两侧设置检修道，其宽度等于或大于0.75m，又因为设计速度为100km/h时，右侧检修道宽度不宜小于1.0m,故可取J=1.0m,检修道宜双向设置，检修道的高度可按20~80cm取值，综合考虑可取h=40cm；不设余宽。

隧道侧向宽度可取L左=L右=1.0m,故建筑限界顶角宽度ER=EL=1.0m；隧道路面坡度取i%=2%。

此公路隧道建筑限界尺寸设计如下图：

不含紧急停车带（单位：

cm）

（四）确定隧道内轮廓尺寸

按照已经确定的公路隧道建筑限界尺寸，根据JTGD70－2004中附录B中关于两车道的内轮廓尺寸规定。

两车道的隧道内轮廓标准断面形式由：

拱部为单心半圆，侧墙为大半径圆弧，仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接。

最终，要保障隧道内轮廓尺寸应将隧道建筑限界尺寸包括在隧道内轮廓中。

两车道隧道标准内轮廓断面（单位：

cm）

拱部圆弧半径R1=5.97m,侧墙圆弧半径R2=11.72m,侧墙与仰拱连接段圆弧半径R3=1.1m,仰拱圆弧半径R4=49.67m.

（五）计算隧道围岩压力

隧道围岩压力荷载计算按照JTGD70－2004中6.2节“永久荷载”与附录E中的规定进行计算。

具体步骤按照：

①首先进行浅埋和深埋隧道的划界；②如符合JTGD70－2004的附录E中规定属于浅埋隧道的，考察是否符合“埋深H

等效荷载高度

”和“埋深H

且

”两种情况之一进行计算；③如符合JTGD70－2004的附录E中规定属于深埋隧道的，按照普氏方法进行计算。

①深、浅埋隧道的分界深度判定

判定公式为：

Hp=（2～2.5）hq

式中：

Hp—浅埋隧道分界深度；hq—荷载等效高度，hq=q/γ,γ

为围岩重度；

q=0.45×2s-1×γ×ω；S—围岩的级别；ω—宽度影响系数，ω=1+i（B-5）；B为无支护条件下隧道毛洞宽度；i—B>5时取i=0.1，B<5时取i=0.2。

B=11.93+（0.2+0.45）×2=13.23m>5m,取i=0.1；

宽度影响系数ω=1+i（B-5）=1+0.1×（13.23-5）=1.823；

荷载等效高度hq=q/γ=0.45×25-1×1.823=13.13m；

浅埋隧道分界深度Hp=（2~2.5）hq=26.26~32.83m；

进口段洞顶板埋深3.2m~38.1m,按浅埋隧道计算。

②浅埋隧道荷载

垂直均布压力：

q=γ×hq=18.5×13.13=242.91KPa

γ—隧道上覆围岩重度

侧向压力：

Ht=8.86+0.20+0.45+0.45=9.96m

=18.5×（13.13+1/2×9.96）tan2（45-45/2）=57.48KPa

Ht—隧道高度；ψc—围岩计算摩擦角；

（六）衬砌结构的设计

衬砌结构设计按照复合式衬砌结构设计，参看JTGD70－2004中的8.4.2节内容。

先按照工程类比方法进行初步设计，然后根据结构计算进行验算，再作出适当调整。

围岩级别为V级，查下表可得初期支护中喷射混凝土厚度15~25cm，取20cm，仰拱不需喷射混凝土；二次衬砌中拱、墙混凝土厚度为45cm，仰拱混凝土厚度也为45cm。

（七）计算衬砌结构的内力

衬砌结构的内力计算按照荷载结构法进行计算，运用结构力学求解器（工程版）Vs2.0。

其中荷载只考虑三种荷载：

①围岩压力；②衬砌自重；③弹性抗力。

衬砌结构的结构力学建模简图如下图：

1、弹性抗力的处理：

将弹性抗力作用范围内的连续围岩离散为若干条彼此互不相关的矩形岩柱。

矩形岩柱的一个边长是衬砌的纵向计算宽度，通常取为单位长度，另一个边长是两相邻的衬砌单元的长度之半的和，岩柱的深度与传递轴力无关故不予考虑，为了便于力学计算，用一些具有一定弹性性质的弹性支承（弹性链杆）来代替岩柱，并让它以铰接的方式支承在衬砌单元之间的节点上，所以它不承受弯矩，只承受轴力。

弹性链杆的弹性特性即为围岩的弹性特征，用刚度系数K表示。

这种方法不假定弹性抗力分布范围与分布规律，比较接近实际情况。

2、衬砌自重的处理：

在实际工程结构中，结构自重一般不直接作用在节点上。

为了配合衬砌的离散化，结构自重也要进行离散，将其置换成作用在节点上的等效节点荷载，等效节点荷载可近似地取为节点两相邻单元重量的一半。

初期支护中喷射混凝土采用C25，二次衬砌中使用C40的混凝土，混凝土容重取25kN/m3，衬砌等分成30个直线梁单元，每个单元的长度为1.16m，单元20、21、22、23、24、25、26、27的厚度为45cm，其余单元的厚度都为65cm，单元宽度取为1m。

下面分别计算由衬砌自重在每个节点所产生的等效节点荷载：

节点21、22、23、24、25、26、27处的等效节点荷载：

0.45×1×1.16×25＝13.05kN，

节点20、28处的等效节点荷载：

0.45×1×0.58×25+0.65×1×0.58×25＝15.95kN，

其余节点处的等效节点荷载：

0.65×1×1.16×25＝18.85kN。

3、地层反力：

q=

×（hq+

）=18.5×（13.13+9.96）=427.17KPa。

4、单元刚度：

衬砌主要承受轴力和弯矩，将其离散成杆件单元，杆件厚度d即为承重结构的厚度，相应的杆件截面面积为A=d×1（m2）,抗弯惯性矩为I=1×d3/12（m4），弹性模量E（kN/m2）取为混凝土的弹性模量，C40的混凝土其弹性模量E=3.25×107kN/m2。

各杆件单元的截面面积分别如下：

杆件单元20、21、22、23、24、25、26、27截面面积：

A=0.45×1=0.45m2，EA=3.25×107×0.45=14625×103kN。

其余各杆件单元截面面积：

A=0.65×1=0.65m2，EA=3.25×107×0.65=21125×103kN。

各杆件单元的抗弯惯性矩分别如下：

杆件单元20、21、22、23、24、25、26、27抗弯惯性矩：

I=0.453/12=7.59×10-3m4，EI=3.25×107×7.59×10-3=246.68×103kN·m2。

其余各杆件单元的抗弯惯性矩：

I=0.653/12=22.89×10-3m4，EI=3.25×107×22.89×10-3=743.93×103kN·m2。

经求解结构力学器计算得出的弯矩图、剪力图、轴力图、位移图以及内力和位移输出如下所示：

1、弯矩图：

﹣9.49

﹣18.39

﹣25.22

3.34

15.48

24.89

30.14

25.59

17.95

6.84

﹣4.93

﹣20.19

-28.24

﹣140.82

65.52

58.80

6.77

﹣22.34

﹣1.68

45.69

54.37

﹣108.26

﹣428.88

﹣428.88

﹣269.67

﹣51.64

﹣100.82

﹣269.67

-56.43

-106.58

-241.68

-241.68

-447.48

-447.48

2、剪力图

84.08

136.84

﹣464.79

﹣424.31

﹣241.65

﹣202.82

﹣222.64

﹣265.55

﹣288.46

﹣257.06

﹣104.07

75.38

﹣189.17

﹣179.09

﹣88.10

﹣76.74

﹣111.86

﹣65.36

﹣8.39

﹣62.54

﹣83.62

﹣107.80

﹣126.77

﹣139.68

﹣143.81

﹣135.51

﹣126.77

﹣108.61

﹣89.37

﹣66.35

﹣51.40

﹣20.38

8.42

150.73

220.09

﹣87.66

69.87

253.21

292.48

272.83

229.48

206.84

242.25

385.83

496.35

19.84

50.80

68.26

85.63

105.91

123.52

78.15

68.57

65.34

92.60

109.65

127.80

139.88

134.74

143.39

﹣957.54

﹣790.15

﹣527.09

﹣489.95

﹣463.23

﹣453.55

﹣446.28

﹣448.65

﹣466.66

﹣490.63

﹣573.32

﹣843.43

﹣898.13

﹣886.38

﹣840.51

﹣759.07

﹣651.21

﹣529.23

﹣409.77

﹣308.44

﹣239.52

﹣224.64

﹣245.43

﹣314.02

﹣415.97

﹣538.23

﹣910.44

﹣874.22

﹣615.73

﹣490.25

﹣464.12

﹣448.45

﹣446.15

﹣453.67

﹣463.43

﹣488.81

﹣527.46

﹣717.30

717.30

﹣960.28

﹣912.91

912

﹣866.08

﹣780.23

780

﹣670.38

67

﹣546.08

546

﹣423.72

423.72

﹣318.74

31

﹣246.55

246.55

﹣217.39

﹣241.28

﹣302.48

302.48

﹣401.41

﹣520.67

﹣925.22

﹣664.66

﹣644.89

﹣777.20

﹣755.48

﹣869.11

﹣842.29

﹣894.88

3、轴力图

4、位移图

表1内力计算

杆端内力值（乘子=1）

--------------------------------------------------------------------------------------------

杆端1杆端2

----------------------------------------------------------------------------------

单元码轴力剪力弯矩轴力剪力弯矩

--------------------------------------------------------------------------------------------

1-894.88002178.1489972-106.579130-869.1100808.42175896-56.4334356

2-842.29086668.5728024-56.4334356-777.202559-20.3773563-28.2380698

3-755.47542065.3388911-28.2380698-664.659847-51.3956098-20.1868057

4-644.88887592.5972708-20.1868057-538.232230-66.3504633-4.92749790

5-520.666869109.654974-4.92749790-415.965898-89.37451326.83910288

6-401.405161127.7994886.83910288-314.017685-108.61158817.9523595

7-302.481050139.87820917.9523595-245.426527-126.76633625.5888296

8-241.278690143.39070725.5888296-224.640863-135.50786130.1353251

9-217.392075134.74106830.1353251-239.523512-143.81277424.8907725

10-246.546289123.51634824.8907725-308.442702-139.68311715.4827409

11-318.744737105.90860115.4827409-409.769355-126.7708313.34493826

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